KR101791769B1 - 열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

공업용 순티타늄으로 이루어지는 열간 압연용 티타늄 주조편이며, 압연면으로 되는 표면에 있어서, 최표면에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 조직 미세화층을 갖고, 상기 조직 미세화층의 내측에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 내측 조직 미세화층을 갖고, 상기 내측 조직 미세화층보다도 더 내측은 주조 응고 조직이며, 상기 조직 미세화층은 상기 내측 조직 미세화층보다도 미세한 조직이며, 상기 조직 미세화층이 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 범위이며, 상기 내측 조직 미세화층이 상기 조직 미세화층의 내측이며 표면으로부터 깊이 3mm 이상, 20mm 이하까지의 범위이다.

Description

열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법{TITANIUM SLAB FOR HOT ROLLING AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 공업용 순티타늄으로 이루어지는 열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 표면 품질이 우수한 열연판을 제조하기 위한 열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본원은, 2013년 4월 1일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2013-075886호에 기초해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
일반적으로 공업용 순티타늄은, 크롤법에 의해 얻어진 스폰지 티타늄이나 티타늄 스크랩을 용해 원료로 하고, 진공 아크 용해(VAR)나 전자빔 용해(EBR) 등에 의해 용해하여, 대형의 주조편(잉곳)으로 하는 것이 통상이었다. 여기서, 주조편 형상으로서는, 진공 아크 용해의 경우에는 원기둥 형상의 주조편에 한정되고, 한쪽 전자빔 용해의 경우에는 직사각 형상의 주조편, 즉 슬래브에 주조할 수 있다.
또한, 이러한 대형 주조편을 소재로 하여 티타늄 박판 등의 티타늄재를 제조하는 데 있어서는, 대형 주조편에 대하여, 필요에 따라 표면의 절삭 손질을 행하고 나서, 열간에 있어서 분괴 압연 또는 단조를 실시하여, 그 후의 열간 압연에 적합한 형상, 치수의 슬래브로 가공한다. 이들 분괴 압연 또는 단조에 의한 열간 가공 공정을, 여기에서는 브레이크다운 공정이라 칭하고 있다. 그리고, 또한 브레이크다운 후의 슬래브의 표면에 형성되어 있는 산화물층이나 산소 농화층을 제거하기 위하여, 표면을 절삭 가공에 의해 수mm 정도 깎는 절삭 손질을 실시한 후, 열간 압연에 제공하는 것이 통상이었다.
그러나, 이러한 종래의 일반적인 방법에서는, 대형 주조편으로부터 열간 압연에 적합한 형상, 치수로 가공하기 위한 분괴 압연 또는 단조에 의한 브레이크다운 공정에 많은 시간과 비용을 필요로 하고, 이것이 티타늄 박판 제조의 생산성 향상, 비용 절감에 대한 큰 문제가 되고 있었다.
그런데, 최근 들어, 슬래브 형상의 주조편을 주조하는 방법으로서, 상술한 바와 같은 대형 잉곳 주조 대신에, 전자빔 용해 등에 의해 노상 내에서 용해한 티타늄 용탕을, 진공 분위기로 유지된 수냉 구리 주형 내에 연속적으로 주입하고, 또한 그 수냉 구리 주형 내에서 응고한 부분을 주형의 하단부측으로부터 연속적으로 인발하여, 소정 길이의 슬래브 형상 주조편을 얻는, DC 슬래브 주조법(다이렉트 캐스트법)에 의해, 비교적 얇은 슬래브 형상 주조편, 즉 그대로 열간 압연에 제공하는 것이 가능한 형상, 치수를 갖는 티타늄 주조편을 제조하는 기술이 확립되어 있다.
이러한 전자빔 용해 등의 진공 하에서의 DC 슬래브 주조법을 적용하면, 종래 필요로 하고 있었던 브레이크다운 공정을 생략하는 것이 가능해져, 그 결과, 티타늄 박판 제조의 생산성을 향상시켜, 제조 비용을 저감시키는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 바와 같이 전자빔 용해 등으로 진공 하에서의 DC 슬래브 주조법을 적용해서 얻어진 슬래브(브레이크다운 공정 생략)에, 열간 압연에 제공한 경우에도, 열간 압연 후의 열연판의 표면 성상이 반드시 양호해지는 것은 아니라는 문제가 있다. 즉, 열연판 표면에, 수mm 내지 10mm 정도의 길이에 달하는 대소의 딱지 형상의 결함이 다수 발생한다는 문제가 있다. 이러한 표면의 다수의 딱지 형상의 결함을, 여기에서는 표면 결함이라 칭하기로 하고 있다. 이러한 열연판의 표면 결함은, 주조한 슬래브의 조대 주조 조직에서 유래된다고 생각된다. 즉, 열간 가공인 브레이크다운 공정을 거치지 않은 슬래브는, 주조 상태(as cast; "주조 그대로")의 조대한 결정립으로 이루어지는 주조 조직을 갖고 있으며, 가령 그 표면에 절삭 가공을 실시해서 표면의 요철을 작게 해도, 절삭 후의 표면층에는 조대한 조직이 존재하고 있으며, 이러한 조대한 표면의 주조 조직에 기인하여 열연판에 표면 결함이 발생한다고 생각된다.
여기서, 조대한 주조 조직에 기인해서 열연판에 표면 결함이 발생하는 구체적 요인으로서는, 열간 압연 초기에 발생하는 조대 열간 쌍정에 기인하여 모상과 쌍정의 사이의 큰 방위 차에 따라, 모상과 쌍정의 경계부에 비교적 큰 오목부가 발생하고, 그 후의 열연 진행에 수반하여, 이 오목부 상에 금속이 덮여 표면 결함이 된다고 생각된다.
그런데, 브레이크다운 공정을 거치지 않고 얻어진 열간 압연용 티타늄 슬래브에 대해서, 열간 압연 후의 열연판 표면에 발생하는 표면 결함의 발생을 방지하기 위해서, 열간 압연 전에 슬래브 표면층에 개질 처리를 실시해 두는 방법이, 이미 몇가지 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에 있어서는, 열간 압연용 티타늄 슬래브의 표면을, 곡률 반경이 3 내지 30mm인 선단 형상을 갖는 강제 공구, 또는 반경이 3 내지 30mm인 강구에 의해, 냉간에서 두드리고(소성 가공하고), 이에 의해, 굴곡의 윤곽 곡선 요소의 평균 높이가 0.2 내지 1.5mm, 평균 길이가 3 내지 15mm인 딤플을 부여하는 것이 제안되어 있다. 이 제안의 방법에서는, 상술한 바와 같이 강제 공구 또는 강구에 의해 티타늄 슬래브의 표면층에 냉간에서 소정의 소성 왜곡을 부여해 둠으로써, 그 후의 열간 압연 전의 가열시에 표면층을 재결정시켜, 미세 조직을 생성시킴으로써, 상술한 바와 같은 조대 조직에 기인하는 오목부의 발생을 방지하는 것이 가능하고, 따라서 브레이크다운 공정을 생략해도, 열연판의 표면 결함을 경감시키는 것이 가능하다.
또한, 특허문헌 2에 있어서는, 열간 압연용 티타늄 슬래브의 표면, 특히 열간 압연 시에 있어서의 압연면으로 되는 측의 표면에, 고주파 유도 가열, 아크 가열, 플라스마 가열, 전자빔 가열 및 레이저 가열 등에 의해 고에너지를 부여하여, 그 표면층만을, 1mm 이상의 깊이에 걸쳐서 용융시키고, 즉시 급냉 재응고시키는 방법이 제안되어 있다. 또한, 이 제안 방법의 경우, 티타늄의 융점은 당연히 β 변태점 이상의 온도이므로, 표면을 용융시킴에 수반하여, 표면의 용융층보다도 하측(모재측)의 열영향 영역(HAZ)층도, β 변태점 이상으로 가열되어, β 변태하게 된다. 그리고, 이 제안의 방법에서는, 열간 압연용 티타늄 슬래브의 표면층이 용융함으로써, 표면이 평활화되고, 또한 그 후에 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 용융층이 급냉되어 응고하고, 동시에 하측의 HAZ층(β상)이 급냉됨으로써, 용융층 및 HAZ층이, 미세한 변태 조직(통상은 미세 바늘 형상 조직)으로 된다. 그리고, 이와 같이 하여 미세화된 표면층은, 그 후의 열간 압연 전의 가열에 있어서 재결정하여, 미세하며 불규칙한 방위를 갖는 입상의 조직(등축 입자 조직)으로 된다. 그로 인해, 조대 조직에 기인하는 오목부의 발생을 방지하는 것이 가능하고, 열간 압연 후의 열연판의 표면 결함도 해소하는 것이 가능해진다.
국제 공개 2010/090352 일본 특허 공개 제2007-332420호 공보
특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 냉간에서 열간 압연용 티타늄 슬래브의 표층에 소성 왜곡을 부여하는 표면층 개질 처리 방법, 및 특허문헌 2에 나타낸 바와 같이 열간 압연용 티타늄 슬래브의 표면에 고에너지를 부여해서 표면층만을 용융하고, 급냉 재응고시키는 표면층 개질 처리 방법에 따르면, 브레이크다운 공정을 거치지 않은 열간 압연용 티타늄 슬래브이어도, 그 표면 상황에 따라서는, 유효하게 표면층을 개질하여, 열연판의 표면 결함의 발생을 방지할 수 있는 것이 본 발명자들의 실험에 의해 확인되고 있다. 즉, 이미 설명한 바와 같이, 진공 하에서의 DC 슬래브 주조에 의해 얻어진 슬래브도, 주조한 상태의 주조편의 표면층은, 요철이 심하고 또한 결함이 많은 층으로 되어 있는 것이 통상인데, 이러한 슬래브의 표면층을 수mm 정도의 깊이에 걸쳐서, 절삭 가공에 의해 제거한 후, 특허문헌 1 또는 특허문헌 2에 개시된 바와 같은 표면층 개질 처리를 실시하면, 그 후의 열간 압연 후의 열연판에서의 표면 결함의 발생을 억제하는 것이 가능한 것이 확인되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 표면 개질 처리 전의 표면 절삭 가공에는, 막대한 수고와 시간을 필요로 하며, 수율도 크게 저하된다. 따라서, 이러한 표면 절삭 가공을 생략해도, 표면 개질 처리에 의해 열연판의 표면 결함 발생을 억제하는 것이 가능해진다면, 표면 성상이 우수한 티타늄 박판을, 높은 생산성으로 저비용으로 제조하는 것이 가능해진다. 그러나, 표면 개질 처리 전에 상술한 바와 같은 절삭 가공을 실시하지 않고, 흑피층이 표면에 존재하는 주조 상태의 주조편에 표면 개질 처리를 실시한 경우에는, 열간 압연판 표면의 표면 결함 발생을 확실하면서 안정적으로 억제할 수 없는 것이 판명되었다.
따라서, 본 발명은 브레이크다운 공정을 생략할 뿐만 아니라, 표면 개질 처리 전의 절삭 가공을 필요로 하지 않으면서도, 그 후의 열간 압연 후의 열연판 표면에 표면 결함이 발생하는 것을 확실하게 피할 수 있도록 하고, 이에 의해 티타늄 열연판 제조의 생산성을 향상시키고, 또한 비용 절감을 도모할 수 있도록 한 열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 상술한 특허문헌 2에 나타난 표면층 개질 기술에 대해서, 예의 실험·검토를 거듭한 바, 다음과 같은 지견을 얻었다.
즉, 전자빔 등의 고에너지 밀도의 가열 수단에 의해 주조편의 표면을 가열하여, 표면층만을 용융시킨 후의 냉각은, 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 행하여지는 것이 통상이다. 이 때, 용융층의 두께가 얇을수록, 주조편 표면의 단위 면적당의 입열량(이하, 입열량에 대해서 단위 면적이란 1cm2를 가리킴)이 적으므로, 가열 직후의 냉각 속도가 커지고, 그로 인해 냉각되어 응고된 표면층(용융 재응고층)은 보다 미세한 조직으로 되어, 그 후에 열간 압연을 위한 가열을 실시했을 때의 표면층의 조직도, 보다 미세화되고, 그 결과, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함의 발생도 확실하게 억제하는 것이 가능해진다.
