KR100397266B1 - 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법에 관한 것으로, 장치는 성형다이스(100)의 진입구에 뚫어지는 진입채널(10)과; 이 진입채널(10)을 통해 공급된 압출소재(1)가 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 결정립이 미세화되도록 유도하는 전단변형채널(20)과; 이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지고 진입채널(10)과 평행한 방향으로 압출소재(1)를 배출토록 하는 배출채널(30)과; 상기 진입채널(10)의 위치에서 압출소재(1)를 가압수단(60)에 의해 강제 가압시키는 주압출플런저(40)와; 상기 배출채널(30)의 위치에서 주압출플런저(40) 사이에 위치되는 압출소재(1)를 또 다른 가압수단(60)으로 상기 주압출플런저(40)와 동시에 강제 가압토록 하는 배압용플런저(50)로 구성된다.
또, 본 발명의 제조방법은 성형다이스(100)의 진입구로 뚫어지는 진입채널(10)로 압출소재(1)가 공급되는 압출소재 공급단계(a)와; 상기 진입채널(10)에 끼워지는 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시켜 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제1 변형단계(b)와; 상기 주압출플런저(40)의 계속되는 가압 작용으로 전단변형채널(20)의 길이에 상응하는 만큼 압출소재(1)를 이동시키는 이동단계(c)와; 이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지는 배출채널(30)의 위치로 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시킬 때 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제2 변형단계(d)와; 상기 제1 변형단계(b) 및 제2 변형단계(d)에서 변형 완료된 압출소재(1)를 배출채널(30)로 배출시키는 소재배출단계(e)가 순차적으로 이루어지는 것이다.
이러한 본 발명은, 단면적이 일정한(equal cross section area) 두 개의 평행한 채널과 두 채널을 45° 각도로 연결하는 동일한 형상 및 단면적으로 이루어진 채널로 구성되며 재료를 통과시켜 압출 할 경우 단면적의 변함이 없이 단순한 전단변형에 의해 심하게 변형을 일으켜 재료가 미세화 됨으로서 재료의 연신율 및 강도를 크게 향상시키는 데 뛰어난 효과가 있으며, 특히 배압(back pressure)이 가해지는 상태에서 45° 각도의 연속적인 2중 구속 전단변형에 의해 재료 전체가 더욱 균일하게 변형되어 미세화됨으로서 기존의 구속 강전단 변형법(ECAP, equal channel angular pressing)의 국부적인 불균일 미세조직 문제를 해결할 수 있다는데 뛰어난 효과가 있다. 이와 같은 공법을 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 합금 등 주물재의 소성 가공성 향상, 구조용 재료의 조직 미세화, 취성 재료의 연성화 및 분말합금의 압밀(compaction), 반응고 성형법의 하나인 SIMA(Strain Induced Melt Activated)을 위한 전처리 공정 등에 유용하게 적용될 수 있으므로 최종 제품의 재료적 특성의 향상에 특히 유용한 발명이다.

Description

난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법{Method and apparatus for fine particle formation}
본 발명은 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 재료 전체가 매우 균일하게 변형되며 미세화됨으로서 재료의 연신율 및 강도를 크게 향상시킴과 아울러, 기존의 구속 강전단 변형법(ECAP, equal channel angular pressing)의 국부적인 불균일 미세조직 문제를 해결할 수 있도록 발명된 것이다.
종래의 압연, 압출 등의 가공법은 여러 재료의 물리적·기계적 물성치를 향상시키면서 구조적으로도 변경을 가하기 위하여 사용되어 왔다. 특히 열간 가공은 주조 인고트와 관련되어 연신율과 강도를 높이고 결함을 제거하는 일반적인 방법으로 사용되어 왔다. 단조, 압연, 압출과 같은 통상적인 금속 가공법 역시 원하는 재료의 기계적 성질을 향상시키고 결함을 제거하는 목적으로 사용되어 왔다.
이러한 공정들은 원하는 재료를 최초의 단면적이 수배로 감소시키는 것으로, 예를 들어 알루미늄 합금의 상급의 품질을 보장하기 위해서는 초기의 인고트와 최종 제품과의 단면 감축비가 50대 1 이상이 된다. 또한 통상적인 금속 가공공정은 종종 가공물의 심각한 조직적 불균일성 문제를 야기하기도 하여 가공물에서 불균일 가공에 의한 많은 스크랩(scrap)이 발생한다.
