KR20180021533A - 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드 및 그 제조방법 - Google Patents

티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

티타늄 합금 분말의 분말 단조를 이용하여 제조되는 커넥팅 로드 및 그 제조방법이 개시된다. 커넥팅 로드는, 티타늄 합금 분말을 분말 단조하여 형성되며, 상기 티타늄 합금 분말의 분말 단조 후 단조재는, 티타늄 합금의 이론밀도 대비 99.9% 이상의 상대 밀도를 갖고, (0001) 방향으로의 집합조직을 가지며, 1000 MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드 및 그 제조방법{CONNECTING ROD OF TITANIUM ALLOY POWDER AND MANUFACTURING METHOD FOR THE CONNECTING ROD}
본 발명은 자동차 등의 기계 부품에 사용되는 커넥팅 로드에 관한 것으로, 티타늄 합금 분말 소재의 고강도 커넥팅 로드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
커넥팅 로드는 피스톤 핀과 크랭크 축을 연결하는 부품으로 스몰 엔드, 아이 빔, 빅 엔드 및 빅 엔드 체결용 볼트로 구성되며, 피스톤에 작용하는 폭발 압력을 크랭크축의 회전운동으로 변환시키는 역할을 한다. 또한, 커넥팅 로드는 폭발 압력에 의한 압축 응력과 피스톤의 관성력에 의한 인장 응력을 견디기 위해 높은 강도와 베어링의 하중 부담을 줄이고 진동을 작게 하기 위해 낮은 밀도를 갖는 소재가 필요하다. 이에 기존 커넥팅 로드 소재는 탄소강, 크롬-몰리브데늄강, 니켈-크롬강 등의 특수 내열강 등이 사용되고 있으며, 무게 감소를 위해 두랄루민 등의 알루미늄 합금도 적용되고 있다. 기존의 커넥팅 로드의 제조방법은 특수 내열강 및 알루미늄 합금 빌렛을 커넥팅 로드 형상의 금형을 통해 수 차례의 열간 단조 공정 및 후 기계 가공을 통해 제조하고 있다.
대표적인 티타늄 합금은 무게비로 6wt%의 알루미늄과 4wt%의 바나듐이 혼합된 티타늄-알루미늄-바나듐 합금이 있다. 이러한 합금은 타 조성 대비 기계적 강도와 연성을 동시에 충족시키며, 내부식성이 우수하다는 장점이 있다. 이에 고비강도 특성이 우수한 티타늄 합금 등이 고성능 엔진에 일부 적용되고 있다. 또한, 최고급 사양의 자동차에는 우수한 비강도와 내열 특성을 갖는 티타늄 합금이 적용되고 있다.
그러나, 티타늄 합금은 우수한 특성에도 불구하고 높은 제조 공정 단가로 인해 철강이나 알루미늄 소재 대비 그 적용성이 매우 제한적이다. 이를 극복하기 위해, 분말 단조 공정 기술을 통한 실형상 티타늄 합금 부품을 제조하는 기술을 개발 중에 있다. 이들 중, 분말 단조 공정은 5% 내외의 폐기공을 갖는 분말 소결체를 단조 공정을 통해 완전 치밀화 및 형상화 시키는 기술로서, 타 분말 공정 대비 소성 변형으로 인한 높은 강도 특성을 갖는 장점이 있다. 그런데 기존 티타늄 합금의 커넥팅 로드 제조 공정은 티타늄 합금 원료 소재를 용융시켜 빌렛을 제작한 후, 이를 단조 등과 같은 후처리 공정을 통해 형상화시킨 후, 열처리 및 후 기계 가공 등으로 구성되어 있다. 특히 기존 단조 공정의 경우, 공정 특성 상, 하나의 단조재 내부에서 부위별 압하율 차이로 인한 미세조직 및 기계적 물성의 편차가 발생한다. 그리고 이와 같은 미세조직 및 기계적 물성의 편차로 인해 제조된 커넥팅 로드의 성능 편차 등이 발생할 가능성이 높아 신뢰성에 문제를 가지게 된다.
대한민국 등록특허공보 10-0725209 (등록공고 2007.06.04.) 대한민국 등록특허공보 10-0658158 (등록공고 2006.12.15.) 대한민국 등록특허공보 10-0565558 (등록공고 2006.03.30.)
