초고압 장치 > 고온•고압이용 기술 > 열간 등방압 가압법(HIP)이란
열간 등방압 가압법(HIP)이란
「HIP」는 영어의 Hot Isostatic Pressing의 머리글자를 딴 것으로 재료의 가공 방법의 하나입니다.
한국어로 번역하면 「열간 등방압 가압법」이며, 수100~2000°C의 고온과 수10~200MPa의 등방적인 압력을 피처리체에 동시에 가해서 처리하는 프로세스입니다. 통상 아르곤 등의 가스를 압력 매체로 해서 등방적인 압력을 가합니다.
HIP에 가장 가까운 방법으로서 핫프레스가 있습니다. 기타 압연, 단조, 압출 등의 금속재료 가공법도 고온과 압력을 작용시키고 있지만, HIP와 같은 등방압은 아닙니다.
HIP와 핫프레스의 차이
HIP는 가스압을 이용해서 피처리체에 등방압을 가합니다. 이에 비해 핫프레스는 프레스 가공하기 위해서 기본적으로 일축 방향으로만 가압합니다.
HIP(등방압)과 핫프레스(1축 가압)의 차이를 알기 쉽게 설명하기 위해서 재료(a)(중앙부에 공공이 있는 금속재료), 재료(b)(끝 부분에 요철이 있는 금속재료)에 각각 HIP 또는 핫프레스를 해 보겠습니다.
우선, HIP인 경우에는 모든 방향으로부터 동등한 압력이 재료에 가해지기 때문에 그림1과 같이 재료(a)는 중앙의 공공이 소멸할 때까지 서로 비슷하게 수축하며, 확산현상에 의해 접합됩니다. 재료(b)는 요철부에도 균등하게 압력이 걸리기 때문에 형상이 전혀 변화하지 않습니다.
핫 프레스의 경우, 그림2와 같이 재료(a)는 프레스 가공에 의해서 HIP와 같이 중앙의 공공이 소멸할 때까지 압축 변화하며, 확산 현상에 의해서 접합됩니다. 재료(b)는 돌출부에만 압력이 가해지기 때문에 초기의 요철 형상이 없어져 버립니다. 재료(a), 재료(b) 모두 핫 프레스 후의 최종 형상은 금형과 펀치의 형상에 의존합니다.
또한, 압축 변형중에도 금형과의 마찰력에 의해서 중앙부와 외주부에서 불균일이 생기는 것, 금형재의 강도에 기인하는 온도나 치수상에 제약을 받는 것 등의 이유로 고온 성형 및 대형 제품의 제조는 곤란하게 됩니다.
이처럼 HIP인 경우 핫 프레스에 비해서 피처리체에 균일하게 압력이 작용하며, 가압후의 형상은 초기의 피처리체의 형상과 크게 바뀌는 일이 없으며, 변하는 경우도 서로 비슷하게 수축하는 것과 제품 처리상의 제약이 비교적 적은 것이 큰 특징입니다. 이 특징을 살려서 HIP는 여러 분야에 응용되고 있습니다.
고압하에서의 아르곤 가스 등, 압력매체 가스의 상태
1000°C, 98MPa의 아르곤 가스에서는 밀도, 점성계수가 각각 물의 약 30%, 15% 이며, 또한 열팽창계수가 커서 심한 대류가 생기기 쉽게 됩니다. 이 대류작용에 의해서 HIP 장치에서는 통상의 전기로와 비교해서 열전달 효율은 커집니다.
HIP의 이용 분야
HIP 처리후(1) 분말재료의 가압 소결, (2) 이종재료의 확산 접합, (3) 소결품의 잔류 공공 제거, (4) 주조품의 내부 결함 제거, (5) 피로•크립 부품의 재생, (6) 고압 함침탄소화법 등, 광범위하게 응용되고 있습니다.
| 응용 기술 | 실용화 제품 | 연구단계의 재료 | |
|---|---|---|---|
| 1 | 분말재료의 가압 소결 | 분말 하이스(지그 공구류), Ni 기초합금(엔진 터빈 디스크), Ti합금(항공기 구조부재), Cr(타겟) | Ti-Ni 합금, 아몰퍼스 금속, Si3N4, SiC |
| 2 | 확산 접합(복합재의 제조) | 핵연료 집합체(원자로), B섬유-Al합금 복합재(스페이스 셔틀 지주), 각종 내식•내마모합금 접합화 부품(부식성 가스용 밸브, 압연용 롤, 사출성형기용 실린더 등) | SiC-Al합금 복합재료, Nb3Sn-구리, Si3N4-강 |
| 3 | 소결품의 잔류 공공 제거 | 초경합금(지그 공구), Al2O3(절삭 공구), Al2O3-TiC(절삭 공구), 소프트 페라이트(자기 헤드), Si3N4(베어링, 세라믹 구조물) | SiC, PSZ, ZnSe |
| 4 | 주조물의 내부 결함 제거 | Al 합금, Ni기초합금(제트 엔진 터빈 블레이드), Ti 합금(항공기 구조부재), 17-4PH강 | |
| 5 | 피로•크립 부품의 재생 | 초합금 정밀주조품(가스 터빈 블레이드) | |
| 6 | 고압 함침탄소화법 | 카본 복합재 |
HIP의 처리 방법
피처리체는 각각의 상황에 따른 취급이 필요하게 됩니다. 가장 대표적인 처리 방법으로서 「캡슐법」과 「캡슐프리법」이 있습니다.
