1. 서론
항공우주 및 발전용 부품 소재로 활용되고 있는 티타늄 합금은 자동차 산업에의 적용과 함께 최근에는 자전거, 골프, 야구, 낚시와 같은 스포츠 용품으로도 응용이 확대되고 있다[1]. 자전거의 경우는 튜브 소재를 사용하여 용접에 의한 접합이 흔히 사용된다. 자전거 핸들에 연결되는 주축과, 바퀴 및 안장에 연결되는 축 시스템의 용접에 의한 연결부위는 운행 중에 높은 응력이 미치게 되며, 용접 결함이나 용접 특성이 저하될 경우 운전자에는 위험한 상황이 올 수 있다[2]. 이러한 응력 집중은 접합 방법과 접합 위치의 변경으로 완화할 수 있다. 티타늄의 강도를 균일하게 유지하기 위해 용접이 아닌 고상접합의 적용이 대안이 될 수 있다. 응력 집중에 의한 손상을 피하기 위해 모서리가 아닌 부위에서의 접합의 수행이 필요하다.
본 연구는 티타늄 자전거의 핵심 구조물이며 핸들-바퀴-안장을 연결하는 축 시스템을 여러 개의 튜브 소재 간의 접합으로 제조하는 공정 개발 연구이다. 티타늄 튜브 간의 접합에 고상접합인 확산접합을 적용하고, 튜브들 간의 접합부 위치를 모서리가 아닌 부위로 변경하고자 하였다. 즉 하나의 튜브의 변형을 크게 하여 다른 튜브의 내면과 확산접합 시키는 공정이다. 튜브의 변형량을 크게 증가 시키고 확산접합을 위해 티타늄의 초소성성형/확산접합을 적용하는 것이다. 초소성 조건에서 하이드로포밍으로 확관하는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, SHF)으로 성형하고 확산접합(difusionbonding,DB)이 연속적으로 진행되게 하는 SHF/DB 공정 개발이다. 자전거용 튜브 소재로는 Ti-6Al-4V 보다는 경제적이며 충분한 특성을 나타낼 수 있는 Ti-3Al-2.5V를 사용하였다[1]. Ti-6Al-4V 의 초소성성형/확산접합은 많은 연구 및 개발이 되어 있다[3-6]. Ti-3Al-2.5V도 초소성 성형성에 대한 연구[7-9]는 일부 존재하나 튜브를 이용한 SHF/DB 공정 적용 예는 거의 없다. 본 연구에서는 Ti-3Al-2.5V 튜브의 SHF/DB 를 위한 미세조직, 접합특성과 공정 조건의 연구를 수행하고 실제 시제품 제조까지 시도해보고자 하였다.
2. 공정 및 실험 방법
Fig. 1은 본 연구에서 개발하고자 하는 공정의 개요를 도식적으로 보여주고 있다. 단순 실린더 형상의 튜브(Tube-1)를 이용하여 초소성 조건에서의 하이드로포밍 공정을 통하여 연결이 필요한 부위들의 확관성형을 시키고, 확장된 부위가 다른 튜브(Tube-2, Tube-3)의 내벽과 확산접합을 통하여 자전거 주축구조물을 제조하는 것이다. 용접이 아닌 고상접합의 적용과 접합부의 위치를 응력 집중 효과가 큰 부위를 피하는 것이 목표이다. 그림에는 도시하지 않았지만 한쪽이 접합된 튜브의 반대편 쪽의 접합도 동일한 공정을 적용하는 개념이다.
Fig. 1 Schematic of the superplastic hydroforming(SHF) and the diffusion bonding (DB) process
공정 개발에 사용된 튜브의 외경은 39mm 로 같지만, 확관이 되는 쪽은 두께를 2mm 로, 접합이 되는 상대 튜브의 두께는 0.9mm 로 달리하였다. 튜브 소재로는 Ti-3Al-2.5V 합금을 적용하였다. Table 1 에는 튜브의 조성을 ICP(Inductively Coupled Plasma)로 측정한 결과를 나타내었다.
Table 1 Chemical composition of the Ti-3Al-2.5V tube
Fig. 2에는 Ti-3Al-2.5V 튜브와 미세조직을 보여주고 있다. 입체로 나타낸 SEM(scanning electron microscope) 조직에서 상부는 튜브의 표면을, 오른쪽은 수직 단면을, 정면은 튜브 길이 방향과 평행한 단면의 미세조직이다. 각 방향의 미세조직이 균일함을 볼 수 있다. 짙은 회색 바탕이 α상으로 된 기지조직이며 흰색 또는 밝은 회색 덩어리 형태로 분산되어 나타나는 것이 β상이다. β상은 α상의 입자 경계에 분산되어 분포되어 있는 형태이다. 상분석에 의해 측정된 초기 상태의 Ti-3Al-2.5V 튜브 소재의 결정립 크기(grain size)는 평균 5.7μm 였다.
