KR100601181B1

KR100601181B1 - 봉재압축전단변형공정

Info

Publication number: KR100601181B1
Application number: KR1020040044230A
Authority: KR
Inventors: 임차용; 한승전
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-07-13
Also published as: KR20050119046A

Abstract

본 발명은 구리(Cu) 소재를 극저온처리하여 동일한 단면적을 갖는 두 채널을 가진 금형에 가압하여 통과시키는 과정을 연속적으로 반복 실시하는 봉재압축전단변형공정에 관한 것이다. 본 발명에 의한 봉재압축전단변형공정은, 봉재(100)를 극저온처리하는 제 1단계(200)와, 상기 제 1단계(200)를 거친 봉재(100)를 두 개의 채널을 가진 금형(320)에 삽입하는 제 2단계(300)와, 상기 제 2단계(300)를 거친 금형(320)에 플런저(Plunger,340)를 삽입하고 가압하여 전단변형시키는 제 3단계(400)를 포함하여 구성되며, 상기 봉재(100)는 구리(Cu)재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 제 1단계(200)는 액체질소 또는 드라이아이스를 이용하여 상기 봉재(100)를 장입하거나 상기 봉재(100)에 분사하여 실시하며, 상기 제 1단계(200), 제 2단계(300) 및 제 3단계(400)는 연속적으로 다수회 반복됨을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 고전기전도성 및 고강도의 구리(Cu) 소재를 제조할 수 있는 이점이 있다.

구리, 극저온처리, 채널, 전기전도도, 강도

Description

봉재압축전단변형공정{Process of Equal Channel Angular Pressing for workpiece}

도 1 은 종래 등통로각압축(ECAP) 장치의 개략적인 단면도.

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정의 개략적인 공정개념도.

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정에 사용되는 등통로각압축(ECAP) 장비의 개략적인 단면도.

도 4 의 (a)는 본 발명에 따른 봉재압축전단변형공정 전(前) 무산소동의 조직사진.

도 4 의 (b)는 본 발명에 따른 봉재압축전단변형공정 전(前) 인탈산동의 조직사진.

도 5 의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 77K(-196℃)에서 극저온처리하여 봉재압축전단변형공정을 4회 실시한 후의 조직사진.

도 5 의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 77K(-196℃)에서 극저온처리하여 봉재압축전단변형공정을 8회 실시한 후의 조직사진.

도 6 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정의 횟수에 따른 인장특성을 나타낸 그래프.

100. ..... 봉재 200. ..... 제 1단계

300. ..... 제 2단계 320. ..... 금형

322. ..... 상방채널 324. ..... 측방채널

340. ..... 플런저 (Plunger) 400. ..... 제 3단계

본 발명은 강소성 가공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu) 소재를 극저온처리하여 동일한 단면적을 갖는 두 채널을 가진 금형에 가압하여 통과시키는 과정을 연속적으로 반복 실시하는 봉재압축전단변형공정에 관한 것이다.

재료가 소성변형을 받을수록 결정립도가 미세해짐은 일반적으로 잘 알려져 있는 사실이다. 재료의 결정립도 미세화가 이루어지면 물성이 향상되어, 특히 결정립도가 1 ㎛ 이하의 초미세 결정재료에 대한 연구가 최근 대단히 많이 수행되고 있다.

결정립 미세화는 금속재료 강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상시키는데 매우 유효하게 적용되는 방법 중 하나이다. 이러한 결정립 미세화를 위해서 압출이나 압연 등 기존의 소성가공법을 사용할 경우 가공량 증가에 따른 재료의 단면적 감소가 불가피하므로 소재 내에 소정의 변형에너지를 축적시키는 데에는 큰 제한이 따를 수 밖에 없다.

따라서, 기존의 소성가공으로는 금속재료의 결정립 크기를 서브마이크론(Submicron) 혹은 나노미터(Nanometer) 수준까지 미세화시킬 수가 없다.

