방사형 전단 압연(RSR)을 통한 주조 결함 폐쇄 모델링: 표면 결함 해결의 새로운 가능성

이 기술 요약은 Fedor Popov 외 저자가 2024년 Journal of Chemical Technology and Metallurgy에 발표한 논문 “MODELLING THE EVOLUTION OF CASTING DEFECT CLOSURE BY RADIAL SHEAR ROLLING”을 기반으로 하며, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석 및 요약하였습니다.

키워드

• Primary Keyword: 방사형 전단 압연 (Radial Shear Rolling, RSR)
• Secondary Keywords: 주조 결함 폐쇄, ODS강, 알루미늄 봉, 3D 모델링, 와류 유동

Executive Summary

• 도전 과제: 산화물 분산 강화(ODS)강 주괴에 발생하는 주조 결함은 기존 공정으로 폐쇄하기 어려우며, 특히 재료 특성을 유지하면서 결함을 제거하는 데 한계가 있습니다.
• 연구 방법: 인위적인 관통 결함을 가진 ODS강과 알루미늄 주괴에 방사형 전단 압연(RSR)을 적용하여, 복잡한 와류 유동 하에서 결함이 어떻게 변화하고 폐쇄되는지 단계별로 분석했습니다.
• 핵심 발견: RSR 공정은 낮은 압하율에서도 소재 표면 근처(반경의 약 30% 깊이)의 결함을 효과적으로 용접하지만, 중심부의 큰 공동 결함은 폐쇄하지 못하고 오히려 축 방향으로 연신시킵니다.
• 핵심 결론: RSR은 표면 결함 제거에는 매우 효과적인 공정이지만, 중심부에 큰 결함을 가진 주괴 가공에는 적합하지 않으므로, 적용 대상 선정이 중요합니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가

차세대 원자력 발전소의 유망 소재인 산화물 분산 강화(ODS)강은 고온 강도와 내방사선성이 뛰어나지만, 제조 과정에서 발생하는 주조 결함이 큰 문제입니다. 기존의 단조나 일반 압연 방식은 결함 폐쇄에 한계가 있거나, 오히려 인장 응력을 유발하여 결함을 악화시킬 수 있습니다. 특히 ODS강의 핵심인 분산된 산화물을 균일하게 유지하면서 결함을 제거하는 것은 매우 어려운 기술적 과제입니다.

이러한 배경에서 본 연구는 독특한 와류(vortex) 형태의 금속 유동을 발생시키는 방사형 전단 압연(RSR) 공법의 적용 가능성을 탐구합니다. RSR은 유리한 응력-변형률 상태를 통해 결함을 효과적으로 폐쇄하고 미세조직을 개선할 잠재력을 가지고 있지만, 실제 주조 결함에 대한 거동은 명확히 밝혀지지 않았습니다. 이 연구는 RSR 공정이 ODS강 주괴의 결함을 어떻게 제어하는지 규명하여, 고품질 ODS강 생산의 새로운 길을 제시하고자 합니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 RSR 공정 중 결함의 거동을 시각화하고 정량적으로 분석하기 위해 실제 실험과 3D 모델링을 병행했습니다.

• 실험 재료: 직경 32mm의 12Cr ODS강 주괴와 직경 25mm의 알루미늄 봉을 사용했습니다. 두 재료 모두에 직경 5mm의 관통 구멍을 인위적으로 생성하여 주조 결함을 모사했습니다.
• 실험 장비: 방사형 전단 압연기(RSR-10/30)를 사용했으며, 강철은 1200°C, 알루미늄은 400°C의 열간 압연 조건에서 실험을 진행했습니다.
• 공정 변수: 강철은 32mm에서 20mm까지, 알루미늄은 25mm에서 13mm까지 직경을 2mm씩 단계적으로 감소시키며 압연을 수행했습니다. 알루미늄 실험에서는 각 압연 단계마다 시편을 절단하여 결함의 진화 과정을 상세히 추적했습니다.
• 분석 방법: 각 단계별 시편을 1mm 두께의 디스크로 절단하고 고해상도로 스캔하여 2D 단면 이미지를 얻었습니다. 이 이미지들을 CAD 소프트웨어(KOMPAS-3D)를 이용해 3D 모델로 재구성하여 결함의 형상과 부피 변화를 정량적으로 분석했습니다. 또한, 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 결함 용접부의 미세조직을 관찰했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 표면 결함의 신속한 폐쇄 및 중심부 결함의 연신

RSR 공정은 결함의 위치에 따라 매우 다른 거동을 보였습니다. 가장 주목할 만한 결과는 표면 근처의 결함이 공정 초기에 매우 신속하게 폐쇄된다는 점입니다.

