KR20060060190A - Mold material for titanium cast alloys and method for manufacturing the same using in-situ synthesis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 주형재료의 반응생성 원리를 통해서 티타늄 합금 정밀주조시 발생하는 계면반응물인 알파케이스를 효과적으로 제어함으로써, 티타늄 합금 주조품의 기계적 특성 저하를 방지하고, 후가공을 생략함으로써 환경부하 저감 및 치수정밀도를 향상시킨 경제적인 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mold for casting titanium alloy and a method of manufacturing the same, by effectively controlling the alpha case, which is an interfacial reactant generated during precision casting of titanium alloy through the reaction generation principle of the casting material, to prevent the mechanical properties of the titanium alloy casting In addition, the present invention relates to an economical titanium alloy casting mold and a method for producing the same, which reduce environmental load and improve dimensional accuracy by eliminating post-processing.

티타늄, 정밀주조, 주형, 알파케이스, 반응생성 Titanium, Precision Casting, Molds, Alpha Case, Reaction Generation

Description

반응생성을 이용한 티타늄 합금용 주형 및 그 제조방법{Mold material for titanium cast alloys and method for manufacturing the same using in-situ synthesis} Mold material for titanium cast alloys and method for manufacturing the same using in-situ synthesis}

도 1은 티타늄을 Al2O3 주형으로 주조한 시편의 계면에서의 미세조직 사진 및 경도값 변화로 알파케이스를 나타낸 것이다. FIG. 1 shows an alpha case with a microstructure photograph and a hardness value change at an interface of a specimen in which titanium is cast into an Al 2 O 3 mold.

도 2는 도 1의 알파케이스 부분을 EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer) 맵핑한 결과를 나타낸 것이다. FIG. 2 illustrates the result of mapping the alpha case of FIG. 1 to Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA).

도 3은 도 2에서 알파케이스 영역에서의TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 나타낸 것이다. FIG. 3 illustrates a transmission electron microscopy (TEM) image in the alpha case region of FIG. 2.

도 4는 C2 조리개를 제거하고 얻은 링, 점 패턴 및 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 분석결과를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the ring, dot pattern and EDS (Energy Dispersive Spectrometer) analysis obtained by removing the C2 aperture.

도 5는 도 4b에 나타낸 점 패턴에 대한 CBED(Convergent Beam Electron Diffraction) 분석 결과를 나타낸 것이다. FIG. 5 illustrates the results of Convergent Beam Electron Diffraction (CBED) analysis on the dot pattern shown in FIG. 4B.

도 6은 도 3에서 도 5까지의 분석결과를 바탕으로 나타낸 알파케이스 형성 모식도이다. FIG. 6 is a schematic diagram of alpha case formation based on the analysis results of FIGS. 3 to 5.

도 7은 본 발명에서 개발한 SKK-I 주형재료의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. Figure 7 shows the XRD analysis of the SKK-I template material developed in the present invention.

도 8은 a) Al2O3 주형과 b) 본 발명에 따른 SKK-I 주형을 각각 사용하여 제조한 티타늄 주조품을 비교하여 나타낸 사진이다. Figure 8 is a photograph showing a comparison of the titanium castings manufactured using a) Al 2 O 3 mold and b) SKK-I mold according to the present invention.

도 9는 도 8의 SKK-I 주형으로 주조한 티타늄 시편의 계면에서의 미세조직 사진이다.FIG. 9 is a microstructure photograph of an interface of a titanium specimen cast with the SKK-I template of FIG. 8.

본 발명은 경제적인 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 주형재료의 반응생성 원리를 통해서 티타늄 합금 정밀주조시 발생하는 계면반응물인 알파케이스를 효과적으로 제어함으로써, 티타늄 합금 주조품의 기계적 특성 저하를 방지하고, 후가공을 생략함으로써 환경부하 저감 및 치수정밀도를 향상시킨 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an economical casting mold for titanium alloys and a method of manufacturing the same, and by effectively controlling the alpha case, which is an interfacial reactant generated during the precision casting of a titanium alloy, through the principle of reaction generation of the casting material, thereby deteriorating the mechanical properties of the titanium alloy casting. The present invention relates to a titanium alloy casting mold and a method of manufacturing the same, which prevents the damage and improves the dimensional accuracy by reducing post-processing.

