KR20220128426A - 가공 티타늄재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

티타늄 소재(1)에 대하여, 롤 직경이 20㎜ 이상 90㎜ 이하인 압연롤(5)을 사용하여, 합계 압하량 1.0％ 이상에서 냉간 압연 또는 온간 압연함으로써, 상기 티타늄 소재의 표층에 변형을 부여한다. 이 제조 방법으로 얻어지는 가공 티타늄재에 의하면, 열간 압연 시에 발생하는 표면 결함을 저감시킬 수 있다.

Description

가공 티타늄재의 제조 방법

본 발명은, 열간 압연 시에 표면 결함의 발생을 저감시킬 수 있는 가공 티타늄재의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 열간 압연용 티타늄재의 제조 방법은 예를 들어 다음과 같다. 우선, 소모 전극식 아크 용해법(VAR: Vacuum Arc Remelting)이나 전자 빔 용해법(EBR: Electron Beam Remelting)에 의해, 티타늄을 용융시켜 응고함으로써 잉곳을 제조한다. 이어서, 잉곳을 분괴나 단조, 압연 등의 열간 가공에 의해 브레이크다운하여, 슬래브나 빌릿 등의 열간 압연용 티타늄재로 한다. 또한 근년에는, 전자 빔 용해법에 의해 직접 열연 가능한 직사각형 잉곳을 제조함으로써, 상술한 브레이크다운 공정을 생략하는 기술도 개발되어 있다.

그러나, 공업적으로 사용되는 대형 잉곳은, 응고 조직 중에 수십㎜에나 달하는 조대한 결정립이 존재한다. 이와 같은 잉곳을, 브레이크다운 공정을 거치지 않고 직접 열간 압연하면, 조대한 결정립에 기인하여 불균질한 변형이 생겨, 큰 표면 결함으로 발달하는 경우가 있다. 또한, 브레이크다운 공정 등을 거치는 경우에도, 가공률이 낮거나 온도가 적절하지 않은 경우에는, 주조 조직이 잔존하거나, 반대로 조직이 조대하기도 하여, 열연 시에 표면 결함이 발생해 버리는 경우가 있다.

이와 같이 표면 결함이 발생해버리면, 그 후의 탈 스케일 공정에서의 수율이 매우 나빠진다는 점에서, 열연 표면 결함이 발생하기 어려운 열간 압연용 티타늄재가 요구되고 있다.

특허문헌 1에는, 티타늄재의 잉곳을 직접 열간 가공할 때, 표층 부근의 결정립을 세립화하기 위해서, 표면층에 변형을 부여한 후, 재결정 온도 이상으로 가열하여 표면으로부터 깊이 2㎜ 이상을 재결정시킨 후에, 열간 가공하는 방법이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2 및 3에는, 선단 형상이 곡률 반경 3 내지 30㎜를 갖는 강제 공구 혹은 반경 3 내지 30㎜의 강제 구(球)를 사용하여, 열간 압연용 티타늄재의 표면을 소성 변형시킴으로써 표층부에 변형이 부여된 열간 압연용 티타늄재가 기재되어 있다. 특허문헌 2 및 3에 의하면, 이와 같은 열간 압연용 티타늄재를 열간 압연함으로써, 조대한 응고 조직의 영향을 무해화할 수 있어, 표면 결함을 경감시킬 수 있도록 되어 있다.

일본 특허 공개 평1-156456호 공보 국제 공개 제2010/090352호 일본 특허 공개 제2018-1249호 공보

특허문헌 1에서는, 변형을 부여하는 수단으로서, 단조, 롤 압하(구체적으로는, 외경 100㎜의 롤을 사용한 냉간 압연), 쇼트 블라스트가 예시되어 있다. 그러나, 일반적인 쇼트 블라스트는, 쇼트 입자의 직경이 0.5 내지 1㎜로 작기 때문에 부여되는 변형량도 작다. 또한, 단조나 외경 100㎜의 롤을 사용한 냉간 압연에서는, 소위 데드 메탈이 발생하여, 표층 근방의 변형량이 적어지게 되고, 보다 내부에 변형이 도입되어버린다. 따라서, 필요한 재결정층의 두께의 확보나 세립화를 위해서 매우 많은 압하가 필요해져서, 고비용이 되거나 설비 부하가 커져 실시가 어려운 경우가 있다.

특허문헌 2 및 3에서는, 강제 공구로 타격하거나 압박하거나 하여 변형을 부여하고 있으므로, 표면 전체에 안정적으로 변형을 부여하기 위해서는 장시간을 요하는 경우가 있어 효율적이지 않다. 또한, 고강도재에서는, 충격 에너지가 내부로까지 전달되지 않아, 필요로 하는 세립 조직의 두께를 확보할 수 없는 경우도 있다. 그 때문에, 더한층의 개선의 여지가 있었다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 열간 압연 시에 발생하는 표면 결함을 저감시킬 수 있는 가공 티타늄재의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.

티타늄 소재에 대하여, 롤 직경이 20㎜ 이상 90㎜ 이하인 압연롤을 사용하여, 합계 압하량 1.0％ 이상에서 냉간 압연 또는 온간 압연함으로써, 상기 티타늄 소재의 표층에 변형을 부여하는, 가공 티타늄재의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 잉곳의 브레이크다운 공정을 생략한 주조 그대로의 티타늄 소재라도, 열연 시에 발생하는 표면 결함을 경미하게 할 수 있어, 우수한 열연, 냉연 제품을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 티타늄 소재의 형상의 예를 나타내는 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태의 가공 티타늄재의 단면 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법을 설명하는 도면으로, (a)는 평면 모식도이며, (b)는 측면 모식도이며, (c)는 압연 후의 가공 티타늄재의 형상을 설명하는 측면 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법을 설명하는 도면으로, (a)는 평면 모식도이며, (b)는 측면 모식도이며, (c)는 압연 후의 가공 티타늄재의 형상을 설명하는 측면 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법을 설명하는 도면으로, (a)는 평면 모식도이며, (b)는 측면 모식도이며, (c)는 정면 모식도이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법을 설명하는 도면으로, (a)는 평면 모식도이며, (b)는 정면 모식도이다.
도 7은, No. 8(실시예)의 대수 변환 후의 결정립의 입경의 분포를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 이용하여 이하에 설명한다.

본 발명자들은, 열간 압연에 의한 표면 결함을 저감시킨다는 관점에서, 결정립이 수십㎜에나 달하는 잉곳이 조대한 응고 조직을, 나아가 브레이크다운 후에도 잔존하고 있는 당해 응고 조직의 영향을, 무해화하는 방법에 대하여, 예의 연구를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻어 본 발명에 이르렀다.

조대한 응고 조직을 세립화하기 위해서, 혹은 응고 조직의 영향이 잔존하고 있는 부위를 해소하기 위해서는, 냉간 가공에 의해 표층부에 변형을 부여한 후, 열간 압연 시의 가열 등 소정의 열처리에 의해, 재결정층을 형성하는 방법이 생각된다.

