본질적으로, 진공 아크 재용해(VAR)는 고순도의 균일한 티타늄 잉곳을 생산하는 데 사용되는 2차 용해 공정입니다. 이 공정은 고에너지 전기 아크를 사용하여 이전에 형성된 티타늄 실린더(소모성 전극이라고 함)를 고진공 챔버 내에서 재용해합니다. 용융된 금속은 수냉식 구리 주형에서 응고되어 우수한 기계적 특성을 가진 정제된 최종 제품을 만듭니다.
VAR의 진정한 목적은 단순히 티타늄을 용해하는 것이 아니라, 이를 정제하고 균질화하는 것입니다. 진공 상태에서 재용해함으로써, 이 공정은 원치 않는 가스와 휘발성 원소를 제거하며, 제어된 응고는 고성능 응용 분야에 필수적인 매우 깨끗하고 일관된 내부 구조를 생성합니다.
VAR 공정이 순도를 달성하는 방법
VAR의 효과는 금속을 정제하는 체계적인 접근 방식에 있습니다. 각 단계는 특정 불순물을 제거하고 잉곳의 최종 구조를 제어하도록 설계되었습니다.
소모성 전극
이 공정은 "소모성 전극"으로 시작됩니다. 이것은 원료가 아니라, 이미 한 번 용해된 티타늄 스펀지와 필요한 합금 원소로 만들어진 크고 압축된 실린더입니다. 이 전극은 정제 공정의 원료 역할을 합니다.
고진공의 역할
전체 공정은 고진공(일반적으로 0.1~13.3 파스칼) 상태에서 진행됩니다. 이 진공 환경은 매우 중요합니다. 금속이 녹을 때, 대기압이 없으면 갇힌 수소와 같은 가스 및 기타 휘발성 불순물이 액체 금속에서 제거될 수 있습니다.
전기 아크 및 제어된 용해
DC 전원 공급 장치는 전극 하단과 아래 도가니의 소량의 시동 재료 사이에 강력한 전기 아크를 생성합니다. 티타늄의 융점을 초과할 수 있는 이 아크의 강렬한 열은 전극 끝을 점진적으로 녹입니다.
점진적 응고
전극이 녹으면서 순수하고 용융된 티타늄 방울이 수냉식 구리 도가니로 떨어집니다. 도가니 벽이 활발하게 냉각되기 때문에, 용융된 금속은 접촉 즉시 응고되기 시작하여 고체 껍질을 형성합니다. 더 많은 금속이 녹으면서 잉곳은 천천히 쌓이며, 아래에서 위로, 그리고 바깥에서 안으로 응고됩니다. 이 제어된 냉각 공정은 미세하고 균일한 결정립 구조를 생성하고 남아있는 비금속 불순물을 잉곳의 상단으로 밀어내며, 이는 나중에 잘라냅니다.
장단점 이해하기
VAR은 강력한 도구이지만, 전문화된 도구입니다. 그 장점과 단점을 이해하는 것이 언제 이를 지정해야 하는지 아는 데 중요합니다.
장점: 탁월한 재료 무결성
VAR은 매우 낮은 수준의 용존 가스(특히 수소)와 비금속 개재물을 가진 티타늄을 생산합니다. 이러한 청정성은 재료의 피로 강도와 파괴 인성을 극적으로 향상시키며, 이는 중요한 부품에 있어 필수적입니다.
단점: 비용 및 에너지
이것은 에너지 집약적이고 느리며 비싼 공정입니다. 필요한 특수 장비와 정밀한 제어는 1차 용해 방법에 비해 상당한 비용을 추가합니다. 이러한 이유로 VAR은 성능이 비용을 정당화하는 응용 분야에만 사용됩니다.
제한 사항: 정제 공정이지 합금 공정은 아님
VAR은 주로 기존 합금 조성물을 정화하고 균질화하도록 설계되었습니다. 금속의 화학적 성분은 소모성 전극에서 대부분 고정됩니다. 재용해 자체 중에 합금의 조성에 상당한 변화를 주는 실용적인 방법은 아닙니다.
목표에 맞는 올바른 선택
VAR 처리된 재료를 지정할지 여부는 전적으로 응용 분야의 요구 사항과 재료 고장의 결과에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 임무 수행에 중요한 성능이라면: 고장이 치명적일 수 있는 회전하는 제트 엔진 부품, 중요한 항공기 구조물 또는 영구 의료 임플란트와 같은 응용 분야에는 VAR 또는 이중/삼중 VAR을 지정하십시오.
- 주요 초점이 일반 산업용이라면: 화학 처리 장비, 건축 요소 또는 비구조적 부품과 같은 응용 분야에는 덜 비싼 단일 용해 티타늄 등급이 종종 충분하며 비용 효율적입니다.
궁극적으로 VAR 공정은 재료의 확실성에 대한 의도적인 투자이며, 가장 까다로운 환경에서 가능한 최고의 무결성을 보장합니다.
요약표:
| 공정 단계 | 주요 기능 | 결과 |
|---|---|---|
| 소모성 전극 | 원료 역할 | 정제를 위한 사전 합금 재료 제공 |
| 고진공 환경 | 가스 제거 (예: 수소) | 용존 불순물 상당량 감소 |
| 전기 아크 용해 | 전극 끝 용해 | 제어된 용융 금속 풀 생성 |
| 점진적 응고 | 수냉식 주형에서 금속 냉각 | 미세하고 균일한 결정립 구조 형성 |
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