WO2022239886A1

WO2022239886A1 - 고강도 및 고연성을 갖는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법

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Publication number: WO2022239886A1
Application number: PCT/KR2021/005988
Authority: WO
Inventors: 원종우; 홍재근; 김재혁; 박찬희; 염종택; 이상원; 최성우
Original assignee: 한국재료연구원
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2022-11-17

Abstract

본 발명은 고강도와 고연성을 동시에 만족하는 상업적으로 순수한 타이타늄 합금과 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄은 중량 %로, 산소(O): 0.35 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.3 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄(Ti)인 성분 및 조성범위;와, 쌍정 밴드의 평균 두께가 1㎛ 이하(0은 제외)인 것;을 특징으로 한다.

Description

고강도 및 고연성을 갖는 순수 타이타늄 및 그 제조 방법

본 발명은 고강도 및 고연성을 갖는 타이타늄 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 인장 특성을 달성하기 위해 순수한(commercially pure) 타이타늄에 새로운 미세 구조를 도입한 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

타이타늄 합금은 낮은 밀도와 높은 강도, 우수한 비강도(specific strength) 및 생체 적합성(biocompatibility)을 가지므로 많은 산업분야에 이용되고 있다.

그 중에서도 상업적으로 순수한 타이타늄(commercially pure titanium, 이하 본 명세서에서 타이타늄 또는 순수한 타이타늄은 상업적으로 순수한 타이타늄을 의미한다)은 우수한 부식 저항성과 생체 적합성을 가진다. 그러나 순수한 타이타늄은 육방정계(hexagonal close packed, HCP) 단상(single phase)의 특성으로 인해 낮은 항복강도를 가지므로 공업적인 응용에 제한을 받아 왔다.

상기 순수한 타이타늄의 강도를 증가시키기 위해 기존에는 주로 결정립 미세화(grain refinement) 방법이 주로 적용되었다.

결정립 미세화 방법들 중 하나로서 변형에 의한 트윈(deformation twin)은 다양한 금속들에서 결정립 기지를 미세화시키는데 주된 메커니즘으로 이용된다.

상기 변형 트윈은 결정립계와 유사하게 거동하는 고경각(high angle) 트윈 경계를 형성하여 결정립 기지를 분할하게 된다. 상기의 트윈 구조는 수많은 고경각 트윈 경계를 포함하여 결정립 기지의 상당한 미세화를 유발한다.

그 결과 면심입방격자(face centered cubic) 금속들에서 평균 결정립 크기가 1 ㎛ 미만인 초미세 결정립(ultra-fine) 미세조직은 트윈유기 결정립 미세화를 통해 얻어질 수 있고, 이를 통해 FCC 금속들의 강도는 크게 증가할 수 있다.

반면 타이타늄과 같은 육방정계 금속에서의 트윈 미세조직은 결정립들 내에서 단지 몇몇의 두꺼운(수십~수백 ㎛) 트윈들로 이루어지므로 결정립 미세화에 효과적이지 못한 것으로 알려져 있다.

따라서 순수한 타이타늄에서는 초미세 결정립 미세조직은 쉽게 형성되지 못하므로, 순수한 타이타늄은 매우 제한된 강도의 증가만이 일어나는 것으로 알려져 있다.

한편 순수한 타이타늄에서의 초미세 결정립 미세조직은 ECAP(equi channel angular procee)와 같은 강소성 가공법(severe plastic deformation)에 의해서만 가능한 것으로 알려져 있다. 금속 분야에서 종래부터 널리 사용되는 압연, 압출 등의 가공 방법은 상업적으로 순수한 타이타늄 내에 초미세 결정립을 도입하지 못하였다.

그런데 종래의 강소성 가공법은 제한된 형상을 가지는 작은 시편만을 만들 수 있으므로 실용성이 떨어지는 문제가 있다. 특히 가공재의 형상의 제한되거나 또는 판재 등과 같이 그 자체만으로 구조물을 형성할 수 있는 형상을 만들기 어려운 가공 방법은 그 사용범위가 매우 제한되는 근본적인 문제를 가진다.

