KR20170064405A - 티타늄 주조 부품의 제조 방법 - Google Patents

티타늄 주조 부품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

티타늄 주조 부품의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 주조로(Cold herath) 내에 원료 물질을 투입하는 원료 물질 투입 단계, 플라즈마 건을 이용하여 상기 원료 물질을 상기 주조로 내에서 용해하여 반응고 상태의 용탕을 생성하는 용탕 생성 단계, 상기 주조로 내에서 생성된 반응고 상태의 용탕을 용탕 저장로에 채우는 용탕 채움 단계, 상기 용탕 저장로의 일단부에 형성된 용탕 배출구를 막고 있는 용탕 플러그에 주조 몰드를 위치시킨 후 용탕 플러그를 제거하는 용탕 플러그 제거 단계, 상기 용탕 저장로의 타단부에 설치된 피스톤으로 가압하여 상기 반응고 상태의 용탕을 주조 몰드 내에 주입하는 용탕 주입 단계, 및 상기 용탕 주입 단계에 의하여 주조 몰드 내에 주입된 용탕에 의하여 티타늄 주조 부품을 주조하는 부품 주조 단계를 포함한다.

Description

티타늄 주조 부품의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING TITANIUM CASTING PARTS}
본 발명은 티타늄 주조 부품의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 품질이 우수한 티타늄 또는 티타늄 합금 잉곳의 주조 제품을 저비용 공정으로 제조할 수 있는 티타늄 주조 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 티타늄 및 티타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 고온 특성을 가지며, 내산성 및 내식성이 우수하여 우주항공, 자동차, 및 화학 플랜트 산업 등에 광범위하게 활용되고 있다.
그런데, 티타늄은 고온에서 산소, 질소에 대하여 고용도가 매우 높으므로, 철(Fe)이나 알루미늄(Al)에 사용되는 일반적인 용해 방법으로는 청정한 용탕을 얻기 힘들다.
그리고, 티타늄을 용해하여 주조품으로 제조하기 위해서는 다른 일반 금속에 비하여 특수한 공정을 필요로 한다.
항공기 등에 사용될 대형 티타늄 주조품은 소모성 전극을 동 도가니에서 아크 용해하여 이것을 주형에 주조하는 방식이 사용된다.
종래의 티타늄 제조 방식은 도 1에 도시된 바와 같이, 진공 챔버(1) 내에서 용탕(5)을 몰드(7)에 붇고 몰드(7) 내의 제품을 하나씩 제작하는 비연속적 방법이다.
즉, 이러한 종래의 티타늄 제조 방식은, 티타늄 스폰지 등의 원료(3)를 투입하고, 플라즈마 토치(Plasma torch)(9) 또는 전자빔(electron beam) 열원으로 원료를 용해하고, 수냉 구리 몰드(Water-cooled copper mold)(11)를 뒤집어 몰드(7) 내에 용탕(5)을 쏟아 붇고(진공 챔버 내부는 진공 상태를 유지), 몰드(7) 내의 제품을 하나씩 꺼내는 방식이다.
