KR20160017304A - 고압 비틀림 공정을 이용한 적층복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 2종 혹은 그 이상의 금속 디스크 시편들을 두께 방향으로 적층시켜 배치한 후 고압 비틀림 장비에 장입하여 큰 압력과 전단응력에 의하여 소성변형를 가하여 상대적으로 낮은 온도에서 금속간 결합이 없는 좋은 계면결합을 갖도록 하고, 동시에 복합화 과정에서 큰 전단변형이 가해져 재료의 결정립 미세화를 통해 재료의 강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 새로운 조직구조를 갖는 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적층 복합재료의 제조 방법은 고압 비틀림 장치에 디스크 형태의 금속 시편들을 두께 방향으로 적층 시킨 후 장입하고 상, 하부 다이를 이용하여 압축응력을 가하는 단계, 및 가압된 상태에서 상, 하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 회전력을 가하는 단계를 포함한다.

Description

고압 비틀림 공정을 이용한 적층복합재료의 제조방법 {METHOD OF MANUFACTURING LAMINATED COMPOSITE USING HIGH PRESSURE TORSION}

본 발명은 2종의 금속재료가 적층되어 접합된 적층복합재료의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 2종 혹은 그 이상의 금속을 적층시킨 후 고압 비틀림 공정을 통해 큰 압력과 전단변형을 주어 상대적으로 낮은 온도에서 층과 층 사이에 좋은 계면결합을 가질 뿐 아니라 결정립 미세화를 통해 재료의 강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 성질도 향상시킬 수 있는 적층복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

최근과 같이 다기능성 소재가 요구되는 시대에, 하나의 재료가 원하는 다양한 특성을 만족시키지 못할 경우, 서로 다른 특성을 재료를 복합화함으로써, 다양한 요구에 대응할 수 있다.

그 대표적인 예가 금속과 세라믹을 적층한 단열재인데, 이 단열재는 금속의 기계적인 강성과 세라믹의 열차단성을 혼합하여, 금속의 낮은 열차단성과 세라믹의 취성을 보완한 경우이다.

한편, 복합재료는 단순히 2가지 이상의 재료를 적층시킨 적층복합재료(hybrid layered composites), 2 이상의 입자들을 분말 형태로 혼합시킨 입자복합재료(particulate composites), 그리고 기지(matrix)가 되는 재료 속에 강선(steel wire)이나 섬유(fiber)를 특정한 방향으로 심은 섬유강화복합재료(fiber reinforced composites) 등으로 분류할 수 있다.

상기 적층복합재료는 항공기 날개나 단열재로 주로 사용되고 있으며, 상기 입자복합재료로는 콘크리트나 분말야금법에 의해 만들어진 복합재료가 그 전형적인 예이고, 상기 섬유강화복합재는 고무호스나 자동차 타이어 등에 적용되고 있다.

이중, 적층복합재료는 각층을 구성하는 재료의 특성을 통합적으로 이용할 수 있어 높은 강도 및 경도, 우수한 내마모성 또는 초소성 특성과 같은 우수한 기계적 특성을 구현할 수 있기 때문에 경량구조용 신소재로서 많은 주목을 받고 있다.

한편, 적층복합재료는 주로 압연접합법, 폭발용접법, 스폿(spot)용접법, 저항용접법, 브레이징법 등과 방법이 알려져 있다. 그런데 폭발용접법은 화약폭발시 발생하는 높은 폭발음으로 인해 장소의 제약성이 있고, 압연접합법은 저렴하게 대량생산이 가능하나 접합이 고온에서 이루어져 계면에 취성이 강한 화합물이 형성되는 문제점이 있고, 스폿용접법은 접합강도가 낮고 접합재 간의 완전한 결합이 이루어지지 않는 문제점이 있고, 브레이징법은 접합재 간에 필러금속을 사용해야 하고 고온에서 이루어지는 문제점이 있다. 또한, 상기 방법들은 이종 금속의 접합과정에서 모재의 강화보다는 열화가 발생할 가능성이 높은 공정이다.

