Comparison of Mechanical properties and Surface Friction of White Metals Produced by Centrifugal and Laser Cladded on SCM440

DOI https://doi.org/10.9725/kts.2018.34.3.84

원심주조방식과 레이저 클래딩 증착법을 통한 화이트메탈의 기계 및 마찰특성 비교

정재일¹ㆍ김동혁¹ㆍ박진영¹ㆍ오주영¹ㆍ최시근¹ㆍ김석삼²ㆍ조영태³ㆍ이 호⁴ㆍ함승식⁴ㆍ김종형^1,†

1

한국생산기술연구원,

말레이시아 사바대학교 기계공학과,

3

창원대학교 기계공학과,

경북대학교 기계공학과

Comparison of Mechanical properties and Surface Friction of White Metals Produced by Centrifugal and Laser Cladded on SCM440

Jae-Il Jeong

, Dong-Hyuk Kim

, Jin-Young Park

, Joo-Young Oh

, Si-Geun Choi

, Seock-Sam Kim

, Young Tae Cho

, Ho Lee

, Seung-Sik Ham

and Jong-Hyoung Kim

1

Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Daegu, Korea

2

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Malaysia Sabah, Sabah, Malaysia

3

Changwon National University, College of Mechatronics Engineering, Mechanical Engineering

4

Kyungpook National University, College of Mechatronics Engineering, Mechanical Engineering (Received March 31, 2018; Revised May 2, 2018; Accepted May 5, 2018)

Abstract − Bearings are essential for reducing vibration and wear, in order to achieve high durability and increase longevity. White metal treatment of tilting pads via centrifugal casting method has the possibility of increasing durability. However, this manufacturing method has drawbacks such as long processing time, high defect rate, and harmful health effects. Laser cladding deposition technique is a powerful method that can address these issues by decreasing the processing time and providing good adhesion. In this study, we suggest optimum conditions for laser cladding deposition that can be used in industrial applications. We deposited a soft white metal layer on SCM440 that is primarily used in shafts to minimize wear of bearing pads. During the laser depo- sition process, we controlled factors such as laser power, powder feed rate, and laser head speed to determine the optimum conditions. In addition, we measured the hardness using micro Vickers, and performed field emis- sion scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, and friction tests to investigate the mechanical properties and surface characteristics for different parameters. Based on the exper- imental results, we suggest that laser power, powder feed rate, and laser head speed of 1.3 kW, 2.5 rpm, and 10 mm/s, respectively, constitute the optimum conditions for producing white metals using laser cladding.

Keywords − bearing(베어링), laser cladding(레이저 클래딩), mechanical properties(기계적 성질), surface friction ( 표면 마찰), white metal(화이트메탈)

Nomenclature

kW : Kilowatt (전력)

rpm : Revolution per minute (분당회전수)

mm/s : Millimeter per second (속도) Hv : Hardness Vickers (비커스 경도)

1. 서 론

베어링은 회전하고 있는 기계 축의 자중과 하중을 지 지하면서 축을 회전시키는 중요한 역할을 하는 기계요 소로써, 주력산업 및 미래산업 등 모든 산업에서 사용

†

Corresponding author: [email protected] Tel: +82-53-580-0187, Fax: +82-53-607-1120 http://orcid.org/0000-0002-7217-4347

ⓒ 2018, Korean Tribology Society

보수와 관련하여 기계의 신뢰성에 영향을 주는 요소이 다. 이러한 베어링의 내구성을 높이기 위하여 균질화 연구, 베어링 소재에 표면처리와 같은 연구가 활발히 진행 되고 있는 있다[2].

특히, 화이트 메탈 표면처리는 베어링과 접촉하는 축 의 마모를 최소화함과 동시에 베어링의 내구성을 높일 수 있는 방법으로 인식되고 있다[3, 4]. 현재 산업에서 적용되는 일반적인 화이트메탈 표면처리는 원심주조방 식과 중력주조제조방식이 있으나 높은 불량률, 환경적 인 위험 그리고 작업자의 숙련도에 따라 제품의 내구 성이 결정된다는 단점이 있다.

레이저 클래딩 증착 처리법은 고온에서의 내마모성, 피로 강도 및 내식성이 개선되고 모재에 대한 입열량 이 적어 열 영향 및 열 변형을 줄일 수 있는 장점을 지니고 있으며[5-7], 레이저 클래딩 방식을 응용하여 소재의 내구성을 높이는 기술이 실제 산업시장에서 많 은 관심을 보이고 있는 실저이다[8-10].

