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  기존의 주조와 단조공정의 단점을 획기적으로 개선한 레오로지 성형기술을 알려드립니다.

 
오늘날 자동차 산업, 항공기 산업, 전자 및 컴퓨터 부품 산업에서 소재종류에 따른 성형한계성 극복과 친환경 생산 측면에서 경합금 소재의 이용은 점점 증가하고 있는 추세이다. 그러나, 철계 합금에서 경합금으로 전환될 때 파생되는 기계적 성질의 저하와 원가상승은 경합금 소재의 적용을 어렵게 하는 대표적인 원인이다.
기존 주조 공정은 환경오염과 부품의 기계적 성질의 저하 등을 유발하고, 단조 공정은 최종부품을 생산하기까지 공정횟수의 증가, Net Shape 성형 한계성 및 금형 수명 단축 때문에 환경친화형 생산이 불가능하다.
이를 개선한 고강도 경량화 소재의 대표적인 복합성형법에는 그림. 1에서 보여주는 고액경계영역에서 소재를 성형하는 Thixoforming과 Rheoforming이 있다. Thixoforming 공정과 Rheoforming 공정은 결정입자의 크기와 운동을 제어하면서 각종 수송기계의 핵심 부품을 생산하는 고액공존 경계영역 성형기술로서, 기존 주조와 단조공정의 단점을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이다.

그림. 1 결정립 제어 경계영역 가공기술의 정의
현재, 주·단조 산업계에서는 그림. 2에서 보여주는 Thixoforming공정으로 대체하여 부품의 기계적 성질을 향상시키고 있으나, 원소재 Billet 수급의 불안정성, 재가열 공정에 의한 생산원가 증가, 생산 사이클 시간 단축의 한계성 및 생산비 증가 때문에 기술적 한계에 도달한 상황이다.
그림. 2 국내·외에서 주로 이용하는 Thixoforming 공정의 기술적 한계
그림. 3에서 보여주는 Rheology 성형공정은 Thixoforming 공정의 단점을 개선하기 위한 기술이다. 그러나, Rheoforming은 공정수의 증가에 따른 생산 사이클 시간의 증가, 생산비 과다, 액상편석 및 초기투자비 증가 등의 이유 때문에 국내?외 산업계와 학계에서는 새로운 개념의 Rheology 성형공정의 개발을 요구하고 있다.
그림. 3 성형공정이 복잡한 Rheoforming 공정의 기술적 한계
따라서, 그림. 2에서 보여주는 Thixoforming 공정의 문제점과 기술적 한계성을 극복함은 물론, 그림. 3에서 제시한 기존 Rheoforming 공정의 단점을 개선한 새로운 개념의 고액 경계영역 소재의 제조방법과 연계된 성형기술을 개발하고자 한다. 또한, 국가기술지도에서 제시하는 초정밀 미세 성형공정에 응용이 가능한 새로운 학설을 제시하여 향후 융합성형기술에 응용할 수 있는 새로운 학술적 이론전개가 필요하다.
 
본 기술은 환경친화형 지능형 공정과 6T 제조업 분야에 응용하기 위해 용해된 소재로부터 직접 결정립 제어 Rheology 소재를 제조하여 성형과 연계할 수 있는 다음과 같은 3가지 핵심기술을 개발 중에 있다.
 
(1) 고주파 가열과 소재 유동 제어 장치로 구성되어 있는 회전식 경사 Barrel을 이용하여 결정립 제어 소재를 제조하는 기술
[그림.4 참조]
 
용융상태의 소재에서 냉각속도와 재료에 가해지는 전단방법을 복합화하여 결정립을 제어하면서 연속적으로 경계영역 상태의 소재(Rheology 소재)를 제조하는 기술은 주?단조 복합성형을 위하여 절대적으로 필요한 핵심기술이다.
결정립 제어 경계영역 소재를 연속 제조할 때 결정립의 크기를 70∼100㎛로 제어하기 위해서는 냉각방법과 장비의 최적화 기술이 해결되어야 하며, 환경친화형 연속제조를 위하여 소재와 공구의 부착성 예방은 물론, 소재의 유동제어, 공구의 산화성 및 내식성 향상을 위한 장치의 코팅기술 활용 등이 수행되어야 한다. 결정립 제어를 위한 장치의 구성특성과 소재의 종류에 따라서 사용할 수 있는 다음과 같은 연구를 수행 중에 있다.
이러한 기술이 성공적으로 수행되면 제품의 원가절감과 부품산업의 응용 등의 측면에서 기존 여러 학계와 산업계에서 제시한 방법보다 쉽게 산업계에서 응용할 수 있으며, 주조용 알루미늄 합금 이외에 구조용 알루미늄 합금, 마그네슘 및 비정질 재료 등의 주조, 단조 공정에 응용할 수 있다. 또한, Nano Indentation을 활용한 장치의 코팅평가 방법은 Nano급 부품 평가 성형기술에 활용할 수 있다.
그림. 4 회전하는 Barrel을 이용한 결정립제어 경계영역 소재의 연속 제조방법(간접 전단 방식)
(2) 고상과 액상이 동시에 공존할 때 고상입자의 결정립 동역학 해석을 통한 새로운 학술적 이론 전개
 
