KR101124260B1 - 타이타늄합금소재의 나사 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법은, 타이타늄합금 소재의 표면을 숏트 블라스팅하는 표면처리단계와, 숏트 블라스팅된 타이타늄합금 소재를 탈지제로 탈지하는 탈지단계와, 탈지된 타이타늄합금 소재를 수세하는 수세단계와, 수세된 타이타늄합금 소재의 표면을 윤활처리하는 윤활처리단계와, 윤활제가 침적된 타이타늄 합금 소재를 건조하는 건조단계와, 건조된 타이타늄합금 소재에 냉간 전조 공정을 실시하여 나사를 형성하는 전조단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

타이타늄합금소재의 나사 형성 방법{A thread rolling method for titanium alloys}

본 발명은 타이타늄합금소재의 나사 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이타늄합금소재의 표면을 전처리한 후 냉간 전조 공정을 실시하여 균열 및 산화스케일 발생을 미연에 차단하고, 치수정밀도가 향상되도록 한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법에 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 소재로 한 볼트 제조에도 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나, 타이타늄합금 볼트는 일반적으로 성형성이 좋지 않아 냉간단조 공정으로는 나사부의 형성이 난이하다.

예컨대, 대한민국 등록특허 제10-0335284호에 기재된 냉간가압에 의한 티타늄볼트의 제조방법에 기재된 바와 같이 머리부에 대해서만 냉간 가압을 통해 형성할 뿐, 나사부는 냉간 성형이 어려웠다.

실제로 타이타늄합금을 냉간 성형하여 볼트를 제조하게 되면, 첨부된 도 1과 같이 균열이 발생하게 된다.

반면, 열간단조로 제조된 타이타늄합금 볼트는 첨부된 도 2와 같이 표면산화층 생성으로 표면균열이 빈번하게 발생하고, 이러한 표면산화층은 절삭성을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서, 타이타늄합금 볼트의 성형성 및 절삭성을 고려한 단조 금형 및 공정설계에 대한 많은 고찰이 요구되고 있다.

예컨대, 대한민국 등록특허 제10-0628030호에는 절단된 티타늄 합금을 고주파 가열하여 열간단조로 성형하고, 강제 소립자를 분사하여 숏피닝한 후 선삭가공, 전조가공을 순차적으로 실시함으로써 제조되는 티타늄 볼트 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에는 단조 성형된 단조품에 압축응력을 부여하기 위한 숏피닝단계가 반드시 요구된다. 즉, 열간 단조 성형이 실시됨에 따라 티타늄 합금 소재를 가열시에 표면에는 산화층이 두껍게 발생하게 되며, 이러한 산화층은 나사부 전조 및 후가공시 표면균열을 야기하는 등 문제점의 주요 원인이 된다.

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 경도와 표면산화층을 갖게 되고, 후가공시에 성형기의 tool 마모량이 급증하게 되어 자주 교체해주어야 하므로, 결국 타이타늄합금 볼트의 제조 원가를 증가시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 타이타늄합금소재의 표면을 전처리한 후 냉간 전조 공정을 실시하여 균열 및 산화스케일 발생을 미연에 차단하고, 치수정밀도가 향상되도록 한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 제조 공정을 간소화하여 생산성이 향상되고 타이타늄합금 나사의 제조 원가가 절감되도록 한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법은, 타이타늄합금 소재의 표면을 숏트 블라스팅하는 표면처리단계와, 숏트 블라스팅된 타이타늄합금 소재를 탈지제로 탈지하는 탈지단계와, 탈지된 타이타늄합금 소재를 수세하는 수세단계와, 수세된 타이타늄합금 소재의 표면을 윤활처리하는 윤활처리단계와, 윤활제가 제거된 타이타늄 합금 소재를 건조하는 건조단계와, 건조된 타이타늄합금 소재에 냉간 전조 공정을 실시하여 나사를 형성하는 전조단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 타이타늄합금소재는, Ti-6Al-4V ELI 합금이 적용됨을 특징으로 한다.

상기 표면처리단계는, 타이타늄합금 소재 표면에 탄산나트륨(Na₂CO₃) 분말을 분사하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 탈지단계는, 강알칼리성 탈지제가 용해된 수용액 85±5℃로 가열한 후 타이타늄합금 소재를 담지하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 윤활처리단계는, MoS₂ 와 물을 1 : 2의 중량비로 혼합하고 70 내지 80℃ 온도를 가지는 희석액에 2 내지 8분간 침적하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 건조단계는, 60 ~ 200℃의 간접열로 3 ~ 8분간 건조하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 탈지단계에서, 상기 탈지제는 20 ~ 30Point의 농도를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 타이타늄합금소재의 표면을 전처리한 후 냉간 전조 공정을 실시하여 타이타늄합금 소재의 나사를 형성할 수 있도록 구성된다.

