구리 - 크롬소결단조합금의크롬함유량변화에따른동적물성특성 671 소호시키는기구로써진공차단기의핵심부품이다. Fig. 1 에진공차단기에사용되는진공인터럽터의형상을도시하였다. 진공인터럽터는고정접점 (fixed contact), 가동접점 (movable contact), 아크를차단하는아크쉴드 (arc shield), 진공을유지하는벨로우즈 (bellows) 와그것을둘러싸는세라믹케이스로이루어진다진공인터럽터에사용되는접점소재는진공인터럽터의기본성능을좌우하는중요한인자로, 차단용량이커야하고, 차단전후에충분한임펄스내압강도를가져야하며, 전류차단시접점소모가작아야한다. (1) 또한고정접점과가동접점이차단될때최대수 kv, 수십 ka 의차단전류가흐르기때문에접점의발열에의한용착이적어야한다. 이러한요구조건을만족시키기위해서구리와크롬분말을소결시킨재료를사용한다. 크롬은소결되면서분산강화메커니즘에의하여강도를증가시키고, 녹는점을높이기때문에고전압시사고전류에의한접점의용착을방지하는효과가있다. 따라서요구전압용량이커질수록크롬의함량을증가시키게된다. 현재진공인터럽터의접점에는크롬의함량이 25% 인소재가사용되고있다. 진공인터럽터는보통수 msec 정도의짧은시간에접점의개폐가이루어지게되므로접점에는큰충격력이발생하고가동접점이되튀기는채터링 (chattering) 현상이발생하게된다. 특히, 사고전류를차단할때접점의개폐속도가약 1~2m/s 로접점의변형이매우짧은시간에일어나기때문에접점재료의변형률속도에따른동적효과의고려는필수적이다. 그러나소재의변형률속도에따른동적특성에관한연구는대부분강판이나알루미늄합금 (2,3) 등에대하여주로수행되어왔으며, 구리및구리합금소재와관련해서는그연구가미비하다. Johnson 과 Cook, (4) Huh 와 Lim (5) 등이무산소동에대한동적물성실험을수행하였다. Huh (6) 등은크롬의함량이 25% 인구리-크롬합금의동적실험및진공인터럽터의영향인자에따른충격특성에관한연구를수행하였다. 이상의연구들은홉킨슨바시험기를이용하여변형률속도 1/sec 이상의고속압축시험을통하여수행되었다. 그러나 Huh (6) 등이수행한진공인터럽터에대한유한요소해석결과진공인터럽터의충격시접점에서최대약 4~7/sec 정도의변형률속도가발생하는것으로보고되어있다. 따라서이러한중변형률속도 (intermediate strain-rate) 범위에서구리-크롬합금의물성특성에대한정확한고려가요구된다. 그리고전압용량에따라접점소재의크롬함유량 Ceramic Movable Contact Fixed Contact Bellows Arc Shield Fig. 1 Structure of the vacuum interrupter 이변하기때문에소결되는크롬함유량에따른소재의동적물성특성에대한연구가필요하다. 본논문에서는진공인터럽터접점소재의변화및변형률속도변화에따른물성특성을평가하기위하여분말소결되는구리 - 크롬합금의조성비를달리하여변형률속도에따른항복응력및파단연신율의변화를조사하고동적물성모델의계수를결정하였다. 분말소결되는크롬의함유량을전체의 1% wt, 15% wt, 2% wt, 25% wt, 3% wt 로달리한소결단조합금재료를선정하였으며, 동적물성특성평가를위하여정적인장실험및중변형률속도범위인 1~5/sec 에서의인장실험, 홉킨슨바를이용한변형률속도 1~5/sec 에서의고속압축실험을수행하였다. 2. 구리 - 크롬합금의동적물성실험 2.1 구리 - 크롬합금재료의선정소결단조한구리 - 크롬합금의재료조성비에따른동적물성특성을조사하기위하여분말소결되는크롬의함유량을전체의 1wt%, 15 wt%, 2 wt%, 25 wt%, 3 wt% 로각각달리한총 5 종류의합금재료를선정하였다. 원소재의중앙부에서채취한시편에대하여 SEM (scanning electron micro-scope) 과 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 을이용하여미세조직을관찰하고시편의크롬함유량을조사하였다. 각소재에대하여총 5 회측정하였으며, 초기소결되는크롬의양이각각 1 wt%, 2 wt%, 3 wt% 인경우에대하여미세조직을 Fig. 2 에도시하였다. 크롬분말이구리모재에비정규적으로분포하고있으며초기소결되는크롬함유량에따라조직의차이를보인다.
