WO2021060621A1 - 복합전단변형 및 후속열처리를 이용한 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치 - Google Patents

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WO2021060621A1
WO2021060621A1 PCT/KR2019/016274 KR2019016274W WO2021060621A1 WO 2021060621 A1 WO2021060621 A1 WO 2021060621A1 KR 2019016274 W KR2019016274 W KR 2019016274W WO 2021060621 A1 WO2021060621 A1 WO 2021060621A1
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WO
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metal plate
shear deformation
gradient structure
inverse gradient
continuous
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PCT/KR2019/016274
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김형섭
이학현
박형근
정재면
윤재익
황교준
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포항공과대학교 산학협력단
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/02—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases

Definitions

  • the present invention relates to a metal plate with an inverted gradient structure, and more particularly, through sequential heat treatment after sequentially applying a composite shear deformation to the metal plate, ensuring high productivity and at the same time expressing a unique microstructure called an inverse gradient structure.
  • the present invention relates to a metal plate having an inverse gradient structure capable of simultaneously improving the strength and ductility of the plate, a method for manufacturing the same, and a continuous shear deformation apparatus for the metal plate.
  • the heterostructure design that artificially dissimilarizes the microstructure inside the metal material is emerging as a new microstructured approach that can simultaneously improve the strength and ductility of the existing developed steel grades, moving away from the microstructure perspective that only considered the conventional average grain size.
  • heterostructures There are various types of heterostructures according to the crystal grain shape and distribution of metal materials, and individual mechanical properties and functional properties are shown according to the type.
  • various types of heterostructures are being developed through various processes such as surface modification, bonding of different materials, powder metallurgy, and the like, and research on the intrinsic performance of each structure is also actively progressing.
  • Patent Document 1 a rotating mold that moves the metal plate by frictional contact with the lower surface of the metal plate and a guide groove through which the metal plate passes through the rotating mold surrounding the rotating mold.
  • an apparatus for continuous shear deformation of a metal plate including a fixed mold to form, and having an inlet and an ejection portion for inserting and ejecting the metal plate.
  • the continuous shear deformation device of the metal plate of Patent Document 1 includes a shear deformation part formed in at least one of the inlet part and the injection part to apply shear deformation to the metal plate, and the guide groove part applies compression deformation in the thickness direction of the metal plate.
  • a compression deformation portion having a thickness smaller than the thickness of the metal plate is formed so as to be possible, and an angle adjustment portion for adjusting the angle of the shear deformation portion to adjust the shear deformation amount of the shear deformation portion is formed in the injection portion of the fixed mold.
  • the compression deformation portion is formed to gradually decrease in thickness from the inlet portion to the injection portion so that the metal plate material can be sequentially compressed and deformed.
  • the continuous shear deformation device improves the hardness of the metal plate by compression deformation at the compression deformation part and shear deformation at the shear deformation part, but higher shear deformation occurs from the lower surface to the upper surface of the metal plate.
  • the grain size will gradually decrease toward the upper surface of the metal plate. Therefore, the continuous shear deformation device of Patent Document 1 cannot effectively divide the amount of shear deformation accumulated in the surface portion and the center of the metal plate, and thus has a limitation in manufacturing an inverse gradient structure.
  • Patent Literature 1 does not disclose a metal plate material in which the microstructure has an inverse gradient structure.
  • the present invention was conceived in consideration of the problems of the prior art described above, and its object is to ensure high productivity through subsequent heat treatment after sequentially applying complex shear deformation to a metal plate, while at the same time creating a unique microstructure called an inverse gradient structure. It is to provide a metal plate with an inverse gradient structure capable of simultaneously improving the strength and ductility of an existing metal plate, a method for manufacturing the same, and a continuous shear deformation device for the metal plate.
  • Another object of the present invention is to concentrate the amount of shear strain in the center portion compared to the surface portion of the metal sheet during the complex shear deformation process, thereby enabling selective grain refinement in the center portion, and localized heterogeneity of the microstructure expression in the subsequent heat treatment, so that the surface portion has coarse crystal grains. It is to provide a metal plate with an inverse gradient structure capable of manufacturing an inverse gradient structure in which fine crystal grains exist in the center, and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is an inverse gradient structure metal that can be applied to existing developed steels while ensuring high productivity, and capable of simultaneously improving strength and ductility and optimal heterostructure design for functional characteristics improvement through process conditions change. It is to provide a plate and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a metal plate with an inverse gradient structure capable of manufacturing an optimal inverse gradient structure for a target property through control of process variables such as the number of processes and subsequent heat treatment conditions.
  • An inverse gradient structure metal plate includes a central portion in which fine crystal grains exist; And a surface portion positioned above and below the center and on which coarse crystal grains exist, and forming an inverse gradient structure.
  • the inverse gradient structure metal plate may be continuously obtained by applying a composite shear deformation to the metal plate using a continuous shear deformation device using a single roll and then heat treatment.
  • the area ratio of the central portion and the surface portion is set in the range of 7:3 to 5:5, and the average grain size of the surface portion and the central portion may be at least 4 times or more.
  • the area ratio of the center portion and the surface portion may be preferably set in the range of 6:4 to 5:5.
  • the metal plate may be made of any one of copper, aluminum, and iron.
  • the method for continuously manufacturing a metal plate with an inverse gradient structure includes a circumferential shear deformation, a channel angular shear deformation, and a surface shear deformation for the metal plate to cause uneven shear deformation in the thickness direction of the metal plate. It characterized in that it comprises the step of sequentially adding the composite shear deformation history.
  • the present invention provides a step of localizing the recrystallization and grain growth behavior by heat-treating the metal plate based on the plastic deformation energy accumulated differently according to the thickness position of the metal plate by the addition of the composite shear deformation history.
  • the circumferential shear deformation is a torsion-based shear deformation for a tube shape test piece, and is a shear deformation applied to a z ⁇ plane, that is, a plane perpendicular to the radial direction based on a cylindrical coordinate system.
  • a z ⁇ plane that is, a plane perpendicular to the radial direction based on a cylindrical coordinate system.
  • deformation does not occur in a plane perpendicular to the rotation axis direction, and above all, high deformation may be induced in the inner diameter rather than the outer diameter of the pipe (the closer the position to the rotation axis is).
  • the channel-angular shear deformation is a simple shear deformation that is the same as the shear deformation occurring in the equal-channel angular pressing process. It causes a uniform amount of shear deformation.
  • the surface shear deformation is a local shear deformation that occurs on the plate surface due to frictional force with the fixed object when the metal plate moves while both surfaces of the metal plate are pressed by a fixed object or mold. At this time, the shear deformation experienced by both surface portions of the metal plate acts in opposite directions.
  • the present invention in order to manufacture a metal plate having an inverse gradient structure, is finally divided into two parts by dividing the amount of shear strain accumulated in the surface portion and the center of the metal plate, thereby intensive shear deformation to the center or local crystal grains accordingly. It is desirable to cause micronization.
  • the circumferential shear deformation and the surface shear deformation are shear deformation behaviors limited to the surface of the metal plate, so that the direction of the shear deformation acts in the opposite direction to the channel angular shear deformation, so that the surface portion of the metal plate is It is preferable to produce an inverse gradient structure to compensate for the channel angular shear deformation experienced.
  • a continuous shear deformation device using a single roll may be utilized to sequentially add the complex shear deformation to the metal plate while ensuring high productivity.
  • the continuous shear deformation device using the single roll includes: a single roll having a relatively rough surface and providing a rotational driving force for continuously loading a metal plate into the device through frictional force; A fixed mold that surrounds the single roll and has an inlet and an outlet through which a metal plate is input, and a circumferential groove through which the metal plate can move between the inlet and the outlet; And an outlet guide coupled to the outlet of the fixed mold, having an outlet groove through which the metal plate passes, and inducing surface friction by applying pressure to both surfaces of the metal plate, and entering the inlet of the fixed mold. It is characterized in that the composite shear deformation is applied to the metal plate material discharged through the outlet guide after the treatment.
  • the continuous shear deformation device includes a circumferential groove region in which the groove thickness gradually decreases between the inner circumference of the fixed mold and the outer circumference of the single roll, a channel angle region in which the groove is rapidly bent at a specific angle between the circumferential groove and the outlet, and the outlet. It may have an outlet groove area formed in the outlet groove inside the guide to induce pressure on both surfaces of the metal plate.
  • the thickness reduction rate of the circumferential groove region is set in the range of 5 to 10%.
  • the continuous shear deformation device may further include a support bracket for stably installing and supporting the single roll and the fixed mold.
  • the support bracket includes an annular base stably supported on the base frame, and an annular protrusion protruding from the annular base and having a through hole through which a single roll passes in a center and an annular recess formed on a rear surface
  • the fixed mold is an annular protrusion It is fixed to the front surface of the single roll may be coupled to the annular groove on the rear surface of the annular protrusion, and may have a flange portion to which the rotational force of the driving device is applied.
  • circumferential groove Between the fixed mold and the single roll, there is a circumferential groove between the inner circumference of the fixed mold and the outer circumference of the single roll so that the metal sheet can move by friction with the single roll, and the circumferential angle of the circumferential groove is the single roll from the lowest point of the single roll. It is arranged in a clockwise direction along the outer periphery of and can be set to be greater than 180° and less than 270°.
  • the inlet of the fixed mold is disposed along the tangent plane passing through the lowest point of the single roll, and the outlet of the fixed mold is disposed at the end point of the circumferential groove, and the outlet guide is, for example, coupled to the outlet parallel to the inlet. I can.
  • the metal plate material introduced into the inlet of the continuous shear deformation device and then discharged through the exit guide undergoes sequential shear deformation while passing through three regions including a circumferential groove region, a channel angle region, and an exit groove region.
  • the circumferential groove area is an area surrounding the circumference of the single roll from the point where the metal plate and the single roll contact to each channel area, and is designed so that the groove thickness gradually decreases in the radial direction of the metal plate based on the axis of rotation of the single roll. Provides sufficient compressive force to cause circumferential shear deformation in the plane.
  • the channel angle region is a region in which the circumferential groove region and the exit groove intersect at a specific angle, and is a region in which uniform channel angular shear deformation occurs throughout the entire metal plate under an ideal condition without the effect of friction.
  • the outlet groove area is the area where the metal plate material finally exits through the outlet guide coupled to the outlet of the fixed mold in the continuous shear deformation device, and the groove thickness in that area is the same as the thickness of the initial metal plate material before going through the above process. Is restored. Therefore, when the metal plate enters the exit groove area through each channel region, the metal plate recovers its thickness to its initial thickness through elastic recovery, and at the same time, both surfaces of the metal plate are formed by friction between the exit groove and the exit guide of the fixed mold. It suffers from surface shear deformation.
  • the circumferential shear deformation in the circumferential groove region and the surface shear deformation in the outlet groove region act in opposite directions to the channel angular shear deformation experienced by the lower and upper surfaces of the metal plate, respectively, thereby canceling the shear deformation from each other, It is possible to partially recover the potential accumulated on the surface of the metal plate, and to concentrate the final shear strain and plastic strain energy in the center.
  • the composite shear deformation is a circumferential shear deformation in which a negative (-) shear deformation amount increases as it approaches the lower surface of the metal plate, and a positive (+) shear deformation uniformly in the thickness direction of the metal plate.
  • the shear deformation amount occurring in each region and the final shear deformation distribution of the metal plate according to the detailed conditions of the mold such as the groove thickness reduction rate of the circumferential groove region, the angle of the channel region, and the exit groove region thickness and compression force.
  • the groove thickness reduction rate of the circumferential groove region, the angle of the channel region, and the exit groove region thickness and compression force can be predicted and designed using computational simulation through finite element analysis.
  • the shear strain dichotomy between the surface portion and the center portion of the metal plate is somewhat insignificant and it is difficult to develop an inverse gradient structure during the subsequent heat treatment process
  • the degree of dichotomy between the surface portion and the center portion of the metal plate by controlling the number of repetitive processes of the sequential composite shear deformation, the difference between the average grain size expressed in the surface portion and the center during subsequent heat treatment
  • the mechanical properties of the metal plate can be variously controlled.
  • the unrecrystallized fraction of the metal plate having an inverse gradient structure and the difference in the average grain size between the surface portion and the center portion are controlled, so that various microstructure designs according to the target physical properties are possible.
  • the strength and ductility of the existing developed steel due to the deformation and reinforcement mechanism peculiar to the heterostructure through the formation of an inverse gradient structure. At the same time, it can be greatly improved.
  • the amount of shear strain is concentrated in the center portion compared to the surface portion of the metal plate during the complex shear deformation process, thereby enabling selective grain refinement in the center portion, and by locally dissimilarizing the microstructure expression in the subsequent heat treatment, the surface portion has coarse crystal grains, It is possible to fabricate an inverse gradient structure in which fine crystal grains exist in the center.
  • FIG. 1 is a process diagram showing a process of sequential composite shear deformation dividing the shear deformation distribution of the surface portion and the center portion of a metal plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a schematic exploded perspective view of a continuous shear deformation device using a single roll according to the present invention
  • FIG. 2B is a distinction between a circumferential groove region, a channel angle region, and an outlet groove region through which a metal plate passes in the continuous shear deformation apparatus according to the present invention
  • 2C is a front photograph of the continuous shear deformation device with a single roll removed
  • FIG. 2D is an exploded view of a state in which the outlet guide is removed in the continuous shear deformation device according to the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the shear deformation received by the metal plate in each groove region of the continuous shear deformation apparatus according to the present invention
  • FIG. 3(a) is a description for explaining the circumferential shear deformation received by the metal plate in the circumferential groove region
  • FIG. 3(b) is an explanatory diagram for explaining the channel angular shear deformation received by the metal plate in each channel region
  • FIG. 3(c) is an explanatory diagram for explaining the surface shear deformation received by the metal plate in the exit groove region.
