[논문]강소성 가공 공정을 이용한 튜브 형상 재료의 결정립 미세화에 대한 연구

김경진; 윤정환; 양동열

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.10.1087

Abstract ▼ AI-Helper

A unique process was developed to improve the mechanical properties of a circular tube. In this proposed process, a large amount of strain is applied to the wall of tube, leading to grain refinement in the material. In order to investigate characteristics of microstructural evolution such as the dis...

A unique process was developed to improve the mechanical properties of a circular tube. In this proposed process, a large amount of strain is applied to the wall of tube, leading to grain refinement in the material. In order to investigate characteristics of microstructural evolution such as the distribution of grain size and misorientation angle during the process, an EBSD OIM analysis was carried out. The analysis confirms that the proposed process can very effectively produce a circular tube with ultrafine-grains.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 원형 튜브에 적용 가능한 새로운 강소성 가공 공정을 제안하고, 제안된 강소성 가공 공정을 통해 생산된 알루미늄 튜브의 EBSD OIM 분석을 통하여 결정립 미세화 효과를 검증하였다. AA1050 재료로 제작된 알루미늄 튜브를 제안된 강소성 가공 공정을 통해 변형시켰을 때 평균 결정립의 크기는 초기 2.
하지만, 강소성 가공 공정을 이용하여 원형 튜브와 같이 중공형 단면 형상을 가지는 금속 소재의 결정립 미세화에 대한 연구는 아직 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 원형 튜브에 적용 가능한 새로운 강소성 가공 공정을 제안하고, 제안된 강소성 가공 공정을 통해 생산된 재료의 결정립 미세화 효과를 검증한다. 기존의 HPT, ARB, ECAP과 같은 강소성 가공 공정과는 달리 제안된 강소성 가공 공정에서는 튜브 형상의 시편을 사용한다.

제안 방법

공정의 초기와 마지막 부분의 불안정한 변형 영역을 피하기 위해 튜브 소재의 중간 지점에서 시편을 채취하였으며, 채취한 시편은 기계적 연마와 전기⋅화학적 연마를 한 후, ED에 수직한 면에서 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction) 측정을 하여 OIM (Orientation Imaging Microscopy) 분석을 수행하였다.
알루미늄 튜브의 강소성 가공 공정에서 최대 하중은 약 45 톤이었으며, 금형에서 시편을 쉽게 제거하기 위해 여러 개의 시편을 연속적으로 압출하여 나중에 변형되는 시편이 이전의 시편을 금형에서 밀어내도록 하였다.
소재는 채널을 통과하면서 2회의 전단변형과 동시에 원주방향으로의 압축 변형을 받는다. 초기 소재와 공정 후 소재를 EBSD OIM 분석하여 미세조직의 변화를 정량적으로 측정하여 제안된 강소성 가공 공정의 유효성을 분석한다.

대상 데이터

미세조직의 변화를 측정하기 위하여 초기 튜브 시편과 가공이 끝난 튜브 시편에서 미세조직 측정을 위한 5 mm 길이의 시편을 채취하였다. 공정의 초기와 마지막 부분의 불안정한 변형 영역을 피하기 위해 튜브 소재의 중간 지점에서 시편을 채취하였으며, 채취한 시편은 기계적 연마와 전기⋅화학적 연마를 한 후, ED에 수직한 면에서 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction) 측정을 하여 OIM (Orientation Imaging Microscopy) 분석을 수행하였다.
본 연구에서 사용한 장치에서는 금형과 맨드럴에 의해 생성되는 채널이 교차각 135°로 2회 교차한다.
2에 표시된 ED, TD, ND 세 개의 축은 각각 튜브가 압출되는 방향, 튜브 시편 표면에 수직한 방향 및 ED와 TD에 모두 수직한 방향을 나타낸다. 실험에 사용된 재료는 공업용 AA1050 알루미늄으로 초기 튜브 시편은 봉재로 압출된 소재를 기계 가공하여 외경 40 mm, 두께 3 mm, 길이 70 mm의 원형튜브로 제작하였다. 가공 후에 튜브 시편의 외경은 36 mm로 감소되고 두께는 3 mm로 유지된다.
실험은 150-톤 프레스를 이용하였고 상온에서 이루어졌다. 실험 전에 펀치와 튜브 시편은 충분히 윤활하여 사용하였다.

