KR100616412B1 - Molds manufacturing for high quality titanium cast alloys - Google Patents

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Abstract

본 발명은 티타늄 주조 합금용 주형 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 합금 주조시에 일반적으로 발생하는 티타늄 용탕의 계면반응을 효과적으로 제어함으로써, 계면반응에 의한 티타늄 합금의 기계적 특성 저하 방지, 후가공 생략으로 환경부하 저감 및 치수정밀도가 향상된 티타늄 주조 합금용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mold for a titanium casting alloy and a method for manufacturing the same, and more particularly, by effectively controlling the interfacial reaction of a titanium molten metal generally generated during casting of a titanium alloy, thereby preventing the mechanical properties of the titanium alloy from deteriorating due to the interfacial reaction. The present invention relates to a mold for a titanium casting alloy with improved environmental load reduction and improved dimensional accuracy by eliminating post-processing.

티타늄, 정밀주조, 주형, 알파케이스Titanium, Precision Casting, Molds, Alpha Case

Description

고품위 티타늄 주조 합금용 주형 및 그 제조방법{Molds manufacturing for high quality titanium cast alloys}Mold for high quality titanium casting alloy and manufacturing method thereof {Molds manufacturing for high quality titanium cast alloys}

도 1은 티타늄을 Al2O3 주형에 주조한 시편의 계면에서의 미세조직 사진 및 경도값 변화로 알파케이스를 나타낸 것이다.FIG. 1 shows an alpha case with a microstructure photograph and a hardness value change at an interface of a specimen in which titanium is cast in an Al 2 O 3 mold.

도 2는 도 1의 알파케이스 부분을 EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer) 맵핑한 결과를 나타낸 것이다.FIG. 2 illustrates the result of mapping the alpha case of FIG. 1 to Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA).

도 3은 도 2에서 알파케이스 영역에서의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 나타낸 것이다. FIG. 3 illustrates a transmission electron microscopy (TEM) image in the alpha case region of FIG. 2.

도 4는 C2 조리개를 제거하고 얻은 링과 점 패턴 및 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 분석결과를 나타낸 것이다.Figure 4 shows the ring and dot pattern obtained by removing the C2 aperture and Energy Dispersive Spectrometer (EDS) analysis results.

도 5는 도 4b에 나타낸 점 패턴에 대한 CBED(Convergent Beam Electron Diffraction) 분석 결과를 나타낸 것이다.FIG. 5 illustrates the results of Convergent Beam Electron Diffraction (CBED) analysis on the dot pattern shown in FIG. 4B.

도 6은 도 3에서 도 5까지의 분석결과를 바탕으로 나타낸 알파케이스 형성 모식도이다.FIG. 6 is a schematic diagram of alpha case formation based on the analysis results of FIGS. 3 to 5.

도 7은 본 발명에서 개발한 SKK(Sungkyunkwan) 주형재료의 XRD(X-Ray Diffraction) 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 7 shows the results of XRD (X-Ray Diffraction) analysis of SKK (Sungkyunkwan) template material developed in the present invention.

도 8은 CaO 안정화 ZrO2 주형과 본 발명에 따른 SKK 주형을 각각 사용하여 티타늄을 임플란트 형상으로 주조한 것을 비교하여 나타낸 사진이다.8 is a photograph showing a comparison of casting of titanium into an implant shape using CaO stabilized ZrO 2 mold and SKK mold according to the present invention.

도 9는 도 8의 SKK 주형으로 주조한 시편의 계면에서의 미세조직 사진이다.FIG. 9 is a microstructure photograph of an interface of a specimen cast with the SKK mold of FIG. 8. FIG.

도 10a는 CaO 안정화 ZrO2를 이용하여 티타늄 기지 복합재료를 주조한 시편 사진이며, 도 10b는 SKK 주형을 이용하여 주조한 시편 사진이고, 도 10c는 도 10b의 계면에서의 미세조직 사진이다.10A is a photograph of a specimen of a titanium matrix composite material cast using CaO stabilized ZrO 2 , FIG. 10B is a photograph of a specimen cast using a SKK mold, and FIG. 10C is a photograph of a microstructure at an interface of FIG. 10B.

도 11은 ZrSiO4을 사용한 SKK 주형을 이용하여 주조한 티타늄 시편의 미세조직 사진이다.11 is a microstructure photograph of a titanium specimen cast using a SKK mold using ZrSiO 4 .