672 송정한 허훈 (a) 1wt% (b)2wt% (c) 3wt% Fig. 2 Pictures of scanning electron microscope of Cu Cr alloy with different chrome content Measured Chrome Content(wt%) 4 35 3 25 2 15 1 5 1 15 2 25 3 Sintered Chrome Content(wt%) Fig. 3 The variation of measured chrome content 각소재에대하여크롬함유량을측정한결과초기소결되는크롬의양이 1 wt% 인시편은평균 9.3 wt%, 15 wt% 시편은 16.8 wt%, 2 wt% 시편은 21.8 wt%, 25 wt% 시편은 27.1 wt%, 3 wt% 시편은 32.4 wt% 의크롬을함유하고있다. Fig. 3 에각소재에서크롬함유량의분포및편차를도시하였다. 시편에따라초기소결되는양과차이가나타나는이유는크롬분말을 1 차고상소결과 2 차액상소결을거쳐생산하는과정에서크롬이일정하게분포하지않기때문이다. 그러나선정한총 5 종류의합금에서크롬함유량의평균값에서차이가발생하기때문에크롬함유량변화에따른구리 - 크롬합금의동적물성특성의차이를확인할수있다고여겨진다. 그리고각시편의실제크롬함유량은차이가있기때문에초기분말소결되는크롬의양을기준으로각 5 가지시편을 9%Cu_ 1%Cr, 85%Cu_15%Cr, 8%Cu_2%Cr, 75%Cu_ 25%Cr, 7%Cu_3%Cr 로명명하고물성실험을수행하였다. 2.2 구리 - 크롬합금의준정적인장실험구리 - 크롬합금의준정적변형특성을알아보기위하여 Fig. 4 에도시한 ASTM E-8 규격의시편에대하여 Instron 5583 을이용하여정적인장실험을수행하였다..6 mm/sec 의인장속도로실험을수행하여.3/sec 의변형률속도로인장하였다. 각재료의공칭응력 - 공칭변형률선도를확보하 Fig. 4 The specimen for static tensile test (ASTM E-8) Engineering Stress (MPa) Failure Elongation 2 15 1 5.35.3.25.2.15.1.5. Yield Stress Ultimate Stress 1 15 2 25 3 Amount of chrome content (%) (a) Yield stress and ultimate stress 1 15 2 25 3 Amount of chrome content (%) (b) Failure elongation Fig. 5 Comparison of the static test result with respect to the amount of chrome 고이를이용하여 Fig. 5 에크롬함유량에따른항복응력및최대응력그리고파단연신율의변화를도시하였다. 정적실험결과크롬함유량이증가함에따라항복응력및최대응력은증가하는반면에, 연신율은감소하는경향을보인다.
