KR101342819B1

KR101342819B1 - 티탄판 및 티탄판의 제조 방법

Info

Publication number: KR101342819B1
Application number: KR1020127001078A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 이또오; 야스히로 하야시다; 쇼오고 무라까미; 요시오 이쯔미; 쇼오 가쯔라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2013-12-17
Also published as: JP4681663B2; CN102470407B; WO2011007738A1; CN102470407A; JP2011020135A; KR20120028387A

Abstract

본 발명은 표면으로부터 깊이 200㎚까지의 영역에 있어서의 C 농도의 최대값 및 N 농도의 최대값이, 각각 6at％ 이하, 7at％ 이하이고, 표면의 산화 피막의 두께가 3 내지 15㎚의 범위 내이고, 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.25㎛ 이하이고, 표면의 최대 높이(Rz)가 2.0㎛ 이하인 티탄판을 제공한다. 이 티탄판은, 양호한 내시징성, 내균열성을 갖고, 또한 표면을 평활하게 함으로써, 우수한 프레스 성형성 및 세정성을 발휘한다.

Description

티탄판 및 티탄판의 제조 방법{TITANIUM SHEET AND METHOD FOR PRODUCING TITANIUM SHEET}

본 발명은, 프레스 성형성과 윤활유의 세정성이 우수한 티탄판 및 티탄판의 제조 방법에 관한 것이다.

티탄판은, 내식성이 우수하므로, 화학, 전력 및, 식품 제조 플랜트 등의 열교환기용 부재, 카메라 보디, 주방 기기 등의 민생품이나, 오토바이, 자동차 등의 수송 기기 부재, 가전 기기 등의 외장재에 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 플레이트식 열교환기는, 프레스 성형에 의해 티탄판을 리플(ripple) 형상으로 가공하여 표면적을 늘림으로써 열교환 효율을 높이고 있다. 따라서 티탄판에 의해 깊은 리플 형상을 부여하기 위해 우수한 성형성이 필요해진다. 또한, 티탄판을 카메라의 하우징이나 가전 제품의 외장 물건, 주방 기기용 부재 등으로 가공하는 경우에는, 우수한 성형성과 함께 윤활유의 세정성이 우수한 것도 요구된다.

티탄판은, r값(랭크포드값:일축 인장 변형시에 있어서의 판 두께 방향의 대수 변형에 대한 판폭 방향의 대수 변형의 비)이 높아, 판재 자체의 교축 성형성이 높다. 그러나 활성의 금속이므로, 성형 공정에서 성형 금형과의 시징이 발생하여, 이것이 리플 형상을 깊게 가공할 수 없는 등, 성형 한계를 낮추는 요인으로 되고 있다. 그로 인해, 특히 교축 가공을 중시하는 성형품의 분야에 있어서는, 종래부터 성형 금형과의 시징을 방지하여 성형성을 향상시키는 것이 시도되고 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1 내지 5에서는, 성형 금형과의 시징을 방지하기 위해, 티탄판 표면에 반응성이 낮은 표면 경질층을 형성하는 것이 제안되어 있다.

특허 문헌 1에서는, 티탄판 표면에 0.1㎛ 이상, 1.0㎛ 이하의 질화티탄층을 형성하고, 그 하층에 질소의 확산층을 형성하는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에서는, 티탄판 표면에 0.5㎛ 이상, 5.0㎛ 이하의 질소 부화층을 형성하는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에서는, 티탄판 표면에 250옹스트롬 이상의 산화 피막을 생성시키는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 4에서는, 티탄판 표면의 질소 농도를 소정 범위 내로 제어하고, 판 표면의 평균 거칠기(Ra)를0.05 내지 0.5㎛로 하는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 5에서는, 티탄판의 표면 근방에 탄화티탄 함유층을 형성하고, 또한 당해 탄화티탄 함유층의 두께를 300옹스트롬 이상으로 제어하는 것이 제안되어 있다.

또한, 특허 문헌 6, 7에서는, 표면 경질층을 형성한 티탄판의 성형성을 향상시키기 위해, 티탄판의 표면 경도를 적절하게 낮추는 것이 제안되어 있다.

특허 문헌 6에서는, 티탄판 표면에 있어서의 하중 50gf의 비커스 경도를 180 내지 280, 하중 200gf의 비커스 경도를 170 이하로 하고, 에릭센값을 11.5mm 이상으로 하는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 7에서는, 티탄판 표면에 있어서의 하중 200gf의 비커스 경도를 170 이하, 산화 피막의 두께를 150옹스트롬 이상으로 하는 것이 제안되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평10-60620호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-204609호 공보 일본 특허 출원 공개 평6-248404호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-244671호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-291362호 공보 일본 특허 제3600792호 공보 일본 특허 출원 공개 제2002-194591호 공보

그러나 특허 문헌 1 내지 5에 기재된 티탄판은, 내시징성을 중시하는 가공을 실시하는 제품에의 적용은 바람직하지만, 돌출 성형이나 굽힘 성형을 중시하는 성형에서는, 반대로 표면의 균열이 발생하기 쉬워져 성형성이 열화된다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 6, 7에 기재된 티탄판은, 냉간 압연 후에 산세 처리를 실시함으로써 티탄판 표면에 요철이 형성되므로, 프레스 성형시에 사용되는 윤활유가 당해 요철에 들어가, 프레스 성형 후의 윤활유의 세정에 시간이 걸린다고 하는 문제가 있었다. 따라서 내시징성, 성형성 및 윤활유의 세정성을 겸비하는 티탄판은 지금까지 존재하지 않았다.

