[논문]동적재료모델을 활용한 열간 후방압출된 Ti-6Al-4V튜브의 성형결함 해석

염종택; 심인규; 박노광; 홍성석; 심인옥

doi:10.5228/kspp.2003.12.6.566

동적재료모델을 활용한 열간 후방압출된 Ti-6Al-4V튜브의 성형결함 해석
Assessment of Forming Defects in Hot Backward Extruded Ti-6Al-4V Tubes using Dynamic Materials Model 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.12 no.6, 2003년, pp.566 - 571

염종택 (한국기계연구원) , 심인규 (한국기계연구원) , 박노광 (한국기계연구원) , 홍성석 (국방과학연구소 기술연구본부) , 심인옥 (국방과학연구소 기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The metal forming behavior and defect formation in Ti-6Al-4V tube during hot backward extrusion were investigated. Dynamic material model(DMM) including Ziegler's instability criterion was employed to predict the forming defects such as shear band, inner and/or surface cracks. This approach was coupled to the internal variables generated from FE analysis. The simulation results fur the backward extrusion were compared with the experimental observation. The chilling effect and friction indicated a great influence on the deformation mode of the tube and the formation of surface cracks. The formation of forming defects in the extruded tube was attributed to non-uniform distribution of strain, strain rate and temperatures in the extruded tubes for the given test conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⑵ 최근 FE 해석기술의 발달과 함께 최소한의 비용으로 공정최적화를 얻기 위한 노력이 이루어지고 있으나, 성형결함을 예측함으로써 형상 정밀도 만족 뿐만 아니라 제품의 품질을 향상시키고자 하는 연구는 미흡한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 후방압출된 Ti-64 튜브형상에 대해 성형결함을 예측하기 위하여 한가지 모델로 소성 불안정기준을 결합한 동적재료모델(*)을 검토하고, FE 해석과 연계할 수 있는 방법을 모색함과 동시에 후방압출된 Ti-64 튜브에서 발생되는 성형결함을 예측함으로써 신뢰성 있는 성형결함 예측 방법을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 Ti-64 합금의 열간 후방압출시 발생되는 성형결함을 예측하기 위해서 Ziegler 의 소성불안정 인자을 결합한 동적재료모델을 이용하였으며, 실제 후방압출된 Ti-64 튜브의 조직관찰 결과와 비교 분석하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Prasad(8) 등은 재료가 주어진 온도와 변형속도조건에서 변형을 받았을 때 재료의 에너지 분산특성은 고온에서 재료를 변형시킬 때 재료의 소성변형에 의해서 소모되는 에너지와 미세조직적 변화를 유발하는데 소모되는 에너지에 기인한다고 하였으며, 결국 이러한 미세조직적 변화는 온도와 변형속도의 함수로 얻어지는 변형속도민감도를 통해서 예측이 가능함을 입증한바 있다. 가공성 또는 가공효율을 극대화하기 위해서는 가공중 외부에서 유입된 power 가 열적 방출보다는 변형되는 재료의 미세조직적 변화에 소모되는 것이 유리하게 되며, 이를 정량적으로 표현하기 위해서 식(1)에 나타낸 에너지 분산 효율01)을 제시하였다.
4는 Ti- 64 후방압출에 대한 초기 FE해석 모델링을 나타낸 것으로 소재의 변형이력에 대한 중요성을 감안하여 소재에 fine mesh를 적용하였고, 앞서 언급된 후방압출의 실험조건에 따라 FE해석되었다. 결국, 이러한 FE해석을 통해 얻어진 변형률, 변형속도, 온도분포는 성형결함예측모델과 연계되어 Ti- 64합금의 후방압출시 발생되는 성형결함을 예측하는데 활용하였다.
1mm 두께의 tantalum foil 이 사용되었고, 마찰을 최소화하기 위해서 흑연 foil 이 사용되었다. 또한 압축시험 조건은 a+B영역인 시험온도 850- 1000°C 구간과 변형률 속도 10~ 10-3 S-1구간에서 압죽율 65%(진변형률 1.0)까지 수행하였다.
본 연구에서는 고온압축시험결과에서 얻어진 유동응력 곡선과 조직관찰결과를 토대로 공정지도를 작성하여 성형결함예측에 활용하였다. 먼저, 변형률 속도와 온도의 함수로서 변형속도 민감도 계수 (m)를 얻기 위해서 Fig.
2 에 도식적으로 나타내었다. 소재 가열시 산화방지를 위하여 Deltag -laze #151 코팅제를 사용하였으며, 소재가열온도는 β-변태점 (~1000°C)보다 20~30°C정도 낮은 970°C로 설정하였다. punch와 하부금형의 가열은 밴드 히터를 이용하여 350°C로 가열하였고, 가열후 oil-base 흑연윤활제 로 도포되 었다.
이 합금의 유동응력 데이터와 고온 재료 거동을 파악하기 위해서 고온 압축시험을 수행하였고, 시험 장비로는 전용 고온 압축시험기인 GLEEBLE 을 사용하였다. 이때 시험편 형상은 지름 lOmmx 높이 12mm 의 원통형으로 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 Ti-64 원소재는 704°C 에서 2 시간 가열한 후 공냉된 annealing 상태로, 조직은 미세한 등죽 a상과 공냉 중에 β상으로부터 석출한 a상과 잔류 0상으로 구성된 β변태상으로 되어있으며, 등축 a상의 평균분율은 0.85 로 측정되었다.(Fig.
이때 시험편 형상은 지름 lOmmx 높이 12mm 의 원통형으로 제작하였다. 시편과 다이사이에 sticking 을 방지하기 위해서 0.1mm 두께의 tantalum foil 이 사용되었고, 마찰을 최소화하기 위해서 흑연 foil 이 사용되었다. 또한 압축시험 조건은 a+B영역인 시험온도 850- 1000°C 구간과 변형률 속도 10~ 10-3 S-1구간에서 압죽율 65%(진변형률 1.
이때 시험편 형상은 지름 lOmmx 높이 12mm 의 원통형으로 제작하였다. 시편과 다이사이에 sticking 을 방지하기 위해서 0.