• 알루미늄 실험에서, 단 한 번의 압연 패스(직경 2mm 감소, 약 15% 압축)만으로도 표면 결함이 거의 완전히 용접되었습니다 (그림 7 참조).
• 용접은 소재 표면에서 약 1~3mm 깊이에서 가장 활발하게 일어났으며, 이는 RSR 공정의 변형이 주변부에 집중된다는 이전 연구 결과와 일치합니다.
• 반면, 중심부에 남은 결함은 폐쇄되지 않고 봉이 인발됨에 따라 축 방향으로 길게 늘어나는 현상을 보였습니다. 이는 중심부의 금속 유동이 상대적으로 단조로워 결함 폐쇄에 필요한 복합적인 변형이 일어나지 않기 때문입니다.

결과 2: 비대칭적 결함 폐쇄 및 상당한 부피 감소

결함 폐쇄 과정은 대칭적으로 일어나지 않았으며, 전체적인 결함 부피는 크게 감소했습니다.

• 강철과 알루미늄 시편 모두에서 결함의 한쪽은 거의 완벽하게 용접된 반면, 다른 쪽은 미세한 균열 형태로 남는 비대칭적 폐쇄가 관찰되었습니다 (그림 8, 9 참조). 연구진은 이를 RSR 공정 고유의 동적 불안정성 및 3개의 롤 사이에서 발생하는 비대칭적 금속 유동 때문으로 분석했습니다.
• 알루미늄 봉의 경우, 초기 480 mm³였던 결함 부피가 최종적으로 155 mm³로 감소하여 약 67.7%의 높은 감소율을 보였습니다 (그림 7). 강철의 경우에도 약 50%의 평균적인 부피 감소가 확인되었습니다. 이는 표면부의 용접이 전체 결함 부피 감소에 크게 기여했음을 의미합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 RSR이 표면 결함 제어에 매우 효과적인 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 특히 주괴 표면에서 반경의 약 30% 깊이까지 존재하는 결함은 낮은 압하율로도 효과적으로 제거할 수 있습니다. 반면, 중심부에 큰 기공이나 결함이 있는 소재에는 RSR 적용을 피해야 합니다.
• 품질 관리팀: RSR 공정을 거친 봉의 표면에 나타나는 나선형 무늬(그림 2, 3)는 공정의 특징적인 흔적입니다. 최종 제품 검사 시, 표면 결함은 대부분 해결되었을 가능성이 높으므로 축 중심부에 미세하게 연신된 결함이 남아있는지 여부를 집중적으로 검사할 필요가 있습니다.
• 설계 엔지니어: RSR 공정을 설계할 때, 초기 주괴의 결함 분포를 파악하는 것이 매우 중요합니다. 이 기술은 주조 시 발생하는 표면 근처의 결함을 후처리하는 데 최적화되어 있으며, 이를 통해 후속 공정의 부담을 줄이고 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

논문 상세 정보

MODELLING THE EVOLUTION OF CASTING DEFECT CLOSURE BY RADIAL SHEAR ROLLING

1. 개요:

• 제목: MODELLING THE EVOLUTION OF CASTING DEFECT CLOSURE BY RADIAL SHEAR ROLLING
• 저자: Fedor Popov, Nikita Lutchenko, Alexandr Panichkin, Sergey Lezhnev, Evgeniy Panin, Leonid Vinogradov, Alexandr Arbuz
• 발행 연도: 2024
• 학술지/학회: Journal of Chemical Technology and Metallurgy
• 키워드: ODS steel, RSR, rolling, aluminum rod, defect evolution, 3D modelling

2. 초록:

본 논문은 방사형 전단 압연(RSR) 방법을 통해 변형된 금속의 복잡한 와류 유동 중 주괴 내 횡단 관통 결함의 거동을 연구합니다. 연구의 목적은 산화물 분산 강화강(ODS-steel) 주괴를 최종 반제품으로 변형 처리하는 데 RSR 방법의 적용 가능성을 조사하는 것이었습니다. 금속의 와류 유동은 합금 고체 산화물의 분산과 강철 구조의 미세화를 촉진합니다. 그러나 ODS강 주괴의 가능한 주조 결함의 발생 또는 폐쇄에 대한 문제는 여전히 열려 있습니다. 이를 위해 결함을 모델링한 관통 구멍이 있는 ODS강 주괴를 가정된 공정 계획에 따라 압연했습니다. 또한, 압연 과정에서 결함의 진화를 더 자세히 시각화하기 위해 알루미늄 봉에서 동일한 결함 발생 시뮬레이션을 2mm 단계로 수행했습니다. 두 압연 결과는 좋은 상관관계를 보였습니다. 실험용 봉의 많은 단면을 기반으로 결함 진화의 상세한 3D 모델이 구축되었습니다. 결함 부피에서 평균 50%의 감소가 발견되었습니다. 외부 영역의 용접은 즉시 발생하지만, 중앙 영역은 닫히지 않은 채로 남아 압연 중 봉의 인발에 비례하여 늘어납니다. 이러한 이유로 RSR은 축 방향 영역에 큰 공동 결함이 있는 경우에는 사용할 수 없지만, 이 방법은 낮은 압하율에서도 표면 결함을 확실하게 용접합니다.

3. 서론:

본 연구는 액체 야금법을 이용한 ODS강 생산에 관한 일련의 연구의 일부입니다. 유도 진공 용해 중 12% Cr 강 용탕에 이트륨 산화물 나노 분말을 주입할 가능성을 연구하는 데 사용된 강철을 실험의 기초로 삼았습니다. ODS강은 4세대 이상 원자력 발전소에서 사용될 유망한 재료 중 하나입니다. 주조 중 오스테나이트 입자로 침투하는 고체 내화성 산화물(이트륨 또는 티타늄)은 내열 스테인리스강에서 니켈의 역할을 하며 입자를 고정시킵니다. 니켈은 중성자에 의해 조사될 때 수명이 길고 위험한 방사성 동위원소로 붕괴되므로 대체재를 찾는 것이 중요합니다. 또한, 고도로 분산된 산화물 입자는 방사선 결함의 유출 표면 역할을 하여 강철의 방사선 손상을 줄입니다. 주된 문제는 이러한 강철이 지금까지 분말, 강철 및 산화물을 밀에서 기계적으로 합금하는 방법으로만 안정적으로 생산된다는 것입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

ODS강은 차세대 원자력 발전소의 핵심 소재로 주목받고 있으나, 분말 야금법 기반의 기존 생산 방식은 단점이 많습니다. 대량 생산에 적합한 액체 야금법을 적용할 경우, 주조 과정에서 발생하는 기공, 균열 등 내부 결함을 제어하는 것이 중요한 과제가 됩니다.

이전 연구 현황:

전통적으로 단조(forging)나 일반 압연(rolling)이 결함 폐쇄에 사용되어 왔습니다. 그러나 단조는 특정 조건이 필요하며, 일반 압연은 오히려 결함 폐쇄에 해로운 인장 응력을 유발할 수 있습니다. 극심한 소성 변형(SPD)을 가하는 방법 중 하나인 방사형 전단 압연(RSR)은 금속의 와류 유동과 유리한 응력 상태 덕분에 결함 폐쇄에 잠재력이 있을 것으로 기대되었으나, 실제 결함 거동에 대한 체계적인 연구는 없었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 RSR 공법을 ODS강 주괴 가공에 적용했을 때, 주조 결함이 어떻게 변화하고 폐쇄되는지를 실험적으로 규명하는 것입니다. 특히, 결함의 위치(표면, 중심부)에 따른 폐쇄 메커니즘을 이해하고, RSR 공법의 적용 가능성과 한계를 명확히 하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구 내용:

인위적인 관통 결함(직경 5mm 구멍)을 가진 ODS강과 알루미늄 봉을 RSR 공법으로 단계적으로 압연했습니다. 각 단계에서 시편을 채취하고 단면을 분석하여 결함의 3차원 형상 및 부피 변화를 추적했습니다. 이를 통해 압연이 진행됨에 따라 결함이 어떻게 변형되고, 어느 부위에서 용접이 일어나며, 최종적으로 어떤 형태로 남게 되는지를 상세히 모델링하고 분석했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

실제 ODS강 주괴 압연 실험과, 결함 진화 과정을 더 상세히 관찰하기 위한 알루미늄 봉 압연 모사 실험을 병행 설계했습니다. 두 재료에 동일한 형태의 인공 결함을 생성하고, 동일한 RSR 공정을 적용하여 결과를 비교 분석함으로써 연구의 신뢰도를 높였습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

