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문제 정의
- 대부분의 순금속의 구리 재료는 평균 입도 약 50～80, 크게는 100μm의 결정입도를 갖는 것이 일반적이며, 이 또한 재료형상에 따라 입도가 위치별로 차이가 나게 된다. 본 연구에서는 라이너 전 영역에서 균질화 입도를 갖게 제조하기 위한 가능한 균질변형 제어 공정을 연구하고자 하였다.
제안 방법
- Deform 해석에 사용된 입력값은 마찰계수 0.12, 펀치 하강 속도 10mm/sec, 재료와 펀치의 설정온도는 재료와 다이 각각 상온(20℃), 120℃로 설정 하여 실제 공정과 유사하게 작업 조건을 잡았다.
- Deform 해석에서의 변형량 오차를 줄이기 위해 Deform library에서 제공하는 물성값을 사용치 않고 실제 적용할 소재의 물성값을 사용하기 위해 변형 속도 및 온도에 따른 소재 물성을 측정하였다. 관련 물성은 Greeble 3500을 사용하였으며 변형속도는 각각 0.
- Deform 해석에서의 변형량 오차를 줄이기 위해 Deform library에서 제공하는 물성값을 사용치 않고 실제 적용할 소재의 물성값을 사용하기 위해 변형 속도 및 온도에 따른 소재 물성을 측정하였다. 관련 물성은 Greeble 3500을 사용하였으며 변형속도는 각각 0.01, 0.1, 1, 10mm/sec의 조건으로, 온도는 상온, 50, 100, 200℃의 조건에서 측정하였다. 아래의 Fig.
- 일반적으로 알려진 바와 같이 냉간가공이 많이 주어질수록 재결정온도는 낮아지게 된다. 단조품을 적절하게 구분하여 상중하로 시험편을 나누었고, 이를 다시 구분하여 설정된 온도에서 1시간씩 열처리하였다. 이렇게 열처리된 시험편에 대해 단조품의 상중하에 대해 경도를 측정한 결과 상중하 위치에 따른 차이는 없었으며, 이를 평균값으로 나타낸 것이 Fig.
- 성형하고자하는 시료의 형상을 따라 effective strain 곡선을 균일하게 설계하여 줌으로써 최종 재결정 후 결정입도를 균질하게 유도할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 콘 모양의 형상을 얻기 위해 단조 공정을 선정함에 있어 여러 조건의 공정을 해석한 결과 아래와 같은 deform 해석 공정으로 금형 형상을 설계하였다.
- 적용된 단조공정은 금속의 재결정 온도 이하에서 성형이 이루어지는 냉간 단조방식과 공구로 서서히 가압하여 일정한 모양으로 성형하는 프레스 단조방식, 일정한 틀을 사용하여 제품을 제작하는 형단조 방식을 적용하였다. 열간 단조방식을 사용할 경우 성형성은 증가하지만 입자 크기가 조대해져서 원하는 크기의 미세한 입자를 얻기가 어려우며 일정한 형상으로 균일한 제품을 얻기 위하여 프레스방식, 형단조 방식을 적용하였다.
- 구리 라이너 내부 조직을 미세화하면서도 균질화하기 위해 먼저 고려한 것은 라이너 벽면을 따라 위치에 상관없이 균질한 변형량을 제공하는 것이었다. 원뿔형의 라이너 형상으로 단조공정을 설계할 때 최대한으로 변형량을 증가함으로서 낮은 재결정온도를 가지면서, 미세화된 입도를 가지는 라이너를 얻기 위해 균질 변형이 가해지도록 effective strain이 단조품의 벽을 따라 균질하게 나타나도록 기본 방향을 설정하였다. 이러한 조건을 얻기 위하여 Deform 해석을 이용하여 전산모사로 단조 공정을 설계하였다.
- 원뿔형의 라이너 형상으로 단조공정을 설계할 때 최대한으로 변형량을 증가함으로서 낮은 재결정온도를 가지면서, 미세화된 입도를 가지는 라이너를 얻기 위해 균질 변형이 가해지도록 effective strain이 단조품의 벽을 따라 균질하게 나타나도록 기본 방향을 설정하였다. 이러한 조건을 얻기 위하여 Deform 해석을 이용하여 전산모사로 단조 공정을 설계하였다.
- 재결정 온도를 선정하기 위해 열처리온도에 따른 경도를 측정하였다. 일반적으로 알려진 바와 같이 냉간가공이 많이 주어질수록 재결정온도는 낮아지게 된다.