상기한 바와 같이, 티탄판의 표면에 산화 피막 등의 표면 경질층을 형성하면, 돌출 성형, 굽힘 성형시에 균열이 발생하기 쉬워진다. 특히, 냉간 압연과 진공 어닐링의 공정에서는 티탄판 표면에 탄화티탄이 형성되기 쉽고, 예를 들어 표면에 균일하게 탄화티탄층이 형성되어 있는 경우에는, 균열의 발생율이 더욱 증대한다.

또한, 냉간 압연 공정에서 티탄판이 압연 롤과 시징을 일으키면, 티탄 표면이 윤활유와 반응하여 탄화티탄이 형성된다. 또한, 시징에 의해 티탄판 표면에 형성된 미세한 요철에 윤활유가 들어가, 윤활유를 세정 제거하는 것이 곤란해진다. 그 후의 진공 어닐링 공정에서 더욱 탄화티탄이 형성된다. 표면에 탄화티탄이 형성되면, 진공 어닐링 공정에서 산화티탄의 형성이 저해된다.

또한, 티탄판 표면에 탄화티탄층을 형성하는 것은, 성형 금형과의 시징 발생의 원인으로도 된다. 즉, 탄화티탄층은 산화 피막보다도 경도가 높으므로, 단순히 표면 경도만을 제어하였다고 해도, 표면에 그것보다도 경도가 높은 탄화티탄층이 형성되어 있으면, 상대적으로 표면 경질층의 두께가 얇아진다. 따라서 프레스 성형시에 기초 티탄이 노출되어, 성형 금형과 접촉하여 시징을 일으키기 쉬워진다.

프레스 성형 공정에 있어서는, 이러한 시징을 방지하기 위해 점도가 높은 윤활유를 사용하는 경우가 있지만, 윤활유의 점도를 높게 하면 그 세정 제거가 더욱 곤란해져, 생산성을 저해해버리는 문제가 있었다(특히 식품 관련 부재 등, 높은 청정도가 요구되는 용도에 사용하는 경우).

또한, 티탄판 표면에 탄화티탄을 형성하지 않고, 또한 적당한 표면 경도를 갖는 산화 피막을 형성하기 위해, 냉간 압연 또는 진공 어닐링 후에 산세 처리를 실시하여 표면층을 한번 제거하는 것도 생각되지만, 티탄판 표면에 요철이 형성되어 세정성이 저해되는 동시에, 프로세스가 번잡해지므로 바람직하지 않다.

본 발명은 이러한 배경하에 이루어진 것이며, 양호한 내시징성, 내균열성, 평활한 표면을 갖고, 프레스 성형성과 윤활유의 세정성이 우수한 티탄판을, 번잡한 프로세스를 필요로 하지 않고 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 청구항 1에 관한 티탄판은, 표면으로부터 200㎚까지의 영역에 있어서의 C 농도의 최대값이 6at％ 이하 및, N 농도의 최대값이 7at％ 이하이고, 표면의 산화 피막의 두께가 3 내지 15㎚의 범위 내이고, 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.25㎛ 이하이고, 표면의 최대 높이(Rz)가 2.0㎛ 이하인 구성으로 한다.

이러한 구성을 구비하는 티탄판은, 티탄판 표면의 C 농도 및 N 농도를 소정 이하로 하고, 산화 피막의 두께를 소정 범위 내로 함으로써, 표면의 경도를 조절하여 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면의 산술 평균 거칠기(Ra) 및 최대 높이(Rz)를 소정 범위 내로 함으로써, 오일 저류부(요철부)가 없는 평활한 표면을 얻을 수 있다.

또한, 청구항 2에 관한 티탄판은, 표면에 있어서의 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도가, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도보다도 높고, 그 차가 30 내지 60의 범위 내인 구성으로 한다.

이러한 구성을 구비하는 티탄판은, 표면에 있어서의 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도를 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도보다도 높게 하고, 또한 그 차를 소정 범위 내로 함으로써, 티탄판 표면의 경도를 성형성이 보다 우수하도록 적절한 범위로 조절할 수 있다.

또한, 청구항 3에 관한 티탄판은, JIS G 0552에 규정된 절단법에 의해 절단한 단면을 광학 현미경으로 관찰한 경우에 있어서의 결정립 직경이, 평균 절편 길이로 20 내지 80㎛의 범위 내인 구성으로 한다.

이러한 구성을 구비하는 티탄판은, 결정립 직경의 크기를 소정 범위 내로 제어함으로써, 티탄판의 가공 경화 지수와 강도의 균형을 맞출 수 있다.

또한, 청구항 4에 관한 티탄판은, 판 두께가 1.0mm 이하인 구성으로 한다.

이러한 구성을 구비하는 티탄판은, 열교환기용 부재로서 적절하게 사용할 수 있다.

그리고 청구항 5에 관한 티탄판의 제조 방법은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 티탄판을 제조하는 방법이며, 외경이 150㎜ 이상의 압연 롤과, 에스테르유 또는 유지로 이루어지는 윤활유를 사용하고, 압연 속도 15m/min 이상, 1패스당 압하율 15％ 이하에서 냉간 압연을 행하는 냉간 압연 공정과, 진공도가 5×10^-4torr 이하, 또는 아르곤 분위기의 불활성 환경 하에서 진공 어닐링을 행하는 어닐링 공정을 갖는 구성으로 한다.

이러한 구성을 구비하는 티탄판의 제조 방법은, 압연 롤의 외경, 윤활유의 종류, 압연 속도, 압하율을 소정 범위로 규정함으로써, 냉간 압연 중에 판 표면에 도입되는 윤활유의 양을 증대시켜, 냉간 압연 중의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 진공 어닐링을 실시함으로써 냉간 압연의 변형을 개방하여 재결정을 촉진시켜, 충분한 신장을 얻을 수 있다. 또한, 진공 어닐링의 진공도를 소정 수치 이하로 함으로써 산화 피막 두께를 조정할 수 있다.

