15. 금속재료-금속가공

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1. 회복

냉간가공으로 금속이 받은 물리적, 기계적 성질의 변화는 풀림처리에 의하여 가공 전의 상태로 돌아가려는 경향을 가지나 결정립의 모양이나 결정의 방향에 변화를 일으키지 않고 물리적, 기계적 성질만이 변화하는 과정을 회복이라 한다. 회복의 과정에서 여러 성질의 변화는 반드시 동일한 경화를 보이지는 않는다. 예컨대 전기저항은

회복의 과정에서 서서히 감소하나 경도는 회복단계에서는 별로 변화하지 않고 재결정과정에서 급격히 감소한다.

회복의 과정에서는 결정구조가 전여 변화하지 않는다고 알려져 있으나 이것은 현미경으로 관찰된 조직만의 결과이며 X선 기술이나 전자현미경의 발달에 따라 회복과정에 있는 결정구조에도 약간의 변화가 있음이 인정되고 있다.

냉간가공으로 결정 내에 증가한 전위는 온도가 상승하여 활성화되면 먼저 슬립면위에서 이동하기 시작한다. 이때에 동일 슬립면 위에 서로 부호가 다른 전위가 존재하면 서로 가까워지고 드디어는 합체하여 소멸된다. 온도가 더욱 높아지면 슬립운동과 함께 전위의 상승운동이 일어나 이들 전위가 이동하여 점차 안정한 배열로 변한다.

만일 같은 부호의 전위가 동종의 슬립면 위에 있으면 그 슬립면은 (a)와 같이 만곡한다.

<냉간가공에 의한 결정면의 만곡(a)와 소둔에 의한 다각형화(b)>

 

이것이 풀림처리에 의하여 전위가 안정한 배열로 되면 전위는 (b)와같이 슬립면에 수직하게 병열하게 된다. 이 상태에서는 전위 사이의 부분은 슬립면이 직선화하기 때문에 다각형상이 되므로 이 현상을 다각형화(Polygonization)이라 부르고 있다. 또 이와 같이 전위가 일정하게 배열하면 전위열의 양측에 결정이 약간 경사한 소위 소경각입계(small angle boundary)를 형성하며 이것은 보통의 결정립계만큼 명확한 경계는 아니므로 아결정립계(sub-boundary)라 한다.

회복단계에서 전위는 겹겹이 정렬하여 아결정립계를 형성하며 이때 가입된 전위가 많으면 많을수록 아결정립계의 각은 커진다. 이밖에도 아결정립계는 냉간가공 된 상태에서도 형성되는 것을 볼 수 있는데 이때 형성된 아결정립계는 뚜렷하지 않으며 동시에 결정립 내에도 전위가 상당량 존재하고 있음을 볼 수 있다.

냉간가공이나 회복된 상태에서의 아결정립계는 최고 2°까지의 방위차를 가지며 원자자체는 볼 수 없기 때문에 조직에서 아결정립은 모습을 볼 수 있는 가장 작은 요소가 된다. 재결정이 진행되는 동안 전위는 슬립면 위에 집적된 전위뿐만 아니라 아결정립계에 자리한 전위까지도 완전히 사라져 이들 아결정립계는 극히 작은 각도차를 갖게 되어 더 이상 관찰되지 않으며 경화작용 역시 나타나지 않는다.

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2. 재결정

압연가공을 거친 판재와 같이 냉간가공 된 재료를 연화시키기 위해서는 로의 구조나 기타 조건에 따라서 수분 또는 수 시간 동안 높은 온도에서 가열한다. 변형을 일으킨 금속을 가열하면 그 내부에 새로운 결정립의 핵이 생기고 이것이 성장하여 전체가 변형이 없는 결정립으로 되는데 이 과정을 재결정이라 한다. 재결정은 재결정온도

이상에서 가열이 진행되는 동안 이루어지며, 주조조직이 액체금속으로부터 형성하는 반면 재결정은 고체상태에서 새롭게 형성된 결정조직을 의미한다. 즉 재결정의 진행과정은 액체로부터 결정이 형성되는 과정과 어느 정도 비슷한 것으로 아래 그림은 냉간가공 된 결정립을 일정온도에서 가열 하였을 때 가열시간에 따른 조직의 변화를

나타내었다.

