KR101840610B1 - 티타늄 소재 및 부품 제조방법 - Google Patents

티타늄 소재 및 부품 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 관한 것으로서, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 티타늄 소재류 및 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어서, (A) 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계; (B) 상기 수소화 티타늄 분말에 결합제를 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조하는 단계; (C) 상기 수소화 티타늄 혼합분말을 사출 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류로 성형하는 단계; (D) 상기 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-3~10-5atm의 진공도 및 250~550℃의 온도조건에서 90~180분 동안 가열하여 탈지 처리하는 열처리를 통해 결합제를 제거하는 단계; (E) 상기 결합제가 제거된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-4~10-6atm의 진공도 및 1100~1350℃의 온도조건에서 180~300분 동안 소결 처리하는 단계; (F) 상기 소결단계를 마친 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금이나 증착에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 각종 산업분야에 사용되는 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트 등의 티타늄 소재류와 기계부품류를 용이하게 제조할 수 있으며, 강도와 부식저항성이 우수한 기계적 특성을 확보 및 고밀도 형성제품을 제조할 수 있다.

Description

티타늄 소재 및 부품 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING TITANIUM MATERIAL AND PARTS}
본 발명은 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 각종 산업분야에 사용되는 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트 등의 티타늄 소재류와 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 티타늄 및 이를 포함하는 티타늄합금은 높은 비강도, 고인성, 고내식성, 경량성 등의 특성을 가지고 있는 것으로서, 항공우주산업, 전자산업, 해양산업, 생체의료산업, 스포츠산업 등 산업분야 전반에 걸쳐 사용되고 있으며 그 수요가 증가하고 있는 추세에 있다.
특히, 티타늄 또는 티타늄합금 재료는 인체에 무해하고 생체적합성(bio-compatibility)이 우수한 소재로서, 현재 의료용 제품의 제조에도 많이 활용되고 있다.
하지만, 티타늄 또는 티타늄합금 재료는 용융점이 높고 고온에서 쉽게 산화하는 등의 단점이 있으며, 티타늄 소재류나 기계부품류 등을 제조함에 있어 우수한 기계적 강도를 유지하는 형태로 제조하는데 기술적 한계 및 어려움이 존재하는 실정에 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0061779호 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0033096호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0064405호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 각종 산업분야에 사용되는 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트 등의 티타늄 소재류와 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 강도와 부식저항성이 우수한 기계적 특성을 갖도록 함은 물론 고밀도 제품을 얻을 수 있도록 하며, 양질의 제품 및 생산성을 갖도록 한 티타늄 소재 및 부품 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법은, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어서, (A) 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계; (B) 상기 수소화 티타늄 분말에 결합제를 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조하는 단계; (C) 상기 수소화 티타늄 혼합분말을 사출 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류로 성형하는 단계; (D) 상기 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-3~10-5atm의 진공도 및 250~550℃의 온도조건에서 90~180분 동안 가열하여 탈지 처리하는 열처리를 통해 결합제를 제거하는 단계; (E) 상기 결합제가 제거된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-4~10-6atm의 진공도 및 1100~1350℃의 온도조건에서 180~300분 동안 소결 처리하는 단계; (F) 상기 소결단계를 마친 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금이나 증착에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법은, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어서, (A) 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계; (B) 상기 수소화 티타늄 분말을 320~480kgf/㎠의 가압조건에서 30~40분 동안 가압 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 가압성형분체로 성형하는 단계; (C) 상기 가압성형분체로 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-5~10-6atm의 진공도 및 1250~1500℃의 온도조건에서 180~240분 동안 소결 처리하는 단계; (D) 상기 소결단계를 마친 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 가공하는 단계; (E) 상기 가공단계를 거친 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금이나 증착에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계는, (A-1) 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지를 10-2~10-3atm의 진공도 및 수소 분위기와 450~700℃의 온도조건에서 수소화 처리하되, 450~500℃에서 60~90분 동안 1차 처리한 후 500~700℃에서 60~150분 동안 2차 처리함으로써 취성을 갖는 수소화 티타늄을 제조하는 과정; (A-2) 상기 수소화 티타늄을 진공상태에서 분쇄하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하는 과정; (A-3) 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 각각에 대해 플라즈마 처리하는 과정; (A-4) 상기 플라즈마 처리과정을 거친 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하는 과정;을 포함하는 형태로 실시할 수 있다.
