KR101181612B1

KR101181612B1 - 금속 소재의 결정립 미세화 방법

Info

Publication number: KR101181612B1
Application number: KR1020110124759A
Authority: KR
Inventors: 김경진
Original assignee: 경일대학교산학협력단
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-09-10

Abstract

본 발명은 금속 소재의 결정립 미세화 방법에 관한 것으로서, 성형다이의 진입채널로 소재를 공급하는 소재 공급단계와, 진입채널에 공급된 소재를 가압하여 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계와, 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 단면적이 1/n로 줄어들면서 소재의 단면적을 변화시키는 동시에 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계와, 소재를 계속 가압하여 추가 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 추가 미세화 단계와, 결정립 미세화단계와 압출단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계를 포함한다.
이러한 방법에 의하면, 1회 가공시의 소성변형량을 증대시키고 반복 가공 횟수를 최소화하며 성형 공정을 최적화하는 한편 전체 내부조직에 균일한 변형을 주어 기계적 성질을 양호하게 한다.

Description

금속 소재의 결정립 미세화 방법{Grain refinement method of metal material}

본 발명은 금속 소재의 결정립 미세화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소재에 대량의 전단변형을 가하면서 단면이 감소하는 압출 공정을 이용한 강소성 가공에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법에 관한 것이다.

최근 자동차, 항공기 등의 경량화, 환경 문제, 기계 부품류의 모듈화 등의 다양한 요구를 만족시킬 수 있는 금속 재료는 고강도 고성형성, 합금 성분의 단순화의 조건을 동시에 가져야 하며, 이와 같은 소재 개발의 핵심 기술이 향후 과학 기술 및 산업 경쟁력 확보에 필수적이다.

금속 재료의 기계적 물리적 성질 및 기능성을 극대화시키면서 환경친화적인 특성을 갖도록 하는 가장 효과적인 방법은 재료의 결정립을 서브마이크론(submicron) 또는 나노(nano) 단위로 미세화시키는 것으로, 결정립 미세화는 금속 재료의 강도를 증가시키며, 인성(toughness)과 연성(ductility)을 동시에 향상시킬 수 있는 유일한 방법으로 알려져 있다.

강소성 가공(Severe Plastic Deformation, SPD)에 의한 결정립 미세화 기술은 대량의 소성 변형을 금속 소재의 내부에 축적시키는 기술로서, 가공 열처리에 의한 결정립 미세화에 비해 더 미세한 초미세 결정립을 제조할 수 있으며, 거의 모든 금속 재료에 적용 가능한 저에너지 환경친화형 소재 제조 기술이다.

강소성 가공을 이용한 결정립 미세화 기술을 알루미늄, 마그네슘 등에 적용하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이며, 강소성 가공법은 HPT(High Pressure Torsion)가 처음 제안된 이후, ECAE(Equal Channel Angular Extrusion), ECAR(Equal Channel Angular Rolling), CEC(Cyclic Extrusion Compression), ARB(Accumulative Roll Bonding), SR(Shear Rolling), RCS(Repetitive Corrugation and Straightening)등의 방법이 제안되었다.

상기 ECAE(Equal Channel Angular Extrusion)는 도1에 도시한 바와 같이, 동일한 단면적을 갖는 두 개의 채널(12, 14)을 가진 다이를 통해 소재를 압출하여 두 채널이 만나는 교차점에서 안쪽의 채널 교차각(Φ)과 바깥쪽 만곡각(Ψ)을 이용해 소재에 강한 전단변형을 가하는 방법으로, 가공회수, 채널 교차각과 만곡각에 따라 가해지는 전단변형량 제어 가능하다. ECAE 방법으로 가공된 금속 소재는 결정립 크기가 나노미터 수준으로 매우 미세하므로 강도가 높을 뿐만 아니라 초소성과 같은 부가적인 성질을 얻을 수 있어, 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄 합금 및 철강 재료에 이르기까지 많은 소재에 대해 연구가 활발히 진행 중이다. 종래 ECAE 강소성 가공기술로, 미국등록특허 US 5513512, US 5904062, US 5826456, 일본등록특허 JP2000-225412 등이 개시되어 있다.