  • Figure 4a is a schematic diagram showing a metal plate undergoing continuous shear deformation in the continuous shear deformation device of the present invention as a result of performing finite element analysis (FEA), and Figure 4b is a sequence expressed in the continuous shear deformation device of the present invention.
  • FEA finite element analysis
  • Figure 4b is a sequence expressed in the continuous shear deformation device of the present invention.
  • FIG. 4C is a sequential shear deformation expressed in the continuous shear deformation device of the present invention.
  • FIG. 4D is a graph showing the final shear deformation distribution through the exit groove area of the metal plate according to the present invention.
  • a graph shown according to the depth of the plate it is shown in comparison with the comparative example.
  • Figure 5 is an enlarged photograph of the microstructure of the TD (Transverse Direction) surface of the pure copper plate according to the procedure of the present invention
  • Figure 5 (a) is the microstructure (Initial) in the initial state before deformation
  • Figure 5 (b) Is the microstructure (6 Pass) in a state that has undergone six sequential complex shear deformations
  • Fig. 5(c) is an enlargement of the inverse gradient microstructure (6 Pass + annealing) finally expressed by subsequent heat treatment after the complex shear deformation. Show the picture.
  • FIG. 6 shows the change in the microstructure characteristics of the TD surface of the copper plate with a reverse gradient structure according to the change of the subsequent heat treatment time after 6 times of composite shear deformation.
  • FIG. 6(a) shows 10 minutes at 400 degrees
  • FIG. 6(b) shows 400 In Fig. 20 minutes
  • Fig. 6(c) shows the change in microstructure characteristics of the TD surface subjected to heat treatment at 400 degrees for 30 minutes.
  • FIG. 7 is a stress-strain curve derived by performing a uniaxial tensile test on the initial pure copper plate and the three inverse gradient structure copper plates shown in FIG. 6.
  • FIG. 8A is a graph comparing yield strength and uniform elongation of a plate with an inverse gradient structure manufactured according to an embodiment of the present invention with a conventional copper material having a uniform microstructure
  • FIG. 8B Is a graph comparing the ultimate tensile strength and uniform elongation of a plate with an inverted gradient structure manufactured according to an embodiment of the present invention with a conventional copper material having a uniform microstructure.
  • the embodiments and drawings described in the present specification are one of the preferred embodiments of the present invention, and relate to a methodology capable of manufacturing a metal plate with an inverse gradient structure through a processing method capable of sequentially applying complex shear deformation and subsequent heat treatment.
  • the present invention is not limited to specific process variables such as detailed mold dimensions and shapes, and the number of processes and subsequent heat treatment conditions, but various microstructure characteristics by controlling the local microstructure expression behavior during the combination of shear deformation and subsequent heat treatment. It involves designing the inverse gradient structure of. Therefore, it is specified that various changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention according to the target properties preferred by the implementing party in the field.
  • FIG. 1 is a process diagram showing a process of sequential composite shear deformation dividing the shear deformation distribution of the surface portion and the center portion of a metal plate according to an embodiment of the present invention.
  • a circumferential shear deformation step (S10), a channel angle shear deformation step (S20), and a surface shear deformation step (S30) are sequentially performed.
  • CSD channel-angular shear deformation
  • SSD surface shear deformation
  • the amount of shear deformation of the core (10c) of the metal plate 10 and the surface portions (10d) of the top (10a) and the bottom (10b) is divided into two.
  • the arrows indicate shear deformations expressed according to the thickness position of the metal plate, and the direction and length of the arrows indicate the direction and size of the shear deformation, respectively.
  • the right side is assumed to be a positive (+) direction
  • the left side is assumed to be a negative (-) direction.
  • a complex shear deformation is applied to the metal plate 10 in the order of the circumferential shear deformation step (S10), the channel angle shear deformation step (S20), and the surface shear deformation step (S30). It is preferable that the circumferential shear deformation made in the circumferential shear deformation step (S10) acts in a direction opposite to the channel angular shear deformation experienced by the metal plate 10 afterwards, and is close to the bottom (10b) of the metal plate 10. As the higher negative (-) shear deformation is induced, as a result, it serves to offset the positive (+) channel angular shear deformation experienced by the lower portion 10b of the metal plate 10.
  • the positive shear deformation experienced by the top (10a) of the metal plate 10 by the channel angular shear deformation performed in the channel angular shear deformation step (S20) is mainly offset by the surface shear deformation.
  • the both surfaces 10d of the metal plate 10 undergo shear deformation in different directions, so the lower portion 10b of the metal plate 10 is caused by the surface shear deformation. It is subject to an additional positive shear strain, albeit slightly.
  • the present invention is not limited to the sequential shear deformation of one pass, but by preserving the initial thickness of the metal plate 10 before and after the process to enable a repetitive process (S40), increasing the number of repetitive processes as shown in FIG. According to the above, it is preferable to repeat the process S40 a plurality of times to deepen the degree of shear deformation dichotomy between the surface portion 10d and the central portion 10c of the metal plate 10.
  • FIG. 2A is a schematic exploded perspective view of a continuous shear deformation device using a single roll according to the present invention
  • FIG. 2B is a distinction between a circumferential groove region, a channel angle region, and an outlet groove region through which a metal plate passes in the continuous shear deformation apparatus according to the present invention
  • 2C is a front photograph of the continuous shear deformation device with a single roll removed
  • FIG. 2D is an exploded view of a state in which the outlet guide is removed in the continuous shear deformation device according to the present invention.
  • the continuous shear deformation device 20 using a single roll according to the present invention has a relatively rough surface and a rotational driving force that continuously charges the metal plate 10 into the device through frictional force.
  • the outlet guide 26 includes an upper plate and a lower plate for applying pressure to both surfaces of the metal plate 10, and the pressing force on both surfaces of the metal plate 10 may be adjusted by tightening side screws.
  • the inner circumference of the through hole 24c of the fixed mold 24 and the single roll ( There is a circumferential groove 23 between the outer circumferential portions of 22), and the circumferential angle of the circumferential groove 23 is arranged in a clockwise direction along the outer circumference of the single roll 22 from the lowest point 23a of the single roll 22 and is 180°. It can be set to be greater than or less than 270°.
  • the inlet 24a of the fixed mold 24 may be disposed along a tangent plane passing through the lowest point 23a of the single roll 22, for example, and the fixed mold at the end point of the circumferential groove 23 ( The outlet 24b of 24) is disposed, and the outlet guide 26 may be coupled to the outlet 24b.
  • the metal plate 10 When inserting the metal plate 10 having the same thickness as the inlet 24a of the fixed mold 24 into the inlet 24a of the fixed mold 24, the metal plate 10 is a single roll 22 that is driven to rotate. By moving along the inner groove of the fixed mold 24 only by the frictional force of and, it undergoes sequential shear deformation.
  • the area where the metal plate 10 undergoes deformation is the fixed mold 24
  • the circumferential groove region 31 disposed along the circumferential groove 23 between the inner circumferential portion of the single roll 22 and the outer circumferential portion of the single roll 22, the circumferential groove 23 and the outlet groove 26a of the outlet guide 26 A sequential shear deformation is performed while passing through three regions including the channel angle region 32 and the exit groove region 33 disposed in the exit groove 26a of the exit guide 26.
  • the continuous shear deformation device 20 using a single roll according to the present invention is a support bracket 25 to stably install and support the single roll 22 and the fixed mold 24 as shown in Figs. 2c and 2d. I am using.
  • the support bracket 25 is an annular base 25b stably supported on a base frame, not shown, and a through hole 25c protruding from the annular base 25b and passing through a single roll 22 in the center. It includes a protrusion 25a.
  • the fixing mold 24 may be fixed to the annular protrusion 25a of the support bracket 25 by a bolt fastening method.
  • the single roll 22 has a flange portion 22a extending at one end, and rotationally driven by a driving device not shown.
  • the flange 22a is in the groove formed on the rear surface of the annular protrusion 25a. Assembled and rotated to support the single roll 22 in a stable state.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the shear deformation received by the metal plate in each groove region of the continuous shear deformation apparatus according to the present invention
  • FIG. 3(a) is a description for explaining the circumferential shear deformation received by the metal plate in the circumferential groove region
  • FIG. 3(b) is an explanatory diagram for explaining the channel angular shear deformation received by the metal plate in each channel region
  • FIG. 3(c) is an explanatory diagram for explaining the surface shear deformation received by the metal plate in the exit groove region.
  • the circumferential groove region 31 is designed to gradually decrease the thickness of the groove as it approaches the channel angle region 32 in order to effectively induce circumferential shear deformation with respect to the metal plate 10.
  • the reduction rate of the groove thickness of the circumferential groove region 31 may be limited to 5 to 10%.
  • the gradual decrease in thickness of the circumferential groove region 31 may cause a continuous driving force and circumferential shear deformation for the metal plate 10 in the continuous shear deformation process.
  • the groove thickness reduction rate is less than 5%, the vertical drag and frictional force caused by the metal plate 10 decreases, so that the metal plate 10 has sufficient driving force to overcome the repulsive force in the subsequent channel angle region 32. Do not receive.
  • the groove thickness decrease rate exceeds 10%
  • the circumferential shear deformation occurring in the circumferential groove region 31 becomes severe, and a very strong negative shear deformation is imposed on the lower surface of the metal plate 10. do. Therefore, the shear deformation dichotomy for the metal plate 10 may be distorted, and finally, the metal plate 10 may be restored to its initial thickness in the channel angle region 32 to the outlet groove region 33 due to excessive compression. As a result, the repeating step (S40) becomes impossible.
  • FIG. 3(b) shows the channel angular shear deformation experienced by the metal plate 10 in the channel angular region 32 of the continuous shear deformation device 20 (S20).
  • the channel angle region 32 a high simple shear corresponding to the angle formed by the circumferential groove 23 and the outlet groove 26a, that is, the channel angle ⁇ , is relatively uniform in the thickness direction of the metal plate 10 This is the area that occurs.
  • the metal plate 10 receives a repulsive force in the opposite direction to the moving direction, and at the same time, the corresponding repulsive force and elasticity are restored.
  • the thickness of the metal plate 10 can be restored to the same thickness as the thickness of the outlet groove 26a. Therefore, in the present invention, it is possible to deepen the shear deformation dichotomy between the upper and lower portions 10a and 10b of the metal plate 10 by performing a repetitive process on the same material. Since it is necessary, it is preferable to design the thickness of the outlet groove 26a, which is the end of each channel region 32, to have the same thickness as that of the initial metal plate 10.
  • the size of the channel angle shear deformation added to the metal plate 10 can be adjusted by adjusting the angle formed by the circumferential groove 23 and the outlet groove 26a.
  • the angle formed by the circumferential groove 23 and the outlet groove 26a is referred to as a channel angle ⁇ , and the range of the channel angle ⁇ of the channel angle region 32 in the present invention determines the mold stability and the size of the channel angle shear deformation. It is limited to 90 degrees to 140 degrees in consideration. In general, as the channel angle ⁇ decreases, the magnitude of the channel angle shear deformation occurring in the metal plate 10 increases rapidly, but an acute angle less than 90 degrees is caused by high stress concentration. 24) may cause breakage and surface defects.
  • the channel angle ( ⁇ ) achieves an obtuse angle exceeding 140 degrees
  • the channel angle is relatively insignificant compared to the negative (-) shear deformation caused by the circumferential shear deformation and the surface shear deformation caused by the metal plate 10. Since shear deformation occurs, it is difficult to effectively cause shear deformation dichotomy with respect to the metal plate 10.
  • FIG. 3(c) shows the surface shear deformation experienced by the metal plate 10 in the outlet groove region 33 of the continuous shear deformation device 20 (S30).
  • the outlet groove area 33 presses both surfaces of the metal plate 10 when the metal plate 10 that has undergone circumferential shear deformation and channel angular shear deformation enters the exit guide 26 to cause additional surface shear deformation. This is the area to be told. In this area, frictional force is applied to both surfaces of the metal plate 10 in the opposite direction to the moving direction of the metal plate, and as shown in FIG. 1, the upper portion 10a of the metal plate 10 is negatively sheared by the frictional force. , The lower portion 10b of the metal plate is subjected to positive (+) shear deformation.
  • both surfaces of the metal plate 10 were pressed by tightening the side screws of the outlet guide 26, and the pressure load for the repetitive process did not cause additional compressive deformation to the metal plate 10 and was a continuous plate material. It is desirable to limit the movement to the possible range.
  • the thickness reduction rate of the circumferential groove region 31 is set to 5%, and the thickness t1 of the inlet 24a of the circumferential groove region 31 Is 1mm equal to the thickness of the metal plate 10 in which the shear deformation is made, the thickness t2 at the 9 o'clock point of the circumferential groove region 31 is 0.98mm, and the thickness of the uppermost point 23b of the circumferential groove region 31 (t3) is set to 0.96mm, the groove thickness (t4) of the channel angle region 32 is 0.95mm, the groove thickness (t5) of the exit groove region 26 is set to 1mm, and the channel angle of the channel angle region 32 ( ⁇ ) was set to 135 degrees.