최근에 등통로각압축(ECAP ; Equal-Channel Angular Pressing)이라는 아주 간단한 가공방법이 개발되어 극도로 미세한 결정립 크기를 갖는 소재를 얻을 수 있는 가능성이 제시되었다.

상기 등통로각압축(ECAP)법은 동일한 단면적을 갖는 두 개의 채널을 가진 금형을 통해 소재를 프레싱(Pressing)하는 가공방법으로, 두 채널이 만나는 교차지점에서 채널 안쪽 각과 바깥쪽 곡률각을 이용해 소재에 매우 심한 전단변형을 가하는 간단한 가공방법이다.

또한, 등통로각압축(ECAP)법은 계속적인 반복 변형으로 가공량이 증가하더라도 소재의 단면적 감소를 수반하지 않으므로 재료 내에 높은 변형에너지를 축적시킬 수 있어 결정립 미세화의 구동력을 제공할 수 있다.

도 1 에는 종래 등통로각압축(ECAP)장치의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 대략 사각형상의 금형(20)에 상방과 측방으로 상방채널(22)과 측방채널(24)이 성형되어 서로 직교하도록 형성된다.

상기 금형(20)의 상방채널(22)과 측방채널(24)이 이루는 각은 안쪽 채널각(Φ)이 90°, 바깥쪽 원호의 곡률로 정의되는 곡률각(Ψ)은 45°가 되도록 공구강을 사용하여 일체로 제작된다.

상기와 같은 금형(20)의 상방채널(22)에 구리(Cu) 재질의 봉재(10)를 삽입하고 상기 봉재(10)의 상부에 봉재(30)를 하방으로 눌러주기 위한 플런저(Plunger,30)를 삽입한 다음, 프레스(도시되지 않음)로 상기 플런저(30)를 하방으로 압력을 가하게 된다.

이렇게 하면, 상기 봉재(30)가 하방으로 가압되는 프레스의 압력에 의해 상기 상방채널(22)을 통과하여 측방으로 꺾이면서 상기 측방채널(24)로 배출됨으로써 압축 가공된 구리(Cu) 봉재(30)를 얻게 된다.

그러나, 상기와 같은 등통로각압축(ECAP)법에는 다음과 같은 문제점이 있다.

현재 반도체, 통신용 소자 및 응용제품에 사용되도록 상기 등통로각압축(ECAP)법을 이용하여 제조되는 구리(Cu) 소재에는 높은 전기전도도와 강도가 요구된다.

따라서, 상기 등통로각압축(ECAP)법으로 구리(Cu)소재의 강도를 높이려면 첨가원소를 첨가해야 하는데, 이러한 첨가원소의 증가에 따라 필연적으로 구리(Cu)의 도전율이 감소하게 되며, 또한 구리(Cu)합금 고유의 고전도도를 유지하기 위해선 첨가원소의 비중을 낮추어야 하므로 강도가 떨어지는 문제점이 있다.

그리고, 상온에서 상기 등통로각압축(ECAP)법을 이용하여 구리(Cu)소재를 가공하게 되면 상기 구리(Cu)소재 내에 내부온도 상승으로 변형에너지의 축적에 한계가 있으며, 가공횟수가 증가함에 따라 구리(Cu)소재 표면에 크랙(Crack)이 발생하게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 구리(Cu) 소재를 극저온처리하여 동일한 단면적을 갖는 두 채널을 가진 금형에 가압하여 통과시키는 과정을 연속적으로 반복 실시하는 봉재압축전단변형공정을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 봉재압축전단변형공정은, 봉재를 극저온처리하는 제 1단계와, 상기 제 1단계를 거친 봉재를 두 개의 채널을 가진 금형에 삽입하는 제 2단계와, 상기 제 2단계를 거친 금형에 플런저(Plunger)를 삽입하고 가압하여 전단변형시키는 제 3단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 봉재는 구리(Cu)재질로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제 1단계는 액체질소 또는 드라이아이스를 이용하여 상기 봉재를 장입하거나 상기 봉재에 분사하여 실시함을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 1단계, 제 2단계 및 제 3단계는 연속적으로 다수회 반복됨을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 고전기전도성 및 고강도의 구리(Cu) 소재를 제조할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 봉재압축전단변형공정의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 2 에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정의 개략적인 공정개념도가 도시되어 있으며, 도 3 에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정에 사용되는 등통로각압축(ECAP)장비의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.

