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밀리터리Rep 2008.04.19 00:04
티타늄의 정밀성형 기술연구
2003년도 핵심기술과제 종료 발표회를 마치자마자 ’04 甲申年 무내미에 우리 부서에서 3년 동안 수행한 과제가 종료과제 뒷이야기를 장식하게 되어 무한한 영광으로 생각하면서 그 동안의 과제 수행 내용과 애로 사항들을 소개하고자 한다.

우선 이 과제가 수행되게 된 배경에 대하여 간략히 이해를 돕고자 한다. 현대전에서 첨단 무기가 차지하는 비중은 매우 크다고 할 수 있으며, 이러한 첨단 무기들은 고기동성 및 초고속화의 요구 조건을 필요로 하게 된다. 향후 개발될 무기체계에서 이러한 요구조건을 만족시키기 위하여는 ‘경량화’가 필수적으로 요구되며 현재까지 개발된 경량소재로는 티타늄소재가 널리 이용되고 있다. 이라크 전쟁 등에서 알 수 있듯이 미국이 선제공격으로 사용한 TOMAHAWK 유도무기의 탄체에 사용되는 재료가 티타늄으로 되어있는 것은 주지의 사실이다.


티타늄합금은 비중이 철강대비 약 0.6 정도로 기존의 철강 구조물 대체시 약 30~40%의 경량화가 가능하며, 비강도(강도/비중), 고온강도 및 피로강도 등 기계적 특성이 우수하고 내식성이 좋아 항공우주산업을 필두로 잠수정 및 석유시추용 구조재, 발전소용 부품, 의료기기, 스포츠 용품에 이르기까지 그 응용분야가 매우 넓다. 그러나 모합금 제조가 어려워 소재 가격이 고가이며, 고온 변형 저항이 크고 열전도도가 낮으며, 온도 및 변형 속도에 매우 민감하여 성형 조건에 따라 조직/물성이 다양하게 변화하고 또한 가열시 공기와 접촉하게 되면 표면에 산화층이 형성되어 쉽게 표면 결함 등이 발생될 수 있어 고온 가공성이 일반강에 비하여 까다로운 소재로 알려져 있다.

과제 태동 당시 연구소의 혹자는 과제의 성격에 대하여 ‘일반산업체에서 수행되는 소재/공정기술에 관련된 내용을 우리 연구소가 수행할 필요가 있는가?’라는 의문을 제기하기도 하였다. 그러나 국내 민수 분야 소요가 적은 국방분야 위주 기술로서 난가공성 소재의 대형 구조물 제조를 위해서는 일반단조 기술이 아닌 고온금형 단조 기술 개발 필요성이 인정되었다. 이러한 분야와 관련된 연구원들은 모두 겪고 있는 사항이지만 핵심기술로서 과제 필요성은 인정하면서도 막상 과제 수행 단계에서는 우선순위가 뒤로 밀리기 쉬운게 또한 현실이다. 연구소 특성상 체계 개발이 우선인 것은 모두가 인정하지만, 체계 개발 초기 설계 단계에서 설계자 입장에서는 필요한 소재/공정 기술이 확보되어 있지 않으면 적용이 불가능하게 되므로 그 적정 시기를 맞추기 위하여는 선 개발의 필요성이 요구된다.

