KR101743380B1

KR101743380B1 - 티타늄판

Info

Publication number: KR101743380B1
Application number: KR1020157025191A
Authority: KR
Inventors: 가츠시 마츠모토; 요시노리 이토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-06-02
Also published as: KR20150119301A; JP6263040B2; WO2014148211A1; CN105308199A; US20150376738A1; JP2014205904A; CN105308199B

Abstract

강도와 성형성을 겸비한 티타늄판 및 이것을 사용한 플레이트식 열교환기용 플레이트를 제공한다. α상인 결정립 조직을 갖는 티타늄판이며, Fe:0.020∼0.150질량％, O:0.020∼0.150질량％, C:0.002∼0.100질량％를 함유하고, 잔부가 티타늄 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 Fe와 상기 C의 함유량(질량％)의 합이 상기 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상이고, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

티타늄판 {TITANIUM SHEET}

본 발명은, 고강도와 고성형성을 겸비한 티타늄판에 관한 것이다.

일반적으로, 티타늄재는 비강도 및 내식성이 우수하다. 이 특성을 살려, 티타늄재는, 카메라 보디 등의 광학 기기 및 가전 기기 등의 외장재, 안경, 시계 등의 장신구의 재료, 주방 기기 등의 민생품의 부재, 오토바이, 자동차 등의 수송 기기의 부재, 및 화학, 전력, 식품 제조 등 플랜트의 열교환기 부재에 사용되고 있다.

이 중의 최근 용도가 확대되고 있는 열교환기, 특히 플레이트식 열교환기의 플레이트는, 요구 특성으로서 필요한 열교환 효율을 높이기 위해, 프레스 성형에 의해 잔물결 형상으로 가공하여 표면적을 증가시키는 것이 요구되고 있다. 그로 인해, 열교환기, 특히 플레이트식 열교환기의 플레이트에 적용되는 티타늄판은, 보다 깊은 잔물결 모양을 형성하기 위해 우수하였던 성형성이 필요해지고 있다.

이들에 다용되는 티타늄판은, JIS 규격의 JIS H4600(1964년 7월 1일 제정)에서 규정되어 있다. 여기서 규정되는 티타늄판은, Fe, O 등의 불순물량, 강도 등에 의해 1종, 2종, 3종 등의 등급으로 다시 분류되어 있고, 그 등급이 증가할수록, 티타늄판의 최저 강도가 높게 되어 있다. 또한, 티타늄판은 JIS 규격의 등급에 의해 구분 사용이 용도에 따라서 이루어져 있다.

JIS 1종과 같이, Fe, O의 농도가 낮은 티타늄판은, 강도가 낮지만 연성이 높다. 이로 인해, 종래는 높은 성형성이 요구되는 부재에는, JIS 1종의 순티타늄판이 사용되고 있었다.

최근의 열교환기의 분야에 있어서는, 열교환 효율의 향상에 더하여, 고강도화·경량화의 요구도 점점 증대되고 있다. 이들 요구에 따르기 위해서는, 보다 강도가 높은 JIS 2종, 3종 등의 티타늄판의 열교환기에의 적용이 필요해진다. 그러나, 이들 강도를 갖는 티타늄판은 성형성이 떨어진다. 이로 인해, 이들 고강도의 티타늄판은, 가일층의 성형성 향상이 요구되고 있다.

그런데, JIS 규격으로 규정되는 공업용 순티타늄판은, 육방정 결정(HCP) 구조로 이루어지는 α상의 결정립 조직을 주체로 구성된 금속 재료이다.

일반적으로 티타늄 등의 금속 재료가 성형되기 위해서는, 전위의 이동에 의한 슬립 변형 및 쌍정 변형으로 이루어지는 소성 변형이 필요해지는 것이 알려져 있다.

티타늄의 α상에서 용이하게 활동하는 슬립계는, 기둥면 슬립 {10-10} ＜11-20＞이고, 그 밖에, 저면 슬립 {0001} ＜11-20＞, 피라미드 슬립이 있다. 또한, 프레스 성형시의 변형에서는, {11-22} ＜11-23＞의 쌍정이 활동할 수 있다. 그러나, BCC 구조의 철강 재료나 FCC 구조의 알루미늄에 비해, 티타늄은 활동 슬립계의 수가 적고, 또한, 복수의 슬립계가 용이하게 활동하기 어렵다. 이로 인해, 티타늄의 소성 변형은 어려운 것이 알려져 있다.

한편, 티타늄재의 강도를 향상시키는 수단으로서, 주로, 티타늄재의 O, Fe 등의 불순물 원소 농도를 높게 하여 강도를 향상시키거나, 또는 티타늄재의 결정립 미세화에 의해 강도를 향상시키는 2개의 수단이 알려져 있다.

그러나, 이들 종래법에 의한 티타늄재의 고강도화에서는, 티타늄재의 성형성이 크게 저하된다고 하는 문제점이 있었다.

