1. 서 론
Ti는 우수한 비강도와 내식성, 낮은 탄성계수, 생체 적합성 등의 특성을 바탕으로 국방, 항공, 발전, 화학, 의료 산업의 핵심 소재로 사용되고 있다. 특히 α상과 β상이 혼재하는 2상 Ti-6Al-4V 합금은 균형잡힌 기계적 특성과 비교적 오랜 안정성 검증 결과를 바탕으로 전체 Ti 사용량의 약 50%를 차지하고 있으며 최근에는 아이폰 프레임에 사용되는 등 민수 분야에서도 중요성이 크게 증가하고 있다[1-5]. 그러나 Ti는 대표적인 난삭재로 낮은 열전도도와 고온에서의 높은 화학 반응성으로 인해 절삭가공 시 절삭공구에 열이 집중되며 공구의 마모가 빠르게 진행된다. 산업적으로 최종 부품 가격의 50-75%가 절삭가공에 소요되고 있으며 Ti 소재 수요 확대 및 국내 Ti 부품 제조 기업의 대외 경쟁력 강화를 위해 쾌삭 Ti 개발은 매우 중요하다[6-10].
Ti의 절삭성 개선을 위한 전략은 절삭공구, 절삭유, 절삭 장비 개선과 같은 기계적 접근 방법과 조성 또는 미세조직 제어를 통한 소재적 접근 방법으로 나누어 볼 수 있다[11-14]. 역사적으로 Ti-6Al-4V 합금이 항공기에 적용된 이후 절삭성 개선은 Boeing과 같은 항공산업 기업 주도로 절삭 공구, 절삭장비, 절삭조건이 1960년대 이후 상당히 개선되어 2000년대에는 4배 이상의 생산성 증대를 이루었으나 현재 그 개선 속도는 비교적 줄어든 상태이다. 반면 소재적 접근 방법은 면밀히 연구되지 않아 개선될 잠재력이 크며 열처리에 의한 미세조직 제어 또는 희토류 원소 첨가 등의 이전 연구가 일부 존재한다[15-20]. 예를 들어 Sharma[15] 등에 의하면 Ti-6Al-4V 합금 열처리 후 equiaxed, as-received, fully lameallar 미세조직 순서로 절삭성이 다소 개선되었으나 절대적 결과가 큰 차이를 보이지는 않았으며 최근 Choi[16] 등이 희토류 원소인 Er 첨가가 절삭 칩의 길이를 130.8mm에서 6.2mm로 상당히 감소시키는 데 효과적임을 보고하였고, Siemers[20] 등은 Ti-6Al-4V 합금에 La을 첨가하여 절삭성을 개선하는 연구를 진행하였으며 열처리에 의한 미세조직 제어보다는 희토류 원소 첨가가 절삭성 개선에 보다 효과적임을 알 수 있다.
그러나 Er는 고가이고 La는 상대적으로 융점이 높아 이에 대한 개선이 필요하다. 본 연구에서는 보다 저가이고 융점이 낮은 Ce에 주목하여 Ce 첨가가 Ti 합금의 절삭성에 미치는 영향을 분석하였다. 최근 Ti 합금에 Ce를 첨가한 연구가 발표되었으나 절삭성에 대한 분석은 전혀 없고 한정된 조성 내에서 인장 특성에 미치는 영향을 분석하는 데 중점을 두었다[17,18]. 그러므로 본 연구에서는 가장 널리 사용되는 Ti-6Al-4V 합금에 다양한 조성의 Ce 첨가가 미세조직 변화 및 절삭성과 인장 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였으며 절삭 칩 길이, 절삭 토크, 최종 부품의 강도 및 연성의 중요도에 따른 효과적인 조성 선택 방안을 제시하였다.
2. 실험 방법
2.1 소재 준비
본 연구에 사용된 소재는 Ti-6Al-4V-(0-2.0Ce) (in weight %)이다. Ti-6Al-4V 모합금에 Ce를 첨가하여 진공 플라즈마 용해 장치(삼한진공)를 사용해 진공도 5.0×10-5torr 하에 용해를 실시하였고 시편의 조성 균질도를 높이기 위해 2번 이상 반복 용해하였다. 목표 조성과 실제 조성이 일치함을 확인하기 위해 형광 X-선 분석기(ZSX Primus II) 및 원소 분석기(Flash Smart)를 사용하였으며, 이후 합금 조성에 따른 표기는 표 1 왼쪽에 표시한 약자를 따른다.
