티타늄 단조 공정에는 무엇이 포함됩니까? 단계, 온도 및 장비

해양 구동 시스템용 티타늄 합금(TC4) 단조 플랜지가 2시간 동안 담그는 동안 빌렛 온도 편차가 15°C만 허용되는 단조 사양으로 검사대에 안착되었습니다. 이러한 종류의 공차는 티타늄 단조에서도 예외가 아닙니다. 그것은 정상적인 운영 규율입니다. 티타늄의 최종 미세 구조, 기계적 특성 및 비용은 주로 단조 작업에서 결정되므로 티타늄 단조 작업을 지정하는 구매자나 엔지니어는 해당 프로세스에 관련된 내용을 정확히 이해해야 합니다.

티타늄 단조 공정에 관련된 내용

티타늄 단조 공정에는 티타늄 빌렛 또는 잉곳을 정확한 온도(합금에 따라 일반적으로 850°C~1,050°C)로 가열한 다음 유압 프레스나 해머를 사용하여 제어된 변형률에서 소성 변형시킨 다음 제어된 냉각, 열처리 및 기계 가공이 포함됩니다.

강철과 달리 티타늄 합금은 변형 가능한 온도 범위가 좁습니다. 가공물이 β-트랜서스를 초과하면 거친 β 입자가 형성될 수 있으며 후속 열처리로 미세화할 수 없습니다. 너무 차가우면 유동응력이 급격히 상승하여 균열이 발생할 수 있습니다. 이것이 바로 티타늄 단조에 폐쇄 루프 용광로 제어, 디지털 고온 측정 및 정확한 램 속도 조절이 가능한 프레스가 필요한 이유입니다.

티타늄 단조의 임계 온도 창

티타늄 단조는 무엇보다도 열 제어 작업입니다. 올바른 가공 온도는 합금 종류에 따라 다르지만 모든 티타늄 합금에는 β-트랜서스라는 하나의 단단한 경계가 있습니다.

Ti-6Al-4V와 같은 α-β 합금의 경우 α-β 단조는 β-트랜서스 아래 30~80°C, 일반적으로 900~980°C에서 수행됩니다. 이는 우수한 신율과 피로 저항성을 갖춘 이중 모드 미세 구조를 생성합니다. 트랜서스 위의 β 단조는 크리프 저항은 높지만 인장 연성은 낮으며 제트 엔진이나 동력 터빈의 특정 회전 부품에만 선택됩니다.

가열은 균일해야 합니다. 티타늄의 열전도율은 강철의 약 1/3입니다. 즉, 두꺼운 부분이 심각한 온도 변화를 나타낼 수 있습니다. 담그는 시간은 일반적으로 단면 25mm당 1분으로 설정되며, 생산 단조 시 열전대 검증이 이루어집니다.

단계별 티타늄 단조 공정

일반적인 오픈 다이 또는 링 롤링 티타늄 단조 사이클은 6개의 반복 가능한 단계를 따르며 각 단계에는 고유한 실패 위험이 있습니다.

1. 재료 선택 및 조절: 빌렛은 항공우주 등급의 잉곳 또는 바입니다. 단조 중에 남아있는 균열이 열리기 때문에 표면 결함은 완전히 연삭됩니다.
2. 예열: 티타늄은 목표 단조 온도보다 50~100°C 낮게 설정된 용광로에 적재됩니다. 열충격을 피하기 위해 그 상태로 유지된 다음 담그는 기간을 통해 작동 온도로 올라갑니다.
3. 첫 번째 변형(전복 또는 차단): 프레스는 느리고 지속적인 압축을 적용합니다. 목표는 주조 구조를 분해하고 재결정을 시작하는 것이지, 거의 순 형상을 달성하는 것이 아닙니다.
4. 재가열을 통한 다중 패스: 강철과 달리 티타늄은 장시간의 야외 단조를 견딜 수 없습니다. 각 통과는 몇 초만 지속되며, 표면 온도가 하한선 아래로 떨어지면 조각이 용광로로 돌아갑니다.
5. 다이 및 도구 온도 제어: 차가운 다이와 접촉하면 티타늄 표면에 냉각층이 생깁니다. 고급 단조에서는 금형을 250~400°C로 예열하고 유리 기반 코팅으로 윤활 처리하여 점착과 심각한 냉각을 방지합니다.
6. 최종 성형 및 트리밍: 마지막 패스는 부품을 최종 치수에 가깝게 만듭니다. 금속이 아직 따뜻할 때 플래시를 제거하고 부품을 제어된 냉각 장치나 변형이 제한된 고정 장치로 직접 옮깁니다.

장비 및 변형률 제어

해머가 아닌 프레스는 티타늄 오픈 다이 단조 동작 제어를 위한 주요 장비입니다. 프레스는 느리고 일정한 램 속도를 유지할 수 있는 반면, 해머는 티타늄의 단열 전단 밴드를 유발할 수 있는 높은 변형율 충격을 전달합니다.