최근에는 도 3에서 도시한 바와 같이 일정 단면적(equal cross section area)으로 이루어진 채널을 통과시켜 원하는 재료를 압출가공하는 방법인 구속 강전단 변형법(ECAP, equal channel angular pressing)이 알려진 바 있다. (미국특허 5,400,633, 5,600,989, 5,904,062, 6,209,379)
이 구속 강전단 변형법은 의정수압 상태(pseudo-hydrostatic state)에서 재료에 심한 전단변형(severe shear deformation)을 가한 후 적절한 열처리를 통하여 재료의 결정입자 크기를 마이크론(micron) 미만의 미세입자로 변화시켜 재료의 연성 및 강도를 향상시킬 수 있는 새로운 가공기술로 단면적의 감소가 없기 때문에 대용량 재료의 가공이 가능하여 널리 이용되고 있는 실정이다.
그러나, 상기한 구속 강전단 변형법(ECAP) 기술은 변형률이 최대가 되는 90°각도로 연결된 L자형 채널을 사용하여 압출하는 과정에서 벽면과 재료의 마찰문제 및 90°로 이루어진 연결부의 곡률로 재료의 유동이 균일하게 이루어지지 않고 있다. 즉, 압출 가공시 재료가 L자형의 안쪽 부분은 바로 90°로 회전하며 변형을 하지만 바깥쪽 만곡부분은 채널과의 마찰력으로 전단변형이 억제됨으로서 전단변형이 거의 일어나지 않는 것이 실험적으로 나타나고 있다(금속학회지, 37권 4호 1999 p441-447, 구속전단 가공법에서 전단변형 특성 참조). 이 경우 국부적인 변형률 차이는 실제 재료를 가공할 경우 재료의 불균일성으로 인하여 강도, 미세조직, 연신율의 차이 등 많은 문제점을 유발시킬 수 있다.
이상의 문제점을 해결하기 위해 수회 이상 반복 통과시키면서 압출방향을 90°또는 180°단위로 변경하여 계속적으로 바꿈으로 해서 보완되고 있으며, 통상의ECAP 기술로는 최소한 4회 이상 통과시켜야 원하는 미세조직이 생성된다. 그러나, 통상 상온보다 높은 온도에서 이루어지는 압출과 다음 압출 사이에 공기에 노출되어 표면에 급속도로 산화물이 도포되는 문제가 발생한다. 또한, 기존의 L자형의 경우 안쪽과 바깥쪽 부분의 마찰력 차이로 바깥쪽 만곡 부분은 마찰저항이 심하여 재료변형이 잘 이루어지지 않는 반면에, 안쪽은 상대적으로 마찰력이 적기 때문에 변형이 수월하다. 그 결과 압출소재 전면부는 구속을 받지 않는 개방된 상태이므로, 바깥쪽 만곡 부분은 마찰력이 상대적으로 크고 중간부분은 마찰력이 상대적으로 적기 때문에 압출소재의 전면부가 초기의 형상대로 편평한 것이 아니라 중간부분이 돌출된 형상을 이루게 된다. 이 현상은 많은 실험적 연구에서 나타나고 있다.(금속학회지, 37권 4호 1999 p441-447, 구속전단 가공법에서 전단변형 특성)
또한, 돌출된 전면부는 변형률이 불 균일한 관계로 종종 절단하여 제거하고 나머지 재료를 90°단위로 방향을 변경하여 다시 L자형 채널에 통과시켜야 하는 번거로움이 있다. 또한 전면부의 개방된 상태에서의 압출은 전단 압출과정에 영향을 미쳐 특히 티타늄재와 같이 변형 중에 연화되는 재료(flow softening)의 경우 전단변형이 지속적이며 국부적으로 발생하여 전단 띠(shear band)가 생성되므로 전단 파단(shear fracture)을 일으킨다.(Metallugical Transaction A 30A 1999 p2473-2481, Hot working of Ti-6Al-4V via equal channel angular extrusion 참조)
본 발명의 목적은 반응고 성형에 적절한 미세조직을 갖는 원자재 금속을 경제적으로 생산토록 하고, 공업적으로 양산화가 가능한 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 재료가 동일 단면적상의 모든 미세요소가 단면적의 변화없이 동시에 균일한 전단변형을 유도하여 재료의 미세화로 인한 연성 및 강도를 향상시킬 수 있는 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압출부위의 마찰력 차이와 압출소재 전면부의 불구속 상태로 인한 압출소재 전면부의 돌출 문제와 전단띠로 인해 국부적인 불균일 미세조직이 발생하는 것을 방지하여, 재료의 미세화로 인한 연성 및 강도 등 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있는 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압출저항이 적어 소용량의 장치로 상기한 목적을 달성할 수 있으므로, 경제적인 이익과 상품성을 향상시킬 수 있는 난가공재의 결정립 미세화장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 결정립 미세화 방법에 대한 순서를 나타낸 블록도
도 2a는 본 발명의 미세화 작업을 위해 조립되는 상태를 보인 장치도
도 2b는 본 발명의 작업 상태를 보인 장치도
도 3은 기존 발명에 대한 수치해석을 이용한 압출 변형상태를 도시한 형상도
도 4는 본 발명의 압출소재 이동루트를 간략하게 도시한 이해도이다.
