KR101078816B1

KR101078816B1 - 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄 합금볼트의 제조방법

Info

Publication number: KR101078816B1
Application number: KR1020090121534A
Authority: KR
Inventors: 임성근; 김재호; 권동석; 염종택; 김정한; 홍재근; 현용택
Original assignee: 한국기계연구원; 신진볼텍주식회사
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-11-01
Also published as: KR20110064795A

Abstract

본 발명은 온간 단조 공정으로 타이타늄합금 볼트의 제조가 가능한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법은, 타이타늄합금으로 형성된 봉재를 일정 길이로 절단한 원소재 표면을 윤활처리하는 표면처리단계와, 소재공급장치를 이용하여 상기 원소재를 로더에 공급하는 소재공급단계와, 상기 로더에 안착된 원소재를 이송하는 소재이송단계와, 로더에 의해 이송되는 원소재를 가열장치 내부로 경유시켜 가열하는 소재가열단계와, 가열된 원소재를 단조금형 내부에 장입하여 온간에서 단조품으로 성형하는 단조성형단계와, 상기 단조품을 열처리장치를 이용하여 열처리하는 단조품열처리단계와, 상기 열처리된 단조품 표면의 산화막을 제거하는 산화막제거단계와, 상기 산화막이 제거된 단조품의 일측을 가공하는 단조품가공단계와, 상기 가공된 단조품의 외면에 나사산을 형성하는 전조단계와, 상기 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 표면세척단계로 이루어진다. 이와 같은 구성에 따르면, 생산성이 극대화되고, 타이타늄합금 볼트의 치수정밀도, 기계적 강도가 향상되는 이점이 있다.

타이타늄합금, 볼트, 온간 단조, 윤활, 산화피막

Description

타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄 합금볼트의 제조방법{A manufacturing method for titanium alloy bolting of use production equipment of titanium alloy bolt}

도 1 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 외관 구성을 보인 개략도.

도 2 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 소재투입장치 및 가열장치의 외관 구성을 보인 사시도.

도 3 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 단조금형의 개략적인 구성을 보인 사시도.

도 4a 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 단조금형에 원소재가 공급되는 모습을 보인 사시도.

도4b 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 단조금형에 원소재가 안착된 모습을 보인 사시도.

도 4c 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 단조금형 내부로 원소재가 삽입된 모습을 보인 사시도.

도 5 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 소재공급장치의 일부를 나타낸 확대도.

도 6a 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법을 나타낸 공정 순서도.

도 6b 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 표면처리단계를 세부적으로 나타낸 순서도.

도 6c 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 소재가열단계를 세부적으로 나타낸 순서도.

도 7 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 표면처리단계의 온도 조건 변화에 따른 단조 성형성을 검토한 시편 사진.

도 8 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 소재가열단계의 온도 조건을 선정하기 위한 실험 데이터.

도 9 는 도 8의 실시예의 샘플 사진.

도 10 은 본 발명에 의한 티타늅합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 단조성형단계의 바람직한 실시 중 원소재의 형상 변화를 순서대로 나타낸 실물 사진.

도 11 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 단조성형단계를 위한 원소재의 가열온도 또는 유지시간 변화시 단조품의 형상변화를 나타낸 실물사진.

도 12a 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합 금 볼트 제조방법에서 일 단계인 단조품열처리단계의 열처리 조건 변화에 따른 기계적 강도 변화를 나타낸 표.

도 12b 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 단조품열처리단계 전/후의 조직을 비교한 확대 사진.

도 13 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 산화막제거단계 실시 전/후의 단조품 외관 상태를 보인 실물 사진.

도 14 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 전조단계 실시후의 샘플 사진.

도 15 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 표면세척단계 실시 시간의 변화에 따른 외경 변화를 보인 샘플 사진.

도 16 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 타이타늄합금 볼트의 미세조직을 보인 ASTM 사진.

도 17 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 타이타늄합금 볼트 표면의 α-case 두께를 측정한 사진.

도 18a 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 타티늅합금 볼트의 인장강도를 측정한 실험 데이터.

도 18b 는 도 18a의 시편 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100. 소재공급장치 120. 공급관

140. 스토퍼 142. 센서

144. 실린더 146. 간섭판

200. 로더 220. 개구부

240. 토출파이프 300. 가열장치

320. 히터 340. 가열로

360. 보조가열로 400. 단조성형장치

420. 단조금형 422. 소재투입부

440. 펀치 460. 이젝터

500. 소재투입장치 F . 단조품

S100. 표면처리단계 S120. 윤활처리과정

S140. 산화막형성과정 S200. 소재공급단계

S300. 소재이송단계 S400. 소재가열단계

S420. 1차가열과정 S440. 2차가열과정

S500. 단조성형단계 S600. 단조품열처리단계

S700. 산화막제거단계 S800. 단조품가공단계

S900. 전조단계 S1000. 표면세척단계

W . 원소재

본 발명은 온간 단조 공정으로 타이타늄합금 볼트의 제조가 가능하도록 한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트의 제조방법에 관한 것이다.

타이타늄합금은 일반 탄소강, stainless, 특수합금강 보다 강도 및 내식성이 높고 경량이며, 지구상에 채굴 가능한 다양한 금속 중에서 알루미늄, 철, 마그네슘 다음으로 풍부한 금속이다.