Fig. 2 The Ti-3Al-2.5V tube and SEM microstructure inas received state.
공정 개발과 시제품 성형은 유압프레스에서 수행되었다. Fig. 3 에는 성형을 위해 유압프레스 하단에 장착된 가열로와 공정 단계에 따른 질소 압력 측정 곡선을 나타내었다. 가열로에서는 금형 설치 위치, 로 내부와 금형의 온도 제어, 질소 주입 제어 방법을 모식도로 보여주고 있다. 금형 온도는 SHF/DB 전체 공정 동안 등온을 유지하게 제어하였다. 함께 나타낸 질소 압력 곡선은 SHF/DB 공정에 대한 예비 실험 곡선이다. 튜브의 하이드로포밍 초기(1 단계)의 압력, DB 가 시작될 때의 2 단계, SHF/DB를 마무리하기 위한 3 단계로 압력을 변화시켰음을 볼 수 있다. 시제품 성형에서는 2 단계와 3 단계의 시간은 크게 증가시켜야 한다.
Fig. 3 The furnace system and a flow chart of N2 pressure during SHF/DB forming to make a Tjoint.
3. 결과 및 고찰
3.1 Ti-3Al-2.5V의 조직 및 성형성
티타늄 합금 튜브를 이용하여 초소성 하이드로포밍(SHF)을 수행하고 연속적으로 확산 접합(DB)을 수행하기 위해서는 고온에서의 장시간 유지가 필수적이다. 적절한 확산 접합이 얻어지기 위해서는 초 소성 조건의 온도에서 적어도 1~3 시간 성형과 접합이 결함 없이 유지되어야 한다.
Fig. 4 에는 본 연구에 앞서 수행한 가열 온도에 따른 미세조직의 변화 실험의 결과 일부를 나타내었다. 주어진 온도에서 1 시간 가열하였으며, 초소성성형에 적합한 균일하고 미세한 입자를 가지는 조직은 820~900℃ 범위에서 얻어졌다[10]. 910℃ 이상의 가열에서는 균일하게 구형의 α 기지 결정립계에 분산되어 분포하던 β 상들이 빠르게 한 방향으로 성장하여 입자의 균일성이 깨진다. 미세하고 균일한 입자가 아니면 초소성 성형성은 크게 나빠진다[1,11].
Fig. 4 SEM microstructures of the Ti-3Al-2.5V tube according to the heating temperatures.
예비 성형 실험을 통해 870℃가 SHF/DB 에 적합한 것으로 판단하였다. 820℃도 가능하지만, 초소성 조건의 하한 온도 경계선이어서 공정 관리에 문제가 생길 가능성이 있으며, 900℃는 β 상의 성장으로 균일한 입자가 사라지어 초소성 조건이 없어지는 상한 경계선이었다[10].
Fig. 5 에는 870℃에서 1 시간에서 4 시간까지, 유지시간 변화에 따른 Ti-3Al-2.5V 튜브의 미세조직을 관찰한 결과를 나타내었다. 각 사진의 왼쪽 하단에는 사진의 조직에서 상분석을 통해 측정한 평균 입자 크기를 나타내었다. α 기지를 둘러싼 입계에 존재하는 β 상의 존재를 통해 입자가 구형에 가까운 형상임을 알 수 있다. 870℃에서 1 시간의 가열에서 입자 크기는 소재 입수 상태의 5.7μm 에서 7.6μm로 성장하였고, 4 시간까지의 가열에서도 입자의 크기는 평균 9.2μm 까지 성장하였지만 α+β 로 이루어지는 조직 형상과, 각 입자들 간의 균일성은 잘 유지됨을 알 수 있다.
Fig. 5 SEM microstructures with values of mean grain sizes of the Ti-3Al-2.5V tube after heating at 870℃. The heating durations were (a) 1hour, (b) 2hours, (c) 3hours and (d) 4 hours.
Fig. 6 은 870℃에서 수행한 Ti-3Al-2.5V 튜브의 초 소성 하이드로포밍 및 확산 접합 예비 실험에서 측정한 부위별 미세조직과 변형률을 나타낸 것이다. 본 성형품이 얻어지는데 약 30 분(Fig. 3 의 압력-시간 곡선 참조)의 시간이 소요되었다. 그림에 삽입된 사진은 접합부 단면을 절단한 사진이다. 이 절단부의 왼쪽 반쪽을 확대하여 두께 그림을 얻은 후에, 두께 측정을 하였고, 이 두께 측정값으로부터 공칭 변형률 값을 환산하였다.