* 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 - 진입채널 11 - 진입가이드부
20 - 전단변형채널 30 - 배출채널
40 - 주압출플런저 50 -배압용플런저
60 - 가압수단
100 - 성형다이스
이러한 본 발명의 장치는 성형다이스(100)의 진입구에 뚫어지는 진입채널(10)과;
이 진입채널(10)을 통해 공급된 압출소재(1)가 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 결정립이 미세화되도록 유도하는 전단변형채널(20)과;
이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지고 진입채널(10)과 평행한 방향으로 압출소재(1)를 배출토록 하는 배출채널(30)과;
상기 진입채널(10)의 위치에서 압출소재(1)를 가압수단(60)에 의해 강제 가압시키는 주압출플런저(40)와;
상기 배출채널(30)의 위치에서 주압출플런저(40) 사이에 위치되는 압출소재(1)를 또 다른 가압수단(60)으로 상기 주압출플런저(40)와 동시에 강제 가압토록 하는 배압용플런저(50)로 구성되는 것에 의해 달성된다.
따라서, 재료가 균일한 전단변형을 유도하고, 특히 압출부위의 마찰력 차이와 압출소재 전면부의 불구속 상태로 인한 압출소재 전면부의 돌출 문제와 전단띠로 인해 국부적인 불균일 미세조직이 발생하는 것을 방지하여, 재료의 미세화로 인한 연성 및 강도 등 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.
또, 반응고 성형을 위하여 적절한 미세조직을 갖는 금속합금을 생산할 수 있는 것으로, 종래에 알려진 여러 방법보다 간단한 공정으로, 본 제조방법으로 가공된 소재를 가열하면 액상과 고상이 공존하며, 특히 고상이 액상사이에서 미세한 구형의 형태로 존재함으로서 유동성이 우수하여, 낮은 성형압력으로도 복잡한 형상의 부품을 경제적으로 제조할 수 있는 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 결정립 미세화 방법에 대한 순서를 블록도로 도시하고, 도 2a는 본 발명의 미세화 작업을 위해 성형다이스(100)의 진입채널(10)로 압출소재(1)와 주압출플런저(40)가 조립되는 상태와, 배출채널(30)로는 배압용플런저(50)가 조립되는 상태를 장치도로 도시하고 있다.
도 2b는 본 발명의 성형다이스(100)의 내부로 관통된 각 채널로 압출소재(1)와 주압출플런저(40) 및 배압용플런저(50)가 조립되어 작업 상태를 장치도로 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 압출소재 이동루트를 이해도로 도시하고 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 의한 난가공재의 2중 구속 강전단 변형법에 의한 결정립 미세화 제조장치는 성형다이스(100)에 서로 다른 이동 경로를 갖는 각도로 진입채널(10)과 전단변형채널(20) 및 배출채널(30)이 뚫어지고, 진입채널(10)에는 주압출플런저(40) 및 배출채널(30)에는 배압용플런저(50)가 각각 설치된다.
성형다이스(100)의 진입부에 관통된 진입채널(10)에는 테이퍼 가공된 진입가이드부(11)가 형성되는데, 이 진입채널(10)의 단면은 원 혹은 정사각형 모양이고, 채널 입구에 형성된 진입 가이드부(11)는 압출소재(4)의 삽입이 용이하도록 5~10°범위에서 테이퍼 가공하게 된다.
이 진입가이드부(11)는 배출채널(30)을 통해 나온 압출소재(4)를 또 다시 압출가공시 끝 부분의 연삭과정이 없이도 삽입이 용이하도록 한 것이다.