본 발명에서는, 롤 직경이 20㎜ 이상 90㎜ 이하인 압연롤을 사용하여 티타늄 소재를 냉간 압연 또는 온간 압연함으로써, 티타늄 소재의 표층에 변형을 부여한다. 이 방법에 의해 얻어진 가공 티타늄재는, 열간 압연 시의 표면 결함을 현저하게 억제할 수 있음을 알아내었다. 롤 직경이 90㎜ 이하인 압연롤에 의해 압연함으로써, 변형이 도입되는 영역이 소재의 두께 방향 전체로 넓어지지 않아, 가공 티타늄재의 표층에 전단 변형을 집중해서 부여하게 되어, 그 후의 열간 압연 시의 가열에 의해 표층에 미세한 재결정층을 형성함으로써, 표면 결함의 발생을 억제할 수 있다.

이하, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 의해 제조되는 가공 티타늄재(이하, 「본 실시 형태의 가공 티타늄재」라고도 함)에 대하여 설명한다. 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 티타늄 소재의 두께 방향에 있어서, 홈의 저부로부터 3㎜ 위치의 비커스 경도와, 두께의 1/2 위치 비커스 경도의 차 ΔHV가 20 이상이다. 차 ΔHV가 20 이상인 가공 티타늄재는, 800℃에서 4시간의 열처리를 실시한 경우에, 적어도 홈의 저부로부터 깊이 3.0㎜까지의 범위에 원 상당 평균 입경이 1.00㎜ 이하인 결정립이 형성되고, 결정립의 원 상당 입경의 대수 변환값에 대한 표준 편차가 1.00 이하로 되는 것이다. 즉, 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 열간 압연 시의 가열에 의해 표층의 조직을 미세화할 수 있으므로, 열간 가공 시의 표면 결함의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 예를 들어 표면의 적어도 일부가, 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인 평활면인 것이 바람직하고, 800℃, 4시간의 열처리를 실시한 경우에, 적어도 평활면으로부터 깊이 3㎜까지의 범위에 원 상당 평균 입경이 1.00㎜ 이하인 결정립이 형성되고, 결정립의 원 상당 입경의 대수 변환값에 대한 표준 편차가 1.00 이하로 되는 것이다.

또한, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 있어서 사용되는 티타늄 소재는, 공업용 순티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 있어서 사용되는 티타늄 소재로서는, 잉곳, 슬래브, 블룸 또는 빌릿이 예시된다.

또한, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 평활면은, 후에 열간 압연될 때의 피압연면이 되는 면이면 더욱 바람직하다.

도 1에, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 있어서 사용되는 티타늄 소재의 예를 나타낸다. 티타늄 소재는, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 슬래브(1)여도 되며, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 블룸(2)이어도 되며, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이 길이 방향과 수직인 단면이 직사각형인 빌릿(3)이어도 되며, 도 1의 (d)에 도시한 바와 같이 길이 방향과 수직인 단면이 원형인 빌릿(4)이어도 된다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 표면으로부터 3㎜ 깊이 위치(도 2에 있어서의 부호 S의 선의 위치)의 비커스 경도와, 두께의 1/2 깊이 위치(도 2에 있어서의 부호 M의 선의 위치)의 비커스 경도의 차 ΔHV가 20 이상이 된다. 또한, 도 2는, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법에 있어서 사용되는 티타늄 소재를 슬래브로 한 경우의 길이 방향을 따른 단면 모식도이다.

두께의 1/2 깊이 위치는, 도 1의 (a) 또는 도 1의 (b)에 도시한 슬래브 또는 블룸에서는, 각각 슬래브 두께 t 또는 블룸 두께 t의 1/2t 두께의 위치이다. 또한, 도 1의 (c)에 도시한 애스펙트비 1 정도의 직사각형 단면의 빌릿에서는, 빌릿 단면의 무게 중심 위치가 된다. 또한, 도 1의 (d)에 도시한 원형의 단면의 빌릿에서는, 빌릿 단면의 중심 위치가 된다. 슬래브 및 블룸 및 빌릿의 두께 t, 그리고 원형의 단면의 빌릿 직경 t는, 90 내지 250㎜인 것이 바람직하다.

또한, 도 1의 (a)의 슬래브(1) 및 도 1의 (b)의 블룸(2)에 대해서는, 면적이 가장 큰 면(1a, 2a)이 열간 압연 시의 피압연면이 되기 때문에, 이들 면(1a, 2a)이 산술 평균 조도 Ra 5.0㎛ 이하의 평활면이 되는 것이 바람직하다. 또한, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같은, 단면 형상의 애스펙트비가 1 정도인 직사각형의 빌릿(3)은, 빌릿(3)의 길이 방향을 따르는 4개의 면(3a)이 열간 압연 시의 피압연면이 되므로, 이들 4개 면(3a)의 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인 평활면인 것이 바람직하다. 또한, 도 1의 (d)에 도시한 단면 형상이 원형인 빌릿(4)에 대해서는, 빌릿(4)의 길이 방향을 따르는 원주면(4a)이 열간 압연 시의 피압연면이 되므로, 이 원주면(4a)의 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인 평활면인 것이 바람직하다. 이들 면(1a 내지 4a)은, 그 후의 열간 압연에 있어서 압연롤이 맞닿는 피압연면이 되어, 표면 결함이 발생하기 쉬운 면이다. 본 실시 형태에서는 이들 면(1a 내지 4a)의 표층에 변형을 도입하는 것이 바람직하다. 변형 도입은, 롤 직경 20㎜ 이상 90㎜ 이하의 압연롤에 의해 압하함으로써 이루어진다. 압연롤에 의해 압하된 면(1a 내지 4a)은, 압연롤의 롤면의 조도를 반영한 평활면이 된다.

열간 압연에 의해 발생할 수 있는 표면 결함을 억제하기 위해서는, 가공 티타늄재의 결정 조직을 미세화할 필요가 있다. 물론, 가공 티타늄재 전체의 결정 조직을 미세화해도 표면 결함의 억제는 가능하지만, 그것을 위해서는, 소재 전체에 다량의 변형을 부여할 필요가 있다. 또한, 소재 전체에 변형을 부여하면, 재결정 후에 결정 입경이 커져버려서, 표면 결함으로 진전되어버릴 우려가 있다. 또한, 필요에 따라 열간 압연 전에 폭 방향으로 압연하는 경우가 있는바, 주조 그대로의 티타늄 소재에 대한 폭 방향의 압하량이 커지면, 조대 주조 조직에 기인한 주름이 발생하여, 열간 압연 후에 표면 결함이 발생하는 경우가 있다.

이와 같이, 주조 조직 기인뿐만 아니라, 폭 방향의 압연을 크게 했을 때의 주름에 유래하는 표면 결함을 안정적으로 억제하기 위해서는, 적어도 표층을 재결정 조직으로 할 필요가 있다. 표층이란, 가공 티타늄재의 표면으로부터 깊이 3㎜ 이상의 깊이 위치까지 사이의 영역이다. 열간 압연의 가열 시에 표층을 재결정 조직으로 하기 위해서는, 표면으로부터 3㎜ 이상의 깊이의 위치까지 변형이 부여되어 있을 필요가 있다. 다양한 해석의 결과, 표층 3㎜ 위치에 있어서의 상당 변형이 0.2 이상이면, 열간 압연의 가열 시에 재결정이 발생하여, 미세 조직으로 할 수 있는 것이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 이 상당 변형은 비커스 경도와 관계가 있고, 표면으로부터 깊이 3㎜ 위치에 있어서의 비커스 경도가, 가공 티타늄재의 1/2 두께의 위치에 있어서의 비커스 경도에 대하여 20 이상이면, 이 상당 변형 0.2 이상을 달성할 수 있는 것이 판명되었다. 가공 티타늄재의 1/2 두께의 위치에 있어서의 비커스 경도는, 주조 그대로의 경도와 거의 동일한 점에서, ΔHV는, 표층에 0.2 이상의 상당 변형이 도입된 경우의 표층의 경도의 상승량에 상당한다. 가공 티타늄재에 있어서의 ΔHV가 20 이상이면, 표층이 충분한 변형이 도입된 것으로 되고, 미세하고 입경이 고른 재결정을 형성할 수 있게 된다. ΔHV는 클수록 바람직하고, 상한은 특별히 규정하지 않지만, 압연롤에 대한 부하를 고려하여, ΔHV는 50 이하로 해도 된다.

