KR101226483B1 - 균질하고 초미립의 미세조직을 갖는 구리 라이너 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 구리 소재의 빌렛을 압출하는 단계와, 성형작약탄의 형상으로 냉간 단조하는 단계와, 재결정하는 단계를 포함하는 성형작약탄용 라이너 제조 방법과, 이러한 제조 방법에 따라 제조된 성형작약탄용 라이너를 제공한다.

Description

균질하고 초미립의 미세조직을 갖는 구리 라이너 제조 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING COPPER LINER WITH HOMOGENEOUS AND FINE MICRO-STRUCTURE}

본 발명은 성형작약탄 내에 사용되는 라이너에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 구리로 이루어지고 결정립 조직이 미세하고 균질한 원뿔형의 라이너에 관한 것이다.

순수 구리는 열전도도(thermal conductivity) 및 전기전도도(electric conductivity)가 좋으며, 고속 변형률(high strain rate)에서 연성이 뛰어나기 때문에, 전 세계적으로 군용 주요 무기 체계인 성형작약탄 및 민수 분야의 유정(oil) 탐사용 성형작약탄의 라이너(shaped charge liner)로 적용되어져 오고 있는 대표적인 재료이다.

성형작약탄이란 도 1에서 보듯이 탄체로 불리는 캔에 원뿔형의 금속 라이너와 화약으로 구성된 탄으로 화약의 폭발에 의해 원뿔형의 라이너가 고속의 창의 형태(제트, jet)로 변형을 하면서 유사 유체 운동에 의해 목표물(장갑, armor)을 파괴하는 탄이다. 이 때 관통력(penetration performance)은 라이너의 형상, 라이너 재료, 화약 등 여러 인자에 의해 좌우되는데, 라이너 재료가 매우 중요한 역할을 한다. 특히, 구리 라이너의 고속 변형성은 라이너 재료의 미세조직에 많은 영향을 받는 것으로 여러 논문에 언급되어져 있으며, 결정입도가 미세할수록 관통력은 증가하고 균질한 경향을 보여준다. 초기 성형작약탄의 경우는 결정입도 약 30, 40㎛ 이하에서는 관통력의 더 큰 증가가 없는 것으로 알려졌지만, 최근 여러 주변 기술(화약, 가공 등)의 발달과 더불어 정밀 유도 탄두들이 개발되면서부터 결정입도가 미세할수록 구리 라이너의 고속 변형성은 계속 증가되는 것으로 보고되고 있다.

종래의 구리 라이너를 제조하는 방법은 구리를 용해한 후 연속주조(continuous casting)에 의해 빌렛(billet)을 만들고, 이를 다시 금속학적인 여러 공정을 이용하여 판상으로 제조하고 이를 라이너 형상으로 스피닝(spinning)하고 적절한 열처리를 하여 성형작약탄의 라이너로 적용하는 것과, 관통력을 증대시키고 고성능 정밀 탄두에 적용시키기 위해 구리를 용해한 후 연속주조(continuous casting)에 의해 빌렛(billet)을 만들고, 이를 라이너 형상으로 단조하여 열처리한 후 가공에 의해 정밀 라이너를 제조하는 공정이 대표적이라 할 수 있다. 이렇게 얻어진 라이너의 경우 평균 결정입도가 보통 40㎛ 정도이며, 최적의 재결정 열처리를 선정하게 되는 경우 결정입도가 약 25㎛까지 제조 가능하다고 보고되어 있다. 그러나, 이러한 공정으로 제조된 라이너의 미세조직은 단조재의 변형량에 따라 위치별로 미세조직이 차이를 나타낸다. 도 1의 금속 라이너를 도 2와 같은 위치에서 미세조직을 관찰하였으며, 일반 공정의 하나인 단조 공정에 의해 제조되는 라이너의 미세조직의 예를 도 3에 나타내었다.

