해외 티타늄 분말 야금 구조용 합금 제품 응용 cases

티타늄 분말 야금 기술은 1950년대 초에 시작되었지만, 획기적인 발전이 이루어진 것은 1970년대에 들어서였다. 그 후 전 세계 선진국들은 이 기술을 연구하고 관련 야금 제품을 개발하는 데 많은 노력을 기울였으며, 그 결과 다양한 산업 분야에서 널리 사용되게 되었다.

최근 몇 년 동안 항공 분야의 티타늄 제품은 고온 성능 구조 부품뿐만 아니라 고온용 티타늄 합금으로 발전하고 있다. 비항공 분야에서도 티타늄 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 일본 고보 철강사의 전문가들은 세기 말까지 서구 산업 시장에서 비항공 산업에 사용되는 티타늄의 비중이 현재 티타늄 가공 제품 생산량의 3분의 1에서 최소 절반까지 증가할 것으로 예측했다. 티타늄 주조 야금과 마찬가지로 티타늄 분말 야금 응용 기술을 개발하는 과정에서도 각국은 필요에 따라 서로 다른 분야에 중점을 두고 있다. 미국은 주로 군사 및 항공 공학에 사용하고 있으며, 서유럽의 산업 국가들(주로 독일, 영국, 프랑스)은 항공 및 일부 민수용 티타늄 분말 야금 제품, 특히 항공 구조 부품의 개발에 주력하고 있다. 다양한 기술과 제품이 개발되어 있다. 일본은 티타늄 민수용 제품, 특히 해양, 화학 산업, 에너지 등의 분야에서 사용되는 티타늄 분말 야금 제품을 적극적으로 개발해 왔다. 러시아 역시 석유, 화학 산업 및 야금 분야에서 티타늄 분말 야금 제품을 높은 수준으로 응용하고 있다.

산업에서 일반적으로 사용되는 구조용 티타늄 합금에는 공업용 순티타늄, Ti-6 Al-4 V, Ti-5 Al- 25 Sn, Ti-6 Al-6 V-2 Sn- (CuFe), Ti-8 Al-l Mo-l V가 있다. 분말 야금용 티타늄 구조 합금은 실제 필요에 따라 이와 유사한 합금을 사용하는 경우가 많으며, Ti-6 Al-4 V가 가장 널리 사용된다.

1. 항공용 분말 야금 티타늄 구조 합금 제품

1.1 항공 제품

1956년 초, 미국 키친 어플라이언스사는 티타늄 스펀지 분말을 열간 압축하는 방법으로 GET73 터보제트 엔진의 베어링 시트를 대량 생산했다. 이후 마무리 가공만으로 최종 제품을 제작할 수 있었으며, 가공 단조 봉재로 만든 동일 제품과 비교해 비용을 25%에서 30%까지 절감했다. 당시 미국 항공기 제조업계는 열간 압축 Ti-6 Al-4 V 합금 분말을 사용해 리벳, C-5 A 수송기의 잠금 링, TF39 엔진의 압축기 블레이드를 제조했으며, 비합금 분말로 디스크와 밸브 시트를 제작했다.

미국의 다이너멧은 Ti-6 Al-4 V 합금 분말을 사용해 예비 성형 블랭크를 만든 뒤 이를 단조하여 가스 터빈 블레이드를 제작했다. 미국 원자력 재료 장비사는 예비 성형 블랭크-단조-정밀 가공 공정을 사용해 가스 터빈 엔진의 가이드 베인과 화물 링을 제조했다. 200만 달러 규모의 해군 프로젝트에서 미국 그루먼 에어로스페이스는 세라믹 몰드 열간 등압 성형법을 사용해 F-14 전투기의 내부 지지봉(0.77kg)과 엔진 나셀 프레임(23.85kg)을 제작했다. 재료 이용률은 15%에서 30%, 50%에서 60%로 증가했으며, 일부는 90%에 이르렀고 비용은 25%에서 37%까지 절감되었다. F-14 항공기의 열간 등압 성형(HIP) Ti-6 Al-4 V 분말로 만든 동체 지주 비용은 단조품 1개당 400달러에서 245달러로 감소한 것으로 알려져 있다.

