KR101522799B1 - 티타늄 판재 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

티타늄 판재 제조 방법이 개시된다. 개시된 티타늄 판재 제조 방법은 고순도 티타늄 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 열연 판재를 열연소둔하는 단계; 상기 열연소둔에 따라 상기 열연 판재의 표층부에 형성되는 산화층 및 상기 산화층의 하부에 형성되는 산소부화층의 적어도 일부를 제거하는 단계; 상기 산화층 및 산소부화층의 적어도 일부가 제거된 열연 판재를 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉연 판재를 진공소둔 방식에 따라 냉연소둔하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 열교환기 설비 등에 사용되는 티타늄 판재의 가공특성을 확보하여 프레스 성형방법에 의해 복잡한 형태로 가공되는 공정에서 우수한 성형성을 갖는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 티타늄의 상업 제품에 대하여 제조공정의 최적화를 통해 품질을 향상시키고, 용도를 확대시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

티타늄 판재 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING TITANIUM SHEET}
본 발명은 티타늄 판재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소재의 가공특성을 확보함으로써 프레스 가공방법에 의해 복잡한 형태로 가공되는 공정에서 우수한 성형성을 나타내는 상업용 티타늄 판재 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로 발전설비 및 선박 등의 해양설비와 화학설비와 같은 일반 산업설비에는 발생된 고열을 냉각하거나 응축하는 열교환 설비가 이용되며, 담수화 설비에서는 가열된 수증기를 응축하는 응축기에서 열교환이 이루어진다.
특히, 해수를 이용하는 해양 설비의 경우에는 염수에 대한 높은 내식성을 가지는 소재를 사용하게 되는데, 이러한 용도에 적합한 소재로서 티타늄을 들 수 있으며 티타늄은 염분을 포함한 해수에 대한 내식성은 거의 반영구적인 것으로 알려져 있다.
따라서, 티타늄 판재는 열교환설비에 적용하기 위하여 여러 형태로 가공하여 냉각효율을 높이게 되며, 특히, 물리적으로 표면적의 증가에 의해 냉각수와의 접촉을 넓게 하기 위하여 다양하고 복잡한 형태가 되도록 프레스로 가공하여 사용한다.
열교환기에 사용되는 티타늄 판재는 사용되는 형태에 따라 다음과 같이 튜브 형태(튜브형 열교환기), 또는 판형의 형태(판형 열교환기)로 가공하여 사용하게 된다.
먼저, 튜브 형태의 경우는 코일상태의 티타늄 원판을 폭 방향으로 절단하는 슬리팅(slitting)공정에 의해 절단하고, 그 다음, 여러 단계의 롤(roll)사이를 통과시키는 성형방법에 의해 원형으로 가공한 다음, 절단면을 용접하여 긴 막대형의 튜브형태로 가공하고, 튜브를 여러 개 겹치고 그 사이에 냉각수를 흐르게 함으로써 열전달 효과에 의해 열교환이 이루어지는 방식이다.
따라서, 튜브형으로 가공되어 사용되는 티타늄 판재는 가공방법이 비교적 단순한 롤 성형법을 거치게 되므로, 가공 중에 프레스 성형성보다는 표면에 기계적인 흠이 발생하지 않는 특징이 주로 요구된다.
다음으로, 판형 형태의 열교환기는 튜브 대신에 판형으로 성형하고 여러 장을 겹치게 배치하고, 각각의 판 사이에 설비로부터 배출되는 온수와 냉각수로 사용하는 해수를 번갈아 통과시킴으로써 보다 넓은 면적(전열면)에 의해 열교환이 가능하도록 하는 방식이다.
최근에는, 열교환 효율을 높이는 방법의 일환으로, 열 전달이 이루어지는 전열판에 대하여 그 면적을 넓게 하기 위하여 형태를 복잡하게 하거나 성형 깊이를 깊게 하고자 하므로, 기본적으로 소재는 우수한 성형성을 가진 경우에 적용이 가능하다.
튜브형 열교환기는 튜브 내부 또는 외부에 냉각을 위한 냉매가 흐르게 되며 원형으로 가공되고 용접되었으므로 고압의 조건에 사용될 수 있다는 장점이 있지만, 앞에서 설명한 바와 같이 냉매와의 접촉면이 적기 때문에 열교환 효율 측면에서는 판형보다 뒤진다고 볼 수 있다.
한편, 판형 열교환기는 판형으로 가공된 여러 장의 전열판(판넬)을 가스캣에 의해 밀착하여 조립하게, 되므로 튜브형태의 열교환기보다 고압의 조건에서 견디기는 상대적으로 어렵다.
단, 냉매와의 접촉면은 튜브형에 비하여 매우 크므로 열교환 능력이나 효율 측면에서는 매우 우수한 장점이 있고, 조립 후 규모가 작게 되어 소요되는 공간도 작게 되므로, 설비규모에 따른 공간 차지가 적어 설비 자체 크기의 감소에 따른 공간 활용성이 우수하고, 비용이 감소하는 장점이 있다.
일반적으로, 튜브형 열교환기의 경우는 수증기를 응축하는 수단으로 해수 담수화 설비에 많이 적용되고 있으며, 판형 열교환기는 부피가 작고 열교환 능력이 우수하며 공간 활용성이 중요한 선박의 엔진 또는 원자력 발전설비 등에 많이 적용되고 있다.
기본적으로 성형공정은 통상의 프레스 성형공정과 유사하지만 판형 열교환기용 전열판의 성형은 가공형태 측면에서 열전달 효과를 높이기 위하여 보다 복잡한 형태로 가공하고, 여러 장의 전열판을 겹쳐서 조립하게 되므로 가공품에 대해서는 정확한 치수가 요구된다.
특히, 판형 열교환기는 수증기와 같은 고압의 열매체가 흐르게 되어 매우 높은 압력이 작용하게 되므로, 성형중에 소재는 파단이나 국부 연신(넥킹)이 발생하지 않아야 한다.
가공 공정은 먼저, 판재 형태의 티타늄 소재를 프레스에 의해 일정한 형태를 가지도록 설계된 금형 사이에 놓이게 하고, 상하 금형에 압력을 가하여 표면에 요철을 형성하게 하는 프레스 가공 단계를 거치게 된다.
이때, 표면의 요철은 소재의 변형에 의해 형성되며 일반적으로 높이가 3.0mm 이상의 높은 변형가공을 수반하게 된다.
또한, 냉매의 흐름을 고려하여 요철은 복잡한 형태로 가공하게 되며, 차츰 깊이와 형태가 복잡해지고 소재의 두께 감소와 더불어 소재의 강도는 증가하는 추세이므로 소재의 성형성과 강도를 제어하는 기술이 요구된다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 소재의 가공특성을 확보함으로써 프레스 가공방법에 의해 복잡한 형태로 가공되는 공정에서 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재 제조 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고순도 티타늄 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 고순도 티타늄 슬라브(열연 판재)를 열연소둔하는 단계; 상기 열연소둔에 따라 상기 열연 판재의 표층부에 형성되는 산화층 및 상기 산화층의 하부에 형성되는 산소부화층의 적어도 일부를 제거하는 단계; 상기 산화층 및 산소부화층의 적어도 일부가 제거된 열연 판재를 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간압연된 열연 판재(냉연 판재)를 진공소둔 방식에 따라 냉연소둔하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법이 제공된다.
상기 열연소둔하는 단계는 상기 열연 판재를 750~780℃의 소둔 온도로 열연소둔할 수 있다.
상기 제거하는 단계는 상기 산소부화층을 상기 산소부화층 전체 두께의 85% 이상 제거할 수 있다.
상기 냉연소둔하는 단계는, 냉연소둔 분위기를 진공도가 10-5 torr의 진공 상태 또는 이보다 높은 수준의 진공 상태로 유지할 수 있다.
상기 냉연소둔하는 단계는 550℃ 이하의 온도로 가열할 수 있다.
상기 냉연소둔하는 단계는 450~550℃의 온도로 가열할 수 있다.
상기 냉연소둔하는 단계는 소둔온도 450℃ 이상에서 상기 냉연소둔 분위기를 아르곤으로 치환할 수 있다.
상기 티타늄 판재의 비커스 미소 경도는 125(Hv5gr) 이하일 수 있다.
