KR20150127567A - 윤활성, 열 저항성 및 마찰 감소 패드를 사용하는 단조 합금 - Google Patents

윤활성, 열 저항성 및 마찰 감소 패드를 사용하는 단조 합금 Download PDF

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라메쉬 에스. 미니산드람
크리스토퍼 엠. 오'브리엔
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에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드
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Abstract

단조 다이와 가공물 사이에서 마찰을 감소시키고 열 크래킹을 감소시키기 위하여 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 처리하는 시스템 및 방법은 단조 다이와 가공물 사이에 다층 패드를 배치하는 단계를 포함한다. 또한, 열 크래킹을 감소시키기 위하여 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 처리하기 위한 용품이 개시된다. 본 발명은 또한 본 명세서에 설명된 방법에 따라 처리된 합금 가공물, 및 이들 방법에 따라 제조된 합금 가공물로부터 제조되거나 또는 이를 포함하는 제조 용품에 관한 것이다.

Description

윤활성, 열 저항성 및 마찰 감소 패드를 사용하는 단조 합금{FORGING ALLOYS USING A LUBRICATIVE, THERMAL RESISTIVE AND FRICTION REDUCING PAD}
본 발명은 합금 잉곳 및 다른 합금 가공물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 합금 잉곳 및 다른 합금 가공물을 처리하기 위한 용품, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
"단조"는 소성 변형(plastic deformation)에 의한 고체-상태 재료의 가공(working) 및/또는 성형(shaping)을 지칭한다. 단조는 고체-상태 재료 형성 작업의 다른 기본적인 분류, 즉, 기계가공(커팅, 연삭 또는 그 외의 가공물로부터 재료 제거에 의한 가공물의 성형) 및 캐스팅(몰드의 형상을 유지하기 위해 고형화되는 몰딩 액체 재료)과 구별될 수 있다. "단조성"은 오류없이 소성 변형시키기 위한 재료의 상대적 능력이다. 단조성은, 예를 들어, 단조 조건(예를 들어, 가공물 온도, 다이 온도 및 변형 속도) 및 재료 특성(예를 들어, 조성, 미세 구조 및 표면 구조)을 포함하는 다수의 인자에 따라 달라진다. 주어진 가공물의 단조성에 영향을 주는 또 다른 인자는 상호작용하는 다이 표면과 가공물 표면의 마찰 공학(tribology)이다.　 단조 작업에서 다이 표면과 가공물 표면 사이의 상호 작용은 열 전달, 마찰 및 마모를 수반한다. 이와 같이, 가공물과 단조 다이 사이의 절연성 및 윤활성은 단조성에 영향을 미칠 수 있다.
다양한 합금이 "크랙 민감성(crack sensitive)"임을 특징으로 할 수 있다. 크랙 민감성 합금으로 이루어진 잉곳 및 다른 가공물은 표면 및 내부에서의 재료가 상이한 속도로 이동하는 경우에는 내부에 또는 단조 작업 중에 이의 표면 및/또는 에지를 따라 크랙을 형성할 수 있다. 크랙 민감성 합금으로부터 용품을 형성하는 것은 문제가 될 수 있는데, 예를 들어, 단조(forging) 또는 다른 열간 가공 작업 동안 형성되는 크랙이 가공된 용품으로부터 제거될 필요가 있어서 이에 따라 생산 시간 및 비용을 증가시키고 산출량을 감소시키기 때문이다.
윤활제를 사용하여 단조 작업 중에 마찰을 감소시키는 것은 당업계에 공지되었다. 부적절하거나 또는 일관되지 못한 단조 윤활은 일반적으로 바람직하지 못한 가공물의 비-균일 소성 변형을 야기할 수 있다. 예를 들어, 불균일 소성 변형은 단조 작업 중에 가공물 내에서 공극의 형성 및/또는 가공물의 "배럴링(barreling)"을 야기할 수 있다. 그러나, 종래의 단조 윤활제는 하위-표준 단조된 용품에서 야기되는 다양한 결합을 가질 수 있다.
현재의 단조 기술의 단점이 제시됨에 따라, 합금, 특히 크랙 민감성 합금을 단조하는 더욱 효과적이고 및/또는 더욱 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이 선호될 수 있다. 추가로, 단조 작업 중에 가공물과 다이 사이에 마찰을 감소시키는 것이 선호될 수 있다. 더욱 일반적으로, 합금 잉곳과 다른 합금 가공물을 단조하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이 선호될 수 있다.
특정 비제한적인 실시 형태에 따라서, 합금 잉곳 및 다른 합금 가공물을 처리하기 위한 용품, 시스템 및 방법이 설명된다.
본 발명에 따른 다양한 비-제한적인 실시 형태는 가공물을 단조하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 다이, 합금 가공물, 및 합금 가공물의 적어도 일부와 다이의 적어도 일부 중간에 위치된 패드를 포함한다. 상기 패드는 복수의 층을 포함하며, 상기 복수의 층은 제1 마찰 계수와 제1 열 저항을 포함하는 제1 층, 및 제2 마찰 계수와 제2 열 저항을 포함하는 제2 층을 포함한다. 제1 열 저항은 제2 열 저항보다 클 수 있고, 제1 마찰 계수는 제2 마찰 계수보다 클 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 제1 층은 코아울(KOAWOOL)을 포함하고, 제2 층은 섬유유리를 포함한다.
본 발명에 따른 추가 비제한적인 실시 형태는 단조 작업 중에 사용하기 위한 다층 패드에 관한 것으로, 상기 다층 패드는 제1 윤활 층, 제2 윤활 층, 및 제1 단열 층 - 제1 단열 층은 제1 및 제2 윤활 층의 중간에 위치됨 - 을 포함한다. 제1 윤활 층은 가공물 접촉 표면을 추가로 포함할 수 있고, 제2 윤활 층은 다이 접촉 표면을 추가로 포함할 수 있다. 제1 및 제2 윤활 층 중 하나 이상이 섬유유리를 포함할 수 있고, 제1 단열 층은 세라믹 섬유를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 윤활 층의 마찰 계수는 제1 단열 층의 마찰 계수보다 작을 수 있고 및/또는 제1 단열 층의 열 전도성은 제1 및 제2 단열 층의 열 전도성보다 작을 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 서로에 대해 적어도 제1 및 제2 윤활 층을 체결하기 위한 체결구를 포함할 수 있다. 추가로, 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 제1 및 제2 윤활 층은 단열 층이 배열되는 슬리브를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 비제한적인 실시 형태는 가공물을 열간 가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 주위 온도 초과의 온도로 합금 가공물을 가열하는 단계; 다이와 합금 가공물 사이에 다층 패드를 배치하는 단계 - 다층 패드는 열 저항 층 및 윤활 층을 포함함 - ; 및 합금 가공물을 열간 가공하는 단계를 포함한다. 합금 가공물을 열간 가공하는 단계는 합금 가공물을 변형시키기 위해 합금 가공물에 다이를 이용하여 힘을 가하는 단계를 포함할 수 있다. 합금 가공물을 변형시키기 위해 가공물에 다이를 이용하여 힘을 가하는 단계는 합금 가공물을 업셋 단조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 하나 이상의 다이와 합금 가공물 사이에 복수의 다층 패드를 배치하는 단계, 가공물을 사전형성하는 단계 및/또는 열간 가공된 합금 가공물로부터 용품을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 주위 온도 초과의 온도로 가공물을 노출시키는 단계는 합금의 용융 온도 미만 그리고 합금의 재결정 온도 초과로 합금 가공물을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 추가 비제한적 실시 형태는 본 개시의 임의의 방법에 따라 제조 또는 처리된 합금 가공물에 관한 것이다.
본 개시에 따른 또 다른 비제한적 실시 형태는 본 개시의 임의의 방법에 따라 제조 또는 처리된 합금 가공물로부터 제조되거나 또는 이를 포함하는 제조 용품에 관한 것이다. 이러한 제조 용품에는, 예를 들어, 제트 엔진 구성요소, 육상용(land based) 터빈 구성요소, 밸브, 엔진 구성요소, 샤프트, 및 체결구가 포함된다.