비커스 경도의 측정 방법은, 가공 티타늄재의 변형을 부여한 표면을 포함하도록 절단한 단면(해당 표면에 직교하는 단면)을 경면 연마하고, 비커스 경도 시험기를 사용하여 측정한다. 변형 부여한 표면으로부터 깊이 3㎜ 위치와, 가공 티타늄재의 1/2 두께의 위치에 있어서, 하중 1㎏에서 7점 측정하고, 최대와 최소 경도를 제외한 5점의 평균을 구한다. 그리고, 표면으로부터 3㎜의 위치와, 1/2 두께 위치부의 경도 차(ΔHV)를 구한다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재에 있어서, 표면으로부터 3㎜ 깊이 위치(S)의 비커스 경도와, 두께의 1/2 깊이 위치(M)의 비커스 경도의 차인 ΔHV를 측정함으로써, 표층에 변형이 도입된 면인지 여부의 판별을 행하면 되지만, 당해 면의 산출 평균 조도 Ra를 측정함으로써 판별할 수도 있다. 냉간 압연 전 또는 온간 압연 전의 티타늄 소재는, 티타늄을 직접 주조함으로써 얻어진 것이며, 종래에는 주조 후에 그대로 열간 압연에 제공되고 있었다. 직접 주조하여 얻어지는 티타늄 소재는, 표면의 산술 평균 조도 Ra가 25㎛ 이상이며, 비교적 거친 면으로 되어 있다. 한편, 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 티타늄 소재에 냉간 압연 또는 온간 압연을 실시함으로써, 그 표면의 적어도 일부에, 압연롤의 롤면의 표면 조도를 반영한 평활면을 갖게 된다. 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인 평활면을 갖는 것은, 본 발명에 따른 가공 티타늄재라고 추측할 수 있다.

또한, 평활면의 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인 점에서 요철이 적어지게 되어, 요철에 기인하는 결함 발생의 리스크를 저감시킬 수 있다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 열간 압연을 모의한 예를 들어 온도 800℃에서 가열 시간 4시간의 열처리를 행한 경우에, 적어도 평활면으로부터 깊이 3㎜까지의 범위에, 원 상당 평균 입경이 1.00㎜ 이하인 결정립 조직이 형성된다. 결정립의 원 상당 입경의 대수 변환값에 대한 표준 편차는 1.00 이하로 된다. 열간 압연을 모의한 열처리에 의해 형성되는 결정립은, 비교적 입경의 크기가 고른 것으로 된다.

가공 티타늄 소재를 열간 압연할 때에 발생할 수 있는 표면 결함은, 결정립이 클수록 발생하기 쉽다. 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 800℃에서 가열 시간 4시간의 열처리한 후의 평활면으로부터 깊이 3㎜까지의 범위의 결정립 원 상당 평균 입경이 1.00㎜ 이하, 바람직하게는 0.80㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 0.70㎜ 이하가 좋다. 열간 압연을 모의한 가열을 행한 후의 평균 결정 입경에 대해서는, 평균 입경이 10㎜ 이상인 주조 조직보다도 미세하게 할 필요가 있고, 1.00㎜를 초과해 조대하면 상기 표준 편차 내라도 열연 시의 표면 결함이 발생하는 경우가 있다. 원 상당 평균 입경은 작을수록 표면 결함이 발생하지 않기 때문에, 원 상당 평균 입경의 하한값은 특별히 규정하지 않는다.

800℃, 4시간의 열처리 후의 결정 입경이 상기 내에 있으면, 실제 기계의 열연 온도 범위에서도 표면 결함이 발생하지 않는 것이, 조사 결과 판명되었다. 따라서, 결정립의 원 상당 평균 입경 및 표준 편차의 범위는, 표층에 변형을 부여 후, 800℃, 4시간의 열처리 후의 것으로 한다.

또한, 예를 들어 가열된 가공 티타늄재의 표면에 세립부와 조립(粗粒)부가 혼재하는 혼립(混粒) 조직이 형성된 경우, 입경이 큰 결정립이 기점으로 되어 열연 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 열간 압연을 모의한 가열을 행한 경우에, 입경이 비교적 작고, 또한, 입경의 변동이 적은 다결정립 조직이 형성되면 된다. 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 800℃, 4시간의 가열에 의해, 원 상당 입경의 대수 변환값에 대한 표준 편차가 1.00 이하로 되는 결정립 조직이 형성되는 것이 좋다. 금속 재료의 결정 입경은 대수 정규 분포에 가까운 분포로 되는바, 대수 정규 분포의 분포 폭이 좁을수록, 결정 입경이 균일하며 열연 시의 표면 결함이 발생하기 어려워진다. 즉, 결정립이 어느 정도 미세하고, 또한, 대수 정규 분포의 표준 편차가 어떤 일정값 이하의 범위에 있으면, 균일 조직으로 되어, 표면 결함이 발생하기 어려워진다.

각 결정립의 원 상당 입경 D를 자연 대수 LnD로 변환한 변환값의 분포 표준 편차 σ가 1.00 이하이면 원 상당 평균 입경이 1.00㎜ 이하인 경우에, 표면 결함의 발생이 억제되게 된다. 표준 편차는 바람직하게는 0.80 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.70 이하이다. 결정 입경의 분포가 좁을수록, 즉, 표준 편차 σ가 작을수록 표면 결함이 발생하기 어렵기 때문에, 표준 편차의 하한값은 특별히 규정하지 않는다.