여기에서, 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말은, 30~50㎛의 입경 범위를 갖는 제1군, 12~20㎛의 입경 범위를 갖는 제2군, 3~8㎛의 입경 범위를 갖는 제3군 중에서 선택된 2군의 입경을 갖도록 분쇄함에 의해 얻어질 수 있다.
여기에서, 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말은, 30~50㎛(제1군):12~20㎛(제2군) = 2:1, 12~20㎛(제2군):3~8㎛(제3군) = 2:1, 30~50㎛(제1군):3~8㎛(제3군) = 1:2의 중량 혼합비 중에서 선택된 어느 1종으로 배합이 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는, 우수한 기계적 강도를 발휘하도록 99.0~99.9%의 순수 티타늄(commercially pure Ti), Ti-Al계 합금, Ti-Zr계 합금 중에서 선택된 어느 1종으로 이루어지게 할 수 있다.
여기에서, 상기 순수 티타늄에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는, 밀도 4.5~4.6g/㎠, 표면경도 150~250VHN, 연신율 15~20%, 항복강도 450~650MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유하고; 상기 Ti-Al계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는, 밀도 4.4~4.6g/㎠, 표면경도 350~450VHN, 연신율 10~15%, 항복강도 750~900MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유하며; 상기 Ti-Zr계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는, 밀도 4.5~5.2g/㎠, 표면경도 380~480VHN, 연신율 10~12%, 항복강도 760~970MPa, 탄성계수 125~135GPa의 기계적 특성을 보유하는 것을 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 수소화 티타늄 혼합분말을 사출 성형하는 단계는, 균일한 사출성형과 부하 발생을 방지 및 양질의 성형품을 제조할 수 있도록 280~350℃의 온도 및 220~300kgf/㎠ 사출압력 조건으로 사출 성형할 수 있다.
여기에서, 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하기 전에 불소 또는 규소의 산화방지물질을 코팅 처리함으로써 분말 입자의 각각에 대해 산화방지물질이 감싸 입자를 보호할 수 있도록 함과 더불어 소결시 입자간 결합력 및 내식성을 증대시킬 수 있도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 수소화 티타늄 분말에 결합제를 혼합하는 단계는, 상기 수소화 티타늄 분말 100중량부에 대하여 결합제 20~35중량부를 혼합하되, 50~90℃의 온도에서 20~30분 동안 교반 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 각종 산업분야에 사용되는 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트 등의 티타늄 소재류와 기계부품류를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명은 강도와 부식저항성이 우수한 기계적 특성을 갖는 티타늄 제품을 제조할 수 있고 고밀도 제품을 제조할 수 있으며, 양질의 제품을 제조하면서 생산성을 추구할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어 수소화 티타늄 분말 제조단계의 세부과정을 나타낸 공정도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 티타늄 소재 및 부품 제조방법으로 제조되는 기계부품류의 일 예시를 나타낸 예시도이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 의료용 제품의 제조방법은, 티타늄 소재를 이용하여 골절용 본 플레이트를 비롯한 각종 티타늄 의료용 제품을 제조하기 위한 것으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 수소화 티타늄 분말 제조단계(S1)와 수소화 티타늄 혼합분말 제조단계(S2), 티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계(S3), 열처리단계(S4), 소결단계(S5), 표면처리단계(S6)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
이러한 각 단계에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
수소화 티타늄 분말 제조단계(S1)
상기 수소화 티타늄 분말 제조단계(S1)는 티타늄 재료를 이용하여 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계이다.
