고탄소강 다단 신선 와이어의 표면 온도 상승에 의한 축방향 잔류응력 예측 Prediction of Axial Residual Stress in Drawn High-Carbon Wire Resulting Due to Increase in Surface Temperature원문보기
최근 와이어의 생산성 및 고강도화를 위한 고탄소강의 고속신선으로 인해 와이어 표면의 급격한 온도상승으로 잔류응력이 크게 증가하는 문제점이 발생되고 있다. 와이어의 다단 신선 공정시에는 소성변형과 마찰열에 의하여 와이어 내부의 온도가 더욱 크게 상승하게 된다. 특히, 고속 신선의 경우 마찰에 의한 온도구배가 더욱 크게 되어 와이어 표면층에 축방향 인장 잔류응력을 과도하게 발생시킨다. 따라서, 본 연구에서는 먼저 표면 온도 상승과 축방향 잔류응력과의 관계를 규명한 다음에 와이어의 평형온도 예측 모델을 제안하고, 이를 토대로 표면 온도 상승에 의한 축방향 잔류응력 예측식을 개발하였다. 고탄소강(0.82%C)소재의 다단신선 실험을 통해 얻어진 시편에 대하여 X 선 회절을 이용하여 잔류응력을 측정하여 제안된 예측식을 검증하였다.
최근 와이어의 생산성 및 고강도화를 위한 고탄소강의 고속신선으로 인해 와이어 표면의 급격한 온도상승으로 잔류응력이 크게 증가하는 문제점이 발생되고 있다. 와이어의 다단 신선 공정시에는 소성변형과 마찰열에 의하여 와이어 내부의 온도가 더욱 크게 상승하게 된다. 특히, 고속 신선의 경우 마찰에 의한 온도구배가 더욱 크게 되어 와이어 표면층에 축방향 인장 잔류응력을 과도하게 발생시킨다. 따라서, 본 연구에서는 먼저 표면 온도 상승과 축방향 잔류응력과의 관계를 규명한 다음에 와이어의 평형온도 예측 모델을 제안하고, 이를 토대로 표면 온도 상승에 의한 축방향 잔류응력 예측식을 개발하였다. 고탄소강(0.82%C)소재의 다단신선 실험을 통해 얻어진 시편에 대하여 X 선 회절을 이용하여 잔류응력을 측정하여 제안된 예측식을 검증하였다.
In recent times, due to wire drawing of high carbon steel at a high speed to ensure a high productivity and high strength, axial residual stress are generated because of rapid increase in surface temperature. In the process, the temperatures of the wires increased because of the deformation of the w...
In recent times, due to wire drawing of high carbon steel at a high speed to ensure a high productivity and high strength, axial residual stress are generated because of rapid increase in surface temperature. In the process, the temperatures of the wires increased because of the deformation of the wires and the friction between the die and wire. In particular, in the case of the wire drawing at a high speed, friction leads to a large temperature gradient so that considerable axial residual stress is generated on the surface. In this study, the relationship between axial residual stress and increase in the surface temperature was investigated, and a prediction model of uniform temperature was proposed. Then, a prediction model for residual stress was developed. The proposed model was verified by measuring the residual stress by X-ray diffraction on drawn wires.
In recent times, due to wire drawing of high carbon steel at a high speed to ensure a high productivity and high strength, axial residual stress are generated because of rapid increase in surface temperature. In the process, the temperatures of the wires increased because of the deformation of the wires and the friction between the die and wire. In particular, in the case of the wire drawing at a high speed, friction leads to a large temperature gradient so that considerable axial residual stress is generated on the surface. In this study, the relationship between axial residual stress and increase in the surface temperature was investigated, and a prediction model of uniform temperature was proposed. Then, a prediction model for residual stress was developed. The proposed model was verified by measuring the residual stress by X-ray diffraction on drawn wires.
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문제 정의
본 연구에서 제시한 와이어 온도상승에 의한 다단 신선 와이어 축방향 표면 잔류응력 예측모델의 타당성을 검증하기 위하여 다단 신선실험 후 패스별 와이어의 축방향 표면 잔류응력을 측정하였다.