청구항 1에 관한 티탄판에 따르면, 티탄판 표면의 C 농도 및 N 농도를 소정 이하로 하고, 산화 피막의 두께를 소정 범위 내로 함으로써, 우수한 성형성을 발휘할 수 있다. 또한, 표면의 산술 평균 거칠기(Ra) 및 최대 높이(Rz)를 소정 범위 내로 하여 평활한 표면을 얻음으로써, 압연 롤이나 성형 금속 부재와의 시징을 방지할 수 있는 동시에 윤활유의 세정성을 향상시킬 수 있다.

청구항 2에 관한 티탄판에 따르면, 티탄판 표면의 경도를 성형성이 보다 우수하도록 적절한 범위로 조절함으로써 성형시의 균열을 적절하게 방지할 수 있다.

청구항 3에 관한 티탄판에 따르면, 결정립 직경의 크기를 소정 범위 내로 제어하여 티탄판의 가공 경화 지수와 강도의 균형을 맞춤으로써 성형성을 향상시킬 수 있다.

청구항 4에 관한 티탄판에 따르면, 성형성 및 세정성이 우수한 티탄판을, 열교환기용 부재로서 적절하게 사용할 수 있다.

청구항 5에 관한 티탄판에 따르면, 압연 롤의 외경, 윤활유의 종류, 압연 속도, 압하율을 소정 범위를 적정화하여 냉간 압연 중에 판 표면에 도입되는 윤활유의 양을 증대시킴으로써, 냉간 압연 중의 시징을 방지할 수 있다. 또한, 진공 어닐링의 진공도를 소정 수치 이하로 하여 산화 피막의 두께를 조정함으로써, 티탄판의 성형성을 향상시킬 수 있다.

도 1의 (a)는 성형성의 평가를 행하기 위한 성형 금형의 형상을 도시하는 평면도이고, 도 1의 (b)는 (a)의 F-F 단면도이다.

본 발명에서는, 티탄판 표면의 C 농도 및 N 농도, 표면 거칠기 등의 표면 상태의 제어에 착안함으로써 내시징성, 성형성 및 윤활유의 세정성을 겸비하는 티탄판을 제공한다. 여기서, 성형성이라 함은, 소재의 가공성, 내균열성, 프레스 성형 금형에 대한 내시징성 등을 총칭한 것이다. 이하, 본 발명에 관한 티탄판에 대해 상세하게 설명한다.

(조성)

본 발명은 특정한 조성의 티탄판에 한정되는 것은 아니지만, 일례로서 Ti 및 불가피 불순물로 이루어지는 순(純)티타늄판을 들 수 있다. 상기 불가피 불순물로서는, 예를 들어 O, Fe, H, C, N 등을 들 수 있지만, 모재의 성형성 확보의 관점으로부터, O를 1500ppm 이하, 보다 바람직하게는 1000ppm 이하로 억제하고, Fe를 1500ppm 이하, 보다 바람직하게는 1000ppm 이하로 억제하고, H를 130ppm 이하로 억제하고, C를 800ppm 이하로 억제하고, N을 300ppm으로 억제하는 것이 바람직하다.

(표면 상태)

내시징성과 내균열성을 겸비하기 위해, 산화티탄으로 이루어지는 소정의 두께 범위의 산화 피막(표면 경질층)을 형성한다. 여기서, 산화 피막이 지나치게 얇으면, 성형 공정에서 소재가 연신되었을 때에, 산화 피막이 파열되어 기초 티탄이 노출되어, 성형 금형과 시징을 일으키기 쉬워진다. 한편, 산화 피막이 지나치게 두꺼우면, 성형 공정에서 균열이 발생·진전되기 쉬워져 성형성이 저해된다. 또한, 본 발명에 있어서의 티탄판의 「 표면」이라 함은, 티탄판의 최표면으로부터 200㎚까지의 깊이 범위를 말한다.

본 실시예에 관한 티탄판의 표면 상태는, 구체적으로는 이하와 같이 규정한다.

(1) C 농도, N 농도

티탄판 표면에 경도가 높은 탄화티탄, 질화티탄이 소정량 이상 함유되어 있는 경우에는 특히 균열이 발생하기 쉽다고 생각된다. 따라서 표면의 C 농도는, 6at％ 이하, 바람직하게는 5at％ 이하, 보다 바람직하게는 3at％ 이하로 한다. 또한, 표면의 N 농도는, 7at％ 이하, 바람직하게는 6at％ 이하로 한다. 또한, 티탄판 표면의 C 농도는, 후기하는 바와 같이, 냉간 압연 공정의 압연 롤 직경, 압연 속도, 1패스당 압하율, 윤활유를 적정화함으로써 제어할 수 있다. 또한, N 농도는, 후기하는 바와 같이, 진공 어닐링시의 분위기를 적정화함으로써 제어할 수 있다.

(2) 산화 피막의 두께

티탄판 표면의 산화 피막의 두께가 지나치게 얇으면 공구와의 시징을 일으키기 쉬워지고, 지나치게 두꺼우면 균열이 발생하기 쉬워져, 성형성이 저하된다. 따라서 산화 피막의 두께(깊이)는 3 내지 15㎚로 한다. 또한, 바람직하게는 5 내지 15㎚, 보다 바람직하게는 5 내지 10㎚로 한다. 또한, 산화 피막의 두께는, 후기하는 바와 같이, 압연시의 탄화물의 생성을 억제하는 동시에, 진공 어닐링시의 분위기에 있어서의 진공도를 적정화함으로써 제어할 수 있다.

