1. 서 론

소음과 진동은 다양한 형태의 인적 및 물적 손실을 초 래하고 있다. 따라서 최근 소음과 진동을 저감 또는 방 지함으로서 생활 및 노동환경의 개선, 기기 또는 장치 등의 보호와 장수명화, 상품의 고부가 가치화 등을 도 모하려는 노력이 활발히 이루어지고 있고, 더불어 소음 과 진동에 대한 규제도 점차 엄격해 지고 있다.

현재 공업적으로 이용되고 있는 소음과 진동의 저감 또 는 방지방법은 system과 structure 및 material damping법 등이 있고, 이중 system 및 structure damping법은 소음 과 진동의 저감 및 방지효과가 낮고, 부착성, 가공성 등 에서 문제가 있어 공업적 이용측면에서 제한적으로 이 용되고 있다. 그래서 소음과 진동의 감쇠효과가 뛰어나 고, 가공성과 부착성 등이 우수한 내부마찰이 큰 합금 을 소음과 진동원에 적용하여 감쇠하는 material damping 법에 대한 관심이 높아지고 있고, 이를 이용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.^1-6)

제진합금(damping alloy)이란 내부마찰이 커서 외부에 서 가한 진동에너지의 대부분을 열에너지 또는 다른 형 태의 에너지로 용이하게 전환시키는 합금을 말하고, 감 쇠능은 그 재료가 갖는 미세조직 등에 따라 달라진다.^4,5) 또한 제진합금은 강도, 가공성, 제진에 의한 주파수 의 존성, 온도 의존성 등이 낮을수록 유리하며, 일반적으로 재료의 강도가 높고 연신율이 낮으면 감쇠능은 작아진 다.⁸⁾ 뿐만 아니라 가공에 의해 오스테나이트가 마르텐사 이트로 변태되는 가공유기 마르텐사이트 변태를 일으키 는 합금은 오스테나이트 조직의 안정도에 따라 가공유 기 마르텐사이트 변태거동이 달라지고, 오스테나이트의 안 정도는 화학조성, 가공온도 및 결정립 크기 등에 따라 달라지므로 화학조성, 결정립크기 등에 따라서도 감쇠능 은 크게 달라진다. 때문에, 우수한 제 특성을 갖는 제 진합금을 개발하는 것은 대단히 어렵다. 따라서 제 특 성이 우수한 제진합금을 개발하기 위한 다양한 연구가 수행되어 왔지만,^1-8) 많이 부족하다.

따라서, 본 연구는 감쇠능과 강도의 조합 등이 우수한 제진합금 개발에 필요한 자료를 얻기 위해 수행되었다. 즉, 강도 등이 우수한 Fe-Mn계 합금에서8) 적층결함을 낮 춤으로서 감쇠능을 높이고, 고용강화에 의한 강도향상 및 내식성 등의 향상을 위해 4 %의 Co와 2 %의 Al이 첨 가된 합금을 설계하였고, 이 합금에서 결정립 크기가 감 쇠능에 미치는 영향을 다양하게 조사하였다.

2. 실험 방법

2.1 시료

시료는 고주파 진공용해로에서 Table 1에 나타낸 화학 조성으로 용해하여 잉곳을 만든 다음 1200 °C로 가열 후 열간압연하여 10 mm 두께의 판재로 만들었다. 그 다음 판재를 산세한 다음 2.3, 2.8, 3.9 mm 두께가 되도록 냉 간압연하고, 1050 °C로 유된 진공로에서 유지시간을 변 경하며 열처리하여 결정립크기를 달리하였다. 그 후 압 연율을 달리하는 냉간압연을 하여 모든 시료가 동일하 게 2 mm 두께가 되도록 하였다.

2.2 미세조직 관찰

결정립크기를 달리한 시료와 이 시료에서 압연율을 달 리하여 냉간압연한 시료의 미세조직을 광학현미경과 주 사전자현미경 및 투과전자현미경(JEOL JEM 2010) 등으 로 관찰하였다. 투과전자현미경 관찰은 시료를 직경 3 mm 크기의 박판으로 만든 다음 jet polishing 하여 박막으로 만들어서 200 kV 가속전압으로 관찰하였다. 한편, 각 시 료가 갖는 상들의 체적분율은 Mo-Kα 특성 X선을 사용 하여 1o/min의 속도로 1°~80°사이를 회절시험 하였을 때 얻은 회절선도로부터 얻은 각 상에 해당되는 피크의 상 대적분강도 값을 사용하여 구하였다.⁹⁾

