KR101874608B1 - 커넥팅 로드의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 커넥팅 로드를 제조하기 위한 방법에 있어서, 티타늄 분말과 알루미늄-바나듐 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 상기 혼합물을 커넥팅 로드 금형에 넣고 압축하여 제1 밀도 범위 내의 프리폼으로 성형하는 단계; 상기 프리폼을 제1 온도 범위에서 30 내지 240분 동안 탈지하는 단계; 상기 탈지체를 상기 제1 온도 보다 높은 제2 온도 범위에서 30 내지 600분 동안 소결하여 상기 제1 밀도 범위보다 큰 제2 밀도 범위 내의 소결체를 제조하는 단계; 상기 소결체를 단조 프레스 다이에서 상기 제2 밀도 범위 이상이 되도록 단조하는 단계; 잔여 응력을 제거하기 위하여 풀림 처리를 하는 단계; 및 최종 가공을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

커넥팅 로드의 제조 방법{A METHOD OF PRODUCING A CONNECTING ROD}
아래의 실시예는, 무게가 가볍고 높은 인장강도와 항복강도를 가지는 커넥팅 로드의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 엔진용 커넥팅 로드는 피스톤에 연결되어 실린더 내를 왕복하며, 엔진의 팽창 행정에서 고온 및 고압의 가스압력을 받으며 발생한 피스톤의 직선 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하는 엔진 시스템의 주요 구동 부품이다.
특히, 상기 커넥팅 로드는 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 피스톤의 직선운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환시키고, 피스톤에 작용하는 힘을 크랭크축에 전달하여 크랭크축에 회전토크가 발생하도록 하는 역할을 한다.
보다 상세하게, 상기 커넥팅 로드는 크게 세 부분으로 구분할 수 있는데, 피스톤 핀과 결합되는 소단부(small end), 크랭크 샤프트에 결합되는 대단부(big end) 및 상기 소단부와 대단부를 일체로 연결하는 로드부로 구분될수 있다. 이와 같은, 상기 커넥팅 로드는 압축력, 인장력 및 휨 등의 하중을 지속적으로 반복해서 받기 때문에 충분한 강도와 강성 등이 요구된다.
한편, 상기 커넥팅 로드를 제조하는 제조 방법은 열간단조(hot forging)나 소결단조(powder forging)가 주로 사용되고 있다. 상기 열간단조는 소재를 고온으로 가열한 후 금형에서 단조프레스로 하중을 가하여 성형하는 가공 방법으로 기계적 강도는 우수하나 플래시 생성이 많아 소재손실이 크고 제조비용이 높다는 단점이 있다. 또한, 소결단조는 금속분말을 상온에서 금형에서 성형한 후 성형체를 고온소결 후 소결체를 열간단조와 유사하게 고온에서 금형에서 단조프레스로 하중을 가하여 성형하는 가공방법으로 기계적 강도가 열간단조 보다 다소 낮으나 플래시가 없으므로 소재손실이 거의 없고 작업공수가 작아서 제조비용이 낮다는 장점을 갖기 때문에 현재까지 소결단조에 의한 커넥팅로드가 널리 사용되고 있다.
최근 자동차 메이커에서는 환경규제(배출가스) 만족 및 연비성능 개선을 위하여 실린더 내부에 연료를 직접 분사하는 방식인 가솔린 직분사(GDI; Gasoline Direct Injection)와 터보 가솔린 직분사(TGDI; Turbo Gasoline Direct Injection) 방식을 채택하고 있다. 이러한 GDI/TGDI 방식의 엔진은 실린더 내부에 연료를 직접 분사하기 때문에 종래의 MPI(Multi Point Injection) 방식에 비하여 높은 연소압을 발생되고, 이때 발생된 연소압이 피스톤에 전달되므로 커넥팅 로드는 보다 더 높은 압축력, 인장력 및 휨 등의 하중을 지속적으로 반복해서 받게 되므로 기존 커넥팅 로드와 비교하여 보다 우수한 기계적 강도(인장강도, 항복강도, 피로강도)를 요구한다.
기존 MPI 엔진방식에 사용되는 철계 커넥팅 로드의 요구물성은 인장강도 800~900MPa 수준(항복강도 500~700MPa)이나, 신규 GDI/TGDI 방식의 엔진에 적용하기 위해서는 커넥팅 로드의 인장강도는 1000MPa 수준(항복강도 800MPa)이 요구되므로 기존 소결단조용 커넥팅 로드의 소재로 사용되는 철계 분말의 재종 변경을 통한 기계적 강도의 향상시키기 위한 연구가 진행 중이다.
