KR102128736B1 - 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 - Google Patents

저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 탈산용기 내에 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 장입하고, 칼슘을 상기 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금에 접촉식 또는 비접촉식으로 배치하는 단계; (b) 상기 탈산용기 내부를 700~1000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에 의해 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 세척하여, 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 표면의 칼슘산화물을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에 의해 칼슘산화물이 제거된 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 비접촉식으로 탈산용기 내에 배치하고 950~1,050℃로 가열하여 재탈산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법 및 이에 따라 제조한 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 제공한다.

Description

저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금{Manufacturing method for a low oxygen-containing bulk titanium or titanium alloy and a low oxygen-containing bulk titanium or titanium alloy manufactured by the same}
본 발명은 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조방법 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상용의 벌크 티타늄으로부터 400ppm 이하 산소를 함유한 벌크 티타늄을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 티타늄에 관한 것이고, 산소 함량이 1,300~1,500ppm 인 상용의 벌크 Ti-6Al-4V로부터 400ppm 이하 산소를 함유한 벌크 Ti-6Al-4V를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 저산소 벌크 Ti-6Al-4V에 관한 것이다.
티타늄(Ti)은 경량성, 내구성, 내식성이 매우 우수한 물질이다. 이러한 이유로, 티타늄은 우주항공 분야, 해양 기기 분야, 화학공업 분야, 원자력 발전 분야, 생체 의료 분야, 자동차 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
티타늄은 고반응성 재료로서 산소와 친화력이 높아서 고용도에 따라 물성이 저하되는 특성을 가진다. 상용의 티타늄은 대략 2,000ppm에서 10,000ppm 정도의 산소를 함유하고 있다. 따라서, 보다 고순도의 티타늄을 제조하기 위한 많은 연구가 진행되어져 왔다.
일 례로, 티타늄 분말로부터 금속 칼슘을 이용한 비접촉식 탈산 방법에 의해 저산소 티타늄 분말을 제조하는 시도가 있었다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 티타늄 분말의 탈산의 경우 표면적이 크기 때문에 칼슘 탈산제에 의한 탈산 반응이 활발하게 진행되지만 벌크 티타늄의 경우 상대적으로 표면적이 작고 표면에 CaO가 형성되기 때문에 산소 저감 효율이 분말에 비해 떨어지는 문제가 있다.
본 발명자들은 저산소 벌크 티타늄의 제조 방법을 도출하기 위해 노력하던 중, 도 6에 나타낸 바와 같이 탈산시 티타늄 표면에 형성되는 CaO를 제거한 후 탈산 공정을 1회 반복함으로써 분말 대비 상대적으로 표면적이 작은 벌크 티타늄 소재의 탈산 효율을 최대화하여, 초저산소 함유 벌크 티타늄을 제조할 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.
본 발명은 분말 대비 상대적으로 비표면적이 작은 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금에 함유되어 있는 산소를 최대한 저감시킬 수 있는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 (a) 탈산용기 내에 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 장입하고, 칼슘을 상기 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금에 접촉식 또는 비접촉식으로 배치하는 단계; (b) 상기 탈산용기 내부를 700~1000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에 의해 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 세척하여, 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 표면의 칼슘산화물을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에 의해 칼슘산화물이 제거된 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 비접촉식으로 탈산용기 내에 배치하고 900~1,000℃로 가열하여 재탈산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법을 제공한다.
상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V일 수 있다.
상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄은 산소 함량이 800 ~ 900ppm일 수 있다.
상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄 합금은 산소 함량이 1,300 ~ 1,500ppm일 수 있다.
상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 100중량부에 대하여 칼슘의 사용량은 50~200중량부일 수 있다.
상기 단계 (b)는 접촉식으로 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘이 배치된 탈산용기 내부를 700~800℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계일 수 있다.
상기 단계 (b)는 비접촉식으로 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘이 배치된 탈산용기 내부를 900~1,000℃로 가열하여 벌크 티타늄 합금을 탈산하는 단계일 수 있다.
