Ⅰ. 서론
철계소재는 항공우주, 조선 및 자동차 산업 등 다양한 산업분야에서 사용되며, 상온 및 고온에서의 기계적 물성이 우수하기 때문에 많은 분야에서 필수적인 재료로서 사용되어지고 있다. 이 중 합금 원소의 비율이 5 wt.% 미만으로 비합금 강보다 높은 강도와 기계적 특성을 갖는 저합금강은 수송급 항공기 및 고속전철 등 대형 수송기기의 제동디스크로서 널리 사용되고 있다.
항공기 및 고속전철용 제동디스크는 승객의 안전과 직결되는 부품인 치명성 부품으로 분류되어 있기 때문에 제동디스크의 성능과 내구성에 대한 신뢰성 평가는 매우 중요하다.
제동디스크의 마모특성은 제동성능과 내구성을 결정하는 중요한 요소 중의 하나로서 제동 시에 발생하는 제동패드와의 마찰은 디스크의 표면 손상과 마모로 이어지며, 이는 제동성능의 저하와 부품의 교체 주기를 결정짓게 된다. 따라서 제동디스크의 마모 특성을 정확히 이해하고 평가하는 것은 수송기기의 운전 안정성 및 승객의 안전성을 향상시키는데 필수적이다.
마모 특성은 사용 환경, 화학 조성 및 경도 등 다양한 요인에 의해 결정되며[1]-[3], 이러한 요소들은 마모특성에 복합적으로 영향을 미치기 때문에 이에 대한 연구가 매우 중요하다.
국외에서는 Rai 등[4]이 보고한 Ni-Cr-Mo-V강의 다양한 미세구조에 따른 마모특성 차이에 대한 연구가 진행되었으며, Woodford 등[5]이 뜨임 취성과 저온 오스테나이트화 열처리를 결합한 Ni-Cr-Mo-V강의 상변화에 대한 연구가 보고되고 있다.
국내에서는 Goo 등[6]이 보고한 Ni-Cr-Mo계 제동디스크의 마찰특성 등에 대한 연구가 진행되었으며, 최근에 Jo 등[7]이 Ni-Cr-Mo-V계 저합금강의 미세조직과 기계적 특성 및 열물리적 특성에 대한 연구가 보고되고 있으나, Ni-Cr-Mo-V계 저합 금강의 마찰 및 마모 특성에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
이에 본 연구에서는 높은 제동에너지 흡수능을 갖는 Ni-Cr-Mo-V계 및 Ni-Cr-Mo계 저합금강을 제조하여 마모시험을 진행하였으며, 합금성분 변화에 따른 마찰/마모특성 및 미세조직의 변화를 연구하였다.
Ⅱ. 시험방법
2-1 시편 준비
본 연구에 사용된 Ni-Cr-Mo-V 및 Ni-Cr-Mo 저합금강의 화학성분을 분광광도계(OES, OBLF QSN_750)로 분석한 결과를 표 1에 나타내었다. 합금명은 합금원소 중 많이 첨가된 원소로 하였으며, 4종의 합금명은 Cr-Mo-V(#1), C-Mo-V(#2), Mn-Cr-V(#3), Ni-Cr-Mo(#4)로 명명하였다.
표 1. Ni-Cr-Mo-V, Ni-Cr-Mo 합금의 명칭 및 화학적 조성
Table 1. Alloy designation and chemical composition(in wt.%) of Ni-Cr-Mo-V, Ni-Cr-Mo alloys.
목표 화학조성의 합금원소를 소수점 셋째자리까지 측량하여 원료를 준비하고, 유도 용해로에서 30 kg을 용해온도 1,600℃에서 용해하였으며, 사형으로 제작된 1인치 Y-블록 주형(T25 mm×L210 mm×H130 mm)에 주입하여 시편을 제조하였다. Y-블록 주조품의 열처리 공정은 그림 1에 나타낸 바와 같이 1,040℃에서 2시간 유지 후 공냉하여 균질화 열처리를 실시한 후 퀜칭은 940℃에서 1시간 유지 후 수냉하였으며, 템퍼링은 620℃에서 2시간 유지 후 수냉하였다. 경도시험은 각 시험편 표면을 연마한 후 로크웰 경도기(Mitutoyo, Wizhard)를 이용하여 자동 시험 하중 제어 조건으로 다이아몬드 압자를 이용하여 무작위로 3회 측정하였다.