구리 - 크롬소결단조합금의크롬함유량변화에따른동적물성특성 673 Fig. 6 High speed material testing machine and dimension of specimen for tensile test at intermediate strain-rates 3 9%Cu_1%Cr sinter-forged alloy 3 8%Cu_2%Cr sinter-forged alloy 3 7%Cu_3%Cr sinter-forged alloy Engineeing Stress (MPa) 25 2 15 2 /sec 1 5 /sec 5 2 /sec 5 /sec..5.1.15.2.25.3 Engineering Strain Engineeing Stress (MPa) 25 2 15 2 /sec 1 5 /sec 5 2 /sec 5 /sec..5.1.15.2.25.3 Engineering Strain Engineeing Stress (MPa) 25 2 15 1 5..5.1.15.2.25.3 Engineering Strain (a) 9%Cu_1%Cr (b) 8%Cu_ 2% Cr (c) 7%Cu_3%Cr. Fig. 7 Engineering stress-strain curve of sinter-forged Cu Cr alloy with the variation of strain-rates 2 /sec 5 /sec 2 /sec 5 /sec 2.3 구리 -- 크롬합금의중고속인장실험구리 - 크롬합금의중변형률속도에서의동적특성을알아보기위하여 Fig. 6 에도시한고속인장시험기를이용하여인장실험을수행하였다. 고속인장시험기는실린더의최고속도는 7 mm/sec 이고최대하중은 3 kn, 최대변위는 3 mm 이다. 작동유체를압축시키기위하여 45 kw 용량의유압모터를 2 개사용하였다. 변위와하중의측정은 LDT(Linear Displacement Transducer) 와압전형로드셀을사용하였다. 중고속인장실험에서일정한인장속도를얻기위하여시험기의지그에적합하도록시편의형상을 ASTM E-8 을기준으로조정하였다. 크롬함유량 25 % wt 의경우, 원판소재의직경이 6 mm 로균일한속도를보장하는시편제작에어려움이있어제외하였다. 크롬의함량변화에따른총 4 종류의합금소재에대하여, 변형률속도 1~5/sec 범위에서중고속인장실험을수행하였다. 구리 - 크롬합금의응력 - 변형률선도를 Fig. 7 에도시하였다중고속인장시험결과, 변형률속도가증가할수록변형률속도경화에의하여소재의강도가증가하고연신율이감소하는경향을보인다. 그리고동적인장실험의특성상 5/sec 의변형률속도에서하중떨림 (load ringing) 현상이관찰되었다 (7). 각소재에대하여변형률속도의영향을조사하기위하여항복강도및연신율의변화를 Fig. 8 에 Yield Stress (MPa) Failure Elongation 18 16 14 12 1.25.2.15.1. 9 % Cu_1% Cr 85 % Cu_15% Cr 8 % Cu_2% Cr 7 % Cu_3% Cr 1 1 1 1 2 Strain rate ( /sec) (a) Yield stress.35 9 % Cu_1% Cr 85 % Cu_15% Cr.3 8 % Cu_2% Cr 7 % Cu_3% Cr 1 1 1 1 2 Strain rate ( /sec) (b) Failure elongation Fig. 8 Comparison of the yield stress and failure elongation at intermediate strain rates 도시하였다. 크롬함유량의증가는정적실험에서의결과와유사하게전체적으로항복응력을증가시키고연신율을감소시키고있다. 크롬함유량을
674 송정한 허훈.6 Stress wave in incident bar Stress wave in transmitted bar Voltage (V).4.2. incident wave transmitted wave Fig. 9 Split Hopkinson pressure bar apparatus -.2 reflected wave -.4 2 4 6 8 Time (µs) Fig. 11 Stress wave in the incident and transmitted bar from the Hopkinson bar test Fig. 1 Pictures of specimen for Hopkinson bar test 달리한각소재의변형률속도증가에따른항복응력의변화량을살펴보면거의유사한기울기를보이며항복응력이증가함을알수있다. 이는소결되는크롬함유량의변화가소재의변형률속도민감도 (strain-rate sensitivity) 에크게영향을미치지않는다는것을의미한다. 변형률속도변화에따른파단연신율의변화를살펴보면크롬함유량을달리한네소재모두변형률속도 1/sec 까지는파단연신율이감소하지만 1/sec 이상에서는파단연신율의감소가둔화된다. 