KR20160129036A

KR20160129036A - 관 길이 방향의 강도, 강성이 우수한 α+β형 티타늄 합금 용접관 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20160129036A
Application number: KR1020167026905A
Authority: KR
Inventors: 아키라 가와카미; 가즈히로 다카하시; 히데키 후지이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-11-08
Also published as: WO2015156358A1; KR101871619B1; CN106133160A; JPWO2015156358A1; CN106133160B; JP6187679B2; EP3112483A1; US20170014882A1; EP3112483A4

Abstract

α+β형 티타늄 합금 용접관이며, 질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫를 초과하고, 관 길이 방향의 영률이 130㎬를 초과하는 것을 특징으로 하는, 관 길이 방향의 강도·강성이 우수한 α+β형 티타늄 합금 용접관.
Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)
여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.

Description

관 길이 방향의 강도, 강성이 우수한 α+β형 티타늄 합금 용접관 및 그 제조 방법{WELDED PIPE OF Α+Β TITANIUM ALLOY WITH EXCELLENT STRENGTH AND RIGIDITY IN PIPE-LENGTH DIRECTION, AND PROCESS FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 관 길이 방향의 강도, 영률이 높은 α+β형 티타늄 합금 용접관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

α+β형 티타늄 합금은, 높은 비강도를 이용하여, 항공기의 구성 부재 등으로서 옛부터 사용되어 왔다. 최근, 항공기에 사용되는 티타늄 합금의 중량비는 증가하고 있으며, 그 중요성은 점점 높아지고 있다. 민생품 분야에 있어서도, 골프 클럽 페이스를 위한 용도로 높은 영률과 경비중을 특징으로 하는 α+β형 티타늄 합금이 많이 사용되게 되었다. 나아가서는, 경량화가 중요시되는 자동차용 부품, 또는, 내식성과 비강도가 요구되는 지열 우물 케이싱이나 유정관 등에도, 고강도 α+β형 티타늄 합금이 일부 사용되고 있으며, 추가적인 적용 확대가 기대되고 있다.

α+β형 티타늄 합금관 제품은, 우수한 내식성 및 고강도를 갖는 점에서, 상기 지열 우물 케이싱이나 유정관 등의 에너지 용도에 사용되고 있다. 또한, 높은 비강도와 우수한 고온 강도를 갖는 내열 합금관 제품은, 자동차의 배기관 등에 사용되고 있다.

또한, α+β형 티타늄 합금관 제품은, 높은 비강도를 활용하여, 자동차나 오토바이의 프레임이나 보강용 부품 등의 강도 부재에 대한 적용도 유망시되고 있다. 이 용도로는, 관 길이 방향의 강도 및 강성이 높은 것이 필요하고, 특히, 인장 강도로 900㎫ 이상, 영률로 130㎬ 이상이 바람직하다. 나아가서는, 다른 용도 이상으로, 제조 비용이 낮을 것이 요구된다. 또한, 이들 용도로는 경량화가 특히 유효하기 때문에, 보다 박육·소직경으로 관축 방향의 강성 및 강도가 높은 관 제품의 요구는 점점 높아지고 있다.

이 α+β형 티타늄 합금관을 얻는 방법으로서, 경사 압연법을 이용하여 이음매 없는 관을 제조하는 방법이, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 나타나 있다. 특허문헌 1에서는, 열간 압연 조건을 규정함과 함께, β 변태점 이상의 온도에서 어닐링함으로써, 파괴 인성 개선을 목적으로 하고 있다. 그러나, β 변태점 이상에서 어닐링하면, 열연 후의 α+β형 합금판의 역학적 특성은, 등방적이 되고, 관 길이 방향과 주위 방향에 있어서 강도 및 탄성률은 그다지 높지 않은 레벨에서 마찬가지가 되어, 본 발명이 목적으로 하는 관 길이 방향의 고강도화·고강성화를 얻는 것은 곤란하다.

또한, 특허문헌 2에서는, 소재 표면에 큰 전단 변형이 도입되기 때문에, 피열연 소재에 있어서 가혹한 열간 가공을 행하는 경사 압연 프로세스에 있어서, 소재의 열간 가공성을 확보하는 것을 목적으로 하여, 각 공정에서의 열간 가공 온도를 규정하고 있다. 이 경우에도, 관 길이 방향이 고강도가 되는 열연 집합 조직을 얻을 수는 없고, 본 발명이 목적으로 하는 관 길이 방향의 고강도화·고강성화를 달성하는 것은 곤란하다.

경사 압연법 이외에도, 유진 세쥴법 등을 이용한 열간 압출 프로세스에 의해 이음매 없는 관을 얻는 방법이 있다. 어느 방법에 의하더라도, 관 길이 방향으로 고강도·고강성화를 얻을 수 있는 집합 조직을 얻는 것은 곤란하다. 또한, 일반적으로, 판상 소재를 굽힘 가공하여 용접관을 제조하는 프로세스에 비하여 생산성이 낮기 때문에, 제조 비용이 높다는 문제도 있다.

이어서, α+β형 티타늄 합금관을 얻는 방법으로서, 열간 압연 또는 또한 냉간 압연에 의해 얻어지는 판상 소재에 굽힘 가공을 행하고, 맞댐부를 TIG, MIG, EB 또는 플라즈마 아크 용접 등에 의해 용접관을 제조하는 방법이, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 나타나 있다. 모두, 경사 압연 또는 열간 압출 프로세스에 비하여 생산성이 높은 데다가, 이음매 없는 관에서 자주 보이는 두께 편차를 시정하기 위한 절삭 가공이 불필요해지기 때문에 수율이 높고, 제조 비용의 저감화를 도모할 수 있다.

특허문헌 3은, Ti-3％ Al-2.5％V 및 Ti-6％ Al-4％V(％는 mass％, 이하 생략)에 있어서, 용접관의 두께 허용차를 작게 규정함으로써 두께 편차를 억제하여 대량의 절삭 가공을 불필요로 하고 있다. 나아가서는, 특허문헌 1과 마찬가지로, β 어닐링 조직을 활용하여 파괴 인성을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서, 이 경우에도, 관 길이 방향과 주위 방향에 있어 강도는 마찬가지가 되고, 재질 이방성은 발현하지 않기 때문에, 본 발명이 목적으로 하는 관 길이 방향의 고강도화·고강성화를 얻는 것은 곤란하다.

또한, 특허문헌 4에서는, 후프라고 불리는 긴 소재를 사용하여, 롤 포밍법에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금 용접관을 연속적으로 조관(造管)할 때, 복수개의 용접 토치를 사용함으로써, 용접부 무결함과 생산 효율 향상을 양립할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 이 프로세스에서는, 소재 후프의 판 폭 방향을 만곡시켜서 용접관을 제조한다고 되어 있어, 후술하겠지만, 관 길이 방향의 강도·강성을 높이는 방향은 아니다.

또한, 특허문헌 5, 특허문헌 6 및 특허문헌 7에는, 자동차 및 오토바이의 배기관 용도를 위한 내열 티타늄 합금이 개시되어 있다. 이들 합금은 고온 강도 및 내산화성이 우수하고, 또한, 냉간 가공성이 우수한 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 이들 합금의 실온에서의 인장 강도는 400 ~ 600㎫ 정도이고, 오토바이 및 자전거의 프레임이나 자동차의 강도 부재 등에 요구되는 900㎫ 이상의 관 길이 방향의 실온 인장 강도를 얻을 수는 없다.

