1. 서 론
비대칭압연의 일종인 이속압연(Differential Speed Rolling, DSR)1-3)은 동속압연(Conventional Rolling, CR)에서는 두 께 표면부위에만 도입되는 전단변형을 내부까지 도입시 킬 수 있으므로 두께 방향으로 균일한 변형을 부가하는 데에 매우 유리한 가공법이라 할 수 있다. 또한, 압연 롤과 재료사이의 마찰계수가 큰 조건의 일반 압연에서 재료 표면부위에만 도입되는 전단집합조직의 한 성분인 <111>//ND를 재료 전체에 도입하여 성형성 향상에 기여 할 뿐 아니라,4) cube texture를 갖지 않게 되어 굽힘 특 성 향상에도 효과가 있다고 알려져 있다.5) 그러므로 최 근 동 및 동합금의 미세조직 및 집합조직 제어를 목적 으로 이속압연을 적용한 사례가 많이 보고되고 있다.6-9) 본 연구팀에서도 이전 연구에서 무산소동에 이속압연을 적용하여 이속압연이 동속압연에 비해 균일 석출물 형 성에 유리한 균일변형량 도입에 매우 효과적임과,6) 이와 같은 이속압연의 효과는 어닐링 후에도 확연히 나타남 을 입증하였다.7) 또한 일반 상용 동합금으로 많이 사용 되고 있는 C194(Cu-Fe-P)합금에도 이속압연을 적용하여 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 이속압연의 효과를 조사한 바 있다.8) 또한, Cu-Fe-P합금에도 비대칭압연을 적용하여 두께방향으로 균일한 변형을 도입하는 것이 가 능함을 제시하였다.9,10) 이와 같은 이속압연의 효과는 재 료의 종류 뿐 아니라 합금성분에 따라서도 그 정도가 다 르게 나타날 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 새 롭게 합금설계한 Cu-Ni-Si계 동합금에 이속압연을 적용 하여 압연 후의 미세조직 및 기계적 특성을 조사하였으 며, 종래(동속)의 압연법에 의해 얻어진 결과와 비교하 고 고찰하였다.
2. 실험 방법
2.1. 이속압연
본 연구에 사용된 동합금은 새롭게 합금설계하여 만든 Cu-3.0Ni-0.7Si합금이다. 출발재료는 두께 3 mm, 폭 25 mm, 길이 300 mm인 열간압연 판재이다. 사용된 압연기 는 상부롤과 하부롤의 주속을 다르게 제어할 수 있는, 롤 직경이 130 mm인 이속압연기였으며, 압연은 압하율 을 50 %로 하여 상온 무윤활 조건에서 실시하였다. 이 속압연은 고속(high speed))인 상부롤의 주속(v2)을 4.0 m/ min, 저속(low speed)인 하부롤의 주속(v1)을 2.0 m/min, 즉, 이속비(difference speed ratio)를 2:1로 하여 실시하 였다. 또한 비교를 위하여 동속 압연도 실시하였는데, 상 부롤과 하부롤 속도를 모두 주속 2.0 m/min의 동일 속 도에서 실시하였다. 압연에 의해 도입되는 전단변형량을 측정하기 위해 이전 연구와 동일한 방법으로 압연 전에 시편 중앙부위에 시편과 동일한 재질의 핀을 삽입하여 두께방향으로의 전단변형량의 크기를 정량적으로 측정하 였다.6)
2.2. 조직 관찰
압연 전 및 압연 후의 시편에 대하여 광학현미경(Optical Microscopy)에 의한 조직관찰과 EBSD(Electron Back Scattering Diffraction)측정을 실시하였다. 조직관찰은 시 편을 횡단면(TD면)에서 판재 절단기로 잘라내어 연마 후 (NH4)2S2O8의 10 % 수용액에서 화학부식한 후 관찰하였 다. EBSD측정의 경우, 판재의 폭 중앙부에서 TD면에 평 행하게 압연방향으로 시편을 얇게 잘라서, mP2O5·nH2O : H2O = 1:3 용액속에서 액체온도 0 °C, 전압 5 V의 조건 에서, twin jet 전해연마에 의해 경면 가공 후 EBSD 측정을 하였다. FE-SEM/EBSD 측정은, Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조건하에 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하여 실시하였다. EBSD 데이터 해석은 TSL OIM Analysis ver.3.0을 이용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 압연에 의해 도입된 전단변형량의 크기
