| Home | E-Submission/Review | Sitemap | Editorial Office |  
top_img
Korean Journal of Metals and Materials > Volume 62(10); 2024 > Article
Ta-10W 합금의 고온 마모 특성

Abstract

This study investigated the high-temperature wear characteristics of Ta-10W alloy, composed of 90% tantalum and 10% tungsten, known for its high melting point, excellent corrosion resistance, and oxidation resistance. Wear tests were conducted using a ball-on-disc method with alumina balls at temperatures of 200°C, 400°C, 600°C, and 700°C. The results indicated that wear loss decreased (increasing wear resistance) from 200°C to 600°C due to the lubrication effect by oxide particles induced by Ta2O5, which enhanced wear resistance. However, at 700°C, a significant increase in wear loss was observed due to excessive oxide formation and the occurrence of cracks. Calculation of the wear rate revealed that it decreased as the temperature increased to 2.12×10-4 mm3· N-1· m-1 at 200 °C, 2.67×10-5 mm3·N-1·m-1 at 400 °C, and 4.21×10-6 mm3· N-1· m-1 at 600 °C. On the other hand, the wear rate increased at 700 °C to 3.87×10-4 mm3· N-1· m-1. The wear track analysis results revealed distinct wear mechanisms at different temperatures. At 200°C, abrasive wear characterized by pits and furrows was dominant. At 400°C, adhesive wear became more prevalent with cleavage worn surfaces compared to the wear pattern at 200°C. At 600°C, fragmented oxides indicating pest oxidation were noted, while at 700°C, deep pits and cracks along with fragmented oxides were prevalent. X-ray diffraction (XRD) analysis results showed the presence of the α-Ta phase at 200°C, 400°C, and 600°C, with peak shifts indicating lattice expansion. In contrast, at 700°C, Ta2O5 peaks were present. Based on the findings, the high-temperature wear mechanism of Ta-10W alloy was also discussed.

