KR102044987B1 - 티타늄 판재 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

티타늄 판재를 420 내지 500℃로 1차 가열하고, 유지하는 단계; 및 상기 티타늄 판재를 500 내지 580℃로 2차 가열하고, 유지하는 단계;를 포함하는 티타늄 판재 열처리 방법이 소개된다.

Description

티타늄 판재 열처리 방법{HEAT TREATMENT METHOD OF TITANIUM PLATE}

티타늄 판재 열처리 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 항복강도 등의 기계적 물성이 우수한 티타늄 판재를 제조할 수 있는 티타늄 판재 열처리 방법에 관한 것이다.

기존의 공정에서는 원하는 조성의 티타늄 잉곳(ingot)을 구매하여 단조 공정을 통해 원하는 크기의 슬라브(slab)를 제조하고, 공지 스테인리스 열간 압연 공정 및 냉간 압연 공정을 거쳐 최종 판재를 생산하여 수요자에게 공급한다.

시판되는 티타늄 제품 중, CP-Ti grade 2는 적당한 강도와 연신율을 필요로 하는 열교환기 제품 등에 주로 많이 사용되고 있다. 이와 같은 냉간 압연재는 큰 압하량으로 인해 내부에 큰 변형 에너지를 축적하고 있기 때문에 후속 진공 열처리 공정 중에 재결정과 결정립 성장 과정을 거치게 되고, 이에 따라 최종 물성이 결정되게 된다.

본 발명의 일 실시예는 티타늄 판재를 소둔 열처리 수행하되, 1차로 가열하고, 유지한 다음 2차로 가열하고 유지하는 과정에서 온도 조건의 제어를 통해 항복강도 등의 기계적 물성이 우수한 티타늄 판재를 제조할 수 있는 티타늄 판재 열처리 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법은 티타늄 판재를 420 내지 500℃로 1차 가열하고, 유지하는 단계; 및 상기 티타늄 판재를 500 내지 580℃로 2차 가열하고, 유지하는 단계;를 포함한다.

상기 2차 가열하고, 유지하는 단계 이후, 상기 티타늄 판재의 두께 변형률이 1 내지 5%가 되도록 소성 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 1차 가열하고, 유지하는 단계에서, 유지시간은 5 내지 20시간일 수 있다.

상기 2차 가열하고, 유지하는 단계에서, 유지시간은 10 내지 20시간일 수 있다.

상기 1차 가열하고, 유지하는 단계에 이전, 티타늄 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계; 및 상기 열연판을 냉간 압연하여 티타늄 판재를 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 열연판을 제조하는 단계에서, 상기 티타늄 슬라브는 산소 함량이 중량%로, 0.1% 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법에 따르면 티타늄 판재를 소둔 열처리 수행하되, 1차로 가열하고, 유지한 다음 2차로 가열하고 유지하는 과정에서 온도 조건의 제어를 통해 연질재를 이용하는 경우에도 275 내지 450MPa 수준의 항복강도를 기대할 수 있다.

또한, 열간 압연 이후, 별도의 사이드 트리밍(side trimming) 공정을 생략할 수 있어 생산 수율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 열처리 후, 소성 가공하여 항복강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 소둔 온도 중, 2차 가열온도에 따른 항복강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 이후, 티타늄 판재의 미세조직을 관찰한 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 구현예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

티타늄 판재 열처리 방법

본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법은 티타늄 판재를 420 내지 500℃로 1차 가열하고, 유지하는 단계 및 티타늄 판재를 500 내지 580℃로 2차 가열하고, 유지하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 티타늄 판재를 1차 가열하고, 유지하는 단계에 이전, 티타늄 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계 및 열연판을 냉간 압연하여 티타늄 판재를 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 열연판을 제조하는 단계에서, 티타늄 슬라브는 산소 함량이 중량%로, 0.1% 미만일 수 있다.

먼저, 원하는 조성의 티타늄 잉곳(ingot)를 마련하고, 단조 공정을 통해 티타늄 슬라브를 준비한 다음 열간 압연 공정을 통해 열연판을 제조한다.

이때, 티타늄 슬라브는 산소 함량이 중량%로, 0.1% 미만일 수 있는데 보통 산소 함량을 기준으로 함량이 0.1% 이상일 경우, 경질재로 분류되고, 함량이 0.1% 미만일 경우, 연질재로 분류될 수 있다.

일반적으로, 연질재는 항복강도 220 내지 329MPa가 요구되고 있으며, 경질재는 항복강도 275 내지 450MPa가 요구되고 있다.

열간 압연 공정을 통해 제조된 산소 함량이 0.1% 미만인 열연판을 별도의 사이드 트리밍(side trimming) 공정을 거치지 않고 바로 냉간 압연을 수행하여 티타늄 판재를 준비한다. 이때, 냉간 압연 이후, 준비된 티타늄 판재는 CP-Ti grade 2 티타늄 판재일 수 있다.

다음으로, 티타늄 판재를 VAF(Vacuum Annealing Furnace)를 이용한 소둔 열처리 공정을 거치게 되는데 우선 티타늄 판재를 420 내지 500℃로 1차 가열하고, 유지한다. 1차 가열까지 걸리는 시간은 30분 내지 4시간일 수 있다.

1차 가열하고, 유지하는 온도가 420℃ 미만일 경우, 압연 공정에서 잔류하는 압연류를 제거하기에 충분치 않을 수 있다. 반면, 500℃를 초과할 경우, 티타늄 판재의 강도 하락이 발생할 수 있다.

구체적으로, 1차 가열하고, 유지하는 단계에서 유지시간은 5 내지 20시간일 수 있다. 유지시간이 5시간 미만일 경우, 압연 공정에서 잔류하는 압연류를 제거하기에 충분치 않을 수 있으며, 유지시간이 20시간을 초과할 경우, 유지효과가 크지 않고, 생산량이 나빠질 수 있다.

티타늄 판재를 1차로 가열하고, 가열한 온도에서 소정의 시간 동안 유지한 다음 티타늄 판재를 500 내지 580℃로 2차 가열하고, 유지한다. 1차 가열하고, 유지한 온도부터 2차 가열까지 걸리는 시간은 30분 내지 2시간일 수 있다.

2차 가열하고, 유지하는 온도가 500℃ 미만일 경우, 티타늄 판재의 재결정 및 결정립 성장이 전체적으로 균일하게 일어나지 않을 수 있다. 반면, 580℃를 초과할 경우, 티타늄 판재의 결정립이 급격하게 성장하여 항복강도 등의 기계적 물성이 나빠질 수 있다.

구체적으로, 2차 가열하고, 유지하는 단계에서, 유지시간은 10 내지 20시간일 수 있다. 유지시간이 10시간 미만일 경우, 티타늄 판재의 전체 온도가 균일하게 2차로 가열한 온도에 도달하지 못할 수 있다. 이에 따라 티타늄 판재의 재결정 및 결정립 성장이 전체적으로 균일하게 일어나지 않을 수 있다. 반면, 20시간을 초과할 경우, 유지효과가 크지 않고, 생산량이 나빠질 수 있다.

티타늄 판재를 2차로 가열하고, 가열한 온도에서 소정의 시간 동안 유지한 다음 로냉을 통해 약 300℃까지 냉각할 수 있다.

이와 같이 티타늄 판재를 소둔 열처리 수행하되, 1차로 가열하고, 유지한 다음 2차로 가열하고 유지하는 과정에서 온도 조건의 제어를 통해 연질재를 이용하는 경우에도 275 내지 450MPa 수준의 항복강도를 기대할 수 있다.

또한, 열간 압연 이후, 별도의 사이드 트리밍(side trimming) 공정을 생략할 수 있어 생산 수율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 티타늄 판재 열처리 방법은 2차 가열하고, 유지하는 단계 이후, 티타늄 판재의 두께 변형률이 1 내지 5%가 되도록 소성 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

소성 가공은 장력 조절 장치(tension leveler)를 통해 수행할 수 있다. 이를 통해 티타늄 판재의 평탄도를 조절하고, 적당한 장력을 줄 수 있다.

두께 변형률은 1 내지 5%일 수 있는데 이를 만족하는 범위에서 티타늄 판재를 소성 변형시킴으로써 가공 변화에 의한 항복강도 향상 효과를 얻을 수 있다. 두께 변형률이란 가공 전 판재의 두께에서 가공 후 판재의 두께를 뺀 값을 가공 전 판재의 두께로 나눈 다음 100을 곱하여 얻은 값을 의미할 수 있다.

실시예

본 발명의 일 실시예에 의한 효과를 살펴보기 위해 산소 함량 855ppm의 CP-Ti grade 2 소재(공지 양산 공정에서 냉간 압연을 거친 소재를 사용)에 대해 실험을 진행하였다.

도 2와 같이, 1차 가열 온도를 500℃로 조절하고, 가열 후, 유지시간은 5시간으로 하였다. 2차 가열 온도를 각각 500℃, 520℃, 540℃, 560℃로 조절하고, 가열 후, 유지시간을 10시간으로 소둔 열처리하였을 때, 도 3과 같은 항복강도 결과를 얻을 수 있었다.

도 3과 같이, 산소 함량 855ppm 티타늄 소재에 대해 소둔 열처리 온도를 변경함으로써 항복강도를 크게 변화 시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 미세 조직 분석을 분석한 결과 소둔 열처리 온도가 500℃에서 560℃까지 증가하였을 때, 540℃부터 급격한 결정립 성장이 관찰되고, 560℃를 넘어서부터는 연화 현상의 발생으로 인해 항복강도가 감소하기 시작함을 확인할 수 있었다.

도 5는 2차 가열 온도 540℃에서의 연질재 티타늄 판재 미세조직 및 2차 가열 온도 560℃에서의 경질재 티타늄 판재 미세조직을 관찰한 사진이다.

티타늄 판재에서 산소 함량이 달라지면 유사한 미세조직을 얻기 위한 소둔 열처리 조건이 달라질 수 있으며, 소둔 열처리 조건에 따라 기계적 물성 변화를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

1. 티타늄 판재를 420 내지 500℃로 1차 가열하고, 유지하는 단계; 및
   상기 티타늄 판재를 500 내지 540℃로 2차 가열하고, 유지하는 단계;를 포함하고,
   상기 2차 가열하고, 유지하는 단계에서,
   유지시간은 10 내지 20시간인 티타늄 판재 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차 가열하고, 유지하는 단계 이후,
   상기 티타늄 판재의 두께 변형률이 1 내지 5%가 되도록 소성 가공하는 단계;를 더 포함하는 티타늄 판재 열처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 1차 가열하고, 유지하는 단계에서,
   유지시간은 5 내지 20시간인 티타늄 판재 열처리 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 1차 가열하고, 유지하는 단계에 이전,
   티타늄 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계; 및
   상기 열연판을 냉간 압연하여 티타늄 판재를 준비하는 단계;를 더 포함하는 티타늄 판재 열처리 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 열연판을 제조하는 단계에서,
   상기 티타늄 슬라브는 산소 함량이 중량%로, 0.1% 미만인 티타늄 판재 열처리 방법.
   

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