여기서, C 농도, N 농도 및 산화 피막의 두께는, X선 광전자 분광 분석에 의해 얻은 원자 프로파일의 결과를 사용한다. 즉, 티탄판의 최표면으로부터 200㎚까지의 깊이 범위를 측정하고, 당해 측정범위에서의 C 농도와 N 농도의 최고값이 상기의 값 이하로 되도록 규정한다. 또한, 산화 피막의 두께는, 티탄판 표면과, O의 농도가 피크값으로부터 반감된 깊이 위치의 사이의 거리에 의해 정의된다.

또한, X선 광전자 분광 분석의 측정 조건은, X선원을 단색화 Al-Kα, X선 출력을 43.7W, 광전자 취출각을 45°, Ar＋스패터 속도를 SiO₂ 환산으로 약 4.6nm/min으로 하였다.

(표면 거칠기)

티탄판의 표면이 평활하면 윤활유를 세정하기 쉬워지므로, 표면 거칠기를 규정한다. 표면 거칠기는, 후기하는 바와 같이, 냉간 압연 공정의 압연 롤 직경, 압연 속도, 1패스당 압하율, 윤활유를 적정화함으로써 제어할 수 있다. 티탄판은 압연 방향과 평행하게 신장된 요철이 형성되기 쉬우므로, 표면 거칠기의 측정값은 압연 방향과 수직 방향으로 측정한 값으로 하였다. 또한, 표면 거칠기는, 구체적으로는 이하의 2개의 값에 의해 규정하였다.

(1) 산술 평균 거칠기(Ra)

산술 평균 거칠기(Ra)는, 판재 표면의 평균적인 요철을 규정하는 것이다. 여기서, 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.25㎛를 초과하면, 요철의 간극에 윤활유가 들어가 세정에 의한 윤활유의 제거가 곤란해진다. 따라서 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.25㎛ 이하로 한다. 또한, 산술 평균 거칠기(Ra)는, 0.22㎛ 이하가 바람직하고, 0.20㎛ 이하가 보다 바람직하다. 산술 평균 거칠기(Ra)의 하한값은 특별히 규정하지 않지만, 현실적으로는 0.05㎛ 이상으로 된다.

(2) 최대 높이(Rz)

최대 높이(Rz)는 , 판재 표면의 오목부의 깊이를 규정하는 것이다. 여기서, 최대 높이(Rz)가 2.0㎛를 초과하면, 요철에 윤활유가 들어가 세정 제거하는 것이 곤란해진다. 따라서 최대 높이(Rz)는 2.0㎛ 이하로 한다. 또한, 최대 높이(Rz)는, 1.8㎛ 이하가 바람직하고, 1.7㎛ 이하가 보다 바람직하다. 최대 높이(Rz)의 하한값은 특별히 규정하지 않지만, 현실적으로는 1.0㎛ 이상으로 된다.

산술 평균 거칠기(Ra)와 최대 높이(Rz)의 측정은, 예를 들어, 표면 거칠기 형상 측정기를 사용하고, JISB 0601:2001에 준거한 방법으로 측정한다. 그 때, 측정 거리와 측정 속도를 소정의 값으로 설정하고, 압연 방향에 수직 방향을 5점 측정하여, 그 평균값을 측정값으로 한다.

[비커스 경도(표면 경도)]

내시징성과 내균열성을 겸비하기 위해, 티탄판 표면에 있어서의 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도와, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도를 측정하고, 이것들의 차가 소정의 범위 내로 되도록 규정하였다. 본 발명에서는, 후기하는 바와 같이, 냉간 압연 및 진공 어닐링의 조건을 조정하여 티탄판의 표면 상태를 소정 범위로 규정함으로써, 비커스 경도를 제어할 수 있다.

여기서, 측정 하중 0.098N(10g)에서의 비커스 경도는, 티탄판 최표면의 경도를 평가할 수 있고, 측정 하중 4.9N(500g)에서의 비커스 경도는, 재질 내부의 경도를 평가할 수 있다. 또한, 이들의 차를 취하여 경질층의 형성 정도를 평가할 수 있다.

티탄판 표면에 산화 피막이 형성되면, 그 두께의 증가에 수반하여 비커스 경도도 상승한다. 그리고 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도와, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도의 차가 30 미만이면, 공구와의 시징이 발생하는 경우가 있다. 한편, 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도와, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도의 차가 60을 초과하면, 성형시에 표면의 균열이 발생하기 쉬워져, 성형성이 열화되는 경우가 있다. 따라서 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도와, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도의 차는, 30 내지 60의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 40 내지 60의 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 40 내지 55의 범위 내로 한다.

비커스 경도의 측정은, 예를 들어, 측정면을 티탄판 표면으로 하여, JIS Z 2244에 준거한 방법으로 실시한다. 그 때, 측정 하중을 4.9N 및0.098N으로 하여 각 측정 하중에 대해 10점 측정하고, 그 평균값을 측정값으로서 사용한다. 측정 하중 4.9N의 측정에는, 마이크로비커스 경도 시험기를, 측정 하중 0.098N의 측정에는, 초마이크로비커스 경도 시험기를 사용한다. 그리고 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도와, 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도의 차를 산출한다.

(결정립 직경)

본 발명에 관한 티탄판은, JIS G 0552에 규정된 절단법에 의해 절단한 단면을 광학 현미경으로 관찰한 경우에 있어서의 결정립 직경을, 평균 절편 길이로 20 내지 80㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 결정립 직경의 평균 절편 길이가 20㎛ 미만에서는, 가공 경화 지수가 낮아, 우수한 돌출 성형성이 얻어지지 않는 경우가 있다. 한편, 결정립 직경의 평균 절편 길이가 80㎛를 초과하면, 재료 강도가 저하되는 경우가 있다. 따라서 결정립 직경의 평균 절편 길이는, 티탄판의 성형성과 강도 특성의 관점으로부터 상기 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또한, 더욱 바람직하게는 35 내지 80㎛로 한다. 티탄판의 결정립 직경은, 냉간 압연시의 압하율, 및 그 후의 진공 어닐링 공정에 있어서의 유지 온도와 유지 시간에 의해 제어할 수 있다.