그런데, 1990년대부터 강소성 가공을 이용한 금속 소재의 결정립 미세화에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있으나, 재료에 가해지는 소성 변형에 의해 발생하는 소재의 미세구조, 집합조직, 기계적 성질의 변화의 특성 등 연구실 수준에서의 작은 크기의 빌렛을 이용한 연구가 주를 이루고 있고, 실용적인 측면에서의 적용 또는 상용화에 대한 연구는 극히 제한적이다. 그리고 ECAE 강소성 가공법은 금속 소재가 금형 내의 채널이 교차된 지역을 통과할 때 강한 전단변형을 받으므로 소재의 두께방향을 따라 불균일한 미세조직이 발생하는 문제를 야기하게 된다.

강소성 가공을 이용한 금속 소재의 결정립 미세화의 실용화를 위해서는 생산성 향상, 생산 비용의 저렴화, 제조된 미세 결정립 소재를 이용한 성형공정의 편의성 등을 고려하여야 하는데, 이를 위해서는 1회 가공시의 소성변형량을 증대시키고, 반복 가공 횟수를 최소화하며, 성형 공정을 최적화하여야 한다.

한편, 종래의 단조, 압연, 압출 등의 일반적인 소성 가공법은 여러 재료의 물리적 기계적 물성치를 향상시키면서 구조적으로도 변경을 가하기 위하여 사용되어 왔다. 특히 압출 가공은 주조 인고트에 적용되어 연신율과 강도를 높이고 결함을 제거하는 일반적인 방법으로 사용되어 왔다.

이러한 종래 일반적인 압출 가공법으로 원하는 재료의 최초 단면적을 수배 내지 수십배로 감소시키게 되는데, 예를 들어 알루미늄 합금의 상급의 품질을 보장하기 위해서는 초기의 인고트와 최종 제품과의 단면 감축비가 50대 1 이상이 되어야 한다. 또한, 종래 일반적인 소성 가공법은 종종 가공물의 심각한 조직적 불균일성 문제를 야기하기도 하여 가공물에서 불균일 가공에 의한 많은 스크랩(scrap)을 발생시킨다.

본 발명은 상기한 바와 같은 강소성 가공을 이용한 결정립 미세화의 실용화문제를 해결하는 한편 강소성 가공과 일반 소성 가공에서 발생하는 미세조직의 불균일 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 1회 가공시의 소성변형량을 증대시키고 반복 가공 횟수를 최소화하며 성형 공정을 최적화하는 한편 전체 내부조직에 균일한 변형을 주어 기계적 성질을 양호하게 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법은, 성형다이의 진입채널로 소재를 공급하는 소재 공급단계와, 진입채널에 공급된 소재를 가압하여 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계와, 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 단면적이 1/n로 줄어들게 하여 소재의 단면적을 변화시키는 동시에 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계와, 결정립 미세화단계와 압출단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계를 포함한다. 상기 1/n에서 n은 정수다.

압출단계 후에는 소재 배출단계 전에 소재를 계속 가압하여 추가 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 추가 미세화 단계를 포함할 수 있다.

소재 공급단계에서 진입채널로 공급되는 소재를 사각단면형으로 하고, 압출단계를 통해 소재의 폭을 줄이거나 소재의 두께를 줄인다.

소재 배출단계에서 배출된 n개의 변형 소재를 겹쳐 진입채널의 단면적에 맞추어 재공급하여 소재 공급단계에서 소재 배출단계를 통해 소재를 다수회 압출하여 변형 소재를 제조할 수도 있다.

변형 소재를 진입채널에 재공급할 때에는 방향을 바꾸어 변형 소재를 겹쳐 공급할 수 있다.

