[논문]Ti-합금판재(Ti-6Al-4V)의 고온 성형성 평가

박진기; 박노광; 김영석

doi:10.5228/kspp.2010.19.4.230

Ti-합금판재(Ti-6Al-4V)의 고온 성형성 평가
Evaluation of Pess Formability for Ti-6Al-4V Sheet at Elevated Temperature 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.4 = no.118, 2010년, pp.230 - 235

박진기 (경북대학교 기계공학부) , 박노광 (재료 연구소 특수 합금 연구부) , 김영석 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium alloy sheets have excellent specific strength and corrosion resistance as well as good performance at high temperature. Recently, titanium alloys are widely employed not only for aerospace parts but also for bio prothesis and motorcycle. However, the database is insufficient in the titanium alloy for press forming process. In this study, the effect of temperature on the forming limit diagram was investigated for Ti-6Al-4V titanium alloy sheet through the Hecker‘s punch stretching test at elevated temperature. Experimental results obtained in this study can provide a database for the development of press forming process at elevated temperature of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet. From the experimental studies it can be concluded that the formability of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet is governed by the ductile failure for the testing temperature. The formability of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet at $700^{\circ}C$ increases about 7 times compared with that at room temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 돔 장출 실험을 실행하여 Ti6Al-4V합금 판재의 고온 성형성을 실험적으로 평가하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 Ti-합금판재의 프레스 가공기술 확립을 위한 기초연구로 Hecker의 돔 장출 실험[14]을 이용하여 Ti-6Al-4V 합금판재의 고온에서의 성형특성과 성형한계도를 평가하였으며 이를 향후 Ti-6Al-4V합금 판재의 고온 프레스 가공을 위한 공정설계 및 금형설계의 기초 자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

(1) 고온에서의 판재 성형성 평가를 위하여 히트 카트리지와 유압프레스를 장착한 고온 돔 장출 실험 장비를 개발하였다.
각 온도별 파괴 거동을 알아보기 위해 파단면에 대해 SEM 관찰을 실시하여 Fig. 3에 나타내었다(왼쪽부터 단축인장, 평면변형 인장, 2축 인장). Fig.
실험에 관한 모든 제어는 Labview에 의해 행해지고 변위계와 로드셀을 장착하여 변위와 하중을 저장 하도록 설정되어있다. 금형의 온도는 PID제어로 일정하게 유지되며, 시편의 온도 구배를 최소화 하기 위하여 장출 실험 직전, 펀치와 시편을 접촉시켜 시편의 온도가 정상상태에 도달하도록 한 후 실험을 진행하였다.
시편의 격자는 화학적 용해액과 전기적인 방법을 병행하여 부식시켜 인쇄하는 것이 통상적인 방법이나, 이때 부식된 격자가 고온에서는 사라져 측정이 불가능하게 되므로 에폭시 잉크와 실크스크린 기법을 이용한 전사법으로 2mm×2mm 의 크기를 가지는 정사각형 격자를 인쇄하였다.
실험은 시편의 표면 온도를 각각 500℃, 600℃, 700℃으로 설정한 후, 펀치의 상승속도를 10mm/s로 하여 실시하였으며, 실험도중 시편의 온도변화는 Co ±10 이내였다.
1 에 나타내었다. 열원으로 히트카트리지(평균 1kw/EA, 총 14개)를 시편의 온도 구배를 최소화하기 위해 상부다이, 하부다이 및 펀치에도 설치하여 쉽게 고온에 도달하도록 설계하였다. 금형의 주요 치수는 NUMISHEET’96 LDH benchmark에 제시된 값을 이용하였다.
을 이용하여 예측한 DFLD를 나타내었다. 여기서 σ₁ = 주응력, # = 등가응력이며, Ti-6Al-4V재료의 이방성 소성거동은 박진기 등[18]이 연구한 결과 Logan-Hosford[19]의 항복조건에 따르는 것으로 밝혀졌으며, 이때 a는 8로 정하였다.

대상 데이터

금형의 주요 치수는 NUMISHEET’96 LDH benchmark에 제시된 값을 이용하였다.
금형의 주요 치수는 NUMISHEET’96 LDH benchmark에 제시된 값을 이용하였다. 상부다이와 하부다이는 거치대에 고정되어 있으며, 하부에 체결된 실린더에 연결된 직경 101.6mm의 구형 장출 펀치가 판재를 성형하면서 실험이 진행된다. 실험에 관한 모든 제어는 Labview에 의해 행해지고 변위계와 로드셀을 장착하여 변위와 하중을 저장 하도록 설정되어있다.
실험에 사용한 소재는 두께 1mm의 Ti-6Al-4V 합금 판재로서 조성은 Table 1에 나타내었으며, 시편의 형상은 길이가 200mm(압연방향), 폭이 25~200mm인 직사각형 시편이다. 시편의 격자는 화학적 용해액과 전기적인 방법을 병행하여 부식시켜 인쇄하는 것이 통상적인 방법이나, 이때 부식된 격자가 고온에서는 사라져 측정이 불가능하게 되므로 에폭시 잉크와 실크스크린 기법을 이용한 전사법으로 2mm×2mm 의 크기를 가지는 정사각형 격자를 인쇄하였다.