일반적으로 티타늄 합금 및 복합재료를 정밀주조하는 경우 티타늄 용탕을 사용한다. 티타늄은 용융상태에서 만능용매로 알려져 있는데, 이로 인해 티타늄 합금 주조시 강한 반응성으로 주형과의 계면반응이 일어난다.즉, 주형에서 분해된 산소가 침입형 원자로 고용되어 알파케이스(-case)라는 반응층을 형성하게 된다.Generally, titanium casting is used for precision casting of titanium alloys and composite materials. Titanium is known as a universal solvent in the molten state, which causes strong reactions in the casting of titanium alloys, resulting in an interfacial reaction with the mold, which means that the oxygen decomposed in the mold is dissolved into the invasive atoms, thus reacting with an alpha case. Will form.

이러한 알파케이스는 기계적 특성에 악영향을 미치게 되는 취화영역이므로, 이를 제거하기 위해 강산을 이용한 케미칼 밀링 등의 후가공을 필요로 하며, 이로 인해서 환경문제, 비용상승 및 치수정밀도 저하 문제가 있었다.Since such an alpha case is an embrittlement region that adversely affects mechanical properties, it requires post-processing such as chemical milling using strong acid to remove it, thereby causing environmental problems, cost increase, and dimensional accuracy deterioration.

현재까지 티타늄 합금 및 복합재료의 정밀주조시 계면반응을 제어하기 위해 개발된 방법들로는 크게 흑연, 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3), 칼시아(CaO), LaOF 등을 기재로 사용하는 방법, 실리카 함량을 조절한 점결제를 사용하는 방법, 지르코늄(Zr) 분말을 첨가하는 방법 및 금형주조 방법이 있다.To date, methods developed to control interfacial reactions in the precision casting of titanium alloys and composite materials are largely based on graphite, zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), and LaOF. There is a method of using, a method of using a binder with a controlled silica content, a method of adding zirconium (Zr) powder, and a mold casting method.

흑연 주형을 이용한 방법은 Operhall [미국 특허등록 3,257,692] 등이 제안한 흑연분말과 "스투코스(stuccos)"라는 무기분말을 사용하는 방법에서부터, 주형을 소성하는 동안 탄소로의 환원을 위해 피치, 전분, 콜로이달 흑연 및 합성수지를 사용하는 Morozov [미국 특허등록 3,389,743] 등과 Zusman [미국 특허등록 3,485,288] 등이 개발한 방법이 있다.The method using graphite molds is based on the use of graphite powders proposed by Operhall [US Pat. No. 3,257,692] and inorganic powders called "stuccos". Morozov [US Pat. No. 3,389,743] using colloidal graphite and synthetic resin, and Zusman [US Pat. No. 3,485,288].

그러나, 이러한 흑연 주형의 경우 고순도 흑연에 의해 에너지 소모가 크며, 환원성 분위기에서만 주형을 위한 소성을 해야 하고, 높은 열전도도로 주조 방안수립 및 예열에 문제가 있으며, 주조품 표면에 탄소와의 반응층을 형성한다는 기술적인 문제점이 있다.However, such a graphite mold has high energy consumption due to high purity graphite, needs to be fired for the mold only in a reducing atmosphere, has a problem in establishing a casting method and preheating with high thermal conductivity, and forms a reaction layer with carbon on the surface of the cast product. There is a technical problem.

Feagin [미국 특허등록 4,787,439 및 5,535,811] 등은 지르코니아 및 이트리아를 이용하여 계면반응층을 줄일 수 있다고 보고하고 있으며, Lossow [미국 특허등록 4,703,806] 등과 Horton [미국 특허등록 5,221,336] 등은 이트리아의 사용 및 부분 코팅으로 계면반응을 조절할 수 있는 시스템을 개발하였다.Feagin [US Pat. Nos. 4,787,439 and 5,535,811] reported that zirconia and yttria can be used to reduce interfacial reaction layers. Lossow [US Pat. No. 4,703,806] and Horton [US Pat. No. 5,221,336] et al. And a partial coating system was developed to control the interfacial reaction.