2.2 미세조직
미세조직 관찰을 위해 광학 현미경(Optical Microscope; OM, OLYMPUS GX53) 및 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope; SEM, jeol jsm-6610 lv), 에너지 분산형 x-선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDS, jeol jsm-6610 lv), 후방산란전자 회절 패턴(Electron Backscatter Diffraction; EBSD, SU6600 Analytical VP FE-SEM)을 사용하였으며 EBSD 데이터는 TSL 소프트웨어를 이용하여 해석하였다. OM 및 SEM 시편은 기계적 연마를 수행한 후 마이크로 에칭을 위해 96% 물 + 2% 불산 + 2% 질산을 제조하였고, EBSD 시편은 5% 과염소산 + 95% 메틸 알코올 용액으로 온도 -25°C, 전압 25 V에서 전해연마 하였다.
Ce 이차상의 특성을 분석하기 위해 원자 탐침 단층 촬영(Atom Probe Tomography; APT, CAMECA LEAP 5000 XS)을 수행하였으며 집속 이온빔(Focused Ion Beam; FIB, Thermofisher Helios 5 UX) 샘플링을 통해 APT 시편을 준비하였다. 또한 수차 보정 전계 방사형 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy; TEM)을 통해 분석을 수행하였으며 시편의 상을 확인하기 위해 X-선 회절분석기(X-ray diffraction; XRD, D/Max 2500)을 통하여 2°/min의 스캔 속도로 분석하였다.
2.3 절삭성 및 인장 특성
절삭성을 평가하기 위해 시편을 10ø×30 mm 크기로 가공하여 서보탭핑머신(HITAP-HT300)을 사용해 드릴링 시험을 수행하였다. 드릴링 조건은 드릴링 회전수 1500 rpm, 드릴링 거리 15 mm, 드릴링 속도 1.2 mm·s-1이다. 평가의 신뢰성을 위해 소재마다 4번씩 반복 측정하였으며 드릴링 시험 후 발생한 칩의 길이를 측정하였고 데이터 확인을 위해 전용 프로그램(Easybuilder Pro)을 사용하여 토크 값을 분석하였다.
상온 인장 물성을 평가하기 위해 ASTM E8 규격의 봉상시편(직경:2.5 mm, 표점거리:10 mm)을 인장 시험기(INSTRON 5982 100 kN)를 사용하여 시험하였고 변형률 속도는 0.001 s-1로 5회 반복 측정하였으며 가장 높은 값과 가장 낮은 값은 분석에서 제외하였다. 본 연구의 모든 분석과 시험은 주조 상태 Ti64 및 Ti64-Ce 합금에 대해 실시되었다.
3. 결론 및 고찰
3.1 미세조직 및 Ce 이차상
그림 1은 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 미세조직을 OM 및 SEM으로 분석한 결과이다. Ti64 및 Ce 함량이 낮은 경우 주조 조직은 상대적으로 조대한 lamellar 구조로 이루어져 있다(그림 1a-e). 그러나 Ce 함량이 증가함에 따라 주조 조직의 미세화가 현저히 진행되며 prior beta 결정립 크기가 확연히 감소하게 된다(그림 1f-h). 이는 Ti 합금이 액상에서 고상으로 응고되는 과정에서 Ti 액상 내에 고용된 Ce 원자가 고용선의 이동을 억제하여 prior beta 결정립 크기를 감소시키는 것이다. 이에 따라 prior beta 결정립 크기는 Ce 조성에 따라 크게 변화하며 이는 결정립계의 이동을 방해하는 피닝 효과(pinning effect)에 기인한다[21-25]. 또한 용탕이 응고 및 냉각되는 동안 약 920°C에서 beta→alpha 상으로의 상변태가 발생하게 되는데 이 과정에서 Ce 이차상이 추가적인 상변태 핵 생성 사이트로 작용하여 결정립의 미세화를 유도하게 되는 것이다. Ce는 Ti에 대한 고용도가 낮아 소량 첨가 시에도 상온에서 이차상 형태로 쉽게 관찰되며 Ti64-0.8Ce 이상의 합금에서는 prior beta 결정립계에 형성되어 있는 비교적 조대한 Ce 이차상을 확인할 수 있다. 그러나 OM 또는 SEM 관찰로는 보다 면밀한 Ce 이차상 분석에 한계가 있다.
