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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.19 No.2 pp.134-139
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2012.19.2.134

변형지도 모델링을 통한 구리 분말 소결체의 고온 변형에 따른 미세조직 연구

장수호, 김영무a, 박경채*
경북대학교 금속공학과, a국방과학연구소 국방소재기술부

Microstructural Evolution during Hot Deformation of P/M Copper using Processing Map

Kyung-Chae Park*, Soo Ho Chang, Young Moo Kima
School of Material Science and Metallurgical Engineering, Kyungpook National University, Daehakro 80, Buk-gu, Daegu 702-701, Korea
aDefense Material and Evaluation Technology Directorate, Agency for Defense Development, 111 Sunam-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea
Received February 4, 2012, Revised February 24, 2012, Accepted March 13, 2012

Abstract

P/M coppers are subjected to the isothermal compression tests at the strain rate ranging from 0.01 to 10.0 s−1 and the temperature from 200 to 800°C. The processing map reveals the dynamic recrystallization (DRX) domain in the following temperature and strain rate ranges: 600-800°C and 0.01-1.0 s−1, respectively. In the domain, the region at tem-perature of 600°C and strain rate of 10−2 s−1 shows peak efficiency. From the kinetic analysis, the apparent activation energy in the DRX domain is 190.67 kJ/mol and it suggests that lattice self-diffusion is the rate controlling mechanism.

kpmi-19-2-134-공식3.jpg13.0KB
  • 1. 서 론
  • 2. 실험방법
  • 3. 변형지도 이론
  • 4. 실험결과 및 고찰
  • 4.1. 고온 변형 거동
  • 4.2. 변형지도 및 미세조직 변화
  • 4.3. 고온 변형의 동적 해석
  • 5. 결 론
  • 1. 서 론

    순수 구리 재료는 현재 운용되고 있는 성형작약탄 라이너 소재로 사용되고 있다. 이는 구리의 높은 밀도(8.92 g/cm3)와 우수한 연신성으로 인해 높은 관통성능을 구현할 수 있기 때문이다[1]. 일반적으로 구리 라이너의 성능은 라이너 소재의 결정립 크기, 방향성 및 순도와 같은 재료조직 특성에 크게 의존된다고 보고되고 있다[1]. 이에 미세조직 제어를 통한 관통 성능 향상을 위하여, 스피닝, 인발, 단조, 고에너지 변형, 전해 도금 등 다양한 제조 공정기술에 대한 연구가 진행되고 있다[1]. 이들 중, 대부분의 라이너는 온간 혹은 열간 단조 공정에 의해 제조되고 있는데, 이는 소재의 열기계적 소성 공정을 통해 미세조직 제어에 가장 효율적이기 때문이다. 그러나 단조 공정에 사용되고 있는 원소재는 그 제조 공정 (예, 압출) 특성 상, 빌렛 내외부의 미세조직이 상이하는 등 불균일 할 개연성이 크다. 이는 최종 라이너 제품의 특성을 저하시킬 수 있는 문제점이 있다. 이에 위의 단점을 극복하기 위해 일반 소재 대신 분말 소결체를 사용함으로서, 초기 원소재의 입도 크기를 균일 및 미립화 시킴으로서, 후 제조공정을 통한 미세조직 제어를 용이할 수 있는 장점이 있다. 

    변형지도(processing map) 이론은 1984년 Prasad 등[2]에 의해 처음 소개되었으며, 철강 재료를 비롯, 니켈계 초내열합금, 몰리브데늄, 구리 및 알루미늄 재료, 금속 복합재료 등 다양한 소재의 고온 변형에 따른 미세조직 변화를 예측함으로써, 원하는 미세조직을 갖는 소성가공 조건을 확립하는데 기여하고 있다. 구리 등의 변형지도를 통한 고온 소성 변형 연구는 많은 연구자들에 의해 수행되었으나[3-5], 분말 소결체에 대한 연구 결과는 전무한 상태이 다. 따라서 본 연구에서는 구리 분말 소결체의 고온 성형성을 분석하여 변형지도를 설계하였다. 이를 위해 원소재의 특정 변형률에서 온도와 변형률 속도에 따른 유동 응력과 연신율을 평가하였으며, 동적 재결정 영역 및 변형시 속도 결정 기구(rate-mechanism)를 예측하였다. 위의 결과는 향후 구리 분말 소결체를 통한 라이너 제조 시 활용될 것으로 기대된다.

