KR960010821B1 - Ti-6Al-4V 합금의 기계적 성질 향상을 위한 가공열 처리 방법 - Google Patents

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Description

Ti-6Al-4V합금의 기계적 성질 향상을 위한 가공열 처리 방법

제1도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 제제2도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 항복 강도 비교 그래프.

제3도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 인장 강도 비교 그래프.

제4도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 연신율 비교 그래프.

제5도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 단면 감소율 비교 그래프.

제6는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 시간에 따른 크리프 저항성(Creep Strain)비교 그래프.

제7는 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 저주기 피로성질(Stress)비교 그래프이다.

본 발명은 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 성질 향상을 위한 가공 열처리 방법에 관한 것이다.

최근 들어 에너지 관련 산업 분야에서는 에너지의 절약 및 고효율화를 위한 노력이 집중적으로 추진되고 있는데, 재료적인 측면에서는 가벼우면서도 기계적인 성질과 내열성이 뛰어난 새로운 개발과 아울러 이미 개발된 재료의 물성 향상을 위한 노력이 진행되고 있다.

Ti-6Al-4V 합금은 대표적인 티타늄 합금으로서 상온∼400℃온도 　위에서 비강도(강도/밀도)가 뛰어나면서도 인성과 연신율 등의 기계적 성질이 골고루 우수하고 단조성이 양호하기 때문에 향공기용 소재로서 널리 사용되어지고 있다. 또한 이와 같이 우수한 기계적 성질과 아울러 산화성 및 환원성 분위기에서의 내식서이 우수하기 때문에 일반 산업용 및 화학 공장에서의 수요 또한 증가 추세에 있다.

한편, Ti-6Al-4V합금은(α+β)형 합금으로서 합금을 구성하는 상(Phase)의 분율 및 분포와 미세조직의 형상 및 크기의 변화에 따라서 합금의 제반 물성이 민감하게 변화되는 특성이 있으며, 가공 열처리 방법의 변화를 통하여 다양한 미세조직 및 물성을 얻고 있다. 이에 따라 일정량의 가공을 거친 후 안정한 (α+β)영역에서 충분한 시간동안 용체화 처리를 거친후 비교적 높은 온도에서 충분히 시효를 시키는 가공 열처리 방법이 지금까지 일반적으로 행해져 왔다.

따라서, 본 발명에서는 이와 같이 이미 개발되어 사용되고 잇는 기존의 가공 열처리 방법보다 Ti-6Al-4V합금의 기계적 성질을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 가공 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 제공하는 Ti-6Al-4V합금의 기계적 성질 향상을 위한 가공 열처리 방법은 Ti-6Al-4V합금 소재를 (α+β)영역에서 30분 이상 예열시킨후, 변형량 50%이상으로 가공한 다음 냉각시키는 제1공정과, 상기 제1공정에서 가공된 소재를 β변태점의 직상 또는 직하에서3∼20분간 용체화 처리하는 제2공종과, 상기 제2공종에서 용체화 처리된 소재를 급냉시키는 제3공종과, 상기 제3공정에서 급냉된 소재를 400℃∼700℃ 온도에서 1∼6시간 시효처리 또는 음력 제거 소둔을 행하는 제4공정으로 이루어진다.

이하에 본 발명의 가공 열처리 방법에 있어서 각 제조 공정의 수치 한정이유를 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

먼저, 상기 제1공정에서는 Ti-6Al-4V합금 고재의 용이한 가공성 미 ㅊ균일한 미세조직을 유지하기 위해 예열 온도에서 최소한 30분 이상의 예열이 필요하며, 가공전 소재에 대한 이력의 제거 및 물성 향상을 위해 최소한 50%의 변현량을 필요로 한다. 이때, 사용되는 가공 방법은 제조하고자 하는 부품에 따라서 단조, 프레스, 압연, 또는 압출등 다양하게 선택할 수 있으며, 소재의 특성과 작업의 실제적인 측면에서 50%이상의 변형량을 얻기 위해 소재의 예열 온도를 800℃이상으로 유지해야 한다. 또한, 여러 단계에 걸쳐서 가공을 행하는 경우에는 소재의 온도가 너무 많이 저하되지 않도록 해야 한다.

또한, 상기 제2공정에서 β변태점 직상 또는 직하에서 장시간의 용체화 처리는 Ti-6Al-4V합금 고재의 미세조직을 조대화 또는 층상 조직화하므로 β변태점에서 ±50℃범위내에서 3∼30분간 동안 행하며, 이때 소재의산화 방지를 위하여 환원성 분위기를 사용한다.