따라서, 구조용재 및 기능재료로서 기존의 소재를 타이타늄으로 대체중에 있으며 군수장비와 민간산업에 그 수요가 급격한 증가추세에 있고, 특히 항공기, 선박 등에 적극 활용되고 있다.

그리고, 타이타늄합금을 소재로하여 볼트 제조에도 많은 연구가 진행되고 있다.

즉, 타이타늄합금 볼트는 일반적으로 성형성이 좋지 않아 냉간단조 공정으로는 다수회 실시가 요구되어 생산성이 저하되므로 대량생산이 어려운 문제점이 있다.

또한, 열간단조로 제조된 타이타늄합금 볼트는 표면산화층으로 균열이 빈번하게 발생하여 절삭성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 타이타늄합금 볼트의 성형성 및 절삭성이 향상될 수 있도록 하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나, 다수회의 냉간 및 열간 단조로 성형된 타이타늄합금 볼트는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 단조 성형시에 균열 등의 불량이 빈번하게 발생하게 되어 대량 생산에 어려움이 있다.

또한, 단조금형을 이용하여 단조 시에 금형 내부와의 마찰과 소재특유의 특성으로 인해 소착을 야기하게 되므로 단조금형의 파손으로 인한 관리 비용이 급증하게 되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 단조 성형된 타이타늄합금은 높은 경도를 갖게 되고, 후가공시에 성형기의 tool 마모량이 급증하게 되어 자주 교체해주어야 하므로, 결국 타이타늄합금 볼트의 제조 원가를 증가시키게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 온간단조를 이용하고 타이타늄합금 볼트의 연속적인 생산이 가능하도록 한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄 합금볼트의 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 원소재에 표면윤활을 실시하여 단조금형 내부의 소착을 방지하고, 최적 조건의 열처리를 실시하여 기계적 성질이 향상된 타이타늄 합금볼트의 제조가 가능한 타이타늄합금 볼트 제조 설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제 조방법은, 타이타늄합금으로 형성된 봉재를 일정 길이로 절단한 원소재 표면을 윤활처리하는 표면처리단계와, 소재공급장치를 이용하여 상기 원소재를 로더에 공급하는 소재공급단계와, 상기 로더에 안착된 원소재를 이송하는 소재이송단계와, 상기 로더에 의해 이송되는 원소재를 가열장치 내부로 경유시켜 가열하는 소재가열단계와, 가열된 원소재를 단조금형 내부에 장입하여 온간에서 단조품으로 성형하는 단조성형단계와, 상기 단조품을 열처리장치를 이용하여 열처리하는 단조품열처리단계와, 상기 열처리된 단조품 표면의 산화막을 제거하는 산화막제거단계와, 상기 산화막이 제거된 단조품의 일측을 가공하는 단조품가공단계와, 상기 가공된 단조품의 외면에 나사산을 형성하는 전조단계와, 상기 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 표면세척단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 표면처리단계는, 상기 원소재 표면에 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 윤활제를 잔류시키는 윤활처리과정과, 상기 원소재를 가열하여 원소재 표면에 산화막을 형성하는 산화막형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 소재가열단계는, 상기 원소재를 1차 가열하는 1차가열과정과, 1차 가열된 원소재를 다른 온도로 2차 가열하는 2차가열과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 산화막형성과정은, 상기 원소재를 750℃에서 가열하여 0.2㎎/㎠ 이하의 산화막을 형성하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 단조품열처리단계는, 상기 열처리장치에서 927℃로 1시간 동안 유지한 후 850 내지 900℃까지 냉각하고, 물에 담궈 담금질한 후 480℃에서 24시간 동안 시효처리하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 산화막제거단계는, 상기 단조품 외면에 형성된 산화막을 샌드-블라스트 공정을 이용하여 제거하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 전조단계는, 400℃에서 실시됨을 특징으로 한다.

상기 표면세척단계는, 중량%로 15% HNO₃, 3% HF, 82% H₂O를 포함하는 용액에 상기 타이타늄합금 볼트를 5 내지 10분간 담궈 산화스케일을 제거하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 소재가열단계는, 상기 원소재를 780℃로 35분동안 가열한 후, 840℃ 10분간 가열하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 단조성형단계는, 600℃ 이상에서 실시됨을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 생산성이 극대화되고, 타이타늄합금 볼트의 치수정밀도, 강도 및 내피로성이 향상되는 이점이 있다.

이하 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 구성을 설명한다.

도 1에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 외관 구성을 보인 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 소재투입장치 및 가열장치의 외관 구성을 보인 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비의 일 구성인 단조금형의 개략적인 구성을 보인 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면과 같이, 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비(이하 '제조설비'라 칭함)는, 타이타늄합금으로 형성된 봉재를 일정 길이로 절단한 원소재를 이송 및 가열하고 단조성형한 후 열처리 및 기계가공 등을 순차적으로 실시하도록 구성된다.

