10뉴턴·1000m 마모시험으로 산화막 보호 역할 확인
한지혜 석사과정 학생 제1저자 참여…국제학술지 게재
한국공학대학교가 초고강도 알루미늄 합금의 마모 저항 원리를 규명했다.
한국공학대학교는 이승준 신소재공학과 교수 연구팀이 항공우주·자동차 부품에 활용되는 초고강도 알루미늄 합금 AA7075-T6의 마모 저항 메커니즘을 분석했다고 10일 밝혔다.
AA7075-T6는 높은 비강도를 바탕으로 항공우주 및 자동차 부품의 경량화 소재로 널리 사용된다. 다만 마찰과 연삭이 반복되는 환경에서는 마모 저항성이 상대적으로 낮아 내구성 향상이 과제로 꼽혀 왔다.
연구팀은 표면 개질 기술인 마찰교반공정(FSP)이 해당 합금의 미세조직과 마모 특성에 미치는 영향을 분석했다. 마찰교반공정은 소재 표면에 강한 마찰과 소성 변형을 가해 조직을 변화시키는 기술이다.
실험은 마찰교반공정을 적용한 AA7075-T6 합금을 대상으로 진행했다. 연구팀은 10뉴턴(N) 하중 조건에서 50m부터 1000m까지 왕복 미끄럼 마모 시험을 수행하며 마모 거동을 관찰했다.
분석 결과, 공정이 적용된 교반부의 비커스 경도는 158.1HV로 측정됐다. 이는 가공 전 소재의 경도인 176.7HV보다 낮은 수치다. 연구팀은 공정 과정에서 금속 내부 석출물이 용해되면서 표면이 연화됐고, 이로 인해 마모 특성이 저하된 것으로 분석했다.
전자현미경과 3차원(3D) 레이저 공초점 현미경 분석에서도 표면 변화가 확인됐다. 가공 전 소재와 교반부 모두 표면이 깎여 나가는 연삭 마모가 주요 마모 형태로 나타났다.
반면 마모 저항성이 상대적으로 높은 가공 전 소재 표면에서는 산화물이 포함된 거친 홈이 다수 형성됐다. 연구팀은 이 산화막이 마찰 부품 간 직접 접촉을 줄여주는 보호막 역할을 한 것으로 해석했다.
연구팀은 마찰 과정에서 생기는 표면 연화를 줄이는 것이 안정적인 산화막 유지와 연삭 마모 완화에 영향을 미치는 것으로 분석했다.
이승준 교수는 “이번 연구는 부품 수명과 직결되는 마찰 산화막 형성 원리를 규명했다는 점에서 의미가 있다”며 “항공우주와 자동차 부품의 내구성을 높이는 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 금속 재료 분야 SCIE급 국제학술지 'Materials Characterization'에 게재될 예정이다. 연구에는 한지혜 한국공학대 신소재공학과 석사과정 학생이 제1저자로 참여했다.
시흥=김동성 기자 estar@etnews.com
