Effects of Corrosion Resistance Characteristics of Opponent Materials in relative Motion on Sliding Wear Behavior of Mild Carbon Steel

상대재 내식성이 철강재료의 미끄럼마모 특성에 미치는 영향

Abstract

This study investigates the effects of corrosion resistance characteristics of opponent materials in relative motion on the sliding wear behavior of mild carbon steel. Pin specimens made of mild carbon steel are tested at several sliding speeds against mating discs made of two types of alloyed steels, such as type D2 tool steel (STD11) and type 420 stainless steel (STS420J2), with different corrosion resistance characteristics in a pin-on-disc type sliding wear test machine. The results clearly show that the sliding wear behavior of mild carbon steel is influenced by the corrosion resistance characteristics of the mating disc materials at low sliding speeds. However, the sliding wear behavior at high sliding speeds is irrelevant to the characteristics because of the rising temperature. During the steady state wear period, the sliding wear rate of mild carbon steel against the type 420 stainless steel at a sliding speed of 0.5 m/s increases considerably unlike against the type D2 tool steel. This may be because the better corrosion resistance characteristics achieve a worse tribochemical reactivity. However, during the running-in wear period at low sliding speeds, the wear behavior of mild carbon steel is influenced by the microstructure after heat treatment of the mating disc materials rather than by their corrosion resistance characteristics.

1. 서 론

두 물체가 미끄럼 상대운동을 할 때 발생하는 마모는 조건에 따라 다양한 형태를 보이나 그 중 대표적인 것이 응착마모이다. 응착마모는 두 물체 간에 응착이 일어난 후 마찰력에 의해 응착부 계면 또는 직하에서 전단이 일어나고 그 부분이 마모입자로 탈락하며 진행되는 마모형태이다[1]. 이 응착마모에 대한 이론적 해석은 이미 Holm이나 Archard 등 많은 학자들에 의해진행되어, 마모체적은 접촉하중과 미끄럼 거리에 비례하고 재료 경도에 반비례한다는 법칙으로 알려져 있다[2]. 그런데 실제 마모에 영향을 미치는 인자는 이들 변수 외에도 많이 있는 것으로 알려져 마모거동을 수식화하는 것이 용이한 과정이 아님을 알 수 있다[3].

트라이보시스템(tribosystem)의 설계에 활용되는 재료의 미끄럼 마모특성이라 함은 일반적으로 미끄럼 속도나 하중 또는 온도 변화에 따른 재료의 마모거동을 지칭한다[3]. 이들 변수들에 대한 철강재료의 마모특성 곡선의 경우는 소위 중마모(severe wear)나 연마모(mildwear)가 일어나는 구간들로 각각 구분된다[4]. 이와 같이 미끄럼 조건에 따라 철강재료의 마모거동이 변화하는 것은 각 조건에서의 트라이보케미칼(tribochemical) 반응성이 변화하여 마모면상에 산화물의 생성시기, 산화물의 생성 정도, 생성되는 산화물의 종류 등이 상이해지기 때문인 것으로 알려져 있다. 열 교환기나 화학플랜트, 해양 구조물 등과 같은 용도에 사용되는 트라이보시스템의 재료설계는 일반적으로 스테인리스(stainless)강과 같이 내열·내식성이 우수한 재료들 중심으로 이루어지고 있다[5], 그런데 재료의 내식성이라는 특성은 미끄럼 마모과정 중에 발생하는 트라이보케미칼 반응에 영향을 미쳐 마모거동에 영향을 미칠 것이 분명하다. 이 경우 미끄럼 조건에 따른 재료의 내식성과 마모거동과의 관계가 밝혀진다면 고온·부식 환경하의 트라이보시스템의 재료설계에 유익하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 내식성이 상이한 두 종류의 상대재에 대해 일반 구조용 탄소강의 마모 거동을 각각 조사한 후, 이들의 마모면 분석을 통해 내식성과 트라이보케미칼 반응과의 관계를 규명하고 트라이보시스템 재료설계에 대한 스테인리스강의 사용기준에 대해 검토하였다.

