40 100M _ 기계기술

Technology Trends

1. 서론

티타늄은 원소재 가격이 비교적 고가이기 때문에 제

조 시 수율을 향상시키는 것이 중요하고 near net

shape 성형기술이중요한과제이다. Near net shape 성

형기술로는 단조에서 열간금형단조, 항온단조

(Isothermal Forging) 등이 있고, 주조에서는로스트왁

스법(Investment Casting Process) 등과 같은 정밀주조

법이오래전부터개발이진행되어왔다.

정밀주조공정은기계가공이불가능한복잡한형상과

중공형의제품제조가가능하기때문에정밀성형의한

방법으로많이이용되고있다.

일반적으로 대기와 반응이 크지 않은 금속재료의 정

밀주조기술은상당히발달되어있지만티타늄합금과

같이 용융상태에서 반응성이 큰 재료의 정밀주조의

경우는아직도용해, 주형및주물재료, 주형설계등에

있어해결해야될기술들이남아있다.

미국에서 티타늄 주조품 출하량은 1963년 35톤에서

1985년에는 380톤, 1991년에는 900톤으로 급속히 성

장하고있다. 그중에서항공기용부품이상당한부분

을차지하고있는데주로팬케이스, 압축기케이스등

과같은대형부품과압축기, 암 등과같은소형부품

들이다. 이러한부품들은복잡한형상을갖는박육의

정지부품으로 대부분 Ti-6Al-4V 합금재이다. 항공기

엔진에이용되는티타늄주조품은거의로스트왁스법

(Lost Wax Process)으로제조된다.

티타늄합금의정밀주조기술동향

티타늄합금(공업용 순티타늄 포함)은 경량(비중 4.5 gr/㎤)이면서 상온에서부터

550 ℃의고온까지높은비강도가유지되며피로강도및파괴인성등기계적특

성이우수할뿐만아니라해수및화학약품에대한내식성이탁월하여항공우

주, 자동차, 해양및발전산업과더불어생체재료및스포츠레저용품으로까지

다양한응용분야의무한한잠재성을지니고있는신소재이다. 이처럼그용도가

다양해짐에따라복잡한형상의부품에대한수요가증가함에따라서절삭및

용접등의공정을생략할수있는정형가공기술이요구되며이에대표적인정형

가공공정으로서경제적으로복잡한형상의정형가공이가능한정밀주조공정이

폭넓게활용되고있다. 따라서본고에서는티타늄합금가공에활용되는정밀주

조법에의한티타늄합금의제조에대한기술동향을정리한다

한국과학기술정보연구원

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지40 CTP-3

산업체전문검색사이트 - www.100m.co.kr

2012_1 41

항공우주산업에있어서티타늄합금의주물이보급된

것은 활성이 강한 용융티타늄과 접촉해도 반응하기

어려운 주형제조기술이 개발되었고 HIP기술, 화학적

밀링기술의적용에의해주조품의신뢰성이향상되었

기때문이다

최근에는 항공기 부품 이외에도 화학공업, 스포츠용

품및장식품등의일반소재재로까지적용이확대되

고있다. 예를들면골프클럽헤드등시장에β-티타늄

합금계 정밀주조품 등이 널리 보급되면서 그 우수성

을인정받고있고병따개등이미국일반시장에보급

되어염가로판매되고있다. 그렇지만티타늄합금주

조품이다른재질을대체하는경우는많지않고시장

확대를위해서는저가의부품이안정적으로공급되는

것이무엇보다도중요하다.

2. 티타늄합금의주조기술

⑴주조장치

티타늄합금주조품을제조하는주조장치는소모전극

을동도가니에서아크용해하여이것을주형에주조

하는방식이항공기를비롯한군사용대형주물의제

조법으로이용되고있다. 이 방법에의한주조장치는

최대1톤규모의노가있다.

티타늄은일반적으로강과알루미늄에비해유동성이

나쁘기때문에원심주조법이많이이용되고있다. 한

편골프클럽헤드등과같은민생용품의제조에최근

에는CaO 도가니를이용한유도용해법등도이용되고

있고화학공업용주물에는유도스켈용해법등도이

용되고 있다. <그림 1>은 유도용해법에 의하여 용해

후정밀주조주형에주조하는개요도를나타낸다.

⑵주형재료

티타늄합금주물에이용되는주형재료는대형부품에는

흑연블록을기계가공해서제작한주형또는흑연분말

을적당한점결제로성형소결한주형이이용되었다.

