KR101278290B1 - 압축비틀림을 이용한 나선형 층상복합재료 제조 방법 - Google Patents

압축비틀림을 이용한 나선형 층상복합재료 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 다른 2종 이상의 금속편을 원주방향으로 번갈아 배치한 후 압축비틀림 공정을 통해 재료에 원주방향의 소성변형을 가하여 층과 층 사이에서 좋은 금속결합을 갖도록 하고, 동시에 복합화 과정에서 큰 전단변형이 가해져 재료의 결정립 미세화를 통해 재료의 강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 새로운 조직구조를 갖는 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은, (a) 2종 이상의 서로 다른 금속재료로 이루어진 단위 금속편을 준비하는 단계; (b) 상기 2종 이상의 단위 금속편을 상,하부 다이가 구비된 금형에 원주방향으로 배치하는 단계; (c) 장입된 금속편에 상,하부 다이를 이용하여 압축응력을 가하는 단계; 및 (d) 가압된 상태에서, 상기 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 회전력을 가하는 단계;를 포함한다.

Description

압축비틀림을 이용한 나선형 층상복합재료 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING SPIRAL LAYERED COMPOSITIES USING COMPRESSION-TORSION}
본 발명은 나선형 구조를 갖는 층상 복합재료 제조에 관한 것으로서, 구체적으로는 2종 이상의 금속편을 원주방향으로 번갈아 배치한 후 압축비틀림 공정을 통해 배치된 재료에 원주방향의 소성변형을 가함으로써, 2종 이상의 금속 사이에 나선형의 금속결합을 갖도록 하고, 동시에 복합화 과정에서 가해지는 큰 전단변형을 통해 재료의 강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
최근과 같이 다기능성 소재가 요구되는 시대에, 하나의 재료가 원하는 다양한 특성을 만족시키지 못할 경우, 서로 다른 재질들의 우수한 성질을 복합화함으로써 보다 우수한 성능을 지닌 소재를 제조할 수 있다.
그 대표적인 예가 금속과 세라믹을 적층한 단열재인데, 이 단열재는 금속의 기계적인 강성과 세라믹의 열차단성을 혼합하여, 금속의 낮은 열차단성과 세라믹의 취성을 보완한 경우이다.
복합재는 단순히 두 가지 재료를 적층시킨 적층복합재(laminate composite), 두 구성입자들을 분말 형태로 혼합시킨 입자복합재(particulate composite), 그리고 기지(matrix)가 되는 재료 속에 강선(steel wire)이나 섬유(fiber)를 특정한 방향으로 심은 섬유강화복합재 (fiber reinforced composite) 등으로 분류할 수 있다.
이중 적층복합재는 항공기 날개나 단열재로 주로 사용되고 있으며, 콘크리트나 분말야금법에 의해 만들어진 복합재는 입자복합재의 전형적인 예이다. 그리고 섬유강화복합재는 고무호스나 자동차 타이어 등에서 찾아볼 수 있다.
최근, 다른 두 재료의 적층복합재는 각층을 구성하는 재료의 특성을 통합적으로 이용할 수 있어 높은 강도 및 경도, 우수한 내마모성 또는 초소성 특성과 같은 우수한 기계적 특성을 구현할 수 있기 때문에 경량구조용 신소재로서 많은 주목을 받고 있다.
한편, 전 세계적으로 재료의 물성을 향상시키기 위하여 결정립을 미세화하기 위한 많은 연구가 행해지고 있다. 소성가공을 받으면 금속재료는 소경계각 전위셀 구조의 형성을 시작으로 변형량이 증가할수록 전위셀 아결정립의 결정립계각 증가와 더불어 결정립이 점차 미세화된다. 이러한 특성을 이용하여 금속재료에 다량의 변형을 가함으로써 금속재료의 결정립을 초미세립 또는 나노결정립까지 미세화시킬 수 있는 방법이 소위 '강소성 공정'이라는 방법이며 최근 점차 보편화되고 있는 방법이다.
'강소성 공정'에 있어서 금속재료의 결정립 미세화에 영향을 주는 소성가공 변형조건은 압축이나 인장변형보다는 전단변형이 효과적이므로, 강소성 공정에서는 가능한 한 전단변형이 많이 발생할 수 있도록 금형 형상을 설계하는 것이 요구된다. ECAP (equal channel angular pressing), HPT (high-pressure torsion), ARB (accumulative roll bonding), ECAR (equal channel angular rolling) 등의 다양한 강소성 공정이 개발되어 왔다.
본 발명은 층상 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 종래의 방법에 비해 간소하면서도 다양한 조직의 복합재료를 만들 수 있어, 다양한 물성 요구에 대응할 수 있는 복합재료의 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 서로 다른 2종 이상의 금속이 두께 방향으로 나선형으로 층상을 이루고 있고 그 조직도 다양하게 변경될 수 있어, 단순 층상 복합재료로 대응할 수 없는 특성을 구현할 수 있는 복합재료를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 층상 복합재료의 제조방법으로, (a) 2종 이상의 서로 다른 금속재료로 이루어진 단위 금속편을 준비하는 단계; (b) 상기 2종 이상의 단위 금속편을 상,하부 다이가 구비된 금형에 원주방향으로 배치하는 단계; (c) 장입된 금속편에 상,하부 다이를 이용하여 압축응력을 가하는 단계; 및 (d) 가압된 상태에서, 상기 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 회전력을 가하는 단계;를 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 2종 이상의 단위 금속편은 원주방향을 따라 주기적 또는 비주기적으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 장입되는 단위 금속편의 개수 조절을 통해 형성되는 복합재료의 조직을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서 회전시키는 회전수의 조절을 통해 형성되는 복합재료의 조직을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 서로 다른 2종의 금속을 주기적으로 A-B-A-B... 형태로 배치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 A는 구리 또는 구리합금이고, 상기 B는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 단위 금속편은 부채꼴 또는 반원 형상일 수 있다.
