[논문]공업용 순 알루미늄의 반통로각압출(Half Channel Angular Extrusion) 공정에서의 소성 변형 특성

김경진; 조현덕

doi:10.7736/kspe.2013.30.1.120

[국내논문] 공업용 순 알루미늄의 반통로각압출(Half Channel Angular Extrusion) 공정에서의 소성 변형 특성
Characteristics of Plastic Deformation of Commercially Pure Aluminum in Half Channel Angular Extrusion (HCAE) 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.1, 2013년, pp.120 - 127

김경진 (경일대학교 기계자동차학부) , 조현덕 (경일대학교 기계자동차학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A novel severe plastic deformation process named half channel angular extrusion (HCAE) is proposed in order to produce bulk UFG materials. In HCAE process, equal channel angular extrusion (ECAE) and conventional forward extrusion process is integrated to increase the strain per pass and effectiveness of the SPD process. Three-dimensional finite element analysis was carried out to study the deformation behavior of the materials in the HCAE process. HCAE process was performed experimentally on commercially pure aluminum (AA1050) and micro-Vickers hardness test was used to measure the distribution of hardness on the section of normal to the extrusion direction. The results show that HCAE is able to impose more intensive strains per pass and give rise to higher micro-hardness than ECAE.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 1 회 공정에서 서로 다른 방향의 변형이 복합적으로 발생하여 소재에 가해지는 소성 변형량을 기존 강소성 가공에 비해 증가시키고, 반복가공의 횟수를 최소화할 수 있는 새로운 강소성 가공 공정인 반통로각압출 (Half channel angular extrusion, HCAE)을 제안하고 제안된 공정을 통한 소재의 결정립 미세화에 대한 가능성을 관찰한다. 유한요소해석을 통하여 반통로각압출 공정에서 소재에 가해지는 변형률 및 변형률 분포, 소성유동에 대한 특징을 분석하였고, 공업용 순 알루미늄 (AA1050)을 반통로각압출 공정에 적용하여 기계적 성질의 변화를 측정하였다.
이 때 채널의 폭은 일정한 압출각도(α)에 따라 줄어든다. 따라서 반통로각압출 공정은 전통적인 전방 압출 공정과 등통로각압출 공정을 한 공정에 구현함으로써 교차각에 의해 발생하는 전단변형과 더불어 전방 압출에 의한 전단변형 및 압축, 인장 변형을 동시에 복합적으로 소재에 가하여 결정립 미세화의 효율을 향상시키는 것이 목적이다. Fig.