이론/모형

후방압출공정에 대한 변형률, 변형속도, 온도분포와 같은 공정변수들을 얻기 위해서 상용 FE 코드인 DEFORM -2D가 이용되었다. 이때 해석에 필요한 열전달 및 유동응력 데이터는 이전에 보고된 논문(6)을 활용하였다.

성능/효과

(1) 고온압축시험결과의 분석을 통하여 Ti-6A1- 4V 합금의 변형공정지도(processing map)를 작성하였고, 최적 소성가공구간은 온도 850°C, 느린 변형속도인 lO^s1 이며, 소성 불안정구간은 변형속도 W's'1 이상의 전 실험온도구간 (850~1000°C)에서얻어졌고, 이 구간에 대한 조직관찰에서 전단밴드와 균열 등의 성형결함이 관찰되었다.
(2) 열간 후방압출된 Ti-64 튜브에서 관찰되는 성형결함은 하부다이와 접촉되어 있는 튜브의 벽면에 발생하는 표면균열로, 이러한 결함은 마찰과 함께 다이와 소재사이의 열전달에 의한 chilling 효과에 기인한 lap 형태의 결함에서 진전된 것으로 판된되었다.
9는 Ti-64 후방압출 해석에서 얻어진 온도, 변형율, 변형속도분포 등을 나타낸 것이다. 온도분포 해석결과는 하부금형과 접촉되어 있는 소재의 표면에서 약 200°C 정도의 온도하강이 발생하였고, 변형열에 의한 소재내부의 온도상승은 약 9°C 정도로 B변태온도를 초과하지 않는 것으로 해석되었으며, 이것은 조직관찰 결과와 잘 일치한다. 유효변형률은 튜브의 안쪽 부위가 높음을 알 수 있으며 , 최 대 유효변형량은 안쪽 punch 와 인접 한모 서리 부위로 약 5.
온도분포 해석결과는 하부금형과 접촉되어 있는 소재의 표면에서 약 200°C 정도의 온도하강이 발생하였고, 변형열에 의한 소재내부의 온도상승은 약 9°C 정도로 B변태온도를 초과하지 않는 것으로 해석되었으며, 이것은 조직관찰 결과와 잘 일치한다. 유효변형률은 튜브의 안쪽 부위가 높음을 알 수 있으며 , 최 대 유효변형량은 안쪽 punch 와 인접 한모 서리 부위로 약 5.0 정도로 나타났다. 한편, 변형속도 분포는 유효변형률분포와 같이 상부 펀치의 모서리 부위에서 약 4.

