KR101258729B1 - 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법 - Google Patents
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Abstract
표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법이 제공된다.
이 산세방법은 산세전처리와 혼합산세액으로 산세하는 티타늄 판재의 산세방법에 있어서, 상기 산세전처리는 연마석의 입자가 JIS No.80메쉬 이하로 충진된 제1 브러쉬를 사용하여 연마하는 제1 브러쉬 연마단계; 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제1 혼산조에서 산세하는 제1 산세단계; 연마석의 입자가 JIS No.100메쉬 이상으로 충진된 제2 브러쉬를 사용하여 연마하는 제2 브러쉬 연마단계; 및 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제2 혼산조에서 산세하는 제2 산세단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 티타늄 판재의 산세방법은 빠른 산세속도를 유지하면서도 우수한 표면조도를 확보하여 최종제품으로 열연 티타늄 판재를 사용하는 경우 부식 환경에서 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 열연판재를 냉연할 때 표면조도가 나쁠 경우 발생할 수 있는 표면품질 열화를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
티타늄 판재, 숏 투사, 브러쉬 연마, 혼합산세액, 산소부화층, 표면품질
Description
본 발명은 산세전처리와 혼합산세액으로 산세하는 티타늄 판재의 산세방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 산세전처리로서 숏 투사(shot blasting) 공정을 생략하는 대신 브러쉬 연마공정을 추가하고 산세조건을 제어함으로써 빠른 산세속도를 유지하면서도 우수한 표면품질을 확보할 수 있는 티타늄 판재의 산세방법에 관한 것이다.
일반적으로 티타늄 판재를 산세하기 전 700~800℃ 온도범위에서 압연조직을 연화하기 위한 목적으로 소둔 열처리가 행해진다. 그런데, 이러한 열간압연 또는 소둔 열처리과정에서 형성된 TiO2 산화스케일은 매우 치밀하여 화학 산세처리만으로 제거가 어려울 뿐만 아니라 스케일을 제거하는데 장시간이 소요된다.
따라서, 스테인리스강이나 티타늄 판재와 같이 난산세성 강종에 대해서는 산세 전에 기계적 전처리를 행하고 질산+불산의 혼합산세액에서 화학산세를 행하는 것이 일반적이다.
도 1은 종래의 산세 공정 모식도를 나타낸다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 대부분의 티타늄 열연판재는 기계적 전처리 방법으로서 숏 투사(shot basting) 공정을 행하는데 숏 블라스터(1)를 사용하여 작은 구형의 금속으로 만들어진 쇼트(shot)를 분사하여 스케일을 박리시키거나 스케일에 미세 균열을 일으킴으로써 황산조(2)와 일련의 혼산조(4)에서 산용액이 모재(matrix)에 쉽게 접촉함에 의해 산세반응을 촉진시키는 방법을 사용하고 있다.
최근에는 이러한 기술에다 산세속도를 높이기 위해 별도의 브러쉬를 사용하여 산세속도를 높이는 공정이 알려지고 있는데, 이때 사용하는 브러쉬 재질에 따라 산세속도가 달라질 수 있다.