커넥팅 로드에 사용될 수 있는 고강도 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, 및 Ti-5Al-2.5Sn 등 중에서 어느 하나로 선택될 수 있다. 이중 가장 널리 사용되는 고강도 소재인 Ti-6Al-4V의 경우 밀도가 4.43g/㎤으로 기존 커넥팅로드에 사용되는 합금강의 밀도인 7.8g/㎤의 60%에 불과하며 기계적 강도도 높기 때문에 커넥팅로드 소재로 매우 유망하다. 특히, 커넥팅 로드의 무게 감소는 차량의 연비 성능 향상을 달성할 수 있고, 엔진의 진동소음(NVH; noise, vibration and harshness)을 감소 시킬 수 있다. 따라서, 티타늄합금 소재를 이용한 커넥팅 로드는 합금강을 포함한 기타 다른 소재를 이용한 커넥팅 로드에 비하여 유리한 점이 많다.
현재 대부분의 티타늄합금 커넥팅 로드는 열간단조 공정으로 제작되고 있으나, 티타늄합금 소재의 가격이 고가이며 가공이 어렵기 때문에 제조 단가가 매우 높아서, 티타늄합금 커넥팅 로드는 널리 사용되지 못하고 있으며 경주용 자동차나 일부 고가의 승용차에서 제한적으로 사용되고 있다.
선행문헌 1: 등록특허공보 제10-0801819호 선행문헌 2: 일본공개특허공보 제1993-346112호
티타늄합금 커넥팅로드의 제조단가 절감을 위하여 소결단조 공정이 개발되고 있으나 티타늄 분말의 품질, 성형, 소결 및 가공성등 여러가지 기술적인 문제로 인하여 아직까지 실용화되지 못하고 있다. 또한, 소결단조에 의한 티타늄합금 커넥팅로드가 성공적으로 개발된다 하더라도 소재비와 소결, 단조 및 가공등의 공정비용이 합금강 커넥팅로드의 제조단가보다 훨씬 높기 때문에 널리 사용되기 어렵다는 문제점을 갖는다.
연비향상과 엔진소음 저감을 위해서는 합금강 커넥팅로드를 티타늄합금 커넥팅로드로 대체하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 기존 소결단조에 의한 티타늄합금 커넥팅로드의 제조공정과 다른 새로운 개념을 도입하여 우수한 기계적 물성을 갖는 티타늄합금 커넥팅 로드를 매우 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 제시한다.
Ti-6Al-4V 티타늄합금 커넥팅 로드를 제조하기 위한 방법에 있어서, 티타늄 분말과 알루미늄-바나듐 합금 분말과 바인더를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 상기 혼합물을 커넥팅 로드 형상의 금형에 넣고 압축하여 제1 밀도 범위 내의 프리폼으로 성형하는 단계; 상기 프리폼을 제1 온도 범위에서 30 내지 120분 동안 유지하여 바인더를 탈지하는 단계; 상기 탈지체를 상기 제1 온도 보다 높은 제2 온도 범위에서 30 내지 600분 동안 소결하여 티타늄과 알루미늄-바나듐이 합금화됨과 동시에 치밀화되어 상기 제1 밀도 범위보다 큰 제2 밀도 범위 내의 소결체를 제조하는 단계; 상기 소결체를 단조 프레스 금형에서 상기 제2 밀도 범위의 최대값 이상이 되도록 단조하는 단계; 잔여 응력을 제거하기 위하여 풀림 처리를 하는 단계; 및 최종 가공을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 단조하는 단계는; 상온에서 상기 소결체를 냉간 단조 프레스 금형에서 냉간 단조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제1 밀도 범위는 2.9 g/㎤ 내지 3.8g/㎤ 또는 상대 밀도 65% 내지 85%가 될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제2 밀도 범위는 4.16 내지 4.42g/㎤ 또는 상대 밀도 94% 내지 99.8%가 될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제1 온도 범위는 400 내지 600℃가 될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제2 온도 범위는 1100 내지 1400℃가 될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 혼합물을 만드는 단계는, 상기 티타늄 분말과 알루미늄-바나듐 합금 분말의 비율을 9:1로 계량하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 프리폼으로 성형하는 단계는, 상기 200 내지 800 MPa의 압력으로 혼합물을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 단조하는 단계는, 상기 냉간 단조 프레스 금형에서 1000 MPa 이상의 압력으로 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 풀림 처리를 하는 단계는, 600℃ 내지 800℃에서 60 내지 240분 동안 아르곤(Ar) 분위기 또는 진공 상태에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 티타늄합금 커넥팅 로드를 제조하기 위한 방법을 이용하여 제조된 커넥팅 로드가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 티타늄분말과 알루미늄-바나듐 합금분말을 혼합하여 프리폼으로 성형한 후 탈지와 소결 및 냉간 단조 공정을 이용하여 높은 인장강도와 항복 강도를 가지는 Ti-6Al-4V 티타늄합금 커넥팅 로드를 제조할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기존 분말단조 공정과 달리 열간단조공정이 생략되므로 , 제조 공정이 간단해지고 품질이 우수해 지며 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 커넥팅 로드의 형상을 나타낸 사시도이다.