그리고, 도 4 의 (a)에는 본 발명에 따른 봉재압축전단변형공정 전(前) 무산소동의 조직사진이 도시되어 있으며, 도 4 의 (b) 에는 본 발명에 따른 봉재압축전단변형공정 전(前) 인탈산동의 조직사진이 도시되어 있고, 도 5 의 (a)에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 77K(-196℃)에서 저온처리하여 봉재압축전단변형공정을 4회 실시한 후의 조직사진이며, 도 5 의 (b)에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 77K(-196℃)에서 저온처리하여 봉재압축전단변형공정을 8회 실시한 후의 조직사진이 도시되어 있다.

또한, 도 6 에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 봉재압축전단변형공정의 횟수에 따른 인장특성을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 봉재압축전단변형공정은 봉재(100)를 -196℃로 극저온처리하는 제 1단계(200)와, 상기 제 1단계(200)를 거친 봉재(100)를 두 개의 채널을 가진 금형(320)에 삽입하는 제 2단계(300)와, 상기 제 2단계(300)를 거친 금형(320)에 플런저(Plunger,340)를 삽입하고 가압하여 전단변형시키는 제 3단계(400)를 포함하여 구성된다.

상기 제 1단계(200)는 구리(Cu) 재질로 이루어진 봉재(100)를 액체질소에서 극저온(예컨대, -196℃)처리하게 된다.

이러한 극저온처리는 대략 사각형상의 액체질소통(도시되지 않음)에 액체질소를 어느 정도 채우고 상기 봉재(100)를 담궈 실시하게 된다. 이때, 상기 액체질소통과 액체질소는 온도차가 상당히 심해 상기 액체질소의 온도(-196℃)와 액체질소통 내면의 온도(상온)가 서로 대등한 온도가 될 때까지 격렬한 반응이 일어나므 로, 상기 액체질소의 반응이 잠잠해질 때까지 기다렸다가 상기 봉재(100)를 집게(도시되지 않음)를 이용하여 상기 액체질소통에 장입하게 된다.

다수개의 상기 봉재(100)를 액체질소통에 장입하게 되면, 상기 봉재(100)와 액체질소 간에 상기 액체질소와 액체질소통과의 반응과 비슷하게 온도의 전이현상이 격렬하게 일어나므로 대략 약 5분정도를 기다렸다가 집게로 상기 봉재(100)를 들어 내게 되면 상기 액체질소의 온도(-196℃)로 극저온처리된 봉재(100)를 얻게 된다.

그리고, 이러한 극처온처리, 즉 제 1단계(200)는 상기 액체질소 외에 드라이아이스를 이용하여 실시할 수 있으며, 상기와 같은 사각형상의 통에 장입하거나 액을 분사하여 실시할 수 있을 것이다.
보다 상세하게는 상기 제 1단계(200)에서 드라이아이스를 이용하여 극저온처리를 실시하게 되면, 드라이아이스의 끓는점은 -78.5℃이므로 상기 봉재(100)는 드라이아이스와 동일한 온도 -78.5℃로 극저온처리된다.

그런 다음, 상기 제 1단계(200)를 거친 봉재(100)를 두 개의 채널을 가진 금형(320)에 삽입하는 제 2단계(300)를 실시하게 된다. 상기 제 2단계(300)는 대략 사각형상의 다이(Die)에 상방과 측방으로 상방채널(322)과 측방채널(324)이 성형되어 형성된 금형(320)을 사용하여 실시하게 된다.

