KR20180065152A - 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법 - Google Patents

티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 티타늄 합금을 주조할 수 있는 주형에 있어서, 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 계면 반응에 의해 형성되는 알파케이스(α-case)를 제어시킬 수 있는 산화이트륨 분말 및 산화 지르코늄 졸을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 상기 주형 코팅제를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형을 제공한다. 따라서 본 발명은 주형 및 티타늄 합금을 주조하기 위한 티타늄 합금 용탕 간의 반응층인 알파케이스의 형성이 억제되어 티타늄 합금의 취성이 저하되어 인장강도 및 연신율이 증가되는 효과가 있다.

Description

티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법{Mold coating agents for titanium alloy castings, mold for titanium alloy casings using the same and manufacturing method thereof}
본 발명은 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 산화이트륨 분말 및 산화 지르코늄 졸을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 이를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 티타늄 합금은 비강도, 비탄성 및 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주 및 해양분야에서 그 사용이 급격히 증가하고 있는 실정이다. 또한, 티타늄 합금은 우수한 비강도 특성으로 인해 항공, 우주산업 등의 분야에 널리 적용되고 있으며, 그 점유율 또한 높아가고 있다.
특히, 티타늄 합금은 현재 개발중인 군수용 및 민수용 항공기, 인공위성 발사용 로켓, 고속선박의 개발에 따라 경량화뿐만 아니라 알루미늄만으로 대처할 수 없는 극도의 내구성 및 내식성을 요구하는 부품들에 사용되고 있는 실정이다. 국내에서도 군수 및 민수용 항공기, 자동차, 고속선박, 식품, 정유, 화학 및 석유 화학 플랜트(plant), 발전설비, 제약, 식품, 의료분야, 스포츠 레저, 유가공 및 환경산업 등의 분야에 적용과 부품에 대한 요구는 높아가고 있으나, 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.
특히 이런 부품들의 종례의 제조법으로 인베스트먼트 주조법(Investment casting)에 의해 제조되어 왔으나, 상기 주조법으로 티타늄 합금을 제조할 경우 주조 과정에서 티타늄 합금 용탕 및 주형이 서로 반응하여 티타늄 합금의 표면에 알파케이스(α-case)를 형성하는 것으로 알려져 있다.
알파케이스는 주형 중의 산소, 질소, 수소 등의 불순물이 주형과 접촉되어 있는 용탕 계면으로 침입하면서 형성되는 취약한 반응층이다. 이러한 알파케이스는 기계적 특성에 악영향을 미치게 되는 취화 영역인데, 인베스트먼트 주조법에 의해 제조된 티타늄 합금의 경우 대부분 알파케이스가 형성되고, 그로 인해 취성이 강해져서 쉽게 깨지는 특성으로 티타늄 합금의 기계적 물성 및 가공성이 저하되는 단점이 있었다.
알파케이스를 제거하기 위해서는 강산을 이용한 케미컬 밀링(chemical milling) 등의 후가공을 필요로 하며, 이로 인해서 환경문제, 비용 상승 및 치수정밀도 저하 문제가 있었다.
현재까지 티타늄 합금 및 복합재료의 정밀주조 시 계면 반응을 제어하기 위해 개발된 방법들로는 크게 산화칼슘(CaO) 등을 기재로 사용하는 방법, 실리카 함량을 조절한 점결제를 사용하는 방법, 지르코늄(Zr) 분말을 첨가하는 방법 등이 있다.
미국 등록특허 제4710481호는 산화칼슘을 이용한 도가니 제작법에 대해 개시하고 있으며, 산화칼슘은 경제적이면서 티타늄과 반응하지 않는 안정한 재료로 알려져 있지만, 주형의 작업 강도를 부여하는 백업 과정 및 왁스 제거 공정에서 흡습성에 의한 주형의 변형으로 주형재료로 사용하기에 부적합한 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2001-0044137호는 일반적인 콜로이달 실리카 점결제의 실리카 성분이 계면 반응에 영향을 미치는 것을 최소한으로 줄이기 위해서 실리카 함량을 30 %에서 3 % 내지 10 %로 감소시킨 반면, 고분자를 3 % 내지 10 % 첨가한 점결제를 개발하였으나, 계면 반응을 완전히 제거하지 못하며, 주형의 충분한 작업강도를 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.
