KR101066817B1 - 비대칭 압출방법, 이에 따라 제조된 압출재, 비대칭 압출용 다이스 및 비대칭 압출장치 - Google Patents

비대칭 압출방법, 이에 따라 제조된 압출재, 비대칭 압출용 다이스 및 비대칭 압출장치 Download PDF

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Abstract

비대칭 압출방법, 이를 이용하여 압출된 압출재, 비대칭 압출용 다이스 및 비대칭 압출장치가 제공된다. 비대칭 압출방법에 의하면, 피압출재의 압출 방향을 기준으로 비대칭적 형상의 압출 구멍을 갖는 다이스를 통해서 상기 피압출재를 밀어내어 상기 피압출재에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 압출하여 판재 형상의 압출재를 형성한다.

Description

비대칭 압출방법, 이에 따라 제조된 압출재, 비대칭 압출용 다이스 및 비대칭 압출장치{asymmetric extracting method, extracted materials fabricated by using the method, dice for asymmetric extraction and asymmetric extraction apparatus}
본 발명은 재료의 성형방법에 관한 것으로서, 특히 재료의 집합조직을 제어할 수 있는 압출장치 및 압출방법에 관한 것이다.
압출방법은 판재 가공을 위해서 일반적으로 행해진다. 압출과정에서 재료의 변형과 더불어 재료의 집합조직이 변화될 수 있다. 재료의 집합조직은 그 재료의 기계적 특성, 예컨대 성형성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 통상적으로, 금속 재료는 그 결정 구조에 따라서 고유의 슬립계를 갖고 있고, 이 금속 재료의 성형성은 이 슬립계의 작용 여부에 따라서 달라질 수 있다. 이러한 슬립계의 작용 여부는 그 금속 재료의 집합조직(texture)과 크게 관련된다.
하지만, 통상적인 대칭 압출방법에 의하면, 판재 가공 시 재료의 집합조직을 제어하여 그 성형성을 향상하기 어렵다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 집합조직을 제어할 수 있는 압출방법, 이러한 방법을 이용하여 그 집합조직이 제어된 판재를 제공한다. 또한, 본 발명은 집합조직을 제어할 수 있는 다이스 구조 및 이를 포함하는 압출장치를 제공한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 형태에 따른 피압출재를 판재 형상으로 압출하는 비대칭 압출방법이 제공된다. 이에 따르면, 상기 피압출재의 압출 방향을 기준으로 비대칭적 형상의 압출 구멍을 갖는 다이스를 통해서 상기 피압출재를 밀어내어 상기 피압출재에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 압출한다.
상기 압출방법의 일 측면에 따르면, 상기 다이스의 압출 구멍은 상기 피압출재의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 피압출재의 압출 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖도록 배치될 수 있다. 나아가, 상기 테이퍼 부분은 상기 판재 형상의 판면 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖도록 배치될 수 있다.
상기 압출방법의 다른 측면에 따르면, 상기 다이스는 상기 판재 형상의 두께 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 1 내면들을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 1 내면들은 상기 압출 방향을 따라서 서로 다른 기울기를 갖도록 배치될 수 있다.
상기 압출방법의 또 다른 측면에 따르면, 상기 압출 구멍의 단면은 직사각 형상이고, 상기 다이스는 상기 판재 형상의 폭 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 2 내면들을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 내면들은 상기 압출 방향을 따라서 대칭적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따른 비대칭 압출방법이 제공된다. 이에 따르면, 컨테이너 내에 피압출재를 장입한다. 스템을 이용하여 상기 컨테이너 내의 상기 피압출재를 압축한다. 상기 컨테이너 전단에 결합되고 비대칭적인 형상의 압출 구멍을 갖는 다이스를 통해서 상기 피압출재를 밀어내 상기 피압출재를 판재 형상으로 압출한다. 상기 다이스의 압출 구멍은 상기 피압출재의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 피압출재의 압출 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖도록 배치된다.
본 발명의 일 형태에 따른 판재 형상의 압출재는 전술한 비대칭 압출방법 중 어느 하나를 이용하여 피압출재로부터 압출되어 제조된다.