가설 설정

계산 중에 국부적으로 요소의 심한 변형으로 발생할 수 있는 계산 오차를 줄이기 위해 요소망재구성 (Remeshing) 기능을 사용하였다. 성형 온도는 상온이고, 램 속도는 5 mm/s, 소재와 금형 사이의 마찰 상수 (m)은 0.12 로 가정하였다. 금형의 형상이 교차각 90°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 경우와 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 두 가지 경우의 반통로각압출 공정에 대하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 1 회 공정에서 서로 다른 방향의 변형이 복합적으로 발생하여 소재에 가해지는 소성 변형량을 기존 강소성 가공에 비해 증가시키고, 반복가공의 횟수를 최소화할 수 있는 새로운 강소성 가공 공정인 반통로각압출 (Half channel angular extrusion, HCAE)을 제안하고 제안된 공정을 통한 소재의 결정립 미세화에 대한 가능성을 관찰한다. 유한요소해석을 통하여 반통로각압출 공정에서 소재에 가해지는 변형률 및 변형률 분포, 소성유동에 대한 특징을 분석하였고, 공업용 순 알루미늄 (AA1050)을 반통로각압출 공정에 적용하여 기계적 성질의 변화를 측정하였다. 본 연구에서는 초미세 결정재료를 생성할 수 있는 방법으로서 반통로각압출 공정의 가능성을 분석하기 1 회 공정에 대해서만 고려하였고, 반복 가공의 영향 및 구체적인 변형 모드에 대한 연구는 향후에 진행될 예정이다.
와 같은 방법으로 시편을 압출되는 축을 중심으로 하여 180°, 시계방향으로 90° 또는 반시계방향으로 90° 회전시켜 두 번째 공정을 진행시킬 수 있으므로, 소재에 발생하는 변형률의 분포를 조절할 수 있다. 3 번째 공정에서는 2 회의 두 번째 공정 후에 생산되는 4 개의 시편을 동시에 입구 채널에 투입하여 공정을 진행한다. 3 번째 공정에서는 시편의 회전 방향에 따라 소재가 받는 변형의 방향뿐만 아니라, 최종 성형되는 단면의 형상도 변화시킬 수 있다.
반통로각압출 공정에서의 소성유동 특성, 변형률, 변형률 분포 등을 분석하기 위해 본 연구에서는 소성가공 전용 해석 프로그램인 DEFORM 3D를 사용하여 반통로각압출 공정에서 소재의 3 차원 소성 유동을 해석하였다. 해석에 사용된 소재는 공업용 순 알루미늄 (AA1050)이며, 해석에 사용된 소재의 구성 방정식은 #이며 이에 대한 응력 - 변형률 곡선을 Fig.
유한요소해석에 사용된 2 가지 형상의 금형 중, 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 반통로각압출 공정을 위한 금형을 제작하여 실험을 수행하였다.
소재의 기계적 성질을 향상시키기 위한 방법으로서 반통로각압출 공정의 효율성을 정량적으로 고찰하기 위해 반통로각압출 공정에 사용된 소재와 동일한 소재를 교차각 90°, 만곡각 10° 를 가지는 등통로각압출 금형을 사용하여 생산된 소재의 정상상태 영역에서 채취된 시편의 단면에서 측정된 비커스 경도와 비교하였다.
소재의 크기는 20 × 40 × 60 mm3 이고, 상온에서 400-톤 유압프레스를 이용하여 램 속도 5 mm/s 로 실험을 수행하였다.
반통로각압출 공정에 의해 제조된 소재의 기계적 성질의 변화를 측정하기 위해 반통로각압출 공정을 거친 소재의 정상상태 부분에서 시편을 채취하여 단면의 마이크로 비커스 경도를 측정하였다. 소재의 기계적 성질을 향상시키기 위한 방법으로서 반통로각압출 공정의 효율성을 정량적으로 고찰하기 위해 반통로각압출 공정에 사용된 소재와 동일한 소재를 교차각 90°, 만곡각 10° 를 가지는 등통로각압출 금형을 사용하여 생산된 소재의 정상상태 영역에서 채취된 시편의 단면에서 측정된 비커스 경도와 비교하였다.
6 은 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45°인 금형을 사용한 반통로각압출 공정에서의 소재의 유동 양상이다. 대칭성으로 인해 해석에 적용했던 1/2 형상을 대칭면에 대해 거울상을 생성하여 완전한 소재의 변형 형상을 나타내었다. 반통로각압출 공정에서의 소재의 유동은 크게 4 단계로 구분될 수 있다.
9 에 표시된 단면에서의 유효 변형률 분포에 대한 평균값을 계산하였다. 표면 부분에서의 마찰의 영향과 모서리 부분에서 집중되는 변형률의 영향을 피하기 위해 Fig. 9 에서 점선으로 표시한 영역과 같이 소재의 표면에서 1 mm 떨어진 내부 영역에서 폭방향으로 10 개, 두께 방향으로 20 개, 총 200 개의 샘플링 점에서 유효 변형률 값을 구하였다. Fig.
공업용 순알루미늄 (AA1050) 합금을 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 반통로각압출 금형을 이용하여 1 회 공정을 거친 소재의 정상상태 영역에서 시편을 채취하여 그 단면에서 마이크로 비커스 경도를 측정하여 공정을 거치지 않은 초기 시편과 교차각 90°, 만곡각 10° 를 가지는 등통로각압출 공정을 거친 시편의 정상 상태 영역에서 채취한 시편의 마이크로 비커스 경도와 비교하였다.
초미세 결정립을 가지는 금속 소재를 제조하는 방법으로 새로운 강소성 가공 방법으로서, 1 회 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량을 기존 강소성 가공에 비해 증가시키고, 반복가공의 횟수를 최소화할 수 있는 새로운 강소성 가공 공정인 반통로각압출 공정을 제안하고 유한요소해석과 실험을 통해 결정립 미세화와 기계적 성질의 변화에 대한 효율성을 검증하였다. 유한요소해석 결과 반통로각압출 공정에서 소재에 가해지는 평균 유효 변형률의 크기는 교차각 90°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 경우 1.
금형의 형상이 교차각 90°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 경우와 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 두 가지 경우의 반통로각압출 공정에 대하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