미국 등록특허 제6802358호는 Al2O3, CaO 및 MgO 로 이루어진 주형에 Zr 분말을 첨가하여, 주조 시 티타늄 용탕의 산화를 억제하는 방법을 개발하였으나, 이 방법은 첨가한 Zr 분말을 산화시키지 않고 주형을 소성하기 위해서, 850 ℃의 낮은 온도에서 소성함으로써 주형에 적절한 작업강도를 부여하기 힘들며, Zr의 산화방지를 위해서 보호가스 및 진공상태에서 주형을 소성하는 부가적인 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었다.
이와 같이 인베스트먼트 주조를 이용한 티타늄 합금 주조연구를 통하여 티타늄 합금 용탕의 반응성 또는 미세조직의 변화에 중점을 두고 연구를 수행 중이나 아직까지 완전한 반응층을 억제하여 티타늄 합금을 경제적 및 효과적으로 주조하는 방법은 확립되지 않고 있는 실정이다.
따라서, 티타늄 합금을 주조 시 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 계면 반응을 제어하여 알파케이스의 형성을 억제할 수 있는 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하는 방법에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
미국 등록특허 제4710481호 대한민국 공개특허 제10-2001-0044137호 미국 등록특허 제6802358호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 티타늄 합금을 주조할 수 있는 주형에 있어서, 종래의 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 계면 반응에 의해 알파케이스(α-case)가 형성되는 한계를 극복할 수 있는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제, 상기 주형 코팅제를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형을 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하고, 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제는, 티타늄 합금 주조 시 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 반응층인 알파케이스(α-case)의 형성이 억제되는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계, 왁스(wax) 모형에 상기 코팅제를 코팅하는 단계 및 상기 코팅제가 코팅된 왁스 모형에서 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계는, 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계 및 상기 혼합물을 교반시켜 슬러리화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 왁스는 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법으로 제조된 티타늄 합금 주조용 주형을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금은 인장강도가 750 MPa 내지 950 MPa인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금은 연신율이 5 % 내지 9 %인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금일 수 있다.
본 발명의 일 효과로서, 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 포함된 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제는 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 알파케이스(α-case) 형성을 억제시킬 수 있다.
본 발명의 일 효과로서, 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제에 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 사용하는 경우, 상기 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 티타늄과의 반응성이 낮기 때문에, 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 계면 반응이 억제되어 알파케이스(α-case) 형성이 억제될 수 있고, 이에 따라 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 효과로서, 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증가할 경우, 상기 용탕의 외부 및 내부의 미세조직 차이를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 효과로서, 상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 이용한 티타늄 합금 주조용 주형으로 기계적 물성이 향상된 티타늄 합금이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 효과로서, 취성 특성이 높은 알파케이스(α-case)의 형성이 억제되어, 인장강도 및 연신율 특성이 향상된 티타늄 합금이 제조될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 주조방법을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 주조방법을 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 제공하고, 상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제는 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 산화이트륨 분말 및 상기 산화지르코늄 졸은 상기 티타늄 합금과의 반응성이 억제될 수 있어서, 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 반응층인 알파케이스(α-case)의 형성이 억제될 수 있다.
상세하게는, 산화이트륨 및 산화지르코늄은 티타늄 또는 티타늄 합금보다 표준생성자유에너지(standard free energy of formation, ΔGf 0)가 낮기 때문에, 상기 산화이트륨 분말 및 상기 산화지르코늄 졸은 열역학적으로 티타늄과의 반응이 비자발적으로 일어나서 본 발명의 주형 코팅제 및 티타늄 합금을 주조하기 위한 티타늄 합금 용탕 간의 반응성이 억제될 수 있다. 따라서, 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증가하여, 상기 용탕의 외부 및 내부의 미세조직이 분리되지 않을 수 있다.
