[논문]구리-크롬 소결단조 합금의 크롬 함유량 변화에 따른 동적 물성특성

송정한; 허훈

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.6.670

문제 정의

본 논문에서는 진공 인터럽터 접점소재의 변화 및 변형률속도 변화에 따른 물성특성을 평가하기 위하여 분말 소결되는 구리-크롬 합금의 조성비를 달리하여 변형률속도에 따른 항복응력 및 파단 연신 율의 변화를 조사하고 동적 물성모델의 계수를 결정하였다. 분말 소결되는 크롬의 함유량을 전체의 10% wt, 15% wt, 20% wt, 25% wt, 30% wt 로 달리한 소결단조 합금재료를 선정하였으며, 동적 물성 특성 평가를 위하여 정적 인장실험 및 중 변형률 속도 범위인 l~50/sec 에서의 인장 실험, 홉킨슨바를이용한 변형률속도 1000~5000/sec 에서의 고속 압축실험을 수행하였다.
본 논문에서는 진공 인터럽터 접점의 소재인 구리-크롬 분말 소결단조 합금재료의 동적 물성 특성을 평가하기 위하여 변형률속도를 달리하여 준 정적 물성실험, 고속 인장시험기를 이용한 중 변형률 속도에서의 인장실험, 홉킨슨바를 이용한 고속 압축실험을 수행하였다. 구리-크롬 합금의 재료 특성을 파악하기 위하여 소결되는 크롬 분말의 양을 10 wt%에서 30 wt%까지 5 wt%씩 조절한 총 5 종류의 구리-크롬 분말 소결합금의 변형률속도에 따른 응력-변형률 선도를 확보하였다.

가설 설정

열로 바뀐다고 근사하였다. 고속 변형이기 때문에 열이 주위로 전파될 충분한 시간이 없다고 가정하고 변형에너지의 90%가 온도상승에 효과를 준다고 가정하였다.
열적 연화항의 상수 n 값을 계산하기 위하여 변형률 속도 2000/sec 일 때의 응력-변형률 선도를 근사하여 얻은 근사곡선에서 변형률에 따른 변형에너지가 열로 바뀐다고 근사하였다. 고속 변형이기 때문에 열이 주위로 전파될 충분한 시간이 없다고 가정하고 변형에너지의 90%가 온도상승에 효과를 준다고 가정하였다.