이를 위해 상기 제조설비는 원소재(도 4a의 도면부호 W)를 공급하는 소재공급장치(100)와, 상기 소재공급장치(100)로부터 원소재(W)를 제공받아 이송하는 로더(200)와, 상기 로더(200)를 따라 이송하는 원소재(W)를 가열하는 가열장치(300)와, 가열된 원소재(W)를 단조품(도 10의 도면부호 F)으로 성형하기 위한 단조금형(도 3의 도면부호 420)이 구비되는 단조성형장치(400)와, 가열된 원소재(W)를 단조금형(420)으로 안내하는 소재투입장치(500)와, 상기 단조품(F)을 열처리하는 열처리장치와, 상기 열처리된 단조품(F) 표면의 산화막을 제거하는 산화막제거장치와, 상기 산화막이 제거된 단조품(F)의 일측을 가공하는 가공장치와, 가공된 단조품(F)의 외면에 나사산을 형성하는 전조장치와, 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 세척장치를 포함하여 구성된다.

상기 열처리장치, 산화막제거장치, 가공장치, 전조장치 및 세척장치는 일반적으로 사용되는 장치로서 도시하지 않았으며, 각 장치를 이용한 공정 조건은 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 소재공급장치(100)는 가열장치(300) 내부로 원소재(W)를 공급하는 로더(200) 상면에 원소재(W)가 안착될 수 있도록 공급하는 것으로, 도 5와 같이, 관 형상을 가지고 길이 방향으로 원소재(W)의 공급 방향을 안내하는 공급 관(120)과, 상기 공급관(120) 내부공간을 따라 이동하는 원소재(W)의 일측을 선택적으로 간섭하여 움직임을 제한하는 스토퍼(140)를 포함하여 구성된다.

상기 공급관(120)은 원소재(W)의 외경보다 큰 내경을 갖는 원통형상의 중공봉재를 사용하여 만든 것으로, 상부에는 원소재(W)가 유입되고 하단부는 로더(200)의 상측에 위치하도록 배치된다.

따라서, 상기 원소재(W)는 공급관(120)의 내부를 관통하여 공급관(120)의 길이방향으로 안내되어 상기 로더(200)의 상면에 안착 가능하게 된다.

상기 공급관(120)의 하측에는 스토퍼(140)가 구비된다. 상기 스토퍼(140)는 공급관(120) 내부를 따라 이동하는 다수의 원소재(W)를 선택적으로 간섭하여 정지시킨 후 상기 로더(200) 상면에 일정 간격 및 시간을 유지하여 공급되도록 하는 구성이다.

보다 상세하게 살펴보면, 상기 스토퍼(140)는, 공급관(120) 하부에서 내부로 관통하여 고정된 한 쌍의 센서(142)와, 상기 센서(142)와 연동하여 직선 왕복운동하는 실린더(144) 및 상기 실린더(144)의 단부에 결합되어 상기 공급관(120) 내부로 일단부가 선택적으로 삽입되는 간섭판(146)을 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 센서(142)가 공급관(120) 내부를 따라 이동하는 원소재(W)를 감지하게 되면, 이와 연동하는 실린더(144)는 직선 운동하여 길이가 신축되고, 이에 따라 상기 간섭판(146)은 공급관(120) 내부로 일단이 삽입됨으로써 원소재(W)의 이동을 막을 수 있게 된다.

그리고, 상기 센서(142), 실린더(144) 및 간섭판(146)이 2개의 조로 이루어 져 한 쌍의 간섭판(146)이 서로 다른 방향으로 이동하도록 제어된다.

즉, 상기 한 쌍의 간섭판(146) 중 어느 하나가 공급관(120) 내부로 삽입되어 원소재(W)의 이동을 간섭하고 있다면, 나머지 간섭판(146)은 공급관(120) 외측으로 빠져나와 미리 간섭하고 있던 다른 원소재(W)의 하방향 이동을 가능하게 한다.

따라서, 상기 스토퍼(140)는 원소재(W)를 하나 씩 일정 시간 간격으로 지속적으로 공급할 수 있게 된다.

상기 공급관(120)의 선단 하측에는 로더(200)가 구비된다. 상기 로더(200)는 가열장치(300) 내부를 경유하여 폐곡선을 그리면서 순환하도록 구성된다. 즉, 상기 로더(200)는 컨베어밸트와 같이 넓은 면적을 가지는 소재안착부가 구비되고, 상기 소재안착부의 양단부는 서로 이어져 폐곡선을 이루며, 상기 소재안착부는 모터에 의해 회전 동력을 제공받아 회전하게 된다.

그리고, 상기 소재안착부의 하단은 가열장치(300)의 하측보다 하측에 위치하여 소재공급장치(100)로부터 원소재(W)의 공급이 가능하며, 소재안착부의 상단은 가열장치(300)의 내부에 위치하게 된다.

따라서, 상기 소재안착부에 안착된 원소재(W)는 소재안착부의 진행 방향에 따라 이동하다가 소재안착부의 단부 즉, 방향이 전환되는 부분에서 낙하하게 된다.

그리고, 상기 소재안착부는 높은 온도로 발열하는 가열장치(300) 내부를 경유하게 되므로 열변형이 발생하지 않는 범위 내에서 다양한 재질로 구성 가능함은 물론이다.

상기 로더(200) 상측에는 가열장치(300)가 구비된다. 상기 가열장치(300)는 로더(200)를 따라 이동하는 원소재(W)를 일정 온도까지 가열하여 단조 성형시에 성형성이 향상될 수 있도록 하는 장치이다.