마지막 회의 압출로 최종 제품을 배출시킬 때에는 배출채널의 단면이 상이한 성형다이를 사용하여, 최종 제품이 되는 변형 소재의 단면은 진입채널의 단면과 상이한 단면으로 배출되게 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법은, 성형다이의 진입채널로 n개의 소재를 겹쳐 진입채널의 단면적에 맞추어 공급하는 소재 공급단계와, 진입채널에 공급된 n개의 소재를 가압하여 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계와, n개의 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 소재 1개의 단면적으로 줄어들게 하여 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계와, 결정립 미세화단계와 압출단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계를 포함할 수도 있다.

본 발명에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법에 의하면, 두 채널이 일정한 교차각으로 교차하면서 단면적이 압출각에 의해 변화되도록 연결된 채널 사이로 소재를 통과시켜, 전단 변형과 압축 인장 변형에 의해 결정립이 미세화함과 동시에 단면적이 변화하면서 소재의 강도 및 연성 등의 기계적 성질이 크게 향상되게 하는 효과가 있으며, 강소성 가공과 일반 소성 가공에서 발생하는 미세조직의 불균일 문제를 해결하는 효과가 있고, 강소성 가공후 별도의 추가공정이 없이 원하는 형상의 단면을 가지는 소재를 제작할 수 있으며, 소재를 진입채널에 재공급하여 결정립을 더욱 미세화시킬 수 있으므로, 1회 가공시의 소성변형량을 증대시키고 반복 가공 횟수를 최소화하며 성형 공정을 최적화하는 한편 전체 내부조직에 균일한 변형을 주어 기계적 성질을 양호하게 한다.

이와 같은 본 발명에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법은, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등의 주물재의 소성 가공성 향상, 구조용 재료의 조직 미세화, 취성 재료의 연성화 및 분말 합금의 압밀(compaction) 등에 유용하게 적용할 수 있으므로 최종 제품의 재료적 특성의 향상에 특히 유용하다.

도 1은 종래 ECAE 강소성 가공법의 공정 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 도 2의 공정도에 따라 금속 소재의 결정립을 미세화하는 장치와 함께 가공 상태를 나타낸 사시도, 입면도 및 측면도이다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 도 3의 (a)에서 금속 소재가 변형되는 부분을 상세히 나타내어 설명하기 위한 사시도, 측면도 및 단면도이다.
도 5는 배출채널로 배출되는 변형 소재 2개를 진입채널로 공급하여 가공하는 상태를 나타내는 사시도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법으로 소재의 폭을 줄이는 상태 및 소재의 두께를 줄이는 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6의 (a) 및 (b)에 따라 가공되는 상태의 소재를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 6의 (a)에 따라 소재를 가공하는 상태를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 도 6의 (b)에 따라 소재를 가공하는 상태를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 도 6의 (a)에 따라 소재를 1회차 내지 3회차로 가공하는 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
도 11는 도 6의 (b)에 따라 소재를 1회차 내지 3회차로 가공하는 상태를 설명하기 위한 설명도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법을 나타내는 공정도이고, 도 3의 (a) 내지 (c)는 도 2의 공정도에 따라 금속 소재의 결정립을 미세화하는 장치와 함께 가공 상태를 나타낸 사시도, 입면도 및 측면도이다. 도 3의 실시예에서는 소재의 폭을 1/2로 줄이고, 진입채널과 배출채널이 평행하며, 1개의 압출각과 2개의 교차각을 가지는 성형 다이를 통해 소재를 가공하는 상태를 예로 들어 설명한다. 소재의 폭 또는 두께를 1/n로 줄이거나, 진입채널과 배출채널이 서로 경사지며, 2개 이상의 압출각과 1개 또는 3개 이상의 교차각으로 이루어진 성형 다이를 통해 소재를 가공할 수도 있다. 상기 1/n에서 n은 정수다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법은, 성형다이(100)의 진입채널(110)로 소재(M11)를 공급하는 소재 공급단계(S10)와, 진입채널(110)에 공급된 소재(M11)를 가압하여 진입채널(110)과 교차각(φ1a)으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계(S20)와, 소재(M11)를 계속 가압하여 압출각(θ1)으로 변형되며 압출채널(120)을 통해 단면적이 1/2로 줄어들게 하여 소재의 단면적을 변화시키는 동시에 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계(S30)와, 소재를 계속 가압하여 추가 교차각(φ1b)으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 추가 미세화 단계(S40)와, 결정립 미세화단계(S20)와 압출단계(S30)와 결정립 추가 미세화 단계(S40)를 거치면서 변형된 변형 소재(M12)를 배출채널(130)로 배출시키는 소재 배출단계(S50)를 포함한다.