이는변형률속도증가에따라네킹 (necking) 이발생하는부분에서국부적인변형률속도경화 (strain-rate hardening) 가발생하여파단이억제되기때문이다. (7) 2.4 구리 - 크롬합금의고속압축실험변형률속도 1/sec 이상에서의동적실험은 Fig. 9 에도시한압축형홉킨슨바시험기를사용하였다. 홉킨슨바시험기는 Kolsky 의 1 차원탄성파이론에근거하여입력봉과출력봉에서반사파와투과파를측정하여식 (1) 과 (2) 와같이시편의응력및변형률관계를구할수있다. (8) A σ ( t) = E ε T ( t) (1) A 2C ε ( t) = L & ε R ( t) (2) 여기서 E 는봉의탄성계수, A 와 A 는봉과시편의단면적, ε T 는투과파, ε R 은반사파, C 는응력파의전파속도, L 은시편의표점거리이다. 홉킨슨바시험기의시편은직경이 1 mm 이고 True Stress (MPa) 4 3 2 9%Cu_1%Cr at 1/sec 1 Experimental Result Fitted Stress-Strain Curve..4.8.12.16 True plastic strain Fig. 12 Stress-strain curve from the split Hopkinson pressure bar 두께가각각 4 mm, 6 mm, 8 mm 인원통형시편을사용하였다. 시편의형상은 Fig. 1 과같다. 크롬의함유량에따른총 5 종류의구리 - 크롬합금에대하여, 변형률속도를각각 1/sec, 2/sec, 5/sec 로변화시켜실험을수행하였다. 변형률속도는시편의두께와충격봉의속도로조절하였다. Fig. 11 에크롬함유량이 1wt% 인 9%Cu_ 1%Cr 시편에대하여변형률속도 1/sec 에서스트레인게이지를통하여얻어진입력봉과출력봉에서의응력파를도시하였다. 입력파및반사파와투과파모두약 1 µs 의파장을갖는사각파이며, 입력파는약 14 µs 의증가시간을갖는다. 그리고투과파는반사파에비하여약간의지연시간을거친후얻어지는것을볼수있다. 이때투과파의크기가작은것은봉과시편의임피던스 (impedance) 차이가너무크기때문이다. 이와같이측정된응력파를각각반사파와투과파부분으로따로분리된후식 (1) 과식 (2) 의관계를통하여시편의응력 - 변형률관계로변환된다. Fig. 14 에변환된응력 - 변형률선도를도시하였다. 변환된응력 - 변형률선도를유동응력곡선식으로근사하여사용하였다.
구리 - 크롬소결단조합금의크롬함유량변화에따른동적물성특성 675 Yield Stress (MPa) 35 3 25 2 15 1 Experiment Johnson-Cook eqn. modified J-C eqn. Yield Stress (MPa) 35 3 25 2 15 1 Experiment Johnson-Cook eqn. modified J-C eqn. Yield Stress (MPa) 35 3 25 2 15 1 Experiment Johnson-Cook eqn. modified J-C eqn. 5 5 5 1-3 1-2 1-1 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Strain rate ( /sec) 1-3 1-2 1-1 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Strain rate ( /sec) 1-3 1-2 1-1 1 1 1 1 2 1 3 1 4 Strain rate ( /s) (a) 9%Cu_1%Cr (b) 8%Cu_ 2% Cr (c) 7%Cu_3%Cr. Fig. 13 Strain-rate sensitivity of sinter-forged Cu Cr alloy with different chrome content 3. 구리 - 크롬합금의동적물성모델 3.1 동적물성모델재료의동적물성모델은실험및이론에근거하여많은연구자들이제안하고있다. 동적물성모델은많은경우재료거동을변형률경화, 변형률속도경화및열적연화효과로구분하고각각의영향을서로독립적인항으로수식화한후재료거동을표현한다. 대표적인것으로 Johnson Cook 모델, Copwer Symonds 모델, Zerilli Armstrong 모델등이있다. (9) Johnson Cook 모델은식 (3) 과같이표현되며실험적으로상수 A, B, n, C, m 을결정한다. 그리고식 (4) 처럼 T* 를정의하여열적연화계수 m 을적용하였다. (4) n * m σ = [ A + Bε ][1 + C ln & ε ][1 + T ] (3) where, T T T = T T melt 1 * room (4) room Johnson Cook 모델의첫번째괄호는재료의변형률경화 (strain hardening) 효과를두번째괄호는변형률속도경화 (strain-rate hardening) 를나타내며세번째괄호는열적연화 (thermal softening) 효과를표현한다. Johnson Cook 모델의경우유동응력의변형률속도민감도를 1 차 log 함수를이용하여표현하였기때문에수백 /sec 의변형률속도이상에서유동응력이급격하게증가하는것을제대로표현하지못하는단점이있다. 