또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 서로 다른 2종 이상의 금속이 복합화된 재료로서, 상기 2종 이상의 금속은 두께방향으로 나선형을 이루며 상호 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 복합재료를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료에 있어서, 상기 2종 이상의 금속 중 하나는 구리 또는 구리합금이고, 다른 하나는 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료에 있어서, 상기 복합재료는 두께방향으로 보았을 때, 상기 2종 이상의 금속이 원주방향으로 주기적으로 번갈아 배치될 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 복합재료는 두께 방향으로 서로 다른 2 이상의 재료가 나선형으로 적층된 구조를 가지므로, 단순 적층구조와는 상이한 물성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은 단위 금속편의 조각을 금형에 장착한 후, 가압회전시키는 단순한 방법을 통해 계면결합력이 우수한 복합재를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은 단위 금속편의 조각 개수 또는 회전수의 조절을 통해 다양한 구조를 갖는 복합재료를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은 강소성 공정을 동반하기 때문에, 복합화 과정에서 결정립 미세화가 일어나, 초기 장입한 재료에 비해 향상된 물성을 갖는 복합화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 복합재료의 제조 공정을 보여주는 플로챠트이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법에 대한 개략도이다.
도 3은 반복단층촬영기법의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 복합재료를 상기 도 3의 반복단층촬영기법을 통해 분석한 결과를 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재료의 제조방법에 대해 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합재료의 제조 공정은 크게, 금속시편 준비단계(S10), 시편 장입단계(S20) 및 시편 압축전단변형단계(S30)으로 구분된다.
상기 금속시편 준비단계(S10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 다른 종류의 금속으로 이루어진 시편을 맞추어서 하나의 원기둥 형상으로 금형에 장입할 수 있도록, 벌크 금속을 부채꼴 형상(4등분, 6등분 등으로 할 경우) 또는 반원형(2등분으로 할 경우)으로 절단하는 과정이다. 복합화되는 시편의 종류는 제한이 없으며, 복합재료에 요구되는 물성에 맞추어, 2종, 3종, 4종 등 다양한 종류의 금속을 복합화할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 복합화 방법은 압축-비틀림 공정을 사용하는데, 이 공정의 특성은 대변형을 가하기 쉽고, 취성이 있는 금속도 가공할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 연성이 좋은 금속은 물론 어느 정도 취성이 금속도 복합화할 수 있다.
상기 시편 장입단계(S20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 서로 다른 종류의 금속 조각을 A-B-A-B, A-B-C-A-B-C, A-B-C-D와 같은 형태의 주기성을 갖거나, A-B-B-C-A와 같은 주기성이 없이 장입하여, 전체적인 형상으로는 원기둥 형태가 되도록 장입하는 단계이다. 이때 적층 주기 및 적층하는 금속의 종류에는 제한이 없으며, 적층 주기 및 적층하는 금속의 종류에 따라 최종적으로 구현되는 복합재료의 물성이 달라지므로, 요구되는 물성에 맞게 조절할 수 있다.
상기 압축전단변형단계(S30)은 장입된 시편에 상부 및 하부 다이를 이용하여 가압한 상태에서, 회전력을 가하여 전단변형시키는 단계이다. 이때 상기 상부 및 하부 다이의 표면에는 요(凹)홈을 구비하여 회전력을 가할 때 시편의 움직임이 생기지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한 회전력은 상기 상부 또는 하부 다이 중 어느 하나를 회전시키거나, 쌍방을 상호 다른 방향으로 회전시킬 수 있다. 회전수에 따른 형성되는 복합재료의 두께 방향의 조직이 현저하게 달라질 수 있으므로, 회전수는 요구되는 물성에 부합될 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 압축전단변형단계에서는 동적 재결정을 통해 결정립 미세화가 일어날 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법에 의하면 복합화와 동시에 결정립 미세화를 통한 물성 개선효과를 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 방법을 통해 나선형 복합 구조를 구현함으로써, 본 발명은 종래의 단순히 여러 층을 적층한 복합재에서 얻을 수 없는 독특한 전기 전도 특성이나 탄성 특성을 얻을 수 있다.
[실시예]
먼저, 벌크재 구리(A 금속)와 A606 알루미늄 합금(B 금속)을 가공하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 원을 1/4 등분한 부채꼴 형상의 시편을 제작하였다. 이어서, 상부 다이 및 하부 다이가 장착되는 실린더 형상의 금형 내에, 원주방향으로 구리와 알루미늄 합금 단위 시편을 A-B-A-B 형태로 번갈아 배치하였다. 상기 상부 다이 및 하부 다이의 표면에는 장착된 시편이 삽입될 수 있는 요(凹)홈이 형성되어 있어, 배치된 시편들이 용이하게 고정될 수 있도록 되어 있다. 한편, 상기 장착되는 시편의 크기 조절을 통해 복합화되는 조직의 형상을 제어할 수 있게 된다.
이어서, 상부 및 하부 다이를 2.5GPa의 압력으로 가압한 후, 회전력을 가하여 시편들을 비트는 공정을 수행한다. 이때 비틀림 회전수의 조절을 통해, 형성되는 복합재료의 층간 간격과 변형량을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 비틀림 회전수는 1회전을 수행하였다.
본 발명의 실시예에 따른 압축-비틀림 공정은 복합화가 극히 용이하다는 점, 큰 변형을 가하기 쉽다는 점, 경하고 취성이 있는 금속도 복합화를 할 수 있다는 점 등의 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따라 제조한 복합재료의 내부 구조와 결합력을 분석하기 위하여, 반복단층촬영기법(serial sectioning)을 사용하였다. 반복단층촬영기법은 도 3에 도시된 바와 같이, 시편의 단면을 일정한 간격으로 연마한 후 그 면의 사진을 얻고, 반복된 이 2D 사진들을 영상공정 작업을 거쳐 3D 형태의 실제 형상으로 구현을 하는 것이다.
구체적으로, 복합화된 시편을 0.05mm 두께로 연마해 가며 각각의 2D 사진을 스캔하여 얻었으며, AMIRA 프로그램을 통한 영상분석 공정으로 3D 시각화하였으며, 도 4는 분석된 영상을 보여준다. 한편, 복합화된 시편의 연마과정에서 계면 분리 등의 현상을 전혀 관찰할 수 없어, 본 발명에 따른 복합재료의 계면건전성은 양호한 것으로 확인되었다.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합재료는 두께 방향으로 나선형의 층상구조를 가지며, 이는 종래 단순 적층구조에 비해 이종의 복합금속들이 상호 연속된 구조를 갖는 것을 의미하며, 이는 종래의 복합재료에서 구현하기 어려운 전기 전도 특성 또는 탄성 특성의 구현이 가능함을 의미한다.

