KR100583992B1

KR100583992B1 - 알파상과 베타상의 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재제조 방법

Info

Publication number: KR100583992B1
Application number: KR1020030096327A
Authority: KR
Inventors: 송진화; 홍기정
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2006-05-26
Also published as: KR20050064740A

Abstract

본 발명은 강도와 연성, 그리고 충격치와 같은 기계적 성질의 이방성이 작은 알파상과 베타상의 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조방법의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 알파상 및 베타상의 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조공정에 있어서, 열간압연에 앞서 실시되는 열처리 공정에서 블룸 또는 슬라브 형태의 소재를 베타상 변태온도 이상으로 균열한 후 냉각수로 급냉해서 미세한 마르텐사이트 조직을 갖는 열간압연용 소재를 제공하고, 상기 블룸 또는 슬라브를 일방향으로 열간압연할 때 베타상 변태에 의해 형성되는 횡단 집합조직 성분을 억제함으로써 기계적 성질의 이방성이 작은 알파상과 베타상 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조방법을 제공한다.

Description

알파상과 베타상의 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING HOT ROLLED PLATE FROM TITANIUM ALLOY HAVING DUAL PHASE OF αAND β}

도1은 육방정 금속의 결정방위 모식도,

도2 a는 타이타늄 합금 압연판에서 알파상의 결정방위 모식도,

b는 상기a에 대응되는 (0002) 극점도,

도3 a는 타이타늄 합금 압연판에서 알파상의 결정방위 모식도,

b는 상기a에 대응되는 (0002) 극점도.

본 발명은 알파상과 베타상의 2상으로 이루어지는 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조방법에 관한 것이다.

알파(a) 상과 베타(b) 상으로 이루어지는 2상 타이타늄 합금은 가볍고 강도가 우수해서 경량화 효과가 클 뿐만아니라 내식성이 우수해서 항공우주 분야, 해수담수화 장치, 석유화학 장치, 등의 핵심 소재로 널리 이용되고 있다.

본 발명은 이러한 2상 타이타늄 합금 열간압연 판재의 제조방법에 관한 것으 로, 특히 열간압연온도를 제어해서 기계적 성질의 이방성이 적은 2상 타이타늄 합금 열간압연 판재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

2상 타이타늄 합금은 열간가공시 가공온도 범위가 좁을 뿐만 아니라 낮은 열전도 특성으로 인해 소재 내외부 온도편차가 크게 발생되기 때문에 난가공성 재료로 알려져 있다. 통상 2상 타이타늄 합금의 열간압연은 알파상과 베타상이 공존하는 영역에서 실시되는데 온도와 가공방법에 따라 기계적 성질이 크게 변화된다. 특히 압연방향과 평행한 길이방향(이하에서는 L 방향으로 표시한다)과 압연방향과 수직한 폭방향(이하에서는 T 방향으로 표시한다)의 기계적 성질이 차이를 나타내는 이른바 이방성이 크게 나타나는데, 특히 단면감소율과 충격치의 이방성이 매우 크게 나타나는 문제점을 가지고 있다. 이러한 기계적 성질의 이방성은 구조재로 사용되는 경우 방향에 따라 강도 차이를 반드시 고려해야 하거나, 2차 가공시 불균일 변형을 초래하는 등 여러가지 문제점을 일으키는 원인을 제공한다. 기계적 성질의 이방성은 도 1과 같이 타이타늄 합금의 알파상이 육방정 결정구조를 가지기 때문에 나타난다. 육방정 금속에서 소성변형을 지배하는 주슬립계는 도 1에 보여지듯이 (0001) <11

0>, (10

0) <11

0>, (10

1) <11

0> 만으로 이루어진다. 따라서 슬립방향은 어느 경우에도 저면 상에 있기 때문에 전면에 대해 수직방향의 변형, 즉 도 1에서 C축 방향의 변형은 분해전단응력이 0으로 되기 때문에 일어나기 어려워지고, 그 결과 이방성이 초래된다. 타이타늄 합금의 열간압연판에서는 열간압연 조건에 따라 도 2의 a와 b에 나타낸 결정방위도와 극점도에서 보여지듯이 육방정 결정의 C축이 열간압연면에 수직하게 배열된 저면 집합조직(basal texture)이 형성되거나 도 3의 a와 b에 나타낸 것처럼 C축이 압연방향과 수직하고 열간압연면과 평행하게 배열된 횡단 집합조직(transverse texture)이 형성된다. 저면 집합조직은 초기 압연방향에 평행한 길이방향과 초기 압연방향에 수직한 폭방향으로 열간압연을 교대로 실시하는 교차압연(cross rolling)에 의해 쉽게 형성되고 이방성을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 반면에 횡단 집합조직은 일방향 압연 후 냉각되는 과정에서 베타상이 알파상으로 변태되면서 형성되어 이방성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

