KR101459196B1 - ＴｉＡｌＮ 벌크소재의 제조방법 및 마이크로 방전가공 방법 - Google Patents
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- B22F2202/00—Treatment under specific physical conditions
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Abstract
본 발명은 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제공하고, 그에 대한 미세 가공을 제공하고자 한다.
본 발명은, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 그리고 질화티탄(TiN) 분말을 Ti:Al:TiN=1:1:1의 비율로 마멸 밀링기(attrition milling machine)에서 혼합 및 합성하고, 합성된 분말은 방전 플라즈마 소결로를 이용하여 플라즈마 소결하여 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하는 방법을 제시하며, 제조된 Ti2AlN 벌크소재에, 마이크로 방전가공을 적용해 수십 내지 수백 μm 직경을 갖는 홀 가공 등을 신속하게 할 수 있는 가공방법을 제시하였다.
본 발명은, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 그리고 질화티탄(TiN) 분말을 Ti:Al:TiN=1:1:1의 비율로 마멸 밀링기(attrition milling machine)에서 혼합 및 합성하고, 합성된 분말은 방전 플라즈마 소결로를 이용하여 플라즈마 소결하여 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하는 방법을 제시하며, 제조된 Ti2AlN 벌크소재에, 마이크로 방전가공을 적용해 수십 내지 수백 μm 직경을 갖는 홀 가공 등을 신속하게 할 수 있는 가공방법을 제시하였다.
Description
본 발명은 Ti, Al 그리고 TiN의 각각의 파우더를 혼합 및 합성하여 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)법을 이용하여 MAX 상(Phases)을 가지는 Ti2AlN 벌크소재를 제조하는 방법에 관한 것이며, 그에 따라 제조된 소재에 대하여 수백에서 수십 마이크로 단위의 미세 홀을 가공하는 마이크로 방전 가공 방법에 관한 것이다.
기존의 티타늄 합금은 다른 금속재료에 비하여 강도가 높고, 열 저항과 내식성이 우수하여 내연기관 부품과 같은 고온구조용 부품으로 많이 활용되고 있다. 대한민국특허공개제 10-2011-0131686호 등의 특허공개공보에서 이러한 TiAlN 소재에 대해 코팅 막으로 제조하는 방법을 개시하나 벌크소재를 만드는 방법은 아직 알려져 있지 않다. 즉, MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 대한 연구는 전무한 상태이며 최근 Ti2AlN의 코팅에 관한 연구가 상기 공보에서처럼 간혹 보고되고 있다.
또한, 이러한 티타늄 합금 소재는 화학적으로 활성이 큰 금속이므로 절삭가공 시, 공구수명을 단축시키는 단점과 방전가공 시, 낮은 전기전도율에 의해 가공시간이 오래 걸리고, 저 열전도율로 인해 벌크 소재가 타는 현상이 발생 되는 문제점이 있다. 현재까지 티타늄합금은 고온구조용 부품 소재로 다양한 산업분야에 적극 활용되고 있지만 절삭가공 시, 공구마모가 심하며, 방전가공 시, 가공효율이 떨어지는 단점을 극복하지 못하고 있다. 특히 항공기 터빈블레이드의 냉각 홀과 같은 미세하고 깊은 홀을 가공하는데 어려움이 많다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존 티타늄합금의 장점은 유지하면서 세라믹의 우수한 내열성과 내마모성을 동시에 가지는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 가공성을 향상시키기 위해 마이크로 방전드릴링을 이용하여 기존의 전통적 가공방법인 절삭가공을 비전통적 가공방법인 방전가공(Electrical Discharge Machining, EDM)으로 대체하고자 하는 것이다. 즉, 본 발명은 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재에 대하여 수백에서 수십 마이크로 단위의 홀 가공을 위하여 마이크로 방전 드릴링 장비를 이용하여 적절한 가공조건을 제시하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 그리고 질화티탄(TiN) 분말을 원료로 하여 밀링과 스파크 플라즈마 소결법에 의해 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하는 방법을 제공한다.