<재결정의 핵생성과 결정성장>

(a): 가공 상태에서 재결정핵 생성

(b): 이미 생성된 핵이 성장하는 동안에 새로운 재결정핵 생성

(c): 재결정핵 성장 및 재결정 입자간의 충돌

(d): 제1차 재결정 완료

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만약 이 과정을 시편을 급냉시키는 방법으로 수초동안씩 구분하여 본다면 다음과 같은 조직을 얻을 수 있을 것이다. 대부분의 조직은 변형된 상태로 있는 반면 몇 개의 재결정핵이 변형된 조직사이에서 성장하기 시작한다.

가열이 지속됨에 따라 재결정은 시간을 요하는 변화로서 처음에는 전혀 변화가 나타나지 않는 잠복기가 있은 후 새로운 결정립이 나타난다. 처음에는 그 수도 적고 성장속도도 늦으므로 재결정의 진행은 늦으나 차차 빨라져서 드디어는 최고의 속도에 이르고 그 후 다시 점차 낮아져서 100% 재결정의 상태에 이른다. 이와 같은 재결정량과 시

간과의 관계를 등온재결정곡선(isothermal recrystallization curve)이라 한다. 한편 가열 온도가 높을수록 원자의 이동이 활발해져 재결정 속도는 증가한다.

재결정의 진행은 생성되는 결정핵의 수와 그 성장속도의 두 가지 인자로 결정된다.

단위시간, 단위부피 중에 생성되는 결정핵의 수를 핵생성빈도 N으로 표시하고 핵성장 속도를 G로 나타낼 때 재결정의 진행은 N과 G의 크기 또는 그 비 N/G에 의하여 좌우된다.

재결정의 처음단계에서는 성장하는 새로운 결정핵은 서로 영향을 미치는 일이 적으나 성장이 진행함에 따라서 결정립 상호간의 저촉이 일어나 성장을 방해한다. 결국 N이 작고 G가 크면 적은 수의 결정립이 크게 성장하고 반대로 N이 크고 G가 작으면 많은 수의 미세한 결정립이 된다.

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그림은 Al의 가공도에 대한 N, G 및 N/G의 변화를 표시한다.

가공도가 작은 범위에서는 N은 작으나 G는 상당히 크다. 따라서 약간 가공한 금속을 풀림처리하면 소수의 결정립이 크게 성장하고 반대로 강하게 가공한 금속은 다수의 미세한 결정립이 생긴다.

이밖에도 결정핵의 생성과 성장은 온도에 따라서도 변화한다. 따라서 재결정후의 금 속내부의 결정립의 크기는 가공도와 풀림온도의 함수로 생각할 수 있다. 가공도와 소둔 온도 및 시간을 적당히 조합하면 금속재료의 결정립을 원하는 크기로 조절할 수 있다.

가공조직으로는 보통 미세한 결정립을 갖는 재결정조직이 바람직한 것으로 이를 위해서는 주어진 가열 시간 내에 가능한 한 많은 재결정핵이 형성될 수 있도록 먼저 가공재를 강하게 가공(30~50%이상)할 것과 다음으로 풀림처리 시 가능한 신속하게 재결정온도로 가열하여야만 한다.

냉간가공도에 따른 결정립의 크기를 살펴보면, 약 2~10%의 냉간가공도를 갖는 재료를 풀림 처리할 경우 가장 조대한 결정립을 얻게 되는데 이러한 현상은 일례로 드로잉가공에서 찾아 볼 수 있다. 즉 부위에 따라 커다란 가공도외 차이를 갖는 가공제품을 풀림 처리할 경우 상대적으로 적게 가공된 영역에서 조대한 결정이 형성한다.

냉간가공 된 조직이 완전히 재결정립으로 변화함으로써 1차 재결정은 완료된다. 만일 고온 또는 장시간의 풀림을 계속하면 몇몇 재결정립이 인접한 결정립과 병합하면서 더욱 성장한다. 이렇게 하여 조직은 바람직하지 않은 불균일한 결정립 크기를 갖게 되는데 이를 피하기 위해서는 적절한 재결정 조건을 선택하여야만 한다. 풀림처리

시 조대한 결정립이 형성하는 원인을 요약하면 다음과 같다.

