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문제 정의
- 그러나 두께방향으로의 변형의 차이로 인한 부위별 도입된 축적에너지의 차이는 분명히 존재할 것이므로 어닐링을 행한다면 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특성 차이가 외부로 나타날 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 이전 연구에서5) 동속 압연에 의해 가공된 Cu3.0Ni-0.7Si(wt.%)합금에 어닐링을 실시하여 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특성을 면밀히 관찰하고 분석하였다.
제안 방법
- 조직관찰은 시편을 횡단면(TD면)에서 판재 절단기로 잘라내어 연마 후(NH4)2S2O8의 10 %수용액에서 화학부식한 후 관찰하였다. 기계적 특성 평가는 어닐링 전후 시편에 대하여 상온에서 인장시험 및 경도시험을 통하여 평가하였다. 인장시험의 시험편은 표점거리 25 mm, 폭 6 mm로 인장축이 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인장시편을 제작하여 실시하였다.
- 0 m/min의 동일 속도에서 실시하였다. 압연에 의해 도입되는 전단변형량을 측정하기 위해 이전 연구와 동일한 방법으로 압연 전에 시편 중앙부위에 시편과 동일한재질의 핀을 삽입하여 두께방향으로의 전단변형량의 크기를 정량적으로 측정하였다.5) 또한, 압연 후 어닐링은 200~900 oC 온도범위에서 30분 동안 실시하였다.
- 어닐링 전후 시편에 대하여 광학현미경(optical microscopy)에 의한 조직관찰을 실시하였다. 조직관찰은 시편을 횡단면(TD면)에서 판재 절단기로 잘라내어 연마 후(NH4)2S2O8의 10 %수용액에서 화학부식한 후 관찰하였다.
- 어닐링 전후 시편에 대하여 광학현미경(optical microscopy)에 의한 조직관찰을 실시하였다. 조직관찰은 시편을 횡단면(TD면)에서 판재 절단기로 잘라내어 연마 후(NH4)2S2O8의 10 %수용액에서 화학부식한 후 관찰하였다. 기계적 특성 평가는 어닐링 전후 시편에 대하여 상온에서 인장시험 및 경도시험을 통하여 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 동합금은 새롭게 합금 설계하여 만든 Cu-3.0Ni-0.7Si합금이다. 출발재료는 두께 3 mm, 폭 30 mm, 길이 300 mm인 열간압연 판재이다.
- 출발재료는 두께 3 mm, 폭 30 mm, 길이 300 mm인 열간압연 판재이다. 사용된 압연기는 롤 직경이 130 mm인 2단 압연기였으며, 압연은압하율을 50 %로 하여 상온 무윤활 조건에서 롤 주속 2.0 m/min의 동일 속도에서 실시하였다. 압연에 의해 도입되는 전단변형량을 측정하기 위해 이전 연구와 동일한 방법으로 압연 전에 시편 중앙부위에 시편과 동일한재질의 핀을 삽입하여 두께방향으로의 전단변형량의 크기를 정량적으로 측정하였다.
- 기계적 특성 평가는 어닐링 전후 시편에 대하여 상온에서 인장시험 및 경도시험을 통하여 평가하였다. 인장시험의 시험편은 표점거리 25 mm, 폭 6 mm로 인장축이 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인장시편을 제작하여 실시하였다. 경도시험은 어닐링 전후 재료의 횡단면을 절단하여 기계 연마한 후 Micro-Vickers 경도기를 이용하여 실시하였으며, 경도값은 하중 유지시간 5초로 10회 측정하여 최대값과 최소값을 뺀 나머지의 산술평균값을 취하였다.
- 7Si합금이다. 출발재료는 두께 3 mm, 폭 30 mm, 길이 300 mm인 열간압연 판재이다. 사용된 압연기는 롤 직경이 130 mm인 2단 압연기였으며, 압연은압하율을 50 %로 하여 상온 무윤활 조건에서 롤 주속 2.
데이터처리
- 인장시험의 시험편은 표점거리 25 mm, 폭 6 mm로 인장축이 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인장시편을 제작하여 실시하였다. 경도시험은 어닐링 전후 재료의 횡단면을 절단하여 기계 연마한 후 Micro-Vickers 경도기를 이용하여 실시하였으며, 경도값은 하중 유지시간 5초로 10회 측정하여 최대값과 최소값을 뺀 나머지의 산술평균값을 취하였다.
성능/효과
- 1) 어닐링에 따른 두께방향의 재결정 거동은 압연시 도입된 상당변형량의 크기의 절대값에 의존하지 않고 전단변형의 도입 유무, 즉 압연시의 압축변형과 전단변형의 복합 변형의 대소에 좌우되었다.
- 2) 어닐링온도가 증가함에 따라 회복 및/또는 재결정이 발생하였으며, 500 oC에서는 주로 상부 롤과 하부 롤 표면 부위에서 재결정이 발생하기 시작하여 800 oC에서 완전재결정이 발생하였으며, 재결정은 결정립계에서 결정립내로 확장하며 진행되었다.