그리고, 타이타늄합금 소재의 나산에는 균열 및 산화스케일 발생이 미연에 차단되어 치수정밀도가 향상되는 이점이 있다.

또한, 제조 공정이 간소하여 생산성이 향상되며 제조 원가가 현저히 절감되는 이점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따라 냉간 성형된 타이타늄합금 소재 볼트의 실물 사진.
도 2 는 종래 기술에 따라 열간 성형된 타이타늄합금 소재 볼트의 실물 사진.
도 3 은 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법에서 바람직한 실시예와 비교예의 공정 조건을 비교하여 나타낸 표.
도 5 는 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법에서 바람직한 실시예와 비교예의 실물 사진.
도 6 은 비교예 1의 실물사진.
도 7 은 비교예 2의 실물사진.
도 8 은 비교예 3의 실물사진.
도 9 는 비교예 4의 실물사진.
도 10 은 실시예 1의 실물사진.
도 11 은 실시예 2의 실물사진.
도 12 는 비교예 5의 실물사진.
도 13 은 비교예 6의 실물사진.

이하 첨부된 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법을 설명한다.

도 3에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명인 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법은, 타이타늄합금 소재의 표면을 전처리한 후 냉간 전조 공정을 실시하여 균열 및 산화스케일이 발생하지 않고 치수 정밀도가 향상될 수 있도록 한 타이타늄합금 소재의 나사를 제조하는 과정에 관한 것이다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법은, 타이타늄합금 소재의 표면을 숏트 블라스팅하는 표면처리단계(S100)와, 숏트 블라스팅된 타이타늄합금 소재를 탈지제로 탈지하는 탈지단계(S200)와, 탈지된 타이타늄합금 소재를 수세하는 수세단계(S300)와, 수세된 타이타늄합금 소재의 표면을 윤활처리하는 윤활처리단계(S400)와, 윤활제가 침적된 타이타늄 합금 소재를 건조하는 건조단계(S500)와, 건조된 타이타늄합금 소재에 냉간 전조 공정을 실시하여 나사를 형성하는 전조단계(S600)로 이루어진다.

상기 타이타늄합금 소재는 본 발명의 실시예에서 Ti-6Al-4V ELI 합금이 적용되었으며, 상기 표면처리단계(S100)에서는 타이타늄합금소재 표면에 탄산나트륨(Na₂CO₃) 분말을 분사하였다.

보다 상세하게는 상기 탄산나트륨 분말은 air compressor를 이용하여 분사하였으며, 7㎏의 압력으로 설정하였다.

상기 표면처리단계(S100) 이후에는 숏트 블라스팅된 타이타늄합금 소재의 표면에 묻어있는 유분이나 오물을 강알카리성 탈지제로 제거하는 탈지단계(S200)가 실시된다.

상기 탈지단계(S200)는 윤활처리단계(S400)의 예열 효과를 얻기 위한 공정으로, 수용성 탈지제를 물에 용해시킨 수용액을 85±5℃로 가열한 후 타이타늄합금 소재를 담지하여 오물 및 유분을 제거하였다.

이때 상기 수용액의 농도는 알칼리도 Point로 관리하였으며, 20 내지 30 Point가 바람직하다.

그리고 본 발명의 실시예에서 상기 탈지단계(S200)는 5 내지 10분간 실시하였으며, 필요에 따라서는 타이타늄합금 소재가 담지된 수용액에 진동을 부가하여 탈지 시간을 단축시킬 수도 있음은 물론이다.

상기 탈지단계(S200) 이후에는 수세단계(S300)가 실시된다. 상기 수세단계(S300)는 타이타늄합금 소재를 수용액에서 꺼내 온수세를 한 다음 다시 냉수세를 하여 알칼리성분이 완전히 제거되도록 하는 과정이다.

그리고, 상기 수세단계(S300) 이후에는 산세단계가 실시될 수 있으며, 산세단계를 실시하는 경우 상기 수세단계(S300)에서는 1회의 수세만 실시해도 무방하다.

상기 수세단계(S300) 이후에는 윤활처리단계(S400)가 실시된다. 상기 윤활처리단계(S400)는 MoS₂ 와 물을 1 : 2의 중량비로 혼합하고 70 내지 80℃ 온도를 가지는 희석액에 2 내지 8분간 침적하는 과정이다.