상기 티타늄의 특징을 근거로 하여, 이하에 나타내는 바와 같은 티타늄재의 성형성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1에서는, 중량 비율로, Fe, Ni 및 Cr의 함유율이 소정의 관계식을 만족시키고, 또한 O(산소)의 함유율이 900ppm 이하이고, 잔부가 Ti 및 불가피 불순물로 이루어지는 순티타늄재에, 냉간 압연을 실시하고, 이어서 600∼850℃의 온도에서 어닐링 처리를 실시하여 순티타늄판의 평균 결정 입경을 20∼80㎛로 하고, 그 후 소정의 관계식을 만족시키는 희불산 수용액에서 산세 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 순티타늄판의 제조 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 2에서는, H, O, N, Fe량이 JIS H 4600의 1종 또는 2종에 규정되는 양이며, C:50∼800ppm을 함유하고, 잔부가 티타늄 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 티타늄판이 제안되어 있다.

일본 특허 제3228134호 공보 일본 특허 공개 제2002-317234호 공보

그러나, 특허문헌 1, 2에 제안되어 있는 티타늄판에서는, O, Fe 등의 불순물 원소 농도를 높게 하는 것이나, 결정립을 미세화함으로써 강도를 보다 높게 하면 티타늄판의 연성이 낮아져, 티타늄판의 성형성이 크게 저하된다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 상기 문제에 비추어 이루어진 것이며, 강도와 성형성을 겸비한 티타늄판을 제공하는 것을 과제로 한다.

즉, 종래의 C와 Al의 복합 함유에서는 한계가 있었던 티타늄판의 연성의 향상에 관하여, Fe, O, C 첨가량을 정밀하고 미세하게 제어함으로써, 티타늄판의 연성이 더욱 향상되는 것을 발견하였다. 또한, C의 결정 입계에의 분포 상태가, 연성 향상 효과에 영향을 미치고 있는 것도 발견하였다. 그리고, 결정 입계에의 C의 농화 정도를 정밀하고 미세하게 제어함으로써, 티타늄판의 연성이 더욱 향상되는 것을 발견하였다.

티타늄판의 C 함유량이 많을수록, 티타늄판의 강도가 증대된다. 그러나, 티타늄판의 연성은, 티타늄판의 C 함유량이 있는 최적의 범위에 있어서, C 함유량의 효과가 얻어진다. 또한, 정밀하고 미세하게 검토를 행한 결과, 그 최적의 범위는 Fe, O 첨가량에도 의존하는 것을 발견하였다. 특히, O는 티타늄판의 강도를 증대시키는 효과가 크지만, 티타늄판의 연성도 열화시킨다. 이로 인해, C 함유의 효과를 보다 효율적으로 발현시키기 위해서는, O 첨가량은 적은 쪽이 좋다. 한편, Fe에 관해서는, 첨가량이 많은 쪽이 C 함유시의 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스의 향상에 유효한 것을 발견하였다.

또한, 티타늄판의 결정립 조직 내에 있어서, C의 존재 위치로서, 결정 입계에의 농화 정도가 높을수록, 동일한 첨가량이라도 강도와 연성의 밸런스가 증대되는 것을 발견하였다.

상기한 지견에 의해, 본 발명자들은, 예의 연구한 결과, Fe, O, C의 함유량 및 서로의 비를 제어함으로써, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상되는 것, C의 결정 입계에의 농화 정도를 높게 함으로써, 티타늄판의 성형성이 더욱 향상되는 것을 발견하여, 본 발명에 이르렀다.

본 발명에 관한 티타늄판은, α상인 결정립 조직을 갖는 티타늄판이며, Fe:0.020∼0.150질량％, O:0.020∼0.150질량％, C:0.002∼0.100질량％를 함유하고, 잔부가 티타늄 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 Fe와 상기 C의 함유량(질량％)의 합이 상기 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상이고, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상인 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 티타늄판은, Fe, O, C의 함유량 및 서로의 비를 제어하여 복수의 슬립계/쌍정계를 활동시킴으로써, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다. 또한, 결정 입계에 있어서의 C의 농도를 1.0질량％ 이상으로 함으로써 티타늄판의 성형성이 더욱 향상된다.

또한, 본 발명에 관한 티타늄판은, 평균 결정 입경이 5∼80㎛인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 티타늄판은, 성형시에 티타늄판의 강도를 확보하면서 전위의 슬립 변형이나 쌍정 변형이 보다 일어나기 쉬워진다. 이로 인해, 티타늄판의 성형성이 더욱 향상된다.

또한, 본 발명의 티타늄판은, 플레이트식 열교환기에 사용할 수 있다.

본 발명의 티타늄판을 사용함으로써, 높은 강도와 높은 성형성을 갖는 플레이트식 열교환기로 할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄판은, 소정의 조성과 결정 입계에 있어서의 C의 농도를 규정함으로써, 강도와 성형성을 겸비한다.

도 1의 (a)는 본 발명에 관한 티타늄판의 성형성 평가에 사용한 성형 금형의 평면도이다. (b)는 성형 금형의 E-E선에 있어서의 단면도이다.