제안 방법

원소재의 중앙부에서 채취한시편에 대하여 SEM (scanning electron micro-scope) 고} EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 이용하여 미세조직을 관찰하고 시편의 크롬함유량을 조사하였다. 각 소재에 대하여 총 5 회 측정하였으며, 초기 소결되는 크롬의 양이 각각 10 wt%, 20 wt%, 30 wt% 인 경우에 대하여 미세 조직을 Fig. 2에 도시하였다. 크롬 분말이 구리모재에 비정규적으로 분포하고 있으며 초기 소결되는 크롬 함유량에 따라 조직의 차이를 보인다.
각 재료의 공칭응력-공칭변형률 선도를 확보하고 이를 이용하여 Fig. 5 에 크롬 함유량에 따른 항복응력 및 최대응력 그리고 파단 연신율의 변화를 도시하였다. 정적 실험결과 크롬 함유량이 증가함에 따라 항복응력 및 최대응력은 증가하는 반면에 연신율은 감소하는 경향을 보인다.
수행하였다. 구리-크롬 합금의 재료 특성을 파악하기 위하여 소결되는 크롬 분말의 양을 10 wt%에서 30 wt%까지 5 wt%씩 조절한 총 5 종류의 구리-크롬 분말 소결합금의 변형률속도에 따른 응력-변형률 선도를 확보하였다.
구리-크롬 합금의 준정적 변형특성을 알아보기 위하여 Fig. 4 에 도시한 ASTM E-8 규격의 시편에 대하여 Instron 5583 을 이용하여 정적 인장실험을 수행하였다. 0.
구리-크롬 합금의 중변형률속도에서의 동적 특성을 알아보기 위하여 Fig. 6 에 도시한 고속 인장 시험기를 이용하여 인장실험을 수행하였다. 고속인장시험기는 실린더의 최고 속도는 7000 mm/sec 이고 최대 하중은 30 kN, 최대 변위는 300 mm 이다.
그러나 선정한 총 5 종류의 합금에서 크롬 함유량의 평균값에서 차이가 발생하기 때문에 크롬 함유량 변화에 따른 구리-크롬 합금의 동적 물성 특성의 차이를 확인 할 수 있다고 여겨진다. 그리고 각 시편의 실제 크롬함유량은 차이가 있기 때문에 초기 분말 소결되는 크롬의 양을 기준으로 각 5 가지 시편을 90%Cu_10%Cr, 85%Cu_15%Cr, 80%Cu_20%Cr, 75%Cu_ 25%Cr, 70%Cu_30%Cr 로 명명하고 물성실험을 수행하였다.
응력 선도를 이용할 수 있다. 본 논문에서는 크롬의 함유량을 달리한 각각의 합금 소재에 대하여 각 변형률속도에서의 초기 항복응력을 이용하여 Johnson-Cook 모델의 변형률속도 경화 항의 계수 C 와 modified Johnson-Cook 모델의 계수 C₁;C₂ 를 결정하였다.
분말 소결되는 크롬의 함유량을 전체의 10% wt, 15% wt, 20% wt, 25% wt, 30% wt 로 달리한 소결단조 합금재료를 선정하였으며, 동적 물성 특성 평가를 위하여 정적 인장실험 및 중 변형률 속도 범위인 l~50/sec 에서의 인장 실험, 홉킨슨바를이용한 변형률속도 1000~5000/sec 에서의 고속 압축실험을 수행하였다.
선정하였다. 원소재의 중앙부에서 채취한시편에 대하여 SEM (scanning electron micro-scope) 고} EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 이용하여 미세조직을 관찰하고 시편의 크롬함유량을 조사하였다. 각 소재에 대하여 총 5 회 측정하였으며, 초기 소결되는 크롬의 양이 각각 10 wt%, 20 wt%, 30 wt% 인 경우에 대하여 미세 조직을 Fig.
이상의 기술한 방법으로 크롬의 함유량을 10wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 30 wM%로 달리 한 소결 단조 구리-크롬 합금의 Johnson-Cook 구성방정식 및 modified Johnson-Cook 구성방정식의 상수들을 결정하고 이를 Table 1 에 나타내었다. 여기서 상수 A 는 초기 항복웅력, B 와 n 은 각각 경화 상수와 경화지수를 나타낸다.
Huh<6) 등은 크롬의 함량이 25% 인 구리-크롬 합금의 동적 실험 및 진공 인터럽터의 영향인자에 따른 충격 특성에 관한 연구를 수행하였다. 이상의 연구들은 홉킨슨 바 시험기를 이용하여 변형률속도 HXXWsec 이상의 고속 압축시험을 통하여 수행되었다. 그러나 Huh© 등이 수행한 진공 인터럽터에 대한 유한요소해석 결과 진공 인터럽터의 충격 시 접점에서 최대 약 40~70/sec 정도의 변형률속도가 발생하는 것으로 보고 되어 있다.
크롬의 함량 변화에 따른 총 4 종류의 합금 소재에 대하여, 변형률속도 l~50/sec 범위에서 중고속 인장실험을 수행하였다. 구리-크롬 합금의 응력- 변형률 선도를 Fig.
크롬의 함유량에 따른 총 5 종류의 구리-크롬 합금에 대하여, 변형률속도를 각각 1000/sec, 2000/sec 5000/sec 로 변화시켜 실험을 수행하였다. 변형률 속도는 시편의 두께와 충격봉의 속도로 조절하였다.

대상 데이터

소결단조한 구리-크롬 합금의 재료 조성비 에 따른 동적 물성특성을 조사하기 위하여 분말 소결되는 크롬의 함유량을 전체의 10wt%, 15 wt%, 20 wt% 25 wt%, 30 wt% 로 각각 달리 한 총 5 종류의 합금재료를 선정하였다. 원소재의 중앙부에서 채취한시편에 대하여 SEM (scanning electron micro-scope) 고} EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 이용하여 미세조직을 관찰하고 시편의 크롬함유량을 조사하였다.
홉킨슨바 시험기의 시편은 직경이 10 mm 이고 두께가 각각 4 mm, 6 mm, 8 mm 인 원통형 시편을 사용하였다. 시편의 형상은 Fig.

