스테인리스 강의 기계적 거동을 제어하는 ​​입자 구조의 한 층에 대한 통찰력을 얻으면 이점을 얻을 수 있습니다.Getty Images
스테인리스강과 알루미늄 합금은 일반적으로 강도, 연성, 신장률, 경도를 중심으로 선택됩니다. 이러한 특성은 금속의 구성 요소가 가해지는 하중에 어떻게 반응하는지를 나타냅니다. 이는 원자재 제약 조건을 관리하는 데 효과적인 지표입니다. 즉, 파손되기 전에 얼마나 구부러질 수 있는지를 나타냅니다. 원자재는 파손되지 않고 성형 공정을 견딜 수 있어야 합니다.
파괴 인장 및 경도 시험은 기계적 특성을 결정하는 신뢰성 있고 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 원자재의 두께가 시험 샘플의 크기를 제한하기 시작하면 이러한 시험은 항상 신뢰할 수 있는 것은 아닙니다. 물론 평평한 금속 제품의 인장 시험은 여전히 ​​유용하지만 기계적 거동을 제어하는 ​​결정립 구조의 한 층을 더 자세히 살펴보면 이점을 얻을 수 있습니다.
금속은 입자라고 불리는 일련의 미세한 결정으로 이루어져 있습니다. 이 입자들은 금속 전체에 무작위로 분포되어 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 철, 크롬, 니켈, 망간, 실리콘, 탄소, 질소, 인, 황과 같은 합금 원소의 원자는 단일 입자의 일부입니다. 이러한 원자들은 금속 이온의 고용체를 형성하고, 이 이온들은 공유 전자를 통해 결정 격자에 결합됩니다.
합금의 화학적 조성은 결정 구조라고 하는 입자 내 원자의 열역학적으로 선호되는 배열을 결정합니다. 반복되는 결정 구조를 포함하는 금속의 균질한 부분은 상이라고 하는 하나 이상의 입자를 형성합니다. 합금의 기계적 특성은 합금의 결정 구조에 따라 결정됩니다. 각 상의 입자 크기와 배열도 마찬가지입니다.
대부분의 사람들은 물의 단계에 대해 잘 알고 있습니다. 액체 물이 얼면 단단한 얼음이 됩니다. 그러나 금속에 관해서는 고체 상이 하나만 있는 것은 아닙니다. 특정 합금 계열은 상의 이름을 따서 명명됩니다. 스테인리스강 중에서 오스테나이트계 300계 합금은 어닐링하면 주로 오스테나이트로 구성됩니다. 그러나 400계 합금은 430 스테인리스강에서는 페라이트로 구성되고 410 및 420 스테인리스강 합금에서는 마르텐사이트로 구성됩니다.
티타늄 합금도 마찬가지입니다. 각 합금 그룹의 이름은 실온에서의 주된 상을 나타냅니다. 알파, 베타 또는 둘의 혼합물입니다. 알파 합금, 거의 알파, 알파-베타, 베타 및 거의 베타 합금이 있습니다.
액체 금속이 응고하면 열역학적으로 선호하는 상의 고체 입자는 압력, 온도 및 화학적 조성이 허용하는 곳에서 침전됩니다. 이는 일반적으로 추운 날 따뜻한 연못의 표면에 있는 얼음 결정과 같은 계면에서 발생합니다. 입자가 핵을 형성하면 결정 구조는 다른 입자를 만날 때까지 한 방향으로 성장합니다. 결정 구조의 방향이 다르기 때문에 일치하지 않는 격자의 교차점에서 결정립계가 형성됩니다. 크기가 다른 루빅 큐브를 상자에 넣는 것을 상상해 보세요. 각 큐브는 정사각형 격자로 배열되어 있지만 모두 서로 다른 무작위 방향으로 배열됩니다. 완전히 응고된 금속 가공물은 겉보기에 무작위로 방향이 지정된 일련의 입자로 구성됩니다.
결정립이 형성될 때마다 선 결함이 발생할 가능성이 있습니다. 이러한 결함은 전위라고 하는 결정 구조의 일부가 없는 것입니다. 이러한 전위와 그에 따른 결정립 전체 및 결정립 경계를 가로지르는 움직임은 금속 연성의 기본입니다.