소재 공급단계(S10)에서 진입채널(110)의 진입구(111)로 공급되는 소재는 진입채널의 단면형상과 동일한 사각단면형으로 하고, 진입채널(110)의 단면 형상에 따라 다양한 단면형상(원형, 타원형, 다각형 등)의 소재일 수 있다.

결정립 미세화 단계(S20)에서는 진입채널(110)에 공급된 소재를 플런저(150)로 가압하면 소재가 교차각(φ1a)으로 전단변형이 일어나면서 결정립이 미세화된다. 이때 교차각(φ1a)은 90°～ 180°로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 압출단계(S30)에서는 소재를 계속 가압함에 의해 소재는 압출각(θ1)으로 변형되며 압출채널(120)을 통해 단면적(폭)이 1/2로 줄어들면서 전단변형 및 압축 인장 변형이 일어나면서 소재의 단면적(폭)이 변화되는 동시에 소재의 결정립이 미세화된다. 이때 압출각(θ1)은 30°～ 90°로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 결정립 추가 미세화 단계(S40)에서는 소재를 계속 가압함에 의해 소재는 추가 교차각(φ1b)으로 변형되며 진입채널(110)과 평행한 방향의 배출채널(130)로 배출되면서 전단변형이 일어나면서 결정립이 한번 더 미세화된다. 이때 추가 교차각(φ1b)은 교차각(φ1a)과 동일한 90°～ 180°이다.

소재 배출단계(S50)에서 배출채널(130)의 배출구(131)로 배출되는 변형 소재(M12)는 진입채널(110)으로 공급되는 소재 폭의 1/2인 단면을 가진 사각단면형이며, 배출채널(130)의 단면 형상에 따라 다양한 단면형상(원형, 타원형, 다각형 등)의 소재일 수 있다. 즉, 최종 제품을 배출시킬 때에는 진입채널(110)의 단면이나 공급되는 소재의 단면과 상이한 단면으로 배출되게 할 수 있다.

도 4의 (a) 내지 (c)는 도 3의 (a)에서 금속 소재가 변형되는 부분을 상세히 나타내어 설명하기 위한 사시도, 측면도 및 단면도이다.

도시한 바와 같이 결정립 도 4의 (a) 및 (b)에서, P1은 결정립 미세화 단계(S20)에서 소재(M11)가 교차각(φ1a)으로 전단변형되어 결정립이 미세화되기 시작하는 평면을 나타내고, P2는 압출단계(S30)에서 소재가 압출각(θ1)으로 변형되며 단면적이 줄어들면서 전단변형 및 압축 인장변형되어 결정립이 미세화되는 평면을 나타내며, P3는 결정립 추가 미세화 단계(S40)에서 소재가 추가 교차각(φ1b)로 전단변형되어 결정립이 다시 미세화된 평면을 나타낸다.

그리고, 도 4의 (c)에서는 각각 평면(P1)에서의 소재의 전단변형부(M11a), 평면(P2)에서의 소재의 압출변형부(M11b), 평면(P3)에서의 소재의 전단변형부(M11c)을 나타낸다.

도 5는 진입채널(110)에 공급된 소재(M11)를 플런저(150)로 가압하여 압출채널(120)을 거치면서 단면적(폭 W)을 1/2로 줄여 배출채널(130)을 통해 변형 소재(M12)로 배출시킨 후, 다시 이 변형 소재(M12) 2개를 진입채널(110)로 공급하여 압출채널(120)을 거치면서 단면적(폭 W)을 1/2(처음 폭의 1/4)로 줄여 배출채널(130)을 통해 배출시키는 가공 상태를 나타낸다.

