A Study on the Characteristics for High Frequency Induction Heating of Ti Alloy Groove Wire

J. Korean Oph. Opt. Soc.

Vol. 12, No. 3, pp. 55-58, July 2007

55

안경테용 Ti 합금 홈선의 고주파유도가열처리에 따른 특성 변화에 관한 연구

박정식·장우영·이정영

대구보건대학 안경광학과

(2007

···

티타늄과 그 합금은 경량성, 우수한 기계적 성질 그리고 우수한 내식성 때문에 주요한 안경테 소재로 사용되고 있 다. 본 연구에서는 티타늄 합금 홈선에 대하여 안경테 브레이징용으로 사용되고 있는 고주파유도가열 장치를 이용 한 열처리 시간의 변화에 따른 경도 및 미세조직의 변화에 대하여 조사하였다. β

^-Ti

⁺

주제어:티타늄, 브레이징, 고주파유도가열, 경도

···

서 론

1980

.

안경테의 필수조건은 가벼우면서도, 강인하고, 내식성과 가공성이 우수해야 하며, 접합과 표면처리가 용이해야 한 다. 특히 최근 안경테 소재에서 요구되는 특성 중 다양한 기능성과 함께 경량화가 주된 것이라고 할 수 있다. 이에 티타늄(Ti) 및 그 합금의 사용이 지속적으로 증대되고 있 다^[1]

.

티타늄은 비중이 5.5 g/cm³로 알루미늄에 비해서는 1.6 배 무거우나, 철에 비해서는 약 60% 가볍고 내식성이 우 수하며, 특히 인체에 무해하다는 특성을 가지고 있다^[2-4]

.

한편 대부분의 금속 안경테는 이종금속간의 접합^[5-8]에 의해 만들어지고 있다고 할 수 있다. 따라서 안경테 소재 의 접합 조건에 따른 물성의 변화에 대한 기본적인 자료 들이 확보된 후 이종재료간 접합특성에 대한 기술적 요구

도 증대되고 있다.

그러나 안경테 소재용 티타늄 합금에 대한 브레이징 접 합기술의 기술적 확립에도 불구하고 이들 소재의 기계적 성질의 변화에 대한 기초적인 연구는 거의 전무하다고 할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 안경테 소재로 사용되고 있는 티 타늄 합금 홈선에 대하여 안경테 브레이징용으로 사용되 고 있는 고주파유도가열 장치를 이용하여 열처리 시간의 변화에 따른 홈선의 특성 변화에 대하여 조사하였다.

실험방법

현재 상업적으로 사용되고 있는 티타늄 합금 중 두 종 류의 홈선에 대하여 조사하였으며, 이들 소재에 대한 명칭 및 화학적 조성을 Table 1에 나타냈다.

고주파유도가열처리(High Frequency Induction heating;

주 저자 연락처: 박정식, 702-722 대구 북구 태전동 산 7번지 대구보건대학 안경광학과 TEL: 053-320-1386, FAX: 053-320-1390, E-mail: [email protected]

Table 1. Chemical compositions of specimens. (wt%)

V Cr Sn Al Ti

β

-Ti 15.0 3.0 3.0 3.0 bal.

Ti-325 2.5 · · 3.0 bal.

56

Vol. 12, No. 3, July 2007 J. Korean Oph. Opt. Soc.

HFIH)

장치를 이용하여 작업코일 중앙에 홈선을 위치시키고 가 열시간을 1-3초까지 조절하여 열처리 하였다. 이상의 방법 으로 제작된 시험편에 대한 기계적 성질의 조사는

Mitutoyo

를 이용하여 시험편의 각 부위에 대하여 3회씩 측정하여 평균하였으며, 이때 경도측정은 작업코일에 의해 가열된 중심부(center)로부터 가장자리로 이동하면서 0.5 mm 간 격으로 측정하였다. Fig. 1에 고주파유도가열처리 및 경도 시험에 대한 모식도를 나타냈다.

그리고 각각의 시험편에 대해 NIKON 사의 ME600 광 학현미경을 이용하여 x100 배율로 미세조직의 변화를 관 찰하였으며, 이때 조직관찰용 부식액은 10%의 불산(HF) 을 이용하였다.

실험결과 및 고찰

Fig. 2

^-Ti

선에 대한 각각의 경도시험 결과로 각각 Hv 268 및 322 정도의 경도값을 나타냈으며, Ti-325가 약 Hv 50 정도 높 게 나타났다.

Fig. 3

^-Ti

가열시간의 변화에 따른 경도의 변화를 조사한 결과이다.

가열시간이 1초의 경우에는 위치에 관계없이 거의 동일한 값을 나타냈다. 그러나 2초의 경우에는 중앙부에서 경도 가 약간 감소함을 알 수 있다. 그리고 3초의 경우에는 중 앙부에서 Hv 240까지 감소함을 확인할 수 있다.

Fig. 4

여 열처리 시간의 변화에 따른 경도의 변화를 조사한 결 과이다. 열처리 시간이 1초의 경우에는 중앙부에서 약간 경도값이 감소하기는 하나 그 정도는 매우 작아 측정 위 치에 관계없이 거의 일정한 경도값을 나타낸다고 할 수 있다. 열처리 시간이 2초의 경우에는 중앙부에서 경도값 이 크게 감소하여 Hv 250-260 정도 까지 감소하며, 중앙 부에서 멀어짐에 따라 서서히 증가하여 약 6 mm 정도에 서는 열처리 전 홈선의 경도값에 도달하였다. 그러나 열처 리 시간이 3초의 경우에는 중앙부에서 최고 약 Hv 400 까 지 상승하며 중앙부에서 멀어짐에 따라 경도가 감소하여 연화되는 현상을 보이다가 다시 상승하여 모재의 경도에 접근함을 알 수 있다.