본 연구에서는 샤프트 그리고 베어링 재료로 쓰이는 SCM440 소재에 레이저 출력, 분말 공급량, 레이저 헤 드이동속도 등 다양한 공정 변수에 따라 클래딩 접합 을 수행하였으며, 각 조건에 따라 적층된 시험편의 기 계적인 특성을 이해하기 위해 경도, SEM, EDS, XRD 분석을 수행하였으며 마찰시험을 통해 화이트메

본 연구에서는 클래딩 접합하기 전, 모든 샘플 에 탈수소 열처리를 수행하였다. 화이트메탈접합에 사용 된 파우더는 베어링과 접촉되는 축의 마모를 줄이기 위 해 활용되는 소재로서, 주요 구성성분은 Table 1과 같다.

Fig. 1 은 화이트메탈 증착에 사용된 파우더로서, 입자의 크기는 약 2~30 μm임을 알 수 있으며 Fig. 1(a)와 같 이 비교적 균일한 사이즈로 이루어졌음을 알 수 있다.

모든 시험편은 세로 20 mm, 높이 30 mm 범위 내로 마운팅 제작하여 입자 2000까지 폴리싱하여 분석하였다.

2-2. 실험 방법

레이저 클래딩 장비는 Fig. 2에 도시한 바와 같이, 최 대출력 2.0 Kw, 분말공급량 5~200 g/min과 8 × 3 mm 의 빔사이즈, Coaxial type의 레이저 헤드 및 노즐로 구성되어 있으며 클래딩하는 동안 산화방지를 위해 아 르곤 분위기에서 수행하였다. 화이트메탈접합의 주요 공정변수는 Table 2에 설명한 바와 같이, 레이져 출력,

Table 1. Chemical composition (%) of white metal powder

Sn Sb Cu Bi Pb Al

88.7 7.8 3.5 0.02 0.01 0.001

Fig. 1. SEM photograph of white metal: (a) x150, (b) x10000.

파우더 공급량 그리고 헤드의 이송속도를 주요인자로 선정하였다. 경도시험에 사용된 장비는 Matsuzawa의 AMT-X7FS 모델로서 본 연구에서는 클래딩층과 모재 깊이에 따라 경도변화를 분석하기 위하여 클래딩 층의 경우 5회, 모재는 가로 1 mm, 세로 0.1 mm 단위로 이동하면서 총 15회 측정하여 깊이에 따라 분석하였다.

조직분석은Hitachi, SU8220 모델의 전계방사형 주사 전자현미경으로 조직 및 클래딩층의 형상을 관찰하고 EDS 를 통하여 클래딩층과 모재 그리고 열영향부 (HAZ) 의 성분변화를 분석하였다.

마찰시험의 경우, Ball on disc type 방식으로 최대하 중 20N, 최대속도 200 rpm의 조건으로 1시간 동안 수 행하였고, 신뢰성있는 결과를 위해 각 조건 당 3회 반복 시험하였으며 볼의 지름이 Φ8 mm인 베어링강을 상대재 로 사용하였다. 마모시험 시편의 경우, 가로 20 mm, 세 로 6 mm, 두께 8 mm로 제작하여 폴리싱 처리하였다.

또한, 화이트메탈 처리시 야기되는 파우더의 성분 및 결정구조의 변화를 분석하기 위하여 XRD 분석을 수 행하였으며 Panalytical 모델의 Pro-MPD 장비로 분석 하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3-1. 마이크로 비커스 경도 측정

Fig. 3 은 분말공급량 2.5 rpm, 헤드이동속도 10 mm/s,

헤드높이 22 mm의 조건하에 레이저 출력 값(1.1 kW, 1.3 kW, 1.5 kW) 변화에 따른 SCM440 깊이 별 경도 측정 결과를 나타낸다. 검은색으로 표시된 원심주조방식 화이트 메탈층의 비커스 경도는 약 24~26 Hv이며, 경계 층 지점에서는 약 205 Hv의 경도 값을 보였다. 0.1 mm 에서 심부쪽방향 깊이에 따른 경도 값은 크게 변하지 않 았으며 평균 155.6 Hv의 경도 값임을 알 수 있었다.

