[논문]티타늄 자전거의 다중 조인트 접합을 위한 초소성 하이드로포밍과 확산 접합 기술

유영훈; 이상용

doi:10.5228/kstp.2019.28.1.15

티타늄 자전거의 다중 조인트 접합을 위한 초소성 하이드로포밍과 확산 접합 기술
Joining of Multi Nodes of a Titanium Bicycle by the Superplastic Hydroforming and Diffusion Bonding Technology 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.28 no.1, 2019년, pp.15 - 20

유영훈 ((주) 탈리스) , 이상용 (국립안동대학교 공과대학 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The superplastic forming/diffusion bonding process has been developed to fabricate a core frame structure with joint nodes out of tubes, for the development of a titanium high performance bicycle. The hydroforming process has been applied for bulging of a tube in the superplastic condition before, and during the diffusion bonding process. In this experiment, a commercial Ti-3Al-2.5V tube was selected as raw material for the study. The forming experiment has been performed using a servo-hydraulic press with a capacity of 200 ton. Next, nitrogen gas was used to acquire necessary pressure for the bulging and bonding of the tubes to fabricate the joint nodes. The pertinent processing temperature was $870^{\circ}C$ for the superplastic hydroforming/diffusion bonding (SHF/DB) process, using the Ti-3Al-2.5V tube. The bonding quality and the progress of bulging and diffusion bonding have been observed by the investigation of the joining interfaces at the cross section of the joint structure. The control of the nitrogen pressure throughout the SHF/DB process, was an important factor to avoid any significant defects in the joint structure. The whole progress stage of the diffusion bonding could be observed at a joint interface. A core structure with 5 joint nodes to manufacture a titanium bicycle could be obtained in a SHF/DB process.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic of the superplastic hydroforming (SHF) and the diffusion bonding (DB) process
그림 Fig. 2 The Ti-3Al-2.5V tube and SEM microstructure in as received state.
표 Table 1 Chemical composition of the Ti-3Al-2.5V tube
그림 Fig. 3 The furnace system and a flow chart of N₂ pressure during SHF/DB forming to make a Tjoint.
그림 Fig. 4 SEM microstructures of the Ti-3Al-2.5V tube according to the heating temperatures.
그림 Fig. 5 SEM microstructures with values of mean grain sizes of the Ti-3Al-2.5V tube after heating at 870℃. The heating durations were (a) 1hour, (b) 2hours, (c) 3hours and (d) 4 hours.
그림 Fig. 6 Image tracing and strain measurements on the cross section (photo) of a T-joint fabricated by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes and SEM microstructures at each measurement location.
그림 Fig. 7 Concept of a T-joint fabrication by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes.
그림 Fig. 8 Observation of bonding interface by optical microscopy and thickness measurement over cross section of a T-joint fabricated by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes.
그림 Fig. 9 SEM Microstructures of a part of T-joint bonded by SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes and schematics showing the stages of diffusion bonding.
그림 Fig. 10 Die system and products for the fabrication of 5 joints by the SHF/DB process using 4 Ti-3Al- 2.5V tubes.
그림 Fig. 11 Appearance of a titanium bicycle using a Ti-3Al-2.5V joint structure fabricated by the SHF/DB process.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기본적으로 두 개의 축을 접합시키는 공정을 개발하는 것이다. 이에 대한 방안을 Fig.
본 연구는 티타늄 자전거의 핵심 구조물이며 핸들-바퀴-안장을 연결하는 축 시스템을 여러 개의 튜브 소재 간의 접합으로 제조하는 공정 개발 연구이다. 티타늄 튜브 간의 접합에 고상접합인 확산접합을 적용하고, 튜브들 간의 접합부 위치를 모서리가 아닌 부위로 변경하고자 하였다.
5V도 초소성 성형성에 대한 연구[7-9]는 일부 존재하나 튜브를 이용한 SHF/DB 공정 적용 예는 거의 없다. 본 연구에서는 Ti-3Al-2.5V 튜브의 SHF/DB 를 위한 미세조직, 접합특성과 공정 조건의 연구를 수행하고 실제 시제품 제조까지 시도해보고자 하였다.
단순 실린더 형상의 튜브(Tube-1)를 이용하여 초소성 조건에서의 하이드로포밍 공정을 통하여 연결이 필요한 부위들의 확관성형을 시키고, 확장된 부위가 다른 튜브(Tube-2, Tube-3)의 내벽과 확산접합을 통하여 자전거 주축구조물을 제조하는 것이다. 용접이 아닌 고상접합의 적용과 접합부의 위치를 응력 집중 효과가 큰 부위를 피하는 것이 목표이다. 그림에는 도시하지 않았지만 한쪽이 접합된 튜브의 반대편 쪽의 접합도 동일한 공정을 적용하는 개념이다.
튜브의 변형량을 크게 증가 시키고 확산접합을 위해 티타늄의 초소성성형/확산접합을 적용하는 것이다. 초소성 조건에서 하이드로포밍으로 확관하는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, SHF)으로 성형하고 확산접합(difusionbonding,DB)이 연속적으로 진행되게 하는 SHF/DB 공정 개발이다. 자전거용 튜브 소재로는 Ti-6Al-4V 보다는 경제적이며 충분한 특성을 나타낼 수 있는 Ti-3Al-2.
즉 하나의 튜브의 변형을 크게 하여 다른 튜브의 내면과 확산접합 시키는 공정이다. 튜브의 변형량을 크게 증가 시키고 확산접합을 위해 티타늄의 초소성성형/확산접합을 적용하는 것이다. 초소성 조건에서 하이드로포밍으로 확관하는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, SHF)으로 성형하고 확산접합(difusionbonding,DB)이 연속적으로 진행되게 하는 SHF/DB 공정 개발이다.