본 발명에 관한 티탄판은, 판 두께가 1.0mm 이하인 것이 바람직하다. 이러한 판 두께로 하면, 열교환기용 부재, 예를 들어 방사판으로서 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 당연히 판 두께는 이것에 한정되지 않으며, 취급성이나 사용 용도에 따라서 이것보다도 판 두께를 두껍게 할 수도 있다.

또한, 본 발명에 관한 티탄판의 사용 용도는, 상기한 열교환기용 부재에 한정되지 않고, 예를 들어, 카메라 보디, 주방 기기 등의 민생품이나, 오토바이, 자동차 등의 수송 기기 부재, 가전 기기 등의 외장재 등에도 사용할 수 있다.

이상, 본 발명에 관한 티탄판에 대해 상세하게 설명하였다. 이러한 티탄판에 따르면, C 농도, N 농도, 산술 평균 거칠기(Ra) 및 최대 높이(Rz)에 의해 표면 상태를 적절하게 제어하였으므로, 우수한 내시징성, 내균열성, 성형성 및 윤활유의 세정성을 발휘할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 티탄판은, 표면에 대해 X선원을 Cu-Kα로 하는 입사각 1°의 박막법에 의한 X선 회절을 행하였을 때에, 탄화티탄, 질화티탄의 피크가 검출되지 않는다. 즉, 표면에 탄화티탄, 질화티탄 등의 표면 경질층이 형성되어 있지 않아, 프레스 성형시에 균열의 발생이 억제되는 동시에, 금형과의 시징이 억제된다.

이상에 설명한 티탄판은, 다음에 설명하는 본 발명에 관한 티탄판의 제조 방법에 의해 적절하게 제조할 수 있다. 여기서, 본 발명에 관한 티탄판의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명하기 전에, 냉간 압연 후의 티탄판의 대표적인 제조 공정을 2가지 소개한다. 첫 번째는, 냉간 압연 후에 진공 어닐링을 행하는 것이며, 두 번째는, 냉간 압연 후에 대기 어닐링을 행하고, 그 후 산세 처리를 실시하는 것이다.

후자의 경우에는 산세 처리를 행하므로, 평활한 표면을 간편하게 얻는 것이 어렵다. 따라서 본 발명에서는, 전자의 제조 공정을 기초로 하여, 냉간 압연 공정 및 진공 어닐링 공정에 있어서, 티탄판의 표면 조도를 낮춰 매끄러운 표면으로 하고, 또한 탄화티탄의 형성을 방지하는 동시에, 티탄판 표면에 소정 두께의 산화 피막을 형성함으로써, 내시징성, 내균열성 및, 세정성을 겸비하는 티탄판을 제조 가능하게 하였다.

구체적으로는, 냉간 압연 공정에 있어서, 압연 롤 직경, 압연 속도, 1패스당 압하율, 윤활유를 적정화함으로써, 압연 롤과의 시징과 탄화티탄의 형성을 억제하여, 평활한 표면을 얻을 수 있었다. 또한, 그 후의 진공 어닐링 공정에 있어서, 온도, 유지 시간, 분위기를 적정화함으로써, 티탄판의 표면 상태와 결정립 직경을 제어할 수 있었다. 이하, 본 발명에 관한 티탄판의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명에 관한 티탄판은, 예를 들어, 용해 공정, 주조 공정, 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정, 어닐링 공정을 거쳐 제조된다. 여기서, 용해 공정, 주조 공정, 열간 압연 공정은 당업자가 주지의 기술을 이용하여 행할 수 있다. 그리고 본 발명에서는, 냉간 압연 공정, 어닐링 공정의 조건을 적정화함으로써, 프레스 성형성과 윤활유의 세정성이 우수한 티탄판을 제조하는 것을 특징으로 한다.

냉간 압연의 조건은, 이하와 같다.

(압연 롤 직경)

압연 롤 직경이 작을수록, 티탄판이 압연 롤과 접촉하는 거리가 짧아져 시징되기 어려워진다고도 생각되지만, 실제로는 압연 롤 직경이 클수록, 탄화티탄층의 형성 억제에 바람직한 것이 판명되었다. 따라서 압연 롤 직경은 150㎜ 이상, 바람직하게는 200㎜ 이상으로 한다.

압연 롤 직경을 상기 수치 이상으로 한 후에 압연을 실시하면, 압연 중에 판 표면에 도입되는 윤활유의 양이 증가하는 동시에, 압연 중의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문이라고 생각된다. 따라서 티탄판과 압연 롤의 시징을 억제하여 탄화티탄층의 형성이 억제되는 동시에, 표면 거칠기, 비커스 경도를 상기한 소정 범위 내로 제어할 수 있다. 또한, 탄화티탄이 형성되지 않으므로, 티탄판 표면에 산화 피막이 형성된다. 또한, 티탄판 표면에 시징이 발생하지 않으므로, 티탄판 표면도 평활하게 마무리하는 것이 가능해진다. 한편, 압연 롤 직경을 상기 수치 이하로 하면, 티탄판 표면에 시징이 발생하여 탄화티탄층이 형성되기 쉬워져, C 농도가 상승한다.

(압연 속도)

압연 속도는 15m/min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 20m/min 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 40m/min 이상으로 하는 것이 한층 더 바람직하다. 압연 속도가 15m/min 미만이면, 냉간 압연시에 시징이 발생하기 쉬워져, 표면의 C 농도가 상승한다. 이는 압연 롤과 소재 표면간에 윤활유의 유막이 형성되기 쉽기 때문이라고 생각된다. 또한, 표면 거칠기, 비커스 경도를 상기한 소정 범위 내로 제어하는 것이 곤란해진다.

