KR20200078037A - 순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법에 관한 것으로서, 표면처리대상물인 순수 타이타늄을 준비하는 준비단계와, 준비된 상기 순수 타이타늄의 일측 중 표면처리하고자 하는 표면처리영역 주변에 혼합가스를 분사하여 상기 표면처리영역을 대기(大氣)로부터 분리하는 분리단계와, 상기 표면처리영역을 미리 설정된 시간동안 가열하여 용융하는 용융단계와, 상기 혼합가스가 분사되는 상태에서 상기 표면처리영역의 가열동작을 중지한 후 상기 표면처리영역을 응고시키는 응고단계 및 상기 혼합가스의 분사동작을 중지하는 완료단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 순수 타이타늄의 물성이 변화하는 것을 방지하면서도 간단한 공정으로 순수 타이타늄의 표면을 경화할 수 있는 효과가 있다.

Description

순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법{Surface hardening apparatus for pure titanium and Surface hardening method for pure titanium using therof}

본 발명은 순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순수 타이타늄의 물성이 변화하는 것을 방지하면서도 간단한 공정으로 순수 타이타늄의 표면을 경화할 수 있는 순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법에 관한 것이다.

타이타늄(Titanium, Ti)은 우수한 내식성 및 비강도(specific strength)를 가져 다양한 분야의 제품 제조에 활용되고 있으며, 특히, 순수 타이타늄은 해수에 전혀 부식되지 않아 해수 열교환기 등의 제조를 위해 사용되거나, 열교환기나 화학 플랜트의 소재로서도 이용되고 있다.

한편, 합금이 아닌 순도 90%이상의 순수 타이타늄의 경우 강철에 비해 상대적으로 무른 특성을 가지고 있는 바 타이타늄을 산업용으로 사용하기 위해 순수 타이타늄에 철(Fe)등과 같은 기타 물질을 첨가한 타이타늄 합금이 주로 사용되고 있다.

그러나, 타이타늄 합금은 기타 물질을 첨가하기 위한 비용과, 이를 가공하기 위한 가공비용, 인력비용등이 추가되면서 그 제조단가가 크게 증가할 뿐 아니라 제조시간 또한 증대되면서 생산수율이 저하되는 문제점이 발생되는 바 다양한 산업분야의 활용가능성에도 불구하고, 제조단가에 의해 그 사용범위가 한정되는 한계가 있었다.

이에, 간단한 공정으로 순수 타이타늄의 경도를 향상시켜 제조단가를 절감할 수 있는 순수 타이타늄의 표면경화방법에 대한 연구,개발이 지속되고 있으며, 이 중 하나의 방법으로 순수 타이타늄의 표면상에 경질층을 형성하는 방법이 제안된 바 있다.

이러한 순수 타이타늄의 표면상에 경질층을 형성하는 방법을 살펴보면, 먼저, 열처리 장치에 순수 타이타늄을 투입하고 일정 압력하에서 타이타늄을 고온으로 가열하여 산화막을 제거한 후 열처리 장치 내부에 질소, 산소 또는 탄소 중 어느 하나의 가스를 주입하고 고온에서 재가열함으로써 순수 타이타늄의 표면에 피막층이 형성되도록 한다.

그러나, 위와 같은 종래의 순수 타이타늄의 표면경화방법은 순수 타이타늄 표면에 형성되는 경질층의 박리현상을 방지하기 위해서는 산화막 제거 공정이 반드시 요구되는 바 타이타늄 합금의 제조시간에 비해 상대적으로 제조시간을 크게 단축시키기 어려운 문제점이 있었으며, 이로 인해 생산성을 향상시키는데 한계가 있었다.

또한, 순수 타이타늄은 고온환경에서 급격히 산화가 진행되는 단점을 가지고 있는 바 일정 압력과 일정 압력과 700℃이상의 고온에서 피막층을 형성하는 종래의 순수 타이타늄 표면경화방법은 그 과정에서 순수 타이타늄이 산화될 수 있는 리스크를 가질 뿐 아니라 고온 환경에서 순수 타이타늄의 물성이 변화함에 따라 내식성이 저하되는 등의 문제점이 있었다.

