KR20200073378A - 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면은, 티타늄 판재를 제조함에 있어서 표면에 형성된 산화층과 산소부화층을 효과적으로 제거하는 동시에, 표면 결함을 최소화할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING OF TITANIUM PLATE HAVING EXCELLENT QUALITY OF SURFACE}

본 발명은 표면 품질이 우수한 티타늄 판재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

티타늄은 비강도가 높고 내식성이 우수하여 항공기, 발전 및 석유 화학 설비의 소재뿐만 아니라, 인체 친화성이 뛰어나 의료용 임플란트 등의 생체용 소재로서 널리 사용되고 있다.

이러한 티타늄을 활용한 티타늄 판재는 통상 VAR(Vacuum Arc Remelting) 또는 PACHM(Plasma Arc Cold Hearth Melting), EBCHM(Electron Beam Cold Hearth Melting)의 방법으로 주조된 잉곳(ingot)을 분괴(分塊) 단조 또는 압연 공정을 통해 슬라브 형태로 제조한 다음, 상기 슬라브를 열간압연, 소둔, 산세, 냉간압연 및 진공 소둔의 과정을 거쳐 최종 판재 코일로 제조한다 (도 1).

상기 티타늄 판재를 제조하는 일련의 공정에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 슬라브 제조 공정은 가열된 잉곳을 분괴 단조 또는 압연 방법으로 잉곳 조직을 제거하고, 후속 열간압연 공정에 적합한 슬라브의 형상을 만드는 공정이다.

열간압연 공정은 슬라브를 변태 온도 이하(예컨대 850~890℃)로 가열한 후 압연하여 두께 3~4mm 정도의 박판 코일(열연 코일) 형태로 제조하며, 이때 박판 표면에는 수 ㎛ 두께의 견고한 산화층(Oxide layer)과 그 직하에 산소고용으로 인한 수십 ㎛ 두께의 고경도 산소부화층(Oxide-rich layer)이 생성될 수 있다.

이로부터 제조된 열간 압연재를 소둔하는 공정은 압연 변형으로 경화된 조직의 재결정을 통해 재질을 연화시키는 공정으로서, 후속 냉간압연이 용이하도록 연질의 소재를 얻기 위한 공정이다.

후속 냉간압연 공정에서는 최종 목표 두께를 가지는 박판 코일을 제조하고, 이렇게 제조된 냉간 압연 코일을 재결정 온도 이상~ 변태 온도 이하에서 진공 소둔 공정을 통하여 표면에서의 산화층 형성을 방지하면서, 변형 경화된 조직을 풀어주고 가공성을 확보하게 된다.

한편, 티타늄 열간 압연재의 소둔 공정은 통상 750~800℃의 대기 분위기에서 열연 코일을 미리 가열된 로를 통과시키는 연속 방법에 의해 행해진다. 이러한 소둔 공정 후 열간 압연재 표면에 발생한 산화층(Oxide layer)과 고경도 산소부화층(Oxide-rich layer)은 기계적인 숏 블라스팅과 화학적인 산세 공정을 통해 제거할 수 있다.

그런데, 상술한 방법에 의하더라도 제거가 불충분하여 일부 산소부화층이 잔존하고, 기계적 숏 블라스팅시 표면에 고경도의 가공 경화층이 생성되는 경우가 있다. 열간 압연재 표면의 고경도층은 모재와의 재질 차이로 인해 후속 냉간압연 공정 중 발생하는 선형 결함의 주요 원인이 되고 있다.

철(Fe) 소재와 달리 티타늄은 가열시 표면에 산화층뿐만 아니라, 산화층 직하에 산소고용으로 인한 고경도 조직인 산소부화층이 비교적 조대하게 형성되는 경향이 있다.

산소부화층은 산소 원자가 티타늄 결정 구조 내부에 고용되어 경도 및 강도를 증가시키기 때문에, 열간 공정 중 생성된 산소부화층이 후속 냉간 공정 전에 기계적 및 화학적 가공을 통해 완전히 제거되지 못하면, 냉간 가공 공정 중 모재와의 재질 차이로 인한 표면 결함이 발생할 가능성이 높다.

