KR20200134591A

KR20200134591A - 금속 압연재의 성형성 검증 방법

Info

Publication number: KR20200134591A
Application number: KR1020190060237A
Authority: KR
Inventors: 김형섭; 황교준; 이학현; 박형근; 정재면; 오경원; 김광련; 송이화; 박성택
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단; 국방과학연구소
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-12-02
Also published as: KR102206764B1

Abstract

본 발명은 금속 소재가 가지고 있는 (001) 집합조직을 제어하는 전단변형 공정 조건을 다결정 소성모델을 통해 최적화하는 것에 대한 방법론에 관한 것이다.
본 방법은 (a) 가공 전 금속소재의 집합조직을 분석하는 단계, (b) 다결정 소성모델(Visco-plastic self-consistent, VPSC)을 이용하여 소성 가공 공정의 특정 조건하에서 생성되는 집합조직을 모사하는 단계, (c) 상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 미세조직 및 방위분포함수를 분석하여, (001) 집합조직의 분율을 (b) 단계에서 예측한 집합조직의 분율과 비교하는 단계 및 (d) 상기 소성 가공 공정을 거치지 않은 금속소재의 집합조직 분포와 상기 소성 가공 공정을 수행한 금속소재의 집합조직 분포를 이용하여, 다결정 소성모델로 압연공정을 거친 압연재의 최종적인 집합조직을 분석하는 단계를 포함하여, 상기 단계를 통해 금속 소재에 결함을 가하지 않음과 동시에 (001) 집합조직을 제어할 수 있는 충분한 전단변형을 유발하는 공정 조건 최적화를 이룰 수 있다.

Description

금속 압연재의 성형성 검증 방법, 금속 압연재 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 제조된 금속 압연재{A METHOD TO VERIFY FORMABILITY OF A ROLLED METAL SHEET, A METHOD TO MANUFACTURE A ROLLED METAL SHEET AND THE ROLLED METAL SHEET MANUFACTURED THROUGH THE METHOD}

본 발명은 압연 공정에 의해 제조되는 금속 압연재의 성형성을 검증하고 제조하는 방법과 그 방법에 의해 제조되는 금속 압연재에 관한 것이다.

금속 판재는 구조재료로써 자동차 부품 및 건물, 교량 등 가장 범용적으로 사용되는 금속 재료 형태이며 통상적으로 압연 공정을 거쳐 금속 판재가 생성된다. 특히, 금속 압연재는 금속 소재의 압연(rolling) 공정 후에 실 산업 적용을 위한 복잡한 형태로의 성형이 필수적인 요소이기 때문에 금속 압연재에 대한 성형성 향상을 위한 연구가 화두가 되고 있다. 그 중에서 체심입방구조(Body centered cubic, BCC)를 가지는 금속소재가 초기에 (001) 집합조직을 강하게 함유하고 있을 경우, 압연공정을 거치더라도 초기 (001) 집합조직이 여전히 금속소재 내부에 강하게 잔류하게 되고, 이는 성형성을 낮추는 요인으로 작용하게 된다.

이에 따라, (001) 집합조직을 감소시키기 위한 방안으로서 압연공정과 더불어 금속소재에 강한 전단변형을 유발하여 (001) 집합조직을 제어하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

금속소재에 다량의 전단변형을 가하는 공정 중 등통로각압축(Equal channel angular pressing, ECAP) 공정은 금속소재에 강한 정수압과 전단변형을 가함과 동시에, 초기 소재의 단면적 형상을 그대로 유지하여, 반복공정 및 반복공정 사이의 시편 회전을 통해 금속소재에 가해지는 전단변형의 크기와 방향을 조절할 수 있는 공정기법이다. 하지만 등통로각압축 공정의 경우, 정수압의 크기, 통로각도, 모서리각도, 공정의 반복 횟수 등 다양한 공정변수가 존재한다. 따라서 현실적으로 모든 공정조건에서의 실험진행을 통해 전단변형량을 최적화하는 것은 시간적, 경제적으로 매우 비효율 적인 한계가 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

