비철금속 - 타이타늄

타이타늄 가공기술

여러가지 용해 방법으로 제조한 타이타늄 잉코트 - 판, 봉, 선재 및 각종 형상 제품  빌렛이나 슬래브등으로 분괴 => 압연, 압출 및 단조의 가공 단조가공 방식 : 자유단조, 형 단조, 링단조, 압연단조 변형저항이 높고, 단조온도, 단조 비율, 열처리 조건 주의 – 기계적특성 변화 β 합금제외, β 취성을 피하기 위해 β 변태 이하점에서 마무리 단조 실시 단조공정 흐름도 p140

타이타늄 가공기술  원재료 티타늄의 직경은 φ400 ，중량은 920kg 정도  단조기로 만들어낸 titanium rod 는 직경 φ120 이다.  정밀 단조기로 만들어낸 titanium rod 는 직경 φ50 이상  직경이 φ50 이하 : 압연기를 사용해 가공  단조기로 제조된 φ120 의 Ti rod 는 압출로 직경 φ50 이 상의 rod 생산 가능 Ti rod 가공 예 ( Ti-6Al-4V)

타이타늄 가공기술 High Speed Forging machine (2500 ton) Precision Forging machine 성형장비

타이타늄 가공기술 연속압연기 성형장비

타이타늄 가공기술 △ 연속 압연 가능 Roller 왕복운동 및 간헐과정 변형으로 가소성을 높여 변형이 어려운 금속 압연 가능 △다른 수량과 다른 형상의 압연롤러를 사용하여, 다양한 형태의 소재 생산 4 Roller : 원형 Rod, 3 Roller : 육방 평평한 Roller : 사방、직사각형, 홈형 Roller : 특수 형상의 소재 연속압연기 구조

타이타늄 가공기술 압연기 및 압연 Rod 재 압연 Rod

타이타늄 가공기술 정밀 단조된 rod 의 조직

타이타늄 가공기술 재료 특성 절삭성에의 영향 난가공 소재대 응 방 안대 응 방 안 고 강 도고 강 도 높은 절삭저항  공구 마모  공구 파손  공구 반응  진동 소음  정밀도저하 절삭속도저하 낮은 내마모성 높은 절삭온도 절삭유에서의 냉각 (Emulsion Type) 낮은 열전도성 공구온도상승 적정공구선정 ( 초경 K 종 ) 고온 반응성 공구와 반응 적정공작기계선정 ( 고강성, 고동력 ) 낮은 영율 탄 성 변 형 절삭 가공  기계가공 중 발열량 억제 ( 절삭속도 1/3, 절삭류 다양 사용 )  적정 공구 사용 ( 초경 K 종, 마모, 반응, 열변형 최소 )  적정 공작기계 사용 ( 고강성, 고동력 기계로 진동, 떨림, 수치 정확도 향상 ) 타이타늄의 절삭 가공

타이타늄 가공기술 1. 절삭저항이 높고, 열전도성이 낮기 때문에 절삭온도의 상승이 현저 2. 절삭온도를 연강과 같은 정도로 억제하기 위해서 절삭속도를 약 1/3 로 3. 용량이 큰 기계를 사용하여 진동과 떨림 등을 방지 절삭속도와 절삭온도 공구 재료면에서의 응력 ( 절삭저항 ) 절삭 속도 (m/min) 절삭 온도 ( o C ) Ti-5Al-2.5Sn Ti-6Al-4V P10-S45C 공 구 : K10 이 송 량 : 0.1mm/rev 절삭깊이 : 0.5mm 평균수치응력 및 전단응력 (  N,  T )  T  N 피 삭 재 공구재료 절삭속도 S53C 초경 P10 v=100m/min nimonicS105 초경 K10 v=30m/min Ti-6Al-4V 초경 K10 v=40m/min 타이타늄의 절삭저항과 절삭온도

타이타늄 가공기술 공구 재료  WC 주체의 초경 K 종이 적합  다이아몬드 공구는 절삭성은 뛰어나지만 고가이며 날이 깨어지기 쉬움  마무리 절삭에는 H.S.S( 고속도강 ) 도 넓게 이용 절삭유  발화방지와 절삭온도 저하를 위해 수용성이 바람직  공구 수명 연장에는 대량으로 공급하는 것이 바람직 절삭유제의 종류, 공급량과 공구수명 이송분력 배분력 주분력 절삭 저항 (kg f ) 초경 K10 Cermet TiC 코팅 (TiN) Al 2 O 3 Si 3 N 4 CBN 다이아 몬드 공구 수명 건식절삭 극압첨가제 ( 소량 ) 극압첨가제 ( 다량 ) 합성유 광물유 ( 소량 ) 극압첨가제 ( 소량 ) 극압첨가제 ( 다량 ) 수용성 절삭유제 불수용성 절삭유제 건식 절삭 피삭재료 : Ti64 공구재료 : HM-K20 절삭속도 : 60m/min 절삭유량 : 1.7l/min 6.8 l/min 11.6 l/min 각종 공구 재료에 대한 Ti64 절삭저항 타이타늄의 절삭성과 공구재료, 절삭유

