KR101819471B1 - 입계편석에 의하여 고강도 및 고연신 특성을 가지는 타이타늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 용질금속을 순타이타늄(Ti)과 혼합하여, 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석됨으로써, 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립이 미세화되는 타이타늄 합금에 관한 것으로, 매트릭스를 이루는 순타이타늄(Ti), 및 매트릭스의 입계에 편석되어 매트릭스의 결정립을 미세화하는 용질금속을 포함하여 이루어지고, 순타이타늄(Ti) 및 용질금속의 혼합엔탈피(heat of mixing)는 양수인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금을 제공한다.

Description

입계편석에 의하여 고강도 및 고연신 특성을 가지는 타이타늄 합금{High strength and high elongation titanium alloy having grain boundaries with segregated material}

본 발명은, 입계편석에 의하여 고강도 및 고연신 특성을 가지는 타이타늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 용질금속을 순타이타늄(Ti)과 혼합하여, 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석됨으로써, 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립이 미세화되는 타이타늄 합금에 관한 것이다.

타이타늄은 고가이기는 하나, 강도 및 경도가 높고, 가벼우며, 녹는점이 높기 때문에 항공우주산업에서 엔진, 동체 또는 각종 부품을 만드는데 사용되며, 미사일, 군용장갑차량 또는 우주선 제작에도 많은 양의 타이타늄이 사용된다. 또한 타이타늄은 내식성이 아주 커서 바닷물에서도 부식되지 않기 때문에, 선박의 추진축 등 선박부품, 해수담수화장치의 열교환기, 수족관의 난방 및 냉방기, 낚시도구, 잠수부 칼, 해양감시장치의 부품 등에 사용되며, 잠수함 재료로도 사용된다. 또한 타이타늄은 화학약품에 잘 부식되지 않아 반응기, 화학물질 이동파이프와 용기 등 화학공업과 제지공업에서 사용되는 여러 장치와 설비를 만드는데 사용되며, 특히 산이나 염소를 사용하는 산업에 많이 사용된다. 또한 타이타늄은 생체적합성이 탁월한 것으로 여겨져 인공관절, 임플란트, 인공심장박동 조절기, 안경테 등에도 사용된다. 또한 휴대폰과 시계의 케이스, 장신구, 골프클럽 등 운동 기구, 자동차부품 등에도 타이타늄이 사용된다.

그러나 순타이타늄은 강도가 낮기 때문에 타이타늄은 타이타늄 합금의 형태로 많이 사용된다. 그렇지만 타이타늄 합금도 문제점이 있는데, 예를 들어, 일반적으로 많이 사용되는 Ti-6Al-4V 합금의 경우, Al은 알츠하이머를 유발할 수 있고, V 은 인체 내에서 독성 원소로 작용할 수 있기 때문에 생체 삽입용 소재로 부적합하다는 문제점이 있다. 이에 비해 순타이타늄은 내식성 및 생체적합성이 우수하기 때문에 상기 Al이나 V를 사용하지 않고 순타이타늄의 열위한 강도를 높일 수 있다면 여러 가지 특성이 우수한 타이타늄 소재를 제조할 수 있다.

순타이타늄을 강화하는데 있어 금속강화기구를 고려할 수 있다. 금속강화기구에는 고용강화, 가공경화, 석출강화, 분산강화 등이 알려져 있다.

고용강화는 금속 용매 원자의 격자에 용질 원자를 고용시켜 고용체를 형성시킴으로써 강한 합금을 만드는 방법이다. 고용체는 치환형고용체 또는 침입형고용체일 수 있는데, 어느 것이건 간에 격자의 뒤틀림 현상이 생기고, 따라서 용질 원자의 근처에 응력장(stress field)이 형성된다. 이 용질 원자에 의한 응력장(stress field)이 가동 전위의 응력장(stress field)과 상호 작용하여 전위의 이동을 방해함으로써 금속을 강화하게 된다.

가공경화는 압연, 단조, 인발, 압출 등을 이용하여 금속을 강화하는 방법으로 이러한 가공 후에는 가공된 금속을 열처리하여 적당하게 연화한다.