Fig. 1은 핀삽입법에 의해 구한 두께방향으로의 전단 변형량 분포를 나타낸 것이다. 시편의 실제 두께는 1.50 mm이지만 두께방향의 상대 위치를 나타내기 위해서 가 로축을 Δt/t(t: 시편의 실제 두께, Δt: 실제 두께와 상부롤 부위를 기준으로 측정한 위치까지의 거리와의 차이)의 값 으로 나타내었다. 여기서는 편의상 시편의 상부롤 방향 에 대하여 압연방향으로의 전단변형량을 양의 값으로 정 하고 압연 반대방향으로의 전단변형량을 음의 값으로 나 타내기로 한다. CR의 경우, 그림에서와 같이, 전단변형 량의 값이 상부롤 측 부위(upper roll side)에서는 양의 값을 나타내지만 하부롤 측 부위(lower roll side)에서는 0 또는 (그 절대값이 크지 않은) 음의 값을 나타내고, 중 앙(center) 부위에서는 0을 나타내는 것을 알 수 있다. 이 것은 다른 합금들의 경우와는 달리 동속 압연에서도 하 부롤 측 표면 부위에서도 전단병형이 거의 도입되지 않 았음을 의미한다.8-10) 그러나 DSR의 경우에는 모든 위치 에서 0 또는 양의 전단변형량을 나타내었다. 즉, CR의 경 우와 달리 음의 전단변형이 작용하지 않았다. 그러나, DSR에서도 도입된 전단변형량의 크기는 그리 크지 않 음을 그림을 통해 알 수 있다.
3.2. 미세조직(Microstructure)
Fig. 2는 압연 전 및 압연 후의 시편의 두께방향으로 의 광학현미경 조직사진을 나타낸 것이다. 압연 전 시 편은 모든 부위에서 재결정 조직을 나타내며 어닐링 쌍 정도 많이 관찰된다. 또한, 동속(CR) 및 이속 압연(DSR) 시편 모두 결정립이 압연방향으로 크게 연신된 냉간압 연 조직을 나타내고 있으며, 압연 방법에 따른 광학현 미경 미세조직의 차이는 거의 나타나지 않았다.
Fig. 2.
Optical microstructures observed at TD plane in thickness direction of the materials before rolling, after conventional rolling(CR) and after differential speed rolling(DSR).
Fig. 3은 동속압연 후 시편의 EBSD 측정 결과를 나 타낸 것이다. 그림에서와 같이 상부롤 부위(Δt/t = 0.1)는 압축변형과 전단변형이 동시에 작용하여 결정립 크기가 작으며, {011}<211>방위(Brass방위)를 주성분으로 하는 합금형 압연집합조직과 {112}<111>방위(Cu방위)를 주성 분으로 하는 순금속형 압연집합조직이 주로 발달하였으 며, 동속압연에서 표면 부위에서 주로 나타나는 전단집 합조직은 발달하지 않았다. 이것은 본 실험의 경우 Fig. 1에서와 같이 표면 부위에 도입된 전단변형량의 크기가 작았기 때문인 것으로 판단된다. 또한 GB map에서와 같 이 고경각입계의 분율이 약 65 %로 저경각입계의 분율 35 %보다 더 많음을 알 수 있다. 두께의 1/4 부위(Δt/t = 0.25)에서는 Brass방위를 주성분으로 하는 합금형 압연 집합조직이 지배적이었으며 고경각입계의 분율이 더 증 가하여 약 71 %에 달함을 알 수 있다. 또한, 센터 부위 (Δt/t = 0.5)에서도 {112}<111>방위(Cu방위)를 주성분으로 하는 압연집합조직이 주로 발달하였으며 고경각입계 분 율 또한 더 증가하여 약 85 %에 달함을 알 수 있다. 이 것은 표면에서 저경각입계의 분율이 상대적으로 높다는 것을 의미하는데 압연 시 표면 부위에 도입된 총 변형 량의 크기가 다른 부위에 비해 컸기 때문인 것으로 사 료된다.
Fig. 3.
