JP2011046995A - プレス成形性に優れるチタン合金薄板およびその製造方法ならびに熱交換器用チタン合金薄板 - Google Patents

Abstract

【課題】プレート型熱交換器用に使用される純チタンＪＩＳ１種材並みの伸び、張出し性を有し、かつ、十分な０．２％耐力を有するチタン合金を提供する。
【解決手段】本発明のチタン合金薄板は、Ｎｂ：０．５〜２．０％、酸素：０．０６〜０．１２％を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とするチタン合金薄板、および前記チタン合金薄板が、さらに、質量％で、Ｆｅ：０．０４〜０．１％を含有することを特徴とチタン合金薄板である。その製造方法は、溶解、熱延、熱延版焼鈍、冷延、中間焼鈍、最終焼鈍等の工程を経て製造されるチタン合金板製造方法において、最終コイル焼鈍では６００〜７５０℃の温度域で５〜１０時間保定するか、連続焼鈍では７５０〜８５０℃の温度域で１０〜６０秒保定すると好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、波板状に張出し成形されるプレート型熱交換器用のプレートとして使用されるチタン材料に関するものであり、プレス成形性に優れ、かつ、十分な耐力を有するチタン合金と本チタン合金を用いた熱交換器用プレートに関するものである。

プレート型熱交換器は、多数のプレートを一定の間隔を置いて配置し、冷却したい流体と冷却用流体を交互に流すことにより熱交換を行う装置であり、各種工場や船舶などで使用される。冷却用流体は海水であることが多く、海水に対する耐食性に優れ、かつ軽量であるチタン材が使用される。このプレートは、伝熱効率を高めるため、薄肉でかつ凹凸を持った複雑な波板状に成形されることから、プレート材料として成形性に優れることが求められている。

純チタンは、変形が局部に集中しやすく、成形限界も低いため、張出し成形に適しているとは言い難い材料であるが、不純物元素の少ない純チタンＪＩＳ１種材は、強度が低く、伸びが十分あるため、プレート型熱交換器のプレート材料として広く用いられている。一般に、張出し成形性が優れるかどうかは、材料のｎ値（加工硬化指数）で決まる。ｎ値は、真応力σと真ひずみεとの関係をσ＝Ｃεⁿで近似した時（Ｃは定数）のｎの値であり、通常ε＝５〜１５％などの一様伸びの範囲で近似した時の値が用いられる。ｎ値が大きいほど局部的なくびれの発生が抑制され、張出し成形性が容易になる。純チタン１種材では、ｎ値を大きくするため、焼鈍温度を高くして結晶粒径を大きくし、張出し成形性を改善している。

張出し成形性を直接的に評価する試験方法としては、エリクセン試験がある。エリクセン試験は、幅９０ｍｍ長さ９０ｍｍの試験板の周囲をダイスとしわ押さえで拘束し、穴径２７ｍｍのダイス穴に球径２０ｍｍのポンチを押込み、割れが入るまでの行程（ｍｍ）をエリクセン値とする張出成形性評価試験である（ＪＩＳ Ｚ ２２７１）。純チタンＪＩＳ１種材のエリクセン値は一般に１０を超える。

近年、より薄肉で、かつ複雑な凹凸形状への成形に耐えるプレート材が求められているが、純チタンＪＩＳ１種材は酸素含有量が低く軟質であるが故に、耐力が低く、波型の複雑な成形加工に耐えられず破断するという問題も起きている。

こうした背景の中で、特許文献１では、曲げ性および張出し性に優れたプレート型熱交換器用のチタン合金板として、Ｆｅを０．８〜２．５％（質量％、以下同じ）、酸素を０．０６％以下含有し、α＋β２相組織を有するチタン合金に関する発明が記載されている。

また、特許文献２でも、特許文献１と同様に、Ｆｅを０．８〜２．２％、酸素を０．１％以下含有し、曲げ性および張出し性に優れたα＋β２相組織を有するチタン合金が提案されている。

特許文献３では、成形性に優れたチタン合金として、Ｖを６〜１３％、Ｓｎを４〜２０％、Ｆｅを０．３〜３．０％、Ｃｒを０．３〜４．５％含むβ合金に関する発明が記載されている。