    2. 실험방법

    본 연구에 사용된 원소재는 미국 Royal metal powders Inc. 에서 제조한 고품질구리 분말을 사용하였으며, 분말소결 조건은 수소 분위기, 1000℃에서 1시간 유지하였다. 최종 소결 밀도는 97.5%, 평균 결정립 크기는 50 μm 내외 였으며 미세조직은 그림 1에 나타내었다. 본 소결 시편의 고온 변형 거동을 평가하기 위하여 Dynamic System Inc.에서 제작한 Gleeble 3500을 이용해 압축 시험을 수행하였다. 이 때 시편 규격은 통상적으로 사용되고 있는 직경8 mm, 높이 12 mm(직경/높이 비율: 0.67)로 제작하였으며, 시편 중앙에 0.5 mm 크기로 천공하여 열전대 부착을 용이하게 하였다. 시험 조건은 200~800℃의 온도 구간에서, 변형률 속도 0.01~10.0 s−1으로 최대 변형률 1.0까지 수행하였다. 분위기는 질소와 수소 혼합가스를 사용하였으며, 이는 시험 도중 구리의 산화를 방지하기 위함이었다. 시험후 소재는 수냉시켜 변형 후 조직을 최대한 보존하고자 하였으며, 시험 후 소재는 압축 방향의 수직으로 절단하였으며, 분석 위치는 압축 후 생기는 dead zone을 피해 시편절단면의 중심부와 표면부의 중간 지점을 선택하였다. 식각액은 Murakami 용액을 사용하였으며, 광학현미경을 통해 미세조직을 분석하였다. 이 후 온도, 변형률 속도 및 변형률에 따른 유동응력 값을 국방과학연구소 및 포항공과 대학교에서 공동 개발한 ESMAT-Pro 프로그램에 입력하여, 변형지도를 계산하였으며, 동적 해석을 통해 재결정 구간의 활성화 에너지를 계산하고, 속도 제어 기구를 예측하였다. 

    Fig. 1. Optical microstructure of sintered P/M copper specimen.

    3. 변형지도 이론

    변형지도는 서론에서 언급하였듯이 Prasad 등[2]에 의해 제시된 동적 재료 모델(Dynamic Material Model, 이하DMM) 이론에 근거하여 다양한 소재의 고온 가공성을 평가하고 분석하기 위해 개발되었다. 우선, 소재의 변형을 위해 요구되는 총 에너지(P)는 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 

     

    여기서, 여기서, 는 유효 응력, 은 유효 변형률을 의미하며, 처음 적분 항은 G-content로 두 번째 적분 항은 Jco-content로 불리운다. 두 값 사이의 관계는 소재의 유동성에 의해 조절되고, 변형률 속도 민감도(m)에 의해 아래와 같이 결정된다. 

     

     위의 식을 이용하여 주어진 온도에서, J 값을 계산할 수 있고 그 결과는 식 (3)과 같다.

     

     위에 식에서 보듯이, 가공 효율을 극대화 시키기 위해서는 가공 에너지가 변형되는 재료의 미세조직 변화에 소모되는 것이 가장 유리하다. 즉, J의 최대 값은, m이 1일 때, 를 가지며, 가공 효율(efficiency)은 η으로 정의되고 아래와 같다.

     

    위에서 계산된 가공 효율 값을 변형 온도 및 변형률 속도에 따라 계산하여 변형지도를 구성하게 된다. 또한 Ziegler[6]에 의하면 소성 유동이 국부적 집중 현상 없이 균일하게 진행되어 안정성이 이루어지기 위한 조건을 식(5)에 제시하였다. 

    여기서 D는 분산 함수(dissipative function)이며, 분산되는 에너지에 의하여 주어지는 특성 인자이다. 만일 전체 에너지가 G와 J로 양분된다면, 이고, 다음과 같이 표현하게 된다. 

    위의 식 (6)을 통하여 무차원인 불안전성 인자 ξ를 정의할 수 있으며, 이 인자는 온도와 변형률 속도의 함수이고, 음의 부호를 가질 때는 소성 불안정 유동을 의미하는 것이다. 이러한 불안정성(instability)의 물리적인 의미는 동적 변형 시, 계(system)에서 발생하는 엔트로피를 방출할 수 없다면, 이 에너지가 재료 내부에 축적되어 소성 불안정을 야기한다는 것이다. 이에 현재까지 연구 결과를 토대로 대표적인 불안정성 영역에서의 미세조직 결과들은 단열 전단 변형(adiabatic shear band)를 비롯하여 국부적 유동 현상(localized flow) 등이 있다. 

