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SUMMARY

CONTENTS

목차

I. 강소성 가공에 의한 나노 알루미늄 합금소재 개발 32

제1장 2단계 연구의 개요 32

제2장 연구의 배경 34

제3장 연구수행 내용 및 결과 38

제1절 연속 ECAR 강소성 가공기술 개발 38

1. Al 합금의 온간 ECAR 강소성가공 기술 개발 38

2. 연속 ECAR 강소성 가공기술 연구 42

3. 냉간압연과 ECAR 복합가공기술 개발 59

제2절 강소성 가공기술 분야의 특허분석 98

제3절 강소성 가공 Al 판재의 성형 가공성 연구 122

1. 6063합금 판재의 조직분석과 굽힘시험 122

2. Al 합금 ECAR 판재의 프레스 성형가공 결과 128

3. Al 판재의 열간 성형성 FEM 해석 및 열간 press 성형실험 결과 130

4. ECAR 가공 6063 합금판재의 단순부품 냉간성형 실험 139

5. 핸드폰 케이스 모사품의 냉간성형 및 브레이징 접합 실험결과 142

6. 온간 ECAP재를 사용한 마이크로 성형 153

7. 복합가공 Al 6061 합금판재 (1mm 두께) 159

8. 복합가공 Al 6061합금 박판재(0.6mmt) 170

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 178

제5장 연구개발결과의 활용계획 182

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 184

제7장 참고문헌 186

II. 강소성 가공에 의한 나노결정립 동합금 개발 190

제1장 연구개발과제의 개요 190

제1절 연구개발의 목적 190

제2절 연구개발의 필요성 190

제3절 연구개발의 범위 192

제2장 국내외 기술개발 현황 196

제1절 국내 기술개발 현황 196

제2절 국외 기술개발 현황 196

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 198

제1절 반복겹침접합압연(ARB) 강소성 가공법 198

제2절 ARB에 의한 무산소동의 결정립 나노화 201

제3절 ARB에 의한 PMC90의 결정립 나노화 215

제4절 ARB에 의한 인탈산동(DLP)의 결정립 나노화 240

제5절 3-layer stack ARB된 인탈산동 252

제6절 강소성 가공된 동합금의 기계적 특성 267

제7절 나노 결정립 동합금의 상용화 301

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 302

제5장 연구개발결과의 활용계획 306

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 308

제7장 참고문헌 310

III. 고강도 벌크 나노 결정립 재료 제조 312

제1장 연구개발과제의 개요 312

제1절 연구개발의 목적 312

제2절 연구개발의 필요성 313

제3절 연구개발의 범위 315

제2장 국내외 기술개발 현황 318

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 320

제1절 이론적, 실험적 접근방법 320

1. ECAP 도입 배경 및 원리 320

2. 강소성 가공이 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 영향 323

3. Dual phase steel의 도입 배경 325

4. 강소성 가공을 이용한 구상화 시간 단축 및 연속 강소성 공정 개발 328

제2절 연구내용 및 연구결과 332

1. 저탄소강의 결정립 미세화 및 carbon dissolution 332

2. 초미세립 저탄소강의 상온 인장특성 및 가공경화능 향상 335

3. 초미세립 Dual phase steel의 제조 344

4. 초미세립 Dual phase steel의 동적 변형거동 370

5. 소성변형된 저탄소강의 시멘타이트 분해 373

6. 초미세립 Dual phase steel의 피로특성 378

7. 초미세립 Dual phase steel의 마멸거동 385

8. ECAP 공정을 적용한 고탄소강의 구상화 402

제4장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도 418

제1절 목표 달성도 418

제2절 관련분야 기여도 419

제5장 연구개발 결과의 활용계획 420

제1절 활용방안 420

제2절 추가연구의 필요성 420

제6장 참고문헌 422

I. 제목: 강소성 가공에 의한 벌크 나노 금속소재 기술

II. 연구개발의 목적 및 필요성

본 연구는 주관기관인 한국과학기술연구원에서 수행한 "강소성 가공에 의한 나노 알루미늄 합금소재개발"과 재료연구소에서 제1 협동연구로 수행한 "강소성 가공에 의한 나노결정립 동합금개발" 및 한양대학교에서 제2 협동연구로 수행한 "고강도 나노 결정립 재료 제조"의 3분야로 구성되어 있다.