이와 같은 위치에 따른 미세조직의 차이는, 화약의 폭발에 의해 라이너가 붕괴될 때, 제트의 연속성이 떨어지고 일부에서는 비대칭(anisotropy)의 금속 제트(metal jet)가 만들어지는 직접적인 원인이 된다. 이러한 금속 제트의 비대칭성은 성형작약탄의 관통력을 감소시킬 뿐만 아니라 관통력의 차이를 만들기 때문에 신뢰성에 문제를 가지게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결코자 한 것으로, 본 발명의 목적은 구리 라이너를 제작함에 있어 일반적으로 행하여지는 형상 단조 공정에서 얻어지는 위치에 따른 미세조직의 차이에 의한 관통 성능 저하 및 관통력의 차이를 줄이기 위해, 최종 재결정 열처리시 라이너 전 영역에서 미세하면서도 균질 결정립을 가질 수 있는 균질 변형량을 가지는 단조 공정을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 각종 성형작약탄 라이너로 사용되는 구리를 단조함에 있어 단조재 전체적으로 미세하면서도 균질한 미세조직을 얻기 위해 적절한 변형 특성을 전산 모사하고 이에 변형 특성을 줄 수 있는 단조 공정을 개발하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명자들은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 노력한 결과, 구리 라이너를 이용한 단조 후 미세조직의 미세화와 균질화를 동시에 이루기 위해 단조재 형상에서 라이너로 만들어지는 부위에 있어 유효 변형량을 균질하게 가져가는 공정으로, 적용 소재의 냉간 단조 공정전 부분 압출 혹은 완전 압출 공정을 도입함으로써 최종 재결정 열처리후 라이너 전 영역에 있어 균질하면서도 미세한 결정입도를 갖는 라이너 제조 기술을 개발하였다. 본 발명에 의해 제조된 구리 라이너의 미세조직은, 도 4에서 보는 바와 같이, 라이너의 전 영역에서 균질하면서도 미세한 미세조직을 갖게 되어, 종래의 방법에 의해 제조된 구리 라이너에 비하여 성형작약탄의 라이너로서의 성능이 균질하면서도 뛰어나다.

이와 같은 지견에 기초하는 본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 구리 소재의 빌렛을 압출하는 단계와, 성형작약탄의 형상으로 냉간 단조하여 단조재를 제조하는 단계와, 단조재를 재결정시키는 단계를 포함하는 성형작약탄용 라이너 제조 방법이 제공된다. 본 발명에서 사용하는 빌렛은 예를 들면 연속 주조에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 소재로 사용되는 구리는 EPT, OFC, OFHC 급의 구리일 수 있다. 구리의 순도는 99.9% 이상일 수 있고, 구리 이외의 나머지 성분은 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 빌렛을 압출하는 단계 중에 변형량을 30% 이상이 되도록 한다. 압출 공정 중에, 빌렛을 완전 압출할 수도 있고, 부분 압출하여 소단경과 대단경을 가지는 원뿔형의 압출재를 제조할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉간 단조를 실시함에 있어서 라이너 전체 영역에 걸쳐서 유효 변형량이 0.5 ∼ 10 이 되도록 한다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 국부적으로 라이너의 서로 다른 위치 영역에서 등고 유효 변형량의 차이가 0 ∼ 0.5 가 되도록 냉간 단조를 실시할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉간 단조 후에 재결정 온도(Tr) 내지 Tr+50(℃)의 온도 범위에서 1분 ∼ 24시간 열처리를 실시할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 본 발명의 성형작약탄용 라이너 제조 방법에 따라 제조됨으로써 결정입도가 30㎛ 이하인 성형작약탄용 라이너가 제공된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 일반 단조 공정에 의해 얻어지는 부위별 30에서 40㎛ 이상, ~30㎛ 이상, ~50㎛ 이상의 미세조직의 크기와 불균질한 결정 입도의 차이를 압출 공정 삽입에 따른 균질 변형 유도에 의한 새로운 단조 공정을 적용하여 라이너 전 영역에서 미세조직을 20 혹은 30㎛ 대 이하의 균질하면서도 미세하게 제조함으로써, 고성능 정밀 성형작약탄의 관통력 향상 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 성형작약탄의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 금속 라이너의 ¼쪽을 표시한 도면으로 본 발명에서 발명된 라이너 재료 조직을 비교하기 위해 관찰한 부위를 표시한 도면이다.
도 3은 일반 공정에 의해 제조되는 라이너에 있어 도 2에 따라 위치별로 관찰된 구리 라이너의 최적 미세조직 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라서 압출 공정 후 단조를 행하고 열처리된 라이너에 있어 도 2에 따라 위치별로 관찰된 구리 라이너의 최적 미세조직 사진이다.
도 5는 본 발명에서 얻고자 하는 라이너 단조재의 최종 형상 사진이다.
도 6a는 라이너를 제조하기 위한 종래의 일반 공정을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6b는 본 발명으로 개발된 공정을 개략적으로 표기한 도면으로 균질 변형을 유도하기 위해 압출 단조 후 열처리하는 공정을 표기한 도면이다.
도 7은 본 발명으로 개발된 단조재의 유효 변형량 곡선의 예이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 균질하고 초미립의 미세조직을 갖는 구리 라이너 공정 개발은, 단조 공정에 대한 구리 라이너 재료의 변형 정도를 예측하는 유효 변형량 등을 판단한 후, 최종 단조품에서 전 라이너 영역에 걸쳐 유효 변형량이 0.5 ∼ 10 이 되게 공정을 설계하고 국부적으로 라이너 위치의 영역에서 등고 유효 변형량 차이가 0 ∼ 0.5 가 되게끔 초기 구리 빌렛을 압출 등에 의해 최소 30% 이상이 변형되게 압출 공정을 한 후, 냉간 단조 공정을 통하여 라이너 단조재를 제조한 다음, 구리 재결정 온도(Tr)를 조사한 후, 최종 라이너의 재결정 열처리를 Tr~(Tr+50)℃ 사이에서 1분 ∼ 24시간 하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 단지 예시적인 실시 형태이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니라는 점을 이해하여야 한다.