 

2. 실험방법

 

2-1. 시편제작

미끄럼 마모시험을 위해 우선 시판되는 일반구조용 탄소강 SM45C 환봉에서 소정의 핀(pin) 형태의 시험편(ϕ5.4 × 15 mm)을 선삭 가공하여 제작하였다. 그리고 상대재로는 내식성 차이가 나는 두 종류의 합금강 즉냉간 금형용 공구강 STD11(이하 STD)과 마르텐사이트(martensite)계 스테인리스강 STS420J2(이하 STS)을 선정하고, 이 두 종류의 환봉에서 각각 소정의 디스크(disc) 형상(Φ80×8 mm)의 시험편으로 선삭 가공한 후열처리를 하였다. 이들 재료의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 우선 STD의 열처리는 650o C에서 30분, 1,020o C에서 20분 유지하는 2단계 가열하고 유냉 한 후, 630o C에서 2시간 템퍼링(tempering) 처리하였다. 열처리 후 STD 상대재의 경도는 약 HR C 43.5인 것으로 확인되었다. 스테인리스강 중에서 내식성은 오스테나이트(austenite)계 스테인리스강이 가장 우수한 것으로 알려져 있으나[6] 본 연구에서는 이 정도의 내식성은 아니나 비교 상대재인 STD의 열처리 경도를 고려해 마르텐사이트계 스테인리스강을 선정하였다. 이 STS는 940o C에서 20분 유지 한 후 유냉하고 530o C에서 2시간 템퍼링 처리하는 열처리를 하였다. 이 상태에서 경도가 약 H_RC 41.7인 것으로 확인되었다.

 

Table 1. Chemical composition of testpiece materials for wear test

 

2-2. 마모시험

 

Table 2. Conditions of sliding wear test

미끄럼 마모시험은 pin-on-disc형 미끄럼 마찰마모시험기[4,7]를 활용하였다. 이때 시험 하중은 500 g, 접촉부의 선속도는 0.25 m/s에서 5 m/s 사이의 7 가지 속도를 선정하였다. 각 속도에서의 총 미끄럼 거리는 6 km까지로 하고 실온, 무윤활 상태에서 시험하였다. 또한핀과 디스크의 마모면에 대해서는 시험 전 #600 어브레시브 페이퍼(abrasive paper)로 거칠기를 조절하고 미끄럼 마모시험을 하였다. 그리고 마모량은 소정의 미끄럼 거리마다 핀 시편의 중량 감소를 통해 산출하였으며, 동일 조건에서 2-4번의 시험을 하고 그 평균값을 사용하였다. 본 연구의 미끄럼마모 시험 조건을 Table 2에 요약하였다.

 

3. 실험결과 및 고찰

 

3-1. 미끄럼 마모거동

 

Fig. 1. Change of wear loss of pin specimen along with sliding distance against stainless steel(STS420) and alloyed tool steel(STD11).

 

Fig. 2. Wear characteristics of pin specimen as a function of sliding speed against stainless steel(STS420) and alloyed tool steel(STD11).

Fig. 1은 두 종류의 상대재에 대해 각각 여러 속도에서 마모시험을 수행한 후, 미끄럼거리에 따른 핀 시편의 마모량의 변화를 도시한 것이다. 그림에서 보듯이 미끄럼 속도에 따라 변화하는 경향이 상이하나 대부분의 마모거동이 초기마모에서 마모 발생이 현저하다가 점차 마모 발생이 적은 정상마모로 변화하는 형태를 보이고 있다. 이중 STS를 상대재로 했을 때 0.5 m/s 속도에서의 변화 경향은 현저한 마모를 나타내는 초기마모의 상태가 지속되고 있고, 5 m/s 속도의 변화 경향은 마모량이 적은 초기마모의 상태가 지속되는 것을 관찰할 수 있다. Fig. 2는 Fig. 1의 변화들을 각각 초기마모와 정상마모 영역으로 구분한 뒤, 상대재 별미끄럼 속도에 대한 마모율의 변화를 도시한 것이다. 그림에서 보듯이, 상대재 종류에 따른 마모율의 차이를 나타내는 것은 저속도 시험구간 즉 초기마모 영역에서는 1.5 m/s 이하의 모든 속도, 정상마모 영역에서는 0.5 m/s 한 속도에서만 관찰되고 있다. 이와 같이 저속도 시험구간에서만 상대재 종류의 영향이 관찰되는 것은 이들 속도에서는 마찰면의 온도 상승이 적어재료 차체의 내식성이 직접 트라이보케미칼 반응에 영향을 미쳤기 때문으로 생각된다. 한편 이 구간에서 상대재 종류에 따른 마모율의 상대적 대소는 마모 영역에 따라 상반된 거동을 보이고 있다. 즉 정상마모 영역의 0.5 m/s에서는 STS 상대재의 마모율이 STD 상대재의 경우보다 큰 것으로 밝혀졌으나 초기마모 영역에서는 오히려 STS 상대재의 마모율이 적은 것으로 밝혀졌다. 정상마모 영역에서의 이러한 마모율의 상대적 차이는 전술한대로 재료 자체 내식성의 영향으로 생각되나 초기마모 영역에서의 차이는 상대재 간 재료의 열처리 조직 차이에 기인하는 것으로 판단된다.