주관기관에서 연구한 알루미늄 소재분야에서는 경량화가 중요한 국내외 전기전자 및 자동차 산업계에서 기존의 철강재와 플라스틱재를 대체할 친환경 경량화 소재로 재활용성도 우수한 고강도-고성형성 Al소재의 개발을 원하고 있다. 자동차 내외장재의 경우 인장강도 300Mpa, 연신률 30% 수준의 고강도/고성형성 소재가 필요하다. 그러나 일반 Al합금은 강도와 성형성이 낮아서 활용에 제약이 크다.

최근 Al소재에 강소성 가공을 가하면 극미세 5㎛이하의 미세한 결정조직이 얻어지고, 강도와 성형성이 높아진다는 사실이 밝혀졌다. 나노재료는 기존 재료보다 강도가 2배 이상 높으면서도 연성이 우수하고, 기계적 특성과 소성가공성의 방향성이 적을 뿐만 아니라 고속 초소성을 가지므로 열간 성형성이 탁월하며, 그 외에도 여러 가지 우수한 특성이 예상된다. 자동차, 전기·전자 산업분야의 국내 소재시장 규모는 05년 총 3천억원, 2015년에는 5,500억원이상으로 예측된다.

현재 국내 자동차 업계에서는 내외장용 Al 합금소재를 전량 수입하여 사용하고 있으나 외산소재도 성형후 심한 표면결함이 발생되어 수작업으로 결함을 제거하여 사용하고 있는 형편이다. 지금까지의 1단계 연구로 반복 ECAR 가공법으로 Al 합금판재의 결정립을 미세화하는 기본기술은 개발되었다. 그러나 ECAR 가공 Al소재의 실용화를 위하여는 ECAR 가공표면의 결함발생을 억제하는 기술과 반복 가공횟수를 최소화하여 경제성을 높이는 기술 및 강도와 성형성을 극대화하는 열처리기술 개발이 요구되고 있다.

본 주관 과제에서는 KIST가 원천기술을 보유하고 있는 ECAR가공법으로 결정조직과 석출물을 나노단위로 제어하여 자동차용 소재를 포함하여 각종 정밀성형 부품, 구조용 부품 및 내외장재 성형에 적용할 수 있는 무결함/고강도/고성형성 Al합금 소재 제조기술을 개발하였다.

한편, 제 1협동연구로 수행한 동합금 소재 분야에서는 고강도·고전도성의 동합금 및 부품은 컴퓨터, 휴대전화등 정보통신산업의 비약적인 발전으로 그 수요가 증대되고 있다. 전기 전자부품에 있어서 그 신호체계의 처리능력은 반도체 제조기술의 발달로 비약적인 발전을 이루고 있으며, 이에 따라 신호전달 역할을 수행하는 동합금 등의 도전용 소재에서도 고강도와 고전도성을 요구받고 있다. 그러나 고강도·고전도성 동합금을 제조하기 위한 합금설계, 가공열처리기술 등의 제조공정설계 기술에 대한 투자는 아직도 미미한 수준으로 앞으로의 수요에 대응하기 위해서는 본격적인 연구개발이 필요하다. 지금까지 도전성 재료의 고강도화는 합금원소 첨가에 의한 고용 및 석출강화와 가공경화에 의존하고 있으며 고용강화는 전기전도도의 감소를 초래한다. 또한 일반적인 강화기구를 이용한 합금의 고강도화는 전기전도도를 현저히 감소시키는 것으로 알려져 있어서, 강도적인 측면만 고려하여 합금을 개발하였을 경우, 전기전도도가 감소하여 상용화에 많은 단점이 있다. 현재 알려진 기술로는 전기전도도의 감소를 최소화하면서 강도를 증가시킬 수 있는 강화기구는 결정립 미세화뿐이며, 결정립을 나노크기(170nm이하)로 미세화시키면 강도, 성형성 등 제반 특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 결정립 나노화를 위해서는 소재내부에 많은 소성변형에너지를 축적시키는 강소성 가공 기술과 더불어 나노크기의 재결정립 형성 기술 등 고강도-고전도성 동합금 제조기술 전반에 걸친 검토가 요구되므로 이들 기술의 개발로 동합금 제조공정기술의 총체적인 개선이 가능하다.

