1. 서 론
소음과 진동은 다양한 형태의 인적, 물적 손실을 초래 하고 있어 소음과 진동 저감에 대한 필요성과 규제가 크 게 높아지고 있다. 지금까지 공업적으로 이용되고 있는 소 음과 진동 방지법으로서는 System, Structure 및 Material damping법 등이 있지만 이중 System 및 Structure damping 법은 저감효과가 낮고 적용상 여러 문제가 있어 공업적 이용 측면에서는 제한적이다. 때문에 내부마찰계수가 큰 제진합금을 소음과 진동원에 적용함으로서 소음과 진동 방지 효과가 크고, 가공성과 부착성 등이 우수한 Material damping법에 대한 관심이 높아지고 있고 이에 대한 연 구도 많이 수행되어 왔다.1-9)
제진합금(Damping alloy)이란 내부마찰이 커서 외부에 서 가한 진동에너지의 대부분을 열에너지 또는 다른 형 태의 에너지로 용이하게 전환시키는 합금을 말하고,2) 제 진합금의 감쇠기구는 외부응력에 의한 금속 내 존재하 는 전위 등과 같은 결함의 이동에 기인하므로 합금의 열 기계적이력(Thermo-mechanical history), 즉 미세조직 등 에 따라 크게 달라진다.4,5) 또한 제진재료는 강도, 가공 성, 제진에 의한 주파수 의존성, 온도 의존성 등이 낮 을수록 유리하고,5) 일반적으로 재료의 강도가 높아지면 감쇠능은 낮아지는 것으로 알려져 있다.7) 따라서 이러한 여러 성질들을 모두 만족하는 제진합금의 개발이 어렵 기 때문에 현재 상용되고 있는 제진합금은 많지 않다. 때문에 제진합금으로서 요구되는 제 특성을 만족하면서 강도와 감쇠능의 조합이 우수한 구조용 재료로 활용가 능성이 높은 제진합금을 개발하기 위한 다양한 연구가 수행되어 왔지만,1-9) 아직 많이 부족한 실정이다.
본 연구는 우수한 감쇠능과 높은 강도를 갖는 제진합 금에 필요한 자료를 얻고자 수행하였다. 즉 감쇠능, 강 도 등이 우수한 것으로 알려져 있는 Fe-Mn계 합금에서9) 적층결함을 낮춤으로써 감쇠능을 높이고, 고용강화에 의 한 강도향상을 고려하여 4 %의 Co를,9) 또한 내식성 등 의 향상을 위해 2 %의 Al이 첨가된 제진합금을 설계하 였다.10) 다음 이 합금에서 가공량을 달리하는 냉간가공 에 의해 미세조직을 변화시킨 다음 감쇠능에 미치는 가 공에 의해 생성된 마르텐사이트의 영향을 조사하였다.
2. 실험 방법
2.1. 시료
시료는 먼저 진공용해로에서 용해하여 잉곳을 제작 후 이를 1200 °C로 가열한 다음 열간압연 하여 2~3.5 mm 사이의 여러 두께를 갖는 판재로 만들었다. 다음 1050 °C 에서 1시간 유지 후 수냉하는 용체화처리와 산세과정을 거친 다음 냉간압연 후 2 mm 두께가 되도록 압연율을 달리하는 냉간압연 하여 시료로 사용하였다. Table 1에 시료의 화학조성을 나타내었다.
2.2. 미세조직의 관찰
용체화처리 한 시료와 용체화처리 후 냉간압연 한 시 료의 미세조직은 통상의 연마와 정마를 한 다음 10 % Nital 용액에 부식하여 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰하였다. 또한 가공에 의해 생성되는 마르텐사이트를 결정학적으로 조사하기 위하여 투과전자현미경으로도 관 찰하였다. 이 때 투과전자현미경 관찰은 시료를 약 80 μm 두께로 만든 다음 Perchloric acid와 Acetic acid를 혼합 한 용액에서 Jet Polishing 하여 박막으로 만들어서 200 kV 가속전압의 투과전자현미경(JEOL JEM 2010)으로 조 사하였다.
