KR100536838B1 - 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재에 관한 것으로서 보다 상세하게는 금형의 표면에 플라즈마 용사층과 도형제 코팅층을 형성시켜 용융금속이 주조금형에 소착 방지, 주조금형의 침식을 방지, 주조품의 표면결합감소, 금형의 용탕의 충진성이나 유동성을 향상시키고 α-case형성을 억제하도록 하기 위해 주조금형 표면에 플라즈마를 용사하여 플라즈마 용사층을 형성시키고 상기 플라즈마 용사층 위에 세라믹분말을 사용하는 도형제를 코팅하여 도형제 코팅층을 형성시켜 내주벽을 보호하도록 하는 것에 특징이 있다.

Description

티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재{Reinforcement for inner wall of titanium and titanium-alloy diecasting mould}

본 발명은 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재에 관한 것으로서 보다 상세하게는 금형표면에 플라즈마 용사층과 도형제 코팅층을 형성시켜 용융금속이 주조금형에 소착되는 것을 방지, 주조금형의 침식을 방지, 주조품의 표면결합감소, 금형의 용탕의 충진성이나 유동성을 향상시키고 α-case형성을 억제하도록 하기 위해 주조금형 표면에 플라즈마를 용사하여 플라즈마 용사층을 형성시키고 상기 플라즈마 용사층 위에 세라믹분말을 사용하는 도형제를 코팅하여 도형제 코팅층을 형성시켜 내주벽을 보호하도록 한 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재에 관한 것이다.

일반적으로 티타늄 및 티타늄 합금은 비강도 및 비탄성 그리고 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주 및 해양분야에서 그 사용이 급격히 증가하고 있는 실정이다. 현재, 티타늄 합금들은 우수한 비강도 특성으로 인해 항공, 우주산업 등의 분야에 널리 적용되고 있으며, 그 점유율 또한 높아가고 있다. 티타늄합금은 현재 개발중인 군수용 및 민수용 항공기, 인공위성 발사용 로켓, 고속선박의 개발에 따라 경량화뿐만 아니라 극도의 내구성과 내식성을 요구하는 즉, 알루미늄만으로 대처할 수 없는 부품들에 사용되고 있는 실정이다. 국내에서도 군수 및 민수용 항공기, 자동차, 고속선박, 식품, 정유, 화학 및 석유화학 plant, 발전설비, 제약, 식품, pulp & paper, 도금 plant, 의료분야, 스포츠 레져, 유가공 및 환경산업 등의 분야에 적용과 부품에 대한 요구는 높아가고 있으나, 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.

특히 이런 부품들의 종례의 제조법으로 Investment casting에 의해 제조되어 왔으나, 이 주조법에 의해 제조할 경우 주조과정에서 용융티타늄금속과 몰드재가 서로 반응하여 주조품의 표면에 α - case를 형성하는 것으로 나타나 있다. α -case는 몰드 중의 산소, 질소, 수소 등의 불순물과 몰드재의 접촉에 의해 용탕 계면으로 이들 불순물의 침입에 의해 형성되는 취약한 반응층으로서, Investment casting에 의해 제조된 주조품의 경우 대부분의 반응층이 형성되고, 그로인해 품위가 저하되는 단점이 있다. 국내에서도 이와 같은 Investment casting을 이용한 티타늄 주조연구를 통하여 티타늄용탕의 반응성 또는 미세조직의 변화에 중점을 두고 연구를 수행 중이나 실제 완전한 반응층의 억제 기술은 확립되지 않고 있는 실정이다.

상기한 티타늄은 알루미늄이나 구리 등 다른 금속에 비하여 고온에서의 활성이 매우 큰 금속이기 때문에 주입 과정에서 발생하는 산소, 질소, 수소 등의 불순물이 티타늄 주조품의 결함을 유도할 수 있다.