본 명세서에 기재된 다양한 비제한적 실시 형태는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 헤드 체결구를 형성하기 위하여 임프레션 다이 업셋 단조 방법을 도시하는 도식적 단면도.
도 2a는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 임프레션 다이 업셋 단조 방법에 의해 형성된 헤드 체결구의 입면도.
도 2b는 도 2a의 헤드 체결구의 헤드의 상세도.
도 3a는 무마찰 조건 하에서 작동되는 개방 다이 업셋 단조 시스템을 도시하는 도식적 단면도.
도 3b는 고 마찰 조건 하에서 작동되는 개방 다이 업셋 단조 시스템을 도시하는 도식적 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 가공물과 개방 다이 사이에 위치된 다층 패드를 이용한 개방 다이 업셋 단조 작업을 도시하는 도식적 단면도.
도 5는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 가공물과 임프레션 다이 사이에 위치된 다층 패드를 이용한 임프레션 다이 업셋 단조 시스템을 도시하는 도식적 도면.
도 6a는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 도 5에 도시된 임프레션 다이 업셋 단조 시스템에 의해 형성된 헤드 체결구의 입면도.
도 6b는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 도 6a의 헤드 체결구의 헤드의 상세도.
도 7은 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 단조 작업에서 사용하기 위한 다층 패드의 사시도.
도 8은 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 도 7의 다층 패드의 입면도.
도 9는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 단조 작업에서 사용하기 위한 다층 패드의 단면도.
도 10은 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 도 9의 다층 패드의 평면도.
도 11은 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 부분적으로 조립된 구성의 다층 패드를 도시하는, 단조 작업에서 사용하기 위한 다층 패드의 평면도.
도 12는 본 발명의 다양한 비-제한적인 실시 형태에 따라, 조립된 구성의 다층 패드를 도시하는, 도 11의 다층 패드의 평면도.
개시된 실시 형태에 대한 다양한 설명은 개시된 실시 형태의 분명한 이해와 관련이 있는 특징, 양태, 특성 등만을 명시할 수 있도록 단순화된 동시에, 명료성을 위해 다른 특징, 양태, 특성 등은 생략되었다. 당업자라면 개시된 실시 형태에 대한 본 설명의 검토를 통해 다른 특징, 양태, 특성 등이 개시된 실시 형태의 특정한 구현 또는 적용에 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 이런 다른 특징, 양태, 특성 등은 개시된 실시 형태에 대한 본 설명의 검토를 통해 당업자가 쉽게 확인 및 구현할 수 있는 것이며, 따라서 개시된 실시 형태를 완전히 이해하는 데 불필요한 까닭에, 이런 특징, 양태, 특성 등에 대한 설명은 본 명세서에 제공되지 않았다. 이에 따라, 본 명세서에 작성된 설명은 단지 개시된 실시 형태의 예시 및 예증에 지나지 않으며 오직 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않았음이 이해되어야 한다.
본 개시에서는, 달리 명시되지 않는 한, 양 또는 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약(about)"이 전치되어 이를 수식하는 것으로 이해되어야 한다. 이에 따라, 달리 명시되지 않는 한, 다음의 설명 부분에 작성된 임의의 수치 변수는 본 개시에 따른 실시 형태에서 얻고자 하는 바람직한 물성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 용어 "약"은 측정의 속성 또는 정확성이 주어진, 측정된 양에 대한 허용가능한 오차 범위로 지칭될 수 있다. 전형적으로 예시적인 오차 범위는 주어진 값 또는 값의 범위의 20%, 10%, 또는 5% 내에 있을 수 있다. 적어도, 특허청구범위에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도는 아닌 것으로, 본 설명에 기술된 각각의 수치 변수는 적어도 보고된 유효 숫자의 수효에 대한 고려와 보통의 반올림 기법의 적용에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 임의의 숫자 범위는 거기에 포섭되는 일체의 하위 범위를 포함하도록 의도되어 있다.
예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 기재된 최소값 1과 기재된 최대값 10 사이(그리고 이를 포함함), 즉 1 이상의 최소값과 10 이하의 최대값을 가지는 일체의 하위 범위를 포함하도록 의도되어 있다. 본 명세서에 기재된 임의의 최대 수치 한계는 거기에 포섭되는 모든 더 낮은 일체의 숫자 한계를 포함하도록 의도되어 있고, 본 명세서에 기재된 임의의 최소 수치 한계는 거기에 포섭되는 모든 더 높은 일체의 수치 한계를 포함하도록 의도되어 있다. 따라서, 출원인은 본 명세서에 명시적으로 기재된 범위 내에 포섭되는 임의의 부분 범위를 명시적으로 기재하기 위해 특허청구범위를 포함하여 본 개시를 보정할 권리를 보유한다. 이런 일체의 범위는, 임의의 이런 부분 범위를 명시적으로 기재하기 위한 보정이 미국특허법(35 U.S.C.) 제112조, 제1항 및 미국특허법 제132(a)조의 요건을 충족시킬 수 있도록 본 명세서에 내재적으로 개시되게끔 의도되어 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수표현은 달리 명시되지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하도록 의도되어 있다. 따라서 관사는 본 명세서에서는, 하나 이상(즉, 적어도 하나)의 관사의 문법적 객체를 지칭하기 위해 사용된다. 예로서, "구성요소"는 하나 이상의 구성요소를 의미하며, 따라서 어쩌면 하나 초과의 구성요소가 기재된 실시 형태의 구현에 있어 고려되어, 채택되거나 또는 사용될 수 있다.
본 명세서에 원용되는 것으로 언급된 임의의 특허, 공개 또는 다른 개시 자료는 달리 명시되지 않는 한 그 전체 내용이 본 명세서에 원용되지만, 이는 원용된 자료가 본 개시에 명시적으로 제시된 기존의 정의, 진술 또는 다른 개시 자료와 상충되지 않는 한도 내에서 이루어진다. 이에 따라, 필요한 한도 내에서, 본 명세서에 기재된 명시적인 개시 내용은 본 명세서에 원용되는 임의의 상충되는 자료를 대체한다. 본 명세서에 원용되는 것으로 언급되어 있지만, 본 명세서에 명시적으로 기재된 현존하는 정의, 진술 또는 다른 개시 자료와 상충되는 임의의 자료 또는 그 일부는 원용된 자료와 기존 개시 자료 간에 어떤 상충도 발생하지 않는 한도 내에서만 원용된다. 출원인은 본 명세서에 원용된 임의의 발명 요지 또는 그 일부를 명시적으로 기재하기 위해 본 개시를 보정할 권리를 보유한다.
본 출원은 다양한 비제한적인 실시 형태의 설명을 포함한다. 본 명세서에 기재된 모든 실시 형태는 예시적이고, 도식적이며, 비제한적인 것으로 이해된다. 따라서 본 발명은 다양한 예시적, 도시적, 비제한적 실시 형태에 대한 설명에 의해 제한되지 않는다. 게다가, 본 발명은 본 개시에 명시적 또는 내재적으로 설명되거나, 아니면 다른 방식으로 본 개시에 의해 명시적 또는 내재적으로 뒷받침되는 임의의 특징을 기재할 목적으로 보정될 수 있는 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 따라서, 임의의 이런 보정은 미국특허법 제112조, 제1항 및 미국특허법 제132(a)조의 요건을 충족시킨다.
본 명세서에 개시되고 기재된 다양한 비제한적인 실시 형태는 본 명세서에 다양하게 기재된 바와 같은 특징, 양태, 특성, 한계 등을 포함하거나 그 구성요소로 삼거나 기본적인 구성요소로 삼을 수 있다. 본 명세서에 개시되고 기재된 다양한 비제한적인 실시 형태는, 기술분야에 공지되어 있거나, 실제로 구현된 다양한 비제한적인 실시 형태에 달리 포함될 수 있는 추가적 또는 선택적 특징, 양태, 특성, 한계 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "열간 가공"은 주위 온도보다 높은 임의의 온도에서 고상-가공물에 힘을 인가하여, 인가된 힘이 가공물을 소성 변형시키는 것을 지칭한다.