상기 단계 (c)는 수 세척(water washing) 및 산 세척(acid washing) 중에서 1종 이상의 방법으로 실시될 수 있다.
상기 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 산소 함량이 300 ~ 600 ppm일 수 있다.
본 발명은 상기 제조 방법에 따라 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄합금을 제공한다.
본 발명에 따르면 탈산시 티타늄 표면에 형성되는 CaO를 제거한 후 탈산 공정을 1회 반복함으로써 분말 대비 상대적으로 표면적이 작은 벌크 티타늄 소재의 탈산 효율을 최대화하여, 초저산소 함유 벌크 티타늄을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상용의 벌크 티타늄으로부터 400ppm 이하 산소를 함유한 벌크 티타늄을 제조하고, 산소 함량이 1,300~1,500ppm 인 상용의 벌크 Ti-6Al-4V로부터 400ppm 이하의 산소를 함유한 벌크 Ti-6Al-4V를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 저산소 벌크 티타늄 제조를 위한 벌크 탈산 장치의 개략도이다.
도 3은 종래의 저산소 벌크 티타늄 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저산소 벌크 티타늄 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 기존의 탈산 공정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 재탈산 공정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에서 Ti-6Al-4V 합금에 대해 5×10-5torr의 진공도에서 700~1,000℃의 온도범위에 걸쳐 탈산공정을 진행한 경우와, 1회 탈산을 진행한 Ti-6Al-4V 합금을 1,000℃의 온도에서 1회 탈산공정을 반복한 후 산소함량의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이고,
도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시예에서 Ti-6Al-4V 합금에 대해 진공도를 달리하여 1,000℃의 온도에서 1시간 및 2시간 탈산공정을 진행한 경우와, 1회 탈산을 진행한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 1,000℃의 온도에서 1회 탈산공정을 반복한 후 산소함량의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 순수 벌크 티타늄(Pure Ti)에 대해 1,000℃의 온도에서 1시간 및 2시간 탈산공정을 진행한 경우와, 1회 탈산을 진행한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 1,000℃의 온도에서 1회 탈산공정을 반복한 후 산소함량의 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저산소 티타늄 벌크 티타늄 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저산소 벌크 티타늄 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 도시된 저산소 벌크 티타늄 제조 방법은 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금/칼슘 배치 단계(S110), 탈산 단계(S120), 세척 단계(S130) 및 분석 단계(S140)를 포함한다.
벌크 티타늄 또는 티타늄 합금/칼슘 배치 단계 (a)에서는 탈산용기 내에, 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 각각 접촉식 또는 비접촉식으로 배치한다.
벌크 티타늄 합금은 상용의 티타늄 합금일 수 있으며, 바람직하게는 Ti-6Al-4V(ASTM grade 5)일 수 있다. Ti-6Al-4V(ASTM grade 5)는 티타늄, 알루미늄 및 바나듐의 합금으로 강도가 일반 순수 티타늄에 비해 매우 강하며, 산소 함량이 약 1,300 ~ 1,500 ppm 일 수 있다.
본 발명에서, '벌크'는 분말과 같은 작은 입자가 아닌 금속 덩어리를 의미하기 위해 사용되는 용어이다.
본 발명에서, 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과 칼슘은 탈산 용기 내에 접촉식 또는 비접촉식으로 배치된다.
이때, 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 100중량부와, 칼슘 50~200 중량부를 배치하는 것이 보다 바람직하다. 칼슘의 사용량이 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 100 중량부 대비 50 중량부 미만일 경우, 칼슘 증발량이 불충분하여 탈산 효과가 저하될 수 있다. 반대로, 칼슘의 사용량이 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 100 중량부 대비 200 중량부를 초과하는 경우, 더 이상의 효과 향상없이 칼슘 사용량만 증가할 수 있다.
장입되는 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 두께는 10mm 이하인 것이 바람직하다. 두께가 10mm를 초과하는 경우에는 합금의 두께 대비 산소 저감 효율이 떨어질 수 있다.