또한 주조시 일반적인 세라믹 몰드재료를 이용할 경우, 용융티타늄은 몰드재료와 반응하여 최종제품에 심각한 결함을 발생 즉, α-case의 형성에 따른 반응층 제거공정의 추가로 오염물질 배출 등으로 환경오염의 문제를 초래할 수 있다.

상기한 종래 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 티타늄 주조에 금형몰드에 적용하고 적용몰드 표면에 플라즈마 용사층과 도형제 코팅층을 형성시켜 용융금속이 주조금형의 내주면에 소착되는 것을 방지하고 주조금형의 침식을 방지하도록 하여 주조금형의 수명을 연장시킴과 아울러 α-case의 억제와 품질 향상의 효과가 있는 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명은 몰드표면에 플라즈마를 용사하여 플라즈마 용사층을 형성시키고 상기 플라즈마 용사층 위에 세라믹분말을 사용하는 도형제를 코팅하여 도형제 코팅층을 형성시켜 내주벽을 보호하도록 하는 티타늄 및 티타늄합금의 주조금형 내주벽 보호재에 있어서, 상기 도형제가 세라믹 분말 19.4wt%에 PVB 바인더를 0.4wt%와 첨가재 80.2wt%를 혼합하여 형성된 혼합물인 것을 특징으로 하는 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재에 의하여 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 티타늄 및 그 합금을 주조하는 주조금형의 내측 벽면에 벽면 보호용 도형제를 코팅하는 것으로 이때, 사용되는 금형의 재질을 텅스텐카바이트(WC), 금속(Steel), 구리(Copper) 등을 적용하였으며 이들 중 금속에서 가장 우수한 특성이 관찰되었다.

첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 주조금형의 개략적인 구성도로서 주조금형(10)에 형성된 소정 형상의 홈(20)의 표면에 플라즈마 용사층(31)을 형성시키고 그 상부로는 도형제 코팅층(32)을 형성시켜 표면 보호재(30)를 형성시킨다.

상기 표면 보호재(30)를 형성시키는 바람직한 실시 방법으로는 주물이 제작되는 주조금형의 내측 표면에 Ni를 용사하여 플라즈마 용사층(31)을 형성시키고 그 상부로는 그 위에 반응층 형성에 영향이 가장 적은 세라믹 분말을 용사처리한다.

상기 Ni의 용사 두께는 100㎛이하로 실시하는 것이 바람직하고 세라믹분말의 용사 두께 또한 100㎛이하로 실시하는 것이 바람직하며, 전체두께는 200㎛이하로 하는 것이 가장 바람직하다.

그 이유는 전체 두께가 너무 두꺼우면 정밀주조시 주조물의 외형치수의 오차가 발생되는 문제가 있으며, 또한 용사된 세라믹분말이 떨어져 나오는 문제가 있기 때문이다.

한편, 상기 세라믹 분말로는 Y₂O₃, CaO, ZrO₂, MgO, Al₂O₃ 중 어느 하나를 선택하여 하나의 종만을 사용하는 것이 바람직하며, 세라믹 분말을 용사 대용으로 스프레이 코팅을 할 수도 있다. 이때 스프레이 방법에 사용되는 도형제는 표1과 같다.

도형분말 종류	Y2O3	CaO	ZrO2	MgO	Al2O3
도형분말 함량(중량%)	19.4	19.4	19.4	19.4	19.4
PVB바인더 함량(중량%)	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
첨가재 함량(중량%)	80.2	80.2	80.2	80.2	80.2
점조(s)(zanhcup No.4)	4