로스트왁스법등의정밀주조법에서는산화물계의주

형재료가 이용되고 있는데, 티타늄합금 용탕에 대해

서될수있는한안정한산화물로ZrO₂, CaO, Y₂O₃등

이이용된다.

정밀주조용주형재료로서반응성측면에서가장안정

한산화물은 Y₂O₃이나재료가고가이고열충격에약

한단점이있어주조품원가상승의원인이된다.

CaO는반응성측면에서Y₂O₃보다떨어지지만비교적

안정성도 우수하며 열충격에도 강한 특징을 지니고

있다. 그러나 CaO는흡습성이강하여대기중의수분

과접촉시강도가떨어지며박리현상까지생기기때

문에분위기조절이용이한곳에서사용되어야한다.

<그림1> 부양용해법에의한정밀주조법의개요도

Evacuate

Ceramic mold

Chamber

Induction coll

Molten metal

Cold cruccible

Ar gas

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지41 CTP-3

또한이들산화물은탈왁스후의소성에의해충분한

강도가얻어지는입도, 점결제의선정이중요하다.

⑶티타늄합금주물용주형의종류

티타늄합금 주물용으로 사용하는 주형의 종류는 ①

흑연분말성형주형, ② 흑연기계가공주형, ③ 로스트

왁스주형, ④ 세라믹주형, ⑤ 사형주형으로 분류하고

있다. 이를<표1>에나타내었다.

①흑연분말성형주형

흑연분말과점결제(전분, 피지, 당밀)를혼합하여목형

에서성형소성하여사용하며고강도로큰형상이가

능하며비용이저렴하다는특징이있다.

②흑연기계가공주형

흑연블록을 기계 가공하여 영구(永久)주형으로 사용

한다.

③로스트왁스주형

티타늄정밀주조법의대표적인방법인로스트왁스(인

베스트먼트주조법)에의한주물제조공정도를<그림2>

에나타내었다.

로스트왁스주조법이라함은주조하고자하는제품과

거의 같은 왁스모형을 만들어 이 모형표면에 내화물

을 피복하여 고화시킨 후에 여기에 용융금속을 주입

하여주물을만드는방법이다.

로스트왁스법에는 2종류의제조법이있다. 즉인베스

트먼트 프라스크 캐스팅 프로세스(Investment flask

casting process, 혹은 solid mold process, block mold

process라고도 함)와 인베스먼트 셀 프로세스

(Investment shell process, 혹은 ceramic shell process,

monolithic ceramic shell process라고도함)가있다. 세

라믹셀몰드법은후에개발된방법으로솔리드몰드법

의개량형이다.

42 100M _ 기계기술

Technology Trends

주형의종류 특징

흑연분말성형주형 흑연분말과점결제를혼합하여목형에서성형, 소성 고강도, 큰형상가능, 비용저렴

흑연기계가공주형 흑연블록을기계가공

로스트왁스주형 인베스트먼트주형 복잡형상주물가능, 치수정도, 표면정도양호

세라믹주형 세라믹을목형에서성형하여소성, 쇼우주조법대형에서치수정도가요구되는제품에적합, 흑연분말

성형보다고비용

사형주형 셀주형 비용은저렴하나주물표면이타방법보다나쁨

<표1> 티타늄합금주물용주형의종류

<그림2> 로스트왁스주조법의주조공정도

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지42 CTP-3

산업체전문검색사이트 - www.100m.co.kr

왁스모형 트리(tree)에 내화물을 피복시켜 주형을 만

든다. 이작업은항온항습의실내에서행한다. 이는미

세한 내화물을 점결제에 배합하여 만든 슬러리에 왁

스트리를침지(dipping)하여코팅한후건조한조립의

내화물을뿌려붙인다. 이조작을스턱코잉(stuccoing)

혹은샌딩(sanding)이라한다.

이와같이코팅과스턱코잉을수회(보통 5~6회) 반복

하면서잘건조하여내화층을만드는세라믹셀몰드법

과 코팅과 스턱코잉을 몇 회 행한 후 주형상자(flask)

안에놓은후내화슬러리를주입하여백업(back up)시

키는솔리드몰드법으로구분된다.

내화물입자의점결제는에칠실리케이트 40이나콜로

이드실리카을 많이 사용하며 내화물로는 지르콘, 용

융석영, 용융알루미나 시리마나이트, 뮬라이트 등을

사용한다.