다음으로, 본 발명에 관한 티타늄판의 조성에 대해 상세하게 설명한다.

[조성]

본 발명에 관한 티타늄판은, α상(HCP 구조)의 결정립 조직을 갖고, Fe:0.020∼0.150질량％, O:0.020∼0.150질량％, C:0.002∼0.100질량％를 함유하고, 잔부가 티타늄 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한 Fe와 C의 함유량(질량％)의 합이 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상으로 한다. 또한, 본 발명에 관한 티타늄판은, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상이다.

(Fe:0.020∼0.150질량％)

Fe는 티타늄판의 강도와 성형성을 향상시키는 중요한 원소이다.

Fe의 함유량이 0.020질량％ 미만이면 티타늄판의 강도가 부족하다. 그로 인해, 티타늄판의 강도를 증대시키기 위해 도입해야 할 변형량이 커져, 결과적으로 티타늄판의 성형성이 저하된다. 따라서, Fe의 함유량은 0.020질량％ 이상으로 한다.

한편, Fe의 함유량이 0.150질량％를 초과하면, 잉곳 중에 있어서의 Fe의 편석이 커져 생산성이 나빠진다. 또한, β상의 석출량이 증가함으로써, Ti의 결정립이 미세화된다. 이로 인해, 티타늄판의 성형성이 저하된다.

따라서, Fe의 함유량은, 0.150질량％ 이하로 한다.

Fe의 함유량은, 0.100질량％ 이하인 것이 바람직하다.

Fe의 함유량은, 0.080질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

(O:0.020∼0.150질량％)

O는 티타늄판의 강도를 증대시키는 한편, 성형성을 열화시키는 원소이다.

O의 함유량이 0.020질량％ 미만이면 티타늄판의 강도가 낮아진다. 그로 인해, 티타늄판의 강도를 증대시키기 위해 도입해야 할 변형량이 커져, 결과적으로 티타늄판의 성형성이 저하된다. 따라서, O의 함유량은 0.020질량％ 이상으로 한다.

한편, O의 함유량이 0.150질량％를 초과하면, 티타늄판이 취화되어, 성형성이 저하된다. 또한, 티타늄판이 냉간 압연시에 깨지기 쉬워져, 티타늄판의 생산성이 저하된다.

따라서, O의 함유량은, 0.150질량％ 이하로 한다.

O의 함유량은, 0.125질량％ 이하인 것이 바람직하다.

O의 함유량은, 0.100질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

(C:0.002∼0.100질량％)

C는 티타늄판의 강도와 성형성을 향상시키는 원소이다.

C의 함유량이 0.002질량％ 미만이면 결정 입계에 있어서의 C의 농도를 소정의 농도로 하는 것이 어려워져, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스의 향상 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 티타늄판의 강도가 낮아진다. 따라서, C의 함유량은 0.002질량％ 이상으로 한다.

한편, C의 함유량이 0.100질량％를 초과하면, 필요 이상으로 티타늄판의 강도가 증대되어, 티타늄판의 성형성이 열화된다.

따라서, C의 함유량은 0.100질량％ 이하로 한다.

C의 함유량은, 0.090질량％ 이하인 것이 바람직하다.

C의 함유량은, 0.080질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

(잔부)

본 발명에 관한 티타늄판에 있어서의 불가피 불순물은, 공업용 순티타늄판에 불가피적으로 포함되는 불순물 원소를 가리킨다. 불순물 원소는, 대표적으로는, 질소, 수소, 크롬, 니켈 등이 있다. 또한, 제조 공정에 있어서 제품 중에 도입될 가능성이 있는 원소, 예를 들어 수소 등도 불가피 불순물에 포함된다. 불순물 함유량이 많으면, 티타늄판은 강도와 성형성을 겸비하는 것이 어려워진다. 이로 인해, 티타늄판은 불가피 불순물을 적절하게 저감시킨 것인 것이 바람직하다. 또한, 불순물이 적은 합금 원료를 사용함으로써, 티타늄판의 불가피 불순물을 저감시킬 수 있다.

(조성 지표 R : 0.80 이상)

Fe, O, C의 함유량을 개별 제어할 뿐만 아니라, 서로의 상관도 제어함으로써, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다.

Fe와 C의 함유량(질량％)의 합이 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상으로 한다.

Fe, O, C의 함유량은, 티타늄판 중의 함유량(질량％)을 [Fe], [C], [O]으로 나타냈을 때, 하기 식(1)로 나타내어지는 조성 지표 R의 값을 0.80 이상으로 표현하는 것도 가능하다.

조성 지표 R의 제어는, 티타늄판의 원료로서 사용하는 티타늄 스크랩에 포함되는 Fe, O, C 농도에 대해, Fe는 예를 들어 철분, O는 예를 들어 산화티타늄, C는 예를 들어 TiC의 형태로 적절히 첨가하고, 티타늄판 중의 Fe, O, C 함유량을 제어함으로써 행한다.