한편 타이타늄이 포함되는 일반적인 금속 또는 이들의 합금에서는 강도가 증가하면 연성 및/또는 인성이 저하되는 것으로 알려져 있다. 다시 말하면, 강도와 연성 및/또는 인성은 서로 트레이드오프(trade-off) 관계를 가지는 것이 일반적이다.

본 발명에서는 상업적으로 순수한 타이타늄 결정립 내에서도 수많은 얇은 미세한 트윈들을 도입하여 초미세 결정립 미세조직을 형성할 수 있는 타이타늄의 제조 방법을 제공하고자 한다. 이를 통해 연신율의 큰 감소 없이 항복강도를 획기적으로 향상시킨 순수한 타이타늄을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 새로운 미세조직을 가지는 고강도 및 고연성 타이타늄과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명의 목적은 순수한 타이타늄에 초미세 결정립 미세조직을 도입할 수 있는 고강도 및 고연성 타이타늄 제조 방법을 제공하고 상기 미세조직을 가짐으로써 종래에는 달성하지 못한 고강도 및 고연성 특성을 동시에 가질 수 있는 타이타늄을 제공하는 것이다.

보다 구체적으로 본 발명은 트윈 유기 결정립 미세화를 통한 초미세 결정립 미세조직을 가지면서 동시에 전위밀도를 제어한 고강도 및 고연성 타이타늄을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 별도의 강소성 공정을 수행하지 않고 일반적인 압연 공정만으로도 고강도 및 고연성을 달성할 수 있는 타이타늄의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄은 쌍정 밴드의 평균 두께가 1㎛ 이하(0은 제외)인 상업적으로 순수한(commercially pure) 타이타늄 일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 타이타늄은 중량 %로, 산소(O): 0.35 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.3 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄(Ti)인 성분 및 조성범위;와, 쌍정 밴드의 평균 두께가 1㎛ 이하(0은 제외)인 것;을 특징으로 타이타늄 일 수 있다.

바람직하게는, 상기 타이타늄의 평균 결정립 크기는 5.2㎛ 이하(0은 제외)일 수 있다.

바람직하게는, 상기 결정립당 쌍정 밴드의 평균 개수는 19개 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 타이타늄의 전위 밀도는 4.5*10 ¹⁵/㎡ 이하일 수 있다.

바람직하게는, 상기 타이타늄의 항복강도*연신율로 정의되는 인장물성 값은 10.5MPa% 이상일 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 타이타늄의 항복강도*연신율로 정의되는 인장물성 값은 12.5MPa% 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이타늄의 제조 방법은 상업적으로 순수한 타이타늄 모재를 준비하는 단계; 상기 합금 모재를 압하율 20%~40% 범위와 온도 -196℃~-10℃의 범위에서 압연하는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 타이타늄 모재는 중량 %로, 중량 %로, 산소(O): 0.35 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.3 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄(Ti)의 성분 및 조성범위를 가질 수 있다.

바람직하게는 상기 타이타늄 모재는 압연 후 소둔된 미세조직을 가질 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 타이타늄 모재는 c축이 두께 방향으로 정렬된 집합 조직을 가질 수 있다.

본 발명에 의하면 기존의 일반적인 압연 공정으로도 높은 강도와 연신율을 가지는 타이타늄을 제조하는 방법을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 쌍정 밴드로 인한 결정립 미세화와 전위 밀도 제어가 가능한 타이타늄 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.

나아가 본 발명에 의하면 기존에 존재하지 않은 매우 높은 인장물성 값을 가지는 타이타늄 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2 타이타늄 모재(또는 초기재라 한다)의 미세조직(a)과 집합조직(b)을 도시한 것이다.

도 2는 압하량 20% 내지 60% 조건에서 상온 압연된 타이타늄의 미세조직을 관찰한 사진이다.

도 3은 압하량 20% 내지 60% 조건에서 극저온 압연된 타이타늄의 미세조직을 관찰한 사진이다.

도 4는 압하량 30% 조건에서 상온 압연된 타이타늄과 극저온 압연된 타이타늄의 인장물성을 나타낸다.