세라믹셀몰드나솔리드몰드모두왁스모형을용융유

출시키므로, 이 방법을 로스트왁스법이라 부르게 되

었다. 솔리드몰드법은주형을고온로에탕구를아래

쪽으로장입, 가열하여왁스를용융유출시키며, 세라

믹셀몰드법은 가열용융 또는 화학용해 등 여러 가지

방법에 의하여 왁스를 용융 유출시킨다. 이를 탈납

(dewaxing)이라하며탈납한주형은일부남아있는왁

스등유기물질을완전히제거하고또한주형에강도

를주며용융금속의유동성을좋게하기위하여고온

에서소성을한다.

소성시균일가열과가열된주형의온도, 주입하는용

융금속의온도및주입속도에의해정도가결정된다.

주입법은 중력주조법, 반전가압법, 흡인법, 원심주조

법, 진공주조법, 진공주조법등이있다.

철기, 코발트기의내열합금혹은구조용강은일반대

기 중 또는 아르곤기류 중에서 아크로나 고주파유도

로로 용해하며 티타늄, 알루미늄이나 니켈기 내열합

금등고합금과고도의야금학적처리를요하는것은

진공용해를하고주입도진공또는불활성가스중에

서행하는것이많다.

주조 후 쇼트블라스트에 의해 주형재를 제거하고 화

학 연마액으로 표면의 산화물층을 제거한다. 티타늄

주조품에서는내부의주조결함을줄이기위하여원심

가압주조 등과 같은 방법이 이용되고 있지만 응고수

축공과같은결함을방지하는것은쉽지않다. 따라서

이와 같은 내부의 주조결함을 제거하기 위해 열간정

수압성형(HIP : Hot Isostatic Pressing)처리를한다. HIP

처리는아르곤가스가채워진가열압력용기내에서행

하여지는데, 이 방법으로주조품의내부의결함을제

거할수있다. 주조품의 HIP처리는몰드없이행하므

로 분말의 HIP성형처리보다 경제적이다. HIP처리는

주조품의재질, 형상에따라변형저항이다르고또기

계적 특성의 영향을 고려하여 온도, 압력, 시간 등의

조건을설정해야한다.

일반적으로티타늄합금의경우에는900~1,100 ℃의범위

에서압력은100~200 MPa로실시한다. HIP 처리후에표

면검사를하여표면에결함이있는경우는GTAW 등으

로보수해표면마무리를하고변형또는고강도화를위

해열처리를한다. 변형은통상의어닐링온도인650~750

℃에서하고고강도화를위해서는단조재와같은용체

화시효처리가행해지지만표면산화를방지하기위해

진공로또는불활성가스(Ar) 분위기로가이용된다.

진공로에서도용체화처리후수냉또는오일담금질을

한경우는산화에의해착색이되기때문에열처리후

화학연마를 실시한다. 최종적으로 X-선 검사, 침투탐

상시험등의비파괴검사, 정밀도검사, 화학조성및기

계적성질등을시험한후출하된다.

2012_1 43

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지43 CTP-3

주조재의 기계적 성질은 강도, 연성은 단조재규격

(ASTMB348)에 비해서 떨어진다. 그러나 주조 후에

HIP처리를하여주조결함이제거되면<표 2>에나타

낸 것처럼 기계적 성질은 크게 개선되어 연신율이나

단면수축률은단조재와동일한수준까지향상된다.

④세라믹주형

세라믹주형에는쇼우주조법(Shaw process), C.M법, 뉴

니캐스트법(Unicast) 등이있으며이중가장대표적인

방법이 쇼우법이다. 쇼우주조법은 1950년경 영국의

쇼우형제에의하여발명되어정밀주조법으로개선발

전되었다.

액체상의 점결제와 내화물 분말을 잘 훈련하여 성형

한 주형을 건조하면 건조방법에 따라 수축되거나 균

열이생긴다. 즉서서히건조시키면수축이크게일어

나며급격하게건조시키면균열이생긴다. 그러나치

수에대해서보면급격하게건조시킨편이서서히건

조시킨편보다수축이적어치수변동도적다.

쇼우주조법은 급격하게 건조시키면 균열을 육안으로

보기힘든미세하고무수한미세균열(hair crack)로유도

시켜치수변화가거의없는주형을제작하는방법이다.

주형의 전체 표면에 균일하게 발생된 미세균열은 용

융금속이 들어가지는 못하지만 기체는 통과시킬 수

있는것이니주형으로서의통기성은아주우수하다.