결정 입경의 측정 방법은, 가공 티타늄재의 변형을 부여한 표면을 포함하도록 절단한 단면을 화학 연마하고, 전자선 후방 산란 회절법; EBSD(Electron Back Scattering Diffraction Pattern)를 이용하여, 5㎜×5㎜의 영역을 스텝 5 내지 20㎛로 2 내지 10시야 정도 측정한다. 그 후, 결정 입경에 대해서는 EBSD에 의해 측정한 결정립 면적으로부터 원 상당 입경(면적 A=π×(입경 D/2)²)을 구하고, 결정 입경 분포로부터 대수 정규 분포에 있어서의 표준 편차 σ를 산출한다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 냉간 압연 또는 온간 압연에 의해 부여된 전단 변형에 의해, 열간 압연의 가열 시에 표층이 재결정하여, 표면으로부터 3㎜ 이상 25㎜ 미만까지의 범위에, 재결정이 형성된다. 즉, 재결정이 형성되는 범위는, 적어도, 표면으로부터 깊이 3㎜ 이상의 범위로 되고, 보다 바람직하게는 표면으로부터 깊이 6㎜ 이상의 범위가 된다. 또한, 재결정이 형성되는 범위는, 최대로, 표면으로부터 깊이 25㎜ 미만까지의 범위가 된다. 본 실시 형태의 가공 티타늄재는, 열간 압연함으로써, 이와 같은 조직 상태로 된다. 재결정이 형성되는 범위가 표면으로부터 깊이 3㎜ 미만이면, 20㎜ 이상의 조대한 표면 결함의 발생을 억제할 수 없다. 또한, 재결정이 형성되는 범위가 표면으로부터 깊이 25㎜ 이상의 범위로 넓어지면, 변형이 분산되어버려, 열간 압연 후의 결정 입경이 조대화되어 표면 결함이 발생할 우려가 있다. 바람직하게는, 20㎜ 미만이다. 또한, 재결정이 형성되는 범위는, 냉간 압연 또는 온간 압연한 후의 가공 티타늄재의 단면을, 열간 압연 시의 가열과 동등한 열처리를 실시한 후, 현미경 관찰함으로써 확인할 수 있다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재에 대하여 열간 압연을 행하면, 열간 압연 후의 티타늄재의 표면 결함은 매우 경미하여, 문제 없는 레벨로까지 억제된다. 한편, 본 발명의 방법을 적용하지 않고, 표층에 변형이 도입되지 않고 주조 그대로의 조대한 응고 조직을 갖는 가공 티타늄재를 열간 압연하면, 열간 압연 후에 길이 20㎜ 이상의 조대한 표면 결함이 다수 발생하게 된다.

본 실시 형태에 있어서의 가공 티타늄재의 제조 방법에 있어서 사용되는 티타늄 소재는, 열간 압연에 제공되는 티타늄 주편이며, 예를 들어 다음의 (A) 또는 (B)와 같은 잉곳, 슬래브, 블룸, 빌릿 등을 티타늄 소재로서 예시할 수 있다. 즉, 티타늄 소재에는, 이미 열간 압연 또는 냉간 압연에 의해 소정의 두께 미만으로 압연된 티타늄판은 제외된다. 따라서, 직육면체나 입방체의 티타늄 소재의 경우, 그 두께는 예를 들어 100㎜ 이상이며, 원기둥형의 티타늄 소재의 경우, 그 직경은 예를 들어 90㎜ 이상인 것을 대상으로 한다. 티타늄 소재 (B)는, 티타늄을 용해하여 주조시킴으로써 얻어지는 응고 조직으로 이루어지고, 결정 입경이 10㎜ 이상인 조대 입자가 존재하는 주조 그대로의 조직을 갖고 있다.

(A) 전자 빔 용해법(EBR: Electron Beam Remelting)이나 플라스마 아크 용해법(PAM: Plasma Arc Melting)에 의해, 티타늄을 일단 용융시키고 나서 응고시켜 얻은 잉곳을, 분괴나 단조, 압연 등의 열간 가공에 의해 추가로 브레이크다운하여, 슬래브나 빌릿 등의 형상으로 성형한 티타늄 소재.

(B) 전자 빔 용해법에 의해, 티타늄을 일단 용융시키고 나서 응고시킬 때, 직접 열연 가능한 크기의 직사각 형상 잉곳으로 하고, 상기 (A)의 브레이크다운 공정을 생략하여 얻어진 티타늄 소재.

전자 빔 용제 방법은, 조사하는 전자 빔이 편광에 의해 빔을 집중할 수 있기 때문에, 주형과 용융 티타늄 사이의 좁은 영역에서도, 열을 공급하기 쉽고, 그 때문에 주조 표면을 양호하게 제어할 수 있다. 또한, 주형의 단면 형상의 자유도가 높다. 그 때문에, 상기 (B)와 같은, 직접 열간 압연에 제공하는 것이 가능한 사이즈의 직사각형이나 원기둥형의 잉곳은, 전자 빔 용해로를 사용하여 용제하는 것이 바람직하다. 또한, 플라스마 아크 용해법에서는, 전자 빔 용해법과 가열 원리가 다르기는 하지만, 전자 빔 용해법과 마찬가지의 효과가 얻어진다.

티타늄 소재는, 공업용 순티타늄 혹은 티타늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

공업용 순티타늄은, JIS H4600 규격의 1종 내지 4종, 및 그것에 대응하는 ASTM 265B 규격의 Grade 1 내지 4, DIN 17850 규격의 GradeⅠ(WL3.7025), GradeⅡ(WL3.7035), GradeⅢ(WL3.7055)으로 규정되는 공업용 순티타늄을 포함하는 것으로 한다. 즉, 본 발명에서 대상으로 하는 공업용 순티타늄은, 질량％로, C: 0.1％ 이하, H: 0.015％ 이하, O: 0.4％ 이하, N: 0.07％ 이하, Fe: 0.5％ 이하, 잔부 Ti로 이루어진다. 이하, 각 원소의 함유량에 대한 「％」는 「질량％」를 의미한다.

한편, α형 티타늄 합금은, 필요로 하는 용도에 있어서 적절한 합금을 사용하면 된다. 보다 바람직하게는, 실질적으로 합금 성분이 5％ 이하인 저합금이 좋다. 예를 들어, Pd<0.15％나 Ru<0.10％, 희토류 원소<0.02％를 더 첨가한 고내식성 합금이나, Cu, Al, Si, Sn, Nb, Fe를 합계로 5％ 미만 첨가한 내열 합금 등을 예시할 수 있다.

보다 구체적으로는, α형 티타늄 합금으로서, 예를 들어 고내식성 합금(ASTM Grade 7, 11, 16, 26, 13, 30, 33 혹은 이들에 대응하는 JIS 품종이나 다양한 원소를 소량 더 함유시킨 것), Ti-0.5Cu, Ti-1.0Cu, Ti-1.0Cu-0.5Nb, Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.3Si-0.25Nb, Ti-0.5Al-0.45Si, Ti-0.9Al-0.35Si, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si 등이 있다.

α+β형 티타늄 합금으로서는, 예를 들어 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7V, Ti-3Al-5V, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-1Fe-0.35O, Ti-1.5Fe-0.5O, Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-1Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe, Ti-5Al-2Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe-3Mo, Ti-4.5Al-2Fe-2V-3Mo 등이 있다.

또한, β형 티타늄 합금으로서는, 예를 들어 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn, Ti-8V-3Al-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-10V-2Fe-3Mo, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al, Ti-20V-4Al-1Sn, Ti-22V-4Al 등이 있다.

본 발명에 따른 티타늄 합금은, 예를 들어 O: 0 내지 0.5％, N: 0 내지 0.2％, C: 0 내지 2.0％, Al: 0 내지 8.0％, Sn: 0 내지 10.0％, Zr: 0 내지 20.0％, Mo: 0 내지 25.0％, Ta: 0 내지 5.0％, V: 0 내지 30.0％, Nb: 0 내지 40.0％, Si: 0 내지 2.0％, Fe: 0 내지 5.0％, Cr: 0 내지 10.0％, Cu: 0 내지 3.0％, Co: 0 내지 3.0％, Ni: 0 내지 2.0％, 백금족 원소: 0 내지 0.5％, 희토류 원소: 0 내지 0.5％, B: 0 내지 5.0％, 및 Mn: 0 내지 10.0％로부터 선택되는 1종 이상을 0％를 초과해 함유시킴으로써, 가공 티타늄재의 표면에 목표로 하는 기능을 부여할 수 있다.