1. 서 론

고온 환경에서의 소재 마모 특성은 항공 우주, 발전소, 자동차, 석유 화학 플랜트 등 산업 분야에서 고온 작동 부품의 성능과 수명을 결정짓는 중요한 물성들 중 하나이다. 고온 환경에서 사용되는 소재는 높은 기계적 강도와 내마모성을 동시에 가져야 하며, 이에 그동안 다양한 합금들이 개발, 제시되어 왔다[1,2]. 최근 이러한 요구를 충족시키는 금속 소재 중 하나로 Ta-10W 합금이 주목받고 있다[3,4].
탄탈럼(Ta)은 녹는점이 약 2996°C로 매우 높고, 우수한 내식성과 고온 산화 저항성을 지니고 있어 고온 극한 환경에서의 응용에 적합하다. 상기 특성 덕분에 탄탈럼은 항공 우주 산업에서의 엔진 부품, 화학 처리 장비의 내식성 부품, 그리고 핵산업에서의 내 방사선용 소재 등으로 다양한 분야에서 적용될 수 있다. 그러나 순수 탄탈럼은 상대적으로 낮은 경도를 가지기 때문에, 고온 내마모 적용 분야에서 일부 부족함이 있었다. 이에 따라, 탄탈럼에 다른 금속을 첨가한 합금화를 통하여 기계적 성질을 향상시키려는 연구가 진행되어 왔다[4,5].
텅스텐(W)은 높은 경도와 강도를 가지며, 탄탈럼과의 합금화 시 기계적 특성의 향상을 유도하는 것으로 알려져 있다. Ta-10W 합금은 탄탈럼에 10wt.%의 텅스텐을 첨가한 합금으로, 이는 텅스텐의 기계적 강도와 탄탈럼의 고온 특성을 동시에 발휘할 수 있는 이상적인 조합으로 제시되고 있다. 기존 연구에 따르면, 텅스텐의 첨가는 탄탈럼의 재결정 온도를 상승시키고, 고온에서의 경도 및 기계적 특성을 향상시키는 것으로 보고되고 있다[6-8].
탄탈럼 및 그 합금들의 마찰 마모 특성은 오랜 기간 동안 지속적으로 보고되고 있다[9-11]. K. Lembit등은 순수 탄탈럼의 건식 슬라이딩 마모에서 미세조직을 조사하고 마찰 계수와 마모량이 소재의 초기 미세조직과 경도에 의존적이지 않다는 것을 보고하였다[11]. 이 후 여러 연구를 통해 β-Ta는 높은 경도를 가지고 있지만, 큰 취성과 낮은 하중 지지 능력을 가지고 있어 고하중에서 파손과 마모가 발생하기 쉽다고 제시되었다[11-16]. 한편 합금 원소로 탄탈럼에 함유된 텅스텐은 마찰로 인해 형성될 수 있는 텅스텐 산화물을 유도하고 표면을 손상으로부터 보호할 수 있다고 보고된 바 있다[16]. 한편 일부 연구에서는 Ta-W 합금을 제조하기 위해 스파크 플라즈마 소결을 적용하여 제조하였다. 즉 S. Seyyedin 등은 Ta-W 분말의 기계적 합금화 후 스파크 플라즈마 소결을 사용하여 2000°C에서 5분 동안 소결된 Ta-10W 합금의 미세조직, 경도 및 인장 특성에 미치는 영향을 조사하였다[17]. 또한, P. Sun등은 순수 티타늄(CP-Ti)과 Ti-6Al-4V(TC4) 합금 표면에 이온 도금을 이용하여 Ta-10W 코팅층을 형성하고 이 코팅층의 부식 저항성에 대해 연구하였다. 여기에서 전기 화학적 부식 시험 결과 Ta-10W 코팅을 통해 Ti계 모재의 부식 저항성 향상이 가능하다고 제시하였다[18]. Ta-10W 합금의 고온 산화 특성에 대한 연구도 일부 수행된 바 있으며(~900°C) [19,20], 특히 Ta-10W 합금은 약 500°C 내외의 온도 조건에서 pest 산화 (산화물이 해충의 알처럼 형성)가 일어나는 것으로 보고되었다[21]. Ta-10W 합금의 독특한 고온 산화 특성에도 불구하고, 고온 마찰, 마모 특성에 대한 온도의 영향에 관한 연구는 상대적으로 낮은 온도인 최대 300°C까지만 보고되고 있다[22]. 즉 극한 환경의 고온에서도 유지될 것으로 예상되는 이 Ta-10W 합금의 고온 마모 특성에 대한 연구는 현재까지 전혀 연구된 바 없다.
본 연구에서는 200 °C, 400 °C, 600 °C, 700 °C에서 Ta-10W 합금의 고온 마모 특성을 조사하고, 마모 특성과 마모흔 분석 결과를 연계하여 온도 조건에 따른 Ta-10W 합금의 고온 마모 거동에 대해 제시하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 상용 Ta-10W 압연재를 지름(φ) 50 mm, 두께(T) 4 mm를 가지는 디스크 형태로 가공한 뒤, 표면을 SiC paper #2400까지 연마하여 고온 마모 시험을 수행하였다. 고온 마모 시험은 미끄럼 마모, ball-on-disk 방식으로 수행하였으며, 지름 9.5 mm크기를 가지는 산화 알루미늄(alumina, Al2O3)를 상대 마모재로 사용하여 friction radius는 30 mm, 하중 50 N, 회전 속도 600 m/s의 조건 하에서 1시간 동안 실시하였다. 이 때 미끄럼 거리(sliding distance)는 3600 m로 고정하였다. 고온 마모 시험은 200 °C, 400 °C, 600 °C, 700 °C 환경에서 각각 2회씩 수행하였다. 추가적으로 수행한 고온 경도 실험의 경우 고온 비커스 경도기(Nikon QM-2)를 사용하여 시험편이 장입된 챔버의 온도를 증가시켜 가며 25 °C, 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C, 700 °C에서 압입자를 압입한 뒤 3초간 유지하여 측정하였다. 또한 각 온도에서 3회 이상 시험 후 얻어진 값들의 평균 값을 대표 값으로 사용하였다.
고온 마모 시험 후 마모흔의 단면 분석과 상 분석을 위해 시험편의 표면을 silicon carbide paper로 #800 ~ #4000까지 연마한 후 1 μm diamond suspension과 0.04 μm colloidal silica를 이용해 미세 연마를 진행하였다. 미세조직 관찰을 위해서 전계 방출형 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM, TESCAN MRIA3XMH) 및 전계 방출형 미세 탐침 분석기(electron probe microanalysis, FE-EPMA, JXA-8530F Plus)를 사용하였다. 고온 마모 시험편의 상 분석을 위해 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, PANalytical) 장비를 이용하였으며, 이 때 측정 구간은 2θ 20°~90°, 스캔 속도는 분당 1°로 설정한 뒤 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Ta-10W 합금의 고온 마모 특성

