[논문]열처리 공정을 통한 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력 향상에 관한 연구

김명현; 노주영; 이영우; 안대희

doi:10.5762/kais.2020.21.2.322

열처리 공정을 통한 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력 향상에 관한 연구
Study on the Improving Penetration Performance of Tungsten Heavy Alloy Penetrator by Heat Treatment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.322 - 327

김명현 (국방기술품질원 유도탄약센터) , 노주영 ((주)풍산 기술팀) , 이영우 (국방기술품질원 유도탄약센터) , 안대희 (국방기술품질원 유도탄약센터)

초록
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송탄통 분리형 날개안정철갑탄은 주로 전차체계에서 물리적인 힘으로 장갑 등과 같은 목표물을 관통 및 파괴하는 탄약으로 주로 열화우라늄 또는 텅스텐 중합금 재료를 사용한 관통자가 사용되고 있으나, 가공 및 환경적 측면 등의 이유로 텅스텐 중합금 관통자가 선호되는 실정이다. 텅스텐 중합금 관통자는 재료의 강도 및 인성에 따라 자기첨예화 효과에 의해 관통능력이 결정되는데, 본 연구에서는 인장강도 및 충격에너지에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 관통능력에 대한 기계적 특성치들에 대한 상관분석 결과, 관통능력에 대하여 인장강도는 상관계수 0.721의 비례관계를, 충격에너지는 상관계수 -0.599의 반비례관계를 나타냈으며, 추가적인 열처리 공정을 통하여 재료의 충격에너지가 감소시킴으로써 관통능력이 향상되는 사실을 실험적으로 입증하였다. 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력을 향상시키기 위해서는 재료의 연신율을 약 9 % 이상으로, 인장강도를 약 123 kg/㎟ 이상으로 유지하는 것이 바람직한 것으로 나타났으며, 특히 충격에너지를 약 6.8 kg·m/㎠ 이하로 제어하는 것이 관통능력 향상에 있어서 가장 중요한 요소로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot (APFSDS), which penetrates and sabotages the target by physical energy, consists of a general penetrator using Depleted Uranium (DU) or Tungsten Heavy Alloy (THA) but THA is preferable because of manufacturing and environmental issues. On a THA penetrator, the penetration performance is determined mainly by self-sharpening depending on the hardness and toughness of materials. In particular, the tensile strength and impact strength work as key factors. The correlation coefficient for the penetration performance of the tensile strength was 0.721 and the impact strength was -0.599. The improved penetration performance by additional heat treatment was proven experimentally. Therefore, maintaining elongation over 9 % and tensile strength over 123 kg/㎟ is desirable, and the impact strength should be less than 6.8 kg·m/㎠ for good penetration performance.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot
그림 Fig. 2. Comparison of Structure between DU and W Penetrator on Impact
그림 Fig. 3. Manufacturing Process
표 Table 1. Specifications of Materials
그림 Fig. 4. Coefficient of Correlation on Each Properties
그림 Fig. 5. Relative Effective Range depending on Mechanical Properties
표 Table 2. Mechanical Properties and Relative Effective Range of Each Samples
그림 Fig. 6. Effect of Heat Treatment

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 송탄통 분리형 날개안정철갑탄(APFSDS)에 사용되는 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력에 영향을 미치는 주요 인자를 식별하였으며, 이중 열처리 공정을 통하여 변화하는 물성 및 관통능력의 향상 정도를 확인 하였다. 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력에 영향을 미치는 주요 인자로는 연신율, 충격에너지, 인장강도 등이 있으나, 주로 연신율과는 비례관계의, 충격에너지와는 반비례관계의 상관관계를 확인할 수 있었다.
일반적으로 소결 및 열처리 시간이 길어질수록 재료의강도는 증가하게 되지만, Trade-off 경향에 따라 다른 성질들이 저하되어 결국 관통능력 구현에 악영향을 미치기 때문에, 적절한 시간 및 온도 조건으로 중합금체를 형성하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 텅스텐 중합금 관통자의 관통능력에 대한 기계적 특성치의 상관관계를 분석하였으며, 이중 열처리 공정을 통한 텅스텐 중합금 관통자의 물성 향상 정도를 확인하여 최종적으로 관통능력에 미치는 영향을 알아보았다.

