적층 가공된 높은 내마모성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12554(2022) 이 기사 인용

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전자빔 용해(EBM)로 처리된 크롬(Cr) 및 바나듐(V)이 풍부한 탄화물 약 22.5vol%로 구성된 고탄소 마르텐사이트 스테인리스강(HCMSS)의 건식 슬라이딩 마모 거동이 포착되었습니다. 미세구조는 서브미크론 크기의 V-풍부 및 미크론 크기의 Cr-풍부 탄화물이 균일하게 분포된 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트 상으로 구성되어 상대적으로 높은 경도를 나타냅니다. CoF는 마모 트랙에서 카운터 바디 위로 전달된 재료로 인해 정상 상태에서 하중이 증가함에 따라 ~ 14.1% 감소했습니다. 동일한 방식으로 가공된 마르텐사이트 공구강과 비교하여 HCMSS의 마모율은 낮은 하중 하에서 거의 동일했습니다. 지배적인 마모 메커니즘은 마모를 통한 강철 매트릭스의 제거와 마모 트랙의 산화였으며, 하중이 증가함에 따라 3체 연마 마모가 발생했습니다. 마모 트랙 아래의 소성 변형 영역은 단면 경도 매핑을 통해 드러났습니다. 점점 더 공격적인 마모 조건에서 발생하는 특정 현상은 탄화물 균열, V가 풍부한 탄화물의 풀아웃 및 매트릭스 균열로 설명됩니다. 이 연구는 EBM을 통해 샤프트부터 플라스틱 사출 금형에 이르기까지 마모 관련 응용 분야를 위한 부품을 생산할 수 있는 길을 열 수 있는 적층 가공된 HCMSS의 마모 성능을 보여주었습니다.

스테인레스강(SS)은 높은 내식성과 적합한 기계적 특성으로 인해 광범위한 항공우주, 자동차, 식품 가공 및 기타 여러 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용되는 다용도 강철 제품군입니다1,2,3. 높은 내식성은 SS의 높은 크롬 함량(11.5% 중량 이상)으로 인해 표면에 크롬이 풍부한 산화막이 형성되는 것을 촉진합니다1. 그러나 대부분의 SS 등급은 탄소 함량이 낮기 때문에 경도와 내마모성이 제한되어 항공 착륙 부품과 같은 마모 관련 응용 분야의 서비스 수명이 단축됩니다4. 일반적으로 경도가 낮고(180~450HV 범위) 일부 열처리된 마르텐사이트 SS 등급만이 높은 탄소 함량(최대 1.2%wt)과 관련하여 높은 경도(최대 700HV)를 나타내며 형성을 촉진할 수 있습니다. 마르텐사이트1. 간단히 말해서, 높은 탄소 함량은 마르텐사이트 변태 온도를 감소시켜 높은 냉각 속도에서 완전한 마르텐사이트 미세 구조를 가능하게 하고 내마모성 미세 구조를 얻습니다. 매트릭스의 마모 성능을 더욱 향상시키기 위해 탄화물과 같은 단단한 상을 강철 매트릭스에 통합할 수 있습니다.

적층 제조(AM)를 구현하면 원하는 구성, 미세 구조 특징 및 우수한 기계적 특성을 갖춘 새로운 재료를 생산할 수 있습니다5,6. 예를 들어, 가장 상용화된 AM 공정 중 하나인 분말층 융합(PBF)은 레이저나 전자 빔과 같은 열원을 사용하여 분말을 녹여 사전 합금된 분말을 증착하여 거의 그물 모양의 부품을 형성할 수 있습니다7. 여러 연구에 따르면 AM 가공 SS 부품은 기존 방식으로 제조된 부품보다 우수할 수 있습니다. 예를 들어, AM 처리된 오스테나이트 SS는 더 미세한 미세 구조(즉, Hall-Petch 관계)로 인해 향상된 기계적 특성을 갖는 것으로 나타났습니다. AM 처리된 페라이트 SS의 열처리는 추가적인 침전물의 형성을 촉진하여 기존 대응물3,10과 유사한 기계적 특성을 제공합니다. 강도와 경도가 높은 AM 가공 이중 SS가 도입되었으며, 여기서 향상된 기계적 특성은 미세 구조 내의 Cr이 풍부한 금속간 상으로 인해 발생합니다. 또한, AM 가공 마르텐사이트 SS 및 석출 경화 SS에 대한 향상된 기계적 특성은 미세 구조 내 잔류 오스테나이트를 제어하고 AM 가공 및 열처리 매개변수를 최적화하여 얻을 수 있습니다3,12,13,14.