클래드 판재 번역(한국어 원본)1. 서 론
최근 기존의 단일 소재가 가졌던 한계를 극복하기 위하여 두가지 이상의 이종 금속을 접합한 클래드 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 주요 활용 분야는 전자/전기, 자동차, 항공 분야 등이 중심을 이루고 있으며 제작되는 방식에 따라 크게 용융과 고상 기반으로 분류할 수 있다. 고상 기반 판재 제조 방식으로 롤 본딩법, 폭발압접법, 마찰 접합법 등이 대표적이며 공정의 편의성, 경제성, 연속성 등을 고려해 롤 본딩법이 가장 널리 이용되고 있다[1].
이러한 클래드 소재에 대한 연구는 국내·외에서 다양한 관점에서 활발히 진행 중에 있는데 Mori[2] 등, Manesh[3] 등은 성형성 시험을 이용하여 알루미늄 클래드 소재의 성형성에 대해 연구하였고 Zavaliangos[4] 등, Kawanami[5] 등은 압연 접합공정에 대해 연구하였다. 또한, Yoshida[6,7] 등은 Yoshida-Uemori 경화모델을 이용한 스프링백 예측 및 파단예측을 하였다. 하지만 클래드 소재의 각각의 물성측정에 대한 연구는 서로 다른 항복시점, 이방성에 의해 발생되는 밴딩현상, 접합과정에서의 물성변화 등으로 인해 여전히 미흡한 실정에 있으며 접합소재에 따라 기계적 특성이 다르기 때문에 이러한 연구는 지속적으로 이루어져야 한다.
본 연구에서는 Ti/Al 클래드 판재를 이용하여 압하율 및 열처리 조건에 따른 재료의 기계적 성질 변화를 알아봄으로써 차후 클래드 판재의 제조조건 및 제품 성형조건에 활용될 수 있도록 하였다. 또한, 각각의 소재에 대한 물성측정이 용이하지 못한 점을 개선하고자 거시적 관점에서 경도를 이용하여 강도를 환산하는 방법에 대해 연구하고 해석에 적용하였다.
2. 압하에 따른 기계적 특성의 변화
2.1 Ti/Al 클래드 판재의 제조
Ti/Al 클래드 판재의 압하/열처리에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여 클래드 판재를 제조하였다. Fig.1은 각 소재의 압하 전 두께를 도시화한 것이고 Table 1은 클래드 판재의 제조조건이다.
2.2 압하 전 Ti과 Al의 단축인장시험
압하에 따른 기계적 특성 변화를 분석하기 위하여 먼저 압하 전 Ti과 Al의 강도 및 연신율을 측정하였다. 단축인장시험은 INSTRON 5882 만능재료시험기를 사용하였고 크로스헤드 속도는 2mm/min이다. 변형률은 비접촉식 측정 장치인 AVE(Advanced Video Extensometer)를 이용하여 측정하였다. 시편규격은 KS 0801 13B이며 방향별(0°, 45°, 90°)로 수행되었다.
Fig.2는 각 소재에 대한 방향별 시험결과로 Ti이 Al에 비해 강도가 높은 것으로 측정되었고 연신율은 Al은 약 35%이고 Ti은 약 30%으로 측정되었다.
2.3 압하에 따른 강도 및 연신율의 변화
클래드 판재는 접합과정에서 가공경화에 의한
강도 및 연신율 변화가 수반되기 때문에 압하율에 따른 인장시험을 수행하였다. 인장시험조건은 압하 전 시험과 동일하며 압하율, 방향별로 이루어졌다. 시험결과는 0° 방향을 기준으로 최소 5회 측정 후 평균값으로 도출하였다. Fig. 3과 Fig. 4는 각각 압하율에 따른 항복응력과 연신율을 나타낸 것으로 압하율 48%~60%에서는 항복응력의 차가 약 20MPa이고 비교적 선형적으로 증가하였다. 연신율은 압하율50%이하에서 10%이상을 유지하였고 압하율45%이하에서는 연신율15%이상을 보일 것으로 예측되었다.
