KR950006257B1 - 티타늄합금의 항온단조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

티타늄합금의 항온단조방법

제1도는 본 발명에 의하여 가공열처리된 티타늄합금과, 가공열처리되지 않은 티타늄합금을 항온단조함에 있어서, 단조비와 단조하중의 관계를 도시한 그래프.

제2도는 본 발명에 의한 티타늄합금을 변형 속도를 달리하여 항온단조함에 있어서, 단조비와 단조하중의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 본 발명에 의한 티타늄합금의 조직확대사진.

본 발명은 티타늄합금의 항온단조방법에 관한 것으로, 보다 상세히는,α+β유형의 Ti-6Al-4V 티타늄합금 압연재내에 가공열처리를 통하여 다량의 군집연속α(contiguousα)조직을 생성시킴으로써, 종래의 압연 또는 압출재를 사용한 항온단조방법에 비해 낮은 변형저항(단조하중)의 조건으로 단조가 가능하고, 그리고 단조중 단조조직의 균일화를 이룰수 있기 때문에 후속열처리없이도 기계적 성질이 양호한 단조품을 생산할 수 있는 항온단조방법에 관한 것이다.

항온단조 기술은 티타늄합금의 정밀성형(near net shape forming)기술중의 하나로, 단조금형과 소재를 같은 고온으로 유지하여 단조하는 기술로서, 구미의 항공기 관련업체 및 일본제철소 등지를 중심으로 연구 및 실용화가 주로 이루어져 오고 있다. 항온단조방법은 단조소재가 고온에서 초소성 변형특성을 지닐 때 보여지는 단조 소재의 웅력(σ)과 변형 속도그리고 변형 속도민감계수(m) 사이와 관계,를 이용하는 단조법으로, 일정한 변형 속도를 유지하기 위하여 항온단조 작업중 단조램(ram)의 하강속도를 계속적으로 제어하며 소재를 변형시키는 단조방법이다. 재질의 초소성 변형 특성을 이용하므로 일회의 단조작업만으로도 복잡 형상의 제품을 생산할 수 있는 점이 항온단조 기술의 가장 큰 특징이다. 또한 항온단조방법은 다른 정밀성형기술과 같이 소재의 이용율을 높이고 기계가공등의 후가공공정을 최소화하여 티타늄 소재 부품 가격을 낮추는 효과, 복잡형상의 단조품을 일회의 단조공정으로 제작하므로 작업공정이 간단해져 조업관리가 용이한 장점을 지닌다.

그러나 종래의 티타늄합금의 항온단조방법은 티타늄합금의 압연 또는 압출재를 사용하여 925℃-950℃의 고온에서 이루어지므로, 고온작업에 따라 금형제작 및 유지에 비용이 많이 드는 점, 금형수명이 짧은 점, 초소성 특성을 이용하기 위한 낮은 램 (ram) 하강속도에 의하여 생산성이 낮은 점 및 단조품의 기계적 성질을 고르지 못하게 하는 불균일한 조직이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

이같은 종래 항온단조방법의 문제점을 해소하기 위하여, 낮은 온도에서 항온단조가 가능한 새로운 티타늄합금에 관한 연구 및 고온에서도 오랫동안 사용할 수 있는 새로운 공항소재들에 관한 연구가 행해지고 있으며, 한편으로는 항온단조된 단조품을 다시 소둔하여 조직을 균일화시키는 단조후 열처리방법이 이용되기도 한다.

최근에는 티타늄합금의 물성과 소성변형거동, 단조재와 금형간 계면 마찰등의 자료를 근간으로 CAD/CAM을 활용한 최적 단조 공정의 도출 및 예비성형체의 형상과 칫수 선정 연구등이 행해지고 있다(US Patent 4,617,817 A.Morita et al. : ISIJ International, vol. 31, No.8, 1991, p.827). 그러나 이와같은 방법도 대량생산되고 있는 기존 시장의 티타늄합금을 사용치 못하고 또한 개발에 많은 비용이 소요되는등 여러가지 문제점을 지니고 있다.

본 발명은, 종래의 압연 또는 압출재를 사용한 항온단조방법에 비해 낮은 단조하중의 조건으로 단조가 가능할 뿐만 아니라, 단조중 단조조직이 균일화를 이룰수 있도록 하여 후속열처리없이도 기계적 성질이 양호한 단조품을 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 α+β 유형의 티타늄합금을 β 천이온도 이상에서 용제화처리한 후 수냉시켜 마르텐사이트 조직을 얻은 후, 약 800℃에서 50%-70%의 압하율로 열간압연시켜, 조직내에 군집연속 α(contiguos α)조작을 함유케 한 α+β 티타늄합금을, 단조온도 830℃-880℃, 단조변형율속도 10^-3/sec-5×10^-3/sec로 단조하여, 단조조업중 소재내 군집연속 α조직의 동적재 결정을 야기시켜, 낮은 단조하중으로 원하는 단조비를 얻으며, β상으로 둘러싸인 미세 α 결정합들의 균일한 등축 미세조직을 형성함으로, 일회의 단조조업으로 최종제품의 칫수에 근접하여 균일 미세조직의 형성으로 우수한 기계적 성질을 지닌 정밀단조품을 얻는 것을 특징으로 한다.