상기한 바와 같이 티타늄판의 강도는 C의 함유량이 많을수록 증대된다. 한편, 티타늄판의 연성은 C의 함유량이 있는 최적의 범위에서 그 효과가 얻어진다. C의 함유량이 최적인 범위는 Fe, O 함유량에도 의존한다. 특히, O는 티타늄판의 강도를 증대시키는 효과가 크다. 한편, O는 티타늄판의 연성도 열화시킨다. 이로 인해, C 함유의 효과를 보다 효율적으로 발현시키기 위해서는, O 함유량은 적을수록 좋다. 또한, C에 의한 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스의 향상을 보다 효율적으로 발현시키기 위해서는, Fe 함유량은 많을수록 유효하다.

따라서, 조성 지표 R의 하한값을 0.80 이상으로 한다.

조성 지표 R의 값이 0.80 이상이면 복수의 슬립계/쌍정계를 활동시킬 수 있어, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다.

조성 지표 R의 값이 0.85 이상인 것이 바람직하다.

조성 지표 R의 값이 0.90 이상인 것이 보다 바람직하다.

조성 지표 R의 값이 0.80 미만이면, 복수의 슬립계/쌍정계를 활동시킬 수 없어, 티타늄판의 성형성이 떨어진다.

조성 지표 R의 상한값은, Fe, O, C의 상기 함유량의 범위에 있어서, 12.5 이하가 바람직하다.

조성 지표 R의 값이 12.5를 초과하면, Fe, O, C 중 어느 하나의 원소의 함유량이 상기 바람직한 범위로부터 벗어나므로, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 조성 지표 R의 값이 12.5 이하인 경우와 비교하여 떨어진다.

조성 지표 R의 값이 10.0 이하인 것이 보다 바람직하다.

조성 지표 R의 값이 6.0 이하인 것이 더욱 바람직하다.

이들 상세한 메커니즘은 불분명하지만, 다음과 같이 추정된다. 티타늄판에서는, O, Fe는 Ti 매트릭스 중에 고용한다. O는 침입형 원소이고, Fe는 치환형 원소로, 동일한 고용 상태라도 존재 형태가 다르다. 또한, 티타늄판에서는, Fe의 고용 한도계가 O보다도 작으므로, 어느 정도 이상(약 0.05질량％ 이상)의 Fe 함유량에서는 β상이 석출된다. 따라서, 티타늄판에서는, C에 대한 영향은, O와 Fe에서 다르다고 추정된다.

따라서, 티타늄판 중의 Fe, O, C의 함유량이 식(1)을 만족시킴으로써, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다.

(결정 입계에 있어서의 C의 농도 : 1.0질량％ 이상)

결정 입계에 있어서의 C의 농도 상태(C의 결정 입계에의 농화 상태)는 티타늄판의 연성 향상 효과에 영향을 미친다. 이로 인해, 결정 입계에 있어서의 C의 농도(C의 결정 입계에의 농화)를 정밀하고 미세하게 제어함으로써, 티타늄판의 연성이 향상된다. 또한, 결정 입계에 있어서의 C의 농도를 정밀하고 미세하게 제어함으로써, 다른 강도 증대책(O 증량, 결정립 미세화, 예비 변형 부여)의 경우보다도, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다.

결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 미만에서는, 티타늄판 중에 C가 소정의 양을 전체로서 함유되어 있어도, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스 향상 효과가 얻어지지 않는다.

따라서, 결정 입계에 있어서의 C의 농도는 1.0질량％ 이상으로 한다.

결정 입계에 있어서의 C의 농도는 2.0질량％ 이상이 바람직하다.

결정 입계에 있어서의 C의 농도는 5.0질량％ 이상이 보다 바람직하다.

결정 입계에 있어서의 C의 농도의 제어는 후기하는 제조 방법에 의해 행한다. 구체적으로는, 최종 어닐링 전의 냉간 압연 공정에 있어서의 냉간 압연율을 제어함으로써 행한다. 또한, 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 온도와 어닐링 시간을 제어함으로써 행한다.

최종 어닐링 전의 냉간 압연 공정에 있어서의 냉간 압연율을 낮게 하면, C가 결정 입계에 적극적으로 농화(분포)되기 쉬워진다. 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 온도가 높으면 C가 결정 입계에 적극적으로 농화된다. 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 시간이 길면 C가 결정 입계에 적극적으로 농화된다.

티타늄판의 결정립 조직 내에 있어서, C는 침입형 원소이므로, 본 발명의 함유 범위에서는 고용 상태로 존재한다. C의 존재 위치로서, Ti 결정 입계에의 농화 정도(분포 농도)가 높을수록 티타늄판 전체에 있어서의 함유량이 동일해도, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상된다.