그러나 지르코니아 및 이트리아 등의 고가의 주형재료를 사용하더라도, 점결제에 의한 오염 및 산소 등에 의한 계면반응층을 완전히 제거할 수 없다는 한계가 있다.However, even when expensive mold materials such as zirconia and yttria are used, there is a limitation that the interface reaction layer due to contamination by the binder and oxygen can not be completely removed.

Degawa [미국 특허등록 4,710,481] 등은 칼시아를 이용한 도가니 제작법을 개발하였는데, 칼시아는 경제적이면서 티타늄과 반응하지 않는 안정한 재료로 알려져 있으나, 주형의 작업 강도를 부여하는 백업 과정 및 탈왁스 공정에서 흡습성에 의한 주형의 변형으로 주형재료로 사용하기에 부적합하다.Degawa [US Pat. No. 4,710,481] developed a crucible fabrication method using calcia, which is known as a stable material that is economical and does not react with titanium, but it is hygroscopic in the back-up process and dewaxing process that imparts the working strength of the mold. It is not suitable for use as a molding material because of deformation of the mold.

Brown [미국 특허등록 4,057,433]은 주형에 주기율표 상에서 IIIa 및 IIIb 족인 플르오르화물 및 란탄족을 첨가하여 열감소(heat sink)의 역할로 티타늄 용탕과의 계면반응을 최소화하고자 하였으나, 크게 효과적이지는 못하였다.Brown [US Pat. No. 4,057,433] attempted to minimize the interfacial reaction with titanium molten metal as a heat sink by adding fluorides and lanthanides of groups IIIa and IIIb on the periodic table to the mold, but it was not very effective. It was.

일반적인 콜로이달 실리카 점결제의 실리카 성분이 계면반응에 영향을 미치는 것을 최소한으로 줄이기 위해서, 임옥동 [대한민국 특허공개번호 10-2001-0044137] 등은 실리카 함량을 30%에서 3 내지 10%로 감소시킨 반면, 고분자를 3 내지 10% 첨가한 점결제를 개발하였으나, 계면반응을 완전히 제거하지 못하며, 주형의 충분한 작업강도를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.In order to minimize the influence of silica components of common colloidal silica binders on interfacial reactions, Lim Ok-Dong [Korea Patent Publication No. 10-2001-0044137] et al. Reduced the silica content from 30% to 3 to 10%. On the other hand, the development of a binder added to 3 to 10% of the polymer, but does not completely remove the interface reaction, there is a problem that can not obtain a sufficient working strength of the mold.

Cser [미국 특허공개 2003/0011093 Al] 등은 Al2O3, CaO 및 MgO 로 이루어진 주형에 Zr을 첨가하여 주조시 티타늄 용탕의 산화를 억제하는 방법을 개발하였으나, 이 방법은 첨가한 Zr을 산화시키지 않고 주형을 소성하기 위해서, 850℃의 낮은 온도에서 소성함으로써 주형에 적절한 작업강도를 부여하기 힘들며, Zr의 산화방지를 위해서 보호가스 및 진공상태에서 주형을 소성하는 부가적인 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.Cser [US Patent Publication 2003/0011093 Al] et al. Developed a method of inhibiting oxidation of titanium molten metal during casting by adding Zr to a mold consisting of Al 2 O 3 , CaO and MgO. In order to fire the mold without making it difficult to give the mold proper working strength by firing at a low temperature of 850 ° C., it is necessary to go through the additional process of firing the mold in a protective gas and vacuum state to prevent oxidation of Zr. have.

한편, Choudhury [미국 특허등록 6,443,212 B1] 등은 내화물 도가니 및 주형의 문제를 완전히 배제하기 위하여, 티타늄 합금을 수냉동을 사용하는 스컬(skull) 용해 후, Ta 및 Nb 등의 금형에 주조하는 금형주조법을 개발하였다.On the other hand, Choudhury [US Pat. No. 6,443,212 B1] et al., In order to completely eliminate the problem of refractory crucibles and molds, a die casting method in which a titanium alloy is cast into a mold such as Ta and Nb after scull melting using water cooling. Developed.