상기 이외의 원소로 티타늄에 함유시킬 수 있는 원소는, 금속 재료의 일반 상식으로서 고용 강화, 석출 강화(고용되지 않는 경우와 석출물을 형성시키는 경우가 있음)에 의한 강도 향상 등을 기대할 수 있는 원소이다. 이들 원소로서는, 원자 번호에서 수소 (1) 내지 아스타틴 (85)의 원소(단, 제18족 원소인 귀가스 원소를 제외함)가 예시되고, 합계로 5％ 정도까지 허용된다.

상기 이외의 잔부는, Ti 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있고, 그 밖의 불순물은 주로 원료나 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소 및 제조 중에 혼입되는 원소가 있으며, 예로서 C, N, O, Fe, H 등이 대표적인 원소이고, 그 밖에 Mg, Cl 등 원료로부터 혼입되는 원소나 Si, Al, S 등 제조 중에 혼입되는 원소 등이 있다. 이들 원소는, 2％ 정도 이하이면 본원의 목표 특성을 저해하지 않는 범위라고 생각된다.

또한, 본 발명에 따른 티타늄 합금은, 예를 들어 O: 0.01 내지 0.5％, N: 0.01 내지 0.2％, C: 0.01 내지 2.0％, Al: 0.1 내지 8.0％, Sn: 0.1 내지 10.0％, Zr: 0.5 내지 20.0％, Mo: 0.1 내지 25.0％, Ta: 0.1 내지 5.0％, V: 1.0 내지 30.0％, Nb: 0.1 내지 40.0％, Si: 0.1 내지 2.0％, Fe: 0.01 내지 5.0％, Cr: 0.1 내지 10.0％, Cu: 0.3 내지 3.0％, Co: 0.05 내지 3.0％, Ni: 0.05 내지 2.0％, 백금족 원소: 0.01 내지 0.5％, 희토류 원소: 0.001 내지 0.5％, B: 0.01 내지 5.0％, 및 Mn: 0.1 내지 10.0％로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.

본 발명에 따른 티타늄 합금은, O: 0.02 내지 0.4％, N: 0.01 내지 0.15％, C: 0.01 내지 1.0％, Al: 0.2 내지 6.0％, Sn: 0.15 내지 5.0％, Zr: 0.5 내지 10.0％, Mo: 0.2 내지 20.0％, Ta: 0.1 내지 3.0％, V: 2.0 내지 25.0％, Nb: 0.15 내지 5.0％, Si: 0.1 내지 1.0％, Fe: 0.05 내지 2.0％, Cr: 0.2 내지 5.0％, Cu: 0.3 내지 2.0％, Co: 0.05 내지 2.0％, Ni: 0.1 내지 1.0％, 백금족 원소: 0.02 내지 0.4％, 희토류 원소: 0.001 내지 0.3％, B: 0.1 내지 5.0％, 및 Mn: 0.2 내지 8.0％,로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것이 보다 바람직하고, O: 0.03 내지 0.3％, N: 0.01 내지 0.1％, C: 0.01 내지 0.5％, Al: 0.4 내지 5.0％, Sn: 0.2 내지 3.0％, Zr: 0.5 내지 5.0％, Mo: 0.5 내지 15.0％, Ta: 0.2 내지 2.0％, V:5.0 내지 20.0％, Nb: 0.2 내지 2.0％, Si: 0.15 내지 0.8％, Fe: 0.1 내지 1.0％, Cr: 0.2 내지 3.0％, Cu: 0.3 내지 1.5％, Co: 0.1 내지 1.0％, Ni: 0.1 내지 0.8％, 백금족 원소: 0.03 내지 0.2％, 희토류 원소: 0.001 내지 0.1％, B: 0.2 내지 3.0％, 및 Mn: 0.2 내지 5.0％로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 백금족 원소로서는, 구체적으로는, Ru, Rh, Pd, Os, Ir 및 Pt를 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상을 함유시킬 수 있다. 2종 이상의 백금족 원소를 함유시키는 경우, 상기 백금족 원소의 함유량은, 백금족 원소의 총량을 의미한다. 또한, 희토류 원소(REM)로서는, 구체적으로는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu를 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상을 함유시킬 수 있다. 2종 이상의 희토류 원소를 함유시키는 경우, 예를 들어 미슈 메탈(Mm)이나, 디디뮴 합금과 같은 희토류 원소의 혼합물이나 화합물을 사용해도 된다. 또한, 2종 이상의 희토류 원소를 함유시키는 경우, 상기 희토류 원소의 함유량은, 희토류 원소의 총량을 의미한다.

다음으로, 본 실시 형태의 가공 티타늄재의 제조 방법을 설명한다. 본 실시 형태의 제조 방법은, 티타늄 소재에 대하여, 롤 직경이 20㎜ 이상 90㎜ 이하인 압연롤을 사용하여 냉간 압연 또는 온간 압연함으로써, 티타늄 소재의 표층에 변형을 부여하는 것이다. 구체적으로는, 티타늄 소재 중 적어도 열간 압연 시에 피압연면이 되는 면에 압연롤을 맞닿게 해서 변형을 도입하면 된다.

티타늄 소재가 슬래브(1)나 블룸(2)인 경우에는, 도 1 에 도시한 바와 같이 티타늄 소재 중 가장 면적이 큰 면(1a, 2a)이 피압연면이 되므로, 그 면에 압연롤(5)이 맞닿도록 냉간 압연하면 된다. 보다 구체적으로는, 도 3 또는 도 4에 도시한 바와 같이, 소정의 간격을 두고 배치한 2개의 압연롤(5) 사이에, 티타늄 소재(슬래브(1) 또는 블룸(2))를 통과시킴으로써 압연을 행하면 된다. 도 3은 티타늄 소재가 슬래브(1)의 예이며, 도 4는 티타늄 소재가 블룸(2)의 예이다.

또한, 티타늄 소재가 빌릿인 경우에는, 그 긴 방향으로 연장되는 전체면이 피압연면으로 될 수 있다. 따라서, 예를 들어 단면이 직사각형의 빌릿(3)인 경우에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 소정의 간격을 두고 배치한 한 쌍의 수평 롤(5a)(압연롤)과 한 쌍의 세로 롤(5b)(압연롤)에 빌릿을 순차 통과시킴으로써 압연을 행하면 된다. 또한, 단면이 원형인 빌릿(4)인 경우에는, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 빌릿(4)을 회전시키면서, 빌릿의 외주의 3방향으로 배치한 원뿔대형의 압연롤(5c)의 사이를 통과시킴으로써 압연을 행하면 된다.