성형다이스(100)의 대략 중간위치로 형성되는 전단변형채널(20)은 상단에서 볼 경우에 즉 평면도 상에서 상기 진입채널(10)과 동일한 형상 및 치수의 단면으로 소정의 예각으로 전단각(θ)이 꺾어져 전단변형을 유도하게 된다.
이때 전단각(θ)은 상기 진입채널(10) 및 배출채널(30)과 각각 전단변형채널(20)이 이루는 각도로써, 45°±3°의 범위내에서 설계하면 무방하나, 45°경사지게 구성하는 것이 가장 바람직하다.
이는 후술하는 바와 같이 주압출플런저(40) 및 배압용플런저(50)가 각각 가압수단(60)의 작동으로 왕복운동할 때 압출소재(1)가 유동되는 각도를 대칭을 이룸과 아울러, 동일한 유동 단면적을 유지할 수 있다.
상기 배출채널(30)은 진입채널(10)및 중간에 위치되는 전단변형채널(20)과 같은 단면으로 형성되는 것이 바람직 하며, 상기 진입채널(10)과 배출채널(30)은 서로 평행하게 구성한다.
상기 주압출 플런저(40)와 배압용플런저(50)은 단면형상이 상기 채널들의 단면형상과 동일하게 형성되며, 이는 제품의 형상에 따라 변경이 가능하다.
상기 성형다이스(100)의 외부형상은 직사각형의 형태로 형성되며 일체 혹은 분리해서 조립할 수 있으며, 부가적으로 히터를 장착하여 정해진 온도를 가하여 압출할 수도 있으며, 이때 온도는 압출가공의 대상재료에 따라 달라진다. 즉 상기 성형다이스(100)는 내부에 히터를 장치하든지 혹은 외부에 챔버를 장착하여 재료에 따라 온도를 증가시켜 원하는 기계적 특성이 나오도록 할 수 있다. 일반적으로 재료에 따라 일정 횟수만큼 통과시킨 후 그대로 사용하든지 혹은 열처리로 조직을 미세화 시킬수 있으나, 매회의 압출에 의한 배출후에 적절한 열처리도 재료에 따라 가능하다. 압출가공시 윤활유는 MoS2나 흑연계통을 사용한다.
다음에, 상기와 같이 구성되어 있는 본 발명인 난가공재의 2중 구속 강전단 변형법에 의한 결정립 미세화 제조방법은 성형다이스(100)의 진입구로 뚫어지는 진입채널(10)로 압출소재(1)가 공급되는 압출소재 공급단계(a)와;
상기 진입채널(10)에 끼워지는 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시켜 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제1 변형단계(b)와;
상기 주압출플런저(40)의 계속되는 가압 작용으로 전단변형채널(20)의 길이에 상응하는 만큼 압출소재(1)를 이동시키는 이동단계(c)와;
이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지는 배출채널(30)의 위치로 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시킬 때 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제2 변형단계(d)와;
상기 제1 변형단계(b) 및 제2 변형단계(d)에서 변형 완료된 압출소재(1)를 배출채널(30)로 배출시키는 소재배출단계(e)가 순차적으로 이루어지는 것에 의해 달성된다.
상기 압출소재 공급단계(a)는 압출소재(1)가 주압출플런저(40)에 의해 진입채널(10)내로 밀어 넣어지는 단계로, 압출소재(4) 혹은 일정량의 덩어리를 진입채널(10)에 삽입하고, 주압출플런저(40)로 그 재료에 원하는 깊이 만큼 하중을 가하여 재료를 소성 변형시키며 채널 내에서 이동시킨다.
상기 주압출플런저(40)는 가압수단(60)에 의해 수직운동하게 되는데, 유압으로 작동되는 것이 일반적이나 재료에 따라 공압, 혹은 스크루 잭과 같은 형태로 작동이 가능하다. 주압출플런저(40)의 속도는 압출소재(1)의 변형률에 영향을 별로 미치지 않으며, 주압출플런저(40)에 연결된 실린더 펌프의 단위 시간당 토출 용량에 좌우된다.
제1 변형단계(b)는 진입채널(10)에서 전단각(θ)인 45°경사진 중간 채널로이동하며 전단변형하는 단계로, 진입채널(10)에서 중간에 위치되는 전단변형채널(20)로 압출소재(1)가 압출될 때 단순 전단에 의해 전단 변형이 발생된다.