이와 같이 브레이징 열처리 시간이 길어짐에 따라 β

^-Ti

Fig. 2. Hardness of β-Ti and Ti-325.

Fig. 3. Hardness distributions of β-Ti for HFIH time.

Fig. 4. Hardness distributions of Ti-325 for HFIH time.

안경테용 Ti 합금 홈선의 고주파유도가열처리에 따른 특성 변화에 관한 연구

57

Vol. 12, No. 3, July 2007 J. Korean Oph. Opt. Soc.

이 감소하다가 다시 증가하는 경향을 나타냈다.

Fig. 5

^-Ti

에 따른 중심부(center)에 대한 광학현미경 조직관찰 결과 이다. (a)는 브레이징 하기 전 모재에 대한 조직으로 전형 적인 등축정 β 상이 미세하고 균일하게 이루어져 있음을 알 수 있으며, 평균 결정입도는 약 10μ

^m

2, 3

특히 2초 이후에 결정립의 성장이 급격히 일어나, 2초에 서 평균 결정입도는 약 80μ

^{m, 3}

^m

^-Ti

Fig. 6

간에 따른 중심부(center)에 대한 광학현미경 조직관찰 결 과이다. 사진 (a)는 브레이징 하기 전 모재에 대한 조직으 로 전형적인 흰색의 α 상과 검정색의 β 상의 혼합조직을 나타내고 있다. 사진 (b)는 열처리 시간이 1초인 경우의 조직사진으로 열처리 전과 비교해 거의 차이가 없으며, 실 제 경도시험 결과에서도 거의 비슷한 경도값을 나타냈다.

사진 (c)는 열처리 시간이 2초인 경우의 조직으로 결정립 의 조대화와 함께 일부에서 α상과 β상의 미세한 층상조 직이 관찰되었다. 사진 (d)는 열처리 시간이 3 초인 경우

의 조직으로 전체적인 범위에 걸쳐 α상과 β상의 미세한 층상조직이 관찰되었다. 소재의 물성에 커다란 영향을 미 치는 것으로 알려져 있는 요소들로는 결정립도, 상분율, 계면특성, 미세조직 형상 등을 들 수 있으며, 특히 이상 혼 합조직에서 미세한 층상의 형성은 기계적 성질의 향상에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다^[9]

.

이상과 같이 동일한 조건에서 고주파유도가열처리를 하 더라도 합금의 종류에 따라 연화 또는 경화가 발생할 수 있으므로 이종 재료의 접합에서는 각각의 소재가 가지는 물성의 변화에 대한 조사가 우선적으로 이루어져야 한다 고 생각된다.

결 론

안경테 소재로 사용되고 있는 β

^-Ti

1.

^-Ti

2. Ti-325

도값이 감소하였으나, 3초에서는 급격히 증가하였다. 이는

2

Fig. 5. Optical micrographs of β-Ti for brazing heating time. a) before HFIH (b) 1 sec (c) 2 sec (d) 3 sec

Fig. 6. Optical micrographs of Ti-325 for brazing heating time.

a) befor HFIH (b) 1 sec (c) 2 sec (d) 3 sec

58

Vol. 12, No. 3, July 2007 J. Korean Oph. Opt. Soc.

참고문헌

[1]

[2]

1-23(2002).

[3]

[4]

54(2004).

[5] Zhou H, Li HW, and Feng JC, “Vacuum brazing of Ti-3Al

based alloy”, Nonferrous Metals, 57(2):11-14(2005).

[6] Nonaka K, Fujii H, and Nakajima H, “Effect of Oxygen in Titanium on Reaction Diffusion between Ti and Al”, Jour- nal of Japan Institute of Metals, 64(2):85-84(2000).

[7]

[8] Chang CT, Wu ZY, Shiue RK, Chang CS, “Infrared braz- ing Ti-6Al-4V and SP-700 alloys using the Ti-20Zr-20Cu- 20Ni braze alloy”, Materials letters, 61(3):842-845(2007).

[9]

991(2004).

A Study on the Characteristics for High Frequency Induction Heating of Ti Alloy Groove Wire

Jeong-Sik Park, Woo-Yeong Jang and Jeong-Yeong Lee

Department of Ophthalmic Optics, Daegu Health College (Received May 17, 2007: Revised manuscript received June 18, 2007)

Titanum and its alloys have been used as the important materials of eyewear frame due to its light weight, mechanical strength and corrosion resistance. This study investigates hardness and microstructures of titanum alloy groove wires in according with heating time by high frequency induction heating. Because of increase of grain size by the growth of heating time, hardness of

-Ti has reduced. Hardness of Ti-325 reduced until 2 sec and rapidly increased at 3 sec by high frequency induction heating. It is observed that hardness of Ti-325 reduces by the increase of the grain size until 2 sec and suddenly increased by the development of the detailed

+

lamella at 3 sec.

Key words: Titanum, brazing, high frequency induction heating, hardness