2.4 Ti/Al 클래드 판재에 적합한 열처리
조건
Fig.4에서 확인할 수 있듯이 클래드 판재는 접합과정에 따라 연신율 확보가 어렵다. 따라서 적합한 열처리 조건은 판재제조과정에서 가장 중요한 요소이다. Ti/Al 클래드 판재에 적합한 열처리 조건은 거시적 관점에서 항복응력과 연신율 변화를 기준으로 도출하였다. 사용된 소재는 압하율 60%의 소재이며 Fig. 5와 Fig. 6은 각각 열처리 조건에 따른 항복응력과 연신율을 도시한 그래프이다. 동일한 온도에서 10분 간격으로 동일한 응력 및 연신율이 측정되었고 400℃ 20분, 500℃ 10분에서 항복응력은 크게 낮아지고 연신율은 20%이상으로 크게 증가되었다. 또한, 500℃ 10분과 600℃ 10분의 시험결과 차는 크지 않았다. 따라서 일반적으로 알려져 있는 Ti과 Al의 연화현상을 고려한다면 Ti/Al 클래드 소재의 열처리 조건은 500℃~600℃가 적합할 것으로 판단된다.
2.5 압하에 따른 계면반응상의 형성 및
두께변화
계면반응상은 재료의 기계적 성질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있기 때문에[8] 광학현미경(OM)을 이용하여 압하율에 따라 계면반응상의 형성 정도를 관찰하였다. Fig. 7는 압하율에 따른 시험결과를 나타낸 것으로 크게 계면반응상이 관찰되지 않았다.
압하율에 따른 단면 두께 변화를 측정하였다. 클래드 판재는 압하에 따라 두께변화가 수반되기 때문에 압하율에 따른 각 소재의 두께변화는 각 소재의 초기 두께 설정에 중요한 척도이다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 압하율에 따른 두께 감소비는 비교적 일정하게 유지되었으며 향후 클래드 소재의 각 초기 두께설정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2.6 단면/압하에 따른 경도의 변화
단면 및 압하율에 따른 경도변화를 알아보기 위해 비커스 경도시험을 수행하였다. 시험방법은 KS B 0811을 따르며 시험하중은 0.1kgf이다. 우선 계면반응상의 형성정도를 알아보기 위해 단면에 대한 경도측정을 수행하였다. Fig. 9는 단면에 대한 측정 위치를 나타낸 것으로 표면에서부터 두께방향으로 측정하였다. Fig.10은 시험결과로 계면부에서 경도가 크게 높아지거나 Macro scale에서 재료의 기계적 거동에 영향을 줄 만한 값이 관찰되지 않았다. 이는 광학현미경 시험과 부합되는 결과로 계면반응상이 크게 형성되지 않았음을 뜻한다.
Fig.11은 압하율에 따른 경도 시험결과이다. Ti이 Al에 비해 경도 변화량이 크고 압하율 50%이상에서 각각 Ti은 3~5HV씩 증가하였고 Al은 일정하게 유지되었다. |
클래드 판재 번역(영어 번역본)1. Introduction
Recently, research on clad materials is garnering growing attention as a solution to overcoming limitations imposed on single-component materials. Clad materials are laminates with two or more materials welded together. Main applications are in electronics, automobiles, and aircrafts. It can be classified as melted or solid-phase depending on the manufacturing process. Representative manufacturing methods for solid-phase sheet are roll-bonding, explosive welding, and friction welding. Among these, roll-bonding method is the most popular due to its ease of processing, low cost, and sustainability [1].
Various studies on clad materials are being conducted both domestically and internationally. Mori et al. [2] and Manesh et al. [3] used formability test to research formability of aluminum clad materials. Zavaliangos et al. [4] and Kawanami et al. [5] have researched roll-bonding. Also, Yoshida et al. [6, 7] have used the Yoshida-Uemori hardening model to predict springback and fracture. However, research on mechanical property measurement of clad materials is lacking due to different yield points, bending from anisotropy, and changes in properties during the bonding. Adhesive may also alter the mechanical properties. Therefore, such research must be conducted continuously.
In this study, we used Ti/Al clad materials to observe changes in mechanical properties of the material with respect to reduction ratio and heat treatment conditions. The findings can be applied to the research of the manufacturing process and molding condition of clad materials in the future. Additionally, we developed a method to convert the macroscopic hardness to strength and applied to analysis, thereby facilitating materials property measurement of different materials that had been difficult to perform to date.