  • the metal plate used to obtain the test piece of the inverse gradient structure metal plate obtained according to the manufacturing process of the present invention was a pure copper plate having a purity of 99.99% and having a thickness of 1 mm.
  • Figure 4a is a schematic diagram showing a metal plate undergoing continuous shear deformation in the continuous shear deformation device of the present invention as a result of performing finite element analysis (FEA), and Figure 4b is a sequence expressed in the continuous shear deformation device of the present invention.
  • FEA finite element analysis
  • Figure 4b is a sequence expressed in the continuous shear deformation device of the present invention.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing a metal plate undergoing continuous shear deformation in the continuous shear deformation apparatus of the present invention as a result of performing a finite element analysis (FEA).
  • FEA finite element analysis
  • 4B is a shear deformation distribution caused by circumferential shear deformation at the highest point 23b among the circumferential groove regions 31, the size of the shear deformation was in the range of 0.1 to 0.2, and a position close to the lower surface of the metal plate 10 It was confirmed that the stronger the shear deformation occurred in the negative (-) direction.
  • FIG. 4C shows the distribution of shear strain contained in the metal plate after the sequential composite shear strain in one pass.
  • the center portion 10c of the metal plate 10 has a uniform and strong positive (+) shear deformation accumulated compared to the surface portion 10d.
  • both surfaces of the upper and lower portions 10a and 10b of the metal plate 10 contained a significantly lower positive (+) shear deformation than the central portion 10c. Therefore, the shear strain distribution analysis through the finite element analysis (FEA) guaranteed the effectiveness of the continuous shear strain device for shear strain dichotomy in this example.
  • FEA finite element analysis
  • a comparative example is a metal sheet material sheared by the continuous shear deformation device shown in Patent Document 1.
  • the moving member and the slide groove provided at the outlet of the continuous shear deformation device of Patent Document 1 do not apply separate external force and pressure to the metal plate injected from the fixed mold, and simply play the role of the outlet passage for the metal plate to exit. do.
  • the metal plate of the comparative example obtained through the continuous shear deformation device of Patent Document 1 was subjected to circumferential shear deformation and channel angular shear deformation, as shown in Fig. 4D, from the bottom (10b) to the top (Top). It shows the result of increasing the plastic shear strain as it goes to (10a).
  • Patent Document 1 does not recognize the phenomenon of circumferential shear deformation and channel angular shear deformation as analyzed in the present invention while the metal plate passes through the continuous shear deformation device, and a process of performing subsequent heat treatment after the shear deformation process. Also, it is not disclosed.
  • the continuous shear deformation device 20 of the present invention applies additional pressing force to both surfaces of the metal plate 10 using the outlet guide 26 after the circumferential shear deformation and the channel angle shear deformation, and accordingly, the metal plate 10 A large amount of surface shear strain is added to When an additional pressing force is applied to both surfaces of the metal plate 10, the surface shear deformation caused by the frictional force on the metal plate 10 is induced, and finally the surface 10d and the core of the metal plate 10 are applied. ) It effectively dichotomizes the amount of shear strain accumulated in (10c).
  • the circumferential shear deformation, the channel angular shear deformation, and the surface shear deformation are sequentially applied, and finally, as shown in FIG. It can be seen that the shear deformation level of the portion 10d and the central portion 10c is bisected. Accordingly, when the shear-deformed metal plate 10 is subjected to subsequent heat treatment, in the present invention, as shown in FIG. 5(c), microcrystalline grains are formed in the center 10c of the metal plate 10, and the upper/lower portions 10a and 10b The microstructures of the inverse gradient structure in which coarse grains are expressed are shown on both surface portions 10d of.
  • the present invention after obtaining a metal plate 10 containing a different amount of shear deformation between the surface portion 10d and the center 10c through the shear deformation procedure, a subsequent heat treatment is performed on the surface of the metal plate 10
  • the heterostructure is produced by heterogeneizing the recrystallization and grain growth behavior expressed in the portion 10d and the central portion 10c.
  • the fabrication of the inverse gradient structure in the present invention is determined by different recrystallization and grain growth behaviors in the center portion 10c and the surface portion 10d of the metal plate 10 as described above. Therefore, the subsequent heat treatment temperature causes recrystallization throughout the metal plate 10, but interference with adjacent grains is ignored during grain growth, and thus the grains between the surface portion 10d and the center 10c of the metal plate 10 It is preferable to avoid heat treatment at an excessively high temperature so that the growth behavior is not heterogeneous.
  • the metal plate 10 which has a high plastic deformation amount by the composite shear deformation through the continuous shear deformation device 20, has strength and ductility in spite of the improvement in strength due to high work hardening.
  • the ductility is expected to be poor due to the trade-off trend. Therefore, in order to simultaneously improve the strength and ductility of the metal plate 10 compared to the initial stage by a reinforcing mechanism peculiar to the heterostructure, it is preferable to eliminate internal dislocations and deformations in the metal plate 10 through subsequent heat treatment.
  • Figure 5 is an enlarged photograph of the microstructure of the TD (Transverse Direction) surface of the pure copper plate according to the procedure of the present invention
  • Figure 5 (a) is the microstructure (Initial) in the initial state before deformation
  • Figure 5 (b) Is a microstructure (6 Pass) in a state that has undergone six sequential complex shear deformations
  • Fig.5(c) is a reverse gradient microstructure (6 Pass +) finally expressed by subsequent heat treatment after complex shear deformation according to the present invention. annealing).
  • an embodiment according to the present invention uses a pure copper plate of 99.99% purity as a metal plate.
  • the copper plate in the initial state before the composite shear deformation was applied it had a uniform microstructure made of coarse grains as shown in Fig. 5(a), and the average grain size was about 127 ⁇ m.
  • the initial state copper plate was subjected to 6 passes of the composite shear deformation using the continuous shear deformation device of FIG. 2, and the microstructure of the obtained copper plate is as shown in FIG. 5(b).
  • the microstructure of the copper plate to which the composite shear deformation is applied 6 passes is made of crystal grains in the shape of which the core of the copper plate is significantly inclined and elongated in the direction of progress (RD direction).
  • RD direction direction of progress
  • FIG. 6 shows the change in the microstructure characteristics of the TD surface of the copper plate with a reverse gradient structure according to the change of the subsequent heat treatment time after 6 times of composite shear deformation
  • FIG. 6(a) shows 10 minutes at 400 degrees (Sample 1)
  • FIG. 6 ( b) shows the change in microstructure characteristics of the TD surface subjected to heat treatment at 400°C for 20 minutes (Sample 2) and Fig. 6(c) at 400°C for 30 minutes (Sample 3).
  • the change in microstructure characteristics of the copper plate with the inverse gradient structure according to the subsequent heat treatment time was investigated with the heat treatment temperature fixed at 400 degrees during the subsequent heat treatment.
  • a GOS Gram orientation spread
  • grains having a GOS value of 3° or less are regarded as recrystallized grains, and are displayed in yellow in FIG. 6.
  • crystals with a GOS value of 3° or more that have not yet been recrystallized were displayed in red.
  • a recrystallized microcrystalline region existed in the core of all materials, and the surface of the material (Sample 1, Sample 2) heat-treated at 400°C for 10 minutes and 20 minutes was roughened with non-recrystallization. The recrystallization was mixed, and the material (Sample 3) subjected to the heat treatment for 30 minutes consisted only of coarse crystal regions in which the surface was completely recrystallized.
  • Heat treatment temperature EBSD electron backscatter diffraction
  • the average grain size of the surface portion 10d and the center portion 10c is almost It was kept constant, and it was confirmed that the area fraction of the microcrystalline region and the non-recrystallized region gradually decreased only with an increase in the heat treatment time.
  • a total of three copper plates having an inverse gradient structure were successfully manufactured through the procedure of the present invention, and in this embodiment, the subsequent heat treatment time after performing a 6-pass composite shear deformation using a continuous shear deformation device. It was confirmed that the microstructural characteristics of the copper plate having an inverse gradient structure can be adjusted by controlling
  • the present invention is not limited only to the subsequent heat treatment time, but the reverse gradient structure metal having various microstructural characteristics through control of process variables such as the number and process path of the iterative process of the composite shear deformation using the continuous shear deformation device, and the temperature of the subsequent heat treatment. It is stated that the plate 10 can be manufactured.
  • the reinforcing mechanism and mechanical properties peculiar to the heterostructure depend on microstructural variables such as the strength difference, volume fraction, and spatial distribution between the relative soft and hard regions constituting the material. Samples 1 to 3) exhibit different mechanical properties according to their microstructural properties.
  • Example 7 shows the tensile stress-engineering strain curves of the initial copper plate and three kinds of inverse gradient-structured copper plates (Samples 1 to 3) manufactured through the procedure of the present invention.
  • the results of quantifying the mechanical properties of each material (Sample 1 to Sample 3) through the results are summarized in Table 2 below.
  • an inverse gradient structure in which strength and ductility are simultaneously improved successfully through a subsequent heat treatment for 10 to 30 minutes at 400°C for a copper plate that has undergone a total of 6 passes of continuous shear deformation. Can be produced.
  • the metal plate 10 still has a limited work hardening ability due to high plastic deformation, so that although it has high strength, it exhibits poor mechanical properties with a sharply low ductility.
  • the conditions of the subsequent heat treatment be adjusted within the range that is maintained, and it is preferable that the average grain size of the surface portion 10d and the center portion 10c of the inverse gradient structure metal plate 10 has a difference of at least 4 times or more. .
  • the area ratio between the center portion 10c and the surface portion 10d of the metal plate 10 is in the range of 7:3 to 5:5. And, more preferably, when the ratio of the microcrystalline area and the coarse crystal area satisfies the range of 6:4 to 5:5, a metal plate with improved strength and ductility at the same time without sacrificing ductility compared to the initial material (Initial) You can get it.
  • FIG. 8A is a graph comparing yield strength and uniform elongation of a plate with an inverse gradient structure manufactured according to an embodiment of the present invention with a conventional copper material having a uniform microstructure
  • FIG. 8B Is a graph comparing the ultimate tensile strength and uniform elongation of a plate with an inverted gradient structure manufactured according to an embodiment of the present invention with a conventional copper material having a uniform microstructure.
  • the three inverse gradient-structured copper plates (Present) fabricated in the examples of the present invention also tend to sacrifice elongation somewhat as the strength increases, but overall strength and ductility experienced by conventional homogeneous materials. It can be seen that it has excellent mechanical properties beyond the trade-off of.
  • the present invention provides a metal plate material having an inverse gradient structure through shear deformation dichotomy and subsequent heat treatment for the metal plate material, and a continuous manufacturing method thereof.
  • the circumferential groove shear deformation, channel angle shear deformation, and surface shear deformation occurring in the continuous shear deformation device of the present invention in order to manufacture a metal plate having an inverse gradient structure may vary in size depending on the type and strength of the metal material. have. However, since the shear deformation distribution due to each shear deformation depends only on the morphological factors of the fixed mold, the qualitative shear deformation distribution caused by the thickness position of the metal plate is irrelevant to the type of metal material.
  • the shear deformation of the center and the surface of various metal plates such as copper, aluminum, iron, etc. can be divided into dichotomy through the composite shear deformation, and a sufficiently inverse gradient structure through the adjustment of the subsequent heat treatment conditions. State that expression is possible.
  • a continuous shear deformation device using a single roll is used to sequentially apply a composite shear deformation to the metal plate to divide the amount of shear deformation at the surface and the center of the metal plate, and then recrystallize and grain through subsequent heat treatment.
  • the method of fabricating a copper plate with an inverse gradient structure by growth has been experimentally verified.
  • the present invention is a reverse gradient capable of simultaneously improving the strength and ductility of a metal plate by sequentially applying a composite shear deformation to a metal plate and then performing a subsequent heat treatment to ensure high productivity and at the same time express a unique microstructure called a reverse gradient structure. It can be applied to a structural metal plate, a manufacturing method thereof, and a continuous shear deformation apparatus for a metal plate.
  • the present invention can be applied to the manufacture of a metal plate that can improve the electrical conductivity and functional properties of bending-based formability.

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Abstract

본 발명은 금속판재에 순차적으로 복합전단변형을 가한 후 후속열처리를 통해, 높은 생산성 보장과 동시에 역 구배구조라는 독특한 미세구조를 발현시켜 금속판재의 강도와 연성을 동시에 향상시키는 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치에 관한 것이다. 본 발명은 높은 생산성을 보장함과 동시에 복합전단변형을 금속판재에 유발시키기 위해 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치를 이용한다. 이를 통해 금속판재는 원주전단변형, 채널각전단변형, 표면전단변형 순으로 복합적인 전단변형을 받아 금속판재의 표면부에 비해 중심부에 상대적으로 높은 전단변형량이 축적되고, 후속열처리 시 표면부와 중심부간의 재결정 및 결정립 성장거동이 이질화되어 중심부에는 미세 결정립, 표면부에는 조대 결정립을 가진 역 구배구조가 발현된다.

Description

복합전단변형 및 후속열처리를 이용한 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치
본 발명은 역 구배구조 금속판재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속판재에 순차적으로 복합전단변형을 가한 후 후속열처리를 통해, 높은 생산성을 보장함과 동시에 역 구배구조라는 독특한 미세구조를 발현시켜 금속판재의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치에 관한 것이다.
금속판재의 강도향상은 구조재료로서의 안정성을 위한 필수요소임과 동시에, 최근 21세기 자동차 관련 환경 및 안전규제 강화에 따라 차량의 연비개선 및 효율적인 소재활용을 위한 고강도 냉연재의 필요성이 급증하고 있다.