다행히도 본 과제는 체계부서에서 선 개발 필요성이 인정되어 ’01년 5월부터 응용연구가 시작되었다. 티타늄합금은 온도에 매우 민감한 소재로 국내에서 일반강 성형시 주로 이용되는 일반단조(일반적으로 금형온도가 350℃ 이하) 공법으로는 표면에 발생되는 결함을 피할 수 없으며 내부 온도 편차가 크게 발생되므로 내부 조직 또한 불균일하게 된다. 다행히 기 수행되었던 기술-3부의 ‘관통형 탄두 설계기술 연구’ 과제에서 국내 기반이 전무한 상태에서 티타늄합금을 이용한 일반단조 공법을 경험한 바가 있는 우리 팀으로서는 체계 요구특성을 만족시킬 수 있는 성능 향상 부품 개발을 위하여 국내에서 처음 시도되는 고온금형(금형온도 550~700℃)을 이용한 탄체 형상성형기술 개발과 더불어 이 분야 최고 기술인 항온성형(금형 온도와 소재 온도가 동일)공정 개발에 초점을 맞추게 되었다. 새로운 소재의 성형기술 개발에 대한 도전이라는 기대감과 한편으로는 ‘과연 국내에서 처음 시도되는 공정들이 성공적으로 개발이 가능할까?’ 하는 걱정도 앞서게 되었다. 그러나 미국 등 선진국에서 이미 무기체계에 다양하게 적용하고 있는 현실에서 우리도 새로운 무기체계 경량화를 위해서는 언젠가는 개발해야 한다는 명제하에 이번 기회를 그 발판으로 적극 활용하기로 하였다.

본 과제 개발 대상인 탄체 형상 부품은 특성상 장비용량 약 7,000톤, 스트로크 약 4m 이상이 요구되었으며, 국내 가용한 설비는 현대중공업 보유 10,000톤 프레스가 유일한 것으로 판단되었다. 그러나 잘 알고 있듯이 현대중공업은 세계적으로 유명한 선박 제조업체로 이 프레스는 선체 형상 및 압력용기 등의 부품을 전용으로 성형하는 설비이고, 본 개발품과 같은 열간/고온 단조 공정 부품에 대한 기술과 경험은 보유하고 있지 못한 현실에서 당 프레스를 활용하기란 여간 어려운 일이 아니었다. 그러나 현대중공업 관계자분들의 적극적인 지원과 협조로이 장비 사용이 가능하게 되었으며 지면으로나마 다시한번 감사를 드리는 바이다. 탄체 형상과 같이 길이/직경 비가 큰 부품인 경우에는 항온성형으로 성형하기란 매우 어려우며 막대한 설비비 투자가 수반되어야 한다. 따라서 항온성형 공정은 KIMM에서 보유한 설비를 활용하여 날개 형상의 축소 모델에 대하여 수행되었다.

티타늄 소재가 탄체 구조물로 사용되기 위해서는 체계요구조건에 부합되는 재료특성을 평가하고 선정하는 것이 중요하다. 관통특성이 우수한 재료특성 확보를 위하여 다양한 조직 형태에 따라 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 시험을 통하여 단조상태 혹은 응력제거 열처리 조건에서 파단 변형률 및 파단 에너지가 높게 나타나는 것을 확인하였으며, 고속충돌 모사시험을 통하여 파괴 특성이 양호함을 확인하였다. 또한 티타늄소재의 초기 조직 형태에 따른 고온 변형거동 시험을 통하여 최적의 변형영역 지도를 확보하였으며 요구 부분의 미세조직을 제어하기 위한 공정설계 최적화 프로그램의 입력 자료로 활용하였다.

고온금형을 이용한 티타늄탄체형상 성형공정 개발에는 일반적으로 국내 일반강 단조공정에서는 적용되지 않는 몇 가지 특수한 공법들이 개발 적용되었다. 우선 금형 온도를 600℃ 이상으로 높이기 위해서는 기존에 사용되는 금형용 공구강은 사용할 수 없게 되므로 몇가지 재료를 검토한 결과 초내열합금 소재를 고온금형 소재로 선정하였다. 그러나 이 소재는 매우 고가인데다 본 부품 형상과 같은 대형 부품 금형 소재로 적용하기에는 여러 가지 어려움이 있었다. 따라서 기본 설계 개념을 수정하여 소재가 금형과 접촉되는 부분인 펀치 헤드부 및 금형 내부만을 선정하여 이 부분에만 초내열합금 소재를 적용하고 나머지 부분은 기존 금형 공구강 소재를 사용하기로 하여 3-piece 금형을 처음으로 개발하였다.

