1. 서론
구리(Cu)는 면심입방정(FCC) 결정구조로서 전기전도도와 연성은 높으나 판재 성형성 척도의 하나인 소성변형비(r -value 또는 Lankford parameter)가 낮다고 알려져 있다[1]. 그 이유는 완전 열처리한 FCC 결정구조인Cu판재가 열처리 후에 입방정 집합조직인 {001}<100> 집합조직의 강도가 높은데 이 성분은 소성변형비를 낮추는 요소이기 때문이다. 이로 인하여 디프 드로잉 성형성(Deep drawability)이 나빠진다고 알려져 있다[2~4].
FCC 결정구조를 갖는 금속판재의 소성변형비를 증가시키기 위하여 비대칭 압연의 전단변형을 이용하여 소성변형비를 높이는 요소인 γ-fiber 집합조직인 {111}<112>와 {111}<011> 집합조직, 즉ND//<111>을 증가시켜는 연구를 진행하였다[5~16].
Cu도 FCC결정구조로서 비대칭 압연시 전단변형에 의하여 변형집합조직인 회전 입방정 집합조직, {001}<110>이 주로 발달 되고 동시에 평균 소성변형비를 높이는 γ-fiber집합조직, 즉 ND//<111> 이 부수적으로 발달 된다고 알려지고 있다[4~6]. 최근 Al 판재를 종전의 대칭 압연하고 열처리하는 방법을 바꾸어 1차로 비대칭 압연을 하고 열처리 한 판재를 또 다시 2차 대칭 또는 비대칭 압연을 하고 열처리 함으로서 Al 판재의 소성변형비를 높이는 연구 결과를 얻었다[16-19]. 이를 바탕으로 본 연구에서도 Al과 결정구조가 같은 Cu 판재를 1차 비대칭 압연 후 열처리 한 시편을 2차로 대칭과 비대칭 압연하였다. 이 2차 대칭과 비대칭 압연한 시편은 동일한 조건으로 각각 열처리하고 집합조직을 측정하여 디프 드로잉 성형성의 척도인 소성변형비의 변화를 관찰하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 두께 5.0 mm인 Cu판재에 압연방향을 표시하고70 mm x 30 mm x 5.0 mm 크기로 절단하여 초기시편(initial specimen)이라고 명명하였다. 초기시편은 상/하 롤 지름(15cm)을 동일하게 하고 상/하롤 회전속도 비를 1:1.5로 무윤활 비대칭 압연하였다. 1차 무윤활 비대칭 압연 조건은 총 3회 패스(39%--> 63%--> 80%)하였으며 최종 총 압하율 80%로 하였다. 이것을 공기 분위기 중600°C 에서1시간 열처리하였다. 1차 비대칭 압연과 열처리한 시편을 무윤활 상태로 2차 대칭과 비대칭 압연하여 최종 압하율을 각각5.3%에서30.1%까지 하였다. 여기서 무윤활 상태에서 대칭과 비대칭 압연을 한 이유는 롤과 시편 사이에 높은 마찰력을 주어 전단변형을 크게 하기 위함이다. 2차 대칭과 비대칭 압하율을 5.3%에서30.1%까지 낮게 한 이유는 새로운 공정으로 이 이상에서는 1차 비대칭과 동일한 상태로 되어 2차 압연의 또 다른 효과가 없어지기 때문이다[16-19]. 2차 대칭과 비대칭 압연은 각각 1회 패스 압연함으로서 최종 압하율이 되도록 하였다. 2차 대칭과 비대칭 압연한 시편은 그 동안 연구[16-19]를 바탕으로 Ar 분위기1000°C에서 1시간으로 설정하여 열처리하였다. Table 1에는 Cu 판재(initial specimen)를 1차 80% 비대칭 압연을 하고 이것을 열처리한 후 2차 대칭과 비대칭 압연하고 열처리한 시편의 준비과정과 이름을 정리하여 놓았다. Table 1에서 (a)는 Cu 판재의 initial specimen이고, (b)는 Cu 판재(initial specimen)를 1차 80% 비대칭 압연한 시편이다. (c)부터 (g)까지는 Cu 판재(initial specimen)를 1차 80% 비대칭 압연을 하고 공기 분위기 중600°C 에서1시간 열처리한 후 각각 5.3%, 8.2%, 14.5%, 23.4% 및 30.1% 압하율로 2차 대칭 압연한 시편이다. (h)부터 (l)까지는 각각 5.3%, 8.2%, 14.5%, 23.4% 및 30.1% 압하율로 대칭 압연하고 Ar 분위기 1000°C에서 1시간동안 열처리한 시편이다. 그리고 (m)부터 (q)까지는 Cu 판재(initial specimen)를 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 후 각각 5.3%, 8.2%, 14.5%, 23.4% 및 30.1% 압하율로 2차 비대칭 압연하고 Ar 분위기 1000°C에서 1시간동안 열처리한 시편이다. 