본 연구에서는 고탄소강 신선공정에 대한 탄소성 유한요소해석을 수행하여 표면온도 상승에 대한 신선 와이어의 축방향 표면 잔류응력을 규명하였다. 또한 다단 신선공정에 대한 정확한 온도 예측을 기초로 정량적인 축방향 표면 잔류응력예측 모델을 제안하였다.
본 연구에서는 마찰에 의한 급격한 와이어 표면 온도 상승과 표면 축방향 잔류응력의 관계를 유한 요소 해석을 통하여 규명하고 표면온도가 와이어 내부와 평형을 이루면 잔류응력이 가장 크기 때문에 평형온도 예측모델을 제안하였다. 표면 온도가 잔류응력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 다양한 신선 속도에 대한 유한요소해석을 수행하였다.
이로부터 표면온도 변화에 따른 열응력과 잔류응력은 연관이 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 기초로 열응력식을 이용한 축방향 표면 잔류응력 예측모델을 제안하였다.
가설 설정
9 이다.(12) 기존의 열 기여율을 사용하여 온도를 예측하면 와이어의 표면 온도는 600 ℃이상 올라가게 된다. 하지만 성형해석 결과 표면의 온도는 300 ℃정도 올라가기 때문에 새로운 열 기여율의 계산이 필요하다.
제안 방법
(2) 표면 잔류응력의 정량적 예측을 위하여 신선 시 열 기여율과 다이 통과 후 와이어의 평형 온도에 대한 예측식을 제안하였다.
(3) 표면 온도 변화에 따른 패스 별 축방향 표면 잔류응력 변화를 평가하였다. 표면 최대 온도와 평형 온도의 차이가 커짐에 따라 발생하는 잔류응력도 증가하게 된다.
(4) 예측모델의 타당성을 검증하기 위하여 다단 신선실험 후 X-ray 회절 분석을 통해 잔류응력을 평가하였다. 실공정에서 생산된 와이어의 잔류응력이 다단 신선 실험으로 생산된 와이어의 잔류응력보다 높았다.
67 m/s 로 생산된 와이어로 잔류응력을 측정하였다. 다단 신선 실험에서는 온도에 의한 잔류응력 발생이 없다고 가정하고 실공정에서 생산된 와이어의 잔류응력과 실험으로 생산된 잔류응력을 온도에 의한 잔류응력 예측식과 이전연구의 변형에 의한 예측식(18)을 더한 값과 비교하였다. Fig.
앞서 수행한 해석결과로부터 표면 온도 상승과 잔류응력 발생과의 관계를 알아보기 위하여, 열 해석을 고려하지 않은 유한요소 해석을 수행하였다. 두 해석결과를 비교하여 표면 온도변화에 따른 잔류응력을 평가하였다. 정확한 잔류응력에 대한 표면온도의 영향을 증명하기 위하여, 신선된 와이어를 충분히 냉각하였다.
본 연구에서는 고탄소강 신선공정에 대한 탄소성 유한요소해석을 수행하여 표면온도 상승에 대한 신선 와이어의 축방향 표면 잔류응력을 규명하였다. 또한 다단 신선공정에 대한 정확한 온도 예측을 기초로 정량적인 축방향 표면 잔류응력예측 모델을 제안하였다. 이상의 연구를 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
온도상승이 축방향 표면 잔류응력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 속도를 제어하여 다단 신선 실험을 수행하였다. 마찰에 의한 온도의 발생을 최소화하기 위해 0.3 m/s 의 등속도로 다단 신선 실험을 실시하였고, 표면온도 상승의 영향을 평가하기 위해 실공정에서 최종속도 7.67 m/s 로 생산된 와이어로 잔류응력을 측정하였다. 다단 신선 실험에서는 온도에 의한 잔류응력 발생이 없다고 가정하고 실공정에서 생산된 와이어의 잔류응력과 실험으로 생산된 잔류응력을 온도에 의한 잔류응력 예측식과 이전연구의 변형에 의한 예측식(18)을 더한 값과 비교하였다.