도 2는 소결 단조에 의한 커넥팅 로드 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 열간단조공정이 생략된 커넥팅 로드 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 티타늄 합금의 금형 압축과 성형 밀도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 400 MPa의 압력으로 성형된 사각링 형상을 갖는 성형체 형상을 나타낸다.
도 6은 1250℃의 온도에서 2시간 본 소결된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체 형상을 나타낸다.
도 7은 1250℃의 온도에서 2시간 본 소결된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체의 미세조직을 나타낸다.
도 8은 960℃의 온도에서 열간단조된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체의 형상을 나타낸다.
도 9는 960℃의 온도에서 열간단조된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타낸다.
도 10은 1100℃의 온도에서 열간단조된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타낸다.
도 11은 냉간단조된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타낸다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 커넥팅 로드(1)의 형상을 나타낸 사시도이다.
커넥팅 로드(1)는 합금강을 이용한 열간단조(hot forging) 공정이나 철계분말을 이용한 소결단조(powder Forging)공정으로 제조될 수 있다. 특히, 소결단조 공정은 열간단조 공정에 비하여 제조공정이 간단하고, 공정 중 플래시가 형성되지 않아 손실되는 소재의 양이 매우 적다는 장점으로 인하여 대부분의 커넥팅 로드는 소결단조공정으로 제조되고 있다.
도 2는 소결 단조에 의한 커넥팅 로드 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
소결단조에 의한 커넥팅로드 제조방법은, 철계조성의 금속분말을 금형에 넣고 압축하여 밀도 6.7~6.8g/㎤의 프리폼을 성형하는 단계와; 상기 프리폼을 930~950℃에서 10~20분동안 예비 소결하고, 상기 프리폼을 1230℃~1250℃에서 20분 동안 본 소결하여 합금화 하는 단계와; 상기 가열소결한 소결품을 900℃~1000℃로 냉각된 상태에서 단조 프레스 다이에서 7.8g/㎤ 밀도로 고온 밀폐단조하는 단계로 구성된다.
이어서, 밀폐단조된 소결품을 냉각한 후, 고온 단조시 생성된 제품의 모서리부의 버를 제거한 후, 쇼트 블라스트(Shot blast) 또는 쇼트 피닝(shot peening)방법에 의해 제품 표면의 산화물을 제거하고 최종 가공을 수행하여 종료된다.
도 3은 일 실시예에 따른 열간 단조공정이 생략된 Ti-6Al-4V 티타늄합금 커넥팅 로드 제조방법(100)을 나타낸 순서도이다.
우선, 티타늄 분말과 알루미늄-바나듐 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 만든다(110).
티타늄 합금인 Ti-6Al-4V를 제조하기 위해서는 티타늄(Ti) 분말과 알루니늄-바나듐합금 분말(60Al-40V)을 무게비로 9:1로 계량하여 혼합하여 사용하게 되며 알루미늄-바나듐합금 분말 대신 다른 합금분말을 혼합하여 다른 조성의 티타늄 합금 제조가 가능하다. 금형 압축성형을 원활히 하기 위하여 상기 분말 혼합시 바인더를 혼합하고, 일정량의 윤활제를 추가할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합분말을 커넥팅 로드 형상의 금형에 넣고 압축하여 제1 밀도 범위 내의 프리폼으로 성형한다(120). 상기 제1 밀도 범위는 2.9 내지 3.8g/㎤ 또는 상대밀도 65% 내지 85%가 될 수 있다.