각 단계에서 얻어진 대칭과 비대칭 압연과 열처리한 시편은 느린 롤 속도 쪽의 판재 면에 평행하게 기계적으로 연마하고 화학적 에칭하였다. 극점도는 두께의 20%를 제거한 층 판재 면에서 측정하였다. 타겟으로Co-Kα X-선을 사용하였으며 Schultz 반사법으로 (111), (200) 및 (220) 면의 불완전 극점도를 측정하였다. 이와 같이 측정한 2차원 극점도는 Bunge[20]가 제안한 방법을 이용하여 3차원 방위분포함수(Orientation Distribution Function, ODF)를 계산하였다. 또 Taylor이론[21]에 바탕을 두고 Bunge[20]가 제안한 ODF를 이용하여 소성변형비를 계산하였다.
Table 1 Specimen fabrication procedure and name of specimen of Cu sheet
소성변형비는 금속판재의 디프 드로잉 성형성을 나타내는 가장 중요한 파라메타 중의 하나이다. 소성변형비(r-value)는 폭방향 진변형률/두께방향 진변형률 비로 정의한다[22].
본 연구에서는 측정한 극점도를 이용하여 각 방향의 소성변형비로부터 평균 소성변형비(Rm)와 |ΔR| 값을 아래 식 (1)을 이용하여 구하였다[22].
Rm= (r0 + 2r45 + r90) / 4 , |ΔR| = (r0 - 2r45 + r90) / 2 (1)
여기서 r0, r45 및 r90 는 각각 압연방향(RD)에 0˚, 45˚ 및 90˚ 방향에서의 소성변형비를 의미한다.
3. 결과 및 토의
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3에는 Table 1에 나타낸 초기시편, 1차 비대칭 압연과 2차 대칭 및 비대칭 압연 후 각각 열처리한 시편의 극점도와 측정한 극점도를 바탕으로 ODF 계산 결과 및 각 집합조직 성분의 f(g)값 변화를 보여주고 있다,
Fig. 1 (111) Pole figures of Cu sheets; (a) through (q) specimens
Fig. 2 ODFs at ψ2= 45° of Cu sheets; (a) through (q) specimens
Fig. 3 The f(g) value variations of Cu sheets; (a) through (q) specimens
이 결과를 분석하여 볼 때 Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3의 (a)는 initial specimen의 결과로서 낮은 {110}<111>를 갖고 그 외에 특별히 발달한 집합조직이 없는 무질서(random)한 집합조직에 가까운 것을 알 수 있다. (b)는 initial specimen을 1차로 압하율 80%로 비대칭 압연을 한 시편의 결과로 회전 입방정 집합조직인 강한 {001}<110>, β-fiber 중{123} <634>와 {011}<211> 집합조직 및 약한 γ-fiber 집합조직이 나타났다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3에서 (c) 부터 (g)까지는 2차 대칭 압연한 시편의 극점도, ODF 및 f(g) 값의 실험 결과이다. 여기서 (d)시편은 약하게 β-fiber가 발달하고 그 외 시편들은 강도의 차이는 있지만 모두 β-fiber가 잘 발달하였고, {110}<001>이 발달하였다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3에서 (h) 부터 (l)까지는 2차 대칭 압연하고 열처리 한 시편의 극점도, ODF 및 f(g) 값의 실험 결과이다. 여기서 (h)부터 (l)까지 시편 모두 집합조직의 강도는 서로 차이가 있지만 β-fiber가 발달하였고, η-fiber 중 {110}<001>이 발달하였다. 특히 (h)시편은 약한 γ-fiber 집합조직과 (i) 시편에서 {100}<001> 도 발달하였다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3에서 (m) 부터 (q)까지는 2차 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 극점도, ODF 및 f(g) 값의 실험 결과이다. 여기서 (m)에서 (q)까지 시편 모두 집합조직의 강도는 서로 차이가 있지만 β-fiber 가 잘 발달하였다. 그 외로 (q)시편에서는 γ-fiber, (m), (n) 및 (p) 시편에서는 η-fiber 중 {110}<001>도 발달하였다.