비특허문헌 1에는 순 티타늄에서의 판면 내의 강도 이방성과 집합 조직의 관계에 대해서, 예가 기재되어 있으며, Basal-texture(HCP 저면이 판의 법선 또는 그것에 가까운 방향으로 배향된 집합 조직. 이하, B-texture라 함)에 비해, Transverse-texture(티타늄 α상의 HCP 저면인 (0001)면의 법선 방향인 c축 방위가 판 폭 방향(압연 직각 방향)으로 강하게 배향되는 집합 조직. 이하, T-texture라 함)에서는 항복 응력의 이방성이 크다고 되어 있다.

티타늄 α상의 육방정 HCP 구조의 저면인 (0001)면의 법선 방향인 c축 방위를 나타내는 방법을 도 1에 도시한다. ND축(판면 법선 방향)과 c축이 이루는 각을 θ라 한다. 또한, c축을 판면에 투영하여 얻어지는 선과 TD축(판 폭 방향)이 이루는 각도를 φ라 한다. 상기 B-texture는, c축이 ND축에 가까운 방향의 배향이며, 판면 내에는 특별히 치우침은 없기 때문에, 각 θ는 작고, 각 φ는 -180도 ~ 180도의 전체 주위에 분포하고 있는 것으로 나타낼 수 있다. 또한, 상기 T-texture는, c축이 TD축에 가까운 방향의 배향이기 때문에, 각 θ는 90도 근방이며, 각 φ는 0도 근방, 또는, 180도 근방에 분포하고 있는 것으로 나타낼 수 있다. 또한, 도 1에 있어서, RD축(압연 방향)으로 나타낸 방향은, 이하에서는, 판 길이 방향이라고도 표기한다.

비특허문헌 1에 있어서는, 순 티타늄에 있어서 β 온도 영역으로 가열하고 나서, T-texture에 유사한 집합 조직이 형성되는 것이 설명되어 있다.

또한, 특허문헌 8에서는, 순 티타늄에 있어서, β 온도 영역에서 열간 압연을 개시하는 기술이 개시되어 있다. 이것은, 결정립을 미세화함으로써, 주름 흠집의 발생을 방지하는 것이다. 가공성의 1종인 스트레치 성형성을 얻는 것으로서, 산소, Fe를 포함하는 티타늄 합금의 기술이 특허문헌 9에 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 10에서는, α+β형 티타늄 합금에 있어서, 900㎫ 이상의 축 방향 강도를 갖는 α+β형 티타늄 합금관을, 높은 조관성으로 가공할 수 있는 α+β형 티타늄 합금판, 및 그것을 사용한, 고강도의 α+β형 티타늄 합금관 제품에 관한 기술이 개시되어 있다. 이것은, 소재가 되는 열연판을 일 방향 열연했을 때, 주상인 α상(HCP 구조)의 c축이 판 폭 방향으로 강하게 배향되는 Transverse-texture(T-texture)라고 불리는 집합 조직을 나타내는 것을 이용한 것이다. 이 판을 사용하여 용접관을 제조할 때, 판 길이 방향을 원주 방향이 되도록 조관하면 가공하기 쉽고, 또한, 관축 방향의 강도가 높아지는 것을 이용한 것이다.

그러나, 당해 발명에서는, 소재는 열연판에 한정되어 있기 때문에, 판 두께를 3.0㎜ 정도보다 얇게 하는 것은 곤란하여, 소직경 박육관을 제조하는 것은 곤란하였다. 특히, 자전거 프레임 등에서는 경량화 요구가 높고, 소직경 박육, 또한, 축 방향의 강도, 강성도가 높은 것이 바람직하다. 그러나, 당해 용도에 사용되는, 900㎫ 이상의 축 방향 강도를 갖는 소직경 박육의 α+β형 티타늄 합금관을, 높은 조관성으로 가공할 수 있는 α+β형 티타늄 합금판, 및 그것을 사용한, 고강도의 소직경 박육 α+β형 티타늄 합금관 제품에 관한 기술은, 개시되어 있지 않았다.

또한, 특허문헌 11에서는, 특허문헌 10과 동 조성의 α+β형 티타늄 합금 열연판에 있어서 냉연성을 향상시키기 위해 가져야 할 집합 조직이 개시되어 있고, 당해 열연판이, 발달된 T-texture를 갖고 있으면, 냉간에서의 코일 취급성이나 냉연성이 양호해지는 것이 규정되어 있다. 따라서, 특허문헌 11에 기재된 화학 성분과 집합 조직을 갖는 티타늄 합금 열연판의 냉연성은 양호하여, 얇은 냉연 제품을 제조하는 것은 용이하다. 그러나, 냉연 후에 어닐링을 행하면, B-texture가 생성되기 쉽고, 열연판으로 생성된 T-texture가 손상되어 버리기 때문에, 판 폭 방향의 높은 강도와 영률을 유지하는 것은 곤란하였다.

일본 특허 공개 평9-228014호 공보 일본 특허 공개 평2-34752호 공보 일본 특허 공개 제2001-115222호 공보 일본 특허 공개 제2000-158141호 공보 일본 특허 제4486530호 공보 일본 특허 제4516440호 공보 일본 특허 공개 제2007-270199호 공보 일본 특허 공개 소61-159562호 공보 일본 특허 공개 제2008-127633호 공보 일본 특허 공개 제2013-79414호 공보 WO2012-115242 A1

사단 법인 일본 티타늄 협회 발행, 2006년 4월 28일 「티타늄」 Vol.54, No.1, 42 ~ 51 페이지

본 발명은, 이상의 사정을 배경으로 하여 이루어진 것이며, α+β형 티타늄 합금판을 굽힘 가공하여 양단부를 맞대기 용접해서 용접관을 제조할 때, 조관성을 높인 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 사용한 용접관의 제조 방법과, α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 사용하여 조관한, 관 길이 방향의 강도, 강성이 높은 α+β형 티타늄 합금 용접관을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 발명자들은, α+β형 티타늄 합금판의 집합 조직에 착안하여 예의 검토를 거듭하여, 판면 방향의 집합 조직의 T-texture를 발달시킴과 함께 안정화시킴으로써, 판 길이 방향의 연성이 개선되는 것 알아냈다. 또한, 발명자들은, T-texture의 안정도를 평가하기 위해 예의 검토를 거듭하여, 판 길이 방향의 연성이 양호해지는 충분히 발달된 안정된 T-texture를 갖는 α+β형 티타늄 합금판에서는, 판면 방향의 집합 조직이, 육방정 결정 구조를 갖는 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 c축과 판 법선 방향이 이루는 각도인 각 θ가 0 ~ 30°인 영역에 배향되어 있는 제1 결정립과, 상기 각 θ가 80 ~ 100°이며, 또한 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 c축의 판면에 대한 투영선과 판 폭 방향이 이루는 각도인 각 φ가 -10 ~ 10°인 영역에 배향되어 있는 제2 결정립을 갖고, 제1 결정립과 제2 결정립에 있어서의 α상의 저면으로부터의 X선 상대 강도의 최강값의 비(제2 결정립/제1 결정립)가 5.0 이상이 되는 것을 알아내어, 본 발명을 상도하였다.