레이저 클래딩 방식의 화이트메탈층의 경도 값의 경 우, 원심주조방식의 경도 값과 유사하였으나, 0.1 mm 깊이에서 부터 원심주조방식에 비해 경도값이 상승하 는 경향을 나타냈다. 특히, 레이저 출력 값이 높아질수 록 열영향부(HAZ)의 경도 값이 더욱 상승하는 것을 알 수 있으며, 0.1 mm 깊이에서 1.3 Kw의 경우, Table 2. Parameters of laser cladding process

Parameter Values

Laser power (kw) 1.1, 1.3, 1.5 Powder supply rate (rpm) 2.5, 3.0, 3.5 Head speed (mm/s) 10, 15, 20

Fig. 3. Comparison of micro vickers average hardness according to variable laser power.

Fig. 2. Construction of laser cladding system.

Fig. 4. Comparison of micro vickers average hardness

according to variable supply rate.

325 Hv, 1.5 kW 에서는 약 380~450 Hv의 경도 값을 보이면서 0.2 mm까지 270~330 Hv 이상의 경화층이 나타남을 확인할 수 있었다.

Fig. 4 는 레이저 출력 1.3 kW, 헤드이동속도 10 mm/s, 헤드높이 22 mm 조건하에서 분말공급량(2.5 rpm, 3.0 rpm, 3.5 rpm) 변화에 따른 경도 값을 나타내고 있 다. 레이저 출력 1.3 kW 경우와 유사한 경도 값을 나 타냈고, 0.1 mm 깊이에서 가장 높은 경도 값을 보였 으며 분말공급량이 적을수록 더 높은 경화층이 형성되 었다. 이는 동일한 레이저 출력량과 헤드이송속도에서 분말량이 적을 경우, 레이저에 의해서 모재에 직접 조 사되는 입열량의 증가로 인하여 소재의 조직 변화에 따른 영향때문으로 판단된다.

Fig. 5 은 레이저 출력 1.3 Kw, 분말공급량 2.5 rpm, 헤드높이 22 mm 조건하에서 헤드 이동속도 (10 mm/s, 15 mm/s, 20 mm/s) 변화에 의한 경도변화를 나타낸 것으로, 본 연구에서는 헤드의 이송속도가 증가할수록 경도 값이 낮아짐을 알 수 있었고 경도 값이 약 220 Hv 에서 350 Hv으로 측정되었다.

3-2. SEM 미세조직 분석 및 EDS 분석

원심주조방식의 화이트메탈의 경우, Fig. 6에서 도시 한 바와 같이, 모재와 접촉부 사이에 열영향부(HAZ) 가 존재하지 않음을 알 수 있으며, 이러한 현상은 앞 에서 설명한 경도 값의 데이터와 부합되는 것임을 알 수 있다. Table 3은 EDS 분석을 통한 경계층과 화이 트메탈 클래딩층의 화학성분을 나타내고 있으며 파우 더의 주요 성분인 Sn 성분이 가장 많이 함유되어 있

음을 알 수 있었다.

레이저 출력에 따른 SEM 촬영사진은 Fig. 7(a)사진 에서 보는 바와 같이, 1.1 kW의 경우, SCM440모재 와 화이트메탈 간의 균일하지 못한 열영향부가 형성됨 을 알 수 있었다. 특히, 클래딩하는 동안 파우더가 충분 히 용융되지 못하여 화이트메탈이 원활하게 적층되지 않 았음을 알 수 있었다. 1.5 kW의 경우, 약 81.0 μm의 비 교적 균일한 열영향부층이 형성하였으며 이는 모재와 화이트 메탈 사이에 높은 밀착력을 가질 것으로 판단 되나, 1.5 kW의 경우, 과한 레이저출력으로 인하여 화 이트메탈을 적층되는 동안 입열에너지가 모재의 내부 까지 영향을 받아 화이트메탈 내부에 모재의 성분이 혼합되었음을 Fig. 7(c)에서 알 수 있었다. 이러한 혼 합층으로 인한 경도상승은 실제 베어링과 접촉되는 축 의 마모를 야기할 것으로 판단된다.

이러한 혼합층의 구성성분은 Fig. 8의 EDS 분석에 서 나타난 바와 같이, 화이트메탈층의 경우, 모재에 함 유된 Fe 성분이 1.1 kW일 때 1.39%, 1.5 KW일 때 75.06% 로 높아진 반면, 화이트 메탈의 주요성분인 Sn Fig. 6. SEM image of centrifugal casting type white metal.