    4. 실험결과 및 고찰

    4.1. 고온 변형 거동

     주어진 온도 (200-600°C) 및 변형률 속도 (0.01-10.0 s−1)에 따른 고온 압축 시험결과는 표 1에 정리하였으며, 온도별 변형률 속도에 따른 진응력-진변형률 곡선을 그림 2에 나타내었다. 그림에서 보듯이 모든 시험 조건에서, 온도가 높고 변형률 속도가 느릴수록 유동 응력 값은 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 시험온도가 200°C 및 400°C 하에서 전 변형률 속도 구간과 600°C에서 변형률 속도 1.0 s−1 및 10.0 s−1 조건에서는 일반적인 가공 경화 현상이 나타난다. 그러나 600°C에서 0.01 s−1 및 0.1 s−1, 800°C에서 시험할 경우, 변형량이 늘어날수록 가공 경화 및 연화 현상이 반복적으로 일어나는 것을 확인하였다. 이는 동적 재결정(dynamic recrystallization)으로 인한 연화라고 분석된다. 일반적으로 고온에서 일어나는 연화 현상에는 동적 회복(dynamic recovery)과 동적 재결정(dynamic recrystallization)이 있다. 특히 구리 소재의 경우, 적층 결함 에너지(stacking fault energy)가 낮아서 동적 회복 대신 동적 재결정 현상이 우세하게 나타난다고 보고되고 있다[7]. 이는 고온 변형 시, 전위의 상승(climb) 및 교차 슬립(cross-slip)으로 인한 이동 대신, 결정립 계에 축적되어, 임계 치 이상에서 새로운 결정립 들이 생성되며 소멸되고, 변형이 계속되면서 이러한 현상이 반복되는 것이다. 그러나, 알루미늄과 같이 적층 결함 에너지가 큰 소재는 동적 재결정 대신 동적 회복 현상이 주로 일어나며, 이는 전위의 이동이 용이해 변형 시, 전위의 재배열 및 상호간의 소멸과정이 동적 평형상태를 유지해, 완만한 유동곡선을 나타낸다.

    Table.1. Corrected flow stress values (in MPa) of P/M copper as a function of temperature, strain rate and strain

    Fig. 2. True stress-true strain curves of P/M copper deformed in compression at (a) 200oC, (b) 400oC, (c) 600oC, and (d) 800 oC.

    4.2. 변형지도 및 미세조직 변화

    위에서 평가된 구리의 고온 압축 물성 치를 이용하여 동적 변형 시 온도와 변형률 속도에 따른 변형 지도 및 불안정성 지도를 계산하였고, 그 결과를 그림 3에 나타내었다. 그림 3에서 보듯이 가공 온도 600~700℃, 변형률 속도 0.01이하에서 효율이 제일 우수한 것으로 분석되었으며, 온도 400-500℃ 및 속도 10 부근의 영역에서 불안정한 영역(INST라고 명기) 이 나타나는 것으로 예측되었다. 특히 불안정한 영역에서는 불안정한 조직(예: 단열 전단변형, 국부적 유동 현상 등) 이 나타날 위험이 있는 것을 의미한다. 그림 4는 변형 온도 및 변형률 속도에 따른 미세조직 분석 결과를 보여주고 있다. 우선 200℃, 10.0 s−1에서 변형된 경우, 그림 4(a)에서 보듯이 결정립들이 압축의 수직 방향으로 길게 연신되어 있다. 또한 단조 효율이 늘어날수록(400℃, 1.0 s−1) 그림 4(b)에서 보듯이 결정립계의 구분이 모호해지며, 수 mm 크기의 새로운 결정립이 생기는 것을 확인할 수 있다. 이는 동적 재결정이 시작되는 것으로 판단할 수 있으며, 위에서 예측된 동적 재결정 영역(600℃, 0.1 s−1)에서는 그림 4(c)에서 보듯이 20 mm 내외의 미립의 미세조직이 관찰되었다. 그러나 그림 4(d)에서 보듯이 변형온도가 증가하고 변형률 속도가 낮아지면 결정립 성장이 일어나는 것으로 분석되었다. 또한 위에서 언급된 불안정한 영역(400℃, 10.0 s−1)에서의 미세조직 분석 결과, 그림 5에서 보듯이 결함 등은 관찰되지 않았으나, 결정립이 불균질하고 결정립 계가 불안정한 것으로 판단되었다. 위의 미세조직 분석결과를 토대로, 동적 재결정이 예측되는 구간에서 제조할 경우, 기존 원소재 결정립 대비(그림 1 참조) 입자 크기가 50%이상 감소된 미립의 구리 성형작약 라이너를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 