본 발명의 실시 예들에 따르면, 분말 단조 공정을 통해 제조되며 기존 티타늄 합금 대비 고강도 특성을 갖는 고강도 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예들에 따르면, 커넥팅 로드는, 티타늄 합금 분말을 분말 단조하여 형성되며, 상기 티타늄 합금 분말의 분말 단조 후 단조재는, 티타늄 합금의 이론밀도 대비 99.9% 이상의 상대 밀도를 갖고, (0001) 방향으로의 집합조직을 가지며, 1000 MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 한다.
일 측에 따르면, 상기 단조재는, 두께 방향의 수직면에 대하여 측정된 (0001), (1011), (1010) 면의 극점도 강도 중, (0001) 면의 극점도 강도가 30 이상인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 극점도는 결정 방위의 완전 랜덤을 의미하는 1과 이에 대비 결정립의 우선 배향 정도가 높을수록 그 값이 커지며, 상기 극점도 상의 측정 강도는 0° ∼ 90°의 방향이다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법은, 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계, 상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계및 상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계를 포함하고, 상기 티타늄 합금 혼합 분말은, 순도 99.9%, 산소 농도 2000ppm 이하, 입도 150㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
또는, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법은, 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계, 상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계및 상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계를 포함하고, 상기 분말 성형체를 형성하는 단계는, 상기 티타늄 합금 분말을 50 ∼ 600 MPa의 압력으로 냉간 압축 성형하고, 형성된 상기 분말 성형체는 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 60 ∼ 70%의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또는, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법은, 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계, 상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계및 상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계를 포함하고, 상기 분말 소결체를 형성하는 단계는, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 93 ∼ 96%의 상대 밀도를 갖는 분말 소결체를 형성하도록 고진공 및 불활성 기체 분위기, 1250 ∼ 1350의 온도에서 30 ∼ 240분 동안 치밀화를 실시하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법은, 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계, 상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계및 상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계를 포함하고,
상기 열간 프레스 단조하는 단계는, 단조된 단조재가 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 99.9% 이상의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 한다.
일 측에 따르면, 상기 열간 프레스 단조 단계는, 950 ∼ 1100℃의 온도와, 변형률 속도 0.001 ∼ 0.01/초의 조건에서 실시하고, 상기 단조재의 전체 영역에서 유효 변형률이 0.15 ∼ 0.30 이고, 국부적으로 상기 단조재의 서로 다른 위치 영역에서 유효 변형률 차이가 0 ∼ 0.15 인 것을 하는 것을 특징으로 한다.
일 측에 따르면, 상기 열간 프레스 단조 단계 이후에, 상기 열간 프레스 단조에 의해 형성된 단조재를 후 기계 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예는 아래의 효과 중 하나 이상을 가질 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 커넥팅 로드의 부위별로 균질한 미세조직과, (0001) 방향으로 집합조직을 가지며, 1000MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 동시에 갖는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 단조전 소결체의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드의 제조방법에 따라 단조된 단조재의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예와 다른 단조 온도에서 단조된 단조재의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 커넥팅 로드의 미세조직이다.
도 7은 도 5의 단조 온도에서 단조된 단조재의 미세조직이다.
도 8과 도 9는 본 발명의 실시 예와 다른 변형률 속도로 단조된 단조재의 미세조직이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드(100) 및 제조방법에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드(100)의 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드(100)의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 3은 단조전 소결체의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 커넥팅 로드의 제조방법에 따라 단조된 단조재의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예와 다른 단조 온도에서 단조된 단조재의 극점도 시험결과를 보여주는 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 커넥팅 로드의 미세조직이고, 도 7은 도 5의 단조 온도에서 단조된 단조재의 미세조직이고, 도 8과 도 9는 본 발명의 실시 예와 다른 변형률 속도로 단조된 단조재의 미세조직들이다.
도 1을 참조하면, 커넥팅 로드(100)는 엔진의 피스톤 핀(미도시)과 크랭크 축(미도시)를 연결하는 부품으로, 피스톤에 작용하는 폭발 압력을 크랭크축의 회전운동으로 변환시키는 역할을 한다. 예를 들어, 커넥팅 로드(100)는 스몰 엔드(110), 아이 빔(120), 빅 엔드(130)로 구성된다.