숏 투사의 전처리를 이용한 산세방법의 종래기술로는 일본 공개특허공보 소61-143569호가 있으며, 상기 특허에서는 평균입도 0.3~0.5mmf의 구형 쇼트를 이용하여 투사속도 80m/sec, 투사밀도 60kg/m2으로 전처리한 후, 질산 10%, 불산 0.6%으로 조성되는 혼합산세액에서 10분간 산세하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 실제 대부분 티타늄의 산세공정은 스테인리스 산세공정을 이용하는 데, 스테인리스강의 혼산조 길이는 대부분 40m이내이고 소둔과 산세가 연속적으로 이루어져 실제적으로는 최소한 3분 이내에 산세가 끝나야 하기 때문에, 상기 종래기술은 산세시간이 길어 실제 공정에 적용시킬 수 없는 문제를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술로는 일본 공개특허공보 평8-296071호가 있다. 상기 종래기술에서는 산세속도를 증가시키기 위하여 혼합산세액 중 불산의 농도를 10%까지 올려 산세하는 방법을 기재하고 있는데, 혼산조의 산세속도가 질산/불산의 비가 높을수록 증가하는 것을 고려하면 산세후 표면품질의 편차가 심하게 나타나는 문제를 가지고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 산세전처리로서 숏 투사(shot blasting) 공정을 생략하는 대신 브러쉬 연마공정을 추가하고 산세조건을 제어함에 따라 빠른 산세속도를 유지하면서도 우수한 표면품질을 확보할 수 있는 티타늄 판재의 산세방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 산세전처리와 혼합산세액으로 산세하는 티타늄 판재의 산세방법에 있어서, 상기 산세전처리는 연마석의 입자가 JIS No.80메쉬 이하로 충진된 제1 브러쉬를 사용하여 연마하는 제1 브러쉬 연마단계; 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제1 혼산조에서 산세하는 제1 산세단계; 연마석의 입자가 JIS No.100메쉬 이상으로 충진된 제2 브러쉬를 사용하여 연마하는 제2 브러쉬 연마단계; 및 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제2 혼산조에서 산세하는 제2 산세단계;를 포함하여 이루어지는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서 연마석은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 고분자 물질인 것이 바람직하고, 제1 및 제2 브러쉬 연마단계는 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 하고 브러쉬 롤의 회전수를 800~1000rpm으로 하여 연마하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 질산-불산의 혼합산세액은 질산 100~150ｇ/ｌ, 불산 30~50ｇ/ｌ, 금속이온 30ｇ/ｌ이하로 조성되고, 혼합산세액에서 질산/불산의 비는 2~4이며, 혼합산세액의 온도는 40~50℃인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 제1 및 제2 산세단계는 120초 이상 산세를 행하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 본 발명의 티타늄 판재의 산세방법은 빠른 산세속도를 유지하면서도 우수한 표면조도를 확보하여 최종제품으로 열연 티타늄 판재를 사용하는 경우 부식 환경에서 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 열연판재를 냉연할 때 표면조도가 나쁠 경우 발생할 수 있는 표면품질 열화를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
일반적으로 기계적 산세전처리로서 사용되는 숏 투사는 스케일을 포함한 모재를 단시간에 제거할 수 있어 산세속도를 증가시키는 장점이 있는 반면, 표면에 
형태의 평균조도(Ra) 5㎛ 이상의 손상을 주기 때문에 산세 후 표면조도가 악화되는 문제점을 가지고 있다. 특히, 이러한 숏 투사 공정에 따른 문제점으로 인하여 열연판을 최종제품으로 사용하거나 표면이 미려한 고급 냉연제품을 생산하기 위해서는 열연산세 후 별도의 연마공정을 거칠 수 밖에 없는 실정이다.
따라서, 본 발명자들은 산세전처리로서 숏 투사공정을 행함에 따라 발생할 수 있는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 연구하던 중 표면품질을 열화시키는 숏 투사 공정을 생략하는 대신 브러쉬 연마공정을 추가하고 이에 따라 산세조건을 최적화함에 따라 종래의 숏 블라스터(shot blaster)를 사용할 때의 산세속도를 유지하면서도 보다 우수한 표면품질을 확보할 수 있음을 실험을 통해 확인하고, 그 실험결과를 기초로 하여 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 숏 투사 공정을 생략하는 대신 2차에 걸친 브러쉬 연마공정을 통해 산세전처리를 행하였고, 이에 따라 숏 투사 공정의 기계적 전처리 효과보다 부족할 수 있는 전처리 효과는 혼산조에서 산세반응의 효율성을 극대화하도록 산세조건을 최적화한 것이다.
도 2(a)는 티타늄 슬라브의 산소부화층 단면을 나타내고, 도 2(b)는 산소부화층의 경도변화를 나타내는 그래프이다.
스테인리스강의 경우 산세공정에서 열간압연 및 소둔시 발생한 스케일만 제거하면 되지만, 티타늄강의 경우에는 산소와의 친화력이 높기 때문에 도2(a)에 나타난 바와 같이 열간압연하기 전 슬라브 상태에서 스케일 아래에 스케일과 산화물이 형성된 준안정층인 산소부화층(a-case)이 존재할 수 있다.