한국등록특허 제1418774호 '타이타늄에 경질층을 형성하는 방법 및 이에 의해 경질층을 갖는 타이타늄 합금'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 순수 타이타늄의 물성이 변화하는 것을 방지하면서도 간단한 공정으로 순수 타이타늄의 표면을 경화할 수 있는 순수 타이타늄의 표면경화장치 및 이를 이용한 순수 타이타늄의 표면경화방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 순수 타이타늄 표면을 경화하기 위한 순수 타이타늄의 표면경화장치에 있어서, 하부에 분사구가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부에 설치되고 하방으로 화염을 분사하는 용융부 및 일측이 상기 하우징 일측에 연결되어 상기 하우징 내부로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화장치를 제공한다.

그리고, 상기 하우징은 내부에 상기 용융부가 설치되는 내관과, 상기 내관의 외측을 감싸도록 형성되되 내면이 상기 내관의 외면으로부터 이격되게 형성되는 외관을 포함하여 구성되며, 상기 내관과 상기 외관 하부에 각각 분사구가 형성되고, 상기 혼합가스 공급부는 상기 외관과 상기 내관의 사이공간에 아르곤가스를 공급하는 아르곤가스 공급유닛과, 상기 내관 내부에 질소가스를 공급하는 질소가스 공급유닛을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 표면처리대상물인 순수 타이타늄을 준비하는 준비단계와, 준비된 상기 순수 타이타늄의 일측 중 표면처리하고자 하는 표면처리영역 주변에 혼합가스를 분사하여 상기 표면처리영역을 대기(大氣)로부터 분리하는 분리단계와, 상기 표면처리영역을 미리 설정된 시간동안 가열하여 용융하는 용융단계와, 상기 혼합가스가 분사되는 상태에서 상기 표면처리영역의 가열동작을 중지한 후 상기 표면처리영역을 응고시키는 응고단계 및 상기 혼합가스의 분사동작을 중지하는 완료단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화방법을 제공한다.

아울러, 상기 혼합가스는 아르곤과 질소를 혼합하되, 상기 질소가 3중량% 내지 15중량%인 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 순수 타이타늄의 물성이 변화하는 것을 방지하면서도 간단한 공정으로 순수 타이타늄의 표면을 경화할 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 다른 순수 타이타늄의 표면경화방법을 순서대로 도시한 순서도,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 순수 타이타늄의 표면경화장치를 개략적으로 도시한 도면,
도3은 본 발명의 일시예에 따른 다른 형태의 순수 타이타늄 표면경화장치를 개략적으로 도시한 도면.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 다른 순수 타이타늄의 표면경화방법을 순서대로 도시한 순서도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 순수 타이타늄의 표면경화장치를 개략적으로 도시한 도면이며, 도3은 본 발명의 일시예에 따른 다른 형태의 순수 타이타늄 표면경화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 순수 타이타늄의 표면경화방법은 준비단계(S10)와, 분리단계(S20)와, 용융단계(S30)와, 응고단계(S40) 및 완료단계(S50)를 포함하여 구성된다.

준비단계(S10)는 표면경화하고자 하는 순 타이타늄, 즉 순도 90% 내지 99.9%의 순수 타이타늄을 준비하는 단계이다.

분리단계(S20)는 순수 타이타늄 중 표면경화하고자 하는 일측의 주변영역에 혼합가스를 분사하여 순수 타이타늄의 표면경화영역을 대기(大氣)로부터 분리시키는 단계로서, 이는 후술하는 용융단계에서 순수 타이타늄의 일측을 가열하는 경우 순수 타이타늄의 표면경화영역이 고온환경에서 대기와 접촉되어 산화됨으로써 그 물성이 변형되는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 분리단계(S20)는 혼합가스로서, 아르곤(Ar)과 질소(N)가 혼합된 혼합가스가 사용될 수 있는데, 여기서 아르곤은 표면경화영역 주변에 차폐막을 형성하여 표면경화영역을 대기로부터 격리시키는 역할을 하며, 질소는 용융된 순수 타이타늄 표면에 침투, 즉 타이타늄 원소 사이에 고용됨으로써 순수 타이타늄의 상을 치밀하게 변화시키는 역할을 한다.

