KR20090025941A - 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동일 크기를 갖는 세 개의 구리판재를 표면처리 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연공정으로 압연함으로써 170nm급 결정립경(grain size)을 가지도록 한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법은, 다수 인탈산동판재(120)를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 1 단계(S100)와, 세 개의 인탈산동판재(120)를 겹쳐 고정시키는 제 2 단계(S200)와, 겹쳐 고정된 인탈산동판재(120)를 66.7%의 압하율로 압연하여 접합하는 제 3 단계(S300)와, 압연된 인탈산동판재(120)를 3등분으로 절단하는 제 4 단계(S400)와, 3등분된 인탈산동판재(120)를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 5 단계(S500)를 포함하며, 상기 제 5 단계(S500) 이후에는 상기 제 2 단계(S200) 내지 제 5 단계(S500)가 순차적으로 실시되는 사이클이 다수 회 반복 실시됨을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 결정립경이 170nm급 동 소재를 기존의 2층의 반복겹침접합압연(ARB)보다 더욱 효과적으로 제조할 수 있는 이점이 있다.
3층반복겹침접합압연(ARB), 인탈산동판재, 연속, 반복

Description

3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법 {A manufacturing method of Phosphorus Dioxidized Copper sheet using three-layer stack accumulative roll-bonding process}
도 1 은 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 나타낸 공정개념도.
도 2 는 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법에서 겹침 및 고정단계가 완료된 인탈산동판재의 광학 현미경 조직사진.
도 3 은 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 1 싸이클(Cycle) 실시한 후의 EBSD 분석 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 3 싸이클(Cycle) 실시한 후의 EBSD 분석 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 5 싸이클(Cycle) 실시한 후의 EBSD 분석 사진.
도 6 은 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 7 싸이클(Cycle) 실시한 후의 EBSD 분석 사진.
도 7 은 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 실시함에 따른 결정립크기의 변화를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
S100. ..... 제 1 단계 120. ..... 인탈산동판재
S200. ..... 제 2 단계 S300. ..... 제 3 단계
320. ..... 롤러 S400. ..... 제 4 단계
420. ..... 절단기 S500. ..... 제 5 단계
본 발명은 인탈산동판재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일 크기를 갖는 세 개의 구리판재를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연함으로써 170nm급 결정립경(grain size)을 가지도록 한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법에 관한 것이다.
반복겹침접합압연(Accumulative Roll-Bonding; ARB)법은 금속소재의 결정립도(結晶粒度)를 서브마이크론(Submicron)까지 초미세화시킴으로써 기계적 특성을 향상시키는 강소성가공법 중의 하나이다.
반복겹침접합압연공정의 1 사이클은 표면처리된 2 개의 금속 판재를 겹쳐 접합압연을 실시한 후 절단하는 과정(즉, 표면처리 과정→겹침 과정→접합압연 과정→절단 과정)으로 이루어지며, 이러한 사이클은 다수회 반복실시되는 것이 보통이다.
일반적으로, 상기 반복겹침접합압연공정을 다수회 반복 실시하면, 금속 판재 에 큰 변형량이 부과되어 초미세 결정립이 형성되고 그 결과 고강도화가 이루어진 금속판재를 획득할 수 있게 된다.
그러나, 두 개의 금속판재에 대하여 반복겹침접합압연공정(2층 반복겹침접합압연공정이라고도 한다)을 실시할 때 인산탈동의 경우 8 사이클까지 진행되었을 때 200㎚의 결정립 미세화를 달성할 수 있다.
따라서, 많은 공정수가 요구되므로 생산성이 저하되는 문제점이 발생된다.
또한, 2층겹침접합압연공정의 경우 2개의 판재가 압연에 의해 접합 가능한 접합한계압하율은 50%이하로 한정되므로, 난(難)접합재료는 이러한 종래 기술을 통한 판재 생산이 불가능한 문제점이 있다.
상기한 이유로 결국 제조 시간 및 제조 경비가 증가하게 되므로 가격 경쟁력 차원에서 볼 때 바람직하지 못하다.