    Fig. 3. Processing map for P/M copper at strain of 1.0. The numbers each contour represents efficiency of power dissipation in percent. The dotted line shows the limits for flow instability, with this regions marked as “INST”.

    Fig. 4. Typical microstructures of P/M copper specimen deformed at (a) 200℃/10.0 s−1 , (b) 400℃/1.0 s−1, (c) 600℃/0.1 s−1 and (b) 800℃/0.01 s−1.

    Fig. 5. Typical microstructures of P/M copper specimen deformed at 400℃/10.0 s−1 corresponding to the “INST” domain.

    4.3. 고온 변형의 동적 해석

    구리 분말 소결체의 동적 재결정에 요구되는 활성화 에너지를 계산함으로서 속도 제어 기구를 예측할 수 있다. 고온 변형 시 정상 상태 응력은 아래와 같이 Arrhenius 형태로 표현될 수 있다[8]. 

    여기서 A는 재료상수, σ는 유동응력, n은 응력 지수, Q는 활성화 에너지, R은 가스 상수, T는 변형온도를 의미한다. 위의 식에서 보듯이 특정 변형 온도에서 값과 값의 관계를 통해 동적 재결정 영역에서의 활성화 에너지를 계산할 수 있다. 그림 6에서 보듯이 동적 재결정 영역에서의 응력과 변형률 속도 간의 관계를 계산한 결과, n 값이 6.7 임을 알 수 있었다. 또한 그림 7에서 보듯이 변형률 속도에 따라 변형온도와 응력 관계를 도출하였으며, 이를 통해 활성화 에너지 값이 190.63 kJ/mol 임을 계산할 수 있었다. 일반적으로 구리의 체확산, 결정립계 확산 및 전위 중심확산을 위한 이론적 활성화 에너지 값은 차례대로 195 kJ/mol[9], 85 kJ/mol[10], 159 kJ/mol[11] 으로 알려져 있다. 위의 값을 토대로 구리 분말소결체의 동적 재결정에 작용되는 주요 변형기구가 체확산(lattice self-diffusion) 임을 확인할 수 있었다. 위와 같이 계산된 구리 분말 소결체의 동적 재결정 영역(변형온도 및 변형률 속도), 응력 지수 및 활성화 에너지 값은 표 2에 나타내었다. Prasad 등 [12]의 연구결과에 의하면, 전기동의 경우 산소 농도에 따라 확산기구의 차이가 나타나며, 비교적 온도가 높고 변형률 속도가 빠를수록 확산기구가, 전위 중심 확산에서, 체확산 그리고 결정립계 확산으로 전환되는 것을 확인하였다. 

    Fig. 6. Variation of log (flow stress) and log (strain rate) at different test temperature in P/M copper.

    Fig. 7. Arrhenius plots of flow stress at strain rate of 1.0 (normalized with shear modulus (48 GPa)) for P/M copper.

    Table 2. Stress exponent (n) and apparent activation energy (Q) in the DRX domains of the processing map for P/M copper

    5. 결 론

     본 연구에서는 변형 지도 개념과 동적 해석을 통해 순수 구리 분말 소결체의 고온 변형 기구를 분석하였다. 이때 고온 변형은 온도 영역 200~800°C, 변형률 속도 영역 0.01~10.0 s−1에서 수행하였다. 변형 지도 개념을 통해 600~800°C, 0.01~1.0 s−1구간에서 동적 재결정이 일어나는 것을 확인하였으며, 이 때 평균 결정립 크기는 20 mm 내외로 미립의 균질한 미세조직을 나타내었다. 또한 동적해석을 통해 변형을 위한 활성화 에너지는 190.63 kJ/mol으로 계산되었으며, 이를 통해 체확산이 주요 속도 제어기구임을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 확보된 변형조건에 따른 미세조직 분석결과를 통해 향후 균질하고 초미립의 미세조직을 갖는 성형작약탄용 구리 라이너를 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

    Reference

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