KR20190083929A - 통전성형방법 - Google Patents

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KR20190083929A
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    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
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Abstract

본 발명은 통전성형방법에 관한 것이고, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 성형체를 준비하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계; 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절한다.

Description

통전성형방법{ELECTROPLASTIC FORMING METHOD}
본 발명은 통전성형방법에 관한 것이고, 상세하게는 성형체의 적어도 일부에 상기 성형체보다 높은 전기 전도도를 갖는 전도성 물질을 배치하고, 상기 성형체에 전기를 인가하여, 종래 소성변형 요구 응력보다 낮은 소성변형 응력으로 통전성형하는 방법에 관한 것이다.
최근 소재 산업은 연비 효율의 향상을 위한 경량화에 주력하면서도, 충분한 강성을 확보하기 위해 점차 고강도화된 부품의 요구가 늘어나고 있다. 즉, 무게는 상대적으로 적게 나가면서, 보다 강한 강성을 가진 제품을 성형하기 위해, 보다 고강도의 소재를 사용하여 제품을 성형하는 경향이 증가하고 있다.
그런데 이러한 초고강도 소재의 경우, 일반적인 철강 합금이나 알루미늄 합금에 비해 상당히 높은 강도를 가지며, 상온 환경에서 제한된 성형성 때문에 산업적 활용에 어려움이 따른다.
이에 따라, 초고강도 소재의 성형성을 향상시키기 위한 연구가 계속되어 왔는데, 전형적인 방법으로는 높은 온도에서 금속을 가공하는 핫포밍(hot forming), 웜포밍(warm forming)을 예로 들 수 있다. 그러나 이러한 방법에는 고온 환경을 거침에 따른 소재의 물성 변화, 금형과 재료 사이의 점착, 윤활의 어려움, 그리고 가열과 냉각에 필요한 시간 소모와 같은 필연적인 문제들이 뒤따른다.
최근에는, 금속소재가 외력에 의해 변형되는 동안 전류를 통전시키면, 그 금속재료 내부의 유동응력이 저하되어 더 작은 힘으로도 소성가공이 가능해지는 현상(통전소성 현상; electroplasticity effect)을 이용한 통전 성형(EAM; Electrically Assisted Manufacturing) 기술이 연구되고 있다.
여기서 '통전성형'이라 함은 성형체에 전류를 인가하였을 때 성형체 내부의 유동 응력이 저하되는 현상(통전소성 현상; electroplasticity effect)을 이용하여, 냉간가공보다 상대적으로 낮은 성형 하중으로 소성 가공하는 것을 말한다.
한편, 금속에 일정 수준 이상의 전류 밀도로 전기를 공급하면 저항열에 의한 변형과는 달리 고온이 아니더라도 금속의 유동응력이 일시적으로 매우 낮아짐에 따라 강도가 감소하고 연신율이 증가하는 현상이 나타난다. 이와 같이 피가공물에 전류를 공급하면서 성형하는 방법을 통전성형이라 하며, 이러한 통전 성형방법에 의할 시 피가공물인 금속소재가 인장력이나 압축력 등의 외력에 대한 성형성이 향상되며, 성형 과정 중에 원형상으로 돌아가려는 스프링백 현상이 줄어드는 경향을 갖는다. 성형하중을 낮춘다는 것은 프레스 용량이 작아도 된다는 의미이고, 연신율이 향상된다는 것은 성형성이 좋아진다는 것을 뜻한다.
예를 들어, 냉간성형의 성형하중이 1,900MPa 필요하다면, 통전소성 성형에는 1,180MPa의 성형하중이 필요하며, 통전소성 공정을 통해 성형하중이 38% 감소되고, 스프링백을 개선할 수 있다. 통전성형방법은 고강도강의 강도가 높아지면서 그때마다 프레스 용량을 맞춰 대응해야 하는 설비 대응의 어려움을 해소할 있다.
한국 공개 특허 공보 제10-2000-0006008호 한국 공개 특허 공보 제10-2014-0137062호
본 발명은 통전성형방법을 이용하여, 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하고 소성 가공함으로써, 상기 성형체를 선택적으로 소성 가공하고, 물성을 제어할 수 있는 통전성형방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 성형체를 준비하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계; 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절한다.