상기 티타늄 판재의 에릭션 값은 12mm 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 열교환기 설비 등에 사용되는 티타늄 판재의 가공특성을 확보하여 프레스 성형방법에 의해 복잡한 형태로 가공되는 공정에서 우수한 성형성을 갖는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 티타늄의 상업 제품에 대하여 제조공정의 최적화를 통해 품질을 향상시키고, 용도를 확대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법을 통해 얻어진 티타늄 판재에 대하여 표층부로부터 두께방향으로의 경도의 분포를 기존의 방법에 따른 판재와 비교하여 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 판형 열교환기와 같이 프레스 공정에 의해 복잡한 형태로 성형되는 조건에서 사용되는 성형성이 우수한 티타늄 판재에 관한 것으로서, 기존 티타늄 판재 대비 프레스 가공 중 파단 발생 없이 우수한 성형성을 갖는 티타늄 판재 제조 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명에서는 티타늄 판재의 표면층을 제어하고, 제조공정 인자로서 산화층 제거를 위한 열연판 소둔 조건 및 재질 확보 공정인 소둔 분위기 조건을 제어하여 목표로 하는 판재를 얻는다.
일반적으로 티타늄 판재의 프레스 성형성을 향상시키는 방법으로는, 소재 자체에 높은 가공성을 부여하거나, 또는 소재의 물성을 기본으로 하고 추가적으로 표면 형상과 구조를 변경하여 프레스 성형성을 개선하는 방법으로 구분할 수 있다.
이때, 소재 자체에 높은 가공성을 부여하는 기술로는 화학성분을 변경하거나, 제조 조건에서 재질을 연질화하는 기술이 있고, 표면 특성을 개선하는 기술로는 주로 표면의 성상(성질과 상태)에 대하여 공정조건을 변경함으로써 표면특성을 개선하여 금형과의 마찰에 의한 파단을 억제하는 기술이 존재한다.
이와 관련하여, 본 발명은 티타늄 판재의 프레스 성형성 향상을 목적으로 표면의 특성을 개선함으로써 프레스 성형성을 높이는 것을 특징으로 하고, 특히, 프레스 가공 중에 티타늄 판재와 금형 사이의 마찰에 의한 초기 미세한 크랙의 발생을 억제하기 위하여, 소재의 표면 경도를 낮게 하는 기술을 이용하여 프레스 성형성을 향상하는 것을 특징으로 한다.
티타늄 판재의 표면은 산화층(oxide layer)과 그 하부에 산소부화층(oxygen-rich layer)으로 구성되어 있으며, 산화층은 공정 중에 대부분 제거되지만, 산소부화층은 일부 불가피하게 잔류하는 특성이 있다.
이때, 잔류하는 산소부화층은 티타늄 내부에서 산소가 티티늄과 산화층을 형성하지 않고 내부에 고용되어 있는 형태로서, 고용 경화 효과를 가지게 되므로, 산소부화층은 재질이 경한 특성을 나타내게 되고, 이에 따라, 외부로부터 압연 변형에 의해 미세한 표면 크랙의 원인이 되거나, 최종제품에 잔류하는 경우에는 프레스 가공과 같은 변형에 의해 가공 파단의 원인이 된다.
따라서, 이를 적절하게 제어하여 성형성을 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다.
산소부화층을 완전히 제거하는 것이 바람직하나, 이를 완전히 제거하기 위해서는 공정처리시간이 장시간 소요될 뿐만 아니라 소재 금속인 티타늄이 용해하는 반응을 포함하고 있어 재료의 손실요인이 되므로, 산소부화층에 대한 공정 제어는 매우 중요하다.
본 발명에서는 우수한 가공성을 가지는 티타늄 판재를 얻기 위하여, 순티타늄으로 제조되는 판재를 기본 소재로 하되, 제조공정에서 불가피하게 형성되는 표층부의 산소부화층의 형성이 최소화도록 공정인자를 제어한다.
보다 상세하게, 열연소둔 과정에서 과잉의 산소부화층 형성을 억제하기 위하여, 소둔온도를 적절히 하고, 아울러 진공소둔에서는 추가적인 산소부화층의 성장을 방지하기 위하여 진공도 및 소둔조건을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법을 적용한 결과로 얻어진 재질은 표층부 경도가 비커스 미소 경도(하중 5gr, 단위:Hv5gr) 수준으로 125 이하이고, 성형성 지수인 에릭센 값이 12mm 이상으로서, 프레스 성형성이 우수하다.
먼저, 일반적인 상업적 라인에서 티타늄 판재를 제조하는 공정을 살펴보면 다음과 같다.
통상의 방법으로 슬라브를 가열하고, 연속압연기에 의해 열간압연하여 두께를 감소한 코일형태의 열연재를 제조한다. 열간압연을 통하여 얻어진 열연판은 열연소둔-산세-냉간압연-냉연소둔-정정의 공정을 순차적으로 거치게 된다.
공정별 기능은 간략하게 다음과 같다.
열연소둔은 열간압연에서 형성된 변형조직을 재결정소둔하여 재질을 연화시키는 공정으로, 냉간압연이 용이하도록 연질의 소재를 얻기 위한 공정이다.
이때, 열연소둔은 소둔이 일어나는 온도 이상에서 연속 열처리하게 되며, 코일을 가열하는 로에는 대기 분위기를 적용하고, 이때 적용되는 온도조건에 따라 표면의 산화층은 성장하게 되며, 이에 따라, 내부의 표면조직, 즉, 산소부화층도 변화하게 된다.
이어서, 표층부의 산화층을 제거하는 화학적인 방법으로서, 산세공정을 거치게 되며, 산세 이전에 기계적으로 산화층을 파괴하고 이어서 불산과 같은 산용액으로 용해함으로써 산화층을 화학적으로 제거한다.
이후, 냉간압연공정에서는 실온에서 최종 목표로 하는 두께로 압연을 실시하게 되며, 표면의 압연유를 제거한 후에 최종 제품의 용도에 따라 재질을 얻기 위한 소둔공정을 경유한다.
냉연 이후에 적용되는 소둔공정은 대기소둔과 진공소둔으로 구분할 수 있다.
대기소둔은 연속소둔 방식으로서 소둔 중에 형성된 산화층을 다시 제거하는 공정을 거치게 되고, 진공소둔공정은 상자 소둔 방식(batch)으로 진공 중에서 소둔을 하게 되므로 대기소둔에 비하여 산화층의 형성을 억제할 수 있다.
이때, 본 발명은 진공소둔 방식으로 제조되는 티타늄판재에 관한 것으로서, 산화층 형성을 억제하는 측면에서 유리하고, 대기 접촉에 따른 산화층이 없기 때문에 산화층 제거를 위한 추가의 공정이 필요하지는 않다.
한편, 진공소둔은 소둔 초기에는 진공상태로 가열하게 되며, 이때 진공상태이므로 복사열을 이용한 가열방식으로서, 매우 열전달 효율이 낮다. 따라서, 가열 효율을 높이기 위하여, 일정 온도 이상에서는 로내의 분위기를 아르곤으로 치환하게 되며 아르곤에 의한 대류가열효과를 이용하게 된다.
따라서, 로내의 분위기는 진공 중이기는 하지만, 가열과 진공이 동시에 진행되는 조건이므로 부분적인 산화조건을 포함하게 되며, 이때 티타늄 표면은 미세한 산화 조건에서도 산소와의 반응이 진행되므로 산화층에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 이와 같이 산소부화층을 제어하는 경우에는 이를 억제하기 위한 기술이 필요하다고 볼 수 있다.
마지막으로, 티타늄 판재를 제조하기 위한 정정단계에서는 조질압연을 통하여 표면에 조도를 부여하거나, 형상을 교정하며, 제품을 제조하는 최종 공정에 해당한다.
상기한 바와 같이, 통상의 공정에 의해 제조되는 티타늄 표면은 산화층과 산소부화층으로 구분되어 형성되는 특성이 있다.
이하에서는 산화층과 산소부화층의 형성 및 제거 메커니즘에 대해 보다 상세히 살펴본다.
소재의 최외부에 형성되는 산화층은 티타늄이 접하고 있는 분위기에 산소가 충분한 경우 티타늄과의 화학적 반응에 의해 매우 안정한 산화층을 형성하게 되며, 이때 형성된 안정하고 치밀한 산화층이 내식성에 기여하게 된다.
한편, 산소부화층은 산화층의 하부에 형성하게 되며, 이는 티타늄의 산화층이 형성되기 전에 산소가 외부로부터 내부로 확산되고 고용되어 있는 상태로서, 표층부의 산소가 표층부로부터 점차 확산되어 내부로 침투하고 고용된 형태로 남아 있는 상태이다.
