KR850000618B1 - 고밀도 분말소결 티타늄 합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고밀도 분말소결 티타늄 합금 제조방법

본 발명은 분말야금술에 관한 것으로서, 특히 고밀도 분말소결 티타늄 합금의 제조방법에 관한 것이다.

종래로부터 분말야금 기술자들은 유사한 조성의 주조 또는 단조 합금의 물리적 특성과 비슷하거나 동일한 물리적 특성을 가지며 높은 소결밀도를 보이는 티타늄 기본합금과 같은 구조상 분말금속인 합금을 제조하기 위해 시도하여 왔다. 이러한 목적의 일환으로서, 분말합금의 기공율을 최소로 하여 소결밀도를 이론치에 근접시키기 위한 각종 야금술이 개발되어 왔다. 이에 부언하여, 고밀도로 함으로써 나타나는 효과로서는 주조 또는 단조합금의 강도등의 면에서 거의 동일하며 동시에 견제한 기공율로 인하여 최종제품의 노치감도를 최소로 감소시킬 수 있는 점등을 들 수 있다.

공지 기술로는 열간 또는 냉간가공 및 열간 평형프레스와 같은 2차공정법에 의한 단조품의 밀도와 유사한 밀도를 갖는 분말금속 제품을 제조하는 방법을 예로 들 수 있다. 그러나 상기 2차공정법은 제조단가가 높아지므로 가능한 피해야 한다.

다른 공지 기술로는 액상을 유도하는 온도에서 분말을 소결하여 비교적 밀도가 높은 분말금속제품을 제조하는 방법이 있다. 상기 방법의 분야에서 행해지고 있는 최근의 공정중 대부분은 액상으로 존재하는 시간을 순간적으로 하고 있다. 그러나, 액상을 이용하는 상기 방법에는 여러가지의 문제점, 특히 최종제품에 생기는 취성에 그 결점을 지니고 있다. 부언하면, 상기 방법에는 정확한 소결온도의 제어가 매우 중요한데, 실제적으로 실행하기가 매우 어렵다.

그 밖에도 극히 미세한 입자의 분말로부터 비교적 밀도가 높은 분말금속제품을 제조하는 방법이 있는데 상기 방법에는 미합중국 특허 제3,744,993호에 기재된 바와 같이 미세한 분말을 제조하고 또 제조된 분말의 입도를 올바르게 유지시키기 위한 부수적인 공정이 필연적으로 수반된다. 다른 공지 기술과 다를바 없이 상기 방법에도 중요한 문제점이 없는 것은 아니다. 이러한 관점에서 살펴보면, 미세한 분말을 사용하는 기술에 관련된 대부분의 중요한 문제점은 아마도 작게는 분말의 입도, 크게는 다공성화되는 경향에 있다고 할 수 있을 것이다. 따라서, 확실히 말할 수 있는 것은 다공성 물질의 사용에 수반되는 문제점을 피하든가 최소로 해야 한다는 것이다.

이에 따른 본 발명의 제1목적은 동일한 조성의 단조 티타늄 합금의 물리적 특성과 비슷하거나 동일한 물리적 특성을 갖는 분말소결 티타늄 합금을 제조할 수 있는 분말야금술을 제공하는 것이고, 본 발명의 제2목적은 단일 프레스 및 단일소결공정으로 분말로부터 고밀도 분말소결 티타늄 합금을 제조할 수 있는 분말야금술을 제공하는 것이며, 본 발명의 제3목적은 다공성 물질의 사용에 수반되는 문제점을 최소로 줄임으로써 보다 감소된 양의 미립자를 사용하면서도 근사이론치 밀도를 갖는 분말소결 티타늄 합금을 제조할 수 있는 분말야금술을 제공하는 것으로서, 본 발명의 그밖의 목적은 본 발명을 설명하면서 언급하기로 한다.

본 발명은 만족할만한 밀도를 얻는데 필요한 미립자의 양을 최소로 하면서도 이론치에 근접한 밀도를 가지며 동일한 화학조성인 단조티타늄 합금과 유사한 물리적 특성을 갖는 것이 특징인 분말소결 티타늄합금을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 다음과 같다.

(1) 평균 입자크기가 40미크론 이상인 티타늄 주금속 입자와 평균 입자크기가 20미크론 또는 그 이하이며 상기 티타늄 주금속입자와 합금가능한 합금형성 입자를 준비하고, (2) 상기 티타늄 주금속입자와 합금형성 입자를 합금형성입자의 혼합비는 작게 하면서 혼합하여 이론치밀도에 근접하게 소결될 수 있는 입자혼합제를 형성한 다음, (3) 상기 입자 혼합제를 이론치 밀도에 근접하게 소결될 수 있도록 충분한 압분밀도를 갖는 소기의 형상으로 압분하고, (4) 상기 압분체를 액상으로 존재하는 온도 이하에서 소결한다.