아울러, 본 실시예에서는 질소가 3 중량% 내지 15중량%의 함량으로 아르곤과 혼합되는 것이 바람직한데, 이는 질소 함량이 3 중량% 이하인 경우 타이타늄 원소 사이에 고용되는 질소량이 부족하여 순수 타이타늄의 상을 치밀화할 수 없고, 질소 함량이 15 중량% 이상인 경우 질소가 과다하게 투입되어 용융 특성이 바뀌거나 질소 석출물이 생성되어 순수 타이타늄의 물성을 변화시키기 때문이다.

용융단계(S30)는 혼합가스에 의해 표면경화영역 주변에 차폐막이 형성된 상태에서 타이타늄 표면에 직접 열을 가하는 가열수단을 통해 순수 타이타늄의 표면경화영역을 용융하는 역할을 하는데, 이는 순수 타이타늄의 표면경화영역을 용융시켜 혼합가스에 포함된 질소가 원소 사이에 고용될 수 있도록 함과 아울러 이를 통해 표면이 경화되도록 하기 위함이다.

한편, 본 실시예에서 표면경화영역에 혼합가스를 분사함과 아울러 표면경화영역을 용융하기 위한 표면경화장치(1)는 도2에서 보는 바와 같이 하부에 분사구(11)가 형성된 하우징(10)과, 하우징(10) 내부에 설치되고 하방으로 화염을 분사하는 용융부(20) 및 일측이 하우징(10) 일측에 연결되어 하우징(10) 내부로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 표면경화장치(1)는 혼합가스 공급부(30)로부터 하우징(10) 내부로 혼합가스를 공급하는 경우 하우징(10) 내부로 인입된 혼합가스가 분사구(10a)를 통해 외부로 배출되어 표면경화영역에 차폐막을 형성하며, 용융부(20)에서 화염을 분사함에 따라 표면경화영역을 가열,용융하게 된다.

본 실시예에서는 아르곤가스와 질소가스가 혼합가스 공급부(30)에서 미리 혼합되어 공급되는 것이나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 아르곤가스와 질소가스가 외부로 분사되는 과정에서 혼합될 수 있으며, 이를 위해 표면경화장치(1)는 도3에서 보는 바와 같이 하우징(10)이 내관(11)과 외관(12)을 포함하는 이중관으로 형성되고, 혼합가스 공급부(30)가 아르곤가스 공급유닛(31) 및 질소가스 공급유닛(32)을 포함하여 구성된다.

보다 상술하면, 다른 예의 표면경화장치(1)는 아르곤가스 공급유닛(31) 및 질소가스 공급유닛(32)으로부터 하우징(10)의 내관(11)과 외관(12)에 의해 분리된 각 공간부(S1,S2)에 아르곤 가스와 질소가스를 각각 공급하여 아르곤가스와 질소가스가 분사구(11a,12a)를 통해 배출되는 과정에서 혼합분사될 수 있다.

이러한 다른 예의 표면경화장치(1)는 아르곤가스와 질소가스가 일부 혼합되어 표면경화영역 주변에 차폐막을 형성하면서도 질소가스가 아르곤가스와 별도로 분사됨에 따라 용융된 순수 타이타늄 표면에 보다 용이하게 고용될 수 있는 특징을 갖는다.

응고단계(S40)는 용융된 순수 타이타늄의 표면을 응고시키는 단계로서, 순수 타이타늄의 가열동작을 중지하되, 순수 타이타늄의 표면경화영역 온도가 미리 설정된 온도이하에 도달하기까지 혼합가스를 지속적으로 분사하여 표면경화영역의 분리상태가 유지되도록 함으로써 응고과정에서 용융된 순수 타이타늄의 표면경화영역이 대기와 접촉되지 않도록 한다.

마지막으로, 완료단계(S50)는 순수 타이타늄의 표면경화영역이 설정된 온도에 도달하는 경우 혼합가스의 분사동작을 중지함으로써 순수 타이타늄의 표면경화작업을 완료하는 단계이다.

본 출원인은 이와 같은 방법을 통해 순수 타이타늄의 표면경화작업을 실시한 경우 그 경도특성 변화를 살펴보기 위해 다음과 같은 실험을 실시하였다.

