CN103459063A - 热轧用钛板坯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在熔炼工业用纯钛而成的钛板坯中省略初轧工序，热轧后的带状卷材的表面性状也良好的热轧用钛板坯及该钛板坯的熔炼方法。本发明的钛板坯是在熔炼含有作为β相稳定化元素的Fe的工业用纯钛而成的热轧用钛板坯中，通过将从钛板坯的至少与轧制面相当的面的表层到10mm处的平均Fe浓度规定为0.01质量%以下，从而抑制粗大β相的生成的钛板坯。可通过在将熔炼工业用纯钛而成的钛板坯冷却到表面达到β相变点以下之后，再加热到β相变点以上，从板坯表层进行缓冷来得到。

Description

热轧用钛板坯及其制造方法

技术领域

本发明涉及工业用纯钛的热轧用钛板坯及该钛板坯的制造方法。特别是，涉及即使省略开坯或锻造等初轧工序，对通过电子束熔炼法或等离子弧熔炼法制造的矩形锭直接进行热轧，也能够良好地保持热轧后的带状卷材的表面性状的热轧用钛板坯及其制造方法。

背景技术

作为钛及钛合金，一般采用以海绵钛或钛废料为原料，用真空自耗电弧炉熔炼法或电子束熔炼法进行熔炼、然后凝固而成的锭。这些锭在通过实施开坯、锻造及轧制等热加工，用热轧机加工到可轧制的板坯形状后，进行表面的整理，从而成为热轧用板坯。

在熔炼工序中广泛采用真空自耗电弧炉熔炼法，但必须均匀地进行电极和铸模的电弧放电，因此铸模形状局限于圆筒形。与此相对照，采用炉床的电子束熔炼法或等离子弧熔炼法的特征在于：将在炉床中熔化的钛的熔液流入铸模内，因此没有铸模形状的限制，不仅能够制造圆筒形的锭，而且还能够制造矩形的锭。在使用矩形的锭制造板材时，一般认为根据其形状，能够省略开坯或锻造等热加工工序而进行热轧，从而可相应地降低成本。所以，一直在研究采用由矩形铸模浇注的矩形钛锭直接作为热轧用钛板坯，省略热加工工序而进行热轧的技术。这里，将开坯或锻造等在热轧前进行的热加工工序统称为“初轧（breakdown）工序”。

可是，在通过电子束熔炼或等离子弧熔炼而用矩形铸模铸造的钛板坯中，在工业化制造的板坯的铸造原状的组织中，晶体粒径达到几十mm。此外，工业用纯钛多少含有Fe等杂质元素，根据情况的不同有时在热轧温度下生成β相。从粗大α相生成的β相变得粗大。β相和α相即使在高温下变形能力也大不相同，因此在粗大的β相与α相之间变形变得不均匀，有时成为大的表面缺陷。为了将热轧中发生的表面缺陷除去，需要在酸洗工序中增加热轧板表面的溶解脱落量，结果使成品率恶化。也就是说，如前所述，对于通过电子束熔炼或等离子弧熔炼炼成的、能够省略初轧工序的矩形钛板坯，一方面可期待降低生产成本，一方面担心成品率下降。

专利文献1中，作为在制造钛的厚板或板坯时防止表面缺陷的方法，公开了在热加工前的铸锭的阶段，在加热至（β相变点＋50℃）以上后冷却到（β相变点-50℃）以下的温度，使铸锭的粗大晶粒组织微细化的方法。但是，在专利文献1中，铸锭以圆柱形为前提，直到加工成板坯形状，成品率的下降非常大。此外，热轧前的初轧工序也是必须的，因此与矩形钛锭相比生产成本升高。加之，制造圆柱形铸锭的真空自耗电弧熔炼炉在其构成上，熔炼时不能连续地进行所述热处理，从而要增加一道热处理工序，因此有生产成本更加上升的担心。

在专利文献2中，公开了一种方法：其在直接从铸模内拉出用电子束熔炼炉炼成的钛板坯的板坯的断面组织中，在从表层朝内部的凝固方向和板坯的铸造方向形成的角θ为45°～90°，或者在表层的结晶方位分布中hcp的c轴和板坯表层的法线形成的角为35°～90°的情况下，铸件表面良好，且即使省略对锭进行开坯或锻造或轧制等热加工的工序即初轧工序，也能够改善热轧后的表面缺陷。也就是说，通过控制表面的晶粒的形状或结晶方位，能够抑制这样的起因于粗大晶粒的缺陷的发生。

