KR20130016761A - 복합 소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법 및 이에 의해 복합 소재화 또는 합금화된 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마찰 교반 프로세스 방법에 관한 것으로서, 특히 소재의 원하는 영역을 복합소재화 또는 합금화를 시키기 위한 마찰 교반 프로세스 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 복합 소재화 또는 합금화된 구조체에 관한 것이다.

Description

복합 소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법 및 이에 의해 복합 소재화 또는 합금화된 구조체 {FRICTION STIR PROCESS METHOD CAPABLE OF PRODUCING COMPOSITION OR ALLOY, AND COMPOSITION OR ALLOY PRODUCED BY SAID METHOD}
본 발명은 마찰 교반 프로세스 방법에 관한 것으로서, 특히 소재의 원하는 영역을 복합소재화 또는 합금화를 시키기 위한 마찰 교반 프로세스 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 복합 소재화 또는 합금화된 구조체에 관한 것이다.
일본국 특개평 10-183316호 공보에는 실린더 헤드의 실린더 블록에 대하여 짝을 이루는 표면 등의 주물의 표면 처리에서, 선단의 숄더부에 돌출부를 설치한 회전 공구를 회전시키면서 가압함에 따라 열에 의해 비용융 상태로 교반하는 표면 처리 방법이 개시되어 있다.
실린더 헤드의 포트 개구부 사이 부분(밸브 사이부)은, 엔진의 연소에 의한 부피 팽창과 냉각에 의한 부피 수축을 되풀이하여, 열피로에 의한 균열이 발생하기 쉽다. 그러므로, 밸브 사이부를 상기 마찰 교반에 의해 표면 처리하여 금속 조직의 미세화와 주조 터널의 면적율의 저감을 실현 하는 것으로, 열피로에 의한 균열의 발생이나 균열의 전파에 대한 내력이 증가하여 열피로 강도의 향상을 도모할 수 있다.
포트 개구부의 존재에 의해, 밸브 사이부는 재료의 강성이 낮다. 회전 공구의 가압력과 회전 모멘트에 의해서 개구부 측면의 모재 조직(matrix structure)은 수직 및 수평방향으로 소성 변형하여, 포트 개구부의 형상이 바람직하지 않게 변화한다.
포트 개구부의 형상이 변화하면, 마찰 교반에 의해 소성 유동한 재료도 포트 개구부 측으로 이동한다. 이후, 표면 개질 영역 내부에 공동(void)이 발생하기 쉽게 된다.
이러한 형상의 변형을 막고 공동의 발생을 막기 위해, 대한민국 특허출원 공개공보 제 10-2004-0022416호에서는 재료의 변형 및 변형에 기인한 공동을 방지할 수 있는 표면 처리 방법 및 장치, 이 표면 처리가 실시된 부재 및 이 표면 처리가 실시될 중간 부재를 제공하고 있다. 상기 공보에 개시된 발명에 따르면, 복수 개의 개구부를 갖는 워크가 개구부 사이의 워크 표면에 회전 공구의 삽입에 의한 마찰 교반에 의해 표면 처리될 때, 워크의 개구부에 재료의 연화에 의한 개구부의 변형을 저지하는 가장자리(margin)가 형성되고, 개구부 사이의 워크 표면을 회전 공구에 의해 교반하여 가장자리를 포함하는 워크 표면을 제거하기 위한 후가공을 실시함으로써 재료의 변형 및 변형에 기인한 공동을 방지한다.