냉간 압연 시 또는 온간 압연 시의 압연 방향은, 티타늄 소재의 길이 방향, 즉, 후의 열간 압연의 압연 방향을 따르는 방향으로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 따른 가공 티타늄재는, 그 두께 t에 비하여 열간 압연 시의 압연 방향을 따르는 길이 L이 크기 때문에, 냉간 압연 시 또는 온간 압연 시에, 도 3의 (c) 또는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 티타늄 소재의 길이 방향 단면(1b, 2b)에 더블 배럴링이라고 불리는, 표면만이 신장되고, 티타늄 소재의 두께 방향 중앙이 신장되지 않는 현상이 발생하기 쉽다. 더블 배럴링이 일어나면, 티타늄 소재의 길이 방향 단면에 있어서 표층의 오버랩이 발생한다. 티타늄 소재의 길이 방향의 단면(1b, 2b)에 더블 배럴링이 발생하였다고 해도 수율의 저하는 적지만, 폭 방향의 단면에 더블 배럴링이 발생하면 수율이 크게 저하된다. 따라서, 수율 저하의 억제를 위해서는, 티타늄 소재의 폭 방향이 아니라, 길이 방향을 따라서 압연하면 된다. 단, 수율 저하의 문제가 일어나지 않는 것이면, 티타늄 소재의 폭 방향으로 하여 냉간 압연해도 된다.

냉간 압연할 때의 압연롤(5)은, 롤 직경이 작을수록 표층으로의 전단 변형의 도입량이 커진다. 압연롤(5)의 롤 직경은, 90㎜ 이하로 할 필요가 있다. 직경 90㎜ 이하의 소경의 압연롤(5)을 사용하여 티타늄 소재를 냉간 압연 또는 온간 압연 함으로써, 티타늄 소재의 표층에 충분한 깊이의 전단 변형을 부여할 수 있고, 그 후의 열간 압연 시에 결정립을 충분히 미세화시킬 수 있다. 압연롤(5)의 직경이 90㎜를 초과하면, 티타늄 소재의 두께 방향 전체에 걸쳐서 변형이 도입되게 되어, 표층으로의 전단 변형의 도입량이 상대적으로 적어진다. 또한, 롤 직경이 90㎜를 초과하면, 표층 근방에 데드 메탈이라고 불리는, 소성 변형되지 않는 영역이 발생하는 경우가 있다. 그렇게 되면, 표층의 변형량이 부족하게 되어, 그 후의 열간 압연 시에 결정립이 충분히 미세화되지 않아, 열간 압연 시에 표면 결함이 발생해버릴 우려가 있다. 롤 직경은 보다 바람직하게는 80㎜ 이하이고, 더욱 바람직하게는 70㎜ 이하이다.

압연롤(5)의 롤 직경의 하한은 20㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 롤 직경을 20㎜ 이상으로 함으로써 압연롤의 강성이 충분히 커지게 되고, 냉간 압연 시 또는 온간 압연 시의 압연롤의 탄성 변형이 억제되어, 냉간 압연 시 또는 온간 압연 시의 피압연면의 전체면에 균일하게 전단 변형을 도입할 수 있게 된다.

냉간 압연 시 또는 온간 압연 시의 합계 압하율(압하량)은, 1.0％ 이상으로 할 필요가 있다. 합계 압하율을 1.0％ 이상으로 함으로써, 충분한 전단 변형을 도입할 수 있어, 가공 티타늄재를 열간 압연했을 때의 표면 결함의 발생을 충분히 억제할 수 있다. 압하율을 높게 할수록 표층에 도입되는 전단 변형이 커지게 되어, 표면 결함의 발생이 억제된다. 압하율의 상한은 특별히 규정할 필요는 없지만, 압하율이 극단적으로 커지게 되면, 티타늄 소재 중 압연롤(5)에 접하는 표층만이 크게 연장되어, 티타늄 소재의 단면의 형상이 흐트러진다. 따라서, 합계 압하율의 상한은 10％로 하는 것이 좋다. 또한, 변형을 부여하기 위한 압연 패스 횟수에는 제한이 없다. 1회여도 2회 이상이어도 된다.

압연롤(5)의 표면 조도는, 너무 크면, 가공 티타늄재의 표면 성상이 악화되는 경우가 있다. 이 때문에, 압연롤(5)의 표면 조도 Ra는 5.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 압연롤(5)의 표면 조도는, 산술 평균 조도 Ra로 0.6㎛ 이상인 것이 바람직하고, 1.0㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 압연롤(5)의 표면 산술 평균 조도 Ra가 0.6㎛ 이상이면 롤 표면에 생긴 근소한 요철에 기인하여, 보다 표층에 변형을 부여하기 쉬워진다.

압연롤(5)에 의해 티타늄 소재를 압연할 때는, 티타늄 소재를 가열하지 않고 압연하는 냉간 압연을 행해도 되고, 티타늄 소재를 최고 500℃ 이하까지 가열한 후에 압연하는 온간 압연을 행해도 된다.

본 실시 형태에서는, 열간 압연 시에 가공 티타늄재의 피압연면이 되는 표면에, 냉간 혹은 온간에서 변형을 부여하도록 하고 있다. 열간 압연 시에 발생하는 표면 결함을 저감시키기 위해서는, 어느 정도 깊이까지의 재결정 조직을 형성시킬 필요가 있다. 특히 고경도의 소재에서는, 변형이 티타늄 소재의 내부까지 들어가기 어려워, 표층의 깊은 위치까지 변형을 부여하기 위해서는 큰 하중으로 압연을 부여할 필요가 있다. 그러나, 변형이 부여됨으로써 표층 근방의 연성이 저하되어, 표면에서 균열이 발생하는 것이 새롭게 밝혔졌다. 그 때문에, 안정적으로 깊은 위치까지 변형을 부여함과 함께, 표층의 연성을 향상시키기 위해서는, 어느 정도 온도를 높게 하여 티타늄 소재 자체의 강도를 낮게 하는 것도 효과적이다. 한편, 강도가 낮은 티타늄 소재에서는, 표층에 변형을 집중시킨 쪽이 표층의 조직을 미세하게 할 수 있기 때문에 실온에서 변형을 부여한 쪽이 좋다. 즉 냉간 압연이 좋다.

한편, 500℃ 초과의 고온에서 압연하면, 압연에 의해 부여된 변형이 바로 소실되어버려, 그 후의 가열 시에 재결정시킬 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 500℃ 초과이면 티타늄 소재의 표면에 산화 피막이 형성되는 경우가 있고, 그 산화 피막이 온간 압연 시에 압입되어 표면 결함이 발생하고, 그 후의 열간 압연 시에 표면 결함으로 진전할 우려가 있다. 500℃ 이하이면 상기와 같은 문제가 발생하지 않는다는 점에서, 500℃ 이하를 상한으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 티타늄 소재의 강도 및 연성은, 합금 종류에 따라 높아지는 온도역이 다르기 때문에, 보다 높은 온도에서 행하면 된다는 것은 아니다. 예를 들어, 공업용 순티타늄 등에서는, 실온 근방에서는 티타늄의 변형 기구의 중요한 하나인 쌍정 변형이 활발하게 활동하지만, 400 내지 500℃ 정도의 온도에서는 이 쌍정 변형이 발생하지 않게 되기 때문에, 실온보다도 연성이 저하되어, 오히려 균열이 발생하기 쉬워진다. 한편, Al을 많이 포함하는 합금계에서는 이 쌍정 변형이 실온 근방에서도 거의 발생하지 않기 때문에, 500℃ 이하로 가열함으로써 연성을 담보할 수 있다. 따라서, 압연 후에 표면에 균열을 발생시키지 않고, 또한, 적절한 재결정 조직이나 표면 상태가 얻어지는 온도 범위를 선택하면 된다.

