KR20170005476A

KR20170005476A - 저융점 용융 금속 처리 부재

Info

Publication number: KR20170005476A
Application number: KR1020167035000A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 다카하시; 아키라 가와카미; 히데키 후지이; 기요타카 사이토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-01-13
Also published as: JP2016079480A; JP6515379B2; WO2016063839A1; CN106661713A

Abstract

저융점의 알루미늄 등의 저융점 용융 금속용의 처리 부재에 있어서, 표면의 보호층에 있어서의 크랙의 발생이나, 코팅층의 박리를 억제하고, 내용손성을 높인다.　 기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 표면에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는 저융점 용융 금속 처리 부재. 저융점의 알루미늄 등의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 우수한 저융점 용융 금속 처리 부재를 제공한다.

Description

저융점 용융 금속 처리 부재{LOW-MELTING-POINT MOLTEN METAL PROCESSING MEMBER}

본 발명은 저융점의 알루미늄, 납, 주석, 및 각각의 합금의 용융 금속에 대한 내용손성이 우수한 저융점 용융 금속 처리 부재에 관한 것이다.　 특히, 용융한 알루미늄 및 그의 합금(이하, 간단히 「알루미늄」이라고 하는 경우가 있다.)에 대한 내용손성이 우수한 처리 부재에 관한 것이다.

알루미늄의 주조 등, 용융한 저융점 금속을 퍼 올려서 금형이나 다이캐스트 머신까지 반송하는 레이들이나, 용융 금속지의 표면에 뜨는 "슬래그"를 제거하는 슬래그 제거기 등의 처리 부재는, 반복 용융 금속 중에 침지된다.　 또한, 온도 측정 기기 등을 보호하는 처리 부재는, 용융 금속 중에 침지된 채의 상태에서 사용된다.

이러한 저융점 용융 금속을 취급하는 또는 처리하는 처리 부재에 있어서는, 주철이나 세라믹을 포함하는 기재의 표면에 여러가지 내열 코팅제를 도포하여, 저융점 용융 금속에 대한 내용손성을 확보하고 있다.

그러나, 기재가 주철제인 경우, 열팽창·수축에 의해, 코팅제가 박리되어, 기재가 용손되는 경우가 있음과 함께, 열전도율이 비교적 높기 때문에, 레이들 내의 용융 금속의 온도가 저하되기 쉽고, 게다가, 질량이 커서 작업 효율을 손상시키는 경우가 있다.　 기재가 세라믹제인 경우, 무르기 때문에 충격에 의해 쉽게 파손되어, 작업 효율을 손상시키는 경우가 있다.

이것을 근거로 하여, 주철에 비하여 경량이고, 열팽창률과 열전도율이 비교적 작은 티타늄을 기재로서 사용한 티타늄제의 처리 부재가, 특허문헌 1과 특허문헌 2에 제안되어 있다.　 티타늄은, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 알루미늄과 반응하여 TiAl₃을 형성하므로, 용융 알루미늄에 대한 내용손성을 확보하기 위해서는, 티타늄제의 처리 부재에는, 어떤 표면 처리를 실시할 필요가 있다.

특허문헌 1의 처리 부재는, 기재인 티타늄에, 알루미늄을 용융 도금한 후, 대기 중에서 산화 처리를 실시하여, 알루미늄의 산화물, 즉, 알루미나를 주성분으로 하는 산화물층을, 기재의 표면에 보호층으로서 형성한 처리 부재이다.　 그러나, 비특허문헌 1에 의하면, 특허문헌 1의 처리 부재의 표층에는, 적어도, 티타늄과 알루미늄이 반응하여, 금속간 화합물 TiAl₃이 형성되어 있다고 할 수 있다.

특허문헌 2의 처리 부재는, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 기재를 산 세정한 후, 용융 알루미늄에 침지하여, 기재 표면에 알루미늄층을 형성하고, 그 후, 열처리에 의해, TiAl, TiAl₂, TiAl₃ 중, 적어도, TiAl₂ 또는 TiAl₃을 포함하는 금속간 화합물층을 보호층으로서 표면에 형성한 처리 부재이다.