상기 금형(320)은 상방으로 형성된 상방채널(322)과 측방으로 형성된 측방채널(324)이 서로 직교하도록 안쪽 채널각(Φ)이 90°, 바깥쪽 원호의 곡률로 정의되는 곡률각(Ψ)이 45°가 되도록 공구강을 사용하여 일체로 제작된다.

상기 제 2단계(300)를 실시하기 위해서 상기와 같이 제작된 금형(320)에 극저온처리된 상기 봉재(100)를 상방채널(322)로 삽입하게 되는데, 이러한 상기 금형(320)과 극저온처리된 상기 봉재(100)의 마찰을 줄이기 위해 윤활재를 상기 봉 재(100)의 표면에 도포하고 상기 상방채널(322)에 삽입하게 된다.

이어서, 상기 봉재(100)가 삽입된 상방채널(322)에 봉재(100)를 하방으로 눌러 주기 위한 플런저(Plunger,340)를 삽입한 다음, 프레스(도시되지 않음)로 상기 플런저(340)의 상단에 압력을 가하여 전단변형시키는 제 3단계(400)를 실시하게 된다.

상기 제 3단계(400)는 상기 금형(320)의 일측에 구비된 컨트롤박스(도시되지 않음)의 조작버튼(도시되지 않음)으로 상기 프레스를 작동시켜 상기 플런저(340)을 하방으로 가압함으로써, 플런저(340)의 하단과 접촉되어 상기 상방채널(322)에 삽입된 봉재(100)를 하방으로 눌러서 상기 측방채널(324)로 배출될 수 있게 한다.

이때 가공속도는 5㎜/s 정도이고, 상기 프레스의 하중은 15ton의 범위에서 행하게 된다.

이렇게 하면, 상기 봉재(100)가 하방으로 가압되는 프레스의 압력에 의해 상기 상방채널(322)을 통과하여 측방으로 꺾여 상기 측방채널(324)로 배출됨으로써 압축되어 소성가공된 구리(Cu) 봉재(100)를 얻게 되는 1패스(Pass)를 행하게 된다.

그리고, 상기 측방채널(324)로 배출된 봉재(100)를 다시 극저온처리하고 윤활재를 도포한 후 상기 상방채널(322)로 삽입하여 가압함으로써 2패스, 즉 상기 제 1단계(200), 제 2단계(300) 및 제 3단계(400)를 다시 실시하게 된다.

여기에서 중요한 것은 상기 봉재(100)를 상기 상방채널(322)로 2번째 삽입할 때에는 봉재(100)를 동일한 방향으로 90°회전시켜서 상기 금형(320)을 통과하도록 하고, 3번째는 180°, 4번째는 270°로 회전시켜 상기 상방채널(322)에 삽입하여야 한다. 이는 고경각(高傾角)경계를 갖는 등축(等軸) 결정립 구조를 얻는데 가장 효과적인 공정경로로 보고 되고 있기 때문이다.

이러한 1패스의 봉재압축전단변형공정, 즉 상기 제 1단계(200), 제 2단계(300) 및 제 3단계(400)는 상기 봉재(100)를 각 패스마다 90°로 동일한 방향으로 회전시켜서 실시해야 하므로 4패스, 8패스 또는 12패스로 실시하게 된다.

한편, 도 4의 (a)와 (b)에는 아래의 조성을 가지는 무산소동과 인탈산동의 봉재압축전단변형공정을 실시하기 전(前) 조직을 광학현미경(OM; Optical Microscope)으로 찍은 사진이 도시되어 있다.

＜ 무산소동 ＞

Cu	O	Pb	Bi	Fe	P	S
99.99	2ppm	1ppm	＜1ppm	1ppm	2ppm	7ppm

＜ 인탈산동 ＞

Cu	Sn	Pb	Bi	Fe	P	Mn
99.9	0.002	0.017	＜1ppm	1ppm	0.02	0.001

그리고, 도 5의 (a)에는 봉재압축전단변형공정을 4회(4 Pass) 실시하여 투과전자현미경(TEM)으로 찍은 조직사진이며, 도 5의 (b)에는 봉재압축전단변형공정을 8회(8 Pass) 실시하여 투과전자현미경(TEM)으로 찍은 조직사진이 도시되어 있다.

