KR20170047339A - 열간 압연용 티타늄 주조편 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법에 의해 제조한 티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편의 압연면이 되는 표면에, 1종 또는 2종류 이상의 β상 안정화 원소를 첨가해서 용융시켜서 재응고시킨 용융 재응고층을 깊이 1㎜ 이상의 범위에 갖고, 깊이 1㎜까지의 범위에 있어서의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값이, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도에 비교해서, 질량%로, 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하 높다. β상 안정화 원소를 함유하는 소재로서, 분말, 칩, 와이어, 박이 사용된다. 또한, 표층을 용융하는 수단으로서, 전자 빔 가열 및 플라즈마 아크 가열이 사용된다.
Description
본 발명은 티타늄 합금으로 이루어지는 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법이며, 특히 분괴 압연이나 단조 등의 브레이크다운 공정을 생략해도, 열간 압연 후에 있어서의 표면 성상을 양호하게 유지할 수 있는 티타늄 주조편 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
티타늄재는 일반적으로, 스폰지 티타늄이나 티타늄 스크랩을 원료로 하여, 비소모 전극식 아크 용해법, 전자 빔 용해법, 플라즈마 아크 용해법 등에 의해 용해되어, 티타늄 잉곳(티타늄 주조편)이 된다. 비소모식 아크 용해법에서는, 스폰지 티타늄을 가압 성형한 브리켓을 전극으로 해서, 전극과 주형으로 아크 방전시켜서, 전극 자체를 용해하여, 주형 내에 주조함으로써 잉곳을 얻고 있다. 그 때문에, 주형과 전극의 방전을 균일하게 행할 필요가 있어, 주형 형상은 원통형으로 한정되며, 주조 후의 잉곳 형상은 원기둥 형상이 된다. 한편, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법에서는, 각각 전자 빔과 플라즈마 아크를 사용하고 있어, 용해법은 다르지만, 용해 시에 노상 상에서 용해한 티타늄 용탕을 주형에 유입하기 때문에, 주형 형상의 선택이 자유롭고, 원기둥 형상으로 한정하지 않아, 직사각형이나 빌렛 형상 등의 다양한 형상의 잉곳을 제조하는 것이 가능하다.
현상의 티타늄재 제조 공정에서는, 이후 잉곳의 브레이크다운 공정이라고 불리는, 분괴 압연이나 단조 등의 열간 가공 공정을 거친 후, 열간 압연을 실시하고 있어 브레이크다운 공정이 필요해지고 있다. 그러나, 그 형상으로부터, 직사각형 잉곳(슬래브 형상 잉곳)에서는 판재 제조 시에, 원기둥 형상 및 빌렛 형상 잉곳에서는 봉재나 선재 제조 시에 브레이크다운 공정을 생략할 수 있을 것으로 생각되고 있으며, 브레이크다운 공정을 생략해서 열간 압연을 행하는 기술이 검토되고 있다. 이 기술이 확립되면, 공정 생략 및 수율 향상에 따른 비용 개선을 기대할 수 있다.
그러나, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법을 사용해서 제조한 티타늄 주조편은, 주조 상태이므로, 수십㎜나 달하는 조대 입자가 존재하고 있다. 이러한 티타늄 주조편에 대해서, 브레이크다운 공정을 생략하여, 열간 압연을 행하면, 조대 입자에 기인해서 입자 내 및 각 결정립간의 변형 이방성의 영향에 의해, 표면에 요철을 발생시키고, 이것이 표면 흠이 된다. 열간 압연으로 발생한 표면 흠을 제거하기 위해서는, 다음 공정인 산 세정 공정에서 열연재 표면의 용삭량을 증가시킬 필요가 있어, 그 만큼의 수율이 악화되고, 비용의 증가가 우려된다.
따라서, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법으로 제조한 티타늄 잉곳은, 분괴 압연이나 단조 등의 브레이크다운 공정의 생략에 의한 비용 개선이 기대되는 반면에, 표면 흠의 증가에 따른 비용의 증가가 우려되어, 브레이크다운 공정을 생략한 티타늄 주조편의 실용화를 저해하였다.
특허문헌 1에서는, 전자 빔 용해로에서 용해하여, 주형 내에서 직접 인발한 티타늄 슬래브의 단면 조직에 있어서, 표층으로부터 내부를 향하는 응고 방향과 슬래브의 주조 방향이 이루는 각 θ가 45° 내지 90°, 또는 표층의 결정 방위 분포에 있어서, hcp의 c축과 슬래브 표층과의 법선의 이루는 각이 35° 내지 90°인 경우에, 주조 표면이 양호하고, 또한 잉곳의 브레이크다운 공정을 생략해도, 열간 압연 후의 표면 흠을 개선할 수 있는 방법이 개시되어 있다. 즉, 표면의 결정립의 형상이나 결정 방위를 제어함으로써 이러한 조대 결정립에 기인하는 흠의 발생을 억제할 수 있다.