이 메커니즘은 불분명하지만 다음과 같이 추정된다. 티타늄판은, 소성 변형의 진행에 의해 형성되는 쌍정이나 변형 조직에 의해 변형 집중이 Ti 결정 입계에 발생하여, 파괴에 이른다. 그리고, 티타늄판은, C가 결정 입계에 편석됨으로써 Ti 결정 입계의 강도가 증대되어, 특정 결정 입계에의 변형 집중이 일어나기 어려워진다. 그 결과, 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 향상되는 것이라 추정된다.

(평균 결정 입경 : 5∼80㎛)

평균 결정 입경은, 티타늄판의 성형성에 영향을 미치지만, 본 발명에 관한 티타늄판에 있어서 통상의 평균 결정 입경의 범위(2∼150㎛)이면, 본 발명의 효과는 발휘된다.

통상의 평균 결정 입경의 범위 내이며, 평균 결정 입경이 5㎛ 미만에서는, 티타늄판에의 변형 도입시에 쌍정 변형이 일어나기 어려워지고, 한편, 평균 결정 입경이 80㎛를 초과하면, 표면 조화가 발생하거나 하므로, 어느 경우도 티타늄판의 성형성이 약간 저하되게 된다. 따라서, 평균 결정 입경은 5∼80㎛로 하는 것이 바람직하다. 평균 결정 입경이 5∼80㎛이면, 그 범위 밖과 비교하여 성형성이 보다 우수하므로, 후기하는 성형성 지표 F가 보다 높은 값으로 된다.

평균 결정 입경은 10∼60㎛가 보다 바람직하다.

평균 결정 입경의 제어는 후기하는 제조 방법에 의해 행한다. 구체적으로는, 최종 어닐링 공정 전의 냉간 압연율, 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 온도와 어닐링 시간을 제어함으로써 행한다.

최종 어닐링 공정 전의 냉간 압연율을 낮게 하면 평균 결정 입경이 커진다. 또한, 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 온도가 높으면 평균 결정 입경이 커진다.

단, 어닐링 온도가 지나치게 높아 β 변태 온도(Tβ)에 지나치게 가까워지면, 새롭게 석출되는 β상에 의해 결정립의 성장이 저해된다. 또한, 최종 어닐링 공정에 있어서의 어닐링 시간이 길면 평균 결정 입경이 커진다.

평균 결정 입경은, 예를 들어 주사 전자 현미경(SEM:Scanning Electron Microscopy)의 관찰 조직을, EBSD(Electron Back Scattered Diffraction Pattern)에 의해 방위 해석하여 측정할 수 있다. EBSD는, 시료에 전자선을 조사하고, 그때 발생하는 반사 전자 기쿠치선 회절을 이용하여 결정 방위를 특정하는 것이다.

평균 결정 입경은, 이 SEM/EBSD 측정 데이터에 있어서, 방위차가 5°이상인 경계를 결정 입계라고 정의하고, 그 결정 입계에 둘러싸이는 각 결정립의 면적을 원과 근사시킨 경우의 직경을 결정립의 원 상당 직경으로 한다. 산출에 사용한 결정립 100개 이상에 대해 원 상당 직경의 평균값을 산출하고, 또한 복수의 개소(5개소 이상)에서 마찬가지의 측정을 행하여 산출한 각 평균 원 상당 직경의 평균값을 취하고, 그것을 평균 결정 입경이라 정의한다.

[플레이트식 열교환기용 플레이트]

본 발명에 관한 플레이트식 열교환기용 플레이트는, 본 발명에 관한 티타늄판을 프레스 가공 등 공지의 방법에 의해 깊은 잔물결 형상 등 소정의 형상으로 가공한 것이다.

본 발명에 관한 티타늄판은, 이미 설명한 화학 조성 및 C의 결정 입계에의 분포 상태에 의해 강도와 성형성을 겸비한다. 이로 인해, 플레이트식 열교환기용 플레이트에 가공시에 깊은 잔물결 모양을 형성하는 가공이 행해져도 본 발명에 관한 티타늄판은, 깨짐 등이 발생하지 않고 성형성이 우수하다. 또한, 본 발명에 관한 플레이트식 열교환기용 플레이트는 강도를 가지므로, 장기간의 열교환기의 가혹한 사용 환경에 견딜 수 있다.

[티타늄판의 제조 방법]

다음으로, 본 발명에 관한 티타늄판의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 관한 티타늄판은, 종래의 제조 방법[소모 전극식 아크 용해법(VAR법)에 의한 용해 공정, 재용해 공정, 주조 공정, 열간 단조 공정, 열간 압연 공정, 중간 어닐링 공정, 냉간 압연 공정, 최종 어닐링 공정]에 의해 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄판의 제조 공정에 있어서의 결정 입계에 있어서의 C의 농도의 제어 방법(C의 농화 방법)은 이하와 같다.

(용해 공정)

용해 공정에 있어서, 용탕에 O, Fe, C를 첨가한다.

C를 티타늄판 내에 균일하게 분산시키는 방법은, C 단독이 아니고 Ti 탄화물(TiC)의 형태로 C를 용탕에 첨가하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 통상의 양산 방법인 VAR법에 의한 용해에서도 C의 함유가 용이해진다.