그런데, 용융 깊이가 얕을 경우, 표면으로부터 어느 정도의 깊이 위치에 존재하는 공극이나 주름 등의 결함(주조에서 유래되는 것)은 소멸하지 않는 경우가 있다. 즉, 용융 후의 재응고에 의해 표면층의 조직을 충분히 미세화시키기 위해서는, 용융 깊이는 수mm 정도 이하로 억제할 필요가 있는 것이 실험적으로 확인되었지만, 주조에서 유래되는 공극은, 그것보다도 깊은 위치, 즉 표면으로부터 수mm를 초과하여, 5 내지 8mm 정도의 깊이의 위치까지 존재하고 있는 경우가 많고, 그로 인해 수mm 정도밖에 용융시키지 않았을 경우에는, 이들 비교적 깊은 위치의 공극은 소멸하지 않고, 그로 인해 열연 시에 이들 공극이 기점이 되어 크랙이 발생하고, 표면에 비교적 큰 오목부가 발생하여, 표면 결함이 발생하는 것이 지견되었다.
상술한 문제를 해결하기 위해서는, 전자빔 등의 고에너지 밀도의 가열 수단에 의해 주조편의 표면을 가열하여, 표면층을 용융시킬 때의 용융 깊이를 크게 하면 된다고 생각된다. 그러나 그 경우에는, 상술한 경우와는 반대로, 주조편 표면의 단위 면적당의 입열량이 커져서, 가열 직후의 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의한 냉각 속도가 작아지고, 그로 인해, 냉각되어 응고된 표면층(용융 재응고층)의 조직은 충분히 미세화되지 않아, 그 후에 열간 압연을 위한 가열을 실시했을 때의 표면층의 조직도 충분히 미세화되지 않고, 그 결과, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함이 충분히는 저감되지 않게 되어버린다.
이러한 신규의 지견을 베이스로 하여 본 발명자들이 예의 실험·검토를 거듭한 결과, 특허문헌 2에 나타난 표면 개질 기술을 더욱 개량함으로써, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함을 확실하게 억제할 수 있는 것을 발견하고, 특히 미리 절삭 가공을 실시하지 않은 주조 상태의 주조 표면이어도, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함을 억제할 수 있는 것을 발견하였다.
즉, 열간 압연용 슬래브의 소재가 되는 주조편의 표면층을, 전자빔 조사 등에 의해 용융, 재응고시킨 후, 다시 용융 재응고층의 표면에 전자빔 등을 조사하여, 용융 재응고층 중 표면 영역(용융 재응고층의 깊이보다도 얕은 영역)을 β 변태점 이상의 온도로 가열하고, 급냉 응고시킨다. 이러한 전자빔 등의 조사에 의한 표면층 가열을 2회 행함으로써, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함을 확실하게 방지할 수 있고, 또한 미리 절삭 가공을 실시하지 않은 주조 상태의 주조 표면이어도, 그 후의 열간 압연 후의 열연판에서의 표면 결함의 발생을 확실하게 억제할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 이루기에 이른 것이다.
본 발명에 따르면, 공업용 순티타늄으로 이루어지는 열간 압연용 티타늄 주조편이며, 압연면으로 되는 표면에 있어서, 최표면에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 조직 미세화층을 갖고, 상기 조직 미세화층의 내측에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 내측 조직 미세화층을 갖고, 상기 내측 조직 미세화층보다도 더욱 내측은 주조 응고 조직이며, 상기 조직 미세화층은 상기 내측 조직 미세화층보다도 미세한 조직이며, 상기 조직 미세화층이 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 범위이며, 상기 내측 조직 미세화층이 상기 조직 미세화층의 내측이며 표면으로부터 깊이 3mm 이상, 20mm 이하까지의 범위인, 열간 압연용 티타늄 주조편이 제공된다.
이러한 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편에 있어서는, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 행해서 재결정으로 한 상태에서는, 후에 제조 방법에 대해서 설명하는 바와 같이, 최표면에 있는 조직 미세화층이 불규칙한 방위의 등축 미세 입상 조직으로 된다. 덧붙여서 말하면 본 발명에서 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리란, 820℃×240분의 가열 처리를 의미하는 것으로 한다. 즉, 티타늄 슬래브의 열간 압연은, 일반적으로 720 내지 920℃ 정도로 60 내지 420분 정도 가열해서 행하는 것이 통상이다. 따라서 본 발명에서는, 그 중간인 열간 압연 시 가열 조건을 채용하여, 미세화층의 미세화의 지표로서, 820℃×240분의 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 실시했을 때의 입경을 규정하고 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 공업용 순티타늄으로 이루어지는 주조편 소재에 있어서, 열간 압연의 압연면으로 되는 표면을 가열하여, 표면으로부터 깊이 6mm 이상, 20mm 이하까지의 영역을 β 변태점 이상으로 가열하고, 표면으로부터 깊이 3mm 이상 내지 10mm의 범위까지 용융시키는 제1단째 표층 가열 처리 공정과, 상기 제1단 표층 가열 처리 후, β 변태점보다 낮은 온도로 냉각하는 제1단째 냉각 공정과, 상기 제1단 표층 가열 처리와 상기 제1단째 냉각 공정이 행하여진 표면을 재가열하여, 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 영역을 β 변태점 이상으로 가열하는 제2단째 표층 가열 처리 공정과, 상기 제2단 표층 가열 처리 후, β 변태점보다 낮은 온도로 냉각하는 제2단째 냉각 공정을 갖는 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법이 제공된다.
또한, 여기서, β 변태점이란, 그 온도 이상에서는 β상이 안정상이고, 그 이하에서는 실질적으로 α상이 안정상이 되는 온도로, 공업용 순티타늄에서는 880℃ 내지 920℃이다.
이러한 본 발명에 따르면, 주조 후의 주조 표면에 존재하고 있었던 심한 요철이 용융에 의해 해소되어 평활화되고, 동시에 주조 시에 유래되는 내부 공극 등의 결함이 소멸되어 있고, 또한 조대한 주조 조직도 소실되어 있다. 게다가, 최표면은, 재가열·급냉에 의한 조직 미세화층으로 되어 있다. 그로 인해, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편을 열간 압연에 제공한 때에는, 주조 시에 유래되는 주름이나 내부 공극에 기인하는 표면 결함의 발생을 미연에 방지할 수 있는 동시에, 조직 미세화의 불충분에 기인하는 열연 초기의 비교적 큰 오목부의 발생이나 열연판의 표면 결함의 발생도, 확실하게 미연에 방지할 수 있다.
즉, 제1단째가 용융되어 재응고했을 때에 용융 및 β 변태점 이상까지 가열된 내측 조직 미세화층은, 최외표면으로부터 6mm 이상, 20mm 이하의 위치까지의 충분한 두께를 갖고 있으며, 종래의 방법에 의한 절삭값(수mm 정도)보다 깊은 위치까지 용융 재응고되어 있으므로, 표면으로부터 수mm 정도의 위치보다도 깊은 위치에 존재하고 있었던 공극(통상의 절삭값을 초과하는 깊이의 위치 공극)도 충분히 소멸되어 있는 동시에, 최외표면의 심한 요철도 해소된다.
한편, 제2단째의 표면측의 재가열·급냉된 조직 미세화층은, 최외표면으로부터 1mm 이상, 6mm 미만의 위치까지로, 박층이며, 그로 인해 재가열 후의 모재로부터의 발열(열 제거)에 의한 고속의 급냉 효과에 의해, 충분히 미세한 조직으로 이루어지는 층으로 되어 있다. 그로 인해, 조직 미세화의 불충분에 기인하는 열연 초기의 비교적 큰 오목부의 발생이나 열연판의 표면 결함의 발생도 확실하게 방지할 수 있다.
그리고, 상술한 각 작용은, 주조 후에 열간 가공인 분괴 압연이나 단조 등의 브레이크다운 공정을 거치지 않은 상태의 주조편이어도 얻을 수 있고, 게다가 표면에 미리 절삭 가공을 실시하지 않은 주조 상태의 소위 흑피의 주조편이어도 얻을 수 있다.
본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편에 있어서는, 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 이상, 2.0% 미만 함유해도 된다. 또한, 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 1.5% 이하 함유해도 된다. 또한, 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 이상, 2.0% 미만 함유하고, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 1.5% 이하 함유해도 된다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편은, 820℃×240분의 가열 처리한 후의 실온에서의 상태에서, 결정립 직경이 3mm 이상인 결정립의 개수가 표면 1m2당 5개 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법은, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에서의 단위 면적당의 입열량을, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 단위 면적당의 입열량보다도 작게 한다.
여기서, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정의 입열량을 제1단째 표층 가열 처리 공정의 입열량보다 작게 하는 것은, 제2단째의 입열 시에 형성되는 용융층 또는 HAZ층의 두께를, 제1단째에서 형성되는 것보다 얇게 할 필요가 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법은, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정 및 제2단째 표층 가열 처리 공정의 각 공정에서, 전자빔의 조사 총을, 주조편 소재의 표면과 평행한 방향으로 연속적으로 이동시키면서 전자빔 조사를 행하도록 해도 된다.
또한, 상기 제1단째 냉각 공정 및 제2단째 냉각 공정이, 주조편 소재의 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 행하여져도 된다. 여기서, 상기 제2단째 냉각 공정에 있어서, 60℃/min 이상의 냉각 속도로 β 변태점을 통과시킨다.
여기서, 제2단째 냉각 공정의 냉각 속도가 60℃/min 미만이면, 결정립의 미립화가 불충분해질 우려가 있다.
또한, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정과 상기 제2단째 냉각 공정을 복수회 행할 수도 있다.
또한, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다. 또한, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다. 또한, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상, 및 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법은, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 표면을 용융시켜도 된다. 이 경우, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다. 또한, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다. 또한, 상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상, 및 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시켜도 된다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법에 있어서, 상기 주조편 소재가, DC 슬래브 주조법에 의해 주조한 것, 전자빔 등의 용해법에 의해 얻어진 용탕을, DC 슬래브 주조법에 의해 주조한 것, 주조 상태의 주조 표면을 갖는 것 중 어느 것이라도 상관없다. 이러한 직사각형 주조편은, 분괴 압연 또는 단조로 이루어지는 브레이크다운 공정을 거치지 않고 얻어진 것이며, 그 용해법은 특별히 한정하지 않지만, 전자빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법 등이 적용 가능하다. 전자빔 용해법에 있어서는, 고진공중의 용해이므로, 용해 후에 슬래브 표면 부근에 잔존하는 공극 내부가 진공으로 되므로, 열간 압연 시에, 그 공극을 압착해서 무해화하기 쉬운 이점이 있다.
본 발명에 따른 열간 압연용 티타늄 주조편은, 표면이 평탄한데다가 표면 바로 아래의 내부 미소 공극도 적고, 게다가 최표면은 현저하게 미세한 조직으로 되어 있다. 따라서, 그것을 열간 압연에 제공했을 경우, 열연 초기에 표면에 비교적 큰 오목부가 발생하거나, 열연판에 표면 결함이 발생하거나 하는 것을, 확실하면서 안정적으로 방지할 수 있다. 그리고, 이러한 효과는, 열간 압연용 티타늄 주조편을 제조하기 위한 소재 주조편으로서, 분괴 압연이나 단조 등의 브레이크다운 공정을 거치지 않고 게다가 절삭 가공에 의한 표면 손질을 실시하지 않은 주조편을 사용해도 얻을 수 있다. 그로 인해, 브레이크다운 공정 및 절삭 가공에 의한 표면 손질을 생략하는 것이 가능해져서, 종래보다도 현저히 비용 절감을 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법의 실시 형태의 플로우를 나타내는 대략적인 해석도이다.