이를보완하기위하여변형률속도경화효과를 2 차 log 함수로모사하는 modified Johnson Cook 모델이 Huh 등에의하여식 (5) 와같이제안되었다. (1) n 2 * m σ = [ A + Bε ][1 + C ln & ε + C (ln & ε) ][1 + T ] (5) 1 2 본논문에서는앞장에서기술한조성비를달리한총 5 종류의구리-크롬소결단조합금의준정적인장시험, 중고속인장시험, 고속압축실험에서얻은실험결과를 Johnson Cook 모델과 modified Johnson Cook 모델로근사하여각각의계수를결정하였다. 3.2 동적물성모델의계수결정진공인터럽터접점소재인구리 - 크롬합금에관하여 Johnson Cook 모델과 modified Johnson Cook 모델의변형률경화항상수 A, B, n 을구하기위하여변형률속도 1/sec 에서의응력 - 변형률선도를 Ludwick 식으로근사하여상수를결정하였다. 재료의변형률속도경화의효과를알기위해서는각각의재료에대하여변형률속도에대한특정변형률에서의응력선도를이용할수있다. 본논문에서는크롬의함유량을달리한각각의합금소재에대하여각변형률속도에서의초기항복응력을이용하여 Johnson Cook 모델의변형률속도경화항의계수 C 와 modified Johnson Cook 모델의계수 C 1, C 2 를결정하였다. Fig. 13 에도시된바와같이 Johnson Cook 모델은변형률속도에대한민감도를 log 선도상의일차함수로근사하기때문에실험데이터를선형적으로근사하여실제실험결과와잘일치하지않는경향을보인다. 이와비교하여 modified Johnson- Cook 모델의이차곡선을사용하게되면준정적인경우및중변형률속도그리고고변형률속도상태에서도시험데이터와잘일치하며이차곡선의특성상변형률속도 1/sec~5/sec 인구간에서는같은변형률속도에대하여선형근사보다낮은유동응력을예측하며그이외의변형률속도구간에서는높은값을예측하게된다. 이러한예측은실험에서얻어진구리 - 크롬합금의항복응력을적합하게잘표현하고있으며, 한개의수식으로준정적및중고속변형률속도영역까지재료거동을나타낼수있게되는장점이있다.
676 송정한 허훈 True stress (MPa) 4 3 2 1 9%Cu_1%Cr 5 /sec 2 /sec 5 /sec True stress (MPa) 4 3 2 1 8%Cu_2%Cr 5 /sec 2 /sec 5 /sec True stress (MPa) 4 3 2 1 7%Cu_3%Cr 5 /sec 2 /sec 5 /sec..5.1.15.2 True plastic strain..5.1.15.2 True plastic strain..5.1.15.2 True plastic strain (a) 9%Cu_1%Cr (b) 8%Cu_ 2% Cr (c) 7%Cu_3%Cr. Fig. 14 Interpolated stress Strain curves of Cu Cr alloy using modified Johnson Cook model Table 1 Constants of sinter-forged Cu Cr alloy in the original and modified Johnson Cook mode Cr A B Content (MPa) (MPa) n C C 1 C 2 m 1 wt% 18. 231.4.53.96.331.29.36 15 wt% 111.5 178.1.436.95.334.33.33 2 wt% 115.9 214.6.455.95.298.43.35 25 wt% 117.9 328.4.584.94.321.37.34 3 wt% 128.3 28.6.456.94.328.3.38 열적연화항의상수 n 값을계산하기위하여변형률속도 2/sec 일때의응력 - 변형률선도를근사하여얻은근사곡선에서변형률에따른변형에너지가열로바뀐다고근사하였다. 고속변형이기때문에열이주위로전파될충분한시간이없다고가정하고변형에너지의 9% 가온도상승에효과를준다고가정하였다. 이상의기술한방법으로크롬의함유량을 1 wt%, 15 wt%, 2 wt%, 25 wt%, 3 wt% 로달리한소결단조구리 - 크롬합금의 Johnson Cook 구성방정식및 modified Johnson Cook 구성방정식의상수들을결정하고이를 Table 1 에나타내었다. 여기서상수 A 는초기항복응력, B 와 n 은각각경화상수와경화지수를나타낸다. C 는재료의변형률속도민감도를나타내는상수로써 C 가클수록변형률속도증가에따른유동응력의증가량이크게나타난다. m 은시편의열적연화와관련된상수로소성변형중발생열에의한재료의연화를나타낸다. 이와같은동적물성모델을통하여근사한구리 - 크롬합금의응력 - 변형률선도를 Fig. 14 에도시하였다. 4. 결론 본논문에서는진공인터럽터접점의소재인구리 - 크롬분말소결단조합금재료의동적물성특성을평가하기위하여변형률속도를달리하여준정적물성실험, 고속인장시험기를이용한중변형률속도에서의인장실험, 홉킨슨바를이용한고속압 축실험을수행하였다. 