KR101465090B1 - 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관형 금속재료를 소정 형상의 금형의 통로에 통과시키면서 다량의 전단변형을 가함으로써 서브 마이크로 크기의 초미세립 또는 100㎚ 이하의 나노 크기의 미세 결정립으로 이루어진 미세조직을 얻는 방법으로, 종래에 비해 공정 횟수를 크게 줄이면서도 목표 결정립 크기를 달성할 수 있어, 공정 비용과 수율을 크게 높일 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 관형 금속재료를 단면상 소정 각도로 꺾여진 금형으로 통과시켜 축관시키는 제1 전단변형 단계; 제1 전단변형된 관형 금속재료를 단면상 상기 제1 전단변형단계와 반대되는 방향으로 꺾여진 금형으로 통과시켜 확관시키는 제2 전단변형단계; 및 제2 전단변형된 관형 금속재료를 초기 형상과 동일한 형상이 되도록 꺾여진 금형으로 통과시키는 제3 전단변형단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

관형 금속재료의 결정립 미세화 방법 {GRAIN REFINING METHOD FOR TUBULAR METALLIC MATERIAL}

본 발명은 관형 금속재료의 조대한 결정립을 미세화시키는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관형 금속재료를 소정 형상의 금형의 통로에 통과시키면서 다량의 전단변형을 가함으로써 서브 마이크로 크기의 초미세립 또는 100㎚ 이하의 나노 크기의 미세 결정립으로 이루어진 미세조직을 얻어 재료의 강도, 경도 등 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 결정립 미세화 방법으로, 종래에 비해 공정 횟수를 크게 줄이면서도 목표 결정립 크기를 달성할 수 있어, 공정 비용과 수율을 크게 높일 수 있는 방법에 관한 것이다.

금속재료의 결정립이 초미세립(<1㎛) 또는 나노결정립(< 100nm) 크기로 미세화되면 높은 강도 및 경도, 우수한 내마모성 또는 초소성 특성과 같은 우수한 기계적 특성을 나타내므로 전 세계적으로 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. 또한, 한번의 가공으로 초미세립으로 미세화하기 어렵기 때문에 동일한 공정을 여러 번 반복할 수 있도록, 재료의 공정 전 초기형상과 공정 후의 형상이 같도록 금형 형상을 설계하는 것도 필요하다.

이와 같은 요건에 맞추어, 종래 ECAP(equal channel angular pressing), HPT(high-pressure torsion), ARB(accumulative roll bonding), ECAR(equal channel angular rolling) 등의 강소성 공정이 개발되어 왔다.

그런데, 이들 종래의 강소성 공정은 주로 봉상 또는 판재 가공에 적용되는 기술이며, 파이프와 같은 관형 재료에 대변형을 부여할 수 있는 방법이 아니다.

한편, 산업용, 수송용, 가정용 부품의 많은 부분이 관형으로 되어 있으므로, 관형 금속재료를 간단한 가공을 통해 초미세립 또는 나노결정립 수준으로 결정립을 미세화할 수 있는 가공법이 요구되고 있다.

이와 관련하여 본 발명자들은 한국특허출원 제2011-45806호를 통해, 관형 금속재료를 단면상 소정 각도로 꺾여진 금형으로 통과시켜 확관시키는 제1 전단변형 단계; 제1 전단변형된 관형 금속재료를 단면상 상기 제1 전단변형단계와 반대되는 방향으로 꺾여진 금형으로 통과시켜 축관시키는 제2 전단변형단계; 및 제2 전단변형된 관형 금속재료를 초기 형상과 동일한 형상이 되도록 꺾여진 금형으로 통과시키는 제3 전단변형단계;를 반복하는 방법을 통해 관형 금속재료의 결정립을 미세화시킬 수 있는 방법을 제안한 바 있다.

