한국산학기술학회논문지 Vol. 12, No. 3 pp. 1105-1110, 2011 안경용순티타늄 wire 제조공정개발 최계훈 1, 김상연 1* 1 대구보건대학안경광학과 Development of Manufacturing Process of Pure Titanium Wire to make Eyewear Frame Gye-hun Choi 1 and Sang-Yeoun Kim 1* 1 Dept. of Ophthalmic Optics, Daegu Health College 요약직경 400mm 순티타늄잉고트 (Gr2) 를제작하고성분분석한결과산소함량이 0.073wt% 이고철함량이 0.03wt% 로서 ASTM Gr.2 규격을만족하였다. 이들을가공하여 42mm 선재를만들고 18단열간압연하여 9mm 선재를만들었다. 10단열간가공한 15.8mm 선재를표면에서부터중심부로가면서경도분석한결과 Hv150~200로서거의일정한값을나타내고있었다. 최종 9mm 선재는열간압연기에인입시온도에따라항복강도와연신율은달랐지만인장강도는근사한값을나타내었으며모두 ASTM B863규격을만족하였다. Abstract After pure titanium Ingot(G2) with 400mm in diameter was manufactured, the analysis of its ingredients showed that the oxygen content was 0.073wt% and the iron content was 0.03wt%, which made ASTM Gr.2 standardization satisfactory. The processed titanium ingot produced 42mm wire rod, and hot rolling of 18th phase produced 9mm wire rod. The hardness analysis of 15.8mm wire rod, which was processed in hot rolling of 10th phase from the surface to the center, resulted in almost constant value with Hv150~200. The last 9mm wire rod had a different yield strength and elongation percentage depending on the temperature as it was led in to a hot roller. However, tensile strength revealed an approximate value and made ASTM B863 standardization satisfactory. Key Words : Titanium, Eyewear, Reversing, Mill;VAR;Hot Rolling 1. 서론 대구지역은전세계 4대안경테생산지가운데한곳이다. 지난 50여년동안안경테산업은우리나라의경제발전과더불어꾸준히성장하여왔다. 그러나기술의집약성이떨어지고노동집약형산업구조를탈피하지못해세계시장에서경쟁력이점점떨어지고있는실정이다. 그중금속안경테제조는안경테산업의기본이될정도로많은안경업체가참여해있고근래의세계시장은티타늄을소재로한안경테가고가로유통되고있는실정이다. 이것은티타늄합금이지닌가볍고내식성이좋은특성 이안경테에잘적용된예이다. 이와같이티타늄및티타늄합금은국내수요가상당함에도불구하고용해 / 주조 / 단조 / 압연 / 압출및선재제조기술에대한기반및생산체재가이루어지지않아전량수입에의존하는실정이다. 선진국에서는이의개발에많은연구와투자가이루어졌으나, 국내에서는여기에관련되는기술적문제, 투자비문제때문에아직까지는미개척기술로남아있다. 단지, 실험실적규모의티타늄연구가전부라할수있고, 이러한실험실적연구로는티타늄합금이응용되는분야의기대에부응시킬수없는실정이다. 티타늄의잉고트제조를위한용해및재용해기술, 주조응고에대한기반 본연구를위해후원해준대구광역시와지역안경업계, ( 재 ) 한국안경산업지원센터, ( 주 )KPC 및대구보건대학관계자여러분께감사드린다. * 교신저자 : 김상연 (sykim@dhc.ac.kr) 접수일 11년 01월 07일수정일 11년 01월 31일게재확정일 11년 03월 10일 1105
