[논문]텅스텐 중합금 복합관통자 제조

송흥섭; 김은표; 박경진; 류주하

doi:10.4150/kpmi.2004.11.5.369

문제 정의

그림 3은 내경 재료의 파단면을 보여주는 미세조직 사진으로서 그림에서와 같이 파단은 전형적인 입계 파괴 양상을 보여주고 있다. 내경 재료는 취성이 강한 입계 파괴의 양상을 나타내었는데 이는 낮은 연성을 활용하여 텅스텐 입자/텅스텐 입자의 취성 파괴를 활성화시켜 입계 파괴를 동시다발적으로 발생하도록 유도하고자. 한 것이다.
따라서 본 연구에서는 관통 성능이 우수하면서도 동시에 양산공정에 적응 가능한 새로운 개념의 복합관 통자 재료를 제안하였다. 이 복합관통자 재료는 동일한 관통자재료 내에 내경부위와 외경부위를 각기 다른 조성으로 구성하여 제조함으로써 서로 다른 효과를 동시에 발휘하도록 설계한 것이다.
본 연구에서는 이와 같은 개념의 새로운 복합관통 자 제조를 위한 일련의 공정과 재료물성 및 미세조직 관찰 등의 분석을 실시하였다. 복합관통자와 기준관통자를 만들어서 고속변형 시험을 수행함으로써 새로운 관통 자재료로서의 가능성을 조사하고자 하였다.
본 연구에서는 이와 같은 개념의 새로운 복합관통 자 제조를 위한 일련의 공정과 재료물성 및 미세조직 관찰 등의 분석을 실시하였다. 복합관통자와 기준관통자를 만들어서 고속변형 시험을 수행함으로써 새로운 관통 자재료로서의 가능성을 조사하고자 하였다.
운동에너지탄은 목표물에 도달하여 관통자가 가진 에너지를 순간적으로 목표물에 집중하여 관통시킴으로써 상대의 전투능력을 상실시키는 것을 목표로 한다. 운동에너지 탄의 핵심 부품인 관통 자재료로 열화우라늄 (depleted uranium)과 함께 텅스텐중합금(tungsten heavy alloy)이 전통적으로 가장 널리 사용되어 오고 있다.
미리 혼합된 외경재료의 분말을 충전하여 냉간 등 압성형을 실시하였다. 충전시 외경재료의 분말이 잘 충전되고 내경 재료가 시료전 체의 중심에 위치할 수 있도록 하는 것이 본 연구에서 개발한 중요한 방법이다.

가설 설정

Scanning electron micrographs showing the fractured surface of tungsten heavy alloy composite sintered at 1475℃ for 2.5 hours in hydrogen atmosphere, a) core material showed brittle fracture mode, b) housing material showed ductile fracture mode.

제안 방법

표적은 장갑판 (Rolled Homogeneous Armor; RHA재를 사용하였으며 크기는 넓이와 폭이 각각 100 mm이고 두께는 150 mm였다. 그리고 충돌 속도의 측정은 MVRS(Muzzle velocity Radar System)장비를 이용하여 수행하였으며, 관통력평가는 장갑판재를 절단하여 직접 그 깊이를 측정하였고 관통 직경 등을 측정하였다.
본 연구에 사용된 원료분말의 조성은 표 1과 같다. 기준관통자 조성은 통상적으로 사용하는 텅스텐이 무게비로 93%, 니켈이 4.9% 그리고 철분말이 2.1%가 되도록 칭량하여 혼합, 냉간 등 압성형, 액상소결, 열처리, 냉가가공을 거치는 통상적인 공정으로 제조하였다. 한편 관통자 크기는 직경이 18 mm, 길이가 63 mm로 길이 대직경비(L/D)가 3.
1차 소결 완료된 내경 재료에 외경재료 혼합분말을 충전한 뒤 성형하였다. 내경 재료를 냉간등 압성형 용의 고무백에 장입하는데 치구를 만들어서 중심부위에 위치하도록 하였다. 미리 혼합된 외경재료의 분말을 충전하여 냉간 등 압성형을 실시하였다.
먼저 내경 재료만을 고상소결한 다음, 외경 조성의 분말을 충전하여 소결하는 방법으로 제조하였다. 내 경재료는 일반적인 텅스텐 중 합금 제조 공정으로 만들었다.
내경 재료를 냉간등 압성형 용의 고무백에 장입하는데 치구를 만들어서 중심부위에 위치하도록 하였다. 미리 혼합된 외경재료의 분말을 충전하여 냉간 등 압성형을 실시하였다. 충전시 외경재료의 분말이 잘 충전되고 내경 재료가 시료전 체의 중심에 위치할 수 있도록 하는 것이 본 연구에서 개발한 중요한 방법이다.
상기와 같은 일련의 제조공정을 거친 재료는 고속 충돌 시험을 실시하여 복합관통 자재료의 관통성능을 평가하였다. 관통 자재료는 모두 3종류의 시험편이었고 시험에 사용된 포의 구경은 30 mm였다.
열처리된 시편은 강도 향상을 목적으로 단면적 비로 18% 냉간 가공을 실시하여 강도를 향상시켰다. 소결체의 밀도를 측정하였으며 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
5시간 실시하였다. 열처리는 모두 2회 반복열 처리로 처리하였는데 질소 분위기에서 115(TC, 3시간 유지한 뒤 수냉처리하였고, 다시 질소 분위기에서 117CTC, 5시간 유지한 뒤 수냉 처리 하였다. 열처리된 시편은 강도 향상을 목적으로 단면적 비로 18% 냉간 가공을 실시하여 강도를 향상시켰다.
열처리는 모두 2회 반복열 처리로 처리하였는데 질소 분위기에서 115(TC, 3시간 유지한 뒤 수냉처리하였고, 다시 질소 분위기에서 117CTC, 5시간 유지한 뒤 수냉 처리 하였다. 열처리된 시편은 강도 향상을 목적으로 단면적 비로 18% 냉간 가공을 실시하여 강도를 향상시켰다. 소결체의 밀도를 측정하였으며 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
본 연구에서 제안한 복합관통자의 개념은 그림 1 과 같다. 즉 조성이 각기 다른 내 경과외경의 두 부분이 한 개의 관통자에 동시에 구현되도록 설계하였다. 본 연구에 사용된 원료분말의 조성은 표 1과 같다.
본 연구를 통하여 복합관통자를 제조하고 비교관 통력시험을 수행한 결과 아래의 결론을 얻을 수 있었다. 취약한 내경 재료를 만들고, 연성이 큰 외경 재 료를 접합시키는 새로운 개념의 복합관통자를 만드는 새로운 관통자를 제조하였다. 1차 고상소결한 내 경재료에 외경재료 분말을 충전하고 성형할 때는 성형체밀도가 60% 이상이 되어야 하고, 냉간 가공시에도 계면이 분리되지 않도록 2차 소결은 14751에서 2.