종래에는 기계적 성질의 이방성을 감소시키기 위해서 교차압연을 실시해서 저면 집합조직을 형성시키는 방법이 제안되어 있다. 그러나 이러한 종래의 교차압연 방법에서는 압하율이 증가될수록 판재의 폭방향 길이가 증가되기 때문에 대형 압연기가 필요하고, 교차압연시 소요되는 시간이 길어지면서 열간압연 온도 제어가 어려워지는 단점을 가지고 있다. 이러한 교차압연의 단점으로 인해 교차압연은 단중이 큰 후판압연에서만 유효한 수단이고, 일방향 압연만 실시되는 연속열간압연 설비에서는 적용할 수 없는 기술이다. 일방향 열간압연은 고속으로 실시되기 때문에 소재의 온도강하가 적어서 압연온도 제어에 유리할 뿐만 아니라 생산성이 높은 장점을 가지고 있어 널리 이용되는 압연 방법이다. 따라서 일방향 압연에 의해 기계적 성질의 이방성이 적은 타이타늄 합금 열간압연 기술을 확립하는 것은 매우 유용한 기술로서 그 개발이 크게 요구되고 있다.

본 발명은 위와 같은 요구에 대응하기 위해 강도, 연성, 그리고 충격치와 같은 기계적 성질의 이방성이 작은 2상 타이타늄 합금 열간압연 판재 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

2상 타이타늄 합금은 베타상 변태온도 이하에서는 알파상과 베타상이 공존하는데, 그 비율이 온도에 따라 변화된다. 대표적인 α+β 형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V 합금에서 온도에 따른 베타상 분율의 변화를 표 1에 나타내었다(M.T. Cope 등: Journal of Materials Science 21 (1986) p.4003-4008). 본 발명자 등은 일방향 열간압연에 앞서 압연용 소재를 베타상 변태온도 이상으로 균열한 후 냉각수를 이용해서 급냉해서 미세한 마르텐사이트(Martensite) 조직을 형성시킨 후, 일방향 열간압연시 열간압연온도를 베타상 분율이 낮은 온도 범위로 제어함으로써 타이타늄 합금 열간압연판의 기계적 성질 이방성을 크게 감소시키는 방법을 고안하였다. 본 발명은 열간압연에 앞서 열간압연용 소재를 베타상 영역으로 균열한 후 급냉해서 미세한 마르텐사이트 조직이 형성되도록 제어하고, 일방향 열간압연 시 재가열 온도, 압연개시 온도, 압연종료 온도를 제어해서 베타상 분율이 28~37% 인 온도범위에서 열간압연이 실시되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 열간압연용 소재가 미세한 마르텐사이트 조직을 가지도록 제어하는 것은 열간압연에 앞서 실시되는 재가열 공정에서 형성되는 알파상의 두께를 감소시켜 열간압연에 의해 미세하게 절단되어 균일하고 미세한 열간압연 조직이 형성되는 효과를 증가시키는데 목적이 있다. 열간압연용 소재의 미세조직이 조대한 마르텐사이트 또는 바구니 무늬 조직(basket weave structure)으로 되면, 재가열 공정에서 알파상이 두껍게 성장되어 열간압연에 의해 절단되지 않고 잔류됨으로써 불균일하고 조대한 열간압연 조직을 형성시킬 뿐만 아니라 열간압연온도 제어를 통해 시도되는 집합조직 제어효과를 감소시킴으로써 이방성을 증가시키는 문제점이 있게 된다. 그리고 열간압연온도를 베타상의 분율이 28~37% 인 온도범위로 제한하는 것은 열간압연 변형저항을 적게하면서 이방성을 초래하는 횡단 집합조직을 억제하는데 목적이 있다. 베타상의 분율이 28% 이하로 지나치게 낮으면, 열간압연온도가 너무 낮기 때문에 변형저항이 현저히 증가되거나 균열이 발생될 위험이 있다. 그리고 베타상 분율이 37% 이상인 온도범위에서는 베타상 변태로 초래되는 횡단 집합조직이 형성되면서 이방성이 증가되는 문제를 가진다.

<표1>Ti-6Al-4V 합금에 있어서 온도에 따른 β상 분율.

