KR20070067795A - 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 - Google Patents
타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070067795A KR20070067795A KR1020050129048A KR20050129048A KR20070067795A KR 20070067795 A KR20070067795 A KR 20070067795A KR 1020050129048 A KR1020050129048 A KR 1020050129048A KR 20050129048 A KR20050129048 A KR 20050129048A KR 20070067795 A KR20070067795 A KR 20070067795A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- titanium aluminide
- casting
- mold
- aluminide alloy
- alloy
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22C—FOUNDRY MOULDING
- B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
- B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
- B22C1/18—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
- B22C1/183—Sols, colloids or hydroxide gels
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mold Materials And Core Materials (AREA)
Abstract
본 발명의 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재는 정밀주조시 용융 알루미나 주형재를 이용하여 건전한 타이타늄 알루미나이드 합금 주조품의 제조가 가능하고, 입도 45㎛ 이하의 용융 알루미나 분말과 콜로이달 실리카 바인더를 이용하여 주형재가 제조됨으로써 상온뿐만 아니라 고온에서도 열적 안정성을 갖는 최적의 타이타늄 알루미나이드 합금 정밀주조품의 제조가 가능하다.
타이타늄 알루미나이드 합금, 정밀주조, 주형재
Description
도 1은 후보 주형재료에 따른 용융 타이타늄 알루미나이드 합금과의 계면반응 후의 계면사진..
도 2는 주조품 표면으로부터 내부로의 경도변화 그래프.
도 3a 및 도 3b는 주형재 예열온도에 따른 주조품의 표면으로부터 내부로의 경도변화 그래프..
도 4는 예열온도에 따른 지르콘 주형에 주조한 타이타늄 알루미나이드 합금 주조품 계면으로부터 EPMA 원소 분포 결과 그래프.
본 발명은 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재에 관한 것으로서, 특히 정밀주조시 용융 알루미나 주형재를 이용하여 건전한 타이타늄 알루미나이드 합금 주조품의 제조가 가능한 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재에 관한 것이다.
가벼우면서도 고온에서 우수한 특성으로 차세대 고온구조재료로 각광 받고 있는 타이타늄 알루미나이드 합금은 항공기 동체 및 엔진부품용 재료로 적용이 가능해 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 타이타늄 알루미나이드 합급에 대한 많은 연구 및 노력에도 불구하고 기초연구에 머무르고 있는 가장 큰 이유는 구성원소간 강한 결합력으로 인해 소성가공이 어려워 최종제품으로의 정형가공이 어렵다는데 있다.
정밀주조는 타이타늄 알루미나이드 합금이 낮은 냉간 가공성과 절삭가공이 불가능하므로 복잡한 형상 및 중공형 제품의 제조에 적합한 대표적인 정형가공공정이다. 그러나 타이타늄 알루미나이드 합금은 용융상태에서 반응성이 강하여 대기 중 질소, 산소, 수소 등과 강한 친화력을 가지고 있어 쉽게 고용체인 알파 케이스(α-case)를 형성하므로 타이타늄 알루미나이드 합금의 용융 및 주조에 있어 도가니 오염 및 주형재료의 반응 문제에 대한 특별한 주의가 요구된다. 특히, 용탕과 주형과 반응하는 주형재의 적절치 못한 선택은 제품의 치수정밀도, 특성 저하 및 생산단가 상승 등의 문제점이 있다.
또한, 타이타늄 알루미나이드 합금은 용탕상태에서 강한 활성으로 인하여 진공 및 불활성 분위기하에서 용해 및 주조가 이루어지고 있으나, 일반적인 주형재를 이용하여 주조할 경우 주조시 타이타늄 알루미나이드는 용탕과의 반응으로 인하여 주조품 표면에 경화현상이 발생되고, 이는 최종 제품 특성에 악영향을 미치며, 또한 제품의 치수정밀도에도 문제가 발생된다.
현재, 많은 연구자들의 선행연구를 통하여 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조를 위한 정밀주조용 주형재 개발에 관한 연구가 진행되고 있다.