Table 3. Chemical composition of centrifugal casting specimen

Element a b

Wt% Wt%

Si 0.51 0

Fe 10.96 0.81

Cu 12.31 39.95

Sn 71.44 56.53

Sb 4.77 2.7

Total 100 100

Fig. 5. Comparison of micro vickers average hardness

according to variable head speed.

이 95.74%에서 19.01%로 현저히 낮아졌음을 알 수 있었다. HAZ 영역에서는(Fig. 8b) Fe비율이 53.98%

에서 90.02%로 증가, Sn 비율이 35.14% 에서 5.71%로

감소함을 알 수 있었고, 이는 앞서 측정한 Fig. 3의 결과에서 나타나듯이 0.1 mm 구간에서 레이저 출력이 높을수록 클래딩 층으로 모재의 Fe 성분이 확산되어 클 Fig. 8. Comparison of EDS results along laser power of laser cladding: (a) cladding layer, (b) HAZ layer.

Fig. 7. SEM photography of the laser cladding (laser power): (a) 1.1 kW, (b) 1.3 kW, (c) 1.5 kW.

래딩 층의 경도 값이 상승하는 결과와 부합됨을 알 수 있다. 이러한 결과를 토대로, 본 연구에서는 1.3 kW 일 때 화이트메탈을 적층하기에 가장 적합할 것으로 판단 된다.

이에 따른 레이저 출력이 1.3 kW 기준으로 분말 공급량 그리고 레이저 헤드 이송속도 변화에 따른 성 분변화를 분석하였다. 파우더 공급량이 2.5 rpm(Fig. 9a) 의 경우, 평균 32.8 μm 두께의 균일한 열영향부층이 Fig. 10. Comparison of EDS results with powder supply rate: (a) cladding layer, (b) HAZ layer.

Fig. 9. SEM photography of the laser cladding (powder supply rate): (a) 2.5 rpm, (b) 3.5 rpm.

형성되었으나 공급량이 3.5 rpm(Fig. 9b)일 때에는 균 일하지 못함을 알 수 있었다.

그리고 레이저헤드의 이송속도를 10 mm/s, 20 mm/s 로 비교하여 실험한 결과, Fig. 11과 같이 10 mm/s 일

때 균일한 열영향부층이 형성됨을 알 수 있었다. 각 조 건에서의 EDS 분석결과, Fig. 10과 Fig. 12에서 그래 프로 표시한 바와 같이, 분말 공급량이 증가하거나 헤 드 이송속도가 낮을 수록 Fe 성분이 감소하며 주요성 Fig. 11. SEM photography of the laser cladding (head speed): (a) 10 mm/s, (b) 20 mm/s.

Fig. 12. Comparison of EDS results with head speed of laser cladding: (a) cladding layer, (b) HAZ layer.

이트메탈의 결정구조를 비교하기 위하여 Fig. 13과 같 이 XRD 분석을 수행하였다. 파우더 스펙트럼의 경우, 전체적으로 일반적인 주석계의 화이트 메탈성분의 형 상을 나타내고 있으나, 레이저 클래딩된 화이트메탈층 의 스펙트럼 경우, 증착 전의 파우더에 비해 피크치가 훨씬 높음을 알 수 있었다. 이는 용융되는 동안 결정 화 온도 이상에서 파우더입자들간의 강한 응집현상과 동시에 결정화가 되면서 클래딩 전의 파우더보다 배향

조방식과 레이져클래딩방식으로 제작된 시험편을 비교 및 분석하기 위한 연구로서 약 1시간의 기초적인 마찰 시험을 수행하였으며 장시간 구동 시, 야기되는 마모 특성에 관한 연구는 추후에 수행할 예정이다.

4. 결 론

원심주조방식과 다양한 공정변수에 따른 레이저 클 래딩방식의 화이트메탈증착의 시험결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 원심주조방식과 레이저 클래딩 방식에서 클래딩 (White metal) 층의 경도 값은 24~26 Hv 값을 나타났으 나, 클래딩 공정의 경우, 0,1 mm 깊이에서 경도 값이 레이저 출력 1.1 kW 일 때, 평균 200 Hv, 1.3 kW 일 때, 325 Hv, 그리고 1.5 kW 일 때, 430 Hv 경도 값 이 상승하였다.