그러나 이러한 방법에 의할 경우에도 구조체의 복합소재화 또는 합금화를 위해 표면에 일정한 홈을 가공하고 홈에 구조체와 다른 물질을 삽입한 후 바로 마찰 교반 프로세스를 실시하거나 또는 다른 물질의 삽입 이후 그 위에 판을 덧대어 마찰교반 프로세스를 실시할 경우에, 홈 내부에 삽입된 다른 물질이 회전하는 툴에 의해 외부로 빠져나오는 문제점이 발생한다. 이렇게 외부로 빠져나오는 물질들은 마찰 교반 프로세스가 진행이 됨에 따라 회전하는 툴이 홈을 따라 전진하기 때문에 다른 물질들이 계속 빠져나오게 되어 마찰 교반 프로세스가 지나간 자리를 따라서 도 1에서 보는 것과 같이 표면에 홈을 판 라인을 따라 결함이 발생한다. 이러한 결함은 합금화된 구조체의 기계적 성질 등에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 결함을 없애면서 합금화 또는 복합 소재화를 이룰 수 있는 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명의 명세서에서 "복합 소재"란 두 종류 이상의 물질을 인위적으로 결합하여 기존의 물질보다 더 좋은 성질이나 아주 새로운 성질을 갖도록 만들어진 재료를 의미한다.
본 발명은 복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법을 제공하고, 이러한 방법은 구조체에 홈을 생성하는 단계; 상기 홈에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입하는 단계; 상기 홈 내에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입한 이후 충진된 홈 위에 테이프를 접착하는 단계; 상기 구조체를 뒤집어 테이프가 부착된 부분이 아래를 향하게 하는 단계; 및 상기 홈을 따라 상기 구조체에서 테이프가 부착된 부분의 반대 부분을 마찰 교반 프로세스를 실행하는 단계를 포함한다.
이 경우 테이프의 재료는 구조체의 재료와 동일 또는 유사한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 마찰 교반 프로세스 이후 발생할 수 있는 구조체 표면 상의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법이 제공되고, 이러한 방법은 구조체에 홈을 생성하는 단계; 상기 홈에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입하는 단계; 상기 홈 내에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입한 이후 충진된 홈 위에 상기 구조체의 재료와 동일 또는 유사한 재료의 테이프를 접착하는 단계; 상기 구조체를 뒤집어 테이프가 부착된 부분이 아래를 향하게 하는 단계; 상기 홈을 따라 상기 구조체에서 테이프가 부착된 부분의 반대 부분을 마찰 교반 프로세스를 실행하는 단계를 포함한다. 이 경우에도 마찬가지로, 마찰 교반 프로세스 이후 발생할 수 있는 구조체 표면 상의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 테이프를 접착하지 아니한 채로 종래 기술에 따라 합금화 또는 복합 소재화를 위해 구조체에 구조체와 다른 물질을 삽입한 후 마찰 교반 프로세스를 한 이후의 표면 상태도이다.
도 2는 본 발명에 따른 구조체의 표면에 홈을 가공한 모습을 도시한다.
도 3은 마찰 교반 프로세스가 일어나는 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따라 홈에 구조체와 다른 물질이 삽입된 이후 홈 부분 위에 테이프를 접착시킨 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 홈에 구조체와 다른 물질이 삽입된 이후 홈 부분 위에 테이프가 접착된 모습의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 마찰 교반 프로세스가 일어나는 모습의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 마찰 교반 프로세스의 순서도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 테이프를 접착한 이후 마찰 교반 프로세스를 실행했을 때의 접합부의 표면을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 테이프를 접착한 이후 마찰 교반 프로세스를 실행했을 때의 구조체의 단면을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
* 마찰 교반 프로세스 방법에 대한 일반적인 설명
마찰교반프로세스 (Friction Stir Processing)는 마찰교반접합법 (Friction Stir Welding)을 응용한 기술이기 때문에, 그 원리는 마찰교반접합법과 유사하다. 즉 마찰교반프로세스를 이용한 판재의 표면개질을 일례로 들면, 먼저 피가공재를 고정시켜 놓고, 고속으로 회전하고 있는 마찰교반용 공구의 핀 부분을 피가공재의 개질하고자 하는부분의 내부에 삽입 시킨 후, 공구를 피가공재의 표면을 따라 임의의 방향으로 이동시킨다. 이때, 공구의 핀 부분과 쇼울더(Shoulder) 부분이 피가공재와 마찰하여 발생하는 마찰열에 의해 피가공재의 온도가 상승함으로써 가공부가 연화된다. 이와 동시에, 피가공재의 내부에 삽입되어 고속으로 회전하고 있는 핀에 의해 연화된 피가공재가 기계적으로 교반되어 강소성 변형을 일으키게 된다. 그 결과, 피가공재의 내부에서 동적 재결정이 야기됨으로써, 결정립이 미세화된다.