상기와 같은 기존의 ARB법의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 동일 크기를 갖는 세 개의 인탈산동판재를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연함으로써 170nm의 미세한 결정립이 형성되도록 한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 기존의 one pass 압연에 의한 반복겹침접합압연공정을 multi-pass화함으로써 기존의 tandem 식 압연설비를 활용하여 연속 생산이 가능하도록 한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법은, 다수 인탈산동판재를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 1 단계와, 세 개의 인탈산동판재를 겹쳐 고정시키는 제 2 단계와, 겹쳐 고정된 인탈산동판재를 66.7%의 압하율로 압연하여 접합하는 제 3 단계와, 압연된 인탈산동판재를 3등분으로 절단하는 제 4 단계와, 3등분된 인탈산동판재를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 5 단계를 포함하며, 상기 제 5 단계 이후에는 상기 제2단계 내지 제5단계가 순차적으로 실시되는 사이클이 다수 회 반복 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계의 압연은 25℃ ~ 250℃에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제 5 단계 이후에는 상기 제2단계 내지 제5단계가 연속적으로 다수 회 반복 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 단계가 완료된 인탈산동판재와 제 5 단계가 완료된 인탈산동판재는 동일한 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 170nm급 초미세결정립을 가지는 인탈산동판재를 연속적으로 제조할 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3층반복겹침접합압연공정에 의한 인탈산동판재 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 3층반복겹침접합암연공정을 이용한 인탈산동판재의 제조방법을 나타낸 공정개념도가 도시되어 있다.
이에 도시된 바에 따르면, 상기 반복겹침접합압연공정은 크게 4 단계로 구성된다. 즉, 다수 인탈산동판재(120)를 표면처리하는 제 1 단계(S100)와, 상기 제 1 단계(S100)를 거친 세 개의 인탈산동판재(120)를 겹쳐 고정시키는 제 2 단계(S200)와, 상기 제 2 단계(S200)를 거친 세 개의 인탈산동판재(120)를 압연하여 접합하는 제 3 단계(S300)와, 상기 제 3 단계(S300)를 거친 인탈산동판재(120)를 절단하는 제 4 단계(S400)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1 단계(S100)에서는 미리 준비된 동일 크기(두께 1, 폭 30, 길이 300)를 갖는 3매(枚)의 인탈산동판재(120)를 표면처리하게 된다. 이러한 표면처리는 상기 인탈산동동판재(120)의 각각의 표면을 아세톤(Acetone)이나 알코올(Alcohol) 등으로 탈지처리한 후, 3매의 인탈산동판재(120)가 서로 접촉하는 한쪽 면 즉 상기 제 3 단계(S300)에서의 압연에 의해 결합되는 면을 와이어브러싱(Wire brushung) 처리하는 것이다.
상기 제 1 단계(S100)를 거친 다음에는 세 개의 인탈산동판재(120)를 겹쳐 고정하는 제 2 단계(S200)가 진행된다. 제 2 단계(S200)는 상기 제 1 단계(S100)를 거친 세 개의 인탈산동판재(120)를 겹친 후, 상기 제 3 단계(S300)에서의 압연에서 어긋나지 않도록 스폿(Spot)용접이나 철사 등으로 세 개의 인탈산동판재(120)를 고정시키는 과정이다.
이렇게 고정시킨 상기 세 개의 인탈산동판재(120)는 2단압연기에서 압연하여 접합하게 되는 제 3 단계(S300)를 거치게 된다. 상기 제 3 단계(S300)는 상기 2단압연기의 롤러(320)에 상기 제 2 단계(S200)에서 겹쳐 고정된 3매의 인탈산동판재(120)를 삽입함으로써 냉간(冷間) 또는 온간압연(溫間壓延)하여 접합(Roll-Bonding)시키게 된다.
상기와 같은 냉간압연의 압하율(壓下率)은 66.7%로 기존의 2층 ARB의 압하율(壓下率)(50%)에 비해 크므로 접합이 더욱 양호하게 이루어지게 되고, 소재에 대해 1/3만큼의 두께 감소가 길이 방향으로 3배의 증가를 초래한다는 이론에 착안을 둔 것이다.