(1패스당 압하율)

1패스당 15％ 이하의 압하율로 압연하는 것이 바람직하다. 1패스당 압하율이 15％를 초과하면, 냉간 압연시에 시징이 발생하여 표면의 C 농도가 상승한다. 또한, 표면 거칠기, 비커스 경도를 상기한 소정 범위 내로 제어하는 것이 곤란해진다. 또한, 1패스당 압하율은, 10％ 이하가 보다 바람직하다.

(윤활유)

니트유(neat oil) 등의 광유를 베이스로 하는 윤활유를 사용하면, 티탄판이 압연 롤과 시징을 일으켜 표면의 C 농도가 상승한다. 또한, 표면 거칠기, 비커스 경도를 상기한 소정 범위 내로 제어하는 것이 곤란해진다. 따라서 윤활유로서는 예를 들어, 합성 에스테르유, 유지를 사용하는 것이 바람직하다.

진공 어닐링의 조건은, 이하와 같다.

(온도 및 유지 시간)

진공 어닐링의 온도는, 600 내지 750℃로 하는 것이 바람직하다. 어닐링 온도가 600℃ 미만이면, 재결정이 충분히 일어나지 않아(냉간 압연의 변형이 개방되지 않아), 충분한 신장이 얻어지지 않는 경우가 있다. 또한, 진공 어닐링은 뱃치 처리이므로 단시간에서의 처리를 할 수 없다. 따라서 어닐링 온도가 750℃를 초과하면, 유지 시간이 수분이어도 입경이 80㎛를 초과할 우려가 있다. 또한, 유지 시간은 5분 이상 5시간 이하가 바람직하다.

진공 어닐링의 온도는 600 내지 750℃의 범위 내이면 어느 온도 영역에서 처리해도 좋고, 산화 피막의 두께와 결정립 직경의 크기를 제어하기 위해, 유지 온도에 따라서 유지 시간을 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 진공 어닐링의 온도가 650℃이면, 유지 시간은 2시간 정도로 한다.

(분위기)

진공 어닐링시의 분위기는, 티탄판 표면의 산화 피막의 두께 및 N 농도를 제어하므로 중요하다. 당해 분위기는, 진공 어닐링의 온도와 유지 시간에 영향을 받지만, 진공도(열처리로 내의 기압)를 5×10^-4torr 이하로 한다. 진공도가 5×10^-4torr를 초과하면, 티탄판이 분위기 중의 산소와 반응하여, 표면의 산화 피막이 15㎚을 초과하기 쉬워진다. 또한, 티탄판 표면의 N 농도가 7at％를 초과하기 쉬워진다. 또한, 진공도는 2×10^-4torr 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 본 발명에 있어서 소정의 진공도를 나타내는 열처리로 내에 산소, 질소가 차지하는 압력을 산소 분압, 질소 분압으로 하고, 분위기의 조성은 기본적으로 대기와 동일하게 질소:산소가 4:1로 구성되는 것으로 한다. 그리고 진공도를 소정값 이하로 하여 열처리로 내의 산소 분압, 질소 분압을 낮춤으로써, 티탄판 표면의 산화 피막의 두께와 N 농도를 소정 범위 내로 제어할 수 있다. 또한, 어닐링 분위기를 질소 등의 질화 분위기로 하였을 경우에는, 티탄판 표면에 질화물이 형성되어 표면 경도가 향상하여 균열이 발생하기 쉬워져버리므로, 어닐링 분위기를 질화 분위기로 하지 않도록 조절하는 것이 바람직하다.

진공도의 하한값에 대해서는, 현실적인 열처리로의 배기 능력을 고려하여 특별히 정하지 않는다. 또한, 규정의 압력까지 진공 배기 후, 아르곤 등의 티탄과 반응하지 않는 불활성 가스를 도입한 분위기에서 진공 어닐링을 행하여도, 상기와 마찬가지의 효과가 얻어진다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 요건을 만족하는 실시예와 본 발명의 요건을 만족하지 않는 비교예를 대비하여, 본 발명의 효과를 설명한다. 본시험에서는, JIS-1종 상당의 티탄재를 사용하여 행하였지만, 본 발명의 효과는, JIS-2종 상당의 티탄재를 비롯하여, 다른 그레이드의 순티타늄재나 티탄 합금재를 사용한 티탄판에 대해서도 마찬가지의 효과를 발휘하는 것은 말할 필요도 없다.

소재로서는, 공업용 순티타늄판(JIS-1종)을 사용하였다. 화학 조성은, O:450ppm, Fe:250ppm, N:40ppm, 기타 잔량부:Ti와 불가피 불순물이다. 당해 티탄판은, 티탄 원료에 당업자에게 주지의 용해 공정, 주조 공정, 열간 압연 공정을 실시하여 얻어진 것이다. 그리고 산세 처리에 의해 스케일 제거한 압연 코일을 출발재로 하였다.

표 1에, 냉간 압연 및 진공 어닐링의 조건을 나타낸다. 본 실시예에서는, 표 1에 나타내는 조건으로 판 두께 0.5mm까지 냉간 압연을 실시하여 세정한 후, 동일 표에 나타내는 조건으로 진공 어닐링을 실시하여 시험체 No.1 내지 14를 얻었다. 또한, 판 두께가 0.5mm로 되도록 최종 패스의 압하율은 미세 조정하고 있다.

또한, 비교를 위해, 냉간 압연 후에 대기 어닐링을 행하고, 그 후 산세 처리를 실시한 시험체를 제작하였다. 냉간 압연 공정까지는 상기한 바와 같고, 그 후, 불산 질산 혼합액에 티탄판을 침지시켜, 두께 감소량이 편면 10㎛인 산세 처리를 실시하여 시험체 No.15를 얻었다.