본 발명은 고성능 정밀 성형작약탄용 구리 라이너 제작을 위해 EPT, OFC, OFHC 급 구리 빌렛을 사용하면 되며, 구리 순도는 99.9% 이상으로 조성된다.

본 발명에서는 최종적으로 형상 단조 완료되는 시점에서의 단조재의 유효 변형량 정도를 먼저 평가하고자 하였다.

하기 수학식 1의

은 재료의 변형성을 논할 때 주응력의 방향에 따라 재료가 항복의 이방성을 가질 때, 이를 복합적으로 하나의 함수로 표기하는 방법의 대표적인 하나의 방식이 유효 변형량(effective strain)이다. 단조 후 단조재에 유입된 유효 변형량은 여러 해석 코드로 예측할 수 있다. 전산 해석에 의해 단조 공정 후의 단조재 내에 유입되는 유효 변형율을 등고선으로 그릴 수가 있으며, 유효 변형율이 클수록 변형량이 증가됨을 의미한다.

일반적으로 단조재에 축척된 유효 변형량이 클수록, 또 단조전 결정입자가 미세할수록, 재결정 후 결정입도는 미세하여 진다. 본 발명에서는 단조재내에 도입되는 유효 변형량이 0.5 ∼ 10 이 되어 후속 재결정 열처리 공정시 입자 미세화를 촉진할 수 있는 에너지가 축적되어져야 한다. 또한 도 7에서 등고 유효 변형량이 얻고자하는 형상 부위에서 0 ∼ 0.5 차이가 나도록 만들어 주는 단조 공정을 행하여 주는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 7에서 보는 바와 같이 변형 등고선 c(1.92)와 d(2.49)의 차이가 0.57로서 0.5를 넘는 경우 부위별(c와 d의 위치) 입자의 균질화를 얻기가 어려워진다. 도 6과 같이 압출 공정을 도입하여 단조를 행하는 경우 등고 유효 변형량은 도 7과 같아지며, 최종적으로 이루고자 하는 발명을 완수할 수 있다. 도 7과 같이 단조된 단조재를 가지고 Tr ~ (Tr+50)℃ 사이에서 1분 ∼ 24시간 최적 재결정 열처리를 하여 주면 도 4와 같이 결정입도가 단조재 전 영역에 걸쳐 균질하면서도 20 혹은 30㎛ 이하의 라이너 미세조직을 얻을 수 있다.