한국산학기술학회논문지제 12 권제 3 호, 2011 기술을축적하여국내에서제조된티타늄 Bloom 및 Billet에서분괴압연, 조압연, 사상압연의공정을거쳐소구경의 Coil 및 Wire가생산될경우, 향후산업전반에대한파급효과는지대하다. 본연구에서는안경테제조용으로많이쓰이는직경 1-3mm 선재를개발하기위한중간단계로순티타늄잉고트 ( 직경 400mm, 1000kg) 를제작하고가공하여직경 9mm 선재를만들어그특성을연구하였다. 9mm 선재를신선하여가는선재를만드는과정은이미국내유수의업체에서외국산중간재를도입하여어느정도가공기술이개발되어있는상태이므로본연구에서는직경 9mm 선재개발에중점을두었다. 통상티타늄선재의개발은잉고트에서여러단계의반복적인가공공정을거쳐최종선재로개발되고있으며이러한다수의가공공정은생산비를증가시키는주된요인이되고있으며, 이를고려하여본연구에서는다단열간압연기를사용한새로운공정개발의가능성도검토하였다. 2. 본론 2.1 순수티타늄 순수티타늄은강도와연성에미치는효과와불순물 ( 우선적으로산소 ) 의정도에의해서크게 4가지종류의 ASTM 등급을갖는다. ASTM 1 grade의경우, 가장높은순도, 낮은강도, 그리고상온에서의연성과성형성이탁월하다. ASTM 2의경우, ASTM1과같은질소한계량 (Max.0.03%), ASTM 3grade와같은철한계량 (Max.0.3%) 과함께순수티타늄의산소범위인 0.18~0.4% 의중간값인 0.25% 을최대값으로하는산소량을화학성분범위로한다. ASTM2 grade의철과산소량이증가함에따라, 강도는상승하는반면연성과부식저항성은 Grade1에비해떨어지는성질을갖고있다. 또한, 30~40ppm의수소는수소취성을초래하게된다 [1]. 상변태측면에서, 순수티타늄은 882 에서동소변태 (allotropic transformation) 하여상온에서안정상인 HCP구조를가지는 α상과고온에서안정상인 BCC구조를가지는 β상으로변태된다. 이러한순수티타늄의화학적인성질과기계적성질등을고려하여, 안경테에적합한소재를결정하여야한다 [.2] 금속조직학적으로, 순수티타늄의경우, α조직을나타내며, α상결정립의크기에따라제조특성이다르게나타나는데, 표 1에미세조직의영향을나타내었다 [3]. [ 표 1] 미세조직이물리적성질특성에미치는영향 [4] Fine ( 미세화 ) Coarse ( 조대化 ) 특성층상조직등축정조직 탄성계수 +/-(texture) + - 강도 - + + - 연성 - + - + 파괴인성 + - + - 피로파괴 Initiation - + - + 피로파괴 propagation + - - + 크립강도 + - + - 초소성 - + + - 산화거동 + - 안경다리등부품용으로많이사용되는 ASTM Grade 2-Unalloyed titanium, standard oxygen 소재의기계적성질을표 2에나타냈다. [ 표 2] ASTM Grade2-Unalloyed titanium, standard oxygen 소재의기계적성질 Tensile Requirement T.S Y.S, 0.2%offset E.L Min. 345 275 18 Max. - - - 2.2 티타늄잉고트제조고순도티타늄스폰지를사용하여안경용순티타늄잉고트를 VAR(Vacuum Arc Remelting) 장비를사용하여제조하였다. 그방법은 1차티타늄스폰지를 1500ton 수압기로압축하여직경 150mm 길이 170mm 브라켓을만든후이들을여러개 Ar 분위기에서용접으로연결하여소모성전극을만들었다. 이를냉각수가흐르는구리크루시블내에서진공방전시켜잉고트를제작하였다. 잉고트제작과관련한 VAR운용조건은잉고트의품질을좌우하는중요한요소이다. 통상최소인가전류가 3000A이상이되어야용해가가능하고 8000A, 50V정도에서최적의용해속도가유지되며, 진공도는용해시작시 10-3 Torr 이나용해가진행되면가스등이발생하여 10-2 Torr로떨어지고, 냉각수의온도도 30-33 내외로운용하여야한다 [5]. 활성금속인티타늄의경우, 산소와의반응이강하므 1106