한국공개특허공보 제2005-0089931호

본 발명의 과제는, 고온 공정을 사용하지 않아 고온 공정에서 발생하는 화합물로 인한 계면 특성 저하가 없으면서, 우수한 계면결합을 얻을 수 있는 적층복합재료의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 가압 비틀림 장치에 2 이상의 금속판을 두께 방향으로 적층시켜 장입하는 단계; 상,하부 다이를 이용하여 적층된 2 이상의 금속판에 압축응력을 가하는 단계; 및 가압된 상태에서 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 상기 2 이상의 금속판을 접합시키는 단계;를 포함하는 금속 복합재료의 제조방법을 제공한다.

상기 장입되는 2 이상의 금속판 중 적어도 하나가 다른 금속으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 2 이상의 금속판의 조성은 두께 방향을 따라 소정 주기를 형성하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 압축응력을 가하는 단계에서 가해지는 압력의 조절을 통해 형성되는 복합재료의 물성을 제어할 수 있다.

또한, 상기 회전시켜 접합하는 단계에서 회전수의 조절을 통해, 형성되는 복합재료의 물성을 제어할 수 있다.

또한, 상기 접합된 금속 복합재료는, 동적 재결정이 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금속판은 소정 온도로 가열될 수 있다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 단위 금속판들을 적층시켜 금형에 장착한 후, 가압, 회전시키는 단순한 공정을 통해 우수한 계면결합력을 갖는 복합재료를 얻을 수 있다.

또한, 압연이나 브레이징과 같은 고온 공정을 사용하지 않고 저온에서 접합이 이루어지므로, 고온공정에서 발생하는 취약한 화합물에 의한 계면결합력의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 2종 이상의 금속판의 두께 방향 적층 시, 그 순서 및 재료의 두께를 자유롭게 조절할 수 있어, 다양한 구조를 갖는 복합재료를 얻을 수 있다.

또한, 이종(異種) 재료의 복합화 과정에 '강소성'이 가해지므로, 복합화 과정에서 결정립 미세화가 일어나, 복합화 전의 재료에 비해 향상된 기계적 물성을 얻을 수 있다. 즉, 이종 재료의 복합화와 동시에 각 재료의 물성 개선이 동시에 이루어질 수 있게 된다.

또한, 재료에 큰 변형을 가하기 용이하고, 단단하고 취성이 있는 금속도 접합이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재료의 제조 공정을 보여주는 개략도이다.
도 2는 고압 비틀림 공정 전,후 시편 사진과 크기 및 두께이다.
도 3은 고압 비틀림 공정 후 접합 된 시편의 계면 사진들이다.
도 4는 디지털 이미지 해석법을 이용한 인장 실험 후 응력-변형률 곡선이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고압 비틀림 공정을 이용한 적층복합재료의 제조방법에 대해 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예들에 제한 되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

본 발명에 따른 적층복합재료의 제조방법은, 가압 비틀림 장치에 2 이상의 금속판을 두께 방향으로 적층시켜 장입하는 단계, 상,하부 다이를 이용하여 적층된 2 이상의 금속판에 압축응력을 가하는 단계 및 가압된 상태에서 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 상기 적층된 2 이상의 금속판을 접합시키는 단계를 포함한다.

상기 가압 비틀림 장치는, 적층된 금속판을 가압하면서 동시에 비틀림이 가능한 장치로, 적층된 금속판을 가압하기 위한 적어도 2개의 다이와, 상기 다이 중 적어도 일측을 가압하기 위한 가압장치와, 상기 다이 중 적어도 일측을 회전시키기 위한 회전장치를 포함하여 이루어진다.

상기 2 이상의 금속판은 회전되는 것을 고려할 때, 디스크(disc) 형상으로 이루어진 판재가 바람직하나, 반드시 디스크 형상에 한정되는 것은 아니다.

상기 2 이상의 금속판 중 적어도 하나는 다른 것과 상이한 조성을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 2개의 금속판을 사용할 경우, 그 하나는 구리(Cu) 판이 다른 하나는 알루미늄(Al) 판이 사용될 수 있다. 또한, 3개의 금속판을 사용할 경우, 2개의 구리(Cu) 판 사이에 하나의 알루미늄(Al) 판이 개재된 형태로 사용될 수도 있다.