상기와 같이, 산소부화층은 고용 경화 효과에 따라 강도가 높은 특성을 가지므로, 산세에 의해 제거되지 않은 경우 추가의 변형이 수반되는 후속공정에서 연신되지 못하고 국부적으로 파단되어 미세한 크랙을 형성하게 되어 표면결함의 원인이 되거나, 프레스 성형에서는 파단에 이르게 된다.
티타늄은 산소의 고용도가 매우 높기 때문에 25~40%의 산소를 고용하는 경우는 산화층을 형성하게 되며 그 이하의 고용도 범위에서는 산소부화층을 형성하게 된다.
따라서, 티타늄 판재의 표면산화층은 자연상태에서도 형성이 가능하며, 판재를 제조하는 공정에서 열연 또는 냉연소둔과 같은 열처리공정에서는 표층부에는 산화층이 형성되고 그 하부에는 산소부화층이 형성되는 것이 특징적이다.
표면의 산화층은 앞에서 설명한 바와 같이, 매우 치밀하고 안정된 조직을 형성하게 되므로 내식성에 기여하는 이점이 있으나, 제조공정에서 잔류하는 경우 압연과 같은 공정에서 산화층이 파괴되고 압착되어 표면결함의 원인이 되므로 이를 제거하기 위하여 산세공정이 적용된다.
이때, 표층부 산화층의 제거는 기계적 또는 화학적인 방법을 사용하게 되며, 기계적인 방법으로는 스케일 브레이킹(scale breaking) 또는 쇼트블라스팅(shot blasting) 방법으로 산화층을 파괴하게 되며 이어서 산용액에 의한 화학적 산세에 의해 제거하게 된다.
이 경우, 산소부화층은 소지 금속인 티타늄과의 고용상태로 존재하게 되므로 표층부 산화층과 같이 이들 기계적인 방법으로 제거되지 않으며, 산화층을 제거한 후에 화학적인 방법에 의해 용해 또는 용삭의 방법으로 제거해야 된다.
이와 같이, 티타늄의 산화층은 산소와의 반응에 의해 형성되므로, 산소의 확산에 따라 산화층 및 산소부화층이 형성하게 되며, 확산이 용이한 표층부에서는 산화층을 형성하기 쉽고, 그 이하에서는 산화층 대신에 산소의 농도가 높은 산소부화층을 형성하게 된다.
그리고, 산소부화층은 산소가 침입형으로 고용된 상태로 존재하기 때문에 강도는 높게 되며 이로 인하여 가공성이 낮게 되는 문제가 되므로, 본 발명에서는 표층부의 산화층은 완전히 제거하고 하부에 잔류하는 산소부화층을 제어함으로써 티타늄 판재의 가공성이 향상되도록 한다.
상기한 바와 같이, 표면 산화층이 두껍게 형성되면 산소부화층도 두껍게 형성하게 되며, 산화층이 제거된다 하더라도 산소부화층은 일부 잔류하게 된다. 산세공정에서 산소부화층은 조건에 따라 전부 또는 일부가 잔류하게 되며 전부를 제거하기 위해서는 공정에서의 제한이 너무 많다고 할 수 있다.
즉, 산소부화층은 상당 깊이를 가지고 판재의 두께방향에 형성되기 때문에 이를 전부 제거하는 것은 티타늄 소재의 용해에 의한 용출량의 증가를 가져오고, 결과적으로, 소재 두께의 감소를 초래하므로 재료의 손실을 가져오기도 하고 상업적인 공정에서는 오랜 공정시간이 필요하게 된다.
따라서, 상업적인 공정을 거친다 하더라도 티타늄 판재에서는 최소한의 산소부화층은 불가피하게 잔류하게 되는 특성이 있다.
산소부화층은 티타늄에 산소가 고용되어 있는 상태이므로 고용 경화 효과가 작용하게 되어 원래의 티타늄 보다 강도가 높은 특성이 있고, 제조공정 중 압연과 같은 변형조건에서 표면에 결함을 초래하거나, 또는 최종 제품의 경우 프레스 성형 중에 미세한 크랙을 형성하여 파단의 원인이 되므로 성형성과 직접적인 관계가 있다.
특히, 판형 열교환기와 같이, 복잡한 형태의 고가공용으로 티타늄 판재를 사용하기 위해서는 프레스 성형성이 증대되어야 하며, 이를 위해, 소재 자체의 물성을 개선하는 방법이 있으며 이는 소재의 성분제어와 제조 조건의 최적화에 의해 연질화, 즉, 가공성이 양호한 특성을 부여하게 된다.
또한, 이러한 소재의 성분을 제어하는 방법 이외에 소재 표면 특성의 개선을 통하여 프레스 가공성을 향상시키는 방법이 개발되고 있으며, 표면의 조도를 제어하여 가공유의 유동을 원활히 하고 마찰을 억제하는 기술이 있고, 본 발명과 같이 소재 표면특성중 가공에 영향을 미치는 산소부화층과 같은 특성을 제어함으로써 가공중 미세크랙의 형성을 억제하는 기술도 있다. 소재 이외에 별도의 가공성 향상을 위하여 가공에 유리한 필름을 도포하는 방법을 적용하기도 한다.
본 발명은 판형 열교환기에 적용하는 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조함에 있어, 프레스 성형성의 향상을 목적으로 티타늄의 고유특성인 산화특성을 적절히 제어하여 소재 표면의 산소부화층을 최소로 하며, 이를 달성하기 위하여 티타늄 제조공정에서 열연소둔에서의 소둔조건의 최적화와 진공소둔에서의 분위기를 적절하게 함으로써 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재의 제조방법을 제안하는 것이다.
본 발명은 티타늄 판재의 프레스 성형성 향상을 목적으로 소재의 표면특성을 개선함으로써 프레스 성형성을 높이는 것을 특징으로 하고, 특히, 프레스 가공 중에 티타늄판재와 금형 사이의 마찰에 의한 초기 크랙의 발생을 억제하기 위하여 소재의 표면 경도를 낮게 하는 기술을 이용하여 프레스 성형성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 티타늄 판재의 가공성을 확보하기 위하여 순티타늄으로 제조되는 판재를 기본 소재로 하되, 부가적인 기술로서 제조공정에서 불가피하게 형성되는 표층부의 산소부화층이 최소로 형성하도록 공정인자를 제어하는 것을 특징으로 하며, 열연소둔과정에서 과잉의 산소부화층의 형성을 억제하기 위하여 소둔온도를 적절히 하고, 아울러, 진공소둔에서는 추가적인 산소부화층의 성장을 방지하기 위하여 진공도 및 소둔조건을 조절한다.
그 결과로, 표층부 경도가 비커스 미소 경도(하중 5gr, Hv5gr) 수준으로 125 이하이고, 성형성지수인 에릭센 값이 12mm 이상을 보이게 되는 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제공할 수 있다.
본 발명에서 제어하는 표면의 산소부화층은 매우 얇은 두께를 형성하며, 적어도 0.1mm 이하의 두께에서 형성하게 된다.
이러한 경우 일반적인 재질 평가방법에 의해 산소부화층의 측정은 어렵게 되므로, 매우 얇은 두께를 가지는 산소부화층의 평가는 경도시험이 바람직하다.
이때, 측정하는 경도는 비커스 단위로서 하중이 5그램으로 미소 경도에 해당하고 측정값에 대한 수준을 결정하기에 적정하다.
또한, 실제 가공조건에서의 성형성 거동은 소재의 마찰을 고려한 성형조건을 평가하는 것이 바람직하므로, 이를 모사하는 방법으로 에릭센 평가법을 적용한다.
판형 열교환기에 적용되는 고가공용 티타늄 판재는 앞서 설명한 바와 같이, 프레스에 의해 판넬 형태의 판형으로 가공하여 사용된다. 판형으로 가공되는 경우는 대형의 프레스에 장착된 상하부 금형 사이에 판재를 놓이게 하고 이미 요철이 가공된 금형에 의해 판형 형태로 가공하게 된다.
이때, 티타늄 소재는 두 방향 이상으로 인장을 가하는 형태로 스트레칭 변형을 받게 되므로, 통상의 인장시험 이외에도 소재의 특성을 평가하는 방법으로 에릭센 값(Erichsen value)을 측정하고 평가하는 것이 바람직하다.