대상 데이터

상기와 같은 일련의 제조공정을 거친 재료는 고속 충돌 시험을 실시하여 복합관통 자재료의 관통성능을 평가하였다. 관통 자재료는 모두 3종류의 시험편이었고 시험에 사용된 포의 구경은 30 mm였다. 시험 편으로 기준관통자, 개발관통자인 A형과 B형이었다 고속 충돌 시험의 속도는 1140m/s를 기준이 되도록 실시하였다.
기준관통자는 장갑판재를 51mm를 관통한 결과를 획득하였다. 그리고 A형과 B형 모두 모두 56 mm의 관통 깊이를 나타내어 기준관통자에 비하여 약 10%의 관통력 향상 효과가 있었다.
복합관통자는 두 종류를 채택하였다. 복합관통자 의 내경재료가 -직경 대비 70%와 60%가 되도록 A형 (내경직경 12.6 mm)과 B형(내경직경 10.8 mm)의 두 종류를 준비하였다. 즉 A형은 내경 재료 반경이 6.
시험 편으로 기준관통자, 개발관통자인 A형과 B형이었다 고속 충돌 시험의 속도는 1140m/s를 기준이 되도록 실시하였다. 표적은 장갑판 (Rolled Homogeneous Armor; RHA재를 사용하였으며 크기는 넓이와 폭이 각각 100 mm이고 두께는 150 mm였다. 그리고 충돌 속도의 측정은 MVRS(Muzzle velocity Radar System)장비를 이용하여 수행하였으며, 관통력평가는 장갑판재를 절단하여 직접 그 깊이를 측정하였고 관통 직경 등을 측정하였다.

성능/효과

기준관통자는 장갑판재를 51mm를 관통한 결과를 획득하였다. 그리고 A형과 B형 모두 모두 56 mm의 관통 깊이를 나타내어 기준관통자에 비하여 약 10%의 관통력 향상 효과가 있었다. A형과 B형 관통자의 관통력 차이는 거의 없었다.
2차 소결로 인하여 미세조직 변화가 있지만 취약한 성질은 아직 남아있다. 기지상을 정성분석한 결과 내경 재료에서는 몰리브데늄이 무게비로 약 10.5% 검출된 반면 외경재료에서는 몰리브데늄이 거의 검출되지 않았다. 몰리브데늄이 기지상의 조성을 크게 변화시켰으며 이러한 영향으로 텅스텐 입자 성장이 부위별로 다르게 나타났다고 판단된다 I, .
내경 재료는 텅스텐 입계로 균열이 진행되었지만 기지상의 연성 파괴 양상을 볼 수 없어 전반적으로 취약한 성질을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 내경부위의 연신율이 약 2%를 보여주고 있는데 기준관통 자 재료의 연신율이 4.5%인 것에 비하면 취약함을 알 수 있다. 이런 취약함은 고속 변형 거동에서 자기 마모 현상을 촉진시킬 것으로 기대된다.
0%를 보이고, 고상입자 입계로 균열이 진행하는 취성 파괴 양상을 나타내었으며 외경재료는 전형적인 중합금 재료의 연성파단 양상을 나타내었다. 복합관통자의 관통 깊이가 단일 조성의 기준관통자에 비하여 약 10% 우수하였고, 관통 직경은 기준관통자에 비하여 다소 작은 것을 확인하였다. 이것은 복합관통자가 고속 충돌 시내 경재료의 취성 파괴로 인하여자기마모 효과가 단일 조성텅 스텐 중 합금 관통자 재료에 비하여 우수하여 나타난 결과로 판단된다.
5시간 실시하였다. 복합관통자의 내경 재료는 연신율이 평균 2.0%를 보이고, 고상입자 입계로 균열이 진행하는 취성 파괴 양상을 나타내었으며 외경재료는 전형적인 중합금 재료의 연성파단 양상을 나타내었다. 복합관통자의 관통 깊이가 단일 조성의 기준관통자에 비하여 약 10% 우수하였고, 관통 직경은 기준관통자에 비하여 다소 작은 것을 확인하였다.
한편 이 재료의 소결상태에서의 재료물성을 측정한 결과 경도는 35.7(HRc), 인장 강도 876 MPa, 연신율 4.3%였다. 통상적인 텅스텐 중 합금 소결체의 밀도가 17.

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