특허문헌 1과 특허문헌 2의 처리 부재의 표층에 형성되어 있는 티타늄과 알루미늄의 금속간 화합물(TiAl, TiAl₂, TiAl₃)은 매우 물러서, 충격으로 파손되기 쉬운 화합물이다.　 게다가, 이 금속간 화합물의 열팽창 계수는, 기재의 티타늄에 비해, 약 1.5배로 크므로, 사용 시의 열팽창·수축의 반복으로, 금속간 화합물층에는 크랙이 발생한다.　 이 크랙으로부터 용융 금속이 침투하여, 처리 부재가 용손된다.

도 1에, 용융 알루미늄에 침지한 기재 티타늄의 표면에, 티타늄과 알루미늄이 반응하여 생성된 금속간 화합물(TiAl₃)층을 나타낸다.　 금속간 화합물(TiAl₃)층(2)에는 크랙(4)이 발생되어 있다.　 또한, 금속간 화합물(TiAl₃)층(2) 상에는, 용융 알루미늄의 응고층(1)이 형성되어 있다.

특허문헌 1이나 특허문헌 2의 처리 부재의 표면에 내열성의 코팅제를 도포해도, 금속간 화합물층에는 열팽창·수축에 의해 크랙이 발생하여, 금속간 화합물층은 박리되기 쉬워진다.

저융점 용융 금속용의 처리 부재의 수명을 장기화하기 위해서는, 처리 부재를 보호하는 보호층에 있어서, 열팽창·수축에 의해 크랙이 발생하는 것을 억제하거나, 또한, 상기 보호층을 보호하는 내열 코팅층의 박리를 억제하여, 상기 처리 부재의, 저융점 용융 금속에 대한 내용손성을 높일 필요가 있다.

일본 특허 공개 평08-199322호 공보 일본 특허 공개 제2013-036070호 공보

일본 금속 학회지 제64권 제2호, 2000년, 85∼94페이지

본 발명은 저융점의 알루미늄 등의 저융점 용융 금속을 취급하는 또는 처리하는 처리 부재(이하 「저융점 용융 금속 처리 부재」라고 하는 경우가 있다.)에 있어서, 당해 처리 부재의 표면층에 있어서의 크랙의 발생을 억제하고, 또한, 표면층을 보호하는 내열 코팅층의 박리를 억제하여, 저융점 용융 금속에 대한 내용손성을 높이는 것을 과제로 하고, 당해 과제를 해결하는 내용손성이 우수한 저융점 용융 금속 처리 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하는 방법에 대하여 예의 연구하였다.　 그 결과, 티타늄을 기재로서 사용하고, 기재를, 대기의 산화 분위기 중에서 열처리함으로써, 기재의 표면에, 산화티타늄층을 형성하고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층을 형성하면, 티타늄을 기재로 하는 저융점 용융 금속 처리 부재의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 현저하게 향상됨을 알아냈다.

또한, 기재의 최표면에, 필요한 내열 코팅층을 형성하면, 티타늄을 기재로 하는 저융점 용융 금속 처리 부재의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 더욱 향상됨을 알아냈다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 표면에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는 저융점 용융 금속 처리 부재.

(2) 기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 최표면에, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, BN 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 코팅층을 갖고, 당해 코팅층 하에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는 저융점 용융 금속용의 처리 부재.

(3) 상기 산화티타늄층 및 산소 부화층이, 기재를, 산화 분위기 중에서, 750℃ 이상 1000℃ 미만, 30분 300분 이하, 가열하여 형성한 것인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저융점 용융 금속 처리 부재.

(4) 상기 산소 부화층의 단면 경도가, 기재의 표면측으로부터 내부로 향하여 연속적으로 감소하는 경도 분포를 이루고, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저융점 용융 금속 처리 부재.

(5) 상기 기재로서 사용하는 티타늄의 500℃에서의 0.2％ 내력이 75MPa 이상인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저융점 용융 금속 처리 부재.

(6) 상기 기재로서 사용하는 티타늄이, Cu: 0.5∼1.5질량％, Sn: 1.5질량％ 이하, Si: 0.6질량％ 이하를 포함하고, 또한, Cu와 Sn의 합계량이 0.5∼2.7 질량％로, 잔부가 Ti 및 불가피적 불순물을 포함하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저융점 용융 금속 처리 부재.

본 발명에 따르면, 기재가 티타늄을 포함하고, 저융점의 알루미늄 등의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 우수한 저융점 용융 금속 처리 부재를 제공할 수 있다.