탈산 단계 (b)는 탈산용기 내부를 700~1,000℃로 1~2시간 동안 가열하여 벌크 티타늄 합금을 탈산하는 단계이다.
이때, 진공도는 5 × 10-5 torr 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 탈산 단계(S120)는 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 접촉식으로 배치한 탈산용기 내부를 700~800℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계일 수 있다. 700~800℃로 가열할 경우 칼슘의 용융 온도(842℃) 미만이므로 칼슘의 증발이 일어나지 않으므로 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 접촉식으로 배치하는 것이 유리하다.
일 실시예에서, 탈산 단계(S120)는 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 비접촉식으로 배치한 탈산용기 내부를 900~1,000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 비접촉식으로 탈산하는 단계일 수 있다. 탈산용기 내부를 칼슘의 용융 온도(842℃) 이상으로 가열하면, 칼슘이 증발되면서 티타늄 또는 티타늄 합금과 접촉하고, 증발된 칼슘이 티타늄 또는 티타늄 합금과 접촉하면서 다음과 같은 탈산 반응이 이루어지고, 이에 따라 티타늄 또는 티타늄 합금에 포함된 산소가 제거된다.
Ca(g) + O (in Ti powder) → CaO(s)
동일한 조건에서, 칼슘의 용융온도 미만에서 탈산을 실시한 경우와 칼슘의 용융온도 이상에서 탈산을 실시한 결과, 칼슘의 용융온도 이상에서 탈산을 실시한 경우가 탈산 효과가 높았다. 이러한 이유로, 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 비접촉식으로 배치한 탈산용기 내부를 900~1,000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 비접촉식으로 탈산하는 것이 바람직하다. 비접촉식 탈산시 온도가 900℃ 미만인 경우 칼슘의 증발이 충분하지 않아 산소 저감 효율이 떨어질 수 있으며, 1,000℃를 초과하면 더 이상의 효과 향상없이 경제성이 떨어질 수 있다.
세척 단계 (c)에서는 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 세척하여, 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 표면의 칼슘산화물을 제거한다. 세척은 수 세척(water washing) 및 산 세척(acid washing) 중에서 1종 이상의 방법으로 실시될 수 있다. 산 세척의 경우, 대략 10중량% HCl 용액을 이용할 수 있다. 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 수득을 위하여, 수 세척 및 산 세척을 수회 반복하여 실시하는 것이 보다 바람직하다. 세척 시간은 60 분 이하인 것이 바람직하다.
칼슘산화물이 제거된 티타늄 또는 티타늄 합금을 건조하여 최종 티타늄 또는 티타늄 합금을 수득한다. 건조는 다양한 방법으로 실시될 수 있으나, 저산소 티타늄 또는 티타늄 합금 수득을 위하여 진공 건조(vacuum drying) 방식으로 실시되는 것이 보다 바람직하다.
진공건조는 대략 60℃에서 2시간 정도 실시될 수 있다.
티타늄 분말의 경우 표면적이 크기 때문에 칼슘 탈산제를 이용한 탈산 반응이 활발하게 이루어지지만 벌크 티타늄의 경우 상대적으로 표면적이 작기 때문에 산소 저감 효율이 분말에 비해 떨어지는 문제가 있다(도 5 참조).
본 발명의 저산소 벌크 티타늄 합금 제조방법은 (c) 단계에 의해 칼슘산화물이 제거된 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산용기 내에 장입하고, 칼슘을 비접촉식으로 배치하고 900~1,000℃로 가열하여 재탈산하는 단계를 포함한다. 재탈산시 온도가 900℃ 미만인 경우 재탈산을 통한 산소 저감 효과가 충분하지 않을 수 있으며, 1,000℃을 초과하는 경우 더 이상의 효과 향상없이 경제성이 떨어질 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금은 산소 함량이 400 ppm 이하이다.
