의료용 등급Gr5 ELI(Ti-6Al-4V ELI, UNS R56401)티타늄 바와 플레이트는 다음과 같은 표준을 충족하기 위해 엄격한 생산 및 테스트 프로세스가 필요합니다.ASTM F136(수술용 임플란트용) 및 ISO 5832-3. 다음은 생산 단계, 필수 장비, 테스트 단계 및 해당 장비에 대한 자세한 분석입니다.
생산 공정 및 해당 장비
1.1원료 준비(원료 제련 및 잉곳)
공정 목표: 높은-순도 생산Ti-6Al-4V ELI 합금초저간질(ELI) 원소(O 0.13% 이하, C 0.08% 이하, N 0.05% 이하, H 0.0125% 이하)를 함유한 잉곳.
주요 단계:
일괄 처리: 스폰지 티타늄 혼합(순도 99.7% 이상), 알루미늄 잉곳(순도 99.95% 이상), 바나듐 합금(V-Ti 마스터 합금)Ti-6Al-4V 엘리구성 비율.
진공 아크 재용해(VAR): 배치를 진공에서 2~3회 녹여 불순물(예: 가스, 개재물)을 제거하고 균일한 구성을 보장합니다.
필수 장비:
진공 아크 재용해로(VAR Furnace): 진공도 1×10⁻³ Pa 이하, 온도 제어 정확도 ±5도를 사용하여 고순도 용융을 달성합니다.-
성분 혼합기: 스폰지 Ti, Al 및 V 합금의 정확한 비율 조정용(오차 ±0.1% 이하).
잉곳 성형 다이: 잉곳 크기(예: Φ300-800mm, 길이 1000-3000mm)에 맞게 맞춤화된 내열-흑연 또는 구리 다이입니다.
1.2열간 가공(바 및 플레이트 성형)
1.2.1단조(잉곳에서 반{0}}완제품까지)
공정 목표: 잉곳 조대립을 분쇄하고 재료 밀도를 향상시키며(상대 밀도 99.5% 이상) 초기 형상(바/플레이트용 빌렛)을 형성합니다.
주요 단계:
잉곳 가열: 잉곳을 950-1050도까지 가열합니다(+상 영역Ti-6Al-4V ELI) 균일한 온도를 위해 2~4시간 동안 유지합니다.
열간 단조: 프레스 단조를 사용하여 잉곳을 성형합니다.바 빌렛(Φ50-200mm)또는플레이트 빌렛 (두께 20-100mm, 너비 300-1000mm).
필수 장비:
전기 저항 가열로: 온도 조절 범위가 800-1200도이며 대형 잉곳 가열에 적합합니다.
유압 단조 프레스: 1000-5000톤, 정밀 위치 제어(오차 ±0.5mm 이하)로 균일한 단조.
단조 다이: 다이 마모를 방지하는 냉각 시스템을 갖춘 열처리된- H13 강철 다이입니다.
1.2.2 압연(반-완제품에서 최종 바/플레이트까지)
공정 목표: 입자 미세화, 최종 치수 제어(예: 바 직경 공차 ±0.1mm, 판 두께 공차 ±0.05mm), 표면 품질 개선.
막대의 주요 단계:
열간압연: 850-950도에서 롤바 빌렛을 롤바하여 직경을 단계적으로-줄입니다(예: Φ100mm → Φ50mm).
냉간 인발(선택 사항):-정밀도가 높은 바(예: Φ10-30mm)의 경우 실온에서 냉간 인발을 수행하여 치수 정확성을 향상시킵니다.
플레이트의 주요 단계:
열간 압연: 판 빌렛을 850~950도에서 압연하여 두께를 줄이고(예: 50mm → 10mm) 폭을 확장합니다.
냉간 압연(옵션): 박판(두께 5mm 이하)의 경우 냉간 압연하여 Ra 0.8μm 이하의 표면 거칠기를 달성합니다.
