Severe plastic deformation processing by equal channel angular pressing (ECAP) has attracted noticeable attention because it is an effective technique to produce bulk-nanostructured materials with enhanced mechanical properties. As this forming technique greatly refines the grain size by accumulating plastic strain into the workpiece without changing its cross-sectional shape, the ultrafine-grained materials show high strength and toughness.
Aluminum is a very important and preferred light metal widely used in engineering fields. There is still the need to improve several material properties of aluminum alloys like ultimate tensile and fatigue strength. In recent years, huge investigations on the ECAP process have been conducted to demonstrate the effect of processing parameters on material behavior and to find a possible way to optimize the mechanical properties of aluminum alloys.
However, the forming load becomes higher for manufacturing large specimens using conventional solid or split dies because of friction, flash formation and usage of dummy specimen. In the present investigation, better split die was designed to reduce the forming loads and improve the geometrical accuracy of the specimen in the multi-pass ECAP. The new die exit channel was also designed to reduce the friction effect. The numerical forming simulations were used to determine the effective geometry of various die models in the present work. Experiments with AA1050 and AA6061 specimens with a square cross-section were carried out to examine the design goal using the proposed split dies.
Split dies combined with the principle of spring-loaded preform process were newly proposed to provide a solution for the inefficiency of the ECAP process. The designed and constructed spring-loaded ECAP set-up was used to make the continuous process feasible. Experiments for a single pass of ECAP were carried out to process aluminum alloy AA6061 by using the multi-stage former at room temperature.
Two multi-stage manufacturing processes were designed in order to develop a high strength aluminum alloy bolt using the extrusion-based and ECAP-based modes. In the ECAP-based process, ECAPed specimens were used to manufacture bolts with standard metric thread M8 by the same sequence of the extrusion-based process which is common for manufacturing ordinary bolts in order to increase the validity. Forming load requirements and possible defect formation during the ECAP-based and extrusion-based processes were predicted by employing three-dimensional finite element analysis.
For the extrusion-based process the bolt was successfully manufactured without any defects. However, the specimens cracked at the flange and underfilling occurred at the head in the manufactured bolt formed by the ECAP-based process. Tension test was applied to investigate strength increase in the developed bolts and the ultrafine-grained bolts by the ECAP-based process showed 6.2 % higher ultimate tensile strength than the conventional bolts by the extrusion-based process. Wedge tension test was conducted to investigate fracture locations of the manufactured bolts. Vickers microhardness tests were carried out to examine the distribution of local strength at three different regions of the head, neck and body in the bolts. Also, microstructural changes in the specimens were investigated using transmission electron microscopy in order to understand the effect of shear deformation on the strength increase in the developed bolt formed by the ECAP-based process. Fatigue behavior of the bolts were investigated to explore a possibility of improving fatigue life of the ECAP processed AA6061.
The present study clearly showed that the spring-loaded ECAP proposed might be beneficial in commercializing a continuous application of ECAP to produce a high strength part in industry.
금속의 결정립을 미세화하는 대표적 방법인 강소성 가공법 (Severe plastic deformation, SPD)은 소재에 극심한 소성변형을 가함으로써 나노 결정조직 또는 고밀도 나노 석출조직을 얻을 수 있는 가공 기술이다. 다양한 강소성 가공법 중 ECAP (Equal channel angular pressing) 공정은 전통적인 소성 가공법인 압출, 업세팅, 인발 등과 달리 공정 전후 소재 단면의 형상변화가 없어 반복적인 공정이 가능하고 많은 양의 소성변형을 소재에 부가할 수 있다. 이를 통해 다결정 금속 소재의 결정립을 마이크로미터 이하 크기까지 미세화함으로써 강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상 시킬 수 있다. ECAP 공정을 응용하여 대상소재를 연속적으로 가공하기 위한 ECAR, ECAD, ECAP-Conform 등 다양한 강소성 가공기술들이 연구되고 있다. 하지만 공정 중 소재 유동의 불안정과 소재 변형을 위한 구동력 부족 등으로 인해 실용적 강소성 가공기술로의 개발은 아직 이루어지지 않은 상황이다. 따라서 결정립 미세화를 통해 소재 강도 향상에 매우 효과적인 ECAP 공정을 응용하여 대상 재료를 연속적으로 가공할 수 있는 강소성 가공법 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 ECAP 공정용 저하중 분리형 금형에 체결부품 제조에 널리 쓰이는 슬라이딩 금형 시스템을 도입한 스프링 가압형 (Spring-Loaded) ECAP 공정을 제안하고자 한다. 또한 소형 제품 등의 높은 생산성을 가지는 다단 포머 (Multi-stage former)에 적합하도록 스프링 가압형 ECAP 금형을 설계 및 제작하고자 한다. 상용 알루미늄 합금 AA6061-T6를 사용하여 포머 가동 속도를 최대 60rpm까지 변화시키며 ECAP 공정을 수행하였고, 이는 실제 단조 현장에서의 제품 생산 속도로 ECAP 공정이 연속적으로 가능함을 의미한다. ECAP 공정을 통해 제조된 알루미늄 합금 소재를 이용하여 자동차 부품 체결용 M8 볼트 성형 실험을 수행하였다. 또한, 기존 볼트 공정에 널리 사용되는 업세팅 기반 공정과 압출 기반 공정 중 본 연구에서는 압출 공정에 기반하여 동일 형상의 볼트를 성형하고 ECAP 공정을 통한 제품과 비교하였다. 이를 통해 ECAP 공정 기반으로 최종 성형된 볼트의 최대 인장강도가 기존의 압출 기반 공정 볼트의 인장강도 및 연신율이 향상되었을 뿐만 결정립의 두께가 1 마이크로미터 이하로 미세화되었음을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 연속적으로 벌크나노 소재를 대량 생산할 수 있는 연속 강소성 가공법을 고강도 알루미늄 볼트 제조에 적용 및 실용화함으로써 자동차, 항공기와 같은 수송기기의 경량화를 실현시켜 에너지 절감에 기여할 수 있을 것이다. 이는 국내 주력산업에 있어서의 품질 향상, 국가 경쟁력 향상 등으로 이어져 국내산업의 육성의 일환이 될 것이고, 전 세계적으로 추진하고 있는 자동차 경량화를 통한 대기오염물질의 발생억제를 통한 지구환경보호 추세에 대응한 지속 가능한 생산 시스템의 구축으로 이어질 것이다.