예를 들어, 단조 작업 및 압출과 같은 열간 가공 중에, 힘이 가공물을 소성 변형시키기 위하여 주위 온도보다 높은 온도, 상기에서와 같이 가공물의 재결정 온도에서 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물에 인가될 수 있다. 열간 가공 작업을 거친 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 온도는 가공물의 표면에 기계적으로 힘을 인가하기 위해 사용되는 다이 또는 다른 구조물의 온도보다 높을 수 있다. 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은 이의 표면과 접촉 다이 또는 다른 구조물 간의 열 구배 오프셋 및 주위 공기에 대한 열 손실에 의한 이의 표면의 냉각으로 인해 온도 구배를 형성할 수 있다. 합금 가공물의 내부 부분과 합금 가공물 표면 간의 형성된 열 구배 오프셋은 열간 가공 중에 이의 표면 및/또는 에지를 따라 잉곳의 크래킹에 기여할 수 있다. 표면 크래킹은 특히 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물이 크랙 민감성 합금으로부터 형성되는 조건에서 문제가 된다.
다양한 합금은 크랙 민감성으로 특징될 수 있다. 크랙 민감성 합금은 가공 작업 중에 크랙을 형성하는 경향이 있다. 크랙 민감성 합금 잉곳은 예를 들어 크랙 민감성 합금 잉곳으로부터 합금 용품을 제조하기 위해 사용되는 열간 가공 작업 중에 크랙을 형성할 수 있다. 예를 들어, 합금 빌릿은 단조 변환을 사용하여 합금 잉곳으로부터 형성될 수 있다. 다른 합금 용품은 압출 또는 다른 가공 작업을 사용하여 합금 빌릿 또는 합금 잉곳으로부터 형성될 수 있다. 열간 가공 작업에 의해 크랙 민감성 합금 잉곳으로부터 형성되는 합금 용품(예를 들어, 합금 빌릿)의 생산 수율은 열간 가공(예를 들어, 단조 또는 압출) 중에 합금 잉곳의 표면 크래킹의 발생으로 인해 낮을 수 있다. 생산 수율은 연삭 또는 이와는 달리 가공된 잉곳에서 표면 크랙을 제거할 필요성으로 인해 감소될 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다양한 니켈계 합금, 철계 합금, 니켈-철계 합금, 티타늄계 합금, 티타늄-니켈계 합금, 코발트계 합금 및 니켈계 초합금과 같은 초합금은 특히 열간 가공 작업 중에 크랙에 민감할 수 있다. 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물이 이러한 크랙 민감성 합금 및 초합금으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 크랙 민감성 합금 가공물은 알로이(Alloy) 718 (UNS 번호 N07718), 알로이 720 (UNS 번호 N07720), 레네(Rene) 41 합금 (UNS 번호 N07041), 레네 65 합금, 레네 88 합금, 와스파로이(Waspaloy)® 합금 (UNS 번호 N07001), 및 인코넬(Inconel)® 100 합금으로부터 선택된(이에 제한되지 않음) 합금 또는 초합금으로부터 형성될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 체결구가 헤드(headed) 열간 가공 업셋 단조 공정을 도시한다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 임프레션 다이(10)와 펀치(12)는 예를 들어, 와이어 또는 금속 로드(20)와 같은 가공물이 일부를 업셋 단조하기 위하여 사용될 수 있다. 와이어(20)는 예를 들어, 주위 온도 초과의 온도로 가열될 수 있는 반면 다이(10) 및/또는 펀치(12)는 주위 온도 및/또는 이 미만으로 유지된다. 주요하게 도 1a를 언급하면, 와이어(20)는 다이(10) 내에 보유될 수 있고, 다이(10) 내의 개구 또는 캐비티(16) 내로 연장될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 펀치(12)는 다이(10)를 향하여 방향 "X"로 이동할 수 있다. 예를 들어, 펀치(12)는 다이(10) 내의 개구(16) 내로 이동할 수 있고, 와이어(20)와 접촉하며 이에 힘을 가할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 펀치(12)에 의해 와이어(20) 상에 가해진 힘은 와이어(20)를 변형시켜 헤드(22)를 형성할 수 있다(도 1b). 즉, 헤드(22)는 다이(10)의 접촉 표면과 펀치(12)의 접촉 표면 사이에 형성될 수 있다. 주요하게 도 1c를 언급하면, 펀치(12)는 개구(16)로부터 제거될 수 있고, 와이어(20)는 다이(10)를 통해 전진할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 블레이드(14)는 형성된 체결구(24)(도 2a에 도시됨)가 단조 다이(10)로부터 구속해제되도록 와이어(20)를 절단할 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 와이어(20)는 크랙 민감성 합금으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 와이어(20)는 알로이 718, 알로이 720, 레네 41 합금, 레네 65 합금, 레네 88 합금, 와스파로이® 합금, 및 인코넬® 100 합금으로부터 선택된 크랙 민감성 합금으로 형성될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 와이어(20)와 접촉하는 펀치(12) 및/또는 다이(10)의 표면과 와이어(20) 사이의 열 구배 오프셋은 형성된 체결구(24)의 표면 및/또는 에지를 따라 크래킹을 야기할 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 언급하면, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 업셋 단조 열간 가공 공정에 의해 제조된 예시적인 체결구(24)는 이의 단조된 표면을 따라 다양한 크랙을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주요하게 도 2b를 언급하면, 체결구 헤드(26)의 표면(28)은 헤드(26)의 단조 중에 열 구배 오프셋으로부터 야기되는 다양한 크랙을 포함할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 체결구(24)는 이의 표면(28)으로부터 크래킹된 재료를 제거하기 위해 후속 기계가공을 필요로 할 수 있다.
열간 가공 중에 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 표면과 에지 상에서 크랙 형성을 감소시키기 위해 사용된 일 기술은 합금 잉곳을 열간 가공 이전에 합금 캔 내에 배치하는 것이다. 예를 들어, 원통형 가공물에 따라, 합금 캔의 내측 직경은 합금 가공물의 외측 직경보다 다소 크고, 이에 따라 캔 내로의 가공물의 삽입이 허용된다. 캔은 가공물을 대략적으로 둘러쌀 수 있으며, 이에 따라 가공물과 캔의 내부 표면 사이에 공기 간격이 제공된다. 열간 가공 작업 중에, 다이는 외부 캔과 접촉하고, 캔은 공기 간격의 작용에 의해 그리고 또한 합금 가공물이 주위에 열을 방사하는 것을 직접 방지함으로써 열 가공물을 단열시킬 수 있다. 이 방식으로, 캔은 가공 중에 가공물 표면 크래킹의 발생을 감소시킬 수 있는, 가공물의 표면을 기계적으로 보호하고 단열시킬 수 있다.
합금 가공물 캐닝 공정은 다양한 단점을 야기할 수 있다. 예를 들어, 다이와 합금 캔의 외부 표면 사이의 기계적 접촉은 캔을 분리시킬 수 있다. 일 특정 경우에, 캐닝된 가공물이 반복된 업셋 단조 중에, 합금은 업셋 단조 작업들 간에 분리될 수 있다. 이러한 경우에, 합금 가공물은 업셋 단조 작업 간에 리-캐닝될 필요가 있을 수 있고, 이에 따라 공정 복잡성 및 비용이 증가된다. 또 다른 특정 경우에, 캐닝된 가공물의 업셋-및-드로우 단조 동안에, 합금은 드로우 작업 중에 분리될 수 있다. 이러한 경우에, 합금 가공물은 다중 업셋-및-드로우 단조 작업의 각각의 업셋-및-드로우 사이클 간에 리-캐닝될 필요가 있을 수 있고, 이에 따라 공정 복잡성 및 비용이 증가된다. 추가로, 합금은 크랙 및 다른 작업-유도 결함에 대한 캐닝된 합금 가공물의 표면을 시각적으로 모니터링으로부터 작업자를 상해할 수 있다.
