1. 상업적으로 순수한 티타늄의 냉간 가공
1.1 처리 난이도
낮은 상온-연성 및 가공 경화 감도: 실온에서 CP Ti는 제한된 슬립 시스템(단지 3개의 독립적인 슬립 시스템)을 갖는 HCP 결정 구조를 가지므로 면{1}}FCC(면심 입방체) 금속(예: 알루미늄 합금, 오스테나이트 스테인리스강)에 비해 소성 변형 능력이 상대적으로 열악합니다. 더욱이 CP Ti는 가공 경화율이 매우 높습니다.{5}}냉간 변형 정도가 증가함에 따라 강도가 급격히 증가합니다. 예를 들어, 20% 냉간 압연 후 Grade 2 CP Ti의 인장 강도는 초기 345~415MPa에서 550MPa 이상으로 증가할 수 있는 반면 연신율은 20~25%에서 8% 미만으로 감소합니다. 이는 연속 냉간 성형(예: 딥 드로잉, 굽힘) 중에 중간 처리를 수행하지 않으면 재료에 균열이 발생하기 쉽다는 것을 의미합니다.
높은 변형 저항: CP Ti는 상온에서 항복강도와 유동응력이 높습니다. 예를 들어, 2등급 CP Ti의 항복강도는 약 275~345MPa로, 6061-T6 알루미늄 합금(약 240MPa)보다 훨씬 높고 저탄소강(약 250~300MPa)에 가깝습니다. 냉간 가공 중에는 더 높은 성형 하중이 필요하며, 이는 성형 장비의 강성과 톤수에 대한 더 높은 요구 사항을 제시합니다.
표면 품질 감도: CP Ti는 상온에서 화학적 활성이 높고 표면에 단단하고 부서지기 쉬운 산화막(TiO2)을 형성하기 쉽습니다. 냉간변형(인발, 압연 등) 시 산화피막이 쉽게 탈락되어 표면 긁힘이나 금형 부착이 발생하여 가공물의 표면조도에 영향을 미치게 됩니다. 또한, 표면에 결함(미세균열 등)이 있는 경우 냉간가공 시 응력집중이 일어나기 쉬워 결함이 확대되고 가공물이 파손되기도 한다.
1.2 특별 프로세스 요구 사항
중간 어닐링 처리: 냉간변형도가 15~20%를 초과하는 경우 중간응력완화소둔 또는 재결정소둔을 실시하여 가공경화를 제거하고 소재의 연성을 회복하며 후속 가공 시 균열을 방지해야 합니다. 어닐링 온도는 일반적으로 600-700도이고 유지 시간은 0.5-2시간이며, 노 냉각 또는 공기 냉각을 통해 재료의 재결정화 및 내부 응력 제거를 보장합니다.
금형 및 윤활 기술: 금형은 경도가 높고 내마모성이 높은- 재료(초경합금 또는 표면 코팅이 된 고속도강 등)로 만들어야 하며, 마찰을 줄이기 위해 표면을 연마해야 합니다. 동시에 금형과 공작물 사이에 안정적인 윤활막을 형성하고 접착을 방지하며 변형 저항과 표면 긁힘을 줄이기 위해 고성능 윤활제(예: 이황화 몰리브덴- 기반 윤활제 또는 특수 티타늄 가공 오일)를 사용해야 합니다.
표면 전처리: 냉간 가공 전에 티타늄 블랭크의 표면 산화막과 불순물을 산세척(불화수소산과 질산의 혼합산, 공식은 일반적으로 2~5% HF+ 15~20% HNO₃ + 물) 또는 샌드블라스팅과 같은 방법으로 제거해야 블랭크의 표면 청결도와 평탄도를 보장하고 표면 결함이 가공 품질에 미치는 영향을 방지할 수 있습니다.
변형률 및 변형량 제어: 냉간 변형률은 적당해야 합니다(일반적으로 변형률 속도는 0.001–0.1 s⁻1로 제어됨). 변형 속도가 너무 빠르면 재료가 소성 흐름을 위한 충분한 시간을 갖지 못해 균열이 발생할 수 있습니다. 속도가 너무 느리면 생산 효율성이 저하됩니다. 동시에 단일-패스 변형량은 엄격하게 제어되어야 하며(예를 들어 냉간 압연의 단일-패스 감소율은 일반적으로 5~10%이고 단일-패스 굽힘 각도는 30도를 넘지 않음) 변형의 균일성을 보장하기 위해 중간 어닐링과 함께 작은 변형의 다중 패스를 채택해야 합니다.