유한요소해석 모델은 금형의 대칭성을 고려하여 1/2 형상만을 해석하였으며, 초기 소재의 크기는 20 × 40 × 60 mm3 이고, 30267 개의 4 절점, 사면체 요소로 구성하였다.
등통로각압출 공정에 사용된 소재의 단면 크기는 20 × 60 mm2 이다.
유한요소해석에 사용된 2 가지 형상의 금형 중, 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 반통로각압출 공정을 위한 금형을 제작하여 실험을 수행하였다. 사용된 소재는 유한요소해석에 사용된 소재와 동일한 공업용 순 알루미늄을 사용하였다. 소재의 크기는 20 × 40 × 60 mm³ 이고, 상온에서 400-톤 유압프레스를 이용하여 램 속도 5 mm/s 로 실험을 수행하였다.
반통로각압출 공정에서의 소성유동 특성, 변형률, 변형률 분포 등을 분석하기 위해 본 연구에서는 소성가공 전용 해석 프로그램인 DEFORM 3D를 사용하여 반통로각압출 공정에서 소재의 3 차원 소성 유동을 해석하였다. 해석에 사용된 소재는 공업용 순 알루미늄 (AA1050)이며, 해석에 사용된 소재의 구성 방정식은 #이며 이에 대한 응력 - 변형률 곡선을 Fig. 4 에 표시하였다. 유한요소해석 모델은 금형의 대칭성을 고려하여 1/2 형상만을 해석하였으며, 초기 소재의 크기는 20 × 40 × 60 mm³ 이고, 30267 개의 4 절점, 사면체 요소로 구성하였다.

데이터처리

반통로각압출 공정에서 가해지는 유효 변형률의 크기 및 분포를 정량적으로 분석하고 기존의 등통로각압출 공정에 대한 결과와 비교하기 위하여 Fig. 9 에 표시된 단면에서의 유효 변형률 분포에 대한 평균값을 계산하였다. 표면 부분에서의 마찰의 영향과 모서리 부분에서 집중되는 변형률의 영향을 피하기 위해 Fig.

이론/모형

유한요소해석 모델은 금형의 대칭성을 고려하여 1/2 형상만을 해석하였으며, 초기 소재의 크기는 20 × 40 × 60 mm³ 이고, 30267 개의 4 절점, 사면체 요소로 구성하였다. 계산 중에 국부적으로 요소의 심한 변형으로 발생할 수 있는 계산 오차를 줄이기 위해 요소망재구성 (Remeshing) 기능을 사용하였다. 성형 온도는 상온이고, 램 속도는 5 mm/s, 소재와 금형 사이의 마찰 상수 (m)은 0.