상기 판재의 일 측면에 따르면, 상기 압출재는 상기 피압출재와 다른 집합조직(texture)을 가질 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 비대칭 압출용 다이스가 제공된다. 상기 압출용 다이스는 피압출재를 판재 형상으로 압출하기 위한 비대칭적 형상의 압출 구멍을 포함한다. 상기 압출 구멍은 상기 피압출재의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 피압줄재의 압출 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖는다.
본 발명의 일 형태에 따른 비대칭 압출장치는 전술한 비대칭 압출용 다이스를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 다른 형태에 따른 비대칭 압출장치가 제공된다. 이에 따르면, 피압출재를 장입하기 위한 컨테이너가 제공된다. 다이스는 상기 컨테이너의 전단에 결합되고, 상기 피압출재를 판재 형상으로 압출하기 위한 직사각 형상의 압출 구멍을 포함한다. 스템은 상기 피압출재를 밀어내도록 상기 다이스 반대편 상기 컨테이너 내부에 배치된다. 상기 압출 구멍은 상기 피압출재의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 압출 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖는다.
본 발명의 실시예들에 따른 압출방법 및 압출장치를 이용하면, 피압출재의 집합조직을 제어하여 압출재의 성형성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 판재 형상의 압출재는 상온에서도 전단변형이 잘 일어날 수 있도록 배치된 슬립계(slip system)를 갖게 됨에 따라 종래에 얻지 못했던 우수한 상온 성형성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출장치를 보여주는 개략적인 단면도이고;
도 2는 도 1의 압출장치의 다이스를 보여주는 부분 절단된 사시도이고;
도 3은 도 2의 다이스의 평면도이고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이스를 보여주는 부분 절단된 사시도이고;
도 5는 도 4의 다이스의 단면도이고;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 +Z축 방향에서의 (0001) 극점도이고;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 -Z축 방향에서의 (0001) 극점도이고;
도 8은 비교예에 따른 AZ31 판재의 (0001) 극점도이고;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 진응력-진변형률 그래프이고;
도 10은 비교예에 따른 AZ31 판재의 진응력-진변형률 그래프이고;
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 인장축에 대한 각도에 따른 r-값을 보여주는 그래프이고;
도 12는 조밀충진육방정(hexagonal closed packed; HCP) 구조의 슬립계를 보여주는 개략도이고;.
도 13은 HCP 구조의 결정방위에 따른 슬립계의 배치를 도시한 개략도이고; 그리고
도 14는 HCP 구조의 (0001) 극점도 내에 도 13의 시편들의 극점을 도시한 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 집합조직(texture)은 다결정 재료의 결정립들(crystalline grains)이 일정한 방향으로 정렬된 상태를 나타낼 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 집합조직은 텍스처 또는 텍스쳐로 불릴 수도 있고, 그 명칭에 의해서 그 범위가 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들에서, 재료가 갖는 집합조직은 절대적인 개념보다는 상대적인 개념으로 사용된다. 즉, 어떤 재료가 소정 방향의 집합조직을 갖는다는 것은 그 재료의 상당부분의 결정립들이 그 방향의 집합조직을 갖는다는 것을 의미할 뿐, 그 재료의 모든 결정립들이 그 방향의 집합조직을 갖는다는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명의 실시예들에서, 극점도(pole figure)는 재료의 결정방위 또는 집합조직의 분석에 있어서 결정학적 격자 면들의 분포 방향을 보여주는 평사투영(stereographic projection) 형태의 그림을 나타낸다. 극점도는 X-선 회절(X-ray diffraction; XRD) 분석을 이용하여 도시할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 피압출재는 압출이 수행되는 대상을 의미하고, 압출재는 피압출재로부터 압출이 완료되어 목적하는 형상으로 변경된 대상을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출장치를 보여주는 개략적인 단면도이다. 도 2는 도 1의 압출장치의 다이스를 보여주는 부분 절단된 사시도이다. 도 3은 도 2의 다이스의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 피압출재(50)를 장입하기 위한 컨테이너(110)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 피압출재(50)는 빌릿(billet) 형태로 컨테이너(110) 내의 내부 구멍(115) 내에 장입될 수 있다. 다른 예로, 피압출재(50)는 분말 형태 또는 압분체 형태로 컨테이너(110) 내의 내부 구멍(115) 내에 장입될 수도 있다. 컨테이너(110)는 피압출재(50)를 수용할 수 있도록 다양한 형상의 내부 구멍(115) 및 외형을 가질 수 있다. 따라서 피압출재(50) 및 컨테이너(110)의 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
스템(stem, 120)은 피압출재(50)를 컨테이너(110) 내로 밀어 넣어 압축시킬 수 있도록 컨테이너(110) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 피압출재(50)의 효과적인 압축을 위해서, 스템(120)의 외형은 컨테이너(110)의 내부 구멍(115)의 형상에 맞추어질 수 있다. 다른 예로, 스템(120)의 외형은 내부 구멍(115)의 형상과 일치하지 않을 수 있고, 이 경우 피압출재(50)의 일부분이 컨테이너(110) 내에서 압축되지 않고 잔류할 수 있다. 스템(120)은 램(ram) 또는 압축기와 같이 불릴 수도 있고, 그 용어 및 형상에 의해서 이 실시예의 범위가 제한되지 않는다.
