KR101866127B1 - 표면연마를 적용시켜 기계적 성질이 향상된 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법 - Google Patents

표면연마를 적용시켜 기계적 성질이 향상된 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면연마를 적용시켜 기계적 성질이 향상된 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 봉재에 비틀림을 가하는 공정; 및 상기 비틀림을 가하는 공정에 의해 상기 금속 봉재의 표면에 생성되는 표면 결함을 제거하는 공정을 포함하되, 상기 표면 결함을 제거하는 공정은, 상기 비틀림을 가하는 공정과 함께 이루어지는 연속 방식 또는 상기 비틀림을 가하는 공정을 일시적으로 중단하고 실시하는 단속 방식으로 수행하며, 상기 금속 봉재에 가해지는 비틀림 회전량 또는 전단 변형률을 증가시키는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법을 제공한다.

Description

표면연마를 적용시켜 기계적 성질이 향상된 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법{SIMPLE TORSION-BASED SEVERE PLASTIC DEFORMATION OF METALLIC BAR ENHANCED MECHANICAL PROPERTIES BY SURFACE ABRASION}
본 발명은 기존의 금속 봉재에 비틀림 강소성을 가하는 방법에 표면 연마를 적용한 것으로서, 보다 구체적으로는 형상을 실질적으로 유지하면서 비틀림을 통한 거대한 전단 응력을 가하여 형성되는 전단 변형을 통해 구배 구조를 형성하며 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화시켜 소재의 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법에 관한 것이다.
금속재료에 소성 변형이 가해지면 소경계각 전위셀 구조가 형성되고 소성 변형량이 증가할수록 전위셀 아결정립의 결정립계각 증가와 더불어 결정립이 점차 미세화되는 현상이 발생한다. 이를 이용하여 소재에 큰 소성 변형을 가해주어 결정립을 초미세결정립화 또는 나노결정립화하게 되면 변형 전의 금속소재와 비교하여 그 기계적 성질(강도, 경도, 내연마성 및 초소성 등)이 매우 향상되므로, 종래의 형상 성형을 위주로 한 소재 가공법에서 벗어나 새로운 초미세/나노결정소재를 제조하기 위한 가공법으로서 그 중요성과 필요성이 점차 커지고 있다.
이러한 초미세/나노결정립 형성에는 압축, 인장, 전단 변형과 같은, 소재에 가해지는 소성변형량이 중요할 뿐 아니라, 많은 양의 소성변형량을 가할 수 있는 반복공정이 가능하도록 공정 전후의 소재의 형상이 실질적으로 동일하게 금형을 설계하는 것이 중요하다.
이러한 조건을 만족하는 강소성 가공법으로는 현재까지, 등통로각압축 공정(ECAP: Equal Channel Angular Pressing), 고압비틀림 공정(HPT: High-Pressure torsion), 반복접착압연 공정(ARB: Accumulative Roll Bonding), 등통로각압연 공정(ECAR: Equal Channel Angular Rolling) 등이 개발되어 있다.
하지만 초미세/나노결정소재가 형성될 경우 강도, 경도가 향상되는 반면 연성이 감소하는 현상이 발생한다. 이러한 연성이 감소하는 현상을 해결하기 위한 해결책으로 결정립 크기의 구배 구조가 제시되고 있다. 금속소재가 결정립 크기에 있어서 구배 구조를 가질 경우, 큰 결정립으로 이루어진 영역에 의해 연성이 증가하고 초미세/나노결정립으로 이루어진 영역에 의해 강도, 경도가 향상되어 상반되는 기계적 성질들이 양립할 수 있게 된다. 따라서 초미세/나노결정립화된 금속소재에 있어서 구배 구조는 연성 감소 문제의 해결책으로 대두되고 있다.
기존 강소성 가공법 중 고압비틀림 공정(HPT: High-Pressure torsion)을 통해 구배 구조를 형성할 수 있는데, 이 가공법의 경우 높은 압력을 필요로 하기 때문에 생산되는 재료의 크기가 제한된다는 단점이 있다. 따라서 구배 구조를 가지는 벌크 재료를 생산하는 가공법으로써 단순 비틀림 공정이 요구되고 있다.
이러한 비틀림 강소성 공정의 경우 전단 파괴현상에 의해 중단 되는데 충분한 소성 변형이 가해지지 않은 채 중단되는 경우가 있어 전단 파괴현상을 지연시키는 기법이 요구되고 있다. 비틀림 가공법의 경우 중심축으로부터 거리가 멀어질수록 많은 양의 변형이 가해지는 특징을 가지고 있다. 따라서 가장 많은 양의 변형이 가해지는 표면에서 결함이 생성되고 공정이 진행되면서 결함이 생긴 지점에서 전단 파괴현상이 진행된다.
한국등록특허공보 제10-1323168호(2013.10.23)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 금속 봉재에 비틀림 강소성을 가하는 과정에 표면 연마 공정을 추가하여 기존 비틀림 가공에 비해 대변형 가공이 가능하고 미세 조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화 시킬 수 있으며 결정립 크기의 구배 구조를 형성하여 금속 봉재의 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 봉재에 비틀림을 가하는 공정; 및 상기 비틀림을 가하는 공정에 의해 상기 금속 봉재의 표면에 생성되는 표면 결함을 제거하는 공정을 포함하되, 상기 표면 결함을 제거하는 공정은, 상기 비틀림을 가하는 공정과 함께 이루어지는 연속 방식 또는 상기 비틀림을 가하는 공정을 일시적으로 중단하고 실시하는 단속 방식으로 수행하며, 상기 금속 봉재에 가해지는 비틀림 회전량 또는 전단 변형률을 증가시키는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법을 제공한다.
본 발명의 비틀림 강소성 가공법에 의하면, 금속 봉재 형상을 유지하며 재료에 전단 변형을 가하여 결정립 크기의 구배 구조를 형성시킬 수 있고 미세조직의 초미세결정립화가 가능하여, 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 표면 연마를 통해 기존 비틀림 변형보다 더 많은 양의 변형을 가하여 구배 정도 및 미세조직의 미세결정립화 정도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 회전 속도를 조절하여 비틀림 변형의 조절 및 기계적 성질의 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은, 금형의 회전수를 조절하여 재료에 가해지는 변형량을 자유자재로 조절할 수 있어 금속 봉재의 물성 강화 및 미세조직 조절에 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비틀림 강소성 가공법과 가공 장비를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 시편의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비틀림 강소성 가공 공정 전후 각각의 금속 봉재를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 봉재의 경도를 기존 금속 봉재와 비교한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 가공한 금속 봉재에서 분석을 실시한 영역을 나타낸 모식도이다.
도 6은 단순 비틀림 가공을 마친 금속봉재의 후방산란전자회절(EBSD) 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속봉재의 후방산란전자회절(EBSD) 분석 결과이다.
도 8은 금속 봉재에 대한 단순 비틀림 가공과 본 발명의 실시예를 비교한 표이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 기존 비틀림 공정에 표면의 결함을 연속적으로 제거하는 공정을 추가하여 전단 파괴현상을 지연시켜 재료에 충분한 소성 변형량을 가하여 초미세결정립 또는 나노결정립 형성 과정을 개선하도록 제안되었다.
본 발명의 표면 처리를 적용할 경우 기존의 비틀림 강소성 가공법에 비해 표면 파괴를 지연시킴으로써 더욱 커다란 변형을 부과시키고 더욱 미세한 초미세결정립화 또는 나노경정립화 정도를 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비틀림 강소성 가공법과 가공 장비를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 시편의 단면을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법은 금속 봉재에 비틀림을 가하는 공정, 및 상기 비틀림을 가하는 공정에 의해 상기 금속 봉재의 표면에 생성되는 표면 결함을 제거하는 공정을 포함하되, 상기 표면 결함을 제거하는 공정은, 상기 비틀림을 가하는 공정과 함께 이루어지는 연속 방식 또는 상기 비틀림을 가하는 공정을 일시적으로 중단하고 실시하는 단속 방식으로 수행하며, 상기 금속 봉재에 가해지는 비틀림 회전량 또는 전단 변형률을 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 비틀림을 가하는 공정은 한쌍의 금형 사이에 금속 봉재를 설치하는 단계 및 한쌍의 금형 중 적어도 하나를 회전시켜 금속 봉재의 비틀림을 실행하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들면, 금속 봉재의 상하부 양측에 금속 봉재의 형상에 맞춘 금형을 장착하고, 금속 봉재에 비틀림을 가하면서 표면 연마 작업을 실행하여 금속 봉재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화 시키며 결정립 크기의 구배 구조를 형성할 수 있다.
여기서, 금속 봉재의 비틀림을 실행하는 단계에서는 전단 응력에 의해 형성되는 전단 변형을 이용하여 금속 봉재에서 결정립 크기의 구배 구조를 형성할 수 있다.
표면 결함을 제거하는 공정은 연마 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 연마 공정은 표면 연마 공정으로서, 탄화규소(SiC) 연마지를 사용하거나, 비틀림 회전량 또는 전단 변형률이 증가할수록 표면 거칠기가 감소하는 연마재를 사용하여 수행할 수 있다.
또한, 표면 연마 공정에서는 금형으로부터 금속 봉재를 분리한 후 금속 봉재의 표면을 단속적으로 연마하거나, 금형에 의해 고정된 금속 봉재의 표면을 연속적으로 연마할 수 있다.
이때, 표면 연마 공정에서는 x400, x600, x800, x1200 크기의 탄화규소(SiC) 연마지(paper)를 사용할 수 있다. 각각의 탄화규소 연마지의 표면 거칠기는 22㎛, 15㎛, 10㎛, 5㎛로 특정 탄화규소 연마지로 표면 연마를 진행하였을 때 해당 거칠기 이하로 시편(금속 봉재) 표면의 거칠기가 형성되게 된다.
또한, 표면 연마 공정을 단속적으로 수행할 경우 1회당 비틀림 공정 과정 중에 형성된 표면의 거칠기를 약 5㎛ 이하로 연마할 수 있다.