따라서 금속소재의 화학적 조성 설계를 통해 듀얼 페이스(dual phase) 강, TWIP(twinning-induced plasticity)강, 고엔트로피 합금 등 차세계 고강도 강종이 개발되었고, 개발 강종에 대한 냉간압연(cold rolling), 강소성가공(severe plastic deformation) 등을 활용하여 평균 결정립도를 미세화시킴으로써 소재의 강도를 급증시키려는 노력이 도모되어 왔다.
그러나 상기 접근법의 경우, 금속소재의 강도 향상에도 불구하고, 연성이 오히려 급감하는 강도와 연성의 트레이드 오프(trade-off) 현상에 의해 다양한 산업파트에 활용되기 위한 충분한 인성을 가지지 못한다는 한계점이 부각되고 있다.
따라서 기존의 평균결정립도만을 고려했던 미세조직적 관점에서 벗어나, 금속소재 내부의 미세조직을 인위적으로 이질화시키는 헤테로구조 설계가 기존 개발강종의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 미세조직적 접근법으로 떠오르고 있다.
헤테로구조는 금속소재의 결정립 형상 및 분포에 따라 다양한 종류가 존재하며, 그 종류에 따라 개별적인 기계적 물성 및 기능적 특성을 보인다. 상기 연구동향에 발맞추어, 표면 개질화, 이종재료접합, 분말야금법 등 다양한 공정 활용을 통해 다양한 종류의 헤테로구조가 개발되고 있으며, 각 구조의 고유성능에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
그럼에도 불구하고, 현재까지 헤테로구조 제작을 위해 개발된 공정들은 연구 개발단계의 소규모 시험편에 국한되고 낮은 생산성으로 인해, 금속판재에 대해 적용성 및 대량생산 가능성이 상당히 결여된다.
또한, 헤테로구조 중 가장 활발히 연구된 구배구조의 경우, 표면개질화 공정의 특성상 조절할 수 있는 미세조직적 변수가 상당히 한정적이다. 따라서 편협된 구배범위, 구배방향, 구배크기로 인해 구배구조와 기계적, 기능적 특성간의 통합적인 상관관계 규명이 불가하다.
추가적으로 전기전도도, 굽힘기반 성형성과 같은 기능적 특성의 측면에서는, 표면에 미세결정립이 존재하는 구배구조보다는 표면에 조대한 결정립을 가지는 역 구배구조가 선호됨에도 불구하고, 현재까지 이러한 역 구배구조를 제작할 수 있는 헤테로 구조 공정법은 미비한 실정이다.
한국등록특허공보 제10-1957805호(특허문헌 1)에는 금속판재의 하부면과 마찰 접촉하여 금속판재를 이동시키는 회전금형과 회전금형을 둘러싸며 회전금형과의 사이에 금속판재가 통과하는 가이드 홈부를 형성하는 고정금형을 포함하며, 금속판재의 인입과 사출을 위한 인입부와 사출부를 구비한 금속판재의 연속 전단변형장치가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1의 금속판재의 연속 전단변형장치는 인입부 및 사출부 중 적어도 하나에 형성되어 금속판재에 전단변형을 가하는 전단 변형부를 포함하고, 가이드 홈부는 금속판재의 두께방향으로 압축변형을 가할 수 있도록 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 압축 변형부가 형성되고, 고정금형의 사출부에는 전단 변형부의 전단 변형량을 조절할 수 있도록 전단 변형부의 각도를 조절하는 각도 조절부가 형성된 구조를 개시하고 있다. 또한, 상기 압축 변형부는 금속판재가 순차적으로 압축 변형될 수 있도록 인입부에서 사출부로 갈수록 두께가 점차적으로 작아지게 형성되어 있다.
상기 연속 전단변형장치는 압축 변형부에서의 압축변형과 전단 변형부에서의 전단변형에 의해 금속판재의 경도를 향상시키고 있으나, 금속판재의 하부면에서 상부면으로 갈수록 높은 전단변형이 발생하고 그에 따라 금속판재의 상부면으로 갈수록 점차적으로 결정립도가 감소하는 경향을 보일 것이다. 따라서, 특허문헌 1의 연속 전단변형장치는 금속판재의 표면부와 중심부에 축적되는 전단변형량을 효율적으로 이분화시킬 수 없어, 역 구배구조 제작에 한계점을 지닌다. 또한, 특허문헌 1은 미세조직이 역 구배구조를 가지는 금속판재에 대하여 개시하고 있지 않다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 그 목적은 금속판재에 순차적으로 복합 전단변형을 가한 후 후속열처리를 통해, 높은 생산성을 보장함과 동시에 역 구배구조라는 독특한 미세구조를 발현시켜 기존 금속판재의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 복합전단변형 과정에서 금속판재의 표면부에 비해 중심부에 전단변형량을 집중시켜 중심부에 대한 선택적 결정립미세화가 가능하고 후속열처리 시 미세조직 발현을 국부적으로 이질화시킴으로써 표면부에는 조대결정립, 중심부에는 미세결정립이 존재하는 역 구배구조 제작이 가능한 역 구배구조 금속판재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 생산성을 보장하면서 기존 개발강재에 대해 적용이 가능하며, 공정조건 변화를 통해 강도와 연성의 동시 향상 및 기능적 특성 개선을 위한 최적의 헤테로구조 설계가 가능한 역 구배구조 금속판재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공정횟수 및 후속열처리 조건 등 공정변수 조절을 통해 목표물성을 위한 최적의 역 구배구조 제작이 가능한 역 구배구조 금속판재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 역 구배구조 금속판재는 미세결정립이 존재하는 중심부; 및 상기 중심부의 상부와 하부에 위치되고 조대결정립이 존재하는 표면부;를 포함하며, 역 구배구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 역 구배구조 금속판재는 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치를 이용하여 금속판재에 복합전단변형을 가한 후, 열처리하여 연속적으로 얻어질 수 있다.
이 경우, 상기 중심부와 표면부의 면적비는 7:3 ~ 5:5 범위로 설정되며, 상기 표면부와 중심부의 평균 결정립도는 적어도 4배 이상일 수 있다. 또한, 상기 중심부와 표면부의 면적비는 바람직하게 6:4 ~ 5:5 범위로 설정될 수 있다.
상기 금속판재는 구리, 알루미늄 및 철 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 역 구배구조 금속판재의 연속적 제조방법은 금속판재의 두께방향으로 불균일한 전단변형을 유발하도록 금속판재에 대해 원주전단변형, 채널각전단변형 및 표면전단변형을 포함하는 복합전단변형 이력을 순차적으로 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 복합전단변형 이력의 부가에 의해 금속판재의 두께 위치에 따라 상이하게 축적된 소성변형에너지를 기반으로 상기 금속판재를 열처리하여 재결정 및 결정립 성장 거동을 국부적으로 이질화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 원주전단변형(Circumferential shear deformation)은 관재형상의 시험편에 대한 비틀림기반 전단변형으로, 원통 좌표계를 기반으로 zθ 평면, 즉 반경방향에 수직한 평면에 가해지는 전단변형이다. 상기 전단변형거동은 회전축방향에 수직한 평면에 대해서는 변형이 발생하지 않으며, 무엇보다 관재의 외경보다는 내경에서 (회전축에 대해 가까운 위치일수록) 고변형이 유발될 수 있다.
상기 채널각전단변형(Channel-angular shear deformation: CASD)은 등통로각압축(Equal-channel angular pressing) 공정에서 발생하는 전단변형과 동일한 단순전단변형(Simple shear)으로, 금속판재의 단면 전반에 걸쳐 균일한 량의 전단변형을 유발한다.
상기 표면전단변형(Surface shear deformation)은 고정된 물체 혹은 금형에 의해 금속판재의 양 표면이 가압된 상태에서 금속판재가 이동할 시, 고정물체와의 마찰력으로 인해 판재표면에 발생하는 국부적인 전단변형이다. 이때 금속판재의 양 표면부가 겪는 전단변형은 서로 반대 방향으로 작용한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태로서, 역 구배구조 금속판재의 제작을 위해 본 발명은 최종적으로 금속판재의 표면부와 중심부에 축적되는 전단변형량을 이분화함으로써 중심부에 대한 집중적인 전단변형 내지 그에 따른 국부적 결정립미세화를 유발시키는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 3가지 전단변형 거동 중 원주전단변형 및 표면전단변형은 금속판재의 표면부에 한정된 전단변형 거동이기에, 전단변형의 방향이 채널각전단변형과 반대방향으로 작용하게 하여 금속판재의 표면부가 겪는 채널각전단변형을 상쇄시키도록 하는 것이 역 구배구조 제작에 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 높은 생산성을 보장하면서 금속판재에 대해 상기 복합적인 전단변형을 순차적으로 부가하기 위해 싱글 롤(Single roll)을 이용한 연속전단변형장치를 활용할 수 있다. 상기 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치는, 상대적으로 거친 표면을 가지고 마찰력을 통해 금속판재를 연속적으로 장치 내부로 장입시키는 회전 구동력을 제공하는 싱글 롤; 상기 싱글 롤을 둘러싸고 있고 금속판재가 입력되는 입구와 출구를 구비하며 상기 입구와 출구 사이에 금속판재가 이동할 수 있는 원주홈이 구비된 고정금형; 및 상기 고정금형의 출구에 결합되며, 내부에 금속판재가 통과하는 출구홈을 구비하고, 금속판재의 양 표면에 압착을 가하여 표면 마찰력을 유발시키는 출구 가이드;를 포함하며, 상기 고정금형의 입구로 진입한 후 출구 가이드로 배출되는 금속판재에 복합전단변형을 부여하는 것을 특징으로 한다.
상기 연속전단변형장치는 상기 고정금형의 내주부와 싱글 롤의 외주부 사이에 홈 두께가 점차적으로 감소하는 원주홈 영역, 상기 원주홈과 출구 사이에 특정 각도로 급격히 홈이 꺾이는 채널각 영역 및 상기 출구 가이드 내부의 출구홈에 형성되어 금속판재의 양 표면에 가압을 유발하는 출구홈 영역을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 원주홈 영역의 두께 감소율은 5~10% 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 연속전단변형장치는 싱글 롤과 고정금형을 안정되게 설치하고 지지하기 위한 지지 브라켓을 더 포함할 수 있다. 상기 지지 브라켓은 베이스 프레임에 안정되게 지지되는 환형 베이스와 상기 환형 베이스로부터 돌출되고 중앙에 싱글 롤이 통과하는 관통구멍이 형성되고 배면에 환형 요홈이 형성된 환형 돌출부를 포함하며, 상기 고정금형은 환형 돌출부의 전면에 고정되고, 상기 싱글 롤은 환형 돌출부 배면의 환형 요홈에 결합되며 구동장치의 회전력이 인가되는 플랜지부를 구비할 수 있다.
상기 고정금형과 싱글 롤 사이에는 싱글 롤과의 마찰력에 의해 금속판재가 이동할 수 있도록 고정금형의 내주부와 싱글 롤의 외주부 사이에 원주홈이 존재하며, 원주홈의 원주각은 싱글 롤의 최하점으로부터 싱글 롤의 외주부를 따라 시계방향으로 배치되며 180°보다 크고 270° 미만으로 설정될 수 있다.
상기 싱글 롤의 최하점을 통과하는 접평면을 따라 고정금형의 입구가 배치되고, 상기 원주홈의 종단 지점에 고정금형의 출구가 배치되며, 상기 출구 가이드는 예를 들어, 도입부와 평행하게 출구에 결합될 수 있다.
상기 연속전단변형장치의 입구에 도입된 후 출구 가이드를 통과하여 배출되는 금속판재는 원주홈 영역, 채널각 영역, 및 출구홈 영역을 포함하는 3가지 영역을 통과하면서 순차적인 전단변형이 이루어진다.
상기 원주홈 영역은 금속판재와 싱글 롤이 접촉하는 지점부터 채널각 영역까지 싱글 롤의 원주를 둘러싸고 있는 영역으로, 점차적으로 홈 두께가 좁아지도록 설계함으로써 싱글 롤의 회전축을 기준으로 금속판재의 반경방향 평면에 원주전단변형이 유발될 수 있는 충분한 압축력을 제공한다.
채널각 영역은 원주홈 영역과 출구홈이 특정 각도로 교차하는 영역으로, 마찰에 의한 효과가 없는 이상적인 상태 하에서 금속판재의 전반에 걸쳐 균일한 채널각전단변형이 발생하는 영역이다.
출구홈 영역은 연속전단변형장치에서 고정금형의 출구에 결합된 출구 가이드를 통하여 최종적으로 금속판재가 빠져나오는 영역으로, 해당 영역에서 홈 두께는 상기의 공정을 거치기 전 초기 금속판재의 두께와 동일한 두께로 복원된다. 따라서, 채널각 영역을 거쳐 출구홈 영역으로 금속판재가 진입할 시 금속판재는 탄성회복을 통해 초기두께로 두께를 회복함과 동시에, 금속판재의 양 표면은 고정금형의 출구홈 및 출구 가이드와의 마찰력으로 인해 표면전단변형을 겪는다.
