KR20060065398A - 티타늄 표면 열산화 공정을 이용한 평탄화 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 또는 그의 합금재료의 표면에 스크래치가 있는 경우 이를 제거하기 위한 연마방법애 대한 발명으로서, 구체적으로는 산소분위기 하에서 티타늄 또는 그의 합금재료의 표면을 열산화시켜 저밀도 TiO₂ 산화막을 만들어 놓은 후 가공함으로써, 보다 연마를 쉽게 하고, 연마공정의 속도를 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 티타늄 표면의 열산화공정은 보다 기초연마와 이어지는 경면연마를 손쉽게 하여, 연마공정의 속도를 향상시키는 외에, 불필요한 두께 손실을 막고, 아울러 기존의 연마공정에서 수반되는 연마에 의한 티타늄 분말의 폭발 가능성도 줄이는 효과도 있다.

티타늄, 열산화공정, 표면연마, 경면연마

Description

티타늄 표면 열산화 공정을 이용한 평탄화 {Titanium planarization with surface thermal oxidation}

도 1은 흠집이 있는 Ti 판의 단면을 산소-프로판 화염으로 열처리 하긴 전의 단면도

도 2는 열처리 후의 Ti 판의 단면도

도 3은 기초 연마 후 Ti 판의 단면도

도 4는 광택연마후 목표조도가 완성된 상태의 Ti 판의 단면도

도 5는 종전의 연마과정과 본 발명과의 차이를 나타내는 플로우차트

본 발명은 티타늄 또는 티타늄합금재료의 표면을 연마하는 방법에 관한 것이다.

티타늄은 순수한 형태나 주로 6％ Al - 4％ V를 합금한 형태로 사용되며, 봉제 또는 판재로부터 절단, 용접가공되어 최종적으로 링을 비롯한 자동차 부품 등으로 사용된다.

이러한 부품으로 활용되기 위해서는 겉보기에 매끈한 광택을 가지는 정도로 연마되어야 하는데, 3차원적 형상을 가진 최종부품의 경면연마를 위해서는 반자동적인 연마공정이 필수적이다.

종래에는 이러한 연마를 위해서 티타늄이 내식성이 크다는 성질에 기인하여, 몸에 해로운 플루오르 산(HF)을 사용하여 일정한 깊이의 스크래치까지 제거한 후 물에 씻은 후, 다시 기계적인 방법으로 광택연마를 실시하는 것이 일반적이었다. 그러나 플루오르 산(HF)의 사용은 일단 인체에 유해하고, 사용 후 처리가 쉽지 아니하여, 환경적인 면과 경제적 비용면에서 문제점을 가지고 있고, 또한 부식처리된 표면을 연마할 때 생성된 미세한 티타늄 분진은 큰 활성을 가지고 있어서 산소와 반응하여 폭발할 위험성도 가지고 있으므로, 산소와 접촉을 막기 위해 불활성 가스 분위기에서 연마해야 하는 등 공정의 복잡성과 이에 따른 경제적 비용이 추가로 요구되는 문제점이 있었다.

한편, 최종 경면연마를 위해 선반가공이나 압연처리된 표면상태로부터 1차연마와 2차연마를 기계적인 방법으로 진행할 경우 우선 시간이 오래 걸리는데다, 표면에 마찰열이 심하게 발생하게 됨에 따라 회전체의 속도를 증가시키는데 한계가 있고, 냉각수를 연마면에 분사시키며 작업해야 하므로 안정적으로 목표하는 피연마체를 작업공정 중 고정시키는데 어려움이 있었다. 또한 표면에 약 100㎛ 정도의 스크래치나 피트가 있는 경우 이를 제거하기 위해서는 전체 표면 100㎛ 정도 두께를 제거해야만하므로 과도한 광택연마전 기초연마공정이 길어지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하여, 티타늄재료의 재료표면을 산소-프로판 화염을 써서 가열하여 흰색의 TiO₂ 티타늄산화층을 형성시킴으로써, 표면의 스크래치를 보다 용이하고 안전하게 제거하면서, 공정시간도 단축시키는데 그 목적이 있다.

상기 발명의 목적을 위하여 본 발명에서는 티타늄재료의 재료표면을 도1에서 보는 바와 같이 산소-프로판 화염을 써서 가열하여 흰색의 TiO₂ 티타늄산화층을 형성시키게 된다.