도 2는, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법 실시 형태에 제공되는 소재(직사각형 티타늄 주조편)의 일례의 개요와 그것에 대한 전자빔 조사 상황을 나타내는 모식적인 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법의 실시 형태에서 소재의 직사각형 티타늄 주조편의 표면층의 추이의 일례를 단계적으로 도시하는 모식적 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 표면 부근의 단면 조직의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편에, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 실시한 상태의 표면 부근의 단면 조직의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 6은, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 표층 부분에서의 미세화층과 내측 미세화층과 주조 응고 조직을 나타내는 단면 관찰 사진이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법에서의 전체적인 프로세스의 각 공정(P1 내지 P4)을 개략적으로 나타내고 있다. 또한, 이 도 1에 있어서는, 전공정 P0로서, 소재가 되는 직사각형 티타늄 주조편의 제조 공정의 일례도 함께 나타내고 있다. 또한, 도 2는, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법의 실시 형태에 제공되는 소재(직사각형 티타늄 주조편)의 개요를 도시함과 동시에, 그 직사각형 티타늄 주조편에 대한 전자빔 조사 상황을 도시하고 있다. 또한, 도 3은, 도 1에 나타낸 제조 방법의 일실시 형태에서의 각 공정에 의한 직사각형 티타늄 주조편의 표면 근방의 단면 상황의 추이를 단계적으로 도시하고 있다.
[전공정 P0]
본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편을 제조하는 데 있어서는, 도 1에 전공정 P0로서 나타낸 바와 같이, 공업용 순티타늄의 용해 원료, 예를 들어 크롤법에 의해 얻어진 티타늄 스펀지나, 티타늄 스크랩을, 노상 내에서 전자빔 용해에 의해 소정량만 용해한다. 얻어진 티타늄 용탕을, DC 슬래브 주조용의 수냉 구리 주형, 즉 상하가 개방되어 있고 수평 단면이 직사각 형상(코너부에 모따기가 형성되어 있는 경우를 포함함)을 이루는 수냉 구리 주형 내에 연속적으로 주탕한다. 또한, 그 주형 내에서 응고된 주조편을 하방으로 연속적으로 인발하고, 이에 의해, 주조한 상태의 형상, 치수로 열간 압연에 적합한 두께, 폭 및 길이를 갖는 직사각형(슬래브 형상)의 티타늄 주조편을 얻는다. 이와 같이, 주조편의 코너부에 모따기가 부여되어 있는 경우도 폭넓게 「직사각형」이라 칭하는 것으로 하고 있다. 또한, 상기의 전자빔 가열에 의한 노상에서의 용해 및 주조 시의 분위기는 진공으로 유지된다.
여기서 공업용 순티타늄이란, JIS 규격의 1종 내지 4종 및 그것에 대응하는 ASTM 규격의 Grade 1 내지 4, DIN 규격의 3·7025, 3·7035, 3·7055에서 규정되는 공업용 순티타늄을 포함하는 것으로 한다. 즉, 본 발명에서 대상으로 하는 공업용 순티타늄은, 질량%로, C: 0.1% 이하, H: 0.015% 이하, O: 0.4% 이하, N: 0.07% 이하, Fe: 0.5% 이하, 잔량부 Ti로 이루어지는 것이라고 할 수 있다. 또한, 이들에 약간의 백금족 원소를 첨가하고, 모디파이드(개량) 순티타늄이라고 불리는 고내식성 합금(ASTM Grade 7, 11, 16, 26, 13, 30, 33 또는 이들에 대응하는 JIS종이나 또한 다양한 원소를 소량 함유시킨 티타늄재)도, 본 발명에서는, 공업용 순티타늄에 포함되는 것으로서 다룬다.
또한, 본 발명의 열간 압연용 티타늄 주조편을 제조하는 데 있어서, 그 소재가 되는 직사각형 티타늄 주조편은, 기본적으로는, 임의의 용해법, 임의의 주조법에 의해 얻어진 것이면 된다. 본 발명의 효과를 가장 유효하게 발휘시킬 수 있는 것은, 본 실시 형태로서 설명하고 있는 바와 같이, 전자빔 용해에 의해 티타늄 스펀지나 티타늄 스크랩 등의 원료를 진공 하에서 용해시키고, 그 티타늄 용탕을, 진공 하에서의 DC 슬래브 주조법에 의해, 단면이 직사각 형상을 이루는 직사각형(슬래브 형상)으로 주조한 직사각형 티타늄 주조편이다. 이러한 DC 슬래브 주조법에 의하면, 열간 압연에 적합한 형상, 치수의 단면 직사각 형상의 직사각형 티타늄 주조편을 용이하게 얻을 수 있고, 그로 인해 분괴 압연이나 단조 등의 열간에서의 브레이크다운 공정을 생략할 수 있는 것이다.
또한, 직사각형 티타늄 주조편의 치수는, 그대로 열간 압연에 제공할 수 있는 치수라면 특별히 한정되지 않는다. 열간 압연으로서 코일 압연을 적용하여, 판 두께 3mm 내지 8mm 정도의 열연 코일 박중간판을 제조할 경우, 직사각형 티타늄 주조편으로서는, 두께 150mm 내지 280mm 정도, 길이 3m 내지 10m 정도, 폭 600mm 내지 1500mm 정도로 하면 된다.
또한, 열간 압연용으로 제공되는 빌렛, 블룸 등도 압연면에 상당하는 부분을, 본 발명과 같이 열처리를 행해서 열간 압연을 행해도 동일한 효과가 발휘된다. 소재가 되는 티타늄 주조편은, 직사각형(슬래브 형상)에 한하지 않고, 빌렛, 블룸도 포함된다.
상술한 바와 같이 해서 전자빔 용해 등으로의 DC 슬래브 주조에 의해 얻어진 직사각형 티타늄 주조편에 대해서는, 그대로의 상태에서, 도 1에 나타낸 바와 같이 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1), 제1단째 냉각 공정(P2), 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 및 제2단째 냉각 공정(P4)에, 그 순서대로 제공된다. 여기서, 직사각형 티타늄 주조편이, 그대로의 상태에서 각 공정(P1 내지 P4)에 제공된다는 것은, 분괴 압연이나 단조 등의 열간 가공에 의한 브레이크다운 공정을 거치지 않고, 또한 표면 손질을 위한 절삭 공정을 거치지 않고, 티타늄 열간 압연판 제조용 슬래브의 제조를 위한 소재로서, 주조 상태(as cast)의 재료로, 각 공정(P1 내지 P4)에 제공되는 것을 의미한다. 따라서, 열간 압연용 티타늄 주조편의 소재가 되는 직사각형 티타늄 주조편은, 표면 성상으로서 주조에서 유래되는 조대한 요철을 갖는 동시에, 조대한 주조 조직을 갖고, 또한 표면으로부터 8mm 내지 10mm 정도의 깊이까지의 부분에는, 주조에서 유래되는 공극 등의 결함이 다수 존재한 것으로 되어 있는 것이 통상이다.
또한, 이하에 설명하는 각 공정(P1 내지 P4)은, 직사각형 티타늄 주조편의 외표면 중, DC 슬래브 주조 시의 선단면(주조 개시면에 상당하는 하단부면) 및 후단부면(주조 종료면에 상당하는 상단부면)을 제외한 4면 중, 적어도 열간 압연 공정에서의 압연면(열연 롤에 접하는 면)으로 되는 2면(즉, 폭이 넓은 2면)에 대해서 실시된다. 또한, 모따기를 갖는 직사각형 주조편의 경우, 모따기면은 상기의 폭이 넓은 2면의 일부를 이루는 것으로 한다.
구체적으로는, 예를 들어 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 모따기(11)를 갖는 직사각형 티타늄 주조편(10)에 있어서는, 그 주조 방향(DC 슬래브 주조에서의 주조편 인발 방향)(D)을 따른 4면(10A 내지 10D) 중 폭이 넓은 2면(10A, 10B)(모따기(11)를 포함하는 면)이, 열간 압연 시에서의 압연면으로 된다. 따라서, 적어도 그 모따기(11)를 포함하는 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대해서, 각 공정(P1 내지 P4)을 실시한다.
또한, 상기의 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 각 공정(P1 내지 P4)을 실시할 경우, 각 면과 각 공정의 순서로서는, 다음의 A와 B의 2종류의 경우가 있다. 이 실시 형태에서는, 설명의 간략화를 위해서, B의 케이스를 적용하는 것으로서 설명한다. 또한, 제2단째 표층의 용해 처리를 복수회 행하는 경우도 상기 A, B의 공정 또는 A, B 양쪽의 공정을 혼재시켜도 된다.
A: 2면(10A, 10B) 중, 한쪽 면(10A)에 대하여 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시한 후, 다른 쪽의 면(10B)에 대하여, 마찬가지로 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시한다. 그 후, 이들 중 어느 한쪽 면(예를 들어 10A)에 대해서 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시하고, 또한 다른 쪽 면(예를 들어 10B)에 대해서 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시하는 경우.
B: 2면(10A, 10B) 중, 한쪽 면(10A)에 대하여 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시한 후, 이어서 동일한 면(10A)에 대해서 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시한다. 그 후에 다른 쪽의 면(10B)에 대하여 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시하고, 이어서 동일한 면(10B)에 대해서 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시하는 경우.
또한, 주조 방향(D)에 따른 4면(10A 내지 10D) 중 폭이 넓은 2면(열간 압연 시에 있어서의 압연면으로 되는 면)(10A, 10B)뿐만 아니라, 폭이 좁은 2면(열간 압연 시에 있어서의 에지측이 되는 면)(10C, 10D)에 대해서도, 각 공정(P1 내지 P4)을 실시해도 된다. 그 경우의 에지측의 2면(10C, 10D)에 대한 각 공정(P1 내지 P4)은, 열연면이 되는 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대한 각 공정(P1 내지 P4)이 종료되고 나서, 재차 실시해도 된다. 또는, 상기의 A의 경우에 있어서, 열연면이 되는 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대해서 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시한 후, 이어서 에지측의 2면(10C, 10D)에 대해서, 마찬가지로 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시하고, 그 후에 열연면이 되는 폭이 넓은 2면(10A, 10B) 및 에지측의 2면(10C, 10D)에 대해서, 순차적으로 2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시해도 된다. 단, 본 실시 형태에서는, 설명의 간략화를 위해서, 에지측의 2면(10C, 10D)에 대한 각 공정(P1 내지 P4)에 대해서는 생략하고 있다.
이하에 또한 각 공정(P1 내지 P4) 각각에 대해서 상세하게 설명한다.
[제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)] 내지 [제1단째 냉각 공정(P2)]
상술한 바와 같이, 전자빔 용해와 DC 슬래브 주조에 의해 얻어진 직사각형 티타늄 주조편은, 그대로, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에 제공된다. 이 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)은, 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 직사각형 티타늄 주조편(10)의 외표면 중, 적어도 열간 압연 공정에서의 압연면(열연 롤에 접하는 면)이 되는 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대해서, 그 면에서의 표면층만을 가열하여 용융시키는 공정이다. 여기에서는 우선 그 2면(10A, 10B) 중 한쪽 면(10A)에 대해서 실시하는 것으로 한다. 또한, 표면층의 가열은, 예를 들어 전자빔을 조사해서 행한다. 이하, 가열 방법의 일례로서 전자빔 조사를 예로 하여 설명한다.
여기서, 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 직사각형 주조편(10)의 면(10A)에 대한 1기의 전자빔 조사 총(12)에 의한 전자빔의 조사 영역(14)의 면적은, 조사해야 할 면(10A)의 전체 면적과 비교해서 현저히 작은 것이 통상인, 따라서 실제로는, 전자빔 조사 총(12)을 연속적으로 이동시키면서, 또는, 직사각형 주조편(10)을 연속적으로 이동시키면서, 전자빔 조사를 행하는 것이 통상이다. 이 조사 영역은, 전자빔의 초점을 조정함으로써, 또는 전자 렌즈를 사용해서 작은 빔을 고주파수로 진동(오실레이션 Oscillation)시켜서 빔 다발을 형성시킴으로써, 그 형상이나 면적을 조정할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태의 설명에서는, 도 2 중의 화살표 A로 나타내고 있는 바와 같이, 전자빔 조사 총(12)을 연속적으로 이동시키는 것으로서, 이하의 설명을 진행시킨다. 또한, 전자빔 조사 총의 이동 방향은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로는 직사각형 주조편(10)의 길이 방향(통상은 주조 방향(D)) 또는 폭 방향(통상은 주조 방향(D)과 수직인 방향)을 따라 연속적으로 이동시키고, 상기 조사 영역(14)의 폭(W)(원형 빔 또는 빔 다발의 경우에는, 직경(W))으로 연속적으로 띠 형상으로 조사한다. 또한, 그 인접한 미조사의 영역에 대해서 역방향(또는 동일 방향)으로 조사 총(12)을 연속적으로 이동시키면서 띠 형상으로 전자빔 조사를 행한다. 또한, 경우에 따라서는 복수의 조사 총을 사용하여, 동시에 복수 영역에 대해서 동시에 전자빔 조사를 행해도 된다. 도 2에서는, 직사각형 주조편(10)의 길이 방향(통상은 주조 방향(D))을 따라 직사각형 빔을 연속적으로 이동시키는 경우를 도시하고 있다. 또한, 한번 조사한 부위에 인접하는 부위를 빔이 통과할 때에는, 먼저 조사한 부위에 1/2 내지 1/4 정도 횟수를 거듭해서 조사하도록 하고, 원하는 처리 깊이를, 모든 영역에서 달성할 수 있도록 처리함으로써, 본 발명의 효과를 충분히 발휘시킬 수 있다.
