KR20200070873A - 티타늄 판재의 압연 방법 - Google Patents

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Abstract

티타늄 판재의 압연 방법에 대한 것으로, 티타늄 코어재를 준비하는 단계; 상기 코어재 양면을 커버재로 덮고 두께 방향 사면을 밀봉하여 팩을 제조하는 단계; 및 상기 팩을 압연하는 단계;를 포함하고, 상기 팩의 전체 두께에 대한 코어재의 두께 비율은 0.3 이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법을 제공한다.

Description

티타늄 판재의 압연 방법 {Rolling method of titanium sheet}
티타늄 판재의 압연 방법에 대한 것이다.
티타늄 합금은 변형저항의 온도의존성이 크고 가공 중 온도 저하에 의해 가공하중이 커지기 때문에 박판 제조가 어렵다.
티타늄 합금을 2mm 이하로 두께를 제어하면 판재의 활용가치가 더욱 높아지는데 일반적인 압연으로는 소재의 열손실 및 스프링백 현상 때문에 제어가 난해하다. 이러한 소재는 팩압연 기술을 이용하여 박판을 제조하며, 팩압연은 1장 또는 여러장의 판재를 코어재로 하고, 그 상하 및 사면을 커버재로 덮어 진공 용접하여 열간 압연하여 박판을 얻는 제조 기술이다.
하지만, 팩 압연 방법에 대한 체계적인 연구는 이루어지지 않고 코어재, 커버재의 치수, 두께, 재질 등은 제조자의 직감에 의존하고 있다.
일본특허(특공평7-90245)호 공보에서는 코어재와 커버재 변형 저항값의 비를 고려해 코어재를 선정하고 압연 하중의 변화 또는 감마선 판두께계의 출력 변화에 의해 코어재의 길이를 구하는 팩 압연재의 판두께 제어 방법이 제안되었고, 특공평7-108405호 공보에서는 팩 압연 제조 방법에 있어서 코어재 변형 저항값이 커버재 변형 저항값 이하가 되도록 코어재 및 커버재를 선정하고 코어재의 두께와 조립 소재의 합계 두께의 비가 0.65~0.82로 하는 것을 특징으로 하는 팩 압연 방법을 제시하였다.
상기의 특공평7-90245호 공보 및 특공평7-108405호 공보에서는 코어재 두께 편차에 관한 데이터가 나타나지 않고 달성 가능한 판 두께 정밀도가 불명확하다.
이에 본 발명자들은 코어재와 팩의 총두께의 비율, 압하율에 따른 코어재의 두께 편차와 코어재와 총두께의 비율이 buckling과 압연하중 및 온도에 미치는 영향을 제시하여, 고강도 티타늄 합금의 박판 제조시 코어재의 압연에 의한 형상 불량 발생을 방지하고 구상화 조직을 형성할 수 있는 팩 압연 소재의 패킹 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명자들은 복수의 코어재를 커버재로 덮고 6면을 감싸 용접하여 팩 조립를 형성하고 패스당 최적의 압하율을 도출함과 동시에 코어재와 커버재의 판두께 감소율을 측정하였다.
이후, 압연 전과 후의 코어재와 커버재의 두께 감소비가 1이 되는 코어재와 커버재의 두께 비율을 도출하고, 그때 판 형상이 양호하고 구상 조직을 형성하는 최적 공정 조건을 제안하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 구현예에서는, 티타늄 코어재를 준비하는 단계; 상기 코어재 양면을 커버재로 덮고 두께 방향 사면을 밀봉하여 팩을 제조하는 단계; 및 상기 팩을 압연하는 단계;를 포함하고, 상기 팩의 전체 두께에 대한 코어재의 두께 비율은 0.3 이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법을 제공한다.
보다 구체적으로 두께 비율은 0초과 및 0.3 이하일 수 있다. 두께 비율이 너무 낮으면 실제 목적하는 티타늄 코어의 양이 적어지게 되고 수율에 문제가 생길 수 있다.
상기 커버재는 탄소강이되, 탄소 함량이 0.40 내지 0.50 중량%일 수 있다. 커버재의 탄소강 종류에 대해서는 후술하는 실시예에서 보다 구체적으로 설명 하도록 한다.