但是，在专利文献2中，没有考虑到热轧的加热时生成大量β相的可能性，认为可得到良好的表面性状，但担心有因作业条件的偏差或板坯制造方法而使表面性状恶化的可能性。

在专利文献3中，列举了在省略初轧工序直接对钛材的锭进行热轧的情况下，通过用高频感应加热、电弧加热、等离子加热、电子束加热及激光加热等使锭的与轧制面相当的面的表层熔化再凝固，使从表层到深1mm以上的区域细粒化，从而改善热轧后的表层组织的方法。这是通过使表层部骤冷凝固，形成微细、且具有不规则的方位的凝固组织来防止发生表面缺陷。作为使钛板坯的表层组织熔化的方法，可列举出高频感应加热、电弧加热、等离子加热、电子束加热及激光加热。可是，钛材料在工业化采用的电弧加热法的TIG焊接法中，单位面积的处理需要较长的时间。此外，电弧加热以外的熔化法在引进用于改善板坯表层组织的设备方面也需要较高的费用。另外，电子束加热等通常必须在10^-5Torr左右的真空中进行作业，大大受到设备的制约。也就是说，可能导致生产成本的上升。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-060317号公报

专利文献2：国际公开公报WO2010/090353号

专利文献3：日本特开2007-332420号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如前所述，在用电子束熔炼法或等离子弧熔炼法炼成的矩形钛锭的表层附近由粗大晶粒构成的组织中，如果省略初轧工序而加热至热轧温度，则工业用纯钛所含的Fe等β相稳定化元素较多地存在于表层附近，有时在板坯的表层附近生成粗大的β相。在此种情况下，在粗大的β相与和其相接的粗大的α相之间，因变形能力不同而产生不均匀的变形，因此在板坯表面产生凹凸，从而使表面性状恶化。这样的凹凸令人担心如前所述那样发展成表面缺陷，从而招致热轧板的成品率的降低。

本发明的课题是：在通过电子束熔炼炉铸造的钛板坯中，即使将以往必要的开坯或锻造等初轧工序省略而直接进行热轧，也可得到难以发生表面缺陷的、从而表面性状良好的钛板坯。

用于解决课题的手段

本发明人为解决上述课题而进行了潜心的研究，结果发现：在工业用纯钛的钛板坯中，在制造时或在制造后冷却到室温或α相温度区域，然后，再次加热到β相变点以上之后进行冷却，从而能够抑制板坯表层的Fe浓度，良好地保持热轧后的表面性状。

本发明是基于该见解而完成的，其要点如下。

（1）一种热轧用钛板坯，其是由工业用纯钛制造的热轧用钛板坯，其特征在于：从与轧制面相当的面的表层沿厚度方向至10mm处的平均Fe浓度为0.01质量%以下。

（2）根据上述（1）所述的热轧用钛板坯，其特征在于：在所述热轧用钛板坯的与长度方向垂直的断面内，其组织的原β晶粒为等轴状。

（3）一种热轧用钛板坯的制造方法，其是通过采用炉床的熔炼炉来熔化工业用纯钛而制造钛板坯的方法，其特征在于：在将工业用纯钛熔化后通过冷却而制造钛板坯时，在将钛板坯的表面冷却到β相变点以下后，再次加热到β相变点以上，然后对板坯进行缓冷。

（4）根据上述（3）所述的热轧用钛板坯的制造方法，其特征在于：所述采用炉床的熔炼炉为电子束熔炼炉。

（5）根据上述（3）所述的热轧用钛板坯的制造方法，其特征在于：所述采用炉床的熔炼炉为等离子弧熔炼炉。

发明的效果

本发明在通过电子束熔炼炉而铸造的钛板坯中，即使省略以往必要的开坯或锻造等初轧工序而进行热轧，也可制造难以发生表面缺陷的、从而表面性状良好的钛板坯。初轧工序的省略带来的加热时间的降低及酸洗时溶解脱落量的降低将带来成品率的提高，由此能够大幅度改善制造成本，从而产业上的效果是不可估量的。

具体实施方式

以下，对本发明进行详细说明。

[1]从板坯的表层沿厚度方向至10mm处的平均Fe浓度为0.01质量%以下：

通常，纯钛在β相变点以下的温度下进行热轧。如果β相变点以下的温度区为α单相区，则热轧时的组织只为α相。但是，作为原料的工业用纯钛不可避免地含有Fe等作为杂质。此外，为了得到强度，有时也少量添加Fe或O等元素。特别是β相稳定化元素的Fe在强度最低的工业用纯钛JIS1种中含有0.020质量%，在强度最高的工业用纯钛JIS4种中有时添加到0.500质量%。也就是说，工业用纯钛的Fe含量为0.020质量%以上。因此，在工业用纯钛中，在β相变点以下存在α相和β相的双相区。