마지막으로 한양대학교에서 수행한 제2 협동연구에서는 대표적 구조재료인 탄소강 및 알루미늄 합금에서 새로운 개념의 나노 결정립 합금 제조, 기계적 성질 평가 및 이의 향상 등을 연구하였다. Nano Technology (NT)에 대한 연구가 전 세계 여러 나라에서 국가적인 전략 연구 사업으로 진행되고 있는 것과 더불어, 강소성 가공에 의한 bulk nanostructured 구조재료 개발에 대한 연구는 NT 분야에서 가장 중요한 연구 분야의 하나로 인식되고 있다. 이는 학문적인 중요성뿐만 아니라, 단기간 내에 대량생산에 의한 실용화 가능성이 매우 높은 분야이기 때문이다. 특히 infrastructure의 거대화, 기계 구조의 집약화, 운송기기의 경량화 추세는 이들 재료의 고강도화와 이에 따른 가공성 확보를 끊임없이 요구하고 있다. 이러한 요구를 수용하는 새로운 개념의 재료는 고강도와 우수한 연·인성의 조합을 갖는 bulk 나노 결정립 재료이다. 이에 따라 지난 10여 년간 bulk 나노 결정립 재료의 제조, 특성분석, 실용화에 대한 연구가 전 세계적으로 광범위하게 이루어지고 있으며, 이의 실용화가 21세기 선진국들이 필히 선점해야 할 core기술로서 인식되고 있다. 이에 따라 본 연구 사업은 탄소강 및 알루미늄 합금에서 강소성 가공을 이용한 실용 bulk 나노 결정립 재료 제조 핵심기술 개발, 이에 의해 제조된 재료의 미세조직 특성 및 기계적 성질 향상 등 이들 특성의 안정화를 위한 핵심 공정기술 개발 등을 목적으로 한다.

학문적인 관점에서, 대표적 구조 재료인 저탄소강의 미세조직을 나노화하여, 큰 연신률 감소 없이 1 GPa에 달하는 높은 인장강도를 얻고자 하였다. 고강도 구조 재료의 경우 높은 항복비(YS/UTS)를 나타내어 실제 사용에 제한을 받았는데, 본 연구에서는 이를 개선하여 항복비를 0.85 이하로 낮추고자 하였다. 이 경우 intercritical 어닐링 공정을 이용하여 초미세립 2상 조직강(ultrafine grained dual phase steel)을 제조함으로써 연구 목적을 달성하고자 하였다. 이는 학문적으로도 중요한 의미를 지니는데, 미세조직에서의 strain gradient plasticity를 규명할 수 있다.

산업적인 관점에서도 본 연구는 중요한 필요성을 갖는데, 강소성 가공을 산업적으로 이용함으로써, 구조재료의 산업응용을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 고탄소강에서 ECAP 공정을 이용하여 구상화공정 (spheroidization) 시간을 기존의 30 시간에서 3 시간 이내로 혁신적으로 단축시키고자 하였다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

(1) 주관 연구과제의 연구개발 내용 및 범위

가. 연속 ECAR 가공기술 개발

- Al 합금의 온간 ECAR 강소성가공 기술

- 반복 ECAR 강소성 가공기술

- 냉간압연과 ECAR 복합가공기술

나. ECAR 가공 Al 합금 소재의 조직 극미세화 제어기술 개발 및 재질특성 평가

- Al 6063, Al 5056 및 Al 6061 합금 판재의 반복 ECAR 가공 및 복합 ECAR 가공

- 재결정 조직제어를 위한 저온 열처리 기술 및 고속-고온 열처리 기술

- 반복 ECAR 가공재 및 복합 ECAR 가공재의 성형성 평가

- 강도 및 연신 특성 평가

다. ECAR가공 Al 합금 소재의 부품 적용성 평가

- 0.4~0.5mm t 극박 소재의 조직제어 및 모의 핸드폰 케이스 성형성 평가

- 1~2mm t 자동차 body sheet용 소재 강도 및 성형 특성평가

(2) 제1협동과제의 연구개발 내용

제1협동과제의 연구개발 내용은 강소성 가공에 의한 동합금의 결정립 나노화기술과 관련하여 합금범위, 고변형 에너지 축적기술, 나노결정립 동합금의 부품적용기술 등 크게 3가지 범위로 구분할 수 있다.