그림 1. Ni-Cr-Mo-V, Ni-Cr-Mo 합금의 열처리 사이클 공정도
Fig. 1. Schematic illustration of heat treatment cycles for Ni-Cr-Mo-V and Ni-Cr-Mo alloys.
2-2 마모시험 및 분석
마모시험은 시험규격 ASTM G99[8]에 따라 Pin-on-Disc type의 마모시험기(Anton Paar TRB3)를 사용하여 상온 및 건조상태에서 진행하였다. 시편의 규격은 디스크 형태로 ø15 × T7.5 mm로 가공 후 표면 연마하였으며, 상대재는 SUJ2 재질의 마찰볼(ø6)을 사용하였다. 주요 시험 조건은 track radius 4mm, 하중 1, 5 N, linear speed 5 cm/s 및 sliding distance 300m의 조건으로 진행하였다. 마모흔의 조도 및 표면 미세조직분석은 각각 공초점레이저현미경(CLSM VK Analyzer) 및 주사전자현미경(Quanta 200 F)으로 관찰하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
3-1 경도시험 결과
각 합금의 평균 경도는 표 2에 나타낸 바와 같이 합금원소 중 Mo의 합금량에 비례하여 Mo의 합금량이 가장 많은 #2의 경도가 39.4±0.9HRc로 가장 높았으며, 다음으로 Mo의 합금량이 많은 #1의 경도는 37.8±0.6로 두 번째로 평균 경도가 높았다. 상대적으로 적은 Mo 함량을 갖는 #3 및 #4의 경도는 각각 33.2±0.5HRc 및 32.4±0.6HRc을 나타내었다.
표 2. 열처리 후 시험 합금의 경도
Table 2. Hardness of alloys after heat treatment.
합금의 경도는 합금 설계 시 합금의 경화능 및 경도특성에 영향을 미치는 합금원소인 Mo의 함량에 비례한 경도값을 보여 주었으며, 상대적으로 높은 Mo 함량을 갖는 #1 및 #2 합금이 낮은 Mo 함량을 갖는 #3, #4 합금에 비해 높은 경도를 갖는 것을 확인하였다.
3-2 마찰계수의 변화
마찰계수는 마모진행 중에 발생하는 마찰력을 수직력으로 나눈 값으로 상대재의 종류, 접촉면의 상태 및 시험조건 등에 따라 달라지는 상대적 특성이다. 그림 2는 각각 수직하중 1 N 및 5 N의 조건에서 실험 후 얻은 마찰계수의 변화를 나타내었다.
그림 2. 핀온디스크 마모시험 중 마찰계수의 변화
Fig. 2. Variations in coefficient of friction during pin-on-disc wear test; (a) Load 1N and (b) Load 5N.
마모시험 초기단계에서 수직하중 1 N에서의 마찰계수는 완만하게 증가하면서 안정화 단계로 접어드는 반면, 수직하중 5 N에서의 마찰계수는 마모시험 초기단계에서 급격하게 증가한 후 감소하면서 안정화 단계로 접어드는 경향을 보이고 있다. 이러한 차이는 고하중 상태에서 마찰 시 표면에 상대적으로 많은 양의 마모편이 생성되고, 생성된 마모편이 표면의 마모를 감소시키는 보호막 역할을 하기 때문으로 사료된다.
수직하중 1 N에서의 마찰계수는 그림 2. (a)에서 볼 수 있듯 #4의 평균 마찰계수가 0.842로 가장 높았고 #2의 평균 마찰계수가 0.690으로 가장 낮았다. #1의 평균 마찰계수는 0.836, #3의 평균 마찰계수는 0.814를 나타내었다. 수직하중 5 N에서의 마찰계수는 그림 2. (b)에서 볼 수 있듯 #3의 평균 마찰계수가 0.696으로 가장 높았고, #4의 평균 마찰계수가 0.557로 가장 낮았다. #1의 평균 마찰계수는 0.619, #2의 평균 마찰계수는 0.588을 나타내었다.