또한, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 이 영역의 경도값은 모재(matrix)보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서 경도값이 높은 산소부화층은 압연과정에 잘 깨어지며, 압연과정에서 발생된 미세한 크랙(crack)은 모재 내부까지 전파되어 도 3과 같이 약 30㎛정도의 결함층을 형성한다.
따라서, 이러한 결함층을 산세공정에서 완전히 제거하지 않을 경우 냉연과정에서 크랙(crack)이 전파되어 표면품질 저하의 원인이 되기 때문에 별도의 연마공정에서 완전히 제거되어야 한다. 즉, 티타늄강은 산세공정에서 스케일 뿐만 아니라 산소부화층까지 제거해야 하는 특성을 고려해야 하는 것이다.
최근 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기계적 전처리 방법으로 숏 투사 조건을 강화하여 산세 후 별도의 연마공정을 거치지 않고 산세하는 방법이 사용되고 있다. 이러한 방법은 산세 과정에서 스케일과 산소 부화층을 단시간에 제거할 수는 있지만, 금속 쇼트(shot)에 의한 깊은 표면 요철로 인해 표 1에 나타낸 바와 같이 산세 후 표면이 거칠어 지는 단점이 있다.
| 제조사 | Ra | Rmax | 백색도 |
| A사 | 4.98 | 30.5 | 67.3 |
| B사 | 2.71 | 19.26 | - |
| C사 | 2.38 | 15.32 | 69.6 |
즉, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기계적 전처리 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 숏 블라스터(shot blaster)를 사용하지 않고 연삭브러쉬를 사용하여 표면품질이 우수한 산세 제품을 확보할 수 산세방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 산세공정에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명에 따른 티타늄 판재의 산세공정을 나타내는 모식도이다.
먼저, 산세전처리로서 연마석의 입자가 JIS NO. 80메쉬 이하로 충진된 제1 브러쉬(3)를 사용하여 제1 브러쉬 연마단계를 행한다. 이때, 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 하고 브러쉬 롤의 회전수를 800~1000rpm으로 하여 연마를 행할 수 있다. 상기 제1 브러쉬(1)는 연삭이 잘되는 연마석이 함유된 경한 재질을 갖는 것이 바람직한데, 이러한, 경도를 갖는 물질로서, 예컨대 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 고분자 물질이 사용될 수 있다.
상기 연마석의 입자가 JIS No.80메쉬 미만인 브러쉬를 사용하거나 롤 회전수가 800rpm 미만으로 연마하는 경우에는 본 발명에서 목표로 하는 스케일 제거가 잘 이루어지지 않는 반면, 브러쉬 롤의 회전수가 1000rpm을 초과하는 경우에는 표면품질이 나빠질 수 있다. 또한, 본 발명에서는 강판과 연마모와의 압하량 측정을 위해 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 제어하는데, 2mm 미만이거나 3mm를 초과하는 경우에는 본 발명에서 목표로 하는 스케일 제거가 잘 이루어지지 않거나 표면품질이 나빠질 수 있다. 따라서, 제1 브러쉬 연마단계에서 제1 브러쉬는 연마모내에 연마석의 입자가 JIS No.80메쉬 이하로 충진된 브러쉬를 사용하여 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 하고 브러쉬 롤의 회전수를 800~1000rpm으로 하여 연마하는 것이 바람직하다.