위의 세라믹 분말에 PVB(고분자수지)바인더를 혼합할 때 사용되는 첨가재로는 알콜과 에탄올중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 첨가재의 중량%를 한정하고 있지만 점도를 zanhcup No.4를 기준으로 하여 4s로 조정할 수 있을 정도면 가능하다. 상기와 같은 혼합물의 도형제를 사용할 경우 첫째, 점도의 높낮이에 따라 코팅에 필요한 점도 유지가 용이하여 스프레이 방법에 적합하며, 둘째, 첨가제 및 바인더 그리고 세라믹의 농도에 따라 점도가 높거나 낮을 경우 코팅층이 일정하게 형성되지 않을 수 있고, 따라서 상기한 혼합비를 갖는 도형제를 사용하면 균일한 스프레이 코팅층을 얻을 수 있고, 셋째, 첨가된 세라믹 분말이 균일한 도형층을 형성함에 따라 용융티타늄과의 반응특성을 억제할 수 있다. 넷째, 첨가된 세라믹 분말은 적절한 코팅층을 형성하여 주조재 표면조도를 향상할 수 있으며 다섯째, 첨가제는 코팅에 필요한 유동성을 부여하여 균일한 코팅층 형성에 영향을 조절하며, 여섯째, 제시한 바인더재의 함량을 포함함으로서, 코팅층의 박리를 억제하여 주조과정에서 발생할 수 있는 티타늄 용탕의 와류와 열에 박리되는 것을 억제할 수 있다. 한편 상기 도형제를 코팅하는 방법으로는 Ni가 용사된 금형표면을 약 150℃로 예열 후 압축공기를 이용하여 금형몰드의 표면에 코팅한다.

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상기와 같은 방법에 의하여 보호층이 형성되면 용탕의 유동성을 개선하기 위해 주조금형의 예열온도를 300∼600℃로 예열한다. 금형 예열 후 VAR용해로의 챔버의 도어를 닫은 후, Rotary Pump와 Booster Pump를 이용하여 챔버내를 진공으로 유지하며 전체 장치를 수냉펌프를 이용하여 물을 순환시키는데 이때 동도가니는 외벽이 스테인레스이고 내부가 순동으로 구성되어 이들사이로 냉각수가 순환되어 냉각되게 하였다.

일정한 진공도(10-2torr ∼10-3torr)가 유지되면 티타늄 소모전극을 감속모터를 이용하여 서서히 강하시키면서 전류공급장치를 이용하여 두 전극에 적정 전류(max. 10KA)를 흐르게 한다. 이때 소모전극과 동도가니에서 아크가 발생하고 이때의 열에 의해 티타늄 소모전극은 짧은 시간에 용해가 이루어지게 된다.

용해가 완료되면 동도가니 회전장치를 이용하여 경사 회전시켜 용탕을 몰드내부로 주입전에 원심주조를 적용하여(max. 400rpm) 회전시켜 주입한다. 이렇게 주입 완료된 몰드는 일정시간 경과 후, 챔버내의 진공을 해소시킨 후 챔버로부터 꺼내어져 가공처리 되어진다.

상기와 같은 보호층을 몰드 내측 표면에 형성시키지 않고 일반 lnvestment casting에 의해 제조된 주조품의 α-case의 형성층을 관찰하기 위해 측정한 경도를 도 2a 및 도 2b와 같이 나타남을 알 수 있으며, 실험조건으로서 몰드는 300℃로 예열 후 티타늄 용탕을 몰드에 주입하여 제조하였으며, 이때 몰드의 제조조건은 Y₂O₃에 바인더(colloidal silica)를 혼합하여 제조한 몰드를 이용하였다. 이때 주조재의 경도(HV)측적거리는 외부에서부터 100㎛ 간격으로 하중 100g에 유지시간은 10s로 하여 측정하였다.

실험결과 표면쪽의 경도가 내부에 비해 높은 것으로 나타났다. 이는 몰드재와 티타늄 용탕이 접촉한 계면으로부터 산소, 질소, 수소 그리고 주형재와 바인더 등의 불순물이 용탕내부로 확산되어 경도가 상승하는 것으로 판단된다.

특히 Y₂O₃의 경우 티타늄에 있어 열역학적으로 상당히 안정한 위치에 있음에도 불구하고 α-case가 형성되었다.

따라서 도 2a의 결과에 의하면 표면에 α-case층이 형성된 것으로 판단되며, 또한 도 2b의 Ti-6Al-4V합금 변화경우도 동일한 결과로 표면의 경도는 불순물 등의 오염에 의해 상승하고, α-case가 형성됨을 알 수 있다.