그림 1에 Ta-10W 합금의 고온 마모 시험 후 시험편의 표면에서 측정한 X선 회절 분석 결과를 나타냈다. 이 그림에서 200 °C, 400 °C, 600 °C 조건의 경우 체심 입방(BCC, body centered cubic) 구조를 가지는 α-Ta이 확인되었으며, 수행했던 마모 조건의 온도가 증가함에 따라 α-Ta의 피크 강도(peak intensity)가 감소함과 동시에 피크 이동(peak shift)가 왼쪽으로 일어난 것을 알 수 있었다. 한편, 700 °C에서 고온 마모 시험편의 경우에는 α-Ta 피크는 확인되지 않았으며, 대신에 Ta2O5의 회절 피크들만 검출되었다. 즉 700 °C 고온 마모 시편에서는 현재한 Ta계 산화물들의 생성이 확인되었다. X선 회절 원리를 나타내는 Bragg 법칙은 아래의 식으로 표현될 수 있다.
(1)
2d sinθ=nλ
여기에서 d는 결정면 사이의 거리, θ는 입사 광선 및 반사 광선과 결정면 사이의 각도, λ는 파장, n은 정수를 의미한다. 온도가 증가함에 따라 회절 각도가 감소하는 것은 d값의 증가를 의미한다. 일반적으로 소재에 인장 응력, 상 변태, 급랭 등이 가해지거나 나타나는 경우 격자 팽창에 의해 d값은 증가할 수 있는 것으로 알려져 있다. Ta2O5의 경우 일반적으로 orthorhombic 구조를 가지고 있으며, 이 때 격자 상수는 a: 6.192 Å, b: 3.664 Å, c: 3.872 Å 이다. BCC 구조를 가지는 α-Ta 의 3.30 Å 대비 모든 방향에서 높은 d 값을 나타내 낮은 각도에서 회절하게 된다. 즉, 본 연구에서 700 °C 산화 시험 후 확인되 는 Ta2O5 피크들, 그리고 200 °C, 400 °C, 600 °C 조건 간 비교에서 온도가 높아질수록 산화 시험 후 α-Ta 피크가 소폭 왼쪽에서 이동하는 점 등을 함께 고려하여 추론해 보면, 고온 마모에서 나타나는 α-Ta의 산화가 α-Ta 상의 피크 이동과 피크 강도의 감소를 유도하였을 것으로 사료된다.
그림 2에 Ta-10W 합금의 고온 마모 시험을 통하여 얻어진 마모 온도별 시험편의 무게 손실(weight loss)들과 마모 속도(wear rate)들을 도시하였다. 200 °C 온도 조건에서부터 온도가 증가함에 따라 400 °C, 600 °C에서는 마모 시험편의 무게 손실량이 감소(우수한 마모 저항성)하는 경향을 나타냈으나, 700 °C에서 무게 손실량이 급격하게 증가(마모 저항성의 큰 저하) 특징을 확인할 수 있었다. 미끄럼 마모 시험의 경우 마모 속도(wear rate)는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다[22,23].
(2)
V=mρPS
여기서 V는 시험편의 단위 하중 및 단위 거리 당 체적을, Δm은 마모 시험편의 무게 손실량(g)을, ρ는 소재의 밀도(g/cm3)를, P는 마모 하중(N)을, S는 마모가 진행된 거리(m)를 의미한다. 상기 관계식을 이용하여 Ta-10W 합금의 마모 속도를 계산한 결과, 200 °C 조건에서 2.12×10-4 mm3·N-1·m-1, 400 °C 조건에서 2.67×10-5mm3·N-1·m-1, 600 °C 조건에서 4.21×10-6 mm3·N-1·m-1, 700 °C 조건에서 3.87×10-4 mm3·N-1·m-1로 각각 얻어졌다.
그림 3에 고온 마모 결과로부터 얻어진 시간에 따른 마모 온도별 마찰 계수 변화(a)와 각 마모 온도별 평균 마찰 계수(b)를 나타냈다. 먼저 마모 시험이 진행됨에 따라 마찰 계수의 변화를 살펴보면 (그림 2(a)), 상대적으로 마모 온도가 낮은 두 조건 (200 °C, 400 °C)의 경우 시간에 따라 마찰 계수가 점진적으로 증가하다가 이후에 수렴하였다 (검정 선 및 붉은 선). 그러나 상대적으로 더 고온인 600 °C와 700 °C 조건의 경우, 시험 초기 마찰 계수가 200 °C, 400 °C 온도 조건의 마찰 계수 대비 높은 값들을 보이다 급격히 감소하고, 이후 시간에 따라 증가와 감소를 반복하며 최종적으로 마찰 계수가 감소하는 특징을 나타냈다 (파랑 선 및 청록 선).

