40 100M _ 기계기술 Technology Trends 1. 서론 티타늄은 원소재 가격이 비교적 고가이기 때문에 제 조 시 수율을 향상시키는 것이 중요하고 near net shape 성형기술이 중요한 과제이다. Near net shape 성 형기술로는 단조에서 열간금형단조, 항온단조 (Isothermal Forging) 등이 있고, 주조에서는 로스트왁 스법(Investment Casting Process) 등과 같은 정밀주조 법이 오래전부터 개발이 진행되어왔다. 정밀주조공정은 기계가공이 불가능한 복잡한 형상과 중공형의 제품제조가 가능하기 때문에 정밀성형의 한 방법으로 많이 이용되고 있다. 일반적으로 대기와 반응이 크지 않은 금속재료의 정 밀주조기술은 상당히 발달되어 있지만 티타늄합금과 같이 용융상태에서 반응성이 큰 재료의 정밀주조의 경우는 아직도 용해, 주형 및 주물재료, 주형설계 등에 있어 해결해야 될 기술들이 남아 있다. 미국에서 티타늄 주조품 출하량은 1963년 35톤에서 1985년에는 380톤, 1991년에는 900톤으로 급속히 성 장하고 있다. 그 중에서 항공기용 부품이 상당한 부분 을 차지하고 있는데 주로 팬 케이스, 압축기 케이스 등 과 같은 대형 부품과 압축기, 암 등과 같은 소형 부품 들이다. 이러한 부품들은 복잡한 형상을 갖는 박육의 정지부품으로 대부분 Ti-6Al-4V 합금재이다. 항공기 엔진에 이용되는 티타늄 주조품은 거의 로스트왁스법 (Lost Wax Process)으로 제조된다. 티타늄합금의 정밀주조기술 동향 티타늄합금(공업용 순티타늄 포함)은 경량(비중 4.5 gr/㎤)이면서 상온에서부터 550 ℃의 고온까지 높은 비강도가 유지되며 피로강도 및 파괴인성 등 기계적 특 성이 우수할 뿐만 아니라 해수 및 화학약품에 대한 내식성이 탁월하여 항공우 주, 자동차, 해양 및 발전 산업과 더불어 생체재료 및 스포츠 레저용품으로까지 다양한 응용분야의 무한한 잠재성을 지니고 있는 신소재이다. 이처럼 그 용도가 다양해짐에 따라 복잡한 형상의 부품에 대한 수요가 증가함에 따라서 절삭 및 용접 등의 공정을 생략할 수 있는 정형가공기술이 요구되며 이에 대표적인 정형 가공공정으로서 경제적으로 복잡한 형상의 정형가공이 가능한 정밀주조공정이 폭넓게 활용되고 있다. 따라서 본고에서는 티타늄합금 가공에 활용되는 정밀주 조법에 의한 티타늄합금의 제조에 대한 기술동향을 정리한다 한국과학기술정보연구원
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40 100M _ 기계기술
Technology Trends
1. 서론
티타늄은 원소재 가격이 비교적 고가이기 때문에 제
조 시 수율을 향상시키는 것이 중요하고 near net
shape 성형기술이중요한과제이다. Near net shape 성
형기술로는 단조에서 열간금형단조, 항온단조
(Isothermal Forging) 등이 있고, 주조에서는로스트왁
스법(Investment Casting Process) 등과 같은 정밀주조
법이오래전부터개발이진행되어왔다.
정밀주조공정은기계가공이불가능한복잡한형상과
중공형의제품제조가가능하기때문에정밀성형의한
방법으로많이이용되고있다.
일반적으로 대기와 반응이 크지 않은 금속재료의 정
밀주조기술은상당히발달되어있지만티타늄합금과
같이 용융상태에서 반응성이 큰 재료의 정밀주조의
경우는아직도용해, 주형및주물재료, 주형설계등에
있어해결해야될기술들이남아있다.
미국에서 티타늄 주조품 출하량은 1963년 35톤에서
1985년에는 380톤, 1991년에는 900톤으로 급속히 성
장하고있다. 그중에서항공기용부품이상당한부분
을차지하고있는데주로팬케이스, 압축기케이스등
과같은대형부품과압축기, 암 등과같은소형부품
들이다. 이러한부품들은복잡한형상을갖는박육의
정지부품으로 대부분 Ti-6Al-4V 합금재이다. 항공기
엔진에이용되는티타늄주조품은거의로스트왁스법
(Lost Wax Process)으로제조된다.