성능/효과

초미세 결정립을 제조하는 방법으로서 강소성 가공 (Severe plastic deformation)공정은 대량의 소성 변형을 금속 내부에 축적시키는 기술로서 기존의 가공 열처리 또는 분말야금법에 비해 소재 내부의 결함, 다른 물질로 인한 오염을 방지할 수 있고, 균일한 미세조직 및 기계적 성질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정의 변화없이 다양한 금속소재에 적용이 가능하기 때문에 등통로각압출 (Equal channel angular extrusion, ECAE),^1-12반복겹침압연 (Accumulative Roll Bonding)^13-15 등의 강소성 가공 공정이 연구되어 왔으며, 최근에도 새로운 강소성 공정의 개발에 대한 다양한 접근이 이루어지고 있다. 기존의 강소성 가공 공정 중 대표적인 방법인 등통로각압출 공정은 1 회 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량의 크기가 다른 공정에 비해 크고, 비교적 균일한 변형을 가할 수 있으며 공정을 위한 장비가 간단하기 때문에 많은 관심을 받고 있으며, 최근 10 여년간 다양한 소재에 적용된 연구결과에 의해 초미세결정립 소재를 제조할 수 있음을 확인하였다. 등통로각압출 공정은 동일한 단면을 가지는 두 개의 채널(Channel)을 가지는 금형을 사용하여 이루어진다.
반통로각압출 공정은 동일한 교차각과 만곡각을 가지는 등통로각압출 공정보다 1 회 공정에서 각각 73%, 130% 이상 증가된 변형률을 가할 수 있다는 것을 나타내고 있으며, 이는 반통로각압출 공정이 기존의 등통로각압출 공정에 비해 훨씬 향상된 결정립 미세화 효율을 보일 수 있다는 것을 의미한다.
14 로 증가하는 것을 알 수 있다. 반통로각압출 1 회 공정에서 얻을 수 있는 경도의 증가량이 등통로각압출 공정에서 발생하는 경도의 증가량보다 상당히 큰 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 금속 소재의 경도가 인장강도와 직접적인 연관이 있다는 것을 고려했을 때, 반통로각압출 공정이 기존의 등통로각압출 공정보다 기계적 성질의 향상시키는 측면에서 효율적이라는 것을 알 수 있다.
유한요소해석 결과 반통로각압출 공정에서 소재에 가해지는 평균 유효 변형률의 크기는 교차각 90°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 경우 1.83 이고, 교차각 120°, 만곡각 20°, 압출각 45° 인 경우 1.48 로 동일한 교차각과 만곡각을 가지는 등통로각압출 공정보다 1 회 공정에서 각각 73%, 130% 이상 증가된 변형률을 가할 수 있는 것을 확인하였다.
48 로 동일한 교차각과 만곡각을 가지는 등통로각압출 공정보다 1 회 공정에서 각각 73%, 130% 이상 증가된 변형률을 가할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 마이크로 비커스 경도 값이 초기 소재의 32.47 에서 등통로각압출 공정을 거친 소재는 40.61, 반통로각압출 공정을 거친 소재의 경우 44.14 로 증가하는 것을 확인하였다. 이상의 결과에서 본 연구에서 제안한 반통로각압출 공정이 기존의 등통로각압출 공정보다 결정립 미세화 및 기계적 성질의 향상에 있어서 효율적인 방법이 될 수 있음을 알 수 있다.
14 로 증가하는 것을 확인하였다. 이상의 결과에서 본 연구에서 제안한 반통로각압출 공정이 기존의 등통로각압출 공정보다 결정립 미세화 및 기계적 성질의 향상에 있어서 효율적인 방법이 될 수 있음을 알 수 있다. 반복 공정을 통한 결정립 미세화 효율의 향상, 소재의 단면에 발생하는 두께방향 및 폭 방향으로 불균일성을 극복하는 방법들이 후속연구로 진행되어야 할 것이다.