그런데, 본 발명자들이 제안한 방법은 1회 공정에 가하는 변형량이 낮기 때문에 재료를 충분히 미세화 시키기 위해서는 많은 반복 공정을 거쳐야 하고, 그 과정에서 재료의 표면이 손상되고 수율이 낮아질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금형 형상을 개선함으로써 결정립 미세화를 위한 공정 횟수와 비용을 절감하고 최종 결과물의 품질을 개선할 수 있는 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 관형 금속재료를 단면상 소정 각도로 꺾여진 금형으로 통과시켜 축관시키는 제1 전단변형 단계; 제1 전단변형된 관형 금속재료를 단면상 상기 제1 전단변형단계와 반대되는 방향으로 꺾여진 금형으로 통과시켜 확관시키는 제2 전단변형단계; 및 제2 전단변형된 관형 금속재료를 초기 형상과 동일한 형상이 되도록 꺾여진 금형으로 통과시키는 제3 전단변형단계;를 포함하는 관형 금속재료의 결정립 미세화방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 제2 전단변형에서 내부금형과 외부금형에 의해 형성되는 공간의 두께를, 제1 전단변형단계 및 제3 전단변형 단계의 내부금형과 외부금형에 의해 형성되는 공간의 두께에 비해 넓게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 꺾여진 금형의 꺾임각(Φ) 또는 모서리각(Ψ)의 조절을 통해 전단변형량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 금형은 반경방향으로 단면상 삼각형 형태로 돌출된 형태의 전단변형부가 형성되어, 확관 및 축관 변형을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 금형에는 상기 전단변형부가 2 이상 형성되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법에 의하면, 공정 1회당 변형량이 크게 증가하여, 목표하는 결정립 크기까지의 공정 횟수와 비용을 절감할 수 있게 된다.

또한, 최종 결과물을 제조하기 까지의 공정 횟수가 크게 줄어들기 때문에, 가공이 반복되는 과정에서 발생하는 표면 결함을 최소화할 수 있고, 생산 수율도 현저하게 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 공정 중, 전단변형이 가해지는 각 구분영역의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 공정에 사용된 금형의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 결정립 미세화 공정에서 관형 금속재료가 통과하는 금형의 두께를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 4b는 각각 제2 전단변형단계에서 금속 관형재료가 통과하는 두께를 넓히지 않은 경우(실시예 1)와 넓힌 경우(실시예 2)에, 제3 전단변형단계에서의 형상 회복 차이를 보여주는 개략도이다.
도 5는 비교예에 따른 결정립 미세화 공정에 사용된 금형의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 FEM 계산을 통해 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 결정립 미세화 방법의 유효 변형량을 산출한 결과를 그래프로 나타낸 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 방법에서, 전단변형이 가해지는 각 구분영역의 설명도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 방법은, 관형 금속재료를 단면상 반경 안쪽 방향으로 함몰되도록 소정각도로 꺾인 금형으로 통과시키는 제1 전단변형단계(축관 변형 단계, Ⅰ); 축관 변형된 관형 금속재료를 상기 방향과 반대되는 방향으로 꺾인 금형으로 통과시키는 제2 전단변형단계(확관 변형 단계, Ⅱ); 확관 변형된 관형 금속재료를 초기 형상과 동일한 형상이 되도록 꺾인 금형으로 통과시키는 제3 전단변형단계(형상 회복 단계, Ⅲ)를 포함한다.

즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 방법은, 전단변형부의 꺾임각을 급격하게 한 각변형을 가하고, 동시에 축관 후 곧바로 확관될 수 있도록 함으로써, 다량의 전단변형이 재료에 가해질 수 있도록 한 것이다.

이와 같이, 일정한 치수로 축관을 한 후 다시 동일한 치수로 확관을 하는 과정에서 관의 초기 두께, 공정 후의 두께 및 변형영역에서의 두께가 동일해지므로, 관형 금속재료에 원하는 변형률을 부과할 때까지 여러 번 반복공정을 수행할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 공정을 수행하기 위해 사용된 금형의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에서 사용한 금형은, 원통형 백업 하우징(10), 외부금형(20), 내부금형(30) 및 펀치(40)로 이루어진다.

상기 원통형 백업 하우징(10)은 외부금형(20)을 고정하기 위한 하우징으로, 관형 금속재료의 가공에 필요한 압력에 견딜 수만 있다면 재료에 특별한 한정이 없으며, 본 발명에서는 공구강을 사용하였다.