먼저, 실험대상으로는 두께 3mm의 ASTM grade2 순수 타이타늄이 사용되었고, 가열수단으로 최대 전류 350A급의 DC 가열기를 사용하였으며, 질소 함유량에 따른 표면용접영역의 특성을 파악할 수 있도록 아르곤 가스 내 질소 함유량을 3~15%(20l/min)로 변경하여 실험하였다.

아울러, 미세조직은 표면경화작업 후 Kroll's (H2O 100ml + HF 3ml + HNO3 5ml)용액으로 부식한 후 광학현미경, SEM 및 TEM으로 관찰하였으며, 성분분석은 EDX와 EPMA를 사용하여 분석하였고, 용융부 내의 질소함유량을 Nitrogen-Oxygen Determinator를 이용하여 정량분석하였으며, 경도는 마이크로비커스 경도기를 사용하여 하중 300g, 유지시간 10초로 측정하였다.

위 사진은 광학현미경 조직과, SEM조직을 나타낸 것으로서, 사진에서 보는 바와 같이 순수 아르곤 가스만 사용한 경우 입계가 지그재그 형상으로 되어 있고, 아르곤과 질소가 혼합된 혼합가스를 사용한 경우 침상조직으로 되어 있음을 알 수 있으며, 질소가스 첨가량이 증가할 수록 침상 조직의 양이 증가하고, 더욱 치밀한 조직임을 확인할 수 있다.

또한, 위 그래프는 순수 타이타늄 표면경화영역(fusion zone)의 경도변화를 나타낸 그래프로서, 순수 아르곤 가스만 사용한 경우 대비 혼합가스를 사용한 경우 경도값이 높아짐을 알 수 있으며, 질소 첨가량이 증가함에 따라 그 경도값 또한 증가함을 확인할 수 있다.

이와 같이 실험을 통해서도 확인된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 순수 타이타늄의 표면경화방법은 그 공정이 매우 간단하여 순수 타이타늄의 표면경화작업에 소요되는 시간을 현저하게 단축시킬 수 있고, 이에 따라 일정 경도를 갖는 타이타늄의 생산성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 순수 타이타늄의 물성변화가 없어 순수 타이타늄 특성에 따른 장점을 극대화시킬 수 있는 특징을 갖는다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 하우징 10a : 분사구
11 : 내관 11a : 분사구
12 : 외관 12a : 분사구
20 : 용융부 30 : 혼합가스 공급부
31 : 아르곤가스 공급유닛 32 : 질소가스 공급유닛

Claims (4)

1. 순수 타이타늄 표면을 경화하기 위한 순수 타이타늄의 표면경화장치에 있어서,
   하부에 분사구가 형성된 하우징과;
   상기 하우징 내부에 설치되고 하방으로 화염을 분사하는 용융부; 및
   일측이 상기 하우징 일측에 연결되어 상기 하우징 내부로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화장치.
   
2. 제3항에 있어서,
   상기 하우징은 내부에 상기 용융부가 설치되는 내관과, 상기 내관의 외측을 감싸도록 형성되되 내면이 상기 내관의 외면으로부터 이격되게 형성되는 외관을 포함하여 구성되며, 상기 내관과 상기 외관 하부에 각각 분사구가 형성되고,
   상기 혼합가스 공급부는 상기 외관과 상기 내관의 사이공간에 아르곤가스를 공급하는 아르곤가스 공급유닛과, 상기 내관 내부에 질소가스를 공급하는 질소가스 공급유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화장치.
   
3. 표면처리대상물인 순수 타이타늄을 준비하는 준비단계와;
   준비된 상기 순수 타이타늄의 일측 중 표면처리하고자 하는 표면처리영역 주변에 혼합가스를 분사하여 상기 표면처리영역을 대기(大氣)로부터 분리하는 분리단계와;
   상기 표면처리영역을 미리 설정된 시간동안 가열하여 용융하는 용융단계와;
   상기 혼합가스가 분사되는 상태에서 상기 표면처리영역의 가열동작을 중지한 후 상기 표면처리영역을 응고시키는 응고단계; 및
   상기 혼합가스의 분사동작을 중지하는 완료단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 혼합가스는 아르곤과 질소를 혼합하되, 상기 질소가 3중량% 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 순수 타이타늄의 표면경화방법.

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