- 3) 경도값은 어닐링온도가 증가함에 따라 400 oC까지는 점진적으로 증가하였으며 500 oC이후에는 재결정의 발생으로 인해 크게 감소하는 경향을 보였다. 또한, 500~700 oC어닐링재의 경우 부분재결정으로 인해 두께방향으로의 경도분포가 매우 불균일하였으나, 800 oC이상에서는완전재결정의 발생으로 매우 균일한 경도분포를 나타내었다.
- 4) 인장강도 및 항복강도는 400 oC까지 어닐링온도 증가와 함께 증가하다가 500 oC이상의 온도에서는 감소하였으며, 연신율은 강도와 상반된 경향을 나타내었다.
- 본 연구팀에서도 지난 연구에서 Cu-Ni-Si계 동합금에 일반압연과 이속압연을 실시하여 두께방향의 변형에 따른 미세조직 및 기계적 특성 차이를 비교 분석한 바 있다.5) 그 결과 두 압연공정 간에 두께방향으로의 변형의 차이가 있음에도 불구하고 미세조직 및 기계적 특성 차이는 크게 나타나지 않았다. 그러나 두께방향으로의 변형의 차이로 인한 부위별 도입된 축적에너지의 차이는 분명히 존재할 것이므로 어닐링을 행한다면 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특성 차이가 외부로 나타날 가능성이 있다.
- 여기서 온도가 증가함에 따라 경도가 증가하는 것은 Cu-Ni계 합금에서 종종 나타나는 현상으로 단범위 규칙화로 인해 저온 소둔경화의 발생으로 설명할 수 있다.9)이런 강화 현상이 발생하는 것은 구리 기지 내에 용해되어 있는 용질들의 단범위 규칙화로 인해 발생하는 것이며, 이런 단범위 규칙이 발생하면 결정 내부를 통과하는 전위의 움직임이 방해를 받아 강화하게 된다. 그러나 500~700 oC 어닐링재의 경우는 온도 증가에 따라 경도가 큰 폭으로 감소하였으며 부위에 따른 경도값의 불균일성도 매우 큰 것을 알 수 있다.
- 그림에서와 같이, 압연재와 100~300 oC어닐링재는 모두 인장강도가 약 650MPa, 연신율이 약 6%의 전형적인 가공재의 s-s곡선을 나타내고 있으나, 400 oC어닐링재는 강도와 연신율이 모두 증가한 특이한 곡선을 나타내었다. 그리고 500 oC이상의 어닐링재는 인장강도와 항복강도가 감소하고 연신율이 증가하는 전형적인 연화곡선을 나타내었다. 여기서 400 oC에서 강도 및 연성 모두 증가한 것은 앞에서도 언급한 바와 같이 저온 소둔경화에 기인한 것이라 사료된다.
- 4b)를 나타내었다. 그림에서와 같이, 압연재와 100~300 oC어닐링재는 모두 인장강도가 약 650MPa, 연신율이 약 6%의 전형적인 가공재의 s-s곡선을 나타내고 있으나, 400 oC어닐링재는 강도와 연신율이 모두 증가한 특이한 곡선을 나타내었다. 그리고 500 oC이상의 어닐링재는 인장강도와 항복강도가 감소하고 연신율이 증가하는 전형적인 연화곡선을 나타내었다.
- 또한 압연 가공 시 변형이 집중되는 결정립계(grain boundaries) 부위에서 재결정이 주로 발생한다는 것이 특징적이라 할 수 있다. 또한 700 oC어닐링 시편의 경우는 상부 및 하부 롤 측의 표면 부위 외에도 중심부위에서도 부분재결정이 발생하였으며, 또한 결정립계에서의 재결정 외에도 결정립입내(inside grains)에서도 집단적으로 재결정이 발생하여 재결정의 범위가 크게 확장되는 경향을 나타내었다. 이러한 현상 역시 중심 부위에서 보다 표면 부위, 특히 전단변형량의 크기가 상대적으로 컸던 상부 롤 표면 부위에서 더 광범위하게 발생하였다.
- 또한 850 oC시편에서는 모든 부위에서 결정립 성장(grain growth)이 크게 일어나 평균입경이 121 μm로 조대한 결정립들로 채워져 있었으며, 900 oC시편에서는 더욱 활발한 결정립 성장으로 인해 평균입경이 240 μm의 조대 결정립조직을 나타내었다.
- C이후에는 재결정의 발생으로 인해 크게 감소하는 경향을 보였다. 또한, 500~700 oC어닐링재의 경우 부분재결정으로 인해 두께방향으로의 경도분포가 매우 불균일하였으나, 800 oC이상에서는완전재결정의 발생으로 매우 균일한 경도분포를 나타내었다.
- 압연재(As-rolled)는 경도가 약220Hv로 두께방향으로 비교적 균일한 분포를 나타내었다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 경도가 점진적으로 증가하여 400 oC에서 약 250Hv의 가장 높은 경도를 나타내었으며 경도 분포 또한 비교적 균일한 상태를 유지하였다. 여기서 온도가 증가함에 따라 경도가 증가하는 것은 Cu-Ni계 합금에서 종종 나타나는 현상으로 단범위 규칙화로 인해 저온 소둔경화의 발생으로 설명할 수 있다.
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