가. 연구대상 합금의 범위

합금원소 첨가에 의한 고강도 동합금 개발은 전기전도성의 감소를 초래하기 때문에 본 연구에서는 강소성 가공에 의한 동합금의 결정립 나노화로 고강도-고전기 전도성 동합금 개발을 연구범위로 하였다. "High conductivity type"의 동합금은 C151, KFC, TAMAC4 등으로 강도는 낮으나(인장강도 400MPa 전후) 전기전도도가 높은 소재이다. 이들 소재의 전기전도도는 80~100 %IACS 정도이다. 이 범위의 소재는 합금원소의 첨가량을 최소한으로 하여 전기전도성을 높인 소재로 제1세대 소재라고도 한다. 중앙에 위치하는 "Conductivity strength combined type"은 일정량의 합금원소를 첨가하여 중강도의 강도를 유지하고 전기전도도 또한 중간정도를 유지하게 만든 소재로 C194 합금의 대표적이다. C194 합금은 2.1~2.6Fe, 0.015~0.15P, 0.05~0.20Zn을 함유한 소재로 전기전도도는 60%IACS이상, 인장강도 540MPa(SH)의 소재이다. 그리고 가장 강도를 높인 "High strength type"소재는 많은 합금원소를 첨가하여 전기전도도는 낮으나 고강도를 달성한 소재로 C7025 합금이 대표적이다. 본 연구에서는 고전기전도도-저강도 범위에 속하는 무산소동(Oxygen free copper), 인탈산동(P-deoxydized copper), PMC90 등 고순도 또는 미량 합금원소가 첨가된 소재를 대상으로 결정립을 나노화 하여 고강도화 하는 연구를 수행하였다.

나. 고변형 에너지 축적기술

동합금의 강도를 증가시키기 위하여 합금원소의 첨가, 가공열처리 공정 등 많은 방법으로 전기전자용 도전재료(connector, lead frame)를 개발하여 왔다. 가공열처리 공정은 가공량의 증가를 통한 변형축적에너지의 증가, 분산체의 형성을 통한 재결정립의 핵생성 site의 다량 도입, 효과적인 동적재결정조건의 결정등이 주요사항이며 이들의 고합에 의하여 재결정립을 미세화함으로서 고강도 특성을 얻어내고 있다.

다. 나노결정립 동합금의 부품적용 기술

국내의 경우 동합금에 대한 결정립 미세화기술에 대한 연구는 거의 진행되고 있지 못하며, 주로 알루미늄 및 철계합금에 대한 연구가 주로 진행되어 왔다. 그러나 실용적인 측면에서 나노결정립 동합금은 다른 어떤 소재보다도 응용분야가 많을 것으로 판단되며, 지금까지의 연구결과들을 체계적으로 정리하고 산학연이 공동으로 이 분야의 새로운 기술들을 개발해 나아간다면, 동합금의 향후 기술개발 방향 및 투자전망에 비추어보았을 때 기술선점이 충분하다고 생각된다. 대표적인 나노결정립 동합금 소재의 응용분야로 고강도 용접재료와 고급 커넥터 소재(반도체 리드프레임 등)를 들 수 있다.