또한, 상기 성형체에 전기를 인가하는 단계에서, 상기 성형체에 인가되는 전류 밀도는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
<수학식 1>
(ρ x δ2 x t)/(C x σ) < Tm(성형체)
ρ:성형체 비저항, δ: 성형체 인가 전류밀도, t: 성형체 통전 시간, C: 성형체 비열, σ: 성형체 밀도, Tm: 성형체 녹는점
또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계에서 상기 성형체의 전류밀도를 모니터링하는 단계 및 상기 성형체의 전류밀도를 제어하는 단계를 더 포함 할 수 있다.
또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계에서 상기 성형체의 온도를 모니터링하는 단계 및 상기 성형체의 온도를 제어하는 단계를 더 포함 할 수 있다.
또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 또는 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계 수행 후 상기 성형체에 배치된 전도성 물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 통전성형방법은 성형체를 준비하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하고, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절한다.
본 발명의 일 실시 예를 따르는 통전성형방법은 낮은 비용으로 고강도의 성형체를 성형할 수 있으며, 이를 통해 원가가 절감되고 생산성이 향상되며 단순한 공정으로 고품질의 자동차용 판재를 성형할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예를 따르는 통전성형방법은 낮은 응력으로 성형체를 성형할 수 있으며, 생산성이 향상되고, 제조 원가가 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법의 순서도이다.
도 2는 전도성 물질이 배치된 성형체 및 통전성형방법 수행 중 온도를 모니터링하는 위치를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 성형체 섹터 1, 2 및 3의 위치에서 측정한 온도 값을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 성형체 섹터 1에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 성형체 섹터 2에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다.
도 6은 도 2의 성형체 섹터 3에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다.
도 7은 성형체의 일부를 전도성 물질로 대체한 후 전류 인가에 따른 전류밀도 분포를 시뮬레이션하여 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
통전성형방법
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 성형체를 준비하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계; 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로써 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절한다.
먼저, 성형체를 준비하는 단계를 설명한다.
상기 성형체는 고강도강, 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 상술한 소재 외에 통전 가열을 통한 성형이 가능한 다양한 소재가 이용될 수 있고, 예를 들어 세라믹 소재, 금속-세라믹 복합체 중 적어도 하나를 포함하는 소재를 포함할 수 있다.
상기 성형체의 형상은 스트립재(strip), 각재(bar), 판재(plate), 박재(thin film), 봉재(rod), 선재(wire), 관재(tube), 형재(shape) 및 잉곳트(ingot) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계를 설명한다.
상기 전도성 물질은 상기 성형체 보다 전기 전도도가 높은 것이 바람직하고, 예를 들면 금, 은, 구리 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전도성 물질은 상기 성형체의 적어도 일부에 소정의 면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질은 상기 성형체와 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질은 상기 성형체와 전기적으로 연결되어 있으므로, 상기 성형체에 전기가 인가되었을 때, 높은 전기 전도도를 갖는 상기 전도성 물질 측으로 전류 밀도가 높아질 수 있다.
상기 전도성 물질의 형상 및 형태는 특별히 제한되지 않고, 전도성 물질을 포함하는 분말, 테이프, 필름, 잉크, 페이스트, 및 프리폼 중 적어도 하나를 포함하여 사용될 수 있고, 바람직하게 복잡한 형상의 성형체에 자유롭게 배치하기 위해 전도성 물질을 포함하는 페이스트 또는 필름 형상일 수 있다.
다음으로, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계를 설명한다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계는 상기 성형체에 전기를 인가함으로써 성형체의 성형 하중을 감소시키는 통전성형효과(electroplasticity effect)를 이용하여, 상기 성형체가 소성변형에 필요한 요구 응력을 감소시키는 단계이다.
또한, 앞선 단계에서 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로써, 상기 성형체에 전기를 인가할 때 서로 다른 전기 전도도를 갖는 이종의 물질이 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 성형체에 전기가 인가되었을 경우 바람직하게 전기 전도도가 높은 전도성 물질측으로 전류밀도가 증가할 수 있고, 이에 의해 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질을 포함한 소정의 영역은 통전성형효과(electroplasticity effect)에 의해 요구 응력의 감소가 가속화될 수 있다.