금속 매트릭스에 미세하게 분산된 불용성의 제2상을 이용하여 금속을 강화하는 방법으로 석출강화와 분산강화가 있다. 석출강화는 열처리 과정을 통하여 과포화 고용체로부터 제2상을 석출함으로써 금속을 강화하는 방법이다. 그리고 분산강화는 제2상이 석출에 의하지 않고 인위적으로 첨가되어 금속을 강화하는 방법이다. 석출강화나 분산강화를 통해 강화된 합금은 제2상이 전위 이동에 대한 장애물로서 작용하기 때문에 높은 강도를 보인다. 특히 분산강화된 합금은 고온에서도 제2상이 금속 매트릭스에 용해되지 않으므로, 고온에서 제2상이 금속 매트릭스에 용해되는 석출강화된 합금과 비교할 때, 고온에서도 우수한 강도를 가진다.

이러한 금속강화기구를 이용하는 수많은 기술이 공지되어 있는데, 예를 들어, 일본 등록특허 제4761586호(발명의 명칭 : 고강도 타이타늄 구리판 및 그 제조방법, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는 2.5~4.0 질량%의 Ti를 함유하고, 필요에 따라 Ag, B, Co, Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Si, V 및 Zr로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 0~0.5 질량% 함유하며, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 구성되는 주괴에 대하여 열간 압연, 냉각 압연, 용체화 처리, 시효 처리를 순서대로 수행하고, 상기 용체화 처리는 920~1050℃로 5~50초간 수행하며, 상기 시효 처리는 380~480℃로 3~20시간 수행하는 고강도 타이타늄 구리판의 제조방법이 개시되어 있다.

그러나 지금까지 설명한 금속강화기구를 통하여, 금속의 강도를 향상할 수는 있지만 금속의 연신률이 저하된다는 문제가 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로 결정립 미세화가 있는데, 금속의 결정립의 크기를 미세화하여 금속의 강도를 증가시키는 방법이다. 재료의 결정립의 크기가 작아질수록 재료의 강도가 증가한다는 것은 다음 수학식 1을 통하여 확인할 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1은 Hall-Petch 방정식으로 알려져 있는데, 이를 통하여 재료의 결정립이 미세할수록 재료의 항복 강도가 증가함을 알 수 있고, 재료의 항복 강도뿐만 아니라 피로 강도나 인성 등도 개선된다고 알려져 있어 금속 재료 분야에서 결정립 미세화는 매우 중요한 기계적 성질 개선책으로 이용되고 있다. 무엇보다도 금속의 결정립을 미세화하면 입계 면적이 증가하면서 전위 이동을 방해하므로 금속의 강도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연신률이 저하되지 않는다는 장점이 있다.

일본 등록특허 제4761586호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술 1을 이용하여 고강도 합금을 제조할 수 있으나 그 과정에서 연신률이 저하된다는 제1문제점, 및 종래기술 1의 합금은 바나듐(V)을 포함할 수 있는데 바나듐(V)은 생체에 사용되기 부적합하다는 제2문제점을 해결하려 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위해 안출되는 본 발명은, 고강도 및 고연신 타이타늄 합금에 있어서, 매트릭스를 이루는 순타이타늄(Ti) 및 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 상기 매트릭스의 결정립을 미세화하는 용질금속을 포함하여 이루어지고, 상기 순타이타늄(Ti) 및 상기 용질금속의 혼합엔탈피(heat of mixing)는 양수인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금을 제공한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 용질금속의 함량은 상기 타이타늄 합금의 전체 중량에 대하여 0.005 내지 3wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 용질금속은 이트륨(Y), 란타넘(La), 스칸듐(Sc), 탄탈럼(Ta) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 매트릭스에 분산되는 분산물을 더 포함하여 이루어지고, 상기 타이타늄 합금은 상기 분산물에 의하여 분산강화되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 매트릭스에 석출되는 석출물을 더 포함하여 이루어지고, 상기 타이타늄 합금은 상기 석출물에 의하여 석출강화되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 순타이타늄을 강화하면서도 연신률을 저하시키지 않는다는 제1효과, 순타이타늄은 생체적합성이 우수하고 용질금속 중 특히 이트륨(Y)도 생체적합성이 우수하다는 제2효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따르면 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 일실시예를 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 일실시예를 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 일실시예를 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 실시예를 나타내는 광학현미경 이미지.
도 5는 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 실시예를 나타내는 광학현미경 이미지.
도 6은 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금의 실시예를 나타내는 광학현미경 이미지.
도 7은 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금에 대한 비교예를 나타내는 광학현미경 이미지.
도 8은 본 발명인 고강도 및 고연신 타이타늄 합금에 대한 비교예를 나타내는 광학현미경 이미지.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 고강도 및 고연신 타이타늄 합금(이하 타이타늄 합금이라고 하기로 한다.)을 이루는 성분들에 대하여 상술하고자 한다. 본 발명의 타이타늄 합금은 상기 성분들을 포함하고 있는 어떠한 형태든 될 수 있다. 즉, 본 발명의 타이타늄 합금은 상기 성분들이 모두 액상인 것, 상기 성분들 중 일부는 고상이고 나머지는 액상인 것, 상기 성분들을 포함하는 분말 형태인 것, 상기 성분들을 포함하여 소정의 형태로 주조된 것, 상기 주조된 것이 소정의 형태로 가공(압연, 압출, 절삭 등)된 것, 상기 가공된 것이 열처리된 것, 상기 열처리된 것이 가열되어 액상으로 된 것, 상기 성분들을 포함하며 소정의 공정을 거쳐 완성된 타이타늄 합금 제품 등 중에서 어떠한 것이라도 될 수 있음을 명확히 한다.