2. Changes in mechanical properties after reduction
2.1 Manufacture of Ti/Al clad sheet
Ti/Al clad sheet was manufactured to observe changes in mechanical properties after reduction or heat treatment. Fig. 1 shows the thickness of each material prior to reduction, and Table 1 shows the manufacturing condition for the clad sheets.
2.2 Tensile test of Ti and Al prior to reduction
First, strength and elongation rate of Ti and Al were measured to analyze changes in mechanical properties with reduction. Tensile tests were conducted on an INSTRON 5882 universal testing machine, using the crosshead speed of 2 mm/min. Strain was measured using an advanced video extensometer (AVE), which is a non-contact type device. Sample was prepared according to KS 0801 13B, and measurements were taken in three directions (0°, 45°, and 90°). Measurements in each direction showed that Ti was stronger than AL, and elongation rate was about 35% for Al and about 30% for Ti (Fig. 2).
2.3 Changes in strength and elongation rate with reduction
Tensile test was performed for different reduction ratios because changes in strength and elongation occur for clad materials due to hardening during the bonding process. Conditions were the same as for the tensile test prior to reduction. Tests were repeated for different reduction ratios and directions. Average of at least five measurements was recorded with respect to 0° direction . Fig. 3 shows yield stress as a function of reduction ratio and Fig. 4 shows elongation as a function of reduction ratio. The difference in yield stress was about 20 MPa at reduction ratio of 48% to 60% and increased relatively linearly. Elongation remained above 10% for reduction ratio lower than 50%, and it was predicted that the elongation will be higher than 15% at reduction ratio lower than 45%.
2.4 Heat treatment condition suitable for Ti/Al clad sheet
As shown in Fig. 4, it is difficult to obtain high elongation for clad materials due to the bonding process. Therefore, appropriate heat treatment condition is the most important element in sheet manufacturing process. Heat treatment condition suitable for Ti/Al clad sheet was determined from a macroscopic perspective using yield stress and changes in elongation. Material used had reduction ratio of 60%. Fig. 5 shows yield stress and Fig. 6 shows elongation for different heat treatment. Stress and elongation was measured every 10 minute at the same temperature. Yield stress significantly decreased after 20 minutes at 400 ℃ and after 10 minutes at 500 ℃. At the same time, elongation greatly increased to over 20%. Also, results for 10 minutes at 500 ℃ and those for 10 minutes at 600 ℃ did not differ significantly. Taking into account the softening phenomenon that occurs in Ti and Al, heat treatment condition appropriate for Ti/Al clad material was determined to be from 500 ℃ to 600 ℃.
2.5 Formation of interfacial reaction phase and changes in its thickness for different reduction ratios
Interfacial reaction phase is known to affect mechanical properties of the material [8]. Therefore, optical microscope (OM) was used to observe the extent of interfacial reaction phase formation for different reduction ratios. Fig. 7 shows the micrographs, which did not exhibit significant interfacial reaction phase.
Next, changes in cross-sectional thickness were measured for different reduction ratios. Reduction of a clad sheet is accompanied by a change in its thickness. Therefore, changes in thickness after reduction for different materials are important references for selecting the initial thickness. Decrease in thickness was observed to remain relatively constant for different reduction ratios (Fig. 8). This finding may be utilized for selecting initial thickness of clad materials in the future.
2.6 Changes in hardness along the depth and after reduction
Vickers hardness test was performed to examine the changes in hardness along the depth and after reduction. Test was performed according to KS B 0811 using a test load of 0.1 kgf. First, in order to examine the extent of formation of interfacial reaction phase, hardness was measured along the depth. Fig. 9 shows the measurement sites across the cross section. Measurement was performed from the surface into the material. Hardness was not significantly increased at the interface and no observation was made at a macroscopic level that would affect mechanical behavior of the material. The results suggest that formation of interfacial reaction phase was not significant, which is in accordance with the optical microscope test.
Fig. 11 shows hardness test result for different reduction ratios. Ti had larger changes in hardness compared to Al. For reduction ratio of over 50%, hardness for Ti increased by 3 to 5 HV while it remained the same for Al. |