특허문헌 2에서는, 티타늄재의 잉곳의 브레이크다운 공정을 생략하여, 직접 열간 압연을 행하는 방법으로서, 압연면에 닿는 면의 표층을 고주파 유도 가열, 아크 가열, 플라스마 가열, 전자 빔 가열 및 레이저 가열 등으로 용융 재응고시킴으로써, 표층으로부터 깊이 1㎜ 이상의 세립화를 행하였다. 이 슬래브 표층의 급랭응고에 의해 미세하고 또한 불규칙한 결정 방위 분포로 함으로써, 표면 흠의 발생을 방지하고 있다.
본 발명은 브레이크다운 공정의 생략뿐만 아니라, 주조 상태 티타늄 주조편 표층의 절삭 정정 공정을 불필요로 하면서도, 그 후의 열간 압연 후의 티타늄재의 표면 흠 발생을 억제한 티타늄 주조편 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 달성하기 위해, 예의 검토하였다. 그 결과, 티타늄 합금제 티타늄 주조편의 용해 방법으로서, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법을 사용해서 제조한 주조 상태의 티타늄 주조편에 있어서, 종래 필요한 브레이크다운 공정을 생략하고, 열간 압연을 행할 때, 열간 압연의 전 공정으로서, 주조 상태 티타늄 주조편의 압연면 표층에 β상 안정화 원소를 함유하는 소재(분말, 칩, 와이어, 박)를 두거나, 또는 살포하고, 소재마다 티타늄재 표층을 용융한다. 이와 같이 해서, 티타늄재 표층에 모재보다 β상 안정화 원소 농도가 높은 층, 즉 β상 안정화 원소 리치층을 형성시킨다. 이에 의해, 열간 압연 후의 표면 성상을 양호하게 유지하는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명은 이하와 같다.
(1)
티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편이며,
압연면이 되는 표면에, 1종 또는 2종류 이상의 β상 안정화 원소를 첨가해서 용융시켜서 재응고시킨 용융 재응고층을 깊이 1㎜ 이상의 범위에 갖고,
깊이 1㎜까지의 범위에 있어서의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값이, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도에 비교해서, 질량%로, 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하 높은 것을 특징으로 하는, 열간 압연용 티타늄 주조편.
(2)
상기 β상 안정화 원소가, Fe, Ni, Cr의 1종 또는 2종 이상인, (1)에 기재된 열간 압연용 티타늄 주조편.
(3)
상기 β상 안정화 원소와 함께, α상 안정화 원소 또는 중성 원소를 1종 또는 2종 이상 함유하는, (1)에 기재된 열간 압연용 티타늄 주조편.
(4)
티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편의 압연면이 되는 표면을, β상 안정화 원소를 함유하는 소재와 함께 용융시킨 후, 응고시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
(5)
상기 β상 안정화 원소를 함유하는 소재가, 분말, 칩, 와이어, 박 중 어느 것의 형태인, (4)에 기재된 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
(6)
상기 티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편의 압연면이 되는 표면을, 전자 빔 가열 또는 플라스마 가열에 의해 용융시키는, (4)에 기재된 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
본 발명의 티타늄 주조편은, 종래 필요하였던 분괴 압연이나 단조 등의 브레이크다운 공정을 생략하여, 열간 압연을 실시해도, 종래재와 동등한 표면 성상을 갖는 티타늄재를 제조하는 것이 가능하다. 브레이크다운 공정 생략에 의한 가열 시간의 저감, 표층 용융에 의한 티타늄 주조편의 표층의 평활화에 수반하는 절삭 손질의 저감, 열간 압연 후의 티타늄재의 표면 성상의 향상에 의한 산 세정 시의 용삭량의 저감 등, 이들에 의해 수율의 향상이 도모되는 점에서, 제조 비용의 삭감에 효과가 있으며, 산업상의 효과는 헤아릴 수 없다.
도 1은 용융 재응고층의 농도 변화의 모식도를 나타낸다.
이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
통상, 티타늄 합금은, 열간 압연이나 냉간 압연을 행함으로써, 판재, 선재, 또는 봉재 등의 형상에 제조되어 있다. 본 발명에 있어서, 티타늄 합금이란, α형 티타늄 합금, 및 α+β형 티타늄 합금을 가리키는 것으로 한다.
본 발명에서 대상으로 하는 티타늄 주조편은, 직사각형 잉곳(슬래브 형상 잉곳), 원기둥 형상 잉곳, 빌렛 형상 잉곳이다. 이들 형상의 티타늄 주조편의 표층을, β상 안정화 원소를 함유하는 소재와 함께 용융함으로써 열간 압연 후의 티타늄재에 대해서 표면 흠을 억제하는 기술이다.
본 발명에서는, 주조 상태의 티타늄 주조편의 표층부만을 가열하여, 깊이 1㎜ 이상을 용융한다. 이와 같이 해서 용융된 티타늄 주조편의 표층부는, 용융 후에 급랭 재응고되어, 실온까지 냉각했을 때의 용융 재응고층(이와 같이, 주조 상태의 티타늄 주조편의 표층부만을 가열에 의해 용융시키고, 그 후 급랭해서 다시 응고시킨 응고층을 「용융 재응고층」이라고 부름)의 단면 조직은, 미세 침상 조직 또는 마르텐사이트 조직이 된다. 그리고, 표층 용융 시에 β상 안정화 원소와 동시에 모재를 용융함으로써, 모재와 비교해서 용융 재응고층 내의 β상 안정화 원소 농도가 높아지고, 그 결과, β상 안정화 원소 첨가에 의한 켄칭성 향상에 의해, 냉각 중에 α상 변태 또는 마르텐사이트 변태를 시킴으로써, 용융 재응고층을 보다 미세한 조직으로 할 수 있다. 여기에서 말하는 「켄칭성 향상」이란, 티타늄 주조편의 표층에 β상 안정화 원소를 함유시킴으로써, 연속 냉각 시의 변태의 노즈를 장시간측으로 시프트시킴으로써, 저온에서 α상 변태시키는 또는 마르텐사이트 변태시키는 것을 가리킨다. 저온에서 변태시킴으로써 핵 생성 사이트를 증가시켜서, 결정립을 미세화시키는 것을 목적으로 하고 있다.
또한, 상기 용융 재응고를 행한 티타늄 주조편은, 용융 재응고층 내의 β상 안정화도가 높아지기 때문에, 열연 가열 시에 용융 재응고층 내는 α+β 2상 영역의 상태로 되어, α상과 β상의 2상이 존재함으로써, 입성장이 억제되어, 용융 재응고 후의 미세 결정립을, 열연 가열 후의 열간 압연 시까지 세립인 상태 유지할 수 있다. 따라서, 조대 결정립에 기인한 티타늄재 표면의 요철을 억제할 수 있어, 표면 흠이 발생하지 않는 티타늄 열간 압연재를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상세는 후술하지만, 본 발명에 있어서, 형성된 용융 재응고층은, 깊은 부분과 얕은 부분이 발생한다. 본 발명에서는, 용융 재응고층의 깊이를 1㎜ 이상으로 하고 있지만, 이 깊이는 용융 비드의 주사 방향과 수직 방향의 단면에서 보았을 때의 최천부의 깊이를 가리키는 것으로 한다.
티타늄 주조편의 표층의 깊이 1㎜ 이상을 상기와 같이 재용융한 후, 응고함으로써, 표층으로부터 깊이 1㎜ 이상이 미세 침상 조직 또는 마르텐사이트 조직이 되지만, 용융 재응고층 및 그 열 영향부로부터 티타늄재 판 두께 방향 중앙측은, 주조 상태의 조직이 된다. 본 발명에서는, 적어도 티타늄 주조편의 압연면에 닿는 표층을, β상 안정화 원소를 함유하는 소재와 함께 재용융한 후, 응고함으로써, 용융 재응고층 내의 표층으로부터 1㎜ 깊이까지의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값이, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도에 비해 어느 일정량 높아지고 있는 것을 특징으로 하고 있다. β 안정화 원소를 첨가하지 않고 용융 재응고 처리를 행해도, 합금 조성으로서 β상 안정화 원소를 함유하고 있는 α+β형 티타늄 합금에서는, 용융 재응고층의 결정립 미세화 효과가 있다. 그러나, 이 처리에서는, 용융 재응고 처리 시에 용융부의 조성은, β상 안정화 원소와 함께 표층을 용융하면, 용융 직후, 바로 응고가 개시하기 때문에, 충분히 용융부에서 확산이 일어나지 않아, β상 안정화 원소 농도의 불균일성이 잔존한다. 이러한, 불균일성이 잔존하면 β상 안정화 원소 농도가 높은 영역이 발생하여, 보다 미세한 조직이 된다. 또한, 모재를 그대로 재용융시킨 경우에는, 용융 재응고 시에 조직 미세화를 달성해도, 각 결정립이 동일한 결정 방위를 갖는 집합체인 콜로니를 형성하는 경우가 있다. 이러한 콜로니는, 동일한 결정 방위를 갖고 있기 때문에, 마치 조대 입자와 같이 작용한다. 따라서, 변형 이방성의 영향에 의해 열연 흠으로 진전할 가능성이 있다. 그러나, β상 안정화 원소 농도의 불균일성을 갖는 경우, 상기와 같이 β상 안정화 원소의 농도차에 의해 국소적으로 미세 결정립이 형성됨으로써, 이 콜로니의 발생을 억제하는 것이나, 열연 가열 시에 콜로니의 성장을 억제할 수 있다. 용융 재응고층 내의 표층으로부터 1㎜ 깊이까지의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값은, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도에 비해, 질량%로 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하 높게 함유되고 있으면 된다. β상 안정화 원소는 복수의 β상 안정화 원소를 조합해서 첨가해도 되고, 그 경우의 β상 안정화 원소의 농도는, 함유하는 β상 안정화 원소의 각 농도의 총합을 가리킨다. 모재와 용융 재응고층의 β상 안정화 원소의 농도의 차가, 0.08mass% 이상이 되도록 β 안정화 원소를 첨가하는 것만으로도 효과가 얻어지는 점에서, 이것을 하한으로 하였다. 표면 흠 억제의 효과를 보다 발휘시키기 위해서는, β상 안정화 원소의 농도차가 0.2mass%를 초과하고 있는 것이 바람직하고, 더욱더 0.5mass%를 초과하고 있는 것이 가장 바람직하다. 또한, 모재와 용융 재응고층의 β상 안정화 원소의 농도차가 상기 범위 내이면, 열간 압연 이후의 공정인, 숏 블라스트 및 산 세정의 공정에 의한 표층의 β상 안정화 원소의 농화층이 제거되어, 용융 재응고층에 농화한 β상 안정화 원소는 무해화된다. 즉, 숏 블라스트 및 산 세정의 공정을 행함으로써, β상 안정화 원소 농화층을 없애고, 통상의 제법으로 제조한 냉연판과 동등한 성분 및 기계적 특성이 되도록 하고 있다. 그러나, 모재와 용융 재응고층의 β상 안정화 원소의 농도차가 1.50mass%보다 높아지면, 티타늄 주조편 표층에 산화가 현저한 β상의 비율이 증가합으로써, 모재와 비교해서 산화량이 대폭으로 증가하는 것이나, 또한 열간 압연 시에 티타늄 주조편 표층의 용융 재응고층과 모재로 열간 변형 저항의 차가 커져서, 표층이나 상기 경계 부분에서 균열 등이 발생하는 경우가 있다. 이들 요인으로부터, 산 세정 공정에서의 표면 용삭량을 증가시킬 필요가 있어, 수율이 현저하게 저하된다. 게다가, 후속 공정에서, β상 안정화 원소의 농화층의 무해화도 곤란해지기 때문에, 표층으로부터 1㎜ 깊이까지의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값이, 모재의 β상 안정화 원소의 농도에 대하여 1.50mass% 이하로 하였다. 게다가, 용융 깊이를 1㎜ 이상으로 했지만, 용융 깊이가 지나치게 깊어지면, 숏 블라스트 및 산 세정의 공정 후에도 β상 안정화 원소의 농화층이 잔존할 우려가 있으므로, 용융 깊이는 5㎜ 정도까지가 바람직하다.
또한, 통상, 티타늄 주조편은 주조 시, 주형과 접해 있는 티타늄 주조편 표층부로부터 응고가 진행되기 때문에, 원소마다 용질의 분배에 의해 티타늄 주조편의 표층과 내부는 약간 성분이 다르다. Fe 등의 β상 안정화 원소는 정편석을 나타내는 원소이기 때문에, 응고 시나 변태 시에서는, 티타늄 주조편의 표층부의 Fe 농도가 낮아져서, 티타늄 주조편의 내부일수록 Fe 농도가 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, β상 안정화 원소와 모재를 동시에 용융함으로써, 용융 재응고층 내의 β상 안정화 원소 농도를 모재 이상으로 하는 것이 매우 유효하다. 이 효과는, α형 티타늄 합금에서 특히 현저하다.
게다가, 티타늄재의 주조 시, 원료의 투입량을 제어함으로써, 슬래브 전체의 성분이 균일해지도록 조정되어 있다. 그러나, 부분적으로는, 성분의 변동 등이 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 원래 β 안정화 원소 농도가 낮은 합금에 있어서는, 용융 응고층 내에 β 안정화 원소의 성분 변동에 따른 미세 결정립화 불충분의 영역이 존재하는 경우가 있고, 열간 압연 후에는 부분적으로 표면 흠이 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, β 안정화 원소를 용융 재응고 시에 첨가함으로써, β상 안정화 원소의 첨가량을 베이스업하는 것이 유효하고, 이에 의해, 부분적으로 발생하는 표면 흠도 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이 용융 응고상 중의 β 안정화 원소의 성분 변동은, 원래 β 안정화 원소 농도가 높은 합금에 있어서도, 모재의 성분 변동에 비교해서 크기 때문에, 콜로니를 분단하는 효과도 보다 커져서, 부분적으로 발생하는 표면 흠도 억제하는 것이 가능하게 된다.
용융 비드의 주사 방향과 수직 방향의 단면에서 보면, 용융 재응고층의 형상은, 티타늄 주조편 표층의 재용융 시의 용융 비드 중앙에서 가장 깊어지는 경향이 있고, 용융 비드를 겹쳤을 때, 인접한 용융 비드끼리의 중간에서 가장 얕아져서, 최심부와 최천부가 주기적으로 반복되는 형태를 취한다. 이때, 최심부와 최천부의 차가 크면, 열간 압연 시에 이 차이에 의해 변형 저항에 차이가 발생하고, 이것에 기인한 흠이 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 상기 차이는 2㎜ 미만인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 용융 재응고층의 깊이를 1㎜ 이상으로 하고 있지만, 이 깊이란, 용융 비드의 주사 방향과 수직 방향의 단면에서 보았을 때의 최천부의 깊이를 가리키는 것으로 한다.
용융 재응고층의 깊이나 용융 재응고 내의 불균일성의 측정 방법에 대해서 설명한다. 용융 비드의 주사 방향과 수직 방향의 단면의 티타늄 주조편 표층부에서 잘라낸 부분을 매립 연마 시료로 하고, 이것을 SEM(Scaning Electron Microscopy)/EPMA(Electron Probe Micro Analyser)에 제공함으로써 용이하게 판별 할 수 있다. 본 발명에서는, 용융 재응고층 깊이를, 최천부의 깊이라 정의하고 있기 때문에, 원소 맵핑 분석에 의해, 용융 깊이를 구하는 것이 간편하다. 도 1에 모재 및 용융 재응고층의 농도 변화의 실측값의 일례를 나타낸다. 이것은, 티타늄 주조편의 압연면 표층 부근의 모재 부분으로부터 압연 표면을 향해서 두께 방향으로 β상 안정화 원소 농도에 대해서 선분석한 경우이다. 모재에서는 β상 안정화 원소 농도가 낮아 거의 균일해지고 있지만, 용융 재응고층에서는 β상 안정화 농도가 높아, 더욱더 농도의 요동이 발생하고 있어, 불균일성이 있는 것을 알 수 있다.
β상 안정화 원소로서는, V, Mo, Fe, Cr, Mn, Ta, Nb, Ni, Co, Cu, W 등을 들 수 있다. 그러나, 티타늄에서는, 융점이 높은 W, Ta 등의 원소는, HDI(고밀도 개재물)의 원인이 되어, 미용융이나 확산 불충분한 채로 티타늄재 중에 잔존하면 피로의 기점이 되기 때문에, 사용하기 위해서는 주의가 필요하다. 또한, Mo나 Nb등도 W나 Ta와 비교하면 융점은 낮기는 하지만, 융점이 2000℃ 이상이므로, Mo나 Nb를 사용하는 경우에는, 미리 Ti 등의 원소와의 합금으로서 융점을 낮게 한 합금으로서 첨가하는 쪽이 바람직하다. β상 안정화 원소는 V, Mo, Ta, Nb 등의 전율 고용형과, Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 등의 공석형으로 분류할 수 있고, 공석형으로는 각 β상 안정화 원소의 고용도는 작지만, β상 안정화능은 크기 때문에, 공석형의 β상 안정화 원소 쪽이 소량의 첨가로도 유효하다. 공석형의 Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Cu로는, 모재에 대한 용융 재응고층의 β상 안정화 원소 농도가 0.10 내지 0.60mass% 정도로 높으면 열간 압연 후의 표면 흠을 억제할 수 있기 때문에, 상기 범위가 바람직하다. 전율 고용형의 V, Mo, Ta, Nb에서는, β상 안정화능이 공석형과 비교해서 작기 때문에, 모재에 대하여 용융 재응고층의 β상 안정화 원소 농도가 0.60 내지 1.50mass% 정도, β상 안정화 원소를 많이 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 공석형의 β상 안정화 원소를 사용해도, 재용융 후의 응고 시는 급랭되기 때문에, 냉각 속도가 빨라서, 석출물은 생기지 않고, 열연 가열 시도 α+β의 2상 영역이 되므로, 석출물은 생기지 않는다. 또한, β상 안정화 원소를 함유하는 소재 중에는 Al로 대표되는 α상 안정화 원소나 Sn, Zr 등의 중성 원소가 포함되어 있어도 된다. α상 안정화 원소와 중성 원소 중 어느 한쪽, 또는 양쪽이 포함되어 있어도 된다. 또한, 모재에 대하여 용융 재응고층 중의 α상 안정화 원소와 중성 원소의 총량은 2.0mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 주조 상태의 주조편 표층과 함께 용융하는 소재는, β상 안정화 원소이고 또한 비교적 저렴한 Fe, Ni, Cr을 사용하는 쪽이 바람직하다. Fe 분말 등이나 스테인리스 분말 등을 사용하거나, 보통강이나 스테인리스강의 스크랩을 분쇄한 것을 활용하거나 해도 효과적이다. 마찬가지로, 티타늄 합금의 스크랩을 분쇄한 것을 사용해도 된다.
상기 β상 안정화 원소를 주조편의 표층에 첨가하기 위해서 사용하는 소재는 분말, 칩, 와이어, 박 중 어느 것의 형상이어도 되고, 소편으로 되어 있는 것이 바람직하다. 분말은 입경 1㎛ 내지 0.5㎜, 칩은 한변의 크기가 2㎜ 내지 5㎜인 직사각형, 와이어는 φ 0.5㎜ 내지 φ5㎜, 박은 막 두께 1㎛ 내지 0.1㎜의 범위의 소재를 사용하면 효과적이다. 이들 소재는, 주조편의 표면에 설치하거나 또는 살포할 때에 주조편의 표면에 균일하게 배치함으로써, 티타늄 주조편의 표층에도 균일하게 첨가하는 것이 가능하게 되어, 보다 양호한 표면 성상의 티타늄 주조편이 얻어진다.
또한, β상 안정화 원소와 함께 표층을 용융하는 방법은, 전자 빔 가열, 아크 가열, 레이저 가열, 및 유도 가열 등의 방법이 있지만, 티타늄은 활성의 금속이며, 대기 중에서 표층을 용융하면 용융부가 현저하게 산화하기 때문에, 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 처리가 가능한 전자 빔 가열, 아크 가열(특히, 플라즈마 아크 가열이나 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접 등의 이너트 가스를 사용하는 가열 방법), 레이저 가열 등이 적합하며, 어느 방법으로도 상기한 처리는 가능하다. 그 중에서도, 한번에 고에너지를 부여할 수 있는 전자 빔 가열 또는 플라즈마 아크 가열이 공업적으로는 적합하며, 이들 방법을 사용하면 된다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
표 1에 나타내는 참고예, 실시예 및 비교예에 있어서, 티타늄 주조편은 전자 빔 용해에 의해, 각 품종의 티타늄 합금성의 직사각형 주형 또는 원통 주형을 사용해서 제조된 것이다. 직사각형 주형으로부터 제조한 잉곳은 두께 200㎜×폭 1000㎜×길이 4500㎜이고, 열간 압연에 의해 두께 4㎜의 열연판에, 원통 주형으로부터 제조한 잉곳은 직경 170㎜×길이 12m이며, 열간 압연에 의해 직경 13㎜의 선재를 제조하였다. 또한, 열간 압연은 철강 재료의 열간 압연 설비를 사용해서 행하였다. β상 안정화 원소를 함유하는 소재로서는, 분말(입경 100㎛ 이하), 칩(한변이 2㎜인 정방형, 1㎜ 두께), 와이어(φ1㎜), 박(20㎛)의 어느 것을 사용하였다. 티타늄 주조편은 절삭 손질을 행하지 않는 것으로 행하기는 하지만 2종류를 제작하고 있고, β상 안정화 원소를 함유시키는 경우에는, 모두 압연면인, 주조 표면 상태의 면(주조 표면의 절삭 손질 없음), 또는 절삭 가공면(주조 표면의 절삭 손질 있음)에 β상 안정화 원소를 함유하는 소재를 설치하거나 또는 살포하였다. 그 위에서 슬래브 표층의 가열을 실시하여, 전자 빔 및 플라즈마 아크에 의해 가열부를 주사시킴으로써, 압연면 전체면을 처리하고 있어, β상 안정화 원소가 포함되는 소재 및 압연면의 미용융부가 잔존하지 않도록 하였다. 게다가, 주조 상태의 티타늄 주조편은, 비교적, 주조 표면이 양호한 것을 사용하고 있어, 표층의 용융 시에 주조 표면에 기인한 용융 잔여물이 발생하지 않도록 하고 있다. 또한, β상 안정화 원소가 슬래브 전체에 균일하게 첨가되도록, β상 안정화 원소를 함유하는 소재를, 티타늄 주조편의 압연면 전체에 균일하게 분산시켰다. 용융 재응고층의 깊이의 측정 방법은, 표층을 재용융 후에 응고시킨 티타늄 주조편을 일부 잘라내어, 매립 시료를 제작, 연마한 것을, SEM(Scaning Electron Microscopy)/EPMA(Electron Probe Micro Analyser)에 제공하고, 원소 맵핑을 행함으로써, 그 매립 시료의 용융 재응고부의 최천부의 깊이를 구하고, 그 깊이를 용융 재응고층의 깊이로 하였다. 또한, 이때, 티타늄 주조편의 압연면이 임의의 10군데의 표층 1㎜ 이내로부터 분석 샘플을 채취하여, ICP 발광 분광 분석을 행하여, 10군데의 평균값을 취하였다. 또한, 비교로서, 티타늄 주조편의 표층을 재용융하기 전에 티타늄 주조편의 압연면의 임의의 3군데의 표층 20㎜ 이내로부터 분석 샘플을 채취하고, 마찬가지로 ICP 발광 분광 분석을 행하여, 3군데의 평균값을 취하였다. 이 2종류의 분석 결과에 대해서, 용융 재응고층 중의 깊이 1㎜까지의 범위에 있어서의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값과, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값의 차이를 조사하였다. 또한, 표면 흠의 발생 상황은, 열간 압연 후, 열연판을 숏 블라스트 및 산 세정한 후에, 티타늄재(열연판)의 표면을 눈으로 관찰하여, 평가하였다. 또한, 산 세정은 1회당 압연면의 편면을 약 50㎛ 정도(양면에서 약 100㎛) 용삭하고 있고, 산 세정을 1 내지 2회 통판 후, 열연판의 표면 성상을 평가하고 있다. 또한, 표층의 용융 처리를 실시하고 있지 않은 비교예에서는 표층 1㎜ 이내로부터 분석 샘플을 채취하고, 용융 재응고층의 두께가 1㎜ 미만인 비교예에 있어서는 용융 재응고층 내에서 분석 샘플을 채취하였다.
No.1 내지 No.31은 판재를 대상으로 한 예이다.
No.1 내지 No.5의 참고예, 비교예 및 실시예는, 잉곳 주조 후에 주조 표면의 절삭 손질을 행하여, 주조 표면을 제거하고 있다. 한편, No.6 내지 No.31의 실시예는, 잉곳 주조 후에 주조 표면의 절삭 손질을 행하고 있지 않다.
No.1 내지 No.21의 참고예, 비교예, 실시예는, Ti-1Fe-0.35O의 잉곳을 사용하고 있다.
No.1의 참고예는, 종래의 제조 방법과 마찬가지로 분괴 압연을 거쳐서 제조한 경우이다. 분괴 압연을 실시하고 있기 때문에, 산 세정 후의 열연판에 발생한 표면 흠은 경미하였다.
No.2의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, 분괴 압연을 실시하지 않고 제조한 경우이다. 분괴 압연을 실시하고 있지 않기 때문에, 산 세정 후의 열연판에는 조대한 흠이 발생하고 있었다.
No.3의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소를 첨가하지 않고 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상이며, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 기본적으로는 경미하였지만, 부분적으로 약간 조대한 흠도 발생하고 있었다.
No.4의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소로서 Fe 분말을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 미만이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 부분적으로 약간 조대한 흠이 발생하였다.
No.5의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소로서 Fe 분말을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은 경미하였다.
No.6의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe 분말을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.7의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe 분말을 사용하여, 플라즈마 아크 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.8 내지 No.10의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe칩, Fe 와이어, Fe박을 각각 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.11 내지 No.17의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Cr칩, Ni칩, Ti-Mo칩, V칩, Mn칩, Co칩, Cu칩과 β상 안정화 원소의 종류를 바꾸어서, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.18 내지 No.21의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe-Nb칩, SUS304 분말, Ti-6mass%Al-4mass%V 스크랩을 분쇄한 칩(6-4V칩), Ti-15mass%V-3mass%Cr-3mass%Sn-3mass%Al 스크랩을 분쇄한 칩(15-3-3-3 칩)의 β상 안정화 원소 및 α상 안정화 원소를 수종류 함유하고 있는 재료를 각각 사용하고, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.22 내지 No.31의 실시예는, 티타늄 합금 잉곳의 종류를 변화시킨 경우이며, 각각 No.22는 Ti-0.06mass%Pd, No.23은 Ti-0.5mass%Ni-0.05mass%Ru, No.24는 Ti-5mass%Al-1mass%Fe, No.25는 Ti-5mass%Al-1mass%Fe-0.25mass%Si, No.26은 Ti-3mass%Al-2.5mass%V, No.27은 Ti-0.5mass%Cu, No.28은 Ti-1mass%Cu, No.29는 Ti-1mass%Cu-0.5mass%Nb의 티타늄 합금, No.30은 Ti-1mass%Cu-1mass%Sn-0.3mass%Si-0.2mass%Nb, No.31은 Ti-3mass%Al-5mass%V의 경우이다. 모두 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe 분말 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.32 내지 No.41은 선재를 대상으로 한 예이다.
No.32 내지 No.36의 참고예, 비교예 및 실시예는 잉곳 주조 후에 주조 표면의 절삭 손질을 행하여, 주조 표면을 제거하고 있다. 한편, No.37 내지 No.41의 실시예는 잉곳 주조 후에 주조 표면의 절삭 손질을 행하고 있지 않다.
No.32 내지 No.41의 참고예, 비교예, 실시예는, Ti-3mass%Al-2.5mass%V의 잉곳을 사용하고 있다.
No.32의 참고예는, 종래의 제조 방법과 마찬가지로 분괴 압연을 거쳐서 제조한 경우이다. 분괴 압연을 실시하고 있기 때문에, 산 세정 후의 열연판에 발생한 표면 흠은 경미하였다.
No.33의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, 분괴 압연을 실시하지 않고 제조한 경우이다. 분괴 압연을 실시하고 있지 않기 때문에, 산 세정 후의 열연판에는 조대한 흠이 발생하고 있었다.
No.34의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소를 첨가하지 않고 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상이며, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 기본적으로는 경미하였지만, 부분적으로 약간 조대한 흠도 발생하고 있었다.
No.35의 비교예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소로서 Fe박을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 미만이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 부분적으로 약간 조대한 흠이 발생하였다.
No.36의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질 후, β상 안정화 원소로서 Fe박을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은 경미하였다.
No.37의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe박을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.38의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Fe박을 사용하여, 플라즈마 아크 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.39 및 No.40의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서 Cr 칩, Ni칩과 β상 안정화 원소의 종류를 바꾸어서, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
No.41의 실시예는, 잉곳의 절삭 손질을 행하지 않고, β상 안정화 원소로서, 복수의 β상 안정화 원소를 포함하고 있는 SUS304 분말을 사용하여, 전자 빔 가열에 의해 용융 재응고 처리를 행한 경우이다. 모두 용융 재응고층의 깊이는 1㎜ 이상, 또한 용융 재응고층과 모재의 β상 안정화 원소의 농도차도 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하이고, 열간 압연 및 산 세정 후의 표면 흠은, 경미하였다.
Claims (6)
- 티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편이며,
압연면이 되는 표면에, 1종 또는 2종류 이상의 β상 안정화 원소를 첨가해서 용융시켜서 재응고시킨 용융 재응고층을 깊이 1㎜ 이상의 범위에 갖고,
깊이 1㎜까지의 범위에 있어서의 β상 안정화 원소의 농도의 평균값이, 모재 중의 β상 안정화 원소의 농도에 비교해서, 질량%로, 0.08mass% 이상, 1.50mass% 이하 높은 것을 특징으로 하는, 열간 압연용 티타늄 주조편. - 제1항에 있어서,
상기 β상 안정화 원소가, Fe, Ni, Cr의 1종 또는 2종 이상인, 열간 압연용 티타늄 주조편. - 제1항에 있어서,
상기 β상 안정화 원소와 함께, α상 안정화 원소 또는 중성 원소를 1종 또는 2종 이상 함유하는, 열간 압연용 티타늄 주조편. - 티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편의 압연면이 되는 표면을, β상 안정화 원소를 함유하는 소재와 함께 용융시킨 후, 응고시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 β상 안정화 원소를 함유하는 소재가, 분말, 칩, 와이어, 박 중 어느 것의 형태인, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 티타늄 합금으로 이루어지는 티타늄 주조편의 압연면이 되는 표면을, 전자 빔 가열 또는 플라스마 가열에 의해 용융시키는, 열간 압연용 티타늄 주조편의 제조 방법.
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