타이타늄 가공기술 드릴 가공  H.S.S 가 일반적이나, 고강도 티타늄합금의 경우 초경 K20 이 효과적  날 끝부터 수용성 절삭유를 공급, 절삭속도를 늦게 하면 드릴수명 향상됨 연 삭  숫돌입자는 탄화규소계의 GC 가 적합  숫돌의 회전속도를 높이고, 절삭깊이를 작게하는 것이 중요  발화방지를 위해서 연삭유는 필수이고, 염소계가 효과적  숫돌회전속도, 절삭깊이와 연삭비의 관계 연 삭 비연 삭 비 연 삭 비연 삭 비 숫돌회전속도 (m/min) 숫돌절삭깊이 (  m) GC60J8V GC60H8V MA46H8V 횡 이송량 : 1.27mm/ 경사 공작물속도 : 12.2m/min 연마석 절삭깊이 : 25  m 연삭액 : KNO 3 (1:20) 연마석 : GC60K8V 숫돌 주속도 : 900m/min 공작물 속도 : 12m/min 공작뭉 이송량 : 1.32mm/ 경 사 연삭액 : 염소 타입 숫돌 흠집량 작을수록 연삭비 직선적 증가  흠집량 작게 GC 숫돌 회전속도 클수록 연삭비 증가 공작물속도 일정하게하고 숫돌입자 1 개당 전송량 작게 타이타늄의 드릴 가공성과 연삭성

타이타늄 가공기술 PRESS 성형의 분류와 재료 특성 PRESS 성형 Deep Drawing Stretching Bore Expanding Bending 연신율 크고, r 값 클수록 양호 연신율 크고, n 값 클수록 양호 연신율 크고, r 값 크고 n 값 클수록 양호 연신율 크고, r 값 작을수록 양호 r = 소성변형비 (plastic strain ratio), n = 가공경화계수 (work hardening coefficient) Deep Drawing Stretching Bore Expanding Bending r =  b /  l  b = ln b / b 0  l = ln t / t 0  티타늄 판의 성형가공 방법 타이타늄의 Press 성형성

타이타늄 가공기술 1. 순수 티타늄은 o C 의 열간영역에서 bending, stretching 성이 낮기 때문에 이 온도 영역에서의 가공은 피함 2. 이 현상은 특히 고 r 재에 현저 3. 이 현상은 티타늄의 특이 성질로, 변형 모드로서의 변형과 온도 의존성이 쌍정에 관여하고 있슴 CP-Ti 판의 굽힘성에 대한 가공온도와 r 값의 영향 (ST-40) 절삭성과 연신율의 온도의존성과 r 값의 영향 (ST-40) Materials A bend index Materials B bend index temperature R. T Elongation (%) bend index  deterioration A A B B R.T Temperature 공업용 순수 타이타늄의 열간가공성

타이타늄 가공기술 공업용 순수 타이타늄의 열간가공성 1. 순수 티타늄은 모든 graded 의 500 o C 에서는 초소성적인 연성을 나타내며, bending 성도 대폭 향상  가공기계의 동력 부족이나 저연성재로 냉간가공이 곤란한 경우에는 500 ∼ 700 o C 에서 가공이 바람직 2. 생성된 scale 은 산세하여 제거 절삭성의 온도 의존성과 r 값의 영향 (ST-40) 연신율, m 값 ( 변형속도민감도지수 ) 의 온 도의존성 Elongation (%) 최소굽힘반경 (R/t) R.T Temperature Test Temperature ST-70 (r=5.84) ST-40 (r=8.8) ST-70 (r=1.24) ST-60 (r=0.5) ST-60 (r=3.6) ST-40, m ST-40, El ST-80, m m

타이타늄 열처리 - 목적에 따라 잔류응력제거, 용체화처리, 소둔, 시효 등 분류 - 합금의 조성에 따라 열처리 방법, 조건이 결정 상온 (α); 잔류응력제거나 회복, 재결정을 위한 열처리만 가능 α+β 합금 ; 열처리 후 각 상 분율과 형상 변화로 다양한 미세조직과 기계적특성 얻음 ( 층상조직, 등축조직, 혼합조직 ) 준안정 β ; 용체화 처리후 시효처리에 의해 β 기지에 α 상 석출, 강화시킴

타이타늄 열처리 잔류응력제거 (stress relieving) - 가공 등에 의해 발생한 잔류응력을 제품의 강도와 연성을 저하 시키지 않고 제거 - 기계적 성질 저하시킬 전도의 석출, 변형 시효가 발생 하지 않도록 온도 주의 - 예 ) Ti-6Al-4V ; 480~650℃, 두께에 따라 30~50min - 미세조직 변화 X-ray 회절법 측정가능 소둔 (annealing) - 조직의 안정화, 제품 치수의 안정화, 절삭성 향상, 기계적 성질 향상 - 가공 소둔 ; 일반적인 소둔처리 - β 소둔 ; β 변태 이상의 온도에서 유지 후 서냉 - 재결정소둔 ; 인성향상 목적, α+β 영역 상단에서 유지 후 서냉 용체화처리 (solution treatment) - 고강도, 고연성 위해 α+β 합금 ; β 변태온도의 약 40℃ 아래 온도 선택 ( 초석 α 상 잔류 ) - 파괴인성, 내응력부식성 향상 - β 변태 온도 이상에서 실시 ( 상온연성 감소하므로 주의 ) 시효 (aging) -α+β 합금, 준안정 β 합금 용체화 처리 후 시효처리 : 급냉으로 형성된 마르텐사이트의 과포화 β 상 기지에 미세한 평형상 α 상 석출, 강도 향상