에릭센 값은 티타늄 판재 중에서 비교적 낮은 성형성이 요구되는 용도인 경우에는 10mm 정도이지만, 최근 판형 형태가 표면적 증가를 위해 복잡한 형상으로 발전하고 있고 표면의 굴곡 깊이도 증가하는 추세에 있으므로, 판형 열교환기와 같은 고가공용인 경우는 에릭센 값이 최소한 11mm 이상이 요구된다.
따라서, 본 발명은 표면 산소부화층을 제어한 소재에 대하여 표면경도와 에릭센 값을 측정하여 특성을 평가하였으며, 그 결과로 표층부 경도가 비커스 미소 경도(하중 5gr, Hv5gr)가 매우 연질 수준인 125 이하이고, 성형성 지수인 에릭센 값이 12mm 이상을 나타내는 판형 열교환기용 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 얻을 수 있다.
이하에서는 상기한 내용을 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법으로서, 프레스 성형성의 향상을 위해 티타늄 고유특성인 산화특성을 제어하여 소재 표면의 산소부화층을 최소화하는 구성을 보다 상세히 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법은 티타늄 제조 공정에서 열연소둔에서의 소둔조건의 최적화와 진공소둔에서의 분위기를 적절하게 제어함으로써 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재 제조 방법에 관한 것이다.
티타늄은 기본적인 특성으로 산소와의 강한 친화력을 가지므로 티타늄은 대기 중 제조공정을 거치면서 산화층이 자연스럽게 형성되고, 이때 형성된 표층 산화층에 의해 우수한 내식성을 나타내게 된다.
그러나, 제조공정 중에 형성되는 산화층은 압연 중 혼입되어 기계적인 흠을 발생하고 표면결함의 문제가 되므로, 제조하는 공정 중 제거하게 되며 최종 제품에는 내식성을 만족하는 두께가 얇은 산화층으로 구성하게 한다.
표층부의 산화층은 산소의 함량이 25~40%로 높은 산화층과 산화층 하부에 산소의 농도가 비교적 높은 산소부화층으로 구성되어 있으며, 산소부화층에서의 산소는 산화물을 형성하지 않고 내부에 고용된 상태로 존재하게 되므로 산화층과는 구별됨은 앞서 설명한 바와 같다.
최종 제품의 경우, 표층 산화층을 완전히 제거하도록 하지만 상업적으로 산화층을 제거하는 경우에도 산소부화층은 부분적으로 잔류하게 된다. 이때, 잔류하는 산소부화층은 연성이 낮기 때문에 프레스 성형과 같은 변형조건에서 국부적으로 미세한 파단을 형성하고 미세한 파단이 성장하여 결국 소재의 파단을 일으키게 한다.
따라서, 소재의 표면에 잔류하는 산소부화층을 최소화할 필요가 있으며, 본 발명에서는 산소부화층의 제어를 통하여 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조하는 것을 목적으로 한다.
티타늄 판재를 제조하기 위한 상업 라인에서의 제조공정별 티타늄의 산화층 및 산소부화층의 거동을 간략히 설명하면, 티타늄 판재의 표면 산화층 또는 산소부화층은 제조공정에 따라 다르게 형성되며 주로 공정에서의 온도 및 분위기에 따라 그 조성이나 두께가 다르게 형성된다.
제조공정 중에서 표면 산화층을 제거하는 공정으로, 열연소둔 산세공정과 이후 최종 제품의 표면산화층에 영향을 미치는 진공소둔 공정이 있다.
통상 열연소둔 산세공정에서는 열연판을 소둔하고 이후 표층부의 산화층을 제거하는 기능을 순차적으로 가진다.
먼저, 열연소둔 공정은 앞서 설명한 바와 같이, 열간압연에 의해 형성된 변형조직을 재결정시킴으로써 연질화하여, 후속공정인 냉간압연에서 압연을 적은 하중으로 용이하게 하기 위함이다.
고온의 제조 조건인 열간압연 공정에서도 산화층은 차이가 있으나 열연소둔 산세공정에서 이를 제거하는 가능을 가지므로 열연소둔 산세공정을 적절히 함으로써 산화층의 제거 및 산소부화층의 잔류를 제어할 수 있게 된다.
산세공정은 열간압연에서 형성된 산화층과 추가로 열연소둔공정에서 형성된 산화층을 제거하는 기능을 가지므로 산소부화층의 거동과 밀접한 관계를 가진다.
열연판 소둔에서 적용하는 온도는 열간압연에서 형성된 미세조직을 재결정하기 위한 충분한 온도이어야 하므로 상당히 고온이 적용된다.
또한, 열연소둔의 분위기는 대기와 직접 접촉하게 되므로 산소와의 산화반응이 용이하며, 특히, 이러한 고온조건에서는 열간압연에서 형성된 산화층 이외에 추가의 산화층이 성장되는 조건이며 이에 따라 산소부화층도 증가하게 된다.
따라서, 산소부화층을 최소로 하기 위해서는 열연소둔 온도를 적절히 할 필요가 있으며, 재결정이 일어나는 충분한 조건을 만족하고 산소부화층이 최소가 되는 조건이 가장 바람직하다고 볼 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 열연소둔 산세공정에서 소둔온도를 적절히 하여 산소부화층을 최소로 하는 기술적 특징을 포함한다.
산세공정은 통상 철강재의 경우 표면에 형성된 산화층만을 선택적으로 제거하는 기능을 가지지만, 티타늄의 경우는 탄소강에는 없는 산화층 하부의 산소부화층이 형성되는 특성이 있으므로, 표면 산화층뿐만 아니라 산화층 하부에 형성된 산소부화층을 제거하는 기능을 포함하게 된다.
산소부화층은 앞에서 설명한 바와 같이, 냉간압연과 같은 변형이 부여되는 공정 중에 표면 품질에 영향을 주거나 최종 제품에서는 파단의 시작이 되는 미세 크랙을 형성하므로, 가공성에 영향을 미치기 때문에 최소로 잔류하는 것이 가장 바람직하다.
산세공정에서 산소부화층을 완전히 제거하는 것은 기술적으로 가능하지만 제거에 소요되는 시간과 비용 그리고 소재의 손실을 감안하여 제품의 용도에 영향을 미치지 않는 범위에서 최소로 잔류하게 된다.
본 발명에서는 판형 열교환기를 프레스 성형하기 위한 티타늄 판재에 대하여 산소부화층를 최소로 제어하여 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조한다.
이를 위해, 본 발명에서는 판형 열교환기용 티타늄 판재의 프레스 성형성을 향상시키기 위하여, 표면 산화층 거동에 중요한 영향을 미치는 열연소둔 산세의 연속공정에서 열연소둔온도를 적절히 하고, 통상의 산세조건에서 산소부화층을 최소로 제어한다.
본 발명에서 제품의 성형성 향상을 위한 산소부하층은 미세경도를 측정하여 조사하였으며, 열연소둔 온도가 750도 이하인 조건에서 소둔열처리하고 통상의 산세조건에서 산화층과 산소부화층을 제거한 소재에 대하여 비커스 미세 경도 값이 두께방향으로 약 0.02mm에서 125(Hv5gr) 수준을 보였으며, 이는 통상 제품의 경도 수준이 동일 두께에서 150(Hv5gr) 정도임을 감안하면 매우 연질의 표면특성을 가지는 것으로 판단되고 이 경우 성형성이 우수한 특징을 나타낸다.
또한, 에릭센 값의 경우도 12mm 이상을 나타냄으로써 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재의 제조가 가능하였다.
또한, 상업적으로 가공성이 우수한 티티늄 판재를 제조함에 있어 표면 산소부화층의 형성에 영향을 미치는 공정인자로서는 진공소둔 조건이 있다.
티타늄판재를 제조함에 있어 소둔은 최종 제품의 재질을 확보하는 공정으로서 진공소둔과 연속소둔 방식으로 구분할 수 있다.
이들을 재질과 표면측면에서 상호 비교하여 설명하면, 먼저, 진공소둔의 경우 분위기는 진공과 아르곤 분위기를 사용하게 되므로 소둔 중 산화층의 형성은 막을 수 있으나 불가피하게 존재하는 산소에 의해 극박의 산화층은 잔류하게 된다.
따라서, 진공소둔의 경우는 추가의 산화층이 형성되지 않도록 진공도와 아르곤 가스의 분위기를 적절히 할 필요가 있다.
진공소둔에서는 코일을 로에 장입한 후에 진공이 되도록 하고, 목적으로 하는 진공도 수준을 얻게 되면 불활성 가스인 아르곤가스로 치환하여 소둔 종료시까지 분위기를 유지한다.