도 1은 용융 알루미늄에 침지한 기재 티타늄의 표면에, 티타늄과 알루미늄이 반응하여 생성된 금속간 화합물(TiAl₃)층을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 표층 단면의 층 구조(표층 구조)를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 표층 단면의 조직(표층 조직)을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 표층 단면의 다른 층 구조(표층 구조)를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 표층 단면의 다른 조직(표층 조직)을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 표층부의 단면에 있어서의 경도 분포를 도시하는 도면이다.
도 7은 기재 티타늄의 표면에 형성된 티타늄과 "땜납"의 반응층을 도시하는 도면이다.

저융점 용융 금속 처리 부재(이하, 간단히 「처리 부재」라고 하는 경우가 있다.)는 저융점 용융 금속과의 접촉에 의해, 온도의 상승과 강하의 반복으로 열팽창·수축을 반복하므로, 처리 부재의 표면층에 크랙이 발생하여, 처리 부재의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 저하된다.

본 발명자들은, 반복적인 열팽창·수축을 받아도 우수한 내용손성을 유지할 수 있는 처리 부재에 대하여 예의 연구하였다.

그 결과, 본 발명자들은, 기재로서 티타늄을 사용하고, 기재를 대기 등의 산화 분위기 중에서 열처리하여, 기재 표면에 산화티타늄층을 형성하고, 당해 산화티타늄층 하에, 티타늄보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층을 형성하면, 기재가 열팽창·수축을 반복해도, 저융점 용융 금속에 대한 내성이 높은 산화티타늄층에 있어서, 크랙의 발생을 억제할 수 있고, 또한, 상기 산화티타늄층 상에 형성한 내열 코팅층의 밀착성, 즉, 내박리성을 높일 수 있음을 알아냈다.

상기 지견에 기초하는 본 발명의 저융점 용융 금속용 처리 부재(이하 「본 발명 처리 부재」라고 하는 경우가 있다.)는

(i) 기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 표면에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는다.

(ii) 또한, 기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 최표면에, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, 및 BN 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 코팅층을 갖고, 당해 코팅 하에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는다.

또한, 본 발명의 저융점 용융 금속용 처리 부재는, 예를 들어 저융점의 알루미늄, 납, 주석, 및 각각의 합금의 용융 금속에 대한 내용손성이 우수하고, 그것들 용융 금속 중에 반복하여 침지되고, 또한, 그것들 용융 금속 중에 침지된 채의 상태에서 사용하는 것이 가능하다.　 본 발명의 저융점 용융 금속용 처리 부재의 일례로서, 용융한 저융점 금속을 퍼 올려서 금형이나 다이캐스트 머신까지 반송하는 레이들이나, 용융 금속지의 표면에 뜨는 "슬래그"를 제거하는 슬래그 제거기 등의 처리 부재, 온도 측정 기기 등을 보호하는 처리 부재가 예시된다.　 이하, 본 발명 처리 부재에 대하여 설명한다.

도 2에, 본 발명의 표층 단면의 층 구조(표층 구조)를 도시한다.　 도 2에 도시한 바와 같이, 알루미늄 등의 저융점 용융 금속과 접촉하는 측으로부터, 산화티타늄층(5), 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층(6), 및 기재 티타늄(7)을 포함하는 표층 구조이다.

도 3에, 본 발명의 표층 단면의 조직(표층 조직)을 도시한다.　 도 3에 도시한 바와 같이, 도 2에 도시하는 표층 구조에 대응하여, 산화티타늄층(5)의 조직, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층(6)의 조직, 및 기재 티타늄(7)의 표층 단면의 조직을 식별할 수 있다.

도 2에 도시하는 표층 구조, 및 도 3에 도시하는 표층 조직은, 기재 티타늄을, 대기 등의 산화 분위기 중에서, 소요 온도에서, 소요 시간, 가열(열처리)함으로써 형성할 수 있다(이 점에 대해서는 후술한다.) .

산화티타늄층은, 주로, TiO₂(이산화티타늄)를 포함하지만, TiO₂ 이외에, TiO, Ti₂O₃, Ti₂O₅ 등의 티타늄의 가수가 서로 다른 산화티타늄을 포함하고 있어도 된다.