이론/모형

그리고 700℃에서도 딤플이 관찰 되기는 하나 과도한 변형으로 인해 딤플의 파단면이 이전의 온도에서의 결과와는 달리 찢겨진 형태를 보인다. 성형한계 변형률 측정을 위해 ASIAS^R (Automated Surface Information Analysis System)[12]를 사용하였다.

성능/효과

(2) 고온에서의 Ti-6Al-4V합금판재의 성형성 평가를 시행한 결과, 연신률이 10%내외인 상온에 비해 500℃에서는 약 5배, 600℃에서는 약 6배, 700℃에서는 약 7배 정도 성형성이 증가함을 알 수 있었다.
(3) 연성파괴선도(DFLD: Ductile Fracture Limit Diagram)이 고온에서의 Ti-6Al-4V합금판재의 성형한계를 잘 예측 함을 확인하였다.
반면 700℃의 경우에는 강판의 돔 장출 실험에서와 비슷한 형태의 성형한계도가 얻어졌다. Ti6Al-4V합금 판재의 연신률이 상온에서 약 10% 내외임을 감안할 때 Fig. 6에서와 같이 500℃에서는 약 5배, 600℃에서는 약 6배, 700℃에서는 약 7배 정도 성형성이 증가함을 알 수 있었다.
그 결과 Fig. 7과 같이 연성파괴선도가 본 연구에서 얻은 600℃와 700℃의 성형한계를 잘 예측 하는 것으로 나타났다.
일반적으로 강도가 높고 연신율이 낮은 재료들의 성형한계를 예측 하기에는 넥에 의한 성형한계도 보다는 연성파괴에 의한 성형한계도가 적절한 것으로 알려져 있다[15]. 본 실험에서도 단축인장 모드에서 국부 넥이 일부 확인 되긴 하나 전체적으로 넥 없이 파단이 발생하여, Ti6Al-4V 합금판재의 경우에 재결정온도보다 낮은 온도영역에서는 연성 파괴에 의한 파단과 안전 영역을 경계로 하는 연성파괴선도(DFLD: Ductile Fracture Limit Diagram)를 적용하는 것이 합리적이라 판단된다[16].

후속연구

5Tm 이상인 750℃~900℃에서 변형률 속도를 10^-4 / s~5x10^-3/ s 정도로 매우 작게하여 결정립 슬립(grain boundary sliding)을 도모하여 큰 변형을 얻는 초소성 가공(superplastic forming)에 관한 것들이다[4~9]. 향후 대량생산에 적합한 프레스 가공기술이 Ti-합금판재에도 적용이 확대될 것으로 예상되는 가운데 결정립 슬립이 시작되는 온도로 알려진 725℃ 근방의 고온에서 프레스 가공성(press formability)의 확보 및 응용연구가 Ti 판재의 가공에서 에너지 절약차원에서 중요한 과제로 떠오르고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti6Al-4V 합금은 어떤 이유로 효용가치를 높게 평가하고 있는가?	42 )에 비해 상당한 고강도를 가지고 있고, 작은 파단 연신률(El=12%)과 탄성계수(E=120GPa)를 가지고 있어서 실제 상업적으로 응용되는 Ti-합금 중 60% 이상을 차지한다. Ti6Al-4V 합금은 Ti-합금의 일반적인 분류 중 α + β형 합금이며, α 형 Ti-합금의 특징과 β 형 Ti-합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용되며, 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용가치가 매우 높은 합금계이다. 또한, 또한, α상은 β상보다 고온에서 강도는 높지만 상온에서의 강도는 낮다[1].
	α 형 Ti-합금은 β상에 비해 어떤 물성을 가지고 있는가?	Ti6Al-4V 합금은 Ti-합금의 일반적인 분류 중 α + β형 합금이며, α 형 Ti-합금의 특징과 β 형 Ti-합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용되며, 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용가치가 매우 높은 합금계이다. 또한, 또한, α상은 β상보다 고온에서 강도는 높지만 상온에서의 강도는 낮다[1].
	Ti-합금은 어떤 분야에 어떻게 사용되고 있는가?	Ti-합금은 높은 비강도와 우수한 기계적 특성으로 과거 40~50 년 전부터 현재에 이르기까지 매우 다양한 분야에 적용되는 재료로 특히 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 등, 주로 무게에 비해 높은 강도가 요구되거나 고온에서의 높은 강도 및 내식성이 요구되는 부품에 자주 사용되고 있다. 일반적인 철강재료에 비해 가격이 아주 비싼 편(30~120US$/kg)이고, 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야만 주로 수요가 집중되어 있지만, 점차 항공, 스포츠, 의료, 해양산업 등으로 그 수요처가 늘어나고 있다.