도 5는 10% 내지 60%의 다양한 압하율 조건에서 상온 압연된 타이타늄(a)과 극저온 압연된 타이타늄(b)의 응력-변형률 곡선이다.

도 6은 종래의 타이타늄, 상온 압연된 타이타늄 및 극저온 압연된 타이타늄의 연신율 대 항복강도의 관계를 도시한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한 본 발명에서의 평균 결정립 크기는 전통적인 고경각 입계(high angle grain boundary)에 의해 구분되는 결정립들 뿐만 아니라 결정립 크기를 측정하는 방법 또는 프로그램을 사용하여 고경각 트윈 입계(high angle twin boundary)에 의해 구분되는 결정립들을 포함한 전체 결정립의 평균 크기를 의미한다.

또한 앞에서 기재한 바와 같이 본 발명에서의 타이타늄, 순수한 타이타늄 또는 상업적으로 순수한 타이타늄은 모두 상업적으로 순수한 타이타늄(commercially pure titanium)을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

타이타늄은 체심입방격자(body centered cublic, BCC) 구조를 가지는 고온의 베타상과 육방체밀격자(hexagonal close packed, HCP) 구조를 가지는 저온의 알파상의 두 가지 결정구조를 가지는 동소변태(polymorphous) 원소이다.

상기 동소변태가 발생하는 온도를 베타 트랜서스(beta transus) 온도라 하며, 타이타늄은 베타 트랜서스 온도보다 낮은 온도에서 육방체밀격자(hexagonal closed packing, HCP)의 결정 구조를 가진다.

소위 말하는 상업적으로 순수한(commercially pure) 타이타늄은 상기 타이타늄에 별도의 합금원소를 인위적으로 첨가하지 않은 타이타늄을 의미한다. 그러나 순수한 타이타늄에도 열역학적인 이유와 정련 등의 제조 공상상의 이유로 인해 몇 가지 대표적인 불순물들이 포함되며, 상기 불순물들의 성분 및 조성범위는 ASTM(미국재료시험협회, American Society for Testing Materials) 등의 규격에 의해 규정된다.

본 발명의 실시예들에 따른 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄의 성분 및 조성범위는 다음과 같다.

산소(O): 0.35 중량% 이하,

수소(H): 0.015 중량% 이하,

철(Fe): 0.3 중량% 이하,

탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄.

본 발명에서의 상기 성분 및 조성범위는 ASTM에서 등급 3(grade 3)으로 규정된 것이다. 다시 말하면 본 발명의 실시예들에 따른 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄의 성분 및 조성범위는 상기 ASTM의 등급 3 이하의 타이타늄, 즉 등급 1 내지 3까지의 타이타늄을 포함한다.

특히 산소의 함량은 본 발명의 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄의 초미세 결정립 미세조직에 큰 영향을 미친다. 산소의 함량이 0.35%보다 높으면 쌍정의 활성화가 억제되고 그로 인해 초미세 결정립 미세조직이 형성되기 어렵기 때문이다.

다음으로 본 발명의 실시예에서 사용한 고강도 및 고연성을 가지는 타이타늄의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서는 극저온 온도인 약 -196℃(77K)에서 변형된(가공된) 순수한 타이타늄 내의 미세조직을 제어하였다.

본 발명에서는 수 많은 얇고 개별적인 트윈(twin)들이 결정립들 내에 형성되었다. 이를 통해 매우 강력한 트윈 유기(twining induced) 결정립 미세화가 가능하였다.

본 발명의 제조 방법에 의해 가공된 순수한 타이타늄은 초미세 결정립 미세조직을 가졌다. 상기 초미세 결정립 미세조직은 순수한 타이타늄의 강도를 크게 증가시켰으며, 강도의 획기적 증가에도 불구하고 놀랍게도 연성의 큰 감소를 유발시키지 않았다. 상기 기계적 강도의 획기적인 개선은 가공된 타이타늄 내에 트윈 구조와 상대적으로 적은 수의 전위(dislocation)에 의해 네킹 불안정성(necking instability)에 대한 저항성이 증가되었기 때문이다. 본 발명은 순수한 타이타늄에서 뛰어난 인장특성을 획득할 수 있는 새로운 공업적인 방법을 제공하게 된다.

