KR20130037114A

KR20130037114A - 티타늄-알루미늄 클래드재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130037114A
Application number: KR1020110101493A
Authority: KR
Inventors: 김목순; 김종명
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-04-15

Abstract

본 발명은 티타늄판 및 알루미늄판으로 이루어진 클래드재로서, 상기 티타늄판의 두께:알루미늄판의 두께 비율이 특정 범위를 갖는 클래드재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 클래드재는 연성이 우수한 알루미늄 소재를 티타늄 소재에 접합하여 제조함으로써 강도와 연성이 동시에 우수한 티타늄-알루미늄계 클래드재가 얻어질 수 있으며, 또한 내식성이 기존 티타늄 금속판과 유사하면서도 경량화가 가능한 클래드재가 얻어질 수 있다.

Description

티타늄-알루미늄 클래드재 및 그 제조방법{Clad material comprising titanium-aluminum-titanium and preparation method of the same}

본 발명은 티타늄-알루미늄 클래드재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄과 알루미늄 소재를 특정 비율로 적층시켜 얻어진 클래드로서 강도, 연성이 우수하고 또한 내식성이 우수한 경량의 티타늄-알루미늄 클래드재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

클래드(clad)재란 두가지 이상의 금속 재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합재료를 말한다. 이와 같은 클래드재를 적절히 조합해 사용하면 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있기 때문에 경제적으로도 큰 장점이 있어 소재의 조합이 점차 다양해지고 적용분야도 주방용품을 비롯한 가전제품, 자동차 부품, 원자력 및 석유 화학용 압력 용기 등으로 확대되고 있다.

이와 같은 클래드재에 관한 기술 중에는 주로 철과 알루미늄을 이용한 클래드재와 티타늄계 클래드재에 관한 기술이 가장 활발하게 연구되고 있다. 이중에서 철과 알루미늄을 이용한 클래드재, 특히 스테인레스강과 알루미늄 클래드재에 관한 기술은 대한민국 공개특허 특2003-0052881호, 미국등록특허 7,208,231, 6,267,830, 5,952,112, 5,532,460, 3,966,426, 3,340,597호 등에 기재된 바와 같이 스테인레스강과 알루미늄의 장점을 적절히 조합시켜 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도를 이용하는 동시에 스테인레스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 동시에 이용할 수 있는 기술로서 활발히 연구가 진행되고 있으며 또한 관련 기술이 많이 알려져 있다.

한편, 티타늄은 내식 내후성이 우수하고 특히 염소이온이 함유된 분위기에서는 백금에 필적할 정도로 부식 저항성이 우수하여 해양 구조물이나 석유화학 용기에 이용되기 적합하다.

그러나 티타늄계 소재는 소둔 상태에서는 연성이 좋으나 강도가 떨어지며, 소성 가공을 가하면 강도는 증가하나 연성이 감소하여 강도와 연성을 동시에 확보할 수는 없는 것으로 알려져 있다.

티타늄계 클래드재에 관한 기술로는, 다음과 같은 기술이 알려져 있다.

일본 특개 2002-35959호에는 370~430℃로 가열된 알루미늄의 양 면에 150~270℃로 가열된 티타늄 및 스테인레스강을 각각 적층 압연한 후 370~430℃의 온도로 확산 소둔하는 티타늄 클래드 기물용 소재의 제조방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은 적층되는 소재를 서로 다른 온도로 가열하기 위하여 다수의 가열로가 필요하므로 설비 투자비가 증가하고 압연 후 별도의 확산 소둔을 실시해야 하므로 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

일본 특개 소63-207483호에는 표면을 세정하고 활성화한 티타늄과 알루미늄을 550℃ 이상의 진공 분위기에서 0.3 kgf/mm² 이상의 압력을 부여한 상태에서 가열하여 확산 접합시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 단순한 가압 확산 소둔에 의해 접합이 이루어지기 때문에 접합된 클래드판의 드로잉 가공시 접합면이 분리될 수 있으며, 대량 생산이나 크기가 큰 클래드판을 제조하기 위해서는 가열로 내부를 진공 분위기로 만들기 위한 부대 설비 비용이 지나치게 증가하는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2004-0036342호는 알루미늄을 중간재로 사용한 티타늄/철합금 클래드재에 관한 것으로서 철합금 판재와 티타늄 판재 사이에 알루미늄 판재를 적층하고 대기 하에서 열간 압연한 후 접합된 판재를 가열하여 삽입된 알루미늄을 확산처리함으로써 티타늄/철합금/티타늄 클래드 판재를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 고가의 티타늄의 사용량을 줄이기 위해 철강 판재를 모재로 사용하여 여기에 티타늄을 입히는 방법에 관한 것으로서 알루미늄은 단순히 접합 강도를 향상시키기 위한 중간재 역할을 할 뿐 주재는 철합금과 티타늄이다.

대한민국 공개특허 제 2005-0089931호는 내부식성이 우수한 티타늄 틀래드금속과 가격이 저렴한 모재금속(구리, 철, 알루미늄 또는 니켈)을 접합시켜 내부식성 및 접합강도가 우수한 클래드 판재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 내환경성 클래드 판재를 제시하고 있다. 이 기술에서는 모재 금속과 티타늄 클래드 금속 사이의 계면에 두 금속층을 접합시키는 공정반응층을 개재시켜 접합 강도를 증가시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 모재 금속으로 사용된 예는 철, 구리, 니켈이고 알루미늄에 관해서는 실질적으로 언급이 없으며, 또한 공정반응층에 사용된 예도 구리와 니켈 정도이고 알루미늄에 관해서는 언급이 없다. 또한 저항심 용접법을 이용하여 다층 클래드 판재를 제조하는 방법을 제조하는 방법으로서 계면을 녹여서 융착시키기 위하여 900℃ 이상의 고온에서 접합을 시켜야 하므로 반응 조절이 어렵고 과에너지가 소모되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 및 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로, 티타늄계 금속의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 내부식성은 기존의 티타늄계 금속과 동등 수준이고 티타늄계 소재보다 경량화가 가능한 클래드재 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은

티타늄판 및 알루미늄판으로 이루어진 클래드재로서, 상기 티타늄판의 두께:알루미늄판의 두께의 비율이 5:1 이상인 것을 특징으로 하는 클래드재를 제공한다.

또한, 본 발명은

(1) 티타늄판 및 알루미늄판을 세척하는 단계;

(2) 티타늄판 및 알루미늄판을 차례로 적층한 후 압연하는 단계

를 포함하는 클래드재의 제조방법으로서, 상기 티타늄판의 총두께:알루미늄판의 총두께가 5:1 이상이고, 압연은 냉간압연, 열간압연 혹은 이들의 조합으로 행해지며, 압하율은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 클래드재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 클래드재는 연성이 우수한 알루미늄 소재를 티타늄 소재에 클래딩함으로써 강도와 연성이 동시에 우수한 티타늄-알루미늄계 클래드재가 얻어질 수 있다. 티타늄은 대기, 해수, 부식성 가스(이황산가스, 황화수소가스 등) 등에 대한 내식성이 우수하여 화학 및 석유 설비, 해상 구조물, 수중 장비, 해수담수화 장치용 열교환기, 화력/원자력 발전소용 냉각 파이프 등의 분야를 비롯하여 대도시, 해안지대, 공업지대, 온천지대 등에서 건축 자재(지붕, 외장재 등)로 사용되거나 사용이 기대되고 있다. 이러한 건축자재로 사용되는 경우에는 시공성 향상을 위하여 경량화가 필요한데 본 발명에 따른 티타늄/알루미늄 소재로 구성되는 클래드재는 우수한 내식성과 경량성을 겸비할 수 있는 특징이 있어 상기 건축 자재로 사용되기 적합하다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄-알루미늄으로 이루어진 2층 구조의 클래드재를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄-알루미늄-티타늄으로 이루어진 3층 구조의 클래드재를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 티타늄-알루미늄 19층 클래드재의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.

이와 같은 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명을 하면 다음과 같다.

본 발명의 티타늄계 클래드재는

티타늄판 및 알루미늄판으로 이루어진 클래드재로서, 상기 티타늄판의 두께:알루미늄판의 두께의 비율이 5:1 이상, 바람직하게는 5:1 ~ 50:1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 티타늄-알루미늄 클래드재는 티티늄 소재의 두께/알루미늄 소재의 두께의 비가 5 이상, 바람직하게는 5~50인 것을 특징으로 한다. 이와 같이 티타늄 소재의 두께/알루미늄 소재의 두께 비율을 정한 이유는 상기 비율보다 티타늄 소재의 비율이 적을 경우에는 강도가 떨어지는 문제가 있기 때문이다.

상기한 바와 같이 티타늄과 알루미늄의 클래드재는 티타늄의 내부식성 및 강도를 그래도 유지할 수 있으면서, 부족한 연성의 문제를 알루미늄이 보완해 주고, 비중 4.5인 티타늄에 비중 2.7의 알루미늄 소재가 추가됨으로써 상대적으로 경량화가 가능하므로 기존 티타늄 단독 소재를 사용할 경우에 비하여 작업성이 현저히 개선될 수 있다.

본 발명에 있어서의 티타늄-알루미늄 클래드재는 상기 2층 구조뿐만 아니라 티타늄-알루미늄 클래드의 알루미늄판 상에 티타늄판이 더 적층된 3층 구조도 포함한다. 이러한 3층 구조의 경우에는 알루미늄의 양측으로 티타늄이 외막을 형성하므로 알루미늄의 두께를 비교적 넓게 조정할 수 있다. 또한, 상기 구조를 포함하는 다층 구조 역시 본 발명의 범위에 포함된다.

알루미늄은 내산화성이 우수하고 가공성이 좋은 경량금속이다.

본 발명은 티타늄과 알루미늄의 두께비를 조정하여 압연 방법에 의해 클래딩재를 얻는 것이 특징이다. 이러한 방법은 경제성이 높고 처리온도가 자유로우며 용해나 산화가 일어나지 않아 제조가 용이한 것이 특징이다.

본 발명에 따른 티타늄-알루미늄 클래드재의 제조방법은 구체적으로

(1) 티타늄판 및 알루미늄판을 세척하는 단계;

를 포함하는 클래드재의 제조방법으로서, 상기 티타늄판의 총두께:알루미늄판의 총두께가 5:1 이상, 바람직하게는 5:1~50:1이고, 압연은 냉간압연, 열간압연 혹은 이들의 조합으로 행해지며, 압하율은 30% 이상, 바람직하게는 30 ~ 90%인 것을 특징으로 한다.

상기 방법에 의해 티타늄-알루미늄의 2층 구조를 갖는 클래드재가 얻어진다.

한편, 알루미늄판의 양측에 티타늄판이 접합된 클래드재를 얻기 위해서는

상기 티타늄판 및 알루미늄판을 적층하고 상기 알루미늄판 상에 티타늄판을 더 적층하는 것을 포함할 수 있다. 이와 같은 방법에 의해 3층 구조를 갖는 티타늄-알루미늄 클래드재가 얻어질 수 있으며, 3층 구조의 티타늄-알루미늄 클래드재의 경우는 2층 구조의 티타늄-알루미늄 클래드재에 비하여 알루미늄의 두께를 비교적 넓게 조정할 수 있다.

본 발명에 티타늄-알루미늄 클래드재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 (1)의 세척단계는 일반적으로 판을 알칼리 용액에 침지함으로써 행할 수 있다. 한편 판의 세척은 산세(acid washing)에 의하여 수행될 수 있는데, 예를 들어 티타늄판의 경우에는 질산 또는 황산 용액에 일정 시간 침지하면 스케일을 제거할 수 있고, 알루미늄판의 경우에는 수산화나트륨 용액에 침지한 후 석유 에테르 용액으로 세정할 수 있다. 한편 표면 산화에 민감하지 않은 재료는 별다른 처리 없이 표면을 세척하는 것만으로도 세척이 완료될 수 있다.

다음으로 티타늄판 및 알루미늄판을 차례로 적층한 후 가열 압연을 실시한다. 이 때 가열온도로는 알루미늄판이 용용되기 전에 실시해야 하므로 용융온도 미만에서 실시하는 것이 바람직하며, 상기 가열에 따른 시간은 구체적으로 한정하지는 않으나, 바람직하게는 10~120분, 더욱 바람직하게는 20~60분 범위가 적절하다.

이 때 압하율은 30% 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 30% ~ 90%가 적절하다. 압하율이 상기 범위보다 적으면 충분한 접합 강도를 얻을 수 없기 때문이다. 본 발명에서 티타늄판과 알루미늄판 간의 결합강도를 높이기 위하여 티타늄판을 사용함에 있어 알루미늄과의 결합면이 얇은 알루미늄층으로 미리 덮여진 제품을 사용할 수도 있으며 이 역시 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 클래드재에 관하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

[ 제조예 1]

두께 0.54mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.02mm의 순알루미늄판과 0.54mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 19층이 되도록 한 후, 600℃로 30분간 가열한 후 30%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.95mm의 19층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 2]

두께 0.27mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.02mm의 순알루미늄판과 0.27mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 19층이 되도록 한 후, 500℃로 30분간 가열한 후 50%의 압하율로 열간 압연하고, 30%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1mm의 19층 클래드 판재를 제조하였다. 본 클래드판재의 단면사진을 도 3에 나타내었다.

[ 제조예 3]

두께 0.27mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.02mm의 순알루미늄판과 0.27mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 19층이 되도록 한 후, 50%의 압하율로 냉간 압연하고, 400℃로 30분간 가열한 후 30%의 압하율로 열간 압연하여 최종 두께 1mm의 19층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 4]

두께 0.27mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.06mm의 순알루미늄판과 0.27mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 19층이 되도록 한 후, 300℃로 30분간 가열한 후 60%의 압하율로 열간 압연하고, 40%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 0.78mm의 19층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 5]

두께 0.96mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.06mm의 순알루미늄판과 0.96mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 9층이 되도록 한 후, 500℃로 30분간 가열한 후 50%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.26mm의 9층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 6]

두께 0.96mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.12mm의 알루미늄 5052 합금판과 0.96mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 9층이 되도록 한 후, 500℃로 30분간 가열한 후 40%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.58mm의 9층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 7]

두께 0.96mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.12mm의 순알루미늄판 과 0.96mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 9층이 되도록 한 후, 600℃로 30분간 가열한 후 30%의 압하율로 열간 압연하고, 80%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 0.74mm의 9층 클래드 판재를 제조하였다.

[ 제조예 8]

두께 1.5mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.2mm의 알루미늄 3003 합금판과 1.5mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 3층이 되도록 한 후, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.6mm의 3층 클래드 판재를 제조하였다.

[비교 제조예 1]

두께 0.5mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 0.5mm의 순알루미늄판 과 0.5mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 9층이 되도록 한 후, 500℃로 30분간 가열한 후 50%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.13mm의 9층 클래드 판재를 제조하였다.

[비교 제조예 2]

두께 2mm의 순티타늄판이 최외층면이 되도록 1mm의 순알루미늄판과 2mm의 순티타늄판을 교대로 적층하여 총 3층이 되도록 한 후, 500℃로 30분간 가열한 후 50%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.25mm의 3층 클래드 판재를 제조하였다.

[비교 제조예 3]

두께 3.5mm의 순티타늄판을 600℃로 30분간 가열한 후 30%의 압하율로 열간 압연하고, 50%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 1.23mm의 판재를 제조하였다.

[비교 제조예 4]

두께 3.5mm의 순티타늄판을 600℃로 30분간 가열한 후 30%의 압하율로 열간 압연하고, 80%의 압하율로 냉간 압연하여 최종 두께 0.49mm의 판재를 제조하였다.

[ 실험예 1] 강도 및 연성 측정

상기 제조예 및 비교제조예에서 얻어진 각 샘플에 대해 실온에서 1x10^-3s^- ¹ 의 조건으로 인장시험을 행하였으며, 얻어진 응력-변형률곡선으로부터 인장강도 및 연신율을 측정하였다.

구분	클래드층수	Ti층:Al층 총두께 비율	인장강도 (MPa)	연신율(%)	비중
제조예 1	19층	30:1 (Al:1100)	770	15	4.44
제조예 2	19층	15:1 (Al:1100)	775	16	4.39
제조예 3	19층	15:1 (Al:1100)	705	18	4.39
제조예 4	19층	5:1 (Al:1100)	650	12	4.2
제조예 5	9층	20:1 (Al:1100)	734	17	4.41
제조예 6	9층	10:1 (Al:5052)	767	13	4.34
제조예 7	9층	10:1 (Al:1100)	783	10	4.34
제조예 8	3층	15:1 (Al:3003)	705	12	4.39
비교제조예 1	9층	1.25:1 (Al:1100)	252	5.7	3.7
비교제조예 2	3층	4:1 (Al:1100)	590	9.1	4.14
비교제조예 3	클래드층 없음	Ti판만 존재	630	14	4.5
비교제조예 4	클래드층 없음	Ti판만 존재	730	7.9	4.5

상기 표 1의 결과에서 보듯이, 티타늄층:알루미늄층의 비율이 5:1 이상인 경우, 인장강도가 650 MPa 이상이고, 연신율이 10% 이상임을 볼 수 있는데, 이 결과는 클래딩 하지 않은 통상의 순티타늄판 (비교제조예 3 및 4)에 비해 기계적 성질이 향상되었음을 알 수 있다. 한편, 티타늄층:알루미늄층의 비율이 5:1 미만인 경우, 기계적 성질이 열악해 짐을 볼 수 있다.

또한, 내식성에 있어서는 티타늄판을 최외층으로 위치하게 함으로써 통상의 순티타늄의 내식성과 동등하고, 비중도 경량으로서 동등 수준임을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 도면을 참조하여 그 구조 및 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 30 : 티타늄층 20 : 알루미늄층

Claims

티타늄판 및 알루미늄판으로 이루어진 클래드재로서, 상기 티타늄판의 두께:알루미늄판의 두께의 비율이 5:1 이상인 것을 특징으로 하는 클래드재.
청구항 1에 있어서, 상기 티타늄판의 두께:알루미늄판의 두께의 비율이 5:1 ~ 50:1인 것을 특징으로 하는 클래드재.
청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄판 상에 티타늄판이 더 적층된 것을 특징으로 하는 클래드재.
(1) 티타늄판 및 알루미늄판을 세척하는 단계;
(2) 티타늄판 및 알루미늄판을 차례로 적층한 후 압연하는 단계
를 포함하는 클래드재의 제조방법으로서, 상기 티타늄판의 총두께:알루미늄판의 총두께가 5:1 이상이고, 압연은 냉간압연, 열간압연 혹은 이들의 조합으로 행해지며, 압하율은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 클래드재의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 티타늄판의 총두께:알루미늄판의 총두께가 5:1 ~ 50:1이고, 상기 압하율은 30% ~90%인 것을 특징으로 하는 클래드재의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 티타늄판 및 알루미늄판을 적층하고 상기 알루미늄판 상에 티타늄판을 더 적층하는 것을 특징으로 하는 클래드재의 제조방법.