제안 방법

위 실험에서 사용된 시료 중 관통능력이 가장 떨어지는 G 그룹의 시료에 대하여 추가적인 열처리 공정을 통하여 물성 변화 추이 및 관통능력 향상 정도를 살펴보았다. 각각 465 ℃ (G465) 및 480 ℃ (G480) 온도로 40분 간 추가로 이중 열처리된 시료에 대하여 관통능력에 영향을 주는 주요 인자에 대한 기계적 성질 분석을 하였으며, Fig 6와 같은 결과를 확인할 수 있었다.
실험에서는 여러 가지 조건으로 제조된 각각의 관통자 7 그룹을 실제 운용조건과 유사한 사격실험을 통하여 관통능력을 확인하였다. 대한민국 국방규격 KDS 1315-3005에 따라 대한민국 K1A1 전차에서 사용되는 구경 120mm 활강포(Model: KM256)를 사용하여 일정 거리만큼 떨어져 있는 일정 두께의 RHA 장갑판재를 50 % 확률로 관통할 수 있는 최저속도를 Langlie 방법을 통하여 계산 하였으며, 계산된 값을 사용하여 각 그룹에 대한 유효사거리(Effective Range)를 추정하였다. Langlie 방법의 계산을 위해 그룹 당 최소 4 발 이상의 시료가 사용되었는데, 일정 수준 이상의 편차가 발생하였을 경우 시료 크기를 증가하여 실험의 신뢰도를 확보하였다.
본 연구에서 사용된 유효사거리 수치는 군사기밀에 해당하는 사항으로, D 그룹의 유효사거리를 100.0 %로 환산한 임의의 상댓값을 사용하였다.
소결 및 열처리 공정의 온도와 시간 등 여러 가지 공정 조건을 달리하여 제조된 관통자의 기계적 성질, 경도(H, HRC), 인장강도(TS, kg/mm2), 연신율(E, %), 충격에너지(IS, kg·m/cm2), 압축항복강도(CYS, kg/mm2), 압축률(C, %), 상대유효사거리(RER, %) 및 유효사거리확인한 결과, Table 2와 같은 결과를 볼 수 있었다.
%)인 혼합재료를 사용하여 약 180 MPa 압력으로 냉간등압성형을 통한 성형체 제조 후 약 1,480 ℃ 에서 약 20 시간 소결 후 공기 중에서 자연 냉각 하였다. 소결이 끝난 제품을 약1,150 ℃ 에서 약 8 시간 열처리 후 수냉한 뒤, 스웨이징 가공처리 하였으며, 소결-열처리-스웨이징 공정을 한 번 더 반복한 이중소결공정으로 제조하였다. 이후 약 420℃에서 40 분 간 열처리 후 최종 형상으로 기계가공 하였다.
실험에서는 여러 가지 조건으로 제조된 각각의 관통자 7 그룹을 실제 운용조건과 유사한 사격실험을 통하여 관통능력을 확인하였다. 대한민국 국방규격 KDS 1315-3005에 따라 대한민국 K1A1 전차에서 사용되는 구경 120mm 활강포(Model: KM256)를 사용하여 일정 거리만큼 떨어져 있는 일정 두께의 RHA 장갑판재를 50 % 확률로 관통할 수 있는 최저속도를 Langlie 방법을 통하여 계산 하였으며, 계산된 값을 사용하여 각 그룹에 대한 유효사거리(Effective Range)를 추정하였다.
위 실험에서 사용된 시료 중 관통능력이 가장 떨어지는 G 그룹의 시료에 대하여 추가적인 열처리 공정을 통하여 물성 변화 추이 및 관통능력 향상 정도를 살펴보았다. 각각 465 ℃ (G465) 및 480 ℃ (G480) 온도로 40분 간 추가로 이중 열처리된 시료에 대하여 관통능력에 영향을 주는 주요 인자에 대한 기계적 성질 분석을 하였으며, Fig 6와 같은 결과를 확인할 수 있었다.
이후 약 420℃에서 40 분 간 열처리 후 최종 형상으로 기계가공 하였다. 재료는 Table 1과 같이 사용하였으며, 최종 성형 가공된 관통자를 사용하여 균질압연강판(Rolled HomogeneousArmor, RHA)에 대하여 각각의 시편 그룹의 관통능력을 확인하였다.