본 발명은 상기 극저온 가공에 의해 순수한 타이타늄 내에 트윈 미세조직이 형성되어 초미세 결정립 미세조직이 형성됨을 확인하였다. 상기 극저온 가공된 타이타늄은 우수한 연신율과 함께 매우 향상된 항복강도를 가지며, 항복강도와 연신율 모두 상온에서 가공된 타이타늄보다 극저온 가공된 타이타늄에서 더욱 우수하였다.

본 발명에서는 열간압연 후 소둔된(mill-annealed) 두께 4㎜의 타이타늄 판재를 초기재(initial material, 또는 모재라 한다)로 이용하여 극저온 가공하였다. 상기 판재 타이타늄의 성분 및 조성범위는 중량 %(wt. %, 이하 %라 한다) 산소 0.21%, 탄소 0.01%, 질소 0.01%, 잔부 타이타늄(Ti)으로 측정되었다. 상기 초기재는 트윈이 없는 등축 결정립 미세조직을 가지며, 평균 결정립 크기는 31㎛이며, 전형적인 압연 텍스쳐 조직을 가지는 것으로 측정되었다.

본 발명의 제조 방법은 극저온 가공(구체적으로 극저온 롤링) 및 상온 가공 후의 전체 압하율(두께 감소율)의 최대치를 40%로 설정되었다. 만일 두께 감소율이 40%를 초과하게 되면, 트윈 활성도가 급격히 감소하기 때문이다.

본 발명에서의 초기재는 극저온 압연을 위해 압연 시의 각각의 패스 직전에 -196℃(77K)의 액체질소에 담겼다. 초기재가 액체 질소에 담겨지면 액체질소는 보일링(boiling)하게 되고, 초기재의 온도가 액체질소의 온도까지 냉각되면 액체질소의 보일링은 중단되었다. 상기와 같은 액체질소의 보일링 현상은 초기재의 온도가 액체질소의 온도까지 냉각됨을 보장할 수 있다.

다만 액체질소로 냉각된 초기재는 극저온 압연 중에 주위 환경 및 마찰 등으로 인해 그 온도가 다소 상승한 것으로 측정되었다. 그러나 극저온 압연 중에 시편의 온도는 모든 실시예에서 -10℃보다 높아지지 않음을 확인하였다.

미세조직은 EBSD(electron backscatter diffraction) 측정을 이용하여 조사되었다. X-선 회절(XRD) 피크들은 모노크로마틱 CuKα 조사(radiation)를 이용한 θ-2θ 디프렉토미터를 이용하여 측정되었다. 인장특성들은 상온에서 변형률 10 ^-3/s의 조건에서 INSTRON 장비를 사용하여 측정되었다. 인장시편들은 ASTM-E8의 규격에 따라 게이지 길이는 25㎜, 폭은 6㎜, 두께는 2㎜로 가공되었으며 판상 시편의 압연방향을 따라 시료들이 채취되어 가공되었다. 인장시험 동안 네킹(necking) 거동은 Aramis system을 가지는 디지털 이미지 교정기(digital image correction, 이하 DIC)를 사용하여 정량화되었다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 등급 2(grade 2) 타이타늄 초기재의 미세조직(a)과 집합조직(b)을 도시한 것이다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 초기재로는 압연 후 소둔된 판재 형상의 타이타늄이 이용되었다. 따라서 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 초기재는 등축의 결정립으로 이루어진 미세조직을 가진다. 또한 도 1의 (b)에서 도시된 바와 같이 상기 초기재는 육방체밀격자를 가지는 타이타늄의 c축이 판재의 두께 방향으로 정렬된 집합조직을 가짐을 알 수 있다.

c축은 육방체밀격자에서 슬립(slip)이 일어나기 어려운 방향이다. 따라서 초기재로 c축이 판재의 두께 방향으로 정렬된 미세조직을 가지게 되면, 후속 압연시 슬립(slip)의 발생이 억제되고 트윈의 발생이 더욱 용이하게 된다. 그 결과 트윈의 활성화가 더욱 조장되어 트윈에 의한 초미세 결정립 획득이 유리해지며 나아가 슬립의 억제로 인해 전위 밀도의 증가를 방지하여 가공연화를 지연시키는데 유리하다.