가공물의 횡단면을 장착하고, 연삭하고, 광택을 내고, 에칭하여 입자 구조를 관찰합니다. 균일하고 등축일 때 광학 현미경으로 관찰되는 미세 구조는 퍼즐 조각처럼 보입니다. 실제로 입자는 3차원이며 각 입자의 횡단면은 가공물 횡단면의 방향에 따라 달라집니다.
결정 구조가 모든 원자로 채워지면 원자 결합이 늘어나는 것 외에는 움직일 여지가 없습니다.
원자의 한 줄을 절반 제거하면 다른 원자가 그 위치로 미끄러져 들어갈 기회가 생겨 전위가 효과적으로 움직입니다. 가공물에 힘이 가해지면 미세 구조에서 전위의 집합적인 운동으로 인해 부러지거나 깨지지 않고 구부러지거나 늘어나거나 압축될 수 있습니다.
금속 합금에 힘이 작용하면 시스템의 에너지가 증가합니다. 소성 변형을 일으킬 만큼 충분한 에너지가 추가되면 격자가 변형되고 새로운 전위가 형성됩니다. 이로 인해 연성이 증가하는 것은 논리적으로 보입니다. 공간이 더 많이 확보되어 전위가 더 많이 움직일 가능성이 생기기 때문입니다. 그러나 전위가 충돌하면 서로를 고정할 수 있습니다.
전위의 수와 농도가 증가함에 따라, 더 많은 전위가 고정되어 연성이 감소합니다. 결국 너무 많은 전위가 나타나 냉간 성형이 더 이상 불가능해집니다. 기존의 고정 전위가 더 이상 움직일 수 없기 때문에 격자의 원자 결합은 끊어지거나 파단될 때까지 늘어납니다. 이것이 금속 합금이 가공 경화되는 이유이며, 금속이 파단되기 전에 견딜 수 있는 소성 변형의 양에 한계가 있는 이유입니다.
결정립은 어닐링에서도 중요한 역할을 합니다. 가공 경화된 재료를 어닐링하면 본질적으로 미세 구조가 재설정되어 연성이 회복됩니다. 어닐링 공정 동안 결정립은 세 단계로 변형됩니다.
사람이 붐비는 기차 안을 걷는다고 상상해 보세요. 군중을 밀어내려면 격자의 전위처럼 줄 사이에 틈을 내야 합니다. 그들이 앞으로 나아가면서 뒤에 있는 사람들이 그들이 남긴 공백을 채우고, 그들은 앞에 새로운 공간을 만듭니다. 그들이 객차의 반대쪽 끝에 도달하면 승객들의 배열이 바뀝니다. 너무 많은 사람이 한꺼번에 지나가려고 하면, 움직일 공간을 만들려고 하는 승객들이 서로 부딪히고 기차 벽에 부딪혀서 모두가 그 자리에 갇히게 됩니다. 전위가 많을수록 승객들이 동시에 움직이는 것이 더 어렵습니다.
재결정을 유발하는 데 필요한 최소 변형 수준을 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 금속이 가열되기 전에 충분한 변형 에너지가 없으면 재결정이 일어나지 않고 결정립은 원래 크기보다 계속 성장합니다.
기계적 특성은 결정립 성장을 제어함으로써 조절될 수 있습니다. 결정립 경계는 본질적으로 전위의 벽입니다. 전위는 움직임을 방해합니다.
결정립 성장이 제한되면 더 많은 수의 작은 결정립이 생성됩니다. 이러한 작은 결정립은 결정립 구조 측면에서 더 미세한 것으로 간주됩니다. 결정립 경계가 많을수록 전위 운동이 적고 강도가 더 높습니다.
결정립 성장이 제한되지 않으면 결정립 구조가 거칠어지고, 결정립이 커지고, 경계가 얇아지고, 강도가 낮아집니다.
입자 크기는 종종 5에서 15 사이의 단위 없는 숫자로 언급됩니다. 이는 상대적인 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. 숫자가 높을수록 입자 크기가 더 미세합니다.
ASTM E112는 입자 크기를 측정하고 평가하는 방법을 설명합니다. 여기에는 주어진 영역에서 입자의 양을 세는 것이 포함됩니다. 이는 일반적으로 원자재의 횡단면을 절단하고, 갈아서 연마한 다음, 산으로 에칭하여 입자를 노출시키는 방식으로 수행됩니다. 현미경으로 입자를 세며, 확대율을 통해 입자를 적절히 샘플링할 수 있습니다. ASTM 입자 크기 번호를 할당하면 입자 모양과 직경이 합리적인 수준으로 균일함을 나타냅니다. 작업물 전체에서 일관된 성능을 보장하기 위해 입자 크기 변화를 2~3개 지점으로 제한하는 것이 유리할 수도 있습니다.