독일의 MBB는 사전 합금화 분말(PA) Ti-6 Al-4 V를 열간 등압 성형하고 단조하여 헬리콥터 블레이드 연결봉 조인트와 에어버스 연결 암을 제작함으로써 재료를 40% 절감했다. HIP 공정만 사용해도 비용을 25% 줄일 수 있으며, 최적 공정을 추가로 선택하면 비용을 34%까지 낮출 수 있다.

1.2 항공 제품의 경제적 이익 평가

일반적으로 크고 복잡한 부품의 경우 분말 야금은 주조보다 매력적인 공정이다. 분석에 따르면 분말 야금은 부품의 크기와 복잡성에 따라 비용을 20%에서 50%까지 절감할 수 있다.

독일 크루프 연구소의 Grene H.는 Ti-6Al-4V 및 Ti-10V-2Fe-3Al 사전 합금화 분말과 세라믹 몰드 열간 등압 성형을 사용해 복잡한 형상의 임펠러를 제작했다. 이 제품은 주조 합금과 비슷한 기계적 특성을 보이면서 비용을 40% 절감했다. 비용 구조는 주로 단조 및 가공 공정에 분배된다. 따라서 복잡한 형상의 부품에 보다 정밀한 네트 셰이핑 기술을 사용하면 경제적 이익이 더욱 뚜렷해진다.

미국의 크루서블 머티리얼스사는 F-18 전투기 엔진용 고정 지지 프레임을 생산한다. 형상은 비교적 단순하며 비용은 주로 분말 비용과 생산 규모에 따라 결정된다 [7]. 대량 생산 시 이 부품의 비용은 기존 방식의 3분의 1에 불과하다. 분명히 분말 야금을 사용해 크고 복잡한 부품을 생산하면 기존 공정과 경쟁할 수 있다. 생산 비용을 결정하는 주요 요인은 분말 비용, 생산 규모 및 진정한 준네트 성형이다.

1.3 항공 제품 개발의 문제점

복잡한 분말 야금 티타늄 합금 항공 구조 부품의 생산에서 BE 공법은 비피로 적용 부품의 성능 요구 사항을 충족하면서 비용을 크게 줄일 수 있다. PA 공법으로 생산된 부품의 성능, 특히 피로 성능은 주조법으로 생산된 제품과 비슷하다. 복잡하고 큰 부품의 생산 비용도 낮지만, 항공 분야에서의 적용은 비교적 적고 발전 속도가 느려 이해하기 어려운 상황이다. Froes F.H는 그 원인이 항공 산업에 내재한 보수성에 있다고 보았다. 따라서 PA 제품의 응용을 발전시키려면 한편으로는 제품 비용을 낮게 유지해야 하고, 다른 한편으로는 제품 설계를 사용자가 요구하는 수준까지 끌어올려야 한다. 동시에 생산 규모를 확대하고, 네트 성형에 가까운 기술을 사용해 복잡한 부품을 생산해야 하며, 화학적 표면 처리를 이용해 표면 특성을 개선하거나 쇼트 피닝을 적용해 부품의 피로 성능을 향상해야 한다.