 

3-2. 마모면 해석

 

Fig. 3. Optical micrographs on worn surfaces of pin and the mated alloyed tool steel(STD11) disc after testing at several sliding speeds.

Fig. 3은 STD 상대재로 여러 속도에서 시험 한 후,핀 시편 및 상대재 마모면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 핀 시편의 경우, 0.25 m/s의 마모면에서는 미세한 흑색 반점이 관찰되나 속도가 증가할수록 그 흑색 반점들이 밀집된 형태를 보이다가 3.5m/s에서는 회색 화합물이 전면을 덮고 있는 상태로 변화함을 알 수 있다. 한편 상대재 디스크 마모면의 경우는 0.25 m/s에서 현저한 띠 모양의 흑색 화합물이 관찰되나 속도가 증가함에 따라 그 양이 점차 줄어들고 회색의 화합물이 증가하는 변화를 보이고 있다. 특히 3.5 m/s에서는 핀 시편과 유사하게 전면을 회색의 화합물이 덮고 있는 것으로 밝혀져, 이 이상의 속도에서는 접촉면의 온도 상승이 현저하였던 것으로 추정된다. Fig. 4는 Fig. 3과 동일하게 STS 상대재 시험 후마모면을 관찰한 결과를 나타낸 것이나, 0.5 m/s과 3.5 m/s 두 속도의 마모면 양상이 Fig. 3의 결과와 상이함을 알 수 있다. STS 상대재로 0.5 m/s에서 시험한 핀시편 및 상대재 디스크 마모면에서는 STD의 결과(Fig. 3)와 달리 전혀 흑색 화합물이 관찰되지 않고 있다. 또한 3.5 m/s에서 시험한 마모면에서는 스크래치(scratch)의 정도가 상이하다. Fig. 5는 상대재의 종류에 따라 마모면의 양상이 상이했던 0.5 m/s의 속도에서의 핀 시편과 상대재 디스크 마모면에 대한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진을 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 STD를 상대재로 시험한 핀 시편과 상대재 디스크 마모면에서는 국부적으로 소성변형된 부위가 관찰되나 전반적으로 평활함을 알 수 있다. 한편 STS 상대재 시험 후의 핀 시편과 상대재디스크 마모면의 양상은 전형적인 응착마모의 마모면임을 알 수 있다. 이들 마모면(Fig. 5)에 대해 에너지분산분광분석(Energy dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)을 실시한 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 6은 STD 상대재 시험 후의 핀 시편과 상대재디스크 마모면의 분석 결과이나 그림에서 보듯이 이들마모면에서는 모두 높은 산소 피크가 관찰되어, 이들마모면 상에는 산화물이 존재함을 시사하고 있다. 결국 Fig. 3 상의 유색 화합물들은 철 산화물이고 트라이보케미칼 반응에 의해 생성된 것임을 알 수 있다. 반면, STS 상대재 시험 후의 핀 시편과 상대재 디스크 마모면에서는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 이 경우는 산소 피크가 불명확한 것으로 밝혀져 트라이보케미칼 반응이 일어나지 않은 것으로 생각되었다. 그러나 이 0.5 m/s를 제외한 다른 속도의 모든 마모면에서는 정도의 차이는 있으나 모두 산소가 검출되어 산화물의 존재를 예측할 수 있었다. 그렇지만 STS 상대재 시험시는 재료 자체의 높은 내식성으로 인해 트라이보케미칼 반응이 일어나기 어렵기 때문에 STS 마모면상에서 관찰된 산화물들은 트라이보케미칼 반응에 의한 것이 아니고 대부분 핀 시편 측에서 이착된 것으로 보는 것이 타당할 것으로 생각되었다. 이러한 측면에서 STS와 같이 내열·내식성이 우수한 재료들 중심으로 이루어지는 트라이보시스템의 재료설계 시에는 상대 핀 시편 측의 트라이보케미칼 반응 발생 유무가 마모거동을 좌우한다 해도 과언이 아닐 것이다.

 

Fig. 4. Optical micrographs on worn surfaces of pin and the mated stainless steel(STS420) disc after testing at several sliding speeds.

 

Fig. 5. SEM images of worn surfaces of pin and the mated disc tested at 0.5m/s.

 

Fig. 6. Result of EDX analysis on worn surfaces of pin and the mated alloyed tool steel (STD11) disc tested at 0.5m/s.

 

Fig. 7. Result of EDX analysis on worn surfaces of pin and the mated stainless steel (STS420) disc tested at 0.5 m/s.