이때, 상기 수소화 티타늄 분말 제조단계(S1)는 세분화된 과정이 요구되는데, 도 3을 참조하면, 수소화 티타늄 제조과정(S1-1)과 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 제조과정(S1-2), 플라즈마 처리과정(S1-3), 및 수소화 티타늄 분말 배합과정(S1-4)을 실시할 수 있다.
상기 수소화 티타늄 제조과정(S1-1)은 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지를 10-2~10-3atm의 진공도 및 수소 분위기와 450~700℃의 온도조건에서 수소화 처리하되, 450~500℃에서 60~90분 동안 1차 처리한 후 500~700℃에서 60~150분 동안 2차 처리함으로써 취성(brittleness)을 갖는 수소화 티타늄을 제조하는 과정이다.
이렇게 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지의 티타늄 재료에 수소화 처리를 통해 취성을 갖게 함으로써 이후 분말화 수행을 위한 분쇄시 용이한 분쇄를 가능하게 한다.
상기 원재료가 되는 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는 각 산업분야에 적용되는 소재류 또는 기계부품류를 제조하기 위한 것이므로 기계적 특성이 우수한 티타늄 재료를 적용함이 바람직한데, 순수 티타늄(commercially pure Ti), Ti-Al계 합금, Ti-Zr계 합금 중에서 선택된 어느 1종을 사용함이 바람직하다.
여기서, 상기 순수 티타늄은 99.0~99.9%의 순도를 갖는 것을 사용함이 바람직하고, 상기 Ti-Al계 합금은 티타늄과 알루미늄을 베이스로 하는 티타늄 합금이며, 상기 Ti-Zr계 합금은 티타늄과 유사한 성질을 갖는 지르코늄(Zr)을 포함하는 것으로서 지르코늄이 티타늄을 안정화시키는 작용을 하고 기계적 강도 및 부식저항성을 높일 수 있다.
여기서, 상기 Ti-Al계 합금은 Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn 중에서 선택된 어느 1종을 사용하는 등 Ti과 Al을 베이스로하는 다양한 Ti-Al 합금이 사용될 수 있다.
여기서, 상기 Ti-Zr계 합금은 Ti-Zr, Ti-Zr-Al-Mg, Ti-Nb-Zr-Cr, Ti-Zr-Ni, Ti-Zr-Cu, Ti-Al-V-Cr-Mo-Zr, Ti-Zr-V-Cr 등 Ti과 Zr을 베이스로 하는 다양한 Ti-Zr계 합금이 사용될 수 있다.
또한, 상기 원재료가 되는 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지에 대해 상기 순수 티타늄(commercially pure Ti)에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지인 경우에는 밀도 4.5~4.6g/㎠, 표면경도 150~250VHN, 연신율 15~20%, 항복강도 450~650MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유한 것을 사용함이 바람직하다.
상기 Ti-Al계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지인 경우에는 밀도 4.4~4.6g/㎠, 표면경도 350~450VHN, 연신율 10~15%, 항복강도 750~900MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유한 것을 사용함이 바람직하다.
상기 Ti-Zr계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지인 경우에는 밀도 4.5~5.2g/㎠, 표면경도 380~480VHN, 연신율 10~12%, 항복강도 760~970MPa, 탄성계수 125~135GPa의 기계적 특성을 보유한 것을 사용함이 바람직하다.
상기 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 제조과정(S1-2)은 상기 수소화 티타늄을 분쇄하여 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하는 과정으로서, 티타늄 재료는 산소 등의 기체와 친화력이 있어 반응이 일어날 수 있으므로 진공상태에서 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말은, 30~50㎛의 입경 범위를 갖는 제1군, 12~20㎛의 입경 범위를 갖는 제2군, 3~8㎛의 입경 범위를 갖는 제3군 중에서 선택된 2군의 입경을 갖도록 분쇄작업을 실시할 수 있다.
