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문제 정의
- 본 연구에서는 고강도 나사 등의 체결부품과 바이오 응용부품 등에 적용하기 위하여, 강소성가공 없이 인발공정을 통한 가공경화 및 기계적 특성 최적화를 통하여 순수 타이타늄 와이어 고강도화 연구를 수행하였다. 인발다이스 설계 및 최적압하율 계산을 통해 인발공정 최적화를 연구하였고, 기계적 특성 최적화를 위하여 열처리공정을 활용하였다.
- 본 연구에서는 고강도 순수 타이타늄 와이어 제조를 위하여 인발공정 설계, 인발시험 및 열처리 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 인발공정을 통해 Φ0.69 mm 급의 고강도 순수 타이타늄 미세와이어 제조를 목표로 하였다.
제안 방법
- 053 wt.%인 순수 타이타늄의 인발공정 설계시, Geleji 인발하중식을 통해 인발응력은 171 MPa 이하로 인발하중은 패스 수 (N)가 증가함에 따라 감소하도록 4 패스 인발공정으로 최적화 하였다.
- 또한, 각 패스별 적합한 인발다이스의 설계시 반각 및쿨롱마찰계수는 12º, 0.1을 대입하여 계산하였다.
- 인발공정설계를 통해 제작된 다이스를 이용하여 각 패스마다 인장시험, 경도측정 그리고 미세조직분석을 통하여 와이어 특성을 분석하였다. 또한, 최종 인발 후 고강도화로 인하여 급격하게 줄어든 연신율을 회복하기 위하여 열처리 공정을 실시였고 인장시험과 투과전자현미경 (TEM: Transmission Electron Microscope)관찰을 통하여 기계적 특성과 미세조직을 분석하였다.
- 이는 순수 타이타늄의 인발공정과정에서 미세조직 내부에 다수의 변형쌍정이 생성되어 인발이 진행됨에 따라 결정립 미세화가 이루어졌기 때문인 것으로 판단하였다. 이를 확인하기 위하여 미세조직관찰을 하였으며 Fig. 3은 각 패스별 미세조직을 관찰한 것이다. 미세조직 관찰결과 변형쌍정이 결정립 내부를 가로질러 생성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- %이므로, 계획하고 있는 67%의 단면감소율을 위한 연속 인발공정이 가능할 것으로 판단하였다. 인발공정설계를 통해 제작된 다이스를 이용하여 각 패스마다 인장시험, 경도측정 그리고 미세조직분석을 통하여 와이어 특성을 분석하였다. 또한, 최종 인발 후 고강도화로 인하여 급격하게 줄어든 연신율을 회복하기 위하여 열처리 공정을 실시였고 인장시험과 투과전자현미경 (TEM: Transmission Electron Microscope)관찰을 통하여 기계적 특성과 미세조직을 분석하였다.
- 본 연구에서는 고강도 나사 등의 체결부품과 바이오 응용부품 등에 적용하기 위하여, 강소성가공 없이 인발공정을 통한 가공경화 및 기계적 특성 최적화를 통하여 순수 타이타늄 와이어 고강도화 연구를 수행하였다. 인발다이스 설계 및 최적압하율 계산을 통해 인발공정 최적화를 연구하였고, 기계적 특성 최적화를 위하여 열처리공정을 활용하였다.
- 인발실험은 액상 염피막제를 증착 후 90℃에서 건조하고, 분말 윤활제를 도포하여 1100 mm/min의 속도로 인발을 실시하였다.
- Table 2는 Geleji식을 통하여 계산한 인발응력 (DS) 및 인발 하중 (DL)을 나타내었다. 인발응력은 171 MPa을 넘지 않도록 하였고, 인발하중은 패스 수 (N)가 증가함에 따라 감소하도록 설계하였다. 또한, 각 패스별 적합한 인발다이스의 설계시 반각 및쿨롱마찰계수는 12º, 0.
- 초기 미세조직을 관찰하기 위하여 와이어를 기계적 연마 후 콜로이다 실리카 현탁액으로 30분 이상 연마한 후 증류수 96 ml, 질산 2 ml, 불산 2 ml 용액으로 상온에서 10초간 에칭 후 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다. 인장시험은 ASTM B863 의 규격을 적용하여 게이지길이 (Gage Length)를 51 mm, 변형속도 (Strain Rate) 0.2/s의 속도로 실시하여 항복강도, 최대인장강도 및 연신율을 측정하였다.
- 초기 소재의 특성을 평가하기 위하여 미세조직 분석 및 인장시험을 실시하였다. 초기 미세조직을 관찰하기 위하여 와이어를 기계적 연마 후 콜로이다 실리카 현탁액으로 30분 이상 연마한 후 증류수 96 ml, 질산 2 ml, 불산 2 ml 용액으로 상온에서 10초간 에칭 후 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다. 인장시험은 ASTM B863 의 규격을 적용하여 게이지길이 (Gage Length)를 51 mm, 변형속도 (Strain Rate) 0.