대상 데이터

관통자의 형상은 구경 120mm 전차 체계에서 사용중인 대전차날개안정철갑예광탄(Model: K276)과 동일하게 가공하였으며, 미 군사규격 MIL-A-12560H의 ArmorCalss 3에 해당하는 로크웰 경도 HRC 26.0의 RHA 장갑판재를 사용하였다.

데이터처리

대한민국 국방규격 KDS 1315-3005에 따라 대한민국 K1A1 전차에서 사용되는 구경 120mm 활강포(Model: KM256)를 사용하여 일정 거리만큼 떨어져 있는 일정 두께의 RHA 장갑판재를 50 % 확률로 관통할 수 있는 최저속도를 Langlie 방법을 통하여 계산 하였으며, 계산된 값을 사용하여 각 그룹에 대한 유효사거리(Effective Range)를 추정하였다. Langlie 방법의 계산을 위해 그룹 당 최소 4 발 이상의 시료가 사용되었는데, 일정 수준 이상의 편차가 발생하였을 경우 시료 크기를 증가하여 실험의 신뢰도를 확보하였다. 실험에 사용된 장갑판재의 두께 및 실험 거리, Langlie 방법을 통한 유효사거리 추정 과정 등에 관한 정보는 대한민국 국군전차 체계의 작전요구성능(Required OperationalCapability, ROC)과 관련된 부분으로 본 연구 결과에서 공개하지 않는다.
각 그룹에 대하여 경도, 인장강도, 연신율, 충격에너지, 압축항복강도, 압축률 등 기계적 성질이 유효사거리에 미치는 관계를 통계분석 툴을 활용하여 분석, 주요 영향 인자를 식별하였는데, 각각의 인자들은 ASTM E18(경도), ASTM E8(인장강도, 연신율), ASTM E23(충격에너지), ASTM E9(압축항복강도, 압축률) 규격에 따라 분석하였다. 각 그룹 및 인자별로 3 회 측정된 값의 평균을 사용하였으며, 이중 열처리 공정을 거친 시료에 대하여 기계적 성질을 비교하고 동일한 방법으로 유효사거리 향상 정도를 확인하였다.
인장강도, 연신율, 충격에너지, 압축률에 주로 영향을받는 것으로 확인되었으며, 위 결과를 Minitab®19 소프트웨어를 사용하여 상관분석 한 결과, 각 인자에 대하여 Fig 4와 같은 유효사거리에 대한 상관관계를 확인할 수 있었다. 분석은 신뢰도 95%의 Person 상관계수를 사용하였다.