그림 2는 Ti64-0.3Ce 및 Ti64-1.4Ce 합금의 EBSD image quality map 및 TEM 사진이다. Ti64-0.3Ce 및 Ti64-1.4Ce 합금 공통적으로 OM 및 SEM 관찰에서는 볼 수 없었던 80-100 nm 크기의 미세한 Ce 이차상이 alpha lath 기지 내에 형성되어 있음을 알 수 있다. 한편 EBSD 관찰 결과 OM 및 SEM 관찰 결과와 마찬가지로 3-5 μm 크기의 조대한 Ce는 Ce 함량이 높은 Ti64-1.4Ce 합금에서만 주로 prior beta 결정립계를 따라 분포함을 알 수 있다. 다음에서는 Ce 이차상이 순수한 금속 형태로 존재하는지 산화된 형태로 존재하는지 분석하였다.
그림 3은 Ti64, Ti64-0.3Ce 및 Ti64-1.4Ce 합금의 XRD 분석 결과이다. 모든 합금에서 α-Ti 및 β-Ti 상이 공통적으로 관찰되었으며 특히 Ti64-1.4Ce 합금에서는 Ce-oxide 피크가 뚜렷하게 나타났다. 반면 Ti64-0.3Ce 합금에서는 Ce-oxide 피크가 명확히 확인되지 않았다. 따라서 Ti64-0.3Ce 합금에서 Ce-oxide 존재 유무를 확인하기 위해 SEM-EDS 분석을 추가적으로 수행하였으며, 그 결과 Ti64-1.4Ce 합금뿐만 아니라 Ti64-0.3Ce 합금에서도 Ce-oxide가 존재함을 확인할 수 있었다(그림 4).
그림 5는 Ti64-1.4Ce 합금 내 Ce-oxide에 대한 APT 성분 분석 결과이다. FIB 가공을 통해 제작된 나노탐침 이미지에서 Ce-oxide 형태를 확인할 수 있으며(그림 5a), 성분 분석 결과 CeO와 CeO2가 공존하는 Ce-oxides 형태로 존재함을 알 수 있다(그림 5b). Ti64-0.3Ce 합금의 경우 FIB 시편 가공이 난해하여 여러 차례 시편 가공에 실패했으나 이전 연구의 TEM 분석 결과에 의하면 Ti64-0.1Ce 합금에서도 이차상은 CeO 및 CeO2의 Ce-oxides 형태로 존재한다고 보고되었다[17].
즉, 본 연구와 이전 연구에 의하면 미세한(80-100 nm) Ce-oxides는 Ce 함량과 관계없이 기지 내에 고르게 형성되는 반면 조대한(3-5 μm) Ce-oxides는 Ce 함량이 0.8 wt.% 이상으로 비교적 높은 경우에만 prior beta 결정립계를 따라 형성됨을 알 수 있다.
그림 6은 Ce 함량 변화에 따른 prior beta 결정립 크기 변화를 나타낸 그래프이다. Ti64의 경우 prior beta 결정립 크기는 약 4500 μm으로 매우 조대하게 형성된다. Ce 함량이 0.1 wt.%에서 0.5 wt.%로 증가할 때 prior beta 결정립 크기는 2264 μm에서 814 μm로 감소하여 0.1 wt.%당 737.2 μm의 급격한 감소를 보인 반면, Ce 함량 0.8 wt.%에서 2.0 wt.%로 증가 시에는 683 μm에서 84 μm로 감소하여 0.1 wt.%당 49.9 μm로 다소 점진적인 감소 경향을 나타냈다.
3.2 절삭성
절삭성은 회전축 토크 수치와 드릴 가공 이후 발생하는 칩 형태를 통해 평가할 수 있다. 회전축 토크 값이 작고 칩의 길이가 짧을수록 높은 절삭성을 나타낸다. 그림 7은 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 절삭성 평가를 위한 드릴링 시험 후 챔버 내부 사진이다. 아래쪽 샘플의 바로 위쪽에 위치한 드릴 주위를 살펴보면 Ti64 합금에서는 드릴에 칩이 휘감겨 소착되어 있음을 확인할 수 있고 동일한 현상이 매 시험 시 관찰되었다(그림 7a). 이러한 문제는 난삭재인 Ti 절삭 시 빈번히 발생하는 현상이다[26-28]. 반면 그림 7b와 같이 본 연구에 사용된 모든 Ti64-Ce 합금에서는 칩이 드릴에 전혀 소착되지 않았음을 확인할 수 있다.
