원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법 {TORSIONAL SEVERE PLASTIC DEFORMATION METHOD FOR CONICAL TUBE METALS}
본 발명은 원뿔형 금속관재에 비틀림 강소성을 가하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 형상을 실질적으로 유지하면서 원뿔형 금속관재에 압축력과 비틀림을 통한 전단 응력을 가하여 형성되는 전단 변형을 통해 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화시켜 소재의 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 강소성 가공법에 관한 것이다.
원뿔형 금속관재는 탄환이나 미사일의 헤드, 항공, 자동차와 같은 수송기기 부품산업 및 주방, 난방기기와 같이 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 원뿔형 금속관재는 종래에는 메탈 스피닝법을 통해 소정의 형상으로 가공되어 사용되고 있다. 그런데 메탈 스피닝법은 소재의 형상 제어를 주목적으로 한 금속성형 기술이기 때문에 미세조직의 제어와 같은 소재의 물성을 향상시키는 것과는 관련성이 적은 기술이다. 더욱이, 메탈 스피닝법은 금속공구의 강한 압력에 의한 변형이 금속관재의 표면에 집중되어, 가공 후 금속관재의 내부와 외부의 물성 차가 큰 문제점이 있다. 금속재료는 소성 변형을 받으면 소경계각 전위셀 구조의 형성을 시작하고 소성변형량이 증가할수록 전위셀 아결정립의 결정립계각 증가와 더불어 결정립이 점차 미세화 되는 현상이 발생한다. 이를 이용하여 소재에 큰 변형을 가해주어 결정립을 초미세결정립화 또는 나노결정립화하게 되면 변형 전의 금속소재와 비교하여 그 기계적 성질(강도, 경도, 내마모성 및 초소성 등)이 매우 향상되므로, 종래의 형상 성형을 위주로 한 소재 가공법에서 벗어나 새로운 초미세/나노결정소재를 제조하기 위한 가공법의 필요성이 점차 커지고 있다. 이러한 초미세/나노결정립 형성에는 압축, 인장, 전단 변형과 같은 소재에 가해지는 소성 변형량이 중요할 뿐 아니라, 많은 양의 변형량을 가할 수 있는 반복공정이 가능하도록 공정 전후의 소재의 형상이 실질적으로 동일하게 금형을 설계하는 것이 대단히 중요하다. 이러한 조건을 만족하는 강소성 가공법으로는 현재까지, 등 통로각 압축 공정(ECAP: Equal Channel Angular Pressing), 고압 비틀림 공정(HPT: High-Pressure torsion), 반복 접착 압연 공정(ARB: Accumulative Roll Bonding), 등 통로각 압연 공정(ECAR: Equal Channel Angular Rolling) 등이 개발되어 있다. 그런데 원뿔형 금속관재의 형상에 맞게 강소성 가공할 수 있는 방법은 아직까지 개발되지 않은 상태이므로, 이의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 과제는, 원뿔형 금속관재의 형상을 실질적으로 유지하여 대변형 가공이 가능하고 미세조직을 초미세결정립 또는 나노결정립화시킬 수 있어 원뿔형 금속관재의 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있는 강소성 가공법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 원뿔형 금속관재의 내측에는 상기 원뿔형 금속관재의 내측 형상에 맞춘 펀치를 장착하고, 상기 원뿔형 금속관재의 외측에는 상기 원뿔형 금속관재의 외측 형상에 맞춘 금형을 장착한 후, 상기 펀치와 금형을 통해 상기 원뿔형 금속관재에 압축력을 가하면서 비틀림을 가하여 얻어진 전단 변형을 통해, 원뿔형 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법을 제공한다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 전단변형은 상기 펀치를 금형에 대해 가압한 후, 상기 펀치를 회전시키는 방법으로 얻어질 수 있다. 또한, 반대로 금형을 가압 회전시키거나, 펀치와 금형을 상호 다른 방향(예를 들면, 펀치는 시계방향, 금형은 반시계 방향)으로 회전시키는 방법으로 비틀림을 가할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 전단변형의 양은 상기 펀치의 압축력 또는 회전수의 조절을 통해 제어될 수 있다. 만약, 금형 또는 펀치와 금형을 동시에 회전시키는 경우에는 금형의 회전수 또는 펀치와 금형의 회전수의 조절을 통해 전단변형의 양이 조절될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 원뿔형 금속관재의 중심부에 큰 압축력을 가해주어 상기 원뿔형 금속관재의 중심부의 미세구조를 초미세결정립화 또는 나노결정립화할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 강소성 가공법의 공정 전후의 원뿔형 금속관재의 형상이 실질적으로 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 동일한 펀치 및 금형을 사용하여, 반복하여 변형을 가할 수 있으므로, 대량의 변형량을 가할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 금형 또는 펀치의 일측 또는 양측의 내부에는 발열체가 구비되어 있어, 공정 온도의 제어가 가능하게 할 수 있다. 이를 통해 금속관재의 재질에 맞춘 적합한 공정 온도로 가공하거나 미세조직의 제어를 할 수 있게 되어, 가공의 효율성을 보다 높일 수 있게 된다. 한편 상기 발열체는 금형 또는 펀치의 내부가 아닌 외부에 구비될 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 펀치의 꼭짓점 곡률은 원뿔형 금속관재의 꼭짓점 곡률보다 크게 유지할 수 있다. 이를 통해 원뿔형 금속관재의 높이방향으로의 두께를 일정하게 유지할 수 있고, 이는 응력의 집중을 막아 원뿔형 금속관재가 파괴가 되는 것을 막는다.