2.3. X선 회절시험
시료가 갖는 각 상의 체적분율은 X선 회절시험으로 측 정하였다. X-선 회절시험은 Mo-Kα 특성 X선을 사용하 여 10~80° 사이의 범위를 1°/min의 속도로 회절시험 하 였고, 이 때 얻은 회절선도로 부터 얻은 각상에 해당되 는 피크의 상대 적분강도 값을 사용하여 각 상의 체적 분율을 구하였다.11)
2.4. 감쇠능 측정
감쇠능은 압연율을 달리하여 냉간압연한 시료로부터 2 mm× 120 mm × 10 mm 크기의 시험편으로 제작한 다 음 횡 형 내부마찰 측정 장치를 이용하여 10−4torr의 진 공 하에서 대수감쇠율을 구하는 방법으로 측정하였다. 이 방법은 진동을 가하는 전극과 진동을 검출하는 전극인 두 전극위에 시료를 극세선으로 전극에 접촉되지 않게 배열시킨 다음 진동을 가하는 전극으로 강제진동 시킨 후 자유 감쇠시켜 감쇠가 끝날 때까지의 파수를 측정하 여 감쇠율(δ = 1/n ln A0/An, n: 파수, A0: 최초파의 진 폭, An: n 번째 파의 진폭)을 구하는 방법이다.12)
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 미세조직 관찰
Fig. 1은 Fe-26%Mn-4%Co-2%Al 합금의 미세조직을 광학현미경으로 나타낸 것이다. 쌍정이 존재하고 있는 오 스테나이트 조직에 소량의 마르텐사이트 조직이 존재하 고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 2는 용체화처리 후 28 % 냉간압연한 시료의 미 세조직을 광학현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 압연 가공에 의해 오스테나이트 조직의 일부가 마르텐사이트 (이후 가공유기 마르텐사이트라 한다) 조직으로 변태되어 오스테나이트에 비교적 많은 량의 마르텐사이트가 존재 하고 있는 조직으로 되어있는 것을 알 수 있다.
Fig. 3은 냉간가공에 의해 생성되는 마르텐사이트 조 직을 상세히 조사하기 위하여 28 % 냉간압연한 시료의 미 세조직을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 냉 간압연에 의해 생성되는 마르텐사이트가 표면기복을 일 으키며, 특정한 방향성을 지니고 일부는 서로 교차하며 생성되어 있는 것을 알 수 있다.5,12)
Fig. 4는 냉간가공에 의해 생성되는 마르텐사이트를 결 정학적으로 분석하기 위하여 13 % 냉간압연한 시료의 미 세조직을 투과전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 사 진 a)는 명시야 상, b)는 명시야상에서 나타낸 상의 제 한시야회절 패턴과 이를 분석하여 나타낸 것이다. 이 결 과로부터 BCT 결정구조를 갖는 α'-마르텐사이트와 HCP 결정구조를 갖는 ε-마르텐사이트가 함께 생성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 마르텐사이트는 방향성을 띄고 서로 교차하며 생성되어 있고 α'-마르텐사이트가 ε-마르 텐사이트의 밴드 위 또는 교차점에서 생성되어 있는 것 을 알 수 있다.12)
3.2. 미세조직과 감쇠능에 미치는 냉간가공의 영향
Fig. 5는 용체화처리 후 가공량을 달리하여 냉간압연 한 시료에서 존재하는 각 상들의 체적분율을 조사하여 나타낸 것이다. 압연량이 증가함에 따라 오스테나이트의 양은 빠르게 감소하고, α'-마르텐사이트의 양은 빠르게 증 가하고 있는데 반하여, ε-마르텐사이트의 양은 증가하다 최고 양을 나타낸 다음 감소하는 것을 알 수 있다. 이 와 같이 압연량이 증가함에 따라 오스테나이트의 양이 감소하고 α' 및 ε-마르텐사이트의 양이 증가하는 이유는 가공에 의해 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으 로 변태되기 때문이다. 또한 압연량이 증가함에 따라 ε- 마르텐사이트의 양은 증가하다 감소하는데 반하여, α'-마 르텐사이트의 양은 계속 증가하는 이유는 상온에서 준 안정 오스테나이트 조직을 갖는 강에서 가공에 의해 생 성되는 α'-마르텐사이트는 오스테나이트 조직 내 전위 집 적부 또는 잘 발달된 슬립밴드 등에서 생성되기도 하 고, ε-마르텐사이트의 밴드 위 또는 ε-마르텐사이트 교 차점 등에서 생성된다고 알려져 있다.13,14) 본 실험에서 도 α'-마르텐사이트가 오스테나이트 내 전위 집적부, 슬 립밴드 등에서도 생성되지만, ε-마르텐사이트의 밴드 위 또는 밴드 교차점 등에서 생성되어 성장해 가기 때문에 가공량이 증가함에 따라 ε-마르텐사이트의 양은 증가하 다가 감소하게 되고, α'-마르텐사이트의 양은 계속 증가 한다고 생각된다.