이러한 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에 의해 직사각형 티타늄 주조편(10)의 표면(면(10A))에 전자빔을 조사하여, 그 표면을 공업용 순티타늄의 융점(통상은 1670℃ 정도) 이상의 온도로 가열하면, 도 3의 (A)의 중앙 왼쪽에 도시한 바와 같이, 직사각형 티타늄 주조편(10)의 면(10A)의 표면층이, 입열량에 따른 깊이(d1)만큼 용융된다. 즉, 표면으로부터 두께 방향으로 깊이(d1)의 위치까지의 영역이 용융층(제1단째 용융층)(16)으로 된다. 또한, 그 제1단째 용융층(16)보다도 주조편 내부측의 영역도, 전자빔 조사에 의한 열영향에 의해 온도 상승되고, 순티타늄의 β 변태점 이상의 온도가 된 부분(열영향층=HAZ층)이 β상으로 변태한다. 이와 같이 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 전자빔 조사에 의한 열영향에 의해 β상으로 변태한 영역을, 본 명세서에서는 제1단째 β 변태층(18)이라 칭하고 있다. 또한, 이 제1단째 β 변태층(18)의 두께를 d2라 한다.
여기서, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에 의한 제1단째 용융층(16) 및 β 변태층(18)의 깊이(d1+d2)는, 6mm 내지 20mm이 범위 내로 한다. 또한, 제1단째 용융층(16)의 두께(d1)는 특별히 한정하지 않는다. d1+d2의 깊이가 상기 깊이가 되면 되고, 통상은 d1은 3mm 내지 10mm의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
전자빔 조사에 의한 용융 깊이에는, 주로 입열량이 관계되므로, 상기의 용융 깊이+β 변태층의 d1+d2(6mm 내지 20mm)가 얻어지는 바와 같은 입열량이 되도록, 전자빔 조사 조건을 선정한다. 실제로는, 주조편의 두께(열용량)나, 모재 온도, 모재측의 냉각 조건 등에 따라서도 필요한 입열량은 상이하므로, 상기의 용융 두께를 얻기 위한 입열량은 일률적으로는 정해지지 않지만, 통상은, 단위 면적당(1cm2당)의 입열량을 80 내지 300J 정도로 하면 된다. 또한, 여기서, 단위 면적당의 입열량에 영향을 미치는 전자빔 조사 조건으로서는, 조사 총의 출력 및 빔 직경, 또한 상술한 바와 같이 조사 총을 연속적으로 이동시키면서 조사할 경우의 총 이동 속도(조사 위치 이동 속도) 등이 있고, 이들을 적절하게 설정해서 상기의 입열량을 확보하면 된다.
조사 총을 연속적으로 이동시키면서 전자빔의 조사를 행하면, 조사가 종료된 부분의 제1단째 용융층(16) 및 β 변태층(18)은, 도 3의 (A)의 중앙 부근에 도시한 바와 같이, 모재(주조편(10)의 내부)로부터의 발열(열 제거)에 의해 냉각되어, 응고 온도 이하에 달하면, 응고해서 재응고층(이하, 이것을 제1단째 용융 재응고층이라 기재함)(20)으로 된다. 또한, 전자빔 조사에 의한 제1단째 용융층의 하측의 열영향층(제1단째 β 변태층(18))은, β 변태점보다 높은 온도로 가열된 후, β 변태점보다 낮은 온도로 냉각됨으로써, α상으로 역변태한다. 그리고, 이와 같이 β 변태한 층이 또한 α상으로 역변태하는 과정에서, 조대한 주조 조직이 소실되어, 미세한 바늘 형상 조직으로 된다(이하, 이것을 제1단째 HAZ층이라 기재함). 이와 같이 제1단째 β 변태층(18)이 냉각되어 α상으로 역변태한 층을, 도 3에서는 제1단째 HAZ층(22)으로서 나타내고 있다. 이러한 냉각 과정이 제1단째 냉각 공정(P2)에 상당한다. 여기서, 조사 총(12)을 연속적으로 이동시키면서 직사각형 티타늄 주조편(10)의 표면에 전자빔을 조사하는 본 실시 형태의 경우, 직사각형 티타늄 주조편(10)의 판면(10A)이 있는 개소에 전자빔이 조사되어 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)이 진행하고 있는 동안에, 다른 개소(이미 조사가 종료된 개소)에서는, β 변태점보다 낮은 온도까지 냉각하는 제1단째 냉각 공정(P2)이 진행하고 있게 된다.
또한, 특별히 도시하고 있지는 않지만, 직사각형 티타늄 주조편의 표면에 대한 전자빔의 조사를 행하여, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)을 실시한 후에, 제1단째 냉각 공정(P2)을 실시하는 데 있어서는, 스테인리스강, 구리, 알루미늄 등의 열전도 재료(금속)로 이루어지는 수냉 베이스 상에 직사각형 티타늄 주조편을 적재해 두고, 전자빔의 조사에 의해 직사각형 티타늄 주조편이 전체적으로 온도 상승하지 않도록 해도 좋다. 그리고, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)이 실시된 후에, 즉시 모재측으로부터의 발열(열 제거)이 급속하게 진행해서 제1단째 냉각 공정(P2)이 실시되도록 한다. 이에 의해, 본 발명의 효과를 더욱 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)부터 제1단째 냉각 공정(P2)에 걸친 프로세스에 있어서, 전자빔 조사에 의해 용융한 직사각형 티타늄 주조편의 표면(제1단째 용융층(16))은, 표면 장력에 의해 평탄화되어, 주조 표면 표면이 조대한 요철(10P)이 해소된다. 또한, 표면(제1단째 용융층(16))의 용융에 의해, 그 표면의 내부에 존재하고 있었던 주조에서 유래된 공극(10Q)도 소실된다. 따라서, 제1단째 용융층(16)을 냉각 응고시킨 제1단째 용융 재응고층(20)은, 표면의 요철이 적고, 또한 내부의 공극도 적은 층으로 된다. 또한, 용융에 의해 조대한 주조 조직이 소실되고, 그 후의 냉각 과정에서의 응고, 또한 β상에서 α상으로의 변태에 의해 미세한 바늘 형상 조직이 생성된다. 이 냉각·응고는, 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 행하여지지만, 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의한 냉각 속도는 상당히 빠르고, 그로 인해, 응고, 변태 후의 바늘 형상 조직은 미세한 조직으로 된다.
또한, 제1단째 β 변태층(18)은, β 변태점보다 높은 온도로 가열된 후, 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의한 빠른 냉각 속도로 냉각되어 α상으로 역변태 하여 제1단째 HAZ층(22)으로 된다. 이로 인해, 제1단째 HAZ층(22)도, 미세한 바늘 형상 조직으로 된다.
단, 제1단째 용융 재응고층(20)+제1단째 HAZ층(22)의 두께는, 6mm 이상으로 비교적 두꺼우므로, 후에 다시 설명하는 바와 같이, 제1단째 냉각 공정(P2)에서의 냉각 속도는, 제2단째 냉각 공정(P4)에서의 냉각 속도보다도 느린 것에 유의해야 한다.
또한, 제1단째의 용융 깊이(깊이 d1)로의 용해는, 어느 정도의 깊이 위치에 존재하는 공극이나 주름 등의 결함(주조에서 유래되는 것)을 소멸시키기 위해서 행하는 행정이다. 통상, 주조 표면의 표면을 육안 관찰함으로써, 어느 정도의 결함이 있는지를 어느 정도 예측할 수 있으므로, 육안 관찰 결과로부터, 제1단째 용융 재응고층(20)의 두께를 결정하면 된다.
여기서 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 용융층(제1단째 용융층(16))의 깊이(d1)가 3mm보다도 얕으면, 주조편(직사각형 티타늄 주조편(10))에서의 표면으로부터 3mm 내지 10mm 부근에 존재하는 주조에서 유래되는 공극을 소실시킬 수 없다. 그 결과, 표면층 개질 효과가 불충분해져서, 열연판에 상기의 공극에서 유래되는 표면 결함이 발생할 우려가 있다. 또한, 주조편의 표면층 내부의 공극 등의 결함은, 표면으로부터 10mm를 초과하는 깊이의 위치에서는 대부분 무시할 수 있을 정도로 적어지는 것이 통상이며, 존재해도, 열연 공정에서 압착하여 무해화된다. 그로 인해, 용융층의 깊이(d1)를 10mm보다도 깊게 해도, 그 이상은 개질 효과의 향상은 기대할 수 없다. 한편, 10mm를 초과해서 용융 깊이를 깊게 하기 위해서는, 처리 속도(조사 총 이동 속도)를 느리게 하거나, 조사 총의 전자빔 출력을 크게 하거나 할 필요가 있고, 그로 인해 처리 능률의 저하나 비용 증가를 초래할 우려가 있다. 따라서, 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 용융 깊이(제1단째 용융층의 깊이)(d1)는, 3mm 내지 10mm로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 용융 깊이(d1)와 그 하부에 있는 β 변태층(제1단째 β 변태층(18))의 깊이(d2)에서는 제1단째 냉각 과정(P2)에서 β상에서 α상으로의 변태에 의해 미세한 바늘 형상 조직이 생성되므로, d1과 d2를 명확하게 구별하는 것이 곤란한 경우가 있다. 한편, 깊이(d2)보다 하부의 모재부(28)는 주조 상태의 조대한 조직(주조 응고 조직)이므로 판별이 가능하다. d1+d2의 합계의 두께를 6mm 내지 20mm로 하면, d1의 두께는 대략 3 내지 10mm가 되는 것을 알 수 있었던 점에서, d1+d2를 6 내지 20mm의 범위 내로 하였다. 또한, 제1단째 용융층(16)이, 제1단째 냉각 공정(P2)에 의해 재응고해서 이루어지는 제1단째 용융 재응고층(20)의 두께는, 실질적으로 제1단째 용융층(16)의 용융 깊이(d1)와 동일하다. 또한, 제1단째 β 변태층(18)이, 제1단째 냉각 공정(P2)에 의해 β 변태점 이하로 냉각에 의해 이루어지는 제1단째 HAZ층(22)의 두께는, 실질적으로 제1단째 β 변태층(18)의 깊이(d2)와 동일하다. 따라서, 제1단째 용융 재응고층(20) 및 제1단째 HAZ층(22)의 두께도 여기에서는 d1 및 d2라 하고, 이 합계를 6mm 내지 20mm의 범위 내로 하였다. 물론 실제로는, 소재 주조편(직사각형 티타늄 주조편(10))의 표면의 요철의 영향이나 응고 수축, 또한 표면층 내의 공극의 소멸 등의 영향에 의해, 제1단째 용융층(16)이나 제1단째 β 변태층(18)의 깊이와 제1단째 용융 재응고층(20)이나 제1단째 HAZ층(22)의 두께가 약간 상이한 경우도 있지만, 그 차는 약간에 지나지 않아, 실질적으로 동일하다고 할 수 있다. 또한, 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 제1단째 용융 깊이와 제1단째 HAZ층 깊이(d1+d2)는, 상기의 범위 내에서도, 특히 하한은 8mm 이상이 바람직하고, 또한, 상한은 16mm 이하, 더욱 바람직한 것은 13mm 이하이다.
[제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)] 내지 [제2단째 냉각 공정(P4)]
상술한 바와 같은 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 및 제1단째 냉각 공정(P2)에 의해, 직사각형 티타늄 주조편(10)에서의 압연면으로 되는 폭이 넓은 2면 중 1면(10A)에 대해서, 표면으로부터 6mm 내지 20mm의 깊이에 걸쳐서 제1단째 용융 재응고층(20) 및 제1단째 HAZ층(22)이 형성된 후, 도 3의 (B)의 중앙 왼쪽에 도시한 바와 같이, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)으로서, 제1단째 용융 재응고층(20)의 표면에 다시 전자빔을 조사하여, 제1단째 용융 재응고층(20)의 표면층을 급속 가열한다. 이 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사는, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 전자빔 조사와 마찬가지로, 조사 총(12)을 직사각형 슬래브에 대하여 상대적으로 연속 이동시키면서 표면에 전자빔을 조사함으로써, 면(10A)의 거의 전체면을 재가열하고, 또한, 그 재가열층(24)을, 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 급냉하여, 조직 미세화층(26)으로 한다.
여기서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사는, 직사각형 티타늄 주조편(10)의 표면(제1단째 용융 재응고층(20)의 표면)(10A)을, 그 최표면으로부터, 두께 방향으로 1mm 이상, 6mm 미만의 깊이의 위치까지의 영역(두께 d3의 영역)이 β 변태점 이상이 되도록 재가열하여, β 변태를 생기시키도록 행한다. 이와 같이 β 변태점 이상으로 재가열한 영역을, 여기에서는 재가열층(24)이라 칭한다. 이 재가열층(24)은, 냉각 후에 조직 미세화층(26)이 된다.
이와 같이 1mm 이상의 깊이에 걸쳐서 β 변태점 이상이 되도록 전자빔 조사에 의한 가열을 행한 경우, 최표면의 박층(0.5 내지 2mm 정도 이하: 부호 24A의 영역)은 융점 이상의 온도로 가열되어, 최표면층이 다시 용융되는 경우가 많다. 이와 같이 최표면층이 용융되어도 특별히 문제는 없고, 요는 최표면으로부터, 두께 방향으로 1mm 이상, 6mm 미만의 깊이의 위치까지의 영역이 β 변태점 이상으로 가열된 재가열층(24)이 되면 된다. 물론 최표면이 용융되지 않고, 최표면으로부터 1mm 이상, 6mm 미만의 깊이의 위치까지 β 변태점 이상으로 가열되어, 그 재가열층(24) 전체가 β 변태층으로 되어 있어도 된다. 따라서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에 의한 재가열층(24)은, 최표면의 용융층(본 명세서에서는 제2단째 용융층(24A)이라 기재함)과 그 하측의 β 변태층(24B)으로 이루어지는 경우와, 두께 방향의 전체에 걸쳐서 β 변태층(24B)만으로 구성되는 경우가 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 재가열층(24)의 최표면이 용융되어 제2단째 용융층(24A)이 된 경우에 대해서 나타내고 있다.
제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사의 입열량은, 1mm 이상, 6mm 미만의 깊이의 위치까지의 영역이 β 변태점 이상이 되도록 정하면 된다. 즉, 재가열층(24)의 두께(d3)가 1mm 이상, 6mm 미만이 되도록 제어하면 된다.
여기서, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 전자빔 조사는, 용융 깊이(따라서, 융점 이상으로 가열되는 깊이)(d1)가 3mm 내지 10mm가 되도록 d1과 HAZ층(d2)의 합계가 6mm 내지 20mm가 되도록 입열시키는 것에 대해서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔의 조사는, β 변태점 이상으로 가열되는 깊이(d3)가 1mm 이상, 6mm 미만이 되도록 입열을 제어한다. β 변태점은, 융점보다 현저히 낮은 온도이며, 게다가 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서 규정하고 있는 표면으로부터의 β 변태점 이상의 가열 깊이는, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 용융 깊이보다도 얕다. 따라서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사의 입열량(단위 시간, 단위 면적당)은, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 전자빔 조사의 입열량과 비교해서 작아지도록 제어하면 된다. 그 제어를 위한 구체적 수단으로서는, 예를 들어 조사 총의 출력을 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)보다도 작게 억제하는, 또는 조사 총의 빔 직경을 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)보다 크게 하는, 나아가 총 이동 속도(조사 위치 이동 속도)를 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)보다도 크게 하는 등의 수단이 있다. 이들 수단 중 어느 하나를 적용하거나, 또는 2 이상의 수단을 조합해서 적용하면 된다. 또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사의 구체적인 입열량은, 특별히 한정되지 않지만, 통상은, 단위 면적당(1cm2당) 15 내지 80J 정도로 하면 된다.
제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에 있어서도, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)과 마찬가지로, 주조편(직사각형 티타늄 주조편(10))의 면(10A)의 거의 전역에 걸쳐서 처리하기 위해서 조사 총을 주조편에 대하여 상대적으로 연속적으로 이동시키면서 전자빔의 조사를 행한다. 그 때, 한번 조사한 부위에 인접하는 부위를 빔이 통과할 때에는, 먼저 조사한 부위의 1/2 내지 1/4 정도 횟수를 거듭해서 조사하도록 하고, 원하는 처리 깊이를, 모든 영역에서 달성할 수 있도록 처리함으로써, 본 발명의 효과를 충분히 발휘할 수 있다. 그 동안에, 조사가 종료된 부분의 재가열층(24)은, 모재(주조편 내부)로부터의 발열(열 제거)에 의해 급냉된다. 여기서, 재가열층의 최표면이 용융해서 제2단째 용융층(24A)이 존재하고 있는 경우에는, 그 제2단째 용융층(24A)이 급냉에 의해 응고되고, 또한 β 변태점 이하로 급냉되어 α상 조직의 제2단째 용융 재응고층(26A)으로 된다. 또한, 그 하측의 제2단째 β 변태층(24B)도, β 변태점보다 높은 온도로 가열된 후, β 변태점보다 낮은 온도까지 급냉되어, α상 조직의 제2단째 HAZ층(26B)이 되고, 이들 층 (26A, 26B)의 전체가, 후술하는 조직 미세화층(26)을 구성한다. 이러한 냉각 과정이 제2단째 냉각 공정(P4)에 상당한다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3) 내지 제2단째 냉각 공정(P4)에 있어서도, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)과 마찬가지로, 직사각형 티타늄 주조편(10)을, 양호 열전도 재료(금속)로 이루어지는 수냉 베이스 상에 적재해 두고, 전자빔의 조사에 의해 직사각형 티타늄 주조편(10)이 전체적으로 온도 상승하지 않도록, 또한 제2단째 냉각 공정(P4)에서 모재측으로부터의 발열(열 제거)이 급속하게 진행하도록 함으로써, 본 발명의 효과를 더욱 높일 수 있다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서 조사 총을 주조편에 대하여 상대적으로 또한 연속적으로 이동시키면서 직사각형 티타늄 주조편의 표면에 전자빔을 조사하는 본 실시 형태의 경우, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 내지 제1단째 냉각 공정(P2)과 마찬가지로, 직사각형 티타늄 주조편의 표면이 있는 개소에 전자빔이 조사되어 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)이 진행되고 있는 동안에 있어서, 다른 개소(이미 조사가 종료된 개소)에서는 제2단째 냉각 공정(P4)이 진행하게 된다.
여기서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔 조사의 단위 시간, 단위 면적당의 입열량은, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)에서의 전자빔 조사의 입열량과 비교해서 작으므로, 전자빔 조사 후의 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의한 제2단째 냉각 공정(P4)에서의 냉각 속도는, 제1단째 냉각 공정(P2)에서의 냉각 속도보다도 빨라진다. 즉, 재가열층(24)의 최표면이 용융해서 제2단째 용융층(24A)이 발생한 경우에 있어서의, 제2단째 냉각 공정(P4)에서의 제2단째 용융층(24A)의 응고 속도는, 제1단째 냉각 공정(P2)에서의 제1단째 용융층(16)의 응고 속도보다도 빨라지고, 또한, 그 후의 냉각 속도도, 제2단째 냉각 공정(P4)보다 빨라진다. 또한, 제2단째 냉각 공정(P4)에 있어서, 제2단째 β 변태층(24B)이 β 변태점보다 낮은 온도로 냉각되는 냉각 속도도, 제1단째 냉각 공정(P2)에서의 제1단째 β 변태층(24B)의 냉각 속도보다도 빨라진다. 따라서, 제2단째 냉각 공정(P4)에 의해 응고/냉각된 재가열층(24)의 조직은, 제1단째 냉각 공정(P2)에 의해 냉각/응고된 조직(제1단째 용융 재응고층(20) 및 제1단째 HAZ층(22)의 조직)보다도 충분히 미세한 조직(미세 바늘 형상 조직)으로 된다. 이와 같이 재가열층(24)의 조직을 미세화한 층을, 조직 미세화층(26)이라 칭하고 있다.
또한, 이 조직 미세화층(26)의 내측에는, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1) 및 제1단째 냉각 공정(P2)에서 형성된 제1단째 용융 재응고층(20)과 제1단째 HAZ층(22)이 남게 된다. 이와 같이 조직 미세화층(26)의 내측에 남은 제1단째 용융 재응고층(20)과 제1단째 HAZ층(22)은, 조직 미세화층(26)에 비하면 비교적 조대한 바늘 형상 조직으로 된다. 본 발명에서는, 이와 같이 조직 미세화층(26)의 내측에 남은 제1단째 용융 재응고층(20)과 제1단째 HAZ층(22)을, 총괄해서 「내측 조직 미세화층」이라 칭한다. 또한, 여기에서 말하는 「비교적 조대한」이란, 「조직 미세화층(26)에 비하면 제1단째 HAZ층(22)이, 조직 미세화층(26)에 비하면 미세화의 정도가 적다」라는 의미이며, 일반적인 기준에서는, 「내측 조직 미세화층」도 미세한 바늘 형상 조직이다.
여기서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔의 조사에 의해 β 변태점 이상으로 가열되는 깊이(d3)가 1mm 미만에서는, 조직 미세화층(26)이 너무 얇으므로, 조직 미세화에 의해 열연판 표면 결함 발생을 확실하게 방지하는 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, 그 깊이(d3)가 6mm 이상이 되면, 전자빔 조사 후의 모재로부터의 발열(열 제거)에 의한 냉각 속도가 느려져, 충분한 조직 미세화가 반드시 충분히 도모되는 것은 아니다. 따라서, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔의 조사는, β 변태점 이상으로 가열되는 깊이(d3)가 1mm 이상, 6mm 미만이 되도록 제어한다. 즉, 표면으로부터 1mm 이상, 6mm 미만의 위치까지를, β 변태점 이상의 재가열층(24)으로 한다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서의 전자빔의 조사에 의해 β 변태점 이상으로 가열되는 깊이(재가열층(24)의 두께)(d3)는, 상기의 1mm 이상, 6mm 미만의 범위 내에서도, 특히 하한은 2mm 이상, 상한은 5mm 이하의 범위 내가 바람직하다.
또한, 제2단째 표층 열처리는 복수회 행해도 되지만, 어느 열처리에서도 적어도 제1단째 표면 열처리에서 조직이 개질된 깊이보다 얕게 하는 것이 중요하다.
여기서, 제2단째 냉각 공정(복수회 행하는 경우도 포함함)에 의해 재가열층(24)을 냉각해서 얻어진 조직 미세화층(26)에서의 결정 조직(바늘 형상 조직)의 미세화의 정도를 정량적으로 나타내기 위해서는, 그대로의 상태가 아니라, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 행해서 재결정시킨 상태로 나타낼 수 있다. 즉, 불규칙한 방위의 미세 재결정 입상 조직이 된 상태에서, 3mm 이상의 입경의 결정립의 개수가 슬래브 표면 1m2당 5개 이하이면 된다. 즉, 재가열·급냉에 의한 바늘 형상 조직의 미세화의 정도는, 그대로는 규정하는 것이 곤란하다. 따라서, 재가열·급냉에 의한 조직 미세화층(26)의 미세화를 정량적으로 나타내기 위해서, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후의 상태의 입경을 사용하고 있다. 또한, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리란, 820℃×240분의 가열 처리를 의미하는 것으로 한다.