2.3 감쇠능 측정

진동감쇠능은 결정립크기가 다른 시료에서 압연율을 달 리하여 냉간압연한 시료로부터 방전가공하여 2 mm× 120 mm × 10 mm 크기의 시험편으로 만든 후, 횡형 내부마 찰측정장치를 이용하여 10⁻⁴ torr의 진공하에서 대수감쇠 율을 구하는 방법으로 측정하였다. 즉, 이 방법은 진동 을 가하는 전극과 진동을 검출하는 전극인 두 전극위에 시료를 전극에 접촉되지 않게 2개의 평행한 극세선으로 배열시킨 다음 진동을 가하는 전극으로 강제 진동시킨 후 자유 감쇠시켜 감쇠가 끝날 때까지의 파수를 측정하여 감 쇠율(δ = 1/n ln A₀ / An, 여기서 n: 파수, A₀: 최초파의 진폭, An: n번째 파의 진폭)을 구하는 방법이다.¹⁰⁾

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 미세조직관찰

Fig. 1은 결정립 크기가 다른 Fe-26Mn-4Co-2Al 제진 합금의 미세조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. 결정 립크기에 관계없이 모두 동일하게 부분적으로 쌍정들이 존재하고 있는 오스테나이트 조직에 적은 양의 마르텐 사이트가 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 세 시 료의 결정립 평균크기는 a) 시료가 101 μm, b) 시료가 148 μm, c) 시료가 329 μm로 조사되었다.

Fig. 2는 가공에 따른 미세조직 변화를 조사하기 위하 여 Fig. 1의 미세조직을 갖는 시료를 28 % 냉간압연 한 다음 광학현미경으로 나타낸 것이다. 가공에 의해 오스 테나이트 조직의 일부가 마르텐사이트 조직으로 변태되 어, 냉간가공하지 않은 시료의 Fig. 1에서 보다 많은 마 르텐사이트가 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다. 따 라서 가공에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 마르텐 사이트 조직으로 변태되는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 3은 가공에 의해 생성되는 마르텐사이트를 상세 히 조사하기 위하여 28 % 냉간압연한 Fig. 2 시료의 미 세조직을 주사전자현미경으로 나타낸 것이다. 마르텐사이 트가 특정방향성을 지니면서 표면기복을 일으키고, 부분 적으로 서로 교차하며 생성되어 있는 것을 알 수 있다.^5,11)

Fig. 4는 냉간가공에 의해 생성된 마르텐사이트를 결 정구조 분석으로 조사하기 위하여 28 % 냉간압연 한 Fig. 2 시료의 미세조직을 투과전자현미경으로 나타낸 것 이다. 여기서 사진 a)는 암시야상, b)는 암시야상에서 나 타낸 상의 제한시야 회절패턴과 이를 분석하여 나타낸 것이다. 제한시야 회절패턴 분석결과인 b)로 부터 체심 정방정(BCT)의 α'-마르텐사이트와 조밀육방정(HCP)의 ε- 마르텐사이트가 함께 생성되어 있는 것을 확인할 수 있 다. 또한 마르텐사이트는 방향성을 띄면서 서로 교차하 며 생성되어 있고, α'-마르텐사이트는 서로 교차하고 있 는 ε-마르텐사이트 등에서 생성되어 있으며, 이러한 결 과는 상온에서 오스테나이트 조직을 갖는 합금에서 가 공유기 마르텐사이트 변태할 때 일어나는 α'-마르텐사이 트의 생성 기구와 잘 일치하고 있다.¹¹⁾

3.2 미세조직과 감쇠능에 미치는 결정립크기의 영향

Fig. 5는 미세조직에 미치는 결정립크기의 영향을 조 사하기 위하여 냉간압연 하지 않은 결정립크기가 다른 세 시료가 갖는 각 상의 체적분율을 조사하여 나타낸 것 이다. 결정립 크기가 증가할수록 오스테나이트의 양은 빠 르게 감소하고 있고, 상대적으로 α'와 ε-마르텐사이트의 양은 비슷한 거동으로 서서히 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 6은 냉간압연 한 시료의 미세조직에 미치는 결정 립크기의 영향을 조사하기 위하여 결정립크기가 다른 세 시료를 28 % 냉간압연 한 다음 각 상의 체적분율을 조 사하여 나타낸 것이다. 냉간압연하지 않은 시료에서와 동 일하게 결정립 크기가 증가함에 따라 오스테나이트의 양 은 빠르게 감소하고, 상대적으로 α' 및 ε-마르텐사이트 의 양은 비슷한 거동으로 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 한편, Fig. 5와의 비교로부터 냉간압연한 시료가 냉간압연하지 않은 시료 보다 결정립 크기가 증가함에 따라 오스테나이트의 양이 감소하고 α' 및 ε-마르텐사이 트의 양이 증가하는 속도가 빠른 것을 알 수 있고, 이 로부터 미세조직에 미치는 결정립 크기의 영향은 냉간 압연 한 시료에서 더 크게 나타나고 있는 것을 확인 할 수 있다.