그러나, 이러한 종래의 티타늄 제조 방식은 최종 주조 제품의 청정도를 보장할 수 없을 뿐만이 아니라 연속적이지 못한 방법으로 경제성이 열위 하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 기존의 티타늄 주조 공정에 비하여 용탕의 청정도 확보 및 주조 시에 강한 압력을 가하여 주조 제품의 품질을 향상할 수 있을 뿐만이 아니라 연속식 공정을 설계 하여 저비용 생산이 가능한 티타늄 주조 부품의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 주조로(Cold herath) 내에 원료 물질을 투입하는 원료 물질 투입 단계,
플라즈마 건을 이용하여 상기 원료 물질을 상기 주조로 내에서 용해하여 반응고 상태의 용탕을 생성하는 용탕 생성 단계,
상기 주조로 내에서 생성된 반응고 상태의 용탕을 용탕 저장로에 채우는 용탕 채움 단계,
상기 용탕 저장로의 일단부에 형성된 용탕 배출구를 막고 있는 용탕 플러그에 주조 몰드를 위치시킨 후 용탕 플러그를 제거하는 용탕 플러그 제거 단계,
상기 용탕 저장로의 타단부에 설치된 피스톤으로 가압하여 상기 반응고 상태의 용탕을 주조 몰드 내에 주입하는 용탕 주입 단계, 및
상기 용탕 주입 단계에 의하여 주조 몰드 내에 주입된 용탕에 의하여 티타늄 주조 부품을 주조하는 부품 주조 단계를 포함하는 티타늄 주조 부품의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 주조로 내의 용탕을 상기 주조로와 연결된 상기 용탕 이송로를 통하여 상기 용탕 저장로로 이동하는 용탕 이송 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 용탕 채움 단계는 상기 용탕 저장로에 저장된 용탕의 온도를 조절하기 위한 저장 용탕 온도 조절 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 용탕 채움 단계는 상기 용탕 저장로 주위를 진공으로 유지하기 위한 저장 용탕 진공 유지 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 용탕 이송 단계는 상기 용탕 이송로를 통하여 이송하는 용탕의 온도를 조절하기 위한 이송 용탕 온도 조절 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 용탕 이송 단계는 상기 용탕 이송로 주위를 진공으로 유지하는 이송 용탕 진공 유지 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 용탕 생성 단계에서 반응고 상태의 용탕은 고상 30% 분율과 액상 70% 분율로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 피스톤은 상기 용탕을 상기 용탕 저장로의 용탕 배출구 및 상기 주조 몰드의 용탕 유입구와 일직선상으로 가압하는 것일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 냉간로(Cold hearth)에 의해 고청정화된 용탕을 사용할 뿐만이 아니라 주조 공정 중 가압이 가능하므로 고품질의 티타늄 및 티타늄 합금 주조 제품을 제조할 수 있으며, 또한 주조 제품의 대형화 및 연속 공정 설계가 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 용탕 플러그를 제거하기 전의 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 용탕 저장로에 주조 몰드를 연결한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 피스톤을 이용하여 주조 몰드 내에 용탕을 주입한 상태를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 용탕 플러그를 제거하기 전의 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 용탕 저장로에 주조 몰드를 연결한 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 제조 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 피스톤을 이용하여 주조 몰드 내에 용탕을 주입한 상태를 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법은, 원료 투입부(11)를 통하여 주조로(Cold herath)(100) 내에 티타늄 스폰지 등의 원료 물질(10)을 투입하는 원료 물질 투입 단계(S10),
상기 주조로(100)의 상부에 설치된 플라즈마 건(200)에서 플라즈마(210)를 발사하여 상기 원료 물질(10)을 상기 주조로(100) 내에서 용해하여 반응고 상태의 용탕(20)을 생성하는 용탕 생성 단계(S20),
상기 주조로(100) 내에서 생성된 반응고 상태의 용탕(20)을 용탕 저장로(300)에 채우는 용탕 채움 단계(S40),
상기 용탕 저장로(300)의 일단부에 형성된 용탕 배출구를 막고 있는 용탕 플러그(310)에 주조 몰드(400)를 위치시킨 후 용탕 플러그(310)를 제거하는 용탕 플러그 제거 단계(S50),
상기 용탕 저장로(300)의 타단부에 설치된 피스톤(500)으로 가압하여 상기 반응고 상태의 용탕(20)을 주조 몰드(400) 내에 주입하는 용탕 주입 단계(S60), 및
상기 용탕 주입 단계(S60)에 의하여 상기 주조 몰드(400) 내에 주입된 용탕에 의하여 티타늄 주조 부품(410)을 주조하는 부품 주조 단계(S70)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용탕 생성 단계(S20)와 상기 용탕 채움 단계(S40) 사이에는 상기 주조로(100) 내의 용탕을 상기 주조로(100)와 연결된 상기 용탕 이송로(600)를 통하여 상기 용탕 저장로(300)로 이동하는 용탕 이송 단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기 주조로(100)에는 상기 주조로(100)의 냉각을 위한 냉각수가 흐르는 냉각수 라인(110)이 일정한 간격으로 설치될 수 있다.
상기 용탕 생성 단계(S20)에서 원료 물질(10)이 주조로(100) 내에서 용해되는 중에 무거운 불순물을 침감하여 스칼(skull)에 포집되는 불순물 포집 단계(S21)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용탕 생성 단계(S20)에서 원료 물질(10)이 주조로(100) 내에서 용해되는 중에 가벼운 불순물들은 부유하여 플라즈마 또는 전자 빔 등에 의하여 기화되어 제거되는 불순물 제거 단계(S22)를 포함할 수 있다.