 

<Al의 가공도에 따른 핵생성 빈도(N), 성장속도(G) 및 N/G의 변화>

 

⑴ 냉간가공도가 너무 작을 경우

⑵ 풀림온도까지의 가열이 너무 느린 경우

⑶ 풀림온도가 너무 높은 경우

⑷ 풀림시간이 너무 긴 경우

⑸ 용질원소의 분포가 불량한 경우

재결정과 회복에 따는 격자의 응력제거 과정은 서로 비슷하게 진행된다. 재결정에

서 원자의 재정렬은 광범위하며 회복단계에서는 단지 부분적으로 이루어진다.

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3. 소성가공에 의한 영향

ㆍ고온가공과 상온가공

금속의 소성가공은 고온가공(hot working) 즉 열간가공 및 상온가공(cold working) 즉 냉간가공으로 나눌 수 있다. 일반적으로 가공하는 금속의 재결정온도보다 높은 온도에서 가공하는 것을 고온가공, 재결정온도보다 낮은 온도에서 가공하는 것을 냉간가공이라고 한다.

고온가공은 주조된 잉고트(ingot)를 고온에서 가공하면 사용동력도 적고 변형이 쉬우므로 고온에서 가공하는 것이다. 그러나 매끈한 표면과 정밀한 치수의 가공은 상온가공을 한다. 상온가공을 하면 금속결정의 내부에 전위나 공격자점과 같은 결함이 증가하므로 성질이 변화한다.

즉, 금속의 기계적 성질이 변하여 인장강도, 항복점, 경도 등이 현저히 증가하고 또 피로강도, 전기저항 등도 증가되며, 상온가공에서는 가공도의 증가와 더불어 항복점의 증가가 인장강도의 증가보다 크기 때문에 항복점이 인장강도에 접근한다. 그리고 연신율 및 단면수축률은 감소한다.

아래 그림은 0.12%C의 탄소강을 인발할 때의 기계적 성질을 나타낸 것이다.

가공도가 작은 범위에서는 급격히 성질이 변화하지만 가공도가 큰 구역에서는 변화가 작아진다.

보통 상온가공으로 경도가 크게 되고 강하여지는 현상을 가공경화(work hardening) 라고 한다.

가공경화의 정도는 가공하는 온도에 따라 다르며, 온도가 높아지면 작아진다. 그러므로 열간가공에서는 가공경화가 생기지 않는다.

<탄소강의 기계적 성질 변화>

ㆍ상온가공에 의한 내부응력

내부응력은 가공도가 크게 되면 증가한다. 또한, 재료를 상온가공하면 내부응력(internal stress)이 생긴다. 이것을 잔류응력(residual stress)이라고도 한다.

⑴ 시즈닝 크랙(seasoning crack)

상온가공으로 생긴 내부응력은 비록 가공 중에 파괴에 이르지 않더라도 사용 중에 파괴를 일으키는 중요 원인이 되는 경우가 많다.

내부응력을 받는 구조물 또는 제품에 어떠한 외력을 가하지 않은 방치상태에서 자연적으로 파괴가 되는 것을 시즈닝 크랙(seasoning crack)이라고 하며, 그 예로서 황동의 프레스 제품, 스피닝(spinning) 작업품, 콘덴서 관 및 소총 탄피 등의 시즈닝 크랙은 이와 같은 물품 등이 가공경화상태(work-hardening condition)에서 사용될 때에

일어나기 쉽다.

⑵ 부식균열(corrosion crack)

상온가공 된 재료가 어떤 종류의 수용액 중에서 쉽게 부식되어 균열이 생기는 현상을 응력부식(stress corrosion)이라고 하며, 이 균열은 결정입자의 경계에 따라 진행 되는 일이 많다. 보일러 강판의 내부 결정선균열, 특히 펀치로 뚫은 원형 리벳구멍 부분의 파열은 내부응력과 물 속의 가성 알칼리(NaOH, KOH 등)에 의한 영향에 기

인한다.

이것을 가성 취성이라 하며, 650℃에서 응력제거 풀림 열처리(stress relief annealing)를 함으로써 제거할 수 있다. 응력에 의한 부식의 다른 예는 스테인리스강, β-황동 및 Al-Mg 합금 등에서 볼 수 있다. 용융된 Pb과 Sn은 시료 속에 인장응력이 존재할 때 β-황동과 Ni-Cr강의 결정 경계에 침투하며, 연납은 비행기에 사용하는 Ni-Cr제 관축부분의 파괴를 일으키는 원인이 된다.

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출처 : 한국산업인력공단 금속재료 자료 활용

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