A.A. Garzer, F.D. Torre, C. F. Gu, C. H. J. Davies, E.V. Pereloma, Microstructure and texture evolution of bcc and fcc metals subjected to equal channel angular extrusion, Mater. Sci. Eng. A 415 (2006) 126-139. C.L. Xie, E. Nakamachi, Investigations of the formability of BCC steel sheets by using crystalline plasticity finite element analysis, Mater. Design. 23 (2002) 59-68.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 금속 압연재의 성형성을 결제적이면서도 신뢰성 있게 사전에 검증 가능하여, 이를 통해 금속 압연재를 제조하는 방법과 그 방법에 의해 제조되는 금속 압연재 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 금속 압연재의 성형성 검증 방법은, (a) 가공 전 금속소재의 집합조직을 분석하는 단계, (b) 다결정 소성모델(Visco-plastic self-consistent, VPSC)을 이용하여 소성 가공 공정의 특정 조건하에서 생성되는 집합조직을 모사하는 단계, (c) 상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 미세조직 및 방위분포함수를 분석하여, (001) 집합조직의 분율을 (b) 단계에서 예측한 집합조직의 분율과 비교하는 단계 및 (d) 상기 소성 가공 공정을 거치지 않은 금속소재의 집합조직 분포와 상기 소성 가공 공정을 수행한 금속소재의 집합조직 분포를 이용하여, 다결정 소성모델로 압연공정을 거친 압연재의 최종적인 집합조직을 분석하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 집합조직 분율이 상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율의 0.3배 이하가 되도록, 상기 소성 가공 공정의 공정 조건을 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, (e) (상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율)/(상기 소성 가공 후 압연 공정에 의해 제조된 금속 압연재 집합조직의 분율)이 1/3 이하인 경우, 상기 금속 압연재의 성형성이 향상된 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 소성 가공 공정은 등통로각압축 공정인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 등통로각압축 공정은 2회 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 등통로각압축 공정의 등통로각도는 140도인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 금속소재는 체심입방구조(bcc)인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 금속소재는 탄탈륨 소재일 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 금속 압연재 제조 방법은, 금속소재를 소성 가공에 의해 전단 변형시키는 단계 및 전단 변형된 상기 금속소재를 압연하는 압연 공정 단계를 포함한다.

그리고, 상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 집합조직 분율이 상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율의 0.3배 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, (상기 소성 가공 전 금속소재의 집합조직 분율)/(상기 압연 공정 단계에 의해 제조 금속 압연재 집합조직의 분율)이 1/3 이하인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 금속소재는 탄탈륨 소재일 수 있다.

또한, 본 발명의 금속 압연재는 상기의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 금속 소재에 전단변형을 가하여 (001) 집합조직을 약화시킴으로써 최종 금속 압연재의 성형성을 향상시키는 것이 가능하게 한다.

무엇보다도, 본 발명에서는 전산모사에 의해 등통로각압축 공정 조건을 최적화하는데 드는 시간적, 경제적인 비용을 최소화 할 수 있고, 해당 전산모사에 대한 신뢰성을 검증하는 방법론을 제시한다.

또한, 본 발명에서 초기 (001) 집합조직을 약화시키는 전단변형 공정으로 등통로각압축 공정을 선택하였지만, 본 방법론은 등통로각압축 공정에 국한되지 않고 다양한 소성변형거동에 대한 확장이 가능하다.

도 1은 후방산란전자회절을 이용해 초기 탄탈륨 소재의 미세조직과 집합조직 분포를 분석한 결과이다.
도 2는 다결정소성모델을 통해 등통로각압축 공정의 공정횟수에 따른 탄탈륨의 방위분포함수를 예측한 결과이다.((a) 등통로각압축 1회 (b) 등통로각압축 2회)
도 3은 (a)실제 실험에 사용된 등통로각압축 장치의 모식도이며, (b)등통로각압축 공정을 수행한 시편 사진이다.
도 4는 후방산란전자회절을 통해 등통로각압축을 2번 시행한 탄탈륨 금속 소재의 미세조직과 집합조직 분포를 분석한 결과이다.
도 5는 (a) 등통로각압축을 시행하지 않은 탄탈륨 소재에 대해 압연을 수행한 후의 방위분포함수와, (b) 등통로각압축을 시행한 탄탈륨 소재에 대해 압연을 수행한 후의 방위분포함수를 다결정소성모델을 이용해 예측한 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명에서 제시하는 방법론의 한 실시예로서, (001) 집합조직을 가지고 있는 순 탄탈륨 소재에 대하여 전단변형을 가하여 (001) 집합조직을 제어하는 일련의 과정에 관한 것이다.

본 발명에서는 금속 소재로서 탄탈륨 소재를 예시하였으나 이에 국한되지는 않으며, 본 발명에서 제시하는 것은 금속 소재에 결함을 생기게 하지 않는 범위 하에서 (001) 집합조직을 효과적으로 약화시킬 수 있는 전단변형조건을 찾아내는 방법론에 관한 것이다.