조직 미세화층(26)에서의 조직(바늘 형상 조직)이, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 행해서 재결정시킨 상태, 즉, 불규칙한 방위의 등축 미세 입상 조직이 된 상태에서, 3mm 이상의 입경의 결정립의 개수가 슬래브 표면 1m2당 5개를 초과하는 경우에는, 제2단째 표층 가열 처리 공정 내지 제2단째 냉각 공정을 행하지 않았을 경우(즉, 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정에 의해 제품의 열간 압연용 슬래브로 했을 경우)보다도 현저하게 미세화가 도모되었다고는 할 수 없어, 열연 초기에 발생하는 비교적 큰 오목부나 열연판의 표면 결함의 발생을, 확실하면서도 안정적으로 방지하는 것이 곤란해진다. 또한, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후의 조직 미세화층(26)에 있어서, 3mm 이상의 입경의 결정립의 개수는, 슬래브 표면 1m2당 5개 이하 중에서도, 특히 1개 이하로 하는 것이 바람직하다. 이들 결정립 직경은, 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 영역을 β 변태점 이상으로 가열하는 제2단째 표층 가열 처리 공정을 행함으로써, 확실하게 얻을 수 있다.
또한, 결정립 직경이란, 슬래브의 두께 방향 단면의 해당 영역에서의 결정립 직경을 의미한다. 구체적으로는, 예를 들어 슬래브의 길이 방향(압연 방향(D))에 대하여 직교하는 단면(두께 방향 단면)에 있어서, 넓은 면(압연면)(10A, 10B)의, 외표면으로부터 슬래브의 두께 방향으로 해당 영역 전체가 포함되는 깊이까지 전체 결정립의 입경을 측정하고, 또한 그것을 슬래브의 폭 방향의 소정 거리에 걸쳐서 측정한 결정립 직경을 나타내는 것으로 한다. 여기서, 신뢰성이 높은 입경을 구하기 위해서는, 슬래브의 폭 1/2 정도(반폭)의 거리에 걸쳐서 측정을 행하는 것이 요망된다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에 있어서, 직사각형 티타늄 주조편의 표면에 α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 직사각형 티타늄 주조편의 표층부를 용융시킬 때, α상 안정화 원소, 중성 원소를 함께 용융시키고, 표층부에 α상 안정화 원소, 중성 원소를 농화시켜도 된다. α상 안정화 원소, 중성 원소의 소재로서는, 분말, 칩, 와이어, 박막, 절분 중 1종 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. α상 안정화 원소 및 중성 원소는, Al, Sn, Zr로 하는 것이 바람직하다. 이들 원소를 티타늄 중에 함유하면, α단상 영역에서 결정립 성장을 억제할 수 있다. 그로 인해, 열연할 때에 α상 고온 영역으로 가열해도, 결정립을 미세하게 유지할 수 있다. 결정립 성장을 억제하기 위해서는, 어느 정도 이상의 농도가 필요하다. 열간 압연용 티타늄 주조편의 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 이상, 2.0% 미만 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에 있어서, 직사각형 티타늄 주조편의 표면에 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 직사각형 티타늄 주조편의 표층부를 용융시킬 때, β상 안정화 원소를 함께 용융시키고, 표층부에 β상 안정화 원소를 농화시켜도 된다. β상 안정화 원소의 소재로서는, 분말, 칩, 와이어, 박막, 절분 중 1종 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. β상 안정화 원소로서는, V, Mo, Fe, Cr, Mn, Ta, Nb, Ni, Co, Cu, W 등을 들 수 있다. 그러나, 티타늄에서는, 융점이 높은 W 등의 원소는, HDI(고밀도 개재물)의 원인이 되고, 미용융이나 확산 불충분인채로 티타늄재 중에 잔존하면 피로 파괴의 기점이 되므로, 사용에는 주의가 필요하다. β 안정화 원소는 V, Mo, Ta, Nb 등의 전체율 고용형과, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 등의 공석형으로 분류할 수 있으며, 공석형에서는 각 β 안정화 원소의 고용도는 작지만, β 안정화능은 크므로, 공석형의 β 안정화 원소 쪽이 소량의 첨가로도 유효하다. 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에서 β 안정화 원소를 함께 용융함으로써, 직사각형 티타늄 주조편의 표층에 β 안정화 원소가 함유된다. 그 결과, β 안정화 원소 첨가에 의한 켄칭성 향상에 의해, 보다 미세한 조직으로 할 수 있다. 여기에서 말하는 「켄칭성 향상」이란, 티타늄 주조편의 표층에 β 안정화 원소를 함유시킴으로써, CCT 곡선에 있어서의 냉각 시의 변태의 노즈를 장시간측에 시프트 시킴으로써, 저온에서 변태시키는 것을 가리킨다. 저온에서 변태시킴으로써 핵 생성 사이트를 증가시켜, 결정립을 미세화시킬 수 있다. 열연 가열 시에는 α+β의 2상 영역의 상태가 되고, α상의 입계에 β상이 발생함으로써, α상의 입성장이 억제된다. 그로 인해, 열연 시의 결정립이 미세 결정립인 채로 유지되는 것에 기인하여 표면 결함이 발생하지 않는, 티타늄 열연재가 제조된다. 열간 압연용 티타늄 주조편의 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 1.5% 이하 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)에 있어서, 직사각형 티타늄 주조편의 표면에, α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상과, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 직사각형 티타늄 주조편의 표층부를 용융시킬 때, α상 안정화 원소, 중성 원소 및 β상 안정화 원소를 함께 용융시키고, 표층부에 α상 안정화 원소, 중성 원소 및 β상 안정화 원소를 농화시켜도 된다. 이 경우, 열간 압연용 티타늄 주조편의 표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소, 중성 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 이상, 2.0% 미만 함유하고, 또한, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 1.5% 이하 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 2단째 표층 열처리를 복수회 행하는 경우에는, 이와 같이 표층부에 α상 안정화 원소, 중성 원소나 β상 안정화 원소를 농화시키는 조작은, 최종의 열 처리 시에 행하는 것이 바람직하다.
또한, β상 안정화 원소를 함유시킨 경우에는, 820℃, 240분의 열처리에서 재결정이 발생하지 않아, 바늘 형상 조직의 상태인 경우가 있고, 이 때의 결정립 직경을 정확하게 측정하는 것은 곤란하다. 그러나, 일반적으로 바늘 형상 조직은 재결정 조직보다 미세하므로, 열간 압연 후에도 표면 결함 발생을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이 하여, 직사각형 티타늄 주조편(10)이 폭이 넓은 2면(열연 시의 압연면)(10A, 10B) 중, 한쪽 면(10A)에 대해서, 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정 내지 제2단째 표층 가열 처리 공정 내지 제2단째 냉각 공정을 실시한 후에는, 예를 들어 직사각형 티타늄 주조편(10)을 반전시켜서, 다른 쪽 면(10B)에 대해서, 상기와 마찬가지로, 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정 내지 제2단째 표층 가열 처리 공정 내지 제2단째 냉각 공정을 실시한다. 또한, 경우에 따라서는, 한쪽 면(10A)에 대해서 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정을 실시한 후, 다른 쪽 면(10B)에 대해서 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정을 실시하고, 그 후, 각 면(10A, 10B)에 대해서, 순차적으로 2단째 표층 가열 처리 공정 내지 제2단째 냉각 공정을 실시해도 된다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 주조 방향(DC 슬래브 주조에서의 주조편 인발 방향)(D)에 따른 4면(10A 내지 10D) 중, 폭이 넓은 2면(열간 압연 시에서의 압연면에서, 모따기(11)가 존재하는 경우에는 이것을 포함함: 도 2 참조)(10A, 10B)에 대해서 처리하는 것으로 하고 있지만, 상기 4면 중, 폭이 좁은 면(열간 압연 시에서의 에지측이 되는 면)(10C, 10D)(도 2 참조)에 대해서도, 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대한 처리와 동일한 처리를 행해도 된다.
즉, 열간 압연에 있어서는, 열연 소재의 슬래브에 압하가 가해짐으로써, 소재의 에지측의 면의 적어도 일부는, 열연판의 판면측으로 돌아들어가는 것이 통상이다. 그로 인해, 직사각형 주조편의 에지측의 면의 표면층의 조직이 조대하거나, 다수의 결함이 존재하면, 열연판의 폭 방향 양단 가까이의 표면에 오목부 등의 표면 결함이 발생해버릴 가능성이 있다. 이에 비해, 직사각형 주조편의 에지측의 면에도 상기 마찬가지의 개질 처리를 실시해 둠으로써, 이러한 사태가 발생하는 것을 유효하게 방지하는 것이 가능해진다.
이와 같이 에지측의 2면(10C, 10D)에 대해서도, 상기와 마찬가지로 제1단째 표층 가열 처리 공정 내지 제1단째 냉각 공정 내지 제2단째 표층 가열 처리 공정 내지 제2단째 냉각 공정을 실시할 경우, 에지측의 2면(10C, 10D)에 대한 각 공정은, 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대한 각 공정이 종료되고 나서 실시해도 된다. 또는, 폭이 넓은 2면(10A, 10B)에 대한 각 공정의 사이에 적절히 실시해도 된다.
이상과 같이 해서 얻어진 열간 압연용 티타늄 주조편, 즉 직사각형 티타늄 주조편에 대하여 개질 처리를 실시한 열간 압연용 티타늄 주조편의 표면 부근(예를 들어 판면(10A) 부근)의 단면 조직 상태의 조직을, 도 4에 모식적으로 도시한다. 또한, 그 열간 압연용 티타늄 주조편에 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 행한 상태의 조직을, 도 5에 모식적으로 도시한다. 도 6은, 도 4에 상당하는 열간 압연용 티타늄 주조편의 표층 부분에서의 미세화층과 내측 미세화층과 주조 응고 조직을 나타내는 단면 관찰 사진이다.
도 4에 도시한 열간 압연용 티타늄 주조편(30)은, 제2단째 냉각 공정 종료 후의 상태(도 3의 (B)의 우측의 상태)에 상당한다. 이 열간 압연용 티타늄 주조편(30)은, 모재 부분(28)(제1단째 HAZ층(22)보다도 슬래브 내측의 부분)은, 주조 상태의 조대한 조직(주조 응고 조직)인데, 그것보다도 표면측의 부분은, 최표면에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 조직 미세화층(26)을 갖고, 조직 미세화층의 내측에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 내측 조직 미세화층(27)을 갖고 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 내측 조직 미세화층(27)은, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)과 제2단째 냉각 공정(P4)을 실시한 후에, 조직 미세화층(26)의 내측에 남은 제1단째 용융 재응고층(20)과 제1단째 HAZ층(22)이다.
도 6(사진)은 제2단째 냉각 공정 종료 후의 상태(도 3의 (B)의 우측의 상태)에 상당하는 열간 압연용 티타늄 주조편의 표층 부분을 나타내고 있다. 이 열간 압연용 티타늄 주조편(30)은, 모재 부분(28)(내측 조직 미세화층(27)(제1단째 HAZ층(22))보다도 슬래브 내측의 부분)은 주조 상태의 조대한 조직이다. 열간 압연용 티타늄 주조편(30)의 표층은, 최표면의 조직 미세화층(26)과, 그것보다도 내측의 내측 조직 미세화층(27)의, 2층의 미세 바늘 형상 조직으로 되어 있다. 또한, 내측 조직 미세화층(27)은, 제1단째 표층 가열 처리 공정(P1)과 제1단째 냉각 공정(P2)의 조건에 따라서는, 2층으로 하여 관찰이 가능한 경우가 있다. 또한, 조직 미세화층(26)은, 제2단째 표층 가열 처리 공정(P3)과 제2단째 냉각 공정(P4)의 조건에 따라서는, 2층으로 하여 관찰이 가능한 경우가 있다. 따라서, 이들 조직 미세화층(26)과 내측 조직 미세화층(27)은, 또한 3층 또는 4층으로 하여 관찰이 가능한 경우가 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리(820℃×240분의 가열 처리)를 행한 상태에서, 이들 조직 미세화층(26)과 내측 조직 미세화층(27)의 미세 바늘 형상 조직이 재결정할 경우, 특히 최표면측의 조직 미세화층(26)(제2단째 용융 재응고층(26A) 및 제2단째 HAZ층(26B))은, 3mm 이상의 입경의 결정립의 개수가 슬래브 표면 1m2당 5개 이하라는, 현저하게 미세한 재결정 등축 조직으로 되어 있다. 또한, 조직 미세화층(26)보다도 슬래브 내측의 제1단째 용융 재응고층(20) 및 제1단째 HAZ층(22)의 조직(내측 조직 미세화층(27))은, 조직 미세화층(26)보다는 미세화의 정도가 적지만, 제1단째 용융 재응고층(20)에서는, 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 용융에 의해, 주조에서 유래되는 공극이 대부분 소멸되어 있다. 일부에는, 약간 잔존하는 공극(10Q)도 있지만, 이들 공극(10Q)의 내부는 진공이므로, 열연 시에 압착되어, 열연판 제품에서는 무해화된다. 또한, 판면(10A)의 최표면은, 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 용융에 의해 비교적 평활한 면으로 되어 있다.