필수 장비:
열간 압연기:
바용: 다중-스탠드 연속 압연기(3-5개 스탠드), 롤 직경 200-500mm.
플레이트용: 작업 롤 직경이 150-300mm이고 너비가 1000-2000mm인 4개의-고가역 압연기입니다.
냉간 인발 기계(바용): 인발력 50-200kN, 다이 윤활 시스템 장착.
냉간 압연기(판용): 2-하이 또는 4{1}}하이 밀, 정밀 롤 간격 제어(±0.01mm).
1.3 열처리(성능 최적화)
공정 목표: 기계적 특성(860MPa 이상의 인장 강도, 795MPa 이상의 항복 강도, 10% 이상의 연신율)을 조정하고 내부 응력을 제거합니다.
주요 단계:
어닐링: 바/플레이트를 700-750도까지 가열하고 1~2시간 동안 유지한 다음 공기 중에서 냉각(응력 완화를 위해)하거나 노냉각(부드러운 특성을 위해)합니다.
용액 처리 + 숙성(선택 사항): 고강도 적용의 경우-920~950도(용액)까지 가열하고 물 담금질한 후 500~550도에서 4~8시간 동안 숙성합니다.
필수 장비:
진공 열처리로: 산화를 방지하기 위해 5×10⁻³ Pa 이하의 진공도를 사용합니다(의료용 Ti에는 표면 산화물 스케일이 필요하지 않음).
온도 컨트롤러: PID 제어, 정확도 ±2도, 균일한 열처리를 보장합니다.
담금질 탱크: 물 담금질(용액 처리)용, 온도 조절(20~30도)을 통해 재료 변형을 방지합니다.
1.4표면 처리(위생 및 생체 적합성)
공정 목표: 표면 결함(예: 스케일, 긁힘)을 제거하고 내식성을 개선하며 의료 위생 기준을 충족합니다.
주요 단계:
산세: 혼합산(HNO₃ + HF)에 담가서 산화물 스케일 및 표면 불순물을 제거합니다. (산세 시간 5~15분)
패시베이션: 질산(20~30% 농도)으로 처리하여 치밀한 TiO2 피막(두께 5~10nm)을 형성하여 내식성을 높입니다.
연마(선택): 임플란트-등급 제품의 경우 기계적 연마(Ra 0.2μm 이하) 또는 전기화학적 연마를 수행합니다.
필수 장비:
산세척 탱크: 산성 연기를 제거하기 위한 환기 시스템을 갖춘 내산성-PP 또는 티타늄 탱크입니다.
패시베이션 탱크: 온도 조절 기능(25-40도)을 갖춘 산세 탱크와 동일한 재질입니다.
연마 기계:
기계식: 벨트 그라인더(바용) 또는 플레이트 폴리셔(연마 벨트 포함)(800-1200방).
전기화학: 전압 제어(10-30V) 기능을 갖춘 티타늄 전극 연마 장비.
제품 설명
2. 테스트 프로세스 및 해당 장비
2.1화학 성분 테스트
테스트 목적: Gr5 ELI 조성(Al:5.5-6.75%, V:3.5-4.5%, 침입형 원소 한계 이하) 준수 여부를 확인하고 유해한 불순물(예: Fe 0.25% 이하)을 검출합니다.
테스트 방법 및 장비:
광학 방출 분광법(OES):
장비: OES 분광계(예: Bruker Q4 TASMAN), 1-2분 안에 20+ 원소를 테스트합니다. 정확도는 ±0.01%입니다.
불활성 가스 융합(IGF):
장비: IGF 분석기(예: LECO TC600), O, N, H 함량(검출 한계 0.1ppm)을 측정합니다.
탄소/황 분석기:
장비: CS 분석기(예: LECO CS844), C 함량 테스트(검출 한계 0.001%).
2.2 기계적 성질 테스트
테스트 목표: 인장 강도, 항복 강도, 신율 및 경도가 ASTM F136 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
테스트 방법 및 장비:
인장 시험:
장비: 하중 용량이 100-500kN인 만능 시험기(예: Instron 5982)는 응력-변형률 곡선을 측정하고 인장/항복 강도, 연신율을 계산합니다.
