Evaluation of Wear in Inconel 600 Tools in Superplastic Forming of Ti6Al4V Sheet

Ti6Al4V 판재의 초소성 성형공정에서 Inconel 600 금형 마모 평가

Abstract

In this study, the friction and wear characteristics of Inconel 600 in the superplastic forming process of Ti6Al4V were evaluated through pin-on-disc tests. To achieve an efficient and systematic experimental design, the Taguchi method was employed. The wear track of the Inconel 600 pin showed scratches in the sliding contact direction, confirming that the wear mechanism is abrasive wear. Through sensitivity analysis such as ANOVA and Main effects, it was confirmed that both normal force and sliding distance have a significant impact on the wear. Changes in sliding velocity and distance did not affect the friction coefficient, which remained relatively constant at approximately 0.380. The wear prediction model for Inconel 600 in the superplastic forming of Ti6Al4V was constructed, which can be utilized as a guideline for the prediction and management of tool wear.

1. 서론

항공 산업에서는 탄소 배출을 줄이고 연료 효율성을 향상시키기 위해 저밀도와 고강도의 특성을 충족하는 소재에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 현대의 대형 항공기의 기체는 티타늄 합금(titanium alloys), 알루미늄 합금(aluminum alloys), 강철 합금(steel alloys), 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon-fiber reinforced composites, CFRP), 니켈 기반 초합금(Ni-based superalloys)과 같은 소재를 주로 적용한다. 이러한 소재 중에서 티타늄 합금은 우수한 재료적 특성으로 인해 기체 경량화, 고온 안정성, 내식성에 대한 요구를 동시에 만족하여 기체의 많은 부분을 차지하고 있다[1]. 일반적으로 사용되는 티타늄 합금 중에서, Ti6Al4V 합금은 높은 비강도, 저밀도, 우수한 내식성과 내구성으로 인해 총 티타늄 합금 생산의 대략 60%을 차지하고 있다[2-4].

티타늄 합금의 초소성 변형 특성은 복잡한 형상의 성형품의 성형성 확보를 위해 필수적인 요구사항이다. 초소성 성형(superplastic forming) 기술은 성형 제품의 비교적 균일한 두께 분포와 대변형을 동시에 만족하여 우수한 품질의 제품을 제작할 수 있다. Ti6Al4V 판재의 초소성 성형 조건에서 높은 연신율은 작은 결정 크기와 낮은 변형률 속도로 인한 것이며, 일반적으로 최적의 온도는 결정 크기와 상구성에 따라 650~950℃의 범위이다[5-10].

초소성 성형에서 금형강은 높은 온도로 인한 내열성 감소로 마모에 더욱 취약하다. 더욱이 일반적으로 초소성 성형에서는 윤활제 사용이 적절하지 않기 때문에 금형강은 성형 중 마찰로 인한 심각한 마모가 발생할 가능성이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 고온 및 고압에서 금형의 내마모성을 향상시키기 위한 내열합금강인 Inconel 600이 초소성 성형공정의 금형강으로 주로 사용된다. Ti6Al4V 판재의 초소성 성형에서 성형성이나 미세 조직에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있지만, 마모 평가 및 예측에 대한 연구는 부족하기 때문에 금형 마모 관리 및 유지보수가 힘든 점이 있다.

본 연구에서는 초소성 성형 온도인 900℃에서 Ti6Al4V 판재와 미끌림 접촉하는 Inconel 600 금형의 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모 예측 모델을 구성하였다. 마찰 및 마모 특성을 확인하기 위해 900℃에서 핀온디스크 시험을 수행하였다. 다구찌법(Taguchi method)을 사용하여 체계적이고 효율적인 실험 구성 및 분석을 수행하였다. 분산분석(Analysis of Variance, ANOVA)과 주효과(Main effect) 분석을 통해 각 마모 영향 인자의 민감도 분석을 수행하였다. 정량적인 마모 시험 결과를 바탕으로 2차 회귀식을 이용한 마모 예측 모델을 구성하였으며, 실험과의 비교를 통해 예측의 정확성을 검증하였다.

2. 핀온디스크 마모시험

2.1 마모시험 구성

초소성 성형에서 Inconel 600 금형의 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위해, 초소성 성형 온도인 900℃의 환경에서 핀온디스크 마모시험을 수행하였다. 판재 성형공정은 새로운 판재를 연속으로 성형한다. 이러한 특성을 반영하여 핀이 새로운 디스크 표면과 지속적으로 접촉하는 나선 마모 시험법을 채택하였다. Fig. 1(a)과 같이 퍼니스를 이용하여 핀과 디스크를 900℃로 가열하며 시편의 산화를 방지하기 위해 퍼니스 안의 시험 공간에 아르곤 가스를 주입하였다. 핀에 가해지는 수직하중은 공압으로 제어되며, 디스크가 회전하면서 핀과 디스크가 미끌림 접촉을 하게 된다. 핀은 Inconel 600으로 제작하였으며, 디스크는 두께가 2.0 mm인 Ti6Al4V 판재이다. 핀과 디스크의 치수는 Fig. 1(b)와 같다.