본 발명의 타이타늄 합금은 순타이타늄(Ti) 및 용질금속을 포함하여 이루어진다. 순타이타늄(Ti)는 타이타늄 합금 내에서 매트릭스를 이루고, 용질금속은 이러한 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석되어 매트릭스의 결정립을 미세화할 수 있다. 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석되면, 타이타늄 합금의 강도는 통상의 순타이타늄(Ti)의 강도보다 높을 뿐만 아니라, 타이타늄 합금의 연신률 또한 통상의 순타이타늄(Ti)의 연신률에 비해 낮지 않다. 이는 다음 두 가지로 설명할 수 있다.

첫째, 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석되는 과정에서 입계의 에너지를 낮추기 때문이다. 통상적으로 금속 또는 합금의 결정립은 주조, 가공, 열처리 등의 열을 받는 공정에서 그 입계의 에너지를 낮추기 위해 성장하게 되는데, 본 발명의 타이타늄 합금과 같이 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석되면, 입계에 편석된 용질금속이 입계의 에너지를 낮출 수 있기 때문에 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립은 열을 받는 공정을 거치더라도 성장할 필요가 없게 된다. 결과적으로 열을 받는 공정에서 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립이 미세화되면서 본 발명의 타이타늄 합금은 높은 강도 및 높은 연신률을 갖출 수 있는 것이다.

둘째, 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석된 용질금속이 입계의 이동을 저지하기 때문이다(solute drag effect). 입계에 편석된 용질금속은 피닝(pinning) 입자로 작용하여 결정립이 열을 받아 성장을 시도하더라도 결정립 성장을 억제할 수 있다. 결과적으로 열을 받는 공정에서 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립이 미세화되면서 본 발명의 타이타늄 합금은 높은 강도 및 높은 연신률을 갖출 수 있는 것이다.

용질금속은 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 금속이어야 한다. 혼합엔탈피(heat of mixing)는 두 개의 원자가 혼합되었을 때 변화되는 엔탈피로, 그 단위는 kJ/mole이며, 이하 같다. 본 발명의 타이타늄 합금의 제조과정에서 용질금속과 순타이타늄(Ti)이 혼합되었을 때, 용질금속과 순타이타늄(Ti)의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 경우, 용질금속 및 순타이타늄(Ti)이 포함된 시스템의 에너지가 증가되기 때문에, 순타이타늄(Ti)은 결정화되면서 상기 에너지를 낮추기 위해 결정립 내부에서 입계로 용질금속을 밀어내게 된다. 즉 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 용질금속이 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석될 수 있는 것이다. 이렇게 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피가 양수인 용질금속으로 이트륨(Y), 란타넘(La), 스칸듐(Sc), 탄탈럼(Ta) 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 참고로 다음 표 1에 상기 열거한 금속들 및 순타이타늄(Ti)의 혼합엔탈피(heat of mixing)를 나타내었다.

용질금속의 함량은 타이타늄 합금의 전체 중량에 대하여 0.005 내지 3wt%를 제안한다. 용질금속의 함량이 0.005wt%미만인 경우 입계에 편석되는 용질금속의 함량이 충분하지 못해 결정립이 미세화되는 정도가 크지 않다고 판단된다. 그리고 용질금속의 함량을 증가시킬수록 타이타늄 합금의 강도가 증가되기는 하나, 용질금속의 함량이 3wt%를 초과하면, 이러한 함량은 입계에 편석되는 용질금속의 함량을 초과하기 때문에 용질금속의 일부는, 석출강화의 경우처럼, 제2상으로 석출되어 타이타늄 합금의 연신률을 저하시킬 수 있기 때문이다.

