KR20220080434A - 티타늄 합금 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 티타늄 합금 제조 방법은, 티타늄 합금을 준비하는 단계, 티타늄 합금을 제1 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계 및 인발 가공된 티타늄 합금을 하나 이상의 공형 압연롤에 통과시켜 압연하는 공형 압연 가공 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 티타늄 합금 제조 방법을 이용하면, 인발 공정과 공형 압연 공정을 혼합하여, 티타늄 합금의 표면부터 중심부까지 경도 및 미세구조가 균질하게 형성될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

티타늄 합금 제조 방법{Titanium alloy manufacturing method}

본 발명은 티타늄 합금 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 표면부터 중심부까지 경도가 균질할 수 있도록 하는 티타늄 합금 제조 방법에 관한 것이다.

소성가공이란 재료에 외력을 가하여 소성변형 시켜 원하는 모양을 얻을 뿐 아니라 제품의 성질을 개선하는 가공법이다. 중요한 소성가공법에는 인발, 단조, 압연, 압출, 판금성형 등이 있다. 이러한 소성가공법을 이해하기 위해서는 외력에 대한 재료의 반응을 이해해야 할 필요가 있기 때문에 소성가공학에서 일차적으로 역학적인면이 중요시 되었고 이 분야에 상당한 발전이 있었다. 재료가 외력을 받고 소성변형이 되면 조직에도 변화가 생기므로 그 기계적 성질이 변하는 수가 있다. 소성가공에서 적합한 장비를 설계하고 공구나 금형재료를 선정하며, 원하는 가공작업을 어떤 설비로 수행할 수 있는지를 판단하기 위해서는 소재에 가해야 할 하중의 종류와 크기를 알아야 한다. 이러한 소성 가공하는 과정에서 금속 내부에서는 원자들의 줄이 삐뚤어지고 어긋나서 공공과 격자 간 원자 또는 전위들과 같은 여러 종류의 결함이 많이 생긴다. 소성 가공하면 전위뿐만 아니라 응력도 많이 증가하여 더욱 심하게 소성 가공할수록 전위와 같은 결함의 수도 증가하고, 그 속에 저장된 에너지의 양도 증가한다.

이중 압연(Rolling)은 가장 널리 사용되는 소성변형 기술로, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 처리물을 두 원통체의 사이로 지나가게 하는 기술이다. 압연에 의한 두께 감소는 두 원통체에 의해 결리는 압축 응력에 의해 이루어진다.

그러나 문제는 공형 압연 등의 압연 가공의 경우 경도 분포가 표면부가 낮고 중심부가 높아 표면에서부터 중심까지 경도가 균일하지 않은 문제가 있다.

이에 비해, 인발(Drawing)은 도 2에 도시된 바와 같이, 경사진 구멍을 갖는 다이를 통해 출구 쪽에 가해지는 인장력에 의해 금속제를 당기는 방법이다. 인발에 의해 처리물의 단면적은 감소하고 길이는 증가한다.

그러나 인발의 경우에는 공형 압연과 반대로 합금 표면부의 경도가 높고 중심부가 낮아 표면에서부터 중심까지 경도가 균일하지 않은 문제가 있다.

한국공개특허 제10-2006-0040075호 (2006.05.10)

본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 합금의 표면부터 중심부까지 경도 및 미세구조가 균질하게 형성될 수 있는 합금 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 티타늄 합금 제조 방법은, 티타늄 합금을 준비하는 단계; 상기 티타늄 합금을 제1 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계; 및 상기 인발 가공된 티타늄 합금을 하나 이상의 공형 압연 롤에 통과시켜 압연하는 공형 압연 가공 단계;를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 공형 압연 된 티타늄 합금에 열처리 공정을 수행하는 열처리 단계;를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 인발 가공 단계는 소정 횟수 반복된다.

일 실시예에서, 상기 공형 압연 된 티타늄 합금을 제2 다이에 통과시켜 인발하는 추가 인발 가공 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 티타늄 합금 제조 방법은, 티타늄 합금을 준비하는 단계; 상기 티타늄 합금을 하나 이상의 제1 공형 압연 롤에 통과시켜 압연하는 공형 압연 가공 단계; 및 상기 공형 압연 된 티타늄 합금을 제1 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계;를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 공형 압연 된 티타늄 합금에 열처리 공정을 수행하는 열처리 단계;를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 인발 가공 단계는 소정 횟수 반복된다.

일 실시예에서, 상기 공형 압연 된 티타늄 합금을 하나 이상의 제2 공형 압연 롤에 통과시켜 압연하는 추가 공형 압연 가공 단계; 더 포함한다.

