Topic : (1) 재결정과 풀림처리 (2) 온도에 따른 가공방법 분류 (3) 재료의 선택 제3장 금속구조와 가공특성 II Topic : (1) 재결정과 풀림처리 (2) 온도에 따른 가공방법 분류 (3) 재료의 선택 Q1: 결정립에 전위가 집적됨으로 인해 나타나는 기계적 성질의 변화는? Q2: 재결정에 영향을 주는 인자는? Q3: 열간간공과 냉간가공은 어떻게 구분되는가?

문제: Mercedes-Benz는 속도에 따라 차체의 높낮이가 조절되는 스포츠 세단인 CLS500의 안정성을 위해 휠너트를 AMG에 의뢰해 특수 제작하기로 했다. 하나는 냉간가공으로, 다른 하나는 열간가공으로 가공하였다. 가공방법에 따라 CLS500의 성능이 달라질까?

재결정 단계와 특성 변화 (0) 냉간가공 >>> 전위집적 잔류응력의 완화 기계적 성질 및 결정립크기에는 변화 없음. (1) 회복단계 (recovery) (2) 재결정 시작 등축 결정립이 기존의 결정립계에서 생성 시간 및 온도에 의존 재결정온도 1시간에 95%가 재결정되는 온도 (0.3~0.5)Tm [K] (3) 결정립 성장 미세결정립이 합하여 조대화

재결정에 영향을 주는 인자 * 냉간가공도 높을수록 미세결정립 재결정 소요온도 낮음. * 온도 증가하면 재결정 시간 감소 * (가열) 시간 원자들의 확산 * 방향성 선택적 방향성은 재결정 후에도 유지

풀림열처리 (Annealing) 절차: 가열 > 유지 > 천천히 냉각 산화방지 필요 (불활성기체 분위기) * 목적: 연성 증가, 경도 및 강도 저감, 잔류응력 해소, 균질의 미세 결정립 절차: 가열 > 유지 > 천천히 냉각 산화방지 필요 (불활성기체 분위기) 비용 증가 >>> 가공열처리(thermo-mechanical process) 개발

온도에 따른 가공의 분류 기계가공 최소화 냉간가공 표면정도 우수 크기가 작고 축대칭인 부품 온간가공 재결정 온도 열간가공 유동응력이 작고 연성이 높은 점 이용 크거나, 복잡한 부품 표면 스케일, 열수축 고려 표면처리, 후속가공 필요

Topic: 각종 금속재료 Q1: 재료의 선택시 고려할 물리적 성질은? Q2: 각종 금속재료의 호칭의 의미는? Q3: 인공 고관절(artificial hip joint)용으로 적합한 재료는 어떻게 선정하는가?

사례연구: 인공 고관절(artificial hip joint) (출처: Callister, “Material Science and Engineering”, pp.728-) 뼈의 기계적 성질 길이방향 수직방향 탄성계수 [GPa] 17.4 11.7 인장강도 [MPa] 135.0 61.8 압축강도 [MPa] 196.0 Poisson 비 0.46 0.58 파단시 연신율 (%) 3~4 - Ball (head)-socket (acetabulum) 구조: 회전운동 가능 목부분에서 파단가능 관절염으로 손상시 >> 미끄럼면에 돌기발생 > 통증

인공고관절: 절차 및 조건 구성요소 대체절차 고려사항 대퇴골 Head부 제거 (상단 골수 일부 포함) 금속제 축 고정 골반 socket부 제거 및 대체 socket 고정 고려사항 인체내 거부반응 >> needs “biocompatibility” 부식 >> 독성, 기계적 성질 저하 (fretting, stress corrosion cracking, corrosion fatigue) >> (부식허용율) = 2.5 ×10-4 mm/yr 체중 및 운동의 유지 >> 최소 항복응력 500 [MPa], 인장강도 650 [MPa], 연신율 8%, 피로한도 400 [MPa] / 107 cycles (일반인은 연평균 106 회 반복응력) 미끄럼면에서의 마모(wear) 및 마찰 - 과도하거나, 불균질한 마모는 고관절의 기능에 이상. 마멸 물질 밀도, 비용, 생산성 >> 이상적으로는 평생 작동성 요구 (현재 5-10년 수준)