본 발명을 적용한 가공 티타늄재에 의해, 열간 압연 후의 표면 결함은 현저하게 억제된다. 직육면체 형상이나 원기둥형의 잉곳(주조 그대로의 응고 조직)에 본 발명을 적용함으로써, 분괴 압연 등의 브레이크다운 공정을 거치지 않고도, 판이나 띠형 코일 또는 막대선으로 열간 압연할 때, 표면 결함이 문제 없는 레벨까지 억제할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.

본 실시 형태의 가공 티타늄재를 열간 압연하는 경우의 가열 온도는, 변형 저항을 저감시키기 위해서, 800℃ 내지 950℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 슬래브 가열 시에 발생하는 스케일을 억제하기 위해서는, 가열 온도는, β 변태점 미만이 바람직하다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따라서 제조된 가공 티타늄재는, 열간 압연에 적합하게 제공될 뿐만 아니라, 열간 압연되어 제조된 열연재는, 표면 결함이 현저하게 억제되어 있어, 그 후, 냉간 압연을 실시하여도 건전한 제품을 제조할 수 있다고 하는 효과를 발휘하는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 잉곳의 브레이크다운 공정을 생략한 주조 그대로의 티타늄 소재라도, 열연 시에 발생하는 표면 결함을 경미하게 할 수 있어, 우수한 열연, 냉연 제품을 제공할 수 있다.

또한, 본 실시 형태를, 브레이크다운 공정을 거친 티타늄 소재에 적용하면, 열간 압연 시에 발생하는 표면 결함이 매우 경미한 것으로 된다. 그 결과, 열간 압연한 판이나 막대선의 탈 스케일 공정이나 최종 제품의 수율을 보다 높이는 것이 가능해진다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.

실시예 1〔시험 번호 1 내지 14(표 1)〕

1050㎜ 폭×250㎜ 두께×6000㎜ 길이의 JIS 1종 내지 JIS 4종의 순티타늄으로 이루어지는 슬래브(티타늄 소재)를, 전자 빔 용해법(EBR)에 의해 주조하였다. 주조된 티타늄 소재의 형상은 도 1의 (a)에 도시한 바와 같은 형상이었다. 주조된 티타늄 소재 중, 열간 압연 시의 피압연면이 되는 면(도 1의 (a) 및 도 2의 면(1a)에 상당하는 2개의 면)에 대하여, 한 쌍의 압연롤에 의해 냉간 압연을 행함으로써, 가공 티타늄재로 하였다.

가공 티타늄재의 변형을 부여한 표면을 포함하도록 절단한 단면을 경면 연마하고, 비커스 경도 시험기를 사용하여 비커스 경도를 측정하였다. 변형 부여한 표면으로부터 깊이 3㎜ 위치와, 가공 티타늄재의 1/2 두께의 위치에 있어서, 하중 1㎏에서 7점 측정하여, 최대와 최소 경도를 제외한 5점의 평균을 구하고, 표면으로부터 3㎜의 위치와, 1/2 두께 위치부의 경도 차(ΔHV)를 구하였다.

가공 티타늄재의 800℃, 4시간 가열 후의 표층의 재결정 조직의 평균 원 상당 직경 및 표준 편차에 대해서는, 이하의 수순으로 측정하였다.

우선, 열간 압연 전의 가공 티타늄재를, Ar 분위기 중에서 800℃의 도달 온도에서 4시간 가열하는 조건에서 열처리를 행하였다. 다음으로, 열처리 후의 가공 티타늄재 중, 압연에 의해 변형을 부여한 표면을 포함하도록 절단한 단면을 화학 연마하고, 전자선 후방 산란 회절법; EBSD(Electron Back Scattering Diffraction Pattern)를 이용하여, 5㎜×5㎜의 영역을 스텝 5 내지 20㎛로 2 내지 10시야 정도 측정하였다. 그 후, 결정 입경에 대하여 EBSD에 의해 측정한 결정립 면적으로부터 원 상당 입경(면적 A=π×(입경 D/2)²)을 구하고, 결정 입경 분포로부터 대수 정규 분포에 있어서의 표준 편차 σ를 산출하였다.

이어서, 가공 티타늄재를 820℃의 로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립밀로 5㎜ 두께의 열연판을 제조하고, 코일에 권취하였다. 다음으로, 열연판에 쇼트 블라스트를 실시하고, 또한, 질불산을 포함하는 연속 산세 라인을 통판시켜서, 편면당 약 50㎛를 용삭(溶削)하였다. 그 후, 양쪽의 피압연면을 눈으로 보아 관찰하고, 표면 결함의 발생 상황을 평가하였다.

표면 결함의 평가는, 연속 산세 라인 통과 후의 열연판의 피압연면에 있어서, 10㎜ 이상의 표면 결함의 수가 1㎡당 0.3개를 초과한 경우를 불합격(평가 D)으로 하고, 0.3개 이하를 합격(평가 A 내지 C)으로 하였다. 표면 결함수가 1㎡당 0.05개 이하인 경우를 평가 A라 하고, 0.05개 초과 0.2개 이하를 평가 B라 하고, 0.2개 초과 0.3개 이하를 평가 C라 하였다. 또한, 표면 결함의 관찰 시야로서 열연판의 피압연면 전부를 조사하는 것이 바람직하지만, 피압연면 중 100㎡ 이상의 면을 무작위로 발취하여 조사해도 된다. 또한, 열연 환봉 등의 표면 결함을 평가하는 방법에 대해서도, 상기 열연판의 표면 결함을 평가하는 방법에 준하여 행하면 된다.

결과를 표 1에 나타낸다.

또한, 도 7에는, 일례로서, No. 8(실시예)에 대하여, 대수 변환 후의 결정 입경의 분포를 나타낸다. 종축은, 측정한 결정립 전부에 대한 발생 확률이다.

No. 1의 비교예는, 주조 그대로의 슬래브 표면을 압연하지 않은 채 열간 압연하고 있다. 그 때문에, 열간 압연 및 산세 후의 열연판의 표면에 조대한 표면 결함이 많이 발생하였다.

No. 2 및 3은 비교예이다. 주조 그대로의 슬래브 표면을 절삭 정정한 후, 냉간 압연을 실시하였다. No. 2 및 3은, 롤 직경이 크고, 합계 압하량이 작다. 그 때문에, 표층의 변형량이 충분하지 않아, 열간 압연, 산세 후의 열연판의 표면에 결함이 많이 발생하였다.

No. 4 내지 14는 실시예이며, 롤 직경 및 합계 압하량이 본 발명의 범위를 충족하고 있어, 표층의 변형량이 충분하며, 열간 압연, 산세 후의 열연판의 표면의 표면 성상이 양호하다.

실시예 2〔시험 번호 15 내지 18(표 2)〕

1050㎜ 폭×250㎜ 두께×5500㎜ 길이의 JIS 1종 및 ASTM 2 내지 4종 순티타늄 슬래브(티타늄 소재)를 플라스마 아크 용해법(PAM)에 의해 주조하였다. 주조된 티타늄 소재의 형상은 도 1의 (a)에 도시한 바와 같은 형상이었다. 주조된 티타늄 소재 중, 열간 압연 시의 피압연면이 되는 면(도 1의 (a) 및 도 2의 면(1a)에 상당하는 2개의 면)에 대하여, 도 3에 도시한 한 쌍의 압연롤에 의해 냉간 압연을 행함으로써, 가공 티타늄재로 하였다.