본 발명에 따른 합금 제조 방법을 적용하면, 합금의 표면부터 중심부까지 경도 및 미세구조가 균질하게 형성될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 압연을 이용한 성형 공정을 나타낸다.
도 2는 인발을 이용한 성형 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 인발 및 공형 압연 공정을 혼합한 합금 제조 방법의 흐름을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인발 및 공형 압연 공정을 혼합한 합금 제조 방법의 흐름을 나타낸다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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, 본 발명에 의한 티타늄 합금 제조 방법 및 장치의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 인발 및 공형 압연 공정을 혼합한 합금 제조 방법의 흐름을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 인발 및 공형 압연 공정을 혼합한 합금 제조 방법은, 우선 티타늄 합금을 준비하는 단계(S11)에서 시작한다. 본 발명에 다른 합금 제조 방법은 티타늄 합금을 그 예로 제시하였지만, 다른 합금 제조 방법에도 적용될 수 있을 것이다.

그런 다음 준비한 티타늄 합금을 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계(S12)를 수행한다.

이러한 인발 가공 단계는 필요한 횟수만큼 반복되어 수행될 수 있다.

인발은 선재나 가는 관을 만들기 위한 금속의 변경, 가공법이다. 인발은 드로잉(drawing)이라고도 한다. 정해진 굵기의 소선재를 다이(die)라는 틀을 통해서 다른 쪽으로 끌어내어 다이에 뚫려 있는 구멍의 모양에 따른 단면 형상의 선재로 뽑는 작업이다. 이 작업을 신선이라고 한다. 드로잉 재료로서 가장 일반적인 것은 강선과 구리선이며, 이 밖에도 각종 재료가 사용된다. 다이는 일반적으로 공구강으로 만드는데, 근래에는 초경 합금을 사용한 다이가 출연하여 드로잉 기술에 비약적인 발전을 가져왔다.

인발 응력에 영향을 주는 여러 가지 인자로 1) 단면 감소율, 2) 금형의 모양, 3) 재료의 유용 응력, 4) 마찰 등을 들 수 있다. 감소율이 증가하면 인발 시 얻을 수 있는 최대 감소율은 재료가 금형을 빠져나왔을 때 그 재료의 항복 응력을 인발 응력이 초과할 수 없다는 사실로부터 구할 수 있다. 만약 인발 응력이 금형을 통해 가공되어 빠져나온 재료의 항복응력을 초과한다면 그 재료는 금형을 빠져나온 후에도 더욱 변형이 되어 모양이 나빠지거나 끊어지게 된다.

다시 도 3을 참조하면, 인발 가공 단계를 충분히 수행한 후, 티타늄 합금에 대한 공형 압연 가공을 수행한다(S13).

공형 압연 단계(S13)에서는, S12단계를 통해 준비된 티타늄 합금을 하나 이상의 공형 압연 롤에 통과시켜 압연하는 과정을 수행한다.

구체적으로, 압연은 금속의 소성을 이용하여 고온 또는 상온의 금속재료를, 회전하는 2개의 롤 사이로 통과시켜서 여러 가지 형태의 재료, 즉, 판, 봉, 관, 형재 등으로 가공하는 방법이다.

압연에는 고온으로 하는 열간압연과 저온에서 실시하는 냉간압연이 있다. 열간압연에는 압연동력이 작아도 되고, 큰 변형을 쉽게 할 수 있는 장점이 있으며, 단조품과 같은 성질을 압연재에 줄 수가 있다. 그러나 고온으로 인한 산화에 의해 표면이 깨끗하게 되지 못하며, 치수의 정밀도도 좋지 않고 두께가 얇은 것도 만들 수가 없다. 반면에 냉간압연은 아주 얇은 것도 만들 수도 있고, 치수의 정밀도도 좋을 뿐 아니라, 표면도 깨끗하게 할 수가 있다.

그런 다음, 도 3을 참조하면, 티타늄 합금은 추가적으로 열처리 공정을 거칠 수 있다(S14).

열처리는 온도에 의하여 존재하는 상(相)의 종류나 배합이 변하는 재료에 쓰인다. 흔히 사용되는 것은 금속인데, 고온에서 급랭(急冷)하여 보통이면 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질, 한번 담금질한 후 비교적 저온에서 가열하여 담금질로써 저지한 변화를 약간 진행시켜 꼭 알맞은 특성을 가제가 만드는 뜨임, 가열하여 천천히 식힘으로써 금속 재료의 뒤틀림을 바로잡거나 상의 변화를 충분히 끝나게 하여 안정 상태로 만드는 풀림 등의 여러 가지 처리는 모두 열처리의 예시이다. 열처리를 하는 온도, 유지하는 시간, 식히는 속도 등은 재료나 얻고자 하는 특성에 따라 달라진다. 급랭하는 방법으로는 물속에 담그는 것이 보통이지만, 기름이나 액체공기 속에 넣는 일도 있고, 찬 공기나 그 밖의 가스를 뿜는 경우도 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인발 및 공형 압연 공정을 혼합한 합금 제조 방법의 흐름을 나타낸다.