즉, 본 발명은, Ti, Al와 TiN의 분말을 혼합하여 마멸 밀링기(attrition milling machine)에서 혼합하여 혼성 분말을 합성하고,
상기 혼성 분말을 금형에서 압축시킨 후, 압축체를 방전 플라즈마 소결로에서 플라즈마 소결하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 플라즈마 소결 단계는, 먼저, 0.1 내지 0.5Pa 진공도에서 진행된 후, 비활성 가스로 운전 압력을 10 내지 50MPa로 높여 진행되는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 소결 온도는 1000 내지 1500 ℃로 하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 마멸 밀링기로 혼합하는 동안 믹싱 챔버에 비활성 가스를 채워 혼성 파우더의 산화를 방지하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 상기 믹싱 챔버 안에 스테인리스스틸 볼(stainless steel ball)을 넣어 혼합 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재에 마이크로 방전 가공을 적용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 가공방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 방전가공에서, 인가 전압은 50 내지 70V, 2 내지 4단의 피크 전류로 온타임(10~20μs) 오프타임(10~50μs)을 가공시간으로 하여 가공하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 가공방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속과 비금속의 장점을 동시에 가지는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하여 기존의 티타늄합금 소재를 대체할 수 있다.
뿐만 아니라, Ti2AlN 벌크소재의 우수한 열전도도와 전기전도도를 활용하여 일반 기계가공으로는 실시할 수 없는 10μm 내외의 미세 직경을 갖는 홀 가공 등이 마이크로 방전드릴링을 이용함에 따라 가능하게 된다.
도 1은 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하기 위한 일련의 과정을 나타내는 순서도 이다.
도 2는 기존의 벌크소재인 Ti6242 와 본 발명의 Ti2AlN의 물성을 대비한 테이블 도이다.
도 3은 본 발명의 Ti2AlN 벌크 소재에 대한 마이크로 방전 가공의 조건들을 정리한 테이블 도이다.
도 4는 기존의 벌크소재인 Ti6242 와 본 발명의 Ti2AlN의 가공시간을 대비한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 Ti2AlN의 마이크로 방전 가공을 실시하는 장치의 사진이다.
도 2는 기존의 벌크소재인 Ti6242 와 본 발명의 Ti2AlN의 물성을 대비한 테이블 도이다.
도 3은 본 발명의 Ti2AlN 벌크 소재에 대한 마이크로 방전 가공의 조건들을 정리한 테이블 도이다.
도 4는 기존의 벌크소재인 Ti6242 와 본 발명의 Ti2AlN의 가공시간을 대비한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 Ti2AlN의 마이크로 방전 가공을 실시하는 장치의 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 다음과 같이 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조한다.
먼저 Ti(99.5% purity, 10㎛), Al(99.8% purity, 3㎛)와 TiN(99.5% purity, 3㎛)의 분말을 Ti:Al:TiN=1:1:1의 비율로 마멸 밀링기(attrition milling machine)에서 200rpm의 회전속도로 1.5시간 동안 혼합하여 합성하였다. 합성하는 동안 믹싱 챔버(mixing chamber)는 먼저 진공상태에서 혼합된 파우더를 산화로부터 보호하기 위해 아르곤(Ar)가스를 채웠으며 혼합 효율을 높이기 위해 5mm 직경의 스테인레스스틸 볼(stainless steel ball)을 챔버 안에 넣었다. 합성된 분말은 직경 30mm의 흑연금형에 넣어 미리 눌러 압축시킨 다음 방전 플라즈마 소결로를 이용하여 소결하였다. 샘플은 인가전류를 조절하면서 0.1 내지 0.5Pa, 바람직하게는, 0.3Pa 진공 속에서 20분보다 적은 시간 동안 1000 내지 1500℃, 바람직하게는 1250℃까지 가열하였다. 다음, 운전압력과 압력유지시간을 10 내지 50 MPa, 바람직하게는 30MPa로, 10분으로 하여 소결한다. 따라서 소결온도 1250℃, 운전압력 30MPa, 10분 정도 가압을 유지시켜 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재를 제조하였다. 제조된 소재는 경도, 밀도, 열전도도와 전기전도도를 측정하여 기존의 티타늄합금(Ti6242)과 재료적 특성을 비교하였다.