이와 같이, 소재 배출단계(S50)에서 배출된 n개의 변형 소재를 겹쳐 진입채널의 단면적에 맞추어 재공급하여 소재 공급단계(S10)에서 소재 배출단계(S50)를 통해 소재를 다수회 압출하여 변형 소재를 제조할 수도 있다.

이때, 마지막 회의 압출로 최종 제품을 배출시킬 때에는 배출채널의 단면이 상이한 성형다이를 사용하여, 최종 제품이 되는 변형 소재의 단면은 진입채널의 단면이나 공급되는 변형 소재의 단면과 상이한 단면으로 배출되게 할 수 있다.

도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법으로 소재의 폭을 줄이는 상태 및 소재의 두께를 줄이는 상태를 나타내는 사시도이고, 도 7의 (a) 및 (b)는 도 6의 (a) 및 (b)에 따라 가공되는 상태의 소재를 나타내는 사시도이다.

도 6의 (a) 및 도 7의 (a)는 소재의 폭(W)을 1/2로 줄이고, 진입채널(210)과 배출채널(230)이 소정의 각도(교차각)를 이루며, 압출채널(220)은 배출채널(230)과 평행하며, 1개의 교차각(φ2)과 1개의 압출각(θ2)을 가지는 성형 다이(200)를 통해 소재를 가공하는 상태이다. 도 6의 (b) 및 도 7의 (b)는 소재의 두께(t)를 1/2로 줄이고, 진입채널(310)과 배출채널(330)이 소정의 각도(교차각)를 이루며, 압출채널(320)은 배출채널(230) 및 중간채널(315)과 평행하며, 1개의 교차각(φ3)과 1개의 압출각(θ3)을 가지는 성형 다이(300)를 통해 소재를 가공하는 상태이다.

도 8은 도 6의 (a)에 따라 소재를 가공하는 상태를 설명하기 위한 사시도이며, 소재 1개를 진입채널(210)로 공급하여 압출채널(220)을 거치면서 폭(W)을 1/2로 줄여 배출채널(230)을 통해 변형 소재로 배출시킨 후, 다시 이 변형 소재 2개를 진입채널(210)로 공급하여 압출채널(220)을 거치면서 폭(W)을 1/2(처음 폭의 1/4)로 줄여 배출채널(230)을 통해 배출시키는 가공 상태를 나타낸다.,

도 9는 도 6의 (b)에 따라 소재를 가공하는 상태를 설명하기 위한 사시도이며, 소재 1개를 진입채널(310)로 공급하여 압출채널(320)을 거치면서 두께(t)를 1/2로 줄여 배출채널(330)을 통해 변형 소재로 배출시킨 후, 다시 이 변형 소재 2개를 진입채널(310)로 공급하여 압출채널(320)을 거치면서 두께(t)를 1/2(처음 두께의 1/4)로 줄여 배출채널(330)을 통해 배출시키는 가공 상태를 나타낸다.,

도 10은 도 6의 (a)에 따라 소재를 1회차 내지 3회차로 반복 가공하는 상태를 설명하기 위한 설명도이고, 도 11는 도 6의 (b)에 따라 소재를 1회차 내지 3회차로 반복 가공하는 상태를 설명하기 위한 설명도이다.

도시한 바와 같이 반복 가공할 경우에는 변형 소재를 진입채널에 재공급할 때에 방향을 바꾸어 변형 소재를 겹쳐 공급할 수 있다.

도 10은 폭(W)이 두께(t)의 2배인 소재 1개를 진입채널로 공급하여 폭(W)을 1/2로 줄여 변형 소재로 배출시키는 1회차 가공을 한 후, 다시 이 변형 소재 2개를 진입채널로 공급하여 폭(W)을 1/2(처음 폭의 1/4)로 줄여 배출시키는 2회차 가공을 한 다음, 다시 이 2회차 가공된 변형 소재 2개를 진입채널로 공급하여 폭(W)을 1/2(처음 폭의 1/8)로 줄여 배출시키는 3회차 가공을 하는 경우이다. 2회차 가공 및 3회차 가공을 할 때에는 변형 소재를 90°나 180°회전시켜 진입방향을 바꾸어 공급할 수 있다. 변형 소재를 90°로 방향을 바꾸어 공급하게 되면 압출방향이 바뀌게 되므로 방향에 따른 기계적 성질을 바꾸는 효과가 있다.