안경용순티타늄 wire 제조공정개발 로, 고진공의환경의유지가필수적이며, 용해중편석을없애기위해일정한아크전압의유지, 냉각수량 / 수압의조정, 전류등의변수들을조절하여방향성응고를유도하였다. 일차용해 (Single melting) 된잉고트를용해과정에유입된불순물을제거하고품질을높이기위해이차용해 (Double melting) 를실시하였다 [ 그림 1]. 제조된잉고트는습식분석및가스분석한결과를표 3에나타냈다. [ 그림 2] 티타늄선재압출금형 Fe ASTM Gr2 [ 그림 1] Double Melted Gr2 Ingot ( 직경 400mm, 1000kg) [ 표 3] Gr.2 잉고트의화학조성 [wt.%] C H(ppm) O N 0.3 0.08 150 0.25. 0.03 Bal. VS101 0.03 0.008 10 0.073 0.004 Bal. 2.3 직경 42mm 선재제조제조된잉고트를 Hydraulic Press를이용하여 Break Down을실시하였다. 단조온도를 700-950 내에서유지하면서단조분괴하여블름을제작하였다. 제작된블름을 2가지방법으로 ( 압연, 압출 ) 가공하여 5종 ( 압연시편 2종, 압출시편 3종 ) 의 42mm 선재를만들었다. 압출시편은가열된블름을그림 2의수동식압출금형기의실린더에장입하여열간압출시켜가공후직경 42mm 선재를압출하였다. 압출금형의규격은 1270Wx 2000Hx1500L 이고직경 20~70mm x L의시편을가공할수있다. Ti [ 그림 3] Reversing Mill 압연시편은대구보건대학과 ( 주 )KPC가함께안경용소재개발을목표로설치운용중인 Reversing Mill을사용하여제작하였다 [ 그림 3]. 가공후시편을표면산화를최소화하기위한 Ar분위기가열로에서 538~816 범위내에서 2.5~5시간소둔하였다 [6]. 티타늄은열전도도가낮기때문에표면부, 측면부의온도강하가크게일어나면서, 변형저항의증가로최대압연능력을초과할위험이있어, 최적온도범위에근접한온도에서열간압연을실시하였다. 후공정으로, 절단및가공, 열처리에의해본연구에서필요로하는직경 42mm 선재를제조하였다 [ 그림 4]. [ 그림 4] 직경 42mm 선재 (Round Bar) 1107
한국산학기술학회논문지제 12 권제 3 호, 2011 2.4 직경 9.0mm 선재제조직경42mm의선재를 820 가까이가열후, 고정된 gear ratio 및 RPM에의해최종적으로 9.0mm의원형선재가만들어지도록설계된 18단압연기를통해열간압연을실시하였다. 18단압연기는 1차 10단압연기를 [7] 거치면직경15.8mm 선재로되고 2차 8단압연기를거치면최종직경 9mm 선재가된다. 알루미늄과스테인리스강을통한 10단압연기와 8단압연기사이의압연속도의연동가능성과또한, 8단압연기에서취출되어나오는선재를코일형태로감기위한 Coiler와의연동을수차례시험을실시하였다. 스테인리스강의경우, 본장비에의한높은변형량과변형속도에의해고온에서의강도를측정하고티타늄압연의본제작에반영하였다. 티타늄의경우, 열간산화성이매우강하므로표면에 Brittle한 α케이스층의형성은선재의품질에영향을미쳐, 생산원가및후공정으로의연결에차질을미치게된다. 대기중에서가열한티타늄의표면은열간가공과정에서 scab, scratch 등의표면결함을유발시켰다. 가열시표면경화층의존재는롤러에의한압연가공시불균일한국부변형을유발하면서 scab, scratch 등의표면결함을보이는것으로판단된다. 그림 5은최종적으로제조된 25kg의티타늄선재를보여주고있다. ASTM B863 측정값 [ 표 4] 15.8mm 선재기계적물성치 항복강도 인장강도 연신율 단면감소율 비고 (In-going Bar) 275 345 18 - - 408 398 443 444 447 529 527 538 538 541 30 31 32 31 34 압연재압연재압출재압출재압출재 선재제조에는열간압연공정이열간압출공정보다제조효율성이높다. 그래서열간압연공정으로제작한 15.8mm 선재의경도를표면에서부터중심부로가면서수백μm간격으로측정한결과 Hv150~200에서거의일정한값을나타내고있다 [ 그림 6]. Hardness(Micro-Vickers) 300 250 200 150 100 50 0 0 1000 2000 3000 4000 Distance from suface into center(um ) [ 그림 6] 15.8mm 선재의경도값 [ 그림 5] 직경 9.0mm 티타늄선재 2.5 기계적특성평가 15.8mm 선재의기계적특성을시험해본결과열간압연재 (42mm선재) 가열간압출재 (42mm) 보다항복강도에서전반적으로작은값을보였으나모두 ASTM규격조건인 275MPa 보다큰조건은만족하였다. 이들은 42mm 선재를만드는방법이다름으로인한미세조직에의한영향이가공후 15.8mm 선재의항복강도에영향을미친것이라생각된다 [ 표 4]. 이후 15.8mm선재를 8단압연하여 9.0mm 선재를제작하였고 Instron 만능시험기를사용하여 1mm/min의 cross head speed로인장시험한결과그림 7과같이하부항복강도와상부항복거동을보이고있으며, 인장강도인 539MPa 부근에서파단이일어나는시점까지일정한변형거동을보이고있다. 