제안 방법

각 부위의 성형 전의 접합 준비 상태 및 성형후의 모습을 함께 볼 수 있다. 5개의 접합부에서 SHF/DB 공정이동시에 진행되도록 하였다.
Ti-3Al-2.5V 합금 튜브의 초소성 성형 온도에서의 미세조직 및 성형성 연구와 T형 구조물 접합을 이용한 공정 적용 연구를 통해 얻어진 공정 조건을 응용하여 시제품 성형을 수행하였다. Fig.
7에 도식적으로 나타내었다. 그림에서 Tube-1과 Tube-2를 T형태로 맞대고, Ti-3Al-2.5V 합금의 초소성 성형 온도에서 질소 주입 압력을 통해 Tube-1을 Tube-2의 내부로 하이드로포밍(SHF)하여 Tube-2의 내부 적절한 깊이에 있는 칸막이(X)를 용접으로 설치하여, 칸막이와 Tube-2의 내벽에 확산접합(DB)이 되도록 하는 공정을 선택하였다. 칸막이(X)와 접촉이 되면서 DB 공정은 시작되며 공정의 종료 때까지 SHF와 DB는 연속적으로 또는 동시에 진행되는 것이 본 기술의 특징이다.
그림에 삽입된 사진은 접합부 단면을 절단한 사진이다. 이 절단부의 왼쪽 반쪽을 확대하여 두께 그림을 얻은 후에, 두께 측정을 하였고, 이 두께 측정값으로부터 공칭 변형률 값을 환산하였다.
티타늄 자전거의 핵심 구조물 제조를 위해 여러 개의 Ti-3Al-2.5V 합금의 튜브를 이용하여 초소성 하이드로포밍(superplastic hydro-forming, SHF) 공정과 확산접합(diffusion bonding, DB)을 동시에 수행하는 SHF/DB 공정 기술을 개발하였다. 장시간이 예상되는 SHF/DB 공정 적용을 위해 Ti-3Al-2.
본 연구는 티타늄 자전거의 핵심 구조물이며 핸들-바퀴-안장을 연결하는 축 시스템을 여러 개의 튜브 소재 간의 접합으로 제조하는 공정 개발 연구이다. 티타늄 튜브 간의 접합에 고상접합인 확산접합을 적용하고, 튜브들 간의 접합부 위치를 모서리가 아닌 부위로 변경하고자 하였다. 즉 하나의 튜브의 변형을 크게 하여 다른 튜브의 내면과 확산접합 시키는 공정이다.

대상 데이터

초소성 조건에서 하이드로포밍으로 확관하는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, SHF)으로 성형하고 확산접합(difusionbonding,DB)이 연속적으로 진행되게 하는 SHF/DB 공정 개발이다. 자전거용 튜브 소재로는 Ti-6Al-4V 보다는 경제적이며 충분한 특성을 나타낼 수 있는 Ti-3Al-2.5V를 사용하였다[1]. Ti-6Al-4V 의 초소성성형/확산접합은 많은 연구 및 개발이 되어 있다[3-6].
9mm 로 달리하였다. 튜브 소재로는 Ti-3Al-2.5V 합금을 적용하였다. Table 1 에는 튜브의 조성을 ICP(Inductively Coupled Plasma)로 측정한 결과를 나타내었다.