이동단계(c)는 압출소재(1)가 중간의 전단변형채널(20)내에서 연속적인 주압출플런저(40)의 이동으로 변형률의 변화 없이 압출되며 전단변형채널(20) 길이만큼 이동하는 단계이다.
제2 변형단계(d)는 중간의 전단변형채널(20)에서 전단각(θ)인 45° 경사진 배출채널(30)로 이동하며 전단변형하는 단계로, 전단변형채널(20)을 통과한 압출소재(1)가 다시 한번 배출채널(30)에 진입하면서 또 다시 전단 변형을 일으키게 된다.
압출소재(1)가 전단변형채널(20)의 출구를 지나면서 배압용플런저(50)가 압출소재(1)에 배압을 작용시켜 압출소재(1) 전면부의 돌출을 억제하며 압출소재(1) 잔여부분에서의 균일한 전단변형을 돕는다.
배출단계(e)는 진입채널(10)과 전단변형채널(20) 및 배출채널(30)을 각각 통과한 압출소재(1)가 목적하고자 하는 전단변형율을 달성시킨 다음, 성형다이스(100)로부터 압출소재(1)를 배출시키는 단계이다.
상기와 같은 과정은 계속 반복되는 반복변형단계(f)를 거칠 수 있다.
즉, 상기 제1 변형단계(b)와 이동단계(c) 및 제2 변형단계(d)를 마친 압출소재(1)가 소정의 전단변형율 목적을 달성하지 못하였을 경우에는 다시 배압용플런저(50)가 가압수단(60)에 의해 상승되며 제2 변형단계(d)와 이동단계(c)및 제1 변형단계(b)를 역으로 거치면서 압출소재(1)가 전단각(θ)으로 진입채널(10)과 배출채널(30)로부터 꺽여지게 연결된 전단변형채널(20)을 통과하면서 재차 전단변형을 반복 수행하게 되는 것이다.
이때, 처음 삽입한 압출소재(1)가 중간의 전단변형채널(20)을 거쳐 배출채널(30)을 최종 통과하여 나오면, 다시 배압용플런저(50)가 가압수단(60)에 의해 상승되어 반복되는 전단 변형효과를 얻을 수가 있는 것이며, 소재를 성형다이스(100)로부터 완전히 빼내어 다시 입구로 재투입하거나 하는 불편함이 없어 가공이 용이하고 편리한 이점이 있다.
그리고, 압출소재(1)가 배출채널(30)을 통과한 후 재료에 따라 열처리하여, 다시 압출 공정을 반복할 수도 있으며, 2∼3회 압출 후에 최종적으로 열처리 할 수 있는 열처리 공정을 추가할 수도 있다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 재료가 진입채널(10)에서 전단변형채널(20)을 통과시 또는 전단변형채널(20)에서 배출채널(30)로 통과시 받는 전단 변형률은 다음과 같이 간단히 해석이 가능하다.
각 채널들의 단면적이 동일한 관계로 비압축성 물질로 표면 마찰력계수가 없다고 가정하면 면적 ABCD로 구성된 일정량의 재료가 주압출플런저(40)에 의해 동일한 수준(level)으로 압축된다면 점 A, B, C, D는 각각 D, C, E, F로 이동할 것이고, 그러므로 동일선상에 있는 모든 입자는 동일하게 변형됨으로서 전단 변형률이 공정중에 전체적으로 균일하게 되어 기존의 ECAP에서의 국부적인 불균일 미세조직 문제를 해결할 수 있다. 또한 전단 변형률의 정의에 의해 두 채널의 각도가 45°인관계로 제1채널에서 45° 기울어져 연결된 전단변형채널(20)로 통과시 각도 45° 에 의해 DG=GF이므로 전단변형률은 다음과 같이 1이 된다.
γ≒ tan γ= tanθ(θ=45°)=1 (tanθ= GF/DG)
전단변형률 1은 von Mises 이론에 근거한 유효전단 변형률(equivalent strain) εeq로 환산하면 εeq= γ/root3 =1/1.732=0.577이다. 한편, 전단변형채널(20)을 통과한 재료가 다시 45°의 기울기로 배출채널(30)을 통과시 또 다시 전단 변형률이 100%로 변형이 이루어져서 진입채널(10)을 거쳐, 최종 제2채널을 통과하면 총 200%의 전단변형률에 해당하는 유효변형률εeq가 115% 발생한다.