초기 진공도 유지의 목적은 로내의 공기를 제거함으로써 산소와 소재 표면과의 화학적 반응을 억제하기 위함이며, 이때의 가열은 복사열에 의한 열전달을 이용한다.
그러나, 복사열은 열전달 측면에서 효율이 낮기 때문에 불활성가스인 아르곤을 치환하여 대류 열전달로 전환하게 되고, 이때 아르곤의 산소 농도 및 진공에서 아르곤으로의 치환조건에 따라 표면의 산화거동은 차이를 가져오게 된다.
진공소둔의 경우에는 진공 분위기 또는 불활성가스 분위기에서 소둔을 완료하는 공정으로 소둔 후에는 별도의 산화층 제거를 위한 공정이 없으며, 소둔온도는 낮지만 배치(batch)식이므로 장시간 가열 및 유지하게 되므로 재질이 연질인 특징이 있다.
한편, 연속소둔의 경우는 단시간 가열하므로 강도가 높은 소재를 얻게 되며 소둔조건은 대기 중 고온이어서 산화층이 형성되므로 소둔후 산세에 의한 산화층 제거 공정이 추가된다.
어느 경우이든 연속소둔과 같이 표면의 산화층을 제거하거나 또는 진공소둔과 같이 산화층의 형성을 억제할 수 있으나, 산화층 하부의 산소부화층은 잔류하게 되며, 이를 적절히 제어하는 것이 판재의 성형성을 개선하는 중요한 기술이라고 볼 수 있다.
본 발명은 판형열교환기용 티타늄 판재의 프레스 성형성을 향상하기 위한 열연소둔 및 냉연재 소둔공정에서 산소부화층을 최소로 하여 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조하기 위한 기술적 특징을 가지고 있으며, 이를 달성하기 위하여 제조공정에서 열연판의 산화층 제거 및 소둔조건을 최적화하여 우수한 성형성을 가지는 티타늄 판재를 제조하고자 한다.
소재의 성형성은 기본적으로 소재의 화학성분에 의해 조절되는 재질과 표면의 물리적 특성에 따라 차이가 있다. 본 발명은 표면의 물리적 특성을 개선하여 성형성을 향상하고자 한다.
프레스 성형성의 향상은 가공 중에 파단을 억제하는 것이므로 가공 중에 파단을 일으키는 미세한 크랙을 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 미세크랙의 원인이 되는 소재 표층부의 산화층과 산소부화층을 제어하고 소둔과정에서 산소부화층의 성장을 억제하는 것을 특징으로 하여 프레스 성형성이 우수한 특성을 가지는 티타늄 판재의 제조법을 제공한다.
본 발명에서는 진공소둔에서의 분위기를 적절히 하여 산소부화층의 추가 성장을 억제하는 기술을 활용하고 있으며, 이를 달성하기 위하여 진공소둔에서의 진공도 그리고 진공과 아르곤가스의 치환을 적절히 하는 기술을 포함한다.
보다 상세하게, 본 발명에서는 진공소둔 공정에서 진공도의 범위를 제어함에 있어서, 소둔온도가 450℃ 범위에서 10-5 torr로 유지하고 아르곤으로 치환하는 경우에 산소부화층의 추가 형성은 없는 것으로 나타났으며, 이 경우도 비커스 미소 경도가 125(Hv5gr) 정도이고 에릭센 값이 12mm 이상의 우수한 성형성을 가지는 티타늄 판재를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법을 시간의 흐름에 따라 도시하는 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법은 고순도 티타늄 슬라브를 열간압연하는 단계(S110), 열연 판재를 열연소둔하는 단계(S120), 열연소둔에 따라 열연 판재의 표층부에 형성되는 산화층 및 산화층의 하부에 형성되는 산소부화층의 적어도 일부를 제거하는 단계(S130), 산화층 및 산소부화층의 적어도 일부가 제거된 열연 판재를 냉간압연하는 단계(S140), 및 냉연 판재를 진공소둔 방식에 따라 냉연소둔하는 단계(S150)를 포함한다.
보다 상세하게, 단계(S120)에서는 열연 판재를 750~780℃의 소둔 온도로 열연소둔한다.
그리고, 단계(S130)에서는 산소부화층을 상기 산소부화층 전체 두께의 85% 이상 제거할 수 있다.
다음으로, 단계(S150)에서는 냉연소둔 분위기를 진공도가 10-5 torr의 진공 상태 또는 이보다 높은 수준의 진공 상태로 유지하며, 550℃ 이하의 온도로 가열한다. 보다 바람직하게는, 450~550℃의 온도로 가열할 수 있다.
또한, 단계(S150)에서는 소둔온도 450℃ 이상에서 상기 냉연소둔 분위기를 아르곤으로 치환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 티타늄 판재는 비커스 미소 경도 125(Hv5gr) 이하, 에릭션 값은 12mm 이상으로서, 성형성이 우수한 장점을 갖는다.
계속하여, 본 발명에서 제안하는 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조하기 위하여 적용하는 제조공정별 인자의 성형성에 미치는 영향과 그 한정 사유를 살펴본다.
티타늄 판재의 제조공정에서 필수적으로 경유하게 되는 열연재 소둔산세공정은 크게 두 가지 기능을 가진다.
먼저, 열연소둔 단계는 열간압연에 의해 형성된 변형조직을 재결정처리하여 재질을 연화하여 후속공정인 냉간압연에서 압연이 용이하도록 소재를 열처리하는 공정이며, 또 다른 기능은 열간압연이 고온에서 표면에 형성된 산화층과 열연소둔중에 추가로 형성된 산화층을 제거하는 기능이다.
이러한 산화층은 공정 중에 표면결함의 원인이 되므로 제거하게 되며, 열연판 소둔후에 기계적방식과 화학적인 방식을 동시에 적용하여 산화층을 제거하게 된다.
산화층은 티타늄이 산소와의 화학적 결합으로 형성된 티타늄 산화층과 단순히 산소가 티타늄 내부에 고용되어 있는 산소부화층으로 구분된다.
표층부의 산화층은 매우 강도가 높고 취약하므로 파괴되어 표면에 결함이 되므로 제거하게 되지만 산화층 하부에 존재하는 산소부화층은 불가피하게 잔류하게 된다.
산소부화층은 기계적 방식으로 제거되지 않고 화학적 용해반응에 의해 제거되는 공정을 거치지만, 산소부화층의 깊이는 상당하므로 산소부화층을 전부 제거하는 것은 재료의 손실을 초래할 뿐만 아니라 처리공정에서 장시간 소요되므로 산업적으로 적용하기에는 어려움이 있다.
따라서, 제품의 용도에 따라 최소의 범위로 불가피하게 잔류하는 산소부화층을 제어하는 것이 중요한 기술이며, 본 발명에서는 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조하기 위하여, 산소부화층 전체 두께의 85% 이상을 제거함으로써, 프레스 가공변형에서 미세 크랙이 발생하지 않는 우수한 티타늄 판재를 제조한다. 표층 산화층을 제거하였다 하더라도 산소부화층이 과다하게 잔류하는 경우에 소재의 강도는 증가하게 되고 연신율은 감소하게 되므로, 냉간압연 중에 표면에 미세한 터짐(크랙)이 발생하는 표면결함의 원인이 되기도 한다.
티타늄 표면에 잔류하는 산소부화층은 열연산세 공정에서 형성된 두께의 약 15% 이하가 되며 이는 후속공정인 냉간압연에서 소재의 두께를 약 85%로 감소하게 되면 산소부화층의 두께는 초기에 형성된 두께의 약 2.5%이하로 감소하게 된다.
냉간압연 후에 진행되는 재결정 소둔공정은 산소가 거의 존재하지 않는 진공 또는 아르곤 분위기에 의해 산소부화층의 형성을 억제하게 되므로, 산소부화층은 최소로 잔류하여 가공성을 향상하는 것을 특징으로 우수한 성형성을 보이는 티타늄 판재의 제조가 가능하게 된다.
열연소둔 후 산세단계는 앞에서 설명한 바와 같이, 열간압연 및 열연판 소둔과정에서 추가로 형성된 산화층을 제거하는 기능을 가진다.
열연소둔 공정에서의 열처리 분위기는 대기중 산화성이기 때문에 소둔온도가 높을수록 산화층은 증가하게 되며 산소의 확산에 의한 형성되는 산소부화층도 증가하게 된다.
따라서, 산소부화층의 성장을 억제하기 위해서는 열연소둔온도를 가능한 낮게 하는 것이 유리하지만 열연소둔은 재질을 연화시키는 목적이 있으므로 산소부화층의 성장을 억제하고 연질화 재결정을 효과를 가져오는 최적의 조건설정이 중요하다.