한편, 상기 제3공정에서 냉각 속도가 수냉을 이용하여 크게 하는 겋이 바람직하나 급격한 열수축에 의한 변형이 고려되는 경우 기름을 냉매로 사용함으로써 냉가가 속도를 디서 완화시킬 수 있다.

마지막으로, 상기 제4공정에서는 급냉된 소재의 시효처리를 통하여 용체화 처리된 소재 내부에 α또는 β상을 석출시킴으로써 Ti-6Al-4V 합금의 강도를 증가시키는데, 시효 온도가 400℃이하일 경우에는 시효 현상이 거의 진행되지 않으며 700℃이상인 경우에는 응력을 저하시크는 소둔(Annealing)과정이 발생할 수 있다. 따라서, 400℃∼700℃에서 시효처리를 행하며, 장시간의 시효처리는 오히려 Ti-6Al-4V합금의 강도를 퇴화시키므로 시효시간은 1∼6시간으로 한다.

본 발명에서는 상용 합금으로 시판되는 Ti-6Al-4V 합금 소재를 원소재로 사용하였으며, 이 합금의 β변태점은 971.1.1℃이다.

그리고, 기존의 가공 열처리 방법은 950℃에서 3시간 동안 예열한 후 변형량 80%의 단조를 행한 후 공냉하는 제1공정과, 상기 제1공정에서 단조된 조새를 954℃에서 1시간 동안 용체화 처리한후 소냉하는 제2구정과, 상기 제2공종을 거친 소재를 704℃에서 2시간 동안 시효 처리한 다음 공냉시키는 제3공정으로 구성되었다. 상기 방법은 일정량의 가공을 거치고, 안정한 (α+β)영역에서 용체화 처리를 거친 후 비교적 높은 온도에서 충분히 시효율 시키는 방법이다.

상기한 본 발명 가공 열처리 방법, 기존의 가공 열처리 방법 및 원소재에 대한 각 공정 조건율 표1에 나타내었으며, 이러한 공정 조건의 변화에 따른 Ti-6Al-4V합금 소재의 기계적 성질 차이를 표2에 나타내었다.

이하에 도면을 참고하여 본 발명의 기계적 성질을 설명한다.

제1도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가공처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 상온에서의 인장 성질 비교그래프. 제2도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 항복 강도 비교 그래프. 제3도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원재 간의 온도에 따른 인장 강도 비교 그래프, 제4도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가공 열처리리를 거친 Ti-6Al-4V 합금 소재와 기준의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 연신율 비교 그래프, 제5도는 본 발며의 바람직한 일실시예에 따른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V 합금 소재와 기준의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 온도에 따른 단면 감소율 비교 그래프, 제6도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V 합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 시간에 따른 크리프저항성(Creep Strain)비교 그래프, 제7도는 본 발명의 바람지간 일실시예에 따른 가공 열처리를 거친 Ti-6Al-4V합금 소재와 기존의 가공 열처리를 거친 소재 및 원소재 간의 저주기 피로성질(Stress)비교 그래프이다.

제1도 내지 제7도에는 상기와 같은 원소재를 이용하여 본 발명에서 제시한 가공 열처리 공정을 거치는 겨우 소재가 나타내는 물성을 원소재 및 현재 Ti-6Al-4V합금에 대해 기존의 행해지고 있는 가공 열처리 방법을 거친 소재가 나타내는 물성과 각각 비교해 보았다.

먼저, 제1도를 참조하면 상온에서 인장 실험을 행한 결과를 알수 있는데 가공 열처리를 거친 경우와 원소재를 비교해 보면 가공 열처리를 거친경우가 원소재에 비해 연신율을 제외한 모든 인장 성질이 향상되었고, 본 발명과 기존의 가공 열처리 과정을 거친 경우를 비교해 보면 항복 강도와 인장 강도의 경우 원소재 및 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재가 나타나는 값에 비해 본 발명의 가공 열처리를 거친 소재가 나타내는 값이 훨씬 높다. 한편, 연신율 및 단면 감소율의 경우 상대적으로 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 비해 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 갑사이 다소 저하되는 경향을 나타내고 있다. 그러나, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 값이 다소 저하되는 경향을 나타내고 있다. 그러나, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 연신율은 14.4%,단면 감소율은 51.9%로서 구조용 소재로 사용 가능한 적절한 값을 나타낸다.

제2도 내지 제5도를 참조하면, Ti-6Al-4V합금이 주로 사용되는 온도영역인 상온으로부터 400℃까지의 범위에서 고온 인장 실험을 행한 결과를 알수 있다.제2도에는 온도와 항복 강도와의 관계,제3도에는 온도와 인장 강도와의 관계가 나타나 있는데, 시험 온도가 400℃까지 증가함에 따라 Ti-6Al-4V합금의 강도는 감소되는 경향을 나타내었으나, 각 소재별 차이는 사온 인장 실험 결과와 동일한 경향을 나타내었다.