그러므로, 본 실시예에 사용된 전단변형 공정은 약 140도의 등통로 각도를 이루는 등통로각압축 공정이지만, 본 방법론의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 전단변형 공정이 다양하게 변경될 수 있음을 명시한다.

도 1에서 볼 수 있듯이 초기 탄탈륨 소재는 (001) 집합조직이 강하게 발달되어 있으며, (001) 집합조직은 금속의 성형성을 저해시키는 요인 중 하나로 작용된다. 무엇보다도, 압연공정을 거치더라도 초기 (001) 집합조직이 여전히 금속소재 내부에 강하게 잔류하게 되므로, 압연 공정을 하기 전 추가적인 공정 적용을 통해 (001) 집합조직을 제어하는 것이 중요하다. 본 발명에 의한 금속 압연재 제조 방법의 일 실시예에서는 압연공정 전 소성 가공 공정의 하나로서 등통로각압축 공정을 이용해 금속소재의 부피를 그대로 유지하고 소재 결함이 발생하지 않는 범위 하에서 강한 전단변형을 통해 초기 (001) 집합조직을 (011) 집합조직으로 변화시키는 것을 목표로 한다.

바람직한 실시 예로, 다결정 소성모델인 VPSC 모델을 이용하여 상기 초기 순 탄탈륨 소재의 집합조직 정보를 이용해 등통로각압축 공정을 수행할 시 발생하는 집합조직의 변화를 계산하였다. 본 전산모사 단계에서는 (001) 집합조직의 분율을 현저히 약화시킴과 동시에 금속소재에 발생할 수 있는 결함을 예방하기 위해 등통로각압축 공정의 대표적인 공정변수인 등통로 각도를 140도로 지정하였다.

그리고, 바람직한 실시 예로서, 등통로각압축 공정의 공정횟수조건을 정하기 위해, VPSC 모델을 이용해 도 2와 같이 등통로각압축 공정에서 발생하는 집합조직의 변화를 공정횟수에 따라 전산모사하였다. 공정횟수에 따른 (001) 집합조직의 분율은 표 1에 요약되었다. 그 결과, 등통로각압축 공정의 공정횟수 증가에 따라 (001) 집합조직의 분율히 급격히 감소함을 확인하였고, 그와 동시에 도 2에서 대표적인 전단집합조직인 (011) 이 강하게 형성됨을 확인하였다.

	Initial	ECAP 1 pass	ECAP 2 pass
(001) 분율	0.1001	0.0558	0.0195

본 실시 예에서는, (001) 집합조직 분율이 초기 (001) 집합조직 분율의 약 0.3배 이내에 포함될 경우를 효과적으로 (001) 집합조직이 제어되었다고 판단하였기에, 최종적인 등통로각압축 공정의 공정조건은 140도의 등통로 각도에서 2회 공정을 수행하는 것으로 결정하였다.

도 3 은 상기의 과정에서 결정된 조건으로 제작된 동통로각압축 공정 금형과, 실제 사용된 탄탈륨 소재의 초기 시편과 동통로각압축을 2번 진행 후 탄탈륨 소재의 사진으로, 금속소재의 표면결함이 유발되지 않았음을 확인할 수 있다.

도 4는 도 3 (b)의 동통로각압축을 2번 진행한 탄탈륨 소재의 집합조직 분포를 실험적으로 확인하기 위해 후방산란전자회절을 시행한 것으로, (001) 집합조직이 초기 탄탈륨 소재는 0.1001의 분율을 가지고 있었다면 동통로각압축을 2번 진행한 탄탈륨 소재는 (001)집합조직의 분율이 0.0301로 현저히 줄어들었음을 알 수 있다.

	Initial	ECAP 2 pass
(001) 분율	0.1001	0.0195

도 5는 VPSC 모델을 통해 예측된 결과들로 (a)는 도 1의 집합조직을 기반으로 한 것으로 즉, 전단변형을 가하지 않은 초기 탄탈륨을 압연 공정을 진행하였을 때, 방위분포함수를 모사한 것이다. 통상적으로 압연 공정을 진행할 경우 (111) 집합조직이 강하게 생성되는데 이는 성형성을 향상시키는 요인으로 작용한다.

따라서 (111) 집합조직 대비 (001) 집합조직의 비율이 압연재의 성형성을 간접적으로 판단하는 요소로 활용될 수 있다.