다음으로, 상기 프리폼을 제1 온도 범위에서 30 내지 60분 동안 유지하여 프리폼에 포함된 윤활제를 탈지한다(130). 상기 제1 온도 범위는 400 내지 600℃가 될 수 있다. 탈지과정은, 약 30 내지 60분 동안 아르곤(Ar) 분위기 또는 진공 상태에서 진행될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 온도 보다 높은 제2 온도 범위에서 30 내지 600분 동안 소결하여 상기 제1 밀도 범위보다 큰 제2 밀도 범위 내의 소결체를 제조(140)한다.
소결 과정에서, 제2 온도 범위는 티타늄과 알루미늄-바나듐이 합금화됨과 동시에 치밀화될 수 있는 온도범위인 1100℃ 내지 1400℃ 가 될 수 있으며 오염없이 치밀화가 충분히 일어날 수 있도록 약 30 내지 600분 동안 아르곤(Ar) 또는 진공 분위기에서 진행될 수 있다.
소결 온도와 유지시간에 따라 인장강도와 피로강도 및 연신율 등이 변경될 수 있다. 상기 범위보다 소결온도가 높거나, 유지시간이 길어질 경우 소결체의 밀도가 높아지게 되지만, 결정립의 크기가 커지게 되므로 결정립의 크기가 지나치게 커지지 않는 조건에서 소결체의 밀도가 최대한 높아질 수 있는 소결 조건을 선정한 것이며, 이러한 결과, 후술하는 바와 같이 최종 제품의 인장강도와 연신률이 향상됨을 알 수 있다.
본 소결과정에서는, 합금화와 치밀화가 진행되므로, 제2 밀도 범위는 제1 밀도 범위보다 큰 4.16 내지 4.42g/㎤ 또는 상대밀도 94%~99.8% 가 될 수 있다.
다음으로, 상기 소결체를 단조 프레스 다이에서 상기 제2 밀도 범위의 최대값 이상이 되도록 단조할 수 있다(150). 또한, 이러한 단조 과정(150)은, 상온에서, 상기 소결체를 냉간 단조 프레스 다이에서 냉간 단조하는 과정을 포함할 수 있다.
단조하는 공정(150)에서, 상온 상태의 냉간 단조 프레스 다이에서 1000 MPa 이상의 압력으로 소결체를 성형할 수 있다.
냉간 단조 과정을 거친 후에는, 소결체의 밀도가 4.3g/㎤ 이상 또는 상대밀도 97% 이상의 밀도가 될 수 있다.
다음으로, 상기 소결체에 대하여 잔여 응력을 제거하기 위하여 풀림 처리를 한다(160).
풀림 처리 과정은, 60 내지 240분 동안 아르곤(Ar) 또는 진공 분위기에서 진행될 수 있다. 또한, 풀림 처리가 진행되는 600℃ 내지 800℃(제3 온도 범위)에서 진행될 수 있다.
이어서 마지막으로, 최종 커넥팅 로드 제작을 위한 가공을 수행한다(170). 최종 가공 처리는 통상 절삭 가공이 포함될 수 있다.
도 4는 티타늄 분말과 60Al-40V 합금분말을 무게비로 9:1로 계량하여 혼합한 혼합분말을 커넥팅 로드 형상의 금형에 넣고 압축하여 제1 밀도 범위 내의 프리폼으로 성형(120) 하는 경우 금형압축 압력에 따른 상대밀도의 변화를 나타낸다.
금형압축 압력은, 성형 밀도를 높이기 위해 가능한 높게 설정하는 것이 유리할 수 있으나, 성형 압력 과도하게 높은 경우 금형수명이 짧아지고 성형 중 금형과 분말과의 마찰의 영향으로 밀도 구배가 커지는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 성형 밀도가 65%∼85%가 되도록 성형 압력은 200MPa 내지 800 MPa의 범위가 되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 커넥팅 로드의 제조 방법(1)은, 소결체를 단조하는 과정에서(150) 열간단조가 아닌 냉간단조를 수행함으로써 보다 정밀한 단조품을 얻을 수 있다. 따라서, 단조(150) 후 가공량이 대폭 적어져서 가공비용과 소재 손실이 적어지는 이점을 갖는다.