다이스(130)는 스템(120) 반대편의 컨테이너(110)의 전단에 결합될 수 있다. 예를 들어, 스템(120), 컨테이너(110) 및 다이스(130)는 일렬로, 예컨대 도 1의 X축 방향으로 배열되어 결합될 수 있다. 이러한 X축 방향이 피압출재(50)의 압출 방향이 될 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 스템(120), 컨테이너(110) 및 다이스(130)가 일렬로 배열되지 않을 수도 있고, 이 경우 압출 방향은 주로 다이스(130)를 기준으로 결정될 수 있다.
다이스(130)는 피압출재(50)의 압출 형상을 한정하는 압출 구멍(135)을 가질 수 있다. 피압출재(50)는 다이스(130) 내의 압출 구멍(135)을 통과하면서 판재 형상의 압출재(60)로 변환될 수 있다. 예컨대, 도 1에서 XY 평면은 압출재(60)의 판면 방향이 되고, Z축 방향은 압출재(60)의 두께 방향이 되고, X축 방향은 압출재(60)의 길이 방향이 되고, Y축 방향은 압출재(60)의 폭 방향이 될 수 있다.
압출 구멍(135)은 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분(134)과 그 폭이 일정한 고정 부분(132)을 포함할 수 있다. 스템(120)에 의해서 압축된 피압출재(50)는 테이퍼 부분(134)을 통과하면서 그 폭과 형상이 실질적으로 가변되고 이어서 고정 부분(132)을 통과하면서 압출재(60)의 형상으로 압출될 수 있다. 압출 구멍(135)의 테이퍼 부분(134)은 후술하는 바와 같이 압출재(60)의 집합조직을 제어하기 위해서 압출 방향(X축 방향)을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.
도 2 및 도 3을 더 참조하면, 판재 형상의 압출을 위해서, 압출 구멍(135)은 YZ 평면을 기준으로 직사각 단면 형상을 가질 수 있다. 다이스(130)는 압출 구멍(135)을 한정하는 한 쌍의 제 1 내면들(142, 144) 및 한 쌍의 제 2 내면들(146, 148)을 포함할 수 있다. 제 1 내면들(142, 144)은 피압출재(50) 또는 압출재(60)의 두께 방향(Z축 방향)을 따라서 이격 배치되고, 제 2 내면들(146, 148)은 피압출재(50) 또는 압출재(60)의 폭 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.
제 1 내면들(142, 144)은 압출재(60)의 판면을 한정할 수 있다. 제 1 내면들(142, 144)은 압출재(60) 내에 전단변형을 효과적으로 유도하기 위해서 압출재(60)의 판면 방향(XY 평면)을 기준으로 비대칭적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 내면들(142, 144)은 서로 다른 기울기로 신장될 수 있다. 예를 들어, 제 1 내면(142)은 압출 방향(X축 방향)에 대해서 소정의 기울기를 갖고, 제 1 내면(144)은 압출 방향(X축 방향)과 평행할 수 있다.