도 11은 폭(W)이 두께(t)의 2배인 소재 1개를 진입채널로 공급하여 두께(t)를 1/2로 줄여 변형 소재로 배출시키는 1회차 가공을 한 후, 다시 이 변형 소재 2개를 진입채널로 공급하여 두께(t)를 1/2(처음 두께의 1/4)로 줄여 배출시키는 2회차 가공을 한 다음, 다시 이 2회차 가공된 변형 소재 2개를 진입채널로 공급하여 두께(t)를 1/2(처음 두께의 1/8)로 줄여 배출시키는 3회차 가공을 하는 경우이다. 2회차 가공 및 3회차 가공을 할 때에는 변형 소재를 180°회전시켜 진입방향을 바꾸어 공급할 수 있다.

한편, 도 5에서 변형 소재(M12)를 공급하여 변형 소재를 배출시키는 과정을 최초 가공 상태에 적용하면, 본 발명에 의한 금속 소재의 결정립 미세화 방법은 도 12에 표시한 바와 같이, 성형다이의 진입채널로 n개의 소재를 겹쳐 진입채널의 단면적에 맞추어 공급하는 소재 공급단계(S10')와, 진입채널에 공급된 n개의 소재를 가압하여 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계(S20')와, n개의 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 소재 1개의 단면적으로 줄어들면서 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계(S30')와, 소재를 계속 가압하여 추가 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 추가 미세화 단계(S40')와, 결정립 미세화단계와 압출단계와 결정립 추가 미세화 단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계(S50')로 이루어 질 수도 있다.

강소성 가공은 소재의 내부에 소성 변형 에너지를 축적하여 결정립을 미세화하는 방법이기 때문에 1회 가공시의 소성 변형량이 크면 클수록 결정립 미세화의 효과가 향상된다. 특히 결정립 미세화가 진행될수록, 즉 소재의 결정립의 크기가 작아질수록 결정립을 더욱 미세화하기 위해서는 반복 가공을 통한 변형 에너지의 축적이 아닌 1회 가공에서의 큰 소성 변형이 요구된다. 따라서 강소성 가공 공정에서 1회 가공시의 소성 변형량을 증대할수록 결정립 미세화의 효과를 제고시키고 반복 가공 횟수를 감소시켜 초미세 결정립 소재의 생산성 향상과 직접적으로 연관된다. 본 발명에 의한 결정립 미세화 방법에 의하면 종래의 강소성 가공에 비해 50% 이상 증가된 소성변형량을 가할 수 있다.

종래 강소성 가공에서의 소성 변형 모드는 대체로 한 방향으로의 전단 변형이기 때문에, 1회만 가공할 경우 이방성이 발현될 가능성이 크고, 소재 내부에 균일한 미세조직을 발생시키기 어렵다. 따라서 결정립을 Nanometer 단위로 미세화하기 위한 변형 에너지를 축적하기 위해서 뿐만 아니라 반복 가공 사이에 시편을 회전시켜 변형이 여러 방향으로 발생하도록 하여 재료 내부의 미세구조를 균일하게 하고 이방성을 제거하기 위해서도 반복 가공이 필요하다. 본 발명에 의한 결정립 미세화 방법에 의하면, 1회 가공시 소성 변형량이 크고 1회 가공시 한 방향으로의 변형이 아닌 여러 방향으로 서로 다른 종류의 변형이 복합적으로 작용하므로, 반복 가공 횟수를 최소화할 수 있으며 성형 공정을 최적화할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의한 결정립 미세화 방법에 의하면, 교차각에 의해 발생하는 전단변형과 압출각에 의한 압출단계에서의 전단변형 및 압축 인장 변형이 복합적으로 부가되므로 결정립 미세화 효율을 향상하는 효과가 있다. 또한, 교차각 외에 압출각의 각도를 변화시켜 소재에 부가되는 소성변형량을 조절할 수 있기 때문에 1회 가공에서 증가된 소성변형을 가할 수 있으므로 1회 공정에서 얻을 수 있는 결정립 미세화의 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 의한 결정립 미세화 방법에서는 압출단계가 추가되므로, 폭을 줄이는 경우에는 세장비가 큰 형상의 제품을 생산할 수 있으며, 소재를 절단하여 단조 공정 등에 적용하기가 적합하고, 두께를 줄이는 경우에는 두께가 얇은 판재에 가까운 형상의 제품을 생산할 수 있으므로 필요한 경우 후속 냉간 압연 공정을 거쳐 나노 결정립을 가진 판재의 생산이 가능하다.