이를 위해 상기 가열장치(300) 내부에는 전기 가열방식으로 발열하여 원소재(W)를 가열하기 위한 히터(320)가 다수 구비되며, 상기 가열장치(300) 내부 온도를 측정하기 위한 적외선열전대(도시되지 않음)가 다수 설치되어 있다.

그리고, 상기 히터(320)는 가열 온도의 조절이 가능하도록 구성되어야 하므로, 상기 가열장치(300) 일측에는 히터컨트롤러가 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 가열장치(300)는 원소재(W)를 다양한 온도로 가열할 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 가열장치(300)는 원소재(W)를 1차로 가열하는 가열로(340)와, 상기 가열로(340)를 빠져나온 원소재(W)를 보조가열하는 보조가열로(360)를 포함하여 구성된다.

상기 가열로(340)는 대략 "

" 형상을 가지며, 로더(200)를 따라 이동하는 원소재(W)를 1차로 가열하게 된다. 그리고, 상기 가열로(340)의 우측단 내측에는 도 2와 같이 로더(200)의 단부가 위치하게 된다.

따라서, 상기 가열로(340) 내부를 통과하면서 가열된 원소재(W)는 로더(200)의 단부에서 하방향으로 낙하하게 된다.

상기 가열로(340)의 우측단 하측에는 보조가열로(360)가 구비된다. 상기 보조가열로(360)는 가열로(340)에서 가열된 원소재(W)를 보조 가열함과 동시에 전방향으로 안내하는 역할을 수행한다.

이를 위해 상기 보조가열로(360)는 전방향으로 경사지게 형성되고, 상면 후 단에는 개구부(220)가 형성되며, 상기 개구부(220)는 보조가열로(360)의 선단에 구비된 토출파이프(240)와 연통된다.

따라서, 상기 개구부(220)를 통해 보조가열로(360) 내부로 낙하된 원소재(W)는 토출파이프(240)를 통해 보조가열로(360) 외부로 빠져나가게 되며, 상기 보조가열로(360)의 외관을 형성하는 케이스(260) 내부에는 보조히터(도시되지 않음)가 설치되어 원소재(W)의 2차 가열이 가능하게 된다.

그리고, 상기 보조가열로(360) 내부 일측에는 진동발생기(도시되지 않음)가 구비된다. 상기 진동발생기는 원소재(W)가 소재투입장치(500)의 경사에 의해 이송하도록 안내됨에 따라 이러한 안내가 보다 용이하도록 함은 물론, 원소재(W)의 걸림 등이 미연에 차단되도록 하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 보조가열로(360) 선단 즉, 상기 토출파이프(240)에는 소재투입장치(500)가 연결된다. 상기 소재투입장치(500)는 보조가열로(360)에서 가열된 원소재(W)를 단조금형(420)으로 안내하기 위한 구성이다.

즉, 상기 소재투입장치(500)는 내부가 빈 원통관을 일정 길이 및 형상으로 구부려 형성된 것으로, 상단부는 상기 토출파이프(240)와 연결되고 하단부는 단조금형(420)의 소재투입부(422) 상측에 위치하도록 배치된다.

그리고, 상기 소재투입장치(500)의 외측에는 단열부재가 구비된다. 상기 단열부재는 소재투입장치(500) 내부를 따라 이동하는 원소재(W)가 식혀지지 않도록 하기 위함이다.

상기 소재투입장치(500) 하측에는 단조금형(420)이 구비된다. 상기 단조금 형(420)은 단조성형장치(400) 내부에 안착되고 내부에는 원소재(W)가 유입되어 펀치(440)에 가해진 압력에 의해 볼트의 대략적인 형상이 형성될 수 있도록 한다.

이를 위해 상기 단조금형(420)은 도 3과 같이 상부가 개구된 소재투입부(422)가 우측에 구비되고, 상기 소재투입부(422)는 소재투입장치(500)의 좌측단 하측에 위치한다. 그리고, 상기 단조금형(420)의 우측에는 좌측 방향으로 직선운동하여 상기 원소재(W)를 좌측방향 즉, 단조금형(420) 내부로 밀어넣은 후 가압 성형하는 펀치(440)가 구비되며, 상기 단조금형(420)의 좌측에는 단조금형(420) 내부에서 단조 성형된 단조품(F)을 상기 소재투입부(422) 방향으로 밀어내기 위한 이젝터(460)가 구비된다.

따라서, 도 4a와 같이 상기 소재투입장치(500)에 의해 소재투입부(422)로 안내된 원소재(W)는 도 4b와 같이 소재투입부(422) 하측으로 낙하하게 되며, 상기 펀치(440)에 의해 좌측 방향으로 밀어져 단조금형(420) 내부에 삽입되면 도 4c와 같은 상태가 되어 단조품(F)의 성형이 가능하게 된다.

한편, 상기 열처리장치는 단조금형(420)의 작용에 의해 성형된 단조품(F)을 열처리하기 위한 구성으로, 아래에서 설명하게 될 조건의 범위 내에서 상기 단조품(F)을 가열할 수 있는 구성이라면 다양하게 변경 적용할 수 있다.

그리고, 상기 산화막제거장치는 열처리된 단조품(F) 표면의 산화막을 제거하기 위한 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 샌드-브라스트를 적용하였다.