Fig. 1, 2 및 3의 극점도, ODF 및 f(g) 값의 변화를 바탕으로 실험 결과를 비교 종합하면 다음과 같다. (a) Cu 판재의 원소재인 initial specimen은 무질서(random)한 집합조직임 알 수 있다. (b) Cu 판재의 initial specimen 시편을 압하율 80%로 1차 비대칭 압연한 시편은 회전 입방정 집합조직인 {001}<110>이 강하게 발달하였고, β-fiber 중 {123}<634>와 {011}<211> 집합조직 및 약한 γ-fiber가 동시에 나타났다.
(b) 시편을 열처리 후 압하율 5.3%∼30.1%로 2차 대칭 압연을 한 (c)부터 (g)까지 시편은 집합조직의 발달 강도 차이는 있지만 모두 {112}<111>을 포함한 강한 β-fiber가 발달하고 η-fiber중 {110}<001>이 발달하고 있음을 알 수 있다.
(b) 시편을 열처리 후 압하율 5.3%∼30.1%로 2차 비대칭 압연한 시편은 압하율이 높아짐에 따라 약한 η-fiber, 약한 γ-fiber 및 강한 β-fiber가 발달[23]하였다. 이와 같이 2차 비대칭 압연한 시편[23]은 (c)부터 (g)까지 2차 대칭 압연한 시편의 결과보다 γ-fiber가 약간 더 발달한 것 이외에 유사한 집합조직을 나타냈다.
(b) 시편을 열처리 후 압하율 5.3%∼30.1%로 2차 대칭 압연을 하고 열처리한 (h)부터 (l)까지 시편은 집합조직의 발달 강도 차이는 있지만 모두 {112}<111>와 {011}<211>을 포함한 β-fiber, η-fiber 중 {110}<001>가 발달하였다. 그 외로 (h)시편은 γ-fiber가 약하게 발달하였다.
(b) 시편을 열처리 후 압하율 5.3%∼30.1%로 2차 비대칭 압연을 하고 열처리한 (m)부터 (q)까지 시편은 집합조직의 발달 강도 차이는 있지만 모두 β-fiber, η-fiber중 {110}<001>이 발달하였다. 그 외로 (q)시편은 γ-fiber 중 {111}<110>이 발달하였다. (b) 시편을 열처리 후 압하율 5.3%∼30.1%로 2차 대칭 압연하고 열처리한 (h)부터 (l)까지 시편과 2차 비대칭 압연하고 열처리한 (m)부터 (q)까지 시편의 집합조직은 서로 유사하였다. 그러나 2차 대칭 압연 후 열처리한 시편보다 2차 비대칭 압연 후 열처리한 시편에서 β-fiber와 γ-fiber 집합조직이 좀 더 잘 발달하였다. 그 이유는 공정의 특성상 2차 비대칭 압연이 2차 대칭 압연보다 Cu판재의 전 두께 층에 균일하게 전단변형을 주었기 때문으로 판단된다.