수직하중이 증가함에 따라 평균 마찰계수는 모두 감소하는 경향을 보였으며, 이와 같은 결과는 자동차용 디스크 브레이크의 마모 특성을 연구한 Jeon 등의[9] 연구결과에 따르면 수직하중이 작을수록 접촉면에 형성된 강력한 응착력에 의해 마찰계수가 높아지기 때문에 상대적으로 하중이 증가할수록 평균 마찰계수는 감소하는 것으로 판단된다.
3-3 마모흔의 형상
그림 3과 그림 4에는 각각 수직하중 1 N 및 5 N으로 시험한 시편을 공초점레이저현미경을 이용하여 분석한 마모흔의 형상을 나타내었다. 마모흔의 깊이는 최대 깊이에서 최소 깊이의 차로 계산하였다. 그림 3 및 그림 4에서 볼 수 있듯 V이 포함된 #1~#3 시편에 비해 V을 포함하지 않은 #4 시편에서 마모흔의 폭이 상대적으로 넓은 것을 확인할 수 있다.
그림 3. 공초점현미경으로 분석한 마모흔의 형상(Load 1 N)
Fig. 3. Shape of wear scars analyzed with CLSM; (a) Cr-Mo-V, (b) C-Mo-V, (c) Mn-Cr-V, (d) Ni-Cr-Mo.
그림 4. 공초점현미경으로 분석한 마모흔의 형상(Load 5 N)
Fig. 4. Shape of wear scars analyzed with CLSM; (a) Cr-Mo-V, (b) C-Mo-V, (c) Mn-Cr-V, (d) Ni-Cr-Mo.
공초점레이저현미경 분석을 통해 측정한 마모흔의 폭 및 깊이를 표 3에 나타내었다. 마모흔과 깊이를 분석한 결과, 수직하중 1 N에서 #1의 마모흔의 폭은 547 ㎛, 깊이는 6.858 ㎛였다. #2의 마모흔의 폭은 352 ㎛, 깊이는 7.617 ㎛였고, #3의 마모흔의 폭은 504 ㎛, 깊이는 7.877 ㎛였다. #4의 마모흔의 폭은 711 ㎛, 깊이는 8.24 ㎛였다.
표 3. 저합금강의 마모흔의 폭, 깊이 및 마모량
Table 3. Width, depth and wear loss of wear scars in low alloy steel.
수직하중 5 N에서 #1의 마모흔의 폭은 829 ㎛, 깊이는 17.113 ㎛였다. #2의 마모흔의 폭은 787 ㎛, 깊이는 14.304 ㎛였고, #3의 마모흔의 폭은 531 ㎛, 깊이는 18.603 ㎛였다. #4의 마모흔의 폭은 1017 ㎛, 깊이는 19.174 ㎛였다.
마모량은 표 3에서 알 수 있듯이 수직하중 1 N에서 #1의 마모량은 9 mg이었다. #2의 마모량은 7 mg이었고, #3의 마모량은 9 mg이었다. #4의 마모량은 11 mg이었다. 수직하중 5 N에서 #1의 마모량은 14 mg이었다. #2의 마모량은 12 mg이었고, #3의 마모량은 15 mg이었다. #4의 마모량은 17 mg이었다.
Ni-Cr-Mo-V계 합금(#1~3/1 N)에서는 마모량을 비롯하여 깊이와 폭이 비슷한 경향을 보였으며, Ni-Cr-Mo계 합금(#4/1 N)에서 마모량, 폭 및 깊이에서 높은 경향을 나타내었다. 또한 수직하중 5 N에서의 분석 결과에서도 수직하중 1 N에서의 분석 결과와 동일한 거동으로 Ni-Cr-Mo계 합금에서 다른 시편에 비해 상대적으로 높은 경향을 나타내었다. 이러한 거동을 보이는 원인은 V이첨가되지 않은 Ni-Cr-Mo계 저합금강인 #4에 비해 내마모성을 향상시키는 합금원소인 V이 첨가된 Ni-Cr-Mo-V계 저합금강인 #1~3에서상대적으로 우수한 내마모성을 갖기 때문으로 판단된다.
3-4 표면 미세조직 분석
그림 5에 각각 수직하중 1N 및 5N으로 시험한 시편의 표면을 주사전자현미경을 이용하여 표면 미세조직을 분석한 결과를 나타내었다.
