KR100211488B1 - 비합금 티타늄을 냉간 가공하기 위한 방법 - Google Patents

비합금 티타늄을 냉간 가공하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 만일 재료가 500

Description

비합금 티타늄을 냉간 가공하기 위한 방법
제1도 내지 제3도는 4등급 티타늄의 인장강도 및 연신율에 대한 냉간압연 및 어닐링의 여러 싸이클 효과를 도시한 도면으로서,
제1도는 4번의 중간 어닐링 및 최종 열처리한 4등급의 17.5
Figure kpo00003
5.2
Figure kpo00004
Ti시편에 대한 압연효과를 도시한 도면이며,
제2도는 3번의 중간 어닐링 및 최종 열처리한 4등급의 8.1
Figure kpo00005
3.3
Figure kpo00006
Ti시편에 대한 압연효과를 도시한 도면이며,
제3도는 4번의 중간 어닐링 및 최종 열처리한 4등급의 8
Figure kpo00007
직경을 갖는 Ti와이어 시편에 대한 압연효과를 도시한 도면이다.
제4도는 냉간 가공된 2등급 티타늄의 기계적 성질에 대한 최종 어닐링 온도의 영향을 도시한 도면으로서, 인장강도 Rm = 557N/
Figure kpo00008
및 연신율 A50=27
Figure kpo00009
의 비율로 열간압연되고 냉간변형된 2등급 티타늄의 기계적 성질에 대한 최종 열처리 온도의 효과를 도시한 도면이다.
최근에 티타늄 및 티타늄 합금이 과학 기술 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 이것은 티타늄 재료의 우수한 기술학적 특징, 특히 고내식성 및 저비중 때문이며, 이러한 성질은 티타늄 합금에 비교적 높은 강도를 주며 강에 비해 거의 40
Figure kpo00010
의 중량 절약을 가능하게 한다. 따라서, 티타늄 및 티타늄 합금은 항공공학 및 우주 여행분야, 화학공장, 발전, 해저기술, 및 인체에 대한 우수한 내성으로 인한 의약기술에 특히 유용하다는게 증명되어 있다.
비합금 티타늄은 높은 연신율과 단면 수축율을 갖는 연성재료이지만 그 강도는 연성 및 성형성의 손실을 감안하더라도 합금원소의 함량증가에 따라 상당히 증가된다. 이러한 합금원소는 용체화 강화(solution strengthening)를 유발하는 특히, 산소와 관련이 있으며 본 기술분야에서 4등급 비합금 티타늄은 0.05 내지 0.35
Figure kpo00011
의 산소 함량 및 240 내지 740N/
Figure kpo00012
의 인장강도를 갖는다고 인정되었다. 그러나, 강도는 온도에 따라 크게 변하는데, 단지 300
Figure kpo00013
온도에서도 심지어 약 50
Figure kpo00014
만큼이나 떨어진다.
티타늄은 면심 입방정계나 체심입방정계보다 더 적은 슬립면을 갖는 육방결정계 구조를 가지므로, 변형에 대한 저항이 매우 커서 통상의
Figure kpo00015
+
Figure kpo00016
-티타늄 합금은 냉간 성형될 수 없다. 한편, 비합금 티타늄은 산소 함량에 따라 다소 냉간 성형될 수 있다. 그러나, 산소 함량의 증가 및 감소는 중간 어닐링이 불가피하게 되는 냉간경화를 초래한다. 따라서 예를들면, 40
Figure kpo00017
냉간 변형후 인장강도는 2배이고 파괴시 연신율은 ⅓로 떨어진다. 그리고나서 파괴시 연신율은 종종 5 내지 10
Figure kpo00018
에 불과하다. 이것은 중요한 잇점인데, 그 이유는 고표면 품질 및 강도가 연성의 손실에도 불구하고, 냉간성형만으로 얻어질 수 있기 때문이다. 그래서 0.10
Figure kpo00019
이하 산소의 최저 침입형불순물의 함량을 가진 비합금 티타늄(DIN 17850에 따른 Werkstoff-Nr.3.7025)은 여전히 냉간가공하는 것이 용이하다. 그러나, 상기 격자구조에서 이종원자, 특히 산소의 증가 비율에 의해 냉간 성형은 상당히 감소하며 대표적인 강의 변형은 가공사이클과 관련된 반복적인 중간 어닐링의 사용에 의해서만 가능하다.
중간 어닐링은 보통 새로운 핵생성에 의한 냉간성형을 회복시키기위해 재결정온도(600 내지 800
Figure kpo00020
에서 연화 어닐링) 이상에서 또는 500 내지 600
Figure kpo00021
온도에서 응력 제거 열처리에 의해 수행된다.
냉간성형 다음에는 최종 열처리가 행해진다. 여기서 예비냉간가공의 형태와 양은 최종 열처리에 결정적인 역할을 한다. 이것은 변형량과 어닐링의 온도 및 지속시간을 통해 연화 어닐링에서 바람직한 입자 치수를 얻게 한다.
DIN 65084 에 따라 최종 또는 연화 어닐링은 보통(용액내 침입형 불순물의 양에 따라) 600 내지 800
Figure kpo00022
의 재결정온도에서 10 내지 120분의 침지를 통해 수행된다.
만일 재결정화가 불필요하면, DIN 65084 에 따라 응력 제거 열처리는 최종 열처리와 같이 30 내지 60분의 침지시간, 500 내지 600