표 2에, 표 1의 조건으로 냉간 압연 및 진공 어닐링을 행한 시험체 No.1 내지 15의 특성을 측정한 결과를 나타낸다.

(표면 상태의 측정)

각 시험체의 표면 상태를 측정하였다. 구체적으로는, 각 시험체 표면의 C 농도, N 농도, 산화 피막 두께를 X선 광전자 분광 분석에 의해, 상기한 조건으로 측정하였다.

(표면 거칠기의 측정)

각 시험체의 산술 평균 거칠기(Ra)와, 최대 높이(Rz)를 측정하였다. 측정에는, 표면 거칠기 형상 측정기[도쿄 세이미쯔(東京精密)사제 서프컴 1400D]를 사용하고, JIS B 0601:2001에 준거한 방법으로 측정하였다. 그 때, 측정 거리는 7㎜, 측정 속도는 0.3mm/초로 하여, 압연 방향에 수직 방향을 5점 측정하고, 그 평균값을 측정값으로 하였다.

(비커스 경도의 측정)

비커스 경도의 측정은, 측정면을 시험체 표면으로 하여, JIS Z 2244에 준거한 방법으로 실시하였다. 측정 하중을 4.9N(500g) 및 0.098N(10g)으로 하여 각 측정 하중에 대해 10점 측정하고, 그 평균값을 측정값으로서 사용하였다. 측정 하중 4.9N의 측정에는 마이크로비커스 경도 시험기(MATSUZAWASEIKI DMH-1)를, 측정 하중 0.098N의 측정에는 초마이크로비커스 경도 시험기(AKASHIMVK-G3)를 사용하였다. 또한, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도와 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도의 차를 산출하였다.

(결정립 직경의 측정)

결정립 직경의 측정은, 각 시험체를 JIS G 0552의 절단법에 준거한 방법으로 절단하고, 그 단면 조직을 광학 현미경으로 관찰한 경우에 있어서의 결정립 직경을 측정함으로써 행하였다. 또한, 결정립은 등축 형상을 보이고 있었다.

(성형성의 평가)

성형성의 평가는, 각 시험체에 대해 플레이트식 열교환기의 열교환 부분을 모의한 성형 금형을 사용한 프레스 시험을 행하여, 성형성을 평가하였다. 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 성형 금형의 형상은, 성형부가 100㎜×100mm이고, 피치가 10㎜, 최대 높이가 4㎜인 능선부를 6개 갖고, 각 능선부는 정점에 도 1의 (a)의 상방으로부터 하방을 향해 순서대로 R＝0.4, 1.8, 0.8, 1.0, 1.4, 0.6인 6종의 R형상을 갖고 있다. 또한, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 측정 위치 C는 금형 중앙을 통과하는 선의 산측이며, 측정 위치 C’는 금형 중앙을 통과하는 선의 골측이다.

이 성형 금형을 사용하여 80t 유압 프레스기로 프레스 성형을 행하였다. 프레스 성형은, 각 시험체의 양면에 동점도 34㎜²/s(온도40℃)의 프레스유를 도포하고, 각 시험체의 압연 방향이 도 1의 (a)의 상하 방향과 일치하도록 하부 금형 상에 배치하고, 플랜지부를 판 구속구로 구속한 후, 프레스 속도 1㎜/s, 압입 깊이3.6mm의 조건으로 실시하였다. 그리고 성형성의 평가는, 프레스 성형 후에 각 시험체에 확인되는 균열의 수로 평가하였다. 구체적인 평가 방법은 이하와 같다.

도 1의 (a)에 도시하는 능선부와 점선(산측 5개, 골측 1개)의 교점 총 36개소에 대해, 각 시험체의 균열의 유무를 육안으로 관찰하였다. 그리고 균열의 기점으로 되는 측정 위치 A, C, C’, E에 대해서는, 균열이 확인되지 않는 경우를 2점, 잘록부가 확인된 경우를 1점, 균열이 확인된 경우를 0점으로 하여 점수를 매겼다. 또한, 기타 측정 위치 B, D에 대해서는, 균열이 확인되지 않는 경우를 1점, 잘록부가 확인된 경우를 0.5점, 균열이 확인된 경우를 0점으로 하여 점수를 매겼다. 그리고 각 점수에 가공 R의 역수를 곱하여 균열의 상태를 수치화하고, 그 합계를 구하였다. 이 합계치를, 완전하게 균열, 잘록부가 확인되지 않는 경우를 100으로 하여 규격화한 후, 온도(T), 윤활유 점도(μ), 시험편 판 두께(t)에 의존하는 함수 F(T, μ, t), 및 금형의 능선의 각도(α), 피치(p)에 의존하는 함수 G(α, p)를 곱하여, 성형성 스코어로서 산출하였다. 또한, F 및 G는 0 내지 1의 값을 취한다. 이상의 성형성 스코어 산출 방법이 하기 수학식 1에 의해 나타난다.

여기서, 수학식 1에 있어서,

A, C, C’, E의 경우에는, E(ij)＝1.0×(균열 없음;2, 잘록부;1, 균열;0)로 하고,

B, D의 경우에는, E(ij)＝0.5×(균열 없음;2, 잘록부;1, 균열;0)로 하여 산출하였다.

또한, 본 실시예에서는 온도(T), 윤활유 점도(μ), 시험편 판 두께(t), 금형의 능선의 각도(α), 및 피치(p)를 일정하게 하였으므로, F×G를 편의적으로 1로 하여 스코어를 산출하였다.

