KR101454458B1 - 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재, 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법 및 배기 장치 - Google Patents

Abstract

배기 매니폴드, 배기 파이프,, 촉매 장치 및 머플러 등의 부위에 사용 가능한 내산화성 및 냉간 가공성이 우수한 배기계 부품용 티타늄 합금재로서, 질량%로, Cu: 0.5 내지 15%, Sn: 0.5 내지 1.5%, Si: 0.1 내지 0.6%, 및 O: 0.1% 이하를 함유하고, Cu와 Sn의 함유량의 합계가 1.4 내지 2.7%이며, 잔부가 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내산화성 및 냉간 가공성이 우수한 배기계 부품용 티타늄 합금재.

Description

내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재, 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법 및 배기 장치{HEAT-RESISTANT TITANIUM ALLOY WITH EXCELLENT OXIDATION RESISTANCE FOR EXHAUST SYSTEM COMPONENTS, MANUFACTURING METHOD OF HEAT-RESISTANT TITANIUM PLATE WITH EXCELLENT OXIDATION RESISTANCE FOR EXHAUST SYSTEM COMPONENTS, AND EXHAUST SYSTEM}

본 발명은 사륜차, 이륜차 등 자동차용 배기 장치로서 사용되는 티타늄 재료에 관한 것으로, 메인 머플러부는 물론, 일시적으로 800℃ 부근의 고온에 노출되어, 특히 내열성, 내산화성이 요구되는 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러 등의 부위에 사용 가능한 경량, 그리고 내식성, 가공성, 내열성 및 내산화성이 우수한 티타늄 합금재 및 본 티타늄 합금재를 사용한 배기 장치에 관한 것이다.

티타늄 재료는 경량이고, 고강도이며, 내식성도 양호하기 때문에, 자동차의 배기 장치에도 사용되고 있다. 자동차나 오토바이의 엔진으로부터 배출되는 연소 가스는 배기 매니폴드에 의하여 모아져서, 배기 파이프를 거쳐 차량 후방의 배기구로부터 배출된다.

배기 파이프는 도중에 촉매를 탑재 또는 도포한 촉매 장치나 머플러(소음기)를 넣기 위하여 몇 개로 분할되어 구성된다. 본 명세서에서는 배기 매니폴드로부터 배기 파이프, 배기구까지의 전체를 통하여「배기 장치」라고 칭한다.

이러한 배기 장치의 소재에는 종래의 스테인리스 소재를 대신하여, 차량 경량화의 관점에서 이륜차를 중심으로 하여 JIS2종의 공업용 순티타늄재가 사용되고 있다. 또한, 최근에는 JIS2종의 공업용 순티타늄재를 대신하여, 더 내열성이 높은 티타늄 합금이 사용되고 있다. 또한, 최근, 배기 가스의 유해 성분을 제거하기 위하여 고온에서 사용하는 촉매를 탑재한 머플러도 사용되고 있다.

배기 가스의 온도는 700℃를 넘어 일시적으로는 800℃까지 이르는 경우가 있다. 그 때문에, 배기 장치에 사용되는 소재는 800℃ 전후의 온도에 있어서의 강도, 내산화성, 또한 600 내지 700℃에 있어서의 크리프 속도 등의 고온 내열성의 지표가 중요시된다.

고온 강도라는 관점에서는 Ti-3Al-2.5V 합금이나 Ti-6Al-4V 합금이 우수하다.

특허 문헌 1에서는 냉간 가공성 및 고온 강도가 우수한 티타늄 합금이 제안되어 있다.

특허 문헌 2에서는 내산화성 및 내식성이 우수한 티타늄 합금이 제안되어 있다.

특허 문헌 3에서는 냉간 가공성이 우수한 내열 티타늄 합금판 및 그 제조 방법이 제안되어 있다.

특허 문헌 4에서는 표면에 보호막을 피복한 티타늄 합금이 제안되어 있다.

특허 문헌 5에서는 700℃에 있어서의 고온 강도 및 800℃에서의 내산화성이 우수한 티타늄 합금이 제안되어 있다.