3.2 Ta-10W 합금의 고온 마모흔 분석

그림 4에 200 °C, 400 °C, 600 °C, 700 °C 고온 마모 시험 후 대표적인 마이크로 표면 관찰 결과들을 정리하여 제시하였다. 먼저, 상대적으로 낮은 온도 조건인 200 °C, 400 °C의 경우 마모 볼로 형성된 마모흔이 흑색을 나타내고 있었다. 반면, 높은 온도 조건인 600 °C와 700 °C 조건에서 시험하여 형성된 마모흔의 경우 백색을 띄고 있었다. 탄탈럼계 합금에서 형성되는 대표적인 산화물인 Ta2O5가 백색을 나타낸 점을 통해 상대적으로 높은 온도인 700 °C의 경우 탄탈럼계 산화물이 형성되었을 것을 유추할 수 있으며 이는 XRD 분석 결과 (그림 1)과도 잘 일치하고 있다.
보다 상세한 마모 수행 온도에 따른 생성 마모흔의 특징과 차이를 알아보고자 그림 5에 200 °C와 400 °C 마모흔 SEM 관찰 결과를 제시하였다. 그 결과 두 온도 조건들 모두에서 마모흔에 구멍(pit)과 고랑(furrows)이 지배적으로 관찰되었다.
이는 마모 상대재인 산화 알루미늄 볼에 의해 Ta-10W가 연삭됨에 따라 debris가 축적되어 마모흔을 형성하기 때문으로 유추될 수 있다. 200°C마모 시험의 마모흔 관찰 결과 주로 연삭 마모(abrasive wear) 거동을 나타냈다. 그러나 그림 5(a) (200°C)에 나타낸 1번 영역의 마모흔 표면의 EDS 맵 분석 결과를 바탕으로 마모 상대재인 산화 알루미늄 볼로부터 일부 응착 마모도 함께 검출되었다. 400 °C 마모흔 관찰 결과, 200 °C와 달리 구멍과 고랑 영역이 감소하고 상대적으로 깨끗한 표면이 관찰된 점을 통해 400 °C 온도 조건에서는 200 °C 조건 마모에서 보다 응착 마모(adhesive wear) 거동이 더 활발하게 발생한 것으로 사료된다 (그림 5(b)).
반면, 600 °C 온도 조건에서 관찰된 마모흔의 경우 200 °C, 400 °C 대비 더 이상 구멍(pit)과 고랑(furrow)가 나타나지 않았으며 대신 파편화된 산화물(pest oxide)들이 관찰되었다 (그림 6(a)). 또한 700 °C 마모 시험 후 마모 표면에서도 균열들과 함께 파편화된 산화물이 지배적으로 관찰되었으며 그 정도가 더욱 현저하였다 (그림 6(b)).
또한 상대적으로 낮은 온도 조건들과 비교하여 pit와 균열이 가장 높은 빈도로 관찰되었다. EDS 맵 결과를 통해 표면에 형성된 산화물은 Ta계 산화물인 것으로 분석되었다. 이와 함께 상대적으로 낮은 온도들 (200 °C, 400 °C, 600 °C)의 마모흔 알루미늄 원소 맵을 비교하여 알루미늄 원소의 검출량이 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향도 확인되었다.