본 발명에서는 열연 소둔온도를 750~780℃로 함으로써, 연질화 효과와 산소부화층 성장 효과를 동시에 얻는다.
열간압연재의 소둔온도 한정사유를 상세히 설명하면 다음과 같다.
열간압연에서 형성된 압연변형립은 소재의 강도를 높게 하므로 이를 낮게 하여 냉간압연이 용이하게 하여야 한다. 이를 위하여 열연판을 소둔하게 되는데, 이를 열연소둔이라고 하며, 고온의 대기 분위기로에 연속적으로 코일을 진행하게 하여 소둔열처리를 실시한다.
소재의 강도가 낮게 되는 것은 변형된 결정립이 변형이 없는 새로운 결정립으로 변화하는 재결정을 하기 때문이며, 적용되는 온도는 재결정 온도 이상으로 재질의 수준과 산화층의 성장 등을 고려하여 적절히 설정하게 된다.
온도가 높을수록 재질은 연화하지만 표층부의 산화층은 증가하게 되므로 이를 적절히 함이 바람직하다.
본 발명에서 적용하는 범위는 750℃ 이상 780℃ 이하로 제한하고 있으며, 이는 가공성이 우수한 티타늄 판재를 제조하기 위한 조건으로 재결정거동과 산소부화층의 형성을 고려하여 설정된다.
이때, 열연 소둔온도가 750℃ 미만인 경우에는 열간압연 과정에서 형성된 변형조직이 일부 재결정이 진행되거나 부분적으로 변형립이 잔류하는 미세조직을 보였으며 충분한 강도 저하가 나타나지 않았으며, 냉간압연에 용이한 충분히 낮은 강도를 보이지 않았다.
또한, 미세조직 측면에서 변형립과 재결정립의 혼재로 인하여 냉간압연 및 냉연 소둔과정에서 재결정거동의 차이에 의해 균일한 결정립 형성에도 바람직하지 못할 것으로 예상된다.
한편, 열연 소둔온도가 780℃ 이상인 경우, 재결정은 충분히 진행되어 재질연화에는 기여하게 되지만 표층부의 산화층의 증가를 수반하게 된다.
이는 열연소둔에서의 열처리 환경이 대기 분위기이면서 고온이므로 산소의 확산이 용이하게 되어 산화층과 산소부화층의 증가를 가져오는 것으로 설명된다.
이와 같이 고온의 조건에서 소둔하는 경우 산소부화층은 통상의 산세조건에서 제거하는데 작업시간이 길어지게 되며 잔류하는 두께도 증가하게 되어 가공성에 불리한 표면으로 잔류하여 남게 된다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 재결정에 의한 소재의 연질화 효과와 산세 후 산소부화층을 제어함으로써 가공성이 우수한 티타늄 판재를 얻기 위한 열연판 소둔온도는 750~780℃ 범위가 가장 바람직한 조건에 해당한다.
상기의 열연 소둔 후 기계적 방식과 화학적 산세방식으로 산화층을 제거하는 공정을 거치게 되며, 본 발명에서는 통상의 방법과 마찬가지로 기계적 방식으로는 스케일브레이크와 쇼트블라스팅 공정을 거치고 연속해서 염산과 불산의 혼합용액에서 침지방식으로 화학적 산세를 수행한다.
여기서, 기계적 방식은 화학적 산세방식의 보조방식으로 열간압연 또는 열연소둔중에 형성된 치밀한 산화층을 기계적인 방식으로 파괴하여 산세용액의 침투를 용이하게 하기 위함이다. 스케일 브레이킹은 연속되는 코일은 롤사이를 통과하게 하고 변형을 가하여 표층부의 산화층을 파괴하고 틈을 형성하는 과정이다.
한편, 쇼트블라스팅 공정은 미세한 스틸볼을 고압으로 티타늄 표면에 분사함으로써 산화층을 제거하는 과정이며, 이 경우 산화층은 일부 탈락하거나 파괴된 상태로 부착되어 있으므로 질산과 불산의 산용액에 의해 용이하게 제거된다.
질산과 불산의 산용액은 강력한 산세용액으로 기계적인 제거 후 잔류하는 산화층을 티타늄과의 용해반응으로 산화층을 제거하고 아울러 산화층 하부에 존재하는 산소부화층을 동시에 제거하게 된다.
따라서, 산용액과 티타늄 표면과의 화학반응은 티타늄 산화층뿐만 아니라 티타늄 자체도 용해하게 되므로 과다한 산세에 의한 용해는 재료의 손실을 가져온다.
본 발명에서는 통상의 조건으로 기계적방식과 화학적 방식을 동시에 적용하는 산세공정에서 산소부화층을 제어하는 것을 특징으로 하며 산소부화층이 두꺼울수록 가공성은 열화되므로 프레스 성형성을 열화시키지 않고 소재의 손실을 최소한으로 억제하는 산소부화층을 얻는 것을 특징으로 하고 있다.
산소부화층은 기계적 방식으로는 제거되지 않으며 화학적산세 방식에 의해 제거가 가능하므로 선세조건을 적절히 함으로써 산소부화층의 잔류 정도를 제어할 수 있게 된다.
그러나, 산소부화층의 완전한 제거는 이를 제거하기 위해 장시간 소요되므로 산업적인 제조공정에 적용하기 적절치 않다.
따라서, 판형 열교환기와 같이 높은 가공성이 요구되는 경우에는 프레스 성형성에 영향을 미치지 않는 최소한의 산소부화층을 가지도록 하는 것이 중요한 기술의 하나이다.
산소부화층은 앞에 설명한 바와 같이 낮을수록 가공성이 좋은 특성을 보이므로 공정 조건과 가공성을 고려하여 적절히 할 필요가 있다.
본 발명에서는 티타늄 판재의 표면에 형성된 산소부화층에 대하여 85% 이상을 제거하고 잔류하는 산소부화층이 15% 이하가 되도록 함으로써, 우수한 가공성을 가지는 티타늄 판재의 제조가 가능하도록 한다.
이때, 산소부화층이 15% 이상으로 잔류하는 경우에는 산소부화층의 강도가 높기 때문에 압연 및 프레스 가공중에 미세한 크랙 발생이 확인되었으며, 산소부화층이 15% 미만에서는 표면 결함의 발생이 없고 프레스 가공에서도 크랙 발생은 나타나지 않는다.
따라서, 본 발명에서는 산소부화층에 대한 한정범위를 15% 이하로 설정한다.
즉, 열연판 소둔후 통상의 산세공정으로 산화층과 산소부화층을 제거함에 있어 산화층은 완전히 제거하고 그 하부 산소부화층에 대하여 최초 산소부화층의 85% 이상을 제거하는 것으로 한정한다.
산소부화층을 85% 이상 제거한 소재는 다시 냉간압연을 거치게 되며, 이때 적용되는 두께 감소율은 80%~85%이므로, 최종적으로 제품에 존재하는 산소부화층은 약 2% 내외가 된다.
여기서, 최종 제품에서 프레스 가공성을 확보하기 위해서는 산소부화층이 매우 낮게 잔류해야 함을 의미하며 산소부화층의 영향이 매우 티타늄 판재의 프레스 성형성에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
다음으로, 소둔공정에서의 진공도와 소둔조건에 대한 한정사유를 설명한다.
열연판에 대하여 소둔 및 산세를 거친 후에는 냉간압연을 실시하게 되며, 이때 표면은 압연유가 도포되어 있으므로 이를 제거하기 위한 탈지공정을 거치게 되고 목적으로 하는 최종 재질을 확보하기 위하여 냉연소둔공정을 거치게 된다.
티타늄 판재의 소둔공정은 앞에서 설명한 바와 같이 배치(batch)식 진공소둔과 연속식 대기소둔으로 구분되며, 본 발명에서는 진공소둔공정에 관한 조건을 제시한다.
진공소둔은 소둔 초기인 가열단계에서 표면의 산화를 억제하기 위하여 진공상태를 유지하게 되며, 배치식 공정에서 코일의 외권부와 내권부 온도차이를 최소화하기 위하여 중간단계에서 일정온도로 유지함으로써 균일 가열조건을 부여하기도 하고 일부 가열 초기단계에서 표층부의 오염을 제거하는 목적도 있다.
따라서, 초기 가열단계에서는 소둔로 분위기, 온도 및 시간이 중요한 인자라고 할 수 있다.