이 금형주조 방법은 배기밸브 등의 단순한 형상으로 제한을 받으며, 금형 소재가 고가의 난가공재이며, 주조시 열충격에 의해 수명이 짧은 단점이 있다.This mold casting method is limited to a simple shape such as an exhaust valve, and the mold material is an expensive hard material, and has a short life due to thermal shock during casting.

이와 같이, 현재까지 개발된 흑연, 지르코니아, 이트리아, 칼시아, LaOF 주형, 실리카 함량을 조절한 점결제, Zr 분말 첨가 및 금형주조 방법은 티타늄 합금을 경제적 및 효과적으로 정형가공 하기에는 적합하지 않다.As such, graphite, zirconia, yttria, calcia, LaOF molds, silica-adjusted binders, Zr powder addition and mold casting methods, which have been developed to date, are not suitable for economically and efficiently shaping titanium alloys.

이에, 본 발명자는 티타늄 합금 및 복합재료의 정밀주조에 있어서, 용탕상태에서 티타늄의 강한 반응성으로 인해 계면반응을 피할 수 없었던 문제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 주형에서 분해된 산소 및 금속성분이 티타늄 계면에 각각 침입 및 치환하여 형성하는 생성물을 구체적으로 밝혀내고 이를 바탕으로, 주형 자체가 계면반응 생성물을 미리 포함하고 있으면 티타늄 용탕과 더 이상 반응하지 않음을 알게 되었다.Accordingly, the present inventors have studied to solve the problem that the interfacial reaction could not be avoided due to the strong reactivity of titanium in the molten state in the precision casting of titanium alloys and composite materials, the oxygen and metal components decomposed in the mold The products formed by infiltrating and substituting at the interface, respectively, were specifically identified and based on this, it was found that the mold itself no longer reacted with the titanium molten metal if the mold contained the reaction product in advance.

따라서, 본 발명은 계면반응으로 인한 기계적 특성 저하가 없으며, 환경부하가 큰 강산을 사용하는 후처리를 생략하여 환경부하 저감 및 치수정밀도를 향상시키고 경제성이 탁월한 티타늄 정밀주조 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention does not deteriorate mechanical properties due to the interfacial reaction, and omits post-treatment using a strong acid with high environmental load, thereby reducing environmental load, improving dimensional accuracy, and providing economic precision titanium casting technology. have.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 TiO2 분말과 Al 분말을 혼합 소성하여 반응생성되는 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 티타늄 합금 주조용 주형을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a mold for casting titanium alloy containing Al 2 O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 which is produced by reaction mixture firing of TiO 2 powder and Al powder.

본 발명에서 원료로서 TiO2 분말과 Al 분말의 사용량은 전체 원료 중량에 대하여 주조품의 크기 및 형상에 따라서 Al 분말이 1 중량% 부터 99 중량%인 것이 바람직하다.In the present invention, the amount of TiO 2 powder and Al powder used as the raw material is preferably from 1% by weight to 99% by weight based on the size and shape of the cast product with respect to the total raw material weight.

상기TiO2 분말과 Al 분말의 크기는 2 내지 200 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 분말의 크기가 2 ㎛ 보다 작으면 균일한 슬러리를 제조할 수 없으며, 200 ㎛ 보다 크게 되면 반응생성물이 제대로 합성되지 않는 문제점이 있다.The size of the TiO 2 powder and Al powder is preferably used 2 to 200 ㎛. If the size of the powder is smaller than 2 ㎛ can not produce a uniform slurry, if larger than 200 ㎛ there is a problem that the reaction product is not properly synthesized.

또한, 본 발명은 TiO2 분말과 Al 분말을 혼합하는 단계, 원하는 형태의 주형을 만들기 위하여 상기 혼합물을 슬러리화하는 단계, 얻어진 슬러리를 주형으로 형상화시키는 단계, 상기 주형을 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성하여 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 주형을 제작하는 단계를 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing the TiO 2 powder and Al powder, slurrying the mixture to make a mold of the desired shape, shaping the obtained slurry into a mold, the mold temperature range of 850 to 1,200 ℃ It provides a method for producing a casting for titanium alloy casting comprising the step of producing a mold containing Al 2 O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 by firing at.