성능/효과

870℃에서 1 시간의 가열에서 입자 크기는 소재 입수 상태의 5.7μm 에서 7.6μm로 성장하였고, 4 시간까지의 가열에서도 입자의 크기는 평균 9.2μm 까지 성장하였지만 α+β 로 이루어지는 조직 형상과, 각 입자들 간의 균일성은 잘 유지됨을 알 수 있다.
5V 튜브를 이용한 T형 구조물의 SHF/DB 공정에 의한 제조 연구를 통해 SHF와 DB 공정이 연속적 또는 동시에 수행하는 것이 가능하며, 한 개의 접합부 뿐 만 아니라, 여러 개의 접합부를 동시에 수행하는 시제품 성형에서 생산성 향상도 가능하다는 것을 확인하였다. SHF 공정에서는 질소를 이용하여 공정 중의 산화를 억제하고 확관에 필요한 적절한 가압은 약 30bar 이내였으며, 여러 부위의 동시접합에서는 접합부의 접합 정도에 따라 압력의 조절이 필요함을 확인하였다. 즉, 틈새 또는 기공이 없는 완전한 확산 접합부가 요구되지 않을 경우에는 확산 접합이 완료되는 공정 시간을 단축할 수 있는 가능성을 확인하였다.
또한 최대 5시간까지의 가열에도 초소성 성형성을 유지시킬 수 있는 조직이 유지됨을 확인하였다. 두 개의 Ti-3Al-2.5V 튜브를 이용한 T형 구조물의 SHF/DB 공정에 의한 제조 연구를 통해 SHF와 DB 공정이 연속적 또는 동시에 수행하는 것이 가능하며, 한 개의 접합부 뿐 만 아니라, 여러 개의 접합부를 동시에 수행하는 시제품 성형에서 생산성 향상도 가능하다는 것을 확인하였다. SHF 공정에서는 질소를 이용하여 공정 중의 산화를 억제하고 확관에 필요한 적절한 가압은 약 30bar 이내였으며, 여러 부위의 동시접합에서는 접합부의 접합 정도에 따라 압력의 조절이 필요함을 확인하였다.
5V 합금의 초 소성 상태의 조직을 가열 실험을 통해 확인하여 870℃가 초소성 성형에 적합한 온도임을 확인하였다. 또한 최대 5시간까지의 가열에도 초소성 성형성을 유지시킬 수 있는 조직이 유지됨을 확인하였다. 두 개의 Ti-3Al-2.
최대의 변형률 값을 나타낸 위치를 포함하여 시편의 어느 부위에서도 찢어짐, 공동과 같은 결함이 관찰되지 않았다. 또한 표시된 각 부위의 SEM 미세조직은 변형률의 차이에도 불구하고 초기 조직의 형태가 잘 유지되고 있어 이 재료의 초소성 성형성은 본 공정을 적용하기에 충분하다는 것을 확인 할 수 있었다.
Tube-1에서 SHF 공정에 의해 확관된 부분이 우선 ⑦번 부위에 처음 접촉되기 시작하고, 이후의 확관은 Tube-2의 칸막이를 따라 ④와⑩으로 퍼지며 진행되고 마지막으로 Tube-2와 접촉된 Tube-1 부위는 ③과⑪부위이다. 이 결과는 SHF에 의한 확관과 DB에 의한 접합이 연속적 또는 동시에 진행될 때 요구되는 변형량과 압력의 수준을 시제품 성형에서 제어하는 유용한 기준이 되었다.
5V 합금의 튜브를 이용하여 초소성 하이드로포밍(superplastic hydro-forming, SHF) 공정과 확산접합(diffusion bonding, DB)을 동시에 수행하는 SHF/DB 공정 기술을 개발하였다. 장시간이 예상되는 SHF/DB 공정 적용을 위해 Ti-3Al-2.5V 합금의 초 소성 상태의 조직을 가열 실험을 통해 확인하여 870℃가 초소성 성형에 적합한 온도임을 확인하였다. 또한 최대 5시간까지의 가열에도 초소성 성형성을 유지시킬 수 있는 조직이 유지됨을 확인하였다.
SHF 공정에서는 질소를 이용하여 공정 중의 산화를 억제하고 확관에 필요한 적절한 가압은 약 30bar 이내였으며, 여러 부위의 동시접합에서는 접합부의 접합 정도에 따라 압력의 조절이 필요함을 확인하였다. 즉, 틈새 또는 기공이 없는 완전한 확산 접합부가 요구되지 않을 경우에는 확산 접합이 완료되는 공정 시간을 단축할 수 있는 가능성을 확인하였다.

후속연구

11에 나타내었다. Fig. 10의 시제품의 특성 평가와 자전거 장착 후의 특성 평가는 향후에 진행하여 현재 개발되어 있는 Ti-3Al-2.5V 합금과 SHF/DB 공정을 이용한 티타늄 자전거 조인트 접합 구조물의 완성도와 특성을 향상 시킬 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자전거에서 축 시스템의 역할은 무엇인가?	본 연구는 티타늄 자전거의 핵심 구조물이며 핸들-바퀴-안장을 연결하는 축 시스템을 여러 개의 튜브 소재 간의 접합으로 제조하는 공정 개발 연구이다. 티타늄 튜브 간의 접합에 고상접합인 확산접합을 적용하고, 튜브들 간의 접합부 위치를 모서리가 아닌 부위로 변경하고자 하였다.
	티타늄 합금 응용이 확대되고 있는 분야는 무엇인가?	항공우주 및 발전용 부품 소재로 활용되고 있는 티타늄 합금은 자동차 산업에의 적용과 함께 최근에는 자전거, 골프, 야구, 낚시와 같은 스포츠 용품으로도 응용이 확대되고 있다[1]. 자전거의 경우는 튜브 소재를 사용하여 용접에 의한 접합이 흔히 사용된다.
	고상접합인 확산접합은 어떠한 공정인가?	티타늄 튜브 간의 접합에 고상접합인 확산접합을 적용하고, 튜브들 간의 접합부 위치를 모서리가 아닌 부위로 변경하고자 하였다. 즉 하나의 튜브의 변형을 크게 하여 다른 튜브의 내면과 확산접합 시키는 공정이다. 튜브의 변형량을 크게 증가 시키고 확산접합을 위해 티타늄의 초소성성형/확산접합을 적용하는 것이다.

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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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