원형이란 모형을 제작하는데 필요한 최초의 형을 말

한다. 따라서원형은수축률을계산해서만들어야하

며 여기에 석고나 플라스틱을 주입하면 쇼우주형용

모형이제작된다.

쇼우주조볍에서사용하는모형은그치수정밀도와표면

상태의양부가직접주물에영향을주므로충분한정도

와평활도를가져야한다. 따라서모형재료를선택할때

에는상기의요소와제작량을고려할필요가있다.쇼우

주조법의모형재료로서는양질의목재, 석고, 플라스틱

및금속류가사용되나일반적으로가장많이사용되는

것은석고이다. 이외에실리콘고무를사용하기도한다.

쇼우주조법에 사용하는 점결제는 주로 에칠실리케이

트40을가수분해시킨규산의졸(sol)이다. 내화물은열

팽창이적고변태점이없으며용융금속과잘반응하지

않은동시에슬러리로했을때유동성이좋아야한다.

현재사용되고있는내화물에는지르콘, 알루미나, 샤

모트, 용융실리카, 올리빈사, 탄화규소 등이 있다. 이

들내화물의선택은용융금속의온도, 성분및제품의

제조원가등에따르게되며입도구성이가장중요하

다. 입도구성이나쁘면균열이커지고주형의치수정

밀도가떨어지게된다.

쇼우주형의 제작법을 대별하면 두 가지 방법으로 나

눌 수 있다. 전 쇼우몰드주조법(all shaw mold

process)은 쇼우슬러리만으로 주형을 만드는 방법이

다. 이를 <그림 3>에공정도를나타내었다. 이방법은

쇼우법의기본적인조형법으로현재는소형제품을실

험적으로제작하는경우에나사용되고있다.

백업(back up) 쇼우몰드법은미리백업몰드를제작하

44 100M _ 기계기술

Technology Trends

재료 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%) 단면수축율(%) 파괴인성(%)

주조상태 1000 895 8 16 71~77

주조+HIP 960 870 10 18 91

단조재(β열처리) 955 860 9 21 84

<표2> 티타늄합금주조재의기계적성질예

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지44 CTP-3

여 여기에 쇼우슬러리를 주입하여 주형을 만드는 방

법으로서 현재 널리 사용되고 있으며 백업몰드의 재

료와제작방법에따라3종류로분류된다.

첫번째방법은샤모트, 규사, 용융실리카등을사용하

고 CO₂형법으로제작하는것이며, 두번째방법은샤

모트, 지르콘, 알루미나, 탄화규소, 흑연 등을 골재로

하고점결제는규산졸(sol), 실리카졸, 인산염, 알루미

나시멘트 등으로 제작하는 내구주형법이고, 세 번째

는금속으로백업주형을만드는방법이다.

CO₂형법에의한백업쇼몰드법의제조공정을설명하

면다음과같다. 먼저주형상자에모형을놓고모형의

전면에쇼우층의두께와같은두께가되도록기름점

토(oil clay)로 균일하게피복한다. 다음에주형상자에

주물사를다지고CO₂가스를통기하여경화시킨후모

형을빼내고모형에서기름점토를제거한다.

모형에이형제를도포한다음먼저만들어놓은백업

주형을 모형에 덮어씌우면 모형과 사이에 틈이 생긴

다. 이틈에쇼우슬러리를주입한다. 주입한슬러리가

겔화하여경질고무상으로되었을때모형을빼낸다.

다음에는 버너로 주형의 쇼우층 전면을 균일하게 소

성하여급속건조를한후 2차 소성을하여주형중에

남아있는가연성물질을완전히연소시킨다.

⑤사형주형

티타늄합금주조에사용하는사형주형은셀주형법을

사용하고 있다. 셀주형법은 1944년 독일의 크로닝(J.

Croning)이 발명한 주형제조법으로 수지점결제(일반

적으로 novolak계의 페놀수지)를 100~200 mesh 정도

의건조규사에배합한합성사를 200~300 ℃로가열하

여 이형제를 뿌린 금속모형에 덮으면 5~7 ㎜ 정도의

셀(shell)을 얻게 된다. 이것을 상형, 하형으로 구분해

전착제 또는 클램프 등으로 조합하여 완전한 하나의

주형으로만드는주형법을말한다.

이것은 정밀주조법의 한 방법으로 어느 정도 기계가

공을 생략하여도 주물제품의 표면은 대단히 깨끗하

다. 따라서이주형법은자동차의주물부품제작에적

합하며조형시에수분이전혀필요없기때문에수분

으로인한주물의결함발생도방지된다.

