Producing high-strength and light-weight parts with an environmentally friendly process is a great challenge in the materials and manufacturing industries to save the energy and environment. The major issue is to develop a material with better mechanical properties without applying heat treatment or adding expensive alloying elements and to introduce a new manufacturing process, which could guarantee enhanced mechanical properties of the products using the conventional materials. Severe plastic deformation (SPD) process has attracted great attention because it is an efficient technique to meet such a demand. It is well known that common principle of various SPD processes is to refine the grain up to a sub-micrometer level to enhance mechanical properties of specimens according to the Hall-Petch equation.
Of various procedures, an equal channel angular pressing (ECAP) is the most widely used technique to produce bulk nanostructured materials by imposing simple shear deformation on the material. However, the ECAP process in its original design has some limitations such as workpiece length and travel distance of the press ram. Therefore, the ECAP process is not suitable for a continuous industrial process of manufacturing bars or wires because of its critical drawback of discontinuity. An equal channel angular drawing (ECAD) was developed as an alternative technique by drawing the materials to overcome discontinuous characteristics of the ECAP process. The ECAD process could impose large plastic deformation on the material in a continuous way. However, the cross-sectional deformation behavior was quite inhomogeneous because the shear deformation was nonuniformly induced in the cross-section of the deformed specimen.
In this work, to overcome such drawback of the ECAD process, a shear drawing (SD) process consisting of the die intersecting angle of 150° and corner radius at the intersection was designed by finite element (FE) analysis up to three passes. For verification of the designed process, experiments were carried out with commercially available high-carbon steel. Experimental results showed that the newly designed SD process improved flow stability and roundness of the specimens and imposes relatively high plastic deformation on the material compared to the conventional ECAD process. Additional numerical study was carried out to investigate flow characteristics and distribution of the effective strain with varied die intersecting angles. A smaller intersecting angle may decrease flow stability and cannot guarantee dimensional accuracy of the deformed specimen because of the tension which causes undesirable area reduction of the deformed specimen.
A continuous hybrid (CH) process consisting of rolling, ECAP and wire drawing (WD) processes is proposed as a new SPD technique to make a continuous process possible and produce high-strength wires. The aim of the CH process is to increase mechanical strength and secure dimensional accuracy of the deformed specimen through a continuous process compared to the conventional WD process. For this purpose, the CH process was designed by applying a FE analysis. For verification of the designed process, experiments of the WD and CH processes with the same area reduction were carried out with commercially available low-carbon steel at room temperature. The newly proposed process improved mechanical strength of the specimens owing to the tension and hardness tests and guaranteed the dimensional accuracy compared to the WD process. Electron backscattering diffraction (EBSD) was employed to investigate changes of the microstructure. The results of EBSD indicated that the original grains were subdivided by the formation of low angle grain boundaries. The areal fraction of low angle grain boundaries of the specimen processed by the CH process was higher than the one produced by the WD process according to the present study.
The CH process is additionally designed and extended to a pilot case study, in which I investigated a cross-section six times larger than the specimen (13 mm in diameter) and with six times higher processing speed (10 mm/s) for producing grain-refined long and large cross-section wires with better productivity compared to the previously-developed process. The initial specimen continuously passes through the rolls, ECAP, and WD dies in sequence during the process. The specimens deformed by the CH process without and with the WD dies were obtained to investigate the role in the deformation separately. Their microstructures, textures, and mechanical properties were investigated by optical microscopy, EBSD, X-ray diffraction, tension, and Vickers micro-hardness tests and were compared with those for the case processed by the conventional WD process. According to the present investigation, the CH process can more efficiently manufacture fine-grained wires with a strong shear texture in a continuous way than the WD process. In addition, the ultimate tensile strength value of the specimen processed by the 1st pass CH process was 23.9% higher, although the elongation was slightly lower than the one produced by the WD process for the same pass. The plastic deformation was mainly imposed by the ECAP die on the specimen, and the WD die improved the dimensional accuracy and increased the local strain homogeneity of the wire in the process.
