KR20200065851A - 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법 - Google Patents
고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅에 의해 고강도 티타늄 적층을 수행할 수 있도록 철을 함유한 티타늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계; 상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계; 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계; 및 상기 잉곳을 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계; 상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계; 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계; 및 상기 잉곳을 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고강도 티타늄 3D 프린팅용 티타늄 분말 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 3D 프린팅에 의해 고강도 티타늄을 제작할 수 있도록 철을 함유한 티타늄 분말을 제조하는 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 티타늄 및 티타늄 합금은 비강도 및 비탄성 그리고 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주 및 해양 분야에서 그 사용이 급격히 증가하고 있으며, 경량화뿐만 아니라 극도의 내구성과 내식성을 요구하는, 알루미늄만으로 대처할 수 없는 군수 및 민수용 항공기, 자동차, 고속선박, 식품, 정유, 화학 및 석유화학 플랜트, 발전 설비, 제약, 식품, 펄프, 종이, 도금 플랜트, 의료분야, 스포츠 레저, 유가공 및 환경산업 등의 분야에서 적용되어 부품으로 사용되고 있다.
이에 따라, 대한민국 등록특허 제10-1854067호 및 제10-1412905호는 가공성 또는 성형성이 우수한 티타늄 강을 제조하는 것을 개시한다.
반면, 주조공정에 의해 티타늄을 제조하는 경우, 냉각하는 과정에서 오랜 시간이 소요되어, 고온에서 오랜 시간 유지되는 것에 의해 Fe-Ti 석출물이 석출된 후에 성장을 하게 되어, 철이 다량 함유되면 조대한 Fe-Ti 석출물이 형성된다.
이때, Fe-Ti 석출물은 금속의 기계적 강도를 향상시키지만, 석출물이 조대하게 형성되면 연성 및 파괴강도가 저하되는 문제점이 발생한다. 이에 따라, 주조공정에 의해 티타늄을 제조하는 경우 조대한 Fe-Ti 석출물의 형성을 방지하기 위해 철 함량에 상한선이 설정되었다.
그러나 3D 프린팅에 의해 티타늄 부품을 제조하는 경우, 연성 및 파괴강도가 저하되지 않으면서 기계적 강도가 높을 것이 요구되며, 이에 따라 Fe의 함량이 높을 것이 요구된다. 일반적으로, 3D 프린팅용 티타늄 분말의 실제 철 농도는 0.05wt% 수준이다. 즉, 연성 및 파괴강도의 저하 없이 3D 프린팅에 의해 티타늄 부품을 제조하기 위해서는, 철이 많이 함유된 티타늄 분말을 이용하여 3D 프린팅을 수행하는 때에 Fe-Ti 석출물이 미세하게 많이 형성될 것이 요구된다.
이에 따라, 티타늄을 이용한 3D 프린팅 제품의 기계적 강도를 높이기 위해서는 철 함량을 높이면서도, 3D 프린팅 시 Fe-Ti 석출물이 미세하게 많이 형성될 수 있도록 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말이 요구된다.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 철의 함량이 높으면서, 3D 프린팅 수행 시 Fe-Ti 석출물이 미세하게 많이 형성될 수 있도록 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계; 상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계; 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계; 및 상기 잉곳을 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법을 제공한다.
상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계는, 상기 프레스 성형물을 피더를 이용하여 연속적으로 장입하며, 20kW 진공아크용해에 의해 상기 잉곳을 제조하는 단계일 수 있다.
상기 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계는, 상기 잉곳의 단부를 뾰족하게 가공한 후 상기 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계일 수 있다.
상기 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계는, 유도가열 출력 50kW 내지 70kW로 상기 잉곳을 용해하면서 아르곤 가스를 13MPa 내지 15 MPa로 분사하는 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 수행되는 것일 수 있다.
상기 철은, 상기 티타늄 분말이 순수 티타늄 분말인 경우, 상기 티타늄 분말 전체에 대하여 0.11 wt% 내지 0.33 wt% 함유될 수 있다.
상기 철은, 상기 티타늄 분말이 티타늄 합금 분말인 경우, 상기 티타늄 합금 분말 전체에 대하여 0.10 wt% 내지 0.26 wt% 함유될 수 있다.
상기 티타늄 합금은, Ti6Al4V일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 상술한 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 의해 제조된 철 함유 티타늄 분말을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는, 상술한 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 의해 제조된 철 함유 티타늄 분말을 3D 프린팅하여 제작된 고강도 티타늄 적층체를 제공한다.