3.3 Ta-10W 합금의 고온 마모 거동

그림 7에 고온 마모 시험 후 시편을 단면으로 절단하고 마모면 아래의 단면 부위를 관찰한 SEM 결과들을 나타냈다. 먼저 모든 조건들에서 마찰 마모에 의한 표면 물결 무늬를 확인할 수 있었다. 200 °C에서 마모 시험 후 나타나는 단면의 경우 고배율 영역 (white box)을 살펴보면 Ta-10W 시험 소재가 용해(dilution)된 단면이 관찰되었다. 이러한 경향은 400 °C 에서도 일부 유지되는 것으로 나타났다. 반면, 600 °C와 700 °C 고온 마모 시험편의 경우 표면 직하 영역에서 균열이 지배적으로 관찰되었다.
마모 시험 중 마모 시험재와 마모 상대재 간 연삭, 응착에 의해 표면 윤활층이 형성될 수 있으며 이는 마찰 계수를 감소시켜 마모 특성을 향상시킬 수 있다[25]. 또한 탄탈럼-텅스텐은 약 873K 이상에서 취성이 강한 Ta2O5가 형성되고 확산에 의해 소재 내부에 산소가 침입할 수 있다고 보고된 바 있다[13]. 한편 고온 마모 시험의 경우 마모 시험 조건으로 설정된 온도뿐만 아니라 상대 마모재에 의한 마찰에 의한 마모 표면의 온도 증가도 일어날 수 있고 이에 추가적인 내부 확산이 일어날 수 있다고 알려져 있다[28]. 관련한 내용들을 보다 면밀히 분석하고자 그림 8에 마모 온도 조건에 따른 마모흔 단면들의 FE-EPMA 분석을 수행하고 그 결과를 도시하였다.
먼저, 200 °C와 400 °C 단면 분석 결과, 마모흔 직하 영역에서 Ta와 W가 불균일하게 검출되었으며, Ta와 W이 상대적으로 낮은 함량으로 존재하는 영역에 알루미늄과 산소의 강도(intensity)들이 높게 나타났다. 이는 산화 알루미늄 볼이 고온 마모 시험 중 마모 소재로 일부 침투되어 들어갔음을 유추할 수 있는 결과이다. 이와 관련하여 본 연구의 그림 3 (a), 시간에 따른 마찰 계수 변화 결과에서 200 °C 및 400 °C 조건에서 마찰 계수가 점진적으로 증가하였음에 주목할 만하다. 이전 연구 결과에서 제시된 상대재에 의한 윤활 효과와 본 연구의 낮은 마모 온도에서의 상대재 검출 및 이 마모 온도에서 나타난 마찰 계수의 점진적인 증가를 고려할 때, 본 연구에서도 상대재인 산화 알루미늄의 연삭, 침투에 의해 마찰 시 윤활 작용이 일어난 것으로 예상된다[24-25]. 하지만 600 °C의 경우 알루미늄이 명확하게는 확인되지 않으며 Ta및 W계 산화물이 형성되는 것으로 판단된다. 한편, 700 °C 마모 후 단면 EPMA map의 경우 마모흔 단면에 Ta와 W로 구성된 산화물층이 형성되었음을 알 수 있었다. 이를 그림 5그림 6의 마모흔 표면과 연계하여 살펴보았을 때, 700 °C 마모흔의 대부분을 구성하고 있던 pit와 균열은 Ta 및 W계 산화물이 파괴되어 형성된 것으로 유추할 수 있었다.
그림 9(a)에 Ta-10W의 상온부터 700 °C까지 고온 비커스 경도 측정 결과와 고온 마모 시험 후 산화 알루미늄 볼의 무게 변화 및 거시적 형상을 도시하였다 (그림 9(b)). 먼저, 온도가 증가함에 따라 Ta-10W 합금의 경도는 감소하는 경향을 나타냈다. 일반적으로 고온 환경에서 마모 시험 시 조직이 연화되고 점도(viscosity)가 증가하여 마찰 계수가 증가한다고 알려져 있다[26-28]. 하지만 이전에 정리했던 온도에 따른 마찰 계수 그래프를 통해(그림 3(a)) 200 °C 부터 600 °C 온도 범위에선 온도가 증가할수록 평균 마찰 계수는 감소하는 결과를 확인하였다. 또한 그림 9(b)에 나타낸 마모 온도 별 산화 알루미늄 볼 형상을 살펴보면, 낮은 마모 시험 온도 조건들(200 °C, 400 °C)의 경우 600 °C 와 700 °C 대비 크게 연삭된 형태를 나타냈다. 알루미나 볼에서 연삭된 영역의 면적을 계산해본 결과, 200 °C 조건에서 43.92 mm2, 400 °C 에서 15.48 mm2, 600 °C에서 4.59 mm2, 700도 조건에 1.87 mm2로 확인되었다. 즉 마모 온도가 증가함에 따라 알루미나 볼의 마모 면적은 감소하였다. 