보다 구체적으로 설명하면, MoS₂ 의 농도가 높은 상태에서 물을 추가하여 희석하면서 MoS₂ 와 물의 중량비를 1 : 2가 되도록 맞추게 된다.

상기 윤활처리단계(S400) 이후에는 건조단계(S500)가 실시된다. 상기 건조단계(S500)는 타이타늄합금 소재의 표면에 침적된 윤활제를 건조시키기 위한 과정으로서, 60 ~ 200℃의 간접열을 이용하여 건조하였고, 윤활제의 종류와 타이타늄합금 소재의 형상에 따라 다소 차이가 발생할 수는 있은아, 3 내지 8분동안 실시됨이 바람직하다.

상기 건조단계(S500) 이후에는 전조단계(S600)가 실시된다. 상기 전조단계(S600)는 타이타늄합금 소재의 외면에 전조 공정을 실시하여 나사를 형성하는 과정으로 이하에서는 첨부된 도면을 토대로 비교예와 실시예를 들어 설명하기로 한다.

도 4에는 본 발명에 의한 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법에서 바람직한 실시예와 비교예의 공정 조건을 비교하여 나타낸 표가 도시되어 있다.

도면과 같이, 비교예 1 내지 비교예 6은 표면처리단계(S100) 내지 건조단계(F500)를 실시하지 않았고, 타이타늄합금 소재를 가열하지 않은 상태로 전조 공정을 실시하였다.

그리고, 비교예 1 내지 비교예 6은 얇은 봉 형상을 갖는 소재를 이용하여 전조단계(S600)를 실시하였다.

다만 비교예 6은 전조단계(S600)에서 타이타늄합금 소재에 400℃의 열을 가한 상태로 실시하였다.

반면, 실시예 1과 실시예 2는 상기한 표면처리단계(S100) 내지 건조단계(S500)를 실시하였으며, 전조단계(S600)에서는 열을 가하지 않고 냉간 전조를 실시하였다.

물론 비교예 1 내지 비교예6과 실시예 1 및 실시예 2는 Ti-6Al-4V ELI 합금이 적용되었다.

상기한 과정에 따라 제조된 실물 사진은 첨부된 도 5와 같다.

즉, 도 6 내지 도 13은 비교예 1 내지 비교예 6, 실시예 1 및 실시예 2의 실물사진으로서, 비교예 1 내지 비교예 6은 표면처리단계(S100) 내지 건조단계(S500)를 실시하지 않음에 따라 균열이 발생한 것을 확인할 수 있다.

반면, 도 11과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 나사는 균열이 발생하지 않았고, 비교적 양호한 외관 상태를 나타내었다.

다만, 도 10의 실시예 1에 따라 제조된 나사는 나사산의 일부가 파손되었으나, 전조단계(S600)에서 설정이 잘못되어 발생한 현상이다.

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.

S100. 표면처리단계 S200. 탈지단계
S300. 수세단계 S400. 윤활처리단계
S500. 건조단계 S600. 전조단계

Claims (7)

1. 타이타늄합금 소재의 표면을 숏트 블라스팅하는 표면처리단계와,
   숏트 블라스팅된 타이타늄합금 소재를 탈지제로 탈지하는 탈지단계와,
   탈지된 타이타늄합금 소재를 수세하는 수세단계와,
   수세된 타이타늄합금 소재의 표면을 윤활처리하는 윤활처리단계와,
   윤활제가 침적된 타이타늄 합금 소재를 건조하는 건조단계와,
   건조된 타이타늄합금 소재에 냉간 전조 공정을 실시하여 나사를 형성하는 전조단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 타이타늄합금소재는,
   Ti-6Al-4V ELI 합금이 적용됨을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 표면처리단계는,
   타이타늄합금 소재 표면에 탄산나트륨(Na₂CO₃) 분말을 분사하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 탈지단계는,
   강알칼리성 탈지제가 용해된 수용액 85±5℃로 가열한 후 타이타늄합금 소재를 담지하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 윤활처리단계는,
   MoS₂ 와 물을 1 : 2의 중량비로 혼합하고 70 내지 80℃ 온도를 가지는 희석액에 2 내지 8분간 침적하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 건조단계는,
   60 ~ 200℃의 간접열로 3 ~ 8분간 건조하는 과정임을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 탈지단계에서,
   상기 탈지제는 20 ~ 30Point의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금 소재의 나사 형성 방법.

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