KR100505168B1 - 금속성 블랭크 및 그 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 금속성 재료의 처리 방법, 특히 금속성 재료의 구조를 강화하기 위한 방법이 제안된다. 상기 방법은 하기의 공정 단계를 포함한다 :

a) 금속성 재료로된 블랭크를 제조하는 단계;

b) 상기 블랭크를 변형 온도로 가열하는 단계; 및

c) 상기 블랭크에 비틀림 및 압축을 동시에 가하여 변형시키는 단계.

Description

금속성 블랭크 및 그 처리방법 {METALLIC BLANK AND METHOD FOR TREATING THE SAME}

본 발명은 금속성 재료의 처리 방법, 특히 금속성 재료의 구조 또는 조직을 강화하기 위한 방법 및 금속성 블랭크에 관한 것이다.

현재까지 사용되어온 금속성 재료에 대한 기존 처리 기술 및 변형 기술이 보여주는 강화 결과는 의도했던 결과에 한결같이 부합하지는 않는다. 예컨대, 티타늄-알루미나이드 또는 마그네슘-재료 그룹과 같은 특수 금속성 재료들은, 현재까지 사용되어온 기존 처리 기술 및 변형 기술에 따라, 예를 들면 단조 또는 압출 성형에 의해, 그 구조면에서 여전히 상당한 화학적인 이질성 및 구조상의 이질성을 내포하고 있으며, 상기 이질성은 어떤 특정한 기술적인 적용에 대해서는 내성을 갖추고 있지 않다. 무엇보다 이와 같은 기존 처리 기술 및 변형 기술에 의해서는, 상대적으로 근소한 변형 정도에만 도달할 수 있다. 예컨대 항공기용 제트 엔진의 터빈 블레이드 또는 자동차의 동력 전달 부품용 연접봉과 같이, 열적으로 그리고 물리적으로 고부하를 받는 영역에 금속성 재료들이 사용되어야 하는 경우에는, 종래의 기술로서는 감당할 수 없다.

금속간 티타늄 알루미나이드와 같은 금속성 재료는 매우 부서지기 쉽기 때문에 변형이 어려운 재료이다. 현재까지 이와 같은 금속성 재료는 용융 금속학적인 방법에 의해서만 제조되었는데, 상기 방법에서는 진공-아크 용융, 플라스마 용융 그리고 유도 용융이 주로 사용되었다. 일반적으로 용융물이 2회 또는 3회 용융된다 하더라도, 주물체내에서 질적으로 상당한 결함이 발생하는데, 이 결함들은 주로 조야한 입자 조직으로서, 결정의 편향된 배향성, 심한 국소적 조성 변화 및 구멍의 생성에 의해 나타난다. 이와 같은 결함은 예컨대 티타늄 알루미나이드의 초기 주물에서뿐만 아니라 다른 많은 금속성 재료에서도 나타나는 것으로써, 언급한 바와 같이 상기 금속성 재료는 주물 재료로부터 직접적으로 구성 부품을 제작하기에는 적합하지 않다. 그러므로 초기 주물로서 존재하는 재료는 구조적으로 및 화학적으로 강화되어야 한다. 따라서, 예컨대 금속성 합금의 국소적 조성 변화를 줄이고, 미세한 입자 조직 및 균질화를 실현하기 위하여, 단조 또는 압출 성형에 의한 고온-변형법이 일반적으로 사용된다.

기존에는 주물 재료의 구조가 고온 변형 동안에 재료 내부로 전달되는 물리적인 에너지에 의하여 시작되는 상 변화(phase change) 및 재결정화(recrystallization) 공정에 의해서 강화되었다. 그러므로 상기 변형후에 구조의 순도 및 균질성은 변형 온도 또는 변형 속도 외에도 무엇보다 변형 정도, 즉 재료가 변형될 때 이루어지는 소성 변형의 정도에 좌우된다. 이 변형 정도는 압축에 의한 기존 1단계의 단조시에는 대개 최대 변형이 90 내지 95 %로 제한된다. 이러한 변형 정도에서는 단조체의 주변에 높은 부차적인 인장 응력이 생겨나는데, 이 인장 응력은 종종 균열을 일으킨다. 이것은 특히 티타늄 알루미나이드와 같이 부서지기 쉬운 재료에 있어서 문제가 되며, 그렇기 때문에 대개 티타늄 알루미나이드는 훨씬 더 약하게만 변형되어질 뿐이다. 변형 정도가 보다 높아짐으로써 많은 단계의 단조가 요구되는데, 이것은 아주 높은 비용을 유발하고 게다가 원하는 모든 구성 부품의 형성에 전부 적용할 수 있는 것은 아니다.

특히 단점인 것은 1000℃이상의 단조에 적합한 다이 재료가 없다는 사실이다. 1000℃까지의 온도에 사용되어온 기존 몰리브덴 합금 다이는 보호 가스가 있어야만 되며, 이것은 실질적인 단조의 실행을 저해하고 비용을 증가시킬 뿐이다.

경우에 따라서 변형에 사용된 기존의 압출 성형법은, 단조에서보다 분명히 더 높은 변형 정도를 얻을 수 있다. 중첩된 정수학적인 응력에 의해서 부서지기 쉬운 재료일지라도 비교적 양호하게 변형될 수 있다. 다만 실제 적용에 있어서는 압출 성형시에 실질적으로 얻어진 변형 정도는 대개 의도했던 주형체의 구조로 인해서 약 10:1의 프로파일 변형에 제한된다. 또한 압출 성형에 있어서는 단조보다도 훨씬 높은 온도가 요구된다는 단점이 있다. 그러므로 티타늄 알루미나이드와 같이 부식이나 산화 작용에 아주 민감한 재료는 압출 성형을 위해서 따로 특별하게 캡슐화되어야 하는데, 이는 상대적으로 많은 비용이 들고 비용을 유발할 가능성이 있다.

본 발명의 목적은 서문에 언급된 방식에 따른 방법, 즉 기존 방법에 비해 한층 개선된 금속성 재료의 구조 강화와 관련한 금속성 재료의 처리방법 및 금속간 합금처럼 부서지기 쉬운 성질로 인하여 이제까지 변형이 어려웠던 재료에 적용할 수 있는 금속성 재료의 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 목적은 하기의 공정 단계를 통해서 달성된다.

a) 금속성 재료로된 블랭크를 제조하는 단계;

b) 상기 블랭크를 변형 온도로 가열하는 단계; 및

c) 상기 블랭크에 비틀림 및 압축을 동시에 가하여 변형시키는 단계.

전술한 의미에서 블랭크는, 압출 성형 및 단조, 그리고 여러 차례의 용융에 의해 처리된 금속성 재료로 이루어진 미완성체를 일컫는다. 이러한 의미에서 상기 금속성 구성 요소는 학술적인 용도면에서 하나의 적합한 표본이 될 수 있으며, 또한 예를 들어 항공기용 제트 엔진의 터빈 블레이드 또는 자동차의 동력 전달 부품용 연접봉과 같이 최종 생산물의 제작에 이용되는 반제품이 될 수도 있다.

본 발명의 목적에 따라 블랭크는 금속성 재료로 제작될 수 있는데, 추구하는 바와 같이, 상기 블랭크를 통해서 금속성 재료의 구조적인 강화가 명확하게 개선될 수 있으며, 또한 본 방법에 의하여 얻어지는 구조와 관련하여, 부서지기 쉬운 성질 때문에 변형되기가 어려운 금속성 재료에 본 방법이 적용됨으로써, 본 방법에 따른 기대치를 훨씬 능가하는 결과가 나타나는 바, 즉 기존의 단조 방법 및 압출 성형 방법에 의해 얻어지는 구조 배열에 비해서 상기 구조는 구조적으로 및 화학적으로 훨씬 개선된다. 본 발명의 따른 방법의 또 다른 근본적인 장점은, 블랭크가 가열되는 변형 온도가, 지금까지 공지된 단조 방법 및 압출 성형 방법의 온도보다 상당히 낮다는 것이다.

바람직하게, 본 발명에 따른 변형은 블랭크에 비틀림이 가해짐으로써 실행된다. 그 결과, 블랭크가 회전되어 그 내부에 소성 변형이 발생한다. 블랭크가 여러 차례 비틀어짐으로써 큰 소성 변형이 발생할 수 있도록, 비틀림 각도는 구조적인 제한이 없어야 한다. 또한 비틀림으로 인하여 블랭크의 작은 유효 길이에 있어서도 높은 변형율이 구현되는데, 즉 재료의 매우 높은 변형 정도가 달성되며, 쉽게 변형되지 않는 재료에 본 방법을 적용할 때에도 매우 높은 변형율이 구현된다. 이 비틀림으로 인하여 상당량의 기계적 에너지가 재료 내부로 유입되어, 재료 구조의 균일한 동적 재결정화가 이루어진다.

금속성 재료의 구조를 더 개선하기 위하여, 변형은 바람직하게 블랭크를 압축하는 형태로 실행되며, 그런 다음에는, 대단히 바람직하게는 실제로 이 블랭크에 비틀림과 동시에 압축이 가해진다면, 즉 비틀림 및 압축 방식이 중첩되어 실행된다면, 상기 금속성 재료의 변형시 비틀림으로 인하여 종종 발생하는 전단 균열이 초기 단계에서 다시 접합되어 큰 균열로 이어지지 않게 된다. 또한 비틀림 및 압축을 중첩함으로써 보다 균일한 재료의 변형이 달성되는데, 이는 양 변형 과정에 속해 있는 전단 공정이, 블랭크가 구조적으로 적합하게 구성되어 있는 경우에는, 강하게 서로 경사진 각도를 이루며 진행되기 때문이다.

바람직하게, 압축은 일정한 힘(Constant Force)이 블랭크에 가해짐으로써 실행되며, 또한 바람직하게는, 일정한 변형 속도를 유지함으로써 블랭크의 압축을 제어하는 것도 가능하다.

근본적으로 본 방법에 따른 처리에 있어서 블랭크를 가열하는 것은, 바람직하게는, 변형이 일어나기 시작하면 블랭크가 전체적으로 가열되도록 및 블랭크가 변형 온도로 유지되도록 블랭크의 가열을 제어함으로써 실행될 수 있다. 이 경우, 블랭크는 전체적으로 변형된다. 즉 전체적으로 비틀림 및/또는 압축된다.

또한 상기 가열이 블랭크의 선택된 특정 영역에서 이루어짐으로써 블랭크의 변형이 실현될 수 있다. 즉 아주 넓은 의미에서는, 블랭크에 대한 가열 장치의 상대적 위치 및 열 공급 위치에 따라 블랭크의 단계적 변형이 실시됨이 바람직하다고 할 수 있다.

바람직하게, 블랭크는 전기 코일에 의해 가열되며, 상기 전기 코일은 블랭크 주위에 적절하게 위치하거나, 경우에 따라서는 전술한 바와 같이 블랭크의 선택된 특정 영역을 가열하도록 블랭크를 따라 이동이 가능할 수 있다.

아주 특별한 장점은, 블랭크가 약 1000℃의 온도에서 변형될 수 있다는 것이며, 또한 그보다 더 높거나 더 낮은 온도가 금속성 재료의 특성에 따라 블랭크의 변형 온도로서 선택될 수 있다는 것이다.

1000℃ 이상의 극단적으로 높은 변형 온도가 필요한 경우, 상기 방법을 보호 가스 분위기에서 적어도 부분적으로 진행시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 블랭크는 청구항 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따라 처리된 티타늄 알루미나이드로된 블랭크이며, 바람직하게 상기 티타늄 알루미나이드는 아래의 조성(단위: 원자 %)을 갖는다:

Ti - 47 Al - 3.7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0.5 B

이하, 첨부도면을 참조하여 특히 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본원에 개시된 방법은, 실험실에서 Ti - 47 Al - 3.7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0.5 B의 조성(단위: 원자 %)을 갖는 TiAl-합금으로 실험하였다. 실험은 대기중에서 실시되었다. 나사 머리가 구비된 표본이 압축기 내에 설치되었으며, 이 압축기에서 표본 고정부가 서로에 대해 회전하여 표본에 비틀림을 가하였다(도 1). 표본은 유도 코일에 의해서 1000 내지 1100℃의 다양한 변형 온도로 가열되었다. 표본 온도는 열전소자에 의해서 결정되었다. 코일의 기하학적 구조로 인하여 고온 표본 영역은 약 6㎜의 길이를 갖게 되었고, 이는 실험을 평가하기 위한 유효 표본 길이로 간주되었다. 소정 온도에 도달한 후, 표본에 대해 10 내지 50 Mpa의 일정한 압축력이 가해졌다. 이때에는 매우 조야한 주물 구조 때문에 아직 변형은 발생하지 않았다. 그 후, 표본은 1분내에 = 720°각도로 (2 회전) 비틀어졌다. 이것은 상기 표본의 구성상 이 표본의 외부 피복제가 = 4 ㎜, l = 6 ㎜일 경우에, 약 _t = 600 % 의 매우 높은 변형 정도 및 d _t /dt = 5 x 10^-2 s-l의 신장율에 상응한다. 그러므로 비틀림 동안에는 집중적인 재결정화가 이루어진다. 여기에 동반하여 구조가 제련됨으로써 제료의 항복 응력이 급격히 떨어지고, 인가되는 압축력하에서 재료는 압축되는 가운데 변형된다. 이로써 비틀림과 압축의 바람직한 콤비네이션이 달성된다. 이러한 방식으로 발생되는 압축 변형은 통상적으로 20%였다.

도 2는 변형된 표본의 확대도이다. 상기 변형 방법에 의한 제련 구조가 광 현미경적 구조도로서 도 3에 도시되어 있다.

도 3a에서는 상대적으로 조야한 주물 구조로서 표본의 상부 영역이 도시되는데, 이 상부 영역에서는 변형이 이루어지지 않기 때문에 동적인 재결정화 역시 일어나지 않는다. 이와 달리 압축 및 비틀림에 의해서 변형된 표본의 중앙 영역에서는 구조가 매우 제련되었다(도 3b). 표본의 단부 영역에서 판상 군체의 평균 입자 크기는 약 a = 800 ㎛에 상당하는 반면, 표본의 중앙 영역에서는 입자 크기가 약 d = 50 ㎛로 감소된다. 비틀림 및 압축으로 변형된 표본 영역에서는 높은 변형 정도에도 불구하고 균열이 생겨나지 않았으며, 그러므로 변형 정도는 추가의 구조 제련을 위해서 분명하게 증대될 수 있다.

본 발명에 필요한 구성 부품, 예컨대 유도 가열 장치 또는 변형 기기는 야금 산업분야에서 표준 설비 또는 장비에 속하기 때문에, 상기 방법은 어려움 없이 산업적으로 이용가능하다.

본 방법의 특별한 장점으로는 표본 고정부가 가열될 필요가 없으며, 따라서, 표본 고정부가 고도의 내열 재료로 제조될 필요가 없다. 실험이 실시될 때, 변형하고자 하는 표본은 전체 길이에 걸쳐 균일하게 원하는 변형 온도로 가열된다. 선택적으로, 상기 표본은 유도 가열에 의해서 국소적으로 가열될 수도 있다. 상기 국소적 가열 공정은, 균일한 재결정화를 이루어야할 다수의 재료에 있어서 장점이 되는 가운데, 그 밖의 동일한 조건하에서 국소적으로 매우 높은 변형 정도 및 변형 속도가 구현될 수 있다는 점에서 장점이 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 표본 전체를 변형시키기 위해서는 유도 코일이 표본 종축을 따라 이동되어야 한다. 주어진 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 단조 방법 및 압출 성형 방법과 비교하여 1000℃ 정도로 상대적으로 낮은 변형 온도에서 변형이 이루어질 수 있으며, 이는 티타늄 알루미나이드와 같이 부식에 민감한 재료의 변형이 쉽고 간단하게 이루어지도록 한다. 또한 본 방법의 특별한 장점은, 극단적으로 높은 온도에서의 변형이 보호 가스하에서 비교적 간단하게 구현될 수 있다는 점이다. 예컨대 극단적으로 높은 온도에서는 특수한 판상 구조 또는 조직 형태가 나타날 수 있기 때문에, 티타늄 알루미나이드의 경우 종종 1350℃ 이상의 변형 온도가 요구된다. 본 발명에 따른 방법이 가변적이기 때문에, 특정 재료의 재결정화 거동 및 변형 정도에 맞게 변형 조건이 조정될 수 있음으로써, 티타늄 알루미나이드와 같이 비교적 부서지기 쉬운 재료가 상대적으로 용이하게 변형된다. 그러나, 변형에 요구되는 토크 및 파워가 상대적으로 저온의 표본 고정부를 통해 가해짐으로써, 상기 표본 고정부는 고가의 고온 재료로 제조될 필요가 없다.

본 발명에 의해서, 금속성 재료의 구조 강화와 연관하여 한층 개선된 금속성 재료의 처리를 가능하게 하는 방법이 완성되며, 또한 상기 방법은 금속간 합금처럼 부서지기 쉬운 성질로 인하여 이제까지는 아주 어렵게 변형이 이루어지는 재료에도 적용될 수 있다는 점이 보증된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 기술적인 해결책을 설명하기 위한 원리도로서, 블랭크에 비틀림 및 압축이 동시에 가해지는 상태를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 방법에 따라 1000℃에서 비틀림 및 압축을 동시에 가하여 처리된, Ti - 47 Al - 3.7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0.5 B 의 조성을 갖는 TiAl-표본의 확대도이며, 여기서 상기 조성물의 단위는 원자 %이다.

도 3은 비틀림 및 압축의 동시 동작에 의하여 얻어진 제련 구조를 도시한 광 현미경적 구조도이며, 도 3a)에는 상기 표본의 변형된 상부 영역이 도시되어 있고, 도 3b)에는 상기 표본의 변형된 중심 영역이 도시되어 있으며, 도 3c)에는 강화된 제련 구조를 도시한 표본 중심 영역의 그리드 전자 현미경적 구조도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 블랭크 11, 12: 나사구멍 몸체

13: 변형 장치 14: 비틀림

15: 압축 16: 가열 장치(유도 코일)

17: 가열 장치의 이동(화살표) 18: 가열 영역

Claims (13)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 금속성 재료의 구조를 강화하기 위한 금속성 재료의 처리 방법에 있어서,

   a) 금속성 재료로된 블랭크를 제조하는 단계;

   b) 상기 블랭크를 변형 온도로 가열하는 단계; 및

   c) 상기 블랭크에 비틀림 및 압축을 동시에 가하여 변형시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 압축은 일정한 힘이 블랭크에 가해짐으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 압축은 일정한 변형 속도가 블랭크에 가해짐으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 블랭크가 전체적으로 가열되는 방식으로 가열이 실시되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 가열은 변형이 이루어져야할 블랭크의 영역에 맞춰져서 실시되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 블랭크의 가열은 전기 유도 작용에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
10. 제 4 항에 있어서,

    상기 블랭크는 1000℃의 온도에서 변형되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
11. 제 4 항에 있어서,

    상기 블랭크는 적어도 부분적으로 보호 가스 분위기에서 변형되는 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 처리방법.
12. 제 4 항에 따른 방법으로 처리된 티타늄 알루미나이드로 이루어진 금속성 블랭크.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 티타늄 알루미나이드가,

    Ti - 47 Al - 3.7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0.5 B의 조성(단위: 원자 %)을 갖는 것을 특징으로 하는 금속성 블랭크.