在较多存在β相稳定化元素的Fe时，如果加热至β相变点以下的α+β双相区的温度，则引起β相的生成，大多发生粗大化。可知在该β相至少存在于从与轧制面相当的面的表层沿板坯的厚度方向至10mm以内的情况下，特别是板坯的表面性状恶化。也就是说，起因于粗大的α相而生成的β相容易变得粗大，通过混合存在这样粗大的β相，热轧时晶粒间产生变形能力的差异，从而使表面性状恶化。

为了抑制从板坯的与轧制面相当的面的表层沿板坯的厚度方向至10mm以内的β相的出现，得知只要将该区域的平均Fe浓度规定为0.01质量%以下即可。该平均Fe浓度为0.01质量%以下的区域只要距板坯的与轧制面相当的面的表层为10mm就有效果。为了使表面缺陷更加轻微，如果平均Fe浓度为0.01质量%以下的区域是距板坯的相当于轧制面的表层为20mm的区域，则更加优选。

进一步优选的是：将从板坯的与轧制面相当的面的表层到10mm处的平均Fe浓度规定为0.06质量%以下，将到20mm处的平均Fe浓度规定为0.09质量%以下。

也就是说，本发明第1为由工业用纯钛构成的钛板坯，规定为从板坯的至少与轧制面相当的面的表层沿厚度方向至10mm的区域的平均Fe浓度为0.01质量%以下的矩形钛锭。

[2]在与钛板坯的轧制方向垂直的断面内，其组织的原β晶粒为等轴状：

本发明第2规定为在热轧用钛板坯的断面组织中，原β晶粒为等轴状。由于原β晶粒粗大，所以能够容易用肉眼确认其形状。这里，所谓晶粒为等轴状，指的是晶粒的正交的长轴和短轴之比较小，定义为长轴/短轴的值为1.5以下的情况。另外，将长轴/短轴的值大于1.5的情况定义为延伸状。

本发明如前所述，需要使板坯表层的Fe的浓度在0.01质量%以下。因而如后所述，在一度冷却到β相变点以下后，需要再次实施到β相变点以上的再加热。

但是，由于钛是非常活泼的金属，所以在真空中进行铸造，铸造时难以准确地测定板坯温度。此外，铸造后，即使在实施再加热至β相区域温度（β相变点以上）时，为了防止β相晶粒的必要以上的粗大化及Fe的均匀化，也优选温度尽量在β相变点正上方。因此，有必要把握钛板坯是否被充分加热到β相变点正上方。

因而首先，对再加热到β相的方法反复进行了研究。结果发现：从断面组织的原β晶粒的形状了解加热温度是比较容易的。

钛由于其β相在高温下是稳定的，所以在凝固时β相生长。此时，凝固晶粒与热流方向平行地生长，成为非常粗大的延伸晶粒。然后，再进行冷却，如果冷却到β相变点以下，则在β相内生成针状的α相。因此，在只是一度产生从β相向α相的相变时，原β相晶粒就为延伸晶粒的原状。

另一方面，在冷却到α相区域后，如果再次加热到β相区域温度（β相变点以上），则β相在α相晶界或原β相晶界形核，在β相区域温度下该β相等轴生长。在此种情况下，凝固时形成的延伸晶粒完全消失，只成为通过再加热形成的等轴的β相。然后，即使再次向α相相变而在原β相内形成α相，原β晶界也为等轴的原状。所以，在断面组织中只要原β晶粒为等轴，就能够得知是否板坯通过再加热而上升到β相区域。也就是说，在采用含有较高浓度的Fe的工业用钛原料制造的钛板坯中，原β晶粒为等轴状表示被加热到β相变点以上，并在其后的冷却中产生β→α的相变。

反过来说，如果将暂且被冷却到α相区域温度的钛板坯再次加热到β相区域温度，然后冷却到α相区域温度，则在板坯的断面内，原β晶粒长轴与短轴之比（长轴/短轴的值）为1.5以下，也就是说为等轴状。更优选的是该长轴/短轴的值以1.3以下为宜。

如后所述，在这样的产生β→α的相变的区域，可保证Fe浓度降低。可知在该钛板坯中，在原β晶粒的长轴/短轴之比为1.5以下时，表面的Fe浓度充分下降，大致为0.01质量%以下。