(2) SEM, EDS 분석결과, 원심주조방식에서는 열영 향부가 나타나지 않았으나 레이저 클래딩 방식의 경우, 레이저 출력, 이송속도, 그리고 파우더 헤드의 이송속 도에 따라 화이트메탈 층의 특성이 다르게 나타났으며 본 연구에서는 레이저 출력 1.3 Kw, 분말공급량이 2.5 rpm, 그리고 헤드 이송속도 10 mm/s 일 때, 최 적 조건의 화이트메탈 층이 형성되었다.

(3) XRD 분석 결과, 두 방식 모두 Sb1 Sn1 또는 Sb2 Sn23 결정상을 나타내는 피크를 보였으나, 레이져 클래딩으로 제작된 화이트메탈의 경우, 증착 전 파우더 에 비하여 피크의 세기가 훨씬 높게 나타났으며, 이는 용융되는 동안 결정화 온도 이상에서 파우더입자들간의 강한 응집현상과 동시에 결정화가 되면서 클래딩 전의 파우더보다 배향성이 향상되었기 때문으로 판단된다.

(4) 원심주조공정방식과 레이저 클래딩 방식의 마찰 시험 결과, 모두 약 0.3의 유사한 마찰계수를 보였으며 본 연구결과를 토대로 레이져클래딩 방식의 화이트메 탈표면처리가 기존의 원심주조방식을 단점을 보완할 수 있는 방안이 될 것으로 판단된다.

Fig. 13. XRD results of powder and laser cladded white metal.

Fig. 14. Comparison of friction coefficient between

centrifugal casting and laser cladding.

Acknowledgements

이 연구는 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지역산업거 점기관지원사업인 High-Tech베어링산업기반구축사업 (Research no. 0004585)의 재정으로 지원되었습니다.

References

[1] Kim, S. G., Choi, J. H., An, D. W., “Feature extraction for bearing prognostics based on frequency energy”, The journal of the Korea institute of intelligent trans- port systems, Vol. 16, No. 2, pp. 128-139, 2017.

[2] Hyun, J. S., “Rolling bearing development and research trends”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 7, No. 1, pp. 7-15, 1991.

[3] Jun, J. U., Hawng, Y. M., Kim, S. K., Ke, J. Y., Kim, J.

A., Ha, M. K., “High strength's union of mass lay- ers metal bearing”, Journal of Korean Society for Precision Engineering, Oct. 01, pp. 792-795, 2004.

[4] Park, T. J., “Lubrication characteristics of laser textured parallel thrust Bearing: Part 3 – Effect of Number of Dimples”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 27, No. 6, pp. 302-307, 2011.

[5] Lee, J. H., Sub, M. H., Han, Y. H., “Laser cladding”, Journal of Welding and Joinging, Vol. 18, pp. 27-

35, 2004.

[6] Seo, M. H., Lee, J. H., Han, Y. H., “Laser cladding technology”, State of the art report., Vol. 11, No. 1, pp. 111-117, 1999.

[7] Wang, Y., Zhao, S., Gao, W., Zhou, C., Liu, F. and Lin, X., “Microstructure and properties of laser cladding FeCrBSi composite powder coatings with higher Cr content”, Journal of Materials Process- ing Technology, Vol. 214, pp. 899-905, 2014.

[8] Gedda, H., “Laser surface cladding – A literrature survey”, Tech. Rep, 2000.

[9] Kang, N. H., Yoo, Y. G., “Laser cladding technology in overlay welding”, J. Korean. Weld. Joining. Soc., Vol. 25, No. l, pp. 7-8, 2007.

[10] Telasang, G., Majumdar., J. Dutta., Padmanabham, G., Manna, I., “Structure-property correlation in laser surface treated AISI HI3 tool steel for improved mechanical properties”, Mater. Sci. Eng., A, Vol. 599, pp. 255-261, 2014.

[11] OKKA, A., Choi, W. S., “Tribological characteris- tic of scm440 bearing steel in tractor”, pp. 15, 2016.

[12] Choi, G. S., Darisuren, S., Lee, S. C., Kim, J. H., Amanov, A., Pyun, Y. S., “Frictional and fatigue charac- teristics of journal bearings by ultrasonic nanocrystal surface modification”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr.

Eng., Eng. Vol. 31, No. 1, pp. 1-5, 2015.