상기 성형체에 인가되는 전기는 펄스 전류(pulse current) 또는 연속 전류(continuous current)가 공급될 수 있고, 상기 펄스 전류 또는 연속 전류의 전류밀도나 인가 시간 등은 상기 전기인가수단을 제어하는 전기인가수단 제어기(controller)에 의해 적절히 제어될 수 있다. 물론, 상술한 것 외에, 전기 저항열을 발생시킬 수 있는 다양한 전류가 이용될 수 있다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가함으로써 상기 성형체는 인가된 전류밀도에 따라 줄열(joule heat)이 발생할 수 있다. 상기 전류 밀도는 바람직하게 높은 전기 전도도를 갖는 전도성 물질에서 높아질 수 있고, 이에 의해 발생하는 줄열 또한 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질을 포함한 소정의 영역에서 증가할 수 있다.
또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계에서 상기 성형체에 전류가 인가됨에 따라 저항열에 의한 성형체의 온도 상승이 일부 있을 수 있으나, 열처리(heat treatment)나 핫포밍 또는 웜포밍에 필요한 온도까지는 이르지 않을 수 있다. 따라서 본 명세서에서 성형체가 인가된 전기에 의해 발생하는 줄열에 의해 상승되는 온도는 다른 열처리 온도나 핫포밍 온도 또는 웜포밍보다 더 낮은 온도를 가리킨다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계에서, 상기 성형체에 전기를 인가함으로써 피가공물인 성형체의 종류에 따라 상기 성형체의 온도를 높여 강도가 감소하면서 연신율이 향상되도록 하여 통전성형이 가능하게 할 수 있다.
상기 성형체에 전기를 인가하는 단계에서, 상기 성형체에 인가되는 전류 밀도는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
<수학식 1>
(ρ x δ2 x t)/(C x σ) < Tm(성형체)
ρ:성형체 비저항, δ: 성형체 인가 전류밀도, t: 성형체 통전 시간, C: 성형체 비열, σ: 성형체 밀도, Tmp: 성형체 녹는점
상기 성형체에 인가되는 전류 밀도가 상기 성형체에 인가되는 전류 밀도가 상기 수학식 1의 조건을 초과하는 경우 상기 성형체에 인가된 전기에 의해 발생하는 줄열이 과다하여 성형체의 일부 용융이 발생하는 문제점이 있을 수 있다.
다음으로, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계를 설명한다.
상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계는, 앞선 단계에서 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 적어도 일부에 전기를 인가한 후 소정의 영역에 전류밀도가 집중되었을 때 수행될 수 있고, 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질을 포함한 소정의 영역은 상기 성형체의 적어도 일부에 전기 인가를 통한 통전성형효과(electroplasticity effect)에 의해 소성변형의 요구 응력의 감소가 동반될 수 있고, 이때 가공이 수행될 수 있다.
상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 방법은 압연 가공(rolling), 인발 가공(drawing), 압출 가공(extrusion), 판재 성형 (sheet forming), 프레스 가공(pressing), 단조 가공(forging), 및 전조(roll forming) 가공 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 상기한 성형 방법에 국한되지 않고, 소성 변형을 통해 상기 성형체를 가공할 수 있는 다양한 성형 방법에 적용 가능하다.
또한, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계를 통해 상기 성형체의 기계적 물성을 제어하는 것이 가능하다. 예를 들어, 판재 성형 중 변형이 많은 부분으로 전류 밀도를 높여 소재 온도를 높이면 소재 성형성이 국부적으로 향상되고 성형 중 동적 재결정이 일어나 결정립이 미세화 되어 성형 후 강도를 높일 수 있다.