이렇게 입자 크기가 다른 2군의 입경으로 수소화 티타늄 분말을 구비함은 제조되는 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 충진밀도를 높일 수 있어 고밀도 제품을 제조할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
상기 플라즈마 처리과정(S1-3)은 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 각각에 대해 플라즈마 처리하는 과정으로서, 수소화 티타늄 분말 내 불순물을 제거 및 각형 입자를 구형 입자화할 수 있고, 충진밀도를 높일 수 있으며, 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리과정(S1-3)은 수소화 티타늄 분말의 산화 방지를 위하여 불활성가스 분위기에서 실시함이 바람직하다.
상기 수소화 티타늄 분말 배합과정(S1-4)은 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하는 과정으로서, 30~50㎛의 범위를 갖는 입경(제1군):12~20㎛의 범위를 갖는 입경(제2군) = 2:1의 중량비로 혼합할 수 있고, 12~20㎛의 범위를 갖는 입경(제2군):3~8㎛의 범위를 갖는 입경(제3군) = 2:1의 중량비로 혼합할 수 있으며, 30~50㎛(제1군):3~8㎛(제3군) = 1:2의 중량비로 혼합할 수 있다.
이때, 상기 수소화 티타늄 분말 배합과정(S1-4)은 제조하고자 하는 티타늄 소재 및 부품의 종류 및 사용 용도에 따라 이들 중에서 선택된 어느 1종으로 배합이 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 수소화 티타늄 분말은 불소나 규소 등의 산화방지물질을 코팅하는 작업을 수행한 후 배합하는 과정을 실시할 수 있는데, 이러한 산화방지물질 코팅시 입자 각각에 대해 산화방지물질이 감싸므로 입자를 보호할 수 있으면서 소결시 입자간 결합력을 증대시킬 수 있고 내식성을 증대시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
수소화 티타늄 혼합분말 제조단계(S2)
상기 수소화 티타늄 혼합분말 제조단계(S2)는 상기 수소화 티타늄 분말에 결합제를 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조하는 단계로서, 수소화 티타늄 분말간 결합성을 증대시킬 수 있다.
상기 결합제로는 고분자 결합제를 사용할 수 있는데, 폴리올레핀 또는 폴리프로필렌 100중량부에 대하여 카누바왁스 30~90중량부, 폴리에틸렌글리콜 50~100중량부가 혼합된 고분자 결합제를 사용할 수 있고; 폴리아세틸 또는 폴리에틸렌글리콜 100중량부에 대하여 파라핀왁스 35~80중량부, 스테아릭산 60~80중량부가 혼합된 고분자 결합제를 사용할 수 있으며; 폴리옥시메틸렌 단독 중합체 또는 공중합체 100중량부에 대하여 폴리올레핀 60~100중량부, 폴리-1,3-디옥세판 또는 폴리-1,3-디옥솔란 45~90중량부, 파라핀왁스 40~85중량부가 혼합된 고분자 결합제를 사용할 수 있다.
이때, 수소화 티타늄 분말간 결합성을 증대시킬 수 있도록 하기 위하여 상기 수소화 티타늄 분말 100중량부에 대하여 결합제 20~35중량부를 혼합하되, 60~90℃의 온도에서 20~30분 동안 교반 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조할 수 있으며, 진공상태에서 실시함이 바람직하다.
티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계(S3)
상기 티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계(S3)는 상기 수소화 티타늄 혼합분말을 사출 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류로 성형하는 단계로서, 원활하면서도 균일한 사출성형과 부하 발생을 방지 및 양질의 성형품을 제조할 수 있도록 하기 위하여 280~350℃의 온도 및 220~300kgf/㎠ 사출압력 조건으로 사출하여 성형할 수 있다.
열처리단계(S4)
상기 열처리단계(S4)는 상기 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 진공 및 불활성가스 분위기에서 열처리하여 결합제를 제거하는 단계로서, 불활성 가스를 포함하는 10-3~10-5atm의 진공도 및 250~550℃의 온도조건에서 90~180분 동안 가열하여 탈지 처리하는 형태로 실시할 수 있다.
소결단계(S5)
상기 소결단계(S5)는 상기 결합제가 제거된 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 진공 및 불활성가스 분위기에서 소결하는 단계로서, 결합성 증대 및 우수한 기계적 특성 발휘를 위하여 불활성 가스를 포함하는 10-4~10-6atm의 진공도 및 1100~1350℃의 온도조건에서 180~300분 동안 소결 처리하는 형태로 실시할 수 있다.
