티타늄과 합금은 독특한 특성으로 항공우주와 생물의학 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이 인기 있는 금속은 녹과 화학 물질에 강하고, 재활용 가능하며, 경량, 고강도, 우수한 내식성으로 많은 엔지니어링 문제를 해결합니다. 티타늄 부품은 다른 금속과 소재보다 더 오래 지속되며 더 나은 성능과 결과를 제공합니다.
티타늄은 강철보다 30% 더 강하지만, 강철보다 거의 50% 더 가볍습니다. 티타늄은 알루미늄보다 60% 더 무겁지만, 강도는 알루미늄의 두 배입니다. 그러나 티타늄 합금 가공과 적절한 공구 및 파라미터 선택 시 몇 가지 과제를 고려해야 합니다.
여기서 티타늄 가공을 심층 이해하고, 왜 티타늄 가공이 그렇게 어려운지, 티타늄 가공 성공률을 높일 수 있는 기술적 통찰과 팁, 이점과 응용 분야를 제공합니다.
티타늄 합금에는 많은 등급과 종류가 있으며, 100종 이상입니다. 각 합금은 고유한 특성을 가집니다. 40~50종이 산업용으로 이용 가능하며, 10종 이상이 가장 일반적으로 사용됩니다. 다양한 산업용 순수 티타늄과 선정된 티타늄 합금이 포함됩니다. 예를 들어 Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-2Al-1.5Mn, Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-0.20Pd, Ti-0.3Mo-0.8N 등. 그러나 대부분의 국가에서 첫 두 가지 중요한 합금(Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn)이 가장 전형적이며 세계적으로 인정받고 있습니다.
조직 분류에 따라 티타늄 합금은 다음 세 가지 범주로 나뉩니다: α 합금, (α+β) 합금, β 합금.
α상 고용체로 구성된 단상 합금입니다. 정상 온도나 더 높은 실용 온도에서나 α상으로, 안정한 구조, 순수 티타늄보다 높은 내마모성, 강한 내산화성을 가집니다. 500°C~600°C 온도에서도 강도와 크리프 저항성을 유지하지만, 열처리로 강화할 수 없고 실온 강도는 높지 않습니다.
β상 고용체로 구성된 단상 합금입니다. 열처리 없이도 고강도입니다. 퀜칭과 에이징 후 합금이 더욱 강화되어 실온 강도가 1372~1666MPa에 도달할 수 있으나, 열 안정성이 나빠 고온 사용에 적합하지 않습니다.
좋은 종합 특성을 가진 이중상 합금으로, 좋은 구조적 안정성, 인성, 가소성, 고온 변형 특성을 가지며 열간 압력 가공이 잘 되고, 퀜칭과 에이징으로 합금을 강화할 수 있습니다. 열처리 후 강도는 어닐링 상태보다 약 50~100% 높으며, 고온 강도가 높고 400°C~500°C에서 장기간 작동 가능하며, 열 안정성은 α 티타늄 합금 다음입니다.
세 가지 티타늄 합금 중 가장 일반적으로 사용되는 것은 α 티타늄 합금과 α+β 티타늄 합금입니다. α 티타늄 합금이 가장 가공성이 좋고, 그다음은 α+β 티타늄 합금, β 티타늄 합금이 가장 나쁩니다.
티타늄 합금 가공 시 절삭력은 동일 경도의 강철보다 약간 높을 뿐이지만, 티타늄 합금 가공의 물리적 현상은 강철 가공보다 훨씬 복잡하여 티타늄 합금 가공에 엄청난 어려움을 초래합니다.
대부분 티타늄 합금의 열전도율은 매우 낮아 강철의 1/7, 알루미늄의 1/16에 불과합니다. 따라서 티타늄 합금 절삭 시 발생하는 열이 공작물로 빠르게 전달되거나 칩에 의해 제거되지 않고 절삭 영역에 집중됩니다. 발생 온도는 1,000°C까지 올라갈 수 있어 공구 절삭날이 빠르게 마모, 균열, 빌트업 에지 발생, 블레이드 급속 마모가 나타나고 절삭 영역에 더 많은 열을 발생시켜 공구 수명을 더욱 단축시킵니다.
절삭 공정에서 발생하는 고온은 티타늄 합금 부품의 표면 무결성을 파괴하여 부품의 기하학적 정밀도 저하와 가공 경화 현상을 초래해 피로 강도를 심각하게 감소시킵니다.
티타늄 합금의 탄성은 부품 성능에 유리할 수 있지만, 절삭 공정에서 공작물의 탄성 변동은 진동의 중요한 원인입니다. 절삭 압력으로 '탄성' 공작물이 공구에서 떨어져 나갔다가 반발하여 공구와 공작물 간의 마찰이 절삭 작용보다 커집니다. 마찰 공정도 열을 발생시켜 티타늄 합금의 열전도율 불량을 악화시킵니다.
'열'이 티타늄 합금 가공 난제의 '주범'입니다!
티타늄 합금 가공 메커니즘 이해와 이전 경험을 바탕으로 티타늄 합금 가공의 주요 기술 노하우는 다음과 같습니다:
티타늄은 절연체이므로 절삭 작업 중 발생하는 열이 절삭 공구 근처에 머무르는 경향이 있습니다. 과도한 열을 처리하는 명백한 방법은 냉각수를 추가하는 것입니다. 작업 영역과 공구에 고압으로 공급되는 10% 농도 냉각수로 샌드블라스팅하여 접촉 영역을 차갑게 유지하고 열을 가진 모든 칩을 씻어냅니다.