[실시예 1]

기존 공정에 의한 단조 실시예

단조 공정은 구리 빌렛을 다지는 공정과 최종 형상으로 단조하여 형상화하는 공정의 2 스텝(step)으로 구성하였으며, 초기 투입 소재의 형상은 φ 90 × 52 l(mm)의 2.8kg으로 최종 형상은 도 5와 같다. 지용성 수용제를 사용하여 프레스(press) 속도 100mm/s 정도의 프레스 단조기에서 단조를 실시하였다. 이렇게 얻어진 구리 단조재는 330℃±10℃로 유지된 열처리로에서 1시간 재결정 열처리를 행하고 도 2에 나타낸 것과 같이 상부, 중부, 하부의 위치에서 시편을 채취하여 미세조직을 측정한 것이 도 3이다. 기존 공정으로 제조되는 재결정된 구리 라이너의 위치별 결정입도가 30에서 40㎛ 이상, ~30㎛ 이상, ~50㎛ 이상으로 위치별로 차이를 나타내었다.

[실시예 2]

본 발명에서 개발한 공정은 단조 공정에 앞서 실시예 1의 구리 빌렛을 압출 공정에 의해 φ 60 × 114 l(mm)로 제조하고 이를 다지는 공정과 최종 형상으로 단조하여 형상화하는 공정의 3 스텝으로 구성하였으며, 초기 투입 소재의 형상은 φ 90 × 52 l(mm)의 2.8kg으로 최종 형상은 도 5와 같다. 지용성 수용제를 사용하여 프레스 속도 100mm/s 정도의 프레스 단조기에서 압출과 단조를 실시하였다. 이렇게 얻어진 구리 단조재는 300℃±10℃로 유지된 열처리로에서 1시간 재결정 열처리를 행하고 도 2에 나타낸 것과 같이 상부, 중부, 하부의 위치에서 시편을 채취하여 미세조직을 측정한 것이 도 4 다. 본 공정으로 제조되는 재결정된 구리 라이너의 위치별 결정입도가 ~20㎛ 이하 ~20㎛ 이하, ~20㎛ 이하로 위치별로 차이가 없을 뿐더러 결정 입도 미세화된 것을 나타내었다.

[실시예 3]

본 발명에서 개발한 공정은 단조 공정에 앞서 실시예 1의 구리 빌렛을 부분 압출 공정을 행하고 단조를 통해 라이너 형상 단조를 수행하였다. 얻고자 하는 최종 형상은 도 5와 유사하며, 초기 투입 소재 형상은 φ 70 × 135 l(mm)의 4.4kg으로 도 6의 φ (소단경 32 ~ 대단경 70) × 177 l(mm) 크기로 부분 압출하고 φ 112 × 188 l(mm)의 최종 단조 형상으로 단조를 행하였다. 이렇게 얻어진 구리 단조재는 310℃±10℃로 유지된 열처리로에서 1시간 재결정 열처리를 행하고 도 2에 나타낸 것과 같이 상부, 중부, 하부의 위치에서 시편을 채취하여 미세조직을 측정한 결과, ~30㎛ 이하 ~30㎛ 이하, ~30㎛ 이하로 기존 공정에 비해 위치별로 차이가 없을 뿐더러 결정 입도가 미세화된 조직을 얻었다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범위가 이러한 실시 형태로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 본질적이고 필수적인 구성을 벗어나지 않으면서 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전술한 실시 형태는 예시적인 것일 뿐이며 제한적 의미를 갖는 것으로 해석되지 않아야 하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재된 사항 및 이로부터 파악될 수 있는 모든 변형 실시 형태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

1. 성형작약탄용 라이너의 제조 방법에 있어서,
   균질 변형을 유도하도록 구리 소재의 빌렛을 변형량 30% 이상으로 압출하여 압출재를 제조하는 단계와,
   상기 압출재를 성형작약탄의 형상으로 냉간 단조하여 상기 라이너 전체 영역에 걸쳐서 유효 변형량이 0.5 ~ 10 이면서 국부적으로 상기 라이너의 서로 다른 위치 영역에서 등고 유효 변형량의 차이가 0 ~ 0.5 인 단조재를 제조하는 단계와,
   상기 단조재를 재결정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형작약탄용 라이너 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   압출하는 단계에서 빌렛을 부분 압출하여 원뿔형의 압출재를 제조하는 것을 특징으로 성형작약탄용 라이너 제조 방법.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   재결정시키는 단계는 재결정 온도 내지 재결정 온도 + 50(℃)의 범위에서 1분 ~ 24시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 성형작약탄용 라이너 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 구리는 EPT, OFC, OFHC 급의 구리이고, 구리의 순도는 99.9% 이상인 것을 특징으로 하는 성형작약탄용 라이너 제조 방법.
7. 삭제

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