또한, 일반적으로 산화지르코늄에 산화이트륨을 첨가하면 상온에서도 안정한 물질이 되며, 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)라는 세라믹 재료로서 높은 경도 및 화학적 안정성이 필요한 곳에 내화물로 많이 사용되고 있다. 이러한 원리를 바탕으로 본 발명에서는 산화지르코늄 졸에 안정화 원소인 산화이트륨 분말을 첨가하여 제조된 티타늄 합금 주형 코팅제를 사용함으로써, 티타늄 용탕이 주형과 접촉했을 때 접촉면에서의 계면 반응이 억제되어 알파케이스(α-case) 형성이 억제될 수 있다. 이에 따라 상기 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증가하여 상기 티타늄 합금 용탕의 외부 및 내부의 미세조직 차이를 감소시켜 티타늄 합금의 외부 및 내부가 균일한 성분을 포함하도록 제조될 수 있다.
한편, 알파케이스는 티타늄 또는 티타늄 합금이 공기 또는 산소에 노출되었을 때 표면에 생기는 고농축 산소상(oxygen-enriched phase)으로, 취성이 강한 특성이 있는 상(phase)이다. 따라서, 본 발명에서 주물인 티타늄 합금 주조 시 티타늄과 반응성이 낮은 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 이용하기 때문에, 상기 티타늄 합금의 반응층인 알파케이스의 형성이 억제되어 취성이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제에 포함되어 있는 산화지르코늄 졸 및 산화이트륨 분말은 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있을 수 있다. 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말이 0.9 g 미만일 경우 낮은 점성으로 왁스 모형에 균일하게 코팅이 되지 않아 부분적으로 코팅이 되지 않은 부분이 생겨서 티타늄 용탕과 반응하게 되어 바람직하지 않고, 상기 산화이트륨 분말이 1.25 g 초과일 경우 높은 점성으로 왁스 모형에 균일하게 코팅이 되지 않아 바람직하지 않다.
예를 들어, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말은 180 g일 수 있고, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말은 250 g일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 합금을 포함할 수 있다.
Ti-6Al-4V 합금은 25 ℃ 내지 400 ℃ 온도범위에서 높은 비강도 특성을 가지고, 구조적인 안정성과 우수한 부식 저항성을 유지할 수 있는 우수한 특성을 가진 티타늄 합금이며, 본 발명의 티타늄 합금은 일반적으로 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참고하여 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법은 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계(S100), 왁스(wax) 모형에 상기 코팅제를 코팅하는 단계(S200) 및 상기 코팅제가 코팅된 왁스 모형에서 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하는 단계(S300)를 포함한다. 이하 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
보다 도식적으로 각 단계를 살펴보자면, 도 2 내지 도 4는 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하는 과정을 간단하게 나타낸 모식도로, 왁스 모형(10)을 준비하고(도 2), 상기 왁스 모형(10) 상에 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 포함된 슬러리 형태의 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제(20)를 코팅하고(도 3), 상기 코팅제(20)가 코팅된 왁스 모형(10)에서 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형(30)을 제조하는 과정(도 4)에 대해 설명한다.
먼저, 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비한다(S100).
구체적으로, 상기 혼합물에 포함되어 있는 산화지르코늄 졸 및 산화이트륨 분말은 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있을 수 있다. 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말이 0.9 g 미만일 경우 낮은 점성으로 왁스 모형에 균일하게 코팅이 되지 않아 부분적으로 코팅이 되지 않은 부분이 생겨서 티타늄 용탕과 반응하게 되어 바람직하지 않고, 상기 산화이트륨 분말이 1.25 g 초과일 경우 높은 점성으로 왁스 모형에 균일하게 코팅이 되지 않아 바람직하지 않다.