본 발명의 타이타늄 합금은 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입내 또는 입계에 분산될 수 있는 분산물을 더 포함할 수 있다. 분산물은 금속 매트릭스에 포함되어 금속을 분산강화하거나 합금 매트릭스에 포함되어 합금을 분산강화하는 제2상을 말하며, 이하 같다. 상기 분산물은 금속산화물, 금속질화물, 금속붕화물 및 금속탄화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 이하 같다. 타이타늄 합금이 분산물을 포함하는 경우, 이러한 타이타늄 합금은 분산물에 의하여 분산강화될 수 있을 뿐만 아니라, 입계에 편석된 용질금속에 의하여 결정립이 미세화될 수 있다. 이처럼 타이타늄 합금이 분산물을 포함하는 경우, 전술한 용질금속의 함량 0.005 내지 3wt%는 목적하는 강도, 연신률 등에 따라 다르게 조정될 수 있다.

본 발명의 타이타늄 합금은 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입내 또는 입계에 석출될 수 있는 석출물을 더 포함할 수 있다. 석출물은 금속 매트릭스에 포함되어 금속을 석출강화하거나 합금 매트릭스에 포함되어 합금을 석출강화하는 제2상을 말하며, 이하 같다. 상기 석출물은 망가니즈(Mn), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 철(Fe) 및 나이오븀(Nb)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 이하 같다. 타이타늄 합금이 석출물을 포함하는 경우, 이러한 타이타늄 합금은 석출물에 의하여 석출강화될 수 있을 뿐만 아니라, 입계에 편석된 용질금속에 의하여 결정립이 미세화될 수 있다. 이처럼 타이타늄 합금이 석출물을 포함하는 경우, 전술한 용질금속의 함량 0.005 내지 3wt%는 목적하는 강도, 연신률 등에 따라 다르게 조정될 수 있다.

본 발명의 타이타늄 합금이 주조에 의하여 제조되는 경우, 그 주조 방법은 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, (i) 순타이타늄(Ti) 분말과 용질금속 분말을 혼합 및 분쇄하고, (ii) 상기 (i)단계에서 혼합 및 분쇄된 분말과 소정의 바인더를 혼련하여 슬러리를 제조하고, (iii) 슬러리를 소정의 방법(사출 성형, 압축 성형 등)을 이용하여 소정의 형상으로 성형한 다음, (iv) 이를 소결하는 방법이 있다. 금속 재료 분야의 당업자라면 이러한 분말야금법을 쉽게 생각할 수 있을 것이다. 이하에서는 분말야금법이 아닌 다른 주조 방법을 각 단계별로 상술하기로 한다.

(I) 순타이타늄(Ti)의 용탕을 형성한다. 예를 들어, 소정의 형상의 도가니를 준비하여 도가니에 고상의 순타이타늄(Ti)을 소정의 양만큼 투입하고, 순타이타늄(Ti)에 열을 가하여 순타이타늄(Ti)을 용해할 수 있다. 고상의 순타이타늄(Ti)은 용해효율을 높이기 위하여 소정의 크기로 절단되어 용탕에 투입될 수 있다. 순타이타늄(Ti)을 용해하는 방법은 전열선, 플라즈마, 전자빔 및 유도코일 중 하나 이상을 이용하는 방법이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 본 단계를 진행하는 동안 순타이타늄(Ti)의 용탕에 불순물이 포함되더라도 순타이타늄(Ti)을 가열하면서 순타이타늄(Ti)보다 증기압이 높은 불순물을 기화시킬 수 있다.

본 단계를 수행하는데 있어, 순타이타늄(Ti)의 용탕에 불순물이 포함되지 않도록 하기 위하여 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 순타이타늄(Ti)을 용해할 수 있다. 이를 위해 도가니를 수용할 수 있는 챔버가 필요하며, 진공펌프를 챔버와 연결하여 진공펌프를 작동시킴으로써 챔버 내의 기체분자를 외부로 배출할 수 있다. 또한 챔버 내를 진공 분위기로 만든 다음에는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 기체를 챔버 내로 주입할 수 있다. 이는 순타이타늄(Ti)이 챔버 내의 기체와 반응하는 것을 방지하고 용해된 순타이타늄(Ti)이 증발하는 것을 방지하기 위함이다.