예컨대 10cm×10cm×0.2cm 의 순티타늄판(1)을 예를 들어 설명하면, 산소-프로판 화염을 써서 전체 표면을 약 3분간 국부적으로 가열하게 되면 도2에서 도시한 바와 같이 약 20㎛의 흰색 TiO₂ 티타늄산화층이 형성된다. 이 때 티타늄판의 표면(2)을 살펴보면 TiO₂의 발생에 따른 Ti가 소모와 함께 부피팽창에 의해 100㎛ 정도의 흠집이 완전히 제거되거나, 하부의 결함의 약

정도만 Ti쪽에 잔류하게 된다. (도2)

따라서 이러한 산소-프로판 화염을 사용한 열산화공정의 추가를 통해 우선 산화막을 형성시키면서 표면의 흠집을 흡수하여 제거시킬 수가 있고, 또한 부가적으로 표면부를 450℃ 이상으로 가열시킴에 따라 재료를 압연등으로 기초가공할 때의 표면부의 가공경화가 효율적으로 풀림처리 되어 표면경도가 작게되어 후속연마공정이 용이하게 되는 장점도 있다.

이후 기초연마를 실시하게 되는데 이 때 산화막은 저밀도이기 때문에 손쉽게 제거할 수 있고 Ti는 가공경화가 열풀림에 의해 작게 되었으므로 고가의 다이아몬드 분말 대신 저가의 Al₂O₃, V₂O₅, SiO₂ 분말 등을 이용하여 단시간내에 제거되어 통상의 기초연마시간보다 1/10 정도에 불과한 3분정도의 시간내에 완료가 가능하다. 기초 연마의 결과는 도3에 도시하였다.

또한 이 때 생성되는 대부분의 분진은 Ti가 아닌 TiO₂ 분진이므로, 이미 산화된 상태이기 때문에 안전하고, Ti표면부의 분진 역시 기존 방법보다 극히 적은 양이 발생하므로 폭발위험성이 거의 없어, 뛰어난 안전성을 확보할 수 있다.

이후 광택연마는 기초연마시 표면조도를 약 0.06㎛ 정도로 작게 할 수 있으므로 약 10분정도 다이아몬드 50000 mesh를 사용하면 도4에서 도시한 바와 같이 목표치인 약 0.04㎛정도의 표면조도의 경면연마된 티타늄판(4)을 얻을 수 있다. 기존의 방법의 기초연마방법으로는 약 0.08∼0.10㎛ 정도의 표면조도를 달성하는 것이 보통이었으므로, 전체적 공정시간은 약 60분정도에서 약 15분정도로 단축시키는 것이 가능하다.

이해를 돕기 위해 기존의 공정과 본 발명의 공정을 플로우차트로 비교하여 도시하면 도5와 같다.

물론 상기의 예는 예시이며 이는 본 발명의 핵심 아이디어인 연마전에 표면부를 산화시켜 홈을 제거한 후 처리한다는 것을 기초로 세부공정을 변화시키는 방식으로 폭넓게 채용될 수 있을 것이다.

본 열산화방법은 우선 산화막을 형성시키면서 표면의 흠집을 흡수하여 제거시킬 수가 있고, 표면부를 450℃ 이상으로 가열시킴에 따라 재료를 기초가공할 때의 표면부의 가공경화를 효율적으로 풀림처리 시켜 표면경도를 작게하여 후속공정이 용이해지며, 또한 산화막은 저밀도이기 때문에 쉽게 제거할 수 있어 통상의 기초연마시간보다 1/10 정도에 불과한 시간으로 공정시간을 단축시킬 수 있다.

또한 연마시 생성되는 대부분의 분진은 Ti가 아닌 안전성이 큰 TiO₂ 분진이므로 폭발위험성이 없어 안전성을 확보할 수 있다.

Claims (3)

1. 티타늄 또는 티타늄 합금재료를 일정한 표면조도를 갖도록 경면연마를 하기 위하여 기초연마, 광택연마를 순차적으로 시행하는 기계적 연마과정에 있어서, 티타늄 또는 티타늄 합금재료의 표면을 산소-프로판 화염을 써서 가열하여 흰색의 TiO₂ 티타늄산화층을 형성시키는 과정을 기초연마과정 이전에 실시하는 것을 특징으로 하는 열산화방법
2. 제1항에 있어서 산소-프로판 화염을 대신하여 전기로에서 산소부화분위기로 400℃ 이상 가열하는 것을 특징으로 하는 열산화 방법
3. 제1항에 있어서 형성된 흰색의 TiO₂ 티타늄산화층을 제거할 때, Al₂O₃, V₂O₅, SiO₂ 분말을 연마제로 사용하는 것을 특징으로 하는 열산화 층의 제거 공정.

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