후속연구

(3) Ziegler 의 소성불안정인자에 의 한 성 형 결함예측은 실제 표면균열이 발생한 Ti-64 튜브 벽면뿐만 아니라 튜브의 안쪽 일부면도 소성 불안정구간으로 해석하는 다소 성형결함을 과대평가하는 경향이 있으나, 성형결함의 발생 가능성을 제시할 수 있는 모델로 향후 성형결함의 발생을 최소화하기 위한 금형 또는 공정설계시 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
이것은 이 모델이 성형결함을 다소 과대평가하고 있음을 의미하는 것이다. 그러나, 이러한 성형결함예측 모델은 성형품의 내부 또는 표면에 발생될 수 있는 전단밴드, 균열 등의 성형결함 발생여부를 절대적인 값에 의해서 예측할 수는 없으나, 성형결함 발생에 대한 가능성을 제시할 수 있기 때문에, 향후 단조, 압연, 압출 등의 소성가공분야의 공정설계시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

Semiation, S. L., Seetharaman, V. Weiss, I., 1998, "Hot workability of titanium and titanium aluminide alloys, Mater. Sci. Eng. A243, pp. 1-24.
Udagawa, T., Kropp, E., and Altan, T., 1992, "Investigation of metal flow and temperatures by FEM in the extrusion of Ti-64 tubes", J. Mater. Proc. Tech., Vol.33,pp. 155-174.

상세보기
Y.V.R.K. Prasad and S. Sasidhara, 1997, "Hot Working Guide", ASM International.
Y.V.R.K. Prasad, T. Seshacharyulu, S. C. Medeiros, W.G. Frazier, "Influence of oxygen content on the forging response of equiaxed ( $\alpha$ + $\beta$ ) perform of Ti-6Ai-4V", J. Mater. Proc. Tech., Vol.108, pp. 320-327.

상세보기
염종택, 김두현, 나영상, 박노광, 2001, "Ti6Al-4V 합금의 고온변형거동 규명", 한국소성가공학회지, 제 10 권, 제 4 호, pp. 347-354.

원문보기 상세보기
Park, N. K. Yeom J. T., Na Y. S., 2002, "Characterization of deformation stability in hot forging of conventional Ti-64 using processing maps", J. Mater. Proc. Tech., Vol.130-131, pp. 540-545.

상세보기
염종택, 임정숙, 나영상, 박노광, 신태진, 황상무, 심인옥, 2003, "Ti-64-4V 합금의 열간성형공정에 대한 계면열전달계수의 결정", 한국소성가공학회 2003 년도 춘계학술대회논문집, pp. 299-302.
Prasad, Y., Gegel, H. L., 1984, "Modeling of dynamic material behavior in hot deformaticon : forging of Ti-6242, Metall. Trans. A15, pp. 1883-1892.
Ziegler, H., 1965, "Some extremum principles in irreversible thermodynamics with application to continuum mechanics", in Prog. Solid Mech., Sneddon, I.N., and Hill, R.(eds.), Vol. 4, Wiley, New York,p.93.

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