예를 들어, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말은 180 g일 수 있고, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말은 250 g일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계(S100)는 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계 및 상기 혼합물을 교반시켜 슬러리화 하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 슬러리는 본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제 사용되기 위해 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 적절한 점도로 포함되어 있는 물질이다. 상기 산화이트륨 분말 및 상기 산화지르코늄 졸은 열역학적으로 티타늄과의 반응이 비자발적으로 일어나서 본 발명의 주형 및 주물인 티타늄 합금을 주조하기 위한 티타늄 합금 용탕 간의 반응성을 억제시킬 수 있다. 이에 따라, 추후 티타늄 합금을 정밀주조할 때 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증대되어 상기 용탕의 외부 및 내부의 미세조직이 분리되지 않을 수 있고, 티타늄 합금의 반응층인 알파케이스의 형성을 억제시킬 것으로 추측할 수 있다.
그 다음으로, 왁스 모형에 상기 코팅제를 코팅하는 단계(S200)에 있어서, 상기 왁스 모형은 주조하고자 하는 티타늄 합금 형상과 동일한 형태일 수 있다.
구체적으로, 상기 왁스 모형은 일반적인 인베스트먼트 주조법(investment casting)에 사용되는 주물을 제조하기 위해 주물에 통상적으로 대응하는 형상을 가진 모형일 수 있다.
마지막으로, 상기 코팅제가 코팅된 왁스 모형에서 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조한다(S300).
구체적으로, 본 발명의 주물인 티타늄 합금과 동일한 형태인 왁스 모형을 제거하여, 주물 모양으로 내부에 빈 공간(cavity)이 존재하는 주형을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형은 인베스트먼트 주조법에 사용되는 주형이며, 인베스트먼트 주조법은 복잡한 형상을 가진 금속성 부품, 특히 중공의 부품을 형성하기 위해 일반적으로 이용되는 기술로서, 본 발명은 상기 주조법을 이용하여 티타늄 합금을 정밀주조할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 왁스 모형에서의 왁스는 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 제거될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 왁스는 균열이 거의 발생하지 않는 상태로 제거되어야 잔여물이 남지 않게 제거될 수 있기 때문에, 이러한 제거가 가능한 오토클레이브 내에서 왁스를 제거한다.
예를 들어, 상기 왁스는 왁스의 회수가 가능한 오토클레이브에서 150 ℃, 8kgf 수증기 상태에서 왁스 제거 공정을 거치고 900 ℃ 내지 1000 ℃에서 고온소성 후 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제작할 수 있다
이하, 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 이용하여 제조된 티타늄 합금 주조용 주형에 대하여 설명한다.
본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형은 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 상기 주형 성분으로 포함할 수 있으며, 티타늄 합금 주조 시 티타늄 합금의 반응층인 알파케이스(α-case)의 형성을 억제시키는 효과가 있을 수 있다.
상세하게는, 산화이트륨 및 산화지르코늄은 티타늄 또는 티타늄 합금보다 표준생성자유에너지가 낮기 때문에, 상기 산화이트륨 분말 및 상기 산화지르코늄 졸은 열역학적으로 티타늄과의 반응이 비자발적으로 일어나서 본 발명의 주형 및 티타늄 합금을 주조하기 위한 티타늄 합금 용탕 간의 반응성을 억제시킬 수 있다.
이러한 효과로, 티타늄 또는 티타늄 합금이 공기 또는 산소에 노출되었을 때 표면에 생기는 고농축 산소상(oxygen-enriched phase)인 알파케이스는 상기 산화이트륨 분말 및 상기 산화지르코늄 졸을 포함하는 코팅제와 티타늄 합금을 주조하기 위한 티타늄 합금 용탕 간의 반응성이 억제됨에 따라 알파케이스의 형성이 억제될 수 있으며, 티타늄 합금 용탕의 유동성이 증가하여, 상기 용탕의 외부 및 내부의 미세조직이 분리되지 않을 수 있다.
이하, 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금에 대하여 설명한다.