특허 문헌 1 일본 공개 특허 공보 2001-234266호 일본 공개 특허 공보 2005-290548호 일본 공개 특허 공보 2005-298970호 일본 공개 특허 공보 2007-100171호 일본 공개 특허 공보 2009-68026호

Ti-3Al-2.5V 합금은 실온에 있어서의 강도가 너무 높고, 성형 가공성이 부족하다. 또한, 700℃ 부근의 온도에 있어서의 산화증량이 크다. 또한, 냉간 압연은 가능하지만, 귀부 균열을 일으키기 쉽고, 냉간 압연의 도중에 중간 소둔을 몇 번이나 실시할 필요가 있어서, 가공 비용이 든다.

Ti-6Al-4V 합금은 냉간 가공이 곤란하여 박판으로 할 수 없기 때문에, 배기 장치용 소재로서 부적당하다.

특허 문헌 1에 기재된 0.5 내지 2.3 질량%의 Al을 함유하는 티타늄 합금은 700℃ 부근의 산화증량이 크고, 또한 스케일 박리가 현저하다. 그 때문에, 스케일 박리 후의 표면이 다시 산화되어, 스케일이 박리되는 일이 반복된다. 그 결과, 불균일하고, 또한 현저한 부피 감소를 일으키므로, 고온에 이르는 부위에 사용하는 것은 곤란하다.

특허 문헌 2에는, 질량%로, Al: 0.30 내지 1.50%, Si: 0.10 내지 1.0% 및 Nb: 0.1 내지 0.5% 함유하는 티타늄 합금이 개시되어 있다. 이 티타늄 합금은 냉간 가공성, 특히 두께가 줄어드는 방향에서 가공이 일어나는 장출 성형성이 나쁘다.

특허 문헌 3에는, 질량%로, Cu: 0.3 내지 1.8%, O: 0.18% 이하, Fe: 0.30% 이하, 필요에 따라서, 또한, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr의 1종 또는 2종 이상을 합계 0.3 내지 1.5% 함유하고, 잔부가 Ti 및 0.3% 미만인 불순물 원소로 이루어지는 티타늄 합금이 개시되어 있다. 이 티타늄 합금은 800℃에 있어서의 내산화성이 충분하지 않다.

특허 문헌 4에는 질량%로, Si: 15 내지 55%, C: 10 내지 45%, 및 Al: 20 내지 60%를 함유하는 보호막이 피복되는 Ti-Cu 합금 및 Ti-Cu-Nb 합금판이 제안되어 있다. 티타늄 합금판에 보호막을 도포하는 경우, 도포 후에 가공하면 보호막이 벗겨진다고 하는 문제가 있다. 또한, 가공 후에 보호막을 도포하면, 균일한 두께로 도포할 수 없어서 내산화성이 불충분한 부분이 생기는 문제가 있다.

특허 문헌 5에서는, 질량%로, Cu: 0.5 내지 1.8%, Si: 0.1 내지 0.6%, O: 0.1% 이하를 함유하고, 필요에 따라서 Nb: 0.1 내지 1.0%를 함유하고, 잔부가 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 합금이 제안되어 있다. 이 합금은 800℃에 있어서의 내열 강도가 충분하지 않다.

상기 사정을 감안하여, 본 발명은 일시적으로 800℃ 이상의 고온에 노출되는 경우가 있는 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러 등의 부위에 사용 가능한 고온 강도 및 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재 및 그 합금재를 사용한 배기 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 고온에서의 내산화성의 향상에 기여하는 Si를 함유하는 Ti-Cu-Si 삼원계 티타늄 합금을 기본으로 하여, 고온 강도를 향상시키기 위하여 Cu량 증대의 효과를 검토하였다. 그 결과, Cu량을 증대시켰을 경우 Ti₂Cu의 석출이 일어나기 쉬워지므로 냉간 가공성이 저하하고, 이것을 회피하려면 고온에서의 열처리가 필요한 것으로 판명되었다.

본 발명자들이 더 검토한 결과, Cu량을 억제한 채로 Sn을 첨가함으로써, 비교적 낮은 열처리 온도에서도 Ti₂Cu의 석출이 억제되고, 고온 강도가 향상되는 것을 밝혀내었다. 이는, Sn은 티타늄에 대하여 충분한 고용량(固溶量)이 있고, 또한 티타늄과의 금속간 화합물이 석출되지 않는 것에 의한 것으로 생각된다.

