서 론

최근 들어, 전 세계적으로 지구 온난화 및 대기 오염 문 제가 주목 받으면서 여러 산업 분야에서 온실가스 및 대 기오염물질 배출량을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 특히, 자동차 산업에서는 연비 향상을 위한 내연기관의 효율화, 수소 차, 하이브리드 차와 같은 친환경 차량 개발 등을 통 해 대기 환경 개선을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 그 러나, 내연기관의 효율화나 친환경 차량 개발만으로는 당 면한 지구 온난화 및 대기 오염 문제를 해결하기에는 오랜 시간과 많은 비용이 든다는 한계가 존재한다. 이를 극복하 기 위해서 최근에는 자동차 차체의 소재를 고강도화 시킴 으로써 차체 경량화 이루고, 이를 통해 차량의 연비 향상으 로 인한 배기가스 방출량 감소, 차체의 강도 및 안정성, 내 구성 향상을 동시에 이루려는 분야가 주목 받고 있다[1-5]. 이러한 수요를 만족하게 하기 위해서 TWIP강(Twinninginduced plasticity steel), DP강(Dual Phase steel), TRIP강 (Transformation-induced plasticity steel), 경량철강(Lightweight steel) 같은 고강도, 고연신의 우수한 기계적 물성을 지니는 여러 종류의 고강도강(Advanced high strength steels, AHSS)의 연구가 활발히 진행되고 있다[6-11].

그러나, 강종이 고강도화 될수록 기존에 차체 부품 소재 로 사용하던 저강도 강종들에 비해 원하는 형상으로 부품 을 성형하기 위한 능력인 성형성(Formability)이 떨어지는 점이 문제가 되고 있다. 차량용 부품의 경우 복잡한 성형 공정을 통해 최종 제품을 생산하는데, 고강도강의 성형성 이 떨어지기 때문에 원하는 형상을 만들기 어렵다는 점이 큰 문제로 떠오르고 있다. 특히, 최근에 집중적으로 개발 중인 기가급(GPa급)의 강도를 가지는 고강도강은 복잡한 형상의 부품 성형 중 모서리 부분의 파단을 견디는 성형 특성을 나타내는 지표인 신장플랜지성(Stretch-flangeability) 이 기존의 저강도 강종들에 비해 많이 떨어져서[12-14] 성 형 도중 여러 파단을 유발한다[15]. 이러한 고강도강의 단 점이 차체 경량화를 위한 부품 설계 및 제조에 병목이 되 고 있다.

최근 고강도강의 신장플랜지성을 개선하기 위해 다양한 방식으로 강종을 고강도화 시키려는 시도들이 보고되고 있다. 그 중, 분말야금법을 통해 제작한 하모닉 구조재료 는 기계적 물성의 획기적인 증가로 많은 주목을 받고 있 다[16, 17]. 하모닉 구조재료는 그림 1과 같이 미세한 결 정립도의 표면층(Shell)과 상대적으로 큰 결정립도의 내부 (Core)를 가지는 Core-Shell 구조의 재료이다. 하모닉 구조 재료의 기계적 물성은 미세한 표면층 입자 크기를 가지는 분말 성형체와 유사한 강도를 가지고, 내부 입자 크기를 가지는 분말 성형체와 유사한 연신율을 동시에 나타내는 것이 보고되었다[16, 17]. 또한, 표면층과 내부의 결정립도 차이 조절이 쉬워 원하는 물성을 갖는 분말을 제조하기 쉽다는 장점이 있다. 하지만, 실제 차량용 부품에 적용되 기 위해서는 우수한 인장물성뿐만 아니라 우수한 신장플 랜지성을 가져야 하지만, 아직 Core-Shell 구조를 가지는 하모닉 구조재료의 신장플랜지성에 대해 많은 연구가 이 루어지지 않았다.

Fig. 1

The schematic diagram of a harmonic structured material [16].

본 연구에서 이용할 소재로 우수한 내식성을 가지므로 차량 외장재로 사용될 시 차체 내구성 향상에 기여를 할 수 있는 스테인리스강 304L(SUS304L)을 선정하였다. 균 일한 입도를 가지는 SUS304L 일반 분말과 하모닉 구조를 가지는 SUS304L 분말을 이용하여 제조된 분말 성형체를 가지고 인장물성, 미세조직, 신장플랜지성을 비교 분석하 였다. 이를 통해, 표면층과 내부의 결정립도 분포 양상, 하 모닉 구조 성형체의 인장물성, 신장플랜지성을 분석하여 자동차용 부품 적용 가능성에 대한 평가를 진행하였다.

