Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

금속은 가공되지 않은 상태의 주조 형태로 거의 사용되지 않습니다. 비행기, 자동차 또는 건물에 사용할 수 있을 만큼 강하게 만들기 위해 엔지니어들은 금속의 내부 구조를 변화시켜야 합니다. 금속 블록을 작은 결정, 즉 결정립(grains)들이 모여 있는 집합체라고 상상해 보십시오. 연하고 처리되지 않은 알루미늄 조각의 경우, 이 결정립들은 비교적 크고 느슨하게 조직되어 있습니다. 금속을 더 단단하고 강하게 만들기 위해 과학자들은 심소성 소성 변형(severe plastic deformation)이라고 불리는 기술을 사용합니다. 이는 전체적인 모양은 바꾸지 않으면서 금속을 제한된 공간을 통해 강제로 통과시키는 과정으로, 본질적으로 내부의 결정립들을 아주 작은 조각들로 부서질 때까지 짓누르는 것입니다. 결정립이 작아질수록 금형 사이의 경계가 재료가 쉽게 휘거나 부서지는 것을 막는 장벽 역할을 하기 때문에 금속은 더 강해집니다. 이 과정은 엄청난 응력을 견뎌낼 수 있는 경량 재료가 필요한 산업 분야에서 매우 중요합니다.

최근 한 연구에서 연구진은 두 가지 특정 압착 방식의 효율성을 비교하여, 얇은 알루미늄 스트립에 어떤 방식이 더 효과적인지 조사했습니다. 두 방식은 모두 등변 채널 각형 압출(equal-channel angular pressing)과 등변 다채널 각형 압출(equal-channel multi-angular pressing)로 알려져 있습니다. 두 방식 모두 금속 스트립을 교차하는 채널이 있는 다이(die), 즉 금형을 통해 밀어 넣는 방식을 포함합니다. 차이점은 설계에 있습니다. 한 방식은 단일 교차점을 사용하는 반면, 다른 방식은 두 개의 교차점을 사용합니다. 연구팀은 어떤 설계가 더 미세하고 균일한 결정 구조를 만들고 결과적으로 더 강한 재료를 만들어내는지 알고 싶었습니다. 그들은 절연 및 일반 제조에 흔히 사용되는 일반적인 상업용 순수 알루미늄 합금을 선택하였으며, 이를 세 차례까지 가공하여 각 통과 시마다 금속이 어떻게 변하는지 관찰했습니다.

연구진은 먼저 오븐에서 가열하여 금속을 부드럽게 만든 알루미로 시작했는데, 이 단계는 내부 결정립을 크고 균일하게 만들었습니다. 그런 다음 이 알루미늄 스트립을 상온에서 두 가지 다른 프레스를 통해 통과시켰습니다. 첫 번째 프스는 단일 채널 버전으로, 금속을 날카로운 굴곡을 통해 강제로 통과시켰습니다. 두 번째 프스는 다채널 버전으로, 금속을 두 번의 연속적인 굴곡을 거치도록 유도했습니다. 각 통과가 끝날 때마다 연구팀은 강력한 현미경으로 금속을 관찰하고, 금속이 끊어지기 전까지 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지 테스트했습니다. 또한 금속의 긁힘에 대한 저항성인 경도(hardness)를 측정하였고, 금속이 파단된 후의 표면을 살펴보며 어떻게 파괴되었는지 확인했습니다.

결과는 두 방식 모두 큰 결정립을 훨씬 작은 것으로 분쇄하는 데 성공했지만, 그 방식과 성공의 정도는 달랐습니다. 단일 채널 프스는 더 공격적인 도구임이 입증되었습니다. 세 차례의 통과 후, 이 방식은 결정립 크기를 최대 8마이크로미터 범위에서 단 2.4마이크로미터 범위까지 줄였습니다. 이 과정은 매우 미세한 결정립과 거의 나노 규모의 초미세 결정립이 혼합된 구조를 만들었습니다. 금속은 눈에 띄게 강해지고 단단해졌습니다. 인장 강도(tensile strength)는 거의 94% 증가했고, 항복 강도(yield strength, 영구적인 굽힘에 저항하는 능력)는 약 21% 상승했습니다. 금속은 또한 만졌을 때의 경도가 압착 방향으로 63% 이상 증가하며 더 단단해졌습니다.

다채널 프스 역시 금속을 개선했지만, 그 변화는 덜 극적이었습니다. 이 방식도 결정립을 미세화하기는 했으나, 최종 크기는 세 차례 통과 후에도 최대 5.5마이크로미터 범위로 더 크게 남았습니다. 금속은 강해졌으며, 인장 강도는 약 129%, 항복 강도는 약 31% 증가했습니다. 하지만 경화 효과는 단일 채널 방식만큼 강렬하지 않았습니다. 금속의 경도는 압착 방향으로 약 54% 증가했는데, 이는 상당한 수치였지만 단일 채널의 결과보다는 낮았습니다. 연구진은 다채널 과정이 금속이 두 번의 굴곡을 통과할 때 서로 다른 패턴의 응력을 경험하게 함으로써, 특정 영역에서 약간 더 거친 구조를 유발하기도 한다는 점을 관찰했습니다.

연구팀이 금속이 어떻게 부서지는지 살펴보았을 때, 그들은 이러한 내부 변화의 명확한 증거를 발견했습니다. 원래의 부드러운 알루미늄은 표면에 크고 깊은 구멍(pits)이 생겼는데, 이는 금속이 끊어지기 전에 쉽게 늘어나고 변형되었음을 나타내는 신호입니다. 금속이 가공됨에 따라 이 구멍들은 더 작고 얕아졌습니다. 이러한 변화는 금속이 더 강해졌지만 덜 유연해졌음을 의미합니다. 단일 채널 가공된 금속은 구멍 크기가 가장 크게 감소하여, 내부 구조가 가장 급격하게 변화했음을 확인시켜 주었습니다. 연구팀은 금속이 훨씬 더 강해졌지만, 동시에 신축성(늘어나는 능력)을 잃었다는 점에 주목했는데, 이는 이러한 유형의 강화 과정에서 흔히 발생하는 트레이드오프(trade-off)입니다.

연구는 두 기술 모두 알루미늄 스트립의 구조를 정밀하게 만드는 데 효과적이지만, 특정 재료에서 최대의 경도와 강도를 얻기 위해서는 단일 채널 방식이 우수하다는 결론을 내렸습니다. 단일 채널 프스는 더 균일하고 미세한 결정 구조를 만들어 더 뚜렷한 강화 효과를 가져왔습니다. 다채널 프스는 여전히 유익하긴 했지만, 약간 더 거친 결과를 낳았습니다. 이러한 결과는 제조업체들에게 명확한 지침을 제공합니다. 만약 목표가 얇은 알루미늄 스트립을 가능한 한 강하고 단단하게 만드는 것이라면, 단일 채널 압착 경로가 더 효율적인 선택입니다. 이 연구는 도구의 특정 기하학적 구조가 재료의 최종 품질을 결정할 수 있음을 강조하며, 까다로운 산업적 용도에 맞춰 금속을 맞춤 제작할 수 있는 정밀한 방법을 제시합니다.