Fig. 2의 ODF의 자료를 이용하여 계산한 평균 소성변형비(Rm)와 |ΔR| 값을 Table 2와 Fig. 4에 나타내었다. Table 2와 Fig. 4에서 (a) Cu 판재의 원소재인 initial specimen의 평균 소성변형비(Rm)는 0.95이고 |ΔR| 값은 1.27이다. initial specimen을 80% 압하율로 비대칭 압연한 (b) 시편의 평균 소성변형비(Rm)는 0.70이고 |ΔR| 값은 1.1이다.
Table 2 Calculated plastic strain ratio(Rm) and |ΔR| variations of Cu sheets; (a) through (g) specimens
Fig. 4 Calculated average plastic strain ratio(Rm) and |ΔR| variations of Cu sheets; (a) through (g) specimens
Table 2와 Fig. 4에서 (c)부터 (g)까지는2차 대칭 압연한 시편으로 평균 소성변형비(Rm)가 1.59~1.16이고 |ΔR| 값은 1.04~0.56이다. 여기서 (b)부터 (g)까지 시편의 평균소성변형비(Rm)와 |ΔR| 값은 냉간 가공한 상태에서 얻어진 값이다. 그러므로 이들 시편을 판재 성형에 사용하기 위해서는 열처리 한 후에 사용 할 수 있기 때문에 이 때의 평균소성변형비(Rm)와 |ΔR| 값의 의미가 크지 않다.
(h)부터 (l)까지는 2차 대칭 압연한 시편을 Ar 가스 중에서1000°C 열처리한 시편으로 평균 소성변형비(Rm)가 0.77~2.18이고 |ΔR| 값은 0.41~2.52이다. 이 시편들 중 (h) 시편의 평균 소성변형비(Rm)는 2.18로initial specimen 보다 2.29배 증가하고 |ΔR|는 1.83으로 initial specimen 보다 1.44배 증가하였다.
(m)부터 (q)까지는 2차 비대칭 압연하고 Ar가스 분위기1000°C 에서 열처리한 시편으로 평균 소성변형비(Rm)가 1.09~2.38이고 |ΔR| 값은 0.23~1.99이다. 이 들 시편 중 (n) 시편의 평균 소성변형비(Rm)는 2.38로 initial specimen 보다 보다 2.51배 증가하고 |ΔR|는 0.67으로initial specimen 보다 0.53배로 감소하였다.
Cu판재를 1차 비대칭 압연한 시편, 2차 대칭 압연한 시편 및 2차 대칭과 비대칭 압연 후 Ar 가스 분위기에서 열처리한 시편의 평균 소성변형비(Rm)와 |ΔR| 값을 시편 그룹간에 비교하면 일반적으로 2차 비대칭 압연 후 Ar 가스 분위기에서 열처리한 시편의 평균 소성변형비(Rm)가 높았고 |ΔR| 값은 낮아 졌다.
그 이유는 2차 비대칭 압연은 2차 대칭 압연보다 전단변형을 Cu판재의 전 두께 층에 주고 소성변형비를 증가시키는 요소중의 하나인 γ-fiber 집합조직이 증가되었기 때문으로 판단된다[16-19]. 그리고 재결정 열처리한 후에도 2차 비대칭 압연 때 생긴 γ-fiber 집합조직이 감소되지 않고[16-19] 소성변형비를 증가시키는 원인이 되었을 것이다.
4. 결론
(1) Cu판을 2차로 5.3% 대칭 압연하고 Ar 가스 분위기 1000°C 열처리한 시편의 평균 소성변형비(Rm)는 2.18로 initial specimen 보다 2.29배 증가하였으며 |ΔR|는 1.83으로 1.44배 증가하였다.
(2) Cu판을 2차로 8.1% 비대칭 압연하고 Ar 가스 분위기 1000°C 열처리한 시편의 평균 소성변형비(Rm)는 2.38로initial specimen 보다 2.51배 증가하고 |ΔR|는 0.67로 0.53배로 감소하였다.
후 기
본 연구는 금오공과대학교의 학술연구비 지원 사업으로 연구된 논문으로 이에 감사 드립니다.
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