상기 용탕 생성 단계(S20)에서 반응고 상태의 용탕(20)은 부피 기준으로 고상 20~40% 분율과 액상 60~80% 분율의 비율로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 고상 30% 분율과 액상 70% 분율로 이루어질 수 있다.
상기 용탕 채움 단계(S30)는 상기 용탕 저장로(300)의 주위에 설치된 가열 장치(320)에 의하여 상기 용탕 저장로(300)에 저장된 용탕의 온도를 조절하기 위한 저장 용탕 온도 조절 단계(S31)를 포함할 수 있다.
상기 용탕 채움 단계(S30)는 상기 용탕 저장로(300)에 저장된 용탕의 산화를 방지하기 위하여 상기 용탕 저장로(300) 외측에 설치된 진공유지장치(미도시)에 의하여 상기 용탕 저장로(300) 주위를 진공으로 유지하기 위한 저장 용탕 진공 유지 단계(S32)를 포함할 수 있다.
상기 용탕 이송 단계(40)는 상기 용탕 이송로(600)의 주위에 설치된 열선 등과 같은 가열 장치(610)에 의하여 상기 용탕 이송로(600)를 통하여 이송하는 용탕의 온도를 조절하기 위한 이송 용탕 온도 조절 단계(41)를 포함할 수 있다.
상기 용탕 이송 단계(S40)는 용탕 이송로(600)를 통하여 이송되는 용탕의 산화를 방지하기 위하여 상기 용탕 이송로(600) 외측에 설치된 진공유지장치(미도시)에 의하여 상기 용탕 이송로(600) 주위를 진공으로 유지하는 이송 용탕 진공 유지 단계(S42)를 포함할 수 있다.
상기 용탕 플러그 제거 단계(S50)는 상기 용탕 플러그(310)를 제거한 후 상기 주조 몰드(400)의 용탕 유입구를 용탕 저장로(300)의 용탕 배출구에 연결하는 주조 몰드 연결 단계(S51)를 포함할 수 있다.
상기 피스톤(500)은 상기 반응고 상태의 용탕(20)을 용탕 배출구 방향으로 균일하게 가압할 수 있도록 상기 용탕 저장로(300)의 용탕 배출구 및 상기 주조 몰드(400)의 용탕 유입구와 수평으로 일직선 상으로 가압하게 배치될 수 있다.
이하에서, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법의 과정에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 티타늄 주조 부품의 제조 방법은, 먼저 원료 투입부(11)를 통하여 주조로(Cold herath)(100) 내에 티타늄 스폰지 등의 원료 물질(10)을 투입한다(S10).
그리고, 상기 주조로(100)의 상부에 설치된 플라즈마 건(200)에서 플라즈마(210)를 발사하여 상기 원료 물질(10)을 상기 주조로(100) 내에서 용해하여 반응고 상태의 용탕(20)을 생성한다(S20).
또한, 상기 용탕 생성 단계(S20)에서 원료 물질(10)은, 상기 주조로(100) 내에서 용해되는 중에 무거운 불순물을 침감하여 스칼(skull)에 포집되고(S21), 상기 주조로(100) 내에서 용해되는 중에 가벼운 불순물들은 부유하여 플라즈마 또는 전자 빔 등에 의하여 기화되어 제거된다(S22).
상기 주조로(100) 내의 용탕은 상기 주조로(100)와 연결된 상기 용탕 이송로(600)로 이송되고, 상기 용탕 이송로에(600)에 이송된 용탕은 자중(중력)에 의하여 용탕 저장로(300)로 이송된 후 도 3에 도시된 바와 같이 상기 용탕 저장로(300)에 채워진다(S40).
이 때, 상기 용탕 저장로(300)의 주위에 설치된 가열 장치(320)에 의하여 상기 용탕 저장로(300)에 저장된 용탕의 온도를 조절하고(S31), 상기 용탕 저장로(300)에 저장된 용탕의 산화를 방지하기 위하여 상기 용탕 저장로(300) 외측에 설치된 진공유지장치(미도시)에 의하여 상기 용탕 저장로(300) 주위를 진공으로 유지한다(S32).