상기 티타늄 합금은 본 발명의 티타늄 합금 주조용 주형에 티타늄 합금 용탕을 주입하고, 상기 용탕을 굳힌 후 상기 주형을 제거하는 방법으로 제조될 수 있다. 보다 도식적으로 살펴보면, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 주조방법을 간단하게 나타낸 모식도로, 티타늄 합금 주조용 주형(30)에 티타늄 합금 용탕(40)을 주입하고(도 5), 티타늄 합금 용탕을 정밀주조하고 티타늄 합금 주조용 주형을 제거하여 티타늄 합금(50)을 제조할 수 있다(도 6).
본 발명의 실시예에 있어서, 티타늄 합금을 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 제조하면, 종래의 티타늄 합금이 가지는 인장강도 및 연신율이 향상된 티타늄 합금을 제조할 수 있다.
인장강도는 인장시험 시 측정하고자 하는 재료의 일정한 면적에 파단할 때까지의 최대 인장 하중을 가했을 때 나타나는 값이고, 연신율은 인장시험 시 재료가 늘어나는 비율이다.
구체적으로, 본 발명의 상기 티타늄 합금의 인장강도는 750 MPa 내지 950 MPa일 수 있고, 더욱 바람직하게는 850 MPa 내지 950 MPa일 수 있다. 또한, 상기 티타늄 합금의 연신율은 5 % 내지 9 %일 수 있고, 더욱 바람직하게는 8 % 내지 9 %일 수 있다.
보다 더 상세하게는, 티타늄 합금을 주조할 때, 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 반응으로 인해 알파케이스(α-case)가 형성될 수 있다. 상기 알파케이스는 주형 중의 산소, 질소, 수소 등의 불순물이 주형과 접촉되어 있는 용탕 계면으로 침입하면서 형성되는 취약한 반응층으로서, 인장강도, 연신율 등의 기계적 물성에 악영향을 미치게 되는 취성이 강한 영역이다. 상기 알파케이스를 억제하기 위해 티타늄 합금과의 반응성이 낮은 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하고, 상기 주형으로 티타늄 합금을 제조하면, 알파케이스 형성이 억제된 티타늄 합금을 제조할 수 있다. 이에 따라, 상기 티타늄 합금의 취성이 저하되어 인장강도 및 연신율이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[제조예 1]
산화이트륨 분말 180 g 및 산화지르코늄 졸 200ml가 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 제조
1. 티타늄 합금 주조용 주형 제조
1-1. 1차 코팅
산화이트륨 분말 180 g, 20 mol% 산화지르코늄 용액 200 ml를 150 rpm으로 12 시간 동안 교반하여 1차 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리를 주조하고자 하는 티타늄 합금 형상과 동일한 형태의 왁스 모형에 1차 코팅하고 1차 건조시킨다.
1-2. 2차 코팅
CSZ(CaO 안정화 지르코니아) 샌드 800 g, 규산 지르코늄 슬러리 200 ml를 150 rpm으로 12 시간 동안 교반하여 2차 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리를 1차 코팅된 왁스 모형에 2차 코팅하고 2차 건조시킨다.
1-3. 3차 코팅
샤모트(chamotte)#6 샌드 600 g, 샤모트 슬러리 200 ml를 150 rpm으로 12 시간 동안 교반하여 3차 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리를 2차 코팅된 왁스 모형에 3차 코팅하고 3차 건조시킨다.
1-4. 4차 내지 9차 코팅
샤모트#4 샌드 600 g, 샤모트 슬러리 200 ml를 150 rpm으로 12 시간 동안 교반하여 4차 내지 9차 슬러리를 각각 제조한다. 상기 슬러리들을 3차 코팅된 왁스 모형에 코팅 및 건조하는 과정을 5번 순차적으로 진행한다.
1-5. 왁스 제거
1차 내지 9차 코팅이 완료된 왁스 모형을 오토클레이브(autoclave)에 넣고, 150 ℃, 8kgf에서 수증기를 이용하여 왁스를 제거하고, 900 ℃ 내지 1000 ℃에서 고온소성 하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하였다.