2 자동차용 분말 야금 티타늄 구조 합금 제품

2.1 자동차용 티타늄 부품

티타늄의 경량성과 고강도 특성은 오래전부터 자동차 제조업체의 주목을 받아 왔다. 티타늄은 20년 넘게 경주용 자동차에 사용되어 왔다. 현재 거의 모든 경주용 자동차가 티타늄을 사용하며, 일부 스포츠카도 다양한 티타늄 부품을 사용한다. 경주용 자동차 엔진에 티타늄을 사용하면 작동 부품의 중량을 줄이고 가속 성능을 향상할 수 있다. 미국에서는 경주용 자동차용 티타늄 배기 밸브, 밸브 리테이너, 커넥팅 로드 및 기타 부품이 생산되어 시장에 판매되고 있다. 티타늄을 사용한 최초의 일본 자동차는 닛산 R382였다. 현재 자동차에 사용되는 주요 티타늄 부품은 다음과 같다.
(1) 밸브. 티타늄 합금으로 흡기 밸브와 배기 밸브를 제조하는 전문 업체는 미국에서 비교적 흔하다. 흡기 밸브에는 Ti-6Al-4V 합금이 사용되고, 배기 밸브에는 Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo 합금이 사용된다. 티타늄 합금으로 만든 흡기 밸브의 무게는 55g으로, 강철 밸브보다 35g 가볍고 고속 성능은 10%에서 15% 향상된다. 티타늄 배기 밸브는 강철 밸브보다 50g 가벼울 수 있으며 신뢰성이 높고 수명이 2배에서 3배 더 길다. 또한 흡기 밸브와 배기 밸브에 티타늄 합금을 사용하면 연료를 2% 절약할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 밸브는 현재 다양한 자동차 엔진에 사용되고 있다.

(2) 밸브 배플. Ti-6A1-4V 합금으로 만든 밸브 배플은 경주용 자동차와 스포츠카에 널리 사용되며, 연간 생산량은 25만 개가 넘는다. 가격이 저렴하고 표면 처리가 필요하지 않다(자동차용 티타늄 재료는 일반적으로 티타늄의 접착이 쉬운 문제를 해결하기 위해 특수 표면 경화 처리가 필요하다). 또한 강철 밸브보다 10g에서 12g 가볍다. 일본에서는 Ti-5A1-2Cr-Fe 합금을 사용해 밸브 배플을 제작한다.

(3) 커넥팅 로드. 티타늄 합금으로 커넥팅 로드를 만드는 것은 엔진 중량을 줄이는 가장 효과적인 방법이다. Groth K. [10]는 강철 커넥팅 로드를 티타늄 합금으로 교체하면 중량 감소에 의해 성능이 43% 향상된다고 계산했다. 최대 하중이 작용하는 부분을 고려해 부분적인 보강이 필요한 경우에도 성능은 27% 향상될 수 있다. 티타늄 합금의 낮은 탄성 계수를 고려해 보강이 필요하더라도 성능은 여전히 17% 향상될 수 있다. 커넥팅 로드는 Ti-6A1-4V로 제작되며, Ti-4A1-4Mn0-2Si 및 Ti-7AI-4Mo와 같은 다른 합금 재료도 개발 중이다.

(4) 크랭크축 및 기타 엔진 부품. 일본을 비롯한 여러 국가에서는 Ti-5AI-2Cr-Fe 합금 크랭크축을 시험 생산하고 있다. 이 유형의 크랭크축은 접착 방지 처리가 필요하며 아직 실용화되지는 않았다.
기타 엔진 부품으로는 Ti-6A1-4V 합금 로커 암, 밸브 스프링 및 커넥팅 로드 하부 볼트가 있다.

(5) 차체 및 기타 부품. 배기 시스템에 Ti-6AI-4V 파이프와 용접용 플랜지를 사용하면 중량을 35%에서 45%까지 줄일 수 있다. Prosche 908에서는 순티타늄 파이프와 판재를 용접해 전체 티타늄 배기 시스템을 제작함으로써 중량을 450kg 줄였다. 이 밖에도 티타늄 볼트, 너트 및 기타 연결 부품과 클러치 디스크, 압력판 같은 변속기 부품이 있다. 강철 하우징과 비교하면 회전 성형으로 제작한 티타늄 클러치 하우징은 플라이휠의 파괴적인 충격을 더 쉽게 완화할 수 있다.