9.0mm 선재의특성값을보면, 모두 ASTM B683을충족하고있지만, 초기인입시가열온도조건에의해항복강도와신율에차이가있음을알수있었다. 열간압연기인입시가열온도는고온가열시 100 0 정도였고, 저온가열시 900 정도였으며높은온도로가열된소재의경우, 항복강도는상대적으로낮고신율은높은값을나타내었다. 또한, 외국산소재와비교해보면, 신율은동일하지만, 강도는상대적으로높은값을나타내고있다. 이런결과들을종합해보면, 동일화학성분의조건하에서도, 초기소재의조직및압연된소재의열처리여부에의해다양한값들을발현할수있음을알수있다 [ 표 5]. 또한본연구에서제작한 9mm의선재의기계적특성 1108
안경용순티타늄 wire 제조공정개발 값인강도가수입소재보다상대적으로높기때문에, 후공정인신선에도큰영향을미칠것이예상된다. Stress 700 600 500 400 300 200 100 ASTM B863 0 0 10 20 30 40 50 60 Strain [ 그림 7] 9mm 선재의인장시변형거동 항복강도 측정값 391 410 [ 표 5] 9.0mm 선재기계적물성값 인장강도 연신율 단면감소율 비고 275 345 18 - - 538 539 35 25 측정값 289 442 32 58 3. 결론 - 1000 가열 900 가열직경5.5mm ( 외국산소재 ) 4. 최종 9mm 선재는열간압연기인입시온도에따라항복강도와연신율은달랐지만인장강도는근사한값을나타내었으며모두 ASTM B863 규격을만족하였다. 5. 직경 400mm 잉고트에서단조및 18단열간압연공정을통해직경 9.0mm 티타늄선재로제작하는새로운제작공정을개발하였다. 참고문헌 [1] V. A. Joshi, Titanium Alloys, An Atlas of Structures and Fracture Features, p.9-11, Taylor & Francis (2006). [2] G. Lutjering, J. C. Williams, Titanium, p.21, Second Edition, Springer (2007). [3] Materials Properties Handbook Titanium Alloys, p.165-167 [4] 열산화에의한티타늄의발색효과, Journal of the korean institute of surface engineering V35. No5. p.326, 2002 [5] 진공아크용해법에의한티타늄주조기술개발, 산업자원부, pp.66, 2002. [6] 이용태, 이종형, 타이타늄가공기술, 한국철강신문, pp.36, 2006. [7] Sang-Yeoun Kim, The Study on Titanium wire rod by Kocks Mill process, 대구보건대학논문집, 2009, V29, No1, 192. 직경 400mm 순티타늄잉고트를제작하고가공하여직경 9mm 선재를개발하고그특성을조사한결과다음과같은결론을얻었다. 1. 제조한 400mm 순티타늄잉고트는산소함량이 0.073wt% 이고철함량이 0.03wt% 로서 ASTM Gr.2 규격을만족하는고품질이었다. 2. 42mm 선재를열간압연시켜제작한시편보다열간압출하여제작한시편이 15.8mm 선재를제작했을때항복강도가작았다. 이것은 42mm 선재를만드는방법이다름으로인한미세조직에의한영향이가공후 15.8mm 선재의항복강도에영향을미친것이라생각된다. 3. 열간압연공정으로제작한 15.8mm 선재의단면을표면에서부터중심부로가면서경도분석한결과 Hv150~200로서일정한값을나타내었다. 최계훈 (Gye-Hun Choi) [ 정회원 ] < 관심분야 > 안경테금속소재, 안경렌즈설계 1997 년 2 월 : 영남대학교이과대학원 ( 이학석사 ) 2000 년 2 월 : 영남대학교이과대학원 ( 박사수료 ) 2001 년 9 월 ~ 현재 : 대구보건대학안경광학과교수 1109
한국산학기술학회논문지제 12 권제 3 호, 2011 김상연 (Sang-Yeoun Kim) [ 정회원 ] 1977 년 2 월 : 경북대학교문리대물리학과 ( 이학사 ) 1984 년 8 월 : 영남대학교이과대학원 ( 이학석사 ) 1989 년 2 월 : 영남대학교이과대학원 ( 이학박사 ) 1994 년 4 월 ~ 현재 : 대구보건대학안경광학과교수 < 관심분야 > 안경테금속소재, 안경렌즈 1110