이에 따르면, 피압출재(50)는 제 1 내면들(142, 144) 사이에서 그 변형각도가 달라져 큰 전단변형을 받을 수 있다. 이 실시예에서, 제 1 내면(144)이 압출 방향과 평행하기 때문에 제 1 내면들(142, 144) 사이에서 전단변형은 다소 직선적일 수 있고, 따라서 그 제어가 용이할 수 있다. 이러한 전단변형은 압출재(60)의 판면 방향의 집합조직 변형에 큰 영향을 줄 수 있다. 이러한 집합조직의 변화는 후술하는 바와 같이 압출재(60)의 성형성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
제 2 내면들(146, 148)은 압출재(60)의 측면을 한정할 수 있다. 압출재(60)가 판재 형상을 갖는 경우, 제 2 내면들(146, 148)은 압출재(60)의 집합조직에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 이에 따라, 제 2 내면들(146, 148)은 대칭적으로 배치될 수 있고, 예컨대 압출재(60)의 두께 방향(Z축 방향)에 평행할 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 제 2 내면들(146, 148)은 비대칭적으로 배치될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법을 설명한다. 이 실시예에 따른 비대칭 압출방법은 예시적으로 도 1 내지 도 3의 압출장치를 참조하여 설명할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 컨테이너(110) 내에 피압출재(50)를 장입할 수 있다. 이어서, 스템(120)을 이용하여 컨테이너(110) 내의 피압출재(50)를 압축할 수 있다. 이어서, 다이스(130)를 통해서 피압출재(50)를 밀어내어 판재 형상의 압출재(60)를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다이스(130)가 압출 방향에 대해서 비대칭적인 형상의 압출 구멍(135)을 갖기 때문에, 피압출재(50)에 전단변형을 유도하면서 피압출재(50)를 압출할 수 있다. 이러한 비대칭 압출방법은 위 도 1 내지 도 3의 압출장치에 대한 설명을 참조하여 더욱 상세하게 이해될 수 있다.
위와 같이, 피압출재(50)에 전단변형을 유도함으로써 압출재(60)의 집합조직이 제어될 수 있다. 이에 따라, 압출재(60)의 집합조직은 피압출재(50)의 집합조직과 달라질 수 있다. 따라서 통상적인 압출조건에서 성형성이 나쁜 피압출재(50)의 경우, 그 집합조직을 변형하여 압출함으로써 압출재(60)의 성형성이 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 따르면, 피압출재(50)의 장입 단계 및 피압출재(50)의 압축 단계는 다양하게 변형되거나 또는 생략될 수 있다. 예를 들어, 피압출재(50)가 다이스(130) 내로 바로 장입되어 다이스 (130) 내에서 압축될 수 있다. 다른 예로, 피압출재(50)의 장입 단계, 압축 단계 및 압출 단계가 서로 구분되지 않고 일련의 압출 단계로 지칭될 수도 있다.
전술한 실시예들에 따른 비대칭 압출방법은 도 1 내지 도 3의 압출장치를 참조하여 설명되었지만, 그 범위가 이러한 장치 구조에 제한되지 않는다.
한편, 전술한 비대칭 압출방법들에 따라 제조된 압출재(60)는 이후 그 두께를 더 얇게 하기 위해서 위 비대칭 압출절차를 반복적으로 거치거나 또는 압연 절차를 더 거칠 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이스(130a)를 보여주는 부분 절단된 사시도이다. 도 5는 도 4의 다이스(130a)의 단면도이다. 이 실시예에 따른 다이스(130a)는 도 1 내지 도 3의 다이스(130)에서 일부 구성을 변형한 것에 해당하고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 압출 구멍(135a)은 도 1 내지 도 3의 압출 구멍(135)으로부터 변형된 형상을 갖는다. 압출 구멍(135a)은 여전히 압출 방향(X축 방향)에 대해서 비대칭적인 형상을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 테이퍼 부분(134a)을 한정하는 제 1 내면들(142, 144a)은 압출 방향(X축 방향)을 기준으로 서로 다른 각도의 기울기를 가질 수 있다. 제 1 내면(144a)은 압출 방향과 평행하지 않고, 제 1 내면(142)과 다른 각도의 기울기로 신장될 수 있다. 제 1 내면들(142, 144a)의 기울기는 예시적으로 도시되었고, 제 1 내면들(142, 144a)이 서로 다른 기울기를 갖는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
이에 따르면, 압출 구멍(135a)의 테이퍼 부분(134a)은 여전히 압출 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다. 특히, 압출 구멍(135a)의 테이퍼 부분(134a)은 압출재(도 1의 60)의 판면 방향(XY 평면)을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.