(3) 제2협동과제의 연구개발 내용

가. 강소성 가공 기술 개발

- 기존 강소성 가공 적용 탄소강 및 알루미늄 나노 결정립 재료 제조

- ECAP 공정으로 제조한 나노 결정립 탄소강 및 Al 합금의 특성 비교 평가

- 결정립 크기가 금속계 구조재료의 기계적 성질에 미치는 영향

나. 나노 구조재료 기계적 성질

- 기계적 성질 평가 기술 확립

- bulk 나노 결정립 재료의 상온 및 고온 기계적 성질 평가

다. 미세조직 분석 기술 확립

- 하부 미세조직 분석 기술 확립

- bulk 나노 결정립 재료의 재결정 및 결정립 성장 kinetics 정량화

라. 비평형 결정립계 재료 변형 특성 연구

- 강소성 가공 비평형 결정립계 재료와 평형 결정립계 소재 변형특성 비교연구

- 강소성 가공 비평형 결정립계 재료의 소재 피로 특성 비교 연구

- 강소성 가공 나노 결정립 재료 마멸 특성 연구

마. 고탄소강의 구상화 촉진 연구

- 기존 30시간 이상 소요되는 구상화 공정 시간 대폭 감축

- 강소성에 의한 pearlitic cementite의 분해거동

바. 연속적인 강소성 공정 개발

본 연구 사업에서는 강소성 가공 방법을 이용하여 초미세립 구조재료를 제조하고, 이의 상온 인장, 동적 변형특성, 피로특성 및 마모성질을 분석함으로써, 고강도 등 우수한 기계적 성질을 갖는 bulk 나노 결정립 재료 제조기술을 확립하고자 한다.

IV. 연구결과 및 검토

(1) 주관 연구과제의 2단계 연구에서는 아래와 같은 연구결과를 얻었다.

가. 연속 ECAR 강소성 가공기술 개발

폭70mm 판재를 가공할 수 있는 준생산 규모의 ECAR 가공장치를 설계 제작하여 연속 가공기술을 개발하였다. 1m 길이의 판재를 6m/min 이상의 가공속도로 강소성 가공하는데 성공하였으며, 3회 이하의 반복가공후 저온 열처리하여 1㎛ 내외의 극미세 결정립 조직을 얻는데 성공하였다.

본 연구에서는 가공소재의 두께 균일성파 직진성을 조절할 수 있는 금형설계기술과 가공기술을 확보하여 이를 특허화 하였다.

나. 복합 ECAR 가공기술 개발

소재 실용화를 위하여 가공공정의 저렴화 기술을 연구하였다. 본 연구에서는 6061합금소재를 대상으로 냉간압연과 1회 ECAR 강소성 가공을 연속적으로 가하여 목적하는 수준의 강소성 가공결과를 얻어서 가공공정을 획기적으로 단축하는데 성공하였다. 특히 냉간 압연후 1회의 ECAR 가공으로 가공재에 전단집합조직이 나타나게 함으로써 결정립 미세화와 함께 높은 성형성을 얻었다.

다. 고속-고온 열처리 기술 개발

열처리형 합금인 6061 합금을 대상으로 용체화 처리한 소재를 강소성 가공한후 급속 고온열처리를 가하여 재결정처리를 함으로써 결정립 크기는 10㎛이하의 미세한 크기로 고정시키고, 가공경화효과는 모두 제거하여 높은 성형성을 갖게 하였다. 이 소재는 결정립 크기가 미세하고 균일하여 성형시 오렌지 필 발생과 균열 발생이 억제되었으며, 성형후 시효처리로 석출경화에 의한 고강도화에 성공하였다.

라. 다양한 합금계에 대한 강소성 가공기술 적용

본 연구에서는 5056, 6063, 6061 등 가공경화형 합금과 석출경화형 합금에 대한 강소성 가공기술을 개발하였다. 가공경화형 5056 합금은 ECAR 가공후 저온 열처리하여 1㎛ 내외의 미세결정조직이 유지되게 하였으며 가공량이 일부 잔류하게 하여 고강도 고성형성을 얻을 수 있었다.

한편, 시효경화형 6061과 6063합금은 용체화처리재를 출발재로 하여 강소성 가공을 가하였으며, 이후 고속열처리를 하여 결정립 성장을 최대한 억제하였다. 고속 열처리를 거친 소재는 거의 용체화처리재에 가까운 연성과 성형성을 보였으며, 성형후 시효처리로 고강도 특성을 얻을 수 있었다.

마. ECAR 가공재의 성형특성 평가

ECAR 가공재의 성형특성 평가는 3가지 가공 방법에서 시험평가하였다.

- 프레스 성형성 평가: 5056 합금을 ECAR 가공한 후 열간 프레스 성형한 결과 돌기부의 성형능이 우수하게 나타났다. 그러나 0.4t 수준의 극박 두께가 필요한 핸드폰 등은 돌기부 하면에 생성되는 함몰부를 피할 수 없어 실용적인 적용은 곤란하였다.