(냉간 압연 공정)

냉간 압연 공정에서는, 소재의 냉간 압연성(에지부 깨짐의 발생 용이성, 변형 하중 등)에 따라서 적절한 압하율과 어닐링 조건을 선택하여, 냉간 압연과 어닐링을 반복한다. 최종 어닐링 공정의 직전에 실시하는 냉간 압연의 압하율은, 최종 어닐링 공정에서 소재가 재결정되는 데 충분한 가공량, 예를 들어 30％ 이상의 압하율을 확보한다.

최종 어닐링 전의 냉간 압연 공정에 있어서의 냉간 압연율은, 85％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 조건에 의해, 최종 어닐링 후의 재결정 집합 조직의 발달이 억제되어, C의 농화가 곤란한 소경각 입계의 비율이 저감되고, C가 농화되기 쉬운 대경각 입계의 비율이 증대된다.

냉간 압연율은 낮은 쪽이 좋고, 70％ 이하가 보다 바람직하다.

냉간 압연율은, 60％ 이하가 더욱 바람직하다.

(최종 어닐링 공정)

최종 어닐링 공정에 있어서는, 어닐링 중의 C의 확산을 촉진시킴으로써, C가 결정 입계에 적극적으로 농화된다. 최종 어닐링 조건은 고온, 또한 장시간이 바람직하다.

이하, 연속 어닐링로에 의한 경우와, 뱃치 어닐링로(진공로)에 의한 경우로 나누어 설명한다.

(연속 어닐링로)

연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 어닐링 온도는, 600∼890℃로 하는 것이 바람직하다.

어닐링 온도가 600℃ 미만이면 C의 결정 입계에의 농화가 충분히 일어나지 않으므로, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되지 않는다. 어닐링 온도가 890℃를 초과하면, 어닐링 중에 일어나는 재결정에 계속해서 입성장이 현저하게 일어나, 특정 방위의 집적도가 증대된다. 이로 인해, C의 농화가 곤란한 소경각 입계의 비율이 증대되어, C의 결정 입계에의 농화가 오히려 일어나기 어려워져, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되기 어렵다.

연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 어닐링 온도는, 700∼890℃가 보다 바람직하다.

연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링에 있어서 유지는 필수는 아니지만(0분이어도 됨), 유지하는 경우는 유지 시간을 10분 이하로 하는 것이 바람직하다.

유지 시간이 10분을 초과하면, 어닐링 중에 일어나는 재결정에 계속해서 입성장이 현저하게 일어나, 특정 방위의 집적도가 증대된다. 이로 인해, C의 농화가 곤란한 소경각 입계의 비율이 증대되어, C의 결정 입계에의 농화가 오히려 일어나기 어려워져, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되기 어렵다.

연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 유지 시간은, 1분∼10분이 보다 바람직하다.

[뱃치 어닐링로(진공로)]

뱃치 어닐링로(진공로)에 의한 최종 어닐링의 어닐링 온도는, 550∼700℃로 하는 것이 바람직하다.

어닐링 온도가 550℃ 미만이면 C의 결정 입계에의 농화가 충분히 일어나지 않으므로, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되지 않는다. 어닐링 온도가 700℃를 초과하면, 어닐링 중에 일어나는 재결정에 계속해서 입성장이 현저하게 일어나, 특정 방위의 집적도가 증대된다. 이로 인해, C의 농화가 곤란한 소경각 입계의 비율이 증대되어, C의 결정 입계에의 농화가 오히려 일어나기 어려워져, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되기 어렵다.

뱃치 어닐링로(진공로)에 의한 최종 어닐링의 어닐링 온도는, 600∼700℃가 보다 바람직하다.

뱃치 어닐링로(진공로)에 의한 최종 어닐링의 유지 시간은, 30분∼4시간으로 하는 것이 바람직하다.

유지 시간이 30분 미만이면 C의 결정 입계에의 농화가 충분히 일어나지 않으므로, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되지 않는다. 유지 시간이 4시간을 초과하면, 어닐링 중에 일어나는 재결정에 계속해서 입성장이 현저하게 일어나, 특정 방위의 집적도가 증대된다. 이로 인해, C의 농화가 곤란한 소경각 입계의 비율이 증대되어, C의 결정 입계에의 농화가 오히려 일어나기 어려워져, 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 1.0질량％ 이상으로 되기 어렵다.

뱃치 어닐링로(진공로)에 의한 최종 어닐링의 유지 시간은, 1∼4시간이 보다 바람직하다.

또한, 어닐링 후에 티타늄판 표면에 스케일이 부착되는 경우는, 스케일 제거의 공정, 예를 들어 솔트 열처리, 산세 처리 등을 행하는 것이 바람직하다.

실시예

이하에, 본 발명의 효과를 확인한 실시예를, 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다.