또한, 본 발명은 TiO2 분말과 Al 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성하여 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 생성물을 얻는 단계, 상기 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제작하는 단계를 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing the TiO 2 powder and Al powder, baking the mixture at a temperature range of 850 to 1,200 ℃ to obtain a product containing Al 2 O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 , the product It provides a method for producing a mold for casting titanium alloy comprising the step of producing a mold of the desired shape using.

상기 소성단계는 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 소성온도가 850℃ 이하일 경우에는 반응생성이 제대로 이루어지지 않고, 주형에 충분한 강도를 부여할 수 없으며, 1200℃ 이상일 경우에는 주형에 크랙이 발생하게 된다.The firing step is preferably made in a temperature range of 850 to 1,200 ℃. When the firing temperature is 850 ° C. or less, reaction generation is not properly performed, and sufficient strength cannot be given to the mold, and when the temperature is 1200 ° C. or more, cracks are generated in the mold.

이와 같이, 본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형은As such, the titanium alloy casting mold of the present invention

(a) TiO2와 Al 분말을 혼합하고 슬러리화하여 원하는 형태로 만든 다음, 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성하여 제조할 수 있으며,(a) TiO 2 and Al powder may be mixed and slurryed into a desired form, and then calcined at a temperature range of 850 to 1,200 ° C.,

또 다른 방법으로는,In another way,

(b) TiO2와 Al 분말을 혼합하여 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성한 다음, 그 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제조할 수 있다.(b) TiO 2 and Al powder may be mixed and calcined at a temperature range of 850 to 1,200 ° C., and then the mold may be prepared using the product.

즉, 소성한 후 바로 주형으로 사용하거나, 소성한 다음 그 생성물을 사용하여 새로운 주형을 제조할 수 있다.That is, it may be used as a mold immediately after firing, or a new mold may be prepared by firing and then using the product.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 티타늄 합금 주조용 주형에 대하여 더욱 구체화하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings described in more detail with respect to the titanium alloy casting mold according to the present invention.

먼저, 일반적인 Al2O3 주형과 티타늄 사이의 계면반응을 규명하는 과정을 도 1 내지 도 6에 나타내었고, 이와 같이 규명된 계면반응의 특성을 이용하여 개발된 본 발명의 주형을 기존의 주형과 비교하여 도 7 내지 도 9에 나타내었다.First, a process of identifying the interfacial reaction between a general Al 2 O 3 mold and titanium is shown in FIGS. 1 to 6, and the mold of the present invention developed using the characteristics of the interfacial reaction identified as described above may be 7 to 9 are shown in comparison.

도 1에 나타낸 바와 같이, Al2O3 주형과 티타늄 사이에서는 육안으로 관찰되는 계면반응 및 경도상승층으로 이루어진 알파케이스가 존재한다.As shown in FIG. 1, there is an alpha case composed of an interfacial reaction and a hardness increase layer which are visually observed between the Al 2 O 3 template and titanium.

이 알파케이스는 현재까지는 주형에서 분해된 탄소, 질소, 산소 등의 침입형 원소들, 그 중에서도 특히 산소에 의한 취화영역으로서, 이를 제거하기 위해 강산을 이용한 케미칼 밀링 등의 후가공으로 환경문제, 비용상승 및 치수정밀도 저하를 야기하는 것이 티타늄 합금의 정밀주조에 걸림돌이 되고 있다고 알려져 왔다.Until now, this alpha case is an embrittlement area by invasive elements such as carbon, nitrogen, and oxygen decomposed in a mold, especially oxygen, and the environmental problem and cost increase by post-processing such as chemical milling using strong acid to remove it. It has been known that causing a decrease in dimensional accuracy is an obstacle to precision casting of titanium alloys.

지금까지는 주형에서 분해된 산소와의 반응을 억제하기 위한 열역학적 접근의 일환으로, TiO2보다 표준생성자유에너지가 낮은Al2O3, CaO, ZrO2 및 Y2O3 등의 주형재료를 사용하였는데, 그럼에도 불구하고 계면반응을 완전히 제거할 수 없었다.Until now, as part of the thermodynamic approach to suppress the reaction with oxygen decomposed in the mold, mold materials such as Al 2 O 3 , CaO, ZrO 2 and Y 2 O 3 , which have lower standard free energy than TiO 2 , have been used. Nevertheless, the interfacial reaction could not be completely eliminated.

