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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.3 pp.129-134
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.3.129

Effect of Grain Size on the Damping Capacity of Fe-26Mn-4Co-2Al Damping Alloy

Kyu-Seong Jeong1, Doe-Hoon Kim1, Soon-Doo Kwon2, Chang-Yong Kang1
1Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Republic of Korea
2Dept. of Industry Equipment Aution, Korea Polytechnic College, Daegu 41765, Republic of Korea
Corresponding author : metkcy@pknu.ac.kr (C.-Y Kang Pukyong Nat’l Univ.)
December 20, 2017 January 17, 2018 February 5, 2018

Abstract


This study was carried out to investigate the effect of grain size on the damping capacity of the Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy. α’ and ε-martensite were formed by cold working, and these martensites were formed with a specific direction and surface relief. With an increase in grain size, the volume fraction of α’ and ε-martensite increased by decrement the austenite phase stability. This volume fraction more rapidly increased in cold-rolled specimen than in the specimen that was not cold-rolled. The damping capacity also increased more with the augmentation an increased grain size and more rapidly increased in cold-rolled specimen than in the specimen that was not cold rolled. The effect of grain size on the damping capacity was larger in the cold-rolled specimen than the specimen that was not cold-rolled. Damping capacity linearly increased with an increase in volume fraction of ε-martensite. Thus, the damping capacity was affected by the ε-martensite.



Fe-26Mn-4Co-2Al 제진합금의 감쇠능에 미치는 결정립 크기의 영향

정 규성1, 김 도훈1, 권 순두2, 강 창룡1
1부경대학교 금속공학과
2한국폴리텍대학교 산업설비자동화과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    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.

    • 1) 냉간가공에 의해 α' 및 ε-마르텐사이트가 생성되었 다. 또한 α' 및 ε 마르텐사이트는 방향성을 지니고, 표 면기복을 일으키며 생성되었다.

    • 2) 결정립크기가 증가함에 따라 오스테나이트의 안정 도가 낮아지는데 기인되어 α' 및 ε-마르텐사이트 양이 증 가하였다. 또한 α' 및 ε-마르텐사이트 양의 증가는 냉간 가공하지 않은 시료보다 냉간가공한 시료에서 더 빠르 게 나타났다.

    • 3) 결정립크기가 증가함에 따라 감쇠능은 증가하였다. 또 한 감쇠능의 증가는 냉간가공하지 않은 시료보다 냉간 가공한 시료에서 더 빠르게 증가하였다.

    • 4) 감쇠능에 대한 결정립 크기의 영향은 냉간가공한 시 료가 냉간가공하지 않은 시료보다 크게 나타났다.

    • 5) 감쇠능은 ε-마르텐사이의 양이 증가함에 따라 직선 적인 비례관계로 증가하였다.

    따라서 감쇠능은 ε-마르텐사이트에 크게 영향을 받았다.

    Figure

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    Optical micrographs of Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloys with different grain size a) 101 μm, b) 148 μm, c) 329 μm.

    MRSK-28-129_F2.gif

    Optical micrograph of 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy with grain size of 101 μm.

    MRSK-28-129_F3.gif

    SEM micrograph of 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy with grain size of 101 μm.

    MRSK-28-129_F4.gif

    TEM micrograph of 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy with grain size of 101 μm. a) bright field image. b) SADP and indexing of SADP.

    MRSK-28-129_F5.gif

    Effect of grain size on the volume fraction of each phases in Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.

    MRSK-28-129_F6.gif

    Effect of grain size on the volume fraction of each phases in 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.

    MRSK-28-129_F7.gif

    Effect of grain size on the internal friction of Fe-26Mn-4Co- 2Al damping alloy.

    MRSK-28-129_F8.gif

    Effect of grain size on the internal friction of 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.

    MRSK-28-129_F9.gif

    Effect of volume fraction of martensite on the internal friction of Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy with different grain size.

    MRSK-28-129_F10.gif

    Effect of volume fraction of martensite on the internal friction of 28 % cold rolled Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy with different grain size.

    Table

    Chemical composition of specimen (wt%).

    Reference

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