또한, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니며, 상기, 후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

(시험재)

표 1에 나타내는 Fe, O 조성의 (JIS H 4600의) 순티타늄 주괴를 소모 전극으로 하는 VAR법에 의해 용해하고, Ti 탄화물(TiC)의 형태로 C의 원료를 용탕에 첨가하여, 표 1에 나타내는 바와 같이 Fe와 C의 함유량(질량％)의 합이 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상(조성 지표 R의 값이 0.80 이상)으로 되도록 주조하여, 직경 400㎜, 길이 5000㎜의 α상인 결정립 조직을 갖는 티타늄재(티타늄 주괴)를 얻었다.

다음으로, 이 티타늄재를 1000℃에서 30분간 열간 단조한 후에, 800℃에서 열간 압연을 행하여, 판 두께 4.0㎜의 열연판을 얻었다. 그리고, 열연판의 표면의 스케일을 제거하고 나서, 냉간 압연, 중간 어닐링(연속 어닐링로에서 750℃×5분)을 실시하였다. 또한, 솔트로에 침지하고, 그 후 산세하여 탈스케일 처리를 하였다. 이것에 더하여, 표 1에 나타내는 조건에서 냉간 압연, 최종 어닐링을 실시하여, 판 두께가 0.5㎜로 되는 시험재(시험재 번호 1∼27)를 얻었다. 최종 어닐링은 연속 어닐링로, 또는 뱃치 어닐링로(진공로)에서 행하였다. 이에 의해, 결정 입계에 있어서의 C의 농도를 1.0질량％ 이상으로 하였다.

또한, 최종 어닐링을 연속 어닐링으로 행하였을 때에는, 최종 어닐링 후에 솔트로에 침지하고, 그 후 산세하여 탈스케일 처리를 행하여 판 두께가 0.5㎜로 되도록 중간 어닐링 전후의 냉연율을 조정하였다.

(결정 입계에 있어서의 C의 농도의 평가)

결정 입계에 있어서의 C의 농도의 평가는, 전계 방출형 투과 전자 현미경(Field Emission Transmission Electron Microscope: FE-TEM)과, 에너지 분산형 X선 분석 장치(Energy Dispersive X-ray Spectrometer: EDX)에 의해 행하였다. Noran제 Vantage(EDX)를 설치한 니혼덴시제 JEM-2010F(FE-TEM)를 사용하여, 시험재의 결정 입계가 관찰 방향에 수직해지도록 경사시키고, 가속 전압 200㎸로, 100만배의 배율로, 전자선의 빔 직경을 약 1㎚로 좁혀, 결정 입계 상에서 점 분석을 행하여, EDX 스펙트럼을 측정하였다.

또한, EDX 스펙트럼 측정을 위해 전자선을 조사한 시간은 30초였다. 그 스펙트럼으로부터, 결정 입계에 있어서의 C 농도를 분석하였다. 각 시야마다, 결정 입계에 있어서의 C 농도의 분석을 10개소 행하고, 그 평균값을 산출하였다. 또한, 각 시험재마다, 5시야에서 상기 측정을 행하고, 그들의 평균값을 산출하여, 결정 입계에 있어서의 C의 농도로 하였다.

(α상 입자의 평균 결정 입경의 측정)

시험재의 판 두께 방향 표층부, 판 두께 방향 1/4 t부 및 판 두께 중심부의 각 부분에 있어서, 압연면에 있어서의 압연 방향으로 0.5㎜, 판 폭 방향으로 0.5㎜의 영역을 관찰 대상으로 하여, EBSD(Electron Back Scattered Diffraction Pattern, Oxford Instruments제, NordlysII)에 의한 조직 관찰을 행하였다.

조직 관찰에 있어서, 방위차 5°이상의 경계를 결정 입계로 인식하였다. 이 인식한 결정 입계에 기초하여, 각 결정립의 원 상당 직경을 산출하였다. 또한, 산출한 결정립 100개에 기초하여, 평균 원 상당 직경을 산출하였다. 이 측정을 상기 각 부분에 대해 임의의 5개소에서 행하였다. 또한, 임의의 5개소의 평균 원 상당 직경의 평균값을 계산하여, 평균 결정 입경을 산출하였다.

(인장 강도 평가)

시험재로부터, 시험재의 압연 방향이 하중축과 일치하는 방향으로 JIS Z 2241(1952년 7월 22일 제정)에 규정되는 13호 시험편을 채취하였다. 다음으로, 실온에서 JIS H 4600에 기초하여 인장 시험을 실시하고, 0.2％ 내력(YS)을 측정하였다.

시험편의 0.2％ 내력(YS)이 200㎫ 이상인 시험재를 합격으로 하였다.

(성형성의 평가)

성형성의 평가는, 플레이트식 열교환기의 플레이트(열교환 부분)를 모의한 프레스 성형에 의해 행하였다.