Figure kpo00023
온도에서 선택적으로 수행된다.
티타늄 및 티타늄 합급은 의약분야, 예를들면 엔도프로세시즈(endoprotheses), 턱 이식제, 뼈판, 뼈 나사, 벼 니이들, 심장 박동원케이스 및 외과기구용 재료에 유용하다. 표준 합금 TiAl6V4는 이러한 양호한 강도 때문에 매우 유용한 합금이다. 그러나, 상기 합금내의 바나듐함량이 문제가 되는데, 그 이유는 원소 바나듐이 인체에 독성 반응을 일으키기 때문이다. 고용체 격자내 바나듐의 용해는 독성반응의 위험을 감소시키지만, 이 위험은 특히 파괴 및 마모가 발생했을때는 완전히 제거되지 않는다. 니켈 함유 합금은 어느쪽에도 사용되지 않는데, 그 이유는 각 경우에 니켈 알레르기의 위험이 존재하기 때문이다. 따라서, 무바나듐 티타늄 합금, 예를들어 특별히 개발된 이식제합금 TiAl5Fe2.5을 사용하는 경향이 높다.
본 발명의 목적은 비합금티타늄, 특히 4등급 티타늄에서 얻어질 고강도 고연성의 조합을 가능하게 하며 특히 굽힘성(bendability)을 향상시키는 냉간성형방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 중간 어닐링은 재결정 온도 이하에서, 바람직하게는 500
Figure kpo00024
이하에서, 즉 응력제거 열처리용 온도 이하에서 수행된다.
바람직한 어닐링 지속시간은 30분 내지 수시간까지이며, 이 범위내에서 지속시간은 어닐링 온도에 반비례한다.
단면수축율은 10 내지 90
Figure kpo00025
, 바람직하게는 20 내지 50
Figure kpo00026
범위일 수 있다. 이러한 단면수축율은 어느 주어진 경우에, 단면수축율이 낮으면 높은 어닐링 온도를 필요로하고 단면수축율이 높으면 낮은 어닐링 온도를 필요로하는, 즉 단면수축율이 작으면 작을수록 재결정온도가 높아지는 단면수축율과 어닐링 온도 사이의 관련성에 따라 결정된다.
본 발명 방법의 특징은 중간 어닐링이 재결정온도 이하에서, 그리고 바람직하게는 DIN 65084에 따른 응력제거 열처리용 온도이하에서 발생한다는 것이다. 그럼에도 불구하고 본 발명은(전자현미경 사진으로 알 수 있는 바와 같이)전위밀도의 균일한 감소를 통해 응력을 감소킨다.
본 발명에 따른 어닐링은 현저한 회복표시인 소위, 셀 조직이 없는 것이 특징이다.
냉간성형은 예를들어 1 내지 20번, 바람직하게는 3 내지 5번 행해지는 인발, 롤성형, 해머링, 단조 및 압연에 의해 이루어질 수 있다.
냉간가공 및 중간 어닐링의 싸이클은 예를들어 재결정 온도이하, 바람직하게는 450
Figure kpo00027
이하로 1 내지 3시간동안 템퍼링하는 최종 열처리가 뒤따르고 마침내 강도 및 연신율을 조절하고 내균열성을 향상시킨다.
만일 티타늄내의 철함량이 0.08를 초과하지 않으며 및/또는 산소함량이 0.35
Figure kpo00029
를 초과하지 않으면, 본 발명의 방법에 의해 강도 및 연성의 최적 조합이 이루어진다.
이하에서는 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
제1시험에서 철 0.50
Figure kpo00030
, 산소 0.32
Figure kpo00031
, 질소 0.005
Figure kpo00032
, 탄소 0.03
Figure kpo00033
, 수소 0.0070
Figure kpo00034
, 나머지는 티타늄 및 불가피한 불순물을 함유하는 비합금 4등급 티타늄(드래프트 표준 DIN 17850에 따른 Werkstoff Nr. 3.7065)을 먼저 21
Figure kpo00035
직경의 와이어로 열간압연한다. 그리고나서 이 출발재료를 17.5
Figure kpo00036
5.2
Figure kpo00037
의 단면이 될 때까지 475
Figure kpo00038
에서, 각각 3시간의 지속시간으로 4번의 중간 어닐링에 의해 냉간가공하고 마지막으로 425
Figure kpo00039
에서 2시간동안 열처리한다.
제1도는 인장강도 Rm과 연신율 A50과의 관계 및 변형범위와 가공단계의 횟수를 도시한 것이다. 특히, 도면의 파단선은 인장강도 및 연신율에 대한 두 한계선 사이에서, 중간 어닐링단계(수직선부분)에서는 인장강도가 하한선으로 하강하고 연신율이 상한선으로 상승하며, 다음의 가공단계(사선 부분)에서는 인장강도가 상한선으로 다시 상승하고 연신율이 하한선으로 다시 하강하는 것을 나타내내고 있다.
이것은 면적 8.1
Figure kpo00040
3.1
Figure kpo00041
(제2도)와 8
Figure kpo00042
직경 와이어(제3도)에 대한 2개의 또다른 실시예에 의해 확인되었다.
제3도는 본 발명에 의해 얻을 수 있는 가장 명확한 잇점을 나타낸 도면이다. 제1중간 어닐링까지 28
Figure kpo00043
의 단면수축율을 갖는 제1냉간 가공 싸이클은 강도를 180N/