열간 가공 중에 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 표면 크래킹의 발생을 감소시키기 위한 다양한 장치 및/또는 방법에 관한 다음의 공동 소유 미국 특허 및 특허 출원은 이들의 각각의 전체가 본 명세서에 참조로 인용된다:
- "합금 잉곳을 형성 및 처리하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING AND PROCESSING ALLOY INGOTS)"이라는 명칭의 미국 특허 제8,230,899호;
- 미국 특허 출원 공보 제2011/0195270호에 공고된 "합금 잉곳을 처리하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR PROCESSING ALLOY INGOTS)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제12/700,963호;
- 미국 특허 출원 공보 제2012/0183708호로 공고된 "표면 코팅을 통한 금속 합금의 열간 가공성(HOT WORKABILITY OF METAL ALLOYS VIA SURFACE COATING)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/007,692호; 및
- 미국 특허 출원 공보 제2012/0279678호에 공고된 "합금 잉곳을 형성 및 처리하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING AND PROCESSING ALLOY INGOTS)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/533,142호.
단조 작업에서, 가공물 표면과 다이 표면 사이의 계면 마찰은 마찰 전단 응력(frictional shear stress)으로 정량화하여 표현될 수 있다. 마찰 전단 응력(T)은 다음 방정식에 의해, 전단 마찰 계수(m)와 변형 재료(σ)의 고체 흐름 응력의 함수로 표현될 수 있다:
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.
전단 마찰 계수의 값은 단조 시스템에 대한 윤활성의 정량적인 수치를 제공한다. 예를 들어, 윤활제를 사용하지 않고 티타늄 합금 가공물을 단조할 때, 전단 마찰 계수가 0.6 내지 1.0 범위에 있을 수 있는 반면, 특정 용융 윤활제를 사용하여 티타늄 합금 가공물을 열간 단조할 때, 전단 마찰 계수는 0.1 내지 0.3 범위일 수 있다. 시스템의 전단 마찰 계수(m)로서 정량화된 윤활성은 평평한 링-형 시편이 소정의 높이 감소로 압축되는 링 압축 시험을 사용하여 측정될 수 있다. 링 압축 시험은 당업자에게 공지되었고, 예를 들어, 일반적으로 본 명세서에 참조로 인용되는 알탄(Altan) 등의 문헌[Metal Forming: Fundamentals and Applications, Ch. 6. "Friction in Metal Forming", ASM: 1993]에서 설명된다.
예를 들어, 단조 작업에 대해 상대적으로 높은 전단 마찰 계수의 값에 의해 특징지어진 불충분한 단조 윤활은 다수의 역효과를 가질 수 있다. 단조 시에, 재료의 고체-상태 흐름은 다이로부터 소성 변형하는 가공물로 전달되는 힘에 의해 야기된다. 다이/가공물 계면에서 마찰 조건은 금속 흐름, 표면의 형성, 가공물 내의 내부 응력, 다이에 작용하는 응력 및 압축 하중 그리고 에너지 요구량에 영향을 준다. 도 3a 및 3b는 개방 다이 업셋 단조 작업과 관련되어, 특정한 마찰 효과를 나타낸다.
도 3a는 이상적인 마찰이 없는 이론적인 조건하에서 원통형 가공물(20)의 개방 다이 업셋 단조를 도시한다. 도 3b는 고 마찰 조건하에서 동일한 원통형 가공물(20)의 개방 다이 업셋 단조를 도시한다. 상부 다이(32)는 가공물의 초기 높이(점선에 의해 도시됨)에서 단조된 높이(H)까지 가공물(20)을 압축한다. 상부 다이(32)와 하부 다이(30)는 가공물(20)에 대하여 동일한 크기로 반대 방향으로 업셋팅 힘(upsetting force)을 가한다. 가공물(20)을 형성하는 재료는 압축될 수 없고, 이에 따라 초기 가공물(20)의 부피와 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된 최종 단조된 가공물(20a 및 20b)의 부피는 동일하다. 도 3a에 도시된 마찰이 없는 조건하에서, 가공물(20)은 축 방향 및 반경 방향으로 일정하게 변형된다. 이는 단조된 가공물(20a)의 선형 프로파일(24a)에 의해 표시된다. 도 3b에 도시된 고 마찰 조건하에서, 가공물(20)은 축 방향 및 반경방향으로 일정하게 변형되지 않는다. 이는 단조된 가공물(20b)의 만곡된 프로파일(24b)에 의해 표시된다.
이 방식에서, 단조된 가공물(20b)은 고 마찰 조건하에서 "배럴링(barreling)"을 나타내는 반면, 단조된 가공물(20a)은 마찰이 없는 조건하에서 임의의 배럴링도 나타내지 않는다. 일반적으로 단조 동안에 다이/가공물 계면 마찰 때문에 배럴링 및 다른 비-일정한 소성 변형의 효과는 바람직하지 않다. 예를 들어, 임프레션 다이 단조에서, 계면 마찰은 변형 재료가 다이 내의 모든 캐비티를 충전하지 않는 빈 공간의 형성을 야기할 수 있다. 이는 가공물이 엄격한 공차 내로 단조되는 정형가공(net-shape) 또는 준정형가공(near-net-shape) 단조 작업에서 특히 문제될 수 있다. 고 마찰 조건은 또한 가공물이 다이(들)에 부착되는 "다이-록(Die-lock)"을 야기할 수 있다. "다이-록"은 중심에서 벗어나 위치된 가공물이 다이-록될 수 있고 적절히 변형되지 않아서 다이의 윤곽에 영향을 미칠 수 있는 윤곽화된 다이 표면을 수반하는 단조 작업에서 특히 바람직하지 못할 수 있다. 결과적으로, 단조 윤활제는 단조 작업 동안에 다이 표면과 가공물 표면 사이의 계면 마찰을 줄이기 위해 이용될 수 있다.
단조 시스템에 대해 전단 계수를 감소시키기 위한 다양한 장치 및/또는 방법에 관련된 하기 공동 소유의 미국 특허 출원은 이들의 각각의 전체가 본 명세서에 참조로 인용된다:
- 미국 특허 출원 공보 제2011/0302978호로 공고된, "향상된 단조성을 위한 윤활 공정(LUBRICATION PROCESSES FOR ENHANCED FORGEABILITY)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제12/814,591호; 및
- 미국 특허 출원 공보 제2011/0802979호로 공고된, "향상된 단조성을 위한 윤활 공정(LUBRICATION PROCESSES FOR ENHANCED FORGEABILITY)"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/027,327호.
특정 비제한적인 실시 형태에 따라서, 본 발명에 따른 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 열간 가공하는 방법은 일반적으로 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 표면 크래킹을 배제 또는 감소시키기 위하여 단조 다이 또는 다른 단조 구조물과 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물 사이에 다층 패드를 사용하는 방법을 포함할 수 있다. 표면 크래킹의 배제 또는 제거에 추가로, 본 발명에 따른 다층 패드는 또한 열간 가공 작업 중에 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 표면을 윤활시킬 수 있다. 다층 패드는 적어도 2개의 층을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 적어도 3개의 층을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 예를 들어 다이 또는 다른 단조 구조물과 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물 사이에 마찰을 감소시키기 위하여 하나 이상의 윤활 층을 포함할 수 있다. 게다가, 적어도 하나의 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 예를 들어, 다이 또는 다른 단조 구조물로부터 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 단열시키기 위하여 하나 이상의 단열 층을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 2개의 윤활 층 중간에 위치된 단열 층을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(들) 및 윤활 층(들)의 두께는 예를 들어, 가공물의 재료 특성, 가공물과 단조 다이 사이의 온도 구배, 및 다층 패드의 재료(들)에 의존될 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(들)은 다이로부터 가공물을 단열하기에 충분히 두꺼울 수 있고, 윤활 층(들)은 단조 중에 다이와 가공물 사이에 마찰을 감소시키기에 충분히 두꺼울 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(들)은 예를 들어, 윤활 층(들)보다 더 두꺼울 수 있거나 또는 역으로도 가능하다.