시멘타이트 잔류응력은 X-ray 회절 분석으로 측정할 수 없기 때문에, 이전 연구결과의 시멘타이트 잔류응력 2,000 MPa 을 적용하여 고탄소강 펄라이트의 잔류응력을 계산하였다.(15) 정확한 잔류응력 측정을 위하여 시편의 길이는 200 mm 이상이며 중심부에서 측정하였다.
신선 공정 시 와이어 표면에 상승하는 온도와 축방향 잔류응력과의 관계를 규명하기 위하여, 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. DEFORM-2D 를 이용하여 해석하였으며 Table 1 에 공정변수를 나타내었다.
앞서 수행한 해석결과로부터 표면 온도 상승과 잔류응력 발생과의 관계를 알아보기 위하여, 열 해석을 고려하지 않은 유한요소 해석을 수행하였다. 두 해석결과를 비교하여 표면 온도변화에 따른 잔류응력을 평가하였다.
온도상승이 축방향 표면 잔류응력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 속도를 제어하여 다단 신선 실험을 수행하였다. 마찰에 의한 온도의 발생을 최소화하기 위해 0.
이상의 온도 예측식을 검증하기 위하여, 성형 해석결과와 온도 예측식 적용 결과를 비교하였다. 또한, 실공정의 각 패스 와이어 표면온도를 측정하여 이론예측 결과와 비교하였다.
표면 온도 상승에 의한 잔류응력 예측모델을 개발하기 위하여 다양한 신선 속도에 대한 성형해석을 수행하였다. Table 1,2 의 해석조건을 사용하였고 신선 속도는 885, 1885, 2885 mm/s 로 해석하였다.
본 연구에서는 마찰에 의한 급격한 와이어 표면 온도 상승과 표면 축방향 잔류응력의 관계를 유한 요소 해석을 통하여 규명하고 표면온도가 와이어 내부와 평형을 이루면 잔류응력이 가장 크기 때문에 평형온도 예측모델을 제안하였다. 표면 온도가 잔류응력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 다양한 신선 속도에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 와이어 표면온도 상승에 따른 와이어 표면 축방향 잔류응력을 평가하여 다단 신선와이어의 표면 축방향 잔류응력 예측모델을 개발 하였다.
표면 온도가 잔류응력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 다양한 신선 속도에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과로부터 와이어 표면온도 상승에 따른 와이어 표면 축방향 잔류응력을 평가하여 다단 신선와이어의 표면 축방향 잔류응력 예측모델을 개발 하였다. 고탄소강 (0.
대상 데이터
소재, 다이와 주변 온도는 20 ºC 로 설정하였고 적용 소재는 AISI10825.5mm 고탄소강 와이어이며, 성형해석을 위한 소재의 유동응력 곡선은 인장시험 결과를 토대로 Bridgeman 보정계수(B)(10)를 수정하여 대변형구간의 응력-변형률 관계를 고려할 수 있는 식 (1)을 적용하였다.
데이터처리
이상의 온도 예측식을 검증하기 위하여, 성형 해석결과와 온도 예측식 적용 결과를 비교하였다. 또한, 실공정의 각 패스 와이어 표면온도를 측정하여 이론예측 결과와 비교하였다.
이론/모형
와이어, 다이팁 및 케이스의 열전도도, 그리고 열용량은 Table 2 에 나타내었다. DEFORM-2D 를 이용하여 해석을 수행하였으며, Fig. 1 에 초기 성형해석 모델을 나타내었다. 소재, 다이와 주변 온도는 20 ºC 로 설정하였고 적용 소재는 AISI10825.
신선 공정 시 와이어 표면에 상승하는 온도와 축방향 잔류응력과의 관계를 규명하기 위하여, 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. DEFORM-2D 를 이용하여 해석하였으며 Table 1 에 공정변수를 나타내었다.
성능/효과
(1) 신선 공정 시 마찰에 의하여 표면온도가 급격하게 상승하게 되고 다이를 빠져 나온 와이어 표면 온도는 급격하게 감소한다. 이로 인해 표면 수축이 발생하고 잔류응력은 급격하게 증가한다.
