KR101441654B1 - 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이타늄합금 스크랩(Scrap)을 세척하는 단계, 아크가 일정한 방향으로 발생하도록 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 진공아크용해로에 설치하는 단계, 진공아크용해로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 단계, 진공아크용해로의 내부에 100 내지 200mTorr 압력을 유지하고 질소 또는 아르곤 가스를 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하면서 진공아크용해로의 내부로 공급하는 단계, 텅스텐 전극과 스크랩 사이의 간격을 2 내지 5mm 유지한 상태에서 아크를 발생시켜 용해하는 단계로 이루어지는 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 비소모성 진공아크용해로와 순차적인 용해공정을 통해서 생산품질이 우수한 봉재를 제조할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 봉재의 제조시간을 단축하여 생산효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히 본 발명은 구조가 간단하고 유지보수가 용이하여 사용효율은 물론 활용범위를 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법{The dozen ltanium bar manufacturing method in which I use the continuity equation consumable vacuum arc melting}

본 발명은 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이타늄 스크랩을 이용하여 저비용 소용량 비소모성 진공아크용해 공정기술 및 타이타늄 봉재를 제조할 수 있도록 하는 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 타이타늄(Titanium)은 은백색의 금속으로 특히 강도, 경도, 내식성, 내구성 등 다양한 부분에서 여타의 금속들이나 신소재의 장점들만 골라서 지니고 있다고 할 정도로 우수한 기계적 특성들을 지니고 있기 때문에 현재 많은 분야에서 널리 활용되고 있는 실정이다.

아울러 타이타늄은 경량(비중: Fe의 1/2)이면서 강도가 우수(Al의 3배)하고 비귀금속 중에서는 고온강도(500)가 우수하고 내식성이 뛰어난 금속이며, 더불어 금속재료 중 생체(인체)와의 친화성(비반응성)이 가장 우수한 소재이다.

또한, 타이타늄은 고융점, 고반응성 및 가공성의 난해함으로 다른 구조용 재료에 비하여 비싼 단점이 있는 반면에 경량, 고강도, 고온성질 및 고내식성(특히 산화성 및 염기성 분위기)의 우수한 특성을 지니고 있다.

따라서 항공기 부품, 석유화학장치, 항만산업 등과 같은 활용분야 뿐만 아니라 건축, 자동차 부품, 액세서리 및 기타 다양한 생활용품 등에 이르기까지 다양하게 그 응용분야가 확대되고 있으며, 그 부가가치가 끊임없이 증가되고 있는 신소재 금속이다.

그리고 타이타늄 합금은 가벼우면서도 강하여 비강도가 철강을 능가하고 알루미늄합금의 3배나 되며, 내식성은 스테인레스강보다 우수하고, 특히 해수에 대한 내식성은 백금에 필적하며, 무독성, 생체적합성 측면에서도 타소재의 추종을 불허하므로 거의 모든 산업분야에 적용될 수 있는 고기능, 고부가가치를 창출할 수 있는 소재이다.

그러나 타이타늄합금은 활성이 매우 강한 금속이어서 원소재 용해시 분위기중의 가스 흡수나 용해 도가니와의 반응층 형성으로 기계적 성질의 저하를 초래할 수 있으며, 강도가 높아 부품성형도 쉽지 않은 난가공재로 분류된다.

따라서 기술적 부가가치가 높고 경제적인 가공기술인 주조기술 확립을 위하여 주로 용해 및 정밀주조 공정에 중점을 두면서 주조품 개발을 위한 후처리 공정 및 특성 평가가 실시됨이 바람직하다.

이와 관련하여 선진국에서는 타이타늄 성형기술의 꾸준한 연구를 통해 새로운 용해 기술, 특히 Cold Hearth Electron Beam 용해, 응고기술 및 신합금 개발 단계에 도달해 있는 반면, 국내에서는 타이타늄 소재 수입을 통한 단순 기계가공에 한정되고 있는 실정이며, 현재까지 국내에서 사용되는 타이타늄 부품 및 소재는 전량 수입에 의존하고 있다.

따라서 소재의 원활한 수급과 경제성의 관점에서 타이타늄 및 타이타늄합금의 국산화는 필수적이며, 특히 용해 및 주조 기술을 이용하여 생산과 가공할 수 있는 일반 산업용 부품의 수입량이 상대적으로 빠른 속도로 증가하고 있기 때문에 이들 부품의 국산화 기술이 절실하다.

아울러 현재 공업적으로 가장 많이 사용되는 타이타늄 제조법은 소모전극식 진공아크 용해법을 사용하고 있으며, 이 방법은 5ton이상의 대용량의 합금을 생산하는데 적합하다.

그러나 타이타늄을 대량으로 소비하는 수요처는 흔하지 않고 따라서 소량의 제품을 주문받을 경우, 대량으로 구입하는 수요처와 공동으로 생산 및 납품작업을 진행해야 하기 때문에 소량임에도 불구하고 약속된 납기가 3~4개월이상 소요되어 상품화 및 사업화에 많은 어려움을 겪고 있는 심각한 문제점을 갖게 되었다.