또한, 재결정 온도는, 티타늄 슬래브에 포함되는 불순물의 종류, 농도, 전조직에 따라 차이는 있다. 일반적으로, 열간 압연 전의 가열 처리시 가열 온도가 700℃ 이상이면, 열간 압연 전의 가열 처리시에 재결정시킬 수 있지만, β상 안정화 원소를 함유시킨 경우의 제2단째의 용해층(d4)은, 미세한 바늘 형상 조직으로서 재결정이 발생하지 않고 존재하는 경우가 있다. 그러나, 조직이 미세하므로 그 후의 열간 압연에서 결함이 되는 결함은 재결정시킨 경우와 비교해서 큰 차이 없는 레벨이 된다.
이와 같이 하여 얻어진 열간 압연용 티타늄 주조편을 실제로 사용하는 데 있어서는, 열간 압연을 실시해서 원하는 판 두께의 열연판으로 한다. 열간 압연의 방식은 특별히 한정되지 않지만, 박판 열연판 제품으로 할 경우, 코일 압연을 적용하는 것이 통상이다. 또한, 그 경우의 열연 오름판 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 3mm 내지 8mm 정도이다. 열간 압연 조건은 특별히 한정되지 않지만, 통상의 티타늄 열간 압연과 마찬가지로, 720℃에서 920℃로, 60분 내지 420분 정도 가열하고, 그 범위 내의 온도에서 열간 압연을 개시하여, 압연기의 능력에 따라, 실온 이상의 온도에서 열간 압연을 종료시키면 된다.
또한, 열간 압연 후의 열연판에서의 판면(10A) 부근의 단면 조직 상태는, 열간 압연에 의한 압연 방향으로의 결정립의 신장점을 제외하고, 도 5에 도시한 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리를 행한 상태의 조직과 실질적으로 동등하다. 즉, 열간 압연 전에 용융 처리에 의해 미세화된 조직 미세화층(26)과 내측 조직 미세화층(27)은, 열연 후에도 조직 자체는 가공되어 연신하지만, 모재 부분(28)에 비하여 충분히 미세화된 상태를 유지한다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 전자빔 용해-DC 슬래브 주조에 의해 얻어진 직사각형 티타늄 주조편을, 그대로의 상태, 즉, 분괴 압연이나 단조 등의 열간 가공에 의한 브레이크다운 공정을 거치지 않고, 또한 표면 손질을 위한 절삭 공정을 거치지 않고, 열간 압연용 티타늄 주조편을 제조하기 위한 소재로서, 주조인 채(as cast)의 소재로, 각 공정에 제공하는 것으로 하고 있다. 즉, 주조한 상태의 주조 표면(표면에 주조에서 유래되는 심한 요철이 존재하고, 표층부에 다수의 공극 등의 주조 결함을 갖고, 소위 흑피 상태의 표면으로 이루어지는 주조 표면)을 갖는 소재를 사용하고 있다. 본 발명의 효과는, 이러한 주조한 상태의 주조편에 적용한 경우에 가장 유효하게 발휘할 수 있지만, 경우에 따라서는, 주조 표면 표면의 요철이나 표면 가까이의 공극을 제거하기 위해서, 최표면으로부터 수mm 정도까지의 층을 절삭 가공에 의해 제거했을 경우, 즉, 소위 백피가 드러난 상태의 주조편에 대하여 적용하는 것도 허용된다. 또한, 주조 후에 용해로나 냉각로를 해방하여 주조편을 대기중으로 취출할 때, 고온에서 취출한 굳기로 표면에 생성하는 산소 부화층(최대 1mm 정도)의 일부를 절삭 가공에 의해 제거하여, 소위 반백피로 한 주조편에 적용하는 것도 허용된다.
(실시예)
이하에, 표 1, 표 2(표 2a 및 표 2b), 표 3(표 3a 및 표 3b), 표 4(표 4a 및 표 4b), 표 5(표 5a 및 표 5b), 표 6(표 6a 및 표 6b), 표 7(표 7a 및 표 7b)에 나타내는 시험 번호 1 내지 38의 실험에 기초하여, 본 발명의 실시예를, 종래법에 의한 참고예(=분괴 압연 슬래브), 비교예(본 발명의 처리를 전혀 실시하지 않는 비교예 및 본 발명의 조건을 제외시킨 처리를 행한 비교예)와 함께 설명한다.
〔시험 번호 1 내지 3(표 1)〕
표 1에 나타내는 시험 번호 1은, 단면이 약 1300mm 폭×약 400mm 두께×약 7500mm 길이의 JIS 1종 순티타늄의 전자빔 용해 주조편을, 분괴 압연에 의해, 약 1210mm 폭×약 260mm 두께로 하고, 또한, 약 7000mm 길이의 슬래브를 잘라내고, 전체면을 약 5mm 정도 절삭 가공하고, 상하면과 측면이 이루는 각도 45도에서 30mm 폭의 모따기를 절삭 가공한 분괴 압연 슬래브를 사용한 종래법에 의한 참고예이다. 치수는, 약 1200mm 폭×약 250mm 두께×약 7000mm 길이이다.
표 1에 나타내는 시험 번호 2는, 단면이 약 1220mm 폭×270mm 두께×7000mm 길이의 JIS 1종 순티타늄 슬래브를 전자빔 용해에 의해 DC 주조하고, 전체면을 약 10mm 정도 절삭 가공하고, 상하면과 측면이 이루는 각도 45도에서 30mm 폭의 모따기를 절삭 가공한 DC 슬래브를 사용한 비교예이다. 치수는, 약 1200mm 폭×약 250mm 두께×약 7000mm 길이이다.
표 1에 나타내는 시험 번호 3은, 단면이 1220mm 폭×270mm 두께×7000mm 길이의 JIS 1종 순티타늄 슬래브를 전자빔 용해에 의해 DC 주조하고, 상하면의 절삭 가공은 행하지 않고, 상하면과 측면이 이루는 각도 45도에서 30mm 폭의 모따기를 절삭 가공한 DC 슬래브를 사용한 비교예이다. 치수는, DC 슬래브 주조 상태의 주조편이다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다. 또한, 표면 결함의 수는 1m 사방의 프레임 안에 표면 결함이 발생한 개수를 10 내지 15시야 관찰하여, 그 평균으로 하였다. 또한, 감찰 부위의 길이가 1m에 달하지 않을 경우에는, 관찰한 열연판의 표면적이 1m2가 되도록 환산하고, 그것을 1m2당 표면 결함의 수로 하였다.
또한, 여기서, 열연판 표면 결함의 평가 기준으로서는, 표면 결함의 수가 1m2당 0.3개 이하를 합격으로 하고, 1m2당 0.3개를 초과하는 경우를 불합격으로 평가하였다. 이 평가 기준은, 후술하는 각 시험 번호 4 내지 38에서도 마찬가지이다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 시험 번호 1의 분괴 압연재는, 결함의 밀도가 합격 라인의 0.3개/m2를 하회하고 있어, 양호한 표면 상태였지만, 시험 번호 2, 3은 모두 열연판 표면 결함이 다발하여, 불합격이었다.
또한, 시험 번호 1의 분괴 압연재에 있어서 얻어진 양호한 표면 상태는, 분괴 압연이라는 손이 가는 공정을 거침으로써 얻어진 것이며, 본 발명에 의한 효과가 아니다.
〔시험 번호 4 내지 15(표 2a, 표 2b)〕
시험 번호 3과 동일한 제조 공정을 거쳐서 제조한 동일 치수의 JIS 1종 순티타늄의 DC 슬래브에 대하여 슬래브를 이동시킴으로써, 길이 방향으로 전자빔을 조사하고, 이것을 왕복시키는 공정을 반복함으로써, 압연면 전체면에 전자빔 조사를 행하였다. 슬래브의 측면에도 조사를 실시하였다.
시험 번호 4는, 제1단째 표층 가열 처리만을 실시하고, 제2단째 표층 가열 처리는 실시하지 않은 비교예이다. 시험 번호 5 내지 시험 번호 15는, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 다시 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다. 그 때, 조사 조건을 종종 변화시켰다. 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 직사각형의 빔 형상으로 하였다. 또한, 인접부에 조사할 때에는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/3만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다. 전자빔 조사 후의 냉각 시의 온도 변화는 방사 온도계에 의해 계측하여, β 변태점을 통과할 때의 냉각 속도를 산출하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
시험 번호 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 14는, 모두 본 발명의 실시예이며, 표 2a, 표 2b에 나타낸 바와 같이, 모두 본 발명에서 규정한 표층부의 형태(적어도 2층의 바늘 형상 조직)를 갖고, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후에는, 본 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어, 합격 라인을 초과하고 있다.
한편, 시험 번호 4, 9, 13, 15는, 본 발명에서 규정한 표층부의 형태나 시공 조건을 만족하고 있지 않은 비교예이며, 이것들은 표 2a, 표 2b에 나타낸 바와 같이 열연 후의 표면 결함이 많아， 열연판의 표면 상태는 불합격이었다.
〔시험 번호 16 내지 18(표 3a, 표 3b)〕
시험 번호 3과 동일한 제조 공정을 거쳐서 제조한 동일 치수의 JIS 1종 순티타늄의 DC 슬래브에 대하여 슬래브를 이동시킴으로써, 전자빔을 조사하고, 이것을 왕복시키는 공정을 반복함으로써, 압연면 전체면에 전자빔 조사를 행하였다. 슬래브의 측면에도 조사를 실시하였다.
시험 번호 16, 17, 18은, 시험 번호 5와 동일한 시공 조건에서, 조사의 방향이나 순서를 바꾸었을 경우의 실시예이다.
시험 번호 16은, 슬래브의 폭 방향으로 조사를 반복하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 다시 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다.
시험 번호 17은, 슬래브의 길이 방향으로 조사를 반복하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후, 동일한 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 반전시켜서, 제1단째 표층 가열 처리를 이면측의 면에 실시하고, 그 후, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다.
시험 번호 18은, 슬래브의 폭 방향에 조사를 반복하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후, 동일한 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 반전시켜서, 제1단째 표층 가열 처리를 이면측의 면에 실시하고, 그 후, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다.
이들 전자빔 조사에서는, 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 직사각형의 빔 형상으로 하고, 인접부에 조사할 때에는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/3만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
이들 시험 번호 16, 17, 18은, 모두 본 발명의 실시예이며, 이들은, 표 3a, 표 3b에 나타낸 바와 같이, 모두, 본 발명에서 규정한 표층부의 형태를 갖고, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후에는, 본 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어 합격 라인을 달성하고 있다.
〔시험 번호 19 내지 23(표 4a, 표 4b)〕
시험 번호 3과 동일한 제조 공정을 거쳐서 제조한 동일 치수가 각양각색인 JIS 그레이드 또는 ASTM 그레이드의 공업용 순티타늄 또는 모디파이드 순티타늄(저 합금 티타늄)의 DC 슬래브에 대하여 슬래브를 이동시킴으로써, 길이 방향으로 전자빔을 조사하고, 이것을 왕복시키는 공정을 반복함으로써, 압연면 전체면에 전자빔 조사를 행하였다. 슬래브의 측면에도 조사를 실시하였다.