타이타늄 열처리 열처리규격

타이타늄 표면처리 내식성 표면처리 1. 대기산화 - 타이타늄 표면에 매우 안정된 박막의 타이타늄 산화물 피막 형성 – 내식성 향상, 내수소흡수성 향상 - 수소흡수 우려, 석유화학 공장 등에서 cell&tube 형 열교환기의 타이타늄 tube 등에 적용 - 타이타늄의 심한 부식 환경, 침식 작용받는 유체 사용의 경우 피막 두께 감소 현상 - 정기적 산화피막 생성 2. 귀금속코팅 - 고온 농도의 염화물 수용액 중에서 틈새부식 방지법 - 귀금속 또는 귀금속 산화물 조합 : 타이타늄의 전위를 높은 방향으로 이행 시켜 부동태화 촉진 - 부식이 우려되는 부위에 피복하는 방법 개발 비교적 저가인 Ru, Pd, 산화물 RuO 2, PdO 등 사용 - 시간이 경과함에 따라 피막이 얇아지므로 정기적 피막 재생 필요 - 우수한 내식성으로, 내식성 향상위한 표면처리는 거의 하지 않음 - 비 산화성 산 수용액 중에서의 전면 부식 방지, NaCl 수용액 중에서의 균열 부식 방지의 표면처리 실시

타이타늄 표면처리 내마모성 표면처리 : 활성이 강하고 열전도율이 낮아 소착이 생기기 쉽고 내마모성이 좋지 않음 1. 습식도금 :100℃ 이하 저온 처리 가능, 막 두께 제어 범위 넓음, 열처리로 경도 제어가능 무전해 도금 - 액 중에 있는 환원제의 작용에 의해 도금 ( 피막물질 Ni-P) 전기도금 – 외부전원에서 공급되는 전자를 받아 금속 이온 환원 (Cr, Ni) 2. 건식도금 : 피막조성, 결정성, 막 두께 제어성 좋음, 막 질 우수 ; 단점 - 생산성과 처리비용 물리적 기상증착 (CVD)- 붕화물, 탄화물및 질화물 피복 ( 열 CVD- 금속 할로겐화화물의 수소환원법이용 ) 화학적 기상증착 (PVD)- 플라즈마나 전자빔 이용 이온화시켜 피처리재 표면에 직접 증착 - 질소등의 분위기 가스와 반응에 의해 화합물로서 증착 3. 질화 : 열 확산법의 일종, 가스질화법, 플라즈마 질화법 4. 육성 용접 5. 용사

의장성 표면처리 : 우수한 내식성으로 건축자재 사용량 증가, 여러가지 표면 마무리 방법 실용화 1. 산세 : 질산과 불산을 이용하여 산세한 광택이 적은 은백색의 마무리 2. 진공소둔 : 냉간압연 후 진공소둔 행한 후, 편탄도 갖기위해 가볍게 냉간 압연 3.Blast : 직경 100~ 수백㎛정도 glass bead, 철 bead, 철 grid 등을 blast 처리 표면을 거칠게 함 4.Hair line : 연마 벨트나 숫돌로 길게 연속된 연마 자국을 주는 방법 5.Emboss : 에칭 또는 기계적으로 무늬를 새겨놓은 emboss roll 로 압연 6. 에칭 : 수지를 부분적으로 도포하여 무늬 그린 후 필요부분만 에칭 7. 경면 : buff 연마, 화학연마, 전해연마, 전해복합연마 ( 숫돌 찰고작용 + 전해연마 ) 타이타늄 표면처리

타이타늄 착색 1. 대기산화법 전기로 등을 이용한 대기중에서 가열한 타이타늄 표면에 얇은 산화피막을 형성 시키는 방법 피막의 두께에 따라 색 결정 2. 양극산화법 3. 화학산화법 타이타늄을 무기산 중에서 끓여 산회피막을 생성

타이타늄 착색 2. 양극산화법 용액중에서 타이타늄을 양극으로 하여 전압을 걸어주면 양극의 Ti 표면에 1 ㎛ 이하의 산화 피막 성장 양극산화에 의해 표면에 생선된 얇은 산화 피막 표면의 반사광과 내부반사광의 간섭작용에 의해 발색 색조 풍부, 채도가 높고 선명한 색채, 색조 제어 용이 종류 : 1) 직류전원을 이용한 수용액 중에서의 양극산화 2) 레어저 조사에 의한 착색 3) 교류전해에 의한 양극산화 4) 용융염전해법 5) 후막 양극산화법

타이타늄 착색