상기 제1 브러쉬 연마단계 후 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제1 혼산조(4)에서 산세하는 제1 산세단계를 행한다. 이때, 상기 질산-불산 혼합산세액은 질산 100~150ｇ/ｌ, 불산 30~50ｇ/ｌ, 금속이온 30ｇ/ｌ이하로 조성되고, 상기 혼합산세액에서 질산/불산의 비는 2~4인 것이 바람직하다. 상기 불산농도 30ｇ/ｌ 미만, 질산농도 100ｇ/ｌ 미만, 또는 금속이온이 30ｇ/ｌ를 초과하는 경우, 미산세가 발생할 수 있고, 불산농도가 50ｇ/ｌ을 초과하거나 질산농도가 150ｇ/ｌ을 초과하는 경우에는 과산세가 발생할 수 있다. 또한, 상기 질산/불산비가 2보다 작을 경우에는 용삭량이 너무 커서 과산세가 발생할 수 있고, 4보다 클 경우에는 용삭량이 작아서 미산세가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 혼합산세액의 온도는 40~50℃인 것이 바람직하다. 상기 혼합산세액의 온도가 40℃ 미만인 경우 반응성이 낮아져 미산세가 발생할 수 있고, 50℃를 초과하는 경우에는 NOx 발생이 심해 산세 후 강표면에 얼룩이 남기 때문이다. 따라서, 본 발명의 혼합산세액의 온도는 40~50℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 제1 산세단계는 120초 이상 행해지는 것이 바람직하다. 120초 미만인 경우에는 산세과정이 충분하기 않아 미산세가 발생할 수 있다.
상기 제1 산세단계 이후 연마석의 입자가 JIS No.100메쉬 이상으로 충진된 제2 브러쉬를 사용하여 연마하는 제2 브러쉬 연마단계를 행한다. 제2 브러쉬 연마단계에서는 제1 브러쉬보다 부드러운 재질의 브러쉬로 2차 연삭하여 표면품질이 나빠지지 않도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 제2 브러쉬 연마단계에서는 연마석의 입자가 JIS No.100메쉬 이상으로 충진된 제2 브러쉬를 사용하고 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 하고 브러쉬 롤의 회전수를 800~1000rpm으로 하여 연마하는 것이 바람직하다.
이후, 질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제2 혼산조(6)에서 산세하는 제2 산세단계를 행한다. 여기서, 질산농도, 불산농도, 금속이온농도, 혼합산세액의 온도, 및 산세공정 시간은 상기 제1 산세단계의 조건과 동일하게 행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 산세방법은 상기 제1 브러쉬 연마단계 전 황산농도 100~200ｇ/ｌ, 온도 70~90℃의 황산용액이 수용된 황산조(2)에서 30~60초 동안 전처리 산세를 행하는 단계를 포함할 수 있다. 더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 산세방법은 산세가 끝난 판재에 부착된 이물질을 깨끗하게 제거하기 위하여 고압 수세조(7)의 마무리 단계를 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
3mm두께의 티타늄 열연판재를 750℃에서 3분간 열처리한 다음 50mm × 50mm로 절단하여 표 2에 나타낸 산세 조건과 같이 기계적 전처리 방법으로 숏 투사 또는 브러쉬 연마로 전처리를 행하고 산세를 실시하였다. 이때 사용된 제1 브러쉬는 JIS No. 80메쉬 이하로 충진된 브러쉬이고, 제2 브러쉬는 JIS No. 100 메쉬 이상으로 충진된 브러쉬이다. 또한, 하기 표 2에서는 산세실험의 결과를 육안으로 확인하여 X : 스케일잔존, △ : 얼룩잔존, O : 산세성 양호, ⊙: 과산세로 나누어 평가하였고, 평균 조도, 최대 조도 및 용삭량을 측정하여 나타내었다.