성능/효과

30° 이상의 misorientation angle을 가지는 결정립계는 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding)에 매우 유리하다고 알려져 있다.⁽¹⁴⁾ 또한 기존의 강소성 공정을 이용한 결과와 비교해봤을 때, 제안된 강소성 공정이 고경각입계를 생성하는데 매우 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 강소성 가공공정을 이용하여 생산된 재료의 경우, 성형성 향상 또는 초소성 성질에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.
AA1050 재료로 제작된 알루미늄 튜브를 제안된 강소성 가공 공정을 통해 변형시켰을 때 평균 결정립의 크기는 초기 2.46 µm 에서 0.93 µm로 감소하였으며 1 마이크로미터 미만의 크기를 갖는 결정립의 비율은 0%에서 78%로 증가하였다.
교차각이 90°인 ECAP 공정에서 한 번에 가할 수 있는 변형율의 크기가 최대 1.15(6) 인 것에 비해 유한 요소 해석 결과에 따르면 제안된 강소성 가공 공정에서 발생하는 변형율은 약 2로(13) 1회의 공정에서 가할 수 있는 변형율의 크기가 60% 이상 증가하여 기존의 강소성 가공공정에서는 반복적인 공정을 통해 얻어질 수 있는 결정립 미세화의 효과를 1회의 공정으로 얻을 수 있다.
또한 평균 misorientation angle도 초기에 19.48° 에서 23.58° 로 증가하였고, 고경각입계의 비율은 41%에서 52%로 증가하였다.
58° 로 증가하였고, 고경각입계의 비율은 41%에서 52%로 증가하였다. 이상의 결과에서 본 연구에서 제안된 강소성 가공 공정이 기존의 강소성 공정에서는 불가능했던 원형 튜브 소재에 적용 가능할 뿐만 아니라 기존의 공정에 비해 결정립 미세화에 매우 효과적임을 확인하였다.
제안된 강소성 가공 공정 후에는 평균 misorientation angle이 23.58° 로 증가하였고, 고경각입계의 비율도 52%로 증가하였다.

후속연구

⁽¹⁴⁾ 또한 기존의 강소성 공정을 이용한 결과와 비교해봤을 때, 제안된 강소성 공정이 고경각입계를 생성하는데 매우 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 강소성 가공공정을 이용하여 생산된 재료의 경우, 성형성 향상 또는 초소성 성질에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원형 튜브에 적용 가능한 새로운 강소성 가공 공정을 제안하고, 제안된 강소성 가공 공정을 통해 생산된 알루미늄 튜브의 EBSD OIM 분석을 통하여 결정립 미세화 효과를 검증한 결과는?	본 연구에서는 원형 튜브에 적용 가능한 새로운 강소성 가공 공정을 제안하고, 제안된 강소성 가공 공정을 통해 생산된 알루미늄 튜브의 EBSD OIM 분석을 통하여 결정립 미세화 효과를 검증하였다. AA1050 재료로 제작된 알루미늄 튜브를 제안된 강소성 가공 공정을 통해 변형시켰을 때 평균 결정립의 크기는 초기 2.46 µm 에서 0.93 µm로 감소하였으며 1 마이크로미터 미만의 크기를 갖는 결정립의 비율은 0%에서 78%로 증가하였다. 또한 평균 misorientation angle도 초기에 19.48° 에서 23.58° 로 증가하였고, 고경각입계의 비율은 41%에서 52%로 증가하였다. 이상의 결과에서 본 연구에서 제안된 강소성 가공 공정이 기존의 강소성 공정에서는 불가능했던 원형 튜브 소재에 적용 가능할 뿐만 아니라 기존의 공정에 비해 결정립 미세화에 매우 효과적임을 확인하였다.
	금속 재료의 결정립 미세화로부터 얻을 수 있는 이점은?	금속 재료의 결정립 미세화는 강도 및 인성의 향상, 성형성의 증가, 낮은 열전도도, 초소성(superplasticity) 등 기존의 조대한 결정립을 가지는 재료에 비해 월등히 우수한 기계적 성질을 가지게 되어 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 1 마이크로미터 미만의 또는 나노미터 단위의 초미세 결정립을 가지는 재료를 제조하는 방법 중 강소성 가공공정(severe plastic deformation process)은 금속 재료에 큰 소성변형을 가하여 재료의 결정립을 미세화 시키는 방법으로 대부분의 금속 재료에 적용할 수 있으며, 내부 결함이 없고 비교적 큰 소재를 제조할 수 있다.
	강소성 가공공정의 특징은?	금속 재료의 결정립 미세화는 강도 및 인성의 향상, 성형성의 증가, 낮은 열전도도, 초소성(superplasticity) 등 기존의 조대한 결정립을 가지는 재료에 비해 월등히 우수한 기계적 성질을 가지게 되어 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 1 마이크로미터 미만의 또는 나노미터 단위의 초미세 결정립을 가지는 재료를 제조하는 방법 중 강소성 가공공정(severe plastic deformation process)은 금속 재료에 큰 소성변형을 가하여 재료의 결정립을 미세화 시키는 방법으로 대부분의 금속 재료에 적용할 수 있으며, 내부 결함이 없고 비교적 큰 소재를 제조할 수 있다. High Pressure Torsion (HPT),( 1 )Accumulative Roll Bonding (ARB),(2~4) Equal Channel Angular Pressing (ECAP)(5~12) 등의 여러 종류의 강소성 가공 공정을 통해 봉재, 판재 및 각재와 같은 다양한 중실형 형상의 단면 형상을 가지는 소재의 결정립 미세화에 대한 연구가 이루어지고 있다.