본 발명은 티타늄 주조 합금용 주형 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 합금 주조시에 일반적으로 발생하는 티타늄 용탕의 계면반응을 효과적으로 제어함으로써, 계면반응에 의한 티타늄 합금의 기계적 특성 저하 방지, 환경부하 저감 및 치수정밀도가 향상된 티타늄 주조 합금용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mold for a titanium casting alloy and a method for manufacturing the same, and more particularly, by effectively controlling the interfacial reaction of a titanium molten metal generally generated during casting of a titanium alloy, thereby preventing the mechanical properties of the titanium alloy from deteriorating due to the interfacial reaction. The present invention relates to a mold for titanium casting alloy with improved environmental load reduction and dimensional accuracy, and a method of manufacturing the same.

일반적으로 티타늄 합금 및 복합재료를 정밀주조하는 경우 티타늄 용탕을 사용한다. Generally, titanium casting is used for precision casting of titanium alloys and composite materials.

티타늄은 용융상태에서 만능용매로 알려져 있는데, 이로 인해 티타늄 합금 주조시 강한 반응성으로 주형과의 계면반응이 일어난다. Titanium is known as a universal solvent in the molten state, which results in an interfacial reaction with the mold due to its strong reactivity in casting titanium alloys.

즉, 주형에서 분해된 산소가 침입형 원자로 고용되어 알파케이스(α-case)라는 반응층을 형성하게 된다. That is, the oxygen decomposed in the template is dissolved into the invasive atoms to form a reaction layer called an alpha case.

이러한 알파케이스는 기계적 특성에 악영향을 미치게 되는 취화영역이므로, 이를 제거하기 위해 케미칼 밀링 등의 후가공을 필요로 하며, 이로 인해서 환경문제, 비용상승 및 치수정밀도 저하 문제가 있었다. Since such an alpha case is an embrittlement area that adversely affects mechanical properties, it requires post-processing such as chemical milling to remove it, which causes environmental problems, cost increase, and dimensional accuracy deterioration.

현재까지 티타늄 합금 및 복합재료의 정밀주조시 계면반응을 제어하기 위해 개발된 방법들로는 크게 흑연, 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), LaOF 등을 기재로 사용하는 방법, 실리카 함량을 조절한 점결제를 사용하는 방법 및 금형주조 방법이 있다.To date, methods developed to control interfacial reactions in the precision casting of titanium alloys and composite materials are largely based on graphite, zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), LaOF, etc. There is a method of using, a method of using a binder with a controlled silica content, and a mold casting method.

흑연 주형을 이용한 방법은 Operhall [미국 특허등록 3,257,692] 등이 제안한 흑연분말과 "스투코스(stuccos)"라는 무기분말을 사용하는 방법에서부터, 주형을 소성하는 동안 탄소로의 환원을 위해 피치, 전분, 콜로이달 흑연 및 합성수지를 사용하는 Morozov [미국 특허등록 3,389,743] 등과 Zusman [미국 특허등록 3,485,288] 등이 개발한 방법이 있다. The method using graphite molds is based on the use of graphite powders proposed by Operhall [US Pat. No. 3,257,692] and inorganic powders called "stuccos". Morozov [US Pat. No. 3,389,743] using colloidal graphite and synthetic resin, and Zusman [US Pat. No. 3,485,288].

그러나, 이러한 흑연 주형의 경우 고순도 흑연에 의해 에너지 소모가 크며, 환원성 분위기에서만 주형을 위한 소성을 해야 하고, 높은 열전도도로 주조 방안수립 및 예열에 문제가 있으며, 주조품 표면에 탄소와의 반응층을 형성한다는 기술적 인 문제점이 있다.However, such a graphite mold has high energy consumption due to high purity graphite, needs to be fired for the mold only in a reducing atmosphere, has a problem in establishing a casting method and preheating with high thermal conductivity, and forms a reaction layer with carbon on the surface of the cast product. There is a technical problem.

Feagin [미국 특허등록 4,787,439 및 5,535,811] 등은 지르코니아 및 이트리아를 이용하여 계면반응층을 줄일 수 있다고 보고하고 있으며, Lossow [미국 특허등록 4,703,806] 등과 Horton [미국 특허등록 5,221,336] 등은 이트리아의 사용 및 부분 코팅으로 계면반응을 조절할 수 있는 시스템을 개발하였다. Feagin [US Pat. Nos. 4,787,439 and 5,535,811] reported that zirconia and yttria can be used to reduce interfacial reaction layers. Lossow [US Pat. No. 4,703,806] and Horton [US Pat. No. 5,221,336] et al. And a partial coating system was developed to control the interfacial reaction.