또한, 발명자들은, α+β형 티타늄 합금판의 제조 방법에 대해서, α+β형 티타늄 합금판에 있어서의 집합 조직의 형성 과정을 고려하여, 예의 연구를 진행시켜 조사를 거듭했다. 그 결과, 티타늄 합금을 일 방향 열연, 또는, 열연과 동일한 방향으로 더욱 일 방향 냉간 압연하면, T-texture를 나타내고, 판 폭 방향의 강도가 매우 높아져, 이 방향을 관 길이 방향으로 함으로써, 관축 방향의 강도 및 강성을 현저하게 높이는 것이 가능함을 알아내었다.

또한, 발명자들은, 상기 집합 조직을 발달시킨 판의 길이 방향을, 관의 주위 방향으로 하여 성형 가공함으로써 조관하면, 변형 저항이 낮아 조관성이 개선됨을 알아내었다. 이것은, T-texture의 발달에 의해, 이하에 나타내는 바와 같이, 판 길이 방향의 강도가 저하되어 연성이 개선되기 때문에, 그 방향을 관의 주위 방향으로 함으로써, 주위 방향의 굽힘 가공성이 양호해지기 때문이다.

순 티타늄에서는, B-texture와 T-texture에 있어서의 판 폭 방향의 항복 응력은 크게 상이하지만, 판 길이 방향의 항복 응력은 거의 변함없다. 그러나, 순 티타늄보다도 고강도의 α+β형 티타늄 합금에 있어서는, 실제로는, T-texture를 안정화하면 길이 방향의 강도는 낮아진다. 이것은, 냉연과 같이, 실온 부근에서 티타늄을 냉간 가공하는 경우, 주요 미끄러운면은 저면 내에 한정되는 것과, 순 티타늄에서는 미끄럼 변형에 더하여, HCP의 c축에 가까운 방향을 쌍정 방향으로 하는 쌍정 변형도 일어나기 때문에, 소성 이방성이 티타늄 합금에 비해 작은 것에서 기인된다. 순 티타늄에 비하여 O 함유량이 높고, Al 등을 함유하는 α+β형 티타늄 합금에서는, 쌍정 변형이 억제되어, 미끄럼 변형이 지배적이기 때문에, 집합 조직 형성에 수반하여, 저면이 특정한 방향으로 배향됨으로써, 판면 내에서의 재질 이방성이 더 조장된다. 이렇게 해서, α+β형 티타늄 합금에 있어서는, T-texture를 안정화함으로써, 판 길이 방향의 강도가 낮아지고 연성이 향상되기 때문에, 이 방향을 관의 주위 방향으로 설정함으로써, 관에 대한 성형 가공 시의 변형 저항이 저하되어 조관성이 개선되는 것이다.

또한, α+β형 티타늄 합금에 있어서, 냉간 압연 시의 판 두께 감소율(이하, 냉연율=(냉연 전의 판 두께-냉연 후의 판 두께)/냉연 전의 판 두께×100(％))이 높으면, 그 후의 어닐링 조건에 따라서는 B-texture가 되어 T-texture가 얻어지지 않게 되어 버린다. 따라서, 발명자들은, 티타늄 합금 냉연 어닐링판에 있어서 예의 연구를 진행시켜, B-texture가 되는 기구를 밝히는 것과 함께, 냉연율과 어닐링 조건을 제어함으로써, 강한 T-texture를 유지할 수 있는 제조 조건을 알아냈다.

또한, 발명자들은, 합금 원소의 조합 및 첨가량의 적정화에 의해, 티타늄 합금 냉연 어닐링판에 있어서 T-texture가 더 발달하여, 상기 효과를 높일 수 있고, 관 길이 방향으로 900㎫ 이상의 인장 강도와 130㎬ 이상의 영률을 얻을 수 있음을 발견하였다.

본 발명은 이하의 수단을 골자로 한다.

[1]

질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 하기 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 가공하여 제조된 용접관이며,

관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫를 초과하고, 관 길이 방향의 영률이 130㎬를 초과하는 것을 특징으로 하는, α+β형 티타늄 합금 용접관.

Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)

여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.

[2]

질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 하기 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 가공하여 용접관을 제조하는 방법이며,

상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 집합 조직이, 압연면 법선 방향을 ND, 판 길이 방향을 RD, 판 폭 방향을 TD라 하고, α상의 (0001)면의 법선 방향을 c축 방위로 하고, c축 방위가 ND와 이루는 각도를 θ, c축 방위의 판면에 대한 투영선과 판 폭 방향(TD)의 이루는 각도를 φ라 하고, 각도 θ가 0도 이상 30도 이하이며, 또한 φ가 -180도 ~ 180도에 들어가는 결정립에 의한 X선의 (0002) 반사 상대 강도 중, 가장 강한 강도를 XND라 하고, 각도 θ가 80도 이상 100도 미만이고, φ가 ±10도의 범위 내에 들어가는 결정립에 의한 X선의 (0002) 반사 상대 강도 중, 가장 강한 강도를 XTD라 했을 경우, 비 XTD/XND가 5.0 이상이며,

상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 관상으로 가공할 때, 상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의, 판 폭 방향을 상기 α+β형 티타늄 합금 용접관의 길이 방향으로 하고, 상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 판 길이 방향을 상기 α+β형 티타늄 합금 용접관의 주위 방향으로 하는 것을 특징으로 하는, α+β형 티타늄 합금 용접관의 제조 방법.

Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)

여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.

[3]

상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판은, 일 방향 열간 압연판을 소재로 하여, 열간 압연과 동일한 방향으로 일 방향 냉간 압연하고, 어닐링하여 제조되며,

상기 일 방향 냉간 압연의 냉연율이 25％ 미만의 경우에는, 500℃ 이상 800℃ 미만에서, 하기 식 (2)의 t 이상의 유지 시간의 어닐링이 행해지고, 냉연율이 25％ 이상의 경우에는, 500℃ 이상 620℃ 미만에서, 하기 식 (2)의 t 이상의 유지 시간의 어닐링이 행해지는 것을 특징으로 하는, [2]에 기재된 α+β형 티타늄 합금 용접관의 제조 방법.

t=exp(19180/T-15.6) …(2)

여기서, t: 유지 시간(s), T: 유지 온도(K)이다.

본 발명에 의해, α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 굽힘 가공하여 관 형상으로 성형하고, 구부린 박판의 양단을 맞대어 용접하는 소직경 박육 α+β형 티타늄 합금 용접관의 제조 공정에 있어서, 굽힘 가공성이 우수하며 조관성이 양호한 고강도 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링 박판을 사용한 용접관의 제조 방법과, 그 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링 박판을 사용하여 제조한, 관 길이 방향의 강도, 강성이 우수한 소직경 박육 α+β형 티타늄 합금 용접관을 제공할 수 있다.

도 1은α+β형 티타늄 합금판의 결정 배향을 설명하는 도면이다.
도 2는 티타늄 α상의 (0002) 극점도의 예이다.
도 3은 티타늄 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 XTD와 XND의 측정 위치를 도시하는 모식도이다.
도 4는 X선 이방성 지수와 판 길이 방향(압연 방향)의 0.2％ 내력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 X선 이방성 지수와 관 길이 방향(축 방향)의 인장 강도(TS)의 관계를 도시하는 도면이다.

본 발명의 α+β형 티타늄 합금 용접관은, 질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 하기 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 가공하여 제조된 용접관이며, 관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫를 초과하고, 관 길이 방향의 영률이 130㎬를 초과하는 것을 특징으로 한다.

Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)

여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.

본 발명자들은, 용접관용 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 조관성에 미치는 판면 방향의 집합 조직의 영향을 상세하게 조사하였다. 그 결과, 용접관 제조에 사용하는 냉연 어닐링판의 T-texture를 안정화시킴으로써, 판 길이 방향의 변형 저항이 낮아짐과 함께, 연성이 개선되기 때문에, 용접관을 제조할 때, 판 길이 방향이 관의 주위 방향이 되도록 굽힘 가공하면, α+β형 티타늄 합금판의 굽힘 가공성이 개선되는 것을 알아내었다. 나아가서는, 그때, 판 폭 방향은 고강도이며 또한 높은 영률이 되기 때문에, 관 길이 방향은 고강도·고강성을 갖는 특성을 나타낸다. 특히, 높은 판 두께 감소율로 냉연을 행한 후에 어닐링을 행하면, 상기 집합 조직이 손상되어 B-texture화되기 쉬워지기 때문에, 냉연율 및 그 후의 어닐링 조건을 규정함으로써, T-texture를 안정되게 유지하는 것이 가능해진다. 당해 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

먼저, 본 발명의 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 집합 조직에 있어서의 결정 방위를 나타내는 방법에 대해서, 다시 도 1을 사용하여 설명한다. 냉연 어닐링판의 압연면 법선 방향을 ND 방향, 판 길이 방향을 RD 방향, 판 폭 방향을 TD 방향으로 한다. 또한, 냉연 어닐링판의 판 길이 방향 RD는, 냉연 어닐링판의 냉연 방향이며, 냉연 어닐링판의 판 폭 방향 TD는, 판 길이 방향 RD에 수직이며, 또한, 냉연 어닐링판의 판면 법선 방향 ND에 수직인 방향이다. 본 발명에 있어서 중요한 것은, 티타늄 α상, 즉, 육방정(HCP) 결정 구조를 갖는 상의, 6회 대칭 결정면인 (0001)면의 법선인 c축의 방위이다. 도 1의 (a)에 도시하듯이, c축과 판 법선(ND) 방향이 이루는 각을 각 θ라 하고, c축의 판면에 대한 투영선과 판 폭(TD) 방향이 이루는 각을 각 φ라 한다. 상기 투영선이 TD 방향과 일치할 때, 각 φ=0으로 한다.

α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판에 있어서, 판 길이 방향의 낮은 내력·높은 연성과, 판 폭 방향에서의 높은 강도·강성은, T-texture를 강하게 발달시켰을 경우에 발휘된다. 발명자들은, T-texture를 발달시키는 합금 설계 및 집합 조직의 형성 조건에 대해서, 예의 연구를 진행시켜, 이하와 같이 해결하였다.

먼저, 집합 조직의 발달 정도를, X선 회절법에 의해 얻어지는, α상 저면으로부터의 X선 상대 강도의 최강값의 비를 사용하여 평가하였다. 도 2에 α상(HCP) 저면의 집적 방위를 나타내는 (0002) 극점도의 예를 나타낸다. 이 (0002) 극점도는, T-texture의 전형적인 예이며, c축이 강하게 판 폭 방향으로 배향되어 있다.

이러한 집합 조직은, c축이 주로 ND 방향으로 배향된 제1 결정립의 집적도와, c축이 주로 TD 방향으로 배향된 제2 결정립의 집적도의 비를 취함으로써 특징지어진다.

즉, α상의 (0002)면의 법선 방향인 c축 방위와 판 법선(ND) 방향이 이루는 각도인 각 θ가, 도 1의 (b)의 해칭부에 나타내는 바와 같이, 0도 ~ 30도이며, 또한 c축의 판면에 대한 투영선과 판 폭(TD) 방향이 이루는 각도인 각 φ가 -180 ~ 180°(전체 둘레)인 영역에 배향되어 있는 제1 결정립에 있어서의 α상의 저면으로부터의 X선(0002) 반사 상대 강도 중 가장 강한 강도(X선 상대 강도의 최강값)인 XND를 구한다.

또한, α상의 (0002)면의 법선 방향인 c축 방위와 판 법선(ND) 방향이 이루는 각도인 각 θ가 도 1의 (c)의 해칭부에 나타내는 바와 같이, 80도 ~ 100도이며, 또한 각 φ가 -10 ~ 10°인 영역에 배향되어 있는 제2 결정립으로부터의 X선 (0002) 반사 상대 강도 중 가장 강한 강도(X선 상대 강도의 최강값)인 XTD를 구한다.

이어서, 이것들의 비(XTD/XND(제2 결정립/제1 결정립))를 구한다. 이 비(XTD/XND)를 X선 이방성 지수라 부르는데, 이에 의해 T-texture의 안정도를 평가할 수 있다.

이러한 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 X선 이방성 지수(XTD/XND)에 관해 다양한 티타늄 합금판에 대하여 평가하였다. 도 3에 XTD와 XND의 측정 위치를 모식적으로 도시한다.

또한, 상기 X선 이방성 지수를 판 길이 방향으로의 굽힘 가공의 용이함과 관련지었다. 판을 관상으로 구부릴 경우의 굽힘 가공 용이함이 지표로서, 굽힘 방향(=판 길이 방향, 즉 압연 방향)의 0.2％ 내력을 사용하였다. 이 값이 작을수록 구부리기 쉬워져서, 조관하기 쉬워지게 된다.

1.1질량％의 Fe와 0.36질량％의 O를 함유하는 α+β형 티타늄 합금 일 방향 열연판을 사용하여, 다양한 조건에서 일 방향 냉연, 및 어닐링함으로써, 다양한 X선 이방성 지수를 나타내는 소재를 준비하였다. 이 소재로부터 JIS13B 판상 인장 시험편을 가공하여, X선 이방성 지수와, 인장 시험(JISZ2201)으로 얻어진 판 길이 방향의 0.2％ 내력의 관계를 조사하였다. 그 결과를 도 4에 도시한다. X선 이방성 지수가 높아질수록, 판 길이 방향의 0.2％ 내력은 낮아진다.

도 4에 도시하는 그래프를 작성할 때 0.2％ 내력의 측정에 사용한 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판과 같은 α+β형 티타늄 합금판을 사용하여, 판 길이 방향을 관상으로 굽힘 가공할 때의 변형 저항 및 굽힘 가공 용이함을 조사하였다. 그 결과, 0.2％ 내력이 610㎫ 이하가 될 경우에, 굽힘 가공 시의 변형 저항은 낮아져, 굽힘 가공성이 현저히 향상되는 것을 알아내었다. 0.2％ 내력이 610㎫ 이하가 될 때의 X선 이방성 지수는 5.0 이상이다.

또한, 도 4에 도시하는 그래프를 작성할 때 0.2％ 내력의 측정에 사용한 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판과 같은 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 사용하여, 프레스 가공에 의해 판 길이 방향으로 판을 구부려 그 양단부를 TIG 용접 하여 용접관을 제조하고, 얻어진 실관 시험편을 사용하여 인장 시험을 실시했을 때의 관 길이 방향의 인장 강도(TS)와 X선 이방성 지수의 관계를 조사하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다.

도 5에 도시하는 바와 같이, X선 이방성 지수가 커질수록, 관 길이 방향의 인장 강도는 상승한다. 소직경 박육의 오토바이 프레임이나 자동차용 강도 부재로서 사용하는 데 필요로 여겨지는 인장 강도 900㎫ 이상이 얻어지는 것은, X선 이방성 지수가 5.0 이상이 되는 경우이다.

또한, α+β형 티타늄 합금의 X선 이방성 지수가 5.0 이상이 될 경우, α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 판 폭 방향은 130㎬를 초과하는 높은 영률이 된다.

이러한 지견에 기초하여, 제1 결정립과 제2 결정립에 있어서의 α상의 저면으로부터의 X선 상대 강도(피크)의 최강값의 비(제2 결정립/제1 결정립)(XTD/XND)(X선 이방성 지수)를 5.0 이상으로 한정하였다. 또한, X선 이방성 지수는, 한층 더 우수한 굽힘 가공성과 인장 강도와 영률을 얻기 위해, 7.5 이상인 것이 바람직하다. 또한, 제1 결정립으로부터의 당해 X선 강도가 매우 작아지는 경우, 즉 제1 결정립에 속하는 결정립이 매우 적어지는 경우가 있고, 이 경우, X선 이방성 지수는 매우 커져, 발산되어 버리는 경우도 있다. 따라서 X선 이방성 지수에 상한은 설정되지 않는다.

이어서, 본 발명의 용접관용의 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 조성에 대하여 설명한다. 본 발명의 용접관에 사용되는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판은, 이하에 나타내는 화학 성분을 갖는다. 그로 인해, 특히, 판을 관상으로 굽힘 가공하여 용접관을 제조할 때의 굽힘 가공성을 주로 하는, 높은 조관성을 가짐과 함께, 관 길이 방향이 높은 강도 및 강성을 갖는다. 이하에, 본 발명의 용접관용 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 성분 원소의 선택 이유와, 성분 범위를 한정한 이유를 나타낸다. 성분 범위에 관한 ％는 질량％를 의미한다.

Fe는, β상 안정화 원소 중에서도 저렴한 첨가 원소이며, β상을 고용 강화하는 작용을 갖는다. 판을 관상으로 굽힘 가공할 때의 굽힘 가공성을 개선하기 위해, 냉연 어닐링 후의 집합 조직에서 강한 T-texture를 얻기 위해서는, 열연 중 및 냉연 후의 어닐링 시에 안정된 β상을 적정한 양비로 얻을 필요가 있다. Fe는 다른 β 안정화 원소에 비해, β 안정화능이 높은 특성을 갖는다. 이로 인해, 다른 β 안정화 원소에 비하여 함유량을 적게 할 수 있고, Fe에 의한 실온에서의 고용 강화는 그다지 향상되지 않아, 고연성을 유지할 수 있기 때문에, 굽힘 가공성을 확보할 수 있다. 열연 온도 영역 및 냉연 후의 어닐링 시에 안정된 β상을 적정한 체적비까지 얻기 위해서는, 0.8％ 이상의 Fe의 함유가 필요하다. 한편, Fe는 Ti 중에서 응고 편석되기 쉽고, 또한, 다량으로 함유하면 고용 강화에 의해 연성이 저하되어 굽힘 가공성이 저하됨과 함께, 영률이 낮은 β상 분율이 높아지기 때문에, 강성 저하를 초래한다. 그러한 영향을 고려하여, Fe의 함유량의 상한을 1.5％로 하였다. Fe 함유량의 보다 바람직한 범위는, 0.9 ~ 1.3％이다.

N은 α상 중에 침입형 고용되어 고용 강화의 작용을 갖는다. 그러나, 고농도의 N을 함유하는 스폰지티탄을 원료로서 사용하는 등, 통상의 방법에 의해, N을 0.020％를 초과하여 함유하면, LDI라고 불리는 미용해 개재물이 생성되기 쉬워져, 제품의 수율이 낮아지기 때문에, 0.020％를 상한으로 하였다. N 함유량의 보다 바람직한 범위는 0.010％ 이하이다. N은 함유하지 않아도 된다.

O는 N과 마찬가지로 α상 중에 침입형 고용되어, 고용 강화하는 작용을 갖는다. β상 중에 치환형 고용되어 강화하는 작용이 있는 Fe도 첨가하며, 이들 원소는, 다음 식 (1)에 나타내는 Q치에 따라서 강도 상승에 기여한다.

Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)

여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.

식 (1)에 있어서, O의 1질량％에 의한 고용 강화능에 대한 N과 Fe의 당량, 즉 등가의 고용 강화능을 부여하는 N과 Fe의 질량％를 평가함으로써 Q에 있어서의 [N]과 [Fe]의 계수를 정하였다.

상기 식에 나타내는 Q치가 0.34 미만인 경우에는, 일반적으로, α+β형 합금에서 요구되는 인장 강도 900㎫ 정도 이상의 강도가 얻어지기 어렵다. 또한, Q치가 0.55를 초과하면, 강도가 너무 높아져서 연성이 저하되고, 냉연성이 약간 저하되어 버린다. 따라서, Q치는 0.34를 하한, 0.55를 상한으로 하는 것이 바람직하다. Q의 보다 바람직한 범위는, 0.36 ~ 0.50이다.

또한, 가공성의 1종인 스트레치 성형성을 얻는 것으로서, 산소, Fe를 포함하는 티타늄 합금의 기술이 특허문헌 9에 개시되어 있지만, 특허문헌 9에서는, 그러한 가공성을 얻기 위해, 판면 내의 재질 이방성을 최대한 저감하는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서, 그만큼 큰 강도는 기대할 수 없다. 또한, 특허문헌 9에 본 발명 합금과 유사한 첨가 원소를 함유하는 티타늄 합금이 기재되어 있지만, 본 발명 합금에 비해 O의 첨가량이 낮고, 강도 범위도 낮기 때문에, 양자는 상이하다. 또한, 특허문헌 9에서는, 주로 냉간에서의 스트레치 성형성을 개선하기 위해, 판면 내의 재질 이방성을 최대한 저감하는 것을 목적으로 하고 있는 점이 본 발명의 기술 사상과 근본적으로 상이하다.

또한 본 발명은, 특히 T-texture를 발달시켜, 굽힘 가공성을 개선함과 함께, 판 폭 방향의 강도 및 강성을 높이기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법은, 일 방향 열연판을 소재로 하여, 열연과 동일한 방향으로 일 방향 냉연을 행할 때, 냉연율 25％ 미만의 경우, 500℃ 이상 800℃ 미만에서 식 (2)에 따르는 시간 t 이상의 유지에 의한 어닐링을 행하고, 냉연율 25％ 이상의 경우, 500℃ 이상 620℃ 미만에서 식 (2)에 따르는 시간 t 이상의 유지에 의한 어닐링을 행하는 것을 특징으로 한다.

t=exp(19180/T-15.6) …(2)

여기서, t: 유지 시간(s), T: 유지 온도(K)이다.

이때, 이 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 소재로서 사용하는 열연판은, 열연 전 가열 온도를 β 변태점부터 β 변태점+150℃으로 하고, 판 두께 감소율 90％ 이상에서, 열연 마무리 온도를 β 변태점-50℃ 이하 β 변태점-200℃ 이상에서 일 방향 열연한 판이 바람직하다. 이 경우, α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 소재는 강한 T-texture로 구성되고, 최종 제품에서도 T-texture가 유지되기 때문이다. 단, 이것을 출발 소재로 해도, 냉연 방향을 열연 방향과 크로스하는 방향으로 해 버리면, B-texture가 발달해 버려, 요구하는 재질 특성이 얻어지지 않게 된다. 따라서, 일 방향 냉연 후에 강한 T-texture로 하기 위해서는, 일 방향 냉연은 열연 방향과 동일한 방향으로 행할 필요가 있다.

이때, 일 방향 냉간 압연 시의 냉연율이 25％ 미만인 경우, 그 후의 어닐링 조건에는 크게는 영향을 받지 않고 T-texture는 유지되기 때문에, 판 폭 방향은 고강도이며 또한 높은 영률이 된다. 이것은 냉연에 의해 도입되는 가공 변형이 재결정을 일으킬 만큼 충분하지 않아, 회복만 일어나고, 결정 방위의 변화가 일어나지 않기 때문이다. 따라서, 냉연율 25％ 미만의 경우, 넓은 조건 범위에서 어닐링을 행해도 T-texture는 유지되어, 판 폭 방향의 높은 강도는 확보할 수 있다. 이때, 500℃ 이하에서 어닐링하면 회복하기까지 장시간을 필요로 하는 데다가, 장시간 유지 중에 FeTi 금속 간 화합물을 생성하여 연성 저하가 일어날 가능성이 있기 때문에, 500℃ 이상이 바람직하다. 또한, 800℃ 이상에서 어닐링을 행하면 유지 중의 β상 분율이 높아져, 유지 후의 냉각에서 그 부분이 바늘 형상 조직이 되어 연성이 저하되어 버리는 경우가 있으므로, 800℃ 미만으로 한다. 그 때, 회복이 일어날 때까지의 유지 시간은 식 (2)로 표시되는 시간이기 때문에, 식 (2)에 나타내는 시간 t 이상의 유지를 행하는 것이 바람직하다.

한편, 냉연율이 25％ 이상인 경우, 어닐링 조건에 따라서는, B-texture가 발달하여, 판 폭 방향의 강도 및 영률은 저하되어 버린다. 이것은 냉연에 의해 도입된 변형이 재결정을 일으키게 하기에도 충분히 높은 점에서, 어닐링 시에 B-texture의 주성분 방위를 갖는 재결정립이 생성되고, 어닐링 시간과 함께 재결정 집합 조직이 발달하기 때문이다. 이 경우에 재결정을 일으키게 하지 않고, 회복만을 일으키게 하려면, 500℃ 이상 620℃ 미만의 온도 T로 식 (2)로부터 산출되는 유지 시간 t 이상의 시간으로 어닐링 유지를 행하면 된다. 이때, 식 (2)의 유지 시간 t 미만의 유지 시간으로 어닐링을 행하면, 충분한 회복이 일어나지 않기 때문에, 연성이 개선되지 않는다. 또한, 620℃ 이상에서 어닐링을 행하면 재결정이 일어나고, B-texture가 생성되어 판 폭 방향의 강도 및 영률이 저하되어 버린다. 따라서, 620℃ 미만에서 식 (2)의 t 이상의 유지 시간에 의한 어닐링이 유효하다. 또한, 이 조성 범위의 합금에서는, 500℃ 이하의 어닐링에서는 재결정은 일어나지 않기 때문에, 이 온도 영역에서는 매우 장시간 유지해도 T-texture는 유지되지만, 식 (2)에 나타내는 범위 내이면, 어닐링의 목적인 회복은 충분히 일어나고 있기 때문에, 생산성이나 경제성을 고려하여 식 (2)에 나타내는 유지 시간을 규정하였다.

또한, 냉연 후의 어닐링에 대해서, 냉연율에 따라서 상기 조건을 만족하고 있으면, 몇번 반복해도 효과는 동일하다. 즉, 2회 이상의 냉연을 행할 때의 중간 어닐링 조건 및 최종 어닐링 조건이 상기 조건을 만족하고 있으면, 강한 T-texture는 유지되고, 판 폭 방향의 높은 강도 및 영률은 유지된다.

이어서, 본 발명의 α+β형 티타늄 합금 용접관에 대하여 설명한다. 본 발명의 용접관은, 소정의 집합 조직을 갖는 용접관용 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 사용하여, 판 폭 방향을 관의 길이 방향, 판 길이 방향을 관의 주위 방향으로 하여 조관해서 이루어지는 것이다. 따라서, 본 발명의 용접관은, 관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫를 초과하고, 영률이 130㎬를 초과하는 관 길이 방향의 강도·강성이 우수한 것이 된다.

상술한 바와 같이, 특허문헌 10에서는, α+β형 티타늄 합금에 있어서, 900㎫ 이상의 축 방향 강도를 갖는 고강도의 α+β형 티타늄 합금관 제품에 관한 기술이 개시되어 있지만, 당해 발명에서는, 소재는 열연판에 한정되어 있기 때문에, 판 두께를 얇게 하는 것은 곤란하여, 경량 요구가 높은 자전거 프레임 등에 사용되는 소직경 박육관을 제조하는 것은 곤란하였다. 그러나, 본 발명에 도시하는 바와 같이, 냉연 어닐링판을 용접관 소재에 사용함으로써, 축 방향의 강성·강도가 높은 소직경 박육관의 제조가 가능해졌다. 또한, 본 발명품의 티타늄 합금 용접관에는 외경이나 두께의 하한은 설정하지 않지만, 특히, 경량화 효과가 높고 장점이 큰 것은, 최대 외경으로 60㎜, 최대 두께로 2.0㎜이다. 특히, 이 두께보다 두꺼워지면, 열연판이어도 일부 대응이 가능해지는 점에서, 제조 비용 장점이 적게 되어 버린다. 따라서, 관의 두께가 2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 관의 외경이 60㎜ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 비특허문헌 1에 있어서는, 순 티타늄에 있어서 β 온도 영역으로 가열해서 α 온도 영역에서 시종된 일 방향 압연으로 T-texture에 유사한 집합 조직이 형성되는 것이 설명되어 있다. 그러나, 비특허문헌 1은, 순 티타늄이기 때문에, 티타늄 합금을 사용하는 본 발명과는 상이한 프로세스이다. 또한, 비특허문헌 1에서는, 조관성의 개선 등의 효과에 대해서는 조사하고 있지 않다.

또한, 특허문헌 8에서는, 순 티타늄에 있어서, β 온도 영역에서 열간 압연을 개시하는 기술이 개시되어 있지만, 이것은, 결정립을 미세화함으로써, 주름 흠집의 발생을 방지하는 것을 목적으로 하고 있어, 본 발명의 목적과는 크게 상이하다. 또한, 본 발명은 Fe를 0.5 ~ 1.5질량％ 포함하는 α+β형 합금을 대상으로 하고 있기 때문에, 이들 순 티타늄에 가까운 조성의 소재와는 기술적으로 크게 상이하다.

[실시예]

<실시예 1>

진공 아크 용해법에 의해 표 1에 나타내는 조성을 갖는 티타늄재를 용해하고, 이것을 열간에서 분괴 압연하여 슬래브로 하고, 930℃의 열연 가열 온도로 가열한 후, 열간 압연에 의해 3㎜의 열연판으로 하였다. 이 일 방향 열연판에 800℃, 60s의 어닐링을 행한 후, 산 세정하여 산화 스케일을 제거한 것에 냉간 압연을 행하여, 다양한 특성을 평가하였다.