금형이 완성되고 금형을 목표 온도인 700℃로 가열하기란 쉬운 일이 아니었다. 일반적으로 단조공장에서 사용되는 가스 토치 방식으로는 250℃ 정도가 최대이므로 완전히 새로운 개념의 가열 방식을 고려하게 되었다. 금형 재료 특성상 금형 내부는 700℃를 유지하면서 외부는 금형 강도를 확보하기 위하여 550℃ 이하를 유지시키는 것이 요구되었다. 이를 위하여 금형 내부에는 특수한 내부 가열장치(insert heater)를, 외부에는 가열판(heating pad)을 이용한 가열 방식이 개발되었다. 모든 공정이 다 그렇듯이 공정설계는 장비 특성에 맞게 이루어져야 하며 본 개발에 이용된 10,000톤 프레스는 하부 베드가 이동되는 형태로 소재를 금형에 장착 후 성형하기까지 걸리는 시간동안 소재 온도가 떨어지는 것을 최대한 방지하는 것이 요구된다.
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이 부분을 해결하기 위하여 티타늄 소재 가열 후 최대한 빠른 시간내에 금형에 투입하기 위하여 전용 가열캔을 제작하여 적용하였다. 또한 공정 중에는 소재와 금형간의 직접적인 접촉을 최소화하여 단열 역할도 하면서 성형 중에는 윤활 작용이 가능하게 하기 위하여 특수 윤활제를 적용하였다.

또한 티타늄 소재는 가열시 산화 방지를 위하여 코팅을 하였으며, 본 제품과 같이 컵 형상의 후방 압출 부품에서 발생되기 쉬운 두께 편차를 최소화하기위한 편심 방지를 위한 특수 치구도 사용되었다.

이러한 노력의 결과로 일반단조 공정에서 발생되었던 표면 결함을 완전히 제거할 수 있었으며 단조품 형상도 직경 400mm, 길이 800mm 정도의 수준에서 직경 380mm, 길이 1,100~1,150mm 제품으로 단조품 벽 두께를 10mm 정도 얇게 성형하는 것이 가능하게 되었다.

이 결과를 간접적으로나마 선진국 결과와 비교하여 보면, 미국의 TOMAHAWK 탄두 단조품 크기가 직경 약 400mm, 길이 약 1,200mm, 벽두께 약 42mm 정도인데 비하여 본 개발 단조품은 벽두께 40mm로 유사하였다. 따라서 향후 민수 및 군수 용도로 요구되는 티타늄합금 대형 부품 개발/제작이 국내에서 가능하리라는 자신감을 갖게 되었다.

개발된 단조품은 체계 적용 가능성을 확인하는 절차가 필요하게 되며 이를 위하여 단조품에 대한 평가와 더불어 기술-3부의 도움으로 관통성능 시험을 수행하여 체계적용 가능성을 확인하였다.

단조품 평가에서 얻은 놀라운 사실은 충격 특성에 우수한 조직 및 물성치를 확보할 수 있었던 것이다. 충격시험 결과 일반적으로 규격에서 정한 24~40J보다 훨씬 높은 수준의 63~92J의 값을 확보할 수 있었으며, 이 경우의 조직 특성이 α 상이 약 30% 근방인 것을 확인하였다. 관통성능 시험은 그 자체가 어떻게 보면 개발자에 대한 최종 평가와 같은 것이다. 물론 실제로 체계 적용을 위하여는 추가적인 시험이 많이 요구되지만 우리 팀으로서는 1차적으로 탄체로서 관통성능 시험은 매우 중요한 의미를 가지고 있다.

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1차 시험시 용접부 파손으로 인한 시험 실패를 안고 있는 연구원들은 그 동안의 노력이 헛되지 않게 시험 준비에 만전을 기하였으며, ’03년 4월 마침내 관통성능 시험에서 강재 탄두와 유사 성능을 확인할 수 있었다. 강재 탄두보다 약 30% 경량화된 티타늄 탄체가 체계 부품으로서 적용 가능성을 확인하는 계기가 마련되어 향후 시험개발에 대해 자신감을 갖게 되었다.




출처: http://www.add.re.kr/webzin/200403/contents/story.asp

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posted by 지나가다가