요컨대 가볍고 강도가 높은 티타늄 합금을 사용하면 자동차 엔진의 소음, 충격 및 진동을 줄이고 연비를 향상할 수 있다. 따라서 티타늄 제품이 비항공 시장으로 점점 확대되는 상황에서 자동차 산업 진출은 큰 의미가 있다. 미국 리프랙터리 메탈스사는 포드가 1989년형 모델의 실린더 부품에 티타늄 합금 부품을 사용했다고 보고했다. 일본의 미쓰비시상사는 이미 1986년형 모델에 티타늄 합금 흡기 밸브와 배기 밸브를 사용했다. 일본 야마하 엔진사가 생산한 초고부하 스포츠카 FZR 750R은 티타늄 합금 커넥팅 로드를 사용한다. 이 제품은 크기가 작고 무게 중심 장치의 균형이 잘 잡혀 있어 고속에서도 지속적이고 내구성 있게 사용할 수 있다. 가격은 차량 1대당 200만 엔이다. 일본 미쓰비시 메탈사의 중앙연구소는 Ti-6AI-2Sn-42r-2Mo 합금 스크랩을 주조해 밸브 헤드를 만들고, Ti-6 Al-4V 합금 스크랩으로 밸브 스템을 만든 다음 마찰 용접으로 연결해 자동차 엔진의 흡기 밸브와 배기 밸브를 제작한다.

2.2 자동차용 분말 야금 티타늄 구조 합금 부품

앞서 언급한 자동차용 티타늄 합금 구조 부품은 모두 주조 또는 단조 제품이다. 구소련은 1970년대에 티타늄 분말 야금 제품을 자동차 엔진에 적용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어 분말 야금 커넥팅 로드는 0.5t 자포로제르스-969 자동차에 성공적으로 사용되었으며, 티타늄 분말 열간 단조 커넥팅 로드 10만 개를 생산할 때마다 16,450루블을 절약할 수 있을 것으로 추정되었다. 일본은 1975년에 소결 티타늄을 휠 너트와 커버에 사용했다.

1987년 미국의 클레바이트사는 혼합 원소법(BE)을 사용해 티타늄 밸브 스프링 리테이닝 컵과 커넥팅 로드를 생산했다. 이 회사의 특허 공법인 MR-9로 제조한 Ti-6AI-4V 합금 밸브 스프링 리테이닝 컵은 냉간 압축 및 진공 소결 후 기계적 성능 요구 사항, 특히 피로 성능을 완전히 충족했다. 중량은 기존 단조 강철 부품의 28.5g에서 분말 야금 부품의 8.5g으로 줄었다. 인장 강도와 피로 성능은 모두 규정값을 초과했고, 중량은 70% 감소했으며 재료 이용률은 100%였다. 비용도 7.8g의 주조 티타늄 부품보다 낮았다. 혼다 자동차사가 암슬러 피로 시험기에서 실시한 1,000만 회 반복 피로 시험도 통과했다. 클레바이트사는 Ti-6A1-4V 합금 분말 커넥팅 로드 블랭크를 냉간 등압 성형 및 진공 소결한 후, 혼다 R&D사가 설계에 따라 가공하고 검사하도록 했다. 결과에 따르면 MR-9 공정으로 제작한 커넥팅 로드는 우수한 성능을 보였으며, 굽힘 강도는 동일한 단면을 가진 강철 커넥팅 로드의 극한 강도(108MPa)보다 21%에서 43% 높았다. 커넥팅 로드와 표면 연마 시편을 반복적으로 인장 및 압축한 결과, 내구 강도는 각각 212MPa와 254MPa였다. 재료 이용률은 80%였다. 혼다는 중량을 최소 33% 줄일 수 있을 것으로 추정했다.