Fig. 6 Image tracing and strain measurements on the cross section (photo) of a T-joint fabricated by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubesand SEM microstructures at each measurement location.
사진과 투영도에 나타낸 부위는 모두 하나의 튜브가 변형된 결과이다. 그림의 ②와③ 부위는 오른쪽으로 들어간 형태를 보이는데, 이 부위 바깥쪽에 금속 링으로 조이게 하여 확산 접합이 진행되게 한구조이며, 사진에서 이 금속 링은 제거 된 상태이다.⑥의 위치는 변형률 값이 0%, 즉 변형이 되지 않은 초기 두께의 튜브와 같은 상태를 의미한다. ②의 위치가 최대로 변형 진행된 부분임을 알 수 있다. 최대의 변형률 값을 나타낸 위치를 포함하여 시편의 어느 부위에서도 찢어짐, 공동과 같은 결함이 관찰되지 않았다. 또한 표시된 각 부위의 SEM 미세조직은 변형률의 차이에도 불구하고 초기 조직의 형태가 잘 유지되고 있어 이 재료의 초소성 성형성은 본 공정을 적용하기에 충분하다는 것을 확인 할 수 있었다.
3.2 초소성성형/확산접합(SHF/DB)공정
본 연구는 기본적으로 두 개의 축을 접합시키는 공정을 개발하는 것이다. 이에 대한 방안을 Fig. 7에 도식적으로 나타내었다. 그림에서 Tube-1과 Tube-2를 T형태로 맞대고, Ti-3Al-2.5V 합금의 초소성 성형 온도에서 질소 주입 압력을 통해 Tube-1을 Tube-2의 내부로 하이드로포밍(SHF)하여 Tube-2의 내부 적절한 깊이에 있는 칸막이(X)를 용접으로 설치하여, 칸막이와 Tube-2의 내벽에 확산접합(DB)이 되도록 하는 공정을 선택하였다. 칸막이(X)와 접촉이 되면서 DB 공정은 시작되며 공정의 종료 때까지 SHF와 DB는 연속적으로 또는 동시에 진행되는 것이 본 기술의 특징이다.
Fig. 7 Concept of a T-joint fabrication by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes.
칸막이와의 접합에 필요한 배압(back pressure)을제공하기 위해 Tube-2 내부에도 질소 가스를 사용하였다. 최대 가스 압력은 약 30bar 이었다. 모서리 부분까지 완전히 채워지며 접합이 되기 위해서는 좀 더 높은 압력의 적용이 필요하다는 것을 알 수 있다. SHF/DB를 위해서는 약 3시간이 소요되었으며, 전체 공정 중에 80% 이상의 시간이 SHF와 DB가 동시에 진행되는데 소요된 시간이었다.
Fig. 8은 Fig.7의 공정에 의해 제조된 T형 접합 구조물의 접합부에 대해 광학현미경을 이용하여 단면접합부 전체를 관찰한 사진과 접합부의 Tube-1 쪽의 두께 변화 측정 결과를 나타내었다. 반으로 절단한 성형품과 이 성형품의 절단 단면부의 사진도 함께 볼 수 있다. ①~⑬으로 화살표로 표시된 위치에서 각각 Tube-1의 SHF/DB 후의 두께를 측정하여 그래프에 나타내었다. ④에서 ⑩번에 이르는 부분이 상부에 있는 Tube-2 칸막이와 확산 접합된 부분이다.
Fig. 8 Observation of bonding interface by optical microscopy and thickness measurement overcross section of a T-joint fabricated by the SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubes.
Tube-1의 성형 전 초기 두께는 2mm이다. SHF/DB 공정을 거친 후에는 ⑦번의 위치가 두께가 1.08mm로 가장 크게 나타났고 ③번과 ⑪번에서 약 0.4mm 정도로 가장 작은 두께로 측정되었다. ⑤번과 ⑩번의 위치에서 보이는 흰 부분은 접합이 되지 않은 곳이다. Tube-1에서 SHF 공정에 의해 확관된 부분이 우선 ⑦번 부위에 처음 접촉되기 시작하고, 이후의 확관은 Tube-2의 칸막이를 따라 ④와⑩으로 퍼지며 진행되고 마지막으로 Tube-2와 접촉된 Tube-1 부위는 ③과⑪부위이다. 이 결과는 SHF에 의한 확관과 DB에 의한 접합이 연속적 또는 동시에 진행될 때 요구되는 변형량과 압력의 수준을 시제품 성형에서 제어하는 유용한 기준이 되었다.