한편, 고온 마모 시험 후 Ta-10W 소재에 형성된 마모흔의 폭을 측정한 결과, 200 °C 조건의 경우 7.59 mm, 400 °C에서 4.49 mm, 600 °C 에서 3.86 mm, 700 °C 에서 4.87 mm로 측정되었다. 이를 통해 온도가 증가함에 따라 알루미나 볼의 연삭 면적 대비 마모흔의 폭이 넓게 형성되었음을 알 수 있었다. Galling 현상은 미끄럼 마모 시험 중 소재에 높은 하중이 가해지는 경우 마모재와 상대 마모재 사이의 마찰에 의해 국부적인 영역에 하중이 집중되는 현상이다[29,30]. 마모 온도 증가에 따른 Ta-10W의 경도 감소 (연화), 시험 후 알루미나 볼의 마모된 면적이 마모흔의 폭 대비 감소(형상 유지)하는 결과들로 유추해 보았을 때, galling 현상이 600 °C와 700 °C의 고온 마모 시험 초기에 발생하여 200 °C 와 400 °C 조건 대비 마찰 계수가 높게 나타난 뒤 이 후 그 값이 급격히 감소하는 것으로 이해될 수 있다. 전술한 알루미나 볼의 특징, 온도 별 마모흔 및 마모 단면 분석 결과와 그림 9(b)의 상대 마모재의 형상 및 무게 변화까지 고려하였을 때, Ta-10W 합금의 400 °C 및 600 °C 고온 마모 특성은 시험 중 Ta 산화물이 윤활 작용을 하는 보호층으로 작용함에 따라 평균 마찰 계수가 감소하여 마모 특성이 우수해진 것으로 유추할 수 있다. 반면, 700 °C의 경우 과도하게 형성된 산화물층이 붕괴되어 600 °C와 유사한 평균 마찰 계수를 나타냈음에도 불구하고 마모량이 급증한 것으로 판단된다.
전술한 결과들을 종합하였을 때, Ta-10W 합금의 고온 마모 거동은 마모 시험 온도 조건인 200 °C, 400 °C, 600 °C, 700 °C까지 온도가 증가함에 따라 차이를 보였다. 먼저, 200 °C의 경우 마모 상대재에 의한 연삭 마모 거동이 지배적으로 나타나 형성된 구멍과 고랑이 관찰되었으며, 높은 마모량(낮은 마모 저항성)을 나타냈다. 400 °C에서는 마모 상대재(산화 알루미늄)가 Ta-10W 합금 표면에 응착되고 윤활 효과를 야기하여 마모량이 감소하였다 (마모 저항성의 향상). 한편, 600 °C의 경우 400 °C와 달리 연삭 마모 흔적은 확인되지 않았으며 응착 마모가 지배적으로 나타남과 동시에 마모 표면에 일부 알 형태의 산화물(pest oxide)이 일부 관찰되었고 가장 우수한 마모 저항성을 나타냈다. 반면, 700 °C의 경우 시험 중 마모 표면에 형성된 백색의 Ta2O5산화물이 파괴됨에 따라 형성된 고랑과 구멍이 지배적으로 확인되었으며 산화물의 강한 취성에 기인하여 마모량이 급격히 증가하였다. 즉, Ta-10W 합금의 마모 환경은 Ta 및 W계 산화물이 지배적으로 형성되는 온도 이하에서 사용되는 것이 적절하다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 Ta-10W 합금의 고온 마모 특성을 평가하기 위해 다양한 온도 조건(200 °C, 400 °C, 600 °C, 700 °C)에서 산화 알루미늄을 상대재로 한 볼 온 디스크 마모 시험을 수행하였다. 시험 결과, Ta-10W 합금의 마모량은 200 °C에서 400 °C, 600 °C로 온도가 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향(마모 저항성 우수)을 보였으나, 700 °C에서는 급격히 증가하는 특징이 확인되었다.
마모흔 분석 결과, 200 °C 고온 마모 시험편의 경우 연삭 마모 거동이 지배적으로 확인되었으나, 400 °C와 600 °C로 온도가 증가함에 따라 상대 마모재가 연삭되고 마모 표면에 응착되어 비교적 균일하고 안정된 산화물층이 윤활 효과를 나타내 마모 저항성을 향상시키는 반면, 700 °C에서는 시험 중 마모 표면에 Ta2O5산화물층이 지배적으로 형성되고, 상대 마모재의 마모 하중에 의해 파괴됨에 따라 마모량이 다시 급격히 증가하였다. 즉, Ta-10W 합금이 특정 온도 범위(~600 °C) 이내 환경에서는 우수한 마모 저항성을 보이나 임계 온도 이상에서는 소재의 손상이 급격히 증가함을 제시할 수 있었다.