2. 상업적으로 순수한 티타늄의 열간가공
2.1 처리 난이도
좁은 열간 작동 온도 범위: CP Ti의 상전이 온도는 약 882도이다(이 온도 이상에서는 HCP 구조(-상)가 체-심입방(BCC) 구조(-상)로 변환됨). 최적의 열간 작동 온도 범위는 일반적으로 700~850도(실온과 상전이 온도 사이, 즉 -상 영역)입니다. 온도가 700도보다 낮으면 재료의 변형 저항이 여전히 높고 가공 경화가 뚜렷합니다. 온도가 850도(상전이 온도에 가까운)를 초과하면 입자가 빠르게 성장하여 공작물의 거친 입자 구조가 발생하여 기계적 특성(예: 인성 및 피로 강도)이 감소합니다. 또한, 온도가 882도를 초과하여 -상 영역에 들어가면 결정립이 심하게 조대화되고 냉각 후에도 부서지기 쉬운 입계상이 형성되어 재료의 성능이 크게 저하됩니다.
고온-산화 및 오염 민감도: CP Ti는 고온(400도 이상)에서 매우 강한 화학 반응성을 가지며, 공기 중의 산소, 질소, 수소 및 기타 가스와 반응하여 부서지기 쉬운 표면층을 형성합니다.
산화: 다공성이고 부서지기 쉬운 TiO2 스케일을 형성하여 가공물의 표면 품질과 기계적 특성을 감소시킵니다.
질화: TiN 단단하고 부서지기 쉬운 상을 형성하여 가공 중에 재료를 부서지기 쉽고 균열이 생기기 쉽습니다.
수소 흡수: TiH 취성 상을 형성하여 재료의 수소 취성을 초래하고 인성을 감소시킵니다.
열전도율이 낮고 온도 분포가 고르지 않음: CP Ti의 열전도율은 강철의 약 1/5, 알루미늄 합금의 약 1/3에 불과합니다. 열간 가공 중에는 재료 내부의 열 전달이 느려 공작물의 표면과 코어 사이의 온도 분포가 고르지 않아 변형 및 내부 응력이 고르지 않고 공작물의 균열이나 변형까지 발생하기 쉽습니다.
2.2 특별 프로세스 요구 사항
정밀한 온도 제어: 가열 온도는 700~850도 범위 내에서 엄격하게 제어되어야 하며 온도 편차는 ±10도를 초과해서는 안 됩니다. 가열 장비는 개방형 화염 가열 대신 정밀-제어되는 전기로 또는 진공로를 사용해야 합니다(국부적인 과열 또는 고르지 못한 가열을 방지하기 위해). 가공 중에 공작물의 온도를 실시간으로 모니터링해야 합니다(적외선 온도 측정 또는 열전대 사용). 온도가 700도 아래로 떨어지면 가공물을 용광로로 돌려보내 재가열해야 변형 저항이 높은 저온-온도 영역에서의 가공을 피할 수 있습니다.
보호 분위기 또는 표면 코팅: 고온 산화 및 가스 오염을 방지하기 위해 다음과 같은 보호 조치를 취할 수 있습니다.-
진공 가열: 공기를 완전히 격리하고 가스 반응을 피하기 위해 진공 환경(진공도 10⁻³ Pa 이상)에서 작업물을 가열합니다.
불활성 가스 보호: 가열로를 고순도-아르곤 또는 질소(질소는 질화를 방지하기 위해 600도 이하의 저온 가열에만 적합함)로 채워 보호 분위기를 형성합니다.
표면 항산화 코팅-: 가공물 표면을 특수{0}}산화 방지 코팅(예: 유리-계 코팅 또는 붕소{2}}계 코팅)으로 가열한 후 코팅하는 것으로, 고온에서 치밀한 보호막을 형성하여 산소와 질소를 분리할 수 있습니다.
합리적인 열간 가공 공정 매개변수: 열간 변형률은 0.1~10s⁻²로 제어되어야 합니다(CP Ti의 -상은 이 변형률 범위에서 더 나은 가소성을 갖습니다). 고온에서 재료의 높은 가소성을 최대한 활용하고 결정립 조대화로 이어지는 여러 번의 작은 변형을 방지하려면 단일 패스 변형량을 적절하게(일반적으로 30~50%) 늘려야 합니다. 열간 가공 후에는 가공물을 적시에 냉각(재료의 등급과 두께에 따라 공랭 또는 수냉)하여 입자 성장을 억제하고 미세한 입자 구조를 보장해야 합니다.-
후{0}}가공 열처리: 열간 가공 후 가공물에 응력 제거 어닐링 또는 재결정 어닐링을 실시하여 내부 응력을 제거하고 입자를 미세화해야 합니다. 어닐링 온도는 600~700도이며, 유지시간은 가공물의 두께에 따라 결정됩니다(보통 1~3시간). 고성능 요구 사항이 있는 공작물의 경우 이중 어닐링(먼저 유지를 위해 750도까지 가열한 다음 유지를 위해 600도까지 냉각하고 마지막으로 공기 냉각)을 채택하여 구조와 특성을 더욱 최적화할 수 있습니다.