그림 8a는 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 드릴링 시험 시 발생한 칩의 형상과 길이를 보여주는 사진이다. Ti64의 경우 난삭성 소재의 특징 중 하나인 매우 긴 형태의 칩이 형성되었으며 길이는 약 192 mm이다. 반면, Ce가 0.1 wt.%만 첨가되어도 절삭 칩의 길이가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있으며 절삭 칩의 길이를 정량적으로 측정한 그래프를 그림 8b에 나타내었다. 칩 길이 감소 폭은 두 구간으로 나누어 볼 수 있는데 Ce 함량이 0.3 wt.%까지 증가할 때는 절삭 칩의 길이가 192 mm에서 12.5 mm로 감소하여 0.1 wt.%당 58.2 mm의 급진적인 감소 경향을 보인다. Ce 함량이 0.5 wt.%에서 2.0 wt.% 증가할 때도 칩 길이는 10.6 mm에서 4.5 mm로 추가적으로 감소하나 0.1 wt.%당 0.5 mm 감소로 감소 폭은 확연히 줄어든다. 그림 8c는 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 드릴링 시험 후 회전축 절삭 토크를 나타낸다. Ti64에 비해 Ti64-Ce 합금에서 평균 회전축 토크의 감소가 확인되며 Ce 함량이 0.8 wt.%까지 증가할 때는 0.1 wt.%당 0.02 Nm로 다소 완만하게 감소한다. 하지만 그 이상의 함량에서는 절삭 토크가 0.1 wt.%당 0.2 Nm로 급격히 감소함을 알 수 있다.
앞쪽 미세조직 관찰 결과와 연관 지어 보면, Ce 함량이 비교적 낮은 조성 범위에서 칩 길이의 급격한 감소는 기지 내에 고르게 분포하는 미세한 Ce-oxides의 영향으로 판단된다. 미세 Ce-oxides는 모든 Ti64-Ce 합금에서 관찰되며 이는 칩 길이가 조성과 관계없이 일관되게 짧아지는 현상을 설명할 수 있다. 더욱이 미세한 Ce-oxides는 기지에 고르게 분포하므로 절삭 날이 기지를 통과하는 중 Ce-oxides와 접촉하면 칩 분리가 유도되므로 평균 칩 길이를 감소시키는데 기여할 것으로 판단된다. 반면 절삭 토크는 Ce 함량과 관계없이 형성되는 미세한 Ce-oxides보다는 높은 Ce 함량에서만 형성되는 조대한 Ce-oxides에 더 크게 영향을 받는 것으로 판단된다. 예를 들어 Ti64-1.4Ce 또는 Ti64-2.0Ce 합금에서 절삭 토크는 급격히 감소하며 이는 prior beta 결정립계를 따라 존재하는 조대한 Ce-oxides의 영향으로 판단된다. Prior beta 결정립계는 alpha 상으로 존재하며 beta 상에 비해 강도가 높은데[29] 조대한 Ce-oxides가 prior beta 결정립계에 다량 분포하게 될 경우 prior beta 결정립계의 강도를 약화시켜 절삭 토크를 감소시킬 수 있다.
3.3 인장특성
그림 9는 Ti64와 Ti64-Ce 합금의 항복강도, 인장강도, 연신율을 나타낸 그래프이다. Ti64 대비 Ti64-Ce 합금은 향상된 항복강도와 인장강도를 보인다. 항복강도는 Ce 첨가 전 733 MPa에서 첨가 후 최대 876 MPa까지 증가하였으며(그림 9a), 인장강도도 유사하게 Ce 첨가 전 837 MPa에서 첨가 후 최대 956 MPa까지 증가하였다(그림 9b). 일반적으로 강도와 연성은 상반 관계를 가진다[30]. 그러나 Ce 함량이 적을 때는 100 MPa 이상의 강도 향상에도 불구하고 연성이 약 8%로 여전히 유지되는 것을 관찰할 수 있다. 반면 Ti64-1.4Ce 합금에서는 연성이 1.5%까지 급격히 저하되었다(그림 9c). 이는 Ce가 다량 첨가될 경우 prior beta 결정립계에 조대한 Ce-oxides가 형성되기 때문이다. Prior beta 결정립계는 본래 파단에 취약해 주조 상태 Ti64 합금의 낮은 연신율을 야기하는 주요 원인 중 한 가지인데, 조대한 Ce-oxides가 prior beta 결정립계를 따라 추가 형성됨으로써 결정립계가 더욱 취약해져 연성이 크게 감소하는 것으로 판단된다. 이는 파면 분석을 통해 더욱 명확하게 확인할 수 있다.