실험방법

본 실험에서 분말 성형체 제조를 위해 플라즈마 회전 전 극 분무 공정(Plasma rotating electrode process, PREP)을 통해 제작된 평균 입도 120 μm의 구형 SUS304L 분말을 사용하였다. 초기 SUS304L 분말의 평균 입도는 Shimadzu 사의 SALD-2300 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치 (Laser diffraction particle size analyzer)를 사용하여 측정 하였다. 제조된 SUS304L 분말의 화학적 조성을 측정한 결과는 표 1과 같다. 또, 하모닉 구조를 가지는 분말 제조 를 위해 부피 500 mL인 SUS304L 병에 SUS304L 분말을 담고 지름 5 mm의 SUS304L 볼을 넣은 뒤 Fritsch 사의 P- 5 planetary ball mill 장비를 사용하여 기계적 밀링을 수행 하였다. 기계적 밀링은 상온 조건 하에서 아르곤 분위기에 서 진행하였고, 볼과 분말의 부피비는 2:1로 유지하였다. 분말과 볼 혼합물은 200 rpm의 동일한 속도로 50시간 동안 밀링을 진행하였다. 기계적 밀링 외에 하모닉 구조를 가지 는 분말을 얻기 위해 다른 추가공정을 거치지 않았다. 기 존 선행연구에서 본 연구와 동일한 조건으로 제조한 초기 SUS304L 분말 형상과 기계적 밀링을 통해 얻은 하모닉 구조를 가지는 SUS304L 분말의 형상에 대해 보고하였다 [16]. 균일한 입도를 가지는 초기 SUS304L 분말(Normal SUS304L)과 하모닉 구조를 가지는 SUS304L 분말(Harmonic SUS304L)을 가지고 50MPa 압력을 가한 조건에서 1173 K 에서 1시간 동안 SPS 공정을 통해 각각의 분말 성형체를 제 조하였다.

Table 1

Chemical composition of manufactured SUS304L powders (mass %) used in this study

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Fe
0.02	0.25	1.83	0.04	0.01	9.18	19.35	Bal.

Normal SUS304L 분말 성형체와 Harmonic SUS304L 분 말 성형체의 미세조직 관찰을 위해 사포로 연마한 후, 다이 아몬드 현탁액을 사용하여 기계적 연마를 진행하였다. 그 후, 마무리 연마로 0.04 μm 콜로이달 실리카 현탁액을 사용 하여 20분간 연마를 하였다. 연마를 마친 시편은 60% 질산 용액 10 mL, 35% 염산 용액 40 mL, 글리세롤(Glycerol) 40 mL를 섞은 혼합액을 가지고 에칭 후 Olympus사의 BX51M 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.

제조된 분말 성형체의 인장물성을 평가하기 위하여 Instron사의 1361 만능시험기에서 ASTM E8M 표준 규정 을 따라 일축인장시험을 수행하였다[18]. 일축인장시험은 표점거리 5.0 mm, 게이지 폭 2.5 mm, 두께 1.0 mm의 판상 시편을 가지고 상온에서 변형 속도 0.001 s^-1로 Normal SUS304L, Harmonic SUS304L 각각 3회씩 수행하였다. 인 장시험 시 정확한 변형량 측정을 위해 GOM 사의 ARAMIS 5M 시스템을 사용하여 디지털 이미지 해석 기법(Digital image correlation method)을 진행하였다.

Normal SUS304L 분말 성형체와 Harmonic SUS304L 분 말 성형체의 신장플랜지성 평가를 위해 ISO 표준 규정에 따라 60도의 원추각을 가지는 원추형 펀치를 가지고 구멍 확장성비(Hole expansion ratio, HER) 평가를 진행하였다 [19]. 본 시험에서는 제조된 분말 성형체의 크기의 제약으 로 인해 작은 크기의 시편을 사용하여 평가를 하였다. 펀 치의 속도는 1 mm/min의 동일한 속도로 시험을 진행하였 고, 각 시편은 3회씩 평가 후 3회 시험 평균값을 재료의 HER값으로 결정하였다. HER은 다음과 같은 식을 통해 계 산하였다[19]:

(1)

HER(%) = df−d0d0×100 ,

여기서 d₀는 시편의 초기 지름, d_f는 시험 후 시편의 최 종 지름이다. 본 연구에서 사용한 시편의 초기 지름은 2 mm이다.