또한 상기 도가니는 가열과 냉각이 연속적으로 이루어질 수 있는 냉도가니일 수도 있다. 만약 상기 도가니가 하부개방형 냉도가니라면 순타이타늄 시드잉곳(Ti seed ingot)을 냉가도가니 하부의 개방된 부분에 설치한 다음에, 추가적으로 순타이타늄(Ti)을 냉도가니에 투입하여 순타이타늄(Ti)의 용탕을 형성할 수 있다.

(II) 용질금속 분말을 용탕에 투입한다. 투입되는 용질금속 분말의 함량은, 용질금속 분말이 투입되어 형성될 용질금속-순타이타늄(Ti) 용탕의 전체 중량에 대하여 0.005 내지 3wt%가 적절하며, 그 이유에 대하여는 전술하였다. 용질금속 분말은 이트륨(Y) 분말, 란타넘(La) 분말, 스칸듐(Sc) 분말, 탄탈럼(Ta) 분말 및 이들의 합금 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 이러한 분말들이 용질금속 분말이 될 수 있는 이유에 대하여도 전술하였다.

(III) 용질금속 분말이 투입된 용탕이 응고됨으로써 타이타늄 합금이 제조된다. 이 단계에서 순타이타늄(Ti)은 결정화된다. 또한 순타이타늄(Ti)은 결정화되는 과정에서 시스템의 에너지를 낮추기 위해 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 용질금속을 입계로 밀어내어 용질금속을 입계에 편석시킨다. 도 1에서 용질금속을 S(Segregation)로 표시하였는데, 도 1은 용질금속이 입계에 편석되는 모습을 도시하고 있다.

용질금속의 분말이 투입된 용탕을 소정의 냉각수단을 이용하여 응고시킬 수 있다. 만약 전술한 하부개방형 냉도가니를 이용한다면, 용질금속 분말이 투입된 용탕은 가열되는 동시에 냉각되면서 반고체 상태가 된다. 이러한 반고체 상태의 물질을 냉도가니의 개방된 하부를 통하여 천천히 냉도가니의 하부로 인출하면서 상기 반고체 상태의 물질에 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 기타 냉매를 공급하여 완전한 고체 상태의 타이타늄 합금 잉곳(ingot)을 제조할 수 있다.

본 발명의 타이타늄 합금이 분산물을 포함하는 경우, 상기 (II)단계 및 상기 (III)단계 사이에 용질금속의 분말이 투입된 용탕에 분산물 분말을 투입할 수 있다. 분산물 분말은 용탕 내에서 균일하게 분산될 수 있고, 이에 따라 (III)단계에서 순타이타늄(Ti) 매트릭스에 분산물이 균일하게 분산된 타이타늄 합금이 제조될 수 있다. 물론 (III)단계에서 분산물이 균일하게 분산된 용탕이 응고되면서, 용질금속의 입계편석도 일어나는데, 이를 도 2에서 도시하고 있다. 도 2에서 분산물을 D(Dispersion)로 표시하였고, 용질금속을 S(Segregation)로 표시하였다.

분산물을 포함하는 타이타늄 합금을 제조함에 있어서, 다른 방법도 가능함은 물론이다. 가령 (A-1) 순타이타늄(Ti) 분말, 분산물 분말, 용질금속 분말을 혼합 및 분쇄하고, (A-2) 상기 (A-1)단계에서 혼합 및 분쇄된 분말과 소정의 바인더를 혼련하여 슬러리를 제조하고, (A-3) 슬러리를 소정의 방법(사출 성형, 압축 성형 등)을 이용하여 소정의 형상으로 성형한 다음, (A-4) 이를 소결하는 방법이 있다. 또한 (B-1) 순타이타늄(Ti)을 분무주조장치에서 용해하여 용융물을 형성하고, (B-2) 분무주조장치에 분산물 분말 및 용질금속 분말을 투입하고, (B-3) 분무주조장치가 용융물과 분산물 분말 및 용질금속의 분말을 함께 분무하여 분무성형체를 제조하는 방법도 있다. 상기 분말야금법(A-1 내지 A-4) 및 상기 분무성형법(B-1 내지 B-3)은 모두 공지된 기술이므로 더 이상의 상세한 설명 없이도 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 타이타늄 합금이 석출물을 포함하는 경우, 상기 (II)단계 및 상기 (III)단계 사이에 용질금속 분말이 투입된 용탕에 석출물 분말을 투입할 수 있다. 용질금속 분말 및 석출물 분말이 투입된 용탕이 (III)단계에서 응고되면, 이에 대하여 용체화 처리(solution treatment)를 수행하여 균일한 단상의 고용체를 형성하고, 그 다음으로 상기 고용체에 대하여 ??칭(quenching)을 수행하여 과포화 고용체(supersaturated solid solution)를 형성하며, 그 다음으로 상기 과포화 고용체에 대하여 시효강화(age hardening)를 수행함으로써 순타이타늄(Ti) 매트릭스에 석출물이 석출된 타이타늄 합금이 제조될 수 있다. 물론 (III)단계에서 용질금속의 분말 및 석출물 분말이 투입된 용탕이 응고되면서, 용질금속의 입계편석도 일어나는데, 이를 도 3에서 도시하고 있다. 도 3에서 석출물을 P(Precipitation)로 표시하였고, 용질금속을 S(Segregation)로 표시하였다.

