Topic : (1) 재결정과 풀림처리 (2) 온도에 따른 가공방법 분류 (3) 재료의 선택

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1 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?

2 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?

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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?

8 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

9 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)

10 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)

11 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 MP35N (열간단조) 230 1,000 1,200 13 500 Ti-6Al-4V 120 950 1,075 580 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

12 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

13 철합금 호칭: AISI 1030(0.30%C), KS주강: SC45 저탄소강: -0.3%C, 가공성 양호
중탄소강: %, 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)

14 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

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