KR102230872B1 - 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전착 드럼용 티타늄 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 판재를 이용한 전착 음극드럼을 제조함에 있어서, 추가적인 공정을 행하지 않고서도 모재와 용접부의 조직을 균일하게 형성할 수 있는 방법과 이로부터 제조된 전착 드럼용 티타늄 링을 제공하고자 하는 것이다.

Description

전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전착 드럼용 티타늄 링 {MANUFACTURING METHOD OF TITANIUM RING FOR ELECTRO-DEPOSITION DRUM AND TITANIUM RING MANUFACTURED THEREOF}

본 발명은 동(銅)박 또는 니켈(Ni)박 등과 같은 금속박을 전착(electro-deposition) 공정으로 제조하는 경우에 음극으로 사용되는 전착 드럼용 링, 구체적으로 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전착 드럼용 티타늄 링에 관한 것이다.

동(銅)박 또는 니켈(Ni)박 등과 같은 금속박은 도 1과 같이, 회전 음극드럼 및 회전 음극드럼과 일정 간격을 두고 전해조 내에 수장되는 양극전극으로 구비된 장치에 의해 제조된다.

보다 구체적으로, 티타늄으로 제조한 원통형의 아웃터 스킨(outer skin)으로 구성되는 전착드럼을 음극으로 하여 전해조의 전해액 내에 침지한 다음, 이 전착 음극드럼과 함께 전해조 내부에 양극을 설치하여, 전착 음극드럼과 양극 사이를 통전하면 전해액에 침지되어 있는 전착 음극드럼 표면에 전착물의 동박 또는 니켈박 등이 석출되어 부착된다. 이렇게 석출된 전착물은 음극드럼에서 박리되어 길이가 긴 금속박으로 생산되어진다.

이와 같은 연속공정으로 제조되는 금속박의 표면은 음극드럼의 표면 상태가 그대로 전사되므로, 음극드럼의 표면 상태는 동박 또는 니켈박과 같은 금속박의 품질을 결정하는 중요한 인자이다.

상술한 바와 같이, 전착 음극드럼은 아웃터 스킨이 티타늄으로 제조되는데, 일반적으로 티타늄 판재를 원통형으로 성형(조관)한 다음, 양 끝단부를 TIG 또는 플라즈마로 용접하여 티타늄 링으로 제조하게 된다.

상기 용접에 의해 제조된 티타늄 링의 용접부위는 모재부, 열영향부, 용접부로 구분되는데, 이때 모재는 등축정의 균일한 조직 형상을 보이는 반면, 열영향부와 용접부는 모재 조직과는 다르게 조대하고 불규칙한 주상조직이 관찰된다 (도 2). 이와 같이, 모재와 용접부위의 조직이 다르게 형성됨에 따라, 최종 제품(금속박) 표면에서 형상이 다른 띠 모양의 결함이 발생하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 티타늄 판재를 이용한 전착 음극드럼의 제조시 용접부의 금속 조직을 모재의 금속 조직과 유사하게 형성하려는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다.

특허문헌 1 내지 4에 따르면, 티타늄 후판을 원형으로 성형한 후 TIG 용접 또는 플라즈마 용접과 같은 용융 용접을 수행한 다음, 추가로 용접부에 오버레이 용접을 실시하거나, 용접 전·후에 성형작업을 행하여 용접부의 두께를 모재 두께 대비 두껍게 제조한 후 후처리 작업을 실시함을 개시하고 있다.

여기서, 후처리 공정은 두꺼워진 용접부를 압연 또는 단조 공정 등을 통해 용접부 두께를 줄이면서, 용접부에 변형에너지를 가한 후 적당한 온도로 재결정화 열처리를 실시함으로써, 모재의 결정립 크기(grain size)와 유사한 용접부 조직을 얻는 공정을 의미한다.

하지만, 이러한 후처리 공정은 소재에 변형에너지를 가하는 공정이 추가되는 것이므로, 최종 제품의 생산량이 저하되고, 제조비용이 증가하는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 용접부에 불규칙한 변형에너지가 가해져, 후처리 후 용접부의 위치에 따라 불균일한 크기의 결정립이 형성되는 문제가 있다.

일본 공개특허공보 제1997-195080호 일본 공개특허공보 제1996-225905호 일본 공개특허공보 제2002-339094호 일본 공개특허공보 제2002-205185호

본 발명의 일 측면은, 티타늄 판재를 이용한 전착 음극드럼을 제조함에 있어서, 추가적인 공정을 행하지 않고서도 모재와 용접부의 조직을 균일하게 형성할 수 있는 방법과 이로부터 제조된 전착 드럼용 티타늄 링을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, a) 티타늄 판재를 준비한 후 원통형으로 성형하는 단계; b) 티타늄 판재 양 끝단을 맞대어 고정시키는 단계; c) 고정된 티타늄 판재 양 끝단을 용접하여 티타늄 링을 제조하는 단계; 및 d) 티타늄 링을 열처리하는 단계;를 포함하며, 상기 용접은 마찰교반용접으로 행하는 것을 특징으로 하는 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 제조방법에 의해 제조되는 전착 드럼용 티타늄 링으로서, 상기 티타늄 링의 모재는 4~10의 결정립도를 가지며, 상기 티타늄 링의 용접부는 5~11의 결정립도를 가지는 전착 드럼용 티타늄 링을 제공한다.

본 발명에 의하면, 모재와 용접부의 조직이 유사한 티타늄 링을 제조할 수 있으며, 이와 같은 티타늄 링을 제조함에 있어서 추가적인 공정이 요구되지 아니한 바, 경제적으로 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 티타늄 링은 금속박을 제조하는 전착 음극드럼의 아웃터 스킨으로서 유리하게 적용할 수 있다.

도 1은 전착용 음극드럼의 구조 및 이를 이용하여 금속박을 제조하는 과정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 용접 방법으로 제조된 전착 드럼용 티타늄 링의 조직 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 티타늄 판재의 성형 과정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰교반용접 과정을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰교반용접시 용접부 소성유동 현상을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태그가 부착된 티타늄 링을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰교반용접된 티타늄 링의 모재 및 용접부 조직을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰교반용접된 티타늄 링을 열처리한 후 용접부 조직을 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 도 8에서 (a)는 i)의 조건, (b)는 ii)의 조건, (c)는 iii)의 조건으로 열처리한 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 발명자는 종래의 금속박 제조에 사용되는 전착 음극드럼의 제조시 모재와 용접부의 조직이 균일하지 못함에 따라 최종 제품(금속박)의 표면 품질이 열위하는 문제를 해결하면서, 종래의 방법들에 비해 경제성이 우수한 전착 음극드럼 제조방법에 대하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 티타늄 판재를 성형(조관) 및 용접하여 의도하는 전착 드럼용 링을 제조함에 있어서, 용접공정 등을 최적화함으로써 추가적인 공정이 요구되지 않아 생산성이 높고, 표면 품질이 향상된 최종 제품(금속박)을 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 아래의 단계들을 포함할 수 있다.

a) 티타늄 판재를 준비한 후 원통형으로 성형하는 단계;

b) 티타늄 판재 양 끝단을 맞대어 고정시키는 단계;

c) 고정된 티타늄 판재 양 끝단을 용접하여 티타늄 링을 제조하는 단계; 및

d) 티타늄 링을 열처리하는 단계.

우선, 본 발명에서 제공하고자 하는 티타늄 링은 전착(electro-deposition)에 의해 동박, 니켈박 등과 같은 금속박을 제조하는데에 사용되는 전착 음극드럼의 아웃터 스킨에 해당한다.

전착 음극드럼의 아웃터 스킨의 표면은 전해액에 대해 내산성을 유지할 수 있으면서, 금속박의 박리가 용이한 재질로 이루어져야 하는 바, 바람직하게 티타늄 판재를 이용할 수 있다.

이에, 티타늄 판재를 준비한 후 이를 원통형으로 성형하여 드럼 형상으로 제조한다.

여기서, 성형은 일반적인 구형의 관(예컨대, 파이프 등) 형상을 가지도록 수행하는 공정인 바, 조관 공정일 수 있다. 한 가지 예로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 준비된 티타늄 판재의 양 끝단이 맞대어질 수 있도록 둥글게 말아올리는 공정일 수 있다.

본 발명의 전착 드럼용 티타늄 링을 제조하기 위한 모재에 해당하는 티타늄 판재는 내부식성과 수소취화 특성 등을 고려하여 순수 티타늄에 해당하는 티타늄 Grade 1 또는 Grade 1에 내부식성을 향상시키기 위하여 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 첨가물을 더한 변형된 Grade 1을 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

한 가지 예로서, 상기 티타늄 판재는 그 조성이 중량%로 철(Fe): 0.06% 이하, 산소(O): 0.1% 이하, 수소(H): 150ppm 이하, 잔부 티타늄(Ti) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 보다 유리하게는 철(Fe): 0.04% 이하, 산소(O): 0.08% 이하, 수소(H): 60ppm 이하, 잔부 티타늄(Ti) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

또한, 상기 티타늄 판재는 4~10의 결정립도를 가지는 것일 수 있으며, 보다 유리하게는 5~9의 결정립도를 가질 수 있다.

현재 상용화된 전착 음극드럼의 크기가 직경 약 2~4m, 폭 1~2m, 두께 7~12mm 정도이므로, 이와 유사하게 상기 티타늄 판재를 준비할 수 있다. 구체적으로, 두께 7~15mm, 폭 1~2m, 길이 6~12m의 티타늄 판재를 이용할 수 있다.

상기에 따라 드럼 형상으로 성형된 티타늄 판재의 양 끝단을 맞댄 후 고정시키 다음, 그 양 끝단을 용접하여 하나의 원통을 얻을 수 있다.

통상, 전착 음극드럼을 제작함에 있어서 TIG 용접 또는 플라즈마와 같은 용융 용접을 이용하는 것과 달리, 본 발명에서는 상기 용접시 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)을 행함을 특징으로 한다.

마찰교반용접(FSW)은 회전하는 툴(tool)의 핀(probe)을 피용접재의 접합부에 삽입한 다음, 접합부의 맞대기 면, 즉 용접선을 따라 상기 툴을 회전시킴으로써 그 피용접재와 툴 간의 마찰에 의해 마찰열을 발생시키고, 이러한 마찰열로부터 피용접재의 변형저항을 낮추어 연화시키기에 충분한 온도로 접합부를 가열시켜 용접을 행하는 방법이다 (도 4).

툴(tool)을 회전시킴으로써 접합부가 가열되면 툴의 핀 주위로 소재가 연화되면서 소성영역이 발생하며 (도 5), 이때 기계적 힘을 가하여 용접선을 따라 툴을 이동시키면 가열된 부위가 툴의 앞부분에서 뒤쪽으로 압출되면서, 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상 접합부가 형성된다.

이러한 마찰교반용접을 통해 형성된 용접부는 용융이 일어나지 않고 정적 재결정이 발생하여, 구상화된 미세한 결정 조직을 가질 수 있게 된다.

본 발명은 용접하고자 하는 소재 즉, 티타늄 판재의 두께에 따라 상기 마찰교반용접시 사용되는 툴(tool)의 사양을 적절히 선택할 수 있다.

한 가지 예로서, 상기 마찰교반용접시 숄더 직경이 18~30mm, 핀 직경이 5~15mm인 툴(tool)을 이용할 수 있으며, 이때 툴의 회전속도는 130~300rpm, 용접속도는 0.5~4mm/sec로 설정하여 실시할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 기존 용융 용접이 아닌 고상 용접을 통해 전착 드럼용 티타늄 링을 제조함에 의의가 있으며, 이로부터 모재와 유사한 조직이 형성된 용접부를 가지는 티타늄 링을 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 마찰교반용접을 통해 티타늄 판재의 양 끝단을 용접함에 있어서, 상기 마찰교반용접을 수행하기 전에 점 용접(spot welding)을 추가로 행할 수 있다.

상기 점 용접을 추가로 행하는 것에 의해, 마찰교반용접이 행해지는 동안 티타늄 판재의 양 끝단이 벌어지는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 상기 점 용접 방법으로는 마찰교반 점 용접이 효과적일 수 있으며, 저항 점 용접, 아크 또는 플라즈마 용접으로 부분적인 용접을 수행할 수 있다.

상기 점 용접은 상기 마찰교반용접이 행해지기 전에 행할 수 있으며, 툴(tool)이 지나갈 용접선(접합 계면)을 따라 행할 수 있다.

한 가지 예로서, 상기 마찰교반용접 전에 접합 계면을 따라 불연속적으로 점 용접을 행할 수 있으며, 이때 점 용접의 횟수는 작업 환경에 맞게 적절히 조절할 수 있음을 밝혀둔다. 다시 말해서, 상기 점 용접시 그 지점은 용접자가 임의로 선택할 수 있을 것이다.

상기 점 용접은 통상의 조건으로 행할 수 있는 바, 그 조건에 대해 특별히 한정하지 아니하며, 통상의 기술자라면 누구라도 어려움없이 적용할 수 있을 것이다.

상기에 따라 원통형으로 형성된 티타늄 판재를 용접함으로써, 상기 티타늄 판재의 양 끝단이 용접되어 용접부가 형성된 티타늄 링을 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 제조된 티타늄 링을 열처리할 수 있으며, 상기 열처리를 통해 용접부의 결정립도를 제어할 수 있다.

본 발명에서 상기 열처리는 상기 티타늄 링 보다 직경이 큰 로(furnace)에 장입한 후, 610~670℃에서 5~60분간 행할 수 있다. 보다 유리하게, 상기 열처리는 620~650℃의 온도범위에서 10~30분간 행할 수 있다.

상기 열처리시 온도가 610℃ 미만이면 용접부 결정립도가 제어되지 않거나, 제어하는데에 오랜 시간이 소요되어 경제성이 떨어지며, 반면 그 온도가 670℃를 초과하게 되면 모재 재질에 영향을 미쳐 모재의 결정립도가 조대화될 우려가 있다.

상기 온도범위에서의 열처리시 그 시간이 5분 미만이면 용접부의 결정립도 제어가 불충분하며, 반면 그 온도가 60분을 초과하게 되면 결정립이 너무 조대해지거나 생산성이 저하되어 경제적으로 불리해진다.

상술한 조건으로 열처리를 행함으로써, 티타늄 링의 용접부 결정립을 성장시킬 수 있으며, 이로부터 상기 용접부 결정립도를 모재(티타늄 판재)와 유사한 수준으로 제어할 수 있다.

한편, 본 발명은 의도하는 전착 드럼용 티타늄 링을 제조함에 있어서, 상기 티타늄 판재의 양 끝단을 맞대어 용접을 행하기에 앞서, 용접 시작점 및 끝점에 태그(tag)를 부착하는 단계를 추가로 행할 수 있다 (도 6). 이는, 본 발명의 용접, 즉 마찰교반용접시 용접 시작점과 끝점에서 발생하는 용접불량 및 마찰교반용접 끝부분에서 필연적으로 동반하는 홀(hole)을 제거하기 위함이다.

상기 용접 시작점 및 끝점에 부착된 태그는 용접을 완료한 이후에 절단함으로써 제거할 수 있으며, 구체적으로 제조된 티타늄 링을 열처리하기 전에 상기 태그를 절단하는 단계를 추가할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전착 드럼용 티타늄 링에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 전착 드럼용 티타늄 링은 본 발명에서 제공하는 제조방법에 의해 제조되는 것으로, 상기 티타늄 링의 모재는 4~10의 결정립도(ASME E112)를 가지며, 상기 티타늄 링의 용접부는 5~11의 결정립도(ASME E112)를 가지는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따라 제조된 티타늄 링은 용접부 조직이 모재와 유사하게 구상화 조직을 가지며, 이러한 용접부 조직의 결정립은 기존의 용접방법으로 제조된 용접부 대비 균일한 특징을 가진다.

이와 같이, 모재와 유사한 조직을 가지는 본 발명의 티타늄 링을 아웃터 스킨으로 구비한 전착 음극드럼을 이용하여 금속박을 제조하는 경우, 그 전착 음극드럼을 연마하여 반복적으로 재사용하는 경우에도 균일한 표면 형상을 가지는 금속박을 얻는 효과가 있다.

상기 티타늄 링의 모재는 순수 티타늄에 해당하는 티타늄 Grade 1 또는 Grade 1에 내부식성을 향상시키기 위하여 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 첨가물을 더한 변형된 Grade 1에 해당할 수 있으며, 한 가지 예로서 중량%로 철(F): 0.06% 이하, 산소(O): 0.1% 이하, 수소(H): 150ppm 이하, 잔부 티타늄(Ti) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

중량%로 Fe(0.03%)-O(0.045%)-H(35ppm)-잔부 Ti 및 불가피한 불순물로 조성되고, 결정립도(ASME E112)가 4~5인 티타늄 판재를 준비하였다.

상기 티타늄 판재를 도 3과 같이 원통형으로 성형한 후, 양 끝단을 마찰교반용접(숄더 직경: 18mm, 핀 직경: 7mm, 용접 속도: 0.5mm/sec, 툴 회전속도: 250rpm)을 행하여 티타늄 링을 제조하였다.

상기 마찰교반용접을 완료한 후, 모재 및 용접부의 형상과 위치별 조직을 광학현미경으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 용접부의 결정립 형상이 모재와 유사하게 구상화 조직임을 알 수 있으며, 결정립의 크기는 모재 대비 용접부에서 더 작게 보여짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 용접부의 결정립도(ASME E112)는 10~12로 나타났다.

상기 마찰교반용접을 통해 제조된 티타늄 링을 아래의 조건으로 각각 열처리 한 후, 용접부 조직을 관찰하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.

i) 630℃에서 20분

ii) 640℃에서 20분

iii) 650℃에서 20분

도 8에 나타낸 바와 같이, i)의 조건으로 열처리한 티타늄 링의 용접부(a) 평균 결정립도가 8.92로, 열처리를 행하기 전에 비해 결정립 크기가 커진 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, ii)의 조건으로 열처리한 티타늄 링의 용접부(b) 평균 결정립도는 6.69, iii)의 조건으로 열처리한 티타늄 링의 용접부(c) 평균 결정립도가 6.55로서, 열처리 온도가 높을수록 결정립이 점차 조대해지는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (7)

1. a) 중량%로 철(Fe): 0.06% 이하, 산소(O): 0.1% 이하, 수소(H): 150ppm 이하, 잔부 티타늄(Ti) 및 불가피한 불순물을 포함하는 티타늄 판재를 준비한 후 원통형으로 성형하는 단계;
   b) 티타늄 판재 양 끝단을 맞대어 고정시키는 단계;
   c) 고정된 티타늄 판재 양 끝단을 용접하여 티타늄 링을 제조하는 단계; 및
   d) 티타늄 링을 열처리하는 단계;를 포함하며,
   상기 용접은 마찰교반용접으로 행하는 것을 특징으로 하는 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마찰교반용접 전에 점 용접을 추가로 행하는 것을 특징으로 하는 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 마찰교반용접은 숄더 직경이 18~30mm, 핀 직경이 5~15mm인 툴(tool)을 이용하여, 회전속도 130~300rpm 및 용접속도 0.5~4mm/sec로 행하는 것인 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 c) 단계 전, 용접 시작점 및 끝점에 태그를 부착하는 단계와,
   상기 c) 단계 후, 상기 태그를 절단하는 단계를 더 포함하는 것인 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 열처리는 610~670℃에서 5~60분간 행하는 것인 전착 드럼용 티타늄 링의 제조방법.
   
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 의해 제조된 전착 드럼용 티타늄 링으로서,
   상기 티타늄 링의 모재는 4~10의 결정립도를 가지며,
   상기 티타늄 링의 용접부는 5~11의 결정립도를 가지고,
   상기 티타늄 링의 모재는 중량%로 철(Fe): 0.06% 이하, 산소(O): 0.1% 이하, 수소(H): 150ppm 이하, 잔부 티타늄(Ti) 및 불가피한 불순물을 포함하는 전착 드럼용 티타늄 링.
   
7. 삭제

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