상기 (III)단계 이후에는 주조된 타이타늄 합금을 원하는 형상으로 가공(압연, 압출, 절삭 등)하고, 가공된 것을 열처리하는 등의 공정을 거쳐 타이타늄 합금 제품을 생산할 수 있다. 이러한 공정들을 진행하면서 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 결정립이 열을 받는다 해도 입계에 편석된 용질금속에 의하여 결정립 성장이 억제됨은 물론이다.

[실시예 1 - 용질금속 0.09wt%]

순타이타늄(Ti, 순도 99.5%)을 전기저항로의 도가니에 투입하고, 1시간 동안 1800℃로 가열하여 용탕을 형성하였다. 다음으로, 이트륨(Y)을 용탕에 투입하여 30분 동안 용탕의 온도를 1800℃로 유지하였다. 이때 이트륨(Y)이 투입된 용탕의 전체 중량에 대하여 이트륨(Y)의 함량은 0.09wt%였다. 다음으로, 상기 용탕을 금형에 주입하여 응고시킴으로써 두께가 10mm인 직육면체로 제조하였다. 상기 직육면체를 1000℃에서 30분 동안 가열한 후, 열간압연하여 두께가 2.5mm인 열연판(hot rolled sheet)으로 제조하였다. 상기 열연판(hot rolled sheet) 표면을 산세한 후, 850℃ 및 진공 분위기에서 1시간 동안 산세된 열연판(hot rolled sheet)을 소둔하였다. 소둔된 열연판(hot rolled sheet)을 냉간압연하여 두께가 0.3mm인 냉연판(cold rolled sheet)으로 제조하였다. 상기 냉연판(cold rolled sheet)을 800℃ 및 진공 분위기에서 30분 동안 재결정 열처리(recrystallization)하여 타이타늄 합금으로 제조하였다.

[실시예 2 - 용질금속 0.52wt%]

이트륨(Y)의 함량이 0.52wt%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

[실시예 3 - 용질금속 2.7wt%]

이트륨(Y)의 함량이 2.7wt%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

[비교예 1 - 용질금속 0wt%]

순타이타늄(Ti, 순도 99.5%)을 전기저항로의 도가니에 투입하고, 1시간 동안 1800℃로 가열하여 용탕을 형성하였다. 다음으로, 상기 용탕을 금형에 주입하여 응고시킴으로써 두께가 10mm인 직육면체로 제조하였다. 상기 직육면체를 1000℃에서 30분 동안 가열한 후, 열간압연하여 두께가 2.5mm인 열연판(hot rolled sheet)으로 제조하였다. 상기 열연판(hot rolled sheet) 표면을 산세한 후, 850℃ 및 진공 분위기에서 1시간 동안 산세된 열연판(hot rolled sheet)을 소둔하였다. 소둔된 열연판(hot rolled sheet)을 냉간압연하여 두께가 0.3mm인 냉연판(cold rolled sheet)으로 제조하였다. 상기 냉연판(cold rolled sheet)을 800℃ 및 진공 분위기에서 30분 동안 재결정 열처리(recrystallization)하였다.

