비대칭 강도 분포를 갖는 사각 동선 제조 공정 설계

Abstract

동과 동합금은 우수한 전기 전도도와 가공성, 그리고 뛰어난 범용성으로 인해 도전 재료 (electrical conduction materials)로 널리 알려져 발전기, 모터, 케이블, 전차선 등의 다양한 전기, 전자 제품에 사용되어 왔으며, 최근 산업의 발달과 함께 고강도-고전도도 동선의 수요가 증가하는 추세이다. 특히 전차선의 경우 전기적, 기계적 부하가 크고 제품에 대한 기대수명도 수십 년에 이르기 때문에 도전 재료로 전기 전도도 특성뿐만 아니라, 고강도의 중요성이 부각되고 있다. 또한 전차선의 고강도화는 열차의 고속화를 위해 필수적이며, 편마모에 대응하기 위해서는 비대칭 강도 분포를 갖춘 전차선의 제조 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 비대칭 강도 분포를 갖는 고강도 동선을 제조하기 위해 연속 극한 소성 가공 방법인 연속 하이브리드 공정을 적용하였다. 유한요소해석을 통하여 기존의 전차선 가공 공정인 인발 공정과 연속 하이브리드 공정에 의한 소재의 유동양상 및 각 공정에 의해 소재에 가해지는 변형률 분포에 대해 예측해 보았다. 유한요소해석의 수행을 위해 강점소성 유한요소법에 기반하여 개발된 In-house 프로그램인 CAMPform3D를 사용하였다. 유한요소해석 결과 기존 인발 공정에 비해 연속 하이브리드 공정 시 ECAP에 의한 전단 변형으로 소재 내.외부에 걸쳐 높은 유효 변형률을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과를 바탕으로 실제 실험을 수행하였으며, 순동을 사용하여 연속 하이브리드 공정을 통해 동선을 가공하였다. 전자후방산란회절 장치를 이용하여 가공된 동선의 미세조직 및 집합조직 관찰로부터 연속 하이브리드 가공된 소재에서 미세화된 결정립과 전단 변형이 이뤄졌음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 연속 하이브리드 공정이 인발 공정에 비해 소재에 큰 소성 변형을 부여할 수 있으며, 높은 전위 밀도와 결정립 미세화로 기계적 특성이 향상된 동선을 연속적으로 생산할 수 있음을 확인하였다. 가공된 동선의 강도 및 연성을 평가하기 위해 인장 시험을 수행하였고, 연속 하이브리드 2 단계 시편은 가공 경로 A에서 349 MPa, 가공경로 C에서 354 MPa의 극한 인장 강도를 보였으며, 이는 인발 공정 3단계 시편의 인장 강도인 358 MPa과 비슷한 수준이었다. 비커스 미세 경도 분포로부터 가공 경로 A로 가공된 소재가 비대칭 경도 분포를 갖는 것을 확인하였다. 따라서 고강도 특성뿐만 아니라 비대칭 강도를 갖는 소재를 제시할 수 있기 때문에 전차선의 유지.보수 측면에서 이점을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 4점 탐침법을 이용하여 전기 전도도를 측정하였으며, 가공 방법에 의한 전기 전도도 차이는 발생하였지만 1% IACS 내외로 극미하였고, 98% IACS 이상으로 매우 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 순동의 강도 향상의 한계를 극복하고자 석출 경화형 소재인 크롬-지르코늄동을 이용하여 연속 하이브리드 공정을 수행하였다. 용체화 처리와 담금질을 통해 합금 원소를 과포화 시킨 후, 시효 열처리 온도에 따른 소재의 기계적/전기적 특성 변화를 살펴보았다. 열처리 온도에 따라 경도는 바뀌었으며, $420~450^\circ C$에서 가장 높은 경도를 나타낸 후, $500^\circ C$이상에서는 급격히 감소하였다. 또한 연속 하이브리드 공정이 인발 공정에 비해 소재의 기계적 강도 향상에 유리함을 확인하였다. 시효 열처리 전의 초기 소재의 전기 전도도는 54.6% IACS였으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 전기 전도도는 계속 상승하였다. $600^\circ C$에서 전기 전도도가 90% IACS까지 증가하였고, 시효 열처리에 의해 전기 전도도의 주요한 값이 결정되었다. 투과전자현미경을 통해 $450^\circ C$에서 미세한 석출물들이 관찰영역 전반에 고르게 생성된 반면, $600^\circ C$에서는 석출물들이 응집 성장하여 그 수가 확연히 줄어든 것을 관찰할 수 있었다. 동일한 소성 변형량과 열처리 조건에서 가공 열처리 이력에 의해 나타나는 크롬-지르코늄동의 기계적/전기적 특성 변화를 살펴보았다. 시효 열처리 후 소성 가공을 수행하는 것이 강도 향상 측면에서 유리한 반면, 소성 가공 후 시효 열처리를 수행하는 것은 연성과 전기 전도도 향상에 유리한 것을 확인하였다. 따라서 공정 순서에 따른 소재의 특성 변화를 기반으로 목표로 하는 소재의 특성에 따라 가공 열처리 이력을 달리할 수 있을 것으로 판단된다. 광학 현미경을 통해 미세조직을 관찰한 결과, 시효 열처리 유무에 상관없이 소성 변형량의 증가에 따른 결정립 미세화 및 결정립의 길이 방향으로의 재배열 경향을 확인할 수 있었으며, 연속 하이브리드 가공된 소재의 결정립 미세화가 촉진되었다. 결론적으로 연속 하이브리드 공정은 인발 공정보다 상대적으로 극심한 소성 변형을 소재에 가함으로써 비대칭 강도 분포를 갖는 고강도 동선을 제조하는 데 도움이 될 수 있음을 확인하였다.