본 발명의 강소성 가공법에 의하면, 원뿔형 형상을 유지하여 재료의 손실 없이 재료에 큰 전단 변형 및 압축 변형을 가해줄 수 있고 이를 통해 미세조직의 초미세결정립화 또는 나노결정립화가 가능하여, 재료의 기계적 물성을 획기적으로 높일 수 있어, 다양한 물성 요구에 대응한 원뿔형 금속관재의 제공이 가능하게 된다. 또한, 본 발명의 강소성 가공법은, 공정 전후의 소재 형상이 원뿔형으로 동일하기 때문에, 공정의 반복을 통한 비틀림 변형의 조절 및 기계적 성질의 조절이 가능하다. 또한, 본 발명의 강소성 가공법은, 공정 중에 가해지는 펀치(또는 금형)의 회전수를 조절하여 재료에 가해지는 변형량을 자유자재로 조절할 수 있어 원뿔형 금속관재의 물성 강화 및 미세조직 조절에 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 강소성 가공법에 사용된 펀치, 금형 및 각 공정단계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 금형, 펀치 및 시편의 단면도이다.
도 3(가)는 강소성 가공 전의 원뿔형 금속관재를 촬영한 사진이고, 도 3(나)는 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 후의 원뿔형 금속관재를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 전후의 원뿔형 금속관재의 경도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 강소성 가공법에 사용된 펀치, 금형 및 각 공정단계를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 금형, 펀치 및 시편의 단면도이며, 도 3(가)는 강소성 가공 전의 원뿔형 금속관재를 촬영한 사진이고, 도 3(나)는 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 후의 원뿔형 금속관재를 촬영한 사진이다. 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 구체적인 제조 공정에 대해 서술한다. 먼저, 본 발명에 따른 강소성 가공법은 크게, 원뿔형 금속관재의 금형에 장착하는 단계(제 1 단계), 금형과 펀치를 이용하여 가압하는 단계(제 2 단계), 원뿔형 금속관재에 비틀림을 가해주는 단계(제 3 단계)로 구분할 수 있다. 상기 제 1 단계에서는, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 원뿔형 금속관재의 내측의 형상에 맞추어 제작된 펀치를 원뿔형 금속관재의 내측에 장착하고, 펀치가 장착된 원뿔형 금속관재를 원뿔형 금속관재의 외측 형상에 맞추어 제작된 금형의 내부에 장착하는 방법으로, 원뿔형 금속관재를 금형에 장착하는 단계이다. 이때, 상기 펀치와 금형의 장착순서는 금형의 설계 상태에 맞추어 다르게 할 수 있다. 즉, 원뿔형 금속관재를 금형에 먼저 장착한 후, 펀치를 원뿔형 금속관재의 내측에 배치할 수도 있다. 한편, 상기 금형의 내부에는 전기저항으로 발열하는 발열체를 구비하여, 원뿔형 금속관재의 가공 조건에 맞춘 열을 가할 수 있도록 되어 있다. 상기 제 2 단계에서는, 금형에 장착된 원뿔형 금속관재에 펀치를 가압하는 방식으로 소정의 압축력을 가하는 단계이다. 이때, 압축력은 시편의 미끌림이 발생기지 않는 압축력으로 시편의 최종 두께를 고려하여 선정될 수 있다. 또한, 원뿔형 금속관재에 압축력을 가하는 방식은 전술한 바와 같이 펀치를 이동시켜 가압하는 방식 외에도, 펀치를 고정하고 금형을 이동시키거나, 양자를 모두 움직이는 방식도 사용될 수 있다. 상기 제 3 단계는, 원뿔형 금속관재에 압축력이 일정하게 유지되는 상태에서 펀치를 회전시켜 원뿔형 금속관재에 비틀림을 가해주는 단계이다. 이와 같이 비틀림 공정이 완료되면 압축력을 풀어주고 시편을 금형으로부터 탈거한다. 