이론/모형

14 에 변환된 응력-변형률 선도를 도시하였다. 변환된 응력-변형률 선도를 유동응력 곡선식으로 근사하여 사용하였다.
본 논문에서는 앞 장에서 기술한 조성비를 달리한 총 5 종류의 구리-크롬 소결단조 합금의 준 정적 인장시험, 중고속 인장시험, 고속 압축실험에서 얻은 실험결과를 Johnson-Cook 모델과 modified Johnson-Cook 모델로 근사하여 각각의 계수를 결정하였다.
이상의 실험 결과에 근거하여 조성비에 따른 구리-크롬 합금의 동적 물성특성을 Johnson-Cook 모델 및 modified Johnson-Cook 로 근사하고, 각 모델의 계수를 결정하였다. Johnson-Cook 모델은 준 정적인 경우와 고변형률 속도의 실험 데이터를 선형적으로 근사화한 것으로 실험결과와 오차를 보이나, modified Johnson-Cook 모델의 이차 곡선은 준
변위와 하중의 측정은 LDT(Linear Displacement Transducer) 와 압전형로드셀을 사용하였다. 중고속 인장실험에서 일정한 인장속도를 얻기 위하여 시험기의 지그에 적합하도록 시편의 형상을 ASTM E-8 을 기준으로 조정 하였다. 크롬 함유량 25 % wt 의 경우, 원판 소재의 직경이 60 min 로 균일한 속도를 보장하는 시편 제작에 어려움이 있어 제외하였다.
진공 인터럽터 접점 소재인 구리-크롬 합금에 관하여 Johnson-Cook 모델과 modified Johnson- Cook 모델의 변형률경화항 상수 A, B, n을 구하기 위하여 변형률속도 1/sec 에서의 응력-변형률 선도를 Ludwick 식 으로 근사하여 상수를 결정 하였다.

성능/효과

각 소재에 대하여 크롬 함유량을 측정한 결과 초기 소결되는 크롬의 양이 10 wt% 인 시편은 평균 9.3 wt%, 15 wt% 시편은 16.8 wt%, 20 wt% 시편은 21.8 wt%, 25 wt% 시편은 27.1 wt%, 30 wt% 시편은 32.4 wt% 의 크롬을 함유하고 있다. Fig.
시편에 따라 초기 소결되는 양과 차이가 나타나는 이유는 크롬 분말을 1 차 고상소결과 2차 액상 소결을 거쳐 생산하는 과정에서 크롬이 일정하게 분포하지 않기 때문이다. 그러나 선정한 총 5 종류의 합금에서 크롬 함유량의 평균값에서 차이가 발생하기 때문에 크롬 함유량 변화에 따른 구리-크롬 합금의 동적 물성 특성의 차이를 확인 할 수 있다고 여겨진다. 그리고 각 시편의 실제 크롬함유량은 차이가 있기 때문에 초기 분말 소결되는 크롬의 양을 기준으로 각 5 가지 시편을 90%Cu_10%Cr, 85%Cu_15%Cr, 80%Cu_20%Cr, 75%Cu_ 25%Cr, 70%Cu_30%Cr 로 명명하고 물성실험을 수행하였다.
5 에 크롬 함유량에 따른 항복응력 및 최대응력 그리고 파단 연신율의 변화를 도시하였다. 정적 실험결과 크롬 함유량이 증가함에 따라 항복응력 및 최대응력은 증가하는 반면에 연신율은 감소하는 경향을 보인다.
중고속 인장시 험 결과, 변형 률속도가 증가할 수록변형률 속도 경화에 의하여 소재의 강도가 증가하고 연신율이 감소하는 경향을 보인다. 그리고 동적 인장실험의 특성상 50/sec 의 변형률 속도에서 하중 떨림(loadringing)현상이 관찰되었다。).

후속연구

그리고 전압용량에 따라 접점소재의 크롬함유량이 변하기 때문에 소결되는 크롬함유량에 따른 소재 의 동적 물성특성에 대한 연구가 필요하다.

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