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"복잡한 부품 쉽게 제조"···변형 쉬운 철강소재 개발

이영국 연세대 교수 "복잡한 형상 난가공성 부품 가공 적용 기대"
중망간강에서의 초소성 변형. 냉간 압연을 진행한 중망간강을 이상온도 구간 내 850도씨에서 다양한 변형률 속도로 고온 인장을 실시한 모습이다. 왼쪽 그림은 실제로 실험을 진행한 시편의 모습이다. 초소성이 나타나서 매우 길게 늘어난 모습을 보여주고 있다. 오른쪽 그림은 인장 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.<사진=한국연구재단 제공>중망간강에서의 초소성 변형. 냉간 압연을 진행한 중망간강을 이상온도 구간 내 850도씨에서 다양한 변형률 속도로 고온 인장을 실시한 모습이다. 왼쪽 그림은 실제로 실험을 진행한 시편의 모습이다. 초소성이 나타나서 매우 길게 늘어난 모습을 보여주고 있다. 오른쪽 그림은 인장 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 복잡한 부품을 쉽게 제조하는 철강소재를 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 이영국 연세대학교 교수 연구팀이 경제성이 뛰어나고 비교적 제조하기 쉬운 새로운 초소성 철강 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

초소성이란 유리가 고온에서 길게 늘어나듯 금속합금이 길게 늘어나는 현상을 말한다. 10㎛(마이크로미터) 이하의 미세한 재료를 녹는점 2분의 1 이상의 온도에서 인장 실험을 할 때 300% 이상의 연신율(재료가 늘어나는 비율)을 보이는 현상이다.

최근 자동차·항공기 등 다양한 산업 분야에서 사용하는 부품의 형상은 점차 복잡해지고 있다. 복잡한 형상의 난가공성 부품은 분할 성형 후 접합이 필요하다. 이러한 단점을 극복하기 위해 복잡한 형상의 부품을 한 번의 가공으로 만들 수 있는 초소성 철강소재가 주목받고 있다.

지금까지 다양한 초소성 소재가 개발됐지만 상용화에는 어려움을 겪었다. 아연이나 알루미늄계 합금은 성형 후 강도가 낮고, 니켈이나 티타늄계 합금, 스테인리스강은 원료가 비싸다. 고탄소강은 제조 공정이 복잡한 문제가 있었다.

연구팀은 중망간강을 이용해 재료가 늘어나는 비율인 연신율이 최대 1314%에 달하는 초소성 중망간 철강소재를 개발하는 데 성공했다.
 
연구팀은 망간 6.6%와 알루미늄 2.3%를 첨가한 중망간강을 사용했다. 이 합금은 압연 공정 이후 열처리를 했을 때 망간과 알루미늄의 분배 차이를 통해 초소성 현상의 중요한 전제조건인 미세한 결정립을 얻을 수 있다. 

또 연구팀이 초소성 중망간 철강소재를 650~900℃의 온도 구간에서 인장실험을 한 결과 850℃에서 최대 1314%의 연신율을 얻었으며 비교적 낮은 650℃에서도 300% 이상의 연신율을 얻었다.

이번 연구에서 개발한 초소성 중망간 철강소재는 적은 양의 망간과 알루미늄을 사용할 뿐 아니라 기존 철강 제조공정으로 제작할 수 있다. 기존의 초소성 스테인리스강이나 고탄소강보다 경제적이다. 특히 중망간강은 초소성에 중요한 수백 ㎚(나노미터)에서 수 ㎛(마이크로미터) 크기의 결정립을 만들기 용이한 장점이 있다.

이영국 교수는 "이번 연구로 다양한 산업에서 원가 절감 효과가 있을 것"이라며 "초소성 철강소재를 이용해 높은 강도를 요구하면서도 형상이 복잡하고 성형이 어려운 부품들을 더욱 쉽게 제작할 수 있길 기대한다"라고 연구의 의의를 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9월 29일 논문으로 게재됐다.
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