Acknowledgments

본 연구는 방위사업청의 재원으로부터 국방과학연구소의연구비(UE211050GD) 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

Fig. 1.
X-ray diffraction analysis results of the specimens after wear tests with different temperatures of 200°C, 400°C, 600°C, and 700°C.
kjmm-2024-62-10-827f1.jpg
Fig. 2.
(a) Weight loss values and (b) wear rates determined as a result of elevated temperature (200°C, 400°C, 600°C, and 700°C) wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f2.jpg
Fig. 3.
(a) Friction coefficient variation with wear time and (b) average friction coefficient values determined as a result of elevated temperature (200°C, 400°C, 600°C, and 700°C) wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f3.jpg
Fig. 4.
Macroscopic observation results of Ta-10W wear specimens at (a) 200 °C, (b) 400 °C, (c) 600 °C, and (d) 700 °C.
kjmm-2024-62-10-827f4.jpg
Fig. 5.
SEM images and EDS mapping results of worn surfaces after (a) 200°C and (b) 400°C wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f5.jpg
Fig. 6.
SEM images and EDS mapping results of worn surfaces after (a) 600°C and (b) 700°C wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f6.jpg
Fig. 7.
Cross-sectional observation results of worn surfaces after elevated temperature wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f7.jpg
Fig. 8.
FE-EPMA analysis results of cross-sectional worn surfaces after elevated temperature (200°C, 400°C, 600°C, and 700°C) wear tests of Ta-10W alloy.
kjmm-2024-62-10-827f8.jpg
Fig. 9.
(a) Vickers hardness variation of Ta-10W alloy with elevated temperature, and (b) the weight loss vales of alumina ball after wear tests at elevated temperatures.
kjmm-2024-62-10-827f9.jpg
Table 1.
Wear property results of Ta-10W alloy at elevated temperatures.
Temperature (°C) Wear loss (g) Wear rate (mm3·N-1·m-1)
200 0.7510 2.12E-04
400 0.0947 2.67E-05
600 0.0149 4.21E-06
700 1.3702 3.87E-04

REFERENCES

1. M. S. Jo, Y. H. Cho, J. M. Lee, S. B. Kim, S. H. Kim, and J. I. Jang, Korean J. Met. Mater. 60, 489 (2022).
crossref pdf
2. M. S. Baek, T. H. Kang, J. H. Kim, J. P. Park, K. Euh, and K. A. Lee, Korean J. Met. Mater. 60, 360 (2022).
crossref pdf
3. T. S. Byun and S. A. Maloy, J. Nucl. Mater. 377, 72 (2008).
crossref
4. Y. Liu, S. Liu, C. Deng, H. Fan, X. Yuan, and Q. Liu, J. Mater. Sci. Technol. 34, 2178 (2018).
crossref
5. J. Li, L. Qin, K. Yang, Z. Ma, Y. Wang, and L. Cheng, J. Mater. Sci. Technol. 36, 190 (2020).
crossref
6. Y. Lv, K. Hu, Z. Huang, Z. Cao, S. Wen, and Y. Zhao, Solid State Commun. 306, 113767 (2020).
crossref
7. L. Zhou, Q. Zhang, X. Zeng, J. Danzheng, Q. Zheng, and J. Liu, J. Of Wuhan Univ. Of Technol. 37, 73 (2015).