또한, 제4도에는 온도와 연신율의 관계, 제5도에는 온도와 단면 감소율의 관계가 나타나 있는데, 원소재와 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 경우는 온도가 증가하여도 연신율과 단면감소율이 비교적 일정한 값을 유지하지만, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 경우는 점차 증가하여 250℃이상에서는 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재의경우와 동일한 값을 나타내고 있다.

따라서, 인장 성질의 측면에서 보면, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재가 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 비해 연성을 적절히 유지하면서도 강도의 현저한 증가 효과를 얻울 수 있음을 알수 있다.

한편, 제6도에는 본 발명의 가공 열처리 과정 및 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 대해Ti-6Al-4V합금이 주로 사용되는 온도 영역에서 크리프 시험을 행한 결과가 나타나 있는데, 371℃/621MPa조건하에서 0.8%의크리프 변형율이 발생하였는데 소요되는 시간을 측정하였다. 도면을 참조하면 기존의가공 열처리과저을 거친 소재의 경우는 0.8%의 크리프 변형율에 도달하기까지 약160시간이 소요된 반면, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 경우는 약 234시간이 소요된 것을 알 수 있다. 즉, 그리프 저항성에 있어서도 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 비해 본 발명의 가공열처리 과정을 거친 소재가 우수한 특성을 타나내는 것을 알수 있다.

제7도에는 본 발명의 가공 열처리 과정 및 기존의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 대한 저주기 피로 특성을 비교해 본 결과가 나타나 있다. 피로시험의 조건으로 시험 온도는 상온, 하중을 가하는 방법은 인장압축 형태, 그리고 일정한 변형율(△εt=1.6%)하에서 0.3Hz로 행해졌다. 시험 결과는 도면에서 볼 수 있듯이 두 조건에서 못 변형에 필요한 웅력이 유사하였으나, 반복 변형 연화현상을 나타내었다, 그러나 ,피로 수명은 기존의 가공 열처리과정을 거친 소재가 526회(Cycle)이었던 반면, 본 발명의 가공 열처리과정을 거친소재의 경우는 1250회(Cycle)로 나타나 상대적으로 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 피로 수명이 현저히 우수함을 알 수 있다.

또한, 파괴 인성을 출정할 목적으로 상기의 두 가지 방법을 거친 소재를 C-T시편으로 제조한 다음 상온에서 Ktc시험을 수행하였다. 시험을 행한 결과 기존의 가공 열처리 과정을 거친 경우 Ktc값이 90.7MPa·m1/2으로 나타났다. 이와 같이 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 경우 Ti-6Al-4V 합금의 파괴인성 또한 현저히 향상되었다.

상기와 같이 Ti-6Al-4V합금 원소재 및 기존의 가공 열처리 과정과 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재에 대하여 인장 시험, 크리프 시험, 피로 시험, 그리고 파괴인성 시험 등의 다양한 기계적 시험을 통하여 정적 미 ㅊ동적 물성을 비교한 결과, 본 발명의 가공 열처리 과정을 거친 소재의 기계적 특성이 비교한 다른 소재들에 비해 현저히 우수함을 알 수 있다. 단, 연신율에 있어서 다소 저하되는 경향을 나타내었는데, 이는 강도의 증가에 기인되는 현상이다. 그런, 상온에서의 연신율이 약15%로서 이 ㄱ밧을 구조용재로서 적절한 연성을 유지하면서도 제반 기계적 성질을 현저히 증가시킨다고 할수 있다.

Claims (1)

1. Ti-6Al-4V합금 고재를 800℃∼β변태점 온도 구간에서 30분∼10시간 예열시킨 후 단조, 프레스,압연 또는 압출을 이용하여 50%이상의 변형량으로 가공한 다음 물 또는 기름을 사용하여 냉각사키는 제1공정과, 상기 제1공정에서 가공된 소재를 환원성 분위기하에 β변태점±50℃ 온도구간에서 3∼20분동안 용체학 처리하는 제2공정과, 상기 제2공정에서 용체화 처리된 소재를 물 또는 기름을 사용하여 냉각시키는 제3공정과, 상기 제3공정에서 냉각된 소재를 환원성 분위기하에 400∼700℃ 온도 구간에서 1∼6ㅅ;긴 덩인 시효처리 또는 응력제거소둔으 ㄹ행하는 제4공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 성질 향상을 위한 가공 열처리 방법.