또한, 상기 용탕 이송로(600)의 주위에 설치된 열선 등과 같은 가열 장치(610)에 의하여 상기 용탕 이송로(600)를 통하여 이송하는 용탕의 온도를 조절하고(41), 상기 용탕 이송로(600)를 통하여 이송되는 용탕의 산화를 방지하기 위하여 상기 용탕 이송로(600) 외측에 설치된 진공유지장치(미도시)에 의하여 상기 용탕 이송로(600) 주위를 진공으로 유지한다(S42).
이러한 상태에서, 상기 용탕 저장로(300)의 일단부에 형성된 용탕 배출구를 막고 있는 용탕 플러그(310)에 주조 몰드(400)를 위치시키고, 상기 용탕 플러그(310)를 제거한 후 도 4에 도시된 바와 같이 상기 주조 몰드(400)의 용탕 유입구를 용탕 저장로(300)의 용탕 배출구에 연결한다(S51).
그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 용탕 저장로(300)의 타단부에 설치된 피스톤(500)으로 상기 반응고 상태의 용탕(20)을 용탕 배출구 방향으로 가압하여 상기 주조 몰드(400) 내에 주입하고(S60), 상기 주조 몰드(400) 내에 주입된 용탕에 의하여 티타늄 주조 부품(410)을 연속적으로 주조할 수 있다.
또한, 상기 용탕 생성 단계(S20)에서 반응고 상태의 용탕(20)은 부피 기준으로 고상 20~40% 분율과 액상 60~80% 분율의 비율로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 고상 30% 분율과 액상 70% 분율로 이루어져 있으므로, 상기 피스톤(500)의 가압에 의하여 용이하게 주조 몰드(400) 내로 주입되어 상기 주조 몰드(400)에 주입된 용탕에 의형 티타늄 주조 부품(410)을 연속적으로 주조할 수 있다.
100: 주조로 200: 플라즈마 건
300: 용탕 저장로 400: 주조 몰드
500: 피스톤 600: 용탕 이동로

Claims (8)

  1. 주조로(Cold herath) 내에 원료 물질을 투입하는 원료 물질 투입 단계,
    플라즈마 건을 이용하여 상기 원료 물질을 상기 주조로 내에서 용해하여 반응고 상태의 용탕을 생성하는 용탕 생성 단계,
    상기 주조로 내에서 생성된 반응고 상태의 용탕을 용탕 저장로에 채우는 용탕 채움 단계,
    상기 용탕 저장로의 일단부에 형성된 용탕 배출구를 막고 있는 용탕 플러그에 주조 몰드를 위치시킨 후 용탕 플러그를 제거하는 용탕 플러그 제거 단계,
    상기 용탕 저장로의 타단부에 설치된 피스톤으로 가압하여 상기 반응고 상태의 용탕을 주조 몰드 내에 주입하는 용탕 주입 단계, 및
    상기 용탕 주입 단계에 의하여 주조 몰드 내에 주입된 용탕에 의하여 티타늄 주조 부품을 주조하는 부품 주조 단계
    를 포함하는 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주조로 내의 용탕을 상기 주조로와 연결된 상기 용탕 이송로를 통하여 상기 용탕 저장로로 이동하는 용탕 이송 단계를 포함하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용탕 채움 단계는 상기 용탕 저장로에 저장된 용탕의 온도를 조절하기 위한 저장 용탕 온도 조절 단계를 포함하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용탕 채움 단계는 상기 용탕 저장로 주위를 진공으로 유지하기 위한 저장 용탕 진공 유지 단계를 포함하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 용탕 이송 단계는 상기 용탕 이송로를 통하여 이송하는 용탕의 온도를 조절하기 위한 이송 용탕 온도 조절 단계를 포함하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용탕 이송 단계는 상기 용탕 이송로 주위를 진공으로 유지하는 이송 용탕 진공 유지 단계를 포함하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용탕 생성 단계에서 반응고 상태의 용탕은 고상 30% 분율과 액상 70% 분율로 이루어지는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 피스톤은 상기 용탕을 상기 용탕 저장로의 용탕 배출구 및 상기 주조 몰드의 용탕 유입구와 일직선상으로 가압하는 것인 티타늄 주조 부품의 제조 방법.
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