또한, 산소의 함유량을 낮게 억제함으로써, 순티타늄 수준의 냉간 가공성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명자들은 Ti-Cu-Sn-Si 합금에 Nb를 첨가함으로써, 800℃를 초과하는 온도역에서의 내산화성을 현저하게 향상시키는 것을 밝혀내었다.

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

(1) 질량%로, Cu: 0.5 내지 1.5%, Sn: 0.5 내지 1.5%, Si: 0.3 내지 0.6% 및 O: 0.1% 이하를 함유하고, Cu와 Sn의 함유량의 합계가 1.4 내지 2.7%이며, 잔부가 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재(이하 「본 발명 (1)」이라 한다).

(2) 추가적으로, 질량%로 Nb를 0.1 내지 1.0% 함유하는 것을 특징으로 하는 본 발명 (1)의 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재(이하,「본 발명 (2)」라 한다).

(3) 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 이어서 냉간 압연을 실시하고, 그 후, 750 내지 830℃에서 소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법(이하,「본 발명 (3)」이라 한다).

(4) 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 그 다음으로, 750 내지 830℃에서 소둔을 실시하며, 이어서 냉간 압연을 실시하고, 그 후, 650 내지 750℃에서 소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법(이하,「본 발명 (4)」라 한다).

(5) 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러를 구비한 배기 장치에 있어서, 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러 중 1개 또는 2개 이상에, 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재를 사용한 것을 특징으로 하는 배기 장치(이하,「본 발명 (5)」라 한다).

본 발명에 의하면, 고온에서 충분한 강도를 가지며, 내산화성이 우수하고 또한 냉간 가공성이 양호한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재 및 그 합금재를 사용한 배기 장치를 얻을 수 있다.

이하,「%」는「질량%」를 나타내는 것으로 한다.

본 발명에 있어서의 합금 원소의 하나인 Cu는 790℃의 고온에서 티타늄에 2.1%까지 고용된다. Cu가 고용된 티타늄 합금은 냉각 과정에서 Ti₂Cu를 석출한다. 그 석출량은 Cu의 함유량과 최종 소둔 온도로 정해진다.

동일한 온도에서 소둔한 경우, Cu량이 많을수록 석출량이 많다. 동일한 Cu량의 경우, 충분히 확산이 일어나는 온도에 있어서는 소둔 온도가 낮은 것이 석출량이 많다.

고온 강도는 Cu의 첨가량을 증대시키면 향상한다. 그러나, Cu량이 많아지면 Ti₂Cu의 석출량이 많아져서 고용 Cu량이 감소하기 때문에 고온 강도가 저하된다. 또한, Ti₂Cu의 석출량이 많으면 입자 성장이 억제되어 세립화 되므로 냉간 가공성이 저하된다.

즉, 냉간 가공성을 저하시키지 않고 일정 이상의 고온 강도를 얻으려면, Cu량을 늘리는 대신에 다른 고용 강화 원소의 첨가가 필요하다. 본 발명자들은 Cu량을 억제한 채로 Sn을 첨가함으로써, 비교적 낮은 열처리 온도에서도 Ti₂Cu의 석출을 억제하여 고온 강도가 향상되는 것을 밝혀내고, Sn를 첨가하도록 하였다.

또한, 실온 연성을 저하시키는 산소의 함유량을 낮게 억제하여 순티타늄 정도의 냉간 가공성을 확보하였다.

600℃를 초과하는 고온에서의 내고온 산화성은 Si와 Nb의 첨가에 의하여 얻어진다.

Si는 고온에 노출되었을 때, 표층에 실리사이드를 형성하고, 배리어층을 형성한다. 그 결과, 티타늄 내부로의 산소의 확산이 억제되므로 우수한 내산화성을 얻을 수 있다.

