1. 서 론
면심입방정 (FCC) 결정구조인 구리(Cu)는 연성은 높으나 판재 성형성 척도의 하나인 소성변형비 (r-value 또는 Lankford parameter)가 낮다고 알려져 있다[1]. 그 이유는 완전 열처리한 Cu판재가 FCC 로 소성변형비를 낮추는 요소인 입방정 집합조직이라 불리는 {001}<100> 성분이 높아져 이로 인하여 디프 드로잉 성형성이 나빠진다고 알려져 있다[2~4].
FCC 결정구조를 갖는 금속판재의 소성변형비를 증가시키기 위하여 알루미늄 합금 판재의 비대칭 압연에 의한 전단변형을 이용하여 소성변형비를 높이는 요소인 ND//<111> 집합조직 (γ-fiber 집합조직 또는 {111}<112>와 {111}<011> 집합조직이라 부른다.) 을 증가시켜는 연구를 진행하고 있다[5~15]. 그러나 Cu의 비대칭 압연과 열처리로 소성변형비를 증가시키는 연구는 아직 이루이지지 않고 있다.
Cu도 FCC결정구조로서 전단변형에 의하여 변형집합조직인 회전 입방정 집합조직, {001}<110>이 주로 발달 되고 동시에 평균 소성변형비를 높이는 ND//<111> 집합조직 성분이 부수적으로 발달 된다고 알려지고 있다[4~6]. 종전에는 Al 판재를 대칭 압연한 후 열처리하여 제품을 생산하였다. 최근 종전의 방법을 바꾸어 1차로 비대칭 압연을 하고 열처리 한 판재를 또 다시 2차 대칭 또는 비대칭 압연을 하고 열처리 함으로서 Al 판재의 소성변형비를 높이는 실험으로 좋은 연구 결과를 얻었다[12-15]. 이 Al 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서도 결정구조가 같은 Cu 판재를 1차 비대칭 압연 후 열처리 한 것을 2차 비대칭 압연과 열처리하였다. 이 때 비대칭 압연의 전단변형 효과를 이용하여 집합조직의 변화시키고 열처리하여 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 한다. initial specimen은 상/하 롤 지름 (15cm)을 동일하게 하고 상/하롤 회전속도 비를 1:1.5로 무윤활 냉간 비대칭 압연하였다. 1차 무윤활 냉간 비대칭 압연의 압하율은 80%였으며 이것을 600°C 에서1시간 열처리하였다. 2차 무윤활 냉간 비대칭 압연은 최종 압하율을 5.3%에서30.1%까지 하였다. 여기서 무윤활 상태에서 비대칭 압연을 한 이유는 롤과 시편 사이에 높은 마찰계수로 인하여Cu 판재에 전단변형을 크게 하기 위함이다. 2차 대칭과 비대칭 압하율을 5.3%에서30.1%까지 낮게 한 이유는 새로운 공정으로 이 이상에서는 1차 비대칭과 동일한 상태로 되여 2차 압연의 또 다른 효과가 없어지기 때문이다[12-15]. 2차 비대칭 압연한 시편은 각각 1회 패스를 하여 최종 압하율이 되도록 하였다. 2차 냉간 비대칭 압연한 시편은 그 동안 연구[12-15]를 바탕으로 온도를 설정하여 공기 분위기1000°C에서 1시간 동안 열처리한 후 공랭하는 공정과 Ar분위기 630°C에서 1시간 동안 열처리한 후 공랭하는 공정으로 나누어 실시하였다. Table 1에는 Cu판재를 1차와 2차 냉간 비대칭 압연하고 열처리한 시편의 준비과정과 이름을 정리하여 놓았다. 각 단계에서 비대칭 압연과 열처리한 시편은 느린 속도의 롤 쪽 판재 면을 기계적으로 연마한 후 최종 화학적으로 에칭하여 총 두께의 20%를 제거한 층에서의 극점도를 측정하였다. 타겟으로Co-Kα X-선을 사용하였으며 Schultz 반사법으로 (111), (200) 및 (220) 면의 불완전 극점도를 측정하였다. 이와 같이 측정한 2차원 극점도는 각 시편의 집합조직을 분석하기 위하여 Bunge[16]가 제안한 방법으로 3차원 방위분포함수 (Orientation Distribution Function, ODF)를 계산하였다. Taylor이론[17]에 바탕을 두고 Bunge[16]가 제안한 프로그램을 이용하여 소성변형비를 계산하였다.
소성변형비는 금속판재의 디프 드로잉 성형성을 나타내는 가장 중요한 파라메타 중의 하나이다. 소성변형비(r-value)는 폭방향 진변형률/두께방향 진변형률 비로 정의한다[18].