상기 가공장치는 산화막이 제거된 단조품(F)의 일측을 가공하기 위한 구성으로, 본 발명의 실시예의 가공장치는 단조품(F)의 단부와 단조품(F)의 머리부 하단 외주면의 절삭가공이 가능한 범위 내에서 다양하게 적용가능하다.

상기 전조장치는 가공장치에 의해 일측이 가공된 단조품(F)의 외면에 나사산을 형성하는 장치로서, 머리부가 형성된 단조품(F)의 몸통부 외면에 나사산을 형성할 수 있는 범위 내라면 어떠한 장치도 적용 가능함은 물론이다.

마지막으로, 상기 세척장치는 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 장치로서, 본 발명의 실시예에서는, 중량%로 15% HNO₃, 3% HF, 82% H₂O를 포함하는 용액을 준비하여 타이타늄합금 볼트의 표면을 산세처리하였다.

이하 첨부된 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 상기와 같이 구성되는 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트의 제조방법을 설명한다.

본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트의 제조방법은, 상기 원소재(W) 표면을 윤활처리하는 표면처리단계(S100)와, 소재공급장치(100)를 이용하여 상기 원소재(W)를 로더(200)에 공급하는 소재공급단계(S200)와, 상기 로더(200)에 안착된 원소재(W)를 이송하는 소재이송단계(S300)와, 상기 로더(200)에 의해 이송되는 원소재(W)를 가열장치(300) 내부로 경유시켜 가열하는 소재가열단계(S400)와, 가열된 원소재(W)를 단조금형(420) 내부에 장입하여 온간에서 단조품(F)으로 성형하는 단조성형단계(S500)와, 상기 단조품(F)을 열처리장치를 이용하여 열처리하는 단조품열처리단계(S600)와, 상기 열처리된 단조품(F) 표면의 산화막을 제거하는 산화막제거단계(S700)와, 상기 산화막이 제거된 단조품(F)의 일측을 가공하는 단조품가공단계(S800)와, 상기 가공된 단조품(F)의 외면에 나사산을 형성하는 전조단계(S900) 와, 상기 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 표면세척단계(S1000)로 이루어진다.

상기 제조방법을 순서대로 살펴보면, 상기 표면처리단계(S100)는, 단조성형단계(S500)에서 성형되어지는 단조품(F)의 치수정밀도를 높이고 단조성형시에 단조금형(420) 내부와의 소착이 방지될 수 있도록 하는 단계이다.

이를 위해 상기 표면처리단계(S100)는, 원소재(W) 표면에 요홈을 형성하고, 상기 요폼에 윤활제를 잔류시키는 윤활처리과정(S120)과, 상기 원소재(W)를 가열하여 원소재(W) 표면에 산화막을 형성하는 산화막형성과정(S140)으로 이루어진다.

상기 윤활처리과정(S120)은 다수 원소재(W)를 일정 용기에 장입한 후 진동을 주어 원소재(W)들 간의 충격에 의해 요홈이 형성되도록 한 후, 원소재(W) 표면에 윤활제를 도포하여 요홈에 윤활제가 충진되도록 하는 과정이다.

본 발명의 실시예에서는, 3가지 윤활제(OilDag, MoO₂, Boron-Nitride)를 도포하여 단조성형한 결과 MoO₂ 가 가장 좋은 윤활 특성을 보였다.

그러나, 상기 윤활처리과정(S120)을 통해 원소재(W)의 표면특성을 향상시키고 단조금형(420) 내부에서의 소착이 감소시킬 수는 있었으나, 윤활처리과정(S120)을 단독으로 실시하기에는 충분한 효과를 보이지 못했다.

이를 해결하기 위하여 원소재(W) 표면에 산화막을 형성하는 산화막형성과정(S140)을 실시하였다. 상기 산화막형성과정(S140)은 용이하게 실시 가능하고 경제성이 높은 이점이 있으므로 채택되었다.

그리고, 상기 산화막형성과정(S140) 중에 원소재(W)를 가열해야 할 바람직한 온도를 알아내기 위해 도 7과 같이 다양한 온도에서 산화막을 형성하였다.

도 7의 (a)는 산화막형성과정(S140)을 실시하지 않은 샘플이고, (b)는 927℃에서 원소재(W)를 가열하여 산화막을 형성한 샘플이며, (c)는 850℃에서 원소재(W)를 가열하여 산화막을 형성한 샘플이고, (d)는 750℃에서 실시한 샘플 사진이다.

도면과 같이, 산화막형성과정(S140)을 실시하지 않은 샘플(a)의 표면에는 상당한 수준의 소착이 발생하였으며, 샘플(a)의 표면에는 부분적으로 균열이 발생한 것을 확인하였다.

샘플(b)는 표면에 황색의 매우 두터운 산화막이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 샘플(b)를 단조성형한 결과 수차례 단조금형(420)의 동작이 멈추는 현상이 발생하였다.

이것은 원소재(W)의 초기 등방정 조직이 2중조직(Bi-model)으로 바뀌면서 소재강도가 급격히 증가했기 때문이며, 두터운 취성의 산화막으로부터 균열이 생성되어 내부로 전파되었기 때문으로 판단된다.

샘플(c)는 비교적 건전한 성형성이 확보되었으며 소착도 상당히 개선되었다. 그러나 확대 사진과 같이 원소재(W) 내부의 응력집중 부위에 전단밴드 등이 형성되었으며, 이러한 전단밴드는 향후 볼트의 피로수명 및 강도에 악영향을 미칠 것으로 판단된다.

