소성가공에서의 초소성 (superplasticity) 기술지도사 금속분야 2차 기출문제

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기술지도사 금속분야 2차 2교시 금속가공 기출문제를 통해 초소성에 관하여 공부해 보자.

2020/12/14 - [기술지도사 금속] - 2020년 35회 기술지도사 금속분야 2차 기출문제 후기 꿀팁

 

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I. 개요

신소재란
금속, 무기물, 유기원료 및 이들을 조합한 원료를 기초로 하여 고도의 제조 및 가공기술 또는 상품화 기술을 사용하여 종래에 없던 새로운 특성과 용도를 만들어 내는 소재를 일컫는다.

기능재료란
강도는 중요시하지 않고 특수한 성능, 기능을 갖는 재료를 말한다.
힘이 가하여진 때 변형하지 않는 것이 구조용 재료의 특징인데 대하여, 힘이 가하여진 때 "편리하게 변형하는 것"을 기능으로 하는 재료를 기능재료라 말할 수 있다.

이러한 기능재료에는 형상기억합금, 초탄성 합금, 초소성 합금, 제진 합금, 스프링강, 내열강이 있다.

II. 초소성합금

초소성이란
재료가 어느 응력 하에서 파단에 이르기까지 수백% 이상의 많은 연신을 나타내는 현상을 말한다.
이 현상은 금속조직에 기인하는 내부 조건에 의한 것이며 낮은 응력으로 변형하는 것이 특징이다.

초소성은 일정한 온도 영역과 변형 속도의 영역에서만 나타나며 300~500% 이상의 연성을 가지며, 초소성 영역에서는 강도가 낮고 연성은 매우 크므로 작은 힘으로도 복잡한 형상으로 성형가공이 가능하며 온도가 저하되면 강도 등의 기계적 성질이 우수해져 실용할 수 있게 된다.

초소성 재질은 결정입자가 극히 미세하며 외력을 받았을 때 슬립 변형이 쉽게 일어난다.

Al 합금 중 Supral 100, Supral 210, Supral 220 등이 실용된다.
Zn-22% Al합금은 가장 많이 연구되어 초소 성현상 해석에 잘 이용되고 있다.

철강계 초소성 재료는 탄소강, 저 합금강, 고합금강 등 여러 종류가 있으나 비철계만큼 많지 않고 또 큰 연성은 기대할 수 없다.

 

비철계 초소성재료, 신금속재료학

철강계 초소성재료, 신금속재료학

초소성가고과 변형속도 관계, 신금속재료학

III. 초소성 성형기술

초소성 성형기술에는 blow forming, gatorizing 단조법, SPF/DB법 등이 개발되어 있다.

blow forming은 가스 성형이라고도 하며 주로 판상의 Al계 및 Ti계 초소성 재료를 15~300psi의 가스 압력으로 어느 형상에 양각 또는 음각하거나 금형이 필요 없이 자유 성형하는 방법으로서 성형 에너지 소모가 적고 값싼 공구 사용과 복잡한 형태의 통이나 용기를 단순공정으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

gatorizing 단조법은 껌을 오목한 형상의 틀에 밀어 넣어 양각하는 것과 유사한 방법으로 성형하는 기술로서 Ni계 초소성 합금으로 터빈 디스크를 제조하기 위해 개발되었다. 이 방법으로 내크리프성이 우수한 고강도 초내열합금으로 된 터빈디스크를 기존 품질보다 훨씬 우수하게 제조할 수 있다.

SPE/DB 방법은 초소성 성형법과 고체상태에서 용접하는 확산 적합(DB) 기술이 합쳐진 신기술로서 가스압력으로 성형하며, 고체상태의 확산에 의해 초소성 온도에서 용접이 용이하기 때문에 초소성 재료를 사용할 경우에만 가능하다. Ti계는 SPF (Super Platic Forming) / DB (Diffusion Bonding)라는 성형기술을 이용하여 항공기 구조재를 제조하는 데 쓰이고 있다.

초소성 현상은 미세 결정립 초소성이나 변태 초소성이니 입계가 활성화되어 생기는 현상으로서 고상 접합 기술에 응용된다. 고상 접합의 예로서 탄소강과 주철의 접합면을 가압하여 변태점 상하의 온도 구역에서 열 사이클을 되풀이하면 접합면의 경계층은 완전히 없어지고 연속된 조직이 되어 단단하게 접합된다. 따라서 주조품의 주조 결함 보수에도 이용할 수 있다.

특히, 티타늄 합금 완전히 접합되므로 초소성 성형과 확산접합 (SPF/DB)이 동시에 가능하기 때문에 전투기 동체 프레임의 일체 성형에 쓰이고 있다.

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