또한, 상기 외부금형(20)은 대칭형의 2개로 이루어진 반쪽 금형 2개가 조합되어 하나의 원통형 금형을 이루도록 하는 것이 바람직한데, 이는 외부금형(20) 내부에 위치한 시편을 취출하기 용이하도록 하기 위한 것이다. 그리고 상기 외부금형(20)의 중앙부에는 도 2에 도시된 바와 같이, 반경방향으로 함몰된 단면이 대략 삼각형의 형상을 이루는 전단변형부가 형성되어 있다.

또한, 상기 내부금형(30)은 원형의 봉상으로 이루어지며, 그 형상은 상기 외부금형(20)의 내측에 장착되었을 때, 관형 금속재료의 두께보다 약간 큰 공차를 둔 간격을 유지할 수 있는 외경을 갖도록 하며, 상기 외부금형(20)의 전단변형부에 대응한 부분에 동일하게 상기 간격을 유지할 수 있도록 전단변형부가 형성되어 있다.

본 발명의 실시예에서 외부금형(20) 및 내부금형(30)은 공구강을 55 HRC로 열처리 경화시킨 후 ±0.03mm의 공차로 연마한 것을 사용하였다.

상기와 같은 외부금형(20)과 내부금형(30)을 통해, 본 발명의 실시예에 따른 금형에서는 관형 금속재료가 가공 중에 3회 꺾이는 전단변형을 받게 된다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 1차로 관형 금형의 일부분에 튜브 반경이 감소하는 각형으로 꺾이는 '축관 변형 영역'(Ⅰ)과, 2차로 금형 및 소재의 반경이 증가하도록 관형 금속재료가 꺾이는‘확관 변형 영역’(Ⅱ) 및 마지막으로 관형 금속재료의 반경이 초기와 같아지도록 꺾이게 하는 '형상 회복 영역'(Ⅲ)에 의해 전단변형을 받는다.

한편, 본 발명의 실시예 1에서는 3회 전단변형이 발생하도록 되어 있으나, 축관과 확관이 2회 이상 연속적 또는 단속적으로 이루어지도록 할 수도 있다. 즉, 재료의 성질이나 펀치의 가압력 등을 고려하여 6회, 9회 등 전단변형이 반복되도록 할 수 있으며, 이 경우 한 번의 가공공정으로 결정립 미세화 정도를 높일 수 있게 된다.

상기 펀치(40)는 관형 금속재료를 가압하기 위한 것으로, 관형 금속재료의 형상에 맞추어 동일한 형상으로 제조되어야 한다.

이러한 금형을 통해, 관형 금속재료를 가공하게 되면, 관형 금속재료는 도 2에 도시된 바와 같은 변형을 받게 된다.

도 2에 도시된 영역 a는 변형을 받지 않은 초기 시편 영역이고, 영역 b는 '축관 변형(I)' 이 진행되는 영역이며, 영역 c는 '확관 변형(Ⅱ)'이 진행되는 영역이고, 영역 d는 '형상 획복 변형(Ⅲ)'이 이루어진 후 초기 영역 a와 같은 형태의 변형이 진행되는 출구 영역이다.

축관 변형(I)에서는 꺾임각 φ₁과 모서리각 ψ₁, 확관 변형(Ⅱ)에서는 꺽임각 φ₂와 모서리각 ψ₂, 형상 획복 변형(Ⅲ)에서는 꺽임각 φ₃과 모서리각 ψ₃의 형상을 가진다.

본 발명의 실시예 1에 따른 금형의 경우, 각 전단변형단계의 꺾임각 φ₁, φ₂, 및 φ₃는 각각 135°, 90°, 135°로 설계되었으며, 모서리각 ψ₁,, ψ₂,, ψ₃ 는 각각 0°, 90° 및 0°가 되도록 설계되었다.

초기 금속 관형재료를 도 2의 내부금형(30)과 외부금형(20) 사이의 통로로 장입한 후 관형 펀치(40)로 밀어 넣어 축관 변형에서 1차 전단변형, 영역 b에서 축관, 확관 변형에서 2차 전단변형, 영역 c에서 확관, 형상 회복 변형에서 3차 전단변형을 가한다.