마지막으로 샘플(d)는 750℃의 온도에서 산화막형성과정(S140)이 실시된 것으로, 가장 매끄러운 표면상태를 보여주고 있다. 그리고, 단조성형 후에는 취성을 가지는 산화막 대부분이 마모되어 사라졌으며 부위별로 잔존하는 산화막의 두께는 5㎛ 이내로 측정되었다(도 7의 (b)참조)

또한, 소성변형 불균형에 의한 전단밴드의 발생량도 상당부분 개선되었으며 단조성형 후 미세조직은 미세한 등방정 조직을 유지하고 있었고, 원소재(W)의 표면에 생성된 산화막의 양은 0.2mg/cm2 이하로 나타났다.

상기 표면처리단계(S100) 이후에는 소재공급단계(S200)가 실시된다. 상기 소재공급단계(S200)는 원소재(W) 표면의 요홈에 윤활제를 잔존시키고, 산화막이 형성된 원소재(W)를 소재공급장치(100)를 이용하여 로더(200) 상면에 공급하는 과정이다.

상기 로더(200) 상면에 원소재(W)가 안착되면, 로더(200)는 폐곡선을 그리며 회전함으로써 상기 원소재(W)를 이송하는 소재이송단계(S300)가 실시된다.

상기 소재이송단계(S300)와 함께 상기 소재가열단계(S400)도 동시에 실시된다. 상기 소재가열단계(S400)는 원소재(W)를 1차가열하는 1차가열과정(S420)과, 상기 1차 가열된 원소재(W)를 다른 온도로 2차 가열하는 2차가열과정(S440)으로 이루어진다.

첨부된 도 8 및 도 9를 참조하여 상기 소재가열단계(S400)에서의 가열 온도 조건을 알아내기 위한 실험과정을 설명한다.

먼저, 타이타늄합금의 변형 특성을 조사하기 위하여 Gleeble 장비를 활용하여 열간성형 저항성을 조사하였다. 온도조건은 300~700℃이며, 변형율속도는 0.01/sec에서 10/sec 까지 다양하게 조절하였다.

실험결과 일반적인 Ti-6Al-4V의 응력거동 양상을 보여주고 있었으며 특히, 600℃부터 급격한 연화의 거동을 보여주고 있어 단조성형시 600℃의 온도에서 실시해야 하는 것으로 예측되었다.

상기 소재가열단계(S400)의 구체적인 온도 조건을 찾아내기 위해서 실시한 실험 결과를 첨부된 도 10 내지 도 11g를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 10은 본 발명에 의한 티타늅합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 단조성형단계(S500)의 바람직한 실시 중 원소재(W)의 형상 변화를 순서대로 나타낸 실물 사진으로서, 본 발명의 실시예에서는 단조성형단계(S500)에서 원소재(W)를 3차에 걸쳐 조금씩 성형하도록 구성하였다.

이러한 바람직한 단조품(F)의 성형이 가능하도록 하기 위한 소재가열단계(S410)의 구체적인 온도 조건은 첨부된 도 11a 내지 도 11g와 같다.

보다 구체적으로 살펴보면, 도 11a 에서는 가열로(340)의 온도조건을 800℃로 유지하여 가열한 원소재(W)를 단조하고, 20분 후 800℃로 보조가열로(360) 온도조건을 적용시켜 2차 단조하였으며, 2차단조 5분 후 3차단조를 실시하였다.

그 결과, 2차단조 후에는 단조금형(420) 내부에 피막 잔재가 잔류하는 것이 확인되었으며, 이는 원소재(W)가 단조 금형에 소착될 수 있음을 보여주는 결과가 된다.

도 11b 에서는 가열로와 보조가열로(360)의 온도조건을 800℃로 설정하여 단조공정을 실시하였다.

그 결과, 단조품(F)의 표면에 윤활제가 열에 의해 이탈되는 현상이 나타났으 며, 단조품(F)의 하단에는 윤활제가 이탈되어 내부층이 드러났다.

또한, 단조품(F)의 머리부에는 마찰저항 때문으로 판단되는 펀치(440)의 진행 반대방향의 성형 흔적이 나타났다.

따라서, 상기 가열로(340) 속에서 소재 대기시간이 증가할수록 윤활제의 효과나 작업성이 저하되는 것으로 사료된다.

도 11c 에서는 가열로(340)와 보조가열로(360)의 온도 조건을 900℃로 설정하여 10 내지 15분간 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 표면의 윤활제 접착 상태는 양호하였으며, 단조품(F)의 머리부에 윤활제 색상이 약간 산화한 색으로 보이나 소착이나 성형 부하는 없었다.

따라서, 상기 가열로(340) 내에서 원소재(W)의 대기시간은 단축되어야하는 것으로 사료된다.

도 11d 에서는 가열로(340)와 보조가열로(360)의 온도 조건을 840℃로 설정하여 50분 동안 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 단조품(F)의 표면 상태는 양호하였으며, 단조금형(420) 내부에도 소착이 발생되지 않았다. 또한, 펀치(440)의 상태도 양호하였다.