일정 온도 이상에서는 재질 제어를 목적으로 재결정온도 이상까지 가열하고, 이후 단계에서는 분위기를 아르곤으로 대체하여 대류가열에 의한 열처리 효과를 이용하고 일정시간을 유지한 후 냉각하는 단계로 이루어진다.
통상 티타늄 냉간압연 소재의 진공소둔 열처리에서 2단계의 가열조건을 구분하기 위하여 초기 가열단계에서는 1차 가열단계라 하고, 최종소둔이 일어나는 조건으로 가열되는 단계는 2차 가열단계라 한다. 즉, 1차 단계에서는 가열이 시작되는 조건으로 분위기와의 반응이 진행되는 단계이므로 산소가 존재하는 경우 표면은 산화반응이 진행되는 조건이다.
티타늄 냉간압연재에 대한 진공소둔에서 1차 가열조건은 표면의 산화가 진행되는 조건이므로 온도의 상승과 함께 분위기의 영향이 크다고 할 수 있다.
티타늄 표면에서의 산소와 소재와의 산화반응은 통상 1차 가열조건에서도 약간의 산소가 있는 분위기에서는 티타늄의 산소에 대한 친화성이 매우 크므로 산소와 티타늄간의 매우 활발한 반응으로 산소의 존재에 따라 산화층 및 산소부화층의 두께에 영향을 미치게 된다.
이러한 산화반응을 억제하기 위해서는 1차 가열온도를 낮추거나 소둔로 내부의 산소농도를 낮게 하기 위하여 진공도를 높이는 방법을 고려할 수 있다.
1차 가열온도를 낮추는 경우에는 초기 소둔단계에서 균일한 온도 확보가 어려울 뿐만 아니라 표층부의 오염을 제거하기 어렵기 때문에 일정온도로 가열하게 되며 통산 450~550℃ 범위이다.
그러나, 이 온도 범위는 티타늄의 산화반응이 활발한 조건이므로 이를 억제하기 위해서 소둔로 내의 산소를 제거하는 것이 매우 중요하며, 이를 달성하기 위하여 높은 진공도를 유지하게 한다.
진공조건은 가열 중에 열전달 측면에서는 매우 불리한 조건임에도 불구하고 진공을 유지하는 것은 산소를 제거하여 표면의 산화를 억제하기 위함이다.
본 발명에서는 티타늄 판재의 진공소둔 조건으로 1차 가열조건에서 진공도를 10-5 torr 이상이고 1차 가열온도를 550℃ 이하로 하는 것을 동시에 만족하는 조건으로 제한한다.
그 이유는 진공소둔에서 진공도가 낮은 경우는 소둔로 내부에 잔류 산소가 많음을 의미하므로 산화반응이 촉진되는 조건으로 볼 수 있으며, 진공도가 10-5 이상인 경우는 분위기에 존재하는 산소의 량이 매우 적기 때문에 산소와 티타늄 표면과의 산화반응이 억제되기 때문이다. 아울러 산소의 확산에 의한 산소부화층의 성장도 억제할 수 있기 때문이다.
그러나, 티타늄 판재의 진공소둔에서 소둔로내의 진공도가 10-5 torr 이하로 낮은 경우 분위기내에 잔류하는 산소에 의한 판재 표면은 연한 회색의 산화층이 형성되는 것으로 관찰되고, 일부는 표면에 얼룩형태의 결함을 발생하기도 한다.
티타늄 판재의 제조공정에서 진공소둔에서 고진공을 유지하기 위하여 상업적으로 사용되는 설비를 이용하여 10-5 torr 이상의 고진공으로 하여 소둔하는 경우는 표면의 산화에 의한 색상의 변화는 나타나지 않았으며, 최종 제품을 가공하는 경우에도 표면에서 미세크랙의 형성이나 가공중 파단을 발생하지 않는다.
한편, 1차 가열단계의 온도를 재결정온도 이하인 550℃로 제한하였으며, 이는 1차 가열온도가 재결정온도 이상으로 표면의 온도가 높게 되므로 산화반응이 진행하게 되어 산소부화층이 증가하기 때문이다.
즉, 1차 가열온도가 550℃를 초과하는 조건이고 진공도가 10-5 torr 보다 낮은 경우에는 산소의 잔존량이 많고 온도가 높기 때문에 산화반응이 촉진되어 표면이 변색하거나 산소부화층의 성장으로 가공성이 열화되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 냉연판의 소둔조건으로 1차 가열온도를 최고 550℃ 이하로 하고 동시에 진공도를 10-5 torr 이상인 조건으로 제한하고 있으며, 이 조건에서는 표면산화에 의한 변색이 없고, 아울러 표면의 산소부화층의 성장이 일어나지 않으며 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재의 제조가 가능하다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 판재 제조 방법은 열연판의 소둔온도를 750~780℃ 범위로 하고, 표면에 형성된 산소부화층을 85% 이상 산세공정에서 제거하고, 냉연 진공소둔공정에서는 1차 가열온도를 550℃ 이하인 조건과 동시에 진공도를 10-5 torr 이상으로 유지함으로써, 비커스 표면 미소 경도(Hv5gr)가 125 미만이고, 에릭센 값이 12.0mm 이상인 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제조한다.
다음은 비교예와 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
하기의 표 1은 본 발명에서 실시한 비교예 및 실시예를 나타내며 티타늄 판재를 제조하기 위한 열연소둔 온도 및 냉연 소둔 조건을 나타낸다.
구분 열연소둔 산세공정 냉연소둔 비고
(표면색상)
온도(℃) 산소부화층
제거량(%)		 1차 가열 온도
(℃)		 1차 가열 진공도(torr)
비교예1 743 86 510 10-5
비교예2 788 90 515 10-5 회색 얼룩
비교예3 750 82 550 10-5 얼룩발생
비교예4 760 85 605 10-6 얼룩발생
비교예5 770 90 550 10-4
비교예6 760 87 620 10-4 얼룩발생
실시예1 750 88 520 10-5
실시예2 750 85 530 10-6
실시예3 780 92 550 10-5
고가공용으로 사용되는 티타늄 판재의 화학성분은 산업적으로 사용되는 상업용 고순도 티타늄으로서, 산소와 철의 함량 범위는 각각 0.05% 미만이고 기타 불순물의 총 함량은 0.4% 이하인 것이 일반적이다.
열연소둔의 경우, 온도는 열연판의 온도를 의미하고, 산소부화층의 제거량은 공정 중 발생한 산소부화층의 두께에 대한 산세 후 제거된 두께의 비를 나타낸다.
본 발명의 대상이 되는 티타늄 판재는 고가공성을 확보하기 위하여 고순도 티타늄을 대상으로 하였으며, 열연 및 소둔공정 조건의 최적화에 의해 표면특성을 개선하고 프레스 가공에서 우수한 성형특성을 가지는 티타늄 판재를 제조할 수 있다.
하기의 표 2는 비교예와 실시예를 통하여 얻어진 소재의 경도와 가공특성을 나타낸 것으로, 경도는 비커스 미소 경도를 사용하여 표면층의 산소부화층에 따른 미소 경도의 차이를 측정하였다.
구분 기계적성질 프레스 가공성 비고
비커스미소경도
(하중 5gr)		 가공성
(에릭션값,mm)		 파단여부
(육안관찰)
비교예1 145 10.5 파단
비교예2 157 10.7 파단
비교예3 152 10.2 넥킹
비교예4 149 11.0 넥킹
비교예5 145 11.2 넥킹
비교예6 151 10.9 파단
실시예1 125 12.1 양호
실시예2 120 12.4 양호
실시예3 118 12.3 양호
또한, 소둔 후 제품에 대해서는 에릭센 시험을 통하여 가공성의 수준을 측정하였으며, 실제와 유사한 조건에서 프레스 성형 시험을 통하여 표면에 발생하는 파단과 넥킹을 관찰하여 프레스 가공성을 판단하였다.
먼저, 표 1을 참조하면, 비교예 1은 열연소둔온도의 범위가 740℃인 경우로서, 본 발명의 범위인 750~780℃보다 낮은 소둔온도에 해당한다.
열연판 소둔은 기본적으로 재질연화를 목적으로 변형조직의 재결정을 유도하는 공정이므로, 냉간압연에 유리하도록 충분히 높은 온도가 바람직하다.