본 발명에서는, 원주홈 영역에서의 원주전단변형과 출구홈 영역에서의 표면전단변형은 각각 금속판재의 하부와 상부표면이 겪는 채널각전단변형과 반대방향으로 작용하도록 하여 전단변형을 서로 상쇄시킴으로써, 금속판재의 표면부에 축적되는 전위를 일부 회복시키고 최종적인 전단변형량 및 소성변형에너지를 중심부에 집중시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 복합전단변형은 상기 금속판재의 하부 표면에 가까울수록 음(-)의 전단변형량이 증가하는 원주전단변형, 상기 금속판재의 두께방향으로 균일한 양(+)의 전단변형을 가하는 채널각전단변형 및 상기 금속판재의 양 표면부에 서로 반대 방향으로 작용하는 표면전단변형을 포함하여, 상기 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 원주홈 영역의 홈 두께 감소율, 채널각 영역의 각도, 그리고 출구홈 영역 두께 및 압착력 등 금형의 세부조건에 따라 각 영역에서 발생하는 전단변형량 및 금속판재의 최종적인 전단변형분포는 유한요소해석을 통한 전산모사를 활용하여 예측 및 설계할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 전단변형 과정을 거친 금속판재에 대해 후속열처리 시, 상대적으로 높은 전단변형량 및 소성변형에너지가 저장된 금속판재의 중심부에서는 다량의 재결정 핵생성 및 높은 핵생성 속도로 인해 결정립 성장과정에서 결정립계 충돌이 더욱 활성화되어 최종적으로 미세한 결정립이 발현될 수 있다. 반면, 전단변형의 상쇄로 인해 상대적으로 적은 량의 소성변형에너지를 수반하는 금속판재의 양 표면의 경우, 상대적으로 조대한 결정립이 생성되어 전체적으로 금속판재는 역 구배구조를 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 금속판재의 표면부와 중심부간의 전단변형 이분화가 다소 미미하여 후속열처리 공정 시 역 구배구조 발현이 어려울 경우 순차적 복합전단변형 과정을 반복함으로써 전단변형 이분화를 심화시키는 것이 바람직하다. 따라서 반복공정을 위해 원주홈 영역에서 겪는 금속판재의 두께 감소는 초기 판재의 두께로 회복할 수 있을 정도의 범위로 제한되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시에 있어 순차적 복합전단변형의 반복공정 횟수 조절을 통해 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량 이분화 정도를 제어함으로써, 후속열처리 시 표면부와 중심부에서 발현되는 평균 결정립도의 차이를 조정하여 역 구배구조 금속판재의 기계적 물성을 다양하게 제어할 수 있다.
더욱이, 후속 열처리 시 열처리 온도와 시간을 조정하여 역 구배구조 금속판재의 미재결정 분율, 표면부와 중심부간의 평균결정립도 차이를 제어하여, 목표물성에 따른 다양한 미세조직 설계가 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합전단변형과 후속열처리를 진행하는 금속판재의 제조방법에 의하면 역 구배구조 형성을 통해 헤테로 구조 특유의 변형 및 강화기구에 기인하여 기존 개발강재의 강도와 연성을 동시에 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 순차적 전단변형 과정의 반복 횟수 및 후속열처리 조건의 변화를 통해 역 구배구조의 미세조직적 인자(표면부와 중심부간의 평균 결정립도 차이, 미재결정 분율 등)를 제어함으로써, 목표물성을 위한 맞춤형 역 구배구조 설계가 가능하다. 그에 따라 표면 개질화 공정으로 제어되었던 한정적인 구배구조적 변수를 확장시켜, 목표성능을 위한 최적의 구배구조 도출이 가능하며, 기타 종래의 개발된 헤테로구조 제작공정과의 결합을 통해 기존에 보고되지 않은 새로운 형태의 아키택처 구조재료를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 대해 연속전단변형장치를 적용함으로써 종래의 개발강재에 대한 연속적인 역 구배구조 제작이 가능하며 높은 생산성이 보장되고, 기존에 제한적이었던 헤테로구조 재료의 양산화가 가능하다.
또한, 전기전도성 및 굽힘기반 성형성과 같은 금속판재의 표면에 조대한 결정립이 존재하는 것이 선호되는 기능적 특성의 경우, 본 발명을 통해 기계적 특성 향상과 함께 동시적인 개선이 가능하다.
더욱이, 본 발명에서는 복합전단변형 과정에서 금속판재의 표면부에 비해 중심부에 전단변형량을 집중시켜 중심부에 대한 선택적 결정립미세화가 가능하고 후속열처리 시 미세조직 발현을 국부적으로 이질화시킴으로써 표면부에는 조대결정립, 중심부에는 미세결정립이 존재하는 역 구배구조 제작이 가능하다.
더욱이, 본 발명에서는 높은 생산성을 보장하면서 기존 개발강재에 대해 적용이 가능하며, 공정조건 변화를 통해 강도와 연성의 동시 향상 및 기능적 특성 개선을 위한 최적의 헤테로구조 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형분포를 이분화시키는 순차적 복합전단변형의 과정을 나타낸 공정도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치의 개략적인 분해 사시도, 도 2b는 본 발명에 따른 연속전단변형장치에서 금속판재가 통과하는 원주홈 영역, 채널각 영역 및 출구홈 영역을 구별하여 나타낸 단면도, 도 2c는 싱글 롤을 제거한 연속전단변형장치의 정면 사진, 도 2d는 본 발명에 따른 연속전단변형장치에서 출구 가이드를 제거한 상태의 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연속전단변형장치의 각 홈 영역에서 금속판재가 받는 전단변형을 설명하기 위한 설명도로서, 도 3(a)는 원주홈 영역에서 금속판재가 받는 원주전단변형을 설명하기 위한 설명도, 도 3(b)는 채널각 영역에서 금속판재가 받는 채널각전단변형을 설명하기 위한 설명도, 도 3(c)는 출구홈 영역에서 금속판재가 받는 표면전단변형을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4a는 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 수행한 결과로서 본 발명의 연속전단변형장치에서 연속전단변형 중인 금속판재를 나타낸 개략도, 도 4b는 본 발명의 연속전단변형장치에서 발현되는 순차적인 전단변형을 정량적으로 분석하기 위해 유한요소해석을 수행한 결과로서 금속판재가 원주홈 영역을 거칠 때의 전단변형분포를 나타낸 그래프, 도 4c는 본 발명의 연속전단변형장치에서 발현되는 순차적인 전단변형을 정량적으로 분석하기 위해 유한요소해석을 수행한 결과로서 금속판재가 출구홈 영역을 거칠 때의 전단변형분포를 나타낸 그래프, 도 4d는 본 발명에 따른 금속판재가 출구홈 영역을 거친 최종적인 전단변형분포를 판재의 깊이에 따라 나타낸 그래프로서 비교예와 대비하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 절차에 따른 순 구리판재의 TD(Transverse Direction)면에 대한 미세조직의 확대 사진으로서, 도 5(a)는 변형 전 초기상태의 미세조직(Initial), 도 5(b)는 6회의 순차적 복합전단변형을 겪은 상태의 미세조직(6 Pass), 그리고 도 5(c)는 복합전단변형 후 후속열처리에 의해 최종적으로 발현된 역 구배구조 미세조직(6 Pass + annealing)의 확대 사진을 나타낸다.
도 6은 6회의 복합전단변형 후 후속열처리 시간 변화에 따른 역 구배구조 구리판재의 TD면 미세조직 특성 변화를 나타낸 것으로, 도 6(a)는 400도에서 10분, 도 6(b)는 400도에서 20분, 도 6(c)는 400도에서 30분 열처리를 진행한 TD면 미세조직 특성 변화를 나타낸다.
도 7은 초기 순 구리판재 및 도 6에 표시된 3가지 역 구배구조 구리판재에 대해 일축 인장시험을 수행하여 도출한 응력-변형률 곡선이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 역 구배구조 판재의 항복강도(Yield strength)와 균일연신율(Uniform elongation)을 종래의 균일한 미세조직을 가진 구리재료와 비교한 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 역 구배구조 판재의 최대인장강도(Ultimate tensile strength)와 균일연신율(Uniform elongation)을 종래의 균일한 미세조직을 가진 구리재료와 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면들은 해당 발명에 대한 바람직한 실시 예 중 하나로, 순차적으로 복합전단변형을 가할 수 있는 가공법과 그 후 후속열처리를 통해 역 구배구조 금속판재를 제작할 수 있는 방법론에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 세부적인 금형 치수 및 형상, 그리고 공정횟수 및 후속열처리 조건과 같은 특정 공정변수에 국한된 것이 아닌, 전단변형의 조합과 후속열처리 시 국부적으로 미세조직 발현거동을 제어함으로써 다양한 미세조직적 특성의 역 구배구조를 설계하는 것을 포함한다. 그러므로 해당 분야의 실시 당사자가 선호하는 목표물성에 따라 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 하에서 다양하게 변경할 수 있음을 명시한다.
또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 사전적 의미로 한정하여 해석되기보다, 본 발명에 대한 최선의 설명을 위해 용어와 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙하에 본 발명의 기술적 사상과 부합하는 의미와 개념으로 해석되는 것이 바람직하다. 따라서 원주전단변형, 채널각전단변형, 그리고 표면전단변형 등 각 전단변형거동에 대한 명칭은 실시 당사자의 편의에 따라 수정될 수 있음을 명시한다.
이하, 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형분포를 이분화시키는 순차적 복합전단변형의 과정을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 복합전단변형 공정은 원주전단변형단계(S10), 채널각전단변형단계(S20) 및 표면전단변형단계(S30)가 순차적으로 진행되어 원주전단변형(Circumferential shear deformation: CSD), 채널각전단변형(Channel-angular shear deformation: CASD), 표면전단변형(Surface shear deformation: SSD)을 포함하는 복합적인 전단변형이 금속판재(Metallic sheet)(10)에 가해져서, 그 결과 금속판재(10)의 중심부(Core)(10c)와 상부(Top)(10a)와 하부(Bottom)(10b)의 양 표면부(Surface)(10d)의 전단변형량을 이분화시킨다. 도 1에서 화살표는 금속판재의 두께 위치에 따라 발현되는 전단변형을 의미하며, 화살표의 방향과 길이는 각각 전단변형의 방향과 크기를 나타낸다. 또한, 도 1에서 오른쪽을 양(+)의 방향, 왼쪽을 음(-)의 방향으로 가정한다.
본 발명의 실시예에서는 원주전단변형단계(S10), 채널각전단변형단계(S20), 표면전단변형단계(S30) 순으로 금속판재(10)에 복합적인 전단변형을 가한다. 원주전단변형단계(S10)에서 이루어지는 원주전단변형은 이후 금속판재(10)가 겪는 채널각전단변형과 반대방향으로 작용하는 것이 바람직하며, 금속판재(10)의 하부(Bottom)(10b)에 가까울수록 높은 음(-)의 전단변형이 유발되기 때문에 결과적으로 금속판재(10)의 하부(10b)가 겪는 양(+)의 채널각전단변형을 상쇄시키기는 역할을 한다. 채널각전단변형단계(S20)에서 이루어지는 채널각전단변형에 의해 금속판재(10)의 상부(Top)(10a)가 겪는 양(+)의 전단변형은 주로 표면전단변형에 의해 상쇄되도록 한다. 그러나, 표면전단변형의 특성상 금속판재(10)의 양 표면부(Surface)(10d)는 서로 다른 방향으로 전단변형이 발생하기 때문에, 금속판재(10)의 하부(10b)는 표면전단변형에 의해 미약하게나마 추가적인 양(+)의 전단변형을 받게 된다.
금속판재(10)가 상기 원주전단변형, 채널각전단변형, 표면전단변형을 순차적으로 1차례 겪는 것을 1 패스(Pass)라 칭하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 금속판재의 표면부(Surface)(10d)에는 상대적으로 작은 양(+)의 전단변형이 축적되고 중심부(Core)(10c)에는 상대적으로 높은 양(+)의 전단변형이 축적되어, 결과적으로 금속판재(10)는 상부(10a)와 하부(10b)의 양 표면부(Surface)(10d)와 중심부(10c)간의 상이한 크기의 양(+)의 전단변형을 함유하게 한다.
또한, 본 발명은 1 패스의 순차적 전단변형에 한정되지 않고 공정 전, 후 금속판재(10)의 초기 두께를 보존함으로써 반복공정(S40)이 가능하도록 하여, 도 1에 표시된 바와 같이 반복공정 횟수 증가에 따라 금속판재(10)의 표면부(10d)와 중심부(10c)의 전단변형 이분화 정도를 심화시킬 수 있도록 복수회 반복공정(S40)을 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 금속판재(10)에 대해 도 1에 나타낸 복합전단변형 공정에 따라 순차적인 복합전단변형을 야기시키고, 또한 높은 생산성을 보장하기 위해, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 싱글 롤(Single Roll)을 이용한 연속전단변형장치를 활용할 수 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치의 개략적인 분해 사시도, 도 2b는 본 발명에 따른 연속전단변형장치에서 금속판재가 통과하는 원주홈 영역, 채널각 영역 및 출구홈 영역을 구별하여 나타낸 단면도, 도 2c는 싱글 롤을 제거한 연속전단변형장치의 정면 사진, 도 2d는 본 발명에 따른 연속전단변형장치에서 출구 가이드를 제거한 상태의 분해도이다.
도 2a 내지 도 2d를 참고하면, 본 발명에 따른 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치(20)는 상대적으로 거친 표면을 가지고 마찰력을 통해 금속판재(10)를 연속적으로 장치 내부로 장입시키는 회전 구동력을 제공하는 싱글 롤(22), 상기 싱글 롤(22)을 둘러싸고 있고 내부에 금속판재(10)가 이동할 수 있는 특수한 원주홈(23)이 설계된 고정금형(24), 및 최종적으로 고정금형(24)의 출구(24b)에 결합되어 출구(24b)에서 금속판재(10)가 빠져나올 때 금속판재(10)의 양 표면에 압착을 가하여 표면 마찰력을 유발시키는 출구 가이드(26)를 포함한다.
