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KR102409182B1 - 티타늄 스크랩을 이용하는 티타늄 합금의 주조방법 - Google Patents

티타늄 스크랩을 이용하는 티타늄 합금의 주조방법 Download PDF

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Abstract

유도 스컬 용융 방식은 수냉식 메탈 도가니를 사용하여 유도 전류에 의해 교반효과를 유도함으로써 청정하고 균일한 용탕 생산이 가능하고 유동성이 낮고 반응성이 높은 티타늄 기반 합금 재질의 용해에 적합하다. 따라서, 본 발명은 티타늄 및 티타늄 합금주조 시 내화 도가니의 부재로 산소와의 반응성이 감소되어 주조품의 특성이 향상될 수 있으며 티타늄 스크랩을 사용하여 저비용으로 제작가능한 티타늄 및 티타늄 합금의 주조 방법에 관한 발명이다.

Description

티타늄 스크랩을 이용하는 티타늄 합금의 주조방법{Casting method of titanium alloy using titanium scrap}
본 발명은 고품질의 티타늄 및 티타늄 합금을 낮은 비용으로 제작하는 기술에 관한 것으로, 티타늄 스크랩을 이용하고 유도 스컬 용융(Induction Skull Melting)방법을 적용한 진공 수직 원심 주조 장치를 이용하여 저비용으로 고품질의 티타늄 및 티타늄 합금을 주조하는 방법에 관한 발명이다.
티타늄은 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재이다. 보통 산소와의 화합물 형태의 광물로 존재하는데 이 산소를 분리하기 위해 복잡한 과정을 거쳐야 하고, 유독성 원소를 사용해야 해서 안전시설의 구비가 절대적이다. 그러므로 티타늄이 갖는 우수한 성질에도 불구하고 제조원가가 타 구조용 재료에 비해 매우 고가이다. 따라서, 고융점, 고반응성, 난가공성 등의 단점을 극복할 수 있는 티타늄 스크랩을 이용한 티타늄 및 티타늄 합금을 생산하는 기술이 필요하다. 하지만, 스크랩 재활용 기술 개발에 많은 노력에도 불구하고 국내의 경우에 있어서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금을 생산하는 기술이 에 있어서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금을 생산하는 기술이 미미하다. 또한, 현재 국내에서 티타늄 주조품을 양산 및 제조하는 곳이 없으므로 이에 소재 선진국으로 가야 할 길목에서 반드시 이루어 내야 하는 기술개발 중 하나이며, 더 나아가 국방 및 방위 산업, 항공우주 분야에서도 적용 가능한 꼭 필요한 기술이다.
전통적으로 금속합금의 주조를 위한 용융로는 진공 아크 용융로(Vacuum Arc Melting, VAM), 진공 유도 용융로(Vacuum Induction Melting, VIM)가 적용되었다.
진공 아크 용융로는 텅스텐 전극을 사용하여 비활성 대기에서 수냉식 구리 도가니 내에 위치한 금속에 아크를 친다. 이 도가니는 철, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄 등의 합금의 용융이 가능하나 균일한 용융을 위해 용융 사이클을 여러 번 반복해야 한다.
진공 유도 용융로는 유도 코일 내에 위치한 내화 도가니를 사용하여 공기와의 상호 작용없이 금속을 용융 시킨다. 일반적으로 적용되는 금속은 철, 니켈, 코발트 또는 구리 기반 합금 등을 원형 또는 슬래브 몰드에서 녹여 주조하므로 내화 도가니의 제조가 필요하다. 사용된 고진공 및 내화 시스템은 산화물, 질화물 및 기타 유해한 물질의 양을 최소화한다.
따라서, 본 발명에서는 전통적인 용융 방식이 가진 단점을 보완하기 위해 거의 모든 유형의 금속재료를 사용할 수 있으며 내화 도가니를 사용하지 않는 유도 스컬 용해로(Induction Skull Melting, ISM)을 티타늄 및 티타늄 합금 제조에 적용하여 기존의 주조 시스템보다 우수한 수율을 발현하고 티타늄 스크랩을 활용하여 저비용으로 주조품을 주조할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.
본 발명은 티타늄 및 티타늄 합금주조 시 균일한 용융을 유도하며 내화 도가니의 부재로 용탕과 산소와의 반응이 감소되어 주조품의 특성이 향상될 수 있으며 티타늄 스크랩을 사용하여 저비용의 티타늄 및 티타늄 합금주조 기술을 개발하는 것이다.