또한, Nb를 첨가함으로써, 특히 800℃를 초과하는 온도에 있어서의 내산화성이 향상된다. Nb는 티타늄의 산화막 중에 고용된다. 티타늄이 4가인 것에 대하여 Nb는 5가이므로, Nb가 고용되면 티타늄의 산화막 내의 산소의 공공(空孔) 농도가 저하되어 산화막 내의 산소의 확산이 억제된다.

티타늄의 산화는 산화막 내에서 산소가 확산하여 표면의 티타늄과 결합되는 것에 의하여 일어나는, 이른바 내측 확산으로 불리는 산화 형태를 취한다. 그 때문에, 산소의 확산이 억제되면 산화가 억제된다.

Nb의 적당량 첨가는 고온에서의 강도 상승에 효과가 있으나, 냉간 가공성에는 영향을 주지 않는다. 즉, Ti-Cu-Sn-Si 합금에 Nb를 적당량 첨가하면, 냉간 가공성에 거의 영향을 주지 않고, 고온 강도가 높고 내산화성이 우수한 티타늄 합금이 얻어진다.

본 발명의 티타늄 합금은, 특히 800℃ 부근에 있어서의 고온 강도, 냉간 가공성 및 800℃ 부근에 있어서의 내산화성이 우수하다.

본 발명의 티타늄 합금의 고온 강도는 JIS2종의 공업용 티타늄의 800℃에 있어서의 압연 방향의 0.2% 내력의 1.5배 이상, 즉, 18 N/㎟ 이상이므로, 배기계 부품의 고온에서의 대응에 기여하여 그 우위성이 명확하게 된다.

800℃에 있어서의 0.2% 내력이 18 N/㎟ 이상이면, 주행 중의 자동차의 머플러 온도가 일시적으로 800℃까지 올라, 자동차 주행시의 상하 진동 등에 의하여 머플러에 힘이 가하여졌을 경우에도 머플러의 변형이 발생하기 어려워진다. 그 결과, 머플러의 설계에 자유도가 더해진다.

냉간 가공성의 지표에는 실온에 있어서의 인장 시험시의 파단 연신이 일반적으로 사용된다. 배기계 부품을 제조할 때에 필요하게 되는 냉간 가공성은 실온에 있어서의 압연 방향의 파단 연신이 순티타늄 JIS2종과 동등한 23% 이상(JIS H4600, H4635에 있어서의 JIS2종의 연신 규정)이다.

파단 연신이 JIS2종과 동등 이상이면, 지금까지 JIS2종을 사용한 사용자의 각종 냉간 가공의 경험·노하우를 그대로 충분히 살릴 수 있다. 그 때문에, 사용자는 본 발명재에 대하여도, 실제의 공업 생산 라인에서의 제조 검토를 용이하게 할 수 있고, 그 결과 가동 시간을 조금이라도 확보하고 싶은 조업 중의 공업 생산 라인에서도 받아들이기 쉽다.

내산화성의 지표에는 800℃에서 200 시간의 가열에서의 산화증량을 사용한다. 산화증량이 65 g/㎡ 이하이면, 산소의 내측 확산률속에 의한 표면 산화층의 성장이 실질적으로 포화하여 표면 산화층의 박리가 거의 일어나지 않는 두께로 유지된다고 생각된다.

다음으로, 본 발명의 티타늄 합금재의 성분 조성의 한정 이유를 설명한다.

Cu의 첨가량이 0.5%보다 적으면 티타늄 합금 중에 고용되는 Cu량이 적어지기 때문에, 800℃에 있어서의 0.2% 내력이 18 N/㎟ 이상이 되지 않는다.

Cu의 첨가량이 1.5% 보다 많으면 Ti₂Cu의 석출이 많아지고, 입자 성장이 억제되어 세립화 되므로, 실온에 있어서의 압연 방향의 연신이 23%에 미치지 못한다. 또한, Ti₂Cu의 석출이 입계에서 우선적으로 발생하고, Ti₂Cu가 강도에 거의 기여하지 않는 크기·형태가 되어, 그 결과 800℃, 0.2% 내력이 18 N/㎟에 이르지 않는다.

Sn의 첨가량이 0.5%보다 적으면 티타늄 합금 중에 고용되는 Sn량이 적어지므로, 800℃에 있어서의 0.2% 내력이 18 N/㎟ 이상이 되지 않는다.