만약, 표면 연마 공정에서 비틀림에 의해 형성된 표면의 결함을 약 5㎛ 이하로 연마하지 않고 다음 단계로 넘어갈 경우, 남아있는 결함에서 전단 파괴현상이 진행되어 비틀림 공정이 중단되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 표면의 결함이 제거되었음에도 불구하고 지나치게 표면 연마를 진행할 경우 필요 이상으로 시편의 단면적이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
일정 회전 속도로 비틀림 공정을 진행하였을 때, 재료 본연의 물성에 따라 전단 파괴현상이 발생하여 변형이 중단되는 최대 비틀림 회전량 또는 최대 전단 변형률이 다를 수 있다.
본 발명에서는 표면 연마를 통해 전단파괴 현상을 지연시켜 각 재료의 최대 비틀림 회전량 또는 최대 전단 변형률을 증가시키기 위해 비틀림을 가하는 공정 중에 x400, x600, x800, x1200 탄화규소(SiC) 연마지(paper) 순서로 표면 연마 작업을 실시할 수 있다. 이때, 금속 봉재의 최대 비틀림 회전량 또는 최대 전단 변형률에 가까워질수록 표면 연마 작업 빈도 또는 횟수를 늘려 스트레스(응력)가 집중되는 지점의 표면 결함을 제거함으로써 최대 비틀림 회전량 또는 최대 전단 변형률이 증가되는 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 기존 금속 봉재에 비해 최대 비틀림 회전량 또는 최대 전단 변형률을 증가시켜 더 많은 소성 변형을 가해 향상된 초미세결정립화 또는 나노결정립화와, 결정립 크기의 구배 구조를 형성하여 금속 봉재의 물성 강화 및 미세조직 조절에 용이하다. 또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 표면 연마를 통해 기존의 단순 비틀림 공정에 비해 더 많은 전단 소성 변형을 가하여 강도 및 경도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비틀림을 가하는 공정 전후 각각의 금속 봉재를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 봉재의 경도를 기존 금속 봉재와 비교한 결과이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속 봉재는 표면 연마에 의해 더 많은 변형량이 가해진 것과 향상된 경도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 가공한 금속 봉재에서 분석을 실시한 영역을 나타낸 모식도이다.
도 6은 단순 비틀림 가공을 마친 금속봉재의 후방산란전자회절(EBSD) 분석 결과이다. 여기서는, 도 5의 위치를 기반으로 분석을 진행하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금속봉재의 후방산란전자회절(EBSD) 분석 결과이다. 여기서는, 도 5의 위치를 기반으로 분석을 진행하였다.
도 8은 금속 봉재에 대한 단순 비틀림 가공과 본 발명의 실시예를 비교한 표이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속 봉재의 초미세결정립화 또는 나노결정립화의 정도를 확인 할 수 있다.
본 발명의 비틀림 강소성 가공법에 의하면, 금속 봉재 형상을 유지하며 재료에 전단 변형을 가하여 결정립 크기의 구배 구조를 형성시킬 수 있고 미세조직의 초미세결정립화가 가능하여, 재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 표면 연마를 통해 기존 비틀림 변형보다 더 많은 양의 변형을 가하여 구배 정도 및 미세조직의 미세결정립화 정도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은 회전 속도를 조절하여 비틀림 변형의 조절 및 기계적 성질의 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 비틀림 강소성 가공법은, 금형의 회전수를 조절하여 재료에 가해지는 변형량을 자유자재로 조절할 수 있어 금속 봉재의 물성 강화 및 미세조직 조절에 용이하다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

  1. 금속 봉재에 비틀림을 가하는 공정; 및
    상기 비틀림을 가하는 공정에 의해 상기 금속 봉재의 표면에 생성되는 표면 결함을 제거하는 공정을 포함하되,
    상기 표면 결함을 제거하는 공정은, 상기 비틀림을 가하는 공정과 함께 이루어지는 연속 방식 또는 상기 비틀림을 가하는 공정을 일시적으로 중단하고 실시하는 단속 방식으로 수행하며,
    상기 금속 봉재에 가해지는 비틀림 회전량 또는 전단 변형률을 증가시키는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면 결함을 제거하는 공정은 연마 공정을 포함하는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연마 공정은 탄화규소(SiC) 연마지를 사용하는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연마 공정은 비틀림 회전량 또는 전단 변형률이 증가할수록 표면 거칠기가 감소하는 연마재를 사용하여 수행되는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연마 공정을 단속 방식으로 수행할 경우, 1회당 비틀림 공정 과정 중에 형성된 표면의 거칠기를 5㎛ 이하로 연마하는, 금속 봉재의 비틀림 강소성 가공법.

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