이제, 도 7 및 도 8을 언급하면, 본 발명에 따라 열 크래킹을 감소시키는 다층 패드(100)의 비제한적인 실시 형태가 일반적으로 복수의 층(102, 104, 106)을 포함할 수 있다. 복수의 층들 중 적어도 하나는 예를 들어 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물과 다이 또는 다른 단조 구조물 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는 윤활 층일 수 있다. 적어도 하나의 층은 예를 들어, 다이 또는 다른 단조 구조물로부터 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 단열할 수 있는 단열 층일 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 윤활 층은 윤활 층이 예를 들어, 가공물 및/또는 다이와 접촉하도록 다층 패드(100)의 외부 층을 형성할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 윤활 층은 윤활 층이 예를 들어 가공물 및 다이 또는 다른 단조 구조물 둘 모두와 접촉하도록 다층 패드(100)의 외부 층을 형성할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 제1 외부 윤활 층은 예를 들어 가공물-접촉 표면을 포함할 수 있고, 제2 외부 윤활 층은 예를 들어 다이-접촉 표면을 포함할 수 있다.
또한 도 7 및 도 8을 언급하면, 본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 층(102, 104)은 가공물과 다이 사이에 마찰을 감소시킬 수 있는 윤활 층일 수 있다. 게다가, 층(106)은 다이로부터 가공물을 단열시킬 수 있는 단열 층일 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(106)은 윤활 층(102, 104)들 사이에 위치될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(100)는 추가 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층 패드는 외부 윤활 층들 사이에 복수의 단열 층을 포함할 수 있다. 다른 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드는 예를 들어 복수의 교번하는 단열 층과 윤활 층을 포함할 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드의 층은 서로 고정 또는 보유될 수 있다. 예를 들어, 이제 도 9 및 도 10을 언급하면, 스테이플(118)이 다층 패드(110)의 적어도 2개의 층(112, 114, 116)을 서로 고정할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(110)는 예를 들어 2개의 윤활 층(112, 114)(도 9)들 사이에 개재된 단열 층(116)을 포함할 수 있다. 스테이플(118)은 예를 들어, 슬리브 또는 포켓을 형성하기 위하여 윤활 층(112, 114)을 통하여 천공될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(116)은 결합되거나 또는 스테이플된 외부 윤활 층(112, 114)에 의해 형성된 슬리브 내에서 슬라이딩하거나 또는 이와는 달리 위치될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 스테이플(118)의 열은 다층 패드(110)를 따라 연장될 수 있다. 예를 들어, 스페이플(118)의 열은 다층 패드(110)의 2개의 횡방향 측면을 따라 연장될 수 있다. 단열 층(116)은 예를 들어, 비-스테이플된 측면 및/또는 다층 패드(110)의 일부를 통하여 슬라이딩할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 하나 이상의 스테이플(118)이 내부 단열 층(116)을 통하여 천공될 수 있다. 예를 들어, 단열 층(116)은 외부 윤활 층(112, 114)들 사이에 위치될 수 있고, 스테이플(118)은 예를 들어 외부 및 내부 층(112, 114, 116)을 통하여 적용될 수 있다. 이러한 비제한적인 실시 형태에서, 스테이플(118)은 예를 들어, 외부 윤활 층(112, 114)에 대해 내부 단열 층(116)을 보유할 수 있다.
이제 도 11 및 도 12를 언급하면, 스티칭(128)(도 12)은 다층 패드(120)의 층(122, 124, 126)들을 서로 고정할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(120)는 예를 들어, 2개의 윤활 층(122, 124)들 사이에 개재된 단열 층(126)을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 외부 층(122, 124)은 윤활 재료의 시트로부터 형성될 수 있다. 윤활 재료의 시트는 예를 들어 슬리브 또는 포켓을 형성하기 위하여 선(127)을 따라 접힐 수 있고, 스티칭은 외부 윤활 층(122, 124)을 서로 보유할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 스티칭(128)은 다층 패드(110)의 주연부의 적어도 일부 주위에서 연장될 수 있다. 스티칭은 예를 들어, 다층 패드(120)의 접히지 않은 에지를 따라 연장될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층(126)은 외부 윤활 층(122, 124)에 의해 형성된 슬리브 내에서 슬라이딩하거나 또는 이와는 달리 위치될 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 스티칭(128)의 적어도 일부는 내부 단열 층(126)을 통하여 연장될 수 있다. 이러한 비제한적인 실시 형태에서, 스티칭(128)은 외부 윤활 층(122, 124)에 대해 내부 단열 층(126)을 보유할 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 본 발명에 따른 단조 다이로부터 가공물을 단열하기 위한 단열 층은 복수의 세라믹 섬유를 포함할 수 있다. 특정 비제한적 실시 형태에 따르면, 복수의 세라믹 섬유는 번들(bundle), 스트립(strip) 또는 토우(tow), 패브릭, 및/또는 보드(board)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 사용된 용어 "패브릭"은 부직포 재료 또는 이와는 달리 섬유로 구성되는 재료에 직조(woven), 편조(knitted), 펠트(felted), 또는 융합(fused)될 수 있는 재료를 지칭한다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 패브릭은 복수의 섬유를 함께 보유하기 위한 결합제를 포함할 수 있다. 특정 비제한적 실시 형태에서, 패브릭은 얀(yarn), 담요(blanket), 매트(mat), 종이(paper), 펠트(felt) 등을 포함할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 단열 층은 예를 들어, 내화 점토 섬유를 포함한 세라믹 패브릭과 같은 세라믹 패브릭을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단열 층은 코아울(KOAWOOL) 패브릭, 당업자에게 공지되고 알루미나-실리카 내화 점토를 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 단열 층은 2개의 본체들 간의 열 전달을 방지하거나 또는 상당히 감소시키고 및/또는 더 차가운 다이로부터 열간 가공된 가공물을 보호하기 위하여 충분히 열 저항성이 있을 수 있다. 단열 층의 열 저항은 예를 들어, 다층 패드의 윤활 층의 열 저항보다 클 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 단열 재료의 열 전도성은 1500 °F 내지 2000 °F(816 °C 내지 1093 °C)의 온도에 대해 1.45 BTU·인치(시·피트2·°F) 내지 2.09 BTU·인치(시·피트2·°F) 범위일 수 있다.
다층 패드의 단열 층(들)의 두께는 직물의 열 전도성에 따라 변화할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 직물은 예를 들어, 0.5 인치, 1.0 인치 또는 2 인치의 두께를 가질 수 있다. 게다가, 다층 패드의 하나 이상의 단열 층의 형태와 두께는 합금이 열간 가공될 수 있는 온도 범위, 예를 들어, 가공될 특정 합금 내에서 크랙이 개시되는 온도를 고려해야 한다. 열간 가공 작업을 위하여 주어진 출발 온도에서, 일부 합금은 합금에서 크랙이 개시되는 온도의 차이로 인해 다른 합금보다 더 큰 온도 범위에 걸쳐 효과적으로 열간 가공될 수 있다. 비교적 작은 열간 가공 온도 범위(즉, 합금이 열간 가공될 수 있는 최저 온도와 크랙이 개시되는 온도의 차이)를 가지는 합금에 있어서, 하나 이상의 단열 층의 두께, 및 이에 따라 다층 패드의 두께는 크랙이 개시되는 취성 온도 범위로 냉각되는 것을 억제 또는 방지하기 위해 비교적 더 두꺼울 수 있다. 게다가, 비교적 더 큰 열간 가공 온도 범위를 가지는 합금에 있어서, 하나 이상의 단열 층의 두께, 및 이에 따라 다층 패드의 두께는 아래에 놓인 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물이 크랙이 개시되는 취성 온도 범위로 냉각되는 것을 억제 또는 방지하기 위하여 더 얇을 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 복수의 단열 층이 적층 및/또는 층상화되어 원하는 단열 효과를 제공하기에 충분한 두께를 구현할 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 본 발명에 따라 가공물과 단조 다이 사이에 마찰을 감소시키기 위한 윤활 층은 섬유유리를 포함할 수 있다. 유리섬유는 예를 들어, 1650°F 내지 2050°F(899°C 내지 1121 °C)의 용융점을 포함할 수 있고, 예를 들어, Si02, Al203, B203TiO, 및/또는 CaO를 포함할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 윤활 층은 낮은 마찰 계수를 가질 수 있다. 윤활 층은 예를 들어, 가공물 및/또는 다이의 마찰 계수보다 작은 마찰 계수를 가질 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 윤활 층은 예를 들어, 단열 층의 마찰 계수보다 작은 마찰 계수를 가질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 단조 온도에서 윤활 층에 대한 마찰 계수는 예를 들어, 0.8 내지 1.0의 범위일 수 있다. 역으로, 금속에 대한 마찰 계수는 합금 및 온도에 따라 0.3 내지 0.9의 범위일 수 있다.