시험 번호 19는 JIS 2종 순티타늄, 시험 번호 20은 JIS 3종 순티타늄, 시험 번호 21은 JIS 4종 순티타늄, 시험 번호 22는 ASTM Gr.17의 티타늄 합금, 시험 번호 23은 ASTM Gr.13의 티타늄 합금이다. 시험 번호 22, 23은, 합금 원소를 첨가한 티타늄 합금인데 첨가량은 얼마 안되며, 순티타늄에 준하는 취급을 받는 모디파이드 순티타늄이다.
이들 슬래브에 대하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 다시 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다. 그 때, 조사 조건을 종종 변화시켰다. 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 원형의 빔 형상으로 하였다. 또한, 인접부에 조사할 때에는, 제1단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/2만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하고, 제2단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/4만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
이들 시험 번호 19 내지 23의 예는, 모두 본 발명의 실시예이며, 표 4a, 표 4b에 나타낸 바와 같이 모두 본 발명에서 규정한 표층부의 형태를 갖고, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후에는, 본원 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어, 합격 라인을 달성하고 있다.
〔시험 번호 24 내지 26(표 5a, 표 5b)〕
시험 번호 24는, 단면이 1000mm 폭×190mm 두께×5000mm 길이의 JIS 1종 순티타늄 슬래브를 전자빔 용해에 의해 DC 주조한 주조편, 시험 번호 25는, 단면이 950mm 폭×165mm 두께×4500mm 길이의 JIS 1종 순티타늄 슬래브를 전자빔 용해에 의해 DC 주조한 주조편, 시험 번호 26은, 시험 번호 24와 동일 치수로, 플라즈마 아크 용해에 의해 DC 슬래브 주조한 주조편이다.
이들 슬래브에 대하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 다시 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다. 그 때, 조사 조건을 종종 변화시켰다. 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 직사각형의 빔 형상으로 하였다. 또한, 인접부에 조사할 때에는, 제1단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/2만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하고, 제2단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/3만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
이들 시험 번호 24 내지 26에서는, 시험 번호 5 등에 비해, 치수가 작으므로 열용량도 작고, 그로 인해 냉각 속도가 느려져, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후의 입경이 커지는 경향이 있지만, 본원 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어, 합격 라인을 달성하고 있다.
〔시험 번호 27 내지 34(표 6a, 표 6b)〕
시험 번호 3과 동일한 제조 공정을 거쳐서 제조한 동일 치수의 JIS 1종 순티타늄의 DC 슬래브에 대하여 슬래브를 이동시킴으로써, 전자빔을 조사하고, 이것을 왕복시키는 공정을 반복함으로써, 압연면 전체면에 전자빔 조사를 행하였다. 슬래브의 측면에도 조사를 실시하였다.
이들 슬래브에 대하여, 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 또한, 슬래브를 다시 반전시켜서, 시험 번호 27은 Al분을, 시료 번호 28은 Sn분을, 시료 번호 29는 Fe분을, 시험 번호 30은 슬래브 표면에 Cr칩을, 시험 번호 31은 슬래브 표면에 V칩을, 시험 번호 32 내지 34는 슬래브 표면에 티타늄 합금의 절분을 슬래브 표면에 살포한 후, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 Fe분을 살포한 후, 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다. 그 때, 조사 조건을 종종 변화시켰다. 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 원형의 빔 형상으로 하였다. 또한, 인접부에 조사할 때에는, 제1단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/2만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하고, 제2단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/4만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용광로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
이들 시험 번호 27 내지 34의 예는, 모두 본 발명의 실시예이며, 표 6a, 표 6b에 표면측의 면의 결과를 나타낸 바와 같이 모두 본 발명에서 규정한 표층부의 형태를 갖고, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후에는, 본원 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어, 합격 라인을 달성하고 있다. 또한, Fe분을 살포한 이면도 열연판 1m2당 결함의 수는 0.02 정도로 합격 라인을 달성하고 있다.
〔시험 번호 35 내지 38(표 7a, 표 7b)〕
시험 번호 3과 동일한 제조 공정을 거쳐서 제조한 동일 치수의 JIS 1종 순티타늄의 DC 슬래브에 대하여 슬래브를 이동시킴으로써, 전자빔을 조사하고, 이것을 왕복시키는 공정을 반복함으로써, 압연면 전체면에 전자빔 조사를 행하였다. 슬래브의 측면에도 조사를 실시하였다.
이들 슬래브에 대하여, 시험 번호 35에서는 제1단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 제1단째 표층 가열 처리를 실시하고, 또한 슬래브를 다시 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 제2단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 또한, 슬래브를 반전시켜서, 표면측의 면에 Fe분을 살포한 후, 제3단째 표층 가열 처리를 표면측의 면에 실시하고, 그 후 슬래브를 반전시켜서, 이면측의 면에 Fe분을 살포한 후, 제3단째 표층 가열 처리를 실시하였다. 또한, 시료 번호 37, 38은 제3단째의 표층 가열 처리 전에 슬래브 표면에 Al분 및 Fe분을 살포하고, 슬래브의 표면측과 이면측의 면을 표층 가열 처리를 실시하였다. 또한, 시료 번호 36은 시료 번호 35와 마찬가지로 표층 가열 처리를 행한 후, 또한 슬래브를 반전시켜서, 제4단째의 표층 가열 처리를 슬래브의 표면측 및 이면측의 면에 실시하였다. 그런 뒤에, 측면에도 동일한 전자빔 조사를 행하였다. 또한, 그 때, 조사 조건을 종종 변화시켰다. 전자빔은 전자 렌즈를 사용해서 오실레이션 시켜서 원형의 빔 형상으로 하였다. 또한, 인접부에 조사할 때에는, 제1단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/2만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하고, 제2단째의 표층 가열 처리에서는, 그 전에 조사 용융한 부분을 1/4만 겹쳐서 용융시키도록 전자빔의 위치를 조정하였다.
이들 슬래브는, 820℃의 용융로에 삽입 후, 약 240분 가열하고, 연속 열간 압연 스트립 밀로 5mm 두께의 열연판 코일을 제조하고, 질불산으로 이루어지는 연속 산 세정 라인을 통판하고, 편면당 약 50㎛ 용삭하였다. 그 후, 양쪽의 판면을 육안 관찰하여, 표면 결함의 수를 측정하였다.
이들 시험 번호 35 내지 38의 예는, 모두 본 발명의 실시예이며, 표 7a, 표 7b에 나타낸 바와 같이 모두 본 발명에서 규정한 표층부의 형태를 갖고, 열간 압연 전에 행해지는 가열 처리 또는 그에 상당하는 처리 후에는, 본원 발명에서 규정한 결정립 직경으로 이루어지는 조직을 나타내고, 열연 후의 표면 결함도 적어, 합격 라인을 달성하고 있다.
Figure 112015099442839-pct00020
[표 2a]
Figure 112015099442839-pct00021
[표 2b]
Figure 112015099272694-pct00003
[표 3a]
Figure 112015099442839-pct00022
[표 3b]
Figure 112015099442839-pct00023
[표 4a]
Figure 112015099442839-pct00024
[표 4b]
Figure 112015099272694-pct00007
[표 5a]
Figure 112015099442839-pct00025
[표 5b]
Figure 112015099272694-pct00009
[표 6a]
Figure 112015099442839-pct00026
[표 6b]
Figure 112015099442839-pct00027
[표 7a]
Figure 112015099442839-pct00028
[표 7b]
Figure 112015099272694-pct00013
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태, 실시예에 대해서 설명했지만, 실시 형태 및 실시예는, 어디까지나 본 발명의 요지 범위 내의 예에 지나지 않으며, 본 발명의 요지로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 기타의 변경이 가능하다. 즉, 본 발명은 상술한 설명에 의해 한정되지 않고, 첨부한 특허 청구 범위에 의해서만 한정되고, 그 범위 내에서 적절히 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 직사각형 티타늄 주조편
10A 내지 10D : 면
12 : 전자빔 조사 총
16 : 제1단째 용융층
20 : 제1단째 용융 재응고층
24 : 재가열층
26 : 조직 미세화층
30 : 티타늄 열간 압연판 제조용 주조편
40 : 열연판
P1 : 제1단째 표층 가열 처리 공정
P2 : 제1단째 냉각 공정
P3 : 제2단째 표층 가열 처리 공정
P4 : 제2단째 냉각 공정

Claims (21)

  1. 공업용 순티타늄으로 이루어지는 열간 압연용 티타늄 주조편이며, 압연면으로 되는 표면에 있어서, 최표면에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 조직 미세화층을 갖고, 상기 조직 미세화층의 내측에 바늘 형상 조직으로 이루어지는 내측 조직 미세화층을 갖고, 상기 내측 조직 미세화층보다도 더 내측은 주조 응고 조직이며, 상기 조직 미세화층은 상기 내측 조직 미세화층보다도 미세한 조직이며, 상기 조직 미세화층이 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 범위이며, 상기 내측 조직 미세화층이 상기 조직 미세화층의 내측이며 표면으로부터 깊이 3mm 이상, 20mm 이하까지의 범위인, 열간 압연용 티타늄 주조편.
  2. 제1항에 있어서,
    표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 초과, 2.0% 미만 함유하는, 열간 압연용 티타늄 주조편.
  3. 제1항에 있어서,
    표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 초과, 1.5% 이하 함유하는, 열간 압연용 티타늄 주조편.
  4. 제1항에 있어서,
    표면으로부터 깊이 4mm 이하의 범위에서, α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 초과, 2.0% 미만 함유하고, β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 질량%의 합계로 0% 초과, 1.5% 이하 함유하는, 열간 압연용 티타늄 주조편.
  5. 제1항에 있어서,
    820℃×240분의 가열 처리 후의 실온에서의 상태에서, 결정립 직경이 3mm 이상인 결정립의 개수가 표면 1m2당 5개 이하인, 열간 압연용 티타늄 주조편.
  6. 공업용 순티타늄으로 이루어지는 주조편 소재에 있어서, 열간 압연의 압연면으로 되는 표면을 가열하여, 표면으로부터 깊이 6mm 이상, 20mm 이하까지의 영역을 β 변태점 이상으로 가열하고, 표면으로부터 깊이 3mm 이상 내지 10mm의 범위까지 용융시키는 제1단째 표층 가열 처리 공정과, 상기 제1단째 표층 가열 처리 후, β 변태점보다 낮은 온도로 냉각하는 제1단째 냉각 공정과,
    상기 제1단째 표층 가열 처리와 상기 제1단째 냉각 공정이 행하여진 표면을 재가열하여, 표면으로부터 깊이 1mm 이상, 6mm 미만까지의 영역을 β 변태점 이상으로 가열하는 제2단째 표층 가열 처리 공정과, 상기 제2단째 표층 가열 처리 후, β 변태점보다 낮은 온도로 냉각하는 제2단째 냉각 공정을 갖는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에서의 단위 면적당의 입열량을, 상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에서의 단위 면적당의 입열량보다도 작게 하는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1단째 표층 가열 처리 공정 및 제2단째 표층 가열 처리 공정의 각 공정에서, 전자빔의 조사 총을, 주조편 소재의 표면과 평행한 방향으로 연속적으로 이동시키면서 전자빔 조사를 행하는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1단째 냉각 공정 및 제2단째 냉각 공정이, 주조편 소재의 모재측으로부터의 발열(열 제거)에 의해 행하여지는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2단째 냉각 공정에 있어서, 60℃/min 이상의 냉각 속도로 β 변태점을 통과시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정과 상기 제2단째 냉각 공정을 복수회 행하는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 제1단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상, 및 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2단째 표층 가열 처리 공정에 있어서, 주조편 소재의 표면에 α상 안정화 원소 및 중성 원소 중 1종 또는 2종 이상, 및 β상 안정화 원소의 1종 또는 2종 이상을 존재시키고, 표면을 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 주조편 소재가, DC 슬래브 주조법에 의해 주조한 것인, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 주조편 소재가, 전자빔 용해법에 의해 얻어진 용탕을, DC 슬래브 주조법에 의해 주조한 것인, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
  21. 제6항에 있어서,
    상기 주조편 소재가, 주조 상태의 주조 표면을 갖는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
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