공정에서 각전단 변형량을 결정짓는 중요한 형상 변수는, 축관 변형(I)에서의 각형 각도 φ₁과 모서리 각도 ψ₁, 확관 변형(Ⅱ) 에서의 각형 각도 φ₂와 모서리 각도 ψ₂, 형상 회복 변형(Ⅲ) 에서의 각형 각도 φ₃과 모서리 각도 ψ₃가 된다.

이때, 초기 평균반지름 R₀와 축관 영역의 최대 평균반지름은 R인 관이 받는 전체 변형률 ε은 일반적인 ECAP 가공보다 높은 변형률을 나타내는데, 이는 본 발명에 따른 방법이 반경(radial) 방향과 원주(circumferential) 방향의 변형이 존재하기 때문이다.

구체적으로, 본 발명의 실시예 1에서는 Al: 9.1wt%, Zn: 0.68wt%, Mn: 0.21wt%, S: 0.085wt%, Cu: 0.0097wt%, Ni: 0.001wt%, Fe: 0.0029wt%, 그리고 나머지 마그네슘으로 이루어진 AZ91 재질의 마그네슘을 외경 20㎜, 두께 2.5㎜, 길이 35㎜로 주조한 관형 금속재료 시편을 사용하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 준비된 시편(50)을 외부금형(20)과 내부금형(30) 사이의 공간으로 투입한 후, 펀치로 금속관의 일측을 가압하면, 금속관의 반경이 전단변형부에서 증가한 후 다시 감소하는 과정에, 시편에 다량의 전단변형이 가해진다.

본 발명의 실시예에서는 인스트론(instron)사에서 제조한 프레스를 사용하였고, 이때 마그네슘 소재와 금형 간의 마찰을 감소하기 위하여 윤활재로 MoS₂를 사용하였으며, 300℃에서 분당 5㎜ 펀치 이동속도로 가공하였다.

[실시예 2]

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 결정립 미세화 공정에서 관형 금속재료가 받는 전단변형과정을 나타낸 것이다.

도 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예 2의 경우, 실시예 1과 동일하게, 제1 전단변형단계(축관 단계), 제2 전단변형단계(확관 단계), 제3 전단변형단계(형상 회복 단계)로 이루어진다. 다만, 제2 전단변형단계(확관 단계)에서 관형 금속재료의 두께가 제1 전단변형단계(축관 단계)에 비해 넓어지도록 한 것에 특징이 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예 2에 따른 금형의 경우, 각 전단변형단계의 꺾임각 φ₁, φ₂, 및 φ₃는 각각 135°, 90°, 135°로 설계되었으며, 모서리각 ψ₁, ψ₂, ψ₃ 는 각각 0°, 90° 및 0°가 되도록 설계되었고, 제2 전단변형단계(확관 단계)에서의 두께는 제1 전단변형단계(축관 단계)에 비해 2 mm (약 28%) 정도 넓게 설정하였다.

도 4a 및 4b는 각각 제2 전단변형단계에서 금속 관형재료가 통과하는 두께를 넓히지 않은 경우(실시예 1)와 넓힌 경우(실시예 2)에, 제3 전단변형단계에서의 형상 회복 차이를 보여주는 개략도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1과 같이 관형 금속재료가 받는 두께를 균일하게 유지할 경우, 제3 전단변형을 받은 관형 금속재료의 형상이 원 상태로 회복되지 않고 불균일한 형상(도면상 붉은 점선으로 표시된 부분)으로 되는 경우가 많다. 이 경우, 강소성 공정의 요구 조건 중 하나인 초기 형상회복을 만족하기 어려울 수 있으며, 이는 공정의 수율 저하로 이어질 수 있다.