상기 채널들은 동일한 단면적을 갖는 2개의 진입채널(10)과 배출채널(30)을 전단변형채널(20)에 의해 45°로 연결하여 이루어짐으로써 기존 ECAP의 90° 연결시보다 국부적인 바깥쪽 만곡부분과 안쪽부분의 마찰력 차이를 감소시키게 되고, 이에 따라 압출소재(1) 전면부의 돌출문제 또한 감소하게 되며, 전단 띠 발생 또한 억제시키게 된다.
또한, 압출소재(1)를 1회 통과시 기존의 ECAP에서는 1회의 변형이 이루어지나 본 발명에서는 바깥쪽 만곡부분과 안쪽부분이 각각 2회 변형되므로 균질한 미세조직을 얻을 수 있다.
본 발명에서는 특히 배압을 가함으로써 압출소재 전면부의 돌출문제와 전단띠 발생을 억제시키게 되어, 결과적으로 재료의 변형 과정중 전체단면의 조직이 균질하다.
즉, 진입채널(10)에서 전단변형채널(20)로의 소성변형에 의한 재료의 이동시 유동의 균일성으로 가공물의 중앙과 표면이 동일한 변형률을 발생시킨다. 오직 변형이 일어나는 것은 단지 진입채널(10)에서 전단변형채널(20)로 바뀌는 천이면(transition plane)을 따라 단순한 전단변형이 일어나서 기존의 ECAP에서의 불균일 미세조직 문제를 해결할 수 있다는 것으로 압출소재(1)의 전체 단면에 균일한 변형률이 생성됨을 보장하는 것이다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 가공재를 의정수압 상태에서 45°각도의 연속적인 2중 구속 강 전단변형채널(20)의 압출 방향을 바꾸어 수 차례 왕복함으로서, 더욱 미세하고 균질한 등축정의 결정립을 형성하는 전처리 과정을 얻을 수 있다.
이 전처리 과정 후 소재의 미세조직은 반응고 성형에 적절한 조직으로 되어 있다. 즉, 그 조직은 구형의 입자가 그 보다 용융점이 낮은 액상의 기지조직(matrix)에 균일하게 내재되어 가열하면 적정온도에서 고상과 액상이 공존하게 된다. 왜냐하면 변형된 미세조직은 변형에너지를 저장하고 있으며, 이와 같이 저장된 변형 에너지는 저융점 원소의 결정립 혹은 아결정입계로의 확산율을 증가시킴으로서 미세조직의 변태를 조장하여, 결과적으로 심하게 전단 변형된 금속이 빠르게 반응고 온도로 가열되면 입계 혹은 아결정입계가 빨리 용융한다. 또한 변형되고 급냉된 금속을 재결정온도 이상으로 재가열하면 이와 같이 저장된 변형 에너지는 재결정을 유발한다. 저장된 에너지가 많을 수록 재결정 핵은 많아지고, 결과적으로 변형된 소재가 반응고 온도로 급속히 가열될 때 좀 더 미세한 구상의 입자를 유도한다. 그러므로, 미세한 조직을 얻기 위하여 충분한 변형 에너지를 공급해야 하는데, 일반적으로 SIMA(Strain Induced Melt Activated)공법에서는 von- Mises 변형률로 약 2.3이상을 얻어야만 결정립이 30 마이크로 미터 미만을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 이와 같은 양의 변형률을 기존의 압연 혹은 압출공정으로 얻기 위해서는 대단히 많은 단면 수축공정을 여러번 적용해야 하는 부담이 있다. 그러나, 본 발명에서는 가공재를 의정수압 상태에서 전단각(θ)인 45°각도의 연속적인 2중 구속 강 전단변형채널(20)을 그 압출 방향을 바꾸어 반복시 예로, 1회 행정시 약 100%의 von-Mse 변혈률이 발생하는 관계로 4행정 즉 2회 왕복행정 변형을 가하면 약 400%의 전단변형을 유발할 수 있음으로서 단면적의 변화 없이 30 마이크로미터 미만의 균질하고 미세한 결정립을 간단하게 얻을 수 있다.
이상과 같이 전처리를 통하여 반응고 합금이 제조되면, 필요한 길이로 소재를 절단하고, 재료를 고상과 액상이 공존하는 온도로 빠르게 가열한 후 성형기로 이송하여 반응고 주조 혹은 반응고 단조로 원하는 형상으로 성형한다. 성형 후처리로서 열처리 등의 과정을 거쳐 반응고 성형공정을 완성한다.