The multi-pass CH process designed by FE analyses is investigated to produce grain-refined wires and to study the effect of grain-refined microstructure on mechanical properties such as tensile strength, ductility, micro-hardness, and fatigue limit. For this purpose, the multi-pass CH process was experimentally set up and applied up to five passes with low-carbon steel by route A, BC, C at room temperature. The experimental findings were compared with those for the multi-pass WD process. According to the present observation, the five-pass CH process incurred grain-refinement in the wires with many well-defined high angle grain boundaries, resulting in enhanced ultimate tensile strength and comparable ductility compared to the WD process. In addition, the fatigue limit of the wire produced by the CH process was enhanced due to the grain-refined microstructure compared to the one of the WD process. Furthermore, the multi-pass CH process was additionally carried out with medium- and high-carbon steel for various industrial applications.
It is demonstrated that the CH process might be beneficial in commercializing a continuous application of the SPD process for producing grain-refined wires for industrial applications.
전 세계적으로 무분별한 산업활동과 화석연료의 소비에 따른 온실가스 및 이산화탄소의 대량 방출로 인해 온실효과가 비정상적으로 커져 지구 온난화, 사막화 등의 이상 기후변화 현상이 심각해지고 있다. 즉, 공장과 사업장에서의 생산활동과 자동차, 기차, 항공기, 선박 등의 수송활동을 포함한 각종 인간 활동에 의해 유발되는 환경오염은 인류의 존폐를 위협하고 있는 수준에 이르렀다. 이러한 문제가 발생함에 따라 세계 각국에서는 자동차 평균연비규제 (corporate average fuel economy, CAFE), 기후변화협약, 유럽의 자동차 이산화탄소 발생량 규제 등과 같은 장치를 마련하여 지속 가능한 성장을 위해 총력을 기울이고 있다. 이러한 탄소중심시대 (Pax Carbonium)의 도래에 따른 세계적인 패러다임 변화에 대비하기 위해 우리 정부는 저탄소 녹색성장을 향후 60년의 새로운 국가비전으로 제시하였다. 즉, ‘저탄소, 친환경’ 이야말로 새로운 성장을 이끌어 낼 전략산업의 핵심요소라는 인식이 전 세계적으로 통용되고 있다.
이러한 노력의 일환으로 녹색기술 중 하나인 고효율 저공해 수송기기를 개발하기 위해 수송기기의 경량화가 요구되고 있다. 따라서 최근 자동차 산업의 개발 추세는 화석연료를 사용하는 내연기관 타입의 자동차뿐만 아니라 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 경우에도 배터리 무게 증가에 따른 차체 중량 증가로 인해 소형화, 경량화, 연비향상 등이 요구되고 있는 실정이다. 일반적으로 차량 무게가 10% 줄어들면 연비는 최대 8% 정도 개선되는 효과가 있는 것으로 알려져 있으며, 연비를 50% 개선했을 경우 차량 배기가스 중 이산화탄소가 33% 감소하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 고강도화와 경량화를 위하여 스칸듐과 같은 고가의 합금원소를 사용할 경우 최근 중국이 자원 전쟁화에 이용하는 등 사용에 제약이 따르고 제조단가 상승을 유발하므로 가급적 사용을 지양해야 한다. 또한 철강원료 가격 폭등에 따른 광산 확보 경쟁, 중국 철강사의 기술 경쟁력 상승 등 기존에 생산량 증대에 치중한 철강사는 점차 고급강 중심의 기술개발과 동시에 철강 제품의 원가 경쟁력 강화 전략 체제로 전환하고 있다.
현재 선재와 관련된 연구는, 합금 설계를 바탕으로 최종 선재제품의 강도 향상을 목적으로 하는 활동이 많이 진행되고 있다. 합금성분에 따라 선재의 미세조직 및 강도를 적정하게 하여 1~2차 신선 및 열처리 과정을 거쳐 제조되는 최종 제품의 강도에 영향을 주는 것이다. 신선 공정의 주요 목적은 단면적 감소를 통한 최종 선경 확보이고, 경우에 따라 신선용도로 사용되는 소재는 가공경화 및 미세한 조직을 얻을 수 있어서 최종 제품의 강도 향상을 꾀할 수 있다.