2 이상의 금속판을 두께 방향으로 적층하는 방법은, 단위 금속판의 두께에 차이를 둘 수 있다. 예를 들어, 연성이 우수한 A 판재의 두께를 1cm로 할 때, 경도가 우수한 B 판재의 두께를 0.5cm로 하거나, 그 반대로 연성이 우수한 A 판재의 두께를 0.5cm로 하고 경도가 우수한 B 판재의 두께를 1cm로 할 수도 있다. 또한, 2 이상의 금속판을 적층할 때, 그 적층 주기를 조절할 수 있다. 예를 들어, A-B-A-B-A-B..., A-B-C-A-B-C..., A-B-C-B-C-A... 와 같은 다양한 형태의 적층이 가능하다. 또한, 2 이상의 금속판의 적층은 특별한 주기성이 없이, 비주기적으로 행해질 수 있다. 이와 같이 적층되는 금속판의 두께 조절 또는 적층 주기의 조절을 통해, 다양한 성질을 갖는 복합재료를 얻을 수 있다.

상기 적층된 금속판의 압축응력을 가하는 단계는, 장입된 시편에 상부 및 하부 다이를 이용하여 가압하는 단계이다. 이때 상기 상부 및 하부 다이의 표면에는 상기 금속판의 움직임을 구속할 수 있는 홈을 구비하는 것이 바람직하다. 또한 가압력은 1GPa ~ 15GPa이 바람직하다.

상기 가압된 상태에서 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 상기 적층된 2 이상의 금속판을 접합시키는 단계에서, 회전력은 상부 또는 하부 다이 중 어느 하나를 회전시키거나, 쌍방을 상호 다른 방향으로 회전시키는 방법으로 전단력을 부여할 수 있다.

이때, 회전수에 따라 형성되는 복합재료의 두께 방향의 조직이 현저하게 달라질 수 있으므로, 회전수는 요구되는 물성에 부합될 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.

상기 압축전단변형단계에서는, 가해지는 변형량에 따라, 금속판의 접합과 동시에 동적 재결정을 통해 금속판 미세조직 내에서 결정립 미세화가 일어날 수 있다. 이 경우, 복합화와 동시에 결정립 미세화를 통한 물성 개선효과를 얻을 수 있게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

도 1(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합재의 제조방법에 사용된 가압 비틀림 가공장치(100)는, 상부 다이(110), 하부 다이(120)를 포함하여 이루어진다. 또한, 도시되어 있지 않으나, 하부 다이(120)의 일측에는 상부 다이(110)에 대해 가압하면서 동시에 회전시키는 유압펌프가 연결되어 있다. 또한, 상기 상부 다이(110) 및 하부 다이(120)의 표면에는 금속판을 수용하면서 외측으로의 이동을 구속할 수 있는 홈(111, 121)이 형성되어 있다. 또한, 도시되어 있지 않으나, 상부 다이(110) 및 하부 다이(120)의 면에는 발열체가 내장되어 있어, 금속판을 가열할 수 있도록 되어 있다.

도 2에 나타난 바와 같이, 두께 0.8mm, 지름 20mm의 구리(Cu) 디스크와, 두께 6.2mm, 지름 20mm의 알루미늄(Al) 디스크를 각각 준비하였다.

이와 같이, 준비된 구리 디스크와 알루미늄 디스크를, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 적층하여 상부 다이(110)과 하부 다이(120)의 사이에 장입한다.

이어서, 하부 다이(120)를 상부로 가압하였으며, 이때 가압력은 2.5GPa로 하였다. 상기 가압력은 각각의 디스크가 고정된 상태에서 회전력을 가했을 때 전단력을 받을 수 있을 압력 이상으로 가해지면 된다.

이와 같이, 충분히 가압이 이루어진 상태에서, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 하부 다이(120)를 회전시켜 구리 디스크와 알루미늄 디스크에 전단력이 가해지도록 한다.

