JP2012057200A - 圧延幅方向の剛性に優れたチタン板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】[%Fe]+[%Cr]+[%Ni]を0.250以上0.750質量%以下、[%O]+[%N]+[%C]を0.030以上0.400質量%以下、且つ、Cの含有量を0.05質量%以下とし、残部がTi及び不可避的な不純物からなるチタン板であって、圧延面より法線方向からの(0001)面極点図において、α相の(0001)面の法線方向が、圧延面の法線方向ND方向と40°未満の結晶粒の総面積(A)と、ND方向から圧延幅方向TD方向へ70°以上110°以下でTD方向から圧延方向RD方向へ±20°の範囲内の結晶粒の総面積(B)の比率B/Aが1以上である圧延幅方向の剛性に優れたチタン板である。β変態点−70℃以上の温度域にて圧下率50%以上で一方向に熱間圧延し、熱間圧延と同じ方向へ圧下率40%以下で冷間圧延することにより製造できる。
【選択図】図1−2
Description
(1)Fe、Cr、Niの1種以上を総含有量[%Fe]+[%Cr]+[%Ni]で0.250質量%以上0.750質量%以下、O、N、Cの1種以上を総含有量[%O]+[%N]+[%C]で0.030質量%以上0.400質量%以下、且つ、Cの含有量を0.05質量%以下とし、残部がTi及び不可避的な不純物からなるチタン板であって、
圧延面の法線方向をND方向、圧延方向をRD方向、圧延幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をC軸方位として、C軸方位がND方向となす角度をθ、C軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、
圧延面より法線方向からのα相の(0001)面極点図において、角度θが40°未満である結晶粒の総面積をAとし、角度θが70°以上110°以下で角度φが±20°の範囲内である結晶粒の総面積をBとし、面積比B/Aが1以上であることを特徴とする圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
(2)上記面積比B/Aが3以上であることを特徴とする上記(1)に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
(3)さらに、Nb,V,Mo,Cuのうち1種以上をそれぞれ0.2質量%以上1.5質量%以下含有する、上記(1)又は(2)に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
(4)さらに、Siを0.2質量%以上1.0質量%以下含有する、上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
(5)熱間圧延素材をβ変態点+20〜120℃に加熱した後、β変態点−70℃以上の温度域にて圧下率50%以上で一方向に熱間圧延することを特徴とする、上記(1)〜(4)の何れか1項に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板の製造方法。
(6)更に、一方向の熱間圧延した板をそのまま又は焼鈍した後、熱間圧延と同じ方向へ圧下率40%以下で冷間圧延し、その後に焼鈍する冷間圧延・焼鈍工程を、少なくとも一回以上実施することを特徴とする、上記(5)に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板の製造方法。
(7)上記(1)〜(4)の何れか1項に記載のチタン板を用いて、板のTD方向がパイプの長手方向となるように成形し、溶接することを特徴とするチタン製パイプの製造方法。
ヤング率はその材料や結晶構造ごとのみならず、結晶方位分布(集合組織)により変化する。常温におけるチタンの金属組織はHCP(Hexagonal Close Packed Structure)構造であるα相からなる。このHCP構造において、六角柱底面に対し法線方向と平行方向ではヤング率が異なることが知られており、平行方向に比べ法線方向の方がヤング率は高い。例えば、単結晶の場合、六角柱底面に対し法線方向に試料を切り出せば、六角柱底面に対し平行方向に切出した場合よりもヤング率の高い素材が得られる。