또한, 티타늄 합금을 열간 단조하는 경우에는, 표면 산화에 의하여 생성되는 매우 경도가 높고 취성이 강한 알파 케이스(alpha case)라고 불리우는 표면 산화조직이 생성될 수 있다. 이는 가공이 매우 어렵고 공구마모가 많아지는 문제점이 발생시킬 수 있으나, 냉간단조시에는 이러한 알파 케이스가 생성되지 않기 때문에 가공이 용이하다는 큰 장점을 갖는다.
따라서, 티타늄합금 소결체를 열간 단조하는 공정에 비하여 티타늄 합금 소결체를 냉간 단조하는 공정은 제조 공정이 간단하며 제조 비용이 대폭 절감될 수 있다.
특히, 티타늄 합금을 고온 상태에서 분말 단조 하는 경우, 온도구배에 의하여 불균일한 조직의 생성 등의 문제가 발생할 수 있고, 공정관리가 어렵지만, 일 실시예에 따른 커넥팅 로드의 제조 방법(1)울 이용하는 경우 소결체를 냉간 단조하는 것에 의하여 균일한 소결 조직을 가지게 되므로, 커텍팅 로드가 건전한 조직을 가지고 균일하고 우수한 기계적 물성을 가진다는 이점이 있다.
탈수소화 공정으로 제조된 티타늄 분말과 60%알루미늄-40%바나듐 합금 분말을 9:1로 칭량한 후, 소량의 윤활제를 첨가하여 균일하게 혼합한 후 400 MPa의 압력으로 성형하여 밀도 3.5g/㎤(상대밀도 78%)를 갖는 사각링 형상을 갖는 성형체를 제조한다. 도 5는 400 MPa의 압력으로 성형된 사각링 형상을 갖는 성형체 형상을 나타낸다.
성형체 내부의 바인더를 500℃의 온도에서 1시간 동안 탈지하여 제거한 후 1250℃의 온도에서 2시간 본 소결하여 밀도 4.25g/㎤(상대밀도 96%)를 가지는 소결체를 제조한다. 도 6은 1250℃의 온도에서 2시간 본 소결된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체 형상을 나타내며 도 7은 1250℃의 온도에서 2시간 본 소결된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체의 미세조직을 나타낸다.
도 7을 참고하면 소결체 내부에 20㎛이하의 검은색 방울 형태의 미세한 잔류 기공이 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 잔류 가공은 소결체의 기계적 물성에 나쁜 영향을 미치므로 추후 단조공정을 통하여 제거되어야 할 필요가 있다.
이후 사각링 형상의 소결체를 900도 이상의 온도로 가열한 후 금형내에 위치시킨 후 열간 단조하여 최종적으로 밀도 4.4g/㎤(상대밀도 99%)이상을 갖는 티타늄합금 부품을 제조한다.
도 8은 960℃의 온도에서 열간 단조된 Ti-6Al-4V 사각링 소결체의 형상을 나타낸다.
도 6과 8을 비교해 보면, 도 6에서는 표면이 은빛 금속 색을 나타내는 것에 비하여, 도 8에서 표면이 검게 그을린 듯한 색을 나타내고 있으며, 열간 단조 공정 중 표면 산화가 심하게 발생하였음을 확인할 수 있다.
도 9는 960℃의 온도에서 열간 단조 처리된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타내고, 도 10은 1100℃의 온도에서 열간 단조 처리된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타낸다.
도 9와 10는 각각 960℃와 1100℃의 온도에서 열간 단조한 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체를 700℃의 온도에서 2시간 동안 풀림(annealing)처리한 이후의 미세 조직을 나타낸다.
도 9와 10을 참고하면, 열간 단조 공정이 수행된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체 내부에는, 도 7에서 확인할 수 있는 검은색 방울 형태의 잔류 기공이 완전히 제거되었음을 알 수 있으며 열간단조 공정 온도에 따라 미세조직이 상당히 다름을 알 수 있다.
공정조건 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신률(%)
960℃ 열간단조 1080 1030 12
1100℃ 열간단조 1120 1040 15
ASTM B381
단조재 규격		 895 828 10
표 1은 열간 단조공정으로 제조된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 티타늄합금 소결체의 기계적 물성을 보여준다. 표 1에서 960℃ 또는 1100℃에서 열간 단조 처리된 소결체의 인장 강도, 항복 강도 및 연신률은 모두 Ti-6Al-4V 티타늄합금 단조재 규격 이상의 우수한 물성을 보임을 확인할 수 있다.