また、特許文献４でも、Ｖを１２〜２０％、Ｆｅを０．５〜３．５％、Ｓｎを４〜１５％、酸素を０．１５％以下含み、プレス加工性に優れたβ合金が提案されている。

特開２００８−１２７６３３号公報 特開２００８−２４００２６号公報 特開２００７−９２８３号公報 特開２００７−３２７１３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の合金は、引張強度は高いが、伸びが小さく、張出し成形性の指標となるエリクセン値も、純チタンＪＩＳ１種材は通常１０以上であるのに対し、１０に満たず、プレス加工に必要な張出し成形性は十分であるとは言えない。

また、特許文献２に記載の合金も、特許文献１に記載の合金と同様に、エリクセン値が小さく、プレート型熱交換器用純チタンＪＩＳ１種材レベルに到達していない。

一方、特許文献３および特許文献４に記載の発明は、特許文献１、２に記載の合金よりもさらに強度が高い。０．２％耐力は、プレート型熱交換器で使用される純チタンＪＩＳ１種材の約４倍と極めて高く、また、伸びも１９〜２４％と、同ＪＩＳ１種材の伸びに比べてかなり小さいため、とてもプレス成形加工に適しているとは言い難い。

本発明は、プレート型熱交換器用に使用される純チタンＪＩＳ１種材並みの伸び（長手方向３５％以上）、張出し性（エリクセン値１１．５以上）を有し、かつ、０．２％耐力は一般的なＪＩＳ１種材のそれよりもやや高い、２００ＭＰａ以上のチタン合金を提供することを目的としており、それにより、プレート型熱交換器用プレートの薄肉化、および、複雑な凹凸形状の成形加工に対応可能とすることを目的としている。これは、プレート型熱交換器は、一般に、フィン高さ０．２５〜２０ｍｍ、フィン厚さ０．１〜１．０ｍｍ、フィンピッチ０．６〜１０ｍｍ程度のコルゲート状また波状にプレス成形加工により製造されるが、プレート型熱交換器のプレス成形加工の際、ＪＩＳ１種材と同等な冷間加工伸びおよび、エリクセン値が要求される一方で、熱交換効率の向上、軽量化、素材コストダウンのために、厚さ０．４ｍｍ以下の薄肉化を図る場合、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上必要なためである。０．２％耐力が２００ＭＰａ未満であると、製品の剛性が不十分となり、また、プレス成形の際、局部的な塑性変形が１箇所に集中し、破断にいたる現象が生じ、製品の歩留まりが顕著に低下する場合があることが見出されたためである。

上記課題を解決するために本発明は、以下の手段を骨子とする。
（１）質量％で、Ｎｂ：０．５〜２．０％、酸素：０．０６〜０．１２％を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、プレス成形性に優れるチタン合金薄板。
（２）前記チタン合金が、さらに、質量％で、Ｆｅ：０．０４〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形性に優れるチタン合金薄板。
（３）溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造される（１）または（２）のチタン合金薄板の製造方法における最終焼鈍において、チタン合金冷延コイルを６００〜７５０℃の温度域で５〜１０時間保定することを特徴とするプレス成形性に優れるチタン合金薄板の製造方法。
（４）溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造される（１）または（２）のチタン合金薄板の製造方法における最終焼鈍において、チタン合金冷延板を連続焼鈍により、７５０〜８５０℃の温度域で１０〜６０秒保定することを特徴とするプレス成形性に優れるチタン合金薄板の製造方法。
（５）（１）または（２）に記載のチタン合金薄板からなるプレート型熱交換器用チタン合金薄板。

本発明によれば、より薄肉のチタン板によってプレート型熱交換器の製造が可能となり、より伝熱効率の高い軽量の熱交換器を提供することが可能となり、産業上および環境面の貢献が極めて顕著である。

本発明者らは上記課題を解決すべく、チタン材料の成形性（０．２％耐力、引張強度、伸び、ｎ値、エリクセン値）におよぼす成分元素の影響を詳細に調べた結果、チタンに一定量のＮｂを添加し、かつ、酸素および鉄の含有量を一定範囲に限定することにより、プレート熱交換器に使用される純チタン１種材並の張出し成形性を損なわずに、０．２％耐力を向上させることが可能であることを見出した。本発明はこの知見に基づきなされたものである。

本発明（１）では、質量％で、Ｎｂ：０．５〜２．０％、酸素：０．０６〜０．１２％を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるチタン合金薄板とした。

純チタン材の強度は、含有する酸素濃度で決まり、プレート型熱交換器用純チタン材については、純度を高め、焼鈍温度を高くすることにより、伸びと張出し性を高めている。一般に、エリクセン値１１．０以上を得るためには酸素含有量６００ｐｐｍ以下に純度を高めることが必要である（長谷川ら、チタニウム・ジルコニウムＶｏｌ．３２、Ｎｏ．１、１９８４年１月、ｐ．１１〜１５）が、Ｎｂ添加により、酸素含有量が６００ｐｐｍを超えても十分な伸びと張出し成形性を得ることができることを見出した。そして本発明は、酸素含有量を０．０６質量％以上とすることにより、耐力を２００ＭＰａ以上とすることができる。一方Ｎｂを添加しても、酸素含有量が高すぎると、３５％以上の十分な伸び、あるいはエリクセン値１１．５以上の張り出し成形性が得られないことがあるが、酸素含有量を０．１２質量％以下とすることにより、十分な伸び及び張り出し成形性を得ることができる。

これにより、０．２％耐力が純チタン１種材よりも高く、かつ十分な伸びがあり、張出し成形性に優れるチタン材料が得られた。

Ｎｂ添加がチタン合金の成形性を向上させるメカニズムは明らかでないが、Ｎｂはチタン材料の室温変形に不可欠な双晶変形を助長させる働きがあると考えられる。成形性を向上させるためには、Ｎｂ量は０．５％以上必要であり、２．０％を超えるとその効果が飽和するため、Ｎｂ含有量を０．５〜２．０％に規定した。

不純物元素は、窒素、炭素、Ｎｉ、Ｃｒ、水素など、通常のチタンに含まれる元素である。これらの元素の総和は０．０５％未満であれば成形性に影響を与えない。

本発明（２）は、本発明（１）の合金に、Ｆｅを０．０４〜０．１％含有することを特徴とするチタン合金薄板である。これは、本発明（１）の合金の張出し成形部分の肌荒れを防止するものである。結晶粒径が大きい材料をプレス成形すると、張り出した部分に肉眼で判別できる程度の凹凸が現れる。これは、オレンジピールと呼ばれ、成形品の外観を著しく害するため、Ｆｅを含有することによってチタン材料の組織を細粒にし、張出し部分の肌荒れを抑制するものである。Ｆｅが０．０４％以上含有すると、本チタン材料の組織は、最終焼鈍温度においてα＋βの２相域となるため、粒成長が抑制されることからＦｅ含有量を０．０４％以上とした。一方、Ｆｅを、０．１％を超えて含有するとＦｅの凝集が顕著となり、凝集点を起点とした腐食が進行し耐食性が劣化するため、Ｆｅ含有量を０．０４〜０．１％に規定した。

上記本発明（１）（２）のチタン合金薄板は、上記規定した成分含有量とするとともに、通常のチタン合金薄板の製造方法を適用することによって必要とする品質を有するチタン合金薄板とすることができる。さらに下記製造方法を適用することにより、好ましい品質を確保することができる。

本発明（３）は、本発明チタン合金薄板（１）または（２）を溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造する際に、チタン合金冷延コイルを６００〜７５０℃、５〜１０時間保定するものである。バッチ式の加熱炉でコイル全体を十分再結晶させるためには、６００℃以上の温度で、５時間以上の保定が必要である。７５０℃を超えると粗粒化が顕著となり、耐力が低下するため、加熱温度の上限を７５０℃とした。また、１０時間までの保定で十分な再結晶化がなされ、所望の耐力、伸びを始めとする機械特性及び、十分な成形性が得られるため、１０時間を超える加熱は不要である。