또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계, 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계는 서로 구분되는 단계로 나누어서 수행되지 않고 동시에 수행될 수 있다. 또는, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계, 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계는 순서에 구애 받지 않고 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 전류밀도를 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형체의 전류밀도를 모니터링하는 단계는 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 전류밀도를 모니터링함으로써, 상기 성형체 또는 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질에 소정의 전류 밀도를 초과하는지 또는 소정의 전류밀도에 미달하는지 모니터링하고, 이를 실시간으로 수집하여 통전성형 제어장치 피드백하고, 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질에 인가되는 전류밀도 및 응력을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 온도구배를 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형체의 온도를 모니터링하는 단계는 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 온도를 모니터링함으로써, 상기 성형체 또는 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질에 소정의 온도를 초과하는지 또는 소정의 온도에 미달하는지 모니터링하고, 이를 실시간으로 수집하여 통전성형 제어장치에 피드백하고, 상기 성형체 및 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질에 인가되는 온도 및 응력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체의 일단에 전기적으로 접촉되는 제1전극, 상기 성형체의 타단에 전기적으로 접촉되는 제2전극 및 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 성형체에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 전위차 또는 전류밀도를 발생시키는 전기인가수단을 포함하는 통전성형장치에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 통전성형장치는 상기 성형체에 응력을 인가하는 응력인가수단을 더 포함할 수 있고, 상기 응력인가수단은 특별히 제한되지 않고 다양한 방식이 사용될 수 있고, 예를 들어 상기 응력인가수단은 상기 성형체를 하부에서 지지하는 제1금형 및 상기 성형체를 상부에서 응력을 인가하는 제2금형을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 구성을 포함할 수 있다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 또는 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계 수행 후 상기 성형체에 배치된 전도성 물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 또는 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계 수행 후 상기 성형체에 배치된 전도성 물질을 제거하는 단계를 통해, 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질은 제거될 수 있다. 상기 전도성 물질이 제거되지 않는 경우 상기 전도성 물질과 성형체의 경계는 부식 및 손상이 쉬워 상기 성형체의 사용 수명을 낮추는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 전도성 물질이 제거된 성형체는 상기 성형체의 사용 용도 및 목적에 바람직하지 않은 전도성 물질을 제거함으로써 상기 성형체의 소재적 균일성을 높일 수 있다.
상기 성형체에 배치된 전도성 물질을 제거하는 단계는 이온 식각, 전기화학 식각법, 용액식각법, 밀링, 및 금속 촉매 식각법 중 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있고, 이에 특별히 제한되지는 않는다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 통전성형방법은 성형체를 준비하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하고, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절한다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 통전성형방법의 성형체를 준비하는 단계; 및 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계는 앞서 설명한 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법에서 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하고, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계를 설명한다.
앞선 단계에서 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로써, 상기 성형체에 전기를 인가할 때 서로 다른 전기 전도도를 갖는 이종의 물질이 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 성형체에 전기가 인가되었을 경우 바람직하게 전기 전도도가 높은 전도성 물질측으로 전류밀도가 증가할 수 있고, 이에 의해 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질을 포함한 소정의 영역은 통전성형효과(electroplasticity effect)에 의해 요구 응력의 감소가 가속화될 수 있다.
상기 성형체에 전기를 인가함으로써 성형체의 성형 하중을 감소시키는 통전성형효과(electroplasticity effect)를 이용하여, 상기 성형체가 소성변형에 필요한 요구 응력을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인함으로써, 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질의 적어도 일부에 전기를 인가한 후 소정의 영역에 전류밀도를 집중시킬 수 있고, 상기 성형체의 적어도 일부에 배치된 전도성 물질을 포함한 소정의 영역은 상기 성형체의 적어도 일부에 전기 인가를 통한 통전성형효과(electroplasticity effect)에 의해 소성변형의 요구 응력의 감소가 동반될 수 있고, 가공성이 향상될 수 있다.