Sn의 첨가량이 1.5%보다 많으면 티타늄의 쌍정 변형이 억제되어 냉간 가공성이 열화하고, 실온에 있어서의 압연 방향의 연신이 23%에 미치지 못하게 된다.

Cu와 Sn의 함유량의 합계가 1.4%에 못 미치면 티타늄 합금 중에 고용되는 Cu 및 Sn의 양이 적어지게 되므로, 800℃에 있어서의 0.2% 내력이 18 N/㎟ 이상이 되지 않는다.

Cu와 Sn의 함유량의 합계가 2.7%를 넘으면, 냉간 가공성이 열화하고 압연 방향의 연신이 23%에 미치지 못한다.

Si의 첨가량이 0.1% 이하이면, 800℃, 200 시간 연속 산화에 있어서의 산화증량이 65 g/㎡ 이하가 되지 않는다.

Si의 첨가량이 0.6% 보다 많으면, 산화증량 억제 효과가 포화하고, 또한 티타늄의 쌍정 변형이 억제되어 냉간 가공성이 열화하고, 실온에 있어서의 압연 방향의 연신이 23%에 미치지 못한다.

JIS H4600에 의하면, 티타늄 합금에 있어서의 Si 등의 불순물 레벨은 원소 단독으로 0.10% 이하로 규정되어 있다.

이상으로부터, Si의 첨가량은 0.1 초과, 0.6% 이하로 한다. 더 바람직한 Si의 첨가량은 0.3 내지 0.6%이다.

본 발명 (2)의 티타늄 합금은 추가로 질량%로, Nb를 0.1 내지 1.0% 함유한다. Nb가 Si와 복합 첨가되면 내고온 산화성이 현저하게 향상된다. 내산화성의 향상의 효과를 얻으려면 Nb를 0.1% 이상의 첨가할 필요가 있다. Nb를 1.0%를 초과하여 첨가하여도 내산화성 향상의 효과는 포화하므로 첨가량의 상한은 1.0%로 한다.

본 발명 (3) 및 본 발명 (4)는 특히 자동차의 배기계에 많이 사용되는 박판의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명 (3)은 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 이어서 냉간 압연을 실시하며, 그 후 최종 소둔을 실시하는 티타늄 합금판의 제조 방법에 있어서, 최종 소둔을 750 내지 830℃로 실시하는 것을 특징으로 하는 바람직한 제조 방법이다. 이것은 냉간 가공성 및 고온 강도의 향상의 관점에서, 고용 Cu량을 가능한 한 늘리는 것을 목적으로 하는 조건이다.

이 온도 범위 밖에서 소둔 등의 열처리를 실시하여도, 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재로부터 제조한 티타늄 합금판은 양호한 내산화성 및 냉간 가공성을 가진다. 그러나, 이 온도 범위에서 소둔을 실시함으로써, 냉간 가공성이 한층 더 향상된다.

750 내지 830℃는 Ti₂Cu의 생성량이 적고, α상 중으로 고용 Cu량이 커지는 온도이다. 따라서, 이 온도역에서 소둔됨으로써 특히 고온 강도를 높일 수 있다.

또한, 소둔 후의 냉각 중에 Ti₂Cu가 생성되면, 그것에 따른 석출 강화 등으로 소둔에 의한 연성의 향상 효과가 손상되어 버리는 것으로 생각된다. 그러나, Ti₂Cu의 석출 속도는 매우 느리고, 공랭이나 노랭 정도의 냉각 속도에서는 소둔 효과가 저해될 정도의 Ti₂Cu가 생성되는 경우는 없다.

또한, 본 발명 (4)는 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 다음으로 열연판 소둔을 실시하며, 이어서 냉간 압연을 실시하고, 그 후, 최종 소둔의 공정을 거치는 티타늄 합금판의 제조 방법이다.