상기 소결단계는 소결 후 행해지는 냉각 처리과정을 포함한다.
표면처리단계(S6)
상기 표면처리단계(S6)는 상기 소결단계(S6)를 마친 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금방식이나 증착방식에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계이다.
상기 지르코늄막의 형성을 통해서는 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 있어 표면에 대한 평활성은 물론 전단탄성계수를 향상시킬 수 있는 등 기계적 특성을 보강할 수 있으며, 지르코늄막은 티타늄과 유사한 성질을 갖는 것으로서 우수한 기계적 특성 및 부식저항성을 제공할 수 있다.
상기 플라즈마 처리를 통해서는 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 표면을 개질 및 강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
여기에서, 상기 불활성 가스는 수소, 질소, 아르곤 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 상술한 단계를 실시함에 의해 강도와 부식저항성이 우수하고 고밀도를 유지하는 티타늄 소재 및 부품을 용이하게 제조할 수 있으며, 별도의 가공작업 없이도 제조할 수 있다.
( 실시예 1)
이와 같은 상술한 단계를 실시하여 도 4에 나타낸 예시에서와 같은 튜브를 티타늄 소재 및 부품(100)으로 제조하였다.
먼저, 순도 99.9%를 갖는 순수 티타늄에 의한 티타늄 잉곳을 10-3atm의 진공도 및 수소 분위기에서, 500℃의 온도조건으로 90분 동안 1차 처리한 후 680℃에서 150분 동안 2차 처리함으로써 취성을 갖는 수소화 티타늄을 제조하였다.
이를 분쇄하여 서로 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하고, 플라즈마 처리하였으며, 서로 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하였다.
이때, 수소화 티타늄 분말은 30~50㎛의 범위를 갖는 입경(제1군):12~20㎛의 범위를 갖는 입경(제2군) = 2:1의 중량비로 혼합하였다.
상기 수소화 티타늄 분말 100중량부에 대하여 결합제 25중량%을 혼합하되, 진공상태 및 90℃의 온도에서 30분 동안 교반 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조하였으며, 폴리에틸렌글리콜 100중량부에 대하여 파라핀왁스 40중량부 및 스테아릭산 70중량부가 혼합된 고분자 결합제를 사용하였다.
이어서, 300℃의 온도 및 250kgf/㎠ 사출압력 조건으로 사출 성형하여 티타늄 소재 및 부품(100)을 성형하였고, 불활성 가스(질소)를 포함하는 10-5atm의 진공도 및 500℃의 온도조건에서 180분 동안 가열하는 열처리를 실시하였으며, 불활성 가스(질소)를 포함하는 10-6atm의 진공도 및 1300℃의 온도조건에서 300분 동안 소결 처리하여 티타늄 소재 및 부품(100)을 완성하였다.
이렇게 완성된 티타늄 소재 및 부품(100)에 대해 항복강도와 인장강도 및 연신율을 ASTM E8M 규격에 의해 측정하였으며, 그 시험결과는 표 1에 나타내었다.
이때, 비교군으로 종래 일반적으로 사용되는 티타늄 튜브 제품에 대해 항복강도와 인장강도 및 연신율을 ASTM E8M 규격에 의해 측정하여 표 1에 나타내었다.
구분 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)
본 발명 752 1458 18.8
비교군 479 1216 14.5
상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 순수 티타늄의 재료에 비해 항복강도가 증대되고 충분한 강도를 보유하며 우수한 연신율을 갖는 것으로서, 강도가 우수한 고밀도 제품을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 티타늄 의료용 제품에 대해 다른 실시예로 제조할 수 있는데, 본 발명의 다른 실시예에 따른 티타늄 의료용 제품의 제조방법은 도 2에 나타낸 바와 같이, 수소화 티타늄 분말 제조단계(S11)와 티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계(S12), 소결단계(S13), 가공단계(S14), 및 표면처리단계(S15)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
이러한 각 단계에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
수소화 티타늄 분말 제조단계(S11)
상기 수소화 티타늄 분말 제조단계(S11)는 티타늄 소재를 이용하여 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계이다.