참고문헌 (19)

M. J. Donachie, Jr., 1988, Titanium: A Technical Guide, ASM Int., Metals Park, OH.
P. G. Partidge, 1967, The Crystallography and Deformation mode of HCP metals, Int. Mat. Rev., Vol. 12, pp. 169-164.
D. G. Lee, Y. H. Lee, C. S. Lee, and S. H. Lee, 2004, Effects of volume fraction of tempered martensite on dynamic deformation properties of Ti-6Al-4V alloy having bimodal microsture, J. Korean Inst. Met. Mater., Vol. 42, pp. 455-463.
G. Lutjering, 1998, Influence of processing on microstructure and mechanical properties of $({\alpha}+{\beta})$ titanium alloys, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 243, pp. 32-45.

상세보기
G. K. Turnbull, 1982, Titanium and Titanium alloys-Source book, ASM International, Metal Park, OH, pp. 265-269.
R. R. Boyer, G. E. Welsch, and E. W. Collings, 1994, Materials Properties Handbook, ASM International, Metal Park, OH. P. 488.
M. Vanderhasten, L. Rabet, and B. Verlinden, 2008, Ti-6Al-4V: deformation map and modelisation of tensile behavior, Mater. Design, Vol. 29, pp.1090-1098.

상세보기
A. S. Khan, R. Kazmi, and B. Farrokh, 2007, Multiaxial and non-proporional loading responses, anisotropy and modeling of Ti-6Al-4V titanium alloy over wide ranges of strain rates and temperatures, Int. J. Plast., Vol. 23, pp. 931-950.

상세보기
S. B. Leen, M. A. Krohn, and T. H. Hyde, 2008, Failure prediction for titanium alloys using a superplastic forming limit diagram approach, Mat-wiss. U. werkstofftech, Vol. 38, pp. 327-331.
R. Hill, 1983, The mathematical theory of plasticity, Oxford University Press, New York.
Z. Marciniak and K. Kuczynski, 1967, Limit strains in the process of stretch-forming sheet metal, Int. J. Mech. Sci., Vol. 9, pp. 609-612.

상세보기
H. Y. Kim, S. C. Choi, H.S. Lee, H. J. Kim, and K. T. Lee, 2007, Experiment for forming limit diagram and springback characteristics of AZ31B magnesium alloy sheet at elevated temperature, Trans. Mat. Processing, Vol. 16, pp. 364-369.

원문보기 상세보기
H. S. Son and Y. S. Kim, 2003, Prediction of forming limits for anisotropic sheets containing prolate ellipsoidal voids, Int. J. Mech. Sci., Vol. 45, pp. 1625-1643.

상세보기
S. S. Hecker, 1972, A simple forming limit curve technique and results on aluminum alloys, Proc. 7th Biennial Congress Int. Deep Drawing Research Group, Amsterdam, pp. 51-58
A. S. Korhonen and T. Manninen, 2008, Forming and fracture limits of austenitic stainless steel sheets, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 488, pp. 157-166

상세보기
L. Zhang, Y. J. Yin, Y. Q. Chen, and M.-D. Xue, 2003, Damage and forming limit analysis in porous ductile metals at room or elevated temperature, Mater. Sci. Tech., Vol. 19, pp. 1355-1360.

상세보기
M. G. Cockroft and D. J. Latham, 1968, Ductility and the workability of metals. J. Inst. Met., Vol. 96, pp. 33-39.
J. G. Park, J. H. Kim, N. K. Park, and Y. S. Kim, 2009, Plastic deformation characteristic of titanium alloy sheet (Ti-6Al-4V) at warm temperature, 2009 Spring Conf. Trans. Mat. Processing, pp. 152-157.
R. W. Logan and W. F. Hosford, 1980, Upperbound anisotropic yield locus calculations assuming pencil glide, Int. J. Mech. Sci., Vol. 22, pp. 419-430.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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