열처리 공정은 크게 구상화 열처리와 페이텐팅 (patenting)으로 나눌 수 있는 데 전자의 경우 후속공정인 냉간 압조, 후자의 경우 신선 공정을 가능케하기 위해 적정 강도 이하로 소재를 연화시키는 공정이다. 타이어 코드 (tire cord)와 같은 신선용 선재는 보통 후속공정인 황동 코팅 후에 습식 신선을 거쳐 연선 (撚線, stranded cable)하는 데 이 때 신선에 의한 가공경화와 조직 치밀화를 통해 강도가 확보된다. 따라서 소재에 동일 감면율을 주었을 때 제품의 치수 정밀도를 확보하면서 강도를 향상시킬 수 있는 기술이 개발된다면 경제적 파급효과가 클 것으로 사료된다.
극한소성가공 (severe plastic deformation) 공정은 Hall-Petch 관계식에 따라 결정립 미세화를 통해 합금 첨가 없이 재료의 강도와 인성 등 기계적 물성치를 향상시킬 수 있는 가공 방법이다. 이러한 기술로 초미세립 소재를 제조하고 이를 이용한 부품을 생산하여 소재의 비강도를 개선할 경우, 부품 경량화를 통한 운송수단의 에너지 효율을 높이고 구조물 전체의 소형화 및 경량화를 이룰 수 있다. 궁극적으로 자동차, 항공기, 조선 등의 운송수단 및 구조물에 사용되는 소재의 고강도화 및 경량화를 통해 에너지를 절약할 뿐만 아니라 부품생산에 필요한 이산화탄소 발생량을 대폭 저감할 수 있으리라 판단된다. 하지만, 연속적으로 대형 소재를 제조하는 기술은 아직 미비한 수준으로 본 연구에서는 결정립 미세화된 소재를 연속적으로 생산할 수 있는 새로운 극한소성가공 공정을 개발하고, 기존 신선 공정에 의해 제조되는 강선보다 고강도-고연성 등 기계적 물성치가 향상된 고기능 강선 제조에 적용하고자 한다.
강선 (steel wire)을 연속적으로 제조하기 위한 전통적인 소성 가공법인 신선 공정 시 소재의 지름이나 두께가 감소된다. 이로 인해 소재에 가할 수 있는 소성 변형량이 제한되므로 결정립 미세화를 통한 소재의 강도 향상을 꾀하기에는 분명 한계가 있다.
하지만, 압연 공정과 더불어 100년 이상 사용되고 있는 신선 공정은 여러 가지 장점을 가지고 있다. 높은 생산성을 위해 상온에서 긴 소재를 연속적으로 제조할 수 있고, 치수 정밀도와 표면 상태가 우수하며 필요 시 소재의 강도 향상을 도모할 수 있다. 이러한 신선 공정의 장점에 전단 변형을 가할 수 있는 ECAP 공정을 접목시키면 기존의 신선 공정으로 얻을 수 없었던 초미세립 소재의 생산을 통해 고강도 강선의 연속적 제조가 가능할 것이다. 하지만 ECAP 공정은 압축방식에 의한 가공법이기 때문에 소재의 길이가 제한되어 긴 소재의 연속적인 제조에는 어려운 실정이므로 이를 해결할 수 있는 공정 설계가 필요하다. 본 연구에서는 벌크 소재를 가공하여 결정립을 미세화하는 데 효과적인 ECAP 공정과 치수 정밀도와 표면 상태가 우수한 강선을 후가공 없이 연속적으로 제조할 수 있는 신선 공정을 접목시켜 기존 신선 공정 대비 고강도-고연성 등 기계적 물성치가 향상된 고기능 강선을 제조할 수 있는 극한소성가공 공정을 개발하고, 저, 중, 고탄소강에 적용하는 것을 목표로 한다.