이때에도, 상기 수소화 티타늄 분말 제조단계(S11)는 세분화된 과정이 요구되는데, 도 3을 참조하면, 수소화 티타늄 제조과정(S11-1)과 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 제조과정(S11-2), 플라즈마 처리과정(S11-3), 및 수소화 티타늄 분말 배합과정(S11-4)을 실시할 수 있는데, 이는 이미 상술한 설명의 기재와 동일하게 실시되므로 이를 준용하는 것으로 한다.
티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계(S12)
상기 티타늄 의료용 제품 성형단계(S12)는 상기 수소화 티타늄 분말을 가압 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 가압성형분체로 성형하는 단계이다.
이때, 성형은 320~480kgf/㎠의 가압조건으로 30~40분 동안 실시함이 바람직하다.
상기 가압조건 320kgf/㎠ 미만인 경우 가압성형분체로의 성형에 어려움이 발생 및 충분한 강도 및 밀도를 가질 수 없으며, 480kgf/㎠를 초과하는 경우 과다한 가압에 의해 가압성형분체의 강도 및 연신율이 오히려 저하될 수 있다.
소결단계(S13)
상기 소결단계(S13)는 상기 가압성형분체로 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 진공 및 불활성가스 분위기에서 소결하는 단계로서, 결합성 증대 및 우수한 기계적 특성 발휘를 위하여 불활성 가스를 포함하는 10-5~10-6atm의 진공도 및 1250~1500℃의 온도조건에서 180~240분 동안 소결 처리하는 형태로 실시할 수 있다.
상기 소결단계는 소결 후 행해지는 냉각 처리과정을 포함한다.
가공단계(S14)
상기 가공단계(S14)는 상기 소결단계(S13)를 마친 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 가공하는 단계이다.
상기 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 제조에 요구되는 구조 및 형상 또는 홈 등을 다양한 방식으로 가공할 수 있다.
표면처리단계(S15)
상기 표면처리단계(S15)는 상기 가공단계(S14)를 마친 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금방식이나 증착방식에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계이다.
상기 지르코늄막의 형성을 통해서는 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 있어 표면에 대한 평활성은 물론 전단탄성계수를 향상시킬 수 있는 등 기계적 특성을 보강할 수 있으며, 지르코늄막은 티타늄과 유사한 성질을 갖는 것으로서 강도 및 부식저항성을 제공할 수 있다.
상기 플라즈마 처리를 통해서는 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 표면을 개질 및 강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
여기에서, 상기 불활성 가스는 수소, 질소, 아르곤 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 상술한 단계를 실시함에 의해 강도와 부식저항성이 우수하고 고밀도를 유지하는 티타늄 소재 및 부품을 용이하게 제조할 수 있다.
( 실시예 2)
이와 같은 상술한 단계를 실시하여 도 5에 나타낸 예시에서와 같은 볼트를 티타늄 소재 및 부품(100)으로 제조하였다.
먼저, 순도 99.9%를 갖는 순수 티타늄에 의한 티타늄 잉곳을 10-3atm의 진공도 및 수소 분위기에서, 500℃의 온도조건으로 90분 동안 1차 처리한 후 680℃에서 150분 동안 2차 처리함으로써 취성을 갖는 수소화 티타늄을 제조하였다.
이를 분쇄하여 서로 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하고, 플라즈마 처리하였으며, 서로 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하였다.
이때, 수소화 티타늄 분말은 30~50㎛의 범위를 갖는 입경(제1군):12~20㎛의 범위를 갖는 입경(제2군) = 2:1의 중량비로 혼합하였다.