특허문헌 1: 한국등록특허 제1065357호(2011.09.16) 특허문헌 2: 한국등록특허 제1181241호(2012.09.10) 특허문헌 3: 한국등록특허 제1203609호(2012.11.21)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,

본 발명은 비소모성 진공아크용해로와 순차적인 용해공정을 통해서 생산품질이 우수한 잉곳(Ingot) 등과 같은 봉재를 제조할 수 있는 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법은,

타이타늄합금 스크랩(Scrap)을 세척하는 단계,

아크가 일정한 방향으로 발생하도록 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 진공아크용해로에 설치하는 단계,

진공아크용해로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 단계,

진공아크용해로의 내부에 100 내지 200mTorr 압력을 유지하고 질소 또는 아르곤 가스를 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하면서 진공아크용해로의 내부로 공급하는 단계,

텅스텐 전극과 스크랩 사이의 간격을 2 내지 5mm 유지한 상태에서 아크를 발생시켜 용해하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 비소모성 진공아크용해로와 순차적인 용해공정을 통해서 생산품질이 우수한 봉재를 제조할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 봉재의 제조시간을 단축하여 생산효율을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

특히 본 발명은 구조가 간단하고 유지보수가 용이하여 사용효율은 물론 활용범위를 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법에 의해서 제조된 타이타늄 잉곳의 표면상태를 나타내기 위한 참고사진.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 구성을 첨부한 도면에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법에 의해서 제조된 타이타늄 잉곳의 표면상태를 나타내기 위한 참고사진을 도시한 것이다.

본 발명은 타이타늄합금 스크랩(Scrap)을 세척하는 단계,

아크가 일정한 방향으로 발생하도록 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 진공아크용해로에 설치하는 단계,

진공아크용해로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 단계,

진공아크용해로의 내부에 100 내지 200mTorr 압력과 질소 또는 아르곤 가스를 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하는 단계,

텅스텐 전극과 스크랩 사이의 간격을 2 내지 5mm 유지한 상태에서 아크를 발생시켜 용해하는 단계로 이루어진다.

먼저, 타이타늄합금 스크랩의 표면에 묻어있는 각종 이물질을 제거하기 위한 세척단계를 거치게 되는데, 이때 에탄올 등과 같은 세척액을 용기에 준비한 상태에서 타이타늄합금 스크랩을 약 10분 내지 30분 담가둔 상태에서 이물질을 제거한 후 별도의 약품처리가 되지 않은 헝겊 또는 타올을 이용하여 깨끗하게 세척작업을 마무리한다.

이때 타이타늄합금 스크랩을 일정시간 이상 담가둘 경우 재질특성이 변화되므로 조심해야 한다.

또한, 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 아크가 일정한 방향으로 발생하도록 유도하여 타이타늄합금 스크랩을 용해효율을 향상시킴이 바람직하다.

이때 텅스텐 전극의 끝은 선반 등과 같은 공작기계를 이용하여 정확한 각도를 유지할 수 있도록 가공해야 한다.

그리고 진공아크용해로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 과정에서 타이타늄합금 스크랩이 하스의 외부로 벗어날 경우 제작되는 봉재의 형상 및 생산품질이 균일하지 않으므로 이러한 부분은 작업자가 장입하는 과정에서 신중하게 준비해야 한다.

아울러 진공아크용해로의 내부에 100 내지 200mTorr 압력을 유지하고 질소 또는 아르곤 가스를 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하면서 진공아크용해로의 내부로 공급하므로 타이타늄합금 스크랩이 일정한 형상으로 용융되면서 표면이 균일하여 생산품질을 향상시킬 수 있다.

특히 질소 또는 아르곤 가스는 아크방전의 효율성을 위해서 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하면서 진공아크용해로의 내부로 공급함이 바람직하다.

마지막으로 아크방전을 통해서 타이타늄합금 스크랩의 용해효율을 증대시키기 위해서 텅스텐 전극과 타이타늄합금 스크랩 사이의 간격을 2 내지 5mm 유지하였다.

이때 텅스텐 전극과 타이타늄합금 스크랩 사이가 2mm 이하일 경우 아크방전의 과대로 인한 표면산화 및 그을림과 같은 현상이 발생하고, 반대로 5mm 이상일 경우 제조되는 봉재의 표면이 균일하지 않아서 생산품질이 저하되는 문제를 갖게 된다.

따라서 본 발명은 도 1에 도시한 바와 같이 비소모성 진공아크용해로와 순차적인 용해공정을 통해서 생산품질이 우수한 잉곳 등과 같은 봉재를 제조할 수 있다.

이처럼 상기와 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 구성까지 본 발명의 권리범위에 포함됨은 당연하다.

Claims (1)

1. 에탄올 등과 같은 세척액을 용기에 준비한 상태에서 타이타늄합금 스크랩을 10분 내지 30분 담가둔 상태에서 이물질을 제거한 후 별도의 약품처리가 되지 않은 헝겊 또는 타올을 이용하여 깨끗하게 타이타늄합금 스크랩(Scrap)을 세척하는 단계,
   아크가 일정한 방향으로 발생하도록 선반 등과 같은 공작기계를 이용하여 정확한 각도를 유지할 수 있도록 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 진공아크용해로에 설치하는 단계,
   진공아크용해로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 단계,
   진공아크용해로의 내부에 100 내지 200mTorr 압력을 유지하고 질소 또는 아르곤 가스를 0.02 내지 0.04MPa 압력을 유지하면서 진공아크용해로의 내부로 공급하는 단계,
   텅스텐 전극과 스크랩 사이의 간격을 2 내지 5mm 유지한 상태에서 아크를 발생시켜 용해하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속식 비소모성 진공아크용해법을 이용한 타이타늄 봉재 제조방법.

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