그러나 지르코니아 및 이트리아 등의 고가의 주형재료를 사용하더라도, 점결제에 의한 오염 및 산소 등에 의한 계면반응층을 완전히 제거할 수 없다는 한계가 있다. However, even when expensive mold materials such as zirconia and yttria are used, there is a limitation that the interface reaction layer due to contamination by the binder and oxygen can not be completely removed.

Degawa [미국 특허등록 4,710,481] 등은 칼시아를 이용한 도가니 제작법을 개발하였는데, 칼시아는 경제적이면서 티타늄과 반응하지 않는 안정한 재료로 알려져 있으나, 주형의 작업 강도를 부여하는 백업 과정 및 탈왁스 공정에서 흡습성에 의한 주형의 변형으로 주형재료로 사용하기에 부적합하다.Degawa [US Pat. No. 4,710,481] developed a crucible fabrication method using calcia, which is known as a stable material that is economical and does not react with titanium, but it is hygroscopic in the back-up process and dewaxing process that imparts the working strength of the mold. It is not suitable for use as a molding material because of deformation of the mold.

Brown [미국 특허등록 4,057,433]은 주형에 주기율표 상에서 Ⅲa 및 Ⅲb 족인 플르오르화물 및 란탄족을 첨가하여 열감소(heat sink)의 역할로 티타늄 용탕과의 계면반응을 최소화 하고자 하였으나, 크게 효과적이지는 못하였다. Brown [US Pat. No. 4,057,433] attempted to minimize interfacial reaction with titanium molten metal as a heat sink by adding fluorides and lanthanides of groups IIIa and IIIb on the periodic table to the mold, but it was not very effective. It was.

일반적인 콜로이달 실리카 점결제의 실리카 성분이 계면반응에 영향을 미치는 것을 최소한으로 줄이기 위해서 임옥동[대한민국 특허출원번호 10-2000-0069134] 등은 실리카 함량을 30%에서 3~10%로 감소시킨 반면, 고분자를 3~10% 첨가한 점결제를 개발하였으나, 계면반응을 완전히 제거하지 못하며, 주형의 충분한 작업강도를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.In order to minimize the influence of the silica component of general colloidal silica binders on the interfacial reaction, Lim Ok-Dong [Korea Patent Application No. 10-2000-0069134] reduced the silica content from 30% to 3-10%. , But developed a binder added 3 ~ 10% of the polymer, but does not completely remove the interface reaction, there is a problem that can not obtain a sufficient working strength of the mold.

한편, Choudhury [미국 특허등록 6,443,212 B1] 등은 내화물 도가니 및 주형의 문제를 완전히 배제하기 위하여, 티타늄 합금을 수냉동을 사용하는 스컬(skull) 용해 후, Ta 및 Nb 등의 금형에 주조하는 금형주조법을 개발하였다. On the other hand, Choudhury [US Pat. No. 6,443,212 B1] et al., In order to completely eliminate the problem of refractory crucibles and molds, a die casting method in which a titanium alloy is cast into a mold such as Ta and Nb after scull melting using water cooling. Developed.

이 금형주조 방법은 배기밸브 등의 단순한 형상으로 제한을 받으며, 금형 소재가 고가의 난가공재이며, 주조시 열충격에 의해 수명이 짧은 단점이 있다.This mold casting method is limited to a simple shape such as an exhaust valve, and the mold material is an expensive hard material, and has a short life due to thermal shock during casting.

이와 같이, 현재까지 개발된 흑연, 지르코니아, 이트리아, 칼시아, LaOF 주형, 실리카 함량을 조절한 점결제 및 금형주조 방법은 티타늄 합금을 경제적 및 효과적으로 정형가공 하기에는 적합하지 않다.As such, graphite, zirconia, yttria, calcia, LaOF molds, silica binders, and mold-casting methods with controlled silica content are not suitable for economically and effectively shaping titanium alloys.

이에, 본 발명자는 티타늄 합금 및 복합재료의 정밀주조에 있어서, 티타늄이 용탕상태에서 강한 반응성으로 인해 계면반응을 피할 수 없었던 문제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 주형에서 분해된 산소 및 금속성분이 티타늄 계면에 각각 침입 및 치환하여 형성하는 생성물을 구체적으로 밝혀내고 이를 바탕으로, 주형 자체가 계면반응 생성물을 미리 포함하고 있으면 티타늄 용탕과 더 이상 반응하지 않음을 알게 되었다.Therefore, the present inventors have studied to solve the problem that the titanium reaction and the titanium alloy and composite materials in the molten state, due to the strong reactivity in the molten state was unable to avoid the interface reaction, the oxygen and metal components decomposed in the mold titanium The products formed by infiltrating and substituting at the interface, respectively, were specifically identified and based on this, it was found that the mold itself no longer reacted with the titanium molten metal if the mold contained the reaction product in advance.