그림 10은 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 인장 파면을 보여준다. 파면의 dimple 형성은 인장시험 중 미세 균열과 공극이 시작되어 전파되면서 발생하는 연성파괴의 특징이며 cleavage와 river pattern 형성은 특정 방향으로 결정립의 급속한 균열 전파에 의한 취성 파괴의 특징이다[31-34]. 파면을 살펴보면 Ce 첨가량에 따라 파괴모드가 상이함을 알 수 있다. Ti64 및 Ti64-(0.1-0.5)Ce 합금에서는 lath 폭과 크기가 유사한 dimple이 관찰되는 반면(그림 10a-e), Ce 함량이 증가할수록 prior beta 결정립과 크기가 유사한 cleavage가 뚜렷이 관찰된다(그림 10f-h). 즉 Ti64-(0.8-2.0)Ce 합금에서는 prior beta 결정립계에 존재하는 조대한 Ce-oxides가 취성 파괴를 유발하여 연성이 감소함을 알 수 있다.
그림 11a는 Ti64 및 Ti64-Ce 합금의 항복강도(YS)와 연성(El) 및 평균 칩 길이를 나타낸다. Ti64-(0.1-0.3)Ce 합금과 같이 Ce 함량이 낮은 경우에는 칩 길이가 짧음에도 불구하고 YS×El값 또한 높음을 알 수 있다. 반면 Ti64-(0.5-2.0)Ce 합금과 같이 Ce 함량이 높은 경우는 칩 길이가 짧지만, 연성이 급격히 감소하여 YS×El 값이 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 그러나 절삭 토크의 경우 Ce 함량이 높을수록 감소한다. 예를 들어, Ce 함량이 Ti64-(1.4-2.0)Ce로 높을 경우 절삭 토크는 Ce 함량이 낮은 경우와 비교하여 크게 감소한다(그림 11b). 다만 Ce 함량이 높으면 연성이 감소하므로 YS×El 값은 상대적으로 낮다.
결론적으로 본 연구에서는 Ce 함량이 Ti64-Ce 합금의 미세조직, 절삭성, 인장특성에 미치는 영향을 분석하여 절삭 칩 길이, 절삭 토크, 강도 및 연성을 고려한 합금 선택 방안을 제시하고자 했다. 절삭 가공 중 칩 길이 감소 및 절삭 가공 후 부품의 연성이 중요한 경우 Ti64-0.3Ce와 같이 Ce 함량이 낮은 합금을 선택하는 것이 바람직하고, 절삭 토크의 감소가 더욱 중요한 요소이며 상대적으로 부품의 연성이 중요하지 않은 경우 Ti64-1.4Ce와 같이 Ce 함량이 비교적 높은 합금을 사용하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 또한 Ce 첨가에 따라 우수한 특성을 나타내는 절삭성 외에도 내마모성, 열적 안정성, 장기적인 기계적 특성 변화 등에 대한 추가적인 검증 또한 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 Ce(0.1-2.0 wt.%) 첨가가 Ti64 합금의 절삭성 향상에 효과적임을 보였다. 아래는 Ce 함량이 비교적 낮은 경우(0.1-0.5 wt.%)와 높은 경우(0.8-2.0 wt.%)로 구분하여 정리한 미세조직, 절삭성, 인장특성 분석 결과이다.
Ce 함량이 증가함에 따라 prior beta 결정립 크기가 감소하였으며 특히 Ce-oxides 분포 및 크기에도 영향을 주었다. 예를 들어 Ce 함량이 낮은 경우 미세한(80-100 nm) Ce-oxides가 기지 내에 고르게 분포한 반면 Ce 함량이 높은 경우에는 미세한 Ce-oxides뿐만 아니라 조대한(3-5 μm) Ce-oxides가 prior beta 결정립계를 따라 추가적으로 형성되었다.
Ti64 대비 모든 Ti64-Ce 합금에서 절삭 칩 길이가 크게 감소하였다(192 mm→4.5 mm). 반면 절삭 토크의 경우 Ce 함량이 낮을 경우 감소량이 미미했으며(2.5 Nm→2.3 Nm), Ce 함량이 높을 경우 절삭 토크는 크게 감소하였다(2.5 Nm→1.9Nm).
Ti64 대비 모든 Ti64-Ce 합금에서 항복강도(733 MPa→876 MPa) 및 인장강도(837 MPa→956 MPa)가 증가하였다. 반면 연성은 Ce 함량이 낮을 경우 약 8%로 Ti64와 동등 수준으로 유지되었으나 Ce 함량이 높을 경우 약 1.5%까지 감소하였다.
Ce 함량이 낮을 경우 Ti64처럼 lath 폭과 크기가 유사한 dimple이 형성되는 연성파괴 거동을 보였으며 Ce 함량이 높을 경우 prior beta 결정립과 크기가 유사한 cleavage가 뚜렷이 관찰되는 취성파괴 거동을 보였다.
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