초미세립 볼트 제조를 위한 다단성형기용 연속 ECAP 공정 설계

Abstract

금속의 결정립을 미세화하는 대표적 방법인 강소성 가공법 (Severe plastic deformation, SPD)은 소재에 극심한 소성변형을 가함으로써 나노 결정조직 또는 고밀도 나노 석출조직을 얻을 수 있는 가공 기술이다. 다양한 강소성 가공법 중 ECAP (Equal channel angular pressing) 공정은 전통적인 소성 가공법인 압출, 업세팅, 인발 등과 달리 공정 전후 소재 단면의 형상변화가 없어 반복적인 공정이 가능하고 많은 양의 소성변형을 소재에 부가할 수 있다. 이를 통해 다결정 금속 소재의 결정립을 마이크로미터 이하 크기까지 미세화함으로써 강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상 시킬 수 있다. ECAP 공정을 응용하여 대상소재를 연속적으로 가공하기 위한 ECAR, ECAD, ECAP-Conform 등 다양한 강소성 가공기술들이 연구되고 있다. 하지만 공정 중 소재 유동의 불안정과 소재 변형을 위한 구동력 부족 등으로 인해 실용적 강소성 가공기술로의 개발은 아직 이루어지지 않은 상황이다. 따라서 결정립 미세화를 통해 소재 강도 향상에 매우 효과적인 ECAP 공정을 응용하여 대상 재료를 연속적으로 가공할 수 있는 강소성 가공법 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 ECAP 공정용 저하중 분리형 금형에 체결부품 제조에 널리 쓰이는 슬라이딩 금형 시스템을 도입한 스프링 가압형 (Spring-Loaded) ECAP 공정을 제안하고자 한다. 또한 소형 제품 등의 높은 생산성을 가지는 다단 포머 (Multi-stage former)에 적합하도록 스프링 가압형 ECAP 금형을 설계 및 제작하고자 한다. 상용 알루미늄 합금 AA6061-T6를 사용하여 포머 가동 속도를 최대 60rpm까지 변화시키며 ECAP 공정을 수행하였고, 이는 실제 단조 현장에서의 제품 생산 속도로 ECAP 공정이 연속적으로 가능함을 의미한다. ECAP 공정을 통해 제조된 알루미늄 합금 소재를 이용하여 자동차 부품 체결용 M8 볼트 성형 실험을 수행하였다. 또한, 기존 볼트 공정에 널리 사용되는 업세팅 기반 공정과 압출 기반 공정 중 본 연구에서는 압출 공정에 기반하여 동일 형상의 볼트를 성형하고 ECAP 공정을 통한 제품과 비교하였다. 이를 통해 ECAP 공정 기반으로 최종 성형된 볼트의 최대 인장강도가 기존의 압출 기반 공정 볼트의 인장강도 및 연신율이 향상되었을 뿐만 결정립의 두께가 1 마이크로미터 이하로 미세화되었음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 연속적으로 벌크나노 소재를 대량 생산할 수 있는 연속 강소성 가공법을 고강도 알루미늄 볼트 제조에 적용 및 실용화함으로써 자동차, 항공기와 같은 수송기기의 경량화를 실현시켜 에너지 절감에 기여할 수 있을 것이다. 이는 국내 주력산업에 있어서의 품질 향상, 국가 경쟁력 향상 등으로 이어져 국내산업의 육성의 일환이 될 것이고, 전 세계적으로 추진하고 있는 자동차 경량화를 통한 대기오염물질의 발생억제를 통한 지구환경보호 추세에 대응한 지속 가능한 생산 시스템의 구축으로 이어질 것이다.