특히, 진공 아크 재용해법 공정을 이용한 정밀 주조 주형은 기계가공되어 다져진 그라파이트를 이용하여 대형 정밀주조품을 제조하고 있으나, 이는 높은 열전도도로 큰 압탕효과가 필요하며 박육제품제조에 어려움이 따른다.
이에 복잡한 형상 및 박육 주물을 제조하기 위해서는 대기 중에서 안정적인 산화물 내화재를 이용한 로스트왁스법으로 대표되는 정밀주조공정이 적합하다.
타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재에 관한 연구에서는 반응성을 고려하여 지르코니아 주형을 사용하였으나, 이 경우 주형에 용탕주입시 제품표면에 반응층을 형성하게 되며, 반응층은 경하고 취약하여 주조품의 인성과 파괴강도 등에 악영향을 주므로 기계적 또는 화학적 연마를 통한 제거공정이 필수적이고 주물 제조공정의 단축과 정밀도 향상을 위해 반응층을 제어할 수 있는 주형재료가 요구된다. 이에 대한 대안으로 산화칼슘(일명: 칼시아) 및 이트리아 안정화 지르코니아 등 산화물계로 전환하는 경향과 주형반응을 저감시키는 견지에서 열역학적으로 안정한 산화물인 이트리아 사용 가능성을 몇몇의 연구자들이 제시하였으나, 정밀주조용 주형은 소모품임을 감안할 때 경제적으로 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 특히 상온뿐만 아니라 고온에서도 열적 안정성을 갖는 최적의 타이타늄 알루미나이드 합금 정밀주조용 주형재를 개발함으로써 주조품 표면에 반응층이 없는 건전한 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조 주조품을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 종래의 기술을 이용하여 타이타늄 알루 미나이드 합금의 정밀주조시 주조품 표면에 생성되는 경한 표면 반응층 문제점을 해결하기 위하여 오랜 연구 끝에 창안한 것으로서, 기존 타이타늄 알루미나이드의 정밀주조에 이용되던 지르코니아의 문제점인 주조품 표면에서 반응으로 인한 주조품 표면경화 현상, 용탕과의 반응성은 없으나 가격이 고가인 이트리아 주형의 단점을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경제적인 용융 알루미나를 이용한 주형 제작법을 채택함으로써, 용융상태의 타이타늄 알루미나이드 합금을 정밀주조 주형에 급탕시 상온뿐만 아니라 고온에서 안정한 열적 안정성을 가져 주조품 표면에 반응이 없는 건전한 주조품 및 기술을 제공하고자 하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 타이타늄 알루미나이드 합금과 후보 주형재간의 반응성을 측정하기 위하여 다음과 같은 방법을 채택하였다.
본 발명에서 채택한 후보 주형재료는 각각 산화물계인 지르코니아, 칼시아 안정화 지르코니아, 용융 알루미나 및 지르콘이다. 주형제작은 직경 20 mm 내지 150 mm 왁스패턴을 사용하였으며, 로스트왁스법에 의해 후보 주형재를 제작하였다.
용융 알루미나 주형재는 입도 30-45㎛ 용융 알루미나 분말과 콜로이달 실리카 바인더를 이용하여 제조되는 것이 바람직하다.
먼저 타이타늄 알루미나이드 합금은 타이타늄 53 at.%, 알루미늄 47at.%을 갖는 이원계 합금을 이용하였으며, 그 제조방법은 아르곤 분위기하에서 플라즈마 아크 용융법을 이용하여 버튼형태로 타이타늄 알루미나이드 합금을 제조하였다. 얻 어진 약 1000그램 타이타늄 알루미나이드 합금을 그라파이트 도가니에 장입한 후, 아르곤 분위기하에서 진공유도용융로를 이용하여 육안으로 타이타늄 알루미나이드 합금이 완전히 용융됨을 확인한 후, 충분한 과열과 균일한 용탕조성을 얻기 위해 60초간 유지 후 중력 주조하였다..