본 발명은 기존 티타늄 스펀지 대비 저렴한 티타늄 스크랩을 활용한다.
또한, 본 발명은 유도 스컬 용해로(Induction Skull Melting (ISM))방식으로 고상의 금속을 용융 시킨다. 유도 스컬 용해는 유도 코일을 사용하여 진공 또는 제어된 분위기 하에서 세그먼트 화되어진 수냉 구리 용기에서 금속을 용해시키는 방법이다. 코일에 의해 생성된 자기장은 도가니를 통과하여 금속 전하의 열을 유도하여 용융 금속을 어떤 일정한 패턴으로 교반 시킨다. 교반은 매우 균일한 용융 금속을 촉진하고 주조 시 주조품 전체에 고밀도 합금 성분을 효과적으로 고르게 분배한다.
유도 스컬 용해로의 적용은 진공상태에서 내화재가 없이 구리 도가니에서 금속 대 금속으로 금속을 용해시키는 방법으로 내화재의 부재로 용융 금속의 산소와의 반응이 억제된다.
도가니에 접촉하는 용탕은 수냉동 세그먼트에 의해 응고되고 생성된 스컬(skull)로 인해 도가니와 용융금속 사이에 얇은 금속의 경계층이 생겨 열 저항으로 작용하여 용탕에서 도가니로 전달되는 열을 줄여 도가니의 수명을 연장시킨다.
용융된 금속은 측면이 도가니의 내부 측벽에서 멀어 지도록 안쪽으로 밀어낸다. 이는 측벽과의 물리적 접촉이 없어 도가니 세그먼트가 전기 단락 되는 것을 방지하고 도가니로의 열 손실을 감소시킨다.
또한, 본 발명에서는 수직형 및 틸트형 진공 원심 수직 장치를 적용할 수 있으나 효율적인 측면에서 틸트형 진공 원심 수직 장치를 이용하는 것이 바람직하다.
전처리 된 티타늄 스크랩을 주조에 적용함으로써 기존의 티타늄 소재에 비해 경제적이면서도 높은 특성을 가진 티타늄 및 티타늄 합금을 주조할 수 있다.
유도 스컬 용해로를 사용함으로써 다양한 재료의 사용으로 인해 원료 비용이 크게 절감된다.
용해 및 주조가 어려운 금속인 티타늄 합금으로 최소 자동차 등급 정도의 가스불순물 품질 수준의 부품을 제조할 수 있다.
자동차 부품뿐 아니라 우주 부품과 항공기체에도 적용할 수 있는 티타늄 주조품의 국산화 및 해외 진출을 촉진할 수 있다.
또한, 고성능/고효율의 부품을 국산화함으로써 국가의 위상을 올리고 타 국가와의 가격 경쟁력 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 적용된 티타늄 스크랩과 ISM 원심 주조 장치를 이용한 티타늄 합금 주조 공정도이다.
도 2는 본 발명에서 적용할 수 있는 티타늄 스크랩 형상의 예이다.
도 3은 본 발명에서 적용된 유도 스컬 용해로의 간략한 모식도이다.
도 4는 본 발명에서 적용된 틸트형 진공 수직원심 주조 장치의 간략한 모식도이다.
도 5는 본 발명에서 비교예 및 실시예로 제작된 티타늄 합금의 성분 분석표이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 종래의 티타늄 스펀지 소재 대신 티타늄 스크랩을 이용하고 유도 스컬 용융로(Induction Skull Melting)를 적용한 진공 수직 원심 주조 장치를 이용하여 저비용으로 고품질의 티타늄 및 티타늄 합금을 제조하는 기술에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에서 개발된 티타늄 스크랩과 유도 스컬 용융 원심 주조 장치를 이용한 티타늄 합금 주조 공정도이다.
구체적으로, 본 발명의 제조방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다.