도 2에서는 상기 도 1에 나타낸 알파케이스 부분에 대하여 특성X-선을 이용하는EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer)로 맵핑한 결과를 나타내었다.In FIG. 2, the result of mapping the alpha case shown in FIG. 1 to an Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) using characteristic X-rays is shown.

Al2O3 주형으로 주조한 티타늄 주조품에서 주요한 계면반응층 생성물질로 알려진 산소는 주조품 계면에서 전반적으로 미량으로 검출됨을 알 수 있다.It can be seen that oxygen, which is known as a major interfacial reaction layer generating material in titanium castings cast with Al 2 O 3 molds, is generally detected in trace amounts at the casting interface.

한편, 알루미늄 함량이 전혀 없는 순수한 티타늄에 알루미늄이 30 ㎛ 정도의 층으로 균일하게 분포하는 것을 볼 때, 주형의 알루미늄이 계면반응에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.On the other hand, when aluminum is uniformly distributed in a layer of about 30 μm in pure titanium having no aluminum content, it can be seen that the aluminum of the mold has a great influence on the interfacial reaction.

즉, 주형에서 분해된 산소만이 아니라 금속성분인 알루미늄이 계면반응에 영향을 미치는 것이 확인되었다.That is, it was confirmed that not only oxygen decomposed in the mold but also aluminum, which is a metal component, influences the interfacial reaction.

상기 검출된 알루미늄의 상을 확인하기 위하여, TEM(Transmission Electron Microscopy) 분석을 실시하여 계면반응 영역의 이미지를 도 3에 나타내었다.In order to confirm the phase of the detected aluminum, a TEM (Transmission Electron Microscopy) analysis was performed to show an image of the interface reaction region in FIG. 3.

도 4a는 도 3에 나타낸 이미지 상에 어떤 상이 존재하는지를 확인하기 위해, C2 조리개를 제거하고 얻은 링과 점 패턴인데, 링 패턴을 통해 이것이 비정질로 존재하는 미세한 TiO2임을 알 수 있다.Figure 4a is a ring and dot pattern obtained by removing the C2 aperture to determine what phase is on the image shown in Figure 3, through the ring pattern it can be seen that it is a fine TiO 2 present in amorphous.

도 4b는 도 3에서 화살표로 표시된 명암에 대한 점 패턴이며, 도 4c는 도 4b의 패턴 지수를 나타낸다.FIG. 4B is a dot pattern for contrast represented by arrows in FIG. 3, and FIG. 4C shows a pattern index of FIG. 4B.

도 3의 이미지에서 화살표로 나타낸 명암 부분이 회절패턴 분석결과, (2ii0)의 HCP 결정구조임을 알 수 있다.In the image of FIG. 3, the light and dark portions indicated by the arrows show the HCP crystal structure of (2ii0) as a result of diffraction pattern analysis.

또한, 도 4d는 도 3의 화살표 명암에 대한 EDS 점 분석 결과로서, EDS 점 분석 결과 알루미늄의 상은 Ti3Al일 가능성이 높음을 확인할 수 있다.In addition, FIG. 4D is an EDS point analysis result of the arrow contrast of FIG. 3, and as a result of the EDS point analysis, it may be confirmed that the aluminum phase is likely to be Ti 3 Al.

더욱 명확한 상 분석을 위하여 평행한 빔을 사용하지 않고 집속된 빔을 사용하여 결정격자의 단위체적을 쉽게 확인할 수 있는 CBED(convergent beam electron diffraction) 법을 이용하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.For clearer phase analysis, the results are shown in FIG. 5 using a convergent beam electron diffraction (CBED) method in which the unit volume of the crystal lattice is easily identified using a focused beam without using a parallel beam.

