경량 금속의 통전소성에 관한 연구

Abstract

통전 성형법(Electrically assisted manufacturing: EAM)은 최근 주목 받고 있는 성형 방법이다. 통전 성형법은 통전소성(electroplasticity) 현상을 근간으로 한다. 통전소성은 성형 중인 금속에 전류를 적절히 가할 때 큰 온도 증가와 미세구조의 변화 없이도 금속의 유동 응력이 감소되고 성형성이 향상되는 현상을 일컫는다. 현재 다양한 금속의 소성 변형 중 전류를 가하여 통전소성 효과를 검증하는 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 자동차 산업에서 일반적인 철강 소재의 대체 금속으로 주목 받고 있지만 성형성이 낮다는 단점으로 인하여 활용도가 제한되고 있는 다양한 경량 금속들(알루미늄 합금, 티타늄 합금, 마그네슘 합금, 초고장력 강 등)의 통전 성형법 개발을 위하여 성형 중 통전이 대상 소재들의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 첫번째로, 초고장력 강(1180CP)의 인장 중의 통전에 의해 발생하는 기계적 특성의 변화를 연구하였다. 인장 시험 중 특정 변형율 지점에서 시편에 0.5초 보다 짧은 시간 동안 전류를 가한 후 파단까지 인장을 지속하였다. 실험 결과 통전이 되는 즉시 유동 응력은 급격히 감소하고, 전류가 제거된 후 파단까지 가공경화가 지속적으로 발생하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 통전에 의한 응력 감소와 통전 후 기계적 거동에 관한 구성방정식을 전류 밀도의 함수로 제안하였다. 두번째로, 알루미늄 합금 6061-T6와 마그네슘 합금 AZ31B들의 통전소성 조건에서의 압축거동에 대하여 연구하였다. 통전 압축 실험을 위하여 압축성형이 지속적으로 이루어지는 동안 주기적으로 전류가 가해지는 방식(통전 연속 압축)과 압축성형과 전류가 교대로 가해지는 방식(통전 점진적 압축)이 고려되었다. 실험 결과는 통전을 하지 않은 일반적 압축 조건에 비해서 본 연구에서 사용된 두 가지 통전 압축 방식들 모두가 실험 대상 소재들의 성형 하중을 감소시키고 성형성을 개선시킴을 보여주었다. XRD 분석을 통하여 전류밀도가 증가할수록 성형 후의 전위 밀도가 감소하는 것을 확인하였다. 세번째로, 티타늄 grade 2 합금에 전류를 가하여 스프링백을 제어하는 연구를 수행하였다. U-bending 실험에서 하중 제거 전 짧은 시간(0.5초) 동안 통전하여 하중 제거 후 발생하는 스프링백의 크기의 변화를 관찰하였다. 실험 결과는 전류를 가함으로써 선택된 재료에서 발생하는 스프링백을 거의 100%까지 제거할 수 있음을 보여주었다. 또한, 실험 결과는 굽힘 곡률 반지름과 재료의 두께 비가 통전에 의한 스프링백 감소량에 거의 영향을 미치지 않음을 보여주었다. 별도로 진행된 통전 인장 실험 결과는 전류에 의해 통전 풀림 효과가 발생하여 스프링백이 제어됨을 확인하여 주었다. XRD 분석 결과는 전류가 증가할수록 성형 후의 전위 밀도가 감소함을 보여주었으며 이는 전류에 의한 통전 풀림 효과의 발생을 확인해준다. 마지막으로 통전에 의한 스프링백 제어실험 결과의 상용화 사례에 대한 case-study를 수행하였다. 본 연구의 결과들은 통전소성의 원리를 규명하기 위한 기초자료로서 활용될 것이며, 다양한 금속 소재들의 통전가공법 개발의 근간이 될 것이다.