- 2) 와이어이고, 화학조성은 Table 1과 같다. 초기 소재의 특성을 평가하기 위하여 미세조직 분석 및 인장시험을 실시하였다. 초기 미세조직을 관찰하기 위하여 와이어를 기계적 연마 후 콜로이다 실리카 현탁액으로 30분 이상 연마한 후 증류수 96 ml, 질산 2 ml, 불산 2 ml 용액으로 상온에서 10초간 에칭 후 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다.
- 하지만 최종 인발 후 급격하게 줄어든 연신율은 순수 타이타 늄의 부품화를 위한 성형시에 불리한 영향을 미치므로 이를 회복하기 위하여 400, 425, 450℃에서 각각 30분간 열처리를 실시 하였다. Fig.
대상 데이터
- 1을 대입하여 계산하였다.17,18 인발다이스의 베어링부 길이는 0.2 - 0.3 mm로 설계되었다.
- 본 연구에서 사용된 소재는 초기 직경이 1.2 mm인 순수 타이타늄 (Gr. 2) 와이어이고, 화학조성은 Table 1과 같다. 초기 소재의 특성을 평가하기 위하여 미세조직 분석 및 인장시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 고강도 타이타늄 와이어 제조를 위하여 소성가공 공정 중 하나인 인발공정을 이용하였다. 인발공정은 선재 또는 봉재를 초기직경보다 작은 다이를 통과시킨 후 다이 출구쪽에서 소재를 잡아 당겨 원하는 직경의 길이가 긴 제품을 제조하는 공정이다.
이론/모형
- 10-13 Avizur 14와 Lange 13 등은 인발공정의 하중을 상하계 및 슬래브 법을 이용하여 예측하였다. 본 연구에서는 인발공정 설계의 일환으로 인발하중을 계산하기 위해 축대칭인발하중 예측모델인 A.Geleji 식을 이용하였다. 15 A.
성능/효과
- 04 wt.%이므로, 계획하고 있는 67%의 단면감소율을 위한 연속 인발공정이 가능할 것으로 판단하였다. 인발공정설계를 통해 제작된 다이스를 이용하여 각 패스마다 인장시험, 경도측정 그리고 미세조직분석을 통하여 와이어 특성을 분석하였다.
- (3) 냉간 가공된 순수 타이타늄 와이어의 연신율 회복을 위해 400 - 450℃에서 각각 30분간 열처리 후 인장강도 630 - 765 MPa 및 연신율 9.2 - 15.8%의 특성을 얻을 수 있었다.
- (4) 67% 이상 냉간가공된 순수 타이타늄은 조대한 결정립 내부에 국부적으로 0.1 μm이하의 아결정립이 생성되었고, 450oC, 30분 열처리 후에는 재결정을 통해 1 μm 이하의 미세결정립이 균일하게 생성된 것을 확인하였다.
- Fig. 1(b)에풀림처리된 순수 타이타늄 인장시험 결과를 나타내었고, 항복강도 324.7 MPa, 인장강도 387 MPa 및 연신율 21.5%의 기계적 특성을 가지는 것으로 평가되었다.
- 5(b) 와 5(d)는 냉간가공 후 450℃, 30분 열처리를 실시한 순수 타이타늄 와이어의 TEM 분석결과를 나타낸 것이다. TEM 분석 결과 냉간가공 후에는 조대한 결정립 내부에 수십 나노크기의 아결정립이 국부적으로 생성되었는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열처리 후에는 정적재결정을 통해 수십 나노크기의 아결정립이 성장하여 수백 나노크기의 비교적 균일한 미세결정립이 생성된 것을 관찰할 수 있었다.
- 냉간가공량이 (누적 단면감소율) 증가함에 따라 최대인장강도는 802 MPa, 항복강도는 715 MPa,및 경도는 218 Hv로 증가하 였으나 연신율은 3%로 급격히 하락한 것을 관찰할 수 있었다. 이는 순수 타이타늄의 인발공정과정에서 미세조직 내부에 다수의 변형쌍정이 생성되어 인발이 진행됨에 따라 결정립 미세화가 이루어졌기 때문인 것으로 판단하였다.
- TEM 분석 결과 냉간가공 후에는 조대한 결정립 내부에 수십 나노크기의 아결정립이 국부적으로 생성되었는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열처리 후에는 정적재결정을 통해 수십 나노크기의 아결정립이 성장하여 수백 나노크기의 비교적 균일한 미세결정립이 생성된 것을 관찰할 수 있었다.
- 3은 각 패스별 미세조직을 관찰한 것이다. 미세조직 관찰결과 변형쌍정이 결정립 내부를 가로질러 생성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 69 mm로 제조 가능하였다. 이를 통해 단면 감소율이 67% 증가함에 따라 최대인장강도는 802 MPa, 항복강도는 715 MPa 및 경도는 218 Hv로 증가하였고 연신율은 3%로급격히 감소하는 것으로 평가되었다.
- 4는 각 온도에서 열처리실시 후 인장실험 결과를 나타낸 것이다. 인장실험 결과 열처리 온도가 증가함에 따라 항복강도 및 인장강도는 다소 감소하는 반면 연신율은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 각 조건에서의 재시험 결과 동일한 경향을 나타냄을 확인하였다.
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