표 1의 결과를 보면 열간 단조의 온도가 높아짐에 따라, Ti-6Al-4V 티타늄합금 소결체의 물성이 더 좋아질 수 있으나, 열간 단조 온도가 높은 경우 소결체의 표면산화가 훨씬 심해지며 금형의 수명이 급격히 짧아지게 되므로 1000℃이하의 적절한 온도에서 선택하는 것이 바람직하다.
실시예 2는 실시예 1과 동일 분말을 사용하여 동일공정으로 제조된 소결체를 가열하는 대신 상온에서 금형내에 위치시킨 후 냉간 단조하여 최종적으로 밀도 4.35g/㎤(상대밀도 98%)를 갖는 티타늄합금 샘플을 제작한다.
도 11은 냉간 단조 처리된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 소결체의 미세조직을 나타낸다.
표 2는 냉간 단조 공정으로 제조된 사각링 형상의 Ti-6Al-4V 티타늄함금 소결체의 기계적 물성을 나타낸다. 표 2에서 냉간 단조 공정으로 제조된 티타늄 합금의 기계적 물성은 연신률을 제외한 인장강도와 항복강도는 Ti-6Al-4V 티타늄합금 단조재 규격 이상의 우수한 물성을 보임을 확인할 수 있다. 특히, 표 1과 비교하면 냉간 단조공정으로 제조된 티타늄합금의 기계적 강도는 열간 단조 공정으로 제조된 티타늄합금과 거의 같음을 알 수 있다.
시편# 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신률(%)
1 1055 1022 6.6
2 1049 1018 6.1
평균 1052 1020 6.4
ASTM B381
단조재 규격		 895 828 10
냉간 단조는 열간 단조와 달리 상온에서 수행되는 공정이므로 가열 공정이 필요하지 않으며 단조 공정이 간단하며 표면 산화가 발생하지 않고 보다 정밀한 단조가 가능하므로 후가공을 대폭 줄일 수 있다. 따라서, 냉간 단조공정으로 제조되는 티타늄 합금 커넥팅로드의 경우 기존 소결단조공정과 비교하여 제조비용이 대폭 절감되며 제조공정이 간단하여 대량생산이 용이하다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. Ti-6Al-4V 티타늄합금 커넥팅 로드를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    티타늄 분말과 알루미늄-바나듐 합금 분말을 무게비로 9:1로 계량한 후 바인더를 혼합하고 일정량의 윤활제를 추가하여 혼합물을 만드는 단계;
    상기 혼합물을 커넥팅 로드 금형에 넣고 압축하여 제1 밀도 범위인 2.9 내지 3.8g/㎤ 또는 상대 밀도 65% 내지 85% 내의 프리폼으로 성형하는 단계;
    상기 프리폼을 제1 온도 범위인 400 내지 600℃에서 30 내지 240분 동안 탈지하는 단계;
    탈지된 소결체를 상기 제1 온도 범위 보다 높은 제2 온도 범위에서 30 내지 600분 동안 소결하여 제2 밀도 범위인 4.16 내지 4.42g/㎤ 또는 상대 밀도 94% 내지 99.8% 내의 합금화된 소결체를 제조하는 단계;
    상기 소결체를 금형에 위치시킨 후 프레스로 가압하여 4.3 내지 4.425g/㎤ 또는 상대 밀도 97% 내지 99.9%가 되도록 단조하는 단계;
    잔여 응력을 제거하기 위하여 풀림 처리를 하는 단계; 및
    최종 가공을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 단조하는 단계는,
    상기 소결체를 상온에서 프레스 금형 내에 위치시킨 후 냉간 단조하는 단계이고,
    상기 제2 온도 범위는 티타늄과 알루미늄-바나듐 합금 분말이 합금화됨과 동시에 치밀화가 일어나는 온도범위인 1100 내지 1400℃이고,
    상기 프리폼으로 성형하는 단계는,
    제1 밀도 범위인 2.9 내지 3.8g/㎤ 또는 상대 밀도 65% 내지 85%가 되도록 200 내지 800 MPa의 압력으로 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소결체를 제조하는 단계에서 소결밀도가 4.3g/㎤이상 또는 상대밀도 97%이상인 경우 이후 공정인 단조 단계와 풀림 처리 단계를 생략하는 것을 특징으로 하는 방법
  6. 삭제
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