본 발명의 일 실시예에서, 1회 탈산을 진행한 Ti-6Al-4V 합금을 가장 산소 저감률이 높았던 1,000℃의 온도에서 추가적인 산소저감을 실시한 결과, 1회 탈산보다 더 낮은 산소함량인 355ppm까지 산소함유량이 감소하여 원재료 대비 76%의 산소 저감 효과를 나타냄을 확인하였다.(도 7의 (b))
본 발명의 일 실시예에서, 1회 탈산을 진행한 순수 벌크 티타늄을 가장 산소 저감률이 높았던 1,000℃의 온도에서 추가적인 산소저감을 실시한 결과, 1회 탈산보다 더 낮은 산소함량인 350ppm까지 산소함유량이 감소하여 원재료 대비 59%의 산소 저감 효과를 나타냄을 확인하였다. (도 8)
본 발명의 실시를 위해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 개선된 벌크 티타늄 탈산 장치를 이용하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 사용된 접촉식 벌크 티타늄 탈산 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 벌크 티타늄 탈산 장치를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 사용된 벌크 티타늄 탈산 장치는 외부용기 무게 추(110), 외부용기(120), 내부용기 무게 추(130), 내부용기(140), 시브(150) 및 외부용기 받침(160)을 포함하여 구성된다.
외부용기 무게 추(110)는 외부용기에 하중을 가하여 칼슘의 증발을 억제할 수 있다. 외부용기 무게 추(110)는 스테인리스 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
외부용기(120)는 칼슘이 증발하여 새어나가는 것을 막을 수 있다. 외부용기(120)는 스테인리스 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
내부용기 무게 추(130)는 내부용기에 하중을 가하여 칼슘의 증발을 억제할 수 있다. 내부용기 무게 추(130)는 스테인리스 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
내부용기(140)는 STS 재질로 칼슘이 높은 온도에서 위쪽으로 증발되도록 할 수 있다. 내부용기(140)는 스테인리스 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 스테인리스 재질로 형성된 내부용기(140)는 후술하는 탈산제가 가열에 의해 내부용기(140)의 바닥에 눌러붙은 경우에도 상수도에 의해서 세척되어 간단하게 탈산제를 제거할 수 있어 내부용기(110)를 계속해서 재활용할 수 있으므로 유지관리비용을 절감할 수 있다.
시브(150)는 도 1과 같은 접촉식 탈산 장치에서는 티타늄 합금 모재의 분리를 쉽게 할 수 있게 하고, 도 2와 같은 비접촉식 탈산에서는 티타늄 합금이 칼슘과 접촉하지 않게 하면서 칼슘 증기가 원활이 유동할 수 있게 한다.
외부용기 받침(160)은 외부용기의 밀폐를 돕는 역할을 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 저산소 티타늄 분말 제조 방법에 대하여 살펴보기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
<실시예 1> : Ti-6Al-4V의 탈산
약 1,300 ~ 1,500 ppm의 산소를 포함하는 벌크 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V 합금을 원재료로 하여 금속 칼슘을 이용하여 도 4에 도시된 바와 같이 탈산 과정을 진행하였다.
봉상형의 Ti-6Al-4V 합금을 약 3mm의 두께로 절단하며 시편을 제조하였다.
전처리 과정으로서 시편을 2000 grit의 샌드페이퍼를 통하여 연마한 후, 알코올을 이용한 초음파 세척을 실시하였다.
탈산 용기에 제조한 Ti-6Al-4V 합금 시편과 Ti-6Al-4V 합금 무게 대비 100%의 비율로 칼슘 탈산제를 칭량한 후 탈산 장치에 장입하였다. 고진공 열처리로에서 5×10-5torr 이하의 고진공 분위기 하에서 700~1,000℃의 온도범위에서 1시간 유지하며 열처리한 후, 산소/질소 분석기(Eltra-ON900)를 통하여 산소함량의 변화를 측정하여, 하기 표 1 및 도 7의 (a)에 그 결과를 나타냈다.