그림 5. 마모시험편의 마모흔에 대한 주사전자현미경 사진
Fig. 5. FE-SEM images of wear scars on wear specimens; (a) Cr-Mo-V; 1 N, (b) C-Mo-V; 1 N, (c) Mn-Cr-V;1 N, (d) Ni-Cr-Mo; 1 N, (e) Cr-Mo-V; 5 N, (f) C-Mo-V; 5 N, (g) Mn-Cr-V; 5 N, (h) Ni-Cr-Mo; 5 N.
마모흔의 표면 미세조직은 하중이 증가함에 따라 표면이 상대적으로 깨끗해지는 것을 볼 수 있으며, 이와 같은 결과는 연삭에 의한 마모가 주로 발생하고 있기 때문으로 판단된다.
시편의 주요 마모기구는 지속적인 미끄럼운동으로 인해 마모진행 방향으로 발생되는 패임(ploughing), 높은 응력 하에서 반복접촉이 발생하는 곳에서 발생되는 박리(delamination), 지속적인 마찰로 인해 강하게 응착된 응착부가 슬립면을 따라 파괴되어 나타나는 응착(adhesion) 및 높은 접촉응력에 의해 발생하는 응착 마모와 높은 열이 지속적으로 발생하면서 소성변형이 (plastic deformation)이 관찰되었다.
#4에서 #1~3에 비해 소성변형이 우세하게 관찰되었고, 이와같은 결과는 Ni-Cr-Mo-V강의 표면 마모기구에 대해 연구한 Wang 등의[10] 연구결과에 따르면 합금성분 중 V이 포함된 시편에 비해 Ni-Cr-Mo강에서 내열성이 떨어지기 때문에 상대적으로 소성변형이 우세하게 관찰되는 것으로 판단된다.
Ⅴ. 결론
본 연구에서는 항공기 및 고속전철 등 대형 수송기기의 제동디스크에 적용되는 Ni-Cr-Mo-V계 및 Ni-Cr-Mo계 저합금강의 합금성분 변화에 따른 마찰/마모특성 및 미세조직의 변화를 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 경도시험 결과, 경화능 및 경도특성에 영향을 미치는 합금원소인 Mo의 함량이 가장 많은 C-Mo-V강의 경도가 39.4±0.9HRc로 가장 높았으며, Ni-Cr-Mo강의 경도가 32.4±0.6HRc로 가장 낮았다.
(2) 수직하중 1 N에서의 마찰계수는 Ni-Cr-Mo강의 마찰계수가 0.842로 가장 높았고, C-Mo-V강이 0.690으로 가장 낮았다. 수직하중 5 N에서의 마찰계수는 Mn-Cr-V강의 마찰계수가 0.696으로 가장 높았고, Ni-Cr-Mo강의 마찰계수가 0.557로 가장 낮았다. 수직하중이 작을수록 접촉면에 형성된 강력한 응착력에 의해 마찰계수가 상대적으로 높게 나타나는 경향을 확인할 수 있었다.
(3) 수직하중이 1 N에서 5 N으로 증가함에 따라 표면에 상대적으로 많은 양의 마모편이 발생하게 되면서 표면의 마모를 감소시키는 보호막이 형성되기 때문에 수직하중 5 N에서의 마찰계수는 마모시험 초기단계에서 급격하게 증가 후 감소하면서 안정화 단계에 이르는 경향을 확인할 수 있었다.
(4) 마모흔의 형상을 분석한 결과 수직하중 1 N에서는 Ni-Cr-Mo강의 마모흔의 폭이 711 ㎛로 가장 넓고 깊이는 8.24 ㎛로 가장 깊었으며, 마모량은 11 mg으로 가장 많은 것을 확인할 수 있었다. 수직하중 5 N에서도 Ni-Cr-Mo강이 마모흔의 폭은 1017 ㎛, 깊이는 19.174 ㎛였으며, 마모량은 17 mg으로 수직하중과 관계없이 V이 첨가되지 않은 Ni-Cr-Mo강에서 상대적으로 높은 값을 보여주었다.
(5) 마모기구는 모든 시편에서 패임, 박리 및 응착마모가 복합적으로 나타났으며, Ni-Cr-Mo에서 다른 합금들에 비해 내열성이 떨어지기 때문에 소성변형 기구가 우세하였다.
Acknowledgments
본 연구는 산업통상자원부 항공우주부품기술개발사업(과제번호; 20007282)의 지원에 의하여 이루어진 연구로서 관계부처에 감사드립니다.
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