사용한 금형은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 성형부가 100㎜×100㎜이고, 피치 17㎜, 최대 높이 6.5㎜의 능선부를 4개 갖고, 각 능선부는 정점에, R＝2.5의 R 형상을 갖고 있다. 각 능선부는, 일방향으로 굴곡되는 굴곡 부분을 1개소 중간에 갖고, 굴곡부로부터 양단부까지 직선 형상이고, 성형부에 있어서 중간의 굴곡 부분으로부터 양단부까지 성형부의 테두리에 대해 비스듬히 형성하여 잔물결 형상과 유사하게 하고 있다. 프레스기는, 80톤 프레스기[(주)아미노제 만능 소성 가공기]를 사용하였다.

프레스 성형은 다음의 순서로 행하였다. 우선, 각 시험체의 양면에 방청유(R303P)를 도포하였다. 다음으로, 각 시험재의 압연 방향이 도 1의 (a)의 상하 방향과 일치하도록 하측의 금형 상에 배치하고, 플랜지부를 블랭크 홀더로 구속하였다. 그리고, 프레스 속도 1㎜/초의 조건으로 금형을 압입하였다.

각 시험재에 금형을 0.1㎜ 간격으로 압입하여, 각 시험재에 깨짐이 발생하지 않는 최대의 압입 깊이량 X를 구하였다.

성형성은, 하기 식(2)로 규정되는 성형성 지표 F가 양의 값으로 되는 경우에 합격으로 하였다. 평가 결과를 표 1에 나타낸다.

X : 압입 깊이량

YS : 0.2％ 내력

(실시예)

시험재 번호 1∼16은 본 발명에서 규정하는 요건(조성, 조성 지표 R, 결정 입계의 C 농도)을 모두 충족시키는 티타늄판이며, 강도와 프레스 성형성의 밸런스가 우수하였다.

(비교예)

시험재 번호 17∼27은 본 발명에서 규정하는 요건을 충족시키고 있지 않으므로, 특히 결정 입계에 있어서의 C의 농도의 요건을 충족시키고 있지 않으므로, 강도와 프레스 성형성의 밸런스가 나빴다.

시험재 번호 17∼20은, C의 결정 입계에의 농화가 낮고 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로부터 벗어난 결과, 모두 티타늄판의 강도와 성형성의 밸런스가 떨어졌다. 이것에 더하여, 시험재 번호 18∼20은, 이하의 특징을 가졌다.

시험재 번호 18은, 본 발명에서 규정하는 C성분 함유량이 본 발명의 범위를 초과하므로, 필요 이상으로 강도가 증대되었다.

시험재 번호 19는, 본 발명에서 규정하는 Fe 성분 함유량이 본 발명의 범위를 초과하므로, β상의 석출량이 증가함으로써, Ti의 결정립이 미세화되었다.

시험재 번호 20은, 본 발명에서 규정하는 O 성분 함유량이 본 발명의 범위를 초과하므로, 필요 이상으로 강도가 증대되어, 취약해졌다.

시험재 번호 21은, 조성 지표 R이 본 발명의 범위로 되지 않으므로, 또한, C의 결정 입계에의 농화가 낮게 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 강도는 높지만 취약하여 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 22는, 최종 냉연 압하율이 높기 때문에, C의 결정 입계에의 농화가 낮게 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 23은, 최종 어닐링의 어닐링 온도가 낮고, C의 결정 입계에의 농화가 낮고 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 24는, 최종 어닐링의 어닐링 온도가 높고, C의 결정 입계에의 농화가 낮고 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 강도가 부족하여 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 25는, 최종 어닐링 시간이 짧으므로 어닐링이 불충분해지고, C의 결정 입계에의 농화가 낮아 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위에 미치지 않는 결과, 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 26은, 최종 어닐링 시간이 길고, C의 결정 입계에의 농화가 낮아 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 성형성이 떨어졌다.

시험재 번호 27은, 최종 어닐링 시간이 길기 때문에 어닐링이 과잉으로 되고, C의 결정 입계에의 농화가 낮아 결정 입계에 있어서의 C의 농도가 규정 범위로 되지 않는 결과, 성형성이 떨어졌다.

이상, 본 발명에 관한 티타늄판 및 티타늄판의 제조 방법에 대해, 실시 형태 및 실시예를 나타내어 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정되지 않고, 그 권리 범위는 청구범위의 기재에 기초하여 해석해야 한다. 또한, 본 발명의 내용은, 상기한 기재에 기초하여 개변이나 변경하거나 할 수 있는 것은 물론이다.

1 : 금형

Claims

α상인 결정립 조직을 갖는 티타늄판이며,
Fe:0.020∼0.150질량％,
O:0.020∼0.150질량％,
C:0.023∼0.100질량％를 함유하고,
잔부가 티타늄 및 불가피 불순물로 이루어지고,
상기 Fe와 상기 C의 함유량(질량％)의 합이 상기 O의 함유량(질량％)의 0.80배 이상이고,
결정 입계에 있어서의 C의 농도가 2.0 질량％ 이상인 것을 특징으로 하는, 티타늄판.
제1항에 있어서,
평균 결정 입경이 5∼80㎛인 것을 특징으로 하는, 티타늄판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
플레이트식 열교환기에 사용하는 것을 특징으로 하는, 티타늄판.