고상입자의 크기가 20∼50㎛이고 액상율이 60~75% 내외인 소재가 주?단조 공정에 의하여 변형을 받고 있을 때 고상 입자는 액상의 온도 변화에 따라서 회전, 진동, 병진운동을 한다[그림. 5 참조]. 이러한 현상을 해석하기 위해서고상 입자의 결합을 표현하는 새로운 Potential을 온도 및 점도의 함수에 관한 연구를 수행 중에 있다.
결정립이 제어된 경계영역 상태의 소재가 성형되어질 때, 고상입자의 편석에 미치는 영향을 정량적으로 파악할 수 있는 결정립 동역학 해석이 정립되면 균일한 성질을 가지는 핵심 부품(자동차, 항공기, 고기능 및 고압을 요구하는 부품)을 생산하는데 본 이론을 응용할 수 있다. 고상 입자의 크기와 Potential의 정의에 따라서 3차원 미세입체형상 구조체 및 미세성형 등에 활용이 가능하기 때문에 질점계 동역학 해석은 본 연구의 핵심기술이다.
그림. 5 결정입자의 편석 저감과 경계영역 주·단조 공정해석을 위한 결정립 동역학 이론해석의 model
세계적으로도 주·단조 분야에서 처음으로 시도하는 내용이기 때문에 학술적으로 충분한 가치가 있다고 사료되며, 또한 결정립의 크기에 따라서 나노 성형기술에 응용이 가능하다.
 
(3) 환경친화형 결정립 제어 경계영역 성형공정 개발[그림. 6, 7 참조]
 
액상율이 60~75%인 상태에서 성형하는 결정립 제어 경계영역 단조기술은 기존 단조 기술을 그대로 응용할 수가 없다. 따라서 본 기술은 수직형으로 소재에 하중을 가하는 기존 단조기술의 복합화 기술로서 산업계에 응용되어지기 위해서는 단조 금형설계의 표준화, 액상 편석제어 기술 등에 관한 핵심 연구가 필수적이다. 결정립 제어 경계영역 주조기술을 국내 산업계에 파급하기 위하여 수평형 다이캐스팅 기계에서 핵심부품의 생산이 가능하도록 금형설계의 표준화, 사출조건이 액상편석과 기계적 성질에 미치는 영향 등에 관한 연구는 절대적으로 필요한 기술이다.
Al, Mg의 Rheology 소재를 주?단조 공정에 활용하기 위하여 환경친화형 생산측면에서 에너지 절감, 공정 단축, 이형재 저감을 위한 각종 공구의 특수코팅 활용기술 및 질점계 동역학 해석을 통한 액상편석 제어기술 등은 수송기계 부품, 고강도와 고압을 요구하는 주?단조 부품 제조공정에서 꼭 필요한 핵심기술이다.
그림. 6 Rheo die casting machine
그림. 7 Die structure(knuckle)
 
Solid
Fraction, %
Stirring
Current, A
Stirring
Time, Sec
Vacuum
Pressure, mbar
Forging
Pressure, MPa
30 0 0 1013 260
30 30 60 1013 260
30 30 60 500 260
30 30 60 50 260
40 0 0 1013 260
40 30 60 1013 260
40 30 60 500 260
40 30 60 50 260
50 0 0 1013 260
50 30 60 1013 260
50 30 60 500 260
50 30 60 50 260
 
A356 알루미늄 소재의 레오로지 단조공정 따른 휴대폰 케이스 제조 공정
레오로지 소재의 단조공정에서 주조용 합금을 사용하여 단조공정에서 중요변수인 가압력 및 성형온도가 기계적 성질 및 조직변화에 미치는 영향에 관하여 검토하여 경량화 부품을 개발할 수 있는 새로운 성형방법을 제시
고상율과 결정립을 제어하며, 반용융 소재에서 금속의 응고가 주상정대가 먼저 생성되고 등축정대가 생성된다는 기존의 이론보다는 주벽의 중앙의 등축정대를 형성하는 결정이 먼저 생성된 후에 외부에 주상정대가 생긴다는 이론을 바탕으로 제작
성형 압력 200MPa에서 과충전 및 결함, 미충전 현상이 일어나지 않고 정상적인 제품이 나온 소재 온도는 615 °C와 608 °C이며, 각 시험조건에서 제작된 제품은 <그림>에 나타난 위치에서 4개의 시편으로 절단하여 미세조직 관찰은 아래 그림에 나타내었다.
 
1. 래오로지 소재의 단조공정 해석
2. DEFORM S/W의 응용
3. 소성가공의 인력 양성
4. 고상율 제어를 위한 실험 및 산업체 응용기술 개발
5. 관련 기술과 연계한 산업체와의 공동연구(현대자동차, 등)