도 11e 에서는 가열로(340)와 보조가열로(360)의 온도 조건을 840℃로 설정하여 65분 동안 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 성형은 가능한 온도범위이나 단조품(F)의 표면이 거칠게 나타났다. 그리고, 단조금형(420) 내부에는 소착이 발생되지 않았으며, 펀치(440)의 상태도 양호하였다.

도 11f 에서는 가열로(340)와 보조가열로(360)의 온도 조건을 840℃로 설정하여 45분 동안 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 단조품(F)의 표면 거칠기가 다소 커졌다.

도 11g 에서는 가열로(340) 및 보조가열로(360)의 온도를 840℃로 설정하여 55분동안 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 단조품(F) 외면의 피막 상태가 좋지 않았으나, 성형성은 양호하였다.

마지막으로 상기 가열로(340) 입구부의 온도를 500℃ 이상의 온도로 설정하고, 가열로(340) 내부온도는 780℃를 유지하여 원소재(W)를 35분간 가열하였다.

그리고, 상기 보조가열로(360)에서는 840℃로 10분간 설정하여 10분간 가열한 후 단조 성형하였다.

그 결과, 도 10과 같이 단조성형의 연속작업이 가능하고, 단조금형(420) 내부의 원소재(W) 소착이 방지되었으며, 펀치(440) 및 단조금형(420)의 상태도 양호하였다.

상기와 같은 조건에 따라 상기 소재가열단계(S400)는 실시되며, 상기 소재가열단계 이후에는 단조성형단계(S500)가 실시된다. 상기 단조성형단계(S500)는 소재가열단계(S400)에서 증명된 온도 조건으로 가열된 원소재(W)를 가압하여 형상을 변형하는 과정이므로 온간 단조가 적용된다.

상기 단조성형단계(S500) 이후에는 단조품열처리단계(S600)가 실시된다. 상기 단조품열처리단계(S600)는 단조품(F)의 강도를 높이기 위한 과정으로, 강도와 연신율의 균형을 맞추고 최고 1100M㎩의 강도를 갖도록 하기 위해 도 12와 같은 실험 결과를 도출하였다.

즉, 도 12a와 같이 6가지 서로 열처리 실험을 수행하였으며, 용체화 열처리 온도는 Transform-β구조가 모두 용해되는 927℃로 고정하였다.

그 후 냉각 방법을 다르게 해 보았으며 시효처리를 537℃와 480℃에서 각각 실시하였다.

도 12a의 여러 조건 중 "E" 열처리 조건에 따라 실시된 단조품(F)의 경우 높은 강도와 연신율을 보였고, 미세조직은 등방정α와 Transform-β가 섞인 이중조직을 나타내었다.

즉, "E" 열처리 조건은 단조품(F)을 927℃에서 1시간 동안 유지하여 가열한 후 850 내지 900℃까지 냉각하고, 물에 담궈 담금질한 후 480℃에서 24시간 동안 시효처리하는 조건이다.

상기와 같은 조건에 따라 열처리된 단조품(F)은 산화막제거단계(S700)를 거치게 된다. 상기 산화막제거단계(S700)는 단조품(F) 표면에 생성된 산화막을 제거하는 과정이다.

즉, 상기 단조품(F)은 타이타늄 소재의 특성상 고온에 노출시에 표면에 두터운 산화층이 생성되며 이러한 산화층은 피로특성에 심각한 악영향을 미치게 되므로, 이를 제거하기 위하여 산화막제거단계(S700)가 실시된다.

본 발명의 실시예에서 상기 산화막제거단계(S700)는 샌드-블라스트가 적용되었다.

첨부된 도 13에는 산화막제거단계(S700) 실시 전/후의 단조품(F) 외관을 보인 실물 사진이 나타나 있으며, 도 13의 하측 사진과 같이 산화막제거단계(S700)가 실시된 단조품(F)의 외면에는 산화막이 완전히 제거된 것을 확인할 수 있다.

상기 산화막제거단계(S700) 이후에는 단조품가공단계(S800)가 실시된다. 상기 단조품가공단계(S800)는 단조품(F)의 단부를 경사지게 절삭하거나, 단조품의 머리부와 몸통부 가 만나는 부위를 절삭하여 함몰시키는 과정이다.

상기 단조품가공단계(S800) 이후에는 전조단계(S900)가 실시된다. 상기 전조단계(S90)는 단조품(F)의 머리부를 제외한 하부 외주면에 나사산을 형성하는 과정으로, 본 발명의 실시예에서는 단조품(F)을 400℃로 가열하여 온간 전조를 수행하였다.

첨부된 도 14 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법에서 일 단계인 전조단계(S900) 실시 후의 샘플 사진이다.

상기 전조단계(S900) 이후에는 표면세척단계(S1000)가 실시된다. 상기 표면세척단계(S1000)는 전조단계(S900) 실시 후에 볼트 외면에 최종적으로 잔류하는 스케일을 제거하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예에서는 산세처리를 적용하였다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 중량%로 15% HNO₃, 3% HF, 82% H₂O를 포함하는 용액에 상기 타이타늄합금 볼트를 5 내지 10분간 담궈 산화스케일이 제거되도록 하였다.

도 15에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합 금 볼트 제조방법에서 일 단계인 표면세척단계(S1000) 실시 시간의 변화에 따른 외경 변화를 보인 샘플 사진들이 도시되어 있다.