이와 같은 비교예 1의 경우에는 재결정이 진행되었음에도 불구하고 항복강도가 300MPa 이상이었으며 충분한 연질화가 진행되었다고 보기 어렵다. 통상 재결정이 완료된 경우의 항복강도는 180~200MPa이므로 이를 감안하면 본 발명의 목적을 얻기 어려운 범위이다.
또한, 표 2의 비교예 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 표면경도가 약간 높고 가공성이 낮은 원인에 의해 프레스 성형에서 파단이 발생하는 문제를 초래한다.
비교예 2는 냉연소둔조건의 1차 가열온도와 진공도 수준을 만족하나, 열연 소둔온도가 788℃로서 본 발명의 범위를 벗어난 조건이며, 열연 소둔이 고온에서 진행되어 과다한 산화층의 형성으로 인하여 산세 후 잔류하는 산소부화층이 증가하여 표 2의 비교예 2에 나타낸 바와 같이 표면경도가 높고 에릭센 가공성이 낮으며 프레스 가공에서 파단이 발생하게 된다.
계속하여, 표 1의 비교예 3은 열연소둔 후 산세조건에서 산소부화층의 제거량이 82%로서 본 발명의 요구수준이 85% 이하보다 낮은 조건에 해당한다.
산세조건은 산소부화층을 제거하기 위한 주요 공정으로 산세량이 감소하는 경우 잔류하는 산소부화층은 증가하게 되므로, 표 2의 비교예 3에서 볼 수 있는 바와 같이 표층의 경도가 매우 높게 되고 에릭센 값도 매우 낮은 수준을 보이며 프레스 가공시험에서 넥킹을 발생한다.
비교예 4는 본 발명의 범위에서 열연소둔을 실시하고 산세를 거친 소재에 대하여 진공소둔에서의 1차 가열온도를 605℃로 하고 높은 진공도로 유지한 경우이며, 그 결과로 산화층의 경도는 약간 낮고 에릭센 값은 약간 높은 경향을 보이나 프레스 성형에서는 넥킹이 발생하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다.
즉, 1차 가열조건은 진공을 형성하면서 온도를 상승시키는 열처리 공정으로 비록 진공조건을 형성하는 단계이나, 잔류하는 산소와의 반응에 의해 표층부의 산화반응이 일부 진행되게 되며, 이 경우 소둔 후 티타늄 표면은 얼룩이 형성되는 경향이 있다.
비교예 5는 냉연 소둔공정에서 진공도가 낮은 경우를 나타낸 것으로, 비록 진공을 유지한다 하더라도 진공도의 범위가 10-5 torr 범위보다 낮은 경우는 잔류하는 산소에 의해 산화반응이 진행되는 것으로 볼 수 있다.
이에 따라, 표면 미소 경도는 높게 형성되고 아울러 에릭센 값이 상대적으로 높은 수준을 가져오게 된다.
비교예 6은 본 발명의 범위에서 열연 소둔을 완료하였으나, 냉연소둔에서 1차 가열조건으로 온도가 높고 진공도도 낮은 경우이다. 이는 비교예 5에 비하여 보다 표면경도가 높을 뿐 아니라 에릭센 값도 낮게 나타났고 프레스 가공시험에서는 파단이 발생한다.
실시예 1 내지 3은 열연소둔 온도가 750~780℃ 범위이고, 산소부화층의 제거량도 85% 이상을 만족하며, 아울러 냉연소둔 조건에서의 1차 가열온도는 520~530℃ 범위에서 높은 진공도로 소둔한 경우이다.
그 결과로 표면 미소 경도는 125 이하로 낮게 측정되며, 가공성 지수인 에릭센 값은 12mm 이상을 나타내고, 프레스 가공시험에서도 파단이 발생하지 않는 우수한 성형성을 갖는다.
본 발명에서 실시한 실시예를 통하여 열연 소둔조건과 냉연소둔조건은 티타늄 판재 제조에서 표면 산소부화층의 형성에 매우 중요한 인자로 작용함을 확인할 수 있으며, 결과적으로, 표층부의 산소부화층의 잔류를 억제하는 것이 프레스 성형성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 티타늄 판재의 제조공정에서의 산화층, 즉, 산소부화층의 제어방법은 크게 두 가지로 가능하며, 첫째로, 형성을 억제하는 방법으로 제조조건을 최적화하여 온도 및 분위기를 조절하는 방법이 있고, 이들 인자는 열연에서의 소둔온도, 냉연에서의 온도 및 분위기를 들 수 있다.
이들은 티타늄의 고유특성인 산소와의 친화성을 최소로 하기 위한 조건으로 볼 수 있다.
산화층의 형성을 제어하는 또 다른 방법으로는 화학적 산세방법이며, 이는 공정 중 불가피하게 형성된 산화층 또는 산소부화층을 제거하는 적극적인 방법이라고 볼 수 있다.
본 발명에서는 공정조건의 최적화를 통해 산소부화층 형성을 억제하는 방법과 화학적 산세에 의한 제거방법을 모두 적용하고 있는 특징이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법을 통해 얻어진 티타늄 판재에 대하여 표층부로부터 두께방향으로의 경도의 분포를 기존의 방법에 따른 판재와 비교하여 도시하는 도면이다.
이때, 표면의 경도는 비커스 미소 경도 값을 측정하여 비교하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조 방법에 따른 티타늄 판재의 경도는 125 이하를 나타내었으나, 기존의 방법에 따른 티타늄 판재의 경우에는 150 이상의 경도를 나타내어 그 수준 차이가 매우 크게 나타나고, 기존 방법에 따른 판재의 경도는 표층부로부터 점차 감소하여 두께가 0.2mm 지점까지 감소하고 그 때의 수준이 발명재의 경도 값과 유사하였다.
한편, 본 발명의 제조 방법에 따른 판재의 경우는 표층부의 경도가 두께방향으로 일정한 수준으로 낮게 측정된다.
즉, 기존 방법에 따른 판재의 경우는 두께 0.2mm까지 산소부화층이 존재하는 것으로 볼 수 있으며, 본 발명의 제조 방법에 따른 판재에서는 산소부화층의 잔류가 거의 없기 때문에 두께 방향으로의 경도가 일정한 수준을 나타낸다.
이와 같이, 기존 방법에 따른 판재는 경도가 높고 두께 방향으로 감소하는 경향으로 변화하지만 본 발명에서 얻어진 판재의 표층부의 경도는 낮고 일정하므로 우수한 프레스 성형을 나타냄을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 비교예와 실시예에 나타낸 바와 같이, 티타늄의 제조공정에서 표면특성을 개선함으로써 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재의 제조방법에 관한 것으로, 통상의 가공용 고순도 티타늄을 대상으로 열연판 소둔공정에서 소둔온도를 750~780℃ 범위로 하고, 전체 산소부화층의 85% 이상을 산세에 의해 제거한 다음, 냉간압연판에 대해서는 진공소둔에서 1차 가열온도를 550℃ 이하로 하고 동시에 진공도를 10-5 torr로 유지하는 것을 특징으로 하며, 그 재질에 있어서 표면의 비커스 미소 경도가 125 이하이고, 에릭센 값이 12.0mm 이상인 프레스 성형성이 우수한 티타늄 판재 제조가 가능하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 고순도 티타늄 슬라브를 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 고순도 티타늄 슬라브(열연 판재)를 열연소둔하는 단계;
    상기 열연소둔에 따라 상기 열연 판재의 표층부에 형성되는 산화층 및 상기 산화층의 하부에 형성되는 산소부화층의 적어도 일부를 제거하는 단계;
    상기 산화층 및 산소부화층의 적어도 일부가 제거된 열연 판재를 냉간압연하는 단계; 및
    상기 냉간압연된 열연 판재(냉연 판재)를 진공소둔 방식에 따라 냉연소둔하는 단계;를 포함하되,
    상기 열연소둔하는 단계는 상기 열연 판재를 750~780℃의 소둔 온도로 열연소둔하고,
    상기 제거하는 단계는 상기 산소부화층을 상기 산소부화층 전체 두께의 85% 이상 제거하며,
    상기 냉연소둔하는 단계는, 냉연소둔 분위기를 진공도가 10-5 torr의 진공 상태 또는 이보다 높은 수준의 진공 상태로 유지하고,
    상기 냉연소둔하는 단계는 550℃ 이하의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉연소둔하는 단계는 450~550℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉연소둔하는 단계는 소둔온도 450℃ 이상에서 상기 냉연소둔 분위기를 아르곤으로 치환하는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 판재의 비커스 미소 경도는 125(Hv5gr) 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 판재의 에릭션 값은 12mm 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 판재 제조 방법.
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