이상의 결과로부터 결정립 크기가 증가함에 따라 오스 테나이트가 감소하고 α' 및 ε-마르텐사이트의 양이 증가 하는 것을 알 수 있고, 이러한 이유는 결정립 크기가 증 가하면 오스테나이트의 안정도가 낮아지게 되어 적층결 함 등과 같은 결함의 생성이 용이하고, 이러한 결함 등 이 마르텐사이트의 핵생성 장소로 작용하기 때문에 오 스테나이트가 마르텐사이트의 변태가 잘 일어나기 때문 이다.12,13) 뿐만 아니라 28 % 냉간압연한 시료가 냉간압 연하지 않은 시료보다 결정립 크기가 증가함에 따라 오 스테나이트의 양이 감소하고 α' 및 ε-마르텐사이트의 양 이 증가하는 속도가 빠른 것을 알 수 있고, 이러한 이유 역시 결정립이 커지면 오스테나이트의 안정도가 낮아지게 되고, 그 결과 가공에 의해 오스테나이트가 α' 및 ε-마르 텐사이트로의 변태가 보다 잘 일어나기 때문이다.^12,13)

Fig. 7은 결정립 크기가 감쇠능에 미치는 영향을 조사 하기 위하여 냉간가공하지 않은 결정립크기가 다른 세 시료의 감쇠능을 조사하여 나타낸 것이다. 결정립크기가 증가할수록 내부마찰 계수가 서서히 증가하고 있는 것 으로부터 감쇠능이 서서히 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 8은 냉간가공 한 시료에서 감쇠능에 미치는 결정 립 크기의 영향을 조사하기 위하여 결정립 크기가 다른 세 시료를 28 % 냉간압연 한 다음 내부마찰계수를 조 사하여 나타낸 것이다. 냉간압연하지 않은 시료에서와 동 일하게 28 % 냉간가공 한 시료에서도 결정립 크기가 증 가함에 따라 감쇠능이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 Fig. 7과의 비교로부터 감쇠능이 증가하는 속도가 냉간압연하지 않은 시료에 비해 빠른 것을 확인 할 수 있다.

이상의 결과로부터 결정립의 크기가 증가하면 감쇠능 이 증가하는 것을 알 수 있고, 이러한 이유는 Fig. 5에 서 알 수 있는 바와 같이 결정립크기가 증가하면 오스 테나이트의 안정도가 낮아지게 되어 오스테나이트가 감 쇠능에 크게 영향을 미치는 ε-마르텐사이트로 변태가 잘 일어나 그 양이 많아지기 때문이다.^13,14) 또한 냉간압연 하지 않은 경우보다 28 % 냉간압연 한 경우가 결정립 크기가 증가함에 따라 감쇠능의 증가 속도가 빠른 것을 알 수 있고, 이러한 이유 역시 Fig. 6에서 알 수 있는 바와 같이 결정립이 커지면 오스테나이트의 안정도가 낮 아지므로 가공에 의해 오스테나이트가 감쇠능에 크게 영 향을 미치는 ε-마르텐사이트로의 변태가 더 잘 일어나게 되어 ε-마르텐사이트의 양이 더 많아지기 때문이다.^13,14)

3.3 감쇠능에 미치는 가공유기 마르텐사이트의 영향

결정립 크기가 달라지면 오스테나이트의 안정도가 달 라지게 되어 오스테나이트가 가공에 의해 α' 및 ε-마르 텐사이트로 변태되는 거동도 달라지기 때문에 이에 영 향을 받아 감쇠능도 달라지고 있는 것을 알 수 있다. 따 라서 크기가 다른 결정립을 갖는 Fe-26Mn-4Co-2Al 합 금에서 감쇠능에 미치는 마르텐사이트 조직의 영향을 조 사하였다.