표 3에 나타나 있듯이 등통로각압축 후 압연 공정을 진행한 경우 (001)분율/(111)분율이 0.106으로 등통로각압축 공정을 거치지 않은 압연재의 해당 값(0.345)에 비해 약 1/3 이내의 범위를 가지므로, 성형성이 향상되었다고 판단할 수 있다. 따라서 본 발명은 다결정 소성모델을 이용해 금속소재에 결함을 가하지 않으면서 (001) 집합조직을 제어하는 공정조건 확보하였고, 상기 일련의 과정은 압연 전 전단변형 공정의 조건을 최적화하는데 드는 시간적, 경제적인 비용을 최소화시킬 수 있는 방법론을 제시한다.

	Initial	Initial+rolling	ECAP 2 pass+rolling
(001) 분율	0.0011	0.136	0.0287
(111) 분율	0.2395	0.3938	0.2717
(001) 분율/(111) 분율	0.418	0.345	0.106

본 발명은 이상의 방법을 통해 소성 가공에 의한 전단 변형 후 압연공정을 거친 금속 압연재의 성형성이 향상됨을 검증할 수 있었다.

이를 토대로 본 발명의 금속 압연재 제조 방법은, 금속소재의 압연 공정 이전에 소성 가공 단계에 의해 전단 변형시킴으로써, 금속소재의 분율을 감소시켜 집합조직을 목적한 수치 내로 제어하여 제조한다.

여기서, 금속소재는 집합조직이 강하게 생성되어 압연 후 가공이 어려운 체심입방구조(bcc)의 금속소재일 수 있고, 일 예로 탄탈륨 소재일 수 있다.

본 발명은, 소성 가공 단계에 의해 소성 가공 후의 집합조직의 분율이 소성 가공 전의 집합조직의 분율의 0.3배 이하가 되도록 제어한다.

나아가, 금속 압연재의 초기 집합조직의 분율 / 소성 가공 후 압연 공정에 의해 제조된 금속 압연재 집합조직의 분율은 1/3 이하로 제어함으로써 금속 압연재의 성형성이 향상될 수 있게 한다.

그리고, 소성 가공 공정은 등통로각압축 공정일 수 있다.

또한, 등통로각도는 140도이고, 등통로각압축 공정은 2회 이상인 것이 보다 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

001 : 집합조직
011 : 집합조직
111 : 집합조직

Claims

(a) 가공 전 금속소재의 집합조직을 분석하는 단계;
(b) 다결정 소성모델(Visco-plastic self-consistent, VPSC)을 이용하여 소성 가공 공정의 특정 조건하에서 생성되는 집합조직을 모사하는 단계;
(c) 상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 미세조직 및 방위분포함수를 분석하여, (001) 집합조직의 분율을 (b) 단계에서 예측한 집합조직의 분율과 비교하는 단계; 및
(d) 상기 소성 가공 공정을 거치지 않은 금속소재의 집합조직 분포와 상기 소성 가공 공정을 수행한 금속소재의 집합조직 분포를 이용하여, 다결정 소성모델로 압연공정을 거친 압연재의 최종적인 집합조직을 분석하는 단계를 포함하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 집합조직 분율이 상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율의 0.3배 이하가 되도록, 상기 소성 가공 공정의 공정 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 1에 있어서,
(e) (상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율)/(상기 소성 가공 후 압연 공정에 의해 제조된 금속 압연재 집합조직의 분율)이 1/3 이하인 경우, 상기 금속 압연재의 성형성이 향상된 것으로 판단하는 단계를 포함하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 소성 가공 공정은 등통로각압축 공정인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 등통로각압축 공정은 2회 이상인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 등통로각압축 공정의 등통로각도는 140도인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금속소재는 체심입방구조(bcc)인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 금속소재는 탄탈륨 소재인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재의 성형성 검증 방법.
금속소재를 소성 가공에 의해 전단 변형시키는 단계; 및
전단 변형된 상기 금속소재를 압연하는 압연 공정 단계를 포함하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 소성 가공 공정을 진행한 금속소재의 집합조직 분율이 상기 가공 전 금속소재의 집합조직 분율의 0.3배 이하인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 9에 있어서,
(상기 소성 가공 전 금속소재의 집합조직 분율)/(상기 압연 공정 단계에 의해 제조된 금속 압연재 집합조직의 분율)이 1/3 이하인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 소성 가공 공정은 등통로각압축 공정인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 등통로각압축 공정은 2회 이상인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 등통로각압축 공정의 등통로각도는 140도인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 금속소재는 체심입방구조(bcc)인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 금속소재는 탄탈륨 소재인 것을 특징으로 하는,
금속 압연재 제조 방법.
청구항 9 내지 청구항 16 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된,
금속 압연재.