이러한 산소부화층은 적은 양의 산소 원자가 모재 내에 고용되어 발생하는 것이므로, 표면 또는 단면의 조직을 관찰하는 것으로는 구분하기 어렵고, 통상 단면 조직의 미소경도 측정을 통해 측정 가능하다. 따라서, 산소부화층의 제거를 위하여 티타늄의 표면 가공량을 결정하는 데에 어려움이 따른다.

또한, 산소부화층의 제거를 위하여 열간 압연재의 표면을 과도하게 제거하는 경우에는, 생산 수율의 손실을 가져올 수 있고, 반면 최소로 제거하는 경우에는 산소부화층이 잔존하여 후속 냉각 가공 공정 중 결함을 일으킬 가능성이 높다.

따라서, 표면 결함이 최소화된 티타늄 판재를 얻기 위해서는 기존에 냉간 가공 공정에 투입되는 열간 압연재의 표면에서 완전히 제거되지 못한 고경화층(산소부화층)을 효과적으로 제거할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일 측면은, 티타늄 판재를 제조함에 있어서 표면에 형성된 산화층과 산소부화층을 효과적으로 제거하는 동시에, 표면 결함을 최소화할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 티타늄 열연판재를 준비하는 단계; 상기 티타늄 열연판재를 숏 블라스팅 및 산세 처리하는 단계; 상기 숏 블라스팅 및 산세 처리된 티타늄 열연판재를 제1 소둔 열처리하는 단계; 상기 제1 소둔 열처리된 티타늄 열연판재를 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간압연 후 제2 소둔 열처리하는 단계를 포함하며, 상기 제1 소둔 열처리는 700~850℃의 진공 분위기에서 8~10시간 행하는 것을 특징으로 하는 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 냉간압연 공정에서 선형 결함을 억제함으로써 표면품질이 우수한 티타늄 판재를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 티타늄 판재를 제조하는 일련의 공정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 티타늄 판재를 제조하는 일련의 공정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 열간압연 직후 티타늄 열연코일의 미세조직을 관찰한 사진을 나타낸 것이다 (화살표 2는 경도 측정시 생긴 압입자국이다).
도 4는 종래의 공정에 의해 제조된 티타늄 열연판재의 미세조직을 관찰한 사진을 나타낸 것이다 (화살표 2는 경도 측정시 생긴 압입자국이다).
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 공정에 의해 제조된 티타늄 열연판재의 미세조직을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 진공 소둔 열처리 공정을 행하지 않고 제조한 티타늄 냉연판재의 표면을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 진공 소둔 열처리 공정 여부에 따른 티타늄 냉연판재의 표면 결함 수의 결과를 그래프화하여 나타낸 것이다.

본 발명자들은 기존의 열간압연 공정 및 대기 분위기에서의 연속적인 소둔 공정을 통해 제조되는 티타늄 판재의 표면에 형성된 산화층과 산소부화층이 기계적 및 화학적 가공으로부터 충분히 제거되지 못함에 따라 표면 결함이 발생하는 문제를 확인하였다.

이에, 본 발명자들은 티타늄 판재의 표면에 형성된 산화층을 효과적으로 제거하는 동시에, 고경도 조직의 산소부화층의 생성을 최소화함으로써 우수한 표면품질을 가지는 티타늄 판재를 제조할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 본 발명은 티타늄 판재를 제조함에 있어서, 기존의 열간 압연재 소둔 공정을 생략하는 한편, 열간 압연재의 산화층을 우선적으로 제거한 후 진공 소둔을 거쳐 목적하는 물성을 가지는 티타늄 판재를 제공함에 기술적 의의가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 표면 품질이 우수한 티타늄 판재는 다음과 같이 일련의 공정을 거쳐 제조할 수 있다 (도 2).

구체적으로, 티타늄 열연판재를 준비하는 단계; 상기 티타늄 열연판재를 숏 블라스팅 및 산세 처리하는 단계; 상기 숏 블라스팅 및 산세 처리된 티타늄 열연판재를 제1 소둔 열처리하는 단계; 상기 제1 소둔 열처리된 티타늄 열연판재를 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간압연 후 제2 소둔 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

우선, 상기 티타늄 열연판재는 티타늄 잉곳을 분괴 단조 또는 압연하여 티타늄 슬라브(slab)를 제조한 후 상기 티타늄 슬라브를 가열 및 열간압연하여 얻은 열연코일일 수 있다.