따라서, 본 발명은 계면반응으로 인한 기계적 특성 저하가 없으며, 환경부하가 큰 강산을 사용하는 후처리 생략 및 치수정밀도가 높은 경제성이 탁월한 티타늄 정밀주조 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a titanium precision casting technique which is excellent in economic efficiency without high post-treatment and high dimensional accuracy using a strong acid having high environmental load, without deteriorating mechanical properties due to interfacial reaction.

본 발명은 티타늄 분말과 Al2O3를 혼합 소성하여 생성된 TiO2 및 Tix Al을 함유하는 티타늄 주조 합금용 주형을 특징으로 한다.The present invention features a mold for a titanium cast alloy containing TiO 2 and Ti x Al produced by mixing and baking titanium powder and Al 2 O 3 .

또한, 본 발명은 티타늄 분말과 ZrSiO4를 혼합 소성하여 생성된 TiO2, TixZr 및 TixSi을 함유하는 티타늄 주조 합금용 주형을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is another feature of a titanium casting alloy mold containing TiO 2 , Ti x Zr and Ti x Si produced by mixing and baking titanium powder and ZrSiO 4 .

이때, 상기 티타늄 분말은 주조품의 크기에 따라서 그 함량을 조절하는바, 0.3 ~ 50 중량%로 사용하는 것이 바람직하다.At this time, the titanium powder to adjust the content according to the size of the cast bar, it is preferable to use 0.3 to 50% by weight.

상기 티타늄 분말, Al2O3 및 ZrSiO4은 분말 크기는 2 ~ 200 ㎛ 범위인 것을 사용하는 것이 바람직하다. The titanium powder, Al 2 O 3 and ZrSiO 4 is preferably used in the powder size range of 2 ~ 200 ㎛.

분말 크기가 2 ㎛ 보다 작으면 Al2O3 및 ZrSiO4와 균일한 슬러리를 제조할 수 없으며, 200 ㎛ 보다 크게 되면 반응생성물이 제대로 합성되지 않는 문제점이 있다.If the powder size is smaller than 2 μm, a uniform slurry with Al 2 O 3 and ZrSiO 4 may not be prepared. If the powder size is larger than 200 μm, the reaction product may not be properly synthesized.

또한, 소성은 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that baking is made in the temperature range of 850-1100 degreeC.

이러한 본 발명의 티타늄 주조 합금용 주형은, Such a casting for titanium casting alloy of the present invention,

(a) Al2O3와 티타늄 분말을 혼합하고 슬러리화하여 원하는 형태로 만든 다음, 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성하여 제조할 수 있으며, 또 다른 방법으로는, (a) Al 2 O 3 and the titanium powder may be mixed and slurried into a desired form, and then calcined at a temperature range of 850 to 1100 ° C., as another method,

(b) Al2O3에 티타늄 분말을 첨가하여 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성한 다음, 그 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제조할 수 있다.(b) Titanium powder is added to Al 2 O 3 and calcined at a temperature range of 850 to 1100 ° C., and then a mold of a desired form can be prepared using the product.

즉, 소성한 후 바로 주형으로 사용하거나 소성한 다음 그 생성물을 사용하여 새로운 주형을 제조할 수 있다.That is, it is possible to use a mold immediately after firing or to fire a new mold using the product.

또한, 상기 Al2O3 대신 ZrSiO4을 사용하여 상기와 같은 제조방법으로 티타늄 주조 합금용 주형을 제조할 수 있다.In addition, by using ZrSiO 4 in place of the Al 2 O 3 It can be produced a casting for titanium casting alloy by the same method as described above.

본 발명에 따른 티타늄 주조 합금용 주형에 대하여 도면에 따라 더욱 구체화하여 설명하면 다음과 같다. The casting for titanium casting alloy according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as follows.

먼저, 일반적인 Al2O3 주형과 티타늄 사이의 계면반응을 규명하는 과정을 도 1 ~ 도 6에 나타내었고, 이와 같이 규명된 계면반응의 특성을 이용하여 개발된 본 발명의 주형을 기존의 주형과 비교하여 도 7 ~ 도 11에 나타내었다.First, a process of identifying the interfacial reaction between a general Al 2 O 3 mold and titanium is shown in FIGS. 1 to 6, and the mold of the present invention developed using the characteristics of the interfacial reaction thus identified may be 7 to 11 are shown in comparison.