상기 출구 가이드(26)는 금속판재(10)의 양 표면에 압착을 가하기 위한 상부판과 하부판을 포함하며, 측면 나사 조임으로써 금속판재(10)의 양 표면에 대한 가압력을 조절할 수 있다.
상기 고정금형(24)과 싱글 롤(22) 사이에는 싱글 롤(22)과의 마찰력에 의해 금속판재(10)가 이동할 수 있도록 고정금형(24)의 관통구멍(24c) 내주부와 싱글 롤(22)의 외주부 사이에 원주홈(23)이 존재하며, 원주홈(23)의 원주각은 싱글 롤(22)의 최하점(23a)으로부터 싱글 롤(22)의 외주부를 따라 시계방향으로 배치되며 180°보다 크고 270° 미만으로 설정될 수 있다.
상기 고정금형(24)의 입구(24a)는 예를 들어, 싱글 롤(22)의 최하점(23a)을 통과하는 접평면을 따라 배치될 수 있고, 상기 원주홈(23)의 종단 지점에 고정금형(24)의 출구(24b)가 배치되며 상기 출구(24b)에 출구 가이드(26)가 결합될 수 있다.
고정금형(24)의 입구(24a)와 동일한 두께를 가진 금속판재(10)를 고정금형(24)의 입구(24a)로 삽입할 때, 금속판재(10)는 회전 구동되는 싱글 롤(22)과의 마찰력만으로 고정금형(24) 내부 홈을 따라 이동함으로써 순차적인 전단변형을 겪게 된다.
이에 따라 금속판재(10)가 상기 연속전단변형장치의 입구(24a)로 도입된 후 출구 가이드(26)를 통과하여 배출될 때, 금속판재(10)가 변형을 겪는 영역은 고정금형(24)의 내주부와 싱글 롤(22)의 외주부 사이에 원주홈(23)을 따라 배치된 원주홈 영역(31), 원주홈(23)과 출구 가이드(26)의 출구홈(26a) 사이에 배치된 채널각 영역(32), 출구 가이드(26)의 출구홈(26a)에 배치된 출구홈 영역(33)을 포함하는 3가지 영역을 통과하면서 순차적인 전단변형이 이루어진다.
본 발명에 따른 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치(20)는 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 싱글 롤(22)과 고정금형(24)을 안정되게 설치하고 지지하도록 지지 브라켓(25)을 이용하고 있다.
상기 지지 브라켓(25)은 도시되지 않은 베이스 프레임 등에 안정되게 지지되는 환형 베이스(25b)와 상기 환형 베이스(25b)로부터 돌출되고 중앙에 싱글 롤(22)이 통과하는 관통구멍(25c)이 형성된 환형 돌출부(25a)를 포함하고 있다.
고정금형(24)은 지지 브라켓(25)의 환형 돌출부(25a)에 볼트 체결방식으로 고정될 수 있다. 싱글 롤(22)은 일단부에 플랜지부(22a)가 연장되어 있으며, 도시되지 않은 구동장치에 의해 회전 구동이 이루어진다.
상기 싱글 롤(22)이 환형 돌출부(25a)의 관통구멍(25c)을 통하여 고정금형(24)의 내주부에 조립될 때, 플랜지부(22a)는 환형 돌출부(25a)의 배면에 형성된 요홈에 조립되어 회전 구동되는 싱글 롤(22)을 안정된 상태로 지지한다.
이하에 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 연속전단변형장치의 각 영역에서 금속판재가 변형을 겪는 전단변형거동을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 연속전단변형장치의 각 홈 영역에서 금속판재가 받는 전단변형을 설명하기 위한 설명도로서, 도 3(a)는 원주홈 영역에서 금속판재가 받는 원주전단변형을 설명하기 위한 설명도, 도 3(b)는 채널각 영역에서 금속판재가 받는 채널각전단변형을 설명하기 위한 설명도, 도 3(c)는 출구홈 영역에서 금속판재가 받는 표면전단변형을 설명하기 위한 설명도이다.
먼저, 도 2b의 연속전단변형장치(20)에서 금속판재(10)는 고정금형(Stationary die)(24)의 입구(24a)로 장입될 때, 외주면이 상대적으로 거친 표면을 가지고 회전되는 싱글 롤(Single Roll)(22)과의 마찰력에 의해 원주홈 영역(31)을 통과하면서 도 3(a)와 같은 원주전단변형을 겪는다(S10). 싱글 롤(22)이 금속판재(10)에 대해 부과하는 마찰력의 경우 금속판재(10)의 이동방향과 동일하지만, 고정금형(24)이 금속판재(10)에 부과하는 마찰력은 금속판재(10)의 이동방향과 반대방향으로 작용하여, 결과적으로 금속판재(10)는 도 3(a)와 같이 음(-)의 전단변형을 겪는다. 이러한 원주전단변형은 주로 금속판재(10)에 가해지는 마찰력이 높을수록 더 심화되며, 도 1과 같이 싱글 롤(22)과 접촉하는 금속판재(10)의 하부 표면에 가까운 위치일수록 더 강한 음(-)의 전단변형을 유발시킨다.
따라서, 상기 원주홈 영역(31)은 금속판재(10)에 대해 효과적으로 원주전단변형을 유발시키기 위해 채널각 영역(32)에 가까워질수록 점차적으로 홈 두께가 좁아지도록 설계되는 것이 바람직하다. 무엇보다도, 본 발명에서 원주홈 영역(31)의 홈 두께 감소율은 5~10%로 한정될 수 있다. 원주홈 영역(31)의 점차적인 두께 감소는 연속전단변형 공정에서 금속판재(10)에 대한 연속적인 구동력과 원주전단변형을 야기시킬 수 있다. 홈 두께 감소율이 5% 미만일 경우, 금속판재(10)에 유발되는 수직항력 및 그에 따른 마찰력이 감소하여 금속판재(10)가 후속된 채널각 영역(32)에서의 반발력을 극복하기에 충분한 구동력을 받지 못한다. 또한, 홈 두께 감소율이 10%를 초과하여 심화될 경우, 원주홈 영역(31)에서 발생하는 원주전단변형이 극심해져서 금속판재(10)의 하부표면에 아주 강한 음(-)의 전단변형이 부과된다. 따라서, 금속판재(10)에 대한 전단변형 이분화가 왜곡될 수 있고, 최종적으로 과도한 압축에 의해 채널각 영역(32) 내지 출구홈 영역(33)에서 금속판재(10)가 초기 두께로 회복될 수 없어 반복공정(S40)이 불가능해진다.
도 3(b)는 상기 연속전단변형장치(20)의 채널각 영역(32)에서 금속판재(10)가 겪는 채널각전단변형을 나타낸다(S20). 채널각 영역(32)의 경우, 원주홈(23)과 출구홈(26a)이 이루는 각도, 즉 채널각(θ)에 의해 그에 상응하는 높은 단순전단이 금속판재(10)의 두께방향으로 비교적 균일하게 발생하는 영역이다. 상기한 바와 같이 원주홈 영역(31)에서의 충분한 구동력을 받는다면 금속판재(10)는 채널각 영역(32)에 진입할 때, 이동방향의 반대방향으로 반발력을 받게 됨과 동시에 해당 반발력과 탄성회복에 의해 금속판재(10)의 두께는 출구홈(26a)의 두께와 동일한 두께로 회복될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 동일 소재에 대해 반복적인 공정을 수행하여 금속판재(10)의 상/하부(10a,10b)의 양 표면부(10d)와 중심부(10c)의 전단변형 이분화를 심화시키는 것을 필요로 하기 때문에 채널각 영역(32)의 종단인 출구홈(26a)의 두께는 초기 금속판재(10)의 두께와 동일한 두께로 설계하는 것이 바람직하다.
상기 채널각 영역(32)에서는 원주홈(23)과 출구홈(26a)이 이루는 각도를 조절함으로써 금속판재(10)에 부가되는 채널각전단변형의 크기를 조정할 수 있다. 원주홈(23)과 출구홈(26a)이 이루는 각도를 채널각(θ)이라 칭하며, 본 발명에서 채널각 영역(32)의 채널각(θ) 범위는 금형 안정성과 채널각전단변형의 크기를 고려하여 90도~140도로 한정된다. 일반적으로 채널각(θ)이 작아질수록 금속판재(10)에 발생하는 채널각전단변형의 크기는 급격히 증가하나 90도 미만의 예각은 높은 응력집중현상에 의해 금속판재(10) 및 고정금형(24)에 파단 및 표면결함을 유발시킬 수 있다. 반면 채널각(θ)이 140도를 초과하는 둔각을 이룰 경우, 금속판재(10)에 유발되는 원주전단변형과 표면전단변형에 의한 음(-)의 전단변형에 비해 상대적으로 미미한 수준의 채널각전단변형이 발생하여 금속판재(10)에 대한 전단변형 이분화가 효과적으로 발생하기 어렵다.
도 3(c)는 연속전단변형장치(20)의 출구홈 영역(33)에서 금속판재(10)가 겪는 표면전단변형을 나타낸다(S30). 상기 출구홈 영역(33)은 원주전단변형 및 채널각전단변형을 거친 금속판재(10)가 출구 가이드(26)로 진입할 시 금속판재(10)의 양 표면을 가압하여 추가적인 표면전단변형을 유발시키는 영역이다. 해당 영역에서는 금속판재(10)의 양 표면에 금속판재 이동방향의 반대방향으로 마찰력이 가해지며, 도 1과 같이 금속판재(10)의 상부(10a)는 마찰력에 의해 음(-)의 전단변형, 금속판재의 하부(10b)는 양(+)의 전단변형을 겪게 된다. 또한, 일반적으로 표면전단변형은 금속판재(10)의 양 표면부(10d)에 가해지는 가압으로 인한 수직항력이 높을수록 더욱 심화된다. 본 실시예에서는 출구 가이드(26)의 측면 나사를 조임으로써 금속판재(10)의 양 표면을 가압하였고, 반복공정을 위해 가압 하중은 금속판재(10)에 추가적인 압축변형이 유발되지 않고 연속적인 판재 이동이 가능한 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기 싱글 롤(22)을 이용한 연속전단변형의 각 영역의 치수에 따라 유발되는 전단변형량 및 전단변형분포를 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 이용한 전산모사를 통해 우선적으로 유효성을 검증한 후, 연속전단변형장치의 실제 금형을 제작하고 하기의 실험을 진행하였다.
도 2c에 도시된 바와 같은 연속전단변형장치(20)의 금형 제작시에 원주홈 영역(31)의 두께 감소율은 5%로 설정하여 원주홈 영역(31)의 입구(24a)의 두께(t1)는 전단변형이 이루어지는 금속판재(10)의 두께와 동일하게 1mm, 원주홈 영역(31)의 9시 지점의 두께(t2)는 0.98mm, 원주홈 영역(31)의 최상점(23b)의 두께(t3)는 0.96mm, 채널각 영역(32)의 홈 두께(t4)는 0.95mm, 출구홈 영역(26)의 홈 두께(t5)는 1mm로 설정하고, 채널각 영역(32)의 채널각(θ)은 135도로 설정하였다.
본 발명의 제조공정에 따라 얻어진 역 구배구조 금속판재의 시험편을 얻기 위해 사용된 금속판재는 99.99% 순도의 순 구리판재로서 두께 1mm인 것을 사용하였다.
도 4a는 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)을 수행한 결과로서 본 발명의 연속전단변형장치에서 연속전단변형 중인 금속판재를 나타낸 개략도, 도 4b는 본 발명의 연속전단변형장치에서 발현되는 순차적인 전단변형을 정량적으로 분석하기 위해 유한요소해석(FEA)을 수행한 결과로서 금속판재가 원주홈 영역을 거칠 때의 전단변형분포를 나타낸 그래프, 도 4c는 본 발명의 연속전단변형장치에서 발현되는 순차적인 전단변형을 정량적으로 분석하기 위해 유한요소해석을 수행한 결과로서 금속판재가 출구홈 영역을 거칠 때의 전단변형분포를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 유한요소해석(FEA)을 수행한 결과로서 본 발명의 연속전단변형장치에서 연속전단변형 중인 금속판재를 나타낸 개략도이다.
도 4b는 원주홈 영역(31) 중 최상점(23b)에서의 원주전단변형으로 유발된 전단변형분포로, 전단변형량의 크기는 0.1~0.2의 범위였고 금속판재(10)의 하부표면에 가까운 위치일수록 음(-)의 방향으로 강한 전단변형이 발생한 것을 확인하였다.
도 4c는 최종적으로 1 패스(Pass)의 순차적인 복합전단변형 후 최종적으로 금속판재가 함유한 전단변형분포를 나타낸다. 결과적으로, 금속판재(10)의 중심부(10c)가 표면부(10d)에 비해 균일하고 강한 양(+)의 전단변형이 축적되었음을 확인할 수 있다. 반면, 금속판재(10)의 상/하부(10a,10b)의 양 표면은 중심부(10c)에 비해 확연히 낮은 양(+)의 전단변형을 함유한 것으로 나타났다. 따라서 해당 유한요소해석(FEA)을 통한 전단변형분포 분석은 본 실시예의 전단변형 이분화를 위한 연속전단변형장치의 유효성을 보장하였다.