이를 통해, 본 발명에 따른 강소성 가공법은, 압축력을 통해 재료에 매우 큰 정수압을 가하여 원뿔형 금속관재와 펀치 사이의 경계면의 마찰이 매우 강해진 고착 상태를 형성한 상태에서 비틀림을 가할 수 있게 되어, 미끌림 현상 없이 원뿔형 금속관재에 온전히 전단 변형을 가해주는 것이 가능하게 된다. 그리고 가해진 정수압과 전단변형은 원뿔형 금속관재의 미세조직을 앞서 설명한 메커니즘을 통해 미세화시켜 초미세결정립화 또는 나노결정립화할 수 있게 한다. 또한 본 발명에 따른 강소성 가공 공정시 원뿔형 금속관재에 가해지는 압축력과 회전수를 이용하여 원뿔형 금속관재의 미세조직과 기계적 성질을 원하는 형태로 조절할 수 있게 된다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 원뿔형 금속관재 시편, 금형 및 펀치의 단면도이다. 시편의 크기 및 재료는 사용 목적에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 금형 및 펀치는 시편의 형상에 맞추어 제작한다. 본 발명의 실시예에서는, 펀치의 꼭짓점 부분이 시편의 꼭짓점 부분에 비해 덜 뾰족하도록 곡률을 조절하였는데(즉, 펀치의 꼭짓점 곡률이 시편의 꼭짓점 곡률보다 크게 함), 이는 강소성 가공 공정 과정에서 시편 꼭짓점 부분에 응력이 집중되어 시편의 꼭짓점 부분에서 파괴가 발생하는 것을 막기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 공정은, 순수한 구리로 만들어지고 도 2에 도시된 형상으로 가공된 시편을 가공 공정 전에 600℃에서 2시간 동안 열처리 후 가열로에서 서냉한 것을 사용하였다. 강소성 가공은 상온에서 시행되었으며, 80톤의 가압력을 가한 상태에서, 1rpm의 속도로 펀치를 1회전 회전시키는 방법으로 수행되었다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 공정 전후의 시편의 모습을 촬영한 사진이다. 이중 3(가)는 공정 전 초기 상태의 시편이고, 3(나)는 강소성 공정을 수행한 후의 시편의 모습인데, 강소성 가공 공정 전후 두 시편의 형상이 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다. 다만, 강한 압축력의 영향으로 시편의 두께는 1.2mm 이었던 것이 공정 후 0.96mm로 약간 감소하였다. 한편, 강소성 가공 공정 후의 시편의 두께는 압축력과 펀치 회전수를 이용하여 조절될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 공정 전후의 재료의 기계적 성질의 차이를 확인하기 위한 경도 시험 결과를 나타낸 것이다. 도면상 '초기 상태'는 열처리를 마친 초기 상태의 시편의 바깥쪽 벽에서 가장자리에서 중심축 방향으로 측정한 경도 값이며, '바깥쪽'은 도 4(ㄱ)에 도시된 바와 같이 강소성 가공 공정 후의 시편에서 '초기 상태'와 동일한 방식으로 측정한 경도 값이며, '내부'는 도 4(ㄴ)에 도시된 바와 같이 시편의 단면에서 측정한 경도 값이다. 이때 경도의 측정 방향은 도 4(ㄱ,ㄴ)에 표시된 바와 같으며, 측정간격은 1mm로 하였다. 도 4에서 확인되는 바와 같이, 강소성 가공 공정 후 시편의 경도 값은 초기 상태 시편의 평균 비커스 경도(Hv) 값 53보다 크게 상승하였으며, 1회의 강소성 가공 공정을 거친 후의 최대경도 값은 140까지 향상되었다. 또한 시편의 외부와 내부에서 경도의 차이가 크지 않아, 시편 전체가 균일하게 강화되었음을 알 수 있다. 이러한 경도 값의 고른 상승 현상은 시편의 강도, 내마모성과 같은 기계적 성질의 향상으로 이어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 강소성 가공 공정은 원뿔형 금속관재의 형상을 유지한 채로 간소한 방법을 통해, 그 기계적 성질의 현저하게 향상시킬 수 있으므로, 탄환이나 미사일과 같은 고도의 물성을 요구하는 부품에 적합하게 사용될 수 있다.
|