도 2는 전도성 물질이 배치된 성형체 및 통전성형방법 수행 중 온도를 모니터링하는 위치를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 성형체는 AZ31 마그네슘 합금 판재으로 15mm의 길이를 갖고, 6mm의 폭과 1.4mm의 두께를 갖는 직육면체의 형상이며, 상기 성형체는 바람직하게 성형체 전체에 걸쳐서 동일한 전기 전도도를 가질 수 있다. 상기 전도성 물질은 상기 성형체의 일부에 배치될 수 있다. 도 2에서는 상기 성형체의 일면에 양끝단을 제외하고 10mm에 걸쳐서 100um의 두께의 은 페이스트를 도포하였다. 또한, 상기 성형체에 전기를 인가하기 위해서, 상기 성형체의 일단에 부착된 제1전극, 상기 성형체의 타단에 부착된 제2전극 및 상기 제1전극 및 제2전극에 전기를 인가할 수 있는 전기인가수단을 통해 상기 성형체에 전기를 인가할 수 있다. 상기 성형체의 일부에 배치된 전도성 물질에 의해서 상기 성형체에 전류밀도 구배는 변화할 수 있고, 전도도가 높은 전도성 물질측으로 전류밀도 구배가 증가하고, 더 많은 줄열(Joule Heat)이 발생할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체 내부의 전류밀도 구배를 조절할 수 있고, 성형체를 국부적으로 성형할 수 있다.
도 3은 도 2의 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 성형체 섹터 1, 2 및 3의 위치에서 측정한 온도 값을 도시한 것이다. 상기 도 3의 성형체에는 전극을 통해 75A/mm2의 전류밀도를 0.5초간 인가하였다.
도 3을 참조하면, 상기 성형체(100)의 일부에 전도성 물질인 은(Ag)을 포함하는 페이스트를 배치한 후 상기 전도성 물질 배치부의 중심부인 성형체 섹터 1(110) 및 상기 전도성 물질 배치 위치와 성형체의 경계위치인 성형체 섹터 2(120)의 측정 위치에서는 전도성 물질 배치 이전의 온도와 비교하여 큰 온도의 상승이 있는 것을 알 수 있고, 특히 상기 전도성 물질 배치 위치와 성형체의 경계위치인 성형체 섹터 2(120)에서 매우 높은 값의 온도 상승이 있는 것을 알 수 있다.
반면에, 상기 전도성 물질이 배치된 성형체의 일부에 대응되는 타면에 위치한 성형체 섹터 3(130)의 측정위치에서는 상기 성형체의 일부에 전도성 물질을 배치한 후 배치 이전의 측정값과 비교하여 큰 온도 감소가 발생한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가함으로써 상기 전도성 물질측으로 선택적으로 전류밀도를 집중시킬 수 있고, 이에 의해 상기 성형체에 발생하는 온도 구배를 선택적으로 조절할 수 있다. 또한, 온도 측정을 위해 언급된 세 부분에 열전대(thermal couple)를 용접하여 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다.
도 4는 도 2의 성형체 섹터 1(110)에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다. 상기 순수 마그네슘 성형체에 전극을 통해 75A/mm2의 전류밀도로 0.5초간 인가하여서 온도의 변화를 관찰하였다. 또한, 통전에 의해 발생한 열이 반복 실험 중 누적되는 것을 막기 위하여 통전 후 소재가 상온까지 완전히 냉각된 것을 확인하고 통전을 반복하여 수행하였다.
도 4를 참조하면, 성형체 섹터 1(110) 측정영역에서 전도성 물질인 은(Ag) 페이스트가 도포된 측의 성형체의 온도가 전도성 물질인 은(Ag) 페이스트가 도포되지 않은 측의 온도보다 높게 상승하는 것을 알 수 있고, 이를 통해 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체에 전류밀도를 선택적으로 집중 시킬 수 있고, 이에 의해 온도 구배를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 성형체의 성형체 섹터 2(120)에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다. 상기 순수 마그네슘 성형체에 전극을 통해 75A/mm2의 전류밀도로 0.5초간 인가하여서 온도의 변화를 관찰하였다. 또한, 통전에 의해 발생한 열이 반복 실험 중 누적되는 것을 막기 위하여 통전 후 소재가 상온까지 완전히 냉각된 것을 확인하고 통전을 반복하여 수행하였다.
도 5를 참조하면, 전도성 물질인 은(Ag) 페이스트가 도포된 측의 성형체의 온도가 전도성 물질인 은(Ag) 페이스트가 도포되지 않은 측의 온도보다 높게 상승하는 것을 알 수 있고, 이를 통해 본 발명의 실시 예를 따르는 통전성형방법은 상기 성형체에 전류밀도를 선택적으로 집중시킬 수 있고, 이에 의해 발생하는 줄열도 증가함을 알 수 있다.