이에 비해, 본 발명의 실시예 2와 같이, 제2 전단변형에서 제3 전단변형 전까지(즉, 제2 전단변형단계)에서 관형 금속재료가 통과하는 두께를 넓힐 경우, 제3 전단변형 후의 형상이 원활하게 회복되어, 강소성 공정의 요구 조건 중 하나인 초기 형상회복을 효과적으로 반복 공정을 수행할 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명의 실시예 2에 따른 결정립 미세화 방법은, 강소성 공정의 생산수율의 측면에서 본 발명의 실시예 1에 비해 유리하다.

[비교예]

도 5는 비교예에 따른 결정립 미세화 공정에서 관형 금속재료가 받는 전단변형과정을 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법은, 관형 금속재료의 도입단계, 제1 전단변형단계(확관 단계), 제2 전단변형단계(축관 단계), 제3 전단변형단계(형상 회복 단계)로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예 1과 비교할 때, 제1 및 제2 전단변형단계의 변형 방향이 정 반대로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 그 외의 공정 조건(꺽임각 및 모서리각 등)은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

구체적으로, 비교예에 따른 금형의 경우, 각 전단변형단계의 꺾임각 φ₁, φ₂, 및 φ₃는 각각 135°, 90°, 135°로 설계되었으며, 모서리각 ψ₁, ψ₂, ψ₃ 는 각각 0°, 90° 및 0°가 되도록 설계되었다.

하기 표 1은, FEM 계산을 통해 본 발명의 실시예 1과 비교예에 따른 결정립 미세화 방법의 유효 변형량을 산출한 결과를 나타낸 것이고, 도 6은 이를 그래프로 나타낸 것이다.

파이프 내측으로부터의 거리(mm)	유효변형량 (비교예)	유효변형량 (실시예 1)	실시예 1의 유효변형률상승율 (%)
0.0	2.45557	5.10135	107.7
0.5	2.28594	4.48559	96.2
1.0	2.13835	4.15458	94.3
1.5	2.0586	3.9156	90.2
2.0	2.00747	3.72422	85.5
2.5	1.98224	3.57977	80.6
3.0	1.96648	3.46297	76.1
3.5	1.95146	3.37777	73.1
4.0	1.92518	3.31665	72.3
4.5	1.88904	3.27797	73.5
5.0	1.85359	3.2623	76.0
5.5	1.80052	3.50101	94.4
6.0	1.73927	4.19243	141.0
6.5	1.75485	4.67422	166.4

상기 표 1과 도 6에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 결정립 미세화 방법은, 비교예와 비교할 때, 1회 공정을 통해 가할 수 있는 유효변형율이 약 2 배정도 높은 효율을 얻을 수 있다.

다시 말해, 목표 결정립 크기에 도달함에 있어서, 본 발명의 실시예들에 의하면 비교예에 비해 절반 정도의 공정 횟수로 달성할 수 있게 된다.

10: 원통형 백업 하우징
20: 외부금형
30: 내부금형
40: 펀치
50: 시편

Claims (5)

1. 관형 금속재료를 단면상 소정 각도로 꺾여진 금형으로 통과시켜 축관시키는 제 1 전단변형 단계;
   제 1 전단변형된 관형 금속재료를 단면상 상기 제1 전단변형단계와 반대되는 방향으로 꺾여진 금형으로 통과시켜 확관시키는 제2 전단변형단계; 및
   제 2 전단변형된 관형 금속재료를 초기 형상과 동일한 형상이 되도록 꺾여진 금형으로 통과시키는 제 3 전단변형단계;를 포함하며,
   상기 제 2 전단변형에서 내부금형과 외부금형에 의해 형성되는 공간의 두께를, 제1 전단변형단계 및 제 3 전단변형 단계의 내부금형과 외부금형에 의해 형성되는 공간의 두께에 비해 넓게 하는 것을 특징으로 하는 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 꺾여진 금형의 꺾임각(Φ) 또는 모서리각(Ψ)의 조절을 통해 전단변형량을 조절하는 것을 특징으로 하는 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금형은 반경방향으로 단면상 삼각형 형태로 돌출된 형태의 전단변형부가 형성되어, 확관 및 축관 변형을 수행할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 금형에는 상기 전단변형부가 2 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 관형 금속재료의 결정립 미세화 방법.
   

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