KR102604458B1 - 고강도 고균질연성을 가지는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도와 고균질연성을 동시에 만족하는 상업적으로 순수한 타이타늄 합금과 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 타이타늄은 중량 %로, 산소(O): 0.40 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.5 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하, 질소(N): 0.05 중량% 이하, 및 잔부 타이타늄(Ti)인 성분 및 조성범위를 만족하고; 평균 두께가 300 nm 이하(0은 제외)인 쌍정 밴드가 결정립 당 평균적으로 4~15개인 것;을 특징으로 한다.

Description

고강도 고균질연성을 가지는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법 {COMMERCIALLY PURE TITANIUM HAVING HIGH STRENGTH AND HIGH UNIFORM DUCTILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 강도 저하 없이도 높은 균질 연성을 가질 수 있는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

타이타늄 합금은 낮은 밀도와 높은 강도, 우수한 비강도(specific strength) 및 생체 적합성(biocompatibility)을 가지므로 많은 산업분야에 이용되고 있다.

그 중에서도 상업적으로 순수한 타이타늄(commercially pure titanium, 이하 본 명세서에서 타이타늄 또는 순수한 타이타늄은 상업적으로 순수한 타이타늄을 의미한다)은 우수한 부식 저항성과 생체 적합성을 가진다. 그러나 순수한 타이타늄은 육방정계(hexagonal close packed, HCP) 단상(single phase)의 특성으로 인해 매우 낮은 강도를 가지므로 공업적인 응용에 제한을 받아 왔다.

상기 순수한 타이타늄은 별도의 추가적인 합금 원소를 포함하고 있지 아니하여 상변태나 석출물을 통한 강도향상이 불가능하다.

따라서 순수한 타이타늄의 강도를 증가시키기 위해 기존에는 주로 소성가공(plastic deformation)을 통한 가공 경화(work hardening)을 이용하였다.

도 1은 가공 전 순수 타이타늄과 다양한 변형량 조건에서 상온에서 압연된 순수 타이타늄의 인장특성을 도시한다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, 순수 타이타늄은 연성은 우수하지만 강도가 매우 낮음을 알 수 있다. 반면 상온에서 압연된 순수 타이타늄은 변형량이 증가함에 따라 강도는 향상되지만 연성이 급격히 저하된다.

도 1의 결과는 대부분의 금속 재료들과 같이 순수 타이타늄도 강도와 연성은 강력한 트레이드 오프(trade-off)인 관계를 가짐을 의미한다.

도 2는 상온에서 60% 압하량 압연 후 후속 열처리한 순수 타이타늄의 인장특성을 도시한다.

후속 열처리 온도가 300℃보다 낮은 경우, 열처리 시 회복(recovery)나 재결정(recrystallization)이 타이타늄 내에서 일어나지 않아서 타이타늄의 강도는 높고 연성은 낮다.

반면 후속 열처리 온도가 400℃로 증가하면 강도는 감소하고 연성은 증가하기 시작하고, 후속 열처리 온도가 500℃로 증가하면 강도는 더욱 감소하고 연성은 더욱 증가하였다. 이와 같은 인장 특성의 변화는 후속 열처리 온도가 400~500℃의 온도 구간에서 회복 및 재결정이 발생함을 의미한다.

나아가 후속 열처리 온도가 600℃인 경우, 후속 열처리 온도가 500℃인 경우보다 강도는 감소하고 연성도 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 인장 특성의 변화는 후속 열처리 온도가 600℃의 온도 구간에서 결정립 조대화(grain growth)가 발생함을 의미한다.

도 1 및 2의 결과는 다음과 같은 순수 타이타늄의 공통적인 특징을 교시한다.

순수 타이타늄은 가공경화 없이는 고강도를 달성할 수 없다.

또한 가공 경화된 순수 타이타늄의 강도는 증가하나 연성은 감소한다. 특히 네킹 이전까지의 연성을 나타내는 균질 연성은 가공 경화에 의해 급격히 감소한다. 특히 이와 같이 균질 연성이 감소한 순수 타이타늄은 후속 성형이 불가하므로, 산업적으로 이용할 수 없게 되는 문제가 있다.

가공 경화된 순수 타이타늄의 연성을 증가시키기 위해 후속 열처리를 하는 경우, 후속 열처리된 순수 타이타늄의 강도는 다시 감소한다.

종합하면 종래의 가공경화 및 열처리를 통해서는 순수 타이타늄의 강도를 증가시키면서 동시에 균질 연성도 동시에 증가시킬 수 없다.

따라서 높은 강도와 동시에 우수한 균질 연성을 가지는 순수 타이타늄을 제공할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 목적은 새로운 미세조직을 가지는 고강도 및 고균질연성을 가지는 순수 타이타늄과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명의 목적은 매우 얇은 두께 (500 nm 이하)의 트윈 밴드(twin band)를 가지는 미세조직을 가짐으로써 고강도 및 고균질연성을 가지는 순수 타이타늄을 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명의 목적은 순수 타이타늄에 매우 얇은 두께의 트윈 밴드를 도입할 수 있도록 하기 위하여, 상온에서 가공되어 가공경화된 순수한 타이타늄에 간단한 후열처리를 통해 고강도를 유지하면서 균질연성까지도 확보할 수 있는 순수 타이타늄의 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 별도의 강소성 공정을 수행하지 않고 일반적인 압연 공정 및 열처리 공정만으로도 고강도 및 고균질연성을 달성할 수 있는 순수 타이타늄의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 소성 가공되어 가공 경화된 순수 타이타늄의 강도의 저하없이 균질연성만을 향상시킬 수 있는 순수 타이타늄의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 타이타늄은 중량 %로, 산소(O): 0.40 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.5 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하, 질소(N): 0.05 중량% 이하, 및 잔부 타이타늄(Ti)인 성분 및 조성범위를 만족하고, 평균 두께가 500 nm 이하(0은 제외)인 쌍정 밴드가 결정립 당 평균적으로 4~15개타이타늄 일 수 있다.

바람직하게는, 상기 순수 타이타늄의 (항복강도*균질연신율)로 정의되는 인장물성 값은 4.0GPa% 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이타늄의 제조 방법은 상업적으로 순수한 타이타늄 모재를 준비하는 단계; 상기 타이타늄을 상온에서 소성가공하는 단계; 싱기 소성가공된 타이타늄을 -150℃ 이하의 온도까지 냉각하는 단계; 상기 냉각된 타이타늄을 상온까지 0.05-1℃/s의 승온속도로 승온하는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 타이타늄 모재는 중량 %로, 산소(O): 0.40 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.5 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하, 질소(N): 0.05 중량% 이하, 및 잔부 타이타늄(Ti)의 성분 및 조성범위를 가질 수 있다.

바람직하게는 상기 상온에서 소성가공하는 단계에서의 변형량은 50% 이상일 수 있다.

바람직하게는 상기 미세조직 내에 존재하는 쌍정 밴드는 결정립 당 평균적으로 4~15개일 수 있다.

본 발명에 의하면 기존의 전통적인 가열 방식을 이용한 열처리 방법이 아닌 새로운 열처리 방법을 통해 높은 강도와 높은 균질연신율을 가지는 순수 타이타늄의 제조 방법을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 기존의 가공 방법을 그대로 이용하면서도 고가의 장비를 이용하지 않고 에너지 소비도 획기적으로 줄일 수 있는 순수 타이타늄의 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면 미세 트윈 밴드를 포함하는 미세조직을 가짐으로써 고강도와 고균질연성을 동시에 달성할 수 있는 순수 타이타늄 및 그 제공방법을 제공할 수 있다.

나아가 본 발명에 의하면 기존에 존재하지 않은 매우 높은 인장물성 값을 가지는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 가공 전 순수 타이타늄과 다양한 변형량 조건에서 상온에서 압연된 순수 타이타늄의 인장특성을 도시한다.
도 2는 상온에서 60% 압하량 압연 후 후속 열처리한 순수 타이타늄의 인장특성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2(grade 2) 타이타늄을 55%의 압하율로 압연하고 후속 처리를 하지 않은 비교예와 55%의 압하율로 압연한 후 300-400℃에서 1h동안 열처리한 비교예들과 55%의 압하율로 압연한 후 -196℃에서 0.5h동안 유지한 후 상온까지 0.1℃/s의 승온 속도로 열처리한 실시예의 인장특성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2(grade 2) 타이타늄을 55%의 압하율로 압연하고 -196℃에서 0.5h동안 유지한 후 상온까지 다양한 승온 속도로 가열한 비교예들 및 실시예들의 인장특성을 도시한다.
도 5는 상기 도 3 및 4에서의 비교예들과 실시예들의 강도와 균질연성의 균형값(항복강도*균질연신율)을 요약한 도면이다.
도 6은 55%의 압하율로 압연되고 후속 처리를 하지 않은 등급 2(grade 2) 타이타늄(비교예)의 상온 인장 전(a) 및 인장 후(b)의 미세조직과, 55%의 압하율로 압연되고 -196℃에서 0.5h 동안 유지된 후 상온까지 0.5℃/s의 승온 속도로 승온된 등급 2(grade 2) 타이타늄(실시예)의 인장 전(c) 및 인장 후(d)의 미세조직 사진이다.
도 7은 55%의 압하율로 압연되고 -196℃에서 0.5h 동안 유지된 후 상온까지 0.5℃/s의 승온 속도로 승온된 등급 2(grade 2) 타이타늄(실시예)의 인장 전(c)의 TEM 사진이다.
도 8은 결정립 당 초미세 트윈 개수 변화에 따른 비교예들의 인장물성 변화를 보여주는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한 본 발명에서의 평균 결정립 크기는 전통적인 고경각 입계(high angle grain boundary)에 의해 구분되는 결정립들 뿐만 아니라 결정립 크기를 측정하는 방법 또는 프로그램을 사용하여 고경각 트윈 입계(high angle twin boundary)에 의해 구분되는 결정립들을 포함한 전체 결정립의 평균 크기를 의미한다.

또한 앞에서 기재한 바와 같이 본 발명에서의 타이타늄, 순수한 타이타늄 또는 상업적으로 순수한 타이타늄은 모두 상업적으로 순수한 타이타늄(commercially pure titanium)을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

타이타늄은 체심입방격자(body centered cubic, BCC) 구조를 가지는 고온의 베타상과 육방체밀격자(hexagonal close packed, HCP) 구조를 가지는 저온의 알파상의 두 가지 결정구조를 가지는 동소변태(polymorphous) 원소이다.

상기 동소변태가 발생하는 온도를 베타 트랜서스(beta transus) 온도라 하며, 타이타늄은 베타 트랜서스 온도보다 낮은 온도에서 육방체밀격자(hexagonal closed packing, HCP)의 결정 구조를 가진다.

소위 말하는 상업적으로 순수한(commercially pure) 타이타늄은 상기 타이타늄에 별도의 합금원소를 인위적으로 첨가하지 않은 타이타늄을 의미한다. 그러나 순수한 타이타늄에도 열역학적인 이유와 정련 등의 제조 공상상의 이유로 인해 몇 가지 대표적인 불순물들이 포함되며, 상기 불순물들의 성분 및 조성범위는 ASTM(미국재료시험협회, American Society for Testing Materials) 등의 규격에 의해 규정된다.

본 발명의 실시예들에 따른 고강도 및 고연성을 가지는 순수 타이타늄의 성분 및 조성범위는 다음과 같다.

산소(O): 0.40 중량% 이하,

수소(H): 0.015 중량% 이하,

철(Fe): 0.5 중량% 이하,

질소(N): 0.05 중량% 이하,

탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄.

본 발명에서의 상기 성분 및 조성범위는 ASTM에서 등급 4(grade 4)으로 규정된 것이다. 다시 말하면 본 발명의 실시예들에 따른 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄의 성분 및 조성범위는 상기 ASTM의 등급 4 이하의 타이타늄, 즉 등급 1 내지 4까지의 타이타늄을 포함한다.

특히 산소의 함량은 본 발명의 고강도 및 고균질연성을 가지는 타이타늄의 미세조직에 큰 영향을 미친다. 산소의 함량이 0.40%보다 높으면 쌍정의 활성화가 억제되고 그로 인해 후속 열처리 시 초미세 트윈 밴드의 형성이 어렵기 때문이다.

다음으로 본 발명의 실시예에서 사용한 고강도 및 고균질연성을 가지는 타이타늄의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서는 먼저 상온에서 순수 타이타늄을 냉간 압연하여 가공경화하였다.

이 때 상기 냉간 압연에서의 변형량(또는 압하율)은 한정되지 않으나, 다만 순수 타이타늄 내에 내부 에너지를 증가시킬 수 있을 정도의 변형량이면 충분하다.

또한 상온에서의 냉간 가공 방법 역시 특별히 한정되지 않는다. 비한정적이고 구체적인 예로써, 단조, 압출, 인발, 스웨이징, 전단변형(shear deformation) 등도 가능하다.

상기 상온에서 가공경화 된 순수 타이타늄은 균질 연성회복을 위해 변형 경화 능력(strain hardening capacity)를 향상시키기 위해 후속 열처리 공정을 거친다.

본 발명의 순수 타이타늄의 제조 방법에서의 후속 열처리 공정은 극저온처리 공정일 수 있다.

상기 열처리 공정은 구체적으로 상온에서 냉간 가공된 순수 타이타늄을 극저온 온도에서 유지 후 상온으로 가열하는 공정이다.

상기 극저온 온도는 -150℃ 이하인 것이 바람직하다.

만일 극저온 온도가 -150℃ 보다 높은 경우, 상온으로의 가열 시 열 팽창(thermal expansion)이 충분하게 크지 못하여 가열 도중에 생성되는 트윈(twin, 또는 쌍정이라 한다) 밴드가 충분히 생성되지 못하기 때문이다.

비한정적이고 구체적인 예로써 상기 극저온 온도는 -196℃일 수 있다. 상기 -196℃는 상업적으로 쉽게 구할 수 있는 액체 질소의 온도이다.

이 때 상기 극저온 온도에서의 유지 시간은 0.5-2시간이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 유지 시간은 순수 타이타늄이 시편 전체에 걸쳐 균일하게 상기 극저온 온도까지 도달할 수 있을 정도면 충분하다.

통상적으로 액체 질소의 경우, 그 비열이 물과 같은 다른 매질의 비열에 비해 작다. 따라서 물과 같은 매질에 비해 액체 질소를 이용한 냉각은 0.5-2 시간 정도의 충분한 시간에서의 유지가 바람직하다.

상기 극저온처리 후 상온으로 가열 시 승온 속도는 0.05-1℃/s 인 것이 바람직하다.

만일 상기 승온 속도가 0.05℃/s 보다 느리게 되면, 가열 시 발생하는 열팽창에 의해 생성되는 트윈 밴드의 수가 적게 된다.

반면 상기 승온 속도가 1℃/s 보다 빠르게 되면, 가열 시 발생하는 열팽창에 의해 트윈 밴드뿐만 아니라 전위까지 생성되고 상기 전위는 트윈 밴드 대비 변형 경화 능력(strain hardening capacity)이 작아서 그 결과 순수 타이타늄의 균질연성이 증가하지 못하게 되는 문제가 있다.

상기 열 처리 공정 후 순수 타이타늄 내에 생성되는 트윈 밴드의 개수는 결정립 당 평균적으로 4~15개인 것이 바람직하다.

만일 결정립 당 열 처리 공정에 의해 생성된 트윈 밴드의 수가 4개보다 작으면, 후속 상온 인장 시 균질연성을 향상시키는 트윈의 생성에 필요한 트윈 밴드가 지나치게 적어서 그 결과 균질연성 특성이 저하되는 문제가 있다.

반면 결정립 당 열 처리 공정에 의해 생성된 트윈 밴드의 수가 15개보다 많으면, 후속 상온 인장 시 균질연성을 향상시키는 트윈의 생성에 있어서 핵(nucleus)으로 작용할 수 있는 트윈 밴드는 충분하나 그와 동시에 열 처리 공정에 의해 생성된 전위도 많아서 그 결과 균질연성 특성이 저하되는 문제가 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

본 실시예에서는 열간압연 후 소둔된(mill-annealed) 두께 4㎜의 타이타늄 판재를 초기재(initial material)로 이용하여 상온에서 가공하였다. 상기 판재 타이타늄의 성분 및 조성범위는 중량 %(wt. %, 이하 %라 한다) 산소 0.21%, 탄소 0.01%, 질소 0.01%, 잔부 타이타늄(Ti)으로 측정되었다. 상기 초기재는 트윈이 없는 등축 결정립 미세조직을 가지며, 평균 결정립 크기는 31㎛이며, 전형적인 압연 텍스쳐 조직을 가지는 것으로 측정되었다.

본 발명에서의 초기재는 냉간 압연(예를 들면 상온 압연) 후에 열처리를 위해 -196℃(77K)의 액체질소에 30분동안 담겼다. 냉간 압연된 판재가 액체 질소에 담겨지면 액체질소는 보일링(boiling)하게 되고, 상기 판재의 온도가 액체질소의 온도까지 냉각되면 액체질소의 보일링은 중단되었다. 상기와 같은 액체질소의 보일링 현상은 판재의 온도가 액체질소의 온도까지 냉각됨을 보장할 수 있다.

미세조직은 EBSD(electron backscatter diffraction) 측정을 이용하여 조사되었다. X-선 회절(XRD) 피크들은 모노크로마틱 CuKα 조사(radiation)를 이용한 θ-2θ 디프렉토미터를 이용하여 측정되었다. 인장특성들은 상온에서 변형률 10-3/s의 조건에서 INSTRON 장비를 사용하여 측정되었다. 인장시편들은 ASTM-E8의 규격에 따라 게이지 길이는 25㎜, 폭은 6㎜, 두께는 2㎜로 가공되었으며 판상 시편의 압연방향을 따라 시료들이 채취되어 가공되었다. 인장시험 동안 네킹(necking) 거동은 Aramis system을 가지는 디지털 이미지 교정기(digital image correction, 이하 DIC)를 사용하여 정량화되었다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2(grade 2) 타이타늄을 55%의 압하율로 압연하고 후속 처리를 하지 않은 비교예와 55%의 압하율로 압연한 후 300-400℃에서 1h동안 열처리한 비교예들과 55%의 압하율로 압연한 후 -196℃에서 0.5h동안 유지한 후 상온까지 0.1℃/s의 승온 속도로 가열한 실시예의 인장특성을 도시한다.

먼저 55%의 압하율로 압연하고 일반적인 후속 열처리를 한 비교예들은 후속 처리를 하지 않은 비교예 대비 강도는 감소한 반면 균질연성은 증가한 것을 알 수 있다.

반면 본 발명의 55%의 압하율로 압연한 후 -196℃에서 0.5h동안 유지한 후 상온까지 0.1℃/s의 승온 속도로 가열한 실시예는 상기 비교예들보다 강도와 균질연성 특성이 매우 우수함을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2(grade 2) 타이타늄을 55%의 압하율로 압연하고 -196℃에서 0.5h동안 유지한 후 상온까지 다양한 승온 속도로 가열한 비교예들 및 실시예들의 인장특성을 도시한다.

표 1은 상기 도 4의 비교예들 및 실시예들의 인장특성 결과를 요약한 것이다.

[표 1]

먼저 승온 속도가 0.1℃/s 및 0.5℃/s인 실시예들은 55%의 압하율로 압연하고 후속 처리를 하지 않은 비교예 대비 강도 및 균질연성 특성이 모두 향상되었음을 알 수 있다.

반면 승온 속도가 2.5℃/s인 비교예는 55%의 압하율로 압연하고 후속 처리를 하지 않은 비교예 대비 강도 및 균질연성 특성이 모두 향상된 반면 승온 속도가 0.1℃/s 및 0.5℃/s인 실시예들보다는 강도 및 균질 연성 특성이 더 열위임을 알 수 있다.

상기 도 4의 결과는 표 1의 결과에 의해 더욱 극명하게 드러난다.

본 발명의 승온 속도가 0.1℃/s 및 0.5℃/s인 실시예들은 후속 처리를 하지 않았거나 또는 승온 속도가 지나치게 높은 비교예들 대비 강도와 균질연성의 균형값(항복강도*균질연신율, 또는 항복강도와 균질연신율의 곱)이 거의 2배 이상 우수함을 알 수 있다.

도 5는 상기 도 3 및 4에서의 비교예들과 실시예들의 강도와 균질연성의 균형값(항복강도*균질연신율)을 요약한 도면이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에서의 극저온 처리된 순수 타이타늄은 강도와 균질연성의 균형값(항복강도*균질연신율)이 거의 2배 이상(4.4-5.7 GPa%)을 가지는 반면에 비교예들의 강도와 균질연성의 균형값(항복강도*균질연신율)은 4.0 GPa%보다 낮음을 알 수 있다.

도 6은 55%의 압하율로 압연되고 후속 처리를 하지 않은 등급 2(grade 2) 타이타늄(비교예)의 상온 인장 전(a) 및 인장 후(b)의 미세조직과, 55%의 압하율로 압연되고 -196℃에서 0.5h 동안 유지된 후 상온까지 0.5℃/s의 승온 속도로 승온된 등급 2(grade 2) 타이타늄(실시예)의 인장 전(c) 및 인장 후(d)의 미세조직 사진이다.

도 7은 55%의 압하율로 압연되고 -196℃에서 0.5h 동안 유지된 후 상온까지 0.5℃/s의 승온 속도로 승온된 등급 2(grade 2) 타이타늄(실시예)의 인장 전의 TEM 사진이다.

도 6의 (a) 및 (b)에서 도시하는 바와 같이, 후속 처리를 하지 않은 순수 타이타늄(비교예에 해당)은 인장 전과 후 모두 트윈이 실질적으로 형성되지 않음을 알 수 있다.

도 6의 비교예의 미세조직 결과는 도 3 및 4에서의 인장 특성 결과와 매우 잘 부합한다.

순수 타이타늄의 경우, 판재의 면방향 인장과 같은 응력 상태에서는 트윈 생성이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 도 6에서의 비교예는 상온 인장 시 트윈의 생성이 효과적으로 생성되지 못하여 변형 경화 능력(strain hardening capacity)이 약하므로, 그로 인해 도 3 및 4에서 도시한 바와 같이 균질 연신율이 매우 작다.

이와는 달리 도 6의 (c)에서 도시하는 바와 같이, 55%의 압하율로 압연되고 -196℃에서 0.5h 동안 유지된 후 상온까지 0.5℃/s의 승온 속도로 승온된 순수 타이타늄(실시예에 해당)은 인장 전에도 결정립 내에 매우 얇은 폭을 같은 초미세 트윈 밴드를 가진다. 상기 초미세 트윈 밴드의 폭은 평균적으로300 nm 이내임을 확인하였고, 나아가 트윈 밴드의 폭 가운데 상대적으로 조대한 트윈 밴드의 폭도 500nm 이내인 것으로 관찰되었다(도 7). 상기 극저온 처리된 순수 타이타늄은 상온 인장 후에는 시편 전체에 걸쳐 트윈이 활성화 되어 인장 전보다 더 많은 미세 트윈 밴드를 가짐을 알 수 있다(도 6의 (d)).

상기 도 6의 (c) 및 (d)의 결과는 이전 극저온 처리에 의해 순수 타이타늄에 형성된 미세 트윈 밴드들이 상온 인장 시에 형성된 미세 트윈 밴드들의 핵(nucleus)로 작용함을 직접적으로 도시하는 것이다.

표 2은 상기 도 4의 비교예들 및 실시예들의 결정립당 300 nm이하의 두께를 갖는 초미세 트윈 밴드 개수를 보여준다. 승온 속도가 빠를수록 초미세 트윈 개수가 증가함을 알 수 있다. 최적의 인장물성을 보이는 0.1℃/s와 0.5℃/s 승온 조건의 경우 초미세 트윈 개수가 각각 8개와 16개임을 알 수 있다.

[표 2]

도 8은 승온속도에 따른 인장물성 변화를 쉽게 확인하기 위해 상기 표 2의 결과를 그래프화 한 것이다.

도 8은 초미세 트윈 밴드 개수가 16개를 초과할 때 항복강도-균질연성 조합이 급격히 저하됨을 보여준다. 도 8은 우수한 항복강도-균질연성의 조합은 트윈 개수에 의존함을 명확하게 나타낸다. 보다 구체적으로 도 8은 ,결정립 당 트윈 밴드의 개수가 1~16개, 보다 바람직하게는 결정립 당 4~16개의 트윈 밴드일 때, 우수한 항복강도-균질연성이 확보될 수 있음을 나타내고 있다.

한편 상기 극저온 처리시 형성된 트윈 밴드들은 주로 {11-22} 트윈 시스템이며 약간의 {11-24} 트윈 시스템에 해당함을 확인하였다.

상기 극저온 처리시 순수 타이타늄에 형성된 트윈 밴드들은 극저온 처리 후 승온 단계에서 발생하는 열팽창(thermal expansion)에서 기인한 내부 응력에 의해 형성된 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 상업적으로 순수한 타이타늄 모재를 준비하는 단계;
   상기 타이타늄을 상온에서 소성가공하는 단계;
   싱기 소성가공된 타이타늄을 -150℃ 이하의 온도까지 냉각하는 단계;
   상기 냉각된 타이타늄을 상온까지 0.05-1℃/s의 승온속도로 승온하는 단계;
   를 포함하는 순수 타이타늄 제조 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 타이타늄 모재는 중량 %로, 산소(O): 0.40 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.5 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하, 질소(N): 0.05 중량% 이하, 및 잔부 타이타늄(Ti)의 성분 및 조성범위를 가지는,
   순수 타이타늄 제조 방법.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 상온에서 소성가공하는 단계에서의 변형량은 50% 이상인,
   순수 타이타늄 제조 방법.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 상온까지 승온된 순수 타이타늄의 미세조직은 평균 두께가 1㎛ 이하(0은 제외)인 쌍정 밴드를 포함하는,
   순수 타이타늄 제조 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 미세조직 내에 존재하는 쌍정 밴드는 결정립 당 평균적으로 4~15개인,
   순수 타이타늄 제조 방법.