상온 압연된 타이타늄에서는 먼저 {11-22} 트윈(primary twin)이 대부분의 결정립에서 형성되고, {10-12} 트윈(secondary twin)이 이전에 형성된 {11-22} 트윈에서 활성화되었다. 상기 2가지 트윈들은 타이타늄에서 가장 보편적인 트윈 시스템이다.

한편 상온 압연된 타이타늄은 압하량이 20 내지 60%의 구간에서 쌍정밴드가 없는 조대한 긴 결정립이 거의 그대로 유지됨을 도 2로부터 알 수 있다. 쌍정밴드를 포함한 결정립들의 경우 압하량과 무관하게 쌍정밴드 두께가 수 ㎛ 수준으로 유지되고, 그 결과 쌍정이 발생한 결정립에서도 높은 결정립 분절 효과를 보이지 못하였다.

또한 상온 압연된 타이타늄은 압하량이 20%에서 60%로 증가하더라도 쌍정의 전체 양은 증가하지 않고 실질적으로 거의 동일하거나 유사한 정도인 것으로 나타났다.

이상과 같은 상온 압연된 타이타늄의 미세조직 결과는 상온 압연은 타이타늄의 초미세 결정립 미세조직 구현에 효과적이지 않음을 의미한다.

먼저 극저온 압연된 타이타늄도 상온 압연된 타이타늄과 동일한 트윈 시스템을 가짐을 확인하였다.

반면 극저온 압연된 타이타늄 내에서의 쌍정은 상온 압연된 타이타늄 내에서의 쌍정과 여러 가지 면에서 극명한 차이를 가진다.

먼저 극저온 압연된 타이타늄에서는 20%의 작은 변형량에서도 모든 결정립 내에서 밴드 폭이 좁고 균일한 쌍정이 형성되었다. 특히 극저온 압연된 타이타늄 결정립 내의 트윈 밴드 폭(0.4-1.5㎛)은 상온 압연된 결정립 내의 트윈 밴드 폭(1-5㎛)보다 매우 작은 것을 확인하였다.

또한 극저온 압연된 타이타늄은 압하량이 20%에서 60%로 증가함에 따라 쌍정이 계속 균일하게 형성되고 형성된 쌍정의 양도 증가하는 것으로 나타났다.

이상과 같은 극저온 압연된 타이타늄의 미세조직 결과는 굳이 정량적으로 쌍정의 특성을 측정하지 않더라도 극저온 압연이 타이타늄의 초미세 결정립 미세조직 구현에 매우 효과적임을 직관적으로 나타내는 것이다.

아래의 표 1은 상기 도 2 및 3의 미세조직을 정량적으로 측정한 결과를 정리한 것이다.

<표 1>

(압하량 60% 시편의 미세조직에서는 쌍정을 명확히 구분할 수 없기 때문에 쌍정 특성을 측정하지 못함)

먼저 등급 2(grade 2) 타이타늄 초기재는 압연 후 소둔된 상태이므로 수십 ㎛의 비교적 큰 평균 결정립을 가지며, 나아가 쌍정이 없는 미세조직을 가진다.

한편 도 2에서 도시된 상온 압연된 타이타늄은 평균 수~수십 ㎛의 결정립 크기를 가진다. 또한 상온 압연된 타이타늄 내의 쌍정 밴드의 평균 두께는 대략 4~5㎛인 것으로 측정되었고, 하나의 결정립 당 쌍정 밴드의 평균 개수는 2~11개 인 것으로 측정되었다.

보다 구체적으로 살펴보면, 트윈 구조를 주로 결정하는 {11-22} 쌍정들만 고려한 결과 극저온 압연된 타이타늄에서는 95% 이상의 결정립들이 10개 이상의 트윈들을 가지는 반면 상온 압연된 타이타늄에서는 70% 이상의 결정립들이 5개 이하의 트윈들을 가지는 것으로 관찰되었다. 그 결과 극저온 압연된 타이타늄은 상온 압연된 타이타늄보다 결정립 당 평균 트윈 수가 20%-40%의 압하율 조건에서 대략 2.9배 이상 높은 것으로 측정되었다.