산화티타늄층의 두께는, 내용손성을 확보하기 위해서, 2∼20㎛로 한다.　 산화티타늄층의 두께가 2㎛ 미만으로 얇아지면, 저융점 용융 금속을 취급하는 또는 처리하는 장치의 주변 기구(예를 들어, 지그, 공구)와 스쳤을 때, 산화티타늄층에 결손이나 결함이 발생하는 경우가 있으므로, 산화티타늄층의 두께는 2㎛ 이상으로 한다.　 바람직하게는 5㎛ 이상이다.

한편, 산화티타늄층의 두께가 20㎛보다도 두꺼워지면, 저융점 용융 금속의 취급 또는 처리 시에, 산화티타늄층이 박리되는 경우가 있으므로, 산화티타늄층의 두께는 20㎛ 이하로 한다.　 바람직하게는 15㎛ 이하이다.

처리 부재가 열팽창·수축을 반복해도, 기재 티타늄의 표층 구조 및 표층 조직에 의해, 표층부에 있어서의 크랙의 발생이 현저하게 억제된다.　 이것은, (a) 산화티타늄층이, 알루미늄 등의 저융점 용융 금속과 반응하기 어려움과 함께, (b) 산화티타늄층, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층, 및 기재 티타늄의 열팽창 계수가, 주철이나 TiAl₃에 비하여 작고, 또한, 서로 가까운 값인 것에 의한다.

산소 부화층은, 산소를 고용한 티타늄 또는 티타늄 합금이며, 산화티타늄층과 기재 티타늄 사이에 존재하여, 열팽창·수축에 대한 완충층으로서 기능하여, 기재 티타늄의 표층부에 있어서의 크랙의 발생을 억제한다.

기재 티타늄을, 대기 등의 산화 분위기 중에서 열처리하고, 기재 티타늄의 표층부에 산화티타늄층과, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산화 부화층을 형성하는데, 그 경우, 산화 부화층의 두께를 20∼200㎛로 한다.

산화 부화층의 두께를 20㎛ 미만으로 하면, 그 위에 형성되는 산화티타늄층의 두께가 2㎛에 달하지 않는 경우가 있으므로, 산화 부화층의 두께는 20㎛ 이상으로 한다.　 바람직하게는 30㎛ 이상이다.

한편, 산화 부화층의 두께가 200㎛를 초과하면, 산화티타늄층의 두께가 20㎛를 초과하는 경우가 있으므로, 산소 부화층의 두께는 200㎛ 이하로 한다.　 바람직하게는 150㎛ 이하이다.

산화티타늄층의 두께가 5∼15㎛이고, 그 아래의, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층의 두께가 30∼150㎛라면, 산화티타늄층이, 안정적으로 산소 부화층에 밀착하여 박리되기 어려우므로, 크랙의 발생이 보다 현저하게 억제된다.

기재 티타늄을, 대기 등의 산화 분위기 중에서 열처리할 때의 조건은, 가열 온도: 750℃ 이상 1000℃ 미만, 가열 시간: 30분 이상 300분 이하가 바람직하다.　 가열 온도가 750℃ 미만이면 산화티타늄층과, 그 아래의 산소 부화층을 효율적으로 형성하는 것이 어려우므로, 가열 온도는 750℃ 이상이 바람직하다.　 보다 바람직하게는 800℃ 이상이다.

가열 온도가 1000℃ 이상이면, 가열 시에, 기재 티타늄이 변형되므로, 변형 억제를 위해, 가열 온도는 1000℃ 미만이 바람직하다.　 보다 바람직하게는 900℃ 이하이다.

가열 시간은, 필요한 두께의 산화티타늄층과 산소 부화층을 형성하기 위해서, 가열 온도를 고려하여 설정한다.　 열처리 효율의 관점에서, 30∼300분이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50∼180분이다.

도 4에, 본 발명의 표층 단면의 다른 층 구조(표층 구조)를 도시한다.　 도 4에 도시하는 표층 구조는, 도 2에 도시하는 표층 구조의 산화티타늄층(5)의 표면에 소정의 코팅층(8)을 형성하여, 저융점 용융 금속에 대한 내용손성을 더 높인 것이다.

알루미늄 등의 저융점 용융 금속과 접촉하는 표면측으로부터, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, BN 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 코팅층(8), 산화티타늄층(5), 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층(6), 및 기재 티타늄을 포함하는 표층 구조이다.

도 4에 도시하는 층 구조는, 기재 티타늄을, 대기 등의 산화 분위기 중에서 열처리하고, 도 2에 도시하는 표층 구조를 형성한 후, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, BN 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 코팅제를 도포·건조하여 형성할 수 있다.　 또한, RE₂O₃은, 희토류 원소의 Y, La, Lu 등의 산화물이며, 희토류 원소의 혼합물(미슈 메탈)의 산화물이어도 된다.

도 5에, 본 발명의 표층 단면의 다른 조직(표층 조직)을 도시한다.　 도 5에 도시하는 조직에 있어서는, 도 4에 도시하는 층 구조에 대응하여, 각 층의 조직을 식별할 수 있다.

도 5에 도시하는 표층 조직에 있어서, 코팅층(8)과, 먼저 기재 티타늄의 표면에 형성한 산화티타늄층(5) 사이에 공극은 보이지 않아, 양층의 밀착성이 높은 것을 알 수 있다.　 즉, 본 발명 처리 부재에 있어서, 코팅층과 산화티타늄층은, 밀착성이 높아, 박리되기 어려움과 함께, 알루미늄 등의 저융점 용융 금속에 대하여 안정되므로, 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 더욱 향상된다.

본 발명 처리 부재에 있어서, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층의 단면 경도가, 기재의 표면측으로부터 내부의 기재 티타늄으로 향하여 연속적으로 감소하는 경도 분포를 이루는 것이 바람직하다.

산화티타늄층 하의 산소 부화층의 단면 경도가 상기 경도 분포를 이루는 것은, 성분 조성이나 기계 특성이, 기재의 표면측으로부터 내부의 기재 티타늄으로 향하여 연속적으로 변화하고 있어서, 각 층간에 있어서의 계면 강도가 우수한 것을 뒷받침하고 있다.　 따라서, 산화티타늄층 하의 산소 부화층의 단면 경도가 상기 경도 분포를 이루는 것에 의해, 산화티타늄층과 코팅층에 있어서의 크랙 발생에 대한 내성이나 내박리성을 높일 수 있다.

도 6에, 본 발명의 표층부의 단면에 있어서의 경도 분포를 도시한다.　 본 발명 처리 부재의 표층부의 단면에서 하중 25gf로 측정한 비커스 경도의 표면으로부터 깊이 방향으로의 경도 분포이다.　 도 6으로부터, 두께가 약 70㎛인 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층이 형성되어 있고, 표면측일수록 경도가 높고, 표면으로부터의 깊이가 깊어짐에 따라, 경도가 연속적으로 저하됨을 알 수 있다.

또한, 산소 부화층은, 기재 티타늄을, 대기 등의 산화 분위기 중에서 열처리하여 형성하므로, 도 6은, 단면 경도가 높은 측이 산소 농도도 높은 것을 시사하고 있다.

용융 알루미늄의 온도는 650∼700℃이고, 저융점 용융 금속 처리 부재는, 고온 환경에 반복하여 노출된다.　 그로 인해, 상기 처리 부재의 경량화나 변형 억제를 위해서, 기재에는, 500℃에서의 0.2％ 내력이 75MPa 이상인 티타늄 또는 티타늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 용융 알루미늄에의 침지, 대기에의 인상이 반복되어 레이들 내부의 온도는, 상시, 650∼700℃에 도달하지 못하므로, 이것을 근거로 하여, 기재 내력을 규정하기 위한 기준 온도를 500℃로 하였다.

기재 내력은, 가장 범용적인 공업용 순티타늄 2종(JIS H4600)의 500℃에서의 0.2％ 내력보다 20％ 이상 높은 75MPa 이상으로 하였다.　 이에 의해, 공업용 순티타늄 2종을 사용하는 것 보다도, 약 20％의 경량화가 가능해진다.　 보다 바람직하게는, 약 100％ 이상 높은 120MPa 이상이다.

기재로서 사용하는 티타늄은, Cu: 0.5∼1.5질량％, Sn: 1.5질량％ 이하, Si: 0.6질량％ 이하를 포함하고, 또한, Cu와 Sn의 합계량이 0.5∼2.7 질량％이고, 잔부가 Ti 및 불가피적 불순물을 포함하는 티타늄이 바람직하다.　 Cu: 0.5질량％ 이상이고, 500℃에서의 0.2％ 내력: 75MPa 이상을 확보할 수 있다.