일단 티타늄 합금에 750 내지 830℃로 소둔을 실시하여 두면, 그 후 냉간 가공하고 750℃ 이하로 재차 소둔을 실시하여도 Ti₂Cu의 석출이 느리기 때문에, 실제적인 열처리 시간 내에서는 Ti₂Cu는 거의 생성되지 않는다. 그 결과, α상 중에 다량으로 고용된 Cu를 유지할 수 있다. 즉, 최종 냉간 압연 전의 소둔(열연판 소둔)을 750 내지 830℃에서 실시하여 두면, 냉간 압연 후의 최종 소둔을 750℃ 이하로 실시하여도 α상 중에 다량으로 고용된 Cu를 유지할 수 있다.

본 발명 (4)는 이 제조 방법을 적용한 것이다. 냉간 압연 후의 최종 소둔 온도는 충분히 변형이 제거되어 연화하고, 또한, 결정 입경이 너무 작거나, 또한 조대하게 되지 않도록 650 내지 750℃로 한다.

본 발명 (5)는 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금재를 사용한 배기 장치이다. 본 발명의 티타늄 합금재는 JIS2종의 공업용 티타늄에 준한 가공성, 용접성을 가지고 있으므로 JIS2종의 공업용 티타늄에 준한 방법에 의하여, 용해, 압연, 성형이 가능하다. 그리고, 냉연 소둔된 박판을 관 형상으로 만곡하여 TIG 용접하고, 각 부품을 용접함으로써 배기 장치로 할 수 있다.

또한, 촉매 장치의 기능과 머플러의 기능을 함께 가진 촉매를 구비한 머플러를 사용한 배기 장치이어도, 배기 매니폴드, 배기 파이프 및 촉매를 구비한 머플러 중 하나 또는 둘 이상이 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)의 티타늄 합금으로 구성된 배기 장치이면, 본 발명의 범위에 포함되는 것은 말할 필요도 없다.

실시예 1

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성과 작용 효과를 더 구체적으로 설명한다.

진공 아크 용해(이하 「VAR」라고 한다)로 표 1에 나타내는 조성의 티타늄재를 용해하고, 이것을 열간 단조에 의하여 슬래브로 하고, 860℃로 가열한 후 열간 연속 압연 밀로 판 두께 3.5 mm의 열간 압연 스트립으로 하였다. 이 열연 스트립의 산화 스케일을 쇼트 블라스트 및 산세에 의하여 제거하고, 이어서, 1 mm 두께의 냉연 스트립으로 하고, 그 후, 770℃×5시간, 노냉의 진공 소둔(최종 소둔)을 실시하여 티타늄 합금판을 얻었다.

얻은 티타늄 합금판으로부터 JIS13호 B의 시험편을 잘라내고, 실온에서 인장 시험을 실시하였다. 또한, 800℃에서, JIS G0567에 준거한 고온 인장 시험을 실시하였다. 고온의 산화 시험에서는 20mm×20mm의 시험편을 표면과 단부를 #400의 샌드페이퍼로 연마한 후, 800℃의 각 온도에 대기 중에 200 시간 노출시키고, 시험 전후의 질량의 변화를 측정하여 단위 단면적당의 산화증량을 구하였다.

측정 결과를 표 1에 나타낸다.

No. 1 내지 4는 본 발명 (1)의 실시예이다. 모두 800℃에 있어서의 압연 방향의 0.2% 내력은 JIS2종의 공업용 티타늄의 1.5배, 즉, 18 N/㎟ 이상이며, 실온에 있어서의 압연 방향의 연신은 23% 이상이었다. 800℃에 있어서 200 시간 가열에서의 산화증량은 65 g/㎡ 이하이었다. 이상으로부터, 충분한 냉간 가공성과 고온에 있어서의 충분한 내력, 그리고 고온에 있어서의 우수한 내산화성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Nb를 첨가한 No. 5 내지 8은 본 발명 (2)의 실시예이다. 실온의 0.2% 내력이나 연신, 800℃에 있어서의 내력은 No. 1 내지 4와 동등하였다. 800℃, 200 시간 가열한 후의 산화증량은 No. 1 내지 4에 비하여 감소하였고, 내산화성이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, Sn량이 적은 No. 9, Cu량이 적은 No.10 및 Cu+Sn량이 적은 No. 11은 800℃, 0.2% 내력이 18 N/㎟에 이르지 않았다.