(S-1) 티타늄 6-4 벌크 스크랩 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩을 전처리 하기 위하여, 먼저 로터리 킬른 공정을 수행 후 100℃의 온도에서 탈수세척을 2회 반복하고, 50℃의 온도에서 초음파세척을 20분 동안 수행하는 전처리 단계;
(S-2) 상기 전처리 된 티타늄 스크랩 중 티타늄 6-4 벌크 스크랩과 철 스크랩을 혼합하는 혼합 단계;
(S-3) 상기 혼합된 티타늄 6-4 벌크 스크랩과 철 스크랩을 유도 스컬 용해로에서 용해하고, 이후 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩을 추가로 장입하여 완전 용해하는 단계;
(S-4) 상기 완전 용해된 티타늄 합금의 주조는 틸트형의 진공 수직원심 주조 장치를 이용하는 것으로, 상기 진공 수직원심 주조 장치는 틸팅이 가능한 유도 스컬 용해로를 포함하는 용융 챔버 및 용탕 분배기, 히팅 박스, 회전판 및 원통의 주형을 포함하는 주조 챔버로 구성되며,
상기 주조 챔버에 구비되는 원통의 주형은 300~3000rpm으로 회전하는 것으로, 상기 완전 용해된 티타늄 합금이 주형의 내면에 압착응고 되면서 편석되지 아니하는　원심주조 과정을 포함하는 티타늄 스크랩을 이용하는 티타늄 합금 주조 방법의 개발에 관한 것이다.
상기 (S-1) 단계에서, 사용되는 티타늄 스크랩은 막대, 덩어리, 칩, 클립, 스폰지 등의 다양한 형태의 원료를 사용할 수 있다. 도 2는 본 발명에서 적용할 수 있는 티타늄 스크랩 형상이다.
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상기 (S-1) 단계에서는 스크랩의 표면에는 절삭유 등의 불순물 유착되어 있으므로 이를 제거하기 위해 연소반응 및 세척 공정을 거친다. 이는 티타늄 스크랩으로 주조되는 티타늄 합금의 품질을 향상시키는 효과를 가져온다.
본 발명에서 금속 재료의 용융은 유도 스컬 용융로를 이용하여 용용 금속을 형성시킨다. 도 3은 본 발명에서 적용된 유도 스컬 용해로의 간략한 모식도이다.
상기 (S-3) 단계의 유도 스컬 용해는 유도장에 의해 생성된 4 개의 사분면의 교반을 유도한다. 이는 균일한 합금 조성을 촉진하고 합금 성분이 균일하게 용해되고 분산되게 하고 보다 복잡한 합금을 용융시킬 수 있으며 이중용융이 필요치 않는다.
상기 (S-3) 단계에서, 유도 코일의 전압 및 주파수는 합금의 종류 및 크기 등에 따라 변화하므로 본 발명에서는 그 범위를 제한하지 않는다.
상기 (S-3) 단계에서 수냉식 세그먼트에 의해 생성되는 스컬의 두께는 합금의 종류 및 냉각수의 온도에 따라 변화함으로 범위를 예측할 수 없다. 다만, 초기 충전 중량의 10 중량 % 미만의 스컬이 생성된다.
또한 생성되는 스컬은 일정한 두께로 생성되며 진공 아크 용융로와 달리 두께가 두꺼워지지 않는다.
도가니에 접촉하는 용탕은 수냉동 세그먼트에 의해 응고되고 생성된 스컬(skull)로 인해 도가니와 용융금속 사이에 얇은 금속의 경계층이 생겨 열 저항으로 작용하여 용탕에서 도가니로 전달되는 열을 줄여 도가니의 수명을 연장시킨다.
유도 스컬 용해로는 진공상태에서 내화재가 없이 구리 도가니에서 금속 대 금속으로 금속을 용해시키는 방법으로 내화재의 부재로 용융 금속의 산소와의 반응이 억제된다.
용융된 금속은 측면이 도가니의 내부 측벽에서 안쪽으로 밀어내며 이는 측벽과의 물리적 접촉이 없어 도가니 세그먼트가 전기 단락 되는 것을 방지하고 도가니로의 열 손실을 감소시킨다.
상기 (S-4) 단계에서 원통의 주형을 300―3000rpm으로 회전시키면서 용융금속을 주입하면 원심력에 의해 용융금속은 주형의 내면에 압착응고 한다. 원심주조는 편석되기 쉬운 결점도 있으므로 회전속도, 주입속도, 주입온도 등의 주입조건을 적정하게 응고속도를 조절해야 한다.
이하, 도 1을 참고하여 유도 스컬 용융로를 이용하여 티타늄 합금의 제조 공정을 구체적으로 설명하고자 한다.
[실시예]
티타늄 합금 제조를 위해 철 스크랩 10kg, 티타늄 6-4 벌크 스크랩 5kg, 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩 35kg를 준비한다. 준비된 스크랩은 먼저 로타리 킬른 공정을 수행 후 탈수세척(100oC, 2회반복) 및 초음파세척 (50oC, 20분)의 전처리를 수행하였다. 이 후 티타늄 6-4 벌크 스크랩 소재 5kg을 유도 용해로에 장입 한 후 철 스크랩 10kg을 장입하였다. 본 발명의 실시예에서는 원료 금속의 산화반응의 저하를 위해 유도 스컬 용융로를 적용하였다. 이후 고주파 유도에 의해 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩을 추가 장입하여 완전 용해한 후 출탕 공정을 거쳐 페로-티타늄 합금 잉곳을 제조하였다.
[비교예]
티타늄 합금 제조를 위해 철 스크랩 10 kg, 티타늄 6-4 벌크 스크랩 5 kg, 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩 35 kg를 준비한다. 준비된 스크랩은 먼저 로타리 킬른 공정을 수행 후 탈수세척(100oC, 2회반복) 및 초음파세척 (50oC, 20분)의 전처리를 수행하였다. 이 후 티타늄 6-4 벌크 스크랩 소재 5 kg을 유도 용해로에 장입 한 후 철 스크랩 10 kg을 장입하였다. 본 발명의 비교예에서는 알루미나 도가니를 사용하는 진공 유도 용융로에서 수행하였다. 이후 고주파 유도에 의해 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩을 추가 장입하여 완전 용해한 후 출탕 공정을 거쳐 페로-티타늄 합금 잉곳을 제조하였다.
파이프나 원통형의 제품의 경우 수평형 원심주조 방법을 통해 생산되며 길이가 짧은 링 형태의 제품의 경우에는 수직형 원심주조 방법을 통해 제품이 생산된다. 하지만, 본 발명에서는 틸트형의 진공 원심주조 방법을 적용한다. 도 4는 본 발명에서 적용된 틸트형 진공 수직원심 주조 장치의 간략한 모식도이다. 틸트형의 진공 원심주조는 용탕의 양에 제한을 받지 않으므로 보다 효율적으로 주조품을 제작할 수 있다.
도 4의 진공 수직원심 주조 장치는 틸팅이 가능한 유도 스컬 용해로를 포함하는 용융 챔버 및 용탕 분배기, 히팅 박스, 회전판 및 원통의 주형을 포함하는 주조 챔버로 구성된다.
도 5는 본 발명에서 비교예 및 실시예로 제작된 페로-티타늄 합금의 성분 분석표로 제작된 함금 내 산소 및 질소의 함량을 나타내었다. 본 발명에서 적용한 유도 스컬 용융로로 주조된 실시예로 제조한 페로-티타늄에서 내화 도가니의 부재로 인해 낮은 함량의 산소 및 질소 성분이 검출되었다.
삭제
현재 국내에서 티타늄 스크랩과 유도 스컬 용융법을 적용하여 주조품을 양산 및 제조하는 곳이 없으므로 이에 소재 선진국으로 가야 할 길목에서 반드시 이루어 내야 하는 기술 개발이다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 　(S-1) 티타늄 6-4 벌크 스크랩 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩을 전처리 하기 위하여, 먼저 로터리 킬른 공정을 수행 후 100℃의 온도에서 탈수세척을 2회 반복하고, 50℃의 온도에서 초음파세척을 20분 동안 수행하는　전처리 단계;
    　(S-2) 상기 전처리 된 티타늄 스크랩 중 티타늄 6-4 벌크 스크랩과 철 스크랩을　혼합하는 혼합 단계;
    　(S-3) 상기 혼합된 티타늄 6-4 벌크 스크랩과 철 스크랩을　유도 스컬 용해로에서 용해하고, 이후 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩을 추가로 장입하여 완전 용해하는　단계;
    　(S-4) 상기 완전 용해된 티타늄 합금의 주조는 틸트형의 진공 수직원심 주조 장치를 이용하는 것으로, 상기 진공 수직원심 주조 장치는 틸팅이 가능한 유도 스컬 용해로를 포함하는 용융 챔버 및 용탕 분배기, 히팅 박스, 회전판 및 원통의 주형을 포함하는 주조 챔버로 구성되며,
    상기 주조 챔버에 구비되는 원통의 주형은 300~3000rpm으로 회전하는 것으로, 상기 완전 용해된 티타늄 합금이 주형의 내면에 압착응고 되면서 편석되지 아니하는　원심주조 과정을 포함하는　티타늄 스크랩을 이용하는 티타늄 합금의 주조 방법.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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