여기서, 빅 엔드(130)는 반원형으로 2개로 분할되어서 빅 엔드 체결용 체결부재(140)에 의해 체결되도록 구성된다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 커넥팅 로드(100)의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
커넥팅 로드(100)는 피스톤에 작용하는 폭발 압력에 의한 압축 응력과 피스톤의 관성력에 의한 인장 응력을 견딜 수 있도록 높은 강도를 갖고, 베어링의 하중 부담을 줄이고 진동을 작게 하기 위해서 낮은 밀도를 갖는 소재로 형성된다. 본 실시 예에서는 후술하는 바와 같이, 티타늄 합금 분말을 이용하여 분말 단조 공정으로 커넥팅 로드(100)를 제조한다. 그리고 이와 같이 제조된 커넥팅 로드(100)는 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 99.9% 이상의 상대밀도를 갖고, 균질한 미세조직과, (0111) 방향으로의 집합조직을 가지며, 1000MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 갖는다. 또한, 커넥팅 로드(100)는 두께 방향의 수직면에 대하여 측정된 (0001), (1011), (1010) 면의 극점도 강도 중, (0001) 면의 극점도 강도가 30 이상인 특징을 갖는다.
본 실시 예들에 따르면, 커넥팅 로드(100)는 티타늄 합금으로 제조되므로 기계적 강도와 연성을 동시에 갖는다. 또한, 커넥팅 로드(100)는 티타늄 합금 분말을 이용하여 분말 단조 공정을 통해 제조되므로, 커넥팅 로드(100) 전체에 대해서 균일한 미세조직 및 기계적 물성치를 가지므로, 높은 품질을 갖는다.
본 실시 예들에 따른 커넥팅 로드의 제조방법은 분말 단조 공정을 이용하여, 분말 소결체를 열간 프레스 단조 공정을 통해 완전 치밀화 및 형상화시키게 된다.
도 2를 참조하면, 우선, 티타늄 합금 혼합 분말을 형성한다(S11).
예를 들어, 티타늄 분말 90wt%, 알루미늄/바나듐 합금 분말 10wt%이 혼합 사용된다. 또는 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, 및 Ti-5Al-2.5Sn 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 가장 널리 사용되는 Ti-6Al-4V 티타늄 합금을 이용하여 커넥팅 로드를 제조하는 공정을 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 티타늄 합금의 경우에도 본 실시 예들에 따른 제조방법이 사용될 수 있다 할 것이다.
티타늄 합금 혼합 분말은, 티타늄에 무게비로 6wt%의 알루미늄과 4wt%의 바나듐이 혼합 형성되어서 Ti-6Al-4V 티타늄 합금 분말이 형성된다. 또한, 티타늄 합금 혼합 분말은 순도 99.9%, 산소 농도 2000ppm 이하, 입도 150㎛ 이하인 특징을 갖는다.
여기서, 분말 입도가 작을수록, 순도가 낮을수록, 특히 산소농도가 2000ppm 이상인 경우, 연신율이 급격하게 저하된다. 즉, 산소 및 탄소 오염과 관련된 내용으로서 분말이 산소농도가 위의 2000ppm을 넘을 경우, 소결체의 물성 (연신율) 이 저하되어, 커넥팅 로드가 단조되지 않는다.
다음으로, 티타늄 합금 혼합 분말을 커넥팅 로드 형상으로 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성한다(S12).
분말 성형체를 형성하는 단계에서는, 형성된 티타늄 합금 혼합 분말을 커넥팅 로드(100) 형상의 금형에 주입하고 소정 압력으로 냉간 압축한다. 예를 들어, 금형은 스몰 엔드(110), 아이 빔(120), 빅 엔드(130)로 형성되는 커넥팅 로드(100) 형상을 갖고, 금형에 주입된 티타늄 합금 혼합 분말을 50 ∼ 600 MPa의 압력으로 냉간 압축 성형한다. 여기서, 냉간 압축 성형 시, 압력이 50MPa 이하인 경우, 분말 성형 자체가 어렵다. 그리고 냉간 압축 성형 시, 압력이 600MPa 이상인 경우에는, 일반 분말 성형 금형으로 성형이 어렵다. 따라서, 상술한 50~600 MPa 의 압력 범위 내에서 냉간 압축 성형을 하여야, 소결 후 93~96%의 밀도를 갖는 소결체 제작이 가능하다.
그리고, 형성된 분말 성형체는, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 60 ∼ 70%의 상대 밀도를 갖는다.
다음으로, 냉간 압축 성형된 분말 성형체를 가열하여 치밀화시켜서 분말 소결체를 형성한다(S13).