Fig. 5.
Effect of degree of cold rolling on the volume fraction of each phase in Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.
Fig. 6은 용체화처리 후 압연량을 달리하여 냉간압연 한 다음 내부마찰계수를 측정하여 나타낸 것이다. 내부 마찰계수는 가공량이 증가함에 따라 증가하다 최대 값 을 나타낸 다음 감소하고 있다. 또한 이러한 거동은 Fig. 5에서 나타낸 가공량 변화에 따른 ε-마르텐사이트 양의 변화를 나타낸 결과와 비슷한 것을 알 수 있다.
3.3. 감쇠능에 미치는 가공유기 마르텐사이트의 영향
이상의 결과로부터 Fe-26Mn-4Co-2Al 합금을 냉간가공 하면 가공에 의해 오스테나이트가 α' 및 ε-마르텐사이트 로 변태되고, 변태되는 정도는 가공량에 따라 달라지며 이러한 변화에 따라 감쇠능도 달라지고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 감쇠능에 미치는 가공에 의해 생성되는 α' 및 ε-마르텐사이트의 영향을 조사하였다.
Fig. 7은 감쇠능에 미치는 가공에 의해 생성되는 마르 텐사이트의 영향을 조사하기 위하여 가공량을 달리하여 냉간가공한 다음 감쇠능에 미치는 ε-마르텐사이트의 영 향을 조사하여 나타낸 것으로 ε-마르텐사이트의 체적분 율이 증가함에 따라 내부마찰계수는 직선적인 비례관계 로 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 이러 한 이유는 이 합금에서 감쇠는 오스테나이트내 적층결 함 경계의 이동 등에 의해서 일어나기도 하지만, 오스 테나이트와 ε-마르텐사이트의 계면이동, ε-마르텐사이트 내 부 적층결함 경계의 이동 및 ε-마르텐사이트 플레이트 내 부 형제정 계면의 이동 등에 의해서 주로 일어나기 때 문에15) ε-마르텐사이트의 양이 많아질수록 감쇠능이 커 지기 때문이다.14,16) 따라서 감쇠능은 ε-마르텐사이트에 강 하게 지배되고 있다는 것을 알 수 있다.
Fig. 7.
Effect of volume fraction of ε-martensite on the internal friction in Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.
Fig. 8은 감쇠능에 미치는 α'-마르텐사이트의 영향을 조 사하기 위하여 내부마찰계수와 α'-마르텐사이트 양과의 관 계를 조사하여 나타낸 것이다. α'-마르텐사이트의 체적분 율이 증가함에 따라 내부마찰계수는 증가하다 최대 값 을 나타낸 다음 감소하고 있는 것을 알 수 있고, 이로 부터 서로 비례하지 않는 것을 알 수 있다. 또한 이와 같은 이유는 가공에 의해 생성되는 α'-마르텐사이트는 전 위 등과 같은 결함의 밀도가 높고, 결함의 밀도가 너무 높게 되면 결함들의 교선 등과 같은 상호작용이 잘 일 어나게 되어 진동에너지에 의한 결함들의 이동이 어렵 게 되므로서 진동에너지를 쉽게 소실 할 수 없다. 따라 서 감쇠능에 크게 영향을 미치지 못하기 때문이라 판단 된다.14,16)
Fig. 8.
Effect of volume fraction of α'-martensite on the internal friction in Fe-26Mn-4Co-2Al damping alloy.
Fig. 9는 감쇠능에 미치는 α'와 ε-마르텐사이트의 양을 더한 전체 마르텐사이트의 영향을 조사하기 위하여 내 부마찰계수와 α'와 ε-마르텐사이트의 양을 더한 전체 마 르텐사이트의 양과의 관계를 조사하여 나타낸 것이다. 내 부마찰계수는 전체 마르텐사이트의 양이 증가함에 따라 빠르게 증가하다 감소하고 있으며, 이로부터 역시 서로 비례하지 않는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 이유는 이 합금의 감쇠능은 α'-마르텐사이트 보다 ε-마르텐사이트에 강하게 지배되고, ε-마르텐사이트의 양은 가공량이 증가 함에 따라 증가하다 감소하기 때문이라 판단된다.16)