2.3 발전 가능성

티타늄은 민수 분야에서 점점 더 많이 사용되는 추세이며, 티타늄의 특성은 자동차 성능을 크게 향상하므로 자동차 산업에서 대량 생산될 가능성이 크다. 높은 가격이 티타늄 합금이 자동차에 널리 사용되지 못한 이유이기는 하지만, 홍보 부족과 개발 부족도 분명한 원인이다. 티타늄을 사용해 중량을 1kg 줄이면 비용이 600엔에서 800엔 증가하므로 일반 승용차에 사용하는 것은 여전히 어렵다. 그러나 에너지 문제가 점점 심각해지면서 높은 연비의 자동차는 일반 자동차 제조업체와 고객 모두의 공통 관심사가 되었다. 자동차 한 대에 1kg의 티타늄 부품만 필요하더라도 현재 자동차 생산 규모를 고려하면 티타늄 사용량은 상당하다. 분명히 자동차 부품을 올바르게 선정하고 제품 설계를 최적화하며, 자동차 성능을 충족하면서 비용이 낮은 혼합 원소 분말 야금 기술을 채택하고 생산 규모를 합리적으로 조직한다면 티타늄 합금 구조 재료가 일반 승용차에 널리 사용될 가능성이 있다.

분말 야금을 사용해 Ti3Al 및 TiAl 금속간 화합물 기반 티타늄 합금을 생산하면 자동차 엔진의 내열강을 대체하고 자동차 중량을 줄이며 연비를 향상할 수 있다. 자동차용 엔지니어링 세라믹보다 실용화가 쉬울 가능성도 있다.

3. 기타 응용 분야

일본 전문가들은 분말 야금 소결 티타늄이 정밀 기계 분야에서 카메라 부품(셔터 등), 시계 부품(시계 케이스), 측정기기, 시험기 부품, 복사기 및 인쇄기 부품 등에 사용될 것으로 예측한다. 전자 산업에서는 테이프 레코더 가이드 롤러, 자기 헤드 재료, 통신 기계(진동막 재료), 가전제품 부품, 베어링 등에 사용된다. 또한 생활용품, 스포츠용품, 공예품 및 의료기기에도 사용된다. 민수 산업에서 티타늄 분말 야금은 티타늄 합금 주조와 비교해도 수익성이 있다. 실제로 일부 유압 시스템의 특수 형상 부품, 너트, 밸브 링, 실린더 브래킷 및 기타 부속품은 이미 대량 생산되고 있다. 최근 몇 년 동안 일본은 스포츠용품, 건축, 장식, 가구, 조리기구 등에서 티타늄 응용 기술 개발에 큰 관심을 기울여 왔으며, 제품은 대부분 주조 및 가공 제품이다. 경제적 이익을 중시하는 민수 산업에서 일부 제품에 티타늄 분말 야금을 적용하는 것은 매우 매력적이다. 일본은 티타늄 림, 프레임, 빔, 헤드 스톡, 핸들바, 가이드 링, 기어 및 기타 부품을 포함한 티타늄 자전거를 개발했으며, 이 부품들은 압연, 성형 또는 단조로 제작된다. 자전거 한 대의 중량은 8.5kg에서 9.5kg이며 수요도 상당히 많다. 고급 경주용 자전거 한 대의 가격은 25만 엔에서 30만 엔이다.

예를 들어 일본의 모리 인더스트리스와 시마노 등은 DURA-ACE라는 고급 자전거 부품군을 생산하려고 시도했다. 여기에는 스프로킷 크랭크축 장치, 플라이휠 가이드 장치, 페달, 가이드 휠, 캘리퍼 브레이크 및 기타 부품이 포함되며, 이미 시장에 판매되고 있다. 철제 부품을 교체하면 자전거 중량을 50%에서 60%까지 줄일 수 있다. 열처리와 표면 처리를 통해 티타늄 합금의 경도를 높이면 만족스러운 성능을 얻을 수 있다. 이러한 응용 분야에서는 위와 같은 부품 및 기타 너트 부품에 유사한 분말 야금 티타늄 합금을 사용하는 것이 기술적으로나 경제적으로 실현 가능하다.