상기와 같이 상온 압연된 타이타늄의 비교적 조대한 평균 결정립 크기와 쌍정 밴드의 두께, 그리고 낮은 밀도의 쌍정 밴드의 개수는 상온 압연은 타이타늄의 결정립 미세화에 효과적이지 않음을 의미한다.

한편, 상온 압연된 타이타늄의 전위 밀도는 압하량이 40%까지는 지속적으로 증가하는 경향을 명확히 보여준다.

전위 밀도가 높아지게 되면, 인장 중에 가공경화율(strain hardening rate)이 낮아서 작은 압하율에서도 가공연화의 발생 가능성이 높아진다. 그 결과 네킹(necking)과 같은 국부적인 변형이 발생하여 결과적으로 연성이 낮아지게 된다.

반면 도 3에서 도시된 극저온 압연된 타이타늄은 특히 압하량 20~40% 조건에서는 평균 결정립 크기가 0.6~5.2㎛인 것으로 측정되었다. 또한 극저온 압연된 타이타늄은 쌍정 밴드의 평균 두께가 대략 1㎛ 미만인 수백 ㎚인 것으로 측정되었고, 하나의 결정립 당 쌍정 밴드의 평균 개수는 19~23개 인 것으로 측정되었다.

상기와 같이 극저온 압연된 타이타늄의 미세한 평균 결정립 크기와 쌍정 밴드의 두께, 그리고 높은 밀도의 쌍정 밴드의 개수는 극저온 압연은 타이타늄의 결정립 미세화에 매우 효과적임을 의미한다.

한편, 극저온 압연된 타이타늄의 전위 밀도는 압하량이 20~40 %구간에서는 상온 압연된 타이타늄 대비 1/3 이하인 것으로 측정되었다.

전위 밀도가 낮아지게 되면, 인장 중에 가공경화율(strain hardening rate)이 높아서 높은 압하율에서도 가공연화의 발생 가능성이 낮아진다. 그 결과 네킹(necking)과 같은 국부적인 변형에 대한 저항성이 증가하여 결과적으로 연성 감소가 발생하지 않는다.

한편 극저온 압연된 타이타늄의 경우, 10% 압하된 타이타늄에서는 결정립 크기 감소가 충분하지 않았고 결정립 당 쌍정 밴드의 평균 개수도 크지 않은 것으로 측정되었다. 10%의 압하량은 초미세 결정립 형성에 필수적인 쌍정 밴드 형성을 위해 필요한 변형량에 부족함을 의미하는 것으로 판단된다.

또한 압하량이 60%로 극저온 압연된 타이타늄의 경우, 작은 결정립 크기에도 불구하고 전위 밀도가 지나치게 높아서 가공연화가 발생하여 연성에 불리할 것으로 판단된다.

먼저 도 4 (a)에서 도시하는 바와 같이, 초기재는 200MPa 보다 낮은 항복강도를 가지는 반면 연신율은 60%에 근접한 인장 특성을 보였다.

반면 상온 압연된 타이타늄과 극저온 압연된 타이타늄은 공통적으로 초기재 대비 높은 항복강도와 낮은 연신율을 가진다. 특히 극저온 압연된 타이타늄은 상온 압연된 타이타늄보다 100MPa 이상 높은 항복강도를 가지면서 동시에 연성 역시 크게 증가한 것을 알 수 있다.

상기 도 4의 (a)의 결과는 도 2 및 3의 미세조직과 매우 잘 부합한다. 다시 말하면 극저온 압연된 타이타늄 내의 조밀하고 미세한 쌍정 밴드는 결정립을 미세화시키고 그 결과 초미세 결정립 미세조직은 다시 우수한 인장특성을 구현하는 것으로 판단된다.

한편 도 4 (b)는 상온 압연된 타이타늄과 극저온 압연된 타이타늄의 가공경화율(strain hardening rate) 값을 비교한 것이다.