구체적으로, 700~800℃의 온도 범위에서는 접촉식 탈산법을 진행하였다. 이를 위해 도 1의 접촉식 탈산 장치를 사용하였다. 도 1의 내부용기(140) 내의 시브(160) 위에 Ti-6Al-4V 합금 100 중량부를 배치하고, 상기 Ti-6Al-4V 합금 상부에 칼슘 탈산제 100 중량부를 배치하고, 내부용기 내부를 700~800℃로 가열하여, 용융된 칼슘이 Ti-6Al-4V 합금과 접촉하여 Ti-6Al-4V 합금을 탈산하도록 하였다.
또한, 900~1000℃의 온도 범위에서는 비접촉식 탈산법을 진행하였다. 이를 위해 도 2의 비접촉식 탈산 장치를 사용하였다. 도 2의 내부용기(140) 내에, 시브 하부에 칼슘 탈산제 100 중량부를 배치하고, 시브(160) 위에 Ti-6Al-4V 합금 100 중량부를 분리 배치하고, 내부용기 내부를 900~1000℃로 가열하여, 칼슘이 상부 방향으로 증발되면서 Ti-6Al-4V 합금과 접촉하여 Ti-6Al-4V 합금을 탈산하도록 하였다.
이후 회수된 Ti-6Al-4V 합금의 추가적인 산소 저감을 위해 희석산(10% HCl)을 사용하여 산세척을 실시하여 표면의 CaO를 제거하였다.
이후 추가적인 산소저감을 위해 1회 탈산을 진행한 Ti-6Al-4V 합금을 희석산(10% HCl)을 사용하여 산세척을 실시한 이후, 가장 산소 저감률이 높았던 1,000℃의 온도에서 1회 탈산과 동일한 공정을 반복하여(진공도: 5.5×10-5 Torr), 추가적인 산소저감을 실시한 후, 산소/질소 분석기(Eltra-ON900)를 통하여 산소함량의 변화를 측정하여, 하기 표 1 및 도 7의 (a)에 그 결과를 나타냈다.
Sample 산소함유량 (ppm)
원재료 700℃
(저감율)		 800℃
(저감율)		 900℃
(저감율)		 1,000℃
(저감율)		 1,000℃ 탈산 후
재탈산(저감율)
Ti-6Al-4V 1,475 1,100
(25.4%)		 1,000
(32.2%)		 800
(45.8%)		 640
(56.6%)		 510
(65.4%)
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 탈산 온도가 높아질수록 산소 저감률은 증가하여, 1,000℃에서 1회 탈산 처리된 Ti-6Al-4V 합금의 산소 함량은 640ppm으로 원재료 대비 약 56.6%의 최대 산소 저감률을 나타냄을 확인할 수 있다.
재탈산 결과, 1회 탈산보다 더 낮은 산소함량인 510ppm까지 산소함유량이 감소하여 원재료 대비 65%의 산소 저감 효과를 확인하였다. 이를 통해 본 발명에 따르면 칼슘 탈산제를 이용하여 500 ppm 대의 산소를 함유한 저산소 Ti-6Al-4V 합금의 제조가 가능함을 1차적으로 확인하였다.
진공도에 따른 탈산 결과
이 후 진공 장비의 성능을 개선하여 진공도를 5.5×10-5 Torr에서 최대 1.5×10-6 Torr로 증가시킨 후, 탈산 공정을 실시하였으며, 이에 따른 산소함량의 변화를 측정하여, 하기 표 2 및 도 7의 (b)에 그 결과를 나타냈다.