도 2에 도시된 테이블은 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재와 Ti6242의 재료적 특성평가에 대한 데이터를 보여준다. 이는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재와 기존의 티타늄합금(Ti6242)의 가공성을 비교하기 위한 것과 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 적절한 가공조건을 선정하기 위한 것이다.
본 발명은 제조된 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 가공성을 비교 및 평가하기 위해 기존의 티타늄합금(Ti6242)과 대비하여 가공시간에 대하여 알아보았다. 또한 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 적절한 방전가공조건을 알아보기 위해 다구찌 실험방법을 이용하여 마이크로 방전 드릴링 장비로 제어 인자(전압, 피크 전류, On time, Off time)를 조절하며 적절한 방전가공조건을 산출하였다.
도 3에 도시된 테이블에는 기본적인 가공조건을 바탕으로 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재와 기존의 티타늄합금(Ti6242)의 가공성을 비교하기 위해 혼합직교배열표L18(21×37)을 이용하여 실험을 실시하였다. 도 7의 마이크로 방전 드릴링 장비를 이용하여 방전 가공을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
즉, 모든 제어인자에서 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재가 종래 티타늄합금(Ti6242)에 비하여 가공시간이 약 2배 정도 빠르게 나타났다.
또한, MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 적절한 가공조건을 선정하기 위하여 혼합직교배열표L18(21×37)에 의한 실험결과를 바탕으로 다구찌 방법을 사용하였다. 그 결과 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재의 적절한 가공조건은 전압 50 내지 70V, 더욱 바람직하게는 60V, 피크 전류(2~4단), On time(10~20㎲), Off time(10~50㎲)으로 나타났으며 그와 같은 조건으로 가공한 결과 가공시간은 15 내지 40초, 평균 26초로 나타났다. 이는 매우 신속한 가공에 해당하며, 도 4는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재와 Ti6242의 가공시간에 대한 대비를 보여준다. 참고로 방전가공장치는 한국NSD-2000을 사용하였다.
따라서 본 발명의 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재에 대한 마이크로 방전가공은 수십 내지 수백 μm 직경의 미세 홀 가공 등 정밀가공을 매우 높은 생산성으로 실시할 수 있게 한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도면부호 없음.
Claims (7)
- Ti, Al와 TiN의 분말을 Ti:Al:TiN=1:1:1의 원자비율로 하여 마멸 밀링기(attrition milling machine)에서 혼합하여 혼성 분말을 합성하고,
상기 혼성 분말을 금형에서 압축시킨 후, 압축체를 방전 플라즈마 소결로에서 소결 온도 1000 내지 1300 ℃로 플라즈마 소결하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 소결 단계는, 먼저, 0.1 내지 0.5Pa 진공도로 진행된 후, 비활성 가스로 운전 압력을 10 내지 50MPa로 높여 진행되는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 마멸 밀링기로 혼합하는 동안 믹싱 챔버에 비활성 가스를 채워 혼성 파우더의 산화를 방지하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 믹싱 챔버 안에 스테인리스스틸 볼(stainless steel ball)을 넣어 혼합 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 제조방법.
- MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재에 마이크로 방전 가공을 적용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 가공방법.
- 제6항에 있어서, 상기 방전가공에서, 인가 전압은 50 내지 70V, 인가 전류는 온 타임(10~20㎲), 오프 타임(10~50㎲)의 피크 전류로 하여 가공하는 것을 특징으로 하는 MAX 상(Phases) Ti2AlN 벌크소재 가공방법.
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Non-Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20140087751A (ko) | 2014-07-09 |
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