이에 따라, 피압출재(도 1의 50)는 제 1 내면들(142, 144a) 사이에서 그 변형각도가 달라져 전단변형을 여전히 받을 수 있다. 다만, 제 1 내면들(142, 144a)이 모두 압출 방향에 대해서 기울어져 있다는 점에서, 그 전단변형이 다소 복잡해질 수 있다. 이러한 전단변형은 압출재(도 1의 60)의 집합조직 변형에 영향을 줄 수 있다.
도 4 및 도 5의 다이스(130a)를 이용한 압출방법은 전술한 설명으로부터 이해될 수 있고, 나아가 도 2 및 도 3의 다이스(130)를 이용한 압출방법에 대한 설명을 더 참조하여 이해될 수 있다.
전술한 비대칭 압출장치 및 비대칭 압출방법이 적용되는 피압출재(도 1의 50)는 다양한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 피압출재(50)는 집합조직을 갖는 다양한 금속 또는 그 금속 합금을 포함할 수 있다. 이러한 금속 또는 금속 합금은 다양한 결정 구조를 가질 수 있으며, 예컨대 조밀충진육방정(hexagonal closed-packed; HCP), 면심입방정(face centered cubic; FCC), 체심입방정(body centered cubic;BCC) 구조 등을 가질 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 피압출재(50)는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 등과 같은 금속 또는 그 합금을 포함할 수 있다. 철 합금의 경우 주철, 탄소강, 고속도강, 전기강판(Fe-Si 합금) 등을 포함할 수 있다. 전술한 피압출재(50)의 금속 원소 또는 금속 구조는 예시적으로 제시되었고, 이 실시예의 범위는 이에 제한되지 않는다.
이하에서는 설명의 편의를 위해서 피압출재(도 1의 50)로써 조밀충진육방정(HCP) 구조를 갖는 금속 또는 금속 합금을 예로 들어 비대칭 압출장치 및 압출방법으로 압출된 판재의 특성에 대해서 구체적으로 설명한다. 예를 들어, HCP구조를 갖는 금속으로는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 등을 들 수 있다.
도 12는 조밀충진육방정(hexagonal closed packed; HCP) 구조의 슬립계를 보여주는 개략도이다. 도 13은 HCP 구조의 결정방위에 따른 슬립계의 배치를 도시한 개략도이다. 도 14는 HCP 구조의 (0001) 극점도 내에 도 5의 A, B, C, D 결정의 극점을 도시한 개략도이다.
도 12를 참조하면, HCP 구조를 갖는 금속의 가공 시 주로 {0001}<1120>의 기저면 슬립계(basal plane slip system)와 {1010}<1120> 프리즘 슬립계(prismatic slip system), {1011}<1120> 피라미드 슬립계(piramidal slip system) 등의 제한적인 슬립계와 쌍정계(twin system)가 작용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 HCP 구조를 갖는 금속은 그 제한적인 슬립계로 인해서 상온에서 성형성이 좋지 않다.
이러한 HCP 구조를 갖는 금속의 경우, 상온에서 기저면 슬립계 이외의 변형기구에 대한 임계분해전단응력(critical resolved shear stress)값은 기저면 슬립계의 임계분해전단응력에 비해 매우 크다. 따라서 기저면 슬립계를 중심으로 슬립계의 배치가 HCP 구조의 상온 성형성에 중요한 영향을 끼치게 된다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 제 1 시편(A)과 같이 기저면 슬립계가 압출재의 판면과 평행하게 배치되는 경우(ND 방향에 수직한 경우) 또는 제 2 및 제 3 시편들(B, C)과 같이 기저면 슬립계가 판면 방향(RD 방향)에 수직하거나 횡축방향(TD 방향)에 수직하게 배치되는 경우에는 상온에서의 성형성이 열악하게 된다. 이는 압출재의 성형 시 주변형 방향(예컨대, ND, RD 및 TD 방향)과 기저면 슬립계가 서로 수직하거나 수평을 이루게 되어 외부응력에 대해 기저면 슬립계의 작동이 어려워지기 때문이다.
반면, 제 4 시편(D)과 같이 기저면 슬립계가 슬립면 및 슬립방향 면에서 주변형 방향과 일정각도를 유지하도록 배치되는 경우에는, 재료의 변형이 용이해져 상온 성형성이 우수하다.