이러한 실험 결과와 같이, 상기 용액에 볼트를 담궈 산세 과정을 실시하는 시간이 5분 미만인 경우에는 볼트 표면에 산화스케일이 남아있었으며, 10분 초과하여 실시하는 경우에는 산화스케일의 제거는 완전했으나, 나사산의 식각량이 증가하여 치수정밀도가 떨어지는 문제점이 발생되었다.

따라서, 상기 표면세척단계(S1000)는 산화스케일의 효과적인 제거와 볼트의 치수정밀도를 고려하여 5 내지 10분간 실시됨이 바람직하다.

이하 상기와 같은 방법으로 제조된 타이타늄합금 볼트는 도 16 과 같이 모든 표면 영역에서 층상조직이 발견되지 않았으며, 등방정 α상과 Transformed-β의 이중 조직으로 구성된 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 17과 같이 표면세척단계(S1000) 실시 전 볼트의 표면을 살펴본 결과, 48㎛ 두께의 α-scale이 고르게 분포하였으나, 이러한 두께는 단조성형단계(S500) 이후에 측정된 것이므로 표면세척단계(S1000)를 거친 후에는 모든 α-scale이 제거되어 볼트의 기계적 특성 저하에는 영향을 미치지 못하는 것으로 판단할 수 있다.

마지막으로, 도 18a 및 도 18b에는 타이타늄합금 볼트의 인장강도를 측정한 결과 및 시편 사진이 도시되어 있다.

이들 도면과 같이 인장시험은 총 5개의 시편을 이용하여 수행하였으며, 도 18b와 같이 5개의 시편 모두 first load bearing thread에서 파단이 발생하였으며, 이러한 파단 위치는 시편의 조직균일도가 정상임을 알 수 있게 하는 것이다.

그리고, 도 18a의 실험결과와 같이 5개의 시편 모두 1000M㎩ 이상의 인장강도를 나타냈으며, 3.0㎜의 길이 신장 후 파단하였다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명 실시예의 단조금형에서는 원소재를 3단계에 걸쳐 단조성형하여 단조품이 성형되도록 구성하였으나, 생산성 및 제조 원가를 고려한다면 1회의 단조성형만 실시하여 단조품의 성형이 가능하도록 구성 가능함은 물론이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 온간 단조 공정으로 타이타늄합금 볼트의 제조가 가능하므로, 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며, 균열 등의 불량이 미연에 방지되는 이점이 있다.

또한, 상기한 이유로 불량율은 최소화하고 품질은 향상되며, 생산성은 극대화되므로 제조 원가를 현저히 절감할 수 있는 이점이 있다.

온간 단조 공정을 이용한 타이타늄합금의 성형은 볼트에만 한정하지 않고 다양한 형상의 부품에도 적용 가능하여 산업적 파급효과를 가져올 수 있다.

Claims

타이타늄합금으로 형성된 봉재를 일정 길이로 절단한 원소재 표면을 윤활처리하는 표면처리단계와,

소재공급장치를 이용하여 상기 원소재를 로더에 공급하는 소재공급단계와,

상기 로더에 안착된 원소재를 이송하는 소재이송단계와,

상기 로더에 의해 이송되는 원소재를 가열장치 내부로 경유시켜 가열하는 소재가열단계와,

가열된 원소재를 단조금형 내부에 장입하여 온간에서 단조품으로 성형하는 단조성형단계와,

상기 단조품을 열처리장치를 이용하여 열처리하는 단조품열처리단계와,

상기 열처리된 단조품 표면의 산화막을 제거하는 산화막제거단계와,

상기 산화막이 제거된 단조품의 일측을 가공하는 단조품가공단계와,

상기 가공된 단조품의 외면에 나사산을 형성하는 전조단계와,

상기 나사산이 형성된 타이타늄합금 볼트의 표면을 세척하는 표면세척단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 표면처리단계는,

상기 원소재 표면에 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 윤활제를 잔류시키는 윤 활처리과정과,

상기 원소재를 가열하여 원소재 표면에 산화막을 형성하는 산화막형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 소재가열단계는,

상기 원소재를 1차 가열하는 1차가열과정과,

1차 가열된 원소재를 다른 온도로 2차 가열하는 2차가열과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 산화막형성과정은,

상기 원소재를 750℃에서 가열하여 0.2㎎/㎠ 이하의 산화막을 형성하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단조품열처리단계는,

상기 열처리장치에서 927℃로 1시간 동안 유지한 후 850 내지 900℃까지 냉각하고, 물에 담궈 담금질한 후 480℃에서 24시간 동안 시효처리하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 산화막제거단계는,

상기 단조품 외면에 형성된 산화막을 샌드-블라스트 공정을 이용하여 제거하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전조단계는,

400℃에서 실시됨을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 표면세척단계는,

중량%로 15% HNO₃, 3% HF, 82% H₂O를 포함하는 용액에 상기 타이타늄합금 볼트를 5 내지 10분간 담궈 산화스케일을 제거하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 소재가열단계는,

상기 원소재를 780℃로 35분동안 가열한 후, 840℃ 10분간 가열하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합급 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단조성형단계는,

600℃ 이상에서 실시됨을 특징으로 하는 타이타늄합금 볼트 제조설비를 이용한 타이타늄합금 볼트 제조방법.