특정 비제한적인 실시 형태에 따라서, 열 크래킹을 감소시키기 위하여 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 처리하는 방법은 일반적으로 가공물의 초기 형성을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은, 예를 들어, 종래의 야금 기술 또는 분말 야금 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은 VIM-VAR 작업으로 알려진 진공 유도 용융(vacuum induction melting, VIM) 및 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting, VAR)의 조합에 의하여 형성될 수 있다. 다양한 다른 비제한적인 실시 형태에서, 합금 가공물은 삼중 용융 기술에 의하여 형성될 수 있고, 여기서 전기슬래그 재용융(electroslag remelting, ESR) 작업이 VIM 작업과 VAR 작업 중간에 수행되어, VIM-ESR-VAR(즉, 삼중 용융) 시퀀스를 제공한다. 다른 비제한적인 실시 형태에서, 합금 가공물은 용융된 합금의 무화(atomization) 및 합금 가공물로 결과로 얻은 야금학적 분말의 수집(collection) 및 압밀(consolidation)을 포함하는 분말 야금 작업을 이용하여 형성될 수 있다.
특정 비제한적인 실시 형태에서, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은 분무 형성 작업을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, VIM은 피드스톡으로부터 베이스 합금 조성물을 제조하기 위하여 이용될 수 있다. ESR 작업이 VIM 후에 선택적으로 이용될 수 있다. 용융된 합금은 VIM 또는 ESR 용융 풀(melt pool)로부터 추출될 수 있고, 용융된 액적을 형성하도록 무화될 수 있다. 용융된 합금은 예를 들어 냉벽 유도 가이드(cold wall induction guide, CIG)를 이용하여 용융 풀로부터 추출될 수 있다. 용융된 합금 액적은 분무 형성 작업을 이용하여 몰드 내로 또는 맨드릴 또는 다른 표면 상으로 적층되어 고화된 합금 가공물을 형성할 수 있다.
특정 비제한적인 실시 형태에서, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은 열간 등방압 가압법(hot isostatic pressing, HIP)을 이용하여 형성될 수 있다. HIP는 분말 재료를 일체형(monolithic) 예비성형품으로 압축하고 압밀하기 위한, 예를 들어 아르곤과 같은 고압 및 고온 가스의 등방 적용을 일반적으로 지칭한다. 분말은 압축되고 압밀된 분말과 가스 사이의 압력 장벽으로 기능하는 밀봉된 용기에 의하여 고압 및 고온 가스와 격리될 수 있다. 밀봉된 용기는 소성 변형되어 분말을 압축할 수 있고, 상승된 온도는 개별적인 분말 입자를 함께 효과적으로 소결하여 일체형 예비성형품을 형성할 수 있다. 균일한 압축 압력이 분말 전체에 걸쳐 적용될 수 있고, 균질한 밀도 분포가 예비성형품에서 달성될 수 있다. 예를 들어, 근-등원자(near-equiatomic) 니켈-티타늄 합금 분말이, 예를 들어 스틸 캔과 같은 금속 용기에 넣어지고, 흡수된 습기 및 포획된 가스를 제거하도록 탈기될 수 있다. 근-등원자 니켈-티타늄 합금 분말을 수용하는 용기는, 예를 들어, 용접에 의한 것과 같이 진공하에 밀봉될 수 있다. 밀봉된 용기는 이후 용기 내 니켈-티타늄 합금 분말의 완전한 고밀화(densification)를 달성하기에 충분한 온도 및 압력에서 HIP되어, 완전히-고밀화된 근-등원자 니켈-티타늄 합금 예비성형품을 형성할 수 있다.
초기 가공물 형성 이후에, 열 크래킹을 감소시키기 위하여 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물을 처리하는 비제한적인 방법이 일반적으로 가공물을 가열하고 및/또는 가공물의 표면을 컨디셔닝하는 것을 포함할 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 합금 가공물은 합금 조성 및 가공물의 미세구조를 균질화하도록 고온에 노출될 수 있다. 상기 고온은 합금의 재결정 온도 위, 그러나 합금의 용융점 온도 아래일 수 있다. 합금 가공물은, 예를 들어, 가공물 표면을 연삭 및/또는 박리하여 표면 컨디셔닝될 수 있다. 가공물은 또한 예를 들어, 샌딩(sanding) 및/또는 버핑(buffing)될 수 있다. 표면 컨디셔닝 작업은, 예를 들어, 고온에서의 균질화와 같은 임의의 선택적인 열 처리 단계 이전 및/또는 이후에 수행될 수 있다.
특정 비제한적 실시 형태에 따르면, 열적 크래킹을 감소시키기 위한 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물 처리 방법은 가공물을 열간 가공하는 것을 일반적으로 포함할 수 있다. 가공물을 열간 가공하는 것은 가공물에 힘을 가하여 가공물을 소성 변형시키는 것을 포함할 수 있다. 힘은, 예를 들어, 다이 및/또는 롤을 사용하여 가해질 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 본 발명에 따른 다층 패드는 다이(들) 또는 다른 단조 구조물의 적어도 일부와 가공물의 적어도 일부 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 이제 도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 가공물(40)의 열간 가공은 개방 다이 내에서 가공물(40)을 업셋 단조하는 것을 포함할 수 있다. 개방 다이는 예를 들어, 제1 다이 부분(50)과 제2 다이 부분(52)을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 가공물(40)은 가공물(40)이 제1 다이 부분과 제2 다이 부분 사이에서 소성변형되도록(도 4b) 제1 다이 부분(50)과 제2 다이 부분(52) 사이에 클램핑될 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(130, 140)는 다이 부분(50, 52)들 중 하나와 가공물(40)의 적어도 일부 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 제1 다층 패드(140)는 가공물(40)과 제1 다이 부분(50) 사이에 위치될 수 있고, 제2 다층 패드(130)는 예를 들어 가공물(40)과 제2 다이 부분(52) 사이에 위치될 수 있고, 다층 패드(130, 140)는 가공물(40) 및/또는 다이(40, 50)에 고정될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 다층 패드(130, 140)는 가공물(40) 상에 배치될 수 있고, 예를 들어 중력에 의해 제 위치에 보유될 수 있다. 다층 패드(130, 140)는 변형된 가공물(40a) 및/또는 미리 변형된 가공물(40)의 적어도 일부를 덮기에 적합한 임의의 폭과 길이를 가질 수 있다. 다층 패드(130, 140)의 폭과 길이는 예를 들어, 다이(40, 50)와 가공물(40)의 크기 및/또는 형상에 따라 변화할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(130, 140)는 예를 들어, 다이 부분(50, 52)과 가공물(40) 사이의 전체 계면을 덮을 수 있다. 다른 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(130, 140)는 예를 들어, 다이 부분(50, 52)과 가공물(40) 사이의 계면을 단지 일부만 덮을 수 있다.