상기 제 3 단계(S300)에서 접합되어 하나가 된 인탈산동판재(120)는 제 4 단계(S400)를 거치게 된다. 상기 제 4 단계(S400)는 하나가 된 상기 인탈산동판재(120)를 절단기(420)를 사용하여 길이방향으로 3등분되게 절단하는 과정이다.
그리고 상기와 같이 제 1 단계(S100)에서 제 4 단계(S400)까지 거치는 과정을 1싸이클(Cycle)이라 하며, 상기 제 4 단계(S400)에서 3등분으로 절단된 상기 인탈산동판재(120)는 제 1 단계(S100)와 동일한 과정인 제 5 단계(S500)를 거치게 된다.
즉, 상기 제 4 단계(S400)에서 3등분으로 절단된 인탈산동판재(120)를 아세톤(Acetone)이나 알코올(Alcohol) 등으로 탈지처리한 후, 서로 접촉하는 한쪽 면 즉 상기 제 3 단계(S300)에서의 압연에 의해 결합되어질 면을 와이어브러싱(Wire brushung) 처리하는 것이다.
따라서, 상기 제 1 단계(S100)에서 제 5 단계(S500)가 완료된 이후에는 상기 제 2 단계(S200) 내지 제 5 단계(S500)가 순차적으로 실시되는 사이클이 다수 회 반복된다.
한편, 도 2 에는 본 발명에 따른 3층반복겹침접합압연공정 전(前)의 인탈산동의 광학현미경 조직사진이 도시되어 있고, 도 3 에는 본 발명의 바람직한 실시 예인 인탈산동으로 반복겹침접합압연공정을 1 싸이클 실시한 후의 EBSD (Electron Back-Scattering Diffraction) 측정 사진이 도시되어 있다.
그리고 도 4 에는 본 발명의 바람직한 실시 예인 인탈산동으로 반복겹침접합압연공정을 3 싸이클 실시한 후의 EBSD 측정 사진이 도시되어 있으며, 도 5 에는 본 발명의 바람직한 실시예인 인탈산동으로 반복겹침접합압연공정을 5 싸이클 실시한 후의 EBSD 측정 사진이 도시되어 있고, 도 6에는 반복겹침접합압연공정을 8 싸이클 실시한 후의 EBSD 측정 사진이 도시되어 있다.
먼저, 도 2 에 도시된 바에 따라 아래의 화학조성을 가지는 인탈산동의 3층반복겹침접합압연공정 전(前) 광학현미경 조직사진을 살펴보면, 재결정 조직을 나타내며 평균결정입경(Mean grain diameter)은 45로 나타나게 된다.
< 인탈산동의 화학조성 >
(wt%)
Cu O Pb Bi Fe P S
Bal. 0.0005 0.017 <0.0001 0.0001 0.02 0.005
도 3은 3층반복겹침접합압연을 1 싸이클 실시한 후 인탈산동 EBSD 측정 사진이다. 여기서 도 3의 (a)는 ND orientation colour map을 나타내고, 도 3의 (b)는 grain boundary misorientation map을 나타낸다.
도 3의 (a)에서와 같이, 1사이클 후에는 압연방향으로 결정립이 다소 연신(延伸)되어 있으며 초기재료에 비해 두께방향으로 결정립크기가 감소된다. 도 3의 (b)에서와 같이 1싸이클 후에는 방위각(misorientation,θ)이 15°이상인 고경각입계(high angle boundary)가 많이 형성되어 있지는 않다.
도 4는 3 싸이클 실시한 후의 인탈산동의 EBSD 측정 사진이다. 3사이클 후에는 결정립이 압연방향으로 더욱 연신되어 층상조직(lamella structure)을 나타내며 결정립 두께가 더욱 감소하게 된다.
도 5는 5 싸이클 실시한 후의 인탈산동의 EBSD 측정 사진이다. 도 5의 (a)에서와 같이 두께방향으로 결정립 크기가 더욱 작아진다. 또한, 길이 방향으로 결정립이 세분화되어 길이 방향으로의 결정립 크기도 초미세화되는 것을 알 수 있다.