결과 및 고찰

그림 2는 Normal SUS304L과 Harmonic SUS304L 분말 성형체를 에칭 후 광학현미경으로 관찰한 미세조직이다. 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 Normal SUS304L의 경우 전체 적으로 고른 결정립도 분포를 보였으나, 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이 Harmonic SUS304L의 경우 조대한 결정립도를 가지는 Core 부분과 미세한 결정립도를 가지는 Shell 부분 으로 뚜렷이 구분된 것을 확인하였다. 기존 선행연구에서 본 연구와 동일한 조건으로 분말 성형체를 제조하였을 때, Normal SUS304L 분말 성형체의 평균 결정립도는 약 20 μm, Harmonic SUS304L 분말 성형체의 Core 부분의 평 균 결정립도는 약 17 μm, Shell 부분의 평균 결정립도는 2 μm 정도로 보고되어있다[16]. 또한, 관찰한 미세조직에서 기공이 발견되지 않아, 성형체의 밀도는 진밀도와 같다고 판단하였다. Harmonic SUS304L 분말 성형체의 경우, 기계 적 밀링을 통해 표면층에 많은 변형을 가한 분말을 이용하 여 성형체를 제조하였으므로 그림 2(b)에서와 같이 표면층 은 미세한 결정립도를 가지고, 기계적 밀링 시 변형을 거 의 받지 않은 중심부는 조대한 결정립도를 가진다. 이를 통 해 기계적 밀링 공정을 활용하여 성공적으로 하모닉 구조 를 가지는 분말을 제조할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 2

The optical microscopy observation of (a) the normal SUS304L and (b) the harmonic SUS304L microstructures at 100 magnification.

그림 3은 본 연구에서 평가한 Normal SUS304L, Harmonic SUS304L 분말 성형체와 기존에 차량용 부품에 사용되고 있는 고강도강의 인장물성을 함께 도시한 그래프 이다. Normal SUS304L과 Harmonic SUS304L 분말 성형 체의 인장시험은 우수한 재현성을 보였으며, 하모닉 구조 를 가지는 Harmonic SUS304L 분말 성형체가 균일한 결 정립도를 가지는 Normal SUS304L 분말 성형체에 비해 강도뿐만 아니라 연신율까지 큰 폭으로 증가하는 것을 확 인하였다(인장강도: 544 > 707 MPa, 연신율: 64 > 71%). 이 를 통해 하모닉 구조를 가지는 재료는 일반적인 재료에서 강도가 증가할수록 연성이 떨어지는 관계를 가지는 것과 는 다른 기계적 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 하모닉 구조재료의 기계적 물성을 분석하여 보고한 기존 문헌들에 는 항복강도(Yield strength, YS)와 경도(Hardness)값은 Hall- Petch 관계를 잘 따르나, 균일 연신율(Uniform elongation, U.EL)과 총 연신율(Total elongation, T.EL)의 경우 단순히 균 일하게 미세한 결정립도를 가지는 분말 성형체에 비해 크 게 증가한다고 보고되었다[16, 17]. 하모닉 구조를 갖는 분 말 성형체가 연신율이 큰 폭으로 증가하는 것은 조대한 결정립 구조에서 기인한 변형 경화와 미세한 결정립도를 갖는 Shell의 거시적인 연결망 구조에 기인한 여분의 변형 경화에 의한 것이라고 보고되어있다[17].

Fig. 3

(a) Engineering stress-strain curves and (b) true stress-strain curves of the normal SUS304L, the harmonic SUS304L, the conventional AHSS.

Harmonic SUS304L 분말 성형체의 경우, 기존에 차량용 부품에 사용되고 있던 인장강도 780 MPa급 고강도강과 유사한 강도를 가지면서도 훨씬 우수한 연성을 가지는 것 을 확인하였다. 표 2에는 기존에 사용하던 고강도강들과 Normal SUS304L, Harmonic SUS304L 분말 성형체의 항 복강도, 인장강도(Ultimate tensile strength, UTS), 균일 연 신율, 총 연신율, 균일 변형 이후 연신율(Post-uniform elongation, P.EL), 가공경화지수(Strain hardening index, n-value), 구멍확장성비(HER)의 평균값을 나타내었다. 일부 고강도강의 물성의 경우, 기존에 출판된 문헌의 값을 사용 하였다[20]. 이 결과를 살펴보면 분말야금법으로 제조된 하모닉 구조를 갖는 Harmonic SUS304L의 경우 기존의 상용 고강도강과 비교했을 때, 비슷한 강도를 가질 뿐만 아니라 매우 우수한 신장플랜지성 및 연성을 가지므로 차 량용 부품에 적용되기에 매우 유리하다고 판단된다.