군집연속 α조직은 830℃-880℃의 변형온도 범위에서 변형에 의한 동적재결정을 일으키게 되고, 단조 변형율속도 10^-3/sec 근처에서 전위(dislocation)의 생성 및 축적이 활발하여 동적재결정 거동은 더욱 촉진된다. 이같은 군집연속 α조직의 동적재결정 거동을 항온단조조업에 응용하면, 단조하중을 40% 이상 낮출수 있고, 항온단조 온도는 종래의 방법에 비하여 70℃ 이상 낮추어질 수 있으며, 단조속도는 종래의 방법에 비하여 10배이상 높아질 수 있다.

이와같이, 본 발명은, 가공열처리에 의하여 제어된 조직의 소재를 사용하므로 단조하중이 낮아져 단조설비비용을 줄일 수 있으며, 저온 및 높은 단조속도에 의해 단조금형의 수명이 연장되므로, 단조생산성이 높아지는등 그 경제적인 효과 또한 매우 높다.

군집 연속 α조직을 지닌 소재의 단조온도를 830℃ 이하로 낮추는 경우에는 변형저항(단조하중)의 증가, 변형 속도민감지수(strain rate sensitivity)의 감소로 인하여 초소성 변형특성을 잃게 되어 항온단조의 특성이 없어지므로 단조온도는 830℃ 이상이 되어야 하고, 단조온도가 880℃를 넘게되면 재질이 단조되는 동안 군집연속 α조직내에 축적되어 동적 재결정의 구동력으로 작용하는 전위의 축적이 어려우므로 880℃ 이하의 온도가 바람직하다.

단조 변형율속도는 5×10^-3/sec 이상이 되면 항온단조시 재질변형의 기본기구인 결정립계 미끄럼 현상(grain boundary sliding)이 일어나지 못하게 되어 정밀성형이 어렵고, 변형율속도가 10^-3/sec 이하로 되면 동적재결정을 위한 전위의 축적량이 적어지므로, 변형속도 범위는 10^-3-5×10^-3/sec로 제한하는 것이 바람직하다.

이하에서도 실시예에 의거 본 발명을 설명한다.

[실시예]

표 1에 나타낸 조성(중량%)을 지닌 Ti-6Al-4V(이하 Ti-6-4로 표기함) 압연소둔(mill-anneal)된 25.4㎜두께의 티타늄합금을 1050℃에서 30분간 유지한 후 급냉하여 마르텐사이트(martensite)조직을 얻은 후, 약 800℃에서 압하율 50%로 일방향 압연을 행하였다. 압연후의 조직으로는 길게 나열된 β상들과 군집 연속 α상들로 이루어진 α+β 혼합조직이 얻어졌다.

[표 1]

티타늄 Ti-6Al-4V 합금의 화학조성

제1도는 일방향 압연에 의해 생성된 군집연속 α조직을 지니는 소재와 가공열처리를 거치지 않고 압연소둔(mill-anneal)처리만 된 원소재를 동일면적으로 880℃에서 변형율속도 5×10^-3/sec 및 10^-3/sec로 각각 90% 항온단조한 결과를 그래프로 도시한 것이다. 제1도에서 횡축은 항온단조조업중의 단조비 변화를 나타내고, 종축은 단조비에 따른 단조하중 변화를 나타낸다. 시험된 전 단조비 영역에서 가공열처리된 소재의 단조하중이 가공열처리되지 않은 원소재의 단조하중보다 낮은 것이 잘 나타내져 있다. 두소재간의 단조하중 차이는 단조비가 낮을때 더 크고 이후 단조비증가와 함께 그 차이는 감소하나, 단조비 90% 근처에서도 가공열처리된 소재의 단조하중은 열처리되지 않은 원소재 단조하중의 50% 정도임을 볼 수 있다.