이러한 재료 내에서의 기저면 슬립계의 배열방향과 분포는 HCP 구조의 (0001) 극점도(pole figure)를 통해 확인할 수 있다. 이하에서는 HCP 구조를 갖는 AZ31 판재를 예로 들어 보다 구체적으로 설명한다. AZ31 판재는 마그네슘에 알루미늄과 아연이 함유된 마그네슘 합금의 일 예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 +Z축 방향에서의 (0001) 극점도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 -Z축 방향에서의 (0001) 극점도이다. 도 8은 비교예에 따른 AZ31 판재의 (0001) 극점도이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서 비대칭 압출된 AZ31 판재는 (0001) 극점도 상에서 기저면, 즉 (0001) 면의 결정방향이 중심에서 확연히 벗어나 있음을 알 수 있다. 비대칭 압출된 AZ31 판재의 (0001) 극점도 상의 배치는 도 13 및 도 14의 제 4 시편(D)과 유사하다. 따라서 비대칭 압출된 AZ31 판재는 그 기저면 슬립계가 주변형 방향과 일정각도를 유지하도록 배치되어 우수한 성형성을 나타낸다.
반면, 도 8에 도시된 바와 같이, 대칭 압연 또는 대칭 압출된 비교예에 따른 AZ31 판재는 (0001) 극점도 상에서 기저면의 결정방향이 중심에 배치되어 있음을 알 수 있다. 이러한 배치는 도 13 및 도 14의 제 1 시편(A)과 유사하고, 따라서 비교예에 따른 AZ31 판재는 우수한 성형성을 기대하기 어렵다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 진응력-진변형률 그래프이다. 도 10은 비교예에 따른 AZ31 판재의 진응력-진변형률 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라서 비대칭 압출된 AZ31 판재의 경우 35% 이상의 높은 연신율을 보임을 알 수 있다. 반면, 도 10에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 AZ31 판재의 경우 15~20%의 낮은 연신율을 보임을 알 수 있다. 따라서 비대칭 압출방법을 이용하여 AZ31 판재의 연신율을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이러한 연신율을 향상은 AZ31 판재의 성형성 향상으로 이어질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 압출방법에 의해 압출된 AZ31 판재의 인장축에 대한 각도에 따른 r-값을 보여주는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 비대칭 압출된 AZ31 판재는 인장각도에 따른 이방성이 크지 않으며 철강 수준의 높은 r-값을 갖는 것을 알 수 있다.
전술한 바에 따르면, 본 발명의 실시예들에 따라 비대칭 압출된 AZ31 판재는 비교예에 따른 AZ31 판재와 현저히 다른 집합조직을 갖게 되고, 이에 따라서 높은 연신율 및 우수한 성형성을 나타냄을 알 수 있다.
전술한 HCP 구조를 갖는 금속 또는 금속 합금에 대한 설명은 다른 구조, 예컨대 BCC 구조, FCC 구조 등을 갖는 금속 또는 금속 합금에 대해서도 유사한 원리로 적용될 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
50: 피압출재 60: 압출재
110: 컨테이너 120: 스템
130: 다이스 132: 고정 부분
134: 테이퍼 부분 135: 압출 구멍
142, 144: 제 1 내면 146, 148: 제 2 내면

Claims (20)

  1. 피압출재를 판재 형상으로 압출하는 방법에 있어서,
    상기 피압출재의 판면 방향을 기준으로 비대칭적 형상의 압출 구멍을 갖는 다이스를 통해서 상기 피압출재를 밀어내어 상기 피압출재의 두께 방향으로 내부에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 일축의 압출 방향으로 압출하는 단계를 포함하고,
    상기 다이스의 압출 구멍은 상기 일축의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 판재 형상의 판면 방향을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖도록 배치되고,
    상기 다이스는 상기 판재 형상의 두께 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 판재 형상의 폭 방향을 따라서 이격 배치된 한 쌍의 제 2 내면들을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 내면들은 상기 일축의 압출 방향과 평행하게 배치된,
    비대칭 압출방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 내면들은 상기 압출 방향을 따라서 서로 다른 기울기를 갖도록 배치된, 비대칭 압출방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 내면들 중 하나는 상기 압출 방향과 평행하게 배치된, 비대칭 압출방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 압출 구멍의 단면은 직사각 형상이고, 상기 직사각 형상은 상기 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 한 쌍의 제 2 내면들에 의해서 한정되는, 비대칭 압출방법.