Fig. 9는 결정립 크기가 다른 세 시료의 감쇠능에 미 치는 마르텐사이트의 영향을 조사하기 위하여 냉간가공 하지 않은 결정립크기가 다른 세 시료의 감쇠능과 세 시 료가 갖는 α' 및 ε-마르텐사이트, 그리고 두 마르텐사이 트를 더한 전체 마르텐사이트 양과의 관계를 조사하여 나타낸 것이다. α' 및 ε-마르텐사이트, 그리고 두 마르 텐사이트를 더한 전체 마르텐사이트의 양이 증가함에 따 라 내부마찰계수가 증가하고 있는 것을 확인할 수 있 다. 그러나 내부마찰계수는 ε-마르텐사이트의 양이 증가 함에 따라 직선적인 비례관계로 증가하는데 반하여, α'- 마르텐사이트와 두 마르텐사이트를 더한 전체 마르텐사 이트의 양과는 직선적인 비례관계로 증가하지는 않는 것 을 알 수 있다.

Fig. 10은 결정립 크기가 다른 냉간가공 한 시료의 감 쇠능에 미치는 마르텐사이트의 영향을 조사하기 위하여 결정립크기가 다른 세 시료를 28 % 냉간압연 한 다음 감쇠능과 α' 및 ε-마르텐사이트, 그리고 두 마르텐사이 트를 더한 전체 마르텐사이트와의 관계를 조사하여 나 타낸 것이다. 냉간가공하지 않은 시료에서와 마찬가지로 α' 및 ε-마르텐사이트, 그리고 두 마르텐사이트를 더한 전 체 마르텐사이트의 양이 증가함에 따라 감쇠능이 증가 하고 있는 것을 알 수 있고, 감쇠능이 증가하는 속도는 냉간가공하지 않은 시료에 비해 빠른 것을 알 수 있다. 또한 냉간가공하지 않은 시료에서와 마찬가지로 내부마 찰계수는 ε-마르텐사이트의 양이 증가함에 따라 직선적 비례관계로 증가하지만, α'-마르텐사이트와 두 마르텐사 이트를 더한 전체 마르텐사이트의 양과는 직선적인 비 례관계로는 증가하지 않는 것을 알 수 있다.

이상의 결과로 부터 냉간가공 하지 않은 시료와 28 % 냉간압연 한 시료 모두 감쇠능은 ε-마르텐사이트의 양이 증가함에 따라서 비례관계로 증가하고 있는데 반하여, α'- 마르텐사이트와 두 마르텐사이트를 더한 전체 마르텐사 이트의 양과는 비례관계로 증가하고 있지 않는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 이유는 감쇠능은 α'-마르텐사이트 보다는 ε-마르텐사이트에 지배되기 때문이다.14) 즉, 상온 에서 오스테나이트조직을 갖는 오스테나이트계 스테인리 스강과 Fe-26Mn-4Co-2Al 등과 같은 합금과 같이 가공 에 의해 오스테나이트 조직이 α' 및 ε-마르텐사이트 조 직으로 변태를 일으키는 합금에서 감쇠는 오스테나이트 조직내 적층결함 경계의 이동에 의해서 일어나기도 하 지만, 주로 오스테나이트와 ε-마르텐사이트의 계면이동, ε- 마르텐사이트 내부 적층결함 경계의 이동 및 ε-마르텐사 이트 플레이트 내부 형제정계면의 이동 등에 의해서도 일어나기 때문에15) ε-마르텐사이트에 주로 지배된다.13,14) 따라서, 감쇠능은 ε-마르텐사이트의 양과는 비례관계를 나 타내지만, α'-마르텐사이트와 두 마르텐사이트를 더한 전 체 마르텐사이트의 양과는 비례관계를 나타내지 않는다 고 판단된다. 뿐만 아니라 감쇠능이 α'-마르텐사이트와 α' 와 ε-마르텐사이를 더한 전체 마르텐사이트의 양이 증가 함에 따라 증가하고 있는 것으로 나타나고 있지만, 이 는 본 연구결과와 다른 연구결과들을14) 함께 종합해서 분 석해 보면, 이 시료에서는 ε-마르텐사이트와 α'-마르텐사 이트가 함께 존재하고 있기 때문에 ε-마르텐사이트의 양 이 증가함에 따라 감쇠능이 증가하는데 영향을 받아 나 타난 결과로 판단된다.

4. 결 론

Fe-26Mn-4Co-2Al 제진합금을 결정립 크기를 달리한 후, 가공량을 달리하는 냉간압연하여 감쇠능의 변화를 조 사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

따라서 감쇠능은 ε-마르텐사이트에 크게 영향을 받았다.