KR101126585B1

KR101126585B1 - 티타늄합금의 성형방법

Info

Publication number: KR101126585B1
Application number: KR1020090132650A
Authority: KR
Inventors: 이성호; 송영범; 홍성석
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2012-03-23
Also published as: KR20110076052A

Abstract

본 발명은 티타늄합금 판재를 고온의 환경에서 고속으로 성형가공하여도 완성품에 가공결함이 없도록 하는 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 티타늄합금 판재의 성형공정이 열간 전단스피닝(hot shear spinning)을 통해 이루어진다. 본 발명이 적용된 성형방법을 통해, 티타늄합금을 고속의 변형률속도가 특징인 열간 전단스피닝법으로 가공하여도 결함이 없어 높은 수율과 높은 생산성을 확보할 수 있는 탁월한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 이에 따라 향후 우주항공분야에서 요구되는 경량부품 제조에 본 발명의 적용이 가능하다.

전단스피닝, 티타늄합금, Ti-6Al-4V, 맨드렐

Description

티타늄합금의 성형방법{METHOD FOR FORMING OF TITANIUM ALLOY}

본 발명은 티타늄합금 판재를 고온의 환경에서 고속으로 성형가공하여도 완성품에 가공결함이 없도록 하는 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 티타늄 합금은 가볍고 단단하며 내부식성이 뛰어나 내구성과 기동성이 요구되는 항공우주산업분야에서 활용도가 높은데, 그중에서 가장 널리 사용되는 것이 Ti-6Al-4V합금이다.

이 Ti-6Al-4V합금을 소재로 판재성형가공을 실시할 경우, 이 합금의 베타(β)변이온도 이하인 750~1000℃ 범위에서 이루어짐과 동시에 변형률 속도가 0.001~0.01 S^-1의 저속으로 이루어져야 최종성형가공품에서의 결함발생을 줄일 수 있다고 알려져 있다.
이에 따라 적절한 성형온도 및 변형속도 범위를 찾기 위한 많은 연구가 이루어져 왔지만, 상기한 변형률 속도가 생산성 향상에 걸림 요소로 되는 문제점이 있었다.

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본 발명은 티타늄합금을 소재로 한 성형품 가공에 있어 높은 변형률속도로의 가공을 가능케 하여 티타늄합금이 갖는 우수한 기계적 성질을 높은 생산성으로서 활용할 수 있도록 하는 성형방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 티타늄합금 소재를 열간 전단스피닝 공정을 통해 성형하되, 상기 티타늄합금 소재의 온도는 800℃ 이상 β변태온도 이하이면서, 열간 전단스피닝 공정에서 사용되는 맨드렐의 표면온도가 300℃이상 β변태온도 이하인 온도조건에서 열간 전단스피닝 공정이 진행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열간 전단스피닝 공정은 1.0~5.0 S^-1의 변형률 속도로 수행되는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 티타늄합금 소재는 Ti-6Al-4V 합금인 것을 특징으로 한다.

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본 발명이 적용된 성형방법을 통해, 티타늄합금을 고속의 변형률속도가 특징인 열간 전단스피닝법으로 가공하여도 결함이 없어 높은 수율과 높은 생산성을 확보할 수 있는 탁월한 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이에 따라 향후 항공우주분야에서 요구되는 경량부품 제조에 본 발명의 적용이 가능하다.

이하 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예에 대해 도면을 참조로 상세히 설명한다.

티타늄합금은 난(難)성형 소재이므로, 고온의 환경에서 저속의 변형률속도로 가공하는 방법은 소개되어 있어도, 고속의 변형률속도로 가공하는 방법은 소개되어 있지 않다.

따라서, 본 발명의 티타늄합금 성형방법은 티타늄합금을 고속으로 성형가공하기 위해 전단 스피닝법을 사용하였고 또한 최적의 성형조건을 제시하는 것이다.

도 1은 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예의 티타늄합금의 열간 전단스피닝법을 설명하는 개략적인 단면도이다.

본 실시예의 티타늄합금 성형방법에서는 Ti-6Al-4V합금을 소재로 이용한다.

열간 전단스피닝법에 대해 설명하면, 피가공물인 Ti-6Al-4V합금의 판재는, 원뿔대 형상의 회전축을 중심으로 자전하는 맨드렐(1)과 함께 회전중에 가공이 되도록 맨드렐(1)의 선단에서 심압대(3)로 고정한다.

그리고, 상기 판재는 일단 제1 가열토치(5) 및 제2 가열토치(4)를 통해 그 표면과 이면이 동시에 가열되면서 회전한다.

전단스피닝 공정에서의 변형은 소재와 성형롤러(2)가 접촉하는 부분에서 국부적으로 일어나므로 소재의 온도유지를 위해 성형되는 부분을 위주로 가열하였으며 소재의 온도는 적외선 온도계로 측정하면서 가열정도를 조절하였다.

이어서, 성형롤러(2)가 상기 판재를 스피닝경로를 따라 심압대(3)에 가까운 그 밑둥부분에서부터 가압해 가는데, 이로써 상기 심압대(3)로 고정된 부분을 제외 한 상기 판재의 나머지 부분이 점차 상기 맨드렐(1)의 외부 곡면과 닮은 꼴을 이루게 되며 동시에 성형롤러(2)의 가압력 또는 맨드렐(1)의 외표면의 회전축에 대한 기울기에 따라 소정의 두께를 가지면서 성형품의 최종외형으로 완성되어 간다.