각 시험체의 성형성 스코어를 표 2에 나타낸다. 성형성 스코어는 65점 이상을 성형성이 좋다고 하고, 65점 미만을 성형성이 나쁘다고 하였다.

(세정성)

각 시험체를 20×25mm² 로 절단하여 아세톤 세정을 행하고, 질량 측정을 행한 후, 각 시험체의 편면에 동점도 34mm²/s(온도40℃)의 프레스유를 25㎕ 도포하였다. 그리고 70도로 가온된 순수(純水) 2L을 스터러로 교반하고, 그 속에 각 시험체를 3분간 침지시켜 취출하였다. 그 후, 각 시험체를 건조시켜 질량을 측정하고, 프레스유 도포 전의 질량과의 차로부터 잔류하고 있는 유분량을 평가하여, 잔류 유분이 0.5mg/cm² 이하인 경우를 세정성이 좋다고 하고, 0.5mg/cm²를 초과하는 경우를 세정성이 나쁘다고 하였다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 냉간 압연 조건과 진공 어닐링 조건이 본 발명의 필요 조건을 만족하는 시험체 No.1 내지 7(실시예)은, 표면 상태, 비커스 경도(측정 하중 0.098N과 4.9N의 차), 표면 거칠기, 결정립 직경을 본 발명이 규정하는 범위 내로 규제할 수 있어, 성형성, 세정성이 좋은 것을 알 수 있다.

한편, 냉간 압연 조건과 진공 어닐링 조건 중 어느 하나가 본 발명의 필요 조건을 만족하지 않는 시험체 No.8 내지 15(비교예)는, 표면 상태, 비커스 경도, 표면 거칠기, 결정립 직경 중 어느 하나를 본 발명이 규정하는 범위 내로 규제할 수 없어, 성형성, 세정성이 나쁜 것을 알 수 있다.

시험체(8, 9)는, 냉간 압연의 윤활유에 광유 베이스의 니트유를 사용하고 있으므로, 냉간 압연시에 시험체가 압연 롤과 시징을 일으켜, 표면의 C 농도, 표면 거칠기 및 비커스 경도가 높아, 성형성과 세정성이 모두 양호하지 않다. 특히, 압연 롤 직경이 작고, 압연 속도를 10m/min로 한 시험체(9)는 그 경향이 현저하다.

시험체(10)는, 압연 속도를 10m/min, 1패스당 압하율을 30％로 하였으므로, 냉간 압연시에 시징이 발생하여, 표면의 C 농도가 높아 고경도로 되고, 또한 표면 거칠기 및 비커스 경도가 크게 되어 있다. 그로 인해, 성형성과 세정성이 모두 양호하지 않다.

시험체(11, 12)는, 직경이 작은 압연 롤을 사용하고 있으므로, 냉간 압연시에 시징이 발생하여, 표면의 C 농도가 높아 고경도로 되고, 또한 표면 거칠기 및 비커스 경도가 크게 되어 있다. 그로 인해, 성형성과 세정성이 모두 양호하지 않다.

시험체(13, 14)는, 냉간 압연 조건이 적정 범위이므로, 냉간 압연시에 시징이 발생하지 않아, 표면의 C 농도 및 N 농도가 낮고, 또한 평활한 표면이 얻어지고 있다. 그러나 그 후의 진공 어닐링시에 있어서의 진공도가 소정값을 초과하고 있으므로, 표면 산화 피막이 지나치게 두꺼워져 비커스 경도가 크게 되어 있다. 그로 인해, 성형성이 양호하지 않다.

시험체(15)는, 냉간 압연 후에 산세 처리를 실시하고 있으므로, 표면의 C 농도 및 N 농도는 낮지만, 시험체 표면의 요철이 커, 당해 요철에 윤활유가 들어가므로, 표면 거칠기가 크고 비커스 경도가 작다. 그로 인해, 세정성이 양호하지 않다.

본 발명을 상세하고 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 여러가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명백하다.

본 출원은 2009년 7월 15일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2009-166319호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 티탄판은, 예를 들어 화학, 전력 및, 식품 제조 플랜트 등의 열교환기용 부재, 카메라 보디, 주방 기기 등의 민생품이나, 오토바이, 자동차 등의 수송 기기 부재, 가전 기기 등의 외장재에 적합하다.

Claims

표면으로부터 깊이 200㎚까지의 영역에 있어서의 C 농도의 최대값이 6at％ 이하 및, N 농도의 최대값이 7at％ 이하이고,
표면의 산화 피막의 두께가 3 내지 15㎚의 범위 내이고,
표면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.25㎛ 이하이고,
표면의 최대 높이(Rz)가 2.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 티탄판.
제1항에 있어서, 표면에 있어서의 측정 하중 0.098N에서의 비커스 경도가, 측정 하중 4.9N에서의 비커스 경도보다도 높고, 그 차가 30 내지 60의 범위 내인 것을 특징으로 하는, 티탄판.
제1항 또는 제2항에 있어서, JIS G 0552에 규정된 절단법에 의해 절단한 단면을 광학 현미경으로 관찰한 경우에 있어서의 결정립 직경이, 평균 절편 길이로 20 내지 80㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는, 티탄판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 판 두께가 1.0mm 이하인 것을 특징으로 하는, 티탄판.
제1항 또는 제2항에 기재된 티탄판을 제조하는 방법이며,
외경이 150㎜ 이상의 압연 롤과, 에스테르유 또는 유지로 이루어지는 윤활유를 사용하고, 압연 속도 15m/min 이상, 1패스당 압하율 15％ 이하에서 냉간 압연을 행하는 냉간 압연 공정과,
진공도가 5×10^-4torr 이하, 또는 아르곤 분위기의 불활성 환경하에서 진공 어닐링을 행하는 어닐링 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 티탄판의 제조 방법.