이어서, 가공 티타늄재를 820℃의 노에 삽입 후, 약 240분 가열하여, 연속 열간 압연 스트립밀로 5㎜ 두께의 열연판을 제조하고, 코일에 권취하였다. 다음으로, 열연판에 쇼트 블라스트를 실시하고, 또한, 질불산을 포함하는 연속 산세 라인을 통판시켜서, 편면당 약 50㎛를 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 피압연면을 눈으로 보아 관찰하고, 표면 결함의 발생 상황을 평가하였다.

표 2에 나타낸 바와 같이, No. 15 내지 18은 실시예이며, 롤 직경 및 합계 압하량이 본 발명의 범위를 충족하고 있어, 표층의 변형량이 충분하며, 열간 압연, 산세 후의 열연판의 표면의 표면 성상이 양호하다.

실시예 3〔시험 번호 19 내지 27(표 3)〕

1050㎜ 폭×250㎜ 두께×5000㎜ 길이의 티타늄 합금 슬래브를 전자 빔 용해법(EBR) 혹은 플라스마 아크 용해법(PAM)에 의해 주조하였다. 주조된 티타늄 소재의 형상은 도 1의 (a)에 도시한 바와 같은 형상이었다. 주조된 티타늄 소재 중, 열간 압연 시의 피압연면이 되는 면(도 1의 (a) 및 도 2의 면(1a)에 상당하는 2개의 면)에 대하여, 도 3에 도시한 한 쌍의 압연롤에 의해 냉간 압연을 행함으로써, 가공 티타늄재로 하였다.

이어서, 가공 티타늄재를 820℃의 노에 삽입 후, 약 240분 가열하여, 연속 열간 압연 스트립밀로 5㎜ 두께의 열연판을 제조하고, 코일에 권취하였다. 다음으로, 열연판에 쇼트 블라스트를 실시하고, 또한, 질불산을 포함하는 연속 산세 라인을 통판시켜서, 편면당 약 50㎛를 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 피압연면을 눈으로 보아 관찰하고, 표면 결함의 발생 상황을 평가하였다.

표 3에 나타낸 바와 같이, No. 19 내지 27은 실시예이며, 롤 직경 및 합계 압하량이 본 발명의 범위를 충족하고 있어, 표층의 변형량이 충분하며, 열간 압연, 산세 후의 열연판의 표면의 표면 성상이 양호하다. 또한, 표 3의 티타늄 소재의 합금 성분의 「Mm」은 미슈 메탈(희토류 원소를 포함하는 합금)이다.

실시예 4〔시험 번호 28 내지 37(표 4)〕

1050㎜ 폭×250㎜ 두께×5000㎜ 길이의 JIS 1종 내지 4종의 순티타늄으로 이루어지는 슬래브 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 슬래브(티타늄 소재)를 전자 빔 용해법(EBR) 혹은 플라스마 아크 용해법(PAM)에 의해 주조하였다. 주조된 티타늄 소재의 형상은 도 1의 (a)에 도시한 바와 같은 형상이었다. 주조된 티타늄 소재 중, 열간 압연 시의 피압연면이 되는 면(도 2의 면(1a)에 상당하는 2개의 면)에 대하여, 도 3에 도시한 한 쌍의 압연롤에 의해 온간 압연을 행함으로써, 가공 티타늄재로 하였다. 온간 압연 시의 티타늄 소재의 가열 온도는 표 4에 기재된 바와 같았다.

이어서, 가공 티타늄재를 820℃의 노에 삽입 후, 약 240분 가열하여, 연속 열간 압연 스트립밀로 5㎜ 두께의 열연판을 제조하고, 코일에 권취하였다. 이어서, 열연판에 쇼트 블라스트를 실시하고, 또한, 질불산으로 이루어지는 연속 산세 라인을 통판시켜서, 편면당 약 50㎛를 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 피압연면을 눈으로 보아 관찰하고, 표면 결함의 발생 상황을 평가하였다.

표 4에 나타낸 바와 같이, No. 28 내지 37은 실시예이며, 롤 직경 및 합계 압하량이 본 발명의 범위를 충족하고 있어, 표층의 변형량이 충분하며, 열간 압연, 산세 후의 열연판의 표면의 표면 성상이 양호하다.

실시예 5〔시험 번호 38 내지 40(표 5)〕

400㎜ 폭×400㎜ 두께×5500㎜ 길이의 JIS 2종 순티타늄으로 이루어지는 티타늄 블룸과, 200㎜ 폭×200㎜ 두께×5500㎜ 길이의 JIS 2종 순티타늄으로 이루어지는 단면이 직사각형인 티타늄 빌릿(정사각형 빌릿)과, 200㎜ 직경×5500㎜ 길이의 JIS 2종 순티타늄으로 이루어지는 단면이 원형인 티타늄 빌릿(원형 빌릿)을 전자 빔 용해법법(EBR)에 의해 주조하였다. 주조된 티타늄 소재의 형상은 각각 도 1의 (b), 도 1의 (c) 및 도 1의 (d)에 도시한 바와 같은 형상이었다. 주조된 티타늄 소재 중, 열간 압연 시의 피압연면이 되는 면(도 1의 (b), 도 1의 (c) 및 도 1의 (d) 그리고 도 2의 면(2a 내지 4a)에 상당하는 면)에 대하여, 각각 도 4, 도 5 및 도 6에 도시한 압연롤에 의해 냉간 압연을 행함으로써, 가공 티타늄재로 하였다.

이어서, 가공 티타늄재를 820℃의 노에 삽입 후, 약 240분 가열하여, 연속 열간 압연기로 직경 10㎜의 열연 환봉을 제조하고, 코일형으로 권취하였다. 이어서, 열연 환봉에 쇼트 블라스트를 실시하고, 또한, 질불산욕에 침지시켜서, 표면을 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 피압연면을 눈으로 보아 관찰하고, 표면 결함의 발생 상황을 평가하였다.

표 5에 나타낸 바와 같이, No. 38 내지 40은 실시예이며, 롤 직경 및 합계 압하량이 본 발명의 범위를 충족하고 있어, 표층의 변형량이 충분하며, 열간 압연, 산세 후의 열연 환봉의 표면의 표면 성상이 양호하다.

1: 슬래브
2: 블룸
3, 4: 빌릿
5: 압연롤
1a, 2a, 3a, 4a: 표면
1b, 2b: 길이 방향의 단면
5a: 수평 롤
5b: 세로 롤
5c: 원뿔대형의 압연롤
S: 표면으로부터 3㎜ 깊이 위치
M: 두께의 1/2 깊이 위치

Claims (2)

1. 티타늄 소재에 대하여, 롤 직경이 20㎜ 이상 90㎜ 이하인 압연롤을 사용하여, 합계 압하량 1.0％ 이상에서 냉간 압연 또는 온간 압연함으로써, 상기 티타늄 소재의 표층에 변형을 부여하는, 가공 티타늄재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압연롤의 표면 산술 평균 조도 Ra가 5.0㎛ 이하인, 가공 티타늄재의 제조 방법.

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