| 구분 | 기계적 전처리 | HF 농도 (g/l) |
HNO3 농도 (g/l) |
온도 (℃) |
시간 (sec) |
HNO3/HF 비율 |
금속이온농도 (g/l) |
평균조도 (㎛) |
최대 조도 (㎛) |
용삭량 (㎛) |
평가 결과 |
| 비교예1 | 숏투사 | 30 | 100 | 50 | 120 | 3.3 | 30 | 3.5 | 24.6 | 38 | O |
| 비교예2 | 숏투사 | 50 | 100 | 50 | 120 | 2 | 30 | 2.8 | 21.3 | 45 | O |
| 비교예3 | Brush | 25 | 100 | 50 | 120 | 4 | 25 | 2.5 | 16.2 | 12 | X |
| 비교예4 | Brush | 30 | 100 | 50 | 300 | 3.3 | 35 | 2.3 | 15.5 | 15 | X |
| 발명예5 | Brush | 30 | 100 | 50 | 120 | 3.3 | 30 | 1.4 | 9.5 | 40 | O |
| 발명예6 | Brush | 50 | 100 | 50 | 120 | 2 | 30 | 1.2 | 8.3 | 50 | O |
| 비교예7 | Brush | 50 | 100 | 50 | 150 | 2 | 30 | 0.8 | 5.7 | 98 | ⊙ |
| 비교예8 | Brush | 60 | 100 | 50 | 120 | 1.7 | 30 | 0.7 | 5.2 | 95 | ⊙ |
| 발명예9 | Brush | 50 | 150 | 50 | 120 | 3 | 30 | 1.3 | 8.9 | 45 | O |
| 발명예10 | Brush | 30 | 100 | 40 | 120 | 3.3 | 30 | 1.0 | 6.5 | 35 | O |
| 비교예11 | Brush | 30 | 100 | 40 | 100 | 3.3 | 30 | 1.4 | 9.3 | 23 | X |
| 발명예12 | Brush | 30 | 120 | 50 | 120 | 4 | 30 | 1.3 | 8.5 | 32 | O |
| 비교예13 | Brush | 50 | 100 | 50 | 90 | 2 | 30 | 1.1 | 7.8 | 26 | X |
| 비교예14 | Brush | 30 | 100 | 55 | 120 | 3.3 | 30 | 0.8 | 5.8 | 45 | △ |
| 비교예15 | Brush | 30 | 100 | 35 | 120 | 3.3 | 30 | 1.5 | 10.2 | 14 | X |
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예의 경우, 숏 블라스터를 사용하지 않고 연삭 브러쉬와 혼산만을 사용하여 산세하여 표면 거칠기를 개선하여 Ra 1.4㎛ 이하, Rmax 9.5㎛ 이하의 우수한 표면조도를 확보하고, 표면특성이 우수한 티타늄판재를 얻을 수 있었다.
이에 반해, 종래의 숏 블라스터를 사용한 비교예 1,2에서는 산세성은 좋으나 표면 품질이 평균조도 2.8~3.5㎛, 최대조도 21.3~24.6㎛로 좋지 않았다.
또한, 본 발명의 산세조건을 만족하지 않은 비교예(3,4,7,8,11,및 13~15)에서는 스케일 또는 얼룩이 잔존하거나 과산세의 문제가 발생한 것을 확인하였다.
도 1은 종래의 산세공정 모식도를 나타낸다.
도 2(a)는 티타늄 슬라브의 산소부화층 단면을 나타낸다.
도 2(b)는 산소부화층의 경도변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 티타늄 슬라브의 열연후 표면형상을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산세공정 모식도를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 숏 블라스터(shot blaster)
2: 황산조
3: 제1 브러쉬
4: 제1 혼산조
5: 제2 브러쉬
6: 제2 혼산조
7: 수세조
Claims (5)
- 산세전처리와 혼합산세액으로 산세하는 티타늄 판재의 산세방법에 있어서,상기 산세전처리는 연마석의 입자가 JIS No.80메쉬 이하로 충진된 제1 브러쉬를 사용하여 연마하는 제1 브러쉬 연마단계;질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제1 혼산조에서 산세하는 제1 산세단계;연마석의 입자가 JIS No.100메쉬 이상으로 충진된 제2 브러쉬를 사용하여 연마하는 제2 브러쉬 연마단계; 및질산-불산의 혼합산세액이 수용된 제2 혼산조에서 산세하는 제2 산세단계;를 포함하여 이루어지는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 연마석은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 브러쉬 연마단계는 강판과 연마모의 닿는 부분을 2~3mm로 하고 브러쉬 롤의 회전수를 800~1000rpm으로 하여 연마하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 질산-불산의 혼합산세액은 질산 100~150ｇ/ｌ, 불산 30~50ｇ/ｌ, 금속이온 30ｇ/ｌ이하로 조성되고, 상기 혼합산세액에서 질산/불산의 비는 2~4이며, 상기 혼합산세액의 온도는 40~50℃인 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 산세단계는 120초 이상 산세를 행하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 티타늄 판재의 산세방법.
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