성능/효과

APFSDS에 있어서 관통능력에 가장 큰 영향을 주는 요소로는 자기첨예화 현상의 발생 정도라고 할 수 있는데, 일정 수준 이상 강도 및 인성이 확보된 재료에서는 충격에너지 특성을 약화시킴으로써 충돌면의 벽개파괴 발생에 의한 자기첨예화 현상 가속화로 관통능력을 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
각 그룹에 대하여 경도, 인장강도, 연신율, 충격에너지, 압축항복강도, 압축률 등 기계적 성질이 유효사거리에 미치는 관계를 통계분석 툴을 활용하여 분석, 주요 영향 인자를 식별하였는데, 각각의 인자들은 ASTM E18(경도), ASTM E8(인장강도, 연신율), ASTM E23(충격에너지), ASTM E9(압축항복강도, 압축률) 규격에 따라 분석하였다. 각 그룹 및 인자별로 3 회 측정된 값의 평균을 사용하였으며, 이중 열처리 공정을 거친 시료에 대하여 기계적 성질을 비교하고 동일한 방법으로 유효사거리 향상 정도를 확인하였다. 실험에서 사용된 시료 중 관통능력이 가장 뒤처지는 그룹에 대하여 465 ℃ 및 480 ℃ 두가지 조건에 대하여 40 분 간 추가적인 열처리 공정을 시행하였는데, 기계적 성질 변화 확인 및 동일한 방법으로 관통능력과 유효사거리 향상 정도를 확인하였다.
상관계수의 절댓값이 클수록 높은 상관관계를 갖는다고 말할 수 있는데, 위 분석결과에 따라 연신율과 충격에너지에 가장 큰 영향을 받았으며, 그 외의 인자들은 영향성이 상대적으로 떨어지는 편으로 확인되었다. 관통능력은 재료의 인성에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났는데, 일정 수준 이상의 기계적 특성치가 확보된 경우, 강도가 다소 떨어지더라도 재료의 연신율이 높을수록, 충격에너지가 낮을수록 관통능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 유효사거리에 가장 큰 영향을 주는 기계적 특성치인 연신율 및 충격에너지에 따른 유효사거리 변화 추이는 아래와 Fig 5와 같다.
APFSDS에 있어서 관통능력에 가장 큰 영향을 주는 요소로는 자기첨예화 현상의 발생 정도라고 할 수 있는데, 일정 수준 이상 강도 및 인성이 확보된 재료에서는 충격에너지 특성을 약화시킴으로써 충돌면의 벽개파괴 발생에 의한 자기첨예화 현상 가속화로 관통능력을 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 관통자에 대하여 이중 열처리 공정을 시행한 결과 경도 및 인장강도가 소폭 상승, 충격에너지가 대폭 감소함에 따라 유효사거리의 극적인 향상을 확인할 수 있었는데, 관통 메커니즘 상 재료의 인성보다 강도가 더 중요하게 작용하는 것으로 생각된다.
8 kg·m/cm² 이하로 제어하는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다. 또한, 추가적인 열처리 공정을 통하여 경도 및 인장강도를 향상시키고, 충격에너지를 감소시킬 경우 관통능력에 긍정적 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
상관계수의 절댓값이 클수록 높은 상관관계를 갖는다고 말할 수 있는데, 위 분석결과에 따라 연신율과 충격에너지에 가장 큰 영향을 받았으며, 그 외의 인자들은 영향성이 상대적으로 떨어지는 편으로 확인되었다. 관통능력은 재료의 인성에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났는데, 일정 수준 이상의 기계적 특성치가 확보된 경우, 강도가 다소 떨어지더라도 재료의 연신율이 높을수록, 충격에너지가 낮을수록 관통능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
실험에서는 전반적인 재료 강도의 증가를 확인할 수 있었는데, 재료의 강도가 증가함에 따라 충돌면의 벽개파괴가 발생하여 자기첨예화 현상이 가속화된 것으로 추정된다. 상관분석 결과, 유효사거리는 인장강도(상관계수: -0.289) 및 충격에너지(상관계수: -0.599)와 반비례 관계에 있으며, 연신율(상관계수: 0.721)과 비례관계에 있는 것을 확인할 수 있었는데, 충격에너지의 감소에 가장 큰 영향을 받아 유효사거리가 극적으로 향상되는 현상을 실험적으로 확인할 수 있었다.
각 그룹 및 인자별로 3 회 측정된 값의 평균을 사용하였으며, 이중 열처리 공정을 거친 시료에 대하여 기계적 성질을 비교하고 동일한 방법으로 유효사거리 향상 정도를 확인하였다. 실험에서 사용된 시료 중 관통능력이 가장 뒤처지는 그룹에 대하여 465 ℃ 및 480 ℃ 두가지 조건에 대하여 40 분 간 추가적인 열처리 공정을 시행하였는데, 기계적 성질 변화 확인 및 동일한 방법으로 관통능력과 유효사거리 향상 정도를 확인하였다.
일반적으로 이중소결 공정으로 제조된 텅스텐 중합금 관통자는 일반적인 파괴 형태 중 벽개파괴 발생이 용이한 구조로 알려져 있는데[7], 이러한 구조는 관통자가 목표물과 충돌할 때 충돌면 가장자리 부분이 균열 형성에 의한 벽개파괴가 발생하여 자기첨예화 현상이 잘 일어나기 때문에 관통능력이 증가하게 된다. 실험에서는 전반적인 재료 강도의 증가를 확인할 수 있었는데, 재료의 강도가 증가함에 따라 충돌면의 벽개파괴가 발생하여 자기첨예화 현상이 가속화된 것으로 추정된다. 상관분석 결과, 유효사거리는 인장강도(상관계수: -0.
일반적으로 장갑판재를 파괴하기 위해 관통자로 사용되는 재료에는 높은 강도 및 인성의 확보가 필요한 것으로 알려져 있는데, 이 경우 관통자 선단부의 가장자리 부분이 쉽게 떨어져 나가는 자기첨예화 현상의 발생이 용이하기 때문이다[5]. 위 실험에서는 유사한 수준의 강도를 유지할 경우 재료의 연신율과 충격강도에 가장 큰 영향을 받는 결과를 확인할 수 있었는데, 이는 일정 수준 이상 강도가 확보된 경우 재료의 인성이 관통 메커니즘에 더 중요하게 작용한 것으로 추정할 수 있다.
이중 열처리 결과, 경도, 인장강도의 향상과 연신율 및 충격에너지의 저하를 확인할 수 있었다. 일반적으로 이중소결 공정으로 제조된 텅스텐 중합금 관통자는 일반적인 파괴 형태 중 벽개파괴 발생이 용이한 구조로 알려져 있는데[7], 이러한 구조는 관통자가 목표물과 충돌할 때 충돌면 가장자리 부분이 균열 형성에 의한 벽개파괴가 발생하여 자기첨예화 현상이 잘 일어나기 때문에 관통능력이 증가하게 된다.
인장강도, 연신율, 충격에너지, 압축률에 주로 영향을받는 것으로 확인되었으며, 위 결과를 Minitab®19 소프트웨어를 사용하여 상관분석 한 결과, 각 인자에 대하여 Fig 4와 같은 유효사거리에 대한 상관관계를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	송탄통 분리형 날개안정철갑탄의 특징은 무엇인가?	송탄통 분리형 날개안정철갑탄(Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot, APFSDS)은 기갑전력의 주 무장체계로 사용되는 탄약으로, 현존하는 탄약 중 가장 높은 표적 파괴 능력을 가지고 있다. APFSDS는 물리적인 힘으로 목표물을 관통 및 파괴하는 탄약으로 운동 에너지탄으로도 불리는데, 주로 열화우라늄 관통자 또는텅스텐-니켈-철로 이루어진 중합금 관통자에 의해 관통효과가 구현된다.
	텅스텐 중합금 관통자가 열화우라늄 관통자에 비해 관통능력이 떨어짐에도 불구하고 선호되는 이유는?	관통능력은 열화우라늄 관통자에 비해 텅스텐 중합금 관통자가 다소 떨어지지만, 인체 및 환경에 무해하고 상대적으로 가공이 쉬운 특성 때문에 텅스텐 중합금 관통자가 선호되는 실정이다[1-2].
	텅스텐 중합금 관통자의 관통능력에 긍정적인 영향을 미치는 방법은?	8 kg·m/cm2 이하로 제어하는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다. 또한, 추가적인 열처리 공정을 통하여 경도 및 인장강도를 향상시키고, 충격에너지를 감소시킬 경우 관통능력에 긍정적 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (7)