도 1에 나타낸 바와 같이, Al2O3 주형과 티타늄 사이에서는 육안으로 관찰되는 계면반응 및 경도상승층으로 이루어진 알파케이스가 존재한다. As shown in FIG. 1, there is an alpha case composed of an interfacial reaction and a hardness increase layer which are visually observed between the Al 2 O 3 template and titanium.

이 알파케이스는 현재까지는 주형에서 분해된 탄소, 질소, 산소 등의 침입형 원소들, 그 중에서도 특히 산소에 의한 취화영역으로서 이를 제거하기 위해 케미칼 밀링 등의 후가공 등으로 환경문제, 비용상승 및 치수정밀도 저하를 야기하는 것으로 알려져 왔다. Until now, this alpha case is an environmental problem, an increase in cost, and a dimensional accuracy due to invasive elements such as carbon, nitrogen, and oxygen decomposed in a mold, especially embrittlement zones caused by oxygen. It has been known to cause degradation.

지금까지는 주형에서 분해된 산소와의 반응을 억제하기 위한 열역학적 접근의 일환으로 TiO2보다 표준생성자유에너지가 낮은 Al2O3, CaO, ZrO2 및 Y2O3 등의 주형재료를 사용하였는데, 그럼에도 불구하고 계면반응을 완전히 제거할 수 없었다.Until now, mold materials such as Al 2 O 3 , CaO, ZrO 2 and Y 2 O 3 , which have lower standard generating free energy than TiO 2, have been used as a thermodynamic approach to suppress the reaction with decomposed oxygen in the mold. Nevertheless, the interfacial reaction could not be completely eliminated.

도 2에서는 상기 도 1에 나타낸 알파케이스 부분에 대하여 특성 X-선을 이용하는 EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer)로 맵핑한 결과를 나타내었다. In FIG. 2, the result of mapping the alpha case shown in FIG. 1 to an Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) using characteristic X-rays is shown.

Al2O3 주형에 주조한 티타늄 주조품에서 주요한 계면반응층 생성물질로 알려진 산소는 주조품 계면에 전반적으로 미량으로 검출됨을 알 수 있다. It can be seen that oxygen, which is known as a major interfacial reaction layer generating material in titanium castings cast on Al 2 O 3 molds, is generally detected in trace amounts at the casting interface.

한편, 알루미늄 함량이 전혀 없는 순수한 티타늄에 알루미늄이 30 ㎛정도의 층으로 균일하게 분포하는 것을 볼 때, 주형의 알루미늄이 계면반응에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. On the other hand, when aluminum is uniformly distributed in a layer of about 30 μm in pure titanium having no aluminum content, it can be seen that the aluminum of the mold has a great influence on the interfacial reaction.

즉, 주형에서 분해된 산소만이 아니라 금속성분인 알루미늄이 계면반응에 영향을 미치는 것이 확인되었다.That is, it was confirmed that not only oxygen decomposed in the mold but also aluminum, which is a metal component, influences the interfacial reaction.

상기 검출된 알루미늄의 상을 확인하기 위하여 TEM(Transmission Electron Microscopy) 분석을 실시하여 계면반응 영역의 이미지를 도 3에 나타내었다.In order to confirm the phase of the detected aluminum, TEM (Transmission Electron Microscopy) analysis was performed to show an image of the interface reaction region in FIG. 3.

도 4a는 도 3에 나타낸 이미지 상에 어떤 상이 존재하는지를 확인하기 위해 C2 조리개를 제거하고 얻은 링과 점 패턴인데, 링 패턴을 통해 비정질로 존재하는 미세한 TiO2이임을 알 수 있다. Figure 4a is a ring and dot pattern obtained by removing the C2 aperture to determine what phase is present in the image shown in Figure 3, it can be seen that the fine TiO 2 present in the amorphous through the ring pattern.

도 4b는 도 3의 화살표로 표시된 명암에 대한 점 패턴이며, 도 4c는 도 4b의 패턴 지수를 나타낸다. FIG. 4B is a dot pattern for light and shade represented by the arrow of FIG. 3, and FIG. 4C shows the pattern index of FIG. 4B.

도 3의 이미지에서 화살표로 나타낸 명암 부분이 회절패턴 분석결과 (2110)의 HCP 결정구조임을 알 수 있다. It can be seen that the light and dark portions indicated by the arrows in the image of FIG. 3 are the HCP crystal structure of the diffraction pattern analysis result 2110.