  7. 삭제
  8. 컨테이너 내에 피압출재를 장입하는 단계;
    스템을 이용하여 상기 컨테이너 내의 상기 피압출재를 압축하는 단계; 및
    상기 컨테이너 전단에 결합되고 상기 피압출재를 판재 형상으로 압출하도록 상기 판재 형상의 판면을 기준으로 비대칭적인 형상의 압출 구멍을 갖는 다이스를 통해서 상기 피압출재를 밀어내 상기 피압출재의 두께 방향으로 내부에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 일축의 압출 방향으로 압출하는 단계를 포함하고,
    상기 다이스의 압출 구멍은 상기 일축의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 판재 형상의 판면을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖도록 배치되고,
    상기 다이스는 상기 판재 형상의 두께 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 판재 형상의 폭 방향을 따라서 이격 배치된 한 쌍의 제 2 내면들을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 내면들은 상기 일축의 압출 방향과 평행하게 배치된,
    비대칭 압출방법.
  9. 제 1 항, 제 4항, 제 5항, 제 6항 및 제 8 항 중 어느 한 항의 비대칭 압출방법을 이용해서 피압출재로부터 압출되어 판재 형상으로 제조되고, 상기 판재 형상의 판면 방향을 기준으로 상기 피압출재와 다른 집합조직을 갖는, 판재 형상의 압출재.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 피압출재는 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 압출재.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 금속 또는 금속 합금은 조밀충진육방정(HCP), 면심입방정(FCC) 또는 체심입방정(BCC) 구조를 갖는, 압출재.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 피압출재는 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 철(Fe) 로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 합금을 포함하는, 압출재.
  14. 피압출재의 두께 방향으로 내부에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 판재 형상으로 일축의 압출 방향을 따라서 압출하기 위해 상기 판재 형상의 판면을 기준으로 비대칭적 형상을 갖고, 상기 일축의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하는 압출 구멍; 및
    상기 압출 구멍을 한정하도록, 상기 판재 형상의 두께 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 판재 형상의 폭 방향을 따라서 이격 배치된 한 쌍의 제 2 내면들을 포함하고,
    상기 테이퍼 부분은 상기 판재 형상의 판면을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖고,
    상기 한 쌍의 제 2 내면들은 상기 일축의 압출 방향과 평행하게 배치된,
    비대칭 압출용 다이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 내면들은 상기 압출 방향을 따라서 서로 다른 기울기로 신장하는, 비대칭 압출용 다이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 내면들 중 하나는 상기 압출 방향과 평행하게 신장하는, 비대칭 압출용 다이스.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 압출 구멍의 단면은 직사각 형상이고,
    상기 직사각 형상은 상기 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 한 쌍의 제 2 내면들에 의해서 한정되는, 비대칭 압출용 다이스.
  18. 삭제
  19. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 비대칭 압출용 다이스를 포함하는 비대칭 압출장치.
  20. 피압출재를 장입하기 위한 컨테이너;
    상기 컨테이너의 전단에 결합되고, 상기 피압출재의 두께 방향으로 내부에 전단변형을 유도하면서 상기 피압출재를 판재 형상으로 일축의 압출 방향을 따라서 압출하기 위한 직사각 형상의 압출 구멍을 포함하는 다이스; 및
    상기 피압출재를 밀어내도록 상기 다이스 반대편 상기 컨테이너 내부에 배치된 스템을 포함하고,
    상기 압출 구멍은 상기 일축의 압출 방향을 따라서 그 폭이 가변되는 테이퍼 부분을 포함하고, 상기 테이퍼 부분은 상기 판재 형상의 판면을 기준으로 비대칭적인 형상을 갖고,
    상기 다이스는 상기 판재 형상의 두께 방향을 따라서 상기 테이퍼 부분에 이격 배치된 한 쌍의 제 1 내면들 및 상기 판재 형상의 폭 방향을 따라서 이격 배치된 한 쌍의 제 2 내면들을 포함하고, 상기 한 쌍의 제 2 내면들은 상기 일축의 압출 방향과 평행하게 배치된,
    비대칭 압출장치.
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