이와 같이 열간 전단스피닝법은, 국부적인 전단변형을 이용하여 축대칭 형상의 부품을 만드는 금속판재의 가공방법의 일종으로서 재료의 변형은 단순전단에 의해 일어나며 성형 후의 제품 두께는 사인(sine) 법칙에 의해 성형 전 소재 두께로부터 결정되는데 이에 의하면 스피닝 전의 소재 두께가 t0 이고 맨드렐 반각이 α인 경우, 스피닝 후의 소재 두께 t1은 아래 식과 같다.

상기 2개의 가열토치(4,5)를 이용하여 성형되는 부분의 소재 온도는 800~1000℃(이 합금의 전형적인 베타(β) 변이온도는 1000℃ 부근이다.)로 하는데, 여기서 Ti-6Al-4V합금은 상온에서 α상과 β상이 혼재되어 있는 (α+β) 미세조직을 갖고 있으나 소위 β변태온도 이상에서는 전체가 β상으로 변태된다. β변태온도를 나타내는 여러 종류의 실험식이 제시되어 있으며 그 중의 하나를 아래에 나타내었다(Z. Guo et al., Computational Materials Sci., Vol.32, No.1, 2005, p.1).

이러한 식에 의하면 Ti-6Al-4V합금의 β변태온도는 1000℃ 부근이며 β 미세조직보다는 (α+β) 미세조직의 기계적 특성이 우수하므로 Ti-6Al-4V합금의 열간성 형은 일반적으로 β변태온도 이하에서 수행된다.

그런데, 성형온도가 지나치게 낮으면 Ti-6Al-4V합금의 성형성이 저하되어 공정 중 균열 등에 의한 파괴가 발생한다. 따라서 Ti-6Al-4V합금 단조의 경우, 가장 바람직한 성형온도 범위는 840~980℃로 알려져 있다(T.G. Byrer et al., Forging Handbook, FIA/ASM, 1985, p.129)

한편, 상기 맨드렐(1)의 표면온도는 300℃ 이상, 그리고 베타(β) 변이온도인 1000℃이하를 유지하도록 하였다.

Ti-6Al-4V합금을 성형하기 위해서는 소재가 맨드렐 등의 금형 또는 치구에 접촉하면서 성형온도 이하로 냉각되는 것을 방지하여야 한다. 본 실시예에서는 맨드렐 온도가 300℃ 이상인 경우로 하여 전단스피닝하는 경우, 소재의 냉각을 방지할 수 있는 것으로 판단되었으며 맨드렐 가열온도의 상한은 맨드렐 소재의 종류에 따라 달라진다.

한편, 본 실시예에서는 소재 또는 상기 맨드렐(1)의 회전속도는 소재의 변형률속도가 1.0 ~ 5.0 S^-1 의 범위 내로 되도록 한다. 종래의 Ti-6Al-4V합금의 가공방법의 경우 고온환경에서의 변형률속도가 0.001~0.01 S^-1 이었던 것에 비해 본 발명에서는 1.0 S^-1이상의 고속으로 성형가공하여도 균열이 발생하지 않지만, 상한인 5.0 S^-1을 초과하면 소성불안정에 따른 균열발생이 확인되었다.

아래 그림은 Ti-6Al-4V합금에 대한 공정도에 종래의 Ti-6Al-4V합금 열간 성형범위와 본 발명에서의 성형범위를 겹쳐서 나타낸 것이다.

이상 본 실시예의 전단스피닝공정을 결과 도 2와 같이 결함이 없는 성형품을 성공적으로 제작할 수 있었다. 도 2는 외관상에 결함이 없음은 물론, 침투탐상법을 통해 결함이 없음을 나타내고 있다. 한편, 도 3은 전단스피닝공정 중 이상과 같은 조건을 충족하지 않았을 경우에 발생하는 결함이며 이들 결함은 주로 성형품 내면에 발생한다.

도 1은 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예의 티타늄합금의 열간 전단스피닝을 설명하는 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예의 성형방법을 통해 얻어진 티타늄합금 성형품 및 침투탐상 결과를 나타낸 이미지이다.

도 3은 본 발명의 성형방법에서의 조건이 맞지 않았을 경우 발생하는 성형 결함을 나타낸 이미지이다.

Claims

티타늄합금 소재를 열간 전단스피닝(hot shear spinning) 공정을 통해 성형하되,

상기 티타늄합금 소재의 온도는 800℃ 이상 β변태온도 이하이면서, 열간 전단스피닝 공정에서 사용되는 맨드렐(mandrel)의 표면온도는 300℃이상 β변태온도 이하인 온도조건에서 열간 전단스피닝 공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 티타늄합금의 성형방법.
제1항에 있어서,

상기 열간 전단스피닝 공정은, 1.0~5.0 S^-1의 변형률 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 티타늄합금의 성형방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 티타늄합금 소재는 Ti-6Al-4V 합금인 것을 특징으로 하는 티타늄합금의 성형방법.
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