실제적으로 본 발명의 분말소결 티타늄 합금은 적어도 두가지의 특정류의 분말금속입자, 특히 합금형성입자와 티타늄 입자를 서로 혼합하고 압분한 다음 소결공정동안 액상이 존재하지 않게 하는 방법으로 소결한다. 여기서 "합금형성입자"라 함은 합금, 예비합금 처리된 재료 및 이러한 입자의 혼합제를 형성하기위해 결합되는 한가지 또는 그 이상의 기본금속 입자를 포함하는 것이다. 또 "이론치에 근접한 밀도"라 함은 종래 기술의 분말야금술에 의한 유사제품의 밀도보다 높은 밀도를 뜻한다.

합금형성입자의 화학조성은 티타늄과 화학적으로 조화될 수 있어야 하는 점, 즉 티타늄과 합금가능해야하는 점을 제외하고는 중요하지 않다. 비교적 중요한 것은 합금형성입자와 티타늄 주금속입자의 비교확산속도이다. 합금형성입자의 대표적인 재료로는 알루미늄-바나듐합금, 알루미늄-바나듐-주석합금, 알루미늄-주석-몰리브덴-지르코늄 합금을 예로 들 수 있다.

적합한 합금형성입자는 알루미늄-바나듐 합금으로부터 제조한다. 알루미늄과 바나듐의 합금비율은 중요하지 않으나 알루미늄 60％-바나듐 40％ 합금을 사용하면 우수한 결과를 얻을 수 있다.

본 발명에서 합금형성입자의 평균입자크기는 20미크론 또는 그 이하로 하고 있는데, 이것은 공지기술로서 수행할 수 있다. 그러나 미합중국, 오하이오주, 아크론 소재의 유니온 프로세스 인코포레이티드에서 제조한 Szegvari 1-S 분쇄기와 같은 구입 가능한 장치로 합금형성입자를 분쇄하는 것이 좋다고 알려져 있다. 실제적으로 합금형성입자의 평균입자크기는 약 0.5 내지 20.0 미크론의 범위인 것이 적합하며, 최상의 결과를 얻기 위해서는 약 2.0 내지 15.0미크론의 범위로 한정하는 것이 필요하다.

본 발명의 실시에 사용된 티타늄 주금속입자는 본 발명에서는 설명하지 않으며 또 본 발명의 일부를 형성하지 않는 수많은 공지기술로 제조할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시에 사용된 티타늄 주금속 입자의 입자크기는 40미크론 이상으로 해야 하는 것이 중요하며, 40 내지 177미크론의 범위에서는 우수한 결과를 얻을 수 있고, 44 내지 105미크론의 범위로 한정하면 매우 우수한 결과가 나타난다.

티타늄 주금속입자는 화학적으로 순수한 티타늄이겠으나, 본 발명에서 인용하는 "티타늄 주금속"입자는 티타늄 및 티타늄 합금을 포함하며, 한가지 또는 여러가지 합금원소는 소량 또는 미량으로 존재한다.

개략적으로 설명하면, 티타늄 주금속은 티타늄 함량이 90％ 이상이어야 하며, 이것은 최종제품에서 티타늄의 화학적 및 물리적 특성을 가늠하는 기준이 된다.

합금형성입자와 티타늄 주금속입자는 통상적인 방법, 예컨데, 간단한 기계적인 혼합법을 사용하여 함께 혼합하는데, 합금형성입자는 소결중에 만족할만한 밀도가 충분히 유도될 수 있는 양으로 혼합한다. 그러나, 합금형성입자와 티타늄 주금속입자의 혼합제의 주성분은 역시 티타늄 주금속입자이다. 실제적으로 혼합제에 존재하는 티타늄 주금속입자는 70 내지 95중량％(잔부는 합금형성입자)의 범위인 것이 적합하며, 75 내지 92중량％(잔부는 합금형성입자)의 범위로 첨가하면 우수한 결과를 얻을 수 있다.

합금형성입자와 티타늄 주금속입자를 혼합함에 있어서, 입자의 중량％는 압분체가 어떠한 액상도 나타나지 않고 이론치 밀도에 근접하게 성형되어 소결될 수 있는 방식에 따른다. 즉, 티타늄 주금속입자에 대한 합금형성입자의 각종 양 또는 비율은 합금형성입자의 특수한 조성에 따라 정한다. 정하는 기준은 (1) 합금형입자의 입자크기는 20미크론 또는 그 이하일 것과, (2) 혼합제는 충분한 강도로 압분하여 이론치에 근접한 밀도를 갖는 제품으로 소결할 수 있어야 할 것이다.