이러한 목표를 달성하기 위해 본 연구에서는 기존 ECAP 공정과 신선 공정의 특성을 접목한 금형에 소재를 잡아당겨 연속적으로 강선을 제조할 수 있는 전단신선 (shear drawing, SD) 공정을 강점소성 해석 프로그램인 CAMPform3D를 사용하여 유한요소해석 및 설계를 실시하고 3 단계 전단신선 공정용 금형을 제작하였다. 포스코에서 생산하는 타이어 코드용 고탄소강 (POSCORD80, C 함량 0.8%)을 이용하여 상온에서 실험을 수행하였다. 다단 ECAD 공정에서 발생하는 유동 불안정성 없이 긴 소재를 연속적으로 생산할 수 있음을 검증하였으며, 다단 성형 시 소재의 강도가 증가하는 것을 확인하였다.
본 연구에서 개발된 전단신선 공정은 소재를 잡아당겨 변형을 가하는 극한소성가공법으로 인해 금형의 교차각이 작아질수록 소재에 가해지는 인장력이 커짐에 따라 단면 감소가 발생하고 유동 안정성이 감소하는 특성을 보였다. 이러한 특성을 보완하기 위해 본 연구에서는 ECAP 금형에 소재를 치입 시 압축력을 발생시킬 수 있는 이송롤 (feed roll) 시스템을 도입하여 공정 중 소재를 잡아당기면서 동시에 밀어줄 수 있는 연속 하이브리드 (continuous hybrid, CH) 공정을 유한요소해석을 통해 해석 및 설계하였으며 해당 장비를 제작하였다. 제작된 이송롤 시스템을 카이스트 전산재료성형설계 연구실에서 보유한 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM)에 장착하고, 포스코에서 생산하는 저탄소강 (SWRCH10A, C 함량 0.1%)을 이용하여 연속 하이브리드 공정을 수행 후 기존 신선 공정을 거친 소재와 비교 고찰하였다. 본 연구의 결과로부터, 기존 신선 공정에 비해 연속 하이브리드 공정 시 우수한 치수 정밀도 및 표면 상태를 가지는 고강도 강선을 연속적으로 제조할 수 있음을 확인하였다.
다양한 제품에 적용하여 산업적 활용도를 높이기 위해서는 대경 (large diameter) 선재를 높은 생산 속도로 제조할 수 있어야 한다. 이를 위해 연구실 단위 (laboratory scale)에서 개발 및 검증된 연속 하이브리드 공정을 파일롯 단위 (pilot scale)로 확장하고 동시에 다단 성형을 가능하게 하고자 장치를 추가적으로 설계하였다. 이를 통해 연구실 단위의 연속 하이브리드 장치에 비해 6 배 큰 단면적을 가지는 선재를 이용하여 6 배 빠른 속도로 고기능의 강선을 제조할 수 있는 파일롯 단위 다단 연속 하이브리드 공정을 개발하였으며 포스코에서 생산하는 저탄소강 (SWRCH10A, C 함량 0.1%)을 이용하여 5 단계까지 실험을 수행하였다. 제조된 강선의 특성을 파악하기 위해 동일 단면 감면율을 가지는 기존 신선 공정을 동일 단계로 수행하여 비교하였다. 각 공정을 통해 제조된 강선의 기계적 (tension, Vickers micro-hardness, and fatigue tests), 미세조직적 (electron backscatter diffraction, optical microscopy, scanning electron microscope, and transmission electron microscope), 집합조직적 (X-ray diffraction) 특성과 치수 정밀도 및 표면 상태 등을 평가하였다.
또한, 다단 연속 하이브리드 공정 시 가공 경로 효과가 강선에 미치는 영향을 알아보기 위해 가공 경로 A, BC, C를 이용하여 실험을 수행하고 제조된 강선의 특성을 분석하고 고찰하였다. 다단 연속 하이브리드 공정의 적용 범위를 넓히기 위해 저탄소강뿐만 아니라 포스코에서 생산하는 중탄소강 (SWRCH45F, C 함량 0.45%), 고탄소강 (SWRS82B-LP, C 함량 0.82%) 선재를 이용하여 다단 공정을 수행하고 기계적, 미세조직적 특성 변화에 대해 평가하여 본 연구에서 개발된 다단 연속 하이브리드 공정의 실용성 검토 및 저, 중, 고탄소강의 소재 특성에 따른 변형 거동을 기존 신선 공정과 비교 고찰하고자 한다.