분말 소결체를 형성하는 단계에서는, 분말 성형체를 소정 온도에서 가열함으로써 티타늄 합금 혼합 분말 입자들 사이에 결합력을 높이고 치밀화시키게 된다. 분말 소결체는, 분말 성형체를 고진공 및 불활성 기체 분위기와, 1250 ∼ 1350℃의 온도에서 30 ∼ 240분 동안 가열한다. 그리고 이와 같이 형성된 분말 소결체는 치밀화되어, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 93 ∼ 96%(4.12~4.25g/㎤)의 상대 밀도를 갖게 된다.
다음으로, 소결이 완료된 분말 소결체를 열간 프레스 단조하여 고강도 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드(이하, '단조재'라 함)를 제조한다(S14).
열간 프레스 단조 단계에서는, 분말 소결체를 소정의 단조 프레스 다이에 두고, 일정한 압력을 가함으로써 밀도를 높이게 된다. 상세하게는, 열간 프레스 단조 단계는, 분말 소결체를 950 ∼ 1100℃의 온도와, 변형률 속도 0.001 ∼ 0.01/초의 조건에서 가압한다. 그리고 열간 프레스 단조 단계 후 제조된 단조재는, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 99.9% (4.25g/㎤)) 이상의 상대 밀도를 갖게 된다. 또한, 열간 프레스 단조 단계를 통해, 단조재는 전체 영역에서 유효 변형률이 0.15 ∼ 0.30 이고, 국부적으로 단조재의 서로 다른 위치 영역에서 유효 변형률 차이가 0 ∼ 0.15 인 특징을 갖는다.
그리고 열간 프레스 단조로 제조된 단조재를 살펴보면, 도 3에 도시한 바와 같이, 균질한 미세조직과, (0111) 방향으로의 집합조직을 갖는 것을 알 수 있다.
다음으로, 열간 프레스 단조 단계 후에, 단조재에 후 기계 가공을 수행할 수 있다.
예를 들어, 단조가 완료된 단조재에서 버를 제거하고, 빅 엔드를 파단시키는 가공 및 쇼트 블라스트 등의 가공을 실시할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 99.9% 이상의 상대밀도를 갖고, 균질한 미세조직과, (0111) 방향으로의 집합조직을 가지며, 1000MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 동시에 갖는 것을 특징으로 하는 고강도/고인성 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드를 제조할 수 있다. 또한, 커넥팅 로드(100)는 두께 방향의 수직면에 대하여 측정된 (0001), (1011), (1010) 면의 극점도 강도 중, (0001) 면의 극점도 강도가 30 이상인 특징을 갖는다.
참고적으로, 극점도는 결정 방위의 완전 랜덤을 의미하는 1과 이에 대비되는 결정립의 우선 배향 정도가 높을수록 그 값이 커지며, 극점도 상의 측정 강도는 0° ∼ 90°의 방향이다. 즉, 본 실시예에 따른 커넥팅 로드(100)는, 결정립들이 (0001) 면으로 극점도 강도가 30 이상의 집합조직을 가지며, 이로 인해 항복강도가 1000 MPa 이상 나온다는 것을 의미한다.
상세하게는, 도 3에 도시한 바와 같이, 모든 결정립이 랜덤한 방향을 갖고 있을 경우, 극점도 강도는 1이다. 따라서, 극점도 값이 1보다 큰 값을 가질수록 결정립들이 특정방위로 배열을 함을 의미하게 된다. 그리고 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서와 같이 950-1100℃의 단조 온도 영역에서 단조된 소재는 (0001) 면에서 최대 강도 34.913의 집합조직 생성함을 확인할 수 있다. 그리고 도 6은 단조 방향에 수직한 수직면을 보여주는 사진으로, (0001) 방향으로의 극점도 강도가 높다는 것은 극점도 분석방향에서 대부분의 결정립들이 (0001) 방향으로 배열해 있음을 의미한다. 즉, 도 6에 도시된 방향이 단조 방향에 수직인 면이므로, 사진상 보이는 결정립들이 (0001) 방향으로 배열되어 있음을 확인할 수 있다.
한편, 티타늄 합금은 결정구조가 alpha와 beta 상으로 구성되어 있는데, 대부분이 alpha 상으로 구성되어 있어, 기계적 강도에도 alpha 상의 미세조직 특성이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. Lutjering 등에 의하면, 위와 같이 (0001) 집합조직이 발달한 경우, 총 18 종류의 HCP slip system 중, a slip은 모두 작동을 하지 않고, c+a slip 인 6 종의 시스템만 작용을 한다. 이와 같은 높은 변형 저항성이 고강도의 원인이라 분석되었다. 그러나 본 실시예에서는 950-1100℃에서 단조하여 1000 MPa 이상의 항복강도를 갖는다. 그러나, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 단조 조건과 다른 조건(950 ℃ 이하)에서 단조된 소재는 항복강도가 900 MPa 내외의 특징을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는, 950 ℃ 이하의 온도에서 단조되는 경우, 조직이 완전히 치밀화되지 않음을 확인할 수 있다. 도 7을 참조하면, 단조재는 기공도 98~99% 내외(도 7에서 검은색 영역이 기공이다)이고, 항복강도가 900 MPa 및 연신율은 4~6%이다.