도 4d는 본 발명에 따른 금속판재(10)가 출구홈 영역(33)을 거친 최종적인 전단변형분포를 판재의 깊이에 따라 나타낸 그래프로서 비교예와 대비하여 나타낸 것이다. 비교예는 특허문헌 1에 도시된 연속전단변형장치에 의해 전단변형된 금속판재이다.
우선, 특허문헌 1의 연속전단변형장치의 출구에 구비된 이동부재 및 슬라이드 홈부는 고정금형에서 사출되는 금속판재에 대해 별도의 외력 및 압착을 가하지 않는 것으로, 단순히 금속판재가 빠져나오는 출구통로 역할만을 수행한다. 그 결과, 특허문헌 1의 연속전단변형장치를 거쳐서 얻어진 비교예의 금속판재는 원주전단변형과 채널각전단변형을 거침에 따라 도 4d에 도시된 바와 같이, 하부(Bottom)(10b)에서 상부(Top)(10a)로 갈수록 전단변형(Plastic shear strain)이 증가하는 결과를 나타내고 있다. 따라서, 비교예는 전단변형공정 이후에 후속열처리를 실시할지라도 금속판재 재료의 미세조직은 역 구배구조가 아닌 금속판재의 상부면으로 갈수록 점차적으로 결정립도가 감소하는 경향을 갖게 된다. 또한, 특허문헌 1에는 금속판재가 연속전단변형장치를 거치면서 본 발명에서 분석한 바와 같은 원주전단변형과 채널각전단변형이 이루어지는 현상을 인식하지 못하였고, 전단변형공정 이후에 후속열처리를 실시하는 공정 또한 개시되어 있지 않다.
본 발명의 연속전단변형장치(20)는 원주전단변형과 채널각전단변형 이후에 출구 가이드(26)를 이용하여 금속판재(10)의 양 표면에 추가적인 압착력을 가하고, 이에 따라 금속판재(10)에 대해 다량의 표면전단변형을 부가한다. 금속판재(10)의 양 표면에 추가적인 압착력을 가하면, 금속판재(10)에 대해 마찰력에 의한 표면전단변형을 유발시킴으로써 최종적으로 금속판재(10)의 표면부(Surface)(10d)와 중심부(Core)(10c)에 축적되는 전단변형량을 효율적으로 이분화시킨다.
그 결과, 본 발명에서는 원주전단변형, 채널각전단변형 및 표면전단변형이 순차적으로 적용되고, 필요에 따라 복수회 반복 실시함에 따라 최종적으로 도 4d에 도시된 바와 같이, 금속판재(10)의 표면부(10d)와 중심부(10c)는 전단변형 수준이 이분화됨을 확인할 수 있다. 따라서, 전단변형된 금속판재(10)의 후속열처리 시 본 발명에서는 도 5(c)에 도시된 바와 같이 금속판재(10)의 중심부(10c)에는 미세결정립들이, 상/하부(10a,10b)의 양 표면부(10d)에는 조대 결정립들이 발현하는 역 구배구조의 미세조직을 보이게 된다.
본 발명은 상기 전단변형 절차를 거쳐 표면부(10d)와 중심부(10c)간의 상이한 전단변형량을 함유한 금속판재(10)를 얻은 후, 이에 대해 후속열처리를 수행하여, 금속판재(10)의 표면부(10d)와 중심부(10c)에서 발현되는 재결정 및 결정립 성장거동을 이질화시켜 헤테로구조를 제작한다.
일반적으로 소성변형을 겪은 금속판재의 경우, 후속 열처리 시 저장된 소성변형에너지가 높은 영역에서 재결정 핵 생성이 더욱 활성화되어 결정립 성장 시 인접한 결정립과의 간섭이 더욱 심화된다. 따라서 불균일한 소성변형을 겪은 금속소재에 대해 후속열처리 시, 고변형 영역에서는 상대적으로 미세한 결정립이 발현된다. 따라서, 본 발명에 따라 상기 연속전단변형장치(20)를 통해 중심부(10c)에 높은 전단변형량이 축적된 금속판재(10)는 후속열처리 시 표면부(Surface)(10d) 대비 중심부(Core)(10c)에 상대적으로 미세한 결정립이 발현되어 역 구배구조를 형성할 수 있게 된다.
본 발명에서의 역 구배구조 제작은, 상기한 바와 같이, 금속판재(10)의 중심부(10c)와 표면부(10d)에서의 상이한 재결정 및 결정립 성장 거동에 의해 결정된다. 따라서, 상기 후속열처리 온도는 금속판재(10)의 전반에 걸쳐 재결정은 유발하되, 결정립 성장 시 인접한 결정립과의 간섭이 무시되어 금속판재(10)의 표면부(10d)와 중심부(10c)와의 결정립 성장거동이 이질화되지 않는 정도로 과도하게 높은 온도의 열처리는 지양하는 것이 바람직하다.
무엇보다도, 기계적 물성의 측면에서 상기 연속전단변형장치(20)를 통해 복합전단변형에 의해 높은 소성변형량을 머금고 있는 금속판재(10)는 높은 가공경화에 의한 강도 향상에도 불구하고 강도와 연성의 트레이드 오프(trade-off) 경향에 따라 연성이 저조할 것으로 예상된다. 따라서 헤테로구조 특유의 강화기구에 의해 초기 대비 금속판재(10)의 강도와 연성을 동시에 개선시키기 위해서는 후속열처리를 통해 금속판재(10)에 내부 전위 및 변형량을 해소시켜주는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 절차에 따른 순 구리판재의 TD(Transverse Direction)면에 대한 미세조직의 확대 사진으로서, 도 5(a)는 변형 전 초기상태의 미세조직(Initial), 도 5(b)는 6회의 순차적 복합전단변형을 겪은 상태의 미세조직(6 Pass), 그리고 도 5(c)는 본 발명에 따라 복합전단변형 후 후속열처리에 의해 최종적으로 발현된 역 구배구조 미세조직(6 Pass + annealing)의 확대 사진을 나타낸다.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 실시예는 금속판재로서 99.99% 순도의 순 구리판재를 적용한 것이다.
복합전단변형이 가해지기 전의 초기상태 구리판재의 경우, 도 5(a)와 같이 조대한 결정립으로 이루어진 균일한 미세조직을 가지며 평균 결정립도는 약 127μm 이였다.
이후 초기상태 구리판재에 대해, 도 2의 연속전단변형장치를 이용하여 복합전단변형을 6 패스(Pass) 가한 후, 얻어진 구리판재의 미세조직은 도 5(b)와 같다. 도 5(b)를 참고하면, 복합전단변형을 6 패스(Pass) 가한 구리판재의 미세조직은 구리판재의 중심부(Core)는 진행방향(RD 방향)으로 상당히 기울어지고 늘어난 형태의 결정립들로 이루어짐을 확인할 수 있고, 반대로 구리판재의 표면부(Surface)는 상대적으로 등축정형상에 가까운 미세조직이 존재함을 확인할 수 있다. 이는 구리판재의 표면부(Surface)에 비해 중심부(Core)에 양의 전단변형이 강하게 집중된 것을 암시하는 결과이다. 또한, 6 패스(Pass) 시편의 표면부(Surface)와 중심부(Core)에 대해 평균 결정립도를 측정한 결과 각각 49.2μm, 5.2μm로, 금속판재(10)의 중심부(Core)에 결정립 미세화가 더욱 효과적으로 발생한 것을 확인하였다.
이후 6 패스(Pass)의 구리판재에 대해 400도에서 30분 후속열처리를 수행한 결과, 도 5(c)와 같이 표면부(Surface)와 중심부(Core) 모두에 걸쳐 건전한 형상의 등축정 결정립들이 발현되었고 평균 결정립도는 각각 42.6μm, 10.7μm로 성공적으로 역 구배구조 구리판재가 제작되었음을 확인하였다.
도 6은 6회의 복합전단변형 후 후속열처리 시간 변화에 따른 역 구배구조 구리판재의 TD면 미세조직 특성 변화를 나타낸 것으로, 도 6(a)는 400도에서 10분(시료 1), 도 6(b)는 400도에서 20분(시료 2), 도 6(c)는 400도에서 30분(시료 3) 열처리를 진행한 TD면 미세조직 특성 변화를 나타낸다.
복합전단변형을 겪은 구리판재에 대해, 후속열처리 시 열처리 온도는 400도로 고정한 체 후속열처리 시간에 따른 역 구배구조 구리판재의 미세조직적 특성 변화를 조사하였다.
본 실시예에서는 결정립의 재결정 여부를 판단하기 위해 GOS(Grain orientation spread) 값을 이용하였고, 3°이하의 GOS 값을 가진 결정립은 재결정된 결정립으로 간주하여, 도 6에 노란색으로 표시되었다. 반면, 아직 재결정이 이루어지지 않은 3°이상의 GOS 값을 가진 미결정들은 붉은색으로 표시되었다. 측정 결과, 모든 재료의 중심부(Core)에는 재결정된 미세결정 영역이 존재하였으며 400도에서 10분, 20분 열처리를 수행한 소재(시료 1, 시료 2)의 표면부(Surface)는 미재결정과 조대한 재결정이 혼재되어 있었으며, 30분 열처리를 수행한 소재(시료 3)는 표면부(Surface)가 완전 재결정된 조대결정 영역으로만 구성되어 있었다.
열처리 온도 시편 당 5장 이상의 EBSD(Electron backscatter diffraction)를 측정하여 미세조직적 특성 변화를 정량화하였고, 중심부(Core)와 표면부(Surface)의 평균 결정립도, 미재결정 영역의 면적 분율, 그리고 중심부 미세결정 영역과 양 표면부의 조대결정 영역의 면적 분율을 정리하면 하기 표 1과 같다.
후속열처리 시간 평균 결정립도(μm) 미재결정 영역 면적 분율 (%) 면적 분율 (%)
미세결정 영역 조대결정 영역
10min 중심부 10.5 15.4±3.3 62.4±1.6 37.6±1.6
표면부 41.1
20min 중심부 10.2 7.7±1.5 57.6±1.8 42.4±1.8
표면부 45.6
30min 중심부 10.2 0 50.8±0.3 49.2±0.3
표면부 46.6
상기 표 1의 결과를 바탕으로 6 패스(Pass)의 복합전단변형을 거친 구리판재에 대해 400도에서 후속열처리는 열처리 시간과는 무관하게 표면부(10d)와 중심부(10c)의 평균 결정립도는 거의 일정하게 유지되었고, 오직 열처리 시간 증가에 따라 미세결정 영역과 미재결정 영역의 면적 분율이 점차적으로 감소함을 확인하였다. 결과적으로, 본 발명의 절차를 거쳐 총 3가지의 역 구배구조 구리판재를 성공적으로 제작하였으며, 본 실시예에서는 연속전단변형장치를 이용해 6 패스(Pass)의 복합전단변형을 수행한 후 후속열처리 시간을 조절함으로써, 역 구배구조 구리판재의 미세조직적 특성을 조절할 수 있음을 확인하였다.
그러나, 본 발명은 후속열처리 시간에만 한정된 것이 아닌 연속전단변형장치를 이용한 복합전단변형의 반복공정 횟수 및 공정경로, 그리고 후속열처리 온도 조절 등 공정변수 조절을 통해 다양한 미세조직적 특성을 지닌 역 구배구조 금속판재(10) 제작이 가능함을 명시한다.
헤테로구조 특유의 강화기구 및 기계적 물성은 소재를 구성하고 있는 상대적인 연질 영역과 경질 영역의 강도차이, 부피분율, 공간적 분포와 같은 미세조직적 변수에 의존함에 따라, 상기의 절차로 제작된 3가지 재료(시료 1 내지 시료 3)는 그 미세조직적 특성에 따라 서로 상이한 기계적 특성을 보인다.
도 7은 초기 구리판재와 본 발명의 절차를 통해 제작된 3가지 종류의 역 구배구조 구리판재(시료 1 내지 시료 3)의 인장 응력-변형률(Engineering stress-Engineering strain) 곡선을 나타낸다. 해당 결과를 통해 각 소재(시료 1 내지 시료 3)의 기계적 물성을 정량화한 결과는 아래의 표 2에 정리되었다.
시편 항복강도 (MPa) 최대인장강도 (MPa) 균일연신율 (%) 총 연신율 (%)
Initial 77.6±2.0 213.4±1.6 33.4±0.1 74.2±9.4
10 min 143.5±6.9 244.2±1.5 28.0±4.0 67.4±3.2
20 min 109.8±3.8 234.3±1.3 33.8±0.5 84.0±2.8
30 min 90.6±0.5 231.4±0.3 36.3±0.2 87.2±3.7
도 7과 표 2로 미루어보아, 결과적으로 본 발명을 통해 제작된 3가지 종류의 역 구배구조 구리판재(시료 1 내지 시료 3)의 강도와 연성을 조합은 초기재료에 비해 월등히 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 3가지 역 구배구조 구리판재 중에서, 10분 재료(시료 1)(○)는 초기 재료(Initial)(□)에 비해 연성은 약간 희생되었으나 타 재료에 비해 상대적으로 월등한 항복강도 향상을 보였다. 반면, 20분, 30분 재료(시료 2: △, 시료 3: ▽)의 경우 초기 재료(Initial)(□)에 비해 연성의 희생 없이 강도와 연성이 동시에 향상된 것을 확인할 수 있었으며, 특히 30분 재료(시료 3)(▽)의 경우 미재결정 영역이 없는 완전재결정 소재임에도 불구하고 미재결정 영역을 함유하고 있는 20분 재료(시료 2)(△)와 거의 유사한 최대인장강도를 보였다. 이는 30분 재료(시료 3)(▽)의 경우 항복강도에 대한 강화 효과보다 오히려 가공경화에 의한 유동응력강화에 유리한 헤테로구조임을 암시했다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 총 6 패스(Pass)의 연속전단변형을 거친 구리판재에 대해 400˚C에서 10~30분의 후속 열처리를 통해 성공적으로 강도와 연성이 동시에 개선된 역 구배구조를 제작할 수 있다.
