열처리에 따른 TiC/FC250 금속복합재료의 마모거동에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The metal matrix composite is a hybrid material that exceeds the limitations of
two materials having different characteristics. Which is lightweight, has
excellent mechanical characteristics, thermal characteristics, and wear
resistance, and thus has been researched and applied in many fields. In this
study, FC250 cast iron with excellent abrasion resistance was used as a base
material and TiC ceramic particles were used as a reinforcing material to
manufacture a solid Fe-based metal composite material. To confirm its
applicability to areas requiring wear resistance, such as automobile brake discs
and bearing materials, various analyses were conducted through the following
experiments.
First, through a literature survey, what is the material of a commonly used
automobile disk, and the phenomenon that occurs in a harsh wear
environment, such as sudden braking and the principle of braking were
considered. When friction and wear occur in harsh environments such as the
braking of a car, a high temperature of 100 to 300°C is generated, and wear
phenomena progress faster. Cast iron, which is often used as a brake disc
material, is vulnerable to thermal deformation and wear due to thermal energy
accumulated when used for a long time in a wear environment and friction
between the brake disc and brake pad during braking. To compensate for this,
an FC250-based metal matrix composite with TiC reinforcement that is capable
of improving thermal resistance, wear resistance, and durability was
manufactured using the liquid pressing infiltration process.
Second, various heat treatments such as austempering and
quenching-tempering were applied to the FC250 cast iron and manufactured
TiC/FC250 materials to improve mechanical and wear properties, and
microstructure and characteristic changes due to heat treatment were
investigated. In addition, the wear behavior of the SUJ2 material, which is
well-known as the existing wear resistance material, was compared and
analyzed. The experimental method for observing wear behavior was
conducted using a ball-on-disk method using a ball-type counterpart. Because
it has high hardness and compressive strength due to the characteristics of a
composite, WC (tungsten carbide) was used as a counterpart for experiments.
The test was conducted by setting the load, speed, wear distance, and wear
test temperature applied to the wear test as variables.
Finally, phase change, microstructure change, wear width, and wear depth of
the metal matrix composite before and after the wear test was analyzed using
XRD and FE-SEM. As a result of the XRD analysis, it was confirmed that a
TiC particle-reinforced FC250 composite material without impurities was
prepared. It was observed that flake graphite was distributed in the matrix of
dendrite tissue in the case of FC250 materials, and TiC particles were
uniformly distributed in the case of TiC/FC250 composite materials. The metal
matrix composite that was subjected to quenching-tempering heat treatment
showed a hardness value that was about 5 times higher than that of the
existing base material and about 2 times higher than that of the existing metal
matrix. According to the test result, under all heat treatment conditions, the
friction coefficient of metal composite material decreased by 1/2 or more
compared to base material, the wear resistance was improved due to increased
hardness, and the friction coefficient of the metal matrix composite heat
treated with quenching-temping was the lowest. The quenching-tempering
treated metal matrix composite had the highest hardness value and excellent
abrasion resistance, so it seems that it can be applied to the heat treatment
of TiC/FC250 composite.

국문 초록 (Abstract)

금속복합재료는 서로 다른 특성을 가지는 각각의 두 재료의 한계를 뛰어넘는 hybrid 재료로 경량 하면서도 우수한 기계적 특성 및 열적 특성, 내마모성을 가져 많은 분야에서 연구 및 적용이 되고 있다. 본 연구에서는 고탄소강으로 내나모 특성이 뛰어난 FC250 주철을 기지재로 사용하고, TiC 세라믹 입자를 강화재로 사용하여 고체적률의 Fe계 금속복합재료를 제조하였고, 이를 자동차 브레이크 디스크, 베어링 소재 등 내마모 특성이 필요한 분야에 적용 가능성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 통해 다양한 분석을 실시 하였다.