- 정밀 프레스 성형성 평가: 결정립 크기가 1㎛ 수준인 5056 ECAR 가공재는 프레스 성형으로 10㎛정도 깊이의 미세한 relief를 그대로 정밀성형할 수 있음을 확인할 수 있었다

- Deep drawing성 평가: 6063 ECAR 가공재는 성형품 모서리와 같이 높은 소성가공이 가해져도 균열이나 오렌지 필이 나타나지 않았으며 높은 성형 가공성을 보였다. 고속 용체화처리를 거친 1mm 두께의 6061 ECAR 판재는 결정립 크기가 3~10㎛ 정도이고, 시효처리후 항복강도는 기존 5056소재의 1.5배정도이고, 인장강도는 340MPa 수준이며, 에릭슨 시험으로 평가한 성형시험 깊이가 9.2mm 까지 되어 기존 자동차용 5xxx 판재보다 우수한 결과를 보였다.

(2) 제 1 협동 연구 과제

가. 반복겹침접합압연법(ARB)에 의한 동합금의 결정립 나노화 기술 개발

본 연구에서는 반복겹침접합압연법(ARB)를 동합금에 적용하여 결정립을 170 nm이하까지 미세화 시킬 수 있는 나노결정립 동합금 판재의 제조기술 개발에 성공하였다. 기존 압연재의 결정립은 수십㎛정도이지만 본 공정으로 얻어진 나노결정립은 170nm이하의 크기를 보임으로서 높은 강도특성을 나타내었다. 또한 가공에 의한 전기전도도의 감소는 미미하여 고강도-고전기전도성 동합금 판재를 개발하는데 성공하였다.

나. 나노결정립 동합금의 상용화 기술 개발

강소성 가공으로 제조된 나노결정립 동합금을 이용하여 제품 적용기술을 개발하였다. 나노결정 동합금(PMC90) 판재를 이용하여 고강도 고전도성 connector 시제품 제작 및 평가하였다. 또한 이 소재를 이용하여 고급 반도체 leadframe 개발하였다.

(3) 제 2 협동 연구 과제

가. 페라이트/펄라이트와 마르텐사이트를 갖는 2 가지 대표적 초기 조직강에서의 강소성 가공

- 초기조직이 페라이트와 펄라이트로 이루어진 강 (CSV)과 마르텐사이트로 이루어진 강(CSV*)에서 UFG-DP강 제조

- CSV*강의 경우, 완전한 마르텐사이트 미세조직을 가지는 초기조직으로, ECAP 가공 시 침상의 형태였던 마르텐사이트가 완전히 분절되어 등축의 형태로 결정립 크기가 약 0.3㎛인 불분명한 결정립계를 형성

나. 초미세립 이상 조직강 (ultrafine-grained dual phase, UFG-DP)의 제조

- ECAP가공 후 이상영역 (약 730℃)에서 어닐링을 통한 UFG-DP강 제조

- CSV강: 약 1㎛의 미세한 페라이트/마르텐사이트 이상 조직 형성

- 초기 조직에서 펄라이트군의 불균일성에 기인되어 불균일한 이상조직 분포

- 초기 조직이 마르텐사이트인 CSV*강의 경우, 미세 균일한 이상조직 형성

- CSV*강의 경우, C의 분포가 초기부터 균일하여 intercritical annealing시 매우 균일한 이상 조직 형성

다. 기존의 초미세립 탄소강에서 가공 경화능 향상

- V 함량 증가와 열처리 변화를 통해 초미세립 페라이트 결정립들내에서 격자 전위들과 효과적으로 작용하는 nano 크기 석출물들이 균일한 분포하며, 이들에 의해 열적 안정성과 인장 특성들이 크게 향상