Si 및 Nb가 첨가되어 있지 않은 No. 12는 800℃에 있어서의 산화증량이 현저하게 높고, 내산화 특성이 떨어지는 결과가 나왔다.

Si 함유량이 본 발명의 상한을 초과하는 No. 13 및 Cu량이 본 발명의 상한을 초과하는 No. 14는 실온에 있어서의 연신이 목표 값으로 하는 23%에 미치지 못하였다.

산소 함유량이 본 발명의 상한을 초과하는 No. 15 및 Cu+Sn량이 본 발명의 상한을 초과하는 No. 16도 실온에 있어서의 연신이 목표 값으로 하는 23%를 밑돌았다.

Al을 3 질량%, V를 2.5 질량% 포함하는 No. 17은 800℃에 있어서의 0.2% 내력이 높고 고온 강도의 관점에서 우수하지만, 실온에 있어서의 연성이 불충분하였다. 또한, 800℃에 있어서의 산화증량도 65 g/㎡를 넘어 충분한 내산화성을 가지지 않았다.

실시예 2

VAR로, 표 2에 나타내는 조성의 티타늄재를 용해하고, 이것을 열간 단조에 의하여 슬래브로 하고, 860℃로 가열한 후, 열간 연속 압연 밀로 판 두께 3.5 mm의 열간 압연 스트립으로 하였다. 이 열간 압연 스트립에 800℃×2분, 공랭의 연속 소둔(열연판 소둔)을 실시하고, 또한 산화 스케일을 쇼트 블라스트 및 산세에 의하여 제거하고, 다음으로 1 mm 두께 냉연 스트립으로 하고, 그 후, 730℃×4 시간, 노랭의 진공 소둔(최종 소둔)을 실시하여 티타늄 합금판을 얻었다.

얻은 티타늄 합금판으로부터 JIS13호 B의 시험편을 잘라내어 실온에서 인장 시험을 실시하였다. 또한, 800℃에 있어서 JIS G0567에 준거한 고온 인장 시험을 실시하였다. 고온의 산화 시험에서는 20mm×20mm의 시험편을 표면과 단부를 #400의 샌드페이퍼로 연마한 후, 800℃의 각 온도로 대기 중에 200 시간 노출시키고, 시험 전후의 질량의 변화를 측정하여 단위 단면적당 산화증량을 구하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

No. 18 내지 21은 본 발명 (1), No. 22 내지 25는 본 발명 (2)의 실시예이다. 모두 700℃에 있어서의 압연 방향의 0.2% 내력은 JIS2종의 공업용 티타늄의 1.5배, 즉, 18 N/㎟ 이상이고, 실온에 있어서의 압연 방향의 연신은 23% 이상이었다. 800℃, 200 시간의 가열에서의 산화증량은 60 g/㎡ 이하이었다. 이상으로부터, 실온에 있어서의 충분한 가공성과 고온에 있어서의 충분한 내력 그리고 고온에 있어서의 우수한 내산화성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.

Nb를 첨가한 No. 22 내지 25는 실온의 연신, 700℃에 있어서의 내력은 No. 18 내지 21과 동등하였다. 800℃, 200 시간 가열 후의 산화증량은 No. 18 내지 21과 비교하여 감소하고, 내산화성이 향상하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3

표 1의 시험 번호 1 및 6의 소재를 제조할 때의 중간 제품인 두께 3.5 mm의 열간 압연 스트립으로부터 평판을 채취하고, 각각 표 3에 나타낸 조건으로 열연판 소둔을 실시하며, 또한 산화 스케일을 쇼트 블라스트 및 산세에 의하여 제거하고, 이어서, 1 mm 두께의 냉연판으로 하고, 그 후, 표 3에 적은 조건으로 냉연판 소둔(최종 소둔)을 실시하여, 티타늄 합금판을 얻었다.