本発明（４）は、本発明チタン合金薄板（１）または（２）を溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造する際に、チタン合金冷延板を連続焼鈍炉において、７５０〜８５０℃、１０〜６０秒保定するものである。連続焼鈍炉により短時間の加熱で十分再結晶させるためには、７５０℃以上の温度で１０秒以上加熱されることが必要である。８５０℃を超えると、粗粒化が顕著となり、耐力が低下するため、加熱温度の上限を８５０℃とした。また、６０秒を超えて保定すると、同様に粗粒化が顕著となり耐力が低下するため、保定時間の上限を６０秒とした。

本発明（５）は、本発明（１）または（２）に記載のチタン合金薄板からなるプレート型熱交換器用チタン合金薄板であり、プレス成形加工される前の平面状の薄板を指している。プレート型熱交換器では、この薄板をヘリンボーン模様や角状突起等を有する複雑な波状パターンに冷間で成形加工し使用する。本発明チタン合金薄板は、室温引張り伸びが長手方向３５％以上、エリクセン値１１．５以上を有し、かつ、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上であるため、板厚０．１〜０．４ｍｍの薄手の板でも、プレス成形性に優れ、プレート型熱交換器用チタン合金薄板として適している。

本発明に関わるチタン合金板は、チタン材料が本来有する耐食性の他に、適度な強度と優れた加工性を有するため、プレート型熱交換器用薄板だけでなく、燃料電池のセパレーター、各種電子機器の筐体等、複雑な成形性を要求される用途に広く適用可能である。

以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効果をより具体的に説明する。

表１に示す成分のチタン合金を真空アーク溶解し、鋳造して約３５００ｋｇの鋳塊とした。これらを８５０〜９００℃に加熱して、熱間圧延し、厚さ約３．５ｍｍの板とした。ショットブラストおよび酸洗後、さらにこれを冷間圧延して、厚さ０．４５ｍｍの板とした。得られた板を表１に示す条件で焼鈍した。これらの供試材からＪＩＳ１３号Ｂの試験片を圧延方向および幅方向に切出し、室温引張試験を行った。また、幅９０ｍｍ長さ９０ｍｍの試験板を切り出し、周囲をしわ押さえ力１ｔｏｎで拘束し、穴径２７ｍｍのダイス穴に球径２０ｍｍのポンチを押込み、割れが入るまでの行程（ｍｍ）をエリクセン値とする張出成形性評価試験を行った（ＪＩＳ Ｚ ２２７１）。使用した潤滑剤はグラファイトグリースである。

表１において、アンダーラインは本発明範囲を超える成分組成であることを示す。なお表１のＦｅ含有量が０．０４質量％未満のものは、積極的にＦｅを添加せず、不可避不純物レベルである。

測定結果を表１にまとめて示す。表１において、Ｎｏ．１からＮｏ．７は、請求項１の組成のチタン合金薄板をバッチ式焼鈍による製造方法で作製した本発明の実施例である。冷延後の焼鈍方法（焼鈍炉種類）、焼鈍条件は表１に記載されたとおりである。これにより、２００ＭＰａ以上の０．２％耐力と３５％以上の長手方向の伸びを有し、エリクセン値が１１．５以上の、プレート熱交換器のプレス加工に必要となる強度と優れた加工性を持つ材料が得られた。

実施例Ｎｏ．８から１４は、請求項２のチタン合金薄板をバッチ式焼鈍による製造方法で作製した本発明の実施例である。冷延後の焼鈍方法（焼鈍炉種類）、焼鈍条件は表１に記載されたとおりである。これにより、２００ＭＰａ以上の０．２％耐力と３５％以上の長手方向の伸びを有し、エリクセン値が１１．５以上の、ある程度の強度と優れた加工性を持つだけでなく、張り出し成形後のオレンジピールの発生を抑えることができた。

一方、Ｎｂの添加のない、比較例１５は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達せず、Ｎｂ添加が無く、酸素を０．０８％に高めた比較例１６は、０．２％耐力は２００ＭＰａを超えたが、伸びが３５％に達せず、エリクセン値も１１．５に達しなかった。Ｎｂ添加量が０．５％未満で、酸素添加量が０．０６％未満の比較例１７は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達しなかった。また、Ｎｂを１．４％添加したが、酸素を０．０６未満しか添加しなかった比較例１８は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達しなかった。