온도(℃)	760	780	800	830	845	860	890	920	950
β상 분율(%)	28	29.5	31	35	37	39	44	54	68

본 발명에 의한 2상 타이타늄 합금의 일방향 열간압연 방법에 관해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 2상 타이타늄 합금 잉고트를 분괴압연 공정을 거쳐 블룸(bloom) 또는 슬라브(Slab)를 제조한 후, 상기 블룸 또는 슬라브를 베타상 변태온도 이상으로 균열한 후 냉각수를 이용해서 급냉한 후, 상기 브룸 또는 슬라브를 베타상의 분율이 28~37%인 온도범위에서 일방향 열간압연해서 열간압연판을 제조한 후, 제품의 용도에 따라 소둔이나 용체화처리 등의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 2상 타이타늄 합금 열간압연 판재 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어서 일방향 열간압연 시 인장특성과 충격치의 이방성이 감소되는 것은 베타상 분율을 적절히 제어해서 베타상의 상변태에 의해 초래되는 횡단 집합조직 성분을 최소화하고 저면 집합조직 성분을 증가시키기 때문이다. 한편, 본 발명에서는 열간압연용 소재가 미세한 마르텐사이트 조직을 가지도록 제어해서 최종 열간압연 조직이 균일하고 미세하게 되도록 함으로써 균일한 기계적 성질이 얻어지는 효과가 있다.

본 발명 기술은 알파상과 베타상으로 구성된 2상 타이타늄 합금에 적용가능하며, 대표적인 2상 타이타늄 합금의 예로 Ti-6Al-4V 합금을 비롯해서 Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-3Al-2.5V, Ti-7Al-4Mo, 등이 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

대표적인 2상 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V 합금 잉고트를 단조해서 제조된 블룸을 1050^oC 에서 균열한 후 냉각속도를 변화시켜 상온까지 냉각시켜 열간압연용 소재로 제공했다. 본 발명과 비교 예에서 열간압연에 앞서 실시된 열처리 조건을 표 2에 나타내었다. 본 발명에 의해 제조된 열간압연용 소재는 냉각수를 이용해서 급냉되었고, 비교 예의 경우에는 공냉해서 열간압연용 소재로 제공되었다. 상기와 같이 준비된 열간압연용 소재는 표 2와 같은 조건으로 열간압연온도를 변화시켜 일방향으로 열간압연되었다. 일방향 열간압연시 압하율을 80% 로 일정하게 하되 초기 두께와 최종두께를 각각 60 mm 와 12 mm 로 하였다. 본 발명에서는 재가열온도와 압연개시 온도를 제어해서 베타상의 분율이 28~37% 인 760~845^oC 범위에서 열간압연이 실시되도록 하였다. 반면에 비교 예에서는 열간압연에 앞서 실시된 열처리시 수냉된 열간압연용 소재의 경우에는 베타상의 분율이 39% 이상인 860~950^oC 범위에서 열간압연이 실시되었고, 열처리시 공냉된 열간압연용 소재의 경우에는 베타상의 분율이 31% 이상인 800~920^oC 범위에서 열간압연이 실시되었다.

<표2> 본발명과 비교예로 실시된 열처리 및 일방향 열간압연 조건.

구분	열간압연전 열처리	열간압연온도(℃)
본발명1	1050℃×2hr/수냉	760
본발명2	1050℃×2hr/수냉	780
본발명3	1050℃×2hr/수냉	800
본발명4	1050℃×2hr/수냉	830
본발명5	1050℃×2hr/수냉	845
비교예1	1050℃×2hr/수냉	860
비교예2	1050℃×2hr/수냉	890
비교예3	1050℃×2hr/수냉	920
비교예4	1050℃×2hr/공냉	800
비교예5	1050℃×2hr/공냉	830
비교예6	1050℃×2hr/공냉	860
비교예7	1050℃×2hr/공냉	920

표 2와 같이 제조된 열간압연 판재를 800^oC 로 가열해서 1시간동안 소둔열처리를 실시해서 인장시험과 V-노치 샤르피(charpy) 충격시험에 제공하였다. 인장시험과 충격시험은 상온에서 실시하였으며, 시험결과로부터 0.2% 항복강도, 인장강도, 단면감소율, 충격치를 측정하여 기계적 성질 이방성을 평가하였다. 상기 인장시험과 충격시험으로 얻어진 본 발명과 비교 예의 항복강도, 인장강도, 단면감소율, 충격치 및 각각의 이방성을 표 3에 나타내었다. 표 3에서 T와 L은 인장시험 방향과 충격시험 방향을 표시한다. 항복강도, 인장강도, 단면감소율의 경우, T는 인장시험이 열간압연 방향에 수직하고 판면에 평행한 방향 즉 판재의 폭 방향으로 실시된 것이고, L은 인장시험이 열간압연 방향과 판면에 모두 평행한 방향 즉 판재의 길이 방향으로 실시된 것이다. 충격치의 경우, T는 충격시편의 장변이 열간압연 판재의 폭 방향에 평행하고 노치 선이 열간압연 판재의 두께 방향에 평행하도록 시험해서 균열이 열간압연 판재의 길이방향으로 진전되도록 한 것이고, L은 충격시편의 장변이 열간압연 판재의 길이 방향에 평행하고 노치 선이 두께방향에 평행하도록 시험해서 균열이 열간압연 판재의 폭 방향으로 진전되도록 한 것이다. 기계적성질의 이방성은 열간압연 판재의 폭방향(T)의 물성값을 길이방향(L)의 물성값으로 나눈 값(T/L)의 크기로 나타내었는데, 기준 값인 1.0과 편차가 클수록 이방성이 크다는 것을 의미한다. 이하에서는 이방성 크기를 T/L의 기준 값 1.0과의 편차로 설명한다.