처리 부재는, 냉간 프레스나 굽힘 가공으로 제조되는데, 가장 범용적인 공업용 순티타늄 2종(JIS H4600)의 실온 인장 시험에 있어서의 신장률은 23％ 이상이며, 기재 티타늄도, 이 정도의 신장률을 갖고 있으면, 성형성이 양호해지고, 가공 메이커에서의 가공이 용이하게 된다고 생각된다.

그로 인해, 기재 티타늄에 있어서 23％ 이상의 실온 인장 시험의 신장률을 확보하기 위해서, 기재 티타늄은, Cu: 1.5질량％ 이하, Sn: 1.5질량％ 이하, Si: 0.6질량％ 이하이고, Cu와 Sn의 합계량: 2.7질량％ 이하가 바람직하다.

또한, 500℃에서의 0.2％ 내력을 안정적으로 120MPa 이상 확보하기 위해서, 기재 티타늄은, Cu: 0.5∼1.5질량％, Sn: 0.5∼1.5질량％, Si: 0.1초∼0.6 질량％이고, 또한, Cu와 Sn의 합계량: 1.0∼2.7％가 바람직하다.

실시예

이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다.　 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(실시예 1)

표 1에, 기재 티타늄의 성분 조성(질량％), 500℃에서의 0.2％ 내력(MPa), 및 실온에서의 인장력 시험 시의 신장률(％)을 나타낸다.　 이들 기재 티타늄은, 진공 아크 용해로 제조한 소정의 성분 조성의 잉곳에, 열간 단조와 열간 압연을 실시하고, 계속해서, 750℃에서 30분의 어닐링을 실시하고, 그 후, 40mm×40mm의 판으로 가공하고, 표면을 #600 연마로 마무리한 것이다.

표 1에 나타내는 기재 티타늄으로부터 채취하고, 표 2에 나타내는 열처리를 실시한 시험편, 또한, 표 3에 나타내는 코팅제를 피복한 시험편을, 후술하는 폭로 시험 A에 제공하여 내용손성을 평가하였다.

[폭로 시험 A]

시험편을 용융 알루미늄에 8시간 침지하고, 침지 후, 대기 중으로 인상하는 공정을 1사이클로 하여, 3사이클을 실시하였다.　 용융 알루미늄은, 약 700℃로 하였다.　 또한, 용융 알루미늄에는, 가장 범용의 다이캐스트용 알루미늄 합금인 JIS H5302의 ADC12(Al-Si-Cu계)를 사용하였다.

폭로 시험 A가 완료된 시험편의 표층 단면을 수지에 매립하고, 연마하고, 에칭하여 관찰 시료를 제작하였다.　 광학 현미경으로, 관찰 시료의 약 10mm 길이를 관찰하고, 내용손성의 정도를 파악하기 위해서, 용융 알루미늄과의 반응층의 두께(최대)와 크랙의 유무를 평가하였다.　 코팅제로 코팅층을 형성한 시험편에 대해서는, 코팅층의 박리의 유무를 평가하였다.

표 2에, 반응층의 두께(최대)와 크랙의 유무를 나타낸다.　 기재 그대로의 비교예 No.1, 3, 14, 및 20이나, 대기 중에서 열처리해도 산화티타늄층이 광학 현미경의 관찰 한계인 1㎛ 미만인 비교예 No.4, 15, 및 21에서는, 용융 알루미늄과의 반응층이 500㎛ 이상으로 매우 두껍고, 그 층 내에는, 다수의 크랙이 관찰되었다.

대기 중, 1000℃에서 가열하고, 30㎛의 산화티타늄층을 형성한 비교예 No.13에서는, 국소적인 산화티타늄층의 박리가 관찰되고, 또한, 최대 두께 500㎛ 정도의 볼록 형상의 반응층이 관찰되었다.

이에 비해, 대기 중의 열처리에서, 기재의 표면측으로부터, 산화티타늄층, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층, 및 기재 티타늄의 표층 구조를 형성한 발명예 No.2, 5∼12, 16∼19, 및 22∼39에서는, 산화티타늄층과 산소 부화층의 두께가, 각각, 2∼20㎛와 20∼200㎛이고, 또한, 용융 알루미늄과의 반응층의 두께가 20㎛ 이하(상기 최대 두께 500㎛의 25분의 1, 이하)로 억제되어 있어서, 높은 내용손성이 얻어지고 있다.

단, 발명예 No.12에서는, 산화티타늄층의 두께가 17㎛, 그 아래의 산소 부화층의 두께가 126㎛로 약간 두껍기 때문에, 산화티타늄층의 일부에 크랙이 발생하고, 또한, 반응층에도 크랙이 1개 발생하였다.　 그로 인해, 산화티타늄층의 바람직한 두께와 산소 부화층의 바람직한 두께는, 각각, 2∼10㎛와 20∼100㎛인 것을 알 수 있다.　 또한, 대기 중에서 열처리를 실시한 발명예에 대해서, 기재 티타늄의 표면을 X선 회절로 분석하면, TiO₂(이산화티타늄)의 회절 피크를 검출하였다.

이어서, 시험편에 여러가지 코팅층을 형성한 실시예에 대하여 설명한다.

표 3에, 코팅제에 혼합한, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, BN의 분말의 질량비(％)를 나타낸다.　 TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, BN 중 1종 또는 2종 이상의 분말, 수용성 아크릴산계 분산제, 및 물을 혼합한 코팅제를 시험편에 도포하고, 약 300℃에서 건조하였다.　 또한, 이 분말 원료에는, 불가피하게 혼입되는 성분도 포함되어 있다.

여기에서는, 수용성 아크릴산계 분산제를 사용했지만, 분산제는, 수용성 아크릴산계에 한정되지 않는다.　 분말 원료는, 입경이 서브마이크로미터 오더인 미분말을 사용하였다.

표 2에 나타내는 시험편에, 표 3에 나타내는 코팅제를 도포하고, 건조하고, 폭로 시험 A에 제공하였다.　 폭로 시험 A가 완료된 시험편에 대해서, 용융 알루미늄과의 반응층의 두께(최대)와 코팅층의 박리의 유무를 관찰하였다.

표 4에, 시험편의 수준(표 2의 No와 코팅층), 및 용융 알루미늄과의 반응층의 두께(최대)와 코팅층의 박리의 유무를 나타낸다.

대기 중의 열처리로, 표면측으로부터, 산화티타늄층, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층, 기재 티타늄의 표층 구조를 형성하고, 또한, 산화티타늄층 상에 필요한 코팅층을 형성한 발명예 No.51, 53∼65, 및 67∼92에서는, 반응층의 두께가, 광학 현미경의 관찰 한계의 1㎛ 미만으로 얇고(반응층이 거의 형성되어 있지 않다.), 코팅층의 박리도 없어, 내용손성이 매우 우수하다.

한편, 기재 그대로의 티타늄에 코팅층을 형성한 비교예 No.52, 및 66에서는, 기재 티타늄과 코팅층의 열팽창·수축량의 차가 크기 때문에, 코팅층에 박리가 발생하여, 기재와 용융 알루미늄의 반응층이 형성되어 있다.

표 2와 표 4에 나타내는 폭로 시험 A의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 표 1에 나타내는, 500℃에서의 0.2％ 내력이 75MPa 이상인 기재의 기호 A03과 B01∼17, 또한, 실온에서의 신장률이 23％ 이상인 기호 B01∼03, B05, B06, B08, B09, 및 B11∼15에서도, 본 발명 처리 부재의 표층 구조에 의한 효과와 동일한 효과가 얻어져 있다.

(실시예 2)

이어서, 이하의 폭로 시험 B의 결과인 "땜납"과의 반응층과 크랙의 유무를, 표 5에 나타낸다.

[폭로 시험 B]

시험편을, 용융한 Sn-Pd계 땜납(60％ Sn-40％ Pd)에 8시간 침지하고, 침지 후, 대기 중으로 인상하는 공정을 1사이클로 하여, 6사이클을 실시하였다.　 용융 땜납의 온도는, 약 200℃로 하였다.