마찰 교반 프로세스의 일 실시예의 개략도는 도 3에서와 같이 도시된다. 도면 부호 (4)는 마찰 교반 장치의 회전 공구이고, 도면 부호 (3)은 쇼울더부이며, 도면 부호 (2)는 쇼울더부(3)에 일체로 형성되거나 장착되는 비소모형 돌출부로서 핀이라고도 한다.
* 본 발명에 따른 마찰 교반 프로세스에 대한 설명
본 발명에 따르면, 구조체의 일부 영역을 복합 소재화 또는 합금화 할 때 구조체와 다른 물질을 삽입하면서 마찰 교반 프로세스를 실행하고, 이때 다른 물질이 홈의 외부로 빠져나와 결함이 생기는 것을 방지하기 위해 홈 위에 테이프를 접착시키고 이후 구조체를 뒤집은 이후 마찰 교반 프로세스를 실행하는 방법을 이용하고 있다.
구조체(100)의 일부 영역을 복합 소재화 또는 합금화를 쉽게 하기 위해 도 2에서 보는 것처럼, 복합 소재화 또는 합금화 하고자 하는 구조체의 영역의 표면에 일정한 홈(110)을 가공한다. 홈(110)의 크기는 구조체에 다른 물질을 삽입하여 이루어지는 부분의 특성에 맞게 조절이 가능하다.
종래 기술에서 언급한 것처럼, 이러한 홈(110)에 구조체와 상이한 물질을 삽입하고 마찰 교반 프로세스를 진행할 경우 삽입된 물질이 홈의 외부로 빠져나오게 되어 결함이 발생하는 문제점이 있었고, 이를 해결 하기 위해 본 발명에서는 구조체(100)의 홈(110)에 구조체와 상이한 다른 물질(120)을 삽입하고, 이러한 홈 위에 테이프(130)를 접착시킨다.
테이프(130)는 일반적으로 구조체와 동일 또는 유사한 재료의 테이프를 이용함으로써, 테이프를 접착하고 마찰 교반 장치의 회전 공구(150)에 의해 마찰 교반 프로세스를 진행한 이후에도 테이프를 추가로 제거할 필요 없이 그대로 복합 소재화 또는 합금화된 부분이 될 수 있다. 예를 들어, 구조체가 알루미늄 합금이었다면, 테이프도 그와 유사한 알루미늄 합금 또는 알루미늄 테이프를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 따라 구조체의 홈(110)에 다른 물질(120)을 삽입하고 홈 위에 테이프(130)를 접착한 모습의 사시도는 도 4에서 도시되어 있고, 그 단면도는 도 5에서 도시되어 있다.
테이프를 접착시킨 이후, 테이프가 접착된 영역이 아래로 향하게, 즉 마찰 교반 장치에서 바닥면을 향하게 위치시키고 테이프 처리가 되지 않은 윗 부분을 마찰 교반 장치의 회전 공구에 의해 마찰 교반 프로세스를 통해 교반 시킴으로써 구조체 내에 다른 물질이 골고루 퍼지게 한다. 이와 같이 테이프가 접착된 영역을 아래로 향하게 한 채로 마찰 교반 프로세스를 진행하는 모습을 개략적으로 도시한 것이 도 6이다.