본 연구에서는 측정한 극점도를 이용하여 압연방향 (RD)에 대하여 각 방향으로부터 얻어진 소성변형비를 얻은 다음 평균 소성변형비 (Rm)와 ½ΔR½ 값을 아래 식 (1)을 이용하여 구하였다[18].
Rm= (r0 + 2r45 + r90) / 4 , ½ΔR½ = (r0 - 2r45 + r90) / 2 (1)
여기서 r0, r45 및 r90 는 각각 RD과 0˚, 45˚ 및 90˚ 방향에서의 소성변형비를 의미한다.
3. 결과 및 토의
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3에는 Table 1에 나타낸 시편의 제작 조건과 같이 initial specimen, 비대칭 압연과 각각 열처리한 시편의 극점도와 측정한 극점도를 바탕으로 ODF 계산 결과 및 각 집합조직 성분의 f(g)값 변화를 보여주고 있다.
이 결과를 종합적으로 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 강한 {123}<634>와 {011}<211>> 집합조직 및 약한 γ-fiber 집합조직이 나타났다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3의 (c) 부터 (h)까지는 initial specimen을 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 후 2차로 압하율을 5.3%부터 30.1%까지 비대칭 압연한 시편의 극점도와 ODF 및 f(g)이다. (c)는 initial specimen을 압하율 80%로 1차 비대칭 압연을 한 시편을 공기 중에서 600°C 열처리 후 2차 5.3% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 Cu 집합조직인 {112}<110} 집합조직이 발달하였다. (d)는 2차 8.2% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 입방정 집합조직인 {100}<001>와 {112}<111>이 약하게 발달하였지만 무질서 집합조직에 가깝다. (e)는 2차 14.5% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 Brass 집합조직인 {011}<211> 와 약한 {100}<001> 집합조직이 발달하였다. (f)는 2차 18.8% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 약한 {112}<111> 집합조직과 {011}<112> 집합조직이 나타났다. (g)는 2차 23.4% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 강한 β-fiber 집합조직이 발달하고, {110}<001> 집힙조직이 약하게 발달하였다. (h)는 2차 30.1% 비대칭 압연한 시편의 결과로서 {112}<111>집합조직, {011}<112> 집합조직과 Goss집합조직인 {110}<001>과 γ-fiber 집합조직이 약하게 발달하였다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3의 (i) 부터 (n)까지는 initial specimen을 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 후 2차로 압하율을 5.3%부터 30.1%까지 비대칭 압연하고 Air (공기) 분위기 1000°C에서 1시간 동안 열처리 한 시편의 극점도, ODF 및 f(g)이다. (i)는 압하율을 2차 5.3% 비대칭 압연하고 공기 분위기에서 열처리 한 시편의 결과로서 약한 {100}<001> 집합조직과 γ-fiber 집합조직이 약하게 발달하였으나 무질서 집합조직에 가까운 시편이다. (j)는 2차 8.2% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 {001}<110> 집합조직, {112}<110> 집합조직, {100}<001> 집합조직 및 {011}<211>이 약하게 발달하고 γ-fiber 집합조직 성분 중 {111}<112>이 약하게 발달하였다. (k)는 2차 14.5% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 {112}<111> 집합조직 및 {011}<211> 집합조직이 발달하였다. (l)은 2차 18.8% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 {001}<110> 집합조직이 약하게 발달하였으나 무질서에 가까운 집합조직을 보이고 있다. (m)은 2차 23.4% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 {112}<111> 집합조직이 발달하였으나 무질서에 가까운 집합조직을 보이고 있다. (n)은 2차 30.1% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 약하게 발달했으나 무질서에 가까운 집합조직을 보이고 있다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3의 (o) 부터 (t)까지는 initial specimen을 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 후 2차로 압하율을 5.3%부터 30.1%까지 비대칭 압연하고 Ar 가스 분위기 630°C에서 1시간동안 열처리 한 시편의 극점도, ODF 및 f(g)이다. (o)는 2차 5.3% 비대칭 압연하고 Ar 가스 분위기 630°C에서 1시간동안 열처리 한 시편의 결과로서 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 강하게 발달하였다. (p)는 2차 8.2% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 강한 γ-fiber 집합조직, {110}<001> 및 강한 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 발달하였다. (q)는 2차 14.5% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 강한 {112}<111> 집합조직, {011}<211> 집합조직과 γ-fiber 집합조직이 발달하였다. (r)은 2차 18.8% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 강한 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직 및 γ-fiber 집합조직이 잘 발달하였다. (s)는 2차 23.4% 비대{칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 강한 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직 및 γ-fiber 집합조직이 잘 발달하였고 Goss 집합조직인 {110}<001>이 발달하였다. (t)는 2차 30.1% 비대칭 압연하고 열처리 한 시편의 결과로서 무질서에 가까운 집합조직을 보이고 있다.