통상 가공경화율 값이 0인 경우를 기준으로 양(positive)의 값은 가공경화가 그리고 음(negative)의 값은 가공연화가 발행하는 것으로 구별될 수 있다.

상온 압연된 타이타늄보다 극저온 압연된 타이타늄이 더 높은 변형량(strain)에서 가공연화가 발생함을 알 수 있다. 다시 말하면 극저온 압연된 타이타늄은 상온 압연된 타이타늄보다 가공경화가 더 넓은 변형량 구간에서 발생하며, 이는 극저온 압연된 타이타늄이 상온 압연된 타이타늄보다 가공연화에 대한 저항성이 더 높음을 의미한다.

상기 도 4의 (b)의 결과는 표 1의 전위밀도 결과와 매우 잘 부합한다. 다시 말하면 극저온 압연된 타이타늄 내의 낮은 전위밀도로 인해 변형(인장시험) 중에 전위의 증식이 지배적으로 발생하여 가공경화가 넓은 변형량 구간까지 활발하게 발생하게 된다.

그 결과 극저온 압연된 타이타늄은 상온 압연된 타이타늄보다 인장시험 중에 가공연화를 약화시켜 네킹(necking)과 같은 국부변형에 대한 저항성을 향상시킨다. 또한 극저온 압연된 타이타늄의 향상된 가공경화능력(strain hardening capacity)은 후속 공정에서의 가공성을 크게 향상시킨다.

도 4 (c) 및 (d)는 상온 압연된 타이타늄과 극저온 압연된 타이타늄의 연신율에 따른 네킹 지표(necking index)와 DIC 이미지를 나타낸다.

도 4 (c) 및 (d)에서 도시하는 바와 같이, 극저온 압연된 타이타늄에서는 거의 파괴(fracture)가 일어날 때까지 네킹이 발생하지 않은 반면에 상온 압연된 타이타늄에서는 변형 초기부터 네킹이 발생하는 것을 알 수 있다.

아래의 표 2는 상기 도 5에서의 응력-변형률 곡선으로부터 획득한 인장특성들(tensile properties)을 정리한 것이다.

<표 2>

먼저 모든 압하율 조건에서 상온 압연된 타이타늄보다 극저온 압연된 타이타늄의 인장강도 및 항복 강도가 높은 것으로 조사되었다. 이와 같이 극저온 압연된 타이타늄에서의 높은 강도 특성은 쌍정 밴드의 발달로 인해 형성된 초미세 결정립 미세조직에서 기인한 것이다.

또한 극저온 압연된 타이타늄의 초미세 결정립 미세조직과 함께 낮은 전위 밀도는 가공경화 특성의 향상 및 가공연화 특성의 약화를 초래하여 높은 연신율로 나타났다.

극저온 압연된 타이타늄의 상기와 같은 높은 강도 및 연성 특성은 항복강도와 연신율의 곱(항복강도*연신율)으로 정의되는 인장물성 값을 비교하면 더욱 명확해 진다.

아래의 표 3은 ASTM에서 규정된 등급 2 타이타늄의 인장특성을 요약한 것이다.

<표 3>

먼저 ASTM에서 규정된 등급 2 타이타늄의 인장물성 값은 약 5.5~8.2 GPa% 값을 가지는 것으로 조사되었다. 한편 본 발명에서 사용된 등급 2 타이타늄의 초기재는 약 10.1 GPa%의 인장물성 값을 보이는 것으로 측정되었다.

한편 상온 압연된 타이타늄은 압하량 10~60%의 모든 조건에서 최대 10.1 GPa%의 인장물성 값을 가지는 것으로 조사되었다.

상온 압연된 타이타늄이 초기재 대비 높은 항복강도를 가짐에도 인장물성 값이 낮은 이유는 상온 압연된 타이타늄의 낮은 연성 때문이다. 상기 상온 압연된 타이타늄의 낮은 연성은 상온 압연에 의해서도 타이타늄의 미세조직이 초미세 결정립을 가지지 못하고 또한 전위밀도가 지나치게 높기 때문이다.

반면 극저온 압연된 타이타늄은 압하량 20~40%의 조건에서 최소 12.6 GPa% 이상의 매우 우수한 인장물성 값을 가진다.

극저온 압연된 타이타늄이 인장물성 값이 우수한 이유는 극저온 압연된 타이타늄의 높은 강도와 상대적으로 우수한 연성 때문이다. 상기 극저온 압연된 타이타늄의 우수한 인장물성은 극저온 압연에 의해 타이타늄의 미세조직이 초미세 결정립을 가지면서 동시에 전위밀도도 낮아서 가공연화 저항성이 높기 때문이다.

한편 비록 극저온 압연된 타이타늄이라 하더라도 압하율이 10%인 경우 인장물성 값은 초기재나 상온 압연된 타이타늄보다 매우 높지는 않은 것으로 조사되었다. 10%의 압하율은 극저온 압연 시 타이타늄 내의 조밀한 쌍정 밴드를 형성하기에는 변형량이 다소 부족하여 그 결과 강도가 크게 증가하지 않았기 때문이다.

또한 60%의 압하율로 극저온 가공된 타이타늄에서는 쌍정 밴드의 형성으로 인해 강도의 증가 및 결정립 미세화가 구현되었다. 그러나 동시에 지나치게 증가한 전위밀도는 가공연화를 억제하지 못하여 연성의 저하를 유발시켰다. 따라서 60%의 압하율로 극저온 가공된 타이타늄은 낮은 인장물성 값을 가지게 된다.

도 6은 일반가공된 타이타늄, 상온 압연된 타이타늄 및 극저온 압연된 타이타늄의 연신율 대 항복강도의 관계를 도시한다.

일반가공(종래의 압연 후 소둔)된 타이타늄과 상온 압연된 타이타늄은 모두 인장물성 값이 10.5 GPa%를 넘지 못하는 것을 도 6으로부터 알 수 있다. 상기 일반가공된 타이타늄 또는 상온 압연된 타이타늄은 쌍정 밴드에 의한 초미세 결정립을 가지지 못하므로 그로 인해 낮은 인장물성 값을 가질 수 밖에 없다.

반면 본 발명에서의 극저온 압연된 타이타늄은 압하율 20%~40% 구간에서는 모두 10.5 GPa%이상의 높은 인장물성 값을 가지는 것을 알 수 있다. 극저온 압연된 타이타늄의 우수한 인장물성 값은 쌍정 밴드에 의한 초미세 결정립과 낮은 전위밀도에서 기인한다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims

중량 %로, 산소(O): 0.35 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.3 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄(Ti)인 성분 및 조성범위를 만족하고;

쌍정 밴드의 평균 두께가 1㎛ 이하(0은 제외)인 것;을 특징으로 하는 타이타늄.
제1항에 있어서,

상기 타이타늄의 평균 결정립 크기는 5.2㎛ 이하(0은 제외)이고,

상기 결정립당 쌍정 밴드의 평균 개수는 19개 이상인 것;을 특징으로 하는 타이타늄.
제1항에 있어서,

상기 타이타늄의 전위 밀도는 4.5*10 ¹⁵/㎡ 이하인 것;을 특징으로 하는 타이타늄.
제1항에 있어서,

상기 타이타늄의 항복강도*연신율로 정의되는 인장물성 값은 10.5MPa% 이상인 것;을 특징으로 하는 타이타늄.
상업적으로 순수한 타이타늄 모재를 준비하는 단계;

상기 타이타늄 모재를 압하율 20%~40% 범위와 온도 -196℃~-10℃의 범위에서 압연하는 단계;

를 포함하는 타이타늄 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 타이타늄 모재는 중량 %로, 중량 %로, 산소(O): 0.35 중량% 이하, 수소(H): 0.015 중량% 이하, 철(Fe): 0.3 중량% 이하, 탄소(C): 0.1 중량% 이하 및 잔부 타이타늄(Ti)의 성분 및 조성범위를 가지는, 타이타늄 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 타이타늄 모재는 압연 후 소둔된, 타이타늄 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 타이타늄 모재는 c축이 두께 방향으로 정렬된 집합 조직을 가지는, 타이타늄 제조 방법.