Fig. 1 High-temperature pin-on-disc test setup[11]: (a) Pin-on-disc tester; (b) size of the pin and disc

2.2 마모시험 조건

2.2.1 수직하중

마모시험의 수직하중 범위 설정을 위해 복잡한 형상을 가진 성형 부품의 해석을 통해 금형 표면의 접촉압력과 수직하중 범위를 확인하였다. 상용 유한 요소 해석 소프트웨어인 LS-Dyna Explicit code를 사용하였다. Fig. 2와 같이 해석시간 단축을 위해 1/4 모델로 단순화 하였으며, 각 대칭면에 대칭 경계조건을 적용하였다. 다이는 모든 방향을 구속하였으며, 펀치는 48 mm 변위 조건을 적용하였다. 금형(다이, 펀치, 바인더)은 강체(rigid body)이다. 금형 표면의 접촉압력과 수직하중의 정확한 예측을 위해 높은 접촉압력이 집중되어 마모에 취약할 것으로 예상되는 금형 곡률부 요소 사이즈는 0.8 mm, 그 이외의 영역은 해석시간 단축을 위해 5.0 mm로 모델링하였다. 블랭크(blank)는 쉘 요소(shell element)이며 해석의 연산시간 단축을 위해 적응적 메시 세분화(Adaptive mesh refinement)를 적용하였다. 블랭크의 초기 요소 사이즈는 5.0 mm이며 4 수준의 적응적 메시 세분화 적용을 통한 최종 요소 사이즈는 0.625 mm이다. 해석에 적용된 900℃에서의 Ti6Al4V와 Inconel 600의 재료물성은 Table 1과 같다.

Fig. 2 Geometry and boundary conditions for sheet metal forming simulation

Table 1 Material properties of Ti6Al4V and Inconel 600 at 900℃[12-14]

판재 성형 해석 결과, Fig. 3의 흰 원으로 표시한 다이의 곡률부에서 높은 접촉압력이 발생하는 것을 확인하였다. 최대 접촉압력은 약 30 MPa이며, 해당 절점(node)에서의 수직하중은 최대 20 N인 것을 확인하였다. 따라서 초소성 성형 금형 마모시험의 수직하중 범위는 최대 2 kgf으로 설정하였다.

Fig. 3 Forming simulation results of Ti6Al4V sheet: (a) contact pressure distribution; (b) normal force history on the die curvature

2.2.2 미끌림 속도

Ti6Al4V 판재의 초소성 성형에서 변형률 속도는 0.0001~0.001/s이다[15]. 해당 변형률 속도에 상응하는 핀의 속도를 확인하기 위해 Fig. 4와 같이 Pin-on-disc 시험에 대한 해석을 수행하였다. 핀과 디스크 모두 육면체 솔리드 요소 (solid element)를 사용하였다. 핀과 디스크의 재료는 각각 Inconel 600과 Ti6Al4V이며, Table 1의 재료물성을 적용하였다. 2 kgf의 수직하중이 가해지는 핀이 0.2 mm/s의 속도로 미끄러질 때 판재에 발생하는 변형률 속도는 최대 0.0007 /s인 것을 확인할 수 있다. 따라서 초소성 성형 금형의 마모시험 속도 수준은 0.2 mm/s로 설정하였다.

Fig. 4 Simulation of pin-on-disc test: (a) boundary conditions; (b) strain rate history of Ti6Al4V sheet

2.3 실험계획

체계적인 고온 나선 마모시험을 위해 다구찌법을 이용하여 실험을 계획하였다. 미끌림 거리는 회전 나선 간격(t)을 통해 제어하였다. t가 작을수록 미끌림 거리가 길어진다. Ti6Al4V 판재의 초소성 성형 미끌림 속도는 0.2 mm/s로 상당히 느리기 때문에 미끌림 속도는 시험장비에서 설정할 수 있는 최저 속도인 0.4 rpm(revolution per minute)으로 설정하였다. 다구찌법을 이용한 2인자 3수준의 실험계획은 Table 2와 같다.

Table 2 Orthogonal array L₉(3²) constructed by Taguchi method

3. 마찰 및 마모 특성 평가

3.1 핀의 마모량

핀의 마모깊이는 ASTM G99-17을 참고하여 계산하였다. Fig. 5는 핀 마모트랙의 모식도를 보여준다. 현미경을 이용한 핀의 마모트랙 관찰을 통해 핀의 마모면적(A)를 측정할 수 있다. 측정된 마모면적을 원이라고 가정하여 식 (1)을 통해 마모흔적의 직경(d)을 계산할 수 있다.