이때, 상기 티타늄 슬라브를 가열 및 열간압연하는 공정은 통상의 조건에 의하며, 일 예로 900℃ 이상에서 가열한 슬라브를 변태 온도 이하의 온도 예컨대, 850~890℃의 온도범위에서 압연하여 두께 3~4mm 정도의 박판 열연코일을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 방법에 의하여 얻어진 티타늄 열연판재를 숏 블라스팅 및 산세 처리함으로써, 상기 티타늄 열연판재의 표면에 형성된 산화층을 제거할 수 있다.

상기 숏 블라스팅과 산세 처리 공정은 통상의 조건으로 행할 수 있으므로, 그 조건에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다.

다만, 일 예로 상기 숏 블라스팅은 숏 블라스터(short blaster)를 이용할 수 있고, 상기 산세 공정은 질산과 불산이 포함된 혼합산세액을 이용할 수 있다. 구체적으로 대한민국 등록특허 제10-1611754호에서 제시하는 방법에 의할 수 있다.

본 발명은 상기에 따라 산화층이 제거된 티타늄 열연판재를 진공 소둔처리하는 공정을 행할 수 있으며, 이때의 소둔처리 공정에 대해 제1 소둔 열처리로 칭한다.

구체적으로, 상기 제1 소둔 열처리는 산화층이 제거된 열연코일을 순 티타늄의 재결정 온도 이상~변태 시작 온도 이하로 가열된 진공 소둔로에 그대로 장입함으로써 행할 수 있다. 바람직하게는 700~850℃의 진공 분위기에서 8~10시간 동안 행할 수 있으며, 보다 바람직하게는 800~850℃의 온도범위, 보다 더 바람직하게는 800℃를 초과하는 온도에서 행할 수 있다.

상기 제1 소둔 열처리시 온도가 700℃ 미만이거나 열처리 시간이 8시간 미만이면 열간압연에 의해 형성된 변형조직의 재결정 처리가 충분하지 못하여 목표 수준의 재질 연화를 달성할 수 없다. 반면, 그 온도가 850℃를 초과하거나 열처리 시간이 10시간을 초과하게 되면 재질 연화 효과는 충분하지만 생산성이 크게 저하될 우려가 있다.

상기 제1 소둔 열처리된 티타늄 열연판재를 냉간압연하여 티타늄 냉연판재를 제조할 수 있으며, 이때 통상의 기술자가 목표 두께에 따라 압하율을 정할 수 있다 할 것이다.

이후, 상기 티타늄 냉연판재의 잔류 응력을 제거하고, 가공성의 확보를 목적으로 소둔 열처리를 행할 수 있으며, 이때의 소둔 열처리 공정에 대해 제2 소둔 열처리로 칭한다.

본 발명에서 상기 제2 소둔 열처리는 앞서 언급한 제1 소둔 열처리와 동일한 조건으로 행할 수 있으며, 다만 진공 분위기를 비산화성 분위기로 변경하여도 무방하다.

통상의 티타늄 열연판재는 열간압연된 열연코일을 대기분위기에서 연속소둔한 후 기계적 및 화학적 방법으로 산세 처리하는 반면, 본 발명에서는 상기 연속소둔 공정을 배제하는 한편, 산세 처리 공정을 우선적으로 행한 다음 진공 소둔 공정을 거침으로써 표면품질이 우수한 티타늄 판재를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 공정에 의해 티타늄 판재의 표면품질을 향상시킬 수 있음에 대해서는 하기 실시예를 참조하여 구체적으로 설명할 것이다.

특히, 본 발명에 의할 경우, 제1 소둔 열처리된 티타늄 열연판재의 표면 경도 값이 135Hv 이하로 제1 소둔 열처리를 행하기 전에 비해 표면 경도 값을 낮출 수 있다. 보다 바람직하게는 130Hv 이하일 수 있다.