또한, 도 4d는 도 3의 화살표 명암에 대한 EDS 점 분석 결과로서, EDS 점 분 석 결과 알루미늄의 상은 Ti3Al일 가능성이 높음을 확인할 수 있다. In addition, FIG. 4D is an EDS point analysis result for the arrow contrast of FIG. 3. As a result of the EDS point analysis, it may be confirmed that the aluminum phase is likely to be Ti 3 Al.

더욱 명확한 상 분석을 위하여 평행한 빔을 사용하지 않고 집속된 빔을 사용하여 결정격자의 단위체적을 쉽게 확인할 수 있는 CBED(convergent beam electron diffraction) 법을 이용하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. For clearer phase analysis, the results are shown in FIG. 5 using a convergent beam electron diffraction (CBED) method in which the unit volume of the crystal lattice is easily identified using a focused beam without using a parallel beam.

도 5를 보면, 도 3의 화살표로 나타낸 부분이 61.08 Å3으로 Ti3Al의 이론 단위제척 62.10 Å3과 2% 이내의 오차를 보이며 일치하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the portion indicated by the arrow of FIG. 3 is 61.08 Å 3 and coincides with a theoretical unit of 62.10 Å 3 of Ti 3 Al with an error within 2%.

이와 같이, 티타늄 합금의 정밀주조시 생성되는 계면반응은 주형에서 분해된 산소에 의한 침입형 반응생성물 TiO2만이 아니라, 주형에서 분해된 금속성분에 의한 치환형 반응생성물 Ti3Al을 형성함이 입증되었다. As described above, the interfacial reaction generated during the precision casting of the titanium alloy proved to form not only the invasive reaction product TiO 2 by the oxygen decomposed in the mold but also the substitutional reaction product Ti 3 Al by the metal component decomposed in the mold. It became.

도 6에는 이러한 계면반응물 생성 모식도를 나타내었다. 6 shows a schematic view of generating such an interface reactant.

이상과 같이 Al2O3는 기존의 주형재료과 마찬가지로 용탕상태의 티타늄과 계면반응을 일으킨다. As described above, Al 2 O 3 generates an interfacial reaction with molten titanium, like conventional casting materials.

그러나 Al2O3 주형재료는 경제성, 치수정밀도, 우수한 작업강도, 통기도 및 붕괴성 등 장점을 고루 갖추고 있기 때문에 본 발명에서는 이 물질에 초점을 맞추어 계면반응을 극복하는 방법을 개발하였다. However, since Al 2 O 3 template material has advantages such as economic efficiency, dimensional accuracy, excellent work strength, air permeability and collapse property, the present invention focuses on this material and has developed a method of overcoming an interfacial reaction.

본 발명에 따른 티타늄 주조 합금용 주형은 주조품의 크기와 형상에 따라 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The casting mold for the titanium casting alloy according to the present invention may be manufactured by the following method according to the size and shape of the cast product, but the present invention is not limited thereto.

Al2O3 분말에 0.3 ~ 50 wt%의 티타늄 분말을 첨가한 다음 콜로이달 실리카 점결제을 이용하여, ASTM D4212의 Zahn cup #4를 이용하여 점도가 주조품의 형상 및 크기에 따라서 30 ~ 50초가 되도록 슬러리를 제조한다.0.3 to 50 wt% of titanium powder was added to the Al 2 O 3 powder, and then colloidal silica binder was used, using a Zahn cup # 4 of ASTM D4212 to obtain a viscosity of 30 to 50 seconds depending on the shape and size of the casting. Prepare a slurry.

왁스 패턴에 주형재료를 적절한 두께로 피복한 후에 탈왁스하고, 850 ~ 1100 ℃에서 소성한다.The wax pattern is coated with a casting material to an appropriate thickness, then dewaxed, and fired at 850 to 1100 ° C.

도 7은 상기에 명시된 방법으로 제조된 SKK 주형의 XRD 분석 결과를 나타낸 것으로서, 주형재료인 Al2O3와 티타늄 분말사이에 반응생성합성(in-situ synthesis)으로 계면반응 생성물로 확인된 치환형 TiO2와 침입형 Ti3Al이 동시에 형성됨을 알 수 있다.Figure 7 shows the XRD analysis results of the SKK mold prepared by the above-described method, the substitution type confirmed as an interfacial reaction product by the in-situ synthesis between Al 2 O 3 and the titanium powder of the template material It can be seen that TiO 2 and intrusion type Ti 3 Al are formed at the same time.

