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마찰교반법에 의한 AZ31 Mg합금의 Mg-Al-Ni계 복합화합물 표면의 형성

전문가 제언: ○ 봉상의 단면을 갖는 공구(tool)를 재료 표면에 접촉시켜 고속으로 회전시키면 재료 표면은 강가공을 받는 상태에서 마찰열과 함께 강한 소성유동이 발생하므로 모재와는 물리화학적 성질이 다른 초미세결정립을 갖는 가공변질층이 형성된다. 이 현상을 이용하여 재료 표면을 개질하는 마찰교반법(FSP : Friction Stir Procesing)이 알루미늄과 마그네슘 합금에서 연구되고 있다. 이 기술은 마찰열을 이용하여 고상상태에서 재료를 접합시키는 마찰교반용접법(FSW)에서 유래하고 있다.

○ 최근 1100-H14 Al합금의 교반영역에 25～38㎛의 Ni분말을 도입한 FSP에서 초미세 Al3Ni 입자분산 복합 표면의 형성으로 원재료보다 경도 271%, 강도 187%를 향상시킨 연구가 보고되었다. Mg합금에 대해서도 Mg기지의 결정립미세화(0.05～1㎛)와 10～100㎚의 초미세 금속간화합물(Mg3Al2Zn3, Mg7Zn3, Al2ZnMg)의 형성이 보고되었다. 본 연구에서는 Ni의 용해도가 매우 낮은 AZ31합금에서도 FSP에 의해 Mg-Ni계 및 Al-Ni계 금속간화합물의 생성이 가능함을 확인하고, 열역학과 속도론적 관점에서 금속간화합물의 생성기구를 규명하였다.

○ FSP패스 수에 따라 생성되는 금속간화합물의 종류가 달라진다. 초기의 FSP에서는 Mg2Ni와 Al3Ni2가 생성되지만 패스 수의 증가에 따라 이들의 양은 감소하여 5패스에서는 잔류하는 Ni와 반응하여 MgNi2와 AlNi로 변환된다. AZ31합금 표면의 기지조직은 강소성 변형과 마찰열의 영향으로 재결정이 일어나 미세화하고 Ni, MgNi2, AlNi 입자들이 균일하게 분산된 복합 표면이 형성되므로 경도가 향상된다. 향후의 과제로 강도와 내식성에 미치는 FSP효과를 규명하는 것이 필요하다.

○ 국내에서도 마찰교반용접은 자동차 부품, 배관 부품, 건설기계 등에 이용되고 있으나 재료특성의 향상에 이용하는 연구사례는 찾아보기 어렵다. 재료기술로 많이 이용되는 기계적 밀링, 숏피닝, 드릴/절삭가공 등에서도 FSP와 유사한 현상이 일어나 표면 특성을 개선하는 방법으로 연구되고 있다. FSP기술은 회전공구의 대면적화에 의한 생산성 향상이 실용화의 병목이 될 것이므로 이에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다.

저자: S.H. Abdollahi, F. Karimzadeh, M.H. Enayati
자료유형: 니즈학술정보