8. T. Novakowski, A. Sundaram, J. Tripathi, and S. Gonderman, A. Hassanein J. Nucl. Mater. 504, 1 (2018).
crossref
9. S. Wang, Z. Wu, M. Xie, D. Si, and C. Chen, Mater. Charact. 159, 110067 (2020).
crossref
10. T. Zhang, H. Deng, Z. Xie, R. Liu, J. Yang, and C. Liu, J. Mater. Sci. Technol. 52, 29 (2020).
crossref
11. L. Kommel, P. Podra, V. Mikli, and B. Omranpour, Wear. 466, 203573 (2021).

12. Y. Zhang, Q. Wei, H. Niu, C. Chen, and Z. Yu, Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 45, 71 (2014).
crossref
13. Y. Zhang, P. Zhang, H. Niu, C. Chen, G. Wang, and D. Xiao, Mater. Sci. Eng. A. 607, 351 (2014).
crossref
14. S. Myers, J. Lin, R. M. Souza, W. D. Sproul, and J. J. Moore, Surf. Coatings Technol. 214, 38 (2013).
crossref
15. Z. Bing, Y. Liu, Z. Liu, Y. Ma, H. Hei, and B. Shi, Vacuum. 196, 110783 (2022).
crossref
16. X. Li, W. Yue, C. Wang, J. Liu, and G. Li, J. Tribol. 139, 061301 (2017).

17. S. Seyyedin, H. Zangi, M. Bozorgmehr, B. Ghasemi, M. M. Tavallaei, and S. Adib, Mater. Sci. Eng. A. 798, 140024 (2020).
crossref
18. P. Sun, Y. Gu, Y. Li, and B. Liu, J. Mater. Eng. Perform. 28, 4152 (2019).
crossref pdf
19. K. Dong, G. Zhao, and X. Zhou, Yunnan Metall. 47, 50 (2018).

20. J. X. Li, Y. H. Chen, Z. J. Bai, S. Du, and L. E. Wu, MSF 2020. 993, 299 (2020).
crossref
21. C. Zhao, Y. Chen, Z. Yi, L. Li, and H. Wang, Powder Met. Tech. 37, 92 (2019).

22. H. Xia, Y. Xu, J. Duan, S. Li, N. Jiang, S. Zhu, Y. Lei, P. Shi, and J. Tang, Front. Mater. 10, 1180668 (2023).

23. K. Shu, W. Wang, H. Ding, Q. Lin, E. Meli, and J. Guo, Tribol. Int. 172, 107584 (2022).
crossref
24. G. Gautam, N. Kumar, A. Mohan, R. K. Gautam, and S. Mohan, Metall. Mater. Trans. A. 47, 4709 (2016).
crossref pdf
25. T. Dimitrova, K. Arshak, and E. Atanassova, Thin Solid Films. 381, 31 (2001).
crossref
26. A. Ahmadi, F. Sadeghi, and S. Shaffer, Wear. 410, 110–118, (2018).

27. H. Kato and K. Komai, Wear. 262, 36 (2007).
crossref
28. H. Kato, Tribol. Int. 41, 735 (2008).
crossref
29. K. Gurumoorhy, M. Kamaraj, K. Prasad Rao, and S. Venugopal, Mater. Des. 28, 987 (2007).

30. K. G. Budinski, Wear. 74, 93 (1981).
crossref
Editorial Office
The Korean Institute of Metals and Materials
6th Fl., Seocho-daero 56-gil 38, Seocho-gu, Seoul 06633, Korea
TEL: +82-2-557-1071   FAX: +82-2-557-1080   E-mail: metal@kim.or.kr
About |  Browse Articles |  Current Issue |  For Authors and Reviewers
Copyright © The Korean Institute of Metals and Materials.                 Developed in M2PI