도 1는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 2은 실험예의 순수 티타늄 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표.
도 3는 실험예의 티타늄 합금(Ti6Al4V) 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표.
도 2은 실험예의 순수 티타늄 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표.
도 3는 실험예의 티타늄 합금(Ti6Al4V) 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.
도 1는 고강도 티타늄 3D 프린팅용 철(Fe) 함유 티타늄(Ti) 분말 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 1와 같이, 본 발명의 일 실시예의 상기 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법은, 분말 제조용 티타늄에 대한 성분 분석을 수행하는 단계(S10), 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계(S20), 상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계(S30), 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계(S40) 및 상기 잉곳을 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계(S50)을 포함하여 구성된다.
상기 분말 제조용 티타늄은 티타늄 스폰지, 순수 티타늄, 순수 티타늄 합금 스크랩, 티타늄 합금 잉곳 등일 수 있다. 상기 분말 제조용 티타늄은 상술한 성분 분석의 수행 이전에 표면에 부착된 오일 등의 유기물 또는 산화물 등의 불순물의 제거를 위해, 상기 분말 제조용 티타늄을 산용액을 이용하여 세척될 수 있다.
상기 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계(S20)에서는 상기 성분 분석 수행의 결과에 따라, 추가될 함량의 철 분말을 상기 분말 제조용 티타늄에 혼합한다.
상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계(S30)에서는 혼합된 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 직경 30mm에 높이 10mm로 프레스 성형물로 가공한다. 상기 프레스 성형물의 직경 및 높이는 실험을 위한 것으로서 제조 환경에 따라 다양한 크기로 변형될 수 있다.
상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계(S40)는 상기 프레스 성형물을 피더를 이용하여 연속적으로 장입하며, 20Kw 진공아크용해에 의해 상기 잉곳으로 제조한다. 이때, 잉곳은 직경 500mm-길이 300mm의 원기둥으로 제작될 수 있으며, 이 또한 작업 환경에 따라 다양한 크기 및 형상을 가지도록 제작될 수 있다. 상술한 바와 같이, 진공아크용해에 의해 Fe-Ti 잉곳을 제작하는 것에 의해 티타늄에 목표로 하는 함량의 철이 균일하게 함유된다.
상기 잉곳을 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계(S50)는 상기 잉곳의 단부를 뾰족하게 가공한 후 상기 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 철 함유 티타늄 분말을 제조한다.
일반적인 구형 금속 분말은 VIGA(Vacuum Induction gas Atomization)에 의해 제조되나, 티타늄은 높은 산화 반응성에 의해 VIGA를 적용하는 경우, 알루미나 도가니와 반응하여 산소농도가 높아지는 문제가 발생한다. 반면, EGIA를 적용하는 경우에는 도가니 없이 소재의 끝단을 유도코일로 직접 가열하기 때문에 티타늄 등 고활성 금속 분말의 제조를 가능하게 한다. 이때, 상기 EIGA는 유도가열 출력 50kW 내지 70kW로 상기 잉곳을 용해하면서 아르곤 가스를 13MPa 내지 15 MPa로 분사하면서 수행되는 것일 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예의 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말은, 순수 티타늄 분말인 경우, 상기 철을 상기 티타늄 분말 전체에 대하여 0.11 wt% 내지 0.33 wt% 함유할 수 있다. 이와 달리, 티타늄 합금 분말인 경우, 철을 상기 티타늄 합금 분말 전체에 대하여 0.10 wt% 내지 0.26 wt% 함유할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 상술한 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 의해 제조된 철 함유 티타늄 분말을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는, 상술한 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 의해 제조된 철 함유 티타늄 분말을 3D 프린팅하여 제조된 고강도 티타늄 적층체를 제공한다.
본 발명의 실시예에서 3D 프린팅된 티타늄 적층체는 철을 함유하는 순수 Ti 또는 Ti 합금일 수 있다.
<실험예>
도 2은 실험예의 순수 티타늄 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표이고, 도 3는 실험예의 티타늄 합금(Ti6Al4V) 시편들의 철 함량에 따른 인장강도 분석표이다.
도 2 및 도 3의 철 함량에 따른 인장강도 분석표와 같이, 실험을 위하여, 순수 티타늄과 티타늄 합금에 따라 철의 함량을 다르게 하여 3D 프린팅을 수행하는 것에 의해 시편을 제작하였다.