인공고관절: 대퇴부 축 및 볼 316L 스텐레스강: S<0.002wt%, 주조시 성질저하, 열처리 필요, 노인 및 비활동성 환자에만 적용가능 MP35N: Co 35-Ni 35-Cr 20-Mo 10 wt% Ti-6Al-4V: biocompatible, 후속가공은 성질저하 기타: 알루미나 (ball부, 마모특성 우수, 파괴인성 및 피로한도 낮음)

기계적 성질 비교 인공고관절: 소켓부 및 접합재 소켓부 종류 탄성계수 [GPa] 0.2%항복강도 [MPa] 인장강도 [MPa] 연신율 [%] 피로한도, 107회 [MPa] 부식율 [10-3 in./yr] 316L (냉간가공) 196 700 875 12 383 0.001-0.002 MP35N (열간단조) 230 1,000 1,200 13 500 0.0012-0.002 Ti-6Al-4V 120 950 1,075 580 0.007-0.04 인공고관절: 소켓부 및 접합재 소켓부 UHMWPE(초고분자량 폴리에틸렌, 인체와 반응없음, 내마모성 및 저마찰) 기타 – 생체적합 합금, 세라믹(알미늄 산화물) 접합재 PMMC(polymethyl methacrylate) 본시멘트 – 수술중 중합반응으로 응고

재료선택시 고려사항 물리적 성질 - 밀도, 융점, 비열, 열전도도, 열팽창, 전기/자기적 성질, 내부식성 기계적 성질 - 탄성계수, 인장강도, 파괴인성, 피로한도 가공특성 – 주조성, 성형성, 절삭성, 용접성 가용성, 가격

철합금 호칭: AISI 1030(0.30%C), KS주강: SC45 저탄소강: -0.3%C, 가공성 양호 중탄소강: 0.3-0.6%, 인성, 강도 고탄소강: 0.6%-, 경도, 내마모성 * 합금강: Ni (인성), Cr (내식성, 내마모성), Mo, W (고온경도, 인장강도) , (S, Pb-절삭성/쾌삭강, Si-주조성/주철) * HSLA(고강도 저합금강): -0.3%C, 다수의 합금원소 * 스텐레스강-austenite계(200,300), ferrite계(400), martensite계(400,500) * 고속도강(HSS), 금형강 주철: Fe3C > C 흑연화, 다량의 Si (회주철, 백주철, 가단주철, 구상흑연주철)

비철합금 Al Mg(1.74) 피로, 크리프, 마모저항, 탄성계수 낮음. 폭발성 가공용: 1000, 2000(Cu,Li), 3000(Mn), 4000(Mg,Si), 5000(Mg), 6000(Mg,Si), 7000(Mg,Zn) 주물용: 100, 200(Cu), 300(Si,Cu or Mg), 400(Si), 500(Mg), 700(Mg,Zn), 800(Sn) 처리방법: F(as-fabricated), O(annealed), H(cold-worked), W(solution-treated), T(age-hardened) Ex: 6061-T6, 2024-T4 Mg(1.74) 피로, 크리프, 마모저항, 탄성계수 낮음. 폭발성 Cu(8.93) 피로, 크리프, 마모저항 양호. 연성. 열/전기전도도 Ni & Co 내부식성, 고온강도, 인성 초합금(superalloy): Ni-, Fe-Ni-, Co-base (ex: Inconel, 기타) Ti: a, b, a-b 내열금속: Mo, W, Ta, Nb

기타 재료 주물재료 >>> 제5장 주조 플라스틱 >>> 제10장 폴리머 세라믹, 유리 >>> 제11장 광경화성 재료(플라스틱) >> 10.12절 RP