가공 경화의 경우 강도와 연성은 반비례 관계를 갖습니다. ASTM 입자 크기와 강도 사이의 관계는 양의 강한 관계를 갖는 경향이 있으며, 일반적으로 신장률은 ASTM 입자 크기와 반비례 관계를 갖습니다. 그러나 과도한 입자 성장으로 인해 "완전히 연성인" 재료는 더 이상 효과적으로 가공 경화되지 않을 수 있습니다.
입자 크기는 종종 5~15 사이의 단위 없는 숫자로 지칭됩니다. 이는 상대적인 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. ASTM 입자 크기 값이 높을수록 단위 면적당 입자 수가 많아집니다.
어닐링된 재료의 입자 크기는 시간, 온도 및 냉각 속도에 따라 달라집니다. 어닐링은 일반적으로 합금의 재결정 온도와 녹는점 사이에서 수행됩니다. 오스테나이트계 스테인리스 강 합금 301에 권장되는 어닐링 온도 범위는 화씨 1,900~2,050도입니다. 화씨 2,550도에서 녹기 시작합니다. 이와 대조적으로 상업적으로 순수한 1등급 티타늄은 화씨 1,292도에서 어닐링하고 화씨 3,000도에서 녹습니다.
어닐링 과정에서 회복 및 재결정 과정은 재결정된 입자가 모든 변형된 입자를 소모할 때까지 서로 경쟁합니다. 재결정 속도는 온도에 따라 달라집니다. 재결정이 완료되면 입자 성장이 시작됩니다. 1,900°F에서 1시간 동안 어닐링한 301 스테인리스강 가공물은 같은 시간 동안 2,000°F에서 어닐링한 동일한 가공물보다 입자 구조가 더 미세합니다.
재료가 적절한 어닐링 범위에 충분히 오랫동안 유지되지 않으면 결과적인 구조는 오래된 입자와 새로운 입자가 혼합된 형태가 될 수 있습니다. 금속 전체에 걸쳐 균일한 특성이 요구되는 경우, 어닐링 공정은 균일한 등축 입자 구조를 달성하는 것을 목표로 해야 합니다. 균일하다는 것은 모든 입자가 거의 같은 크기라는 것을 의미하고, 등축이라는 것은 거의 같은 모양이라는 것을 의미합니다.
균일하고 등축인 미세 구조를 얻기 위해서는 각 가공물을 동일한 시간 동안 동일한 양의 열에 노출시키고 동일한 속도로 냉각해야 합니다. 일괄 어닐링에서는 이것이 항상 쉽거나 가능한 것은 아니므로, 적어도 침지 시간을 계산하기 전에 전체 가공물이 적절한 온도에서 포화될 때까지 기다리는 것이 중요합니다. 침지 시간이 길고 온도가 높을수록 결정립 구조가 거칠어지고 재료가 부드러워지며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
입자 크기와 강도가 연관되어 있고 강도가 알려져 있다면, 왜 입자 크기를 계산해야 할까요? 모든 파괴 시험에는 변동성이 있습니다. 특히 얇은 두께에서의 인장 시험은 시편 준비에 크게 좌우됩니다. 실제 재료 특성을 반영하지 않는 인장 강도 결과는 조기 파손을 초래할 수 있습니다.
가공물 전체의 특성이 균일하지 않은 경우, 한쪽 끝에서 인장 시험편이나 샘플을 채취하는 것만으로는 전체적인 상황을 파악하기 어려울 수 있습니다. 샘플 준비 및 시험에도 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. 주어진 금속에 대해 몇 번의 시험이 가능하며, 몇 방향에서 시험이 가능할까요? 결정립 구조를 평가하는 것은 예상치 못한 상황에 대비하는 추가적인 방법입니다.
이방성, 등방성. 이방성은 기계적 성질의 방향성을 나타냅니다. 강도 외에도 이방성은 결정립 구조를 조사하면 더 잘 이해할 수 있습니다.