본 발명의 압분공정은 특별한 절차를 필요로 하지 않고, 다만 충분한 강도로 압분하여 압분체가 이론치에 근접한 밀도를 갖도록 소결할 수 있으면 된다. 통상적인 성형기술이나 평형성형기술 양쪽 모두 사용할 수 있다. 실제적으로는 압분밀도가 이론치의 약 65내지 90％에 달하도록 성형 또는 압분하는 것이 적합한 것으로 나타나며, 이론치의 약 80 내지 90％에 달하도록 처리하면, 우수한 결과를 얻을 수 있다.

접합하게 압분되면 통상적인 방법으로 소결한다. 정확한 소결온도는 합금의 조성 및 각종 성분의 양에 따라 다소 변화하는데, 중요한 것은 소결중에 액상이 존재할 정도의 온도여서는 안된다는 것이다. 티타늄 90중량％와 60/40의 알루미늄 및 바나듐 10중량％로 구성되는 합금에서는 소결시간 1 내지 8시간, 소결온도 약 1149 내지 1288℃가 적합하다.

본 발명에 따라 제조된 합금의 대표적인 물리적 특성은 티타늄 90중량％와 60/40의 알루미늄 및 바나듐10중량％의 합금에 있어서 U.T.S(극한인장강도) 135ksi. Y.S(항복강도) 125ksi, 연신율15％ 및 R.A(단면수축율) 27％이다(실시예 2의 제품).

반면에 ASTM(미국재료 시험협회) B 348에서 설명하는 동일한 화학조성을 갖는 단조합금에서의 특성은 U.T.S 130ksi, Y.S 120ksi, 연신율 10％및 R.A 25％이다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조로 하여 설명하는데, 이것은 본 발명을 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하는 것이 아님을 밝힌다.

[실시예 1]

종래 기술에 따른 것으로서 9.4㎝×1.5㎝×1.5㎝의 소결된 티타늄 90중량％와 60/40의 알루미늄 및 바나듐 10중량％의 합금은 다음과 같이 제조한다. -80mesh인 공칭 60Al/40V 합금분말 10중량％를 -100mesh인 Ti 90중량％와 혼합한다. 혼합제를 강체주형에서 압분밀도가 이론치의 88 내지 90％에 달하도록 7750㎏/㎠(50tsi)로 압분한 다음, 1246 내지 1274℃에서 2시간동안 진공 소결한다. 소결밀도는 이론치의 94.5 내지 96.5％에 달했다. 최종제품의 물리적 특성은 U.T.S 115ksi, Y.S 108ksi, 연신율 6％ 및 R.A. 9％이다.

[실시예 2]

60Al/40V 907.2g을 직경 0.32㎝의 강볼(steel ball) 1814.4g 및 2.3ℓ의 Freon과 함께 Szegvari S-1분쇄기에 넣고 30분동안 분쇄한 다음 빼내어 건조한다. Coulter 계산기로 측정한 평균 입자크기는 약 3.0미크론이었다. 상기 분말에 -100mesh의 Ti을 첨가하고 실시예 1에서와 같이 처리하고 소결한다. 소결밀도는 이론치의 99.3 내지 99.8％에 달했다.

[실시예 3]

분쇄시간을 7분으로 하고 평균입자크기를 약 10미크론으로 한 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.0％에 달했다.

[실시예 4]

약 3628.8g의 분말을 입자크기를 약 6.5미크론으로 분쇄하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.5에 달했다.

[실시예 5]

분쇄기에 Freon 대신에 증류한 H₂O를 사용하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.5％ 내지 99.8％에 달했다.

[실시예 6]

소결온도를 1188 내지 1257℃로 하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.3 내지 99.4％에 달했다.

[실시예 7]

약 4650㎏/㎠(30tsi)로 압분하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 압분밀도는 이론치의 83 내지 84％, 소결밀도는 이론치의 99.0 내지 99.1％에 달했다.

[실시예 8]

뮬라이트볼(Mullite ball)을 사용하여 10미크론 이하의 분말로 분쇄하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.5％에 달했다.

[실시예 9]

-60＋200mesh인 Ti을 사용하는 것외에는 실시예 2의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 99.4％에 달했다.

[실시예 10]

분말을 소성주형의 평형프레스로 4218㎏/㎠(60,000psi)로 압분하여 이론치의 86 내지 88％에 해당하는 아분밀도를 갖는 직경 7.6㎝인 빌레트로 형성시키는 것외에는 실시예 1의 과정을 반복한다. 소결밀도는 이론치의 88 내지 92％에 달했다.