実施例Ｎｏ．１９から２２は、請求項１のチタン合金薄板を連続焼鈍による製造方法で作製した本発明の実施例である。冷延後の焼鈍方法（焼鈍炉種類）、焼鈍条件は表１に記載されたとおりである。これにより、２００ＭＰａ以上の０．２％耐力と３５％以上の長手方向の伸びを有し、エリクセン値が１１．５以上の、耐力と優れた加工性を合わせ持つプレート熱交換器用の材料が得られた。

実施例Ｎｏ．２０から２６は、請求項２のチタン合金薄板を連続焼鈍による製造方法で作製した本発明の実施例である。冷延後の焼鈍方法（焼鈍炉種類）、焼鈍条件は表１に記載されたとおりである。これにより、２００ＭＰａ以上の０．２％耐力と３５％以上の長手方向の伸びを有し、エリクセン値が１１．５以上の、耐力と優れた加工性を合わせ持つだけでなく、張り出し成形後のオレンジピールの発生を抑えることができた。

一方、Ｎｂの添加のない、比較例２７は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達せず、Ｎｂ添加が無く、酸素を０．０８％に高めた比較例２８は、０．２％耐力は２００ＭＰａを超えたが、伸びが３５％に達せず、エリクセン値も１１．５に達しなかった。Ｎｂ添加量が０．５％未満で、酸素添加量が０．０６％未満の比較例２９は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達しなかった。また、Ｎｂを１．４％添加したが、酸素を０．０６未満しか添加しなかった比較例３０は、０．２％耐力が２００ＭＰａに達しなかった。

なお、Ｆｅ含有量が０．４質量％未満の本発明例において、製品として許容できる範囲で、張り出し成形後のオレンジピール発生が見られた。

実施例Ｎｏ．２、８、２０、２５および比較例３０の冷延焼鈍板（板厚０．３ｍｍ）を製造し、幅５００ｍｍ、長さ１１２０ｍｍの切り板とした後、プレート熱交換器用プレス金型でフィン高さ７ｍｍ、フィンピッチ５ｍｍの波状成形加工を行った。実施例Ｎｏ．２、８、２０、２５では、プレス成形加工後、最も肉厚の薄くなる円状突起部においても破断無く良好なプレス成形加工がなされた。

一方、比較例３０では、肉厚の薄くなる円状突起部において、目視で破断した場所が５箇所見出され、正常なプレス成形加工ができなかった。

本発明のチタン合金薄板は、十分な耐力と伸び、張出し成形性を有しているため、薄肉でも複雑な凹凸形状、または波型形状を有するヘリンボーン状の成形加工が可能であり、本プレートを用いてプレート熱交換器を製造することができる。また、本発明のチタン合金薄板は適度な強度と優れた加工性を有するため、プレート熱交換器用薄板だけでなく、燃料電池のセパレーター、各種電子機器の筐体等、複雑な成形性を要求される用途に広く適用可能である。

Claims (5)

1. 質量％で、
   Ｎｂ：０．５〜２．０％、
   酸素：０．０６〜０．１２％、
   を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、プレス成形性に優れるチタン合金薄板。
2. 前記チタン合金が、さらに、質量％で、
   Ｆｅ：０．０４〜０．１％
   を含有することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形性に優れるチタン合金薄板。
3. 溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造される請求項１または２記載のチタン合金薄板の製造方法における最終焼鈍において、チタン合金冷延コイルを６００〜７５０℃の温度域で５〜１０時間保定することを特徴とするプレス成形性に優れるチタン合金薄板の製造方法。
4. 溶解、熱延、冷延、最終焼鈍を含む工程を経て製造される請求項１または２記載のチタン合金薄板の製造方法における最終焼鈍において、チタン合金冷延板を連続焼鈍により、７５０〜８５０℃の温度域で１０〜６０秒保定することを特徴とするプレス成形性に優れるチタン合金薄板の製造方法。
5. 請求項１または２に記載のチタン合金薄板からなるプレート型熱交換器用チタン合金薄板。