초록 ▼

본 연구과제에서는 금속분말소결체의 소성변형시에 발생하는 밀도분포를 수치적으로 해석하고 이를 실험으로 측정하는 방법을 연구하였다. 본 연구의 결과는 복잡한 형상과 고부가가치를 갖는 자동차부품등을 생산하는 분말단조등의 기술에 적용할 수 있다. 예를 들어 분말단조로 성형된 부품이 요구되는 기계적성질을 보유하고 있는가를 판단하기 위해서는 우선 성형공정을 해석하여 밀도분포를 예측할 수 있어야 하고, 성형된 부품의 밀도분포를 측정할 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 다공성금속의 변형을 해석할 수 있는 유한요소해석기

본 연구과제에서는 금속분말소결체의 소성변형시에 발생하는 밀도분포를 수치적으로 해석하고 이를 실험으로 측정하는 방법을 연구하였다. 본 연구의 결과는 복잡한 형상과 고부가가치를 갖는 자동차부품등을 생산하는 분말단조등의 기술에 적용할 수 있다. 예를 들어 분말단조로 성형된 부품이 요구되는 기계적성질을 보유하고 있는가를 판단하기 위해서는 우선 성형공정을 해석하여 밀도분포를 예측할 수 있어야 하고, 성형된 부품의 밀도분포를 측정할 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 다공성금속의 변형을 해석할 수 있는 유한요소해석기술을 개발하고 냉간과 열간에서의 분말단조를 해석하였다. 그리고 밀도측정을 위하여 여러가지 방법중 가장 경제적이며 실용적 방법으로판단되는 경도측정법을 연구하였다.본 연구에서 수행한 연구내용을 요약하면 다음과 같다.(1) 냉간과 열간에서 금속분말소결체의 소성변형과 밀도분포를 예측할 수 있는 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램에 사용된 기본식은 분말간의 미끄럼이 없는 다공성금속의 항복조건에 수직법칙을 적용하여 유도하였다. 열간단조시 발생하는 변형열, 마찰열, 금형과 대기로의 열손실을 고려하였으며, 온도에 따라 변화하는 유동응력을 다룰 수 있게 하였다.(2) 소결체의 경도는 상대밀도(단위체적당 기지금속의 부피분률)와 기지금속의 부피분률)와기지금속 유동응력의 함수로 가정하였다. 압흔하중식은 상대밀도 R과 재료상수 K, n의함수로 표현하였다. 이 식을 구하기 위하여 K와 n 이 다른 여러 기지금속과 상대밀도가다른 여러 소결체의 압흔변형에 대하여 유한요소 해석을 수행하였다.(3) 경도를 무차원화시킨 대비경도를 사용하면 상대밀도만의 함수로 나타낼 수 있는지를 알아보았다. 이를 위하여 Fe-36Ni 소결분말과 Astroloy 소결분말의 압흔변형에 대하여 유한요소해석을 수행하였으며, 이로부터 대비경도도 경도와 같이 기지금속의 유동응력(재료상수K와 n)에 크게 의존함을 알 수 있었다.(4) Fe-0.5％C-2％Cu 분말소결체를 만들어 여러가지 마찰조건에서 평금형으로 냉간과 열간압축실험을 수행하였다. 열간압축 시편은 아르곤개스 분위기에서 900℃로 가열하였으며,압축후 유냉시키고, 축방향으로 절단하여 단면에 대하여 경도를 측정하였다. 기지금속의유동응력은 냉간상태와 열처리한(가열후 유냉)상태로 구분하여 각각 추출하였다. 그리고분말소결체의 초기 상대밀도를 구하기 위하여 정밀선반에서 미세량씩을 절삭하여 제거하여밀도분포를 구하였다.(5) Fe-0.5％C-2％Cu 분말소결체의 냉간과 열간압축을 유한요소법으로 해석하여 밀도분포,기지금속의 변형률분포, 변형모드를 구하였다. 해석시 소결체의 초기밀도는 절삭제거법으로 구한 밀도분포를 사용하였다. 유한요소해석결과를 압흔하중식에 적용하여 예측한 밀도와(4)에서 측정한 밀도를 비교하였다. 초기시편의 밀도예측시에는 변형률분포를 고려할 필요가 없으나, 압축한 시편의 밀도예측시에는 기지금속의 유동응력이 변화하였으므로 변형률분포를 고려하므로 재료상수 K와 n을 재추출하여 압흔하중식에 사용하였다.본 연구에서 개발된 유한요소법을 사용하여 분말소결체의 소성변형과 밀도분포를 해석할 수 있게 되었고, 이 해석기술과 실험결과를 이용하여 압흔하중식을 추출할 수 있었다.전반적으로 압흔하중식에 의한 경도 계산치가 실험치와 잘 일치하였다. 하지만 상대밀도가0.8이하인 경우와 열처리하였을 경우에는 오차가 비교적 크게 나타났다. 따라서 이 합흔하중식의 실용성을 높이기 위해서는 추후에 낮은 상대밀도를 갖는 여러가지 분말재료를 대상으로 실험을 수행하여 보완할 필요성이 있다.