이어서, 450kgf/㎠의 가압조건으로 30분 동안 가압하여 볼트의 형상으로 티타늄 소재 및 부품(100)을 성형하였고, 불활성 가스(질소)를 포함하는 10-6atm의 진공도 및 1400℃의 온도조건에서 210분 동안 소결 처리하여 볼트 형상을 갖는 티타늄 소재 및 부품(100)을 완성하였다.
이렇게 완성된 티타늄 소재 및 부품(100)에 대해 항복강도와 인장강도 및 연신율을 ASTM E8M 규격에 의해 측정하였으며, 그 시험결과는 표 2에 나타내었다.
이때, 비교군으로 종래 일반적으로 사용되는 티타늄 볼트에 대해 항복강도와 인장강도 및 연신율을 ASTM E8M 규격에 의해 측정하여 표 2에 나타내었다.
구분 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)
본 발명 765 1427 18.9
비교군 483 1265 13.8
상기 표 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 이 또한 순수 티타늄의 재료에 비해 항복강도가 증대되고 충분한 강도를 보유하며 연신율이 우수한 결과를 갖는 것으로서, 이 역시 강도가 우수한 고밀도 제품을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 극히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 등이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 범위에 속한다 할 것이다.
S1: 수소화 티타늄 분말 제조단계
S2: 수소화 티타늄 혼합분말 제조단계
S3: 티타늄 소재류 또는 기계부품류 성형단계
S4: 열처리단계
S5: 소결단계
S6: 표면처리단계

Claims (10)

  1. 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트를 비롯한 티타늄 소재류와 각종 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어서,
    (A) 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계;
    (B) 상기 수소화 티타늄 분말에 결합제를 혼합하여 수소화 티타늄 혼합분말을 제조하되, 상기 수소화 티타늄 분말 100중량부에 대하여 결합제 20~35중량부를 혼합하고 60~90℃의 온도에서 20~30분 동안 교반 혼합하여 제조하는 단계;
    (C) 상기 수소화 티타늄 혼합분말을 사출 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류로 성형하되, 균일한 사출성형과 부하 발생을 방지 및 양질의 성형품을 제조할 수 있도록 280~350℃의 온도 및 220~300kgf/㎠ 사출압력 조건으로 사출 성형하는 단계;
    (D) 상기 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-3~10-5atm의 진공도 및 250~550℃의 온도조건에서 90~180분 동안 가열하여 탈지 처리하는 열처리를 통해 결합제를 제거하는 단계;
    (E) 상기 결합제가 제거된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-4~10-6atm의 진공도 및 1100~1350℃의 온도조건에서 180~300분 동안 소결 처리하는 단계;
    (F) 상기 소결단계를 마친 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금이나 증착에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계; 를 포함하며,
    상기 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계는,
    (A-1) 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지를 10-2~10-3atm의 진공도 및 수소 분위기와 450~700℃의 온도조건에서 수소화 처리하되, 450~500℃에서 60~90분 동안 1차 처리한 후 500~700℃에서 60~150분 동안 2차 처리함으로써 취성을 갖는 수소화 티타늄을 제조하는 과정;
    (A-2) 상기 수소화 티타늄을 진공상태에서 분쇄하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하는 과정;
    (A-3) 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 각각에 대해 플라즈마 처리하는 과정;
    (A-4) 상기 플라즈마 처리과정을 거친 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하는 과정; 을 포함하며,
    상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말은,
    30~50㎛의 입경 범위를 갖는 제1군, 12~20㎛의 입경 범위를 갖는 제2군, 3~8㎛의 입경 범위를 갖는 제3군 중에서 선택된 2군의 입경을 갖도록 분쇄하고,
    30~50㎛(제1군):12~20㎛(제2군) = 2:1, 12~20㎛(제2군):3~8㎛(제3군) = 2:1, 30~50㎛(제1군):3~8㎛(제3군) = 1:2의 중량 혼합비 중에서 선택된 어느 1종으로 배합하며;
    상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하기 전에 불소 또는 규소의 산화방지물질을 코팅 처리함으로써 분말 입자의 각각에 대해 산화방지물질이 감싸 입자를 보호할 수 있도록 함과 더불어 소결시 입자간 결합력 및 내식성을 증대시킬 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 소재 및 부품 제조방법.