3. 티타늄합금주물의적용

티타늄합금주물이실제적으로적용되기시작한것은

1960년대이고 내식성의 견지에서 화학공업용 펌프,

임펠러, 밸브등에이용되었다. 이들의재질은거의순

수티타늄으로해양구조물과같은내식성이요구되는

곳에 사용되고 있다. 이러한 곳에서는 항공기부품과

같이 엄격한 품질이 요구되지 않으므로 특수한 공정

을거치지않은일반주조상태로이용되기도한다.

티타늄정밀주조품은주로우주항공분야에국한되어왔

는데, 일반적으로주조상태의제품은기공과같은결함

2012_1 45

산업체전문검색사이트 - www.100m.co.kr

<그림3> 쇼우몰드주조법의공정도

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지45 CTP-3

들을갖고있기때문에낮은피로강도를갖게되며변동

폭도넓게나타난다. 항공기부품과같은고도의품질이

요구되는주조품은단조재정도의기계적성질을얻기

위하여HIP 공정과적절한열처리공정을거쳐야한다.

이와같은항공기부품에는대형이면서복잡한형상의

주조품이 많아 대형 정밀주조품의 주형제조기술보다

복잡한형상을가능하게하는세라믹중자기술및표면

오염층을 균일하게 제거하는 화학연마기술이 무엇보

다도중요한과제로많은연구개발이진행되어야한다.

의료, 스포츠, 액세서리용품등의분야에서티타늄정

밀주조품의 개발은 일본에서 활발히 진행되었다. 특

히티타늄은생체용재료로기존의스테인리스강이나

Co-Cr합금에 비하여 우수한 생체적합성을 나타내기

때문에 생체 임플란트재뿐만 아니라 인공뼈, 인공관

절, 치과용및척추고정구등의료분야에있어서그응

용범위가점차확대되고있다.

4. 결론

⑴연구개발발전전략

티타늄합금(공업용 순티타늄 포함)은 경량(비중 4.5

gr/㎤)이면서 상온에서부터 550 ℃의 고온까지 높은

비강도가 유지되며 피로강도 및 파괴인성 등 기계적

특성이대단히우수하다. 해수및화학약품에대한내

식성이탁월하여항공우주, 자동차, 해양및발전산업

과 더불어 생체재료 및 스포츠 레저용품으로까지 다

양한응용분야의무한한잠재성을지닌신소재이다.

티타늄합금은 알루미늄합금이나 마그네슘합금보다

에너지집약형재료이므로단위인장강도로서비교하

면철강, 주철에2~3배의에너지를소비하므로제조비

용이높게되어용도의확대가방해되는최대의요인

이되고있다.

티타늄합금은용도가다양해짐에따라복잡한형상의

부품에대한수요가증가하므로따라서절삭및용접

등의 공정을 생략할 수 있는 정형가공기술이 요구되

며이에대표적인정형가공공정으로경제적으로복잡

한 형상의 정형가공이 가능한 정밀주조법이 폭넓게

활용되고있다.

티타늄합금주물의 정밀주조법으로는 종래 흑연블록

을 기계가공한 주형이나 흑연분말을 성형한 주형을

사용하였으나 현재는 로스트왁스법(Lost wax법), 세

라믹스몰드법이주로사용되며일부셀주형법을사용

하고있다.

주조하고자하는다양한제품에적합한주형제조법에

따른주형재료의선택과티타늄합금의용해법에대한

개발이이루어지므로용도에적합한완전한제품생산

이가능한것으로사료된다.

⑵기술의전망및정책제언

티타늄은 200여년전에발견되었고금속소재로실생

활에 사용한 역사는 50여 년에 불과함에도 불구하고

다른구조용금속소재에비하여극저온에서고온까지

의 비강도와 내식성이 탁월하여 다양한 산업분야의

기초소재로 활용도가 높기 때문에 향후 용도가 기대

되는신금속소재중의하나이다. 티타늄합금은항공

기기를 비롯한 자동차산업뿐만 아니라 의료 분야와

일상생활에활용도가다양한소재이나학술정보분석

에의하면국내에서발표논문수는전체855편중5 %

에 불과하므로 향후 많은 연구개발이 이루어지도록

정책지원이필요한분야이다.

46 100M _ 기계기술

Technology Trends

40_46_T Trends.ps 2012.1.4 7:23 PM 페이지46 CTP-3