도 8은 본 발명에 따른 마찰 교반 프로세스 방법에 의해 처리된 구조체의 표면 모습으로서, 도 1과는 다르게 홈 주위에 결함이 발생하지 않았음을 확인할 수 있다. 본 실험에서는 AA5083-H32 라는 알루미늄 합금을 사용하였으며 가공된 홈 안에는 SiC 4um 크기의 파티클을 삽입 하였다. 바닥에 붙인 테이프의 경우에는 알루미늄 테이프를 사용하였다. 마찰교반 프로세스의 실험 조건으로서는 사용된 툴의 재료는 일반 공구강 툴을 사용하였으며 툴의 회전속도를 1800rpm, 툴의 전진 속도는 127mm/min으로 하였으며 툴과 밑바닥과의 각도는 3도로 고정하였다. 판재의 홈 사이즈의 경우에는 판재의 두께방향으로 1mm 판재와 수평방향으로 4mm를 하여 가공하였다. 프로세스에 사용된 AA5083-H32의 화학 조성은 wt%로 Si :0.40, Fe : 0.40, Cu : 0.10, Mn :1.0, Mg :4.9, Cr: 0.25, Zn : 0.25, Ti :0.15, Al :Bal.입니다. 재료의 기계적 특성의 경우에는 항복강도 240MPa, 최대 인장강도 :330MPa, 연신율 10%이다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 마찰 교반 프로세스 방법에 의해 처리된 구조체의 단면도로서, 결함이 관찰되지 아니하며 또한 비교적 구조체 물질에 구조체와 다른 물질이 골고루 섞인 모습을 관찰할 수 있다.
도 7은 이러한 본 발명에 따른 마찰 교반 프로세스의 단계들을 순서도로 나타낸 것이다.
단계(610)는 복합 소재화 또는 합금화를 원하는 구조체의 영역에 홈을 생성하는 단계이다.
단계(620)는 생성된 홈에 구조체와 상이한 다른 물질을 삽입하는 단계이다
단계(630)는 다른 물질이 삽입된 홈 위에 테이프를 접착시키는 단계이다.
단계(640)는 테이프가 접착된 이후 구조체를 뒤집어서 테이프가 접착된 영역이 아래를 향하게 한 후 마찰 교반 프로세스를 실행하는 단계이다.
단계(650)는 마찰 교반 프로세스가 실행된 이후, 선택적으로 구조체 표면 상에 생성될 수 있는 버(burr)를 제거하는 단계이다. 마찰 교반 프로세스 이후에는 다양한 형태의 요철 즉, 버가 돌출 형성될 수도 있다. 이러한 버는 앤드 밀로 제거할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법으로서,
    구조체에 홈을 생성하는 단계;
    상기 홈에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입하는 단계;
    상기 홈 내에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입한 이후 충진된 홈 위에 테이프를 접착하는 단계;
    상기 구조체를 뒤집어 테이프가 부착된 부분이 아래를 향하게 하는 단계; 및
    상기 홈을 따라 상기 구조체에서 테이프가 부착된 부분의 반대 부분을 마찰 교반 프로세스를 실행하는 단계를 포함하는,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이프의 재료는 구조체의 재료와 동일한,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이프의 재료는 상기 구조체의 재료와 유사한,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    마찰 교반 프로세스 이후 발생할 수 있는 구조체 표면 상의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함하는,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  5. 복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법으로서,
    구조체에 홈을 생성하는 단계;
    상기 홈에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입하는 단계;
    상기 홈 내에 상기 구조체와 다른 물질을 삽입한 이후 충진된 홈 위에 상기 구조체의 재료와 동일 또는 유사한 재료의 테이프를 접착하는 단계;
    상기 구조체를 뒤집어 테이프가 부착된 부분이 아래를 향하게 하는 단계;
    상기 홈을 따라 상기 구조체에서 테이프가 부착된 부분의 반대 부분을 마찰 교반 프로세스를 실행하는 단계를 포함하는,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    마찰 교반 프로세스 이후 발생할 수 있는 구조체 표면 상의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함하는,
    복합소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 마찰 교반 프로세스 방법에 따라 만들어진 복합소재화 또는 합금화된 구조체.

KR1020110078863A 2011-08-09 2011-08-09 복합 소재화 또는 합금화가 가능한 마찰 교반 프로세스 방법 및 이에 의해 복합 소재화 또는 합금화된 구조체 KR20130016761A (ko)

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