이는, 숏 블라스팅 및 산세 공정 후 제1 소둔 열처리 과정에서 진공 소둔을 행함에 따라 숏 블라스팅에 의해 형성된 표면 경화 조직이 재결정되어 변형 쌍정 조직이 제거되고, 산소부화층 내 산소가 확산됨에 따라 산화층이 최소화됨에 기인하는 것이다.

여기서, 티타늄 열연판재의 표면은 표면으로부터 두께방향 10㎛ 내지 100㎛까지의 영역을 일컬으며, 상기 표면 경도 값은 상기 표면에 해당하는 영역 내에서 5번 측정한 후 평균 값으로 나타낸 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

중량%로 0.03%Fe-0.05%O-0.003%C-0.003%N-0.001%H-잔부 Ti을 포함하는 티타늄 슬라브를 860~880℃의 대기 분위기에서 4시간 이상 숙열 후 열간압연하여 두께 약 3mm의 열연코일을 제조하였다.

상기 열간압연을 완료하여 얻은 열연코일의 미세조직을 관찰해본 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이 열연코일 표면에 수㎛로 산화층(1)이 형성된 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기 산화층 아래의 10~100㎛ 깊이 표층 영역과, 그 직하의 100~1500㎛ 깊이의 내부 영역에서 초미소경도를 측정하였다. 이때, 초미소경도의 시험하중은 50mN, 압입속도는 10mN/s, 부하유지 시간은 10초로 설정하였으며, 동일한 위치에서 5번을 측정한 후 평균 값을 산출하였다.

그 결과, 깊이 100~1500㎛의 내부 영역에서의 초미소경도 평균 값이 100Hv 정도로 측정되는 반면, 깊이 10~100㎛ 깊이의 표층 영역에서의 초미소경도 평균 값은 160Hv로 측정되었다. 이와 같이, 내부에 비해 표층에서 경도가 높은 이유는, 고온의 대기 분위기에서 가열을 행함에 따라 산화층 직하에 산소부화층이 형성됨에 기인하는 것이다.

[종래 티타늄 열연판재 제조(비교예)]

상기 열연코일을 연속식 소둔로에서 750~770℃의 온도로 소둔 열처리한 후 숏 블라스터를 이용하여 숏 블라스팅한 후 질산(100g/l)과 불산(25g/l)이 함유된 혼합산세액에서 화학적 산세를 통해 표면 산화층을 제거하였다.

상기 소둔 열처리 및 산화층 제거 공정을 거쳐 제조한 티타늄 열연판재(비교예)의 미세조직을 관찰하여 본 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 열연코일 표면에 형성된 수㎛로 산화층(도 3 참조)이 제거되고, 변형 쌍정 조직(3)이 생성된 것을 확인할 수 있다.

또한, 티타늄 열연판재의 표면으로부터 두께방향 10~100㎛ 깊이의 표층 영역과, 그 직하의 100~1500㎛ 깊이의 내부 영역에서 초미소경도를 측정하였으며, 이때 측정 조건은 상기 열연코일과 동일하게 하였다.

그 결과, 내부 영역에서의 초미소경도 평균 값이 100Hv로 측정되는 반면, 표층 영역에서의 초미소경도 평균 값은 170Hv로 여전히 고경도를 가지는 것을 알 수 있었다. 이는, 소둔 열처리 후 숏 블라스팅에 의해 형성된 가공 경화 조직(변형 쌍정 조직)(3)이 잔존하고, 산소부화층이 완전히 제거되지 못함에 기인하는 것으로 보여진다.

[본 발명의 티타늄 열연판재 제조(발명예]

상기 열연코일을 숏 블라스터를 이용하여 숏 블라스팅한 후 질산(100g/l)과 불산(25g/l)이 함유된 혼합산세액에서 화학적 산세를 통해 표면 산화층을 제거하였다.

이와 같이 표면 산화층을 제거한 후 미세조직을 관찰해본 결과, 도 4와 동일한 조직 즉, 표면 산화층이 제거되고 변형 쌍정 조직이 생성된 것을 확인할 수 있었다.

이후, 표면 산화층을 제거한 열연코일을 800℃에서 10시간 진공 소둔 열처리하였다.