샘플: 아령- 모양의 표본(ASTM E8 표준).
경도 테스트:
장비: Vickers 경도 시험기(예: Wilson VH1102), HV 경도(하중 10kgf, 체류 시간 10초), 요구 사항 HV 280-340을 테스트합니다.
충격 테스트(선택 사항):
장비: 샤르피 충격 시험기(예: Instron CEAST 9050), 충격 인성(상온에서 10J/cm² 이상)을 측정합니다.
2.3 미세구조 테스트
테스트 목적: 입자 크기(50μm 이하), 위상 분포(균일+상) 및 결함(예: 개재물, 균열)이 없는지 확인합니다.
테스트 방법 및 장비:
금속조직 준비:
장비: 연삭기(샘플 연삭용), 연마기(다이아몬드 페이스트 포함, 1-0.25μm), 에칭 탱크(에칭액: Kroll 시약 - 1-3% HF + 2-6% HNO₃+ H2O).
미세구조 관찰:
장비: 광학 현미경(예: Olympus BX53M), 100-1000× 배율; 고해상도 관찰을 위한 주사전자현미경(SEM, 예: Zeiss Sigma 300)(옵션).
2.4치수 및 표면 품질 테스트
테스트 목표: 치수가 공차 요구 사항을 충족하고 표면에 결함(예: 긁힘, 패임)이 없는지 확인합니다.
테스트 방법 및 장비:
치수 측정:
바의 경우: 직경용 디지털 캘리퍼스(정확도 ±0.01mm); 연속 측정(속도 1000회/초)용 레이저 직경 게이지(예: Keyence LS-9000).
플레이트의 경우: 두께용 두께 게이지(예: Mitutoyo ID-C112); 3D 치수 정확도(오차 ±0.005mm 이하)를 위한 좌표 측정기(CMM, 예: Hexagon Global S).
표면 거칠기 테스트:
장비: 표면 거칠기 시험기(예: Mitutoyo SJ-210), Ra, Rz 값(검출 범위 0.001-20μm)을 측정합니다.
육안 검사:
장비: 고화질 카메라 또는 현미경, 표면 결함 검사(결함 크기 0.1mm 이하 허용).
2.5 내식성 테스트(의료용으로 중요)
테스트 목표: 체액 부식에 대한 저항성을 검증합니다(-생체 환경에서 시뮬레이션).
테스트 방법 및 장비:
전위차 분극 테스트:
장비: 전기화학 워크스테이션(예: Gamry Reference 600), 모의 체액(SBF 용액, 37도) 테스트, 부식 전류 밀도(1×10⁻⁶ A/cm² 이하) 측정.
중립 염수 분무 테스트(NSS):
장비: 염수 분무 챔버(예: Q-FOG CRH), 5% NaCl 용액(35도)을 분무하고 200시간 이상 부식이 필요하지 않습니다.
2.6비{0}}비파괴 테스트(NDT, 내부 결함용)
테스트 목표: 내부 균열, 함유물 또는 기공을 감지합니다(0.5mm 이상의 결함은 허용되지 않음).
테스트 방법 및 장비:
초음파 테스트(UT):
장비: 초음파 결함 탐지기(예: Olympus EPOCH 650), 프로브 주파수 2-5MHz로 내부 결함을 테스트합니다(검출 한계 0.1mm).
방사선 사진 테스트(RT, 두꺼운 제품의 경우 선택 사항):
장비: X-선 방사선 촬영 기계(예: YXLON Cheetah EVO)는 내부 함유물을 감지합니다(감도는 두께의 2% 이상).
자분 시험(MPT, 표면 균열용):
장비: 자분 시험기(예: Eriez 6200)는 강자성 부품(Ti의 경우 드물지만 철 오염이 의심되는 경우 사용됨)의 표면 균열(길이 0.2mm 이상)을 감지합니다.
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