Fig. 8은 0.5 m/s의 속도에서 상대재 별로 각각 초기마모 영역으로 예상되는 미끄럼 거리(STD 상대재 시험은 0.2 km, STS 상대재 시험은 0.3 km)까지 마모시험하고 각 마모면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 상대재 종류와 무관하게 어느 마모면에서도 유사한 응착마모 양상을 나타내어 초기마모 영역에서의 마모거동은 상대재 내식성에 큰 영향을 받지 않는 것으로 밝혀졌다. Fig. 9에 이들 두 상대재 디스크 마모면(초기마모 영역에 해당)에 대해 미끄럼방향에 수직방향으로 측정한 표면 프로파일(profile) 곡선을 나타내었다. 그림에서는 비교를 위해 6 km까지 시험 후 마모면의 프로파일 곡선(정상마모 영역에 해당)도 함께 도시하였다. 초기마모 영역에서는 상대재 종류에 따른 마모 깊이가 거의 유사하나 정상마모 영역에서는 현저한 차이가 있음을 알 수 있다. 그리고 마모 영역에 관계없이 STD 상대재 프로파일에서는 미세한 요철이 현저함을 알 수 있다. 상대재에 따른 이러한 미세 요철 발생 차이는 재료의 열처리 조직에 기인하는 것으로 판단되었다. 즉 STD와 STS의 열처리 조직은 공히 마르텐사이트 분해로 인한 α상과탄화물로 구성되어 있다. 특히 열처리 후 생성되는 탄화물은 STD의 경우, 합금원소 Cr에 의한 경도 Hv 1,500 정도인 M₇C₃ 계 및 V에 의한 Hv 2,200 정도인 MC계이고 STS의 경우는 Hv 1,300 정도인 M₂₃ C6 계인 것으로 알려져 있다[8]. 또한 STD의 경우는 탄소 농도도 높아 열처리 후 생성되는 탄화물 양도 많을 것이 분명하다. 결국 마찰면의 온도도 낮고 트라이보케미칼반응이 일어나지 않은 초기마모 단계에서는 STD나STS 상대재 공히 응착마모가 진행되지만 특히 STD상대재의 경우는 조직 속에 다량으로 존재하는 고경도의 탄화물이 추가적으로 어브레시브(abrasive) 입자로 작용한 것으로 생각된다. 한편 일반적으로 철강재료는 0.5~1.5 m/s의 속도 부근에서 기계적 파괴마모(severe wear, 중마모)가 일어나는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 사용한 STD 상대재의 열처리 후 조직은 투르스타이트(troostite) 조직으로 철강재료 중 트라이보케미칼 반응성이 아주 강한 조직으로 알려져 기계적 파괴마모(severe wear, 중마모)가 일어나지 않는 마모 특성을 가지는 것으로 알려져 있다[7]. 따라서 초기마모 이후 바로 디스크 상대재 측에서 트라이보케미칼 반응이 일어나므로 정상마모영역에서의 마모율을 현저히 감소시키게 된다. 이러한 측면에서 Fig. 9에서 초기마모나 정상마모 영역의 프로파일이 거의 유사함을 알 수 있다. 반면 STS 상대재의 경우는 그림에서 보듯이 정상마모영역에서 현저한 그루브(groove)가 형성된 것으로 미루어 초기마모 이후에도 마모가 현저히 진행되고 있음을 시사하고 있다. 결국 핀 시편이 0.5 m/s 부근에서 기계적 파괴마모가 일어나는 마모특성을 가지고 있고상대재인 STS는 자체의 내식성으로 그 속도에서 트라이보케미칼 반응이 일어나지 않기 때문에 이러한 조건이 맞물려 금속간 접촉이 지속되고 마모율이 급증한 것으로 판단된다.

 

Fig. 8. SEM images of worn surfaces of pin and the mated disc observed in running-in wear regime tested at 0.5 m/s.

 

Fig. 9. Profile curve on worn surfaces.

 

4. 결 론

본 연구에서는 일반 구조용 탄소강 SM45C의 미끄럼 마모 특성을 내식성이 상이한 두 종류의 합금강(STD11, STS420J2)을 상대로 각각 조사하고 그 결과를 비교 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 미끄럼마모 거동에 미치는 상대재 내식성의 영향은 저속도의 마모시험 시에 나타났다.

2) 내식성이 좋은 재료는 트라이보케미칼 반응을 억제하는 것으로 밝혀졌다. 이 경우 상대 재료에서도 트라이보케미칼 반응이 진행되지 않을 경우 마모율이 급증한다.

3) 그러나 초기마모영역에서의 마모거동은 상대재 열처리 조직의 영향을 받는 것으로 밝혀졌다.

4) 스테인리스강을 활용한 트라이보시스템의 재료설계는 필히 상대재료의 마모면상에서 트라이보케미칼반응이 진행되는 재료선정이 필수적이다.