터닝 응용 분야에서 냉각수의 위치와 압력은 매우 중요합니다. 올바르게 적용하면 더 높은 표면 속도와 금속 제거율을 달성할 수 있습니다. 유일한 단점은 기반 소재가 부품 표면에 재증착될 수 있다는 것입니다. 이는 절삭 전략 계획과 마무리 가공 시 냉각수 압력 감소로 극복할 수 있습니다.
티타늄은 가공 경화가 쉽습니다. 즉, 소재 절단 시 티타늄이 더 단단해져 공구 마모가 심해집니다. 일정한 이송은 가공 경화된 소재를 절대 최소로 유지합니다.
기계가 허용한다면 이송 속도를 높이면 공구가 특정 영역에 머무는 시간이 줄어들어 열 축적과 가공 경화가 공구 절삭날에 영향을 미칠 시간이 없습니다.
PVD 코팅 초경 팁이 티타늄 절단에 가장 적합한 공구입니다. 더 새롭고 진보된 공구 코팅도 제공될 수 있습니다. 예를 들어 TiAlN(티타늄 알루미늄 질화물). 티타늄은 탄성 소재이므로 이 날카로운 공구가 절대적으로 필수적입니다. 무딘 공구는 표면을 문질러 채터를 유발합니다.
티타늄은 긴 칩을 생성하여 공구를 쉽게 손상시키고 공작물 표면에 자국을 남깁니다. 또한 길고 얇은 칩은 이상적이지 않은데 작업 영역에서 열을 멀리 전달하는 데 도움이 되지 않기 때문입니다. 따라서 티타늄 가공 시 이상적인 공구와 공구 경로는 더 작고 두꺼운 칩을 만드는 데 이상적입니다.
티타늄 가공 시 올바른 공구 경로 선택은 올바른 공구 선택만큼 중요합니다. 티타늄 가공 시 공구 경로가 항상 공작물과 맞물리도록 보장하는 것이 절대적으로 필요합니다. 홈 가공 시 사이클로이드 패턴과 결합된 공구 경로는 홈이 소재와 맞물리는 시간을 줄여 열 축적을 제한하는 데 도움이 됩니다. 절삭 공구를 공작물 안팎으로 구동하면 공구를 심각하게 손상시킬 수 있는 충격과 급작스러운 움직임을 줄이는 데 도움이 됩니다.
공작기계
견고한 공작기계는 티타늄 성공적 가공에 필수적입니다. 이상적인 티타늄 밀링 머신은 강성이 있어야 하며, 스핀들은 저속 고토크로 작동할 수 있어야 합니다. 이는 절삭 중 진동을 흡수하고 채터를 줄이는 데 도움이 되며, 이는 티타늄 합금 가공 시 흔한 문제입니다.
티타늄 합금은 경량, 고강도, 우수한 내식성 등의 장점이 있어 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 가장 많이 사용되는 티타늄 합금은 자동차 엔진 시스템입니다. 티타늄 합금의 저밀도는 운동 부품의 관성 질량을 줄일 수 있습니다. 동시에 티타늄 밸브 스프링은 자유 진동을 증가시키고 차체 진동을 줄이며 엔진 회전수와 출력을 높일 수 있습니다.
티타늄 합금 선택은 관련 부품의 하중 응력을 줄이고 부품 크기를 줄여 엔진과 차량 전체의 품질을 줄일 수 있습니다. 부품의 관성 질량 감소는 진동과 소음을 줄이고 엔진 성능을 향상시킵니다. 다른 부품에 티타늄 합금 적용은 승무원 편의성과 자동차 미관을 개선할 수 있습니다. 자동차 산업 응용에서 티타늄 합금은 에너지 절약과 소비 감소에 헤아릴 수 없는 역할을 했습니다.
높은 내식성, 우수한 생체 적합성, 모든 금속 중 최고의 강도-중량 비율. 이러한 특성은 티타늄 합금을 항공우주 및 의료 산업에서 특히 인기 있는 소재로 만듭니다.
다른 원소에 대한 친화성 때문에 티타늄은 자연 상태에서 발견될 수 없어 복잡하고 에너지 소모적인 공정으로 정제해야 합니다. 이는 티타늄 합금 가격이 초기 제련이나 후속 가공 모두에서 다른 금속보다 훨씬 높음을 의미합니다.
티타늄의 또 다른 주요 단점은 가공 공정에서의 기술적 난이도입니다.
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제조공정
부품을 만들 때 설계 엔지니어가 직면해야 할 가장 중요한 결정 중 하나는 어떤 소재를 사용할지입니다. 소재 선택은 주어진 부품의 기능과 외관, 그리고 시간이 지남에 따라 어떻게 유지될지 결정합니다. 플라스틱은 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 가볍고, 가공하기 쉽고, 일반적으로 유사한 금속 제품보다 저렴합니다. 가공용 플라스틱에는 많은 종류가 있으며, 각각 장단점이 있습니다. 고정밀 플라스틱 부품을 생산하는 방법은 많습니다. 현대 산업용 플라스틱은 주조, 사출 성형, 프린팅 또는 가공됩니다. 처음 세 가지 옵션은 양호한 표면 마감으로
게시일: 2020년 10월 19일 | 작성: Candy, WayKen Rapid Manufacturing 티타늄은 그 특성 때문에 오랫동안 외면받아 왔습니다. 그러나 최근 야금학과 제조 기술의 발전으로 이 소재에 대한 새로운 시각이 열렸습니다. 현재 티타늄은 뛰어난 중량 대비 강도비(강철의 3배), 내식성, 인체 조직 적합성, 고온에서의 탁월한 성능으로 각광받고 있습니다. 항공우주 티타늄 부품은 경량성과 고강도로 특히 인기가 높습니다. 하지만 티타늄 가공에는 많은 문제가 따릅니다. 가장 일반적인 티타늄 합금 티타늄에 여러