상기 진공 소둔 열처리 공정을 거쳐 제조한 티타늄 열연판재(발명예)의 미세조직을 관찰해본 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 표면에 산화층이 잔존하지 않으며, 숏 블라스팅에 의해 형성된 가공 경화 조직(변형 쌍정 조직)이 진공 소둔 열처리에 의해 재결정되어 제거된 것을 확인할 수 있다.

또한, 티타늄 열연판재의 표면으로부터 두께방향 10~100㎛ 깊이의 표층 영역과, 그 직하의 100~1500㎛ 깊이의 내부 영역에서 초미소경도를 측정하였으며, 이때 측정 조건은 상기 열연코일과 동일하게 하였다.

그 결과, 내부 영역에서의 초미소경도 평균 값이 약 102Hv로 측정되는 반면, 표층 영역에서의 초미소경도 평균 값이 약 131Hv로 비교예 대비 경도가 크게 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 이는, 앞서 언급한 바와 같이 숏 블라스팅에 의해 형성된 가공 경화 조직(변형 쌍정 조직)이 진공 소둔 열처리에 의해 재결정되고, 산소부화층 내 산소가 확산함에 따라 산소부화층이 감소된 효과에 기인하는 것이다.

[티타늄 냉연판재 제조]

한편, 소둔 열처리를 행한 후 숏 블라스터를 이용한 숏 블라스팅과 질산 및 불산 혼합산세액에서 화학적 산세 처리를 행한 티타늄 열연판재(비교예)와, 본 발명에 의해 숏 블라스팅 및 화학적 산세 처리를 행한 다음 진공 소둔 열처리 공정을 거친 티타늄 열연판재(발명예)를 각각 가역식 냉간 압연기를 이용하여 초기 두께 3mm에서 최종 두께 0.7mm까지 냉간압연하여 티타늄 냉연판재를 제조하였다.

상기 각각의 티타늄 냉연판재에 대해 가로, 세로 길이가 1000mm인 시편을 각각 5매씩 채취한 후 육안으로 보여지는 표면 결함(선형 결함)의 수를 계수하였다.

그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이 진공 소둔 열처리를 행하지 아니한 티타늄 냉연판재(B)는 압연 방향에 수평한 선형 결함 수가 8개로서 나타난 반면 (도 6 참조), 본 발명에 의한 티타늄 냉연판재(A)는 단 2개로 그 수가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.

상술한 결과들로부터, 티타늄 열연판재 표면에 내부에 비해 고경도의 산소부화층 또는 가공 경화 조직이 잔존하게 될 경우 후속 냉간압연 중에 압연 방향에 수평한 선형 결함이 발생하여 표면 결함이 열위하는 것을 알 수 있다.

나아가, 본 발명과 같이 티타늄 열연판재에 대해 숏 블라스팅과 화학적 산세 공정을 우선 행한 후 진공 소둔 열처리 공정을 행하는 경우, 고경도의 산소부와층과 가경 경화 조직을 효과적으로 제거할 수 있어, 표면 결함을 억제하고 양호한 품질의 표면을 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 티타늄 열연판재를 준비하는 단계;
   상기 티타늄 열연판재를 숏 블라스팅 및 산세 처리하는 단계;
   상기 숏 블라스팅 및 산세 처리된 티타늄 열연판재를 제1 소둔 열처리하는 단계;
   상기 제1 소둔 열처리된 티타늄 열연판재를 냉간압연하는 단계; 및
   상기 냉간압연 후 제2 소둔 열처리하는 단계를 포함하며,
   상기 제1 소둔 열처리는 700~850℃의 진공 분위기에서 8~10시간 행하는 것을 특징으로 하는 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 소둔 열처리는 800~850℃의 온도범위에서 행하는 것인 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 소둔 열처리 후 티타늄 열연판재의 표면 경도 값이 135Hv 이하인 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 소둔 열처리시 티타늄 열연판재 표면 조직의 재결정으로 변형 쌍정 조직이 제거되는 것인 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 소둔 열처리는 700~850℃의 진공 또는 비산화성 분위기에서 8~10시간 행하는 것인 표면 품질이 우수한 티타늄 판재의 제조방법.

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