Abstract ▼

If there is any spot in apowder forged part where the densityis below the desired value, the mechanical properties of the spot are degraded resultingin the disqualification of the part. Therefore, in order to predict the occurrence andexistence of such defect, it in necessary to analyze th

If there is any spot in apowder forged part where the densityis below the desired value, the mechanical properties of the spot are degraded resultingin the disqualification of the part. Therefore, in order to predict the occurrence andexistence of such defect, it in necessary to analyze the deformation behavior of thepowder during plastic deformation and to measure the density distribution in the part.In the present study, a finite element method was developed for the analysis and ahardness measurement method was developed for the density measurement. The finiteelement method was based on the flow rule of porous metals and the hardnessmeasurement method was based on the indentation force equation.The contents of the present study are:(1) A finite element program was developed for the analysis of plastic deformation anddensity variation in sintered powder metals during cold and hot forging. The programis capable of handling arbitrary-shaped dies and analyzing cold as well as hot forgingby coupling the deformation analysis with the heat transfer analysis, which considersdeformation heat, friction heat and heat loss to dies and air.(2) Because the hardness of sinterd powder metal depends upon the flow stress of thematrix metal and the relative density R, it was possible to derive the indentation forceequation as a function of R,K and n. The derivation was based on the FEM analysisresults for various cases of indentation.(3) Compressions of sintered Fe-36Ni and Astroloy powders were analyzed by the FEMand relations between the hardness and the relative density for the two materials wereobtained. It was found that the relations are greatly influenced by not only therelative density but also the constants K and n.(4) Compressions of Fe-0.5％Cu-2％Cu sintered powders were performed. Thespecimens were heated to 900℃ in argon gas atmosphere, compressed and immediatelycooled in a mineral oil in hot compression. They were compressed under threedifferent friction conditions in cold compression. Different flow stresses of the cold andheat treated specimens were obtained. The specimens were cut into two halves andRB hardnesses were measured at several points on each cross section. The initialdensity distributions were directly obtained by machining shallow layers in thecircumferential direction.(5) FEM analyses of compressions of Fe-0.5％Cu-2％Cu sintered powders wereperformed and deformation patterns, the density and strain distributions were obtainedas results. In the analyses, the initial density distributions obtained by machining wreused. The density predictions by the FEM analysis were compared with the densitymeasurements in (4)using the indentation force equation obtained in (2). The materialconstants K and n obtained in (4) were used for uncompressed specimens. However,they were recalculated by taking the strain into account for compressed specimens.In conclusion, a finite element analysis program for cold and hot forgings ofsintered metal powder was developed and the indentation force equation for densitymeasurement was obtained. It was found that density predictions by the equationwere in good agreement with experimental measurements. However, there were somedisagreements for the relative density below 0.8 and for heat treated specimens.Therefore, in order to enhance the generality of the equation, more investigations forvarious kinds of powder would be necessary in the future.

목차 Contents

• 1. 서론...10
• 1.1 연구의 목적...10
• 1.2 연구의 내용...10
• 2. 경도와 상대밀도의 관계...11
• 2.1 압혼하중식...11
• 2.2 Fe-36Ni과 Astroloy의 경도/상대밀도 관계...14
• 3. Fe-Cu-C 소결분말체의 유동응력...14
• 3.1 상대밀도와 포아송비의 관계...14
• 3.2 소결분말체의 항복조건...15
• 3.3 기지금속 유동응력의 추출...17
• 3.4 변형률을 고려한 유동응력의 재표현...18
• 4. 냉간압축된 Fe-Cu-C 소결분말체의 경도...20
• 4.1 초기시편의 상대밀도와 경도 측정...20
• 4.2 초기시편의 경도와 상대밀도의 관계...21
• 4.3 냉간압축실험, 경도측정실험과 유한요소해석...21
• 4.4 압축시편의 경도와 상대밀도의 관계...22
• 5. 열간압축된 Fe-Cu-C 소결분말체의 경도...22
• 5.1 초기시편의 경도 측정...22
• 5.2 초기시편의 경도와 상대밀도의 관계...23
• 5.3 열간압축실험, 경도측정실험과 유한요소해석...23
• 5.3.1 평균밀도 6.2g/cm$^3$인 시편...23
• 5.3.2 평균밀도 6.5g/cm$^3$인 시편...24
• 5.4 압축시편의 경도와 상대밀도의 관계...24
• 6. 결론...24
• 7. 인용문헌...25