Ti-6Al-4V
탈산 방법		 산소함유량 (ppm)
원재료 5.5×10-5Torr
(저감율)		 1.5×10-5Torr
(저감율)		 1.5×10-6Torr
(저감율)
1회 탈산
(1,000℃, 1h)		 1,475 640
(56.6%)		 630
(57.3%)		 565
(61.7%)
1회 탈산
(1,000℃, 2h)		 - - 425
(71.2%)
재탈산
(1,000℃, 1h)		 510
(65.4%)		 460
(68.9%)		 355
(75.9%)
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 진공도를 증가시킨 결과, 전체적으로 산소 저감율이 증가하였다. 1.5Х10-6Torr의 진공도에서 재탈산 시, 최대 355ppm까지 산소함유량이 감소하여 원재료 대비 76%의 산소 저감 효과를 확인하였다. 반면 2시간 1회 탈산했을 때 산소 저감률은 71%로 1회 탈산 후 재탈산했을 때에 비해 낮은 산소 저감율을 나타냈다. 이는 1,000℃로 2시간 탈산하는 경우, 표면에 형성된 CaO가 제거되지 못해 재탈산에 비해 산소 저감 효과가 떨어지기 때문이다. 이를 통해 본 발명에 따라 재탈산함으로써 최종적으로 400 ppm 이하의 산소를 함유한 저산소 Ti-6Al-4V 합금의 제조가 가능함을 확인하였다.
<실시예 2> : 순수 티타늄의 탈산
Ti-6Al-4V 합금 대신 순수 벌크 티타늄(pure Ti)을 원재료로 하여 실시예 1와 동일한 방법으로 탈산 과정을 진행하였다
이후 추가적인 산소저감을 위해 1회 탈산을 진행한 벌크 티타늄(pure Ti)를 희석산(10% HCl)을 사용하여 산세척을 실시한 이후, 1,000℃의 온도에서 1회 탈산과 동일한 공정을 반복하여, 추가적인 산소저감을 실시한 후, 산소/질소 분석기(Eltra-ON900)를 통하여 산소함량의 변화를 측정하여, 하기 표 3 및 도 8에 그 결과를 나타냈다. 이때 진공도는 5.5×10-5 Torr이었다.
Sample 산소함유량 (ppm)
원재료 1000℃, 1h
(저감율)		 1000℃, 2h
(저감율)		 1000℃ 탈산후 재탈산(저감율)
Pure Ti 860 555
(35.5%)		 480
(44.1%)		 350
(59.3%)
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 1,000℃에서 1회 탈산 처리된 벌크 티타늄의 산소 함량은 860ppm에서 555ppm으로 원재료 대비 약 35%의 산소 저감률을 나타냄을 확인할 수 있다.
2시간 1회 탈산했을 때 산소 저감률은 44.1%인데 비해, 1회 탈산 후 재탈산했을때 산소 저감률은 59.3%로 현저히 높음을 확인하였다. 이는 1,000℃로 2시간 탈산하는 경우, 표면에 형성된 CaO가 제거되지 못해 재탈산에 비해 산소 저감 효과가 떨어지기 때문이다. 이와 같은 결과로부터 본 발명에 따르면 1,000℃ 탈산 후 CaO 제거 이후 재탈산을 통하여 400 ppm 이하의 산소를 함유한 저산소 벌크 티타늄을 수득할 수 있음을 확인하였다.
외부용기 무게 추 : 110
외부용기 : 120
내부용기 무게 추 : 130
내부용기 : 140
시브 : 150
외부용기 받침 : 160

Claims (9)

  1. (a) 탈산용기 내에 산소 함량이 1,300 ~ 1,500 pmm 인 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 장입하고, 칼슘을 상기 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금에 접촉식 또는 비접촉식으로 배치하는 단계;
    (b) 상기 탈산용기 내부를 700~1000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에 의해 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 세척하여, 탈산된 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 표면의 칼슘산화물을 제거하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에 의해 칼슘산화물이 제거된 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘을 비접촉식으로 탈산용기 내에 배치하고 900~1,000℃로 가열하여 재탈산하는 단계를 포함하여, 산소 함량이 400 ppm 이하의 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 인 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금 100중량부에 대하여 칼슘의 사용량은 50~200중량부인 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 접촉식으로 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘이 배치된 탈산용기 내부를 700~800℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계인 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 비접촉식으로 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금과, 칼슘이 배치된 탈산용기 내부를 900~1,000℃로 가열하여 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금을 탈산하는 단계 포함하는 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 세척은 수 세척(water washing) 및 산 세척(acid washing) 중에서 1종 이상의 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조 방법에 따라 제조된 저산소 벌크 티타늄 또는 티타늄 합금.
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