폭로 시험 B가 완료된 시험편의 표층 단면을 수지제의 관찰대에 매립하고, 연마하고, 에칭하여 관찰 시료를 제작하였다.　 광학 현미경으로, 관찰 시료의 약 10mm 길이를 관찰하고, 내용손성의 정도를 파악하기 위해서, "땜납"과 반응하여 생성된 반응층의 두께(최대)와, 크랙의 유무를 평가하였다.

대기 중의 열처리에서, 표면측으로부터, 산화티타늄층, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층, 기재 티타늄의 표층 구조를 형성한 발명예 No.102, 105, 및 119에서는, 반응층의 두께가 2㎛ 이하로, 기재 그대로의 비교예 101, 103, 및 117에 있어서의 반응층의 두께(28㎛와 27㎛)의 10분의 1 미만으로 매우 작고, "땜납"에 대해서도 우수한 내용손성을 나타내고 있다.

또한, 기재 그대로는, 도 7에 도시한 바와 같이, 땜납(Sn-Pb계)(9)과 기재 티타늄(11) 사이에, 두꺼운 반응층(10)이 형성되어 있다.

코팅층을 형성한 발명예 No.106∼116, 및 120∼126에서는, 반응층의 두께가, 광학 현미경의 관찰 한계인 1㎛ 미만으로 얇고(반응층이 거의 형성되어 있지 않다.), "땜납"에 대해서도 우수한 내용손성을 나타내고 있다.　 또한, 폭로 시험 B에서는, "땜납"의 온도가 약 200℃로 낮기 때문에, 반응층 내에서 크랙은 관찰되지 않았다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기재가 티타늄을 포함하고, 저융점의 알루미늄 등의 저융점 용융 금속에 대한 내용손성이 우수한 저융점 용융 금속 처리 부재를 제공할 수 있다.　 본 발명의 저융점 용융 금속 처리 부재는, 경량이고, 또한, 내구성이 우수하고, 알루미늄의 주조 등, 저융점의 용융 금속을 퍼 올려서 금형이나 다이캐스트 머신으로 반송하는 레이들이나, 용융 금속지의 표면에 뜨는 "슬래그"를 제거하는 슬래그 제거기 등의 처리 부재에 사용 가능 것이다.

그리고, 본 발명의 저융점 용융 금속 처리 부재를 사용하면, 용융 금속 보온성이 높아지고, 작업 효율이 향상된다.　 따라서, 본 발명은 산업상의 공헌이 매우 현저한 것이다.

1: 용융 알루미늄 합금의 응고층
2: 티타늄과 알루미늄의 금속간 화합물(TiAl₃)층
3: 기재 티타늄
4: 크랙
5: 산화티타늄층
6: 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는 산소 부화층
7: 기재 티타늄
8: 코팅층
9: 땜납(Sn-Pb계)
10: 기재 티타늄과 "땜납"의 반응층
11: 기재 티타늄

Claims

기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 표면에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는 저융점 용융 금속 처리 부재.
기재가 티타늄을 포함하고, 기재의 최표면에, TiO₂, MgO, SiO₂, Al₂O₃, RE₂O₃, 및 BN 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 코팅층을 갖고, 당해 코팅층 하에, 두께가 2∼20㎛인 산화티타늄층을 갖고, 당해 산화티타늄층 하에, 기재보다도 산소 농도가 높은 α상으로 이루어지는, 두께가 20∼200㎛인 산소 부화층을 갖는 저융점 용융 금속 처리 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화티타늄층 및 산소 부화층이, 기재를, 산화 분위기 중에서, 750℃ 이상 1000℃ 미만, 30분 이상 300분 이하, 가열하여 형성한 것인 것을 특징으로 하는, 저융점 용융 금속 처리 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산소 부화층의 단면 경도가, 기재의 표면측으로부터 내부로 향하여 연속적으로 감소하는 경도 분포를 이루는, 저융점 용융 금속용 처리 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재로서 사용하는 티타늄의 500℃에서의 0.2％ 내력이 75MPa 이상인, 저융점 용융 금속용 처리 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재로서 사용하는 티타늄이, Cu: 0.5∼1.5질량％, Sn: 1.5질량％ 이하, Si: 0.6질량％ 이하를 포함하고, 또한, Cu와 Sn의 합계량이 0.5∼2.7 질량％이고, 잔부가 Ti 및 불가피적 불순물을 포함하는, 저융점 용융 금속용 처리 부재.