해석결과로부터 와이어 표면온도 상승에 따른 와이어 표면 축방향 잔류응력을 평가하여 다단 신선와이어의 표면 축방향 잔류응력 예측모델을 개발 하였다. 고탄소강 (0.82%C)소재의 다단신선 실험을 통해 얻어진 시편에 대하여 X 선 회절을 이용 하여 다단 신선 와이어의 표면 축방향 잔류응력을 측정하여 제안된 예측 모델의 효용성을 검증하였다.
다이 입구부에서 온도를 측정하기 힘들기 때문에 실 공정에서 측정된 온도는 다이 출구부로부터 200 mm 지점과 다음 다이의 입구에서 측정되었다. 다단 패스 신선 공정에서 온도의 비교결과, 평형 온도의 측정과 계산된 온도가 거의 일치하는 것으로 보아, 최대 온도의 예측이 잘 맞고 냉각온도도 잘 일치함을 알 수 있다.
8 는 신선속도에 따른 최대 표면온도 및 평형온도와 표면 축방향 잔류응력을 나타낸 것이다. 신선 속도에 따라 와이어 표면온도는 달라지만, 평형 온도는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 이는 표면온도 차이에도 불구하고 다이와 와이어 사이의 접촉시간과 와이어 내부로의 전달되는 열량이 변하기 때문이다.
(4) 예측모델의 타당성을 검증하기 위하여 다단 신선실험 후 X-ray 회절 분석을 통해 잔류응력을 평가하였다. 실공정에서 생산된 와이어의 잔류응력이 다단 신선 실험으로 생산된 와이어의 잔류응력보다 높았다. 이는 표면 온도상승이 표면 잔류 응력상승에 영향을 미쳤기 때문이다.
이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 고탄소강 다단 신선 와이어의 온도상승에 대한 축방향 표면 잔류응력 예측 모델의 타당성을 검증할 수 있었다.
측정결과, 실제 공정에서 생산된 와이어의 잔류 응력이 다단 신선 실험으로 생산된 와이어의 잔류 응력보가 큰 값을 가지는 것을 보아 표면 온도 상승이 표면 잔류응력상승에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 예측식보다는 낮은 것을 확인할 수 있는데, 이는 다단 신선 실험에서도 작지만 온도구배가 발생하였고 실제 공정에서는 와이어가 신선 후 드럼에 권취될 때 와이어에 변형이 가해져 잔류응력이 다소 완화되기 때문이다.
후속연구
이상의 연구결과로부터 고탄소강 다단 신선 공정 시 와이어 온도를 정량적으로 예측하여 온도 상승에 따른 축방향 표면 잔류응력의 예측이 가능하게 되었으며, 향후 다양한 와이어의 잔류응력 예측에도 확대 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다단 신선 공정에서 와이어 내부의 열 발생은 무엇에 기인하는가?
와이어 내부의 열 발생은 와이어의 소성변형과 다이와 와이어 사이의 마찰에 기인한다. 특히 다이와 접촉하면 와이어의 표면층에서 마찰열이 집중되어 가장 온도가 높다.
최근 다단 신선 공정 시 발생되는 문제점은?
다단 신선 공정 시, 와이어가 다이를 통과할 때 표면에 축방향 인장 잔류응력이 발생하는데 와이어 내부의 불균일한 소성변형과 급격한 표면 온도 상승이 주요 요인이다.(1,2) 특히 최근 와이어의 생산성 및 고강도화를 위한 고탄소강의 고속신선으로 인하여 와이어 표면의 급격한 온도상승이 더욱 크게 되어 와이어 표면층에 축방향 인장 잔류응력을 과도하게 발생되는 문제점이 야기되었다.
축방향 인장 잔류응력은 와이어에 어떤 요인이 되는가?
(3)이러한 온도구배는 표면에 축방향 인장 잔류응력을 발생시키는 요인이다. 축방향 인장 잔류응력의 경우 와이어의 인장강도 및 탄성한계 감소, 부식 저항 저하, 크랙 발생 촉진, 피로수명 저하 등 신선 와이어의 품질을 저하시키는 요인이 된다.(4,5)
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