참고문헌 (14)

Zhilyaev, A. P., Nurislamova, G. V., Kim, B. -K., Baro, M. D., Szpunar, J. A. and Langdon, T. G., 2003, 'Experimental Parameters Influencing Grain Refinement and Microstructural Evolution During High-Pressure Torsion,' Acta Mater., Vol. 51, No. 3, pp. 753-765

상세보기
Saito, Y., Utsunomiya, H., Sakai, T. and Hong, R. G., 1998, 'Ultra-Fine Grained Bulk Aluminum Produced by Accumulative Roll-Bonding (ARB) Process,' Scripta Mater., Vol. 39, No. 9, pp. 1221-1227

상세보기
Saito, Y., Utsunomiya, H., Tsuji, N. and Sakai, T., 1999, 'Novel Ultra-High Straining Process for Bulk Materials-Development of the Accumulative Roll- Bonding (ARB) Process,' Acta Mater., Vol. 47, No. 2, pp. 579-583

상세보기
Tsuji, N., Saito, Y., Utsunomiya, H. and Tanigawa, S., 1999, 'Ultra-Fine Grained Bulk Steel Produced by Accumulative Roll-Bonding (ARB) Process. Scripta Mater., Vol. 40, No. 7, pp. 795-800

상세보기
Iwahashi, Y., Horita, Z., Nemoto M. and Landon T. G., 1998, 'The Process of Grain Refinement in Equal- Channel Angular Pressing,' Acta Mater., Vol. 46, No. 9, pp. 3317-3331

상세보기
Iwahashi, Y., Wang, J., Horita, Z., Nemoto, M. and Langdon, T. G., 1996, 'Principle of Equal-Channel Angular Pressing for the Processing of Ultra-Fine Grained Materials,' Scripta Mater., Vol. 35, No. 2, pp. 143-146

상세보기
Nakashima, K., Horita, Z., Nemoto, M. and Langdon, T. G., 2000, 'Development of a Multi-Pass Facility for Equal-Channel Angular Pressing to High Total Strains,' Mater. Sci. and Eng., Vol. A281, No. 1-2, pp. 82-87

상세보기
Iwahashi, Y., Horita, Z., Nemoto, M., and Langdon T. G., 1997, 'An Investigation of Microstructural Evolution Dring Equal-Channel Angular Pressing,' Acta Mater., Vol. 45, No. 11, pp. 4733-4741

상세보기
Sun, P. L., Kao, P. W. and Chang, C. P., 2000, 'Characteristics of Submicron Grained Structure Formed in Aluminum by Equal Channel Angular Extrusion,' Mater. Sci. and Eng., Vol. A283, No. 1-2, pp. 82-85

상세보기
Gholinia, A., Prangnell, P. B. and Markushev, M. V., 2000, 'The Effect of Strain Path on the Development of Deformation Structures in Severely Deformed Aluminium Alloys Processed by ECAE,' Acta Mater., Vol. 48, No. 5, pp. 1115-1130

상세보기
Kim, K. J., Yang, D. Y. and Yoon, J. W., 2008, 'Investigation of Microstructure Characteristics of Commercially Pure Aluminum During Equal Channel Angular Extrusion,' Mater. Sci. and Eng., Vol. A485, No. 1-2, pp. 621-626

상세보기
Nakashima, K., Horita Z., Nemoto M. and Langdon T. G., 1998, 'Influence of Channel Angle on the Development of Ultrafine Grains in Equal-Channel Angular Pressing,' Acta Mater., Vol. 46, No. 5, pp. 1589-1599

상세보기
Kim, K. J., 2007, 'Investigation into the Texture Evolution and Deformation Induced Material Properties in the Aluminum Extrusion Processes,' Doctoral Thesis, KAIST, Daejeon, pp. 126
Huang, J. C., Hsiao, I. C., Wang, T. D. and Lou, B. Y., 2000, 'EBSD Study on Grain Boundary Characteristics in Fine-Grained Al Alloys,' Scripta Mater., Vol. 43, No. 3, pp. 213-220

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

강소성 가공 공정을 이용한 튜브 형상 재료의 결정립 미세화에 대한 연구
Development of Ultrafine-Grained Aluminum Tubes Using Severe Plastic Deformation Process 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

강소성 가공 공정을 이용한 튜브 형상 재료의 결정립 미세화에 대한 연구 Development of Ultrafine-Grained Aluminum Tubes Using Severe Plastic Deformation Process 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김경진 (18) 양동열 (186)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

강소성 가공 공정을 이용한 튜브 형상 재료의 결정립 미세화에 대한 연구
Development of Ultrafine-Grained Aluminum Tubes Using Severe Plastic Deformation Process 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper