KR102157279B1

KR102157279B1 - 티탄재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102157279B1
Application number: KR1020187029218A
Authority: KR
Inventors: 도모유키 기타우라; 요시히사 시라이; 히데키 후지이
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2020-09-17
Also published as: JP6206628B1; EP3427850A1; EP3427850B1; US11542581B2; CN108883447A; CN108883447B; EP3427850A4; KR20180123523A; US20190032183A1; TW201804002A; RU2699338C1; TWI619815B; JPWO2017155072A1; WO2017155072A1

Abstract

내층부(3)와 내층부(3)에 접합된 표층부(2)를 갖고, 표층부(2)의 화학 조성이, 질량%로, O：0.4% 이하, Fe：0.5% 이하, Cl：0.020% 이하, 잔부：Ti 및 불순물이고, 내층부(3)의 화학 조성이, 질량%로, O：0.4% 이하, Fe：0.5% 이하, Cl：0.020% 초과, 0.60% 이하, 잔부：Ti 및 불순물이고, 내층부(3)는 공극을 갖고, 티탄재(1)의 길이 방향에 수직인 단면에서의, 내층부(3) 중에서의 공극의 면적률이 0% 초과, 30% 이하이며, 내층부(3)의 Cl 함유량(Cl_I), 표층부(2)의 두께(t_S) 및 내층부(3)의 두께(t_I)가 ［Cl_I≤0.03＋0.02×t_S/t_I］를 만족하는, 티탄재(1).

Description

티탄재 및 그 제조 방법

본 발명은, 티탄재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

티탄재는, 경량이며 내식성이 뛰어나다고 하는 특징을 살려, 플랜트용 해수 냉각 복수기, 열교환기, 반응기, 냉각기 등에 이용되고 있다. 또한, 티탄재는, 높은 비강도를 갖기 때문에, 경량화에 의한 연비성 향상을 목적으로 하여, 자동차, 또는 항공기 등의 수송기관에 사용되는 구조용 재료로의 적용이 기대되고 있다.

또한 최근에는, 고비강도·고내식성을 살려 메인터넌스 프리인 건축 재료로서의 가치가 높아지고 있다. 예를 들어, 그 일례로서, 내진성 향상을 위한 지붕재, 및 해수에 대한 피복 방식용 커버재 등으로의 적용예가 있다.

이와 같이, 다양한 분야에서 티탄재의 적용이 진행되고 있으나, 다른 강재 등과 비교하면, 티탄재는 매우 고가의 소재이다. 이 때문에, 티탄재의 적응 용도를 확대하기 위해서는, 제조 비용을 저감하는 것이 필요하다.

티탄재의 제조 비용이 높은 원인은, 그 제조 방법에 있다. 티탄재는, 통상, 이하와 같이 제조된다. 원료인 산화티탄을 염소화하여 사염화티탄으로 한 후, 마그네슘(크롤법) 또는 나트륨으로 환원 후(헌터법), 진공 분리 공정을 거쳐, 괴상이며 스폰지형인 금속 티탄(스폰지 티탄)이 제조된다.

이 스폰지 티탄을 프레스 성형하여 티탄 소모 전극으로 하고, 티탄 소모 전극을 전극으로 하여 진공 아크 용해하여 티탄 주괴를 제조한다. 최근에는, 수냉식 구리 하스(hearth) 내에서 플라즈마 또는 전자빔에 의해 스폰지 티탄을 용해하고, 수냉식의 구리 주형으로부터 연속적으로 인발함으로써 티탄 주괴를 제조하는 방법도 이용되고 있다.

이러한 방법에 의해 제조된 티탄 주괴는, 분괴, 단조, 및 압연되어 티탄 슬래브(형상 등에 따라, 이른바 블룸 및 빌릿을 포함한다. 이하, 동일.)가 된다. 또한, 이 티탄 슬래브를 열간 압연, 소둔, 산세, 냉간 압연, 및 진공 열처리함으로써, JIS H4600(티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)에 규정된 1종, 2종, 3종 및 4종 등의 티탄재가 제조된다.

이들 제조 공정 중, 스폰지 티탄 및 티탄 주괴의 제조 공정은, 비연속적인 배치식의 공정이기 때문에, 제조 비용이 상승한다. 이 때문에, 티탄의 제조 비용을 저감하기 위해서, 용해 공정을 거치지 않고, 스폰지 티탄으로부터 직접 티탄을 제조하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1에는, 직육면체 형상으로 성형된 다공질 티탄 원료(스폰지 티탄)의 표면을, 진공 하에서 전자빔을 이용해 용해하여 표층부를 조밀한 티탄으로 한 티탄 주괴(티탄 슬래브에 상당)를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그리고, 이 티탄 주괴에 열간 압연 및 냉간 압연을 행함으로써, 티탄재를 제조한다. 특허문헌 1에 개시된 방법에서는, 다공질 티탄 원료가, 슬래브 형상으로 성형된 다공질부와, 조밀한 티탄에 의해 구성되어 다공질부를 피복하는 조밀 피복부를 갖는 조밀한 티탄 주괴를 제조할 수 있다.

일본국 특허공개 2015-045040호 공보

그런데, 스폰지 티탄을 완전히 용해하지 않고 제조되는 티탄재의 내부에는, 염화마그네슘(이후, MgCl₂라고 기재한다.)이 불가피적으로 잔존한다. 티탄재의 기계적 특성으로의 악영향을 고려하면, MgCl₂의 잔존량은 적은 것이 바람직하다. 한편, 티탄재의 내부에 잔존하는 MgCl₂ 함유량을 저하시키기 위해서는, 원료인 스폰지 티탄의 순도를 높일 필요가 있어, 비용의 증가를 초래할 우려가 있다.

특허문헌 1에서는, 전자빔을 스폰지 티탄에 조사함으로써, MgCl₂를 휘발 제거할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 내부에 열이 전달될 때까지 전자빔을 조사할 필요가 발생하기 때문에, 제조 비용의 상승은 피할 수 없다.

또한, 특허문헌 1에서는, 내부의 MgCl₂를 휘발 제거하고 있기 때문에, 티탄재 중에 잔존하는 MgCl₂가 티탄재의 기계적 특성에 미치는 영향에 대해서는 전혀 검토가 이루어지고 있지 않다.

또한, 특허문헌 1에 개시되는 티탄 주괴에서는, 전자빔에 의해 표면만을 용해함으로써 조밀 피복부를 형성하고 있다. 그러나, 다공질로 형상이 일치하고 있지 않은 스폰지 티탄을 균일하게 일정한 두께로 용해시키는 것은 곤란하며, 용해 응고된 조밀 피복부의 두께는 불균일하게 된다.

이러한 티탄 주괴에 대하여, 열간 및 냉간 가공을 행하여 티탄재를 제조해도, 가공 전의 조밀 피복부에 대응하는 표층부의 두께는 균일하지 않다. 이 때문에, 티탄의 표면성상이 열화하는 것에 더해, 인장 특성, 및 굽힘성 등의 기계적 특성이 안정되지 않는다는 문제가 있다. 또한, 티탄 슬래브의 조밀 피복부의 두께가 작은 경우는, 열간 가공 또는 냉간 가공할 때에, 표층부가 갈라지거나, 잘록해져 주름형상의 결함이 되거나 하는 과제도 있다. 또한, 특허문헌 1에는 티탄 슬래브가 아니라 티탄 주괴라고 기재되어 있으나, 분괴 압연의 필요가 없는 직사각형의 형상이며, 이하, 티탄 슬래브라고 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 표면성상 및 연성(延性)이 뛰어나고, 또한 염가의 티탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이하에 열기한 바와 같다.

(1) 내층부와 표층부를 갖는 티탄재로서,

상기 표층부의 화학 조성이, 질량%로,

O：0.40% 이하,

Fe：0.50% 이하,

Cl：0.020% 이하,

N：0.050% 이하,

C：0.080% 이하,

H：0.013% 이하,

잔부：Ti 및 불순물이고,

상기 내층부의 화학 조성이, 질량%로,

O：0.40% 이하,

Fe：0.50% 이하,

Cl：0.020 초과, 0.60% 이하,

N：0.050% 이하,

C：0.080% 이하,

H：0.013% 이하,

잔부：Ti 및 불순물이고,

상기 내층부는 공극을 갖고,

상기 티탄재의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 상기 내층부의 상기 공극의 면적률이, 0%를 초과하고 30% 이하이며,

하기 (i) 식을 만족하는,

티탄재.

Cl_I≤0.03＋0.02×t_S/t_I···(i)

단, 상기 (i) 식 중의 각 기호의 의미는 이하와 같다.

Cl_I：내층부의 Cl 함유량(질량%)

t_S：표층부의 두께

t_I：내층부의 두께

(2) 상기 (1)에 기재된 티탄재를 제조하는 방법으로서,

질량%로,

O：0.40% 이하,

Fe：0.50% 이하,

Cl：0.020% 이하,

N：0.050% 이하,

C：0.080% 이하,

H：0.013% 이하,

잔부：Ti 및 불순물인 화학 조성을 갖는 티탄 하우징을 제작하는 공정과,

상기 티탄 하우징의 내부에,

질량%로,

O：0.40% 이하,

Fe：0.50% 이하,

Cl：0.020 초과, 0.60% 이하,

N：0.050% 이하,

C：0.080% 이하,

H：0.013% 이하,

잔부：Ti 및 불순물인 화학 조성을 갖는 스폰지 티탄 및 그 스폰지 티탄을 압축한 브리켓으로부터 선택되는 1종 이상을 충전하는 공정과,

상기 티탄 하우징의 내부의 진공도를 10Pa 이하로 한 후, 그 내부의 진공도가 유지되도록 주위를 밀폐하여, 티탄 곤포체(梱包體)로 하는 공정과,

상기 티탄 곤포체에 대하여, 열간 가공을 행하는 공정을 구비하는,

티탄재의 제조 방법.

(3) 상기 열간 가공을 행하는 공정 후에, 추가로 냉간 가공 및 소둔을 행하는 공정을 구비하는,

상기 (2)에 기재된 티탄재의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 표면성상 및 연성이 뛰어나고, 또한 염가인 티탄재를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄재의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄재의 단면을 관찰한 조직 사진이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 티탄재의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 내층부에 있어서의, 티탄재의 길이 방향에 수직인 단면을 관찰한 조직 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄재의 소재인 티탄 곤포체의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 티탄 하우징의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 표층부 두께/내층부 두께의 비와 내층부의 염소 농도(질량%)의 관계를 나타낸 도면이다.

종래와 같이, 스폰지 티탄을 용해함으로써 티탄 슬래브를 얻는 경우, 스폰지 티탄 내의 염소는 용해 공정에서 휘발 제거된다. 한편, 스폰지 티탄 등을 용해하지 않고 원료로서 이용한 경우, 용해 공정에서 증발되어야 할 MgCl₂가, 티탄재 중에 잔존한다. 원료로서 고품위의 스폰지 티탄 등을 이용하면, 잔존하는 MgCl₂의 양을 작게 할 수 있기 때문에, MgCl₂에 의한 티탄의 기계적 특성으로의 악영향을 저감할 수 있다. 그러나, 제품으로서의 티탄재의 제조 비용이 상승하는 문제가 발생한다. 이 때문에, 제품으로서의 티탄재의 기계적 특성에 악영향을 미치지 않는 MgCl₂ 함유량을 파악할 수 있다면, 원료로서 저품위의 원료를 선택할 수 있다.

본 발명자들은, 이러한 관점에서 예의 검토를 행하였다. 그리고, 용해 공정을 거치지 않고, 스폰지 티탄으로부터 직접, 열간 가공(필요에 따라 추가로 냉간 가공)에 의해 제조되며, 목표로 하는 기계적 특성을 구비하는 티탄재의 구성에 대해서 검토했다.

먼저, 티탄재 중에 잔존하는 MgCl₂의 양은, 티탄 중에 염소가 거의 고용되지 않는 점에서, 구성 원소인 Cl 함유량으로 규정할 수 있다. 이에 기초하여, 본 발명자들은, 티탄재에 함유되는 Cl 함유량과 티탄재의 기계적 특성의 관계를 검토했다.

그 결과, 본 발명자들은 티탄재를 내층부와 그것에 접합된 표층부를 갖는 구조로 함과 더불어, 각각의 Cl 함유량을 규정하고, 또한, 내층부의 Cl 함유량에 따라 표층부 및 내층부 각각의 두께를 제어함으로써, 제조 비용을 상승시키지 않고 기계적 특성의 열화를 방지할 수 있는 것을 지견했다. 보다 구체적으로는, 내층부의 Cl 함유량이 높을수록, 표층부의 두께를 두껍게 함으로써, 혼입하는 MgCl₂에 기인한 티탄의 기계적 특성의 열화를 방지할 수 있는 것을 지견했다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이다. 이하에 본 발명의 각 요건에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 화학 조성에 관한 「%」는 특별히 언급이 없는 한 「질량%」를 의미한다.

1. 티탄재(1)

1-1. 전체 구성

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄재의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 티탄재(1)는, 표층부(2) 및 내층부(3)를 갖는다. 본 실시 형태에 있어서는, 내층부(3)의 양면에 각각 표층부(2)가 접합되어 있다. 또한, 도 2는 티탄재의 단면을 관찰한 조직 사진이다. 도 2로부터도 표층부(2)와 내층부(3)를 명료하게 구별할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 표층부(2)의 두께는 그 변동이 ±15% 이내로 일정하며, 표면성상이 뛰어난 것을 간파할 수 있다.

또한, 도 1 및 2에 나타내는 구성에서는 티탄재(1)는 판재이지만, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 환봉재 또는 선재여도 된다. 도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 티탄재의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 티탄재(1)가 환봉재 또는 선재인 경우에는, 원기둥 형상의 내층부(3)의 전체 둘레를 표층부(2)가 덮도록 접합되는 구성이 된다.

1-2. 표층부(2)

표층부(2)의 화학 성분은, Cl을 제외하고, JIS H4600의 4종의 규정대로 한다. 그 구체적인 화학 성분은, O：0.40% 이하, Fe：0.50% 이하, Cl：0.020% 이하, N：0.050% 이하, C：0.080% 이하, 및 H：0.013% 이하로 한다. 특히, 표층부(2)에 있어서의 Cl 함유량을 0.020% 이하로 제한함으로써, 티탄재(1)로서의 연성을 향상시키는 것이 가능해진다.

O는, 0.30% 이하, 0.10% 이하, 0.050% 이하, 0.010% 이하, 또는 0.0060% 이하로 해도 된다. Fe는, 0.30% 이하, 0.20% 이하, 0.10% 이하, 0.070% 이하, 또는 0.050% 이하로 해도 된다. Cl은, 0.018% 이하, 0.015% 이하, 0.012% 이하, 또는 0.009% 이하로 해도 된다. N은, 0.040% 이하, 0.030% 이하, 0.010% 이하, 0.005% 이하 또는 0.001% 이하로 해도 된다. C는, 0.040% 이하, 0.020% 이하, 0.010% 이하, 0.007% 이하, 0.005% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다. H는, 0.010% 이하, 0.005% 이하, 0.003% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다. 이들의 하한을 특별히 정할 필요는 없으며, 그들의 하한은 0%이다.

표층부(2)의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Ti 및 불순물이다. 불순물 원소로는, 주로, 후술하는 표층 곤포재(5)의 원료가 되는 스폰지 티탄 또는 스크랩으로부터 혼입되는 Sn, Mo, V, Mn, Nb, Mg, Si, Cu, Co, Pd, Ru, Ta, Y, La, Ce 등이 예시된다. 이들 불순물 원소의 함유량에 대한 규정은 JIS H4600에는 없지만, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 O, N, C, Fe 및 H와 합한 합계 함유량이 5% 이하이면, 이들 불순물을 함유하는 것은 본 발명이 목표로 하는 기계적 특성을 저해하지 않는다. 필요에 따라, 그 합계 함유량을 1% 이하, 0.50% 이하, 또는 0.20% 이하, 또는 0.10% 이하로 해도 된다. 또한, 불순물 원소의 함유량의 합계를 2% 이하, 1% 이하, 0.50% 이하, 0.20% 이하, 또는 0.10% 이하로 해도 된다.

또한, 여기서 말하는 목표로 하는 기계적 특성이란, 티탄재(1)의 가공 방향에 평행한 방향으로 인장 시험을 했을 때의 전체 신장률이 20% 이상인 것을 의미한다.

표층부(2)는, 티탄판 등이 압연되어 형성되기 때문에, 기본적으로 공극이 없다. 즉, 표층부(2)의 공극의 면적률(이하, 간단히 공극률이라고도 하며, 그 정의 및 측정 방법 등은 후술한다)은 0%이다. 표층부(2)의 공극률은 0.10% 미만, 0.050% 미만, 또는 0.010% 미만으로 해도 된다.

1-3. 내층부(3)

내층부(3)는, Cl을 제외하고, JIS H4600의 4종의 규정대로 한다. 그 구체적인 화학 성분은, O：0.40% 이하, Fe：0.50% 이하, 및 Cl：0.020% 초과, 0.60% 이하, N：0.050% 이하, C：0.080% 이하, 및 H：0.013% 이하로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 염가의 티탄재(1)를 얻기 위해서, 내층부(3)에는 티탄이 저순도인 원료를 이용하는 것이 바람직하다. 티탄이 고순도인 원료는, 그 제조 과정에서 Cl 함유량이 작아진다. 환언하면, Cl 함유량이 작은 원료는, 티탄이 고순도가 되어 고가가 된다. 이 때문에, 내층부(3)의 Cl 함유량을 0.020% 이하로 하는 것은, 고순도의 원료를 이용할 필요가 발생하여, 제조 비용이 상승하기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 내층부(3)의 Cl 함유량이 0.60%를 초과하면, 표층부(2)의 Cl 함유량을 저감했다고 해도, 티탄재(1)의 인장 특성 및 굽힘성이 현저하게 열화한다.

O는, 0.15% 이하, 0.10% 이하, 0.050% 이하, 0.010% 이하, 또는 0.006% 이하로 해도 된다. Fe는, 0.30% 이하, 0.20% 이하, 0.10% 이하, 0.070% 이하, 또는 0.050% 이하로 해도 된다. Cl의 하한은, 0.025%, 0.030%, 0.040%, 또는 0.050%로 해도 되고, Cl의 상한은, 0.15%, 0.35%, 또는 0.55%로 해도 된다. N은, 0.040% 이하, 0.030% 이하, 0.010% 이하, 0.005% 이하, 또는 0.001% 이하로 해도 된다. C는, 0.040% 이하, 0.020% 이하, 0.010% 이하, 0.007% 이하, 0.005% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다. H는, 0.010% 이하, 0.005% 이하, 0.003% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다. 이들의 하한을 특별히 정할 필요는 없으며, 그들의 하한은 0%이다.

내층부(3)의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Ti 및 불순물이다. 불순물 원소로는, 주로 스폰지 티탄으로부터 혼입되는 불순물 원소로서, Sn, Mo, V, Mn, Nb, Mg, Si, Cu, Co, Pd, Ru, Ta, Y, La, Ce 등이 예시된다. 특히, Mg는 MgCl₂로서 혼입된다. 이들 불순물 원소의 함유량에 대한 규정은 JIS H 4600에는 없지만, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 O, N, C, Fe 및 H와 합한 합계 함유량이 5% 이하이면, 이들 불순물을 함유하는 것은 본 발명이 목표로 하는 기계적 특성을 저해하지 않는다. 필요에 따라, 그 합계 함유량을 1% 이하, 0.5% 이하, 또는 0.2% 이하, 또는 0.1% 이하로 해도 된다. 또한, 불순물 원소의 함유량의 합계를 2% 이하, 1% 이하, 0.50% 이하, 0.20% 이하, 또는 0.10% 이하로 해도 된다.

또한, 본 발명에 있어서, 표층부(2) 및 내층부(3)의 화학 조성은 이하의 방법에 의해 측정하는 것으로 한다.

표층부(2) 및 내층부(3)의 성분 분석은, 공지의 방법(예를 들어, JIS H 1612(1993), JIS H 1614(1995), JIS H 1615(1997), JIS H 1617(1995), JIS H 1619(2012), JIS H 1620(1995))에 의해 구한다. 또한, 이 때, 티탄재(1)로부터 표층부(2) 및 내층부(3)를 각각 잘라내고 나서 측정을 행한다. 표층부(2)는 절삭 등으로 가공하여 얻은 절분(切粉) 등으로부터, 내층부(3)는 표층 삭제 후의 잔재로부터 분석하는 것이 효율적이다. 표층부(2) 또는 내층부(3)의 두께가 얇아 충분한 양의 절분을 얻을 수 없는 경우에는, 티탄재(1)의 전체의 성분 분석을 행하여 그 분석치와, 표층부(2) 또는 내층부(3) 중 어느 하나의 분석치와, 각각의 판두께로부터, 표층의 성분을 산출(역산)해도 된다. 또한, EPMA 등에 의해, 표층부(2) 또는 내층부(3)의 성분 분석을 행하는 것도 무방하다.

도 4는, 내층부(3)에 있어서의, 티탄재(1)의 길이 방향에 수직인 단면을 관찰한 조직 사진이다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 내층부(3)는 공극을 갖는다. 이 공극은 제조 과정에서 불가피적으로 포함되는 것이다. 공극을 완전히 소멸시키기 위해서는 대압 하에서의 가공이 필요하며, 티탄재(1)의 형상 및 치수를 제한하는 것과 더불어, 제조 비용의 앙등의 요인이 된다. 한편, 공극을 가짐으로써, 내층부(3)의 밀도가 낮아지기 때문에, 티탄재(1)의 경량화를 기대할 수 있다.

내층부(3)의 공극의 비율이 과잉이 되면 티탄재(1)의 기계적 특성이 저하한다. 기계적 특성의 저하를 피하기 위해, 티탄재(1)의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내층부(3) 중의 공극의 면적률을, 0% 초과 30% 이하로 한다. 상술한 바와 같이, 본원 명세서에 있어서는, 티탄재(1)의 길이 방향에 수직인 단면에서 관찰되는 공극의 면적률을, 공극률이라고도 한다. 상기 공극률은, 10% 이하, 5% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 또는 0.5% 이하로 해도 된다.

내층부(3)의 공극률은, 용도에 따라 선택하는 것이 가능하며, 티탄재(1)로서의 기계적 특성이 중요한 경우에는 낮게 하고, 한편, 경량화를 우선하는 경우에는 높게 하면 된다. 특히, 티탄재(1)의 기계적 특성을 중시하는 경우에는, 공극률은 5% 이하인 것이 보다 바람직하고, 3% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 1% 이하인 것이 특히 바람직하다. 공극률의 하한은 0% 초과인데, 필요에 따라, 0.01%, 0.05%, 또는 0.1%로 해도 된다.

여기서, 공극률(p)은, 내층부의 면적에 대한 내층부 중에 존재하는 공극의 면적의 비율을 의미하며, 이하와 같이 정의된다.

p(%)=내층부 중에 존재하는 공극의 면적/내층부의 면적×100

또한, 공극률(p)은 이하의 순서에 의해 구한다. 먼저, 티탄재(1)로부터 관찰용 시료를 잘라낸다. 티탄재(1)가 후육(厚肉)인 경우는 그 내층부(3)의 판두께 중심부로부터 관찰용 시료를 잘라낸다. 그리고, 티탄재(1)의 길이 방향에 수직인 단면이 관찰면이 되도록, 잘라내어진 관찰용 시료를 수지에 매입(埋入)한 후, 다이아몬드 또는 알루미나 연탁액을 이용해 버프 연마하여 경면화 마무리한다. 그리고, 티탄재(1)의 판두께 중심부의 경면화 마무리한 관찰면을 광학 현미경으로 사진을 촬영한다.

촬영한 광학 현미경 사진에 포함되는 공극의 면적을 측정하고, 그것을 촬영 시야 전체의 면적으로 나눔으로써, 공극률을 구한다. 이 때, 광학 현미경에 의한 촬영은, 관찰 면적이 합계로 0.3mm² 이상(배율 500배의 광학 현미경 사진에서 20시야 이상)이 되도록 행하고, 그들의 평균치를 채용하는 것으로 한다. 관찰에 이용하는 현미경은, 통상의 광학 현미경이어도 문제없지만, 편광 관찰이 가능한 미분 간섭 현미경을 이용함으로써 보다 명료하게 관찰할 수 있기 때문에, 사용하는 것이 바람직하다.

1-4. 표층부(2) 및 내층부(3)의 두께

본 발명에 있어서는, 내층부(3)의 Cl 함유량이 많을수록, 내층부(3)의 두께에 대한 표층부(2)의 두께의 비율을 크게 함으로써, MgCl₂에 기인한 티탄재(1) 전체에서의 기계적 특성의 열화를 방지한다.

구체적으로는, 하기 (i) 식을 만족하도록, 표층부(2) 및 내층부(3)의 두께, 및 내층부(3)의 Cl 함유량을 제어한다.

Cl_I≤0.03＋0.02×t_S/t_I···(i)

단, 상기 (i) 식 중의 각 기호의 의미는 이하와 같다.

Cl_I：내층부의 Cl 함유량(질량%)

t_S：표층부의 두께

t_I：내층부의 두께

또한, 본 실시 형태에 있어서, 표층부(2)의 두께란, 도 1의 2-1 또는 2-2로 도시되는 부분의 두께이다. 2개의 표층부(2) 중 두께가 다른 경우에는 얇은 쪽, 즉 보다 작은 두께로 한다. 티탄재(1)가 환봉재 또는 선재인 경우에는, 표층부(2)의 두께란, 도 3의 2로 도시되는 부분의 두께이다.

표층부(2) 및 내층부(3)에서는, 각각의 마이크로 조직 및 결정 입경이 다르다. 그 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 티탄재의 압연 방향에 수직인 단면을 연마하여 에칭함으로써, 표층부(2)와 내층부(3)의 경계를 명료하게 판별할 수 있다. 그리고, 티탄재의 단면을 관찰한 조직 사진으로부터, 티탄재(1)의 표층부(2) 및 내층부(3)의 두께를 각각 측정한다. 예를 들어, 표층부(2) 및 내층부(3)의 각각에 대해서, 임의의 위치(예를 들어 5개소)의 두께를 측정하고, 그 평균을 표층부(2) 및 내층부(3)의 각각의 두께로 한다. 또한, 티탄재(1)가 환봉재 또는 선재인 경우에는, 도 3에 나타내는 내층부(3)의 직경을 내층부(3)의 두께로 한다.

또한, 함유되어 있는 Cl량에 따라 MgCl₂가 분포되어 있어, 이 MgCl₂의 유무를 기준으로 하여 표층부(2)와 내층부(3)를 구별해도 된다. 본 발명에서는, 내층부는 Cl 함유량을 0.020% 초과, 0.60% 이하, 표층부는 Cl 함유량을 0.020% 이하로 하며, 내층부의 Cl 함유량이, 표층부의 Cl 함유량보다 높다. 이 때문에, Cl 농도의 차이로부터도 내층부와 표층부를 판별할 수 있다. 구체적인 수단으로는, 내층부와 표층부에서의 Cl의 농도 차이는, 도 4와 같은 단면을 경면 연마한 후, EPMA의 측정에 의한 Cl의 원소 분포 상태를 관찰하는 것으로도 밝혀진다.

표층부(2)의 두께는, 상기 (i)을 만족하면서, 0.01~35mm인 것이 바람직하다. 표층부(2)의 두께가 0.01mm보다 작아지면, 티탄재(1)를 제조할 때에 표층부(2)가 너무 얇아져 파단되고, 내층부가 표면에 노출될 가능성이 있다. 표층부(2)의 두께의 하한은, 0.05mm, 0.10mm, 0.15mm, 또는, 0.20mm로 해도 된다. 표층부(2)의 두께의 상한은, 티탄재(1)의 두께와 내층부의 하한의 두께로부터 정해진다. 표층부(2)의 두께의 상한은, 0.30mm, 0.50mm, 1.0mm, 3.0mm, 10mm, 또는, 20mm로 해도 된다.

내층부(3)의 두께는, 상기 (i)을 만족하면서, 0.01~90mm인 것이 바람직하다. 내층부(3)의 두께가 0.01mm보다 작아지면, Cl이 높은 스폰지 티탄을 유효하게 사용할 수 있는 양이 적어지고, 본 발명의 효과를 얻기 어렵다. 내층부(3)의 두께의 하한은, 0.05mm, 0.10mm, 0.20mm, 0.50mm, 또는, 0.70mm로 해도 된다. 내층부(3)의 두께의 상한은, 티탄재(1)의 두께와 표층부의 하한의 두께로부터 정해진다. 내층부(3)의 두께의 상한은, 0.90mm, 1.2mm, 1.5mm, 2.0mm, 5.0mm, 10mm, 20mm, 또는, 50mm로 해도 된다.

티탄재(1)의 두께는, 상기 (i)을 만족하면서, 0.03mm 이상이다. 티탄재(1)의 두께는, 0.10mm 이상, 0.30mm 이상, 또는 0.50mm 이상으로 해도 된다. 또한, 티탄재(1)의 두께는, 상기 (i)을 만족하면 20mm 이하, 50mm 이하, 또는 100mm 이하여도 된다. 단, 비용을 고려하면, 티탄재(1)의 두께는, 상기 (i)을 만족하면서, 15mm 이하인 것이 바람직하다. 티탄재(1)의 두께는, 10mm 이하, 5.0mm 이하, 4.0mm 이하, 2.0mm 이하, 1.5mm 이하, 또는, 1.2mm 이하로 해도 된다.

2. 티탄 곤포체(4)

2-1. 전체 구성

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄재(1)의 소재인 티탄 곤포체(4)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 티탄 곤포체(4)는, 표층 곤포재(5)로 구성된 티탄 하우징의 내부에, 스폰지 티탄 또는 스폰지 티탄을 압축하여 얻어진 브리켓으로 이루어지는 티탄괴(6)가 채워진 구조를 갖는다.

도 6은 티탄 하우징의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 나타내는 예에 있어서는, 5장의 판형상의 표층 곤포재(5)를 이용하여 상자형상으로 조립하고, 상면만이 개구한 상태로 하고 있다. 또한, 상면은 도시하고 있지 않은 다른 판형상의 표층 곤포재(5)에 의해 봉지할 수 있다. 이하의 설명에 있어서는, 도 6에 도시되는 곤포재(5)가 조립된 상태의 것을 티탄 하우징이라고 부른다. 그리고, 티탄괴(6)는 티탄 하우징을 구성하는 표층 곤포재(5)에 의해 주위가 완전히 덮인 상태로 되어 있다. 상기의 예에서는, 티탄 하우징은 상자형상이지만, 형상은 제한되지 않으며, 관형상이어도 되고, 판재와 관재가 조합된 형상이어도 된다.

후술하는 바와 같이, 티탄 곤포체(4)에 대하여 열간 가공 등(예를 들어, 열간 압연 또는 냉간 압연 등)을 행함으로써, 티탄재(1)를 얻을 수 있다. 즉, 티탄 곤포체(4)의 표층 곤포재(5) 및 티탄괴(6)가, 각각 열간 가공 후의 티탄재(1)의 표층부(2) 및 내층부(3)에 대응한다. 또한, 본 발명에 있어서는, 티탄 하우징의 내부에 채워진 상태의 스폰지 티탄 및 브리켓을 총칭하여 티탄괴(6)라고 한다.

또한, 열간 가공시의 고온 가열 및 유지 중에, 티탄괴(6)가 산화·질화되는 것을 방지하기 위해서, 티탄 곤포체(4)의 내부의 진공도(절대압)를 10Pa 이하로 한다. 내부의 진공도는 1Pa 이하인 것이 바람직하다. 내부의 압력의 하한은 특별히 정하는 것은 아니다. 그러나, 진공도를 극단적으로 작게 하면, 장치의 기밀성의 향상, 또는 진공 배기 장치의 증강 등 제조 비용의 상승으로 이어진다. 이 때문에, 진공도는, 1×10^－3Pa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 표층 곤포재(5)의 내부의 진공도란, 표층 곤포재(5)로 둘러싸이는 영역 중, 티탄괴(6)를 제외한 영역(공극이라고도 함)의 진공도를 나타낸다.

도 5에 나타내는 구성에서는, 티탄 곤포체(4)는, 판재인 티탄재(1)의 소재로 하기 위해서, 열간 가공이 실시되는 방향(압연 방향)에 수직인 단면이 사각형상으로 되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 환봉재 또는 선재인 티탄재(1)의 소재로 하는 경우에는, 티탄 곤포체(4)의 압연 방향에 수직인 단면은 원형상 또는 다각형상으로 해도 된다.

2-2. 표층 곤포재(5)

표층 곤포재(5)의 화학 성분은, 상기 1-2에서 기재한 티탄재(1)의 표층부(2)의 화학 성분과 동일하게 한다. 표층 곤포재(5)에는, JIS H4600의 1종, 2종, 3종 또는 4종의 티탄을 이용할 수 있다.

표층 곤포재(5)로서 이용하는 티탄재의 형상은, 티탄 곤포체(4)의 형상에 의존한다. 이 때문에, 표층 곤포재(5)는, 특별히 정형(定形)은 없고, 예를 들어, 판재 또는 관재이다. 단, 티탄 곤포체(4)의 열간 가공성 및 냉간 가공성을 확보함과 더불어, 티탄재(1)에 뛰어난 표면성상 및 연성, 또한 굽힘성을 구비시키기 위해서는, 표층 곤포재(5)에 이용되는 판재의 두께 또는 관재의 육후를 조정할 필요가 있다. 이하, 표층 곤포재(5)에 이용되는 판재의 두께 또는 관재의 육후를, 간단히 「표층 곤포재(5)의 두께」라고 한다.

표층 곤포재(5)의 두께가 0.5mm 미만으로 얇은 경우에는, 소성 변형에 수반하여 열간 가공 도중에 표층 곤포재(5)가 파단되어 진공이 깨져, 내부의 티탄괴(6)의 산화를 초래한다. 또한, 티탄 곤포체(4)의 내부에 채워진 스폰지 티탄의 기복이 표층 곤포재(5)의 표면에 전사되어, 열간 가공 중에 티탄 곤포체(4)의 표면에서 큰 표면 기복을 발생시킨다. 이러한 결과, 제조되는 티탄재(1)의 표면성상, 및 연성 등의 기계적 특성에 악영향을 미친다.

또한, 표층 곤포재(5)가 과도하게 얇아지면 내부에 채워진 스폰지 티탄의 중량을 지탱할 수 없게 된다. 그 결과, 실온, 열간 유지, 또는 가공 중에 티탄 곤포체(4)의 강성이 부족하여, 변형이 발생한다. 따라서, 표층 곤포재(5)의 두께는 0.5mm 이상으로 한다. 표층 곤포재(5)의 두께는 1.0mm 이상인 것이 바람직하고, 2.0mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 곤포재는 용접에 의해 조립하여, 티탄 하우징 또는 티탄 곤포체로 한다. 용접부의 강도를 확보하기 위해, 그 두께는 70mm 이하로 한다. 표층 곤포재(5)의 두께는, 30mm 이하, 10mm 이하, 또는 5.0mm 이하로 해도 된다.

또한, 표층 곤포재(5)의 두께가 과잉이면, 제조상의 문제는 없으나, 비용의 저감 효과를 얻기 어려워진다. 그 때문에, 표층 곤포재(5)의 두께는, 티탄 곤포체(4)의 전체 두께의 40% 이하 또는 20% 이하로 하는 것이 바람직하다.

2-3. 티탄괴(6)

티탄괴(6)의 화학 성분은, 상기 1-3에서 기재한 티탄재(1)의 내층부(3)의 화학 성분과 동일하게 한다. 티탄괴(6)에는, Cl을 제외하고, JIS H4600의 1종, 2종, 3종 또는 4종으로서 정해진 성분 범위의 티탄괴를 이용할 수 있다. 그 구체적인 화학 성분은, O：0.40% 이하, Fe：0.50% 이하, 및 Cl：0.020% 초과, 0.60% 이하, N：0.050% 이하, C：0.080% 이하, 및 H：0.013% 이하로 한다.

O는, 0.15% 이하, 0.10% 이하, 0.050% 이하, 0.010% 이하, 또는 0.006% 이하로 해도 된다. Fe는, 0.30% 이하, 0.20% 이하, 0.10% 이하, 0.070% 이하, 또는 0.050% 이하로 해도 된다. Cl의 하한은, 0.025%, 0.030%, 0.040%, 또는 0.050%로 해도 되고, Cl의 상한은, 0.15%, 0.35%, 또는 0.55%로 해도 된다. N은, 0.040% 이하, 0.030% 이하, 0.010% 이하, 0.005% 이하, 또는 0.001% 이하로 해도 된다. C는, 0.040% 이하, 0.020% 이하, 0.010% 이하, 0.007% 이하, 0.005% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다. H는, 0.010% 이하, 0.005% 이하, 0.003% 이하, 또는 0.002% 이하로 해도 된다.

이들의 하한을 특별히 정할 필요는 없으며, 그들의 하한은 0%이다. 화학 조성을 상기의 범위로 제어함으로써, 열간 가공 후의 내층부(3)의 화학 조성을 전술한 범위로 조정하는 것이 가능해진다. 또한, 티탄괴(6)에는, 불순물로서, Sn, Mo, V, Mn, Nb, Mg, Si, Cu, Co, Pd, Ru, Ta, Y, La, Ce로 예시되는 원소가 포함되어도 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 염가의 티탄재(1)를 제조하기 위해서, 0.020% 이상의 Cl이 포함되는 저순도의 티탄괴(6)를 원료로서 이용한다. 한편, 티탄괴(6)의 Cl 함유량이 0.60%를 초과하면, 티탄 곤포체(4)의 열간 가공성 및 냉간 가공성이 저하하고, 제조되는 티탄재(1)의 표면성상 및 기계적 성질이 열화한다.

또한, 티탄괴(6)로서는, a. 스폰지 티탄, b. 스폰지 티탄을 압축하여 얻어진 브리켓으로부터 선택되는 1종 이상을 이용할 수 있다. 스폰지 티탄은, 종래의 마그네슘으로 환원되는 크롤법 등의 제련 공정에 의해 제조된 통상의 스폰지 티탄이며, 예를 들어, JIS H2151의 1종 M, 2종 M, 3종 M, 또는 4종 M에 상당하는 화학 조성을 갖는 스폰지 티탄을 이용할 수 있다.

스폰지 티탄은, 일반적으로는 플레이크상의 형상이고, 그 제조 과정에 따라 크기가 다르지만, 평균 입경으로 수십 mm 정도이다. 본 발명에서는, 스폰지 티탄의 평균 입경은 30mm 이하인 것이 바람직하다. 이는, 스폰지 티탄의 평균 입경이 30mm보다 큰 경우, 반송시 또는 티탄 곤포체(4)의 제조시에, 취급에 문제를 일으키는 경우가 있기 때문이다. 스폰지 티탄의 입도는 30mm 이하인 것이 바람직하다.

한편, 스폰지 티탄의 평균 입경이 작은 경우에는 특성면에서는 문제는 발생하지 않지만, 너무 작으면, 표층 곤포재(5)로 형성된 티탄 하우징에 충전할 때의 분진의 발생이 문제가 되어 작업에 지장을 초래할 우려가 있다. 이 때문에, 스폰지 티탄의 평균 입경은 1mm 이상인 것이 바람직하다.

스폰지 티탄은 부정형이며, 스폰지 티탄을 압축하여 얻어진 브리켓을 티탄괴로서 이용하면, 핸들링이 용이해지므로 바람직하다. 압연 시의 슬래브 치수(즉, 티탄 곤포체(4)의 치수)의 제약 등에 기초하여, 미리 준비하고 있던 금형에, 원료로 하는 스폰지 티탄을 투입하고, 소정의 압력으로 압축 가공하여, 브리켓을 제조한다. 이 때, 스폰지 티탄에 티탄 스크랩 등을 혼입해도 되지만, 티탄괴의 성분 변동이 없도록, 사전에 잘 혼합해 두는 것이 바람직하다.

2-4. 표층부(2)의 두께와 내층부(3)의 두께의 비(X)의 결정 방법

티탄 곤포체(4)에 대하여 열간 가공을 실시하여 제조되는 티탄재(1)가 상술한 (i) 식을 만족하기 위해서는, 티탄 곤포체(4)의 치수의 조정이 중요해진다. 이를 위해서는, 먼저 (i) 식을 기초로, 티탄재(1)의 표층부의 두께(ts)와, 티탄재(1)의 내층부의 두께(ti)의 비(X(=ts/ti))의 목표치를 결정하는 것이 바람직하다. 그 일례를, 다음에 서술한다.

X가 만족해야 하는 범위는, 하기 (ii) 식으로부터 산출할 수 있다.

X≥(Cl_I-0.03)/0.02··········(ii)

단, X<0인 경우, X=0으로 한다.

곤포체를 제작할 때에는, 원료가 되는 스폰지 티탄의 Cl량을 측정한다. 티탄괴의 Cl량은, 티탄재(1)의 내층부의 Cl량과 동일하기 때문에, 이 측정한 티탄괴의 Cl량으로부터, 티탄재(1)의 두께 비(X)의 하한치를 구할 수 있다. 이 하한치와 더불어, Cl량 측정 정밀도, 티탄재(1)에서의 표면 흠 등을 감안한 표층부의 두께의 여유값, 제조시의 편차 등을 고려하여, 목표의 X값을 결정한다.

2-5. 티탄 곤포체(4)의 치수의 결정 방법

목표의 X값에 기초하여 티탄 곤포체(4)의 치수를 결정하는 방법의 일례를, 하기에 나타낸다. 먼저, 티탄재(1)의 두께를 t, 티탄재(1)의 표층부의 두께를 ts, 티탄재(1)의 내층부의 두께를 ti로 하면, t는 하기 식이 된다.

t=2ts＋ti·········(1)

티탄재(1)의 표층부와 내층부의 두께비(X)는, 그 정의로부터 하기 식이 된다.

X=ts/ti·····(2)

티탄재(1)의 표층부의 두께(ts) 및 내층부의 두께(ti)는, (1) 및 (2) 식으로부터, 각각 하기의 식으로 표시된다.

ts=X·t/(2X＋1)·······(3)

ti=t/(2X＋1)··········(4)

열간 압연 후의 티탄 열연재의 두께를 t2로 하고, 산세하여 표층의 산화층을 편면당 두께(te)분만큼 제거한 경우, 산세 후의 열연재의 두께(t3)는, 하기의 식이 된다.

t3=t2-2te·······(5)

과거의 측정 결과로부터 산세 후의 열연재와 냉연재의 공극률은 거의 동일하기 때문에, 산세 후의 열연재의 표층부와 내층부의 두께비는, 냉연재의 두께비(X)와 동등하게 된다. 그래서, 산세 후의 열연재의 표층부의 두께(ts3)와 내층부의 두께(ti3)는, 산세 후의 열연재 전체의 두께를 t3으로 하면 하기의 식이 된다.

ts3=X·t3/(2X＋1)·······(6)

ti3=t3/(2X＋1)·········(7)

상기 (6) 식과 (7) 식으로부터, 산세 전의 열연재의 표층부의 두께(ts2)와 내층부의 두께(ti2)는, 하기가 된다.

ts2=ts3＋te

=X·t3/(2X＋1)＋te·····(8)

ti2=ti3

=t3/(2X＋1)··········(9)

(6) 식과 (7) 식으로부터, 산세 전의 열연재의 표층부의 두께와 내층부의 두께의 비(Z)는, 하기가 된다.

Z=ts2/ti2

=｛X·t3/(2X＋1)＋te｝/｛t3/(2X＋1)｝

=X＋te(2X＋1)/t3·····(10)

여기서, 열연재의 산세에 의한 표층 제거 두께(te)와, 산세 후의 열연재 전체의 두께(t3)의 비(te/t3)를 α로 하면, 산세 전의 열연재의 표층부의 두께와 내층부의 두께의 비(Z)는, 하기 식이 된다.

Z=X＋α(2X＋1)·········(11)

열연재의 내층의 공극률은 1% 미만이 많고, 매우 낮다. 이 때문에, 공업적 또는 실용적으로는 공극률을 무시할 수 있는 경우가 많다. 이 경우, 티탄 곤포체(4)의 곤포재의 두께(Ts)와 공극을 제외한 티탄괴(6)의 실질 두께(D)의 비(V(=Ts/D))는, 산세 전의 열연재의 표층 두께와 내층 두께의 비(Z)와 거의 동일하기 때문에, 하기 식을 얻을 수 있다.

V=Z

Ts/D=X＋α(2X＋1)·······(12)

상기 (10) 식으로부터, 티탄 곤포체의 표층부의 두께, 즉 곤포재의 두께(Ts)는 하기에 의해 산출할 수 있다.

Ts=｛X＋α(2X＋1)｝D·····(13)

과거의 측정 결과로부터 α는 약 0.01 정도이기 때문에, 공업적으로는 또는 실용상은, Ts는 하기 식에 의해 산출할 수 있다.

Ts=｛X＋0.01(2X＋1)｝D·····(14)

티탄 곤포체(4)를 제작할 때에는, 공극을 제외한 티탄괴(6)의 실질 두께(D)를 미리 결정해 두면, 목표의 X값으로부터 티탄 곤포체(4)의 표층부의 두께(표층 곤포재(5)의 두께)(Ts)를 상기 (13) 식 또는 (14) 식을 이용하여 산출할 수 있다.

실용상은, 식 (14)의 「0.01(2X＋1)」의 항을 제로로 간주하고, Ts=X·D로 가정하고, 목표의 X값과, 압연 시의 슬래브 치수(즉, 티탄 곤포체(4)의 치수)의 제약 등으로부터, 공극을 제외한 티탄괴(6)의 실질 두께(D)를 가결정한다.

이 가결정에 기초하여, 곤포체에 이용할 티탄괴(6)를 준비한다. 그 티탄의 질량(W)과 티탄 곤포체(4)의 폭(B)과 길이(L)의 측정 결과, 및 티탄의 밀도(ρ(=4.51g/cm²))로부터, 하기 식으로 최종적인 D값을 구할 수 있다.

D=W/BLρ················(15)

다음에, 얻어진 D값 및 목표로 하는 X값으로부터, 티탄 곤포체(4)의 표층부의 두께(표층 곤포재(5)의 두께)(Ts)를 결정한다.

또한, 이 때, 목표가 되는 X값을, 원료가 되는 스폰지 티탄의 Cl량의 측정 결과로부터 티탄괴(6)의 Cl량을 예측하고 있었던 경우, 제작한 티탄괴(6)의 염소량을 측정하여, (ii) 식을 만족하고 있음을 확인하는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 티탄 곤포체(4)의 표층부의 두께(표층 곤포재(5)의 두께)(Ts)를, (ii) 식을 만족하도록 변경한다.

판두께 t=1mm, X=ts/ti=0.3/0.4=0.75인 티탄재를 제조하는 경우의 곤포재의 치수를 계산한다.

티탄괴를 준비하고, 식 (15)로부터, 그 D를 측정하면, D=17.16mm였다. 동시에, Ti도 측정했는데, 48.4mm였다. 참고로, 식 (16)에 기초하여 공극률(P)을 계산하면, 1-17.16/48.4=0.65 즉 65%였다.

D=Ti(1-P)················(16)

식 (14)에 의해, 티탄 곤포재의 두께(Ts)를 산출하면

Ts=(0.75＋0.01(1＋2×0.75))×17.16=13.3mm

즉, Ts=13.3mm가 되었다. Ti=48.4mm이고, T=13.3×2＋48.4=75mm 두께의 곤포체가 된다.

3. 제조 방법

본 발명의 일 실시 형태에 따른 티탄 곤포체(4) 및 티탄재(1)의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 판형상의 티탄재(1)의 제조 방법을 일례로서 이용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

3-1. 티탄 곤포체(4)의 제조 방법

먼저, 티탄 하우징의 저면 및 측면에 상당하는 부분을, 도 6에 나타내는 바와 같이, 5장의 티탄판(표층 곤포재)을 이용하여 상자형상으로 조립하고, 상면만이 개구한 상태로 한다. 그리고, 티탄 하우징의 내부에, 스폰지 티탄 및/또는 미리 스폰지 티탄을 압축 성형한 브리켓을 충전하고, 그 후, 티탄 하우징의 상면에 해당하는 티탄판(표층 곤포재)을 위에서 씌워 가조립한다. 또한, 상기의 예에서는, 티탄 하우징은 상자형상이지만, 형상은 제한되지 않으며, 관형상 등이어도 된다.

계속해서, 가조립된 티탄 하우징을 진공 챔버 내에 수납하고, 챔버 내의 진공도를 10Pa 이하로 감압한 후, 이음매 부분을 용접하여, 티탄 곤포체(4)로 한다. 또한, 스폰지 티탄으로는, 크롤법의 제련 공정에 의해 제조되는 통상의 스폰지 티탄을 이용한다. 단, 스폰지 티탄 중의 Cl 함유량이 상술한 규정 범위 내가 되도록 조정할 필요가 있다.

크롤법으로 제조되는 스폰지 티탄은, 사염화티탄을 Mg로 환원함으로써 제조된다. 이 환원에 의해 생성되는 MgCl₂는, 다음 공정의 진공 분리 공정에 의해 제거된다. 그러나, 거대한 괴상의 스폰지 티탄의 소재를 처리하는 경우, MgCl₂는 완전히 제거되지 않고, 불가피적인 불순물로서 일부, 파쇄 후의 스폰지 티탄 내에 잔존한다. 스폰지 티탄의 Cl 함유량이 상술한 규정 범위를 초과하는 경우에는, 예를 들어, 이하에 기재된 진공 재분리 처리를 행할 수 있다.

진공 재분리 처리는, 진공도 1.3Pa 이하(보다 바람직하게는, 1.3×10^－2Pa 이하)의 진공 환경에서 900~1200℃로 유지하는 진공 분위기 하에서의 열처리이며, 이 열처리 시간은 원하는 Cl 함유량이나 원료 스폰지 티탄의 Cl 함유량에 따라 조정할 수 있다. 예를 들어, Cl 함유량이 0.05% 이하인 스폰지 티탄을 얻는 경우에는, 1.3×10^－2Pa 이하의 진공 중에서 40시간 이상 가열하는 것이 바람직하다.

티탄 하우징의 이음매 부분을 용접하는 방법은, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, TIG 용접 혹은 MIG 용접 등의 아크 용접, 전자빔 용접, 또는 레이저 용접 등이어도 된다. 단, 용접 분위기는, 티탄괴(6), 및 표층 곤포재(5)의 표면이 산화 또는 질화되지 않도록, 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 용접을 행한다.

3-2. 티탄재(1)의 제조 방법

상술한 티탄 곤포체(4)에 대하여, 열간 압연을 행함으로써 판형상의 티탄재(1)를 얻을 수 있다. 또한, 판형상의 티탄재(1)를 얻는 경우에는, 열간 압연을 행하지만, 환봉형상 또는 선재형상의 티탄재(1)를 얻고 싶은 경우에는, 열간 압출 가공 등을 실시하면 된다.

열간 압연 후에는, 필요에 따라 표면의 산화층을 산세 등으로 제거한 후, 냉간 압연을 수행하여, 더 얇게 가공해도 된다.

열간 가공시의 가열 온도는, 주조에 의해 작성된 종래의 티탄 슬래브, 또는 빌릿을 열간 가공하는 경우와 동일한 가열 온도로 하면 된다. 티탄 곤포체(4)의 크기 또는 가공률에 따라 다르지만, 상기 가열 온도는 600~1200℃로 하는 것이 바람직하다.

상기 가열 온도가 너무 낮으면, 티탄 곤포체(4)의 고온 강도가 너무 높기 때문에, 열간 가공 중에 균열의 원인이 된다. 더불어, 티탄괴(6)와 표층 곤포재(5)의 접합이 불충분해진다. 한편, 상기 가열 온도가 너무 높으면, 얻어진 티탄재(1)의 조직이 엉성해져, 충분한 기계적 특성을 얻을 수 없다. 더불어, 산화에 의해 표층 곤포재(5)가 감육(減肉)된다. 또한, 열간 가공률은, 스폰지 티탄들을 결합시키고, 공극을 줄여 충분한 기계적 특성을 확보하기 위해서, 50% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 공극의 증가는 경량화에 도움이 되기 때문에, 강도 또는 연성 등의 기계적 특성이 허용되는 범위 내에서 티탄재(1)에 공극을 함유시키는 것도 가능하다. 이 때의 열간 가공률은, 원하는 기계적 특성과의 균형을 생각해서 선택할 수 있다. 이 때, 열간 가공률은 30% 이상, 50% 이하인 것이 바람직하다.

열간 가공에 이어, 필요에 따라 냉간 가공을 행할 때는, 최종 제품의 형상에 따라 적절한 냉간 가공률을 선택할 수 있다. 이 때, 냉간 가공률은 30% 이상 95% 이하인 것이 바람직하다. 냉간 가공률은 96%, 98% 이하여도 된다.

열간 가공 및 냉간 가공 후에 추가로 소둔을 행해도 된다. 상기 소둔은, 진공 중 또는 불활성 가스 분위기에서, 500~850℃의 온도로 하는 것이 바람직하고, 필요로 하는 기계 특성에 따라 소둔 시간을 선택할 수 있다.

또한, 열간 가공 또는 냉간 가공 시의 가공률은, 가공 전과 가공 후의 단면적의 차이를, 가공 전의 단면적으로 나눈 비율(백분율)이며, 가공 전의 단면적을 A_B, 가공 후의 단면적을 A_A로 했을 때, 이하와 같이 정의된다. 또한, 이 때의 단면적이란, 가공(압연) 방향에 수직인 단면의 단면적을 말한다.

가공률(%)=(A_B-A_A)/A_B×100

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

[시험재 제작 공정]

티탄 하우징에, 크롤법에 의해 제조한 Cl 함유량이 다른 스폰지 티탄(Cl：0.021~0.502%, 평균 입경：0.25~19mm)을 충전했다. 여기서, 두께 0.6~36mm의 티탄판(JIS 1종)을 이용하여, 두께 75mm, 폭 100mm, 길이 120mm의 직육면체 형상의 티탄 하우징을 제작하였다.

이하, 상세를 설명한다. 티탄 곤포체의 제작 시에, 먼저, 5장의 티탄판(표층 곤포재)을 조립하여, 상면에 개구부를 갖는 상자형상으로 한 후, 이 안에 스폰지 티탄을 충전하고, 개구부를 또 한 장의 티탄판(표층 곤포재)에 의해 뚜껑을 덮어 티탄 하우징으로서 가조립하였다.

가조립된 티탄 하우징을 진공 챔버 내에 수용하여 내부의 진공도를 8.2×10^－3~1.1×10^－1Pa로 감압한 후, 티탄 하우징의 이음매를 전체 둘레 전자빔에 의해 용접해 밀봉하여, 티탄 곤포체로 했다.

다음에, 이 티탄 곤포체를 대기 분위기 하에서 850℃로 가열한 후, 열간 압연을 행하여, 두께 5mm의 열연판으로 만들었다. 이 후, 쇼트 블라스트 및 질불산을 이용하여, 열연판의 표리면 모두 편면당 약 50μm(양면에서 100μm)를 제거하는 산세 처리(디스케일링 처리)를 행하였다.

또한, 열연판에 냉간 압연을 행하여, 두께 1mm의 티탄판으로 만들었다. 그 후, 소둔 처리로서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 중에서 670℃까지 가열하고, 180분간 유지하는 열처리를 행함으로써, 티탄재를 제작하였다. 시험 번호 1을 예에 의해 상세하게 설명한다.

시험 번호 1에서는, 스폰지 티탄의 Cl량의 분석 결과 0.023%로부터, X의 하한치 0을 산출했다. 티탄재의 두께는 1mm이며, 표면 흠 등의 발생 등을 고려하여, 목표 X값을 0.75로 했다. 이 목표 X값과 슬래브 치수 등의 제약으로부터, 공극을 제외한 티탄괴의 실질 두께(D)의 목표치 17.2mm와, 표층 곤포재의 두께(Ts)의 목표치 13.3mm를 가결정했다. 티탄괴의 실질 두께(D)로부터 티탄괴의 중량을, 티탄 하우징에 스폰지 티탄을 충전했을 때의 공극률로부터 티탄 하우징의 필요 용적을 산출하여, 티탄 하우징 내(티탄 곤포체 내)의 두께는 48.4mm로 했다. 이 티탄괴와 티탄판을 이용하여, 두께 75mm의 티탄 곤포체를 제작하였다. 열간 압연 및 냉간 압연 등을 행하여 제조된 티탄재의 표층부와 내층부의 두께를 측정했다. 각각 0.303mm, 0.398mm가 되고, X값은 0.76이 되었다. 목표 X=0.75에 거의 가까운 티탄재를 제조할 수 있었던 것을 확인했다.

또한, 시험 번호 15에서는, 티탄 곤포체를 제작할 시에, 하면과 상면에서 두께를 바꾸어, 티탄재의 2개의 표층부의 두께가 각각 0.24mm 및 0.33mm가 되도록 했다.

[화학 조성]

표층부 및 내층부의 화학 조성은, JIS H 1612(1993), JIS H 1614(1995), JIS H 1615(1997), JIS H 1617(1995), JIS H 1619(2012), JIS H 1620(1995)에 준거하여 측정했다. 또한, 이 때, 표층부 또는 내층부의 두께가 0.2~0.1mm인 경우, 그 부분의 화학 조성은, 절삭 등으로 가공하여 얻은 절분 등을 이용하여 분석을 행했다. 표층부 또는 내층부의 두께가 0.1mm 미만인 경우, 티탄재의 전체의 화학 성분의 분석 결과와, 두꺼운 쪽(내층부 또는 표층부)의 화학 성분의 분석 결과로부터, 당해 부분의 화학 성분을 산출했다.

[두께 측정]

표층부 및 내층부의 두께는, 광학 현미경에 의한 마이크로 조직 관찰에 의해 측정을 행했다. 먼저, 제작한 티탄재의 단면을 관찰할 수 있도록 수지에 매입하고, 연마·부식한 후에, 광학 현미경 사진을 촬영했다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 표층부 및 내층부에는, 경계선을 명확하게 관찰할 수 있다. 더불어, 결정 입경의 차이 등에 의해, 부식 후의 농담에 차이를 보일 수 있기 때문에, 이것에 의해 경계를 판별할 수도 있다.

무작위로 선택한 20개소의 단면 사진으로부터 표층부와 내층부의 두께를 측정하여, 각 부의 평균치를 구하고, 측정한 표층부 및 내층부의 평균 두께로부터, 표층부의 두께/내층부의 두께를 산출했다.

[공극률]

티탄재의 내층부의 공극률은, 다음과 같이 구하였다. 먼저, 내층부의 판두께 중심부로부터 관찰용 시료를 잘라냈다. 그리고, 티탄재의 길이 방향에 수직인 단면이 관찰면이 되도록, 잘라내어진 관찰용 시료를 수지에 매입한 후, 다이아몬드 또는 알루미나 연탁액을 이용해 버프 연마하여 경면화 마무리했다. 그리고, 경면화 마무리한 관찰면의 광학 현미경 사진을 촬영했다.

촬영한 광학 현미경 사진에 포함되는 공극 부분의 면적을 측정하고, 그것을 촬영 시야 전체의 면적으로 나눔으로써, 공극률을 구하였다. 이 때, 광학 현미경에 의한 촬영은, 관찰 면적이 합계로 0.3mm² 이상(배율 500배의 광학 현미경 사진에서 20시야 이상)이 되도록 행하고, 그들의 평균치를 채용했다.

[기계적 특성]

제작한 티탄재로부터, 압연 방향으로 평행부 12.5×60mm(두께=판두께), 표점간 50mm, 척부 20mm폭, 전체 길이 150mm의 인장 시험재(JIS13B 인장 시험편)를 잘라내고, JIS Z 2241(2011)(금속재료 인장 시험 방법)에 따라 평판 인장 시험을 행하여, 전체 신장률에 의해 연성을 평가하였다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 전체 신장률이 20% 이상인 경우에, 연성이 뛰어나다고 판단하는 것으로 했다.

또한, 제작한 두께 1mm의 티탄재로부터, 압연 방향으로 평행하게 폭 20mm, 길이 50mm의 단책(短冊)형상 시험편을 잘라내어, JIS Z 2248(2014)(금속재료 굽힘 시험 방법)에 따라 평판 180° 굽힘 시험(굽힘 내측의 직경은 판두께)을 행하여, 균열의 유무에 의해 굽힘성을 평가하고, 균열이 없는 것을 “○”로 하고, 균열이 있는 것을 “×”로 하였다.

이상의 결과를 표 1 및 2에 나타낸다.

표 1 및 2에서의 시험 번호 1~15는, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명예이다. 시험 번호 1~15는 모두 내층부의 Cl 함유율이 0.60% 이하이며, 또한 (i) 식을 만족하고, 또한 공극 체적률 30% 이하를 만족하기 때문에, 연성 및 굽힘성이 뛰어난 결과가 되었다.

한편, 시험 번호 16~37은, 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하지 않는 비교예이다. 이들 비교예는, 내층부의 Cl 함유율은 0.60% 이하이지만, (i) 식을 만족하고 있지 않기 때문에, 연성 또는 굽힘성이 뒤떨어지는 결과가 되었다.

도 7에 굽힘성에 대해서, 본 발명예를 ○, 비교예를 ×로 하여 나타낸다. 본 발명예는, 내층부의 염소 농도가 높아도, 양호한 굽힘성을 가지고 있다. 이와 같이, 표층부 두께와 내층부 두께를 적절히 제어함으로써, Cl에 기인하는 기계적 특성의 열화를 방지하고 있다.

실시예 2

[시험재 제작 공정]

티탄 하우징에, 크롤법에 의해 제조한 스폰지 티탄(Cl：0.025%, 평균 입경=0.25~19mm)을 충전했다. 또한, 표층 곤포재로서, 두께 4.0mm의 티탄판(JIS 1종)을 이용하여, 실시예 1과 동일한 제조 방법으로, 두께 39~148mm, 폭 100mm, 길이 120mm의 티탄 곤포체를 제작하였다.

이어서, 이 티탄 곤포체(4)를 대기 분위기 하에서 850℃로 가열한 후, 열간 압연을 행하여, 두께 20mm의 열연판으로 만들었다. 이 후, 쇼트 블라스트 및 질불산을 이용하여, 열연판의 표리면 모두 편면당 약 50μm(양면에서 100μm)를 제거하는 디스케일링 처리를 행하여, 티탄재를 제작하였다.

이 후, 실시예 1과 동일한 평가 방법으로, 표층부 및 내층부의 화학 조성, 두께 및 티탄재의 기계적 특성을 조사하였다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 전체 신장률이 20% 이상인 경우에, 연성이 뛰어나다고 판단하는 것으로 했다. 또한, 티탄재의 표면성상을 육안으로 관찰하여, 표면 균열의 유무를 평가하고, 균열이 없는 것을 “○”로 하고, 균열이 있는 것을 “×”로 하였다. 또한, JIS H 4600(2012)에서는, 판두께 5mm 이상의 티탄재에 대하여, 굽힘 시험은 필요로 하고 있지 않으며, 본 실시예에서는 굽힘 시험은 행하지 않았다.

이상의 결과를 표 3 및 4에 나타낸다.

표 3 및 4에서의 시험 번호 38~42는, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명예이다. 시험 번호 38~42는, 내층부의 Cl 함유율이 0.60% 이하이며, 또한 (i) 식을 만족하고, 또한 공극 체적률 30% 이하를 만족하기 때문에, 표면성상이 양호함과 더불어, 연성이 뛰어난 결과가 되었다.

실시예 3

[시험재 제작 공정]

크롤법에 의해 제조한 스폰지 티탄(Cl：0.028~0.052%, 평균 입경=0.25~19mm)을 금형에 넣어 압축 프레스하여, 부피 밀도 3.2g/cm³의 브리켓으로 성형하였다.

이들 브리켓을 직육면체 형상으로 절단 가공 후, 두께 10mm의 티탄판(JIS 1~4종)으로 곤포하고, 이어서, 실시예 1과 동일한 제조 방법으로, 두께 28~84mm, 폭 100mm, 길이 120mm의 티탄 곤포체를 제작하였다.

이어서, 티탄 곤포체를 실시예 1과 동일한 제조 방법으로 열간 압연, 디스케일링, 냉간 압연, 및 소둔 처리를 행하여, 티탄재를 제작하였다.

시험 번호 55에 관해서는, 표층 곤포재 1장에 사전에 단부에 구멍을 뚫어 구리관을 땜납 용접하였다. 곤포체 전체를 조립하여, Ar 가스 분위기 중에서 표층 곤포재의 이음매를 전체 둘레 아크 용접하여 티탄 곤포체를 조립하였다. 그 후, 구리관을 통해 티탄 곤포체의 내부의 진공도를 15Pa로 감압한 후, 구리관을 밀폐하여 티탄 곤포체를 제작하였다. 그 후는, 상기 실시예와 동일하게 열연, 냉연을 행하여, 티탄재를 얻었다.

이 후, 실시예 1과 동일한 평가 방법으로, 표층부 및 내층부의 화학 조성, 두께 및 티탄재의 기계적 특성을 조사하였다. 또한, 본 실시예에 있어서도, 전체 신장률이 20% 이상인 경우에, 연성이 뛰어나다고 판단하는 것으로 했다. 또한, 티탄재의 표면성상을 육안으로 관찰하여, 표면 균열의 유무를 평가하고, 균열이 없는 것을 “○”로 하고, 균열이 있는 것을 “×”로 하였다.

이상의 결과를 표 5 및 6에 나타낸다.

표 5 및 6에서의 시험 번호 43~50은, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족하는 본 발명예이다. 시험 번호 43~50은, 내층부의 Cl 함유율이 0.60% 이하이며, 또한 (i) 식을 만족하고, 또한 공극 체적률 30% 이하를 만족하기 때문에, 표면성상이 양호함과 더불어, 연성이 뛰어난 결과가 되었다.

시험 번호 51~54는, 내층부의 Cl 함유율은 0.60% 이하이지만, (i) 식을 만족하고 있지 않기 때문에, 굽힘성이 뒤떨어지는 결과가 되었다.

시험 번호 55는, 표면성상은 양호하였으나, 내층부가 일부에서 산화하고 있어 O 함유량이 규정에서 벗어났기 때문에, 연성이 낮고, 굽힘성이 뒤떨어지는 결과가 되었다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 티탄재는, 뛰어난 표면성상, 신장률 및 굽힘성을 구비하고 있어, 높은 변형능이 요구되는 부재, 예를 들어, 지붕 기와 등에 이용하는데 적합하다.

1: 티탄재 2: 표층부
3: 내층부 4: 티탄 곤포체
5: 표층 곤포재 6: 티탄괴

Claims

내층부와 표층부를 갖는 티탄재로서,
상기 표층부의 화학 조성이, 질량%로,
O：0.40% 이하,
Fe：0.50% 이하,
Cl：0.020% 이하,
N：0.050% 이하,
C：0.080% 이하,
H：0.013% 이하,
잔부：Ti 및 불순물이고,
상기 내층부의 화학 조성이, 질량%로,
O：0.40% 이하,
Fe：0.50% 이하,
Cl：0.020 초과, 0.60% 이하,
N：0.050% 이하,
C：0.080% 이하,
H：0.013% 이하,
잔부：Ti 및 불순물이고,
상기 내층부는 공극을 갖고,
상기 티탄재의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 상기 내층부의 상기 공극의 면적률이, 0%를 초과하고 30% 이하이며,
하기 (i) 식을 만족하는, 티탄재.
Cl_I≤0.03＋0.02×t_S/t_I···(i)
단, 상기 (i) 식 중의 각 기호의 의미는 이하와 같다.
Cl_I：내층부의 Cl 함유량(질량%)
t_S：표층부의 두께
t_I：내층부의 두께
청구항 1에 기재된 티탄재를 제조하는 방법으로서,
질량%로,
O：0.40% 이하,
Fe：0.50% 이하,
Cl：0.020% 이하,
N：0.050% 이하,
C：0.080% 이하,
H：0.013% 이하,
잔부：Ti 및 불순물인 화학 조성을 갖는 티탄 하우징을 제작하는 공정과,
상기 티탄 하우징의 내부에,
질량%로,
O：0.40% 이하,
Fe：0.50% 이하,
Cl：0.020 초과, 0.60% 이하,
N：0.050% 이하,
C：0.080% 이하,
H：0.013% 이하,
잔부：Ti 및 불순물인 화학 조성을 갖는 스폰지 티탄 및 그 스폰지 티탄을 압축한 브리켓으로부터 선택되는 1종 이상을 충전하는 공정과,
상기 티탄 하우징의 내부의 진공도를 10Pa 이하로 한 후, 그 내부의 진공도가 유지되도록 주위를 밀폐하여, 티탄 곤포체(梱包體)로 하는 공정과,
상기 티탄 곤포체에 대하여, 열간 가공을 행하는 공정을 구비하는, 티탄재의 제조 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 열간 가공을 행하는 공정 후에, 추가로 냉간 가공 및 소둔을 행하는 공정을 구비하는, 티탄재의 제조 방법.