[논문]비조질강의 바우싱거 효과에 미치는 변형율 영향

권용남; 이영선; 김상우; 이정환

비조질강의 바우싱거 효과에 미치는 변형율 영향
Effect of Pre-strain on the Bauschinger Phenomenon of Micro-Alloying Forging Steel 원문보기

권용남 (한국기계연구원 소재성형연구센터) , 이영선 (한국기계연구원 소재성형연구센터) , 김상우 (한국기계연구원 소재성형연구센터) , 이정환 (한국기계연구원 소재성형연구센터)

In the present study, Bauschinger effect was investigated for the micro-alloying forging steel which has been developed for about 30 years ago to save energy consumption by eliminating the heat treatment processes in the forging industry. The micro-alloying steels used fur cold forging industry mainly aim to replace the usual carbon steel. With the conventional carbon steels, all the deformation history can be eliminated after the final heat treatment(quenching and tempering). In the case of micro-alloying forging steels, however, the prior deformation history should be taken into consideration to meet the mechanical property requirement since the microstructure of micro-alloying steels might exhibit the Bauschinger effect, which was not needed to consider in the case of conventional carbon steel having quenching and tempering treatment. In the present study, the reverse loading tests were carried out to determine the Bauschinger effect of micro-alloying steel which composed of ferrite and cementite phases.

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문제 정의

냉간 단조시 변형의 방향이 냉간 신선시와 반대로 형성될 경우 바우싱거 효과가 발생한다. 본 연구에서는 냉간 비조질강에서 발생하는 바우싱거 효과를 조사함으로써 냉간 신선의 최적 단면 감소율 및 냉간 단조품의 재질 편차를 예측할 수 있는 기초 데이터를 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 냉간단조용 비조질강의 특성과 바우싱거 효과에 대한 기초적인 시험을 실시하였다. 비조질강 단조품의 재질 편차는 냉간 단조공정설계 뿐만 아니라 압연 후 냉간 신선량에 결정을 받는다.
본 연구에서는 조질강을 이용해 양산되고 있는 냉간 단조품에 대해 비조질강을 이용해 냉간 단 조 시험을 실시하였다. 열간 압연후 16mm의 지름을 가지는 소재를 약 16% 냉간 신선하여 14.
저 탄소강과는 달리 비조질강의 강화기구는 V, Ti, Nb 등과 같은 합금원소를 첨가하여 페라이트상내에 미세한 입자를 석출하는 개념을 이용하고 있다. 추가적인 강화 방법으로 압연, 신선, 냉간 단조를 거치는 과정 중의 축적되는 가공경화를 이용하는 것이다.

제안 방법

그림 7은 지름 16mm을 가지는 압연재를 이용하여 변형 역전시험(strain reversal test)를 실시한 결과이다. 먼저 냉간 신선시와 같이 인장 방향의 변형을 가한 후 압축 변형을 실시할 경우 발생하는 바우싱거 효과를 관찰하였다. 본 연구에 사용한 비조질강의 인장시험시 항복 연신율이 약 5%로 매우 높았으며 이로 인해 항복점 이상으로 변형량을 증가시키는 것이 불가능하였다.
변형량(pre-strain)이 바우싱거 효과에 미치는 영향을 조사하기 위하여 그림 8에 나타낸 것과 같이 인장방향의 소성변형량을 약 0.3과 0.7로 변화시켜 압축변형을 실시하였다. 그림 8의 변형 역전시험에서 알 수 있듯이 바우싱거효과지수 (/3 = ar / <7 j- , Of: forward stress, ur : reverse stress )가 초기 변형량이 증가에 따라 낮아지는 결과를 얻을 수 있었다.
하지만, 앞에서 언급한 바와 같이 인장-압축시 험시 발생하는 시편의 좌굴로 인해 항복점 연신율을 넘어서는 변형율 범위에서 바우싱거 효과를 고찰할 수 없어 냉간 신선량을 27%가지 증가시킨 시편을 제조하여 16% 경우와 상대적인 비교를 실시하였다. 약 50%의 냉간 압축을 기준으로 16% 냉간 신선재의 경우 9.

대상 데이터

본 연구에서는 조질강을 이용해 양산되고 있는 냉간 단조품에 대해 비조질강을 이용해 냉간 단 조 시험을 실시하였다. 열간 압연후 16mm의 지름을 가지는 소재를 약 16% 냉간 신선하여 14.7 mm 의 지름을 가지는 봉재로 제조한 소재를 사용하였다. 그림 3은 비조질강을 이용해 선일다이파스(주)에서 냉간단조를 실시한 제품의 외관 및 met이 flow 를 보여주는 사진이다.
본 연구에 사용한 냉간 비조질강의 조성은 표 1에 나타내었다. 진공유도용해로을 이용하여 잉곳을 제조한 후 제어압연/냉각 공정을 거쳐 최종 16 mm 의 지름을 가지는 봉재로 제조되었다. 이후 각각 14.

성능/효과

그림 3은 비조질강을 이용해 선일다이파스(주)에서 냉간단조를 실시한 제품의 외관 및 met이 flow 를 보여주는 사진이다. 기존 조질강과 마찬가지로 단조는 성공적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
7mm의 소재에 대해 압축시험을 실한 결과이다. 냉간 신선재는 약 16%의 가량의 변형을 받았기 때문에 압연재에 비해 높은 변형 저항을 나타낼 것으로 예상되었으나 실제는 압연재에 비해 낮은 유동응력을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 압연재에서 관찰된 항복점 현상도 냉 간 신선재에서는 관찰되지 않는다.
먼저 냉간 신선시와 같이 인장 방향의 변형을 가한 후 압축 변형을 실시할 경우 발생하는 바우싱거 효과를 관찰하였다. 본 연구에 사용한 비조질강의 인장시험시 항복 연신율이 약 5%로 매우 높았으며 이로 인해 항복점 이상으로 변형량을 증가시키는 것이 불가능하였다.
하지만, 앞에서 언급한 바와 같이 인장-압축시 험시 발생하는 시편의 좌굴로 인해 항복점 연신율을 넘어서는 변형율 범위에서 바우싱거 효과를 고찰할 수 없어 냉간 신선량을 27%가지 증가시킨 시편을 제조하여 16% 경우와 상대적인 비교를 실시하였다. 약 50%의 냉간 압축을 기준으로 16% 냉간 신선재의 경우 9.8%, 27% 신선재의 경우는 5.7%의 유동응력 감소를 얻을 수 있었다.
이에 반해 인장시험을 실시한 경우 표 2에 나타낸 것과 같이 냉간 신선한 경우 항복 및 인장 강도가 모두 압연재에 비해 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 냉간 신선시 소재의 길이 방향과 동일한 변형 경로를 가지는 인장시험에서는 가공경화가 발생한 반면 압축변형시에는 바우싱거 효과가 나타난 것을 확인할 수 있었다.
또한, 압연재에서 관찰된 항복점 현상도 냉 간 신선재에서는 관찰되지 않는다. 이에 반해 인장시험을 실시한 경우 표 2에 나타낸 것과 같이 냉간 신선한 경우 항복 및 인장 강도가 모두 압연재에 비해 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 냉간 신선시 소재의 길이 방향과 동일한 변형 경로를 가지는 인장시험에서는 가공경화가 발생한 반면 압축변형시에는 바우싱거 효과가 나타난 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이상의 결과로부터 냉간 신선시 변형량을 최적으로 조절할 경우 일반적으로 봉재의 길이방향으로 압축 변형을 받는 단조공정에서 소재의 유동응력이 낮아져 금형에 미치는 부하를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
현재 결과를 바탕으로 냉간 비조질강의 최적 냉간 신선율을 결정하는 정량적인 결과를 얻기 위하여 비틀림 변형을 이용한 시험을 현재 진행 중이다.

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