이들 조직사진과 상기한 도 4의 (a)와 (b)의 조직사진을 비교하여 보면, 봉재압축전단변형공정을 실시하기 전의 조직사진은 25㎛(25000nm)의 배율이며, 봉재압축전단변형공정 8패스 후의 조직사진에서는 400nm의 배율로써 결정립경이 250nm로, 상기 봉재압축전단변형공정 실시 전의 조직보다 100배 정도로 조직이 미세화되 어 고경각 등축정을 형성하게 됨으로써 결정립(結晶粒)이 미세화(微細化)되었음을 알 수 있다.

또한, 상기 도 5의 (a)와 (b)의 조직사진 좌측 하단에 나타난 원형의 선택영역회절패턴(SADP ; Selected Area Diffraction Pattern) 모습을 살펴보면, 직경 0.5㎛의 원형 면적에 입자가 아주 많이 분포되어 있는 원형패턴(Ring pattern)으로 나타나 있어 결정립(結晶粒)이 초미세화(超微細化) 되었음을 알 수 있다.

뿐만 아니라 도 6의 인장특성 실험그래프를 참고하여 살펴보면, 봉재압축전단변형공정 8패스 후 무산소동과 인탈산동 모두 인장강도가 400MPa 이상으로 증가하였으며, 연신율은 20% 이상 증가되었음을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술 범위 안에서 당업자의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 봉재압축전단변형공정에서는, 구리(Cu)재질의 봉재를 극저온처리하는 제 1단계와, 제 1단계를 거친 봉재를 동일한 단면적을 가지면서 직교된 두 개의 채널이 형성된 금형에 삽입하는 제 2단계와, 제 2단계를 거친 금형에 봉재를 눌러주기 위한 플런저를 삽입하고 가압하여 전단변형시키는 제 3단계를 포함하여 구성하였다.

따라서, 종래 극저온처리를 하지 않고 상온(Room Temperature)에서 등통로각압축(ECAP)공정을 거친 구리(Cu) 소재보다 본 발명의 봉재압축전단변형공정을 거친 구리(Cu) 소재가 소재 내부의 온도 상승을 최소화하여 변형축적량(變形蓄積量)을 증가시킬 수 있는 효과가 기대된다.

그리고, 극저온(-196℃)처리한 구리(Cu) 소재의 가공성이 우수하여 봉재압축전단변형공정의 가공횟수를 증가하여 실시하게 되어도 소재 표면에 크랙(Crack)이 발생하지 않게 되는 효과도 기대된다.

또한, 가공횟수를 증가하게 됨에 따라 소재 내의 결정립(結晶粒) 초미세화(超微細化)에 기여하게 됨으로써, 반도체, 통신용 소자 및 응용제품의 전자산업용으로 사용되는 구리(Cu) 소재의 고전기전도성(高電氣傳導性)과 함께 고강도화(高强度化)를 동시에 만족시킬 수 있는 효과가 기대된다.

Claims

봉재를 -196℃ 또는 -78.5℃로 극저온처리하는 제 1단계와,

상기 제 1단계를 거친 봉재를 두 개의 채널을 가진 금형에 삽입하는 제 2단계와,

상기 제 2단계를 거친 금형에 플런저(Plunger)를 삽입하고 가압하여 전단변형시키는 제 3단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 봉재압축전단변형공정.
제 1 항에 있어서, 상기 봉재는 구리(Cu)재질로 이루어짐을 특징으로 하는 봉재압축전단변형공정.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1단계는 액체질소 또는 드라이아이스를 이용하여 상기 봉재를 장입하거나 상기 봉재에 분사하여 실시함을 특징으로 하는 봉재압축전단변형공정.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1단계, 제 2단계 및 제 3단계는 연속적으로 다수회 반복됨을 특징으로 하는 봉재압축전단변형공정.