타이타늄 알루미나이드 합금에 대한 후보 주형재료와의 계면반응성을 조사하기 위해 미세조직관찰 및 주조품 표면경도 변화로 계면 반응성을 판정하였다.
한편 주형 예열온도에 따른 계면 반응성 관찰을 위해 내부 경도뿐만 아니라 EPMA를 통한 주조재 내의 원소분포를 확인하였다..
도 1에는 각각의 주형재료에 따른 용융 타이타늄 알루미나이드 합금과의 계면반응 후의 계면사진을 나타내었다.
시편내부는 전형적인 감마 타이타늄 알루미나이드와 α2 상 복합 라멜라 구조를 보이고 있으며, 계면반응층, 알파 케이스(αcase)로 추정되는 영역을 갖는 지르코니아 주형을 제외하고는 칼시아 안정화 지르코니아, 용융 알루미나 및 지르콘 주형의 경우에는 계면조직이 내부조직과 거의 유사하다.
이들 주조품의 표면으로부터 내부로의 경도변화를 도 2에 나타내었다. 도 1의 (a)에서처럼 실질적인 계면반응층은 약 50㎛이며, 도 2에서 경도 상승층은 약 200㎛이다.
칼시아 안정화 지르코니아 주형은 지르코니아가 상온에서 단사정계(monoclinic)가 1170℃에서 정방정계(tetragonal) 구조로 바뀌고, 부피팽창을 일으 키며 불안정하게 되므로 이를 개선하여 안정화시킨 주형재이므로 기존의 타이타늄 및 타이타늄 합금 계면반응결과에서 반응층은 거의 없는 것을 확인할 수 있었으나, 이는 타 정밀주조 주형재료에 비해 비싸다는 단점이 있다.
그러나 용융 알루미나 주형에 주조된 경우에는 주조품의 조직관찰 및 경도변화결과에서도 알 수 있듯이 계면반응층이 거의 나타나지 않았다.
지르콘 주형에 주조된 타이타늄 알루미나이드 합금의 경우는 칼시아 안정화 지르코니아나 용융 알루미나와 마찬가지로 주조품표면에 계면반응층을 확인할 수 없었으며, 또한 경도경과에서도 표면 및 내주의 경도상승은 나타나지 않았다.
이러한 결과로부터 용융 알루미나 주형 및 지르콘 주형을 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조를 위한 주형재 후보로 선정하여 주형의 예열온도에 대한 영향을 확인하였다.
도 3에는 주형재 예열온도에 따른 주조품 표면 및 내부 경도변화를 나타내었다.
상온의 경우는 두 주형 모두 주조품 내부로의 경도가 일정한 값을 가지며 분포하고 있으나, 지르콘 주형에 주조한 시편은 도 3(a)와 같이400, 600 및 800℃의 경우에는 계면뿐만 아니라 내부까지 일정한 경도의 경향이 관찰되지 않고 경도가 상승되었다. 반면에 도 3(b)의 용융 알루미나 주형의 경우는 예열온도가 600℃ 이상인 경우에 주조품 내부경도가 약간 상승한다.
주형재 내부경도 상승원인을 알아보기 위해 도 4에 지르콘 주형 예열온도에 따른 타이타늄 알루미나이드 합금 주조품의 계면으로부터의 EPMA를 이용한 원소 분 포 결과를 나타내었다. 지르콘 주형은 예열온도가 증가할수록 주형재 성분원소인 Zr, Si 등이 계면으로부터 주조품 내부로 확산의 정도가 큼을 확인할 수 있다.
본 발명을 이용하여 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재료로써 경제적인 산화물인 용융 알루미나를 선정했다는 점이다. 이는 용융 타이타늄 알루미나이드에 대해서 상온뿐만 아니라 고온에서도 열적 안정성을 가져 타이타늄 알루미나이드 합금 주조시 건전한 주조품을 제조할 수 있으며, 또한 정밀주조 주형재료 가장 널리 쓰이는 경제적인 내화물재이고 충분한 주형강도를 갖는 장점을 지닌다는 점에서 타이타늄 주조 관련산업의 시금속이 될 것으로 평가된다.