Maiterio Intelligent Equipment의 개방형 단조 라인에서는 티타늄의 경우 램 속도가 10mm/s 미만인 유압 프레스를 사용합니다. 링 모양의 티타늄 부품의 경우 링 롤링 밀은 가공된 바 스톡보다 입자 흐름이 더 좋은 이음매 없는 롤링 링을 생산합니다. 프레스, 해머, 링 롤러 중 하나를 선택하면 미세 구조에 영향을 미칩니다. 변형이 느리면 구형 α가 촉진되고, 변형이 빠르면 결정립 경계에 균열이 생길 위험이 있습니다.

Maiterio의 개방형 단조 라인은 까다로운 고객을 위해 티타늄 및 기타 고온 합금을 처리해 왔으며 종종 공차를 제어하기 위해 사내 황삭 가공과 결합되었습니다.

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단조 후 열처리 및 가공

단조 후 티타늄 부품은 강철처럼 담금질되지 않습니다. 그들은 공기 중에서 냉각된 다음 합금과 원하는 강도 등급에 따라 특정 열처리 주기를 거칩니다.

Ti-6Al-4V의 경우 700~850°C에서 어닐링을 수행한 후 공기 냉각을 수행합니다. 용체화 처리 및 900~960°C, 그 다음 480~600°C에서의 시효는 파괴 인성을 약간 희생하더라도 더 높은 강도를 제공합니다. 티타늄은 650°C 이상에서 산소와 반응하기 때문에 모든 열처리는 통제된 분위기에서 또는 보호 코팅을 사용하여 수행되어야 합니다. 스케일이 없는 표면은 재료의 피로 강도를 유지합니다.

티타늄 단조품 가공도 강철과 다릅니다. 금속의 낮은 열전도율로 인해 절삭날에 열이 집중되어 공구가 빠르게 마모됩니다. 고압 절삭유와 느린 스핀들 속도를 갖춘 초경 공구가 표준입니다. Maiterio의 CNC 수직 선삭 선반과 수평 선반은 티타늄 링과 샤프트를 Ra 0.8 µm 이상의 표면 거칠기로 마무리하는 데 일상적으로 사용됩니다.

티타늄 단조품의 품질 관리

티타늄 단조의 최종 승인은 미세 구조, 초음파 건전성 및 기계적 특성이라는 세 가지 독립적인 제어에 따라 달라집니다.

미세 구조 평가에서는 Kroll의 시약으로 에칭된 금속 조직 단면을 사용하여 α-β 처리가 β-트랜서스를 통과하지 않았는지 확인합니다. 초음파 검사는 육안으로 볼 수 없는 내부 공극, 함유물 및 균열을 감지합니다. 인장, 충격 및 경도 테스트를 통해 강도와 연성이 주문 사양과 일치하는지 확인합니다. 또한 항공우주 및 에너지 응용 분야에는 잉곳 용융부터 최종 가공까지 완전히 문서화된 추적성 체인이 필요합니다. Maiterio의 품질 관리 시스템은 ISO 9001 및 14001을 따르며 고합금 재료에 대한 내부 테스트 루틴을 갖추고 있습니다.

자주 묻는 질문

티타늄 단조는 강철 단조와 어떻게 다른가요?

티타늄 단조에는 더 좁은 온도 범위, 더 느린 변형 속도, 예열된 금형, 더 엄격한 노 분위기 제어가 필요합니다. β-트랜서스는 대부분의 α-β 합금에 대한 엄격한 상한선인 반면, 강철은 일반 탄소강 및 합금강에 대해 동등한 결정립 조대화 경계를 갖지 않습니다.

β-트랜서스란 무엇이며 왜 중요한가요?

β-트랜서스(β-transus)는 티타늄 합금이 완전히 β상으로 변하는 온도입니다. 단조 시 온도를 10°C만 초과해도 완전한 β 구조가 형성되어 거친 α 판으로 변하여 연성과 피로 수명이 저하될 수 있습니다. 공정 엔지니어는 시차 열 분석을 통해 각 배치의 실제 천이를 측정합니다.

링 롤링으로 티타늄 링을 생산할 수 있습니까?

예. 티타늄 이음매 없는 링은 방사형 축 밀에서 링 롤링됩니다. 이 공정은 개방형 단조와 동일한 열 제어를 사용하지만 변형 모드는 원주 방향 입자 흐름을 전달하여 후프 응력을 받는 베어링 레이스와 플랜지에 유리합니다.

티타늄 단조에 필수적인 마무리 단계는 무엇입니까?

연삭으로 산소가 풍부한 α 케이스를 제거하고 기계로 가공하여 남은 스케일이나 탈탄을 제거합니다. 그런 다음 부품을 열처리하고 필요한 경우 곧게 펴고 승인 전에 염료 침투 또는 초음파 테스트를 통해 검사합니다.