도 5를 보면, 도 3의 화살표로 나타낸 부분이 61.08 Å3으로, Ti3Al의 이론 단위체적 62.10 Å3과 2% 이내의 오차를 보이며 일치하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the portion indicated by the arrow in FIG. 3 is 61.08 Å 3 , and coincides with a theoretical unit volume of 62.10 Å 3 of Ti 3 Al with an error within 2%.

이와 같이, 티타늄 합금의 정밀주조시 생성되는 계면반응은 주형에서 분해된 산소에 의한 침입형 반응생성물 TiO2만이 아니라, 주형에서 분해된 금속성분에 의한 치환형 반응생성물 Ti3Al을 형성함이 입증되었다.As described above, the interfacial reaction generated during the precision casting of the titanium alloy proved to form not only the invasive reaction product TiO 2 by the oxygen decomposed in the mold but also the substitutional reaction product Ti 3 Al by the metal component decomposed in the mold. It became.

도 6에는 이러한 계면반응물의 생성 모식도를 나타내었다.6 shows a production schematic of such an interfacial reactant.

본 발명에 따른 티타늄 합금 주조용 주형은 주조품의 크기와 형상에 따라 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The titanium alloy casting mold according to the present invention can be manufactured by the following method according to the size and shape of the cast product, the present invention is not limited thereto.

TiO2 분말에 1 내지 99 중량%의 Al 분말을 첨가한 다음, 콜로이달 실리카 점결제를 사용하여, ASTM D4212의Zahn cup #4를 이용한 점도가 주조품의 형상 및 크기에 따라 30 내지 50초가 되도록 슬러리를 제조한다.1 to 99% by weight of Al powder was added to the TiO 2 powder, and then, using a colloidal silica binder, the slurry was subjected to a viscosity using Zahn cup # 4 of ASTM D4212 to 30 to 50 seconds depending on the shape and size of the casting. To prepare.

왁스 패턴에 주형재료를 적절한 두께로 피복한 후에 탈왁스하고, 850 내지 1,200℃에서 소성하여 본 발명의 주형을 완성한다.The wax pattern is coated with a mold material to an appropriate thickness, followed by dewaxing and firing at 850 to 1,200 ° C. to complete the mold of the present invention.

도 7은 상기에 명시된 방법으로 제조된 SKK-I(Sungkyunkwan-I) 주형의 XRD(X-Ray Diffraction) 분석 결과를 나타낸 것으로서, 주형재료인 TiO2와 Al 분말 사이에 반응생성합성(in-situ synthesis)으로 계면반응 생성물로 확인된 침입형 TiO2 및 치환형 Ti3Al과 Al2O3가 동시에 형성됨을 알 수 있다.Figure 7 shows the X-ray diffraction (XRD) analysis results of the SKK-I (Sungkyunkwan-I) template prepared by the above-described method, the reaction synthesis (in-situ) between the TiO 2 and Al powder of the template material synthesis), it can be seen that penetration type TiO 2 and substituted Ti 3 Al and Al 2 O 3 which are identified as interfacial reaction products are formed simultaneously.

도 8은 각각 Al2O3 주형과 본 발명의 SKK-I 주형을 사용하여 동일한 조건으로 티타늄을 정밀주조한 시편을 비교하여 나타낸 사진이다.FIG. 8 is a photograph showing comparisons of specimens precisely cast titanium using the Al 2 O 3 mold and the SKK-I mold of the present invention under the same conditions.

도 8에서 육안으로 관찰할 수 있듯이, a)의 Al2O3 주형을 이용한 주조품은 케미칼 밀링 등으로 제거해야 할 반응층을 보이고 있는 반면, b)의 본 발명의 주형으로 얻은 시편은 단지 주형만을 제거한 상태에서 티타늄 특유의 금속광택을 유지할 정도로 계면반응이 없는 것을 확인할 수 있다.As can be observed visually in Figure 8, the casting using the Al 2 O 3 mold of a) shows a reaction layer to be removed by chemical milling, while the specimen obtained by the mold of the present invention of b) is only a mold It can be seen that there is no interfacial reaction to the extent that it maintains the metallic luster peculiar to titanium in the removed state.