얻은 티타늄 합금판으로부터 JIS 13호 B의 시험편을 잘라내어 실온에서 인장시험을 실시하였다. 또한, 800℃에 있어서 JIS G0567에 준거한 고온 인장 시험을 실시하였다. 고온의 산화 시험에서는 20mm×20mm의 시험편을 표면과 단부를 #400의 샌드페이퍼로 연마한 후, 800℃의 각 온도로 대기 중에 200 시간 노출시키고, 시험 전후의 질량의 변화를 측정하여 단위 단면적당의 산화증량을 구하였다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

No. 26 내지 29는 본 발명 (4)의 열연판 소둔 및 최종 소둔을 실시한 것이다.

No. 30 내지 32는 열연판 소둔과 최종 소둔의 조건이 모두 본 발명 (4)에서 규정하는 범위로부터 벗어나 있다. No. 30 내지 32는 본 발명의 티타늄 합금이 목표로 하는 품질을 충분히 구비하고 있다.

No. 26 내지 29는 본 발명 (4)에 나타내는 온도에서의 열연판 소둔에 의하여 α상 중에 다량으로 고용된 Cu, Sn이 유지되고, No. 26 내지 29의 어느 경우도 No. 30 내지 32에 있어서의 동일한 성분 조성(시료 No. 1 또는 6)끼리 비교하면, 800℃에 있어서의 고온 강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.

실시예 4

표 1의 No.6에 나타내는 성분 조성의 티타늄 합금을 VAR로 용제하고, 열간 단조 슬라브로 하고, 860℃로 가열한 후, 열간 연속 압연 밀로 두께 4 mm의 열연 스트립으로 하였다. 이 열연 스트립을, 780℃×5분, 공랭의 연속 소둔(열연판 소둔)을 실시하고, 또한 산화 스케일을 쇼트 블라스트 및 산세에 의하여 제거한 후, 두께 1 mm까지 냉간 압연하고, 690℃, 8시간의 열처리를 실시하여 티타늄 합금판을 얻었다.

얻은 티타늄 합금 판을 폭 120mm로 잘라내어, 외경 38 mm의 용접관을 제조하였다. 만곡 가공 후, TIG 용접으로 용접 튜브를 제조하였다. 용접관의 제조 공정은 JIS2종의 공업용 티타늄에 준한 박판을 사용하여 제조하는 경우와 마찬가지로 하였다.

용접 튜브 단부에 60˚의 원추형 콘을 밀어넣어, 초기 직경의 1.3배까지 확관하여도 용접부에 균열은 생기지 않고 양호한 확관성을 가지고 있었다. 또한, 본 용접관을 반경 90 mm로 90˚ 굽힘 가공하여도 균열이나 주름 등은 생기지 않았다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명의 티타늄 합금재는 고온 강도가 높고, 또한 내산화성이 우수하며, 실온에 있어서의 연성도 양호하고, 용접관의 제조가 종래의 순티타늄재 정도로 용이하다. 따라서, 사륜차나 이륜차 등 자동차의 메인 머플러부는 물론이고 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러 등의 배기 장치용 부재에 이용하는 것이 가능하다. 그 결과, 사륜차나 이륜차 등 자동차의 경량화가 진행되므로 산업상의 공헌은 극히 현저하다.

Claims (5)

1. 질량%로,
   Cu: 0.5 내지 1.5%,
   Sn: 0.5 내지 1.5%,
   Si: 0.3 내지 0.6%, 및
   0: 0.1% 이하를 함유하고,
   Cu와 Sn의 함유량의 합계가 1.4 내지 2.7%이며,
   잔부가 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재.
2. 제1항에 있어서,
   질량%로,
   Nb를 0.1 내지 1.0% 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 이어서 냉간 압연을 실시하며, 그 후, 750 내지 830℃에서 소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 티타늄 합금재에 열간 압연을 실시하고, 다음으로 750 내지 830℃로 소둔을 실시하며, 이어서, 냉간 압연을 실시하고, 그 후, 650 내지 750℃로 소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금판의 제조 방법.
5. 배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러를 구비한 배기 장치에 있어서,
   배기 매니폴드, 배기 파이프, 촉매 장치 및 머플러 중 하나 또는 둘 이상으로 제1항 또는 제2항에 기재된 내산화성이 우수한 배기계 부품용 내열 티타늄 합금재를 사용한 것을 특징으로 하는 배기 장치.