Table 2

The tensile properties and HERs of test specimens [20].

Specimens	YS (MPa)	UTS (MPa)	U.EL (%)	T.EL (%)	P.EL (%)	n-value	HER (%)	Ref.
Normal SUS304L	302.9	543.8	43.7	64.1	20.4	0.36	62.3	Present
Harmonic SUS304L	435.1	706.6	48.3	70.7	22.4	0.39	53.7	Present
DP780	500.2	884.0	13.5	29.7	16.2	0.13	27.9	[20]
TRIP780	521.1	909.5	16.7	31.4	14.7	0.15	24.0	[20]
Light weight	503.6	724.5	36.5	42.8	6.3	0.31	16.3	[20]

결 론

본 연구에서는 Core-shell 구조를 가지는 하모닉 구조재 료의 기계적 물성, 미세구조, 신장플랜지성을 조사하였다. 제조된 Harmonic SUS304L은 균일한 결정립도를 갖는 Normal SUS304L에 비해 우수한 인장물성을 나타내었고, 비슷한 강도의 상용 고강도강들과 비교하였을 때 우수한 신장플랜지성 및 연성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서, 우수한 인장물성 및 신장플랜지성을 가지는 Harmonic SUS304L을 자동차용 부품에 적용한다면, 기존의 자동차 용 부품에 요구되는 물성 조건을 충족하면서도 고강도 강 재의 부품 성형이 어렵다는 문제를 획기적으로 개선 할 수 있을 것이다.

References

• 1. O. Kwon, K.Y. Lee, G.S. Kim and K.G. Chin: Mater. Sci. Forum., (2010) 638 136.
• 2. R. Kuziak, R. Kawalla and S. Waengler: Arch. Civ. Mech. Eng.., (2008) 8 103.Article
• 3. A. Mayyas, A. Qattawi, M. Omar and D. Shan: Renew. Sustain. Energy Rev.., (2012) 16 1845.Article
• 4. M. Ma and H. Yi, Lightweight Car Body and Application of High Strength Steels., (2011) 1st edBerlin, Heidelberg Springer, 187.
• 5. N. Fonstein, Advanced High Strength Sheet Steels: Physical Metallurgy, Design, Processing, and Properties., (2015) 1st edSwitzerland Springer, 5.
• 6. Y. Mazaheri, A. Kermanpur and A. Najafizadeh: Mater. Sci. Eng. A., (2014) 619 1.Article
• 7. Z.C. Li, H. Ding and Z.H. Cai: Mater. Sci. Eng. A., (2015) 639 559.Article
• 8. B.C. Cooman, O. Kwon and K.G. Chin: Mater. Sci. Technol.., (2012) 28 513.
• 9. S.S. Sohn, H. Song, B.C. Suh, J.H. Kwak, B.J. Lee, N.J. Kim and S. Lee: Acta Mater.., (2015) 96 301.Article
• 10. S.S. Sohn, B.J. Lee, S. Lee and J.H. Kwak: Met. Mater. Int.., (2015) 21 43.ArticlePDF
• 11. A. Zargaran, H.S. Kim, J.H. Kwak and N.J. Kim: Met. Mater. Int.., (2015) 21 79.ArticlePDF
• 12. K. Kamibayashi, Y. Tanabe, Y. Takemoto, I. Shimizu and T. Senuma: ISIJ Int.., (2012) 52 151.Article
• 13. J. Lee, S.J. Lee and B.C. Cooman: Mater. Sci. Eng. A., (2012) 536 231.Article
• 14. J. Lee, M. Lee, H. Do, S. Kim, N. Kang and J. Korean: Met. Mater.., (2014) 52 113.Article
• 15. M. Chen and D. J. Zhou, Great Designs in Steel Seminar, autosteel. (2008)
• 16. Z. Zhang, S.K. Vajpai, D. Orlov and K. Ameyama: Mater. Sci. Eng. A., (2014) 598 106.Article
• 17. R. Zheng, Z. Zhang, M. Nakatani, M. Ota, X. Chen, C. Ma and K. Ameyama: Mater. Sci. Eng. A., (2016) 674 212.Article
• 18. ASTM E8/E8M:15aStandard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,
• 19. ISO/TS 16630Metallic Materials-Method of Hole Expanding Test,
• 20. J.I. Yoon, J. Jung, S.H. Joo, T.J. Song, K.G. Chin, M.H. Seo, S.J. Kim, S. Lee and H.S. Kim: Mater. Lett.., (2016) 180 322.Article

Figure & Data

References

Citations

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