그러나, 400˚C에서 10분 미만의 짧은 후속열처리를 수행할 경우, 연속전단변형에 의해 고변형을 받은 미세조직이 재결정되기에 충분한 열에너지를 공급받지 못한다. 따라서 여전히 금속판재(10)는 높은 소성변형에 의해 한정적인 가공경화능을 가져 강도는 높지만 연성이 급격히 낮은 저조한 기계적 특성을 보이게 된다.
반대로 400˚C에서 30분 이상의 장기간의 후속열처리를 수행할 경우, 재결정 이후 과도한 결정립 성장거동에 의해 역 구배구조의 특성을 보이지 못하고 오히려 재료 전반에 걸친 균일한 미세조직이 발현될 수 있다. 또한, 조대결정 영역과 미세결정 영역의 평균 결정립도 차이가 미미해질 경우, 기하학적 필수 전위 축적에 기인한 헤테로 구조 특유의 강화가 유발되지 않아 소재의 기계적 물성은 단순 혼합비 법칙(Rule-of-mixture)를 따르게 된다.
그러므로, 본 발명의 실시예를 기반으로할 때, 역 구배구조 금속판재(10)의 우수한 기계적 물성을 위해서는 부분 재결정이 유발되고 미세조직 이질성(미세결정 면적 : 조대결정 면적 = 7:3 ~ 5:5)이 유지되는 범위 하에서 후속열처리 조건이 조절되는 것이 바람직하고, 역 구배구조 금속판재(10)의 표면부(10d)와 중심부(10c)의 평균 결정립도가 적어도 4배 이상의 차이를 가지는 것이 바람직하다.
즉, 역 구배구조 금속판재(10)의 강도와 연성과 같은 우수한 기계적 물성을 동시에 갖기 위하여 금속판재(10)의 중심부(10c)와 표면부(10d)의 면적비는 7:3 ~ 5:5 범위로 설정되고, 더욱 바람직하게는 미세결정 면적과 조대결정 면적의 비가 6:4 ~ 5:5 범위를 만족하는 경우, 초기 재료(Initial)에 비해 연성의 희생 없이 강도와 연성이 동시에 향상된 금속판재를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 사용된 초기 구리판재 이외에 다양한 평균 결정립도를 지닌 균질한 미세조직의 구리소재들과 강도와 연성의 조합을 비교한 결과를 이하에 설명한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 역 구배구조 판재의 항복강도(Yield strength)와 균일연신율(Uniform elongation)을 종래의 균일한 미세조직을 가진 구리재료와 비교한 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 역 구배구조 판재의 최대인장강도(Ultimate tensile strength)와 균일연신율(Uniform elongation)을 종래의 균일한 미세조직을 가진 구리재료와 비교한 그래프이다.
종래의 균질한 크기의 결정립도로 구성된 균질구조 구리소재들(Homogeneous)은 일반적으로 강도가 증가함에 따라 연성이 감소하는 경향을 보인다.
본 발명 실시예에서 제작된 3가지 역 구배구조 구리판재(Present) 역시 강도(strength)가 높을수록 연성(elongation)이 다소 희생되는 경향을 보임에도 불구하고, 전체적으로 종래의 균질재료가 겪는 강도와 연성의 트레이드 오프(trade-off)를 뛰어넘는 우수한 기계적 물성을 지님을 확인할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 금속판재에 대한 전단변형 이분화 및 후속열처리를 통한 역 구배구조의 금속판재와 그의 연속제조방법을 제공한다.
역 구배구조의 금속판재를 제작하기 위해 본 발명의 연속전단변형장치에서 발생하는 원주홈전단변형, 채널각전단변형, 표면전단변형은 금속소재의 종류와 강도에 따라 전단변형의 그 크기는 달라질 수 있다. 하지만 각 전단변형에 의한 전단변형분포는 고정금형의 형상학적 인자에만 의존하기 때문에 금속판재의 두께 위치에 따라 유발되는 정성적 전단변형분포는 금속소재의 종류와는 무관하다.
따라서, 금속소재의 종류와 상관없이 상기 복합전단변형을 통해 구리, 알루미늄, 철 등의 다양한 금속판재에 대해서도 중심부와 표면부의 전단변형을 이분화시킬 수 있으며, 후속열처리 조건 조절을 통해 충분히 역 구배구조 발현이 가능함을 명시한다.
또한, 본 발명에서는 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치를 활용하여 금속판재에 대해 순차적으로 복합전단변형을 가하여 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시킨 후, 후속열처리를 통한 재결정 및 결정립 성장으로 역 구배구조 구리판재를 제작할 수 있는 방법이 실험적으로 검증되었다.
더욱이, 이를 통해 높은 생산성을 보장하면서 기존 강재에 대한 강도와 연성의 동시적 향상이 가능하며, 반복공정 횟수, 공정경로, 후속열처리 조건 등의 공정변수를 조정하여 평가 당사자의 목표 특성에 따른 다양한 미세조직적 특성의 역 구배구조를 설계할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 금속판재에 순차적으로 복합전단변형을 가한 후 후속열처리를 통해, 높은 생산성을 보장함과 동시에 역 구배구조라는 독특한 미세구조를 발현시켜 금속판재의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있는 역 구배구조 금속판재, 그의 제조방법 및 금속판재의 연속전단변형장치에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 전기전도도 및 굽힘기반 성형성의 기능적 특성을 향상시킬 수 있는 금속판재의 제조에 적용될 수 있다.

Claims (26)

  1. 미세결정립이 존재하는 중심부; 및
    상기 중심부의 상부와 하부에 위치되고 조대결정립이 존재하는 표면부;를 포함하며, 역 구배구조를 형성하는 역 구배구조 금속판재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역 구배구조 금속판재는 싱글 롤을 이용한 연속전단변형장치를 이용하여 금속판재에 복합전단변형을 가한 후, 열처리하여 연속적으로 얻어지는 역 구배구조 금속판재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심부와 표면부의 면적비는 7:3 ~ 5:5 범위로 설정되는 역 구배구조 금속판재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표면부와 중심부의 평균 결정립도는 적어도 4배 이상인 역 구배구조 금속판재.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 중심부와 표면부의 면적비는 6:4 ~ 5:5 범위로 설정되는 역 구배구조 금속판재.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 금속판재는 구리판재인 역 구배구조 금속판재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속판재는 구리, 알루미늄 및 철 중 어느 하나로 이루어진 역 구배구조 금속판재.
  8. 금속판재에 대해 원주전단변형, 채널각전단변형 및 표면전단변형을 포함하는 복합전단변형을 순차적으로 인가하여 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시키는 단계; 및
    상기 복합전단변형에 의해 표면부와 중심부의 전단변형량이 이분화된 금속판재를 열처리하여 상기 금속판재의 중심부에는 미세결정립이 존재하고, 금속판재의 표면부에는 조대결정립이 발현된 역 구배구조 금속판재를 제작하는 단계;를 포함하는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원주전단변형과 표면전단변형은 채널각전단변형과 반대 방향으로 작용하여, 각각 금속판재의 하부 및 상부 표면이 겪는 채널각전단변형을 상쇄시킴으로써 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시키는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속판재에 대한 복합전단변형은 홈 두께가 점차적으로 감소하는 원주홈 영역, 상기 원주홈이 특정 각도로 급격히 꺾이는 채널각 영역 및 상기 채널각 영역의 후단에 금속판재가 최종적으로 빠져나오면서 금속판재의 양 표면에 가압을 유발하는 출구홈 영역을 갖는 연속전단변형장치를 이용하여 실행되는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원주전단변형은 상기 원주홈 영역을 통과할 때 금속판재에 대한 비틀림기반 전단변형으로, 금속판재의 하부 표면에 가까울수록 음(-)의 전단변형량이 증가하고,
    상기 채널각전단변형(CASD)은 상기 채널각 영역을 통과할 때 상기 원주홈과 출구홈이 이루는 채널각에 상응하는 단순전단변형으로 판재의 두께방향으로 균일한 양(+)의 전단변형이 발생하며,
    상기 표면전단변형은 상기 출구홈 영역을 통과할 때 금속판재의 양 표면을 가압하여 판재표면에 발생하는 국부적인 전단변형으로서, 금속판재의 상부표면은 음(-)의 전단변형, 금속판재의 하부표면은 양(+)의 전단변형이 이루어지는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복합전단변형은
    상기 금속판재의 하부 표면에 가까울수록 음(-)의 전단변형량이 증가하는 원주전단변형을 가하는 제1단계;
    상기 제1단계에 이어서 금속판재의 두께방향으로 균일한 양(+)의 단순전단변형을 가하는 제2단계; 및
    상기 제2단계에 이어서 금속판재의 양 표면부에 서로 반대 방향으로 작용하는 표면전단변형을 가하는 제3단계;를 포함하여,
    상기 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시키는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 금속판재의 열처리에 따라 금속판재의 중심부에 활발한 결정립계 충돌을 유발하여 결정립 성장 거동을 상대적으로 억제시킴으로써, 금속판재의 중심부에는 미세결정립, 금속판재의 표면부에는 조대결정립을 발현시키며,
    상기 후속열처리는 금속판재의 중심부와 표면부의 면적비가 7:3 ~ 5:5 범위로 설정되도록 실시하는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 표면부와 중심부의 평균 결정립도는 적어도 4배 이상인 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 금속판재의 표면부와 중심부에 축적되는 전단변형량의 이분화를 심화시키는 것이 요구될 때, 연속전단변형장치의 출구홈 영역의 두께를 금속판재의 초기 두께를 유지한 상태로 복수회 반복 실행되는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 복합전단변형을 6회 반복한 후, 400도의 온도에서 후속열처리를 10~30분 진행하는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 금속판재의 두께 위치에 따라 상이하게 축적된 소성변형에너지를 기반으로 상기 금속판재를 열처리하여 재결정 및 결정립 성장 거동을 국부적으로 이질화시키는 역 구배구조 금속판재의 제조방법.
  18. 상대적으로 거친 표면을 가지고 마찰력을 통해 금속판재를 연속적으로 장치 내부로 장입시키는 회전 구동력을 제공하는 싱글 롤;
    상기 싱글 롤을 둘러싸고 있고 금속판재가 입력되는 입구와 출구를 구비하며 상기 입구와 출구 사이에 금속판재가 이동할 수 있는 원주홈이 구비된 고정금형; 및
    상기 고정금형의 출구에 결합되며, 내부에 금속판재가 통과하는 출구홈을 구비하고, 금속판재의 양 표면에 압착을 가하여 표면 마찰력을 유발시키는 출구 가이드;를 포함하며,
    상기 고정금형의 입구로 진입한 후 출구 가이드로 배출되는 금속판재에 복합전단변형을 부여하는 연속전단변형장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연속전단변형장치는 상기 고정금형의 내주부와 싱글 롤의 외주부 사이에 홈 두께가 점차적으로 감소하는 원주홈 영역, 상기 원주홈과 출구 사이에 특정 각도로 급격히 꺾이는 채널각 영역 및 상기 출구 가이드 내부의 출구홈에 형성되어 금속판재의 양 표면에 가압을 유발하는 출구홈 영역을 갖는 연속전단변형장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복합전단변형은 상기 원주홈 영역을 통과할 때 가해지는 원주전단변형, 상기 채널각 영역을 통과할 때 가해지는 채널각전단변형 및 상기 출구홈 영역을 통과할 때 가해지는 표면전단변형을 포함하는 연속전단변형장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 원주전단변형과 표면전단변형은 채널각전단변형과 반대 방향으로 작용하여, 각각 금속판재의 하부 및 상부 표면이 겪는 채널각전단변형을 상쇄시킴으로써 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시키는 연속전단변형장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 원주홈 영역의 두께 감소율은 5~10% 범위로 설정되는 연속전단변형장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 복합전단변형은 상기 금속판재의 하부 표면에 가까울수록 음(-)의 전단변형량이 증가하는 원주전단변형, 상기 금속판재의 두께방향으로 균일한 양(+)의 전단변형을 가하는 단순전단변형 및 상기 금속판재의 양 표면부에 서로 반대 방향으로 작용하는 표면전단변형을 포함하여,
    상기 금속판재의 표면부와 중심부의 전단변형량을 이분화시키는 연속전단변형장치.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 싱글 롤과 고정금형을 안정되게 설치하고 지지하기 위한 지지 브라켓을 더 포함하는 연속전단변형장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 지지 브라켓은 베이스 프레임에 안정되게 지지되는 환형 베이스와 상기 환형 베이스로부터 돌출되고 중앙에 싱글 롤이 통과하는 관통구멍이 형성되고 배면에 환형 요홈이 형성된 환형 돌출부를 포함하며,
    상기 고정금형은 환형 돌출부의 전면에 고정되고, 상기 싱글 롤은 환형 돌출부 배면의 환형 요홈에 결합되며 구동장치의 회전력이 인가되는 플랜지부를 구비하는 연속전단변형장치.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 채널각 영역에서 원주홈과 출구 사이의 채널각은 90~140도 범위로 설정되는 연속전단변형장치.
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