Fig. 1, Fig. 2 및 Fig. 3의 극점도, ODF 및 f(g) 값의 변화를 바탕으로 Cu 판을 압하율 80%로 비대칭 압연하면 회전 입방정 집합조직인 강한 {001}<110> 및 β-fiber 중 강한 {123}<634>와 {011}<211>> 집합조직이 나타났다.
공기 중에서 600°C 열처리 후 압하율 5.3%부터 30.1%까지 2차 비대칭 압연을 하면 일반적으로 대칭압연에서 잘 나타나는 Cu 집합조직인 {112}<111> 성분이 나타났다. 공기 중에서 600°C 열처리 후 압하율 5.3%부터 30.1%까지 2차 비대칭 압연을 하고 공기 분위기에서 1000°C로 1시간 열처리를 하고 공랭하면 압하율 8.2% 시편에서 β-fiber 집합조직인 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 강하게 발달하고 γ-fiber 집합조직이 약하게 발달하였다. 2차 비대칭 압하율이 높아지면 무질서 집합조직이 나타났다. 공기 중에서 600°C 열처리 후 압하율 5.3%부터 30.1%까지 2차 비대칭 압연을 하고 Ar 가스 분위기에서 630°C로 1시간 열처리를 하고 공랭하면 β-fiber 집합조직인 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 강하게 발달하고 γ-fiber 집합조직이 약하게 발달하였다.
특히 2차 30.1% 비대칭 압연하고 공기 분위기 1000°C로 1시간 열처리 한 시편 (n)에서 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 약하게 발달했으나 무질서에 가까운 집합조직을 보이고 있다. 그 외 공기 분위기 1000°C로 1시간 열처리 한 시편은 무질서한 집합조직을 나타냈다. 그러나 Ar 가스 분위기에서 630°C로 1시간 열처리를 하고 공랭한 압하율 8.2% 시편 (o) 에서 β-fiber 집합조직인 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 강하게 발달하고 γ-fiber 집합조직이 발달하였다. 또 압하율 18.8% 시편인 (r)에서도 β-fiber 집합조직인 {112}<111> 집합조직과 {011}<211> 집합조직이 강하게 발달하고 γ-fiber 집합조직이 발달하였다.
Fig. 2의 ODF의 자료를 이용하여 계산한 평균 소성변형비 (Rm)와 ½ΔR½ 값을 Table 2와 Fig. 4에 나타내었다. Table 2와 Fig. 4에서 (a) initial specimen의 평균 소성변형비 (Rm)는 0.95이고 ½ΔR½ 값은 1.27이다. initial specimen을 80% 비대칭 압연한 시편 (b)의 Rm은 0.63이고 ½ΔR½ 값은 0.75이다. initial specimen을 80% 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 시편을 2차 5.3% 비대칭 압연한 시편 (c)의 Rm은 0.93이고 ½ΔR½ 값은 0.02이다. 8.2% 비대칭 압연한 시편 (d) 의 Rm은 1.01고 ½ΔR½ 값은 0.18이다. 14.5% 비대칭 압연한 시편 (e)의 Rm은 1.13이고 ½ΔR½ 값은 0.68, 18.8% 비대칭 압연한 시편 (f)의 Rm 은 1.03이고 ½ΔR½ 값은 0.15, 23.4% 비대칭 압연한 시편 (g) 의 Rm은 1.5이고 ½ΔR½ 값은 0.59, 30.1% 비대칭 압연한 시편 (h)의 Rm은 1.3이고 ½ΔR½ 값은 0.86이다. Initial specimen을 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 시편을 5.3% 비대칭 압연한 시편을 공기 중에서1000°C 열처리한 시편 (i)의 Rm은 0.93이고 ½ΔR½ 값은 0.02이다. 8.2% 비대칭 압연한 시편 (j)의 Rm은 0.95고 ½ΔR½ 값은 0.07이다.
14.5% 비대칭 압연한 시편 (k)의 Rm은 1.01이고 ½ΔR½ 값은 0.18, 18.8% 비대칭 압연한 시편 (l)의 Rm은 0.99이고 ½ΔR½ 값은 0.08이다. 23.4% 비대칭 압연한 시편 (m)의 Rm은 0.96이고 ½ΔR½ 값은0.11, 30.1% 비대칭 압연한 시편 (n)의 Rm은 1.03이고 ½ΔR½ 값은 0.15이다. Initial specimen을 80%로 1차 비대칭 압연하고 600°C 열처리한 시편을 2차 5.3% 비대칭 압연한 시편을 Ar 가스 중에서630°C 열처리한 시편 (o)의 Rm은 1.5이고 ½ΔR½ 값은 0.59이다. 8.2% 비대칭 압연한 시편 (p)의 Rm은 1.1고 ½ΔR½ 값은 0.45이다. 14.5% 비대칭 압연한 시편 (q)의 Rm은 1.3이고 ½ΔR½ 값은 0.86, 18.8% 비대칭 압연한 시편 (r)의 Rm은 1.6이고 ½ΔR½ 값은 1.04이다. 23.4% 비대칭 압연한 시편 (s)의 Rm은 1.32이고 ½ΔR½ 값은 0.86, 30.1% 비대칭 압연한 시편 (t)의 Rm은 0.99이고 ½ΔR½ 값은 0.06이다.