[비교예2 - 용질금속 3.3wt%]

이트륨(Y)의 함량이 3.3wt%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

[실험예 1 - 결정립 사이즈 측정]

실시예 1에서 제조된 타이타늄 합금에 대하여 광학현미경을 이용함으로써 그 결정립 사이즈를 분석하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 실시예 2에서 제조된 타이타늄 합금에 대하여 광학현미경을 이용함으로써 그 결정립 사이즈를 분석하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 실시예 3에서 제조된 타이타늄 합금에 대하여 광학현미경을 이용함으로써 그 결정립 사이즈를 분석하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다. 비교예 1에서 가공된 순타이타늄(Ti)에 대하여 광학현미경을 이용함으로써 그 결정립 사이즈를 분석하였고, 그 결과를 도 7에 도시하였다. 비교예 2에서 제조된 타이타늄 합금에 대하여 광학현미경을 이용함으로써 그 결정립 사이즈를 분석하였고, 그 결과를 도 8에 도시하였다.

[실험예 2 - 인장강도 및 연신률 측정]

실시예 1 내지 3에서 제조된 타이타늄 합금들, 비교예 1에서 가공된 순타이타늄(Ti), 및 비교예 2에서 제조된 타이타늄 합금에 대하여 기계적 성질(인장강도 및 연신률)을 측정하였다. 기계적 성질의 시험에 있어서, 암슬러형 만능 시험기에 의한 인장 시험을 수행하여 인장강도 및 연신률을 측정하였다.

상기 실험예 1 및 2의 결과를 다음 표 2를 통하여 나타내었다.

표 2, 도 4 내지 8을 통하여 이트륨(Y)의 함량이 증가할수록 결정립 사이즈가 감소되는 것을 알 수 있다. 실시예 1 내지 3, 비교예 2에서 제조된 타이타늄 합금들은, 비교예 1의 순타이타늄(Ti)과 대비할 때, 이트륨(Y)이 편석되어 매트릭스의 결정립이 미세화된 것이다. 즉 실험예 1을 통하여 순타이타늄(Ti)과의 혼합엔탈피(heat of mixing)가 양수인 용질금속은 순타이타늄(Ti) 매트릭스의 입계에 편석되어 매트릭스의 결정립을 미세화한다는 것을 확인하였다.

또한 표 2에서, 실시예 1 내지 3, 비교예 2에서 제조된 타이타늄 합금들은 비교예 1의 순타이타늄(Ti)에 비하여 높은 인장강도를 가진다는 것을 알 수 있다. 이는 매트릭스의 결정립이 미세화되어 타이타늄 합금의 인장강도가 증가된 것이다.

그런데 표 2에서, 실시예 1 내지 3에서 제조된 타이타늄 합금들은 비교예 1의 순타이타늄(Ti)에 비해 연신률이 크게 떨어지지 않지만, 비교예 2에서 제조된 타이타늄 합금은 상기 순타이타늄(Ti)에 비해 두드러지게 연신률이 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 이트륨(Y)의 함량 3.3wt%가 입계에 편석될 수 있는 이트륨(Y)의 함량을 초과하여, 순타이타늄(Ti)에 첨가된 이트륨(Y) 중 일부가 제2상으로 석출되었기 때문이다.

실험예 2를 통하여, 타이타늄 합금이 고강도와 고연신 특성을 모두 만족하기 위한 용질금속의 함량은 0.005 내지 3wt%임을 확인하였다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

Claims (5)

1. 고강도 및 고연신 타이타늄 합금에 있어서,
   매트릭스를 이루는 순타이타늄(Ti); 및
   상기 매트릭스의 입계에 편석되어 상기 매트릭스의 결정립을 미세화하는 용질금속으로 구성되고,
   상기 순타이타늄(Ti) 및 상기 용질금속의 혼합엔탈피(heat of mixing)는 양수인 것을 특징으로 하고,
   상기 용질금속은 이트륨(Y)이고,
   상기 용질금속의 함량은 0.09 wt% 내지 2.7 wt%인 것을 특징으로 하고,
   상기 용질금속은 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 입계의 에너지를 낮추는 것을 특징으로 하고,
   상기 용질금속은 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 피닝입자로 작용하여 상기 매트릭스의 결정립 성장을 억제하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 매트릭스에 분산되는 분산물;
   을 더 포함하여 이루어지고,
   상기 타이타늄 합금은 상기 분산물에 의하여 분산강화되는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 매트릭스에 석출되는 석출물;
   을 더 포함하여 이루어지고,
   상기 타이타늄 합금은 상기 석출물에 의하여 석출강화되는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금.
   

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