Figure kpo00044
로 증가시킨다. 각 단계에서 약 30
Figure kpo00045
의 단면수축율을 갖는 치종 냉간가공 및 이 단계들 사이의 중간 어닐링은 강도를 150내지 1000N/
Figure kpo00046
로, 즉 가공 싸이클당 약 40N/
Figure kpo00047
만큼 더 증가시킨다. 더 큰 단면수축율 및/또는 더한 최종 가공 및 어닐링 싸이클에 의해 강도를 1000N/
Figure kpo00048
이상으로 증가시킬 수 있다.
연신율은 제1냉간성형 싸이클중에 33
Figure kpo00049
의 초기값에서 18
Figure kpo00050
까지 낮아 지고 부가적인 가공에서는 초기값의 12
Figure kpo00051
까지 낮아진다. 하지만 중간 어닐링에 의해 연신율이 다시 22 내지 28
Figure kpo00052
로 증가한다.
목적하는 용도에 따라, 두 개의 한계선 사이에 강도 및 연신율의 조합이 최종 열처리(선의 a마지막 수직부분)중에 얻어질 수 있다.
더 높은 어닐링온도 및/또는 더 긴 어닐링시간이 강도를 여전히 더 낮추고 연신율을 이에 대응하게 증가시킨다.
제4도는 냉간가공된 2등급 티타늄의 기계적 성질에 대한 최종 열처리 온도의 영향을 도시한 것이다. 이 도면은 필요에 따라 내력, 인장강도 및 연신율 사이의 바람직한 관계를 이루기 위해 비교적 낮은 어닐링온도가 또한 사용될 수 있음을 나탄낸다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 재료의 특정 성질은 굽힘성과 관련하여 특히 명확하게 나타난다. 두 개의 다른 냉간 압연된 시편에 대한 DIN 50111에 따른 굽휨시험으로부터의 데이터를 표 1 및 표 2에 나타내었다. 이 표는 1분 동안의 시험지속시간동안 시험조건용 한계치가 r = 0.5
Figure kpo00053
s 임을 나타내는데, 여기서 r은 휨축의 반경이고 s는 박판의 두께이다.
DIN 17860에 따르면, 박판의 두께가 2 내지 5
Figure kpo00054
인 경우에 휨축 반경의 최소값 r = 3
Figure kpo00055
s이며, 따라서 본 발명의 방법은 굽힘성에 있어서 현저한 향상을 나타낸다.
본 발명에 따라 냉간 압연된 비합금 티타늄은 판형제품, 시이트, 스트립, 와이어, 및 예를들어 뼈판, 뼈 나사, 뼈 못, 치아용 핀 및 치아본체 고정물, 치아 교대장치, 심장 박동원하우징, 심장밸브 및 프로세시즈 등과 같은 의약 분야용 물품, 의약기구, 보청기의 일부, 혈액 원심분리기 및 다른 의약장치에 특히 적합하다.
하지만 본 발명에 따라 처리된 티타늄은 또한 고강도, 연성, 굽힘성, 양호한 절삭성, 내식성, 저비중 및 탄성계수로 인해 이러한 성질의 바람직한 조합이 요구되는 다른 적용에도 적합하다.
Figure kpo00056
Figure kpo00057

Claims (7)

  1. 각각 0.35
    Figure kpo00058
    및 0.08
    Figure kpo00059
    이하의 산소 및 철중 하나 이상을 함유하며 7 내지 90
    Figure kpo00060
    의 단면수축율을 갖는 비합금 티타늄을 냉간성형하고 재결정온도 이하에서 30분 내지 수십시간동안 중간 어닐링하여 비합금 티타늄을 냉간성형하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어닐링 온도는 500
    Figure kpo00061
    이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉간성형은 600
    Figure kpo00062
    까지의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항, 제2항, 또는 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비합금 티타늄재료는 개별 중간 어닐링사이에 1 내지 20번의 냉간성형이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항, 제2항, 또는 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉간성형후에 1 내지 20번의 중간 어닐링이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항, 제2항, 또는 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 재결정 온도이하에서의 최종 열처리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 최종 열처리의 온도는 450
    Figure kpo00063
    이하인 것을 특징으로 하는 방법.
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