균일하고 등축인 결정립 구조는 등방성이어야 합니다. 즉, 모든 방향에서 동일한 특성을 가져야 합니다. 등방성은 동심성이 중요한 딥 드로잉 공정에서 특히 중요합니다. 블랭크를 금형에 넣으면 이방성 재료가 균일하게 흐르지 않아 이어링이라는 결함이 발생할 수 있습니다. 이어링은 컵의 윗부분이 물결 모양의 실루엣을 형성하는 곳에서 발생합니다. 결정립 구조를 검사하면 작업물의 불균일성 위치를 파악하고 근본 원인을 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
적절한 어닐링은 등방성을 달성하는 데 중요하지만, 어닐링 전에 변형 정도를 이해하는 것도 중요합니다.재료가 소성 변형되면 결정립이 변형되기 시작합니다.냉간 압연의 경우 두께를 길이로 변환하면 결정립이 압연 방향으로 길어집니다.결정립의 종횡비가 변함에 따라 등방성과 전반적인 기계적 특성도 변합니다.심하게 변형된 작업물의 경우 어닐링 후에도 일부 방향이 유지될 수 있습니다.이로 인해 이방성이 발생합니다.딥 드로잉 재료의 경우 마모를 방지하기 위해 최종 어닐링 전에 변형량을 제한해야 하는 경우가 있습니다.
오렌지 껍질. 픽업은 다이와 관련된 유일한 딥 드로잉 결함이 아닙니다. 오렌지 껍질은 입자가 너무 거친 원자재를 뽑을 때 발생합니다. 각 입자는 독립적으로 그리고 결정 방향의 함수로 변형됩니다. 인접한 입자 사이의 변형 차이로 인해 오렌지 껍질과 유사한 질감이 나타납니다. 질감은 컵 벽의 표면에 드러난 입자 구조입니다.
TV 화면의 픽셀과 마찬가지로, 미세한 입자 구조를 가지면 각 입자 간의 차이가 눈에 띄지 않아 해상도가 효과적으로 높아집니다. 기계적 특성만 지정하는 것은 오렌지 껍질 효과를 방지할 만큼 충분히 미세한 입자 크기를 보장하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 공작물 크기 변화가 입자 직경의 10배 미만인 경우 개별 입자의 특성이 성형 거동을 좌우합니다. 많은 입자에 걸쳐 동일하게 변형되지 않고 각 입자의 특정 크기와 방향을 반영합니다. 이는 그려진 컵의 벽면에 나타나는 오렌지 껍질 효과에서 확인할 수 있습니다.
ASTM 입자 크기가 8인 경우, 평균 입자 직경은 885µin입니다. 이는 0.00885인치 이하의 두께 감소가 이 미세 성형 효과에 영향을 받을 수 있음을 의미합니다.
거친 입자는 심인발 문제를 일으킬 수 있지만, 때로는 임프린팅에 권장됩니다. 스탬핑은 블랭크를 압축하여 원하는 표면 지형(예: 조지 워싱턴의 얼굴 윤곽의 4분의 1)을 부여하는 변형 공정입니다. 와이어 드로잉과 달리 스탬핑은 일반적으로 대량의 재료 흐름을 수반하지 않지만 많은 힘이 필요하며, 이는 블랭크의 표면을 변형시킬 수 있습니다.
이러한 이유로, 더 거친 입자 구조를 사용하여 표면 흐름 응력을 최소화하면 적절한 금형 충전에 필요한 힘을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 특히 자유 다이 임프린팅의 경우에 해당하는데, 표면 입자의 전위가 입자 경계에 축적되지 않고 자유롭게 흐를 수 있기 때문입니다.
여기서 논의되는 추세는 특정 부문에는 적용되지 않는 일반화된 내용입니다. 그러나 새로운 부품을 설계할 때 흔히 저지르는 실수를 피하고 성형 매개변수를 최적화하기 위해 원자재 입자 크기를 측정하고 표준화하는 것의 이점을 강조했습니다.
정밀 금속 스탬핑 기계 제조업체와 금속에 대한 딥 드로잉 작업을 통해 부품을 성형하는 업체는 기술적으로 자격을 갖춘 정밀 재롤러를 사용하는 야금학자와 긴밀히 협력하여 재료를 입자 수준까지 최적화하는 데 도움을 받을 수 있습니다. 관계의 양쪽에 있는 야금 및 엔지니어링 전문가가 하나의 팀으로 통합되면 혁신적인 영향을 미치고 더 긍정적인 결과를 낼 수 있습니다.
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