Claims (11)

  1. 층상 복합재료의 제조방법으로,
    (a) 2종 이상의 서로 다른 금속재료로 이루어진 단위 금속편을 준비하는 단계;
    (b) 상기 2종 이상의 단위 금속편을 상,하부 다이가 구비된 금형에 원주방향으로 배치하는 단계;
    (c) 장입된 금속편에 상,하부 다이를 이용하여 압축응력을 가하는 단계; 및
    (d) 가압된 상태에서, 상기 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 회전력을 가하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (b) 단계에서, 상기 2종 이상의 단위 금속편은 원주방향을 따라 주기적 또는 비주기적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 장입되는 단위 금속편의 개수 조절을 통해 형성되는 복합재료의 조직을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 회전시키는 회전수의 조절을 통해 형성되는 복합재료의 조직을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에 있어서, 상기 2종 이상의 단위 금속편을 원주방향을 따라 주기적으로 번갈아 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에 있어서, 2종의 금속편을 원주방향을 따라 A-B-A-B의 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 A는 구리 또는 구리합금이고, 상기 B는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 금속편은 부채꼴 또는 반원 형상인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 서로 다른 2종 이상의 금속이 복합화된 재료로서,
    상기 2종 이상의 금속은 두께방향으로 나선형을 이루며 상호 적층된 구조를 갖고,
    상기 복합재료는 두께방향으로 보았을 때, 상기 2종 이상의 금속이 원주방향으로 주기적으로 번갈아 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 2종 이상의 금속은, 구리합금 또는 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료.
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