Cu판재를 1차 비대칭 압연한 시편, 2차 비대칭압연한 시편, 2차 비대칭 압연 후 1000°C로 1시간 공기분위기 열처리 한 시편, 2차 비대칭 압연 후 630°C로 1시간 Ar 가스 분위기에서 열처리한 시편의 Rm 을 각각의 그룹으로 비교하면 다음과 같다. Initial specimen보다 이를 1차 비대칭 압연한 시편이 Rm 이 0.66배로 감소하였고 ½ΔR½도 0.59배로 감소하였다. 그 이유는 비대칭 압연으로 소성변형비를 상승시키는 요소인 γ-fiber 집합조직의 강도가 증가하기도 하지만 감소시키는 요소인 회전 입방정 집합조직 {001}<110> 강도의 증가가 조합되어 일어난 현상이다. 2차 비대칭압연한 시편에서 시편 (g)는 Initial specimen보다 Rm이 1.58배로 증가하고 ½ΔR½은 0.46배로 감소하였다. 그 이유는 시편 (g)강한 β-fiber가 발달하였기 때문이다. 이 시편 (g)의 β-fiber는 회전 입방정 집합조직 {001}<110> 보다 소성변형비가 높기 때문이다[2]. 그러나 시편 (c)부터 (h)까지는 비대칭 압연을 한 상태이기 때문에 열처리를 해야 판재를 성형하는데 사용할 수 있다.
1차 비대칭 압연한 시편을 600°C 에서 열처리하고 2차 비대칭 압연한 후 공기 중 1000°C에서 열처리하고 공랭한 시편 (i)부터 (n)까지 Rm 이 Initial specimen보다 0.98∼1.03배로 유사했으나 ½ΔR½ 값 은 0.02∼0.14배로 낮았다. 특히 시편 (n)은 Rm 이 1.03배로 증가하고 ½ΔR½은 0.12배로 감소하였다. 그 이유는 열처리 후 무질서 집합조직으로 되었기 때문이다. 또한 1차 비대칭 압연한 시편을 2차 비대칭 압연하고 Ar 가스 분위기 중 630°C에서 열처리하고 공랭한 시편 (o)부터 (t)까지 Rm 이 Initial specimen보다 약1.04∼1.68배 높았고 ½ΔR½ 값 은 0.05∼0.82배로 낮아졌다. 특히 시편 (r)은 Rm 이 1.68배로 증가하고 ½ΔR½은 0.82배로 감소하였다. 그 이유는 회전 입방정 집합조직, {001}<110>, 보다 평균 소성변형비가 높은 γ-fiber집합조직과 β-fiber 집합조직인{011}<211>이 발달하였기 때문이다[2].
따라서 Cu판재를 1차 비대칭 압연한 시편, 2차 비대칭 압연한 시편, 2차 비대칭 압연 후 공기 분위기 열처리 한 시편, Ar 가스 분위기에서 열처리한 시편의 Rm 이 그룹간에 비교하면 일반적으로 Ar 가스 분위기 열처리한 시편의 Rm 이 높았으며, ½ΔR½ 값은 공기 분위기에서 열처리한 시편에서 가장 낮은 경향을 나타냈다. 이유는 열처리 중에 공기 분위기보다 불활성 Ar가스 분위기가 Cu의 산화 차단 효과로 재결정 집합조직에 영향을 주어 일어난 현상으로 판단된다[19].
4. 결론
(1) Cu판을 2차로30.1% 비대칭 압연 후 공기 분위기 1000°C에서 열처리 하였을 때 무질서 집합조직이 되었으며 평균 소성변형비 (Rm)는 초기 시편보다 1.03배 증가하였고 ½ΔR½값은 0.12배로 감소하였다.
(2) Cu판을 2차로18.8% 비대칭 압연 후 Ar분위기에서 630°C에서 열처리 하였을 때 γ-fiber집합조직과 β-fiber 집합조직인{011}<211>이 발달하였으며 평균 소성변형비 (Rm)은 초기 시편보다 1.68배 증가하였고 ½ΔR½값은 0.82배로 감소하였다.
5. 후기
본 연구는 금오공과대학교의 학술연구비 지원 사업으로 연구된 논문으로 이에 감사 드립니다.
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