이제 도 5를 언급하면, 가공물(80)을 열간 가공하는 것은 임프레션 다이(70) 내에서 가공물(80)을 업셋 단조하는 것을 포함할 수 있다. 임프레션 다이(70)는 예를 들어, 실질적으로 평평한 펀칭 표면 및/또는 임프레션을 포함할 수 있는, 예를 들어 펀치(72)를 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 가공물(80)은 가공물(80)이 임프레션 다이와 펀치 사이에서 소성 변형되도록 펀치(72)와 임프레션 다이(70) 사이에 클램핑될 수 있다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(150, 160)는 펀치(72) 및/또는 다이(70)와 가공물(80)의 적어도 일부 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 제1 다층 패드(150)는 가공물(80)의 적어도 일부와 펀치(72)의 적어도 일부 사이에 위치될 수 있고, 제2 다층 패드(160)는 예를 들어, 가공물(80)의 적어도 일부와 임프레션 다이(70)의 적어도 일부 사이에 위치될 수 있다. 다층 패드(150, 60)는 예를 들어 펀치(72) 및/또는 다이(70) 및/또는 가공물(80)에 고정될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 다층 패드(150, 160)는 가공물(80) 상에 위치될 수 있고, 예를 들어 중력에 의해 제 위치에 보유될 수 있다. 다층 패드(150, 160)는 가공물(80)의 적어도 일부를 덮기에 적합한 임의의 폭과 길이를 가질 수 있다. 다층 패드(150, 160)의 폭과 길이는 가공물(80)의 크기 및/또는 형상에 따라 변화할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(150, 160)는 예를 들어, 다이 부분(70, 72)과 가공물(80) 사이의 전체 계면을 덮을 수 있다. 다른 비제한적인 실시 형태에서, 다층 패드(150, 160)는 예를 들어, 다이 부분(70, 72)과 가공물(80) 사이의 계면을 단지 부분만 덮을 수 있다.
이제 도 6a 및 도 6b를 언급하면, 즉, 펀치(72)와 가공물(80) 사이에서 그리고 임프레션 다이(70)와 가공물(80) 사이에 위치된 다층 패드(150, 160)를 사용하여 도 5에 도시된 임프레션 다이 업셋 단조 시스템에 의해 형성된 체결구(84)는 체결구 헤드(86)를 포함할 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 업셋 단조 작업 중에 형성된 체결구 헤드(86)는 예를 들어, 표면 크랙이 실질적으로 없는 외부 표면(88)을 포함할 수 있다. 대조적으로, 즉, 다층 패드의 사용이 없는, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 임프레션 다이 업셋 단조 작업에 의해 형성된 체결구(24)(도 2a 및 도 2b)는 이의 외부 표면(24) 상에 상당히 더 큰 표면 크랙을 포함한다.
특정 비제한적인 실시 형태에서, 가공물의 열간 가공은 1500°F 내지 2500°F의 온도에서 가공물을 열간 가공하는 것을 포함할 수 있다. 물론, 열간 가공이 특정 합금 가공물에 대해 수행될 수 있는 온도 범위가 예를 들어, 합금 조성 및 미세구조, 가공물 크기 및 형상, 및 이용된 특정 열간 가공 기술을 포함하는 인자에 영향을 받을 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 특정 비제한적인 실시 형태에서, 가공물의 열간 가공은 단조 작업 및/또는 압출 작업을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가공물은 단조 및/또는 드로우 단조될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 방법은 단조에 의해 가공물을 열간 가공하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 방법은 1500°F 내지 2500°F의 온도에서 단조에 의해 가공물을 열간 가공하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 방법은 압출에 의해 가공물을 열간 가공하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 방법은 1500°F 내지 2500°F의 온도에서 압출에 의해 가공물을 열간 가공하는 것을 포함할 수 있다.
업셋-앤드-드로우 단조 작업은 하나 이상의 업셋 단조 작업 시퀀스 및 하나 이상의 드로우 단조 작업 시퀀스를 포함할 수 있다. 업셋 작업 동안, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 단부 표면은 가공물의 단면을 증가시키고 가공물의 길이를 압축시키며 가공물에 힘을 가하는 단조 다이들 사이에 위치될 수 있다. 본 발명에 따른 다층 패드는 예를 들어, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 단부 표면과 단조 다이 사이에 위치될 수 있다. 드로우 작업 동안, 측면 표면(예를 들어, 원통형 가공물의 원주방향 표면)은 가공물의 길이를 증가시키고 가공물의 단면을 압축시키는 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물에 힘을 가하는 단조 다이들 사이에 위치될 수 있다. 본 발명에 따른 다층 패드는 예를 들어, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물의 측면 표면과 단조 다이 사이에 위치될 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물은 하나 이상의 업셋-앤드-드로우 단조 작업을 거칠 수 있다. 예를 들어, 삼중 업셋-앤드-드로우 단조 작업에서, 가공물은 먼저 업셋 단조된 다음 드로우 단조될 수 있다. 업셋 및 드로우 시퀀스는 총 세 번의 연속 업셋 및 드로우 단조 작업 동안에 두 번 더 반복될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시 형태에서, 가공물은 하나 이상의 압출 작업을 거칠 수 있다. 예를 들어, 압출 작업에서, 원통형 가공물은 원형 다이를 통하여 밀어넣어질 수 있고, 이에 의하여 가공물의 직경이 감소하고 길이가 증가한다. 다른 열간 가공 기술이 당업자에게 자명할 것이고, 본 개시에 따른 다층 패드와 방법은 과도한 실험의 필요 없이 한 가지 이상의 이러한 다른 기술과 함께 이용되도록 적합화될 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법이 크랙 민감성 합금과 관련하여 사용하기에 이롭지만, 상기 방법은 또한, 예를 들어, 열간 가공 온도에서 비교적 낮은 연성을 특징으로 하는 합금, 1000 °F 내지 2200 °F의 온도에서 열간 가공된 합금, 및 일반적으로 크래킹되기 쉽지 않은 합금을 포함하는 임의의 합금에 일반적으로 적용 가능함이 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어 "합금"은 종래의 합금, 초합금, 및 단지 부수적 수준의 다른 요소만을 포함하는 금속을 포함한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 초합금은 고온에서 비교적 우수한 표면 안정성, 내부식성 및 내산화성, 고 강도, 및 고 내크리프성을 나타낸다.
본 명세서의 다양한 실시 형태에 따라 처리될 수 있는 합금 가공물은 임의의 적합한 형태일 수 있다. 특정 비제한적 실시 형태에서, 합금 가공물은 잉곳, 빌릿, 바, 플레이트, 튜브, 소결된 예비성형품 등을 포함하거나 이의 형태일 수 있다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 방법은 캐스팅, 압밀, 또는 분사 형성된 잉곳 형태인 합금 잉곳으로부터 단련(wrought) 빌릿을 제조하기 위하여 이용될 수 있다. 빌릿 또는 다른 가공된 용품으로의 잉곳의 단조 전환 또는 압출 전환은 이전의 가공물과 비교하여 용품에서 더 미세한 그레인 구조를 발생시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법 및 공정은, 본 발명에 따른 다층 패드가 단조 및/또는 압출 작업 동안 가공물의 표면 크래킹의 발생을 감소시킬 수 있기 때문에, 가공물로부터 단조 또는 압출된 제품(예를 들어, 빌릿)의 산출량을 개선할 수 있다. 예를 들어, 다이와 적어도 가공물의 표면의 영역에 제공된 본 개시에 따른 다층 패드가 가공 다이에 의해 유발된 변형(strain)을 더욱 쉽게 견딜 수 있음이 관찰되었다. 또한 다이와 적어도 가공물의 표면의 영역 사이에 제공된 본 발명에 따른 다층 패드는 열간 가공 동안 가공 다이와 가공물 사이의 온도 차이를 더 쉽게 견딜 수 있음이 관찰되었다. 이러한 방식으로, 가공 동안 아래에 놓인 가공물에서 표면 크랙 개시가 방지 또는 감소되는 것이 관찰되었다.