도 8은 각각 독일 Sindlhauser사의 CaO 안정화 ZrO2와 본 발명의 SKK 주형을 사용하여 동일한 조건으로 티타늄을 생체재료인 임플란트 형상으로 주조한 시편을 비교하여 나타낸 사진이다. Figure 8 is a photograph showing a comparison of the specimens cast titanium in the shape of an implant as a biomaterial under the same conditions using CaO stabilized ZrO 2 of Sindlhauser, Germany, SKK mold of the present invention, respectively.

상기 CaO 안정화 ZrO2는 현재 유럽에 사용하고 있는 고가의 주형재료이다. The CaO stabilized ZrO 2 is an expensive template material currently used in Europe.

도 8에서 육안으로 관찰할 수 있듯이, CaO 안정화 ZrO2 주형으로 얻은 시편은 케미칼 밀링 등으로 제거해야 할 반응층을 보이고 있는 반면, 본 발명의 주형으로 얻은 시편은 단지 주형만을 제거한 상태에서 티타늄 특유의 금속광택을 유지할 정도로 계면반응이 없는 것을 확인할 수 있다. As visually observed in FIG. 8, the specimen obtained with the CaO stabilized ZrO 2 template shows the reaction layer to be removed by chemical milling, etc., while the specimen obtained with the mold of the present invention is unique to titanium in a state where only the mold is removed. It can be confirmed that there is no interfacial reaction to the extent that metal gloss is maintained.

도 9는 도 8에 나타낸 시편의 계면 영역에서의 미세조직 사진을 나타낸 것인 데, 계면반응이 전혀 없이 내외부의 조직이 동일함을 확인할 수 있다.FIG. 9 shows a microstructure photograph in the interface region of the specimen shown in FIG. 8, and it can be seen that the internal and external structures are the same without any interface reaction.

도 10a는 Sindlhauser사의 CaO 안정화 ZrO2를 이용하여 티타늄 기지 복합재료(TiC+TiB)를 주조한 시편을 나타내며, 도 10b는 본 발명의 주형을 이용한 시편을 나타내고, 도 10c는 도 10b의 계면에서의 미세조직 사진이다. FIG. 10A illustrates a specimen obtained by casting a titanium matrix composite material (TiC + TiB) using Sindlhauser's CaO stabilized ZrO 2. FIG. 10B illustrates a specimen using a mold of the present invention, and FIG. Microstructure picture.

도 10에서 볼 수 있듯이 티타늄 및 그 합금만이 아니라 티타늄 기지의 복합재료에서도 동일한 결과를 얻을 수 있다.As can be seen in Figure 10, the same result can be obtained not only in titanium and its alloys but also in titanium-based composites.

한편, 도 11은 Al2O3 대신 ZrSiO4 분말을 이용한 본 발명의 주형을 이용하여 주조한 티타늄 시편의 미세조직을 나타낸 것으로, Al2O3을 이용한 주형과 동일하게 계면반응이 일어나지 않았다. On the other hand, Figure 11 is Al 2 O 3 instead illustrates the microstructure of a cast titanium specimen by using a mold of the present invention using the ZrSiO 4 powder, the interface reaction did not take place in the same manner as in the mold using the Al 2 O 3.

따라서 Al2O3 뿐만 아니라 ZrSiO4 분말에 티타늄 분말을 0.3 ~ 50 wt% 첨가하여 사용할 경우에도 계면반응이 없는 정밀주조품을 얻을 수 있음을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that when the titanium powder was added to 0.3 to 50 wt% in addition to Al 2 O 3 as well as ZrSiO 4 powder, a precision casting without interfacial reaction could be obtained.

한편, 상기 Al2O3이나 ZrSiO4 분말 외에 ZrO2, CaO 및 MgO 등을 티타늄 분말과 반응시켜 사용하여도 계면반응을 제어하는 주형을 얻을 수 있다.On the other hand, in addition to the Al 2 O 3 or ZrSiO 4 powder, ZrO 2 , CaO and MgO and the like can also be used to react with the titanium powder to obtain a mold for controlling the interfacial reaction.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 티타늄 주조 합금용 주형은 주형 자체가 반응생성합성으로 계면반응 생성물을 미리 형성하고 있기 때문에 티타늄 용탕과 더 이상 반응하지 않는 안정한 주형으로서, 반응층 생성으로 인한 기계적 특성 저하가 없으며, 케미칼 밀링 등의 후가공을 생략할 수 있어 환경부하 저감과 동시에 치수정밀도 향상 및 정형가공 비용 절감의 효과가 있다.As described above, the cast for titanium casting alloy according to the present invention is a stable mold that does not react any more with titanium molten metal because the mold itself has previously formed an interfacial reaction product by reaction synthesis. There is no deterioration, and post-processing such as chemical milling can be omitted, thereby reducing environmental load, improving dimensional accuracy, and reducing mold processing cost.