- 단조에 사용된 금형은 다이와 펀치로 조합되며 다이는 2종 펀치는 3종이 적용되었다. 적용된 단조공정은 금속의 재결정 온도 이하에서 성형이 이루어지는 냉간 단조방식과 공구로 서서히 가압하여 일정한 모양으로 성형하는 프레스 단조방식, 일정한 틀을 사용하여 제품을 제작하는 형단조 방식을 적용하였다. 열간 단조방식을 사용할 경우 성형성은 증가하지만 입자 크기가 조대해져서 원하는 크기의 미세한 입자를 얻기가 어려우며 일정한 형상으로 균일한 제품을 얻기 위하여 프레스방식, 형단조 방식을 적용하였다.
- 이 그림에 나타난 것과 같이 원소재 상태에서 50∼100μm로 넓은 분포를 나타내었던 미세조직이 단조-재결정 열처리 후 균질 분포를 나타내고 있음을 알 수 있다. 하지만, 입자가 미세하여짐에 따라 미세조직으로는 입도를 측정할 수가 없어, EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)로 평균 결정입도를 측정하였다. 결정 boundary는 high angle boundary를 grain boundary로 보았으며, Fig.
대상 데이터
- 01%미만이여야 한다. 본 연구에서는 미쯔비시(주)에서 제조한 원소재를 압출, 인발한 것으로 단조 공정 적용을 위해 bar 형태로 구매하였다. 초기 구매 원소재의 재료적 특성을 Fig.
- 원소재로 사용한 순동은 ASTM B 152M 규격의 C10100을 사용하였으며 규격서에서의 명칭은 OFE(Oxygen-free electronic)로 명기되어 있다. 화학적 조성은 구리의 조성이 99.
성능/효과
- Deform을 통하여 예측한 공정별 단조품의 형상은 실제 단조를 통하여 얻은 제품의 형상과 정확하게 일치하였으며 단조품의 조직 또한 상,중,하 전 영역에 걸쳐 균일하게 나타났다. 해석을 통하여 예측된 최적의 단조와 열처리 조건을 통하여 얻은 시료는 원소재에 비해 매우 미세하고도 균일한 조직을 가지는 것으로 확인하였다.
- 단조와 재결정 열처리를 거친 시료와 원소재의 입도를 비교함으로써 단조 및 열처리를 통해 변화된 시료의 조직 변화특성을 확인할 수 있었다.
- 원소재의 입도를 정확히 파악할 수는 없지만, 위치에 따라 입도가 조금씩 다른 것을 알 수 있었으며, 원소재의 외부는 50～60μm 정도를, 원소재의 중간과 중심쪽은 80～100μm 정도를 보임으로서 내부와 외부의 입도차이가 발생함을 확인하였다.
- 미세조직으로 판단하여 볼 때 300, 320℃의 열처리 조건에서의 시험편이 완전 재결정된 것으로 판단된다. 재결정 후 미세조직은 280℃에서 330℃까지 10℃ 간격으로 상세히 고찰하여 보았으며, 미세조직으로 판단하여 볼 때 재결정 온도는 입자의 응력이 완전히 제거되고 입자의 성장은 진행되지 않은 320℃가 최적의 온도인 것으로 확인하였다.
- 전체적으로는 단조품의 외부에서 내부로 갈수록 변형율이 증가함을 알 수 있으며 단조품 내에 라이너로 가공되는 부분은 최종 성형품의 변형율 곡선중 적색과 황색으로 표시되는 부분이며 이 위치에서 나타난 변형율 값은 1.12(적색)∼1.67(황색)의 범위에 있음을 알 수 있다.
- Deform을 통하여 예측한 공정별 단조품의 형상은 실제 단조를 통하여 얻은 제품의 형상과 정확하게 일치하였으며 단조품의 조직 또한 상,중,하 전 영역에 걸쳐 균일하게 나타났다. 해석을 통하여 예측된 최적의 단조와 열처리 조건을 통하여 얻은 시료는 원소재에 비해 매우 미세하고도 균일한 조직을 가지는 것으로 확인하였다. 따라서 신뢰도를 확보한 미세균일 조직의 라이너 제작 공정 설계가 가능하여졌으며, 향후 유사한 단조공정 설계에서도 폭넓게 응용 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 해석을 통하여 예측된 최적의 단조와 열처리 조건을 통하여 얻은 시료는 원소재에 비해 매우 미세하고도 균일한 조직을 가지는 것으로 확인하였다. 따라서 신뢰도를 확보한 미세균일 조직의 라이너 제작 공정 설계가 가능하여졌으며, 향후 유사한 단조공정 설계에서도 폭넓게 응용 가능할 것으로 판단된다.
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