한편, 도 8과 도 9를 참조하여, 변형률 속도가 단조재의 미세조직에 미치는 영향을 살펴보면, 본 실시예에 따른 변형률 속도 0.001 ∼ 0.01/초와 다른 속도 영역에서 단조된 단조재는 동적 재결정이 일어나서 결정립이 미세하게 변화되므로, 랜덤한 결정립 구조로 변화되는 것을 확인할 수 있다. 참고적으로 도 8은 1.0/초의 변형률 속도에 의해 단조된 단조재이고, 도 9는 10.0/초의 변형률 속도에 의해 단조된 단조재의 미세조직을 보여준다.
본 실시 예들에 따르면, 티타늄 합금 분말을 이용하여 열간 프레스 단조를 실시함으로써, 완전 치밀화시킬 수 있으며, 높은 강도를 갖는 커넥팅 로드를 제조할 수 있다. 또한, 분말 단조를 실시함으로써, 커넥팅 로드 전체에 대해서 균일한 미세조직 및 기계적 물성치를 가지게 되어서, 신뢰성 있는 품질의 커넥팅 로드를 제조할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 커넥팅 로드
110: 스몰 엔드
120: 아이빔
130: 빅 엔드
140: 체결부재

Claims (8)

  1. 커넥팅 로드에 있어서,
    티타늄 합금 분말을 분말 단조하여 형성되며,
    상기 티타늄 합금 분말의 분말 단조 후 단조재는, 티타늄 합금의 이론밀도 대비 99.9% 이상의 상대 밀도를 갖고, (0001) 방향으로의 집합조직을 가지며, 1000 MPa 이상의 항복강도와 10% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단조재는, 두께 방향의 수직면에 대하여 측정된 (0001), (1011), (1010) 면의 극점도 강도 중, (0001) 면의 극점도 강도가 30 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드.
    여기서, 상기 극점도는 결정 방위의 완전 랜덤을 의미하는 1과 이에 대비 결정립의 우선 배향 정도가 높을수록 그 값이 커지며, 상기 극점도 상의 측정 강도는 0° ∼ 90°의 방향이다.
  3. 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계;
    상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계;
    상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 티타늄 합금 혼합 분말은, 순도 99.9%, 산소 농도 2000ppm 이하, 입도 150㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
  4. 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계;
    상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계;
    상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 분말 성형체를 형성하는 단계는, 상기 티타늄 합금 분말을 50 ∼ 600 MPa의 압력으로 냉간 압축 성형하고, 형성된 상기 분말 성형체는 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 60 ∼ 70%의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
  5. 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계;
    상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계;
    상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 분말 소결체를 형성하는 단계는, 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 93 ∼ 96%의 상대 밀도를 갖는 분말 소결체를 형성하도록 고진공 및 불활성 기체 분위기, 1250 ∼ 1350의 온도에서 30 ∼ 240분 동안 치밀화를 실시하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
  6. 티타늄 합금 혼합 분말을 형성하는 단계;
    상기 티타늄 합금 혼합 분말을 냉간 압축 성형하여 분말 성형체를 형성하는 단계;
    상기 분말 성형체를 치밀화시켜 분말 소결체를 형성하는 단계; 및
    상기 분말 소결체를 열간 프레스 단조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 열간 프레스 단조하는 단계는, 단조된 단조재가 티타늄 합금의 이론 밀도 대비 99.9% 이상의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열간 프레스 단조 단계는, 950 ∼ 1100℃의 온도와, 변형률 속도 0.001 ∼ 0.01/초의 조건에서 실시하고, 상기 단조재의 전체 영역에서 유효 변형률이 0.15 ∼ 0.30 이고, 국부적으로 상기 단조재의 서로 다른 위치 영역에서 유효 변형률 차이가 0 ∼ 0.15 인 것을 하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열간 프레스 단조 단계 이후에, 상기 열간 프레스 단조에 의해 형성된 단조재를 후 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 분말 소재 커넥팅 로드의 제조방법.
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