구리 - 크롬합금의재료특성을파악하기위하여소결되는크롬분말의양을 1 wt% 에서 3 wt% 까지 5 wt% 씩조절한총 5 종류의구리 - 크롬분말소결합금의변형률속도에따른응력 - 변형률선도를확보하였다. 동적물성실험결과변형률속도가증가함에따라구리 - 크롬합금의항복응력은증가하며파단연신율은감소하는경향을보인다. 크롬함유량을달리한각소재의변형률속도증가에따른항복응력의변화량을살펴보면거의유사한기울기를보이는데이는소결되는크롬함유량의변화가소재의변형률속도민감도 (strain-rate sensitivity) 에크게영향을미치지않는다는것을의미한다. 또한변형률속도변화에따른파단연신율의변화를살펴보면크롬함유량을달리한각시편모두변형률속도 1/sec 까지는파단연신율이감소하지만그이상에서는변형률속도경화효과에의하여파단연신율의감소가둔화된다. 이상의실험결과에근거하여조성비에따른구리 - 크롬합금의동적물성특성을 Johnson Cook 모델및 modified Johnson Cook 로근사하고, 각모델의계수를결정하였다. Johnson Cook 모델은준정적인경우와고변형률속도의실험데이터를선형적으로근사화한것으로실험결과와오차를보이나, modified Johnson Cook 모델의이차곡선은준정적인경우및중변형률속도그리고고변형률속도상태에서도시험데이터와잘일치하며한개의수식으로준정적및중고속변형률속도영역까지재료거동을나타낼수있게된다.
구리 - 크롬소결단조합금의크롬함유량변화에따른동적물성특성 677 후기 본연구는산업자원부의지원에의하여기초전력연구원 ( 과제관리번호 R-22-B-256) 주관으로수행된과제임. 이에관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 (1) Barkan, P., 1966, A Study of the Contact Bounce Phenomenon, IEEE Transactions on Power Apparatus an Systems, Vol. 86, No. 2, pp. 231~24. (2) Shi, N. F. and Meuleman, D. J., 1992, Strain Rate Sensitivity of Automotive Steels, Proceedings of SAE International Congress Exposition, Detroit, 92245. (3) Jukas, J. A., Nicholas, T., Swift, H. F., Greszczuk, L. B. and Curran, D. R., 1982, Impact Dynamics, John Wiley & Sons, New York. (4) Johnson, G. R. and Cook, W. H., 1985, Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strains, Strain Rates Temperatures and Pressure Eng. Frac. Mech., Vol. 21, pp.541~547. (5) Huh, H. and Lim, J. H., 22, High Strain-Rate Test of Sinter-Forged Cu Cr with Split Hopkinson Pressure Bar, Proceedings of Plasticity 22, pp. 645~647. (6) Lim, J. H., Song, J. H., Huh, H., Park, W. J., Oh, I. S., Ahn, G. Y. and Choe, J. W, 22, Parameter Study of Impact Characteristics for a Vacuum Interrupter Considering Dynamic Material Properties, Trans. Of KSME(A), Vol. 26, No. 5, pp. 924-931. (7) Huh, H., Lim, J. H., Kim, S. B., Han, S. S. and Park, S. H., 24, Formability of the Steel Sheet at the Intermediate Strain Rate, Key Eng. Mater., Vols. 274-276, pp. 43~48 (8) Kolsky, H., 1963, Stress Waves in Solids, Dover publications, New York, pp. 41~98. (9) Meyers, M. A., 1994, Dynamic Behavior of materials, John Wiley & Sons, New York. (1) Kang, W. J., Cho, S. S., Huh H. and Chung, D. T., 1999, Modified Johnson Cook Model for Vehicle Body Crashworthiness Simulation, Int. J. Vehicle Design, Vol. 21, pp.424~435.