본 발명은 아주 작은 단면적(직경 10mm)이나 큰 단면적(직경 250mm)으로 이루어진 가공물의 변형에 사용될 수도 있다. 또한 취성인 고강도 알루미늄 및 티타늄 합금, 마그네슘 합금 등의 소성가공에 적절하다.
상기와 같은 본 발명에 의해 완성된 소재는, 단면적이 일정한(equal cross section area) 두 개의 평행한 채널과 두 채널을 45° 각도로 연결하는 동일한 형상 및 단면적으로 이루어진 채널로 구성되며 재료를 통과시켜 압출 할 경우 단면적의 변함이 없이 단순한 전단변형에 의해 심하게 변형을 일으켜 재료가 미세화 됨으로서 재료의 연신율 및 강도를 크게 향상시키는 데 뛰어난 효과가 있으며, 특히 배압(back pressure)이 가해지는 상태에서 45° 각도의 연속적인 2중구속 전단변형에 의해 재료 전체가 더욱 균일하게 변형되어 미세화됨으로서 기존의 구속 강전단 변형법(ECAP, equal channel angular pressing)의 국부적인 불균일 미세조직 문제를 해결할 수 있다는데 뛰어난 효과가 있다. 이와 같은 공법을 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 합금 등 주물재의 소성 가공성 향상, 구조용 재료의 조직 미세화, 취성 재료의 연성화 및 분말합금의 압밀(compaction), 반응고 성형법의 하나인 SIMA(Strain Induced Melt Activated)을 위한 전처리 공정 등에 유용하게 적용될 수 있으므로 최종 제품의 재료적 특성의 향상에 특히 유용한 발명이다.

Claims (4)

  1. 장치는 성형다이스(100)의 진입구에 뚫어지는 진입채널(10)과;
    이 진입채널(10)을 통해 공급된 압출소재(1)가 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 결정립이 미세화되도록 유도하는 전단변형채널(20)과;
    이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지고 진입채널(10)과 평행한 방향으로 압출소재(1)를 배출토록 하는 배출채널(30)과;
    상기 진입채널(10)의 위치에서 압출소재(1)를 가압수단(60)에 의해 강제 가압시키는 주압출플런저(40)와;
    상기 배출채널(30)의 위치에서 주압출플런저(40) 사이에 위치되는 압출소재(1)를 또 다른 가압수단(60)으로 상기 주압출플런저(40)와 동시에 강제 가압토록 하는 배압용플런저(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 난가공재의 결정립 미세화장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전단각(θ)은 45°인 것을 특징으로 하는 난가공재의 결정립 미세화장치.
  3. 성형다이스(100)의 진입구로 뚫어지는 진입채널(10)로 압출소재(1)가 공급되는 압출소재 공급단계(a)와;
    상기 진입채널(10)에 끼워지는 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시켜 진입채널(10)과 예각의 전단각(θ)으로 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제1 변형단계(b)와;
    상기 주압출플런저(40)의 계속되는 가압 작용으로 전단변형채널(20)의 길이에 상응하는 만큼 압출소재(1)를 이동시키는 이동단계(c)와;
    이 전단변형채널(20)로부터 소정의 전단각(θ)으로 꺾어지는 배출채널(30)의 위치로 주압출플런저(40)가 가압수단(60)에 의해 압출소재(1)를 강제 가압시킬 때 꺾어져 이동되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 제2 변형단계(d)와;
    상기 제1 변형단계(b) 및 제2 변형단계(d)에서 변형 완료된 압출소재(1)를 배출채널(30)로 배출시키는 소재배출단계(e)가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 난가공재의 결정립 미세화 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 변형단계(b)와 이동단계(c) 및 제2 변형단계(d)를 마친 압출소재(1)를 배압용플런저(50)가 가압수단(60)에 의해 상승되며 제2 변형단계(d)와 이동단계(c) 및 제1 변형단계(b)를 역으로 거치면서 압출소재(1)가 전단각(θ)으로 진입채널(10)과 배출채널(30)로부터 꺽여지게 연결된 전단변형채널(20)을 통과하면서 재차 전단변형을 반복 수행하도록 반복되는 반복변형단계(f)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 난가공재의 결정립 미세화방법.
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