이상과 같이 가공열처리된 소재의 단조하중이 열처리되지 않은 원소재의 단조하중보다 더 낮은 값을 보이는 것은 가공열처리된 단조재질 조직내의 군집연속 α조직이 단조변형중 동적재결정 거동을 일으키기 때문이다. 제1도는 가공열처리를 통하여 티타늄합금내에 군집연속 α조직을 형성시킴으로써, 원하는 단조비를 낮은 단조하중으로, 통상의 항온단조 온도보다 낮은 단조온도에서 얻을 수 있음을 보여주고 있다.

제2도는 가공열처리를 통하여 군집연속 α조직을 함유케한 Ti-6-4 소재를 단조 변형율속도 0.001/sec와 0.005/sec 두 속도로 880℃에서 단조비 85%까지 단조한 때의 단조비와 단조하중간의 관계를 그래프로 도시한 것이다. 제2도로부터, 단조변형속도가 0.005/sec인 때의 단조하중이, 변형속도가 0.001/sec인때의 단조하중에 비하여 작은 것을 볼 수 있다. 그 이유는 단조변형속도가 0.005/sec때 전위축적이 더욱 촉진되어 군집연속 α조직의 동적재결정이 더욱 많이 발생하기 때문이다.

제2도는 군집연속 α조직을 지니는 티타늄합금의 항온단조시에, 종래의 항온단조조건 보다 더 높은 변형율속도로 정밀단조가 가능한 것을 보이며, 높은 변형율속도에 의하여, 동일 단조비를 얻는데 소요되는 시간이 짧아져, 본 발명으로 단조 생산성이 크게 형성할 수 있음을 보여주고 있다.

하기표 2는, 본 발명에 의하여 항온단조된 Ti-6-4 단조품과, 종래의 방법으로 항온단조된 단조품으로 부터 시험편을 채취하여 상온에서 인장시험을 행한 결과를 나타낸 것이다. 표 2에서 L과 T는 각각 인장시험시 하중을 가한 방향과 단조품의 반지름 방향(radial direction)이 서로 동일한 경우와 서로 수직인 경우를 표시한 것이다.

[표 2]

항온단조된 Ti-6-4 단조품 상온 인장시험결과

표 2로 부터 알 수 있듯이, 본 발명에 의하여 단조된 단조품의 인장강도와 파손변형율은 종래의 방법에 의한 단조품보다 우수하다. 특히, 본 발명에 의한 단조품의 경우는 L방향과 T방향간의 인장강도의 차이가 크지 않음으로 미루어보아 단조품의 기계적 성질이 전체적으로 균일한 것임을 알 수 있다. 반면에 종래의 방법에 의한 단조품의 경우는 L방향과 T방향간의 인장강도의 차이가 크므로, 기계적 성질의 균일성에 있어서도 본 발명의 단조품이 종래의 방법에 의한 것보다 우수하다고 하겠다.

제3도는 본 발명에 의하여 항온단조된 Ti-6-4 단조품의 조직확대사진이다. 제3도는 미세한 동축 α조직과 β조직이 균일하게 분포된 양호한 조직상태를 보여준다.

이상의 실시예로 부터 알 수 있듯이, 본 발명에 의하여 단조된 단조품은 종래의 항온단조법에 의하여 단조된 단조품과 비교할 때, 단조후의 후속 소둔없이도 그 기계적 성질은 오히려 종래방법에 의한 단조품보다 양호하다.

본 발명은 α+β 유형의 티타늄합금을 β천이온도 이상에서 용체화 처리한 후 수냉시켜 마르텐사이트 조직을 얻은 후, 이 소재를 약 800℃에서 50%-70%의 압하율로 열간압연시켜 조직내에 군집연속 α(contiguous α)조직을 함유케한 다음, 이렇게하여 조직내에 군집연속 α조직을 함유한 소재를 단조온도 830℃-880℃, 단조 변형율속도 0.001/sec-0.005/sec로 단조하는 티타늄합금의 항온단조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의하면, 단조조업중 소재내 군집연속 α조직의 동적재결정을 야기시켜, 낮은 단조하중으로 원하는 단조비를 얻으며, β상으로 들러싸인 미세 α 결정립들의 균일한 동축 미세조직을 형성함으로, 일회의 단조조업으로 최종제품의 칫수에 근접하여 균일미세조직의 형성으로 후속열처리없이 우수한 기계적 성질을 지닌 정밀단조품을 얻는 효과를 지닌다.

Claims (1)

1. α+β유형의 티타늄합금을 β천이온도 이상에서 용체화 처리한 후 수냉시켜 마르텐사이트(martensite)조직을 얻은 후, 이를 약 800℃에서 50%-70%의 압하율로 열간압연시켜 조직내에 군집연속 α(contiguous α)조직을 함유케 한 다음, 단조온도 830℃-880℃, 단조변형율속도 0.001/sec-0.005/sec로 단조하는 티타늄합금의 항온단조방법.