Normal direction(ND) maps, rolling direction(RD) maps and grain boundary(GB) maps in thickness direction of the material after conventional rolling(CR).
Fig. 4는 이속압연 후 시편의 EBSD 측정 결과이다. 그 림에서와 같이 상부롤 부위, 중앙 부위, 하부롤 부위 등 부위에 따라 집합조직의 발달에 차이는 다소 있으나, 모 든 부위에서 {011}<211>, {112}<111>, {123}<634> 등 대표적인 압연집합조직이 주로 발달한 것을 알 수 있 다. 일반적으로 이속압연을 행하면 두께방향으로 전단변 형이 도입되어 전단집합조직성분인 {111}<110>, {001} <110>, {112}<110> 등의 집합조직이 발달한다. 그러나 본 연구에서는 이속압연에 의해 전단변형이 도입되었음 에도 불구하고 전단집합조직은 거의 발달하지 않았다. 이 것은 이전 연구10)와 마찬가지로 이속압연에 의해 도입된 전단변형량이 적었기 때문인 것으로 사료된다.
3.3. 기계적 성질(Mechanical Properties)
Fig. 5에 출발재료 및 압연 가공된 재료의 두께방향으 로의 경도분포 및 평균경도를 나타내었다. Fig. 5a에서 와 같이 출발재료 및 동속, 이속압연 재료 모두 두께방 향으로 다소 불균일한 경도분포를 나타내었고, 압연재료 가 출발재료보다 더 큰 경도값을 나타내었으나 동속, 이 속에 의한 경도 값의 차이는 그리 크지 않았다. 일반적 으로 무윤활 상태에서 동속 압연을 행할 경우, 피가공 재의 표면 부위에는 압축변형 외에 여분의 전단변형이 도 입되므로 중앙 부위에 비해 높은 경도값을 나타낸다. 본 연구에서도 일반 압연의 경우 표면 부위에서 비교적 높 은 경도값을 나타낸 것은 표면부위에 여분의 전단변형 이 도입되었기 때문이라 판단된다. 그러나 이속압연을 행 하면 두께 전체에 균일한 변형량이 도입되므로 비교적 균일한 경도분포를 보이는데, 본 연구에서도 표면과 중 앙에서 경도의 뚜렷한 차이가 나타나지 않은 것은 이와 같은 전단변형의 도입에서 큰 차이가 없었기 때문이라 사료된다. 평균경도는 Fig. 5b에서와 같이 동속에 비해 이속에서 약 4.0 Hv 정도 큰 값을 나타내었다.
Fig. 5.
The variation of hardness in thickness direction(a) and the average hardness(b) of the materials before rolling, after conventional rolling(CR) and after differential speed rolling(DSR).
Fig. 6에 압연 가공된 재료의 공칭응력-공칭변형량 곡 선을 나타내었다. 그림과 같이 동속, 이속에서 거의 유사 한 곡선 형태를 나타내었으며 이속의 인장강도(641MPa) 가 동속(629MPa)에 비해 12MPa 큰 값을 나타내었다. 이와 같은 인장 강도의 차이는 평균 경도에서의 차이와 잘 대응한다.
4. 결 론
이속압연에 의해 가공된 Cu-Ni-Si 합금의 미세조직 및 기계적 성질을 조사하여 동속압연재료와 비교한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.
1) 동속압연재료에서의 전단변형량의 값은 상부롤 측 부위에서는 양의 값을 나타내지만 하부롤 측 부위에서 는 0 또는 음의 값을 나타내고, 중앙 부위에서는 0을 나 타내었으나, 이속압연재료의 경우에는 모든 위치에서 0 또는 양의 전단변형량을 나타내었으며 그 크기는 그리 크지 않았다.
2) 동속, 이속압연재료 모두에서 두께 방향의 모든 부 위에서 전형적인 압연집합조직이 주로 발달하였으며 이 것은 전단변형이 효과적으로 도입되지 않은 결과이다.
3) 동속, 이속압연재료 모두 두께방향으로 다소 불균 일한 경도분포를 나타내었고, 경도의 평균값은 동속재료 에 비해 이속재료에서 다소 큰 값을 나타내었다.
4) 인장강도 또한 동속에 비해 이속압연재료에서 다소 큰 값을 나타내었다.