이에 반하여 본 발명의 기술이 적용된 금형몰드를 사용하여 주조한 주조품의 α-case의 형성층을 관찰해 보면 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 나타남을 알 수 있다.

실험조건으로서 몰드는 300℃로 예열 후 티타늄 용탕을 몰드에 주입하여 제조하였으며, 이때 몰드의 제조조건은 Y₂O₃에 바인더를 혼합하여 코팅한 보호방법으로 측정하였다. 이때 주조재의 경도측적거리는 외부에서부터 100㎛ 간격으로 하중 100g에 유지시간은 10s로 하여 측정하였다.

도 3a의 경우 CP-Ti를 금형예열온도 300℃에서 주조하였다. 경도측정결과 내·외부의 경도차는 거의 없는 것으로 나타났으며, α-case가 형성되지 않았음을 알 수 있다. α-case형성인자에는 상기에서 서술한바와 같이 산소, 질소, 수소 그리고 주형재, 바인더 등의 불순물 영향에 기인한 것으로 알려져 있으나, 본 발명에서 적용한 금형주조법의 경우 금속성 물질인 즉 금형표면에 Ni와 열역학적으로 티타늄에 안정한 Y₂O₃를 용사법과 자체 개발한 도형제를 적용함에 따라 주조재에 미치는 영향이 최소화 된 것으로 판단된다.

또한 도 3b의 경우는 도 3a와 동일한 조건에 Ti-6Al-4V합금으로 변화하여 제조된 주조재를 같은 방법을 통해 경도를 측정한 결과이다. 측정결과 도 3a와 마찬가지로 내·외부의 경도차가 균일한 것으로 보아 주조재의 표면에는 α-case가 형성되지 않은 것으로 판단된다.

본 개발에서 적용한 금형주조법에 의한 주조재의 경우 내·외부의 경도차는 거의 없는 것으로 나타나, α-case가 형성되지 않았음을 알 수 있으며, 또한 급냉에 의한 주조재의 평균경도(HV)가 Investment casting에 비해 다소 높은 것으로 나타났다.

이와 같은 본 발명은 플라즈마 용사층과 도형제 코팅층을 형성시켜 용융금속이 금형몰드에 소착되는 것을 방지하고 금형몰드의 침식을 방지 및 금형몰드의 침식, 주조재의 표면결합 감소, 금형의 열응력 감소 등으로 금형몰드의 수명을 연장시킴과 아울러 품질 향상의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 몰드 내측 표면의 단면 예시도.

도 2a는 일반 lnvestment casting에 의해 제조된 CP-Ti 주조품의 α-case의 형성층을 관찰하기 위해 경도를 측정한 그래프이며,

도 2b는 일반 lnvestment casting에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 주조품의 α-case의 형성층을 관찰하기 위해 경도를 측정한 그래프이다.

도 3a는 본 발명의 금형주조에 의해 제조된 CP-Ti 주조품의 α-case의 형성층을 관찰하기 위해 경도를 측정한 그래프이며,

도 3b는 본 발명의 금형주조에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 주조품의 α-case의 형성층을 관찰하기 위해 경도를 측정한 그래프이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10 : 주조금형 20 : 홈

30 : 보호재 31 : 용사층

32 : 도형제 코팅층

Claims (6)

1. 몰드표면에 플라즈마를 용사하여 플라즈마 용사층을 형성시키고 상기 플라즈마 용사층 위에 세라믹분말을 사용하는 도형제를 코팅하여 도형제 코팅층을 형성시켜 내주벽을 보호하도록 하는 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재에 있어서,

   상기 도형제는 세라믹 분말 19.4wt%에 PVB 바인더를 0.4wt%와 첨가재 80.2wt%를 혼합하여 형성된 혼합물인 것을 특징으로 하는 티타늄 및 티타늄합금의 금형주조 내주벽 보호재.
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