라. UFG-DP강의 동적 변형거동

- UFG-CS 시편에서는 동적 하중 하에서 전단변형이 집중되어 단열성 전단밴드의 폭이 약 5㎛로 좁게 형성

- UFG-DP 시편의 변형부위에서는 마르텐사이트에 비해 페라이트가 전단방향으로 심하게 변형

마. UFG-DP강의 피로 특성

- UFG-DP강과 CG-DP강의 피로파괴 및 크랙 전파거동 비교 연구

바. 비평형계 결정립계 재료의 마멸 특성

- UFG-DP강과 CG-DP강의 저하중 및 고하중 마멸특성 비교 연구

사. 고탄소강에서 강소성 가공을 이용한 구상화 거동

- ECAP 가공 시 pealitic cementite의 분해 거동 해석

- 구상화 시간을 기존의 30 시간에서 3 시간 이내로 크게 단축

아. 연속 ECAP 공정 개발

- 다이 디자인 개선에 의한 연속 shear drawing 공정 개발

V. 연구개발결과의 활용계획

본 연구에서는 ECAR 강소성 가공법으로 알루미늄 합금판재의 미세조직을 극미세화 하는 기술을 개발하였다. 또한 이들 함금에 대한 미세조직, 집합조직, 기계적 특성(경도, 인장강도, 연신률), 성형가공성 등을 분석하여 강소성 가공 알루미늄 합금의 제반 특성을 규명하였다. 향후 지금까지의 연구결과를 기반으로 강소성 가공(ECAP and ECAR)에 의한 각종 케이스용 및 자동차 외장용 등으로 다양한 용도를 가진 고강도 고성형성 알루미늄 합금 판재의 실용화 개발에 활용이 가능하다.

한편 제1협동과제에서는 본 연구를 통하여 동합금 강도향상과 고전기전도도를 위한 결정립을 나노화 기술을 개발하였다. 즉, ARB 가공법에 의해 나노결정립 동합금 판재를 개발하는데 성공하였다. 또한 이들 합금에 대한 미세조직, 나노집합조직, 기계적 특성(경도, 인장, 피로특성), 내부식성 등의 분석을 통하여 나노결정립 동합금의 제반 특성을 규명하였다. 신 가공기술에 의해 개발된 나노결정립 고강도 동합금은 전기전자부품 산업의 핵심부품으로 응용이 가능하며 국산 동합금의 고부가가치화 및 대외 경쟁력 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다. 또한 본 연구실을 중심으로 하여 나노결정립 동합금 제조에 대한 정보공유, 신 제조기술 이전 등은 국내 동합금산업의 기술력 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.

제2 협동과제에서 개발된 기술들은 구조재료의 기계적 성질 및 기능성을 획기적으로 향상시키는 소재산업의 핵심기반기술로서 구조재료 제조 산업뿐만 아니라 이를 이용하는 전 산업에 미치는 파급효과가 상당히 크다. 이는 본 기술이 특정 소재에 관한 기술이 아니라 거의 모든 재료, 특히 금속재료에 있어서 형상의 제한 없이 기계적 성질을 획기적으로 개선시키는 기술이기 때문이다. 또한 사회간접자본의 갱신에 따른 환경친화성 초고강도·고기능 구조재료의 개발은 국가 경쟁력 제고를 위하여 필수적으로 이루어져야 한다. 강소성 가공을 이용한 결정립 초미세화 기술은 단순 합금성분의 금속 재료를 적용 대상으로 하는 일종의 미세조직 제어기술이다. 이는 다량의 합금원소 첨가 억제에 의한 환경오염 감소 및 폐자원 활용 면에서 효율성이 높은 저에너지·환경친화적 소재 제조 기술로서 환경오염산업으로 간주되어오던 소재산업의 개념을 획기적으로 변화시킬 것이다. 또한 초고강도·고성형성 금속재료가 개발되어 구조재료의 고부가가치화가 이루어져, 이들 소재를 일상생활에서 항상 접하고 있는 국민들에게 돌아가는 직접적인 혜택이 지대할 것으로 기대된다.

특히 본 연구에서 고탄소강 (high carbon steel)에서 ECAP 공정을 이용하여 구상화공정(spheroidization) 시간을 기존의 30 시간에서 3 시간 이내로 혁신적으로 단축시킬 수 있었다. 또한 강소성 공정을 실제 산업에 적용시킬 때 가장 큰 단점으로 지적되었던, 공정의 연속성을 해결함으로써, 향후 철강 산업 등에 있어 매우 큰 부가 가치가 얻어지리라 확신하고 있다. 이러한 결과를 바탕으로 현재 POSCO 기술연구소와 실제 공정에 적용하려는 연구를 진행 중에 있다.