Fig. 9는 Fig.8의 ④와 ⑥사이의 부위에 나타나는 접합부 미세조직의 특징을 나타내었다. ⓐ는 Tube-1,ⓑ는 Tube-2이며, Tube-1이 SHF에 의해 늘어나서 Tube-2와 확산 접합된 결과이다. SEM 사진 (1)~(4)는④와 ⑥사이에서 관찰되는 서로 다른 위치에서의 접합부 미세조직이다. 이 네 사진은 마치 한 부위에서 시간에 따른 확산접합 과정을 보여주는 것과 같다. 즉, 접합 전, 접합 진행 중의 공동(void)만남은 상황, 공동이 없어지고 Tube-1과 Tube-2의 접합부가 구별이 되지 않는 상태까지의 과정을 모두 볼 수 있다. 이것은 모식도로 제시된 전형적인 확산 접합의 진행과정과 같은 형태임을 보여준다[1].
Fig. 9 SEM Microstructures of a part of T-joint bonded by SHF/DB process using two Ti-3Al-2.5V tubesand schematics showing the stages of diffusion bonding.
3.3 SHF/DB 시제품 성형
Ti-3Al-2.5V 합금 튜브의 초소성 성형 온도에서의 미세조직 및 성형성 연구와 T형 구조물 접합을 이용한 공정 적용 연구를 통해 얻어진 공정 조건을 응용하여 시제품 성형을 수행하였다. Fig. 10은 티타늄 자전거의 중심 구조물을 SHF/DB 공정으로 제조하는데 적용한 금형과 각각의 위치에 맞게 설치된 튜브 조합을 보여주고 있다. SHF/DB 공정을 적용하여 완성된 성형품도 금형 사진 아래에 나타내었다. 안장과 연결되는 수직축과 핸들과 연결되는 수직축을 연결되는 경사축의 접합이 2부위이다. 각 부위의 성형 전의 접합 준비 상태 및 성형후의 모습을 함께 볼 수 있다. 5개의 접합부에서 SHF/DB 공정이동시에 진행되도록 하였다.
Fig. 10 Die system and products for the fabrication of 5 joints by the SHF/DB process using 4 Ti-3Al2.5V tubes.
SHF/DB 공정의 적용에 의해 제조된 구조물을 이용하여 완성된 형태의 티타늄 MTB용 자전거를 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 10의 시제품의 특성 평가와 자전거 장착 후의 특성 평가는 향후에 진행하여 현재 개발되어 있는 Ti-3Al-2.5V 합금과 SHF/DB 공정을 이용한 티타늄 자전거 조인트 접합 구조물의 완성도와 특성을 향상 시킬 예정이다.
Fig. 11 Appearance of a titanium bicycle using a Ti-3Al2.5V joint structure fabricated by the SHF/DB process.
4. 결론
티타늄 자전거의 핵심 구조물 제조를 위해 여러 개의 Ti-3Al-2.5V 합금의 튜브를 이용하여 초소성 하이드로포밍(superplastic hydro-forming, SHF) 공정과 확산접합(diffusion bonding, DB)을 동시에 수행하는 SHF/DB 공정 기술을 개발하였다. 장시간이 예상되는 SHF/DB 공정 적용을 위해 Ti-3Al-2.5V 합금의 초 소성 상태의 조직을 가열 실험을 통해 확인하여 870℃가 초소성 성형에 적합한 온도임을 확인하였다. 또한 최대 5시간까지의 가열에도 초소성 성형성을 유지시킬 수 있는 조직이 유지됨을 확인하였다. 두 개의 Ti-3Al-2.5V 튜브를 이용한 T형 구조물의 SHF/DB 공정에 의한 제조 연구를 통해 SHF와 DB 공정이 연속적 또는 동시에 수행하는 것이 가능하며, 한 개의 접합부 뿐 만 아니라, 여러 개의 접합부를 동시에 수행하는 시제품 성형에서 생산성 향상도 가능하다는 것을 확인하였다. SHF 공정에서는 질소를 이용하여 공정 중의 산화를 억제하고 확관에 필요한 적절한 가압은 약 30bar 이내였으며, 여러 부위의 동시접합에서는 접합부의 접합 정도에 따라 압력의 조절이 필요함을 확인하였다. 즉, 틈새 또는 기공이 없는 완전한 확산 접합부가 요구되지 않을 경우에는 확산 접합이 완료되는 공정 시간을 단축할 수 있는 가능성을 확인하였다.
후기
이 논문은 2016학년도 안동대학교 연구비에 의하여 연구되었습니다.
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