또한, 표 1에 나타내는 시험 번호 3 ~ 14에 대해서는, 냉연 공정에 있어서, 일 방향 열연과 동일한 방향으로 냉연율 40.0％로 일 방향 냉연을 행한 후, 식 (2)를 충족하는, 600℃, 10분의 중간 어닐링을 행하고, 또한, 일 방향 열연과 동일한 방향으로 냉연율 33.3％로 일 방향 냉연을 행하고, 판 두께 1.20㎜의 박판으로 하였다. 시험 번호 1, 2에 대해서만, 열연 방향에 수직이 되는 판 폭 방향으로의 냉연을 행하였다. 냉연 후, 식 (2)를 충족하는, 600℃, 15분 유지에 의한 어닐링을 행하였다.

이들 냉연 어닐링판으로부터, 인장 시험편을 채취하여 인장 특성을 조사하였다. 또한, 판면 방향의 집합 조직에 있어서의 육방정 결정 구조를 갖는 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 c축과 판 법선 방향이 이루는 각도인 각 θ가 0 ~ 30°인 영역에 배향되어 있는 제1 결정립과, 각 θ가 80 ~ 100°이며, 또한 α상의 (0002) 극점도에 있어서의 c축의 판면에 대한 투영선과 판 폭 방향이 이루는 각도인 각 Φ가 -10 ~ 10°인 영역에 배향되어 있는 제2 결정립에 대해서, X선 회절법에 의해, α상의 저면으로부터의 X선 상대 강도의 최강값을 각각 측정하고, 그 비(제2 결정립(XTD)/제1 결정립(XND))인 X선 이방성 지수를 산출하여, 판면 방향의 집합 조직의 발달 정도를 평가하였다.

조관성은, 판 길이 방향의 0.2％ 내력을 사용하여 평가하였다. 판 길이 방향을 관상으로 구부려서 맞댐부를 용접하여 용접관을 조관하는, 본 발명에 의한 제관법에 있어서, 판 길이 방향의 0.2％ 내력이 610㎫ 이하가 되면, 판 길이 방향의 소성 가공이 용이한 점에서, 조관성은 양호하다.

이어서, 이 냉연 어닐링판을 사용하여, 프레스 굽힘에 의해 판 길이 방향을 관상으로 굽힘 가공하고, 맞댐부를 TIG 용접하여, 외경 20.0㎜, 두께 1.20㎜의 용접관을 조관하였다. 이 용접관으로부터 실관 인장 시험편을 채취하고, 관 제품의 길이 방향의 영률 및 인장 강도(JISZ2201)를 평가하였다. 오토바이나 자전거용 프레임 및 자동차용 강도 부재 등에 사용되는 관 제품으로서는, 영률 130㎬ 이상, 인장 강도 900㎫ 이상을 갖는 것이 바람직하다. 이들 특성을 평가한 결과도 모두 표 1에 나타낸다.

표 1에 있어서, 시험 번호 1, 2는, 냉간 압연에서 판 폭 방향으로의 압연도 포함하는 공정에 의해 제조한 α+β형 티타늄 합금에 있어서의 결과이며, X선 이방성 지수가 5.0 미만이다. 시험 번호 1, 2 모두에, 판 길이 방향의 0.2％ 내력은 610㎫를 초과하고 있으며, 판 길이 방향을 굽힘 방향으로 하는 조관 시의 변형 저항은 높고, 조관 제조성은 낮다. 또한, 제조한 관의 관 길이 방향의 인장 강도는 900㎫ 미만임과 함께, 영률도 130㎬에 도달하고 있지 않고, 관 길이 방향의 강도·강성을 필요로 하는 용도에는 바람직하지 않다.

이에 반해, 본 발명에 따라 제조된 본 발명의 실시예인 시험 번호 4, 5, 8, 10, 11, 13, 14에서는, 판 길이 방향의 0.2％ 내력은 610㎫ 미만이고, 판 길이 방향으로 구부릴 경우의 변형 저항은 충분히 낮아, 판 길이 방향을 관의 주위 방향으로 하여 조관할 때의 조관성이 우수하다. 또한, 제조한 관의 길이 방향의 인장 강도는 900㎫를 초과하고, 영률은 130㎬를 초과하고 있는 점에서, 관 길이 방향의 강도·강성이 요구되는 용도에는 바람직한 재질 특성을 나타내고 있다.

한편, 시험 번호 3, 7에서는, 판 길이 방향의 0.2％ 내력은 610㎫보다도 낮고, 조관성은 양호하지만, 조관 후의 관 길이 방향의 인장 강도는 900㎫에 도달하고 있지 않다. 이 중, 시험 번호 3은 Fe의 함유량이 본 발명의 하한값을 하회하고 있었기 때문에, 관 길이 방향의 인장 강도가 낮아졌다. 또한, 시험 번호 7에서는, 특히, 질소 및 산소 함유량이 낮고, 산소 당량값 Q가 규정량의 하한값을 하회하고 있었기 때문에, 마찬가지로, 관 길이 방향의 인장 강도가 충분히 높은 레벨에 도달하고 있지 않다.

또한, 시험 번호 6, 9에서는, X선 이방성 지수는 5.0을 상회하고 있지만, 판 길이 방향의 0.2％ 내력은 610㎫를 상회하여, 조관하기 어려운 특성을 갖는다. 시험 번호 6, 9에서는, 각각, Fe 함유량과 Q치가 본 발명의 상한값을 초과하고 있었기 때문에, 본 성분계의 합금으로서는, 강도가 너무 올랐기 때문이다.

한편, 시험 번호 12는, 냉연 중에 결함이 다발하고, 제품의 수율이 낮았기 때문에, 특성을 평가할 수 없었다. 이것은, 고질소 함유 스펀지의 사용에 의한 통상의 방법으로, N이 본 발명의 상한을 초과하여 함유되어 있었기 때문에, LDI가 다발했기 때문이다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 규정된 원소 함유량 및 XTD/XND를 갖는 티타늄 합금판은 강한 재질 이방성을 갖기 때문에, 판 길이 방향의 내력이 낮고, 판 길이 방향으로 굽힘 가공하여 관을 제조할 때 변형 저항이 낮은 점에서, 관 제품의 제조성이 우수함과 함께, 관 제품의 관 길이 방향의 인장 강도와 영률이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 규정된 합금 원소량 및, XTD/XND를 제외하면, 강한 재질 이방성과, 거기에 수반되는, 판 길이 방향에 대한 저변형 저항 및 관 제품의 관 길이 방향의 높은 강도와 영률을 얻을 수는 없다.

<실시예 2>

표 1의 시험 번호 4, 10의 조성을 갖는 티타늄 재를 용해하여, 이것을 열간에서 분괴 압연한 슬래브를 일 방향 열간 압연하여 두께 3.0㎜의 열연판으로 하고, 800℃, 120초 유지하는 어닐링·산 세정을 행한 후, 표 2, 3에 나타내는 조건에서 냉연·어닐링을 행한 것을 사용하고, 실시예 1과 마찬가지로, 인장 특성을 조사함과 함께, X선 이방성 지수를 산출하여, 판면 방향의 집합 조직의 발달 정도, 판 길이 방향의 0.2％ 내력, 관 제품의 길이 방향의 영률 및 인장 강도를 평가하였다. 이들 특성을 평가한 결과도 모두 표 2, 3에 나타낸다. 또한, 표 2, 3에 나타내는 어닐링 온도에서 어닐링을 행한 경우에, 식 (2)로부터 계산되는 최저 어닐링 유지 시간 t도 표 중에 나타낸다. 또한, 표 2는 시험 번호 4의 조성, 표 3은 시험 번호 10의 조성의 냉연 어닐링판에 있어서의 결과이다.