[3]制造方法

下面就本发明的热轧用钛板坯的制造方法进行说明。

在采用电子束熔炼炉熔炼钛板坯的过程中，从与铸模相接的板坯表层部进行凝固，因此每种元素因溶质的分配而使成分在板坯表层和内部稍微不同。上述β相稳定化元素的Fe是显示正偏析的元素。因此，在凝固时或相变时，有板坯表层部的Fe浓度降低，板坯内部的Fe浓度增高的倾向。但是，难以只在凝固过程中将表层附近的Fe浓度控制在本发明的0.01质量%以下。

与此相对照，在本发明中发现：在从β相变点温度以下再次再加热至β相区域温度后，通过利用从β相向α相的相变时产生的溶质的分配，能够将板坯表层附近的Fe浓度降低到本发明规定的浓度。也就是说，通过将一度冷却到β相变点以下的板坯加热至β相变点以上，然后从板坯的表面先进行降温，从β相向α相的相变便从板坯表面向内部进展。此时，通过利用从β相向α相的相变时产生的溶质的分配，便能够制造表层的Fe浓度较低的板坯。此时，通过将冷却规定为利用空冷或炉冷等的缓冷，只要促进Fe溶质的分配，就可实现表层的Fe溶质浓度的降低。

例如，在电子束熔炼后，利用铸模而使表层冷却，从而表层附近凝固，表面温度达到β相变点以下，然后从铸模中拉出。此时，板坯内部还是高温的熔化状态。通过减弱铸模内的板坯的冷却，在铸模的下方，接受来自板坯中央部的热流束，能够将板坯表层附近的温度回流换热至β相变点以上。然后，伴随着板坯中央部的凝固的进行，来自板坯中央部的热流束也减少，板坯先从表面降低温度，β相变点温度的板坯部位从板坯表面向内部侧移动。通过在铸模下端以下从板坯表层以缓冷（空冷以下的冷却速度：1℃/s以下）进行冷却，便能够实现这样的工艺。

与此相对照，在以往的方法中，由于在铸模内充分进行冷却，所以即使在铸模的下方从高温的钛板坯中央部接受热流束，也不会将钛表面温度回流换热至β相变点温度以上。

正如以上所说明的那样，在本发明的热轧用钛板坯的制造方法中，规定在将钛板坯冷却到β相变点以下后，再加热到β相变点以上，接着从板坯表层进行缓冷。这里所谓的缓冷，意味着空冷以下的速度的冷却。

再有，到该β相变点以上的加热（回流换热）及冷却如上所述，可以在钛板坯熔炼时，于钛板坯表面冷却到β相变点以下之后连续地进行。或者，即使在钛板坯冷却到室温后，经过充分的时间后进行也没关系。在此种情况下，不是通过来自高温的板坯中央部的热流束进行回流换热，而是从表面对板坯进行加热。

另外，用于产生此相变的热处理只进行一次就具有效果，但通过多次进行，表层附近的Fe浓度可进一步下降。所以，即使多次进行也可得到同样的效果。

再有，即使采用电子束熔炼且按以往的制造方法进行制造，在后面的工序中，在将钛板坯加热到β相变点以上后，从板坯表层进行冷却，也可得到同样的效果。

实施例

以下，通过实施例对本发明进行详细说明。

表1所示的实施例及比较例使用采用电子束熔炼炉、按工业用纯钛JIS2种制造钛板坯（对于本次使用的原材料，板坯的3点的平均Fe浓度为0.04～0.06质量%）而成的板坯。所述钛板坯在铸造后进行表面切削加工，采用钢铁材料的热轧设备进行热轧，形成带状卷材。再有，用肉眼对酸洗后的板表层进行了表面缺陷的评价。

对表1所示的板坯的从轧制面的表层沿厚度方向到10mm及20mm深度的平均Fe浓度进行了测定。关于测定，在进行了板坯的表面整理后，由从轧制面的任意50处的表层到20mm及10mm的部位分别采集切屑，通过ICP发射光谱分析算出平均Fe浓度。

此外，作为晶粒的等轴性，切出板坯宽度方向的任意的5个断面，在各断面提取晶粒20个，按其长轴/短轴的值的平均值进行了评价。

No.1及No.2的比较例是用电子束熔炼炉按以往的方法制造钛板坯的情况。通过铸模内的从板坯表面的冷却，使凝固从板坯表面向板坯中央进展。由于Fe显示正偏析，因此Fe浓度在板坯表层表现较低的值，但从板坯表层到20mm及10mm处的平均Fe浓度大大高于0.01质量%，在热轧后的板坯表面观察到粗大的缺陷。此外，确认有板坯宽度方向断面的晶体粒径也延伸的晶粒。

No.3～No.5所示的实施例是在采用电子束熔炼炉、按以往的方法制造了钛板坯后，暂且在室温状态下保持几周，用大气加热炉再加热到β相变点正上方，从板坯表层通过炉冷以0.001～0.01℃/s进行缓冷，从而制造出板坯的结果。

No.3及No.4的实施例是从板坯表层到10mm及20mm处的平均Fe浓度两者都低到0.01质量%以下的板坯的结果。酸洗后的板的表面缺陷轻微，表面性状极为良好。此外，晶粒的长轴/短轴之比也为1.5以下，为等轴状晶粒。

No.5的实施例是从表层到10mm处的平均Fe浓度为0.01质量%以下，但从表层到20mm的Fe浓度大于0.01质量%的板坯的结果。酸洗后的板坯的表面缺陷轻微，但与No.3及No.4的实施例相比较，板的表面缺陷多少有些增加。由于与No.3及No.4的实施例同样地实施热处理，所以晶粒的长轴/短轴也为1.5以下，为等轴状晶粒。

在No.3～No.5的实施例中，观察到从板坯表层到10mm及20mm处的平均Fe浓度越高，表面缺陷的程度越严重，而且变得粗大的倾向。一般认为这是因板坯表层附近的Fe浓度升高而使热轧时表层附近的β相的生成量增多，因α相和β相的变形能力的差异而使表面缺陷的发生增多。

No.6～No.9所示的实施例是在从电子束熔炼到板坯铸造的过程中，与以往相比将铸模内的板坯冷却规定为缓冷，通过回流换热使板坯表面升温到β相变点温度以上的实施例。按板坯表层附近的组织在铸模内一度凝固，在板坯表面温度被冷却至β相变点以下后，通过来自板坯中央部的熔池的输入热而进行板坯表面向β相变点以上的回流换热的条件来制造板坯。

No.6及No.7的实施例是从板坯表层到10mm及20mm处的平均Fe浓度两者都低到0.01质量%以下的板坯的结果。酸洗后的板的表面缺陷为轻微，表面性状极其良好。此外，晶粒的长轴/短轴也为1.5以下，为等轴状晶粒。

No.8及No.9的实施例是从表层到10mm处的平均Fe浓度为0.01质量%以下，但从表层到20mm处的平均Fe浓度大于0.01质量%的板坯的结果。酸洗后的板的表面缺陷为轻微，但与No.6及No.7的实施例相比，板的表面缺陷的频率稍大。此外，晶粒的长轴/短轴也为1.5以下，为等轴状晶粒。

从No.6～No.9的实施例中，也观察到从表层到10mm及20mm处的平均Fe浓度越高表面缺陷的程度越严重，而且变得粗大的倾向。一般认为它们也与No.3～No.5的实施例同样，因板坯表层附近的Fe浓度升高而在热轧时使表层附近的β相的生成量增多，因α相和β相的变形能力的差异而使表面缺陷的发生增多。

无论是在板坯铸造后，用大气加热炉加热到β相变点以上的No.3～No.5所示的实施例，还是在电子束熔炼炉内在铸造时连续地实施热处理的No.6～No.9的实施例，酸洗后的板都能够得到良好的表面性状。

因此，通过再次将一度冷却至β相变点以下的板坯加热至β相变点以上，从板坯表层进行缓冷，确认可将从板坯的轧制面的表层到10mm处的平均Fe浓度设定在0.01质量%以下，能够得到热轧后的表面性状良好的板坯。

产业上的可利用性

本发明能够用于以工业用钛为原料的钛板坯的制造。通过热轧本发明的钛板坯，能够得到缺陷少、且具有良好的表面性状的钛板，能够广泛地应用于利用钛板的产业。

Claims (5)

1.一种热轧用钛板坯，其是由工业用纯钛制造的热轧用钛板坯，其特征在于：从与轧制面相当的面的表层沿厚度方向至10mm处的平均Fe浓度为0.01质量%以下。

2.根据权利要求1所述的热轧用钛板坯，其特征在于：在所述热轧用钛板坯的与长度方向垂直的断面内，其组织的原β晶粒为等轴状。

3.一种热轧用钛板坯的制造方法，其是通过采用炉床的熔炼炉来熔化工业用纯钛而制造钛板坯的方法，其特征在于：在将工业用纯钛熔化后通过冷却而制造钛板坯时，在将钛板坯的表面冷却到β相变点以下后，再次加热到β相变点以上，然后对板坯进行缓冷。

4.根据权利要求3所述的热轧用钛板坯的制造方法，其特征在于：所述采用炉床的熔炼炉为电子束熔炼炉。

5.根据权利要求3所述的热轧用钛板坯的制造方法，其特征在于：所述采用炉床的熔炼炉为等离子弧熔炼炉。