[실시예 11]

실시예 2에서의 Al/V분말을 사용하는 것외에는 실시예 10의 과정을 반복한다. 빌레트의 소결밀도는 이론치의 99.8％에 달했다.

[실시예 12]

-325mesh인 50Al/50V합금, -325mesh인 Sn 및 -100mesh인 Ti의 혼합제를 86Ti-6Al-6V-2Sn합금분말로 형성한다. 상기 혼합제를 실시예 1과 같이 처리하여 소결밀도가 이론치의 약 96.6％에 달하도록한다. 제품의 물리적 특성은 U.T.S 131ksi, Y.S. 113ksi, 연신율 6.5％ 및 R.A 10％이다.

[실시예 13]

42Al-42V-16Sn 합금을 실시예 2와 같이 처리하고 -100mesh인 Ti을 혼합한 다음, 86Ti-6A1-6V-2Sn 합금분말로 형성시키고, 실시예 1과 같이 처리한다. 소결밀도는 이론치의 약 99.9％이다. 제품의 물리적 특성은 U.T.S 152ksi, Y.S 138ksi, 연신율 12％ 및 R.A 16％이다.

본 발명의 이점은 상술한 실시예로부터 뚜렷히 나타나 있다. 예를 들면, 통상적으로 제조된 분말금속 90Ti-6Al-4V 합금은 실시예 1에서 설명한 바와같이 소결밀도가 이론치의 94.5％ 내지 96.5％이며, 본 발명에 따라 제조된 상기와 본질적으로 동일한 90Ti-6Al-4V 합금은 실시예 2에서 설명한 바와 같이 소결밀도가 이론치의 99.3 내지 99.8％에 달하고 있다. 이와 같이 이론치 밀도에 대한 ％의 차이는 이론치 소결밀도의 99.3％ 내지 99.8％에 해당하는 제품은 동일한 조성의 단조합금과 그 화학적 및 물리적 특성이 유사함을 나타내며, 반면에 94.5％ 내지 96.5％에 해당하는 제품은 그렇지 못하다는 점에서 매우 중요한 의의가 있다.

본 발명에서 언급하는 입자크기는 계산기로 측정한 것이며, 또한 입자크기는 평균으로서 사용하는데 상기 계산기로 측정됐을때의 중량비에 따른다.

본 발명에 따라 제조된 합금의 특징은 합금이 비교적 높은 산소량(0.30 내지 0.35중량％에 달함)을 함유함에도 불구하고 여전히 연성이 우수하다는 점이다(연신율 : 12내지 13％). 이것은 유사한 화학조성(산소량 또한 0.30 내지 0.35중량％ 함유하면서)의 주조 또는 단조 합금은 제한된 연성 (연신율 : 5 내지 6％)을 갖는 것에 비하여 뚜렷하다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 합금은 비교적 높은 산소의 존재에도 강도를 지니며 연성에는 아무런 영향을 받지 않는다. 다시 말해서, 본 발명의 합금은 종래의 합금에 비해 확실히 뛰어난 것이다.

본 발명을 실시함에 있어서, 공정 매개변수는 분말금속합금의 최종 소결밀도가 이론치의 적어도 97％에 달하도록 조정하는 것이 바람직하다.

Claims (1)

1. 동일한 화학조성을 갖는 단조 티타늄 합금과 유사한 물리적 특성을 지니며, 이론치에 근접한 밀도를 갖는 고밀도 분말소결 티타늄 합금의 제조방법에 있어서, (1) 평균 입자크기가 40 내지 177미크론의 범위인 티타늄 주금속입자와 평균 입자크기가 0.5 내지 20.0 미크론의 범위이며 티타늄과 합금 기능한 알루미늄-바나듐합금, 알루미늄-바나듐-주석합금, 알루미늄-주석-모리브덴-지르코늄합금 등의 합금형성입자를 준비하고, (2) 티타늄 주금속입자와 상기 합금형성입자를 티타늄 주금속입자는 약 70내지 95중량％이고 잔부는 실질적으로 상기 합금형성입자인 혼합비로 혼합한 다음, (3) 최종제품의 소결밀도가 이론치 소결밀도에 충분히 근접할 수 있도록 이론치 압분밀도의 약 65 내지 90％의 압분밀도를 갖는 소기의 형상으로 압분하고, (4) 압분체가 액상으로 변태하는 온도이하의 승온상태에서 압분체를 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 분말소결 티타늄 합금 제조방법.