  2. 티타늄 또는 티타늄합금 분말을 이용하여 튜브나 관체, 봉, 볼트 및 너트를 비롯한 티타늄 소재류와 각종 기계부품류를 제조하기 위한 티타늄 소재 및 부품 제조방법에 있어서,
    (A) 수소화 티타늄 분말을 제조하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계;
    (B) 상기 수소화 티타늄 분말을 320~480kgf/㎠의 가압조건에서 30~40분 동안가압 성형하여 일정 형상을 갖는 티타늄 소재류 또는 기계부품류의 가압성형분체로 성형하는 단계;
    (C) 상기 가압성형분체로 성형된 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 불활성 가스를 포함하는 10-5~10-6atm의 진공도 및 1250~1500℃의 온도조건에서 180~240분 동안 소결 처리하는 단계;
    (D) 상기 소결단계를 마친 티타늄 소재류 또는 기계부품류를 가공하는 단계;
    (E) 상기 가공단계를 거친 티타늄 소재류 또는 기계부품류에 대해 도금이나 증착에 의한 지르코늄막을 형성하여 표면 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면 처리하는 단계; 를 포함하며,
    상기 수소화 티타늄 분말을 제조 및 배합하는 단계는,
    (A-1) 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지를 10-2~10-3atm의 진공도 및 수소 분위기와 450~700℃의 온도조건에서 수소화 처리하되, 450~500℃에서 60~90분 동안 1차 처리한 후 500~700℃에서 60~150분 동안 2차 처리함으로써 취성을 갖는 수소화 티타늄을 제조하는 과정;
    (A-2) 상기 수소화 티타늄을 진공상태에서 분쇄하되, 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 제조하는 과정;
    (A-3) 상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말 각각에 대해 플라즈마 처리하는 과정;
    (A-4) 상기 플라즈마 처리과정을 거친 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하는 과정; 을 포함하며,
    상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말은,
    30~50㎛의 입경 범위를 갖는 제1군, 12~20㎛의 입경 범위를 갖는 제2군, 3~8㎛의 입경 범위를 갖는 제3군 중에서 선택된 2군의 입경을 갖도록 분쇄하고,
    30~50㎛(제1군):12~20㎛(제2군) = 2:1, 12~20㎛(제2군):3~8㎛(제3군) = 2:1, 30~50㎛(제1군):3~8㎛(제3군) = 1:2의 중량 혼합비 중에서 선택된 어느 1종으로 배합하며;
    상기 입자 크기가 다른 2군의 입경을 갖는 수소화 티타늄 분말을 배합하기 전에 불소 또는 규소의 산화방지물질을 코팅 처리함으로써 분말 입자의 각각에 대해 산화방지물질이 감싸 입자를 보호할 수 있도록 함과 더불어 소결시 입자간 결합력 및 내식성을 증대시킬 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 소재 및 부품 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는,
    우수한 기계적 강도를 발휘하도록 99.0~99.9%의 순수 티타늄(commercially pure Ti), Ti-Al계 합금, Ti-Zr계 합금 중에서 선택된 어느 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 소재 및 부품 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 순수 티타늄(commercially pure Ti)에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는,
    밀도 4.5~4.6g/㎠, 표면경도 150~250VHN, 연신율 15~20%, 항복강도 450~650MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유하고;
    상기 Ti-Al계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는,
    밀도 4.4~4.6g/㎠, 표면경도 350~450VHN, 연신율 10~15%, 항복강도 750~900MPa, 탄성계수 120~130GPa의 기계적 특성을 보유하며;
    상기 Ti-Zr계 합금에 의한 티타늄 잉곳 또는 티타늄 스폰지는,
    밀도 4.5~5.2g/㎠, 표면경도 380~480VHN, 연신율 10~12%, 항복강도 760~970MPa, 탄성계수 125~135GPa의 기계적 특성을 보유하는 것을 특징으로 하는 티타늄 소재 및 부품 제조방법.
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