Claims (1)
- 타이타늄 알루미나이드 합금과 같이 반응성이 높은 금속의 정밀주조 주형제조에 있어서,입도 30-45㎛ 용융 알루미나 분말과 콜로이달 실리카 바인더를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050129048A KR20070067795A (ko) | 2005-12-23 | 2005-12-23 | 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050129048A KR20070067795A (ko) | 2005-12-23 | 2005-12-23 | 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070067795A true KR20070067795A (ko) | 2007-06-29 |
Family
ID=38366321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050129048A KR20070067795A (ko) | 2005-12-23 | 2005-12-23 | 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20070067795A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210076242A (ko) * | 2019-12-13 | 2021-06-24 | 천지산업주식회사 | 수평형 원심 주조를 이용한 TiAl 합금계 기계부품 제조방법 |
-
2005
- 2005-12-23 KR KR1020050129048A patent/KR20070067795A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210076242A (ko) * | 2019-12-13 | 2021-06-24 | 천지산업주식회사 | 수평형 원심 주조를 이용한 TiAl 합금계 기계부품 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6705385B2 (en) | Castings of metallic alloys with improved surface quality, structural integrity and mechanical properties fabricated in anisotropic pyrolytic graphite molds under vacuum | |
| KR101177963B1 (ko) | 티탄 합금을 용융시키기 위한 도가니 | |
| CN103626498B (zh) | 氮化硼基陶瓷喷嘴及其制备方法 | |
| US9803923B2 (en) | Crucible and extrinsic facecoat compositions and methods for melting titanium and titanium aluminide alloys | |
| Jia et al. | A study of two refractories as mould materials for investment casting TiAl based alloys | |
| Chamorro et al. | α-Case formation in Ti-6Al-4V investment casting using ZrSiO4 and Al2O3 moulds | |
| JPH05200529A (ja) | アルミニウム化チタンの方向性凝固鋳造法 | |
| Wang et al. | Wettability and interfacial reactions of a low Hf-containing nickel-based superalloy on Al2O3-based, SiO2-based, ZrSiO4, and CoAl2O4 substrates | |
| US8906292B2 (en) | Crucible and facecoat compositions | |
| Jia et al. | Intensified interfacial reactions between gamma titanium aluminide and CaO stabilised ZrO2 | |
| Sun et al. | Characteristics of interfacial reactions between Ti-6Al-4V alloy and ZrO 2 ceramic mold | |
| Zi et al. | Effects of yttrium on wettability and interactions between molten superalloy and SiO2-based ceramic core | |
| KR20070067795A (ko) | 타이타늄 알루미나이드 합금의 정밀주조용 주형재 | |
| SE464116B (sv) | Saett vid smaeltning och gjutning av beta-titanlegeringar | |
| Uwanyuze et al. | High-temperature interactions between titanium alloys and strontium zirconate refractories | |
| Kim et al. | Microstructure, metal-mold reaction and fluidity of investment cast-TiAl alloys | |
| JPS63273562A (ja) | Ｔｉ−Ａｌ合金鋳物の製造方法 | |
| KR20110040104A (ko) | 티타늄 합금 주조용 알파케이스 계면반응 제어 주형 및 그 제조방법 | |
| CN101423390B (zh) | 一种钛酸铝-氧化锆-钛酸锆复合材料及其制备方法 | |
| Hongbao et al. | Reaction between Ti and boron nitride based investment shell molds used for casting titanium alloys | |
| Shcherbakova et al. | Solution to technological problems of raising the reliability and quality of castings based on titanium alloys | |
| JPS62246870A (ja) | 溶融鋳込み耐火物及びその製造方法 | |
| Chen et al. | Wetting and interfacial phenomena between a Ni-based superalloy and silica-based ceramic cores with ZrSiO4 additions | |
| KR100593404B1 (ko) | 반응생성을 이용한 티타늄 합금용 주형 및 그 제조방법 | |
| JPH07268517A (ja) | 軽量耐熱材料、およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |