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문제 정의
- 본 연구에서는 대형 티타늄 합금 용기 부품의 고온 금형 단조에 있어서 금형 가열 온도를 높여 가며 단계적으로 중온, 준고온, 고온 금형을 적용함으로써 적절한 고온 금형 단조 기술의 정립과 더불어 기술의 적용 타당성을 검증하고자 하였다.
제안 방법
- 가열된 소재를 금형내로 장입하는데 소요되는 시간을 최소화하기 위해 Fig. 12 와 같이 이동식 가열 장치를 도입하였다. 이 장치를 이용하면 프레스 작업 공간 바깥에서 소재를 가열한 후 단조 작업 직전에 프레스 내로 이동할 수 있으며 수십초 이내에 소재를 금형 내부에 장입할 수 있어서 소재의 이송중 냉각을 완화할 수 있다.
- Step 3. 금형의 응력 평가 - 금형과 접촉하는 소재 표면의 절점력을 금형 표면의 절점에 내삽하여 힘 경계조건으로 삼고 탄성해석을 수행한다.
- 다이 가열 방법에 있어서는 다이 홀더 외면에 히팅 패드(heating pad)를 부착하여 가열하며 이와 동시에 인서터 다이 홀 내부에 인서터 히터(insert heater)를 삽입하여 다이 내외부를 동시에 가열하는 방식을 채택하였다. 이와 같은 가열 방식을 택한 이유는 준고온 및 고온 금형 단조에 있어서는 다이 바깥에서의 가열만으로 목표 온도로 가열이 불가능하며 이와 더불어 높은 강도의 소재를 사용하는 금형 내부의 온도는 높이고 금형 외부의 온도가 상대적으로 낮게 유지하여 전체적인 금형 강도를 높일 수 있기 때문이다.
- 단조 공정 중 소재-금형간의 마찰과 가열 소재의 열손실을 줄이기 위해서 Table 3과 같이 윤활재 및 단열재를 투입하였다. 물유리의 일종인 Delta glaze는 가열 소재의 이동 중 외기 노출에 의한 표면의 냉각 최소화 및 산화 방지를 목적으로 사용되었다.
- Step 2. 단조 공정 해석 - 1 단계의 해석에서 얻어진 소재의 온도분포를 그대로 이용하며 소재의 강소성 해석 및 소재-금형 간의 열전달 해석을 동시에 수행한다.
- 대형 티타늄 합금 용기 부품의 고온 금형 성형 공법 정립 및 적용 타당성 검증을 위하여 중온, 준고온 및 고온 금형 성형 공법에 대하여 가열방안, 금형 설계 및 시험 단조를 실시하고 단조품의 품질을 종합적으로 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 물유리의 일종인 Delta glaze는 가열 소재의 이동 중 외기 노출에 의한 표면의 냉각 최소화 및 산화 방지를 목적으로 사용되었다. 또한 Delta glaze 의 도포시 표면에 부착성을 높이기 위해 소재를 100℃로 가열한 후도장용 스프레이 건을 이용하여 도포하였다.
- 이를 위해 소재 이송 중 냉각 최소화 및 금형 가열의 효율성을 높이기 위하여 적절한 금형 가열 장치를 설계 제작하였으며 유한 요소 해석을 통하여 단조 기구 및 금형 설계를 수행하였다. 또한 설계된 단조 공법의 타당성을 검증하기 위하여 실물크기의 금형으로 시험 단조를 실시하였으며 제작된 단조품에 대하여 표면 상태, 미세조직 관찰 및 기계적 물성 시험 등의 전반적인 품질을 평가하였다.
- 본 연구에서는 대형 티타늄 합금 단조품에 대해서 궁극적으로 고온 금형 단조의 적용을 목표로 하였으나 금형 및 설비 투자비가 상대적으로 저렴한 중온 금형(warm die)과 준고온 금형(semihot die) 공법에 대한 적용 가능성의 검토를 병행 하는 차원에서 Table 1와 같이 중온 금형, 준고온 금형 및 고온 금형(hot die)을 단계적으로 적용하였다.
- 설계된 금형 및 가열 장치를 제작하여 중온 금형, 준고온 금형 및 고온 금형 조건으로 시험 단조를 실시하였다. Fig.
- 소재의 가열 조건은 소재가 너무 오랫동안 가열 분위기에 노출되어서 생길 수 있는 물성의 저하를 방지하기 위하여 7 시간 내에 승온이 이루어지도록 하였다. 또한 분위기의 온도가 목표 온도에 도달하면 온도 균일화를 위해 약 4 시간 동안 유지하였다.
- 소재의 균일한 가열을 위해 히팅캔의 내부 열선은 상⋅중⋅하로 분할하였으며 해당 위치에 열전대(thermocouple)를 설치하여 각 부위의 온도를 독립적으로 제어하도록 하였다.
- 이를 위해 소재 이송 중 냉각 최소화 및 금형 가열의 효율성을 높이기 위하여 적절한 금형 가열 장치를 설계 제작하였으며 유한 요소 해석을 통하여 단조 기구 및 금형 설계를 수행하였다. 또한 설계된 단조 공법의 타당성을 검증하기 위하여 실물크기의 금형으로 시험 단조를 실시하였으며 제작된 단조품에 대하여 표면 상태, 미세조직 관찰 및 기계적 물성 시험 등의 전반적인 품질을 평가하였다.
- 이를 위해 유한 요소 해석을 이용한 성형 해석을 통해 성형 기구 선정 및 금형 형상 설계, 금형 강도 평가 및 금형 소재 선정을 수행하였다. 단조 공정에 대한 성형 해석은 다음의 순서에 의해서 이루어졌다.
- 준고온 및 고온 금형 단조의 경우에도 동일한 방식으로 금형 온도 및 유효 응력을 평가하였으며 Fig. 8은 이들 데이터를 합금강(SCM440), 금형강(SKD61), 초합금(IN718) 재료의 온도-항복응력 선도와 겹쳐서 나타낸 것이다. 금형 강도 설계 기준을 금형 내면의 국부 응력이 항복응력을 초과 하지 않는 조건으로 하면 중온, 준고온, 고온 금형 소재로 각각 SCM440, SKD61, IN718 이 선정될 수 있다.
- 예비단조에서는 소재의 상부에만 변형이 발생하고 마지막에는 재료가 금형에 완전히 갇히게 되는 밀폐단조의 개념이 적용되었다. 최종단조에서는 전형적인 후방압출 개념을 적용하여 컵 형태의 단조품 형상을 얻도록 설계되었다. 단조 절차를 이와 같이 두 단계로 선정한 주된 이유는 예비단조 없이 원통형상의 소재를 그대로 성형할 때 발생할 수 있는 소재와 펀치 및 다이의 고착을 막고 펀치 및 소재의 센터링(centering)을 용이하게 하기 위함이다.
대상 데이터
- 사용된 소재는 티타늄 합금 중 대표적인 α+β 합금인 Ti-6Al-4V 소재 및 이 소재와 동일한 화학 조성에서 철, 산소, 수소 등 의 함량을 엄격하게 제어하여 연성과 파괴 인성을 향상시킨 Ti-6Al-4V ELI 소재이다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해서 후속 수행된 준고온 및 고온 금형 단조에서는 충격인성이 우수한 Ti-6Al-4V ELI 소재를 사용하였다. 이러한 소재를 사용한 준고온 및 고온 금형 단조품은 입고 상태에 비하여 항복강도와 인장강도는 7~12%, 충격 에너지는 약 40%정도 상승하며 목표값을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- 펀치와 하부 다이의 윤활재로는 중온 금형의 경우 흑연가루와 물을 혼합하여 투여하였으며 준고온 및 고온 금형에는 이보다 도포성이 좋고 600℃이상에서 내하중성이 뛰어난 Oil-base graphite계의 고온 윤활재인 Oildag을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 적절한 금형 가열 장치 및 소재 단열 방안으로 단조품 표면 균열의 발생을 충분히 억제할 수 있으며 이와 더불어 금형 온도를 700℃ 정도의 고온 단조 수준으로 높힘으로써 표면 균열이 없는 단조품을 얻을 수 있다. 따라서 대형 티타늄 용기 부품의 제조 현장에 고온 금형 단조의 적용이 충분히 가능하다.
- (2) 단조품은 원소재 상태와 비교하여 기계적 물성이 향상되어 기준치를 만족하며 특히 충격 인성은 40%의 현저한 상승을 나타낸다. 이러한 단조품 물성의 상승은 열처리 시와 유사한 미세 조직의 변화 및 단련 효과에 기인한다.
- 11은 고온 금형 단조에서의 하부 다이 가열 조건을 선정하기 위하여 실시한 금형 가열 시험 결과를 나타낸다. 가열후 약 14 시간 경과한 후 인서터 금형 내면과 다이 홀더는 각각 700℃ 와 550℃ 로 가열됨으로써 약 150℃ 의 온도 차이를 가지며 가열을 지속하더라도 그 온도 수준을 유지하는 것으로 확인되었다.
- 단조 전과 비교할 때 단조 후의 미세 조직은 초정 알파상의 분율은 감소하는 반면 침상의 알파+베타상 (acicular α+β)의 분율은 다소 증가한 것으로 나타 났다.
- 이 시험결과로부터 하부 다이의 가열 온도로 인서트 다이와 다이 홀더를 각각 700℃ 와 550℃로 선정한 것이 금형 가열 측면에서 적절함을 알 수 있다. 또한 열전달 해석과 실제 성형작업에서 있어서도 금형의 온도 상승 추이와 내외부의 온도 차이가 금형 가열 시험 결과와 유사한 것으로 확인되었다.
- 16과 17은 단조품의 기계적 물성 목표치와 시험 단조품의 기계적 물성 시험 결과를 종합하여 나타낸 것이다. 러시아에서 수급한 Ti-6Al-4V 소재를 사용한 중온 금형 단조품의 경우 항복강도 및 인장강도 측면에서는 목표값을 만족하나 충격인성에 있어서는 일부 기준치를 미달하는 것으로 나타났다.
- Table 4는 시험 단조에서의 최종단조시 성형 하중과 더불어 시험 단조품의 목표 치수 만족 여부를 나타낸 것이다. 시험 조건 별로 사용된 소재와 윤활 조건에 다소 차이가 있어서 절대적인 비교가 되지는 않지만 소요되는 성형 하중은 중온, 준고온, 고온 금형의 순으로 점점 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 사실로부터 금형 온도가 높을수록 최종단조에 소요되는 성형 하중이 낮으며 성형이 더 원활하게 이루어 짐을 알 수 있었다.
- 13과 14는 이 중에 고온 금형 단조 과정을 나타낸 것이다. 예비단조에서는 프레스의 최대 하중을 6,000 톤으로 설정하고 성형작업을 수행하였으며 전반적으로 목표 치수를 만족하는 예비 성형품을 얻을 수 있었다.
- 시험 조건 별로 사용된 소재와 윤활 조건에 다소 차이가 있어서 절대적인 비교가 되지는 않지만 소요되는 성형 하중은 중온, 준고온, 고온 금형의 순으로 점점 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 사실로부터 금형 온도가 높을수록 최종단조에 소요되는 성형 하중이 낮으며 성형이 더 원활하게 이루어 짐을 알 수 있었다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해서 후속 수행된 준고온 및 고온 금형 단조에서는 충격인성이 우수한 Ti-6Al-4V ELI 소재를 사용하였다. 이러한 소재를 사용한 준고온 및 고온 금형 단조품은 입고 상태에 비하여 항복강도와 인장강도는 7~12%, 충격 에너지는 약 40%정도 상승하며 목표값을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- 재료의 정확한 변태 온도의 측정를 위해 본 연구에서는 DTA(Differential thermal analysis)를 실시 하였으며 그 결과 Ti-6Al-4V 소재와 Ti-6Al-4V ELI 소재의 베타 변태온도는 각각 1005℃와 975℃로 나타났다. 이러한 사실로부터 소재 가열 온도는 단조 시 재료의 소성 변형열에 의한 온도 상승을 감안하여 그보다 35℃ 가량 낮은 970℃와 940℃ 로 선정하였다.
- 최종단조에서는 재료의 유동이 과도영역을 지나 정상상태에 접어들면서 2,000톤 내외의 하중이 일정하게 작용하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 앞의 결과로부터 알 수 있는 것은 우선 소재 단열 여부가 단조품의 표면 균열 발생에 가장 큰역할을 한다는 사실이며 또한 금형 온도를 고온 금형 수준으로 충분히 높임으로써 표면 균열이 거의 없는 단조품을 얻을 수 있다는 것이다. 따라서, 대형 티타늄 용기 부품의 열간 성형에 있어서 금형 온도를 항온 단조 수준으로 가열할 필요 없이 고온 금형 단조 방법만으로 표면 균열에 의한 재료 손실이 거의 없는 단조품을 얻을 수 있으며 실제 제조 현장에 적용하더라도 충분히 경제성에 대한 확보가 가능할 것이다.
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