도 2과 같이, 순수 티타늄의 경우에는 전체 철 함유 티타늄 분말에 대하여 Fe를 0.03 wt%, 0.06 wt%, 0.09 wt%, 0.11 wt%, 0.14 wt%, 0.16 wt%, 0.20 wt%, 0.26 wt%, 0.29 wt%, 0.33 wt%, 0.35 wt%, 0.39 wt% 함유하도록 Fe 함유 티타늄 분말을 제조한 후, 레이저 파워 300W, 스캔 속도 1,000mm/s, 레이저 스폿 크기 120㎛, 헤칭 스페이스(hatching space) 120㎛, 층(layer) 두께 30㎛의 조건으로 3D 프린팅을 수행하여 시편을 제작한 후 인장강도를 측정하였다. 이때 제작된 시편들의 경우 3D 프린팅 과정에서의 급속 승온 및 급속 냉각에 의해 나노 크기의 Fe-Ti 석출물들이 형성됨을 확인하였다.
제작된 시편들에 대한 인장 강도의 측정 결과, 철(Fe)이 0.11 wt% 함유되는 경우에서 인장강도가 크게 향상되었으나, 철이 0.35 wt% 이상인 경우에는 Fe-Ti 석출물이 과대 석출되어 시편이 파단되었다.
도 3와 같이, 티타늄 합금(Ti6Al4V)의 경우에는 전체 철 함유 티타늄 분말에 대하여 철을 0.03 wt%, 0.07 wt%, 0.09 wt%, 0.10 wt%, 0.13 wt%, 0.17 wt%, 0.21 wt%, 0.26 wt%, 0.28 wt%, 0.31 wt%, 0.32 wt% 함유하도록 철 함유 티타늄 분말을 제조한 후, 레이저 파워 300W, 스캔 속도 1,000mm/s, 레이저 스폿 크기 120㎛, 헤칭 스페이스(hatching space) 120㎛, 층(layer) 두께 30㎛의 조건으로 3D 프린팅을 수행하여 시편을 제작한 후 인장강도를 측정하였다. 이때 제작된 시편들의 경우 3D 프린팅 과정에서의 급속 승온 및 급속 냉각에 의해 나노 크기의 Fe-Ti 석출물들이 형성됨을 확인하였다.
철이 0.10 wt% 함유되는 경우에서 인장강도가 크게 향상되었으나, 철이 028 wt% 이상인 경우에는 Fe-Ti 석출물이 과대 석출되어 시편이 파단되었다.
상술한 도 2 및 도 3의 설명에서와 같이, 순수 티타늄으로 제조된 철 함유 티타늄 분말의 경우에는 철을 0.11 wt% 내지 0.33 wt% 함유하는 경우, 및 티타늄 합금으로 제조된 철 함유 티타늄 분말의 경우에는 철을 0.10 wt% 내지 0.26 wt% 함유하는 경우 Fe-Ti 석출물이 나노 크기로 가졌다.
즉, 순수 티타늄으로 제조된 철 함유 티타늄 분말의 경우에는 철을 0.11 wt% 내지 0.33 wt% 함유하는 것이 바람직하고, 티타늄 합금으로 제조된 철 함유 티타늄 분말의 경우에는 철을 0.10 wt% 내지 0.26 wt% 함유하는 것이 바람직하였다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (9)
- 분말 제조용 티타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계;
상기 분말 제조용 티타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계;
상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계; 및
상기 잉곳을 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계는,
상기 프레스 성형물을 피더를 이용하여 연속적으로 장입하며, 20kW 진공아크용해에 의해 상기 잉곳을 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계는,
상기 잉곳의 단부를 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 철 함유 티타늄 분말로 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 3항에 있어서, 상기 철 함유 티타늄 분말을 제조하는 단계는,
유도가열 출력 50kW 내지 70kW로 상기 잉곳을 용해하면서 아르곤 가스를 13 MPa 내지 15 MPa로 분사하는 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 철은,
상기 티타늄 분말이 순수 티타늄 분말인 경우, 상기 티타늄 분말 전체에 대하여 0.11 wt% 내지 0.33 wt% 함유되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 철은,
상기 티타늄 분말이 티타늄 합금 분말인 경우, 상기 티타늄 합금 분말 전체에 대하여 0.10 wt% 내지 0.26 wt% 함유되는 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법. - 제 6항에 있어서, 상기 티타늄 합금은, Ti6Al4V인 것을 특징으로 하는 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법.
- 제 1항의 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말 제조 방법에 의해 제조된 철 함유 티타늄 분말.
- 제 8항의 고강도 티타늄 제작을 위한 철 함유 티타늄 분말을 3D 프린팅하여 제작된 고강도 티타늄 적층체.
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