또한, 본 발명에 의한 결정립 미세화 방법에서 1회 가공으로 최종 제품을 생산할 경우에는 마찰, 변형속도, 투입되는 소재의 형상 등의 공정 변수를 최적화하여 결정립 미세화 효율 및 생산성을 최대할 수 있다. 그리고, 반복 가공은 다수의 소재를 동시에 성형함으로써 이루어지는데, 이때에 성형 다이의 입구에 투입되는 소재의 위치 및 회전에 따라서 다양하게 변형 모드의 변화가 가능하다. 이때, 가공 경로(변형 모드)가 결정립 미세화와 미세구조의 형상, 기계적 성질에 미치는 영향을 비교하여 공정 경로를 최적화 한다(도 10 및 도 11참조).

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100, 200, 300 : 성형 다이 110, 210, 310 : 진입채널
120, 220, 320 : 압출채널 130, 230, 330 : 배출채널
150 : 플런저 M11 : 소재
M12 : 변형 소재 φ1a, φ2, φ3 : 교차각
φ1b : 추가 교차각 θ1, θ2, θ3 : 압출각

Claims

성형다이의 진입채널로 소재를 공급하는 소재 공급단계와,
상기 진입채널에 공급된 상기 소재를 가압하여 상기 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계와,
상기 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 n을 정수라 할 때, 단면적이 1/n로 줄어들게 하여 상기 소재의 단면적을 변화시키는 동시에 상기 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계와,
상기 결정립 미세화단계와 상기 압출단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계와,
상기 소재 배출단계에서 배출된 n개의 변형 소재를 겹쳐 상기 진입채널의 단면적에 맞추어 재공급하여 상기 소재 공급단계에서 상기 소재 배출단계를 통해 상기 소재를 다수회 압출하여 변형 소재를 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압출단계 후에는 상기 소재 배출단계 전에 소재를 계속 가압하여 추가 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 추가 미세화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 소재 공급단계에서 상기 진입채널로 공급되는 소재를 사각단면형으로 하고,
상기 압출단계를 통해 소재의 폭을 줄이거나 소재의 두께를 줄이는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 변형 소재를 상기 진입채널에 재공급할 때에는 방향을 바꾸어 상기 변형 소재를 겹쳐 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.
청구항 1에 있어서,
마지막 회의 압출로 최종 제품을 배출시킬 때에는 상기 배출채널의 단면이 상이한 성형다이를 사용하여, 최종 제품이 되는 변형 소재의 단면은 상기 진입채널의 단면과 상이한 단면으로 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.
성형다이의 진입채널로 n개의 소재를 겹쳐 진입채널의 단면적에 맞추어 공급하는 소재 공급단계와,
상기 진입채널에 공급된 n개의 상기 소재를 가압하여 상기 진입채널과 교차각으로 변형되며 결정립이 미세화되도록 변형시키는 결정립 미세화단계와,
n개의 상기 소재를 계속 가압하여 압출각으로 변형되며 소재 1개의 단면적으로 줄어들게 하여 소재의 결정립을 미세화시키는 압출단계와,
상기 결정립 미세화단계와 상기 압출단계를 거치면서 변형된 변형 소재를 배출채널로 배출시키는 소재 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 소재의 결정립 미세화 방법.