「캡슐법」은 오른쪽 그림과 같이 분말 또는 분말 성형체 등의 피처리체를 압력매체 가스에 대해 기밀한 재료로 만들어진 캡슐내에 봉입해서 탈기한 후, HIP를 하는 방법입니다.
이 「캡슐법」을 이용하면 통상의 소결에서는 치밀하게 소결할 수 없는 재료라도 고밀도화를 달성할 수 있는 이점이 있으므로, 분말재료의 가압 소결에 가장 많이 채용되고 있습니다. 기타, 이종재료의 확산접합이나 고압 함침탄소화법에도 이용되고 있습니다.
아래 표에 캡슐프리법을 적용하는 주요 대상재료와 HIP 처리온도•압력을 소개합니다.
| 대상재료 | 온도 | 압력 |
|---|---|---|
| 분말 하이스 | 1,000 ~ 1,200°C | ~ 100MPa |
| Ni기 합금 | 1,170 ~ 1,280°C | 100 ~ 150MPa |
| Ti합금 (Ti-6Al-4V) | 880 ~ 960°C | ~ 100MPa |
| Cr | 1,200 ~ 1,300°C | ~ 100MPa |
| Cu합금 | 500 ~ 900°C | ~ 100MPa |
| AL합금 | 350 ~ 500°C | ~ 100MPa |
| 초경합금 (WC-Co계) | 1,300 ~ 1,350°C | 30 ~ 100MPa |
| Ti Ba O3 | 1,000 ~ 1,200°C | ~ 100MPa |
| PZT | 950 ~ 1,150°C | ~ 100MPa |
| Ni-Zn-페라이트 | 1,050 ~ 1,180°C | ~ 100MPa |
| Mn-Zn-페라이트 | 1,180 ~ 1,250°C | ~ 100MPa |
| Al2O3 | 1,350 ~ 1,450°C | ~ 100MPa |
| Y-PSZ(이트륨 부분 안정화 지르코니아) | 1,350 ~ 1,500°C | ~ 100MPa |
| Si3N4-Al2O3-Y2O3 | 1,700 ~ 1,800°C | ~ 100MPa |
| SiC | 1,950 ~ 1,050°C | 100 ~ 200MPa |
한편, 피처리체 내부의 공공이 표면에 연통하지 않은 독립된 폐쇄 공공이면 HIP 처리에 의해서 이 공공이 압착되고, 동시에 확산의 진행에 의해서 소멸합니다. 그렇지만, 내부의 공공이 표면과 연통한 개공이면 HIP 처리해도 압착되지 않아서 소멸하지 않습니다. 따라서 내부 공공이 모두 폐쇄화된 경우, HIP의 효과가 발휘되어 고밀도화를 도모할 수 있습니다.
이런 재질은 캡슐을 사용하지 않고 HIP 처리를 할 수가 있으며, 이것을 「캡슐프리법」이라고 합니다. 「캡슐프리법」은 소결품의 잔류 공공의 제거, 주조품의 내부 결함 제거 및 피로•크립 부품의 재생에 이용됩니다.
HIP의 효과
합금의 종류에 따라서 다르지만, 아래 표에 나타내는 것과 같이 주조품에 HIP 처리를 하면 크립 파단 수명이 1.3~3.5배 향상되며, 연성, 전성 크게 개선됩니다.
| 합금 | 상태 | 시험 조건 | 수명 | 연성 | 전성 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 온도 | 応力 | |||||
| IN738 | 주조 | 1,253K | 152MPa | 68.4x103sec | 11.8% | 20.0% |
| 주조 + HIP | 1,253K | 152MPa | 189.0x103sec | 20.5% | 20.6% | |
| Rene77 | 주조 | 1,253K | 152MPa | 183.6x103sec | 19.4% | 37.0% |
| 주조 + HIP | 1,253K | 152MPa | 244.8x103sec | 22.0% | 55.0% | |
| IN792 | 주조 | 1,143K | 310MPa | 630.0x103sec | 9.2% | 6.5% |
| 주조 + HIP | 1,143K | 310MPa | 1,018.8x103sec | 12.1% | 22.0% | |
| Rene80 | 주조 | 1,143K | 310MPa | 149.4x103sec | 2.5% | 2.5% |
| 주조 + HIP | 1,143K | 310MPa | 507.6x103sec | 11.5% | 17.0% | |
출전: G. W. Wasielewski and N. R. Lindblad: Proc. 2nd Int. Conf. Superalloys (1972)
당사의 초고압 장치, 고온・고압 기술에 관한 질문이나 장치 도입 상담 등, 여러분들로부터의 문의를 기다리고 있겠습니다.
주식회사 고베제강소 기계사업부문
신사업 추진부
전화: +81-3-5739-6762
(전화 접수 시간: 평일 10시-17시)