도 4에 도시된 다른 실시예에서는, 티타늄 합금을 준비하는 단계(S21), 티타늄 합금에 대한 공형 압연 가공을 수행하는 단계(S22), 티타늄 합금을 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계(S23) 및 추가적인 열처리 공정 단계(S24)로 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 다른 실시예에서는, 도 3에 도시된 실시예와 달리, 인발 가공 단계와 공형 압연 가공 단계의 순서를 바꿔 수행하는 차이가 있다. 그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 인발 가공 단계와 공형 압연 가공 단계를 혼합하여 수행할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 1차 인발 가공 단계, 1차 공형 압연 단계, 2차 인발 가공 단계, 2차 공형 압연 단계 등으로 구성될 수도 있을 것이다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금 제조 방법을 위한 장치에서는, 티타늄 합금을 1차 인발하기 위한 제1 다이, 제1 다이를 통과한 티타늄 합금에 공형 압연하기 위한 하나 이상의 제1 공형 압연롤, 공형 압연롤을 통과한 통과한 티타늄 합금을 2차 인발하기 위한 제2 다이, 제2 다이를 통과한 티타늄 합금에 공형 압연하기 위한 하나 이상의 제2 공형 압연롤을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 다이는 소정 거리만큼 이격되어 배치되며, 제2 다이는 제1 다이의 내경보다 적은 내경을 갖는다. 티타늄 합금은 각 다이를 인발력에 의해 인발되도록 통과하게 되고, 각 다이를 통과할 때마다 감면율에 따라 직경이 줄어들게 된다. 아울러, 제1 및 제2 다이의 두 개의 다이만 배치되는 것이 아니라, 그 후방에 적어도 하나의 다른 다이가 추가로 배치될 수도 있을 것이다.

공형 압연롤은 회전 동작에 의해 티타늄 합금을 가압하여 티타늄 합금을 전방으로 밀어주어 티타늄 합금을 압연시킨다. 공형 압연롤은 타원형 공형 압연롤과, 그 후방에 배치되는 원형 공형 압연롤을 포함할 수 있다.

타원형 공형 압연롤은 티타늄 합금이 통과하는 단면이 타원형이며, 이를 위해 마주보는 한 쌍의 롤 표면에 반타원형 홈이 형성된다. 그리고 원형 공형 압연롤은 티타늄 합금이 통과하는 단면이 원형이며, 이를 위해 마주보는 한 쌍의 롤 표면에 반원형 홈이 형성된다.

타원형 공형 압연롤과 원형 공형 압연롤은 배치 방향이 서로 90도 만큼 엇갈리게 배치된다. 일 예에서, 타원형 공형 압연롤은 상부 및 하부 롤의 형태로, 원형 공형 압연롤은 좌측 및 우측 롤의 형태를 가질 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 티타늄 합금 제조 방법을 이용하면, 인발 공정과 공형 압연 공정을 혼합하여, 티타늄 합금의 표면부터 중심부까지 경도 및 미세구조가 균질하게 형성될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

1. 티타늄 합금을 준비하는 단계;
   상기 티타늄 합금을 제1 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계; 및
   상기 인발 가공된 티타늄 합금을 하나 이상의 공형 압연롤에 통과시켜 압연하는 공형 압연 가공 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 공형 압연된 티타늄 합금에 열처리 공정을 수행하는 열처리 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 인발 가공 단계는 소정 횟수 반복되는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 공형 압연된 티타늄 합금을 제2 다이에 통과시켜 인발하는 추가 인발 가공 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
5. 티타늄 합금을 준비하는 단계;
   상기 티타늄 합금을 하나 이상의 제1 공형 압연롤에 통과시켜 압연하는 공형 압연 가공 단계; 및
   상기 공형 압연된 티타늄 합금을 제1 다이에 통과시켜 인발하는 인발 가공 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 공형 압연된 티타늄 합금에 열처리 공정을 수행하는 열처리 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
7. 제5 항에 있어서,
   상기 인발 가공 단계는 소정 횟수 반복되는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   
8. 제5 항에 있어서,
   상기 공형 압연된 티타늄 합금을 하나 이상의 제2 공형 압연롤에 통과시켜 압연하는 추가 공형 압연 가공 단계; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
   

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