도 9는 도 8에 나타낸 SKK-I 주형으로 제조한 시편의 계면 영역에서의 미세조직 사진을 나타낸 것인데, 계면반응이 전혀 없이 내외부의 조직이 동일함을 확인할 수 있다.FIG. 9 shows a microstructure photograph of an interface region of a specimen prepared with the SKK-I template shown in FIG. 8. It can be seen that the internal and external structures are the same without any interface reaction.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 티타늄 합금 주조용 주형은 주형 자체가 반응생성합성으로 계면반응 생성물을 미리 형성하고 있기 때문에, 티타늄 용탕과 더 이상 반응하지 않는 안정한 주형으로서, 반응층 생성으로 인한 기계적 특성 저하가 없으며, 케미칼 밀링 등의 후가공을 생략할 수 있어 환경부하 저감과 동시에 치수정밀도 향상 및 정형가공 비용절감의 효과가 있다.As described above, the titanium alloy casting mold according to the present invention is a stable mold that no longer reacts with titanium molten metal because the mold itself has previously formed an interfacial reaction product by reaction synthesis. There is no deterioration in characteristics, and post-processing such as chemical milling can be omitted, thereby reducing environmental load, improving dimensional accuracy, and reducing mold processing cost.

따라서 복잡한 형상과 크기 및 박육의 일체화된 부품으로까지 그 적용 분야를 무한히 확장할 수 있어, 기존의 항공 우주 및 군수산업 부분에만 적용되던 티타늄 합금에서부터 복합재료의 자동차, 스포츠 레져 및 의공학 분야에까지 널리 적용할 수 있다.Therefore, the application area can be infinitely extended to the integrated parts of complex shape, size and thinness, and it is widely applied from the titanium alloy, which was applied only to the aerospace and military industries, to the automobile, sports leisure, and medical engineering fields of composite materials. can do.

Claims (5)

TiO2 분말과 Al 분말을 혼합 소성하여 반응생성되는 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 티타늄 합금 주조용 주형.A mold for casting titanium alloy containing Al 2 O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 , which are produced by mixing and firing TiO 2 powder and Al powder. 제1항에 있어서, 상기 TiO2 분말과 Al 분말의 사용량은 전체 원료 중량에 대하여 주형의 크기와 형상에 따라서 Al을 1 중량%에서부터 99 중량%로 제조하는 티타늄 합금 주조용 주형.The mold for casting titanium alloy according to claim 1, wherein the amount of TiO 2 powder and Al powder is used to produce Al from 1% by weight to 99% by weight depending on the size and shape of the mold with respect to the total weight of the raw material. 제1항에 있어서, 상기 TiO2 분말과 Al 분말의 크기는 2 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형.According to claim 1, wherein the size of the TiO 2 powder and Al powder is a titanium alloy casting mold, characterized in that 2 to 200 ㎛. TiO2 분말과 Al 분말을 혼합하는 단계, 원하는 형태의 주형을 만들기 위하여 상기 혼합물을 슬러리화하는 단계, 얻어진 슬러리를 주형으로 형상화시키는 단계, 상기 주형을 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성하여 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 주형을 제작하는 단계를 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형의 제조방법.Mixing the TiO 2 powder and an Al powder, in order to make the desired shape of the mold and fired in the step, a temperature range of the mold 850 to 1,200 ℃ to the step of slurrying the mixture, shaping the resulting slurry into a mold Al 2 A method for producing a titanium alloy casting mold comprising the step of preparing a mold containing O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 . TiO2 분말과 Al 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합물을 850 내지 1,200℃의 온도범위에서 소성하여 Al2O3, Ti3Al 및 TiO2를 함유하는 생성물을 얻는 단계, 상기 생성물을 이용하여 원하는 형태의 주형을 제작하는 단계를 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형의 제조방법.Mixing TiO 2 powder and Al powder, calcining the mixture at a temperature range of 850 to 1,200 ° C. to obtain a product containing Al 2 O 3 , Ti 3 Al and TiO 2 , using a desired form Method for producing a titanium alloy casting mold comprising the step of producing a mold.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018224700A1 (en) * 2017-06-07 2018-12-13 Mondragon Goi Eskola Politeknikoa Jose María Arizmendiarrieta, S.Coop. Refractory mold and method of manufacturing a titanium object

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