다양한 비제한적인 실시 형태에서, 상부에 배열된 본 개시에 따른 다층 패드를 가지는 다양한 합금의 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물이 열간 가공되어 다양한 용품 제작에 이용될 수 있는 제품을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 공정의 실시 형태는 임의의 니켈계 합금, 철계 합금, 니켈-철계 합금, 티타늄계 합금, 티타늄-니켈계 합금, 코발트계 합금, 니켈계 초합금, 및 다른 초합금으로부터 빌릿을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 열간 가공된 잉곳 또는 다른 합금 가공물로부터 형성된 빌릿 또는 다른 제품은, 예를 들어, 터빈 엔진을 위한 디스크 및 링과 같은 터빈 구성요소 및 다양한 육상용 터빈을 포함하지만 이에 제한되지 않는 용품을 제작하기 위하여 이용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 비제한적인 실시 형태에 따라 처리된 합금 잉곳 또는 다른 합금 가공물로부터 제작된 다른 용품은 밸브 구성요소, 엔진 구성요소, 샤프트, 및 체결구를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 개시는 다양한 예시적이고 도식적 비제한적인 실시 형태를 참조하여 기재된다. 그러나, 기술 분야의 당업자라면 특허청구범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 이들 개시된 임의의 실시 형태(또는 그 일부)에 대한 다양한 치환, 변경 또는 조합이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에서 명시적으로 서술되지 않은 추가 실시 형태들을 포함하는 것으로 고려 및 이해된다. 이런 실시 형태는 예를 들어 본 명세서에 기재된 실시 형태들의 개시된 단계, 성분, 구성, 구성요소, 요소, 특징, 양태, 특성, 한계 등을 임의로 조합, 변경 또는 재구성함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 본 개시는 다양한 예시적이고 도식적이며 비제한적인 실시 형태들에 대한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 오직 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 이 방식으로, 본 발명의 출원인은 본 명세서에서 다양하게 기재된 바와 같이 특징들을 추가하기 위해 특허청구범위를 보정할 권리를 보유한다.

Claims (36)

  1. 가공물을 단조하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은
    다이;
    합금 가공물; 및
    합금 가공물의 적어도 일부와 다이의 적어도 일부 중간에 위치된 패드를 포함하고, 상기 패드는 복수의 층을 포함하며, 상기 복수의 층은
    제1 마찰 계수와 제1 열 저항을 포함하는 제1 층; 및
    제2 마찰 계수와 제2 열 저항을 포함하는 제2 층을 포함하고, 제1 열 저항은 제2 열 저항보다 크고, 제1 마찰 계수는 제2 마찰 계수보다 큰 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제2 층은 섬유유리를 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 층은 코아울(KOAWOOL)을 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 제1 층은 내화 점토 섬유를 포함하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 층들을 함께 보유하도록 구성된 체결구를 추가로 포함하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제3 마찰 계수와 제3 열 저항을 포함하는 제3 층을 추가로 포함하고, 제1 열 저항은 제3 열 저항보다 크고, 제1 마찰 계수는 제3 마찰 계수보다 크며, 제1 층은 제2 및 제3 층의 중간에 위치되는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 제2 층은 가공물-접촉 표면을 추가로 포함하고, 제3 층은 다이 접촉 표면을 추가로 포함하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 합금 가공물은 잉곳, 빌릿, 바, 플레이트, 튜브, 및 소결된 예비성형품 중 하나를 포함하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 합금 가공물은 니켈계 합금, 니켈계 초합금, 철계 합금, 니켈-철계 합금, 티타늄계 합금, 티타늄-니켈계 합금, 및 코발트계 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 합금 가공물은 알로이(Alloy) 718 (UNS 번호 N07718), 알로이 720 (UNS 번호 N07720), 레네(Rene) 41 합금 (UNS 번호 N07041), 레네 65 합금, 레네 88 합금, 와스파로이(Waspaloy)® 합금 (UNS 번호 N07001), 및 인코넬(Inconel)® 100 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 다이는 업셋 단조 다이 및 펀치를 포함하고, 패드는 합금 가공물과 업셋 단조 다이의 적어도 일부 사이에 위치되며, 시스템은 제2 패드를 추가로 포함하고 제2 패드는 합금 가공물과 펀치의 적어도 일부 사이에 위치되는 시스템.
  12. 단조 작업 중에 사용하기 위한 다층 패드로서, 상기 다층 패드는
    제1 윤활 층;
    제2 윤활 층; 및
    제1 단열 층 - 제1 단열 층은 제1 및 제2 윤활 층의 중간에 위치됨 - 을 포함하는 다층 패드.
  13. 제12항에 있어서, 제1 윤활 층은 가공물 접촉 표면을 추가로 포함하고, 제2 윤활 층은 다이 접촉 표면을 추가로 포함하는 다층 패드.
  14. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 윤활 층 중 하나 이상이 섬유유리를 포함하는 다층 패드.
  15. 제12항에 있어서, 제1 단열 층은 세라믹 섬유를 포함하는 다층 패드.
  16. 제12항에 있어서, 제1 단열 층은 카오울을 포함하는 다층 패드.
  17. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 윤활 층의 마찰 계수는 제1 단열 층의 마찰 계수보다 작은 다층 패드.
  18. 제12항에 있어서, 제1 단열 층의 열 전도성은 제1 및 제2 단열 층의 열 전도성보다 작은 다층 패드.
  19. 제12항에 있어서, 서로에 대해 적어도 제1 및 제2 윤활 층을 체결하기 위한 체결구를 추가로 포함하는 다층 패드.
  20. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 윤활 층은 단열 층에 대한 슬리브를 형성하는 다층 패드.
  21. 합금 가공물을 처리하기 위한 방법으로서,
    주위 온도 초과의 온도로 합금 가공물을 가열하는 단계;
    다이와 합금 가공물 사이에 다층 패드를 배치하는 단계 - 다층 패드는 열 저항 층 및 윤활 층을 포함함 - ; 및
    합금 가공물을 열간 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 합금 가공물을 열간 가공하는 단계는 합금 가공물을 변형시키기 위해 합금 가공물에 다이를 이용하여 힘을 가하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 합금 가공물을 변형시키기 위해 가공물에 다이를 이용하여 힘을 가하는 단계는 합금 가공물을 업셋 단조하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 하나 이상의 다이와 합금 가공물 사이에 복수의 다층 패드를 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 합금 가공물을 사전형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 열간 가공된 합금 가공물로부터 용품을 제조하는 단계를 추가로 포함하고, 용품은 제트 엔진 구성요소, 육상용(land based) 터빈 구성요소, 밸브, 엔진 구성요소, 샤프트, 및 체결구로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 주위 온도 초과의 온도로 합금 가공물을 가열하는 단계는 합금의 용융 온도 미만 그리고 합금의 재결정 온도 초과로 합금 가공물을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제21항에 있어서, 합금 가공물은 잉곳, 빌릿, 바, 플레이트, 튜브, 및 소결된 예비성형품 중 하나를 포함하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 합금 가공물은 크랙 민감성 합금을 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 합금 가공물은 알로이(Alloy) 718 (UNS 번호 N07718), 알로이 720 (UNS 번호 N07720), 레네(Rene) 41 합금 (UNS 번호 N07041), 레네 65 합금, 레네 88 합금, 와스파로이(Waspaloy)® 합금 (UNS 번호 N07001), 및 인코넬(Inconel)® 100 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 방법.
  31. 제22항에 있어서, 윤활 층은 섬유유리를 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 윤활 층의 마찰 계수는 열 저항 층의 마찰 계수보다 작은 방법.
  33. 제21항에 있어서, 열 저항 층은 카오울을 포함하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 열 저항 층의 열 저항은 윤활 층의 열 저항보다 큰 방법.
  35. 제21항의 방법에 의해 처리된 합금 가공물.
  36. 제21항의 방법에 의해 합금 가공물로부터 형성된 열간 가공된 용품.
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