KR20030004666A

KR20030004666A - 반응고 소재의 성형성 평가장치

Info

Publication number: KR20030004666A
Application number: KR1020010040288A
Authority: KR
Inventors: 한도석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-15

Abstract

본 발명은 반응고 소재의 성형성 평가장치에 관한 것으로서, 반응고 소재의 성형성을 평가하기 위하여 가열로 내부의 시편홀더에 고상의 시편을 넣고 이 시편을 원하는 반응고 영역의 온도까지 가열한 후 상부 압축판으로 하방향 압축함과 동시에 임의의 시간에서 시편의 높이 변형량을 측정함으로써, 진변형률, 진변형률 속도, 진응력 등을 측정하는 반응고 소재의 성형성 평가장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 소량의 시편으로도 측정이 가능하고, 측정시 소비되는 에너지의 양을 줄일 수 있으며, 측정의 간편화와 측정시간 단축을 이룰 수 있다.

또한, 시편의 압축에 의한 측정이므로 높은 고상율 시편의 평가가 가능하고, 시편 다루기가 용이한 효과가 있다.

Description

반응고 소재의 성형성 평가장치{Apparatus for estimating formability of semi-solid materials}

본 발명은 반응고 소재의 성형성 평가장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응고 소재의 성형성을 평가하기 위하여 가열로 내부의 시편홀더에 고상의 시편을 넣고 이 시편을 원하는 반응고 영역의 온도까지 가열한 후 상부 압축판으로 하방향 압축함과 동시에 임의의 시간에서 시편의 높이 변형량을 측정함으로써, 진변형률, 진변형률 속도, 진응력 등을 측정하는 반응고 소재의 성형성 평가장치에 관한 것이다.

일반적으로 고상과 액상이 공존하는 반응고 상태의 금속 또는 합금 등의 성형성을 평가하기 위하여 종래에는 평가하고자 하는 소재를 반응고(半凝固) 상태로 부분적으로 용융한 후 그 점도 등을 측정하는 방법으로 실시하였다.

여기서, 평가결과로서, 반응고 소재(素材)의 점도가 클수록 성형성이 나쁘다는 것을 의미한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 점도 측정에 의한 반응고 소재의 성형성 평가장치를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 종래의 반응고 소재 성형성 평가장치를 나타내는 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 회전 가능하게 설치된 토크바(torque bar)(10) 하단부에 소정의 테이퍼 각을 가지는 테이퍼 부재(12)가 체결되어 있고, 이 테이퍼 부재(12)는 내측면이 상기 테이퍼 각과 동일한 경사각을 가지는 컵(14) 내부에 삽입된다.

성형성을 평가하고자 하는 반응고 소재(16)는 부분적으로 미리 용융된 상태로 상기 컵(14)과 테이퍼 부재(12) 사이의 공간에 채워지게 된다.

여기서, 상기 토크바(10)를 회전시키게 되면 반응고 상태인 소재(16)가컵(14)과 테이퍼 부재(12) 사이의 공간에서 전단응력을 받게 되고, 이때 상기 토크바(10)의 회전토크와 회전속도를 측정하게 되면 이 측정값으로부터 반응고 소재(16)의 점도를 구할 수 있게 된다.

상기와 같이 이루어진 측정장치를 이용하면 고상율 0.6(고상 60% + 액상 40%) 미만에서 전단변형률 0.001 ~ 1000 s^-1의 점도를 구할 수 있다.

여기서, 측정된 회전토크와 회전속도가 클수록 점도가 큰 것이므로 이는 반응고 소재의 성형성이 나쁘다는 것을 의미한다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 반응고 소재 성형성 평가장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

1) 평가하고자 하는 반응고 소재가 테이퍼 부재와 컵 사이의 공간에서 테이퍼 부재를 완전히 감쌀 수 있도록 채워져야 하므로 다량(수 ㎏)의 용융된 금속을 필요로 한다.

2) 측정이 끝난 후 컵이 오염되기 때문에 다른 반응고 소재를 평가하기 위해서는 컵 내부를 깨끗이 씻어야 하는 불편함이 있다.

3) 반응고 소재가 채워진 상태에서 토크바에 의해 테이퍼 부재가 회전해야 하므로 높은 고상율, 즉 0.6 이상에서는 측정이 불가능하다.

따라서, 이에 대한 대처방안이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 소량의 시편으로도 측정이 가능하고, 측정이 끝난 후 컵 내부를 깨끗이 씻어야 하는 등의 불편함 없이 측정이 간편해지며, 시편의 보다 높은 고상율에서 성형성 평가가 가능한 반응고 소재의 성형성 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 반응고 소재의 성형성 평가장치를 나타내는 단면도,

도 2는 종래의 반응고 소재의 성형성 평가장치를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 시편20 : 가열장치

22 : 가열로24 : 시편홀더

26 : 온도센서30 : 압축장치

32 : 하부 압축판34 : 상부 압축판

36 : 가압수단38 : 가압로드

40 : 변형량 측정수단50 : 제어기

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

상기한 목정을 달성하기 위한 본 발명은: 원하는 반응고 온도 영역의 시편 온도까지 내부를 가열시키는 가열로(22)와, 이 가열로(22) 내부에서 시편(1)을 담게 되며 가열로(22)로부터 공급된 열을 시편(1)에 전할 수 있도록 된 시편홀더(24)와, 시편(1)의 온도를 측정하는 온도센서(26)와, 상기 시편홀더(24) 내부에서 시편(1)이 놓여지는 하부 압축판(32)과, 이 하부 압축판(32)과 평행 배치되고 시편(1)의 상면을 하방향 압축하게 되는 상부 압축판(34)과, 하단부가 상기 상부 압축판(34)과 수직을 이루어 일체로 되고 상기 상부 압축판(34)을 하방향 이동시키기 위하여 가압수단(36)에 연결된 가압로드(38)와, 시편(1)의 높이 변형량을 측정하는 변형량 측정수단(40)과, 시편 온도에 따라 상기 가열로(22)를 제어하기 위하여 상기 온도센서(26) 및 가열로(22)에 연결되고 시편(1)의 높이 변형량으로부터 진변형률과 진변형률 속도와 진응력 중 적어도 하나를 계산하기 위하여 상기 변형량 측정수단(40)과 연결된 제어기(50)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 가압수단(36)은 미리 설정된 하방향의하중을 가압로드(38)로 전할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변형량 측정수단(40)은 상기 가압로드(38)에 설치되고 시편(1)의 높이 변형량을 측정하기 위하여 하방향 이동하는 상기 상부 압축판(34)의 변위를 측정하도록 된 선형 전압-변위 변환기인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 반응고 소재의 성형성 평가장치를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 반응고 소재의 성형성을 평가하기 위하여 소재를 반응고 영역의 온도까지 가열한 후 하중을 가하여 진변형률, 진변형률 속도, 진응력 등을 측정하는 성형성 평가장치를 제공한다.

본 발명의 성형성 평가장치에서는 상/하면이 편평하고 높이가 일정하며 단면적 및 높이를 알고 있는 고상의 시편(specimen)(1)을 사용하게 되며, 이 시편의 예로서, 측정하고자 하는 소재를 직경 및 두께를 알고 있는 디스크 형상의 시편으로 가공한다.

본 발명은 반응고 상태에서 하중이 가해지는 시편(1)의 진변형률 및 진변형률 속도, 진응력를 측정하고, 진변형률 및 진변형률 속도가 클수록 성형성이 좋고 진응력이 클수록 성형성이 나쁘다는 원리를 이용하게 된다.

여기서, 상기 진변형률, 진변형률 속도, 진응력을 측정하기 위하여 하중이 가해진 시편(1)의 높이 및 단면적의 변형량을 시간의 함수로 측정하게 된다.

본 발명은 그 실시예로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 가열장치(20)와, 압축장치(30)와, 변형량 측정수단(40)과, 제어기(50)로 구성된다.

상기 가열장치(20)는 시편(1)을 담은 시편홀더(24)를 수용하여 상기 시편(1)을 원하는 반응고 영역의 온도까지 가열시키는 장치로서, 내부를 가열시키는 가열로(22)와, 이 가열로(22) 내부에서 시편(1)을 담게 되며 가열로(22)로부터 공급된 열을 시편(1)에 전할 수 있도록 된 시편홀더(24)와, 시편(1)의 온도를 측정하는 온도센서(26)를 포함하여 이루어진다.

상기 온도센서(26)는 열전대(thermocouple)로 실시될 수 있으며, 상기 온도센서(26)는 측정된 온도신호를 이후 설명될 제어기(50)에 입력하는 바, 상기 제어기(50)는 가열로(22)를 제어하여 시편(1)의 정확한 온도조절이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 시편홀더(24)는 가열로(22)로부터 공급되는 열이 시편(1)으로 잘 전달될 수 있도록 열전도도가 높은 재질로 제조되는 것이 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 압축장치(30)는 시편홀더(24) 내부에서 반응고 상태인 시편(1)에 미리 설정된 하중을 가하여 시편(1)의 압축변형을 유도하는 바, 시편(1)이 놓여지는 하부 압축판(32)과, 시편(1)의 상면을 하방향 압축하게 되는 상부 압축판(34)과, 하단부가 상기 상부 압축판(34)과 수직을 이루어 일체로 되고 상기 상부 압축판(34)을 하방향 이동시키기 위하여 가압수단(36)에 연결된 가압로드(38)를 포함하여 이루어진다.

상기 가압수단(36)은 가압로드(38)를 통해 미리 설정된 하중을 상부 압축판(34)에 부여하게 되며, 설정된 크기의 하중을 상부 압축판(34)에 부여할 수있는 것이라면 그 어떠한 것으로도 실시 가능하다.

여기서, 상기 상부(34) 및 하부 압축판(32)은 서로 평행을 이루도록 되어 있고 시편(1)과의 접합면을 편평하게 하여 시편(1)의 상면과 하면이 각 해당 압축판(32, 34)에 완전 밀착될 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 상부(34) 및 하부 압축판(32)은 내열성이 좋고 가공이 용이한 재료를 재질로 하여 제조되고, 바람직하게는 세라믹을 재질로 하여 제조된다.

다음으로, 상기 변형량 측정수단(40)은 시편(1)의 높이 변형량을 시간의 함수로 측정하게 되며, 임의의 시간에서 시편(1)의 높이 변형량을 이후 설명될 제어기(50)의 데이타 수집부(54)에 입력하게 된다.

여기서, 시편(1)의 단면적은 제어기(50)에 입력된 시편(1)의 높이로부터 계산되는 바, 압축에 의한 시편(1)의 변형동안 시편(1)의 체적은 일정하므로, 임의의 시간에서의 시편 단면적은 변형량 측정수단(40)에 의해 측정된 임의의 시간에서의 시편 높이로부터 얻어질 수 있다.

상기 변형량 측정수단(40)은 선형 전압-변위 변환기(LVDT:Linear Voltage-Displacement Transducer)로 실시될 수 있으며, 이는 시편(1)을 압축함과 동시에 하방향으로 이동하는 상부 압축판(34)의 변위를 측정함으로써, 시편(1)의 높이 변형량을 측정하게 된다.

상기 선형 전압-변위 변환기는 가압로드(38)에 설치될 수 있으며, 전압과 변위의 선형성(linearity)을 높이기 위하여 선형 전압-변위 변환기가 설치된 상기 가압로드(38)는 상부 압축판(34)과 정확히 직각이 되도록 한다.

다음으로, 상기 제어기(50)는 온도제어부(56) 및 데이타 수집부(54), 연산부(52)를 포함하는 바, 상기 온도제어부(56)는 온도센서(26)로부터 검출된 온도신호를 입력받아 이 온도신호에 따라 가열로(22)를 제어하며, 시편(1) 주변의 정확한 온도조절이 이루어지도록 한다.

즉, 상기 가열로(22)는 제어기(50)의 제어신호에 따라 시편(1)의 온도가 원하는 반응고 영역의 온도가 될 때까지 내부를 가열시키게 되는 것이다.

또한, 상기 데이타 수집부(54)는 변형량 측정수단(40)으로부터 시간의 함수로 측정된 시편(1)의 높이 변형량을 수집하고, 상기 연산부(52)는 데이타 수집부(54)로부터 수집된 시편(1)의 높이 변형량 데이타를 이용하여 진변형률, 진변형률 속도 및 진응력를 계산하게 된다.

상기 제어기(50)에서 시편(1)의 높이 변화를 이용하여 진변형률, 진변형률 속도, 진응력을 계산하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 진변형률은 다음의 식으로 정의된다.

(1')

여기서,는 초기 시편의 높이이고,는 임의의 시간에서 시편의 높이이다.

상기 (1')식은 압축시험에서는 다음과 같이 된다.

(2')

다음으로, 진변형률 속도는 다음의 식으로 정의된다.

(3')

여기서,는 진변형률의 증가량이고,는 시간의 증가량이다.

따라서 진변형률 속도는 진변형률-시간의 선도와 (3')식으로부터 얻어질 수 있다.

다음으로, 진응력은 다음의 식으로 정의된다.

(4')

여기서,는 상부 압축판을 통해 시편의 상면에서 하방향으로 가해지는 설정된 하중이고,는 임의의 시간에서 상기 하중이 가해진 시편의 단면적이다.

상기 임의의 시간에서의 시편 단면적은 위에서 설명한 바와 같이 임의의 시간에서의 시편 높이로부터 얻어질 수 있다.

시험중 시편의 체적이 일정하다고 가정하면,

(5')

이며,및는 각각 초기 및 임의의 시간에서 시편의 체적이된다.

상기 식(5')는

(6')

이 되고, 여기서,및는 각각 초기 및 임의의 시간에서 시편의 단면적이다.

따라서, 상기 식(2')와 식(4')와 식(6')으로부터 진응력이 다음과 같이 얻어질 수 있다.

(7')

이하, 본 발명에 따른 성형성 평가장치를 이용한 평가방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 가열로(22) 내부의 시편홀더(24) 내부에 하부 압축판(32)과 시편(1)을 위치시키고, 상부 압축판(34)을 시편(1) 상부로부터 이 상부 압축판(34)의 열팽창을 고려한 미세 간격(약 200㎛)이 될 때까지 하방향으로 이동시킨다.

다음으로, 제어기(50)에 실험조건, 즉, 원하는 반응고 영역의 온도, 이 온도에서의 시편 유지시간, 승온속도 및 냉각속도, 샘플링 시간 등을 결정하여 입력하고, 가열로(22)를 통해 시편(1)의 온도를 원하는 반응고 영역의 온도까지 가열시킨다.

시편(1)의 온도가 원하는 반응고 영역의 온도까지 도달하면 상부 압축판(34)으로 시편(1)의 상면에 설정된 하중을 가하여 시편(1)을 압축한다.

이때, 제어기(50)는 온도센서(26)의 온도신호를 통해 정해진 측정시간동안 시편(1)의 온도를 요구된 반응고 영역의 온도에서 유지시키게 되며, 하중이 가해진 시편(1)의 높이 변형량을 시간의 함수로 입력받아 상기한 식에 의거 진변형률 및 진변형률 속도, 진응력을 계산하게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 다량의 시편(㎏)이 요구되는 종래의 성형성 평가장치에 대비하여 소량의시편(g)으로도 측정이 가능하다.

2) 작은 압축하중으로도 편석없이 크게 변형시킬 수 있으므로 토크바를 회전시켜야 하는 종래의 성형성 평가장치에 대비하여 소비되는 에너지의 양을 줄일 수 있다.

3) 측정이 끝난 후 컵 내부를 깨끗이 씻어야 하는 불편함 없이 소형의 시편홀더만 씻어내거나 교환하면 되므로 측정이 간편해지고, 측정시간이 단축될 수 있다.

4) 시편의 압축에 의한 측정이므로 종래의 성형성 평가장치에 대비하여 보다 높은 고상율 시편의 측정이 가능하다.

5) 용융금속을 취급하지 않으므로 시편 다루기가 용이하다.

Claims

원하는 반응고 온도 영역의 시편 온도까지 내부를 가열시키는 가열로(22)와, 이 가열로(22) 내부에서 시편(1)을 담게 되며 가열로(22)로부터 공급된 열을 시편(1)에 전할 수 있도록 된 시편홀더(24)와, 시편(1)의 온도를 측정하는 온도센서(26)와, 상기 시편홀더(24) 내부에서 시편(1)이 놓여지는 하부 압축판(32)과, 이 하부 압축판(32)과 평행 배치되고 시편(1)의 상면을 하방향 압축하게 되는 상부 압축판(34)과, 하단부가 상기 상부 압축판(34)과 수직을 이루어 일체로 되고 상기 상부 압축판(34)을 하방향 이동시키기 위하여 가압수단(36)에 연결된 가압로드(38)와, 시편(1)의 높이 변형량을 측정하는 변형량 측정수단(40)과, 시편 온도에 따라 상기 가열로(22)를 제어하기 위하여 상기 온도센서(26) 및 가열로(22)에 연결되고 시편(1)의 높이 변형량으로부터 진변형률과 진변형률 속도와 진응력 중 적어도 하나를 계산하기 위하여 상기 변형량 측정수단(40)과 연결된 제어기(50)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반응고 소재의 성형성 평가장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가압수단(36)은 미리 설정된 하방향의 하중을 가압로드(38)로 전할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 반응고 소재의 성형성 평가장치.
제 1 항에 있어서, 상기 변형량 측정수단(40)은 상기 가압로드(38)에 설치되고 시편(1)의 높이 변형량을 측정하기 위하여 하방향 이동하는 상기 상부 압축판(34)의 변위를 측정하도록 된 선형 전압-변위 변환기인 것을 특징으로 하는 반응고 소재의 성형성 평가장치.