티타늄합금의정밀주조기술동향
티타늄합금(공업용 순티타늄 포함)은 경량(비중 4.5 gr/㎤)이면서 상온에서부터
550 ℃의고온까지높은비강도가유지되며피로강도및파괴인성등기계적특
성이우수할뿐만아니라해수및화학약품에대한내식성이탁월하여항공우
주, 자동차, 해양및발전산업과더불어생체재료및스포츠레저용품으로까지
다양한응용분야의무한한잠재성을지니고있는신소재이다. 이처럼그용도가
다양해짐에따라복잡한형상의부품에대한수요가증가함에따라서절삭및
용접등의공정을생략할수있는정형가공기술이요구되며이에대표적인정형
가공공정으로서경제적으로복잡한형상의정형가공이가능한정밀주조공정이
폭넓게활용되고있다. 따라서본고에서는티타늄합금가공에활용되는정밀주
조법에의한티타늄합금의제조에대한기술동향을정리한다
한국과학기술정보연구원
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항공우주산업에있어서티타늄합금의주물이보급된
것은 활성이 강한 용융티타늄과 접촉해도 반응하기
어려운 주형제조기술이 개발되었고 HIP기술, 화학적
밀링기술의적용에의해주조품의신뢰성이향상되었
기때문이다
최근에는 항공기 부품 이외에도 화학공업, 스포츠용
품및장식품등의일반소재재로까지적용이확대되
고있다. 예를들면골프클럽헤드등시장에β-티타늄
합금계 정밀주조품 등이 널리 보급되면서 그 우수성
을인정받고있고병따개등이미국일반시장에보급
되어염가로판매되고있다. 그렇지만티타늄합금주
조품이다른재질을대체하는경우는많지않고시장
확대를위해서는저가의부품이안정적으로공급되는
것이무엇보다도중요하다.
2. 티타늄합금의주조기술
⑴주조장치
티타늄합금주조품을제조하는주조장치는소모전극
을동도가니에서아크용해하여이것을주형에주조
하는방식이항공기를비롯한군사용대형주물의제
조법으로이용되고있다. 이 방법에의한주조장치는
최대1톤규모의노가있다.
티타늄은일반적으로강과알루미늄에비해유동성이
나쁘기때문에원심주조법이많이이용되고있다. 한
편골프클럽헤드등과같은민생용품의제조에최근
에는CaO 도가니를이용한유도용해법등도이용되고
있고화학공업용주물에는유도스켈용해법등도이
용되고 있다. <그림 1>은 유도용해법에 의하여 용해
후정밀주조주형에주조하는개요도를나타낸다.
⑵주형재료
티타늄합금주물에이용되는주형재료는대형부품에는
흑연블록을기계가공해서제작한주형또는흑연분말
을적당한점결제로성형소결한주형이이용되었다.
로스트왁스법등의정밀주조법에서는산화물계의주
형재료가 이용되고 있는데, 티타늄합금 용탕에 대해
서될수있는한안정한산화물로ZrO₂, CaO, Y₂O₃등
이이용된다.
정밀주조용주형재료로서반응성측면에서가장안정
한산화물은 Y₂O₃이나재료가고가이고열충격에약
한단점이있어주조품원가상승의원인이된다.
CaO는반응성측면에서Y₂O₃보다떨어지지만비교적
안정성도 우수하며 열충격에도 강한 특징을 지니고
있다. 그러나 CaO는흡습성이강하여대기중의수분
과접촉시강도가떨어지며박리현상까지생기기때
문에분위기조절이용이한곳에서사용되어야한다.
<그림1> 부양용해법에의한정밀주조법의개요도
Evacuate
Ceramic mold
Chamber
Induction coll
Molten metal
Cold cruccible
Ar gas
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또한이들산화물은탈왁스후의소성에의해충분한
강도가얻어지는입도, 점결제의선정이중요하다.
⑶티타늄합금주물용주형의종류
티타늄합금 주물용으로 사용하는 주형의 종류는 ①
흑연분말성형주형, ② 흑연기계가공주형, ③ 로스트
왁스주형, ④ 세라믹주형, ⑤ 사형주형으로 분류하고
있다. 이를<표1>에나타내었다.
①흑연분말성형주형
흑연분말과점결제(전분, 피지, 당밀)를혼합하여목형
에서성형소성하여사용하며고강도로큰형상이가
능하며비용이저렴하다는특징이있다.
②흑연기계가공주형
흑연블록을 기계 가공하여 영구(永久)주형으로 사용
한다.
③로스트왁스주형
티타늄정밀주조법의대표적인방법인로스트왁스(인
베스트먼트주조법)에의한주물제조공정도를<그림2>
에나타내었다.
로스트왁스주조법이라함은주조하고자하는제품과
거의 같은 왁스모형을 만들어 이 모형표면에 내화물
을 피복하여 고화시킨 후에 여기에 용융금속을 주입
하여주물을만드는방법이다.
로스트왁스법에는 2종류의제조법이있다. 즉인베스
트먼트 프라스크 캐스팅 프로세스(Investment flask
casting process, 혹은 solid mold process, block mold
process라고도 함)와 인베스먼트 셀 프로세스
(Investment shell process, 혹은 ceramic shell process,