후속연구

유한요소해석을 통하여 반통로각압출 공정에서 소재에 가해지는 변형률 및 변형률 분포, 소성유동에 대한 특징을 분석하였고, 공업용 순 알루미늄 (AA1050)을 반통로각압출 공정에 적용하여 기계적 성질의 변화를 측정하였다. 본 연구에서는 초미세 결정재료를 생성할 수 있는 방법으로서 반통로각압출 공정의 가능성을 분석하기 1 회 공정에 대해서만 고려하였고, 반복 가공의 영향 및 구체적인 변형 모드에 대한 연구는 향후에 진행될 예정이다.
이상의 결과에서 본 연구에서 제안한 반통로각압출 공정이 기존의 등통로각압출 공정보다 결정립 미세화 및 기계적 성질의 향상에 있어서 효율적인 방법이 될 수 있음을 알 수 있다. 반복 공정을 통한 결정립 미세화 효율의 향상, 소재의 단면에 발생하는 두께방향 및 폭 방향으로 불균일성을 극복하는 방법들이 후속연구로 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강소성 가공 공정 중 대표적인 방법인 등통로각압출 공정의 반복 가공 편의성 및 효율성을 높이기 위해 제안된 공정들은?	등통로각압출 공정의 반복 가공 편의성 및 효율성을 높이기 위해 연속회전등통로각압출 (Rotary-die equal channel angular extrusion),16,17 양방향등통로각압출 (Dual equal channel angular extrusion)18 등의 강소성 공정이 제안되었고, 또한 1 회의 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형율을 증가시키기 위해 비틀림각압출 (Twist channel angular pressing),19 소용돌이 압출 (Vortex extrusion),20 토션-등통로각압출 (Torsional-equal channel angular extrusion)21 등이 제안되었지만, 공정에 필요한 장비가 대형화 되어야 하고, 금형의 형상이 복잡해지는 등의 단점을 극복하지 못하고 있다. 강소성 가공을 통한 초미세 결정립 소재의 효율적인 생산을 위해서는 우선 1 회 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량의 크기를 증가시켜야 하며, 소재에 균일한 소성 변형이 가해지기 위한 반복 가공의 횟수가 최소화되어야 할 것이다.
	강소성 가공 공정의 장점은?	결정립의 크기가 1 마이크로미터 미만, 혹은나노미터 단위의 초미세 결정립 (Ultrafine-grain, UFG)을 가지는 소재는 강도 및 인성의 향상, 높은 성형성, 높은 내마멸성, 우수한 전자기적 특성 등 동일한 성분의 조대한 결정립을 가지는 소재에 비해 월등히 향상된 물리적, 기계적 성질을 갖고 있을 뿐만 아니라, 단순한 합금성분으로 산업적으로 필요한 기계적 성질을 구현할 수 있기 때문에 친환경 소재의 개발이라는 주제와 맞물려 많은 연구가 이루어지고 있다. 초미세 결정립을 제조하는방법으로서 강소성 가공 (Severe plastic deformation) 공정은 대량의 소성 변형을 금속 내부에 축적시키는 기술로서 기존의 가공 열처리 또는 분말야금법에 비해 소재 내부의 결함, 다른 물질로 인한 오염을 방지할 수 있고, 균일한 미세조직 및 기계적 성질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정의 변화없이 다양한 금속소재에 적용이 가능하기 때문에 등통로각압출 (Equal channel angular extrusion, ECAE),1-12 반복겹침압연 (Accumulative Roll Bonding)13-15 등의 강소성 가공 공정이 연구되어 왔으며, 최근에도 새로운 강소성 공정의 개발에 대한 다양한 접근이 이루어지고 있다. 기존의 강소성 가공 공정 중 대표적인 방법인 등통로각압출 공정은 1 회 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량의 크기가 다른 공정에 비해 크고, 비교적 균일한 변형을 가할 수 있으며 공정을 위한 장비가 간단하기 때문에 많은 관심을 받고 있으며, 최근 10 여년간 다양한 소재에 적용된 연구결과에 의해 초미세결정립 소재를 제조할 수 있음을 확인하였다.
	등통로각압출 공정의 장점은?	초미세 결정립을 제조하는방법으로서 강소성 가공 (Severe plastic deformation) 공정은 대량의 소성 변형을 금속 내부에 축적시키는 기술로서 기존의 가공 열처리 또는 분말야금법에 비해 소재 내부의 결함, 다른 물질로 인한 오염을 방지할 수 있고, 균일한 미세조직 및 기계적 성질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정의 변화없이 다양한 금속소재에 적용이 가능하기 때문에 등통로각압출 (Equal channel angular extrusion, ECAE),1-12 반복겹침압연 (Accumulative Roll Bonding)13-15 등의 강소성 가공 공정이 연구되어 왔으며, 최근에도 새로운 강소성 공정의 개발에 대한 다양한 접근이 이루어지고 있다. 기존의 강소성 가공 공정 중 대표적인 방법인 등통로각압출 공정은 1 회 공정에서 소재에 가해지는 소성 변형량의 크기가 다른 공정에 비해 크고, 비교적 균일한 변형을 가할 수 있으며 공정을 위한 장비가 간단하기 때문에 많은 관심을 받고 있으며, 최근 10 여년간 다양한 소재에 적용된 연구결과에 의해 초미세결정립 소재를 제조할 수 있음을 확인하였다. 등통로각압출 공정은 동일한 단면을 가지는 두 개의 채널(Channel)을 가지는 금형을 사용하여 이루어진다.

참고문헌 (21)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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