압연된 시편을 1mm 간격으로 정밀 절단하여 다수의 2D 단면을 확보했습니다. 이 단면들을 고해상도 스캐너로 디지털화한 후, CAD 소프트웨어를 이용해 3D 모델로 재구성했습니다. 이 3D 모델로부터 결함의 부피와 형상 변화를 정량적으로 측정했습니다. 또한, 주사전자현미경(SEM)의 후방산란전자(BSE) 검출기를 사용하여 결함 용접부의 미세조직을 관찰하고 용접 품질을 평가했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 RSR 공정 중 주괴 내 횡단 관통 결함의 거동에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 ODS강과 알루미늄이라는 두 가지 재료를 대상으로 하며, 압연 단계에 따른 결함의 3차원적 진화 과정(형상, 부피 변화)과 최종 용접부의 미세조직 분석을 포함합니다. 이를 통해 표면 결함과 축 중심부 결함에 대한 RSR 공정의 효과를 평가합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• RSR 공정은 표면 근처(반경의 약 30% 깊이) 결함 폐쇄에 매우 효과적이며, 첫 압연 패스에서도 상당한 용접이 일어납니다.
• 중심부의 결함은 폐쇄되지 않고, 압연 중 봉이 길어짐에 따라 축 방향으로 연신됩니다.
• 결함 부피는 평균적으로 약 50% 감소했으며, 알루미늄의 경우 최대 67.7%까지 감소했습니다.
• 결함 폐쇄는 비대칭적으로 일어나며, 이는 RSR 공정의 동적 불안정성에 기인하는 것으로 보입니다.
• SEM 분석 결과, 성공적으로 용접된 부위는 재결정이 일어나 원래의 결함 경계가 보이지 않는 균일한 조직을 형성했습니다.

그림 목록:

• Fig. 1. Radial shear rolling scheme.
• Fig. 2. The final sample of rolled steel.
• Fig. 3. Final aluminum rolling samples for the various stages of defect formation.
• Fig. 4. Cut steel discs.
• Fig. 5. Cut aluminum discs.
• Fig. 6. Visualization of the development of a transverse through defect in a steel ingot after radial shear rolling at 61 % compression.
• Fig. 7. Visualization of the evolution of a transverse through defect in aluminum rolling with a rolling step of 2 mm in diameter.
• Fig. 8. Welding point for a through cross-sectional defect in final steel specimen.
• Fig. 9. Welding point for a through cross-sectional defect in first pass aluminum specimen.

7. 결론:

실험적 압연 공정은 결함 폐쇄 동역학에서 뚜렷한 패턴을 보여주었습니다. 주로, 결함의 폐쇄는 봉의 주변부에서 발생합니다. 특히, 가장 강한 용접 활동은 가장자리에서 1~3mm 깊이에서 관찰되며, 이는 첫 번째 압연 패스에서도 분명하게 나타나는 현상입니다. 이 과정에서 결함은 횡단 위치에서 더 중심적인 위치로 이동하며 눈에 띄는 변화를 겪습니다.

놀랍게도, 결함은 봉의 중심부로 이동하면서 부피가 평균 약 50% 크게 감소합니다. 이러한 감소는 결함이 주변 재료와 용접 및 융합되어 더 균일한 구조로 효과적으로 통합되기 때문입니다. 그러나 결함의 중심 부분은 용접되지 않은 채로 남아 있으며, 대신 압연 과정에서 빌렛 재료의 흐름과 인발에 맞춰 가늘어지고 늘어납니다.

이러한 발견들은 압연 중 결함 폐쇄의 복잡한 동역학을 조명하며, 재료 흐름과 압연 공정 자체가 결함 거동에 어떻게 영향을 미치고 궁극적으로 최종 제품의 구조적 무결성에 영향을 미치는지 이해하는 것의 중요성을 강조합니다. 이러한 공정의 추가적인 탐구와 최적화는 결함 폐쇄를 향상시키고 전반적인 재료 품질을 개선할 잠재력을 가지고 있습니다.

결함 용접 위치는 현미경 결과에 따르면 균일하고 재결정화되어 접합부의 금속학적 흔적이 없습니다. 그러나 공정이 동적으로 불안정하기 때문에 대칭적 결함의 폐쇄에서 상당한 비대칭성이 발견되며, 한 부분은 흔적 없이 용접되고 다른 부분은 반쪽이 결합되지 않은 채 금속의 방사형 흐름을 따라 확장된 얇은 균열로 남아 있습니다. 이는 항상 비대칭적인 실제 결함을 압연하는 동안에는 아마도 영향을 미치지 않을 것입니다.