따라서 복잡한 형상과 크기 및 박육의 일체화된 부품으로까지 그 적용 분야를 무한히 확장할 수 있어, 기존의 항공 우주 및 군수산업 부분에만 적용되던 티타늄 합금 및 복합재료의 자동차, 스포츠 레져 및 의공학 분야에까지 널리 적용할 수 있다.Therefore, the application area can be infinitely extended to the integrated parts of complex shape, size and thinness, and widely applied to the automotive, sports leisure and medical engineering fields of titanium alloy and composite materials that were applied only to the existing aerospace and military industries. can do.

Claims (9)

티타늄 분말과 Al2O3을 혼합한 후 소성하여 생성되는 TiO2 및 TixAl을 함유하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형.Mold for titanium casting alloy, characterized in that it contains TiO 2 and Ti x Al produced by mixing the titanium powder and Al 2 O 3 and calcined. 티타늄 분말과 ZrSiO4를 혼합한 후 소성하여 생성되는 TiO2, TixZr 및 TixSi을 함유하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형.Mold for titanium casting alloy, characterized in that it contains TiO 2 , Ti x Zr and Ti x Si produced by mixing the titanium powder and ZrSiO 4 and then fired. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 티타늄 분말은 0.3 ~ 50 중량%로 사용하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형.The mold for titanium casting alloy according to claim 1 or 2, wherein the titanium powder is used in an amount of 0.3 to 50% by weight. 제 3 항에 있어서, 상기 티타늄 분말 크기가 2 ~ 200 ㎛ 범위인 것임을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형.4. The casting mold for titanium casting alloy according to claim 3, wherein the titanium powder has a size in the range of 2 to 200 mu m. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소성은 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형.The mold for titanium casting alloy according to claim 1 or 2, wherein the firing is performed at a temperature range of 850 to 1100 ° C. Al2O3와 티타늄 분말을 혼합하는 단계, 원하는 형태의 주형을 만들기 위하여 상기 혼합물을 슬러리화하는 단계, 얻어진 슬러리를 주형으로 형상화시키는 단계, 상기 주형을 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성하여 TiO2 및 TixAl을 함유하는 주형을 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형 제조방법.Mixing Al 2 O 3 with titanium powder, slurrying the mixture to form a mold of a desired shape, shaping the obtained slurry into a mold, and baking the mold at a temperature range of 850 to 1100 ° C. to form TiO 2 And manufacturing a mold containing Ti x Al. Al2O3와 티타늄 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성하여 TiO2 및 TixAl을 함유하는 생성물을 얻는 단계, 상기 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형 제조방법.Mixing Al 2 O 3 with titanium powder, baking the mixture at a temperature range of 850 to 1100 ° C. to obtain a product containing TiO 2 and Ti x Al, and forming a mold of a desired shape using the product. Mold manufacturing method for a titanium casting alloy, characterized in that it comprises a step. ZrSiO4와 티타늄 분말을 혼합하는 단계, 원하는 형태의 주형을 만들기 위하 여 상기 혼합물을 슬러리화하는 단계, 얻어진 슬러리를 주형으로 형상화시키는 단계, 상기 주형을 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성하여 TiO2, TixZr 및 Tix Si을 함유하는 주형을 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형 제조방법.Mixing ZrSiO 4 with titanium powder, slurrying the mixture to make a mold of a desired shape, shaping the obtained slurry into a mold, and baking the mold at a temperature range of 850 to 1100 ° C. to obtain TiO 2 , A method for producing a casting for titanium casting alloy, comprising the step of preparing a casting containing Ti x Zr and Ti x Si. ZrSiO4와 티타늄 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 850 ~ 1100 ℃ 온도 범위에서 소성하여 TiO2, TixZr 및 TixSi을 함유하는 생성물을 얻는 단계, 상기 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 주조 합금용 주형 제조방법.Mixing ZrSiO 4 with titanium powder, calcining the mixture at a temperature range of 850 to 1100 ° C. to obtain a product containing TiO 2 , Ti x Zr, and Ti x Si; Mold manufacturing method for a titanium casting alloy comprising the step of producing.
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