Cai, W. D., Li, Y., Dowding, R. J., Mohamed, F. A., & Lavernia, E. J., "A review of tungsten-based alloys as kinetic energy penetrator materials", Reviews in Particulate Materials, Vol.3, pp.71-131, 1995.
Kim, D. K., Lee, S., & Baek, W. H., "Microstructural study of adiabatic shear bands formed by high-speed impact in a tungsten heavy alloy penetrator", Materials Science and Engineering, Vol.249, No.1-2, pp.197-205, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00565-6

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Ryu, H. J., Hong, S. H., & Baek, W. H., "Microstructure and mechanical properties of mechanically alloyed and solid-state sintered tungsten heavy alloys", Materials Science and Engineering, Vol.291, No.1-2, pp.91-96, 2000. DOI: https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)00968-0

상세보기
Kim, E. P., etc., "The Effect of Mn on Microstructural Change in 93W-5.6Ni-1.4Fe Heavy Alloy", Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, Vol.5, No.1, pp.35-41, 1998.
Xiaoqing, Z., Shukui, L., Jinxu, L., Yingchun, W., & Xing, W., "Self-sharpening behavior during ballistic impact of the tungsten heavy alloy rod penetrators processed by hot-hydrostatic extrusion and hot torsion", Materials Science and Engineering, Vol.527, No.18-19, pp.4881-4886, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.04.050

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German, R. M., "Tungsten heavy alloy rivals depleted Uranium", Met. Powder, Rep, Vol.47, No.11, pp.42-46, 1992. DOI: https://doi.org/10.1016/0026-0657(92)90894-K

상세보기
Dong Kuk Kim, Sung Hak Lee, Kyung Jin Park, Heung Sub Song., "Research Paper - Mechanical Behavior : Effects of Microstructure and Fracture Behavior on Penetration Performance of Tungsten Heavy Alloys", Korean journal of metals and materials, Vol.35, No.1, pp.45-56, 1997.

저자의 다른 논문 :

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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