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산업용 티타늄 합금의 저비용화 및 생산성 향상 기술 개발
도호쿠대학은 일본발조주식회사와 함께 산업용 티타늄 합금의 저비용화와 생산성 향상을 가능케 하는 기술(초소성 가공)의 개발에 성공하였다. 기존 티타늄 합금의 성형방법은 고온/저속변형으로 가공하기 때문에 생산성이 낮고, 금형의 수명이 짧다는 문제가 있었지만, α′프로세싱이라는 독자적으로 개발한 가공기술로 결정 입경을 적정하게 제어함으로써 저온/고속변형에서 복잡형상으로의 제품 성형이 용이하게 되었다. 제조비용은 기존의 절반 이하로 저감되고, 생산성은 10배 이상으로 대폭 향상될 것으로 예상된다.
티타늄 합금은 비강도가 높고, 내부식성에 뛰어나기 때문에 항공기 분야, 화학플랜트 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 기계적 성질의 균형이 좋은 Ti-6AI-4V 합금이 가장 잘 사용되고 있다. 그러나, 티타늄 합금에는 절삭가공 및 소성가공이 어렵고, 저열전도율에 의한 타는 현상이 발생하기 쉬운 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로서 초소성 현상을 이용한 가공이 있으며, 특히 항공기 분야에서 실용화되어 있다. 더욱이 항공기용으로 현재 주목 받고 있는 탄소섬유와 합성이 쉽기 때문에 티타늄 합금의 사용률이 매년 높아지고 있으며, 앞으로도 그 수요는 증가할 것으로 예측되고 있다.
기존의 Ti-6AI-4V 합금의 초소성 성형은 800℃ 이상의 고온 10^-4/s~10^-3/s의 저속 변형률 속도의 변형조건에서 수행되기 때문에 생산성이 낮다는 문제가 있었다. 또한, 고온에서 가공하기 때문에 금형의 수명이 짧다는 단점도 있었다. 때문에 Ti합금의 초소성 현상 발현의 저온화와 고속화가 강하게 요구되고 있으며, 그것이 가능하게 된다면, 항공기뿐만 아니라 자동차용과 화학플랜트용 그리고 일반 생활용품용으로 용도가 확대될 것이다.
도호쿠대학 금속재료연구소의 마츠모토교수 연구팀은 2008년에 세계적으로 거의 주목 받지 않았던 티타늄 합금의 α′프로세싱을 개발하였다. 2009년에는 α′프로세싱의 가공조건을 최적화함으로써 다량의 변형을 수반하지 않고 입경 0.5μm 이하의 균질한 초미세 입경 조직을 형성시키는 기술의 개발에 성공하였다. 이 기술은 기존의 가공기술을 적용할 수 있으며, 가공비용도 저감할 수 있어 티타늄 합금의 가공기술에서 새로운 전개를 펼칠 수 있다. 또한, 본 기술에 의해 Ti합금의 다양한 역학특성의 고성능화가 실현될 수 있기 때문에 티타늄의 재활용 기술 응용에도 공헌할 수 있을 것으로 기대된다.
(1) 독자적인 가공기술 α′프로세싱에 의한 Ti-6AI-4V 합금의 결정입자 미세화
Ti 합금에서 α′마텐자이트(martensite)상은 준안정상으로, 바늘모양의 미세조직을 나타내고, 내부에는 다량의 결함이 포함되어 있는 것이 특징이다. 이 특징을 이용하여 적절한 열간가공 조건에서 가공을 실시함으로써 기존의 (α+β) 조직을 가공한 경우와 비교하여 균질한 미세입자 조직이 얻어졌다. 이 조직 형성에 따라, 기존과 비교하여 고강도화, 내피로 특성 등 다양한 특성이 향상된다는 것을 알아냈다. 이 기술은 다양한 소성가공(압연가공, 단조가공, 봉재가공, 선재가공)을 가능하게 한다. 예를 들면, 적절한 압연가공 조건에서 입경 0.5μm 이하의 균질한 초미세 입자 조직을 가진 Ti-6AI-4V 합금판재를 제조하는데 성공하였다.
(2) 저온-고속 초소성 특성의 발현
α′프로세싱에 의해 압연제조한 Ti-6AI-4V 합금은 기존의 초소성 가공조건에 비해 약 250℃ 낮은 650℃, 기존 보다 10~100배 빠른 10^-2/s의 저온-고속 가공조건에서도 220% 이상의 거대 인장률을 나타내는 초소성 특성이 발현되었다. 종래 Ti-6AI-4V 합금에서는 동일한 조건에서는 초소성 특성이 나타나지 않고, 100% 미만의 인장률만 나타났다. 제품 성형 비용은 기존 티타늄 합금의 경우의 50%로 저감될 가능성이 있다. 이것에 의해 현재는 거의 항공기용으로 한정되어 있는 용도가 확대되어 장래에는 자동차용, 화학플랜트용 그리고 일반 생활용품으로 범위가 확대될 것으로 기대된다.
(3) 파급 효과
본 성과는 티타늄 합금의 제조비용 저감에 공헌하기 때문에 이미 초소성 가공되고 있는 제품 전반에 전개 가능하다. 예를 들면, 항공기용 티타늄 합금부재, 자동차용, 화학플랜트, 에너지 제조용 플랜트, 일반 생활용품, 스포츠용품 등으로 전개 가능하다. 이미 본 초소성 가공기술은 기본적으로 Ti-6AI-4v 합금 이외에 다른 (α+β)형 합금에도 전개 가능하며 제조비용의 저감에 공헌할 것으로 기대된다.
그림. 티타늄합금의 초소성 가공
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문: http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100148.html
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