이때 비틀림 회전수의 조절을 통해, 형성되는 복합재료의 결합 정도와 변형량을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 비틀림 회전수는 10회전을 수행하였다. 그리고, 회전력을 가할 때 상부 다이(110) 및 하부 다이(120)에 구비된 발열체를 통해, 구리 및 알루미늄 디스크를 가열할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상온, 100℃ 및 200℃에서 각각 압축전단변형을 수행하였다. 온도는 각각의 재료에 따라 다르게 적용되지만 일반적으로 계면결합에 영향을 주는 금속간화합물 형성을 방지하기 위하여 녹는점(Tm)의 1/2 이하로 하는 것이 바람직하다.

압축전단변형을 수행한 후, 복합재의 시편의 두께는 각각 1.11mm(상온), 0.95mm(100℃), 0.91mm(200℃)로 나타났다.

이와 같이 제조된 복합재의 계면상태를 확인하기 위하여, 광학현미경 및 전자현미경을 사용하여 계면을 관찰하였다. 본 발명의 실시예에서는 200℃에서 고압 비틀림 공정을 거친 시편의 계면사진을 예로 보여주었고, 추가로 각각의 시편에 관하여 디지털 이미지 해석법을 이용한 인장 실험을 통하여 계면 결합상태를 분석하였다.

도 3(a)~3(c)은 200℃로 가열한 상태에서 고압 비틀림 공정이 이루어진 복합재의 계면에 대한 광학현미경과 주사전자현미경 사진이다. 도 3(a)~3(c)에서 확인되는 바와 같이, 구리와 알루미늄 계면은 깨끗하게 결합되었음은 물론, 계면에는 계면결합력에 영향을 주는 금속간화합물도 전혀 관찰되지 않았다.

본 발명의 실시예에 따라 제조한 구리-알루미늄 2층으로 이루어진 적층금속 복합재료를 가공하여 판상의 인장시편을 제조하고, 인장시험을 수행하였다.

그리고, 인장시험 과정 중에 카메라를 이용하여 패턴이 형성된 인장시편의 측면에 대한 이미지를 실시간으로 얻고, 이렇게 얻어진 이미지를 ARAMIS 소프트웨어를 이용하여 분석하였으며, 분석된 결과로부터 도 4에서 도시된 바와 같이 시편의 응력-변형률 곡선을 얻었다.

이 방법은 다양한 적층복합재료의 인장시험 시, 시편 적층면의 사진을 찍어 접합 계면 양쪽의 국부적인 변형률을 측정함으로써, 계면의 접합 상태를 분석하는 방법이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 100℃, 200℃에서 구리가 파괴될 때의 단면에서 국부 변형률을 정량적으로 볼 수 있고, 이를 통해 실시간으로 계면상의 접합 상태를 분석할 수 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 상온에서 압축전단응력을 가한 경우에는 항복강도 및 인장강도가 상대적으로 가장 높게 나타났으며, 100℃, 200℃로 갈수록 항복강도 및 인장강도가 낮아지나, 연신율은 상온에 비해 50% 이상 증가하는 것으로 나타난다. 즉, 압축전단응력을 가할 때, 가열여부 및 가열온도를 제어할 경우, 다양한 물성의 제어가 가능하게 된다.

Claims (7)

1. 가압 비틀림 장치에 2 이상의 금속판을 두께 방향으로 적층시켜 장입하는 단계;
   상,하부 다이를 이용하여 적층된 2 이상의 금속판에 압축응력을 가하는 단계; 및
   가압된 상태에서 상,하부 다이 중 일방 또는 양방을 회전시켜 상기 적층된 2 이상의 금속판을 접합시키는 단계;를 포함하는 금속 복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 장입되는 2 이상의 금속판 중 적어도 하나가 다른 금속으로 이루어지는, 금속 복합재료의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 2 이상의 금속판의 조성은 두께 방향을 따라 소정 주기를 형성하도록 배치되는, 금속 복합재료의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 압축응력을 가하는 단계에서 가해지는 압력의 조절을 통해 형성되는 복합재료의 물성을 제어하는, 금속 복합재료의 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 회전시켜 접합하는 단계에서 회전수의 조절을 통해, 형성되는 복합재료의 물성을 제어하는, 금속 복합재료의 제조방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 접합된 금속 복합재료는, 동적 재결정이 이루어진, 금속 복합재료의 제조방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속판은 소정 온도로 가열되는, 금속 복합재료의 제조방법.
   

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