도 6은 도 2의 성형체 섹터 3(130)에서 성형체의 전도성 물질 배치 전/후에 전류 펄스에 따른 온도 변화를 도시한 것이다. 상기 순수 마그네슘 성형체에 75A/mm2의 전류밀도로 0.5초간 인가하여서 온도의 변화를 관찰하였고, 상기 성형체의 온도가 상온으로 떨어진 후 다시 75A/mm2의 전류밀도로 0.5초간 인가하면서 온도 변화의 관찰을 반복하였다. 또한, 통전에 의해 발생한 열이 반복 실험 중 누적되는 것을 막기 위하여 통전 후 소재가 상온까지 완전히 냉각된 것을 확인하고 통전을 반복하여 수행하였다.
도 6을 참조하면, 전도성 물질이 도포되지 않은 측면의 성형체에서 측정된 온도 값은 다른 측면에 전도성 물질이 도포된 후 오히려 감소되는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 마그네슘 성형체의 일면에 전도성 물질인 은 페이스트를 도포한 후, 상기 전도성 물질이 도포된 측으로 전류밀도가 집중되고, 이에 의해 발생되는 줄열 또한 상기 전도성 물질이 도포된 소정의 영역으로 집중되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 전류밀도의 증가는 전도성 물질 및 성형체의 경계 영역에서 더욱 증가하는 것을 알 수 있다.
도 7은 성형체의 일부를 전도성 물질로 대체한 후 전류 인가에 따른 전류밀도 분포를 시뮬레이션을 수행하여 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 성형체 소재인 마그네슘의 일부를 대체하여, 상기 성형체의 전기 전도도보다 높은 값을 갖는 은을 배치하였을 때, 전류 밀도는 전기 전도도가 높은 전도성 물질 측으로 집중되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 시뮬레이션에서도 성형체의 일면에만 전도성 물질이 배치된 경우 상기 전도성 물질이 배치된 소정의 지역으로 전류밀도가 증가하고, 이에 의한 줄열 발생이 증가할 수 있고, 이에 따라 통전성형을 위한 요구 소성변형 응력이 감소함을 알 수 있다. 반면에, 상기 성형체에서 전도성 물질이 배치된 소정의 영역을 제외하고는 오히려 전류밀도가 감소할 수 있고, 이에 의해 발생하는 줄열도 감소할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100: 성형체
110: 성형체 섹터 1
120: 성형체 섹터 2
130: 성형체 섹터 3

Claims (8)

  1. 성형체를 준비하는 단계;
    상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계;
    상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계; 및
    상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고, 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절하는 통전성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계에서, 상기 전도성 물질은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하는 통전성형방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계에서, 상기 전도성 물질의 형태는 분말(powder), 테이프(tape), 필름(film), 잉크(ink), 페이스트(paste), 및 프리폼(free-foam) 중 적어도 하나를 포함하는 통전성형방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성형체에 전기를 인가하는 단계에서, 상기 성형체에 인가되는 전류 밀도는 하기의 수학식 1을 만족하는 통전성형방법.

    <수학식 1>
    (ρ x δ2 x t)/(C x σ) < Tm.
    ρ:성형체 비저항, δ: 성형체 인가 전류밀도, t: 성형체 통전 시간, C: 성형체 비열, σ: 성형체 밀도, Tm: 성형체 녹는점
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 또는 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계 수행 후 상기 성형체에 배치된 전도성 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 통전성형방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계에서 상기 성형체의 전류밀도를 모니터링하는 단계 및 상기 성형체의 전류밀도를 제어하는 단계를 더 포함하는 통전성형방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하는 단계 및 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계에서 상기 성형체의 온도를 모니터링하는 단계 및 상기 성형체의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 통전성형방법.
  8. 성형체를 준비하는 단계;
    상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치하는 단계; 및
    상기 성형체의 적어도 일부에 전기를 인가하고, 상기 성형체의 적어도 일부를 가공하는 단계;를 포함하고 상기 성형체의 적어도 일부에 전도성 물질을 배치함으로서, 상기 성형체의 전류밀도 구배를 조절하고, 상기 성형체의 소성 가공 요구 응력을 조절하는 통전성형방법.
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