3롤 방사형 전단 압연은 반경의 최대 30%까지 표면 결함을 폐쇄하는 데 매우 효과적이지만, 축 방향 결함을 포함하는 주괴 가공에는 엄격히 권장되지 않습니다.

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전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 이 연구에서 ODS강 외에 알루미늄을 사용한 이유는 무엇인가요?

A1: 알루미늄은 ODS강보다 낮은 온도에서 가공이 용이하여, 더 작은 단위(직경 2mm 감소)로 압연 단계를 나누어 결함의 진화 과정을 훨씬 더 상세하게 시각화하기 위해 사용되었습니다. 논문에 따르면 두 재료의 압연 결과는 좋은 상관관계를 보여, 알루미늄이 ODS강의 결함 거동을 모사하는 모델 재료로서 타당했음을 입증했습니다.

Q2: 논문에서 언급된 ‘비대칭적 결함 폐쇄’는 왜 발생하는 건가요?

A2: 연구진은 이를 ‘방사형 전단 압연 공정의 동적 불안정성(dynamic instability)’과 3개의 롤 사이에서 발생하는 복잡한 금속 유동 때문으로 분석합니다. 이로 인해 금속이 축 중심으로부터 한 방향으로 밀리면서, 대칭적인 원형 결함이라 할지라도 한쪽 면이 다른 쪽보다 먼저, 그리고 더 강하게 용접되는 비대칭 현상이 나타난다고 설명합니다.

Q3: 이 연구를 바탕으로 볼 때, RSR 공법의 가장 큰 한계점은 무엇인가요?

A3: 가장 큰 한계는 축 중심부에 위치한 큰 결함을 폐쇄하지 못한다는 점입니다. RSR은 표면 근처에서는 복잡한 와류 유동으로 결함을 효과적으로 용접하지만, 중심부에서는 상대적으로 단조로운 축 방향 유동이 우세하여 오히려 결함을 닫지 못하고 길게 늘어나게 만듭니다. 따라서 RSR은 중심부 결함이 없는 소재의 표면 품질 개선에 특화된 공정이라고 할 수 있습니다.

Q4: 표면 결함은 얼마나 빨리 폐쇄되나요?

A4: 매우 신속하게 폐쇄됩니다. 알루미늄 실험 결과(그림 7)에 따르면, 단 한 번의 압연 패스(직경 25mm에서 23mm로 감소)만으로도 표면부의 결함은 거의 완전히 닫히고 중심부에만 작은 결함이 남았습니다. 이는 RSR이 낮은 압하율에서도 표면 결함 제거에 매우 효율적임을 보여줍니다.

Q5: 결함이 용접된 부분의 미세조직은 어떤 특징을 보이나요?

A5: 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과(그림 8, 9), 성공적으로 용접된 부위는 원래 결함의 경계면이 보이지 않는 균일하고 매끄러운 조직을 보였습니다. 이는 압연 중 발생한 높은 변형과 온도로 인해 재결정이 일어나 금속학적으로 완벽한 접합이 이루어졌음을 의미합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 ODS강과 같은 첨단 소재에서 발생하는 주조 결함을 제어하는 데 있어 방사형 전단 압연(RSR) 이라는 혁신적인 공법의 잠재력과 한계를 명확히 보여주었습니다. 핵심 발견은 RSR이 소재 표면 근처의 결함을 매우 효과적으로, 그리고 신속하게 제거하지만 축 중심부의 큰 결함에는 적용하기 어렵다는 것입니다.

이러한 결과는 R&D 및 생산 현장에 중요한 시사점을 제공합니다. 공정 엔지니어는 초기 소재의 결함 위치를 고려하여 RSR 공법을 선택적으로 적용함으로써 표면 품질을 획기적으로 개선할 수 있습니다. 이는 후속 가공 단계를 줄이고 최종 제품의 신뢰성을 높여 생산성 향상으로 이어질 수 있습니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “Fedor Popov” 외 저자의 논문 “MODELLING THE EVOLUTION OF CASTING DEFECT CLOSURE BY RADIAL SHEAR ROLLING”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://doi.org/10.59957/jctm.v59.i1.2024.23

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