첫째, 문헌 조사를 통해 일반적으로 사용되는 자동차 디스크의 소재가 무엇이며, 급제동과 같은 가혹한 환경에서 마모가 일어날 시 발생하는 현상과 제동이 되는 원리에 대해 고찰하였다. 자동차의 제동 등 가혹한 환경에서의 마찰 및 마모가 일어날 때 100~300℃의 고온이 발생하고 마모가 더욱 빨리 진행되게 된다. 브레이크 디스크 소재로 주로 많이 사용되는 회주철은 마모환경에서 장시간 사용할 시 축적된 열에너지 및 제동 중 브레이크 디스크와 브레이크 패드의 마찰로 인한 열변형 및 마모에 취약하다. 이를 보완하기 위해 용융가압함침법을 이용해 내열성과, 내마모성, 내구성 향상이 가능한 TiC 입자가 강화된 FC250기지 금속복합재료를 제조하였다.

둘째, 기존 FC250 주철 소재 및 제조된 TiC/FC250 소재에 austempering 및 quenching-tempering 등 여러 열처리를 적용하여 기계적 특성 및 내마모 특성을 향상 시키고 열처리에 따른 미세조직 및 특성변화에 대해 고찰하였다. 또한 기존의 내마모 특성 소재로 잘 알려져 있는 SUJ2 소재의 마모 거동에 대해서도 비교 분석하였다. 마모 거동 관찰을 위한 실험 방법은 ball 타입의 상대재를 사용하는 ball-on-disk 방식으로 진행되었다. 복합재의 특성상 높은 경도 및 압축강도를 가지기 때문에 실험을 위한 상대재로는 WC(tungsten carbide)를 사용하였다. 마모시험에 적용되는 하중, 속도, 마모 거리, 마모시험 온도 등을 변수로 설정하여 시험하였다.

마지막으로, 실험 결과 분석을 위해 XRD 및 FE-SEM을 이용하여 마모시험 전과 후의 금속복합재료의 상변화, 미세조직 변화, 마모너비, 마모깊이 등을 분석하였다. XRD 분석결과 불순물 등이 없는 TiC 입자 강화 FC250 복합재료가 제조된 것을 확인할 수 있었다. 미세조직 관찰결과 FC250 소재의 경우 덴드라이트 조직의 matrix에 flake 형태의 흑연이 분포하는 것을 관찰할 수 있었고, TiC/FC250 복합소재의 경우 FC250 소재에 TiC 입자가 균일하게 분포된 것을 관찰하였다. quenching-tempering 열처리를 진행한 금속복합재료의 경우 기존 기지재 대비 약 5배, 기존 금속복합재 대비 약 2배의 상승된 경도 값을 나타냈다. 시험 결과, 모든 열처리에 조건에서 금속복합재료의 마찰계수는 기지재에 비해 1/2 이상 감소하였고 경도가 증가하여 내마모 특성이 향상되었으며 quenching-tempering 처리한 금속복합재료의 마찰계수 특성이 가장 낮았다. quenching-tempering 처리한 금속복합재료의 경도값이 가장 높았고, 내마모 특성이 우수하여 TiC/FC250 금속복합소재의 열처리에 적용 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 이론적 배경
• 2.1 금속복합재료 (Metal Matrix Composites) 4
• 2.1.1 기지재 (Matrix) 7
• 2.1.2 강화재 (Reinforcement) 13
• 2.2 금속복합재료 공정 14
• 2.2.1 고상법 (Solid state method) 17
• 2.2.2 액상법 (Liquid state method) 20
• 2.2.3 용융가압함침공정 (Liquid pressing infiltration process) 22
• 2.3 마모기구 23
• 2.3.1 연마마모 (Abrasive wear) 23
• 2.3.2 응착마모 (Adhesive wear) 24
• 2.3.3 침식마모 (Erosion wear) 24
• 3. 실험방법
• 3.1 금속복합재료 제조 및 열처리 27
• 3.1.1 금속복합재료 제조 27
• 3.1.2 용융가압함침 공정 30
• 3.1.3 열처리 33 3.2 기계적 특성 및 마모 특성 시험 38 4. 결과 및 고찰
• 4.1 결정구조 및 미세조직 분석에 따른 마모 메커니즘 48
• 4.1.1 결정구조 및 미세조직 분석 50
• 4.2 기계적 특성 및 마모조건 따른 마모 메커니즘 56
• 5. 결 론 65
• 참고문헌 67
• 영문초록(Abstract) 72