상기 팩을 압연하는 단계;에서, 패스 당 압하율은 20 두께% 이하일 수 있다. 상기 팩을 압연하는 단계;에서, 패스 당 압하율은 15 두께% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 압혀율은 0초과 및 15두께% 이하일 수 있다. 압하율이 너무 낮으면 압연 패스 회수가 증가되는 생산성의 문제가 있다. 압하율이 높은 경우에 대한 설명은 후술하는 실시예에서 검토하도록 한다.
상기 팩을 압연하는 단계;에서, 상기 코어재의 폭과 팩의 전체 두께의 비율(Wcore/Ttotal) 15이하일 수 있다. (코어재 폭(
Figure pat00001
Figure pat00002
)이고, 팩의 총두께(
Figure pat00003
Figure pat00004
)이다.) 이에 대한 구체적인 설명도 후술하는 실시예에서 검토하도록 한다.
상기 팩을 압연하는 단계;에 따라, 상기 커버재 및 코어재의 두께 감육비는 1이하이되, 상기 두께 감육비는 하기 수학식 1로 표시될 수 있다. 감육비가 1이하인 경우 코버재 및 코어재가 균일하게 압연되는 것으로 생각할 수 있다. 이는 압연재의 평탄화도 등에 영향을 미칠 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00005
상기 수학식 1에서, 커버재의 압연 전 두께는
Figure pat00006
Figure pat00007
이고, 압연 후 두께는
Figure pat00008
Figure pat00009
이고, 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00010
Figure pat00011
이고, 코어재의 압연 전 두께는
Figure pat00012
Figure pat00013
이고, 압연 후 두께는
Figure pat00014
Figure pat00015
이고, 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00016
Figure pat00017
이다.
상기 코어재 양면을 커버재로 덮고 두께 방향 사면을 밀봉하여 팩을 제조하는 단계;에서, 팩 내부는 진공 상태일 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 팩 압연의 최적 패킹 방법을 제공하여 고강도 티타늄 합금의 박판 제조시 코어재의 압연에 의한 형상 불량 발생을 방지할 수 있다.
이와 함께 개선된 수율을 얻을 수 있다.
도 1는 커버재의 종류가 코어재의 형상에 미치는 영향을 나타내었다.
도 2은 코어재와 커버재의 두께 감소비가 코어재의 형태불량에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
도 3는 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 압연하중과 온도변화에 미치는 영향을 나타내었다.
도 4는 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비에 따른 코어재 두께편차를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
제조 공정
코어재는 표면의 산화층을 제거하고 코어재와 커버재 사이에는 이형재를 도포하여 압연 중 코어재와 커버재의 고상확산 접합을 방지하였다.
동일한 두께의 코어재에 커버재의 두께를 다르게 하여 코어재와 총두께의 비율을 결정하였다. 복수의 코어재를 겹쳐서 코어재의 상하면은 커버재로 덮은 뒤 측면 사면을 스페이서를 이용하여 용접하고 팩 내부는 10- 3torr 이상의 진공을 유지하였다.
조립된 팩은 가열로에서 β변태온도 이하에서 적정시간 유지하여 내부까지 동일한 온도에 도달했을 때 추출하여 열간압연 하였다.
코어재와 커버재의 온도 저하 방지를 위해 2번 압연 후 β변태온도 이하에서 약 15분간 재가열 하였다. 목표 두께에 도달 한 후 팩의 사면을 절단하여 코어재와 커버재를 분리하였다.
커버재의 선정 조건
커버재의 종류에 따른 압연 중 코어재와 커버재의 두께 감소율을 측정하여 최적 커버재를 도출하였다.
[커버재의 종류]
Figure pat00018
S45C 강(탄소함량: 0.40~0.50 중량% )
SS400 강 (탄소함량: 0.2~0.3 중량% )
도 1는 커버재의 종류가 코어재의 형상에 미치는 영향을 나타내었다.
커버재와 코어재를 동일한 소재를 선택한 경우 압연 전후의 코어재의 두께와 총두께의 비는 동일하고 직선의 기울기는 1을 나타낸다.
기울기 1보다 클 경우 커버재보다 코어재의 연신이 크고 이에 따라 코어재의 형상 불량이 나타난다. 기울기 1보다 작을 경우 커버재가 코어재보다 연신 되기 용이하므로 코어재의 형상불량은 나타나지 않는다. 커버재 S45C와 SS400의 경우 1 이하의 기울기를 갖지만 압연 후의 폭과 총두께의 비에서 그래프 하측은 코어재 형태 양호 영역이고 상측은 코어재 형태 불량 영역으로 S45C 커버재의 경우 형태양호 영역이 넓게 나타난다.
두께 감소율
도 2은 코어재와 커버재의 두께 감소비가 코어재의 형태불량에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 커버재의 압연 전 두께를
Figure pat00019
Figure pat00020
, 압연 후 두께를
Figure pat00021
Figure pat00022
로 하면 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00023
Figure pat00024
이고, 코어재의 압연 전 두께를
Figure pat00025
Figure pat00026
, 압연 후 두께를
Figure pat00027
Figure pat00028
로 하면 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00029
Figure pat00030
로 표시된다.
압연 전 후의 커버재와 코어재의 두께 감소율
Figure pat00031
Figure pat00032
가 1에 가까울수록 커버재와 코어재의 두께 감소율이 동일해지는 것을 의미하고 커버재가 코어재와 같은 압연 가공을 받고 있는 것을 나타낸다.
압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 0.3일 때 압연 전후 커버재의 두께와 코어재의 두께 감소율은 1을 나타내고 코어재의 형태 양호를 얻기 위한 팩 조립 최적의 커버재의 두께와 코어재의 두께비율임을 알 수 있다.
또한, 압하율이 증가할수록 코어재의 두께는 감소하고 총두께는 증가하여 큰 압하율에서는 코어재는 압연되지만 커버재는 압연되지 않아 코어재의 형태불량을 야기할 수 있다.
두께 비율
도 3는 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 압연하중과 온도변화에 미치는 영향을 나타내었다. 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 0.3 이하에서는 압연하중과 온도변화가 미비하였으나, 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 0.3 초과에서는 압연하중은 급격히 증가하고 온도는 급격히 감소하였다.
도 4는 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비에 따른 코어재 두께편차를 나타낸다. 압연 전의 코어재의 두께와 총두께의 비가 0.3일 때 코어재의 두께편차가 최소이면서 목표두께에 일치하고, 0.3보다 작을 때 목표두께 보다 얇고 코어재의 중심부가 두꺼운 압연 형태를 나타내며, 0.3보다 클 때 목표두께 보다 두껍고 압연 길이 방향으로 두께편차가 발생함을 알 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
커버재와 코어재의 두께비율은 팩 설계에 따라 다양하게 변경 가능하다. 코어재의 두께가 일정할 경우 커버재의 두께가 얇을수록
Figure pat00033
Figure pat00034
값은 커지고, 커버재의 두께가 두꺼울수록
Figure pat00035
Figure pat00036
값은 작아진다. 커버재의 두께가 얇을수록 압연 중 온도가 800℃ 이하로 급격히 저하하여 압연하중이 급격히 증가하나 구상화 조직을 얻기에는 유리하다.
코어재와 커버재의 두께 감소비가 코어재의 형태불량에 미치는 영향은, 커버재의 압연 전 두께를
Figure pat00037
Figure pat00038
, 압연 후 두께를
Figure pat00039
Figure pat00040
로 하면 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00041
Figure pat00042
이고, 코어재의 압연 전 두께를
Figure pat00043
Figure pat00044
, 압연 후 두께를
Figure pat00045
Figure pat00046
로 하면 커버재의 두께 감소율은
Figure pat00047
Figure pat00048
로 표시되어 알 수 있다. 압연 전 후의 커버재와 코어재의 두께 감소율(감육비)는
Figure pat00049
Figure pat00050
가 1에 가까울수록 커버재와 코어재의 두께 감소율이 동일해지는 것을 의미하고 커버재가 코어재와 같은 압연 가공을 받고 있는 것을 나타낸다.
패스당 압하율은 팩 조립된 소재가 압연 롤과 롤 사이를 한번 통과할 때 받는 하중으로 패스당 압하율이 30%이상 클수록 소재는 급격한 하중을 받고 판재 평탄도가 불량하게 된다.
하기의 표 1은 본 발명에서 실시한 비교예 및 실시예를 나타내며 티타늄 합금 박판을 제조하기 위한 코어재 두께(
Figure pat00051
Figure pat00052
), 총두께(
Figure pat00053
Figure pat00054
), 코어재 폭(
Figure pat00055
Figure pat00056
), 패스당 압하율, 압연 전 후의 코어재 및 커버재의 두께 감소비율(두께 감육비), 목표 두께 적중율, 구상화 조직 형성 여부의 조건을 나타낸다.
하기 표 1을 참조하면, 비교예 1과 2는
Figure pat00057
Figure pat00058
값이 0.6과 0.42인 경우로써, 본 발명의 범위인 0.3보다 크다. 팩 압연은 기본적으로 커버재를 감싸서 코어재의 온도 저하를 방지하는 목적으로
Figure pat00059
Figure pat00060
값이 큰 것은 바람직하지 못하다. 비교예 1은 패스당 압하율 15%와 두께 감육비 1로 본 발명과 유사하지만
Figure pat00061
Figure pat00062
값은 48로 판재 평탄도가 불량하고 구상화 조직을 얻지 못했다. 비교예 2는 패스당 압하율이 30%로 판재 평탄도가 불량한 판재가 제조되었으며, 구상화 조직은 일부 만족되었다. 비교예 1과 2는 구상화 조직과 판재 평탄도를 얻지 못하여 본 발명의 목적을 얻기 어려운 범위이다.
실시예 1은
Figure pat00063
Figure pat00064
값이 0.3이고, 패스당 압하율은 20%로 양호한 판재 평탄도를 예측했으나,
Figure pat00065
Figure pat00066
값이 21로 판재 엣지 부분이 평탄하지 못한 결과를 얻었다.
실시예 2와 3은
Figure pat00067
Figure pat00068
값이 각 0.2, 0.3이고, 패스당 압하율은 15%로 동일하게 설정하고,
Figure pat00069
Figure pat00070
값은 12~14 범위로 하였다. 그 결과 두께 적중율, 구상화 조직, 판재 평탄도를 모두 만족하는 결과를 얻었다.
구분 Tcore/Ttota 패스당
압하율		 Wcore/Ttota 두께
감육비		 두께
적중율		 구상화
조직		 판재
평탄도
비교예1 0.6 15% 48 1.02 92% 불만족 불량
비교예2 0.45 30% 29 1.01 95% 일부만족 불량
실시예1 0.3 20% 21 1.00 91% 일부만족 불량
실시예2 0.3 15% 12 1.00 98% 만족 양호
실시예3 0.2 15% 14 0.96 95% 만족 양호
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 티타늄 코어재를 준비하는 단계;
    상기 코어재 양면을 커버재로 덮고 두께 방향 사면을 밀봉하여 팩을 제조하는 단계; 및
    상기 팩을 압연하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 팩의 전체 두께에 대한 코어재의 두께 비율은 0.3 이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커버재는 탄소강이되, 탄소 함량이 0.40 내지 0.50 중량%인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팩을 압연하는 단계;에서,
    패스 당 압하율은 20 두께% 이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팩을 압연하는 단계;에서,
    패스 당 압하율은 15 두께% 이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팩을 압연하는 단계;에서,
    상기 코어재의 폭과 팩의 전체 두께의 비율(Wcore/Ttotal ) 15이하인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
    (코어재 폭(
    Figure pat00071
    Figure pat00072
    )이고, 팩의 총두께(
    Figure pat00073
    Figure pat00074
    )이다.)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 팩을 압연하는 단계;에 따라,
    상기 커버재 및 코어재의 두께 감육비는 1이하이되,
    상기 두께 감육비는 하기 수학식 1로 표시되는 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00075

    (상기 수학식 1에서,
    커버재의 압연 전 두께는
    Figure pat00076
    Figure pat00077
    이고, 압연 후 두께는
    Figure pat00078
    Figure pat00079
    이고, 커버재의 두께 감소율은
    Figure pat00080
    Figure pat00081
    이고, 코어재의 압연 전 두께는
    Figure pat00082
    Figure pat00083
    이고, 압연 후 두께는
    Figure pat00084
    Figure pat00085
    이고, 커버재의 두께 감소율은
    Figure pat00086
    Figure pat00087
    이다.)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어재 양면을 커버재로 덮고 두께 방향 사면을 밀봉하여 팩을 제조하는 단계;에서,
    팩 내부는 진공 상태인 것인 티타늄 판재의 압연 방법.
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