<표3>본 발명과 비교예로 제조된 일방향 열간압연 소둔재의 기계적성질의 이방성.

구분	항복강도(MPa)			인장강도(MPa)			단면감소율(%)			충격치(J)
구분	T	L	T/L	T	L	T/L	T	L	T/L	T	L	T/L
본발명1	1018	960	1.06	1076	1045	1.03	36.2	38.5	0.94	35	39	0.89
본발명2	1012	973	1.04	1068	1066	1.00	38.5	39.3	0.98	38	39	0.97
본발명3	1005	956	1.05	1058	1055	1.00	40.8	42.0	0.97	36	38	0.95
본발명4	997	947	1.05	1049	1037	1.01	43.5	45.3	0.96	33	37	0.89
본발명5	983	945	1.04	1046	1031	1.01	46.1	45.6	1.02	31	37	0.84
비교예1	972	934	1.04	1043	1023	1.02	48.8	44.3	1.10	28	36	0.78
비교예2	963	913	1.05	1032	1010	1.02	46.2	40.0	1.16	24	34	0.71
비교예3	975	911	1.07	1047	999	1.05	38.3	35.8	1.07	24	38	0.63
비교예4	980	924	1.06	1032	992	1.04	43.8	39.4	1.11	32	44	0.73
비교예5	971	891	1.09	1024	957	1.07	45.2	41.1	1.10	30	43	0.70
비교예6	962	875	1.10	1014	939	1.08	46.1	41.2	1.12	29	43	0.67
비교예7	939	838	1.12	993	903	1.10	36.5	32.0	1.14	26	42	0.62

위 표3으로부터 파악되는 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 일방향 열간압연 소둔열처리재의 경우, 항복강도, 인장강도, 단면감소율, 충격치의 이방성 크기가 각각 0.04~0.06, 0.0~0.03, 0.02~0.06, 0.03~0.16 으로 작게 나타났음을 알 수 있 다. 반면에 비교 예에 의해 제조된 일방향 열간압연 소둔열처리재의 경우, 항복강도, 인장강도, 단면감소율, 충격치의 이방성이 각각 0.04~0.12, 0.02~0.10, 0.07~0.16, 0.22~0.38 로 크게 나타났는데, 특히 단면감소율과 충격치의 이방성이 본 발명에 비교해서 현저히 크게 나타났다.

이상의 실시예로부터 본 발명에 의해 항복강도, 인장강도, 단면감소율로 대변되는 연성, 그리고 충격치로 대변되는 인성과 같은 기계적 성질의 이방성이 감소된 열간압연 판재를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 α+β 형 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조공정 중에서 열간압연에 앞서 실시되는 열처리 공정에 있어서 열간압연용 소재인 블룸 또는 슬라브를 베타상 변태온도 이상으로 균열한 후 냉각수를 이용해서 급냉한 후, 상기 브룸 또는 슬라브를 일방향으로 열간압연할 때 열간압연온도를 베타상의 분율이 28~37%인 온도범위로 제어함으로써, 기계적 성질의 이방성 특히 단면감소율로 대변되는 연성과 충격치로 대변되는 인성의 이방성이 종래보다 현저히 감소된 일방향 열간압연 판재를 제조할 수 있게 된 효과를 제공하는 것이다.

Claims

열간압연에 앞서 실시되는 열처리 공정에서 블룸 또는 슬라브 형태의 소재를 베타상 변태온도 이상으로 균열한 후 냉각수로 급냉하여 마르텐사이트 조직을 갖는 열간압연용 소재를 제공하는 단계와; 상기 블룸 또는 슬라브를 일방향으로 열간압연하여 베타상 변태에 의해 형성되는 횡단 집합조직 성분을 억제하는 단계로 이루어진 기계적 성질의 이방성이 작은 알파상과 베타상 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조방법에 있어서;

상기 일방향 열간압연시 상기 블룸 또는 슬라브에 대한 재가열 온도와 압연개시 온도를 제어해서 베타상 분율이 28% ~ 37%인 760~845℃의 온도범위에서 압하율 80%로 열간압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 알파상과 베타상의 2상 타이타늄 합금의 열간압연 판재 제조방법.
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