Fig. 5 Schematic illustration of pin wear track

\(\begin{align}A=\frac{\pi d^{2}}{4}\end{align}\)       (1)

식 (2)와 같이 마모흔적 직경(d)과 핀 반경(r)의 관계를 통해 핀의 마모깊이(h)를 계산할 수 있다.

h = r - (r² - (d/2)²)^1/2       (2)

구성된 직교배열표의 시험 조건 별로 마모시험을 수행하였으며, 현미경으로 핀의 마모트랙을 관찰한 후 마모깊이를 계산하였다. Fig. 6은 각 실험 조건에 대한 마모트랙과 마모깊이의 결과를 보여준다. 마모 영역에서 마모잔해(wear debris)의 접착 흔적이 보이지 않고 미끌림 방향으로 마모 스크레치가 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 핀의 마모 메커니즘은 연삭마모(abrasive wear)인 것을 확인하였다.

Fig. 6 Wear track and wear depth of Inconel 600 pin for each experimental case

3.2 마모량 민감도 분석

수직하중(F)과 미끌림 거리(L)이 핀의 마모량에 미치는 영향을 확인하기 위해, 분산분석과 주효과를 분석하였다. Fig. 7의 분산분석을 통해 수직하중과 미끌림 거리 모두 P-value가 0.05보다 작으므로 95% 신뢰수준에서 두 인자가 Inconel 600 핀의 마모에 유의미한 것을 확인하였다. 수직하중의 F-value가 미끌림거리의 값보다 크기 때문에 수직하중 변화가 마모깊이 변화에 더 많은 영향을 주는 것을 확인하였다. Fig. 8의 주효과도에서도 수직하중과 미끌림거리가 증가할수록 핀의 마모깊이가 커지기 때문에 두인자 모두 Inconel 600 핀의 마모에 유의미한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7 ANOVA for wear depth of Inconel 600 pin

Fig. 8 Main effects plot for wear depth of Inconel 600 pin

3.3 마찰 특성

일반적인 핀온디스크 마찰시험의 경우 마찰면의 마모로 인해 마찰계수가 증가하는 경향을 보인다. 하지만 900℃의 고온 환경에서 핀과 디스크의 연화로 인해 Fig. 9와 같이 마찰계수 변화가 발생하지 않는 것이라 판단된다. 측정된 마찰계수는 0.380이다. 본 실험의 미끌림 속도는 0.4 rpm이지만, 나선마모시험의 특성상 회전반경이 증가함에 따라 미끌림 속도도 증가한다. 미끌림 속도의 증가에 따라 마찰계수의 변화가 없는 것으로 보아 설정된 수준의 미끌림 속도는 마찰계수에 영향을 주지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 9 Friction coefficient in sliding contact between Inconel 600 pin and Ti6Al4V disc

4. 마모 예측모델 구성

앞서 수행한 마모시험 결과를 바탕으로 Ti6Al4V 판재의 초소성 성형 공정에서 Inconel 600 금형 마모예측모델을 구성하였다. 민감도 분석에서 수직하중과 미끌림 거리 모두 마모에 주요한 영향을 끼치기 때문에 식 (3)과 같은 두 인자에 대한 2차 회귀식을 이용하여 R‒square가 98.10%인 우수한 성능의 근사식을 확보하였다.

h = 2.19 + 31.91F + 6.84 x 10^-3L - 8.55F² - 1 x 10^-6L² + 3.4 x 10^-5 FL       (3)

회귀식을 이용한 Inconel 600 금형강의 마모 예측 성능 확인을 하기 위해, Fig. 10과 같이 실험과 예측 결과의 관계를 비교하였다. 제안된 2차 회귀식을 이용한 마모 예측 시 우수한 예측 성능을 보이며, 마모예측을 통한 초소성 성형장비 금형관리 가이드로 활용 가능함을 검증하였다.

Fig. 10 Prediction result of wear depth of Inconel 600 pin

5. 결론

초소성 성형공정에서 Ti6Al4V 판재와 Inconel 600 내열합금강의 미끌림 접촉 시 마찰 및 마모 특성을 조사하기 위해 핀온디스크 시험을 수행하였다. 실험 계획은 다구찌법을 이용하였다. Inconel 600의 마찰 및 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모에 영향 변수의 민감성을 확인하였다. 이를 바탕으로 Inconel 600의 마모 예측 모델을 구성하였다. 본 연구의 주요 결론은 아래와 같이 정리하였다.

(1) Inconel 600의 주요 마모 메커니즘은 연삭 마모이다.

(2) 민감도 분석을 통해 수직하중과 미끌림 거리가 Inconel 600의 마모에 주요한 영향을 주는 것을 확인하였다.

(3) 마찰은 미끌림 거리와 속도의 증가에 영향을 받지 않으며 0.380의 비교적 일정한 마찰계수가 측정되었다.

(4) 2차 회귀식을 이용하여 초소성 성형 시 Inconel 600의 마모 예측 모델을 구성하였으며 우수한 예측 성능을 확인하였다.

후기

본 연구는 한국생산기술연구원 “고성능 항공우주 부품 제조를 위한 고융점 내화 합금의 정밀 성형성 예측기술 개발 (KITECH UR-23-0013)”의 지원으로 수행한 연구입니다.