그리고 도 5의 (b)에서와 같이, 3사이클 후의 재료는 1사이클 후의 재료(도 3b)에 비해, 고경각입계의 분율이 매우 증가하였으며, 입계의 대부분이 고경각입계로 구성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 6은 7 싸이클 실시한 후의 인탈산동의 EBSD 측정 사진이다. 도 6의 (a)에서와 같이 결정립 크기는 더욱 더 미세화되며, 또한 결정립 모양이 등축화(equiaxed)되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 5사이클 후의 시편(도 5의 (b))과 유사하게 입계의 대부분이 고경각입계로 구성되어 있다.
도 7은 3층ARB에 따른 결정립 크기의 감소를 그림으로 나타낸 것이다. 초기 결정립 크기가 45㎛(도 2)이였던 것이 1사이클 후에 1.49㎛, 3사이클 후에 0.43㎛, 5사이클 후에 0.23㎛, 그리고 7사이클 후에는 0.17㎛(170nm)로 결정립이 매우 미세화되는 것을 알 수 있다. 즉, 7사이클의 3층ARB에 의해 결정립경이 170nm급 초미세결정립 인탈산동을 제조할 수 있게 된 것이다.
이러한 결과는 3층반복겹침접합압연(ARB)법이 8 싸이클 이후에 200nm의 초미세결정립 제조가 가능했던 2층ARB법에 비해 인탈산동의 결정립 초미세화에 더욱 효과적임을 잘 나타내 주는 것이다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시 예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 3층반복겹침접합압연공정에 의한 170nm급 인탈산동판재의 제조방법에서는, 동일 크기를 갖는 세 개의 인탈산동판재를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연하는 과정을 연속적으로 다수 회 반복하도록 구성하였다.
따라서, 3층반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압하시 압하율이 증거하게 되므로 생산성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 3층반복겹침접합압연의 경우 접합한계압하율을 50% 이상으로 높여 적용할 수 있게 되어 접합성이 향상되므로, 난(難)접합재료의 반복겹침접합압연이 가능한 이점이 있다.
뿐만 아니라, 높은 압하율로 인하여 롤러와 인탈산동판재 사이에는 큰 마찰 에 의한 전단변형이 발생하게 되므로 더욱 더 미세한 결정립이 형성되어 기계적 성질이 향상되는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 다수 인탈산동판재를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 1 단계와,
    세 개의 인탈산동판재를 겹쳐 고정시키는 제 2 단계와,
    겹쳐 고정된 인탈산동판재를 66.7%의 압하율로 압연하여 접합하는 제 3 단계와,
    압연된 인탈산동판재를 3등분으로 절단하는 제 4 단계와,
    3등분된 인탈산동판재를 탈지(脫脂)하고 일면을 와이어브러싱(Wire brushing)하여 표면처리하는 제 5 단계를 포함하며,
    상기 제 5 단계 이후에는 상기 제2단계 내지 제5단계가 순차적으로 실시되는 사이클이 다수 회 반복 실시됨을 특징으로 하는 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계의 압연은 25℃ ~ 250℃에서 실시됨을 특징으로 하는 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 5 단계 이후에는 상기 제2단계 내지 제5단계가 연속적으로 다수 회 반복 실시됨을 특징으로 하는 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 단계가 완료된 인탈산동판재와 제 5 단계가 완료된 인탈산동판재는 동일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3층반복겹침접합압연공정을 이용한 인탈산동판재 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101227014B1 (ko) * 2011-01-12 2013-01-28 한국기계연구원 고강도 고전기전도도 나노결정립 다층 동합금 판재 및 이의 제조방법
KR101384799B1 (ko) * 2012-12-28 2014-04-21 재단법인 포항산업과학연구원 클래드재 제조장치 및 그 제조방법
CN115703856A (zh) * 2021-08-04 2023-02-17 中国科学院金属研究所 一种Ti3AlC2-树脂复合材料及其制备方法

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