이 중, 본 발명 (2)에 기재된 방법으로 제조된 본 발명 (1)의 실시예인 시험 번호 15, 16, 17, 20, 21, 24, 26, 27, 28, 31, 32, 35는, 판 길이 방향에서 610㎫ 이하의 0.2％ 내력을 나타내고 양호한 조관성을 가짐과 함께, 제작한 관 제품의 길이 방향에 있어서, 900㎫를 초과하는 인장 강도와 130㎬를 초과하는 영률을 갖고 있으며, 관 길이 방향의 강도·강성이 우수하다.

한편, 시험 번호 18, 19, 22, 23, 25, 29, 30, 33, 34, 36은, 판 길이 방향의 0.2％ 내력이 610㎫를 초과하고 있어 조관성이 떨어지거나, 관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫ 미만, 관 길이 방향의 영률이 130㎬ 미만 중 어느 하나, 또는, 2항목 이상을 갖고 있으며, 특히 소직경 박육관이 요구되는 오토바이의 프레임이나 자동차용 등의 강도 부재로서 충분한 강도·강성 특성을 갖고 있지 않다.

이 중, 시험 번호 18, 29에 대해서는, 냉연율 25％ 미만의 경우의 어닐링 유지 온도가 본 발명의 상한보다도 높았기 때문에, 어닐링 유지중에 β상 분율이 너무 높아져서 대부분이 바늘 형상 조직이 되고, 판 폭 방향의 연성이 저하되었기 때문에, 관 길이 방향(=판 폭 방향)의 인장 강도가 충분히 높아지지 않았기 때문이다.

시험 번호 19, 30은, 어닐링 온도가 본 발명의 하한 온도 이하였기 때문에, 또한, 시험 번호 19, 22, 23, 30, 33, 34는, 어닐링 유지 시간이 본 발명의 하한 이하였기 때문에, 모두 회복이 충분히 일어나지 않아, 연성이 충분하지 않았다. 그로 인해, 판 폭 방향, 즉, 관 길이 방향의 인장 시험에서, 인장 시험편에 잘록부가 발생하기 전에 파단되어 버려, 판 폭 방향, 즉, 관 길이 방향의 인장 강도가 충분히 높아지지 않았기 때문이다.

또한, 시험 번호 25, 36은, 냉연율 25％ 이상의 조건에서, 어닐링 유지 온도가 본 발명의 상한 온도를 초과하고 있는 점에서 재결정립이 생성되고, 어닐링 시간과 함께 B-texture를 포함하는 재결정 집합 조직이 발달되어 버렸기 때문에, 이방성이 저하되어 버려, 판 길이 방향의 0.2％ 내력이 높아져서 조관성이 저하됨과 함께, 판 폭 방향(=관 길이 방향)의 강도 및 영률이 충분히 높아지지 않았기 때문이다.

이상의 결과로부터, 판을 관상으로 성형하여 양단을 맞대기 용접하여 용접관을 제조하는 경우에 변형 저항이 낮고, 조관성이 우수하며, 또한, 조관한 용접관의 길이 방향의 인장 강도 및 영률이 높은 특성을 갖는 α+β형 합금 박판재를 얻기 위해서는, 본 발명에 나타내는 집합 조직 및 성분 범위의 첨가 원소를 갖는 티타늄 합금을, 본 발명에 나타내는 냉연율과 어닐링 조건에 따라, 냉연·어닐링함과 함께, 판의 길이 방향을 관의 주위 방향으로서 조관함으로써 제조하면 되는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의해, 판 소재를 구부려서 관 형상으로 성형할 때의 굽힘 가공성이 양호하고, 관 길이 방향의 강도 및 영률이 높은 티타늄 합금 용접관이 얻어진다. 또한, 조관성을 높인 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 사용하여 티타늄 합금 용접관을 제조할 수 있다. 이것은, 특히 경량화가 요구되는 오토바이 및 자전거의 프레임이나 자동차의 강도 부재 등의 자동차 부품 용도나, 관 길이 방향의 강도·강성이 필요한 민생품 등에 폭넓게 사용할 수 있다.

Claims

질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 하기 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 가공하여 제조된 용접관이며,
관 길이 방향의 인장 강도가 900㎫를 초과하고, 관 길이 방향의 영률이 130㎬를 초과하는 것을 특징으로 하는, α+β형 티타늄 합금 용접관.
Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)
여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.
질량％로 0.8 ~ 1.5％의 Fe, 0.02％ 이하의 N을 함유하고, 하기 식 (1)에 나타내는 Q가 0.34 ~ 0.55를 만족하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지는 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 가공하여 용접관을 제조하는 방법이며,
상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 집합 조직이, 압연면 법선 방향을 ND, 판 길이 방향을 RD, 판 폭 방향을 TD라 하고, α상의 (0001)면의 법선 방향을 c축 방위로 하고, c축 방위가 ND와 이루는 각도를 θ, c축 방위의 판면에 대한 투영선과 판 폭 방향(TD)의 이루는 각도를 φ라 하고, 각도 θ가 0도 이상 30도 이하이며, 또한 φ가 -180도 ~ 180도에 들어가는 결정립에 의한 X선의 (0002) 반사 상대 강도 중, 가장 강한 강도를 XND라 하고, 각도 θ가 80도 이상 100도 미만이고, φ가 ±10도의 범위 내에 들어가는 결정립에 의한 X선의 (0002) 반사 상대 강도 중, 가장 강한 강도를 XTD라 했을 경우, 비 XTD/XND가 5.0 이상이며,
상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판을 관상으로 가공할 때, 상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의, 판 폭 방향을 상기 α+β형 티타늄 합금 용접관의 길이 방향으로 하고, 상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판의 판 길이 방향을 상기 α+β형 티타늄 합금 용접관의 주위 방향으로 하는 것을 특징으로 하는, α+β형 티타늄 합금 용접관의 제조 방법.
Q=[O]+2.77×[N]+0.1×[Fe] …(1)
여기서, [Fe], [O], [N]은 각 원소의 함유량[질량％]이다.
제2항에 있어서,
상기 α+β형 티타늄 합금 냉연 어닐링판은, 일 방향 열간 압연판을 소재로 하여, 열간 압연과 동일한 방향으로 일 방향 냉간 압연하고, 어닐링하여 제조되며,
상기 일 방향 냉간 압연의 냉연율이 25％ 미만의 경우에는, 500℃ 이상 800℃ 미만에서, 하기 식 (2)의 t 이상의 유지 시간의 어닐링이 행해지고, 냉연율이 25％ 이상의 경우에는, 500℃ 이상 620℃ 미만에서, 하기 식 (2)의 t 이상의 유지 시간의 어닐링이 행해지는 것을 특징으로 하는, α+β형 티타늄 합금 용접관의 제조 방법.
t=exp(19180/T-15.6) …(2)
여기서, t: 유지 시간(s), T: 유지 온도(K)이다.