2. 티타늄 합금 제조
티타늄 합금 주조용 주형에 Ti-6Al-4V 용탕을 주입한 후 원심주조를 이용하여 티타늄 합금을 제조하였다.
[제조예 2]
산화이트륨 분말 200 g 및 산화지르코늄 졸 200ml가 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 제조
상기 제조예 1에서 산화이트륨 분말을 200 g 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 티타늄 합금을 제조하였다.
[제조예 3]
산화이트륨 분말 220 g 및 산화지르코늄 졸 200ml가 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 제조
상기 제조예 1에서 산화이트륨 분말을 220 g 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 티타늄 합금을 제조하였다.
[제조예 4]
산화이트륨 분말 250 g 및 산화지르코늄 졸 200ml가 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 제조
상기 제조예 1에서 산화이트륨 분말을 250 g 사용한 것을 제외하고는 동일하게 수행하여 티타늄 합금을 제조하였다.
[비교예 1]
티타늄 합금 주조용 주형을 이용한 티타늄 합금 제조
상기 제조예 1에서 1차 코팅을 제외하고는 동일하게 수행하여 티타늄 합금을 제조하였다.
[실험예 1]
티타늄 합금의 인장강도 및 연신율 분석
산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸이 포함된 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금의 기계적 물성을 평가하기 위해 인장강도 및 연신율을 분석하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이고, 표 1은 상기 도 7의 그래프에서 인장강도 및 연신율 값을 나타낸 결과이다.
[표 1]
Figure pat00001
도 7 및 표 1을 참조하면, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말이 180 g 내지 220 g인 제조예 1 내지 제조예 3의 경우, 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸로 코팅되지 않은 비교예 1보다 인장강도 값이 증가한 것을 확인하였다. 반면에, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말이 250 g인 제조예 4의 경우, 비교예 1 보다 인장강도 값이 낮아졌지만, 연신율은 비교예 1 보다 증가한 것을 확인하였다. 특히, 산화지르코늄 졸이 200 ml일 때 산화이트륨 분말이 180 g인 제조예 1은 인장강도가 920 MPa이고 연신율이 8.5 %로 인장강도 및 연신율이 비교예 1보다 모두 증가된 것을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 산화지르코늄 졸이 200 ml 및 산화이트륨 분말 180 g을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제가 코팅된 주형으로 티타늄 합금을 제조하였을 때, 인장강도 및 연신율이 종래의 티타늄 합금보다 증가하는 것으로 보아, 티타늄 합금 주조 시에 알파케이스 형성이 제어되어 취성이 저하된 것으로 판단할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 왁스(wax) 모형
20 : 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제
30 : 티타늄 합금 주조용 주형
40 : 티타늄 합금 용탕
50 : 티타늄 합금

Claims (11)

  1. 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하고,
    상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제는,
    티타늄 합금 주조 시 티타늄 합금 용탕 및 주형 간의 반응층인 알파케이스(α-case)의 형성을 억제시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제.
  4. 산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 포함하는 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계;
    왁스(wax) 모형에 상기 코팅제를 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅제가 코팅된 왁스 모형에서 왁스를 제거하여 티타늄 합금 주조용 주형을 제조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 티타늄 합금 주조용 주형 코팅제를 준비하는 단계는,
    산화이트륨 분말 및 산화지르코늄 졸을 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 및
    상기 혼합물을 교반시켜 슬러리화 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 혼합물은 상기 산화지르코늄 졸 1 ml를 기준으로 상기 산화이트륨 분말 0.9 g 내지 1.25 g이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 왁스는 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법.
  8. 제 4항의 티타늄 합금 주조용 주형 제조방법으로 제조된 티타늄 합금 주조용 주형.
  9. 제 8항의 티타늄 합금 주조용 주형을 이용하여 주조된 티타늄 합금.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 티타늄 합금은 인장강도가 700 MPa 내지 950 MPa인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 티타늄 합금은 연신율이 5 % 내지 9 %인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.
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