上述したように集合組織を制御し、圧延幅方向のヤング率を高めるためには、β単相域もしくはα+βの2相高温域に加熱し、β相の割合が多くなる温度領域で熱間圧延を行う必要がある。工業用純チタンはFeやOといった不純物元素を有しており、β変態点近傍で僅かに2相領域が存在するものの、その温度範囲は非常に狭く、狙いとする集合組織を得ることは難しい。そこで本発明では、α+βの2相領域を広げることにより、目的とする集合組織を形成しやすくするため、β変態点近傍でα+βの2相領域を広げる効果があり、且つ、比較的安価な元素であるFe、Cr、Niの1種以上を用いることとした。添加元素量が少なすぎるとα+βの2相領域が狭くなり、目的とする集合組織が得られなくなることから、これら元素の総含有量[%Fe]+[%Cr]+[%Ni]の下限を0.25%とした。α+βの2相領域を安定的に得るためには、好ましくは0.287%であり、更に好ましくは0.290%である。一方、添加量が多くなりすぎると偏析の問題や、強度が必要以上に高くなり、成形性が低下することから好ましくない。そこで、本発明ではこれら元素の総添加量の上限を0.75%とした。安定的な成形性を得るためには好ましくは、0.615%であり、更に好ましくは0.610%である。なお、Fe、Ni、Crは金属チタンもしくはスポンジチタンを製造する際の反応容器等から混入する不可避的不純物であり、通常用いられる原料と製造方法を適用した場合、不可避不純物としてこれら元素をそれぞれ0.001〜0.002%程度含有している。また例え、高純度化したチタンを原料として用いても含有が避けられない。高純度純チタンにおいてもこれらの元素を約0.0001%程度含有していることから、実質的な含有量の下限値は、いずれも0.0001%以上である。
O,N,Cは主に不純物として混入する元素である。これら元素の含有量が増加することで強度を高めことができる。また、上記元素と同様にα+βの2相粒領域を大きくすることが出来る。これらの効果を得るためには、これら元素の総含有量[%O]+[%N]+[%C]で0.030%以上含有する必要があることから、これを下限とした。しかしながら、総含有量で0.400%を超えると、上記元素と同様に強度が必要以上に高くなり、成形性が著しく低下するので好ましくない。よって本発明では、上限を0.400%とした。好ましくは、0.300%であり、更に好ましくは0.250%である。チタン製造の原料によって不可避不純物のみでO、N、Cの総含有量が上記本発明範囲に入る場合には、積極的にこれら元素を添加する必要はない。また、不可避不純物のみでは上記本発明範囲に入らない場合には、O、N、Cのうち1元素以上を添加することによって本発明範囲とすればよい。なお、Cについては少量であっても室温延性、冷間加工性、熱間加工性を低下させてしまう場合があり、Cが0.05%未満であれば、問題ないレベルであることを見出し、本発明ではこれを上限とした。また、O,N,Cは、上記Fe,Cr,Ni同様、いずれもスポンジチタンを製造する上で不可避的不純物であり、含有が避けられない。従って、実質的な含有量の下限値は、それぞれ、Oで0.005%以上、Nで0.001%以上、Cで0.001%以上である。
β安定化元素であるNb、V、Mo、Cuは上述のFe、Cr、Niと同様にα+βの2相領域を広げる効果がある。これら元素を含有させる場合、含有量が少ないと効果が得られないことから、下限をそれぞれ0.2%とした。しかし添加量が多くなりすぎると、上述の元素同様に強度が高くなり、成形性が低下することや凝固偏析の影響が大きくなるため、上限をそれぞれ1.5%とした。
Siは多量に含有すると室温延性、冷間加工性、熱間加工性を低下させてしまう場合がある。しかしながら、Siを適量添加することにより、α+βの2相領域でシリサイド析出物を残存させることができ、目標とする集合組織を形成しやすくなる。Siの効果を得るためには必要に応じて0.2%以上添加する。しかしながら、Siを1.0%以上添加すると、冷間加工性が急激に劣化することから、これを上限とした。
上述したように目的とする集合組織を得るためには、β相単相領域もしくはα+β相の高温領域で多くの圧下率で熱延をする必要がある。β単相もしくはα+β高温領域であるβ変態点−70℃以上までに圧下率50%以上で、且つ、一方向の熱間圧延を行えば、目的とする集合組織を得ることができる。さらに好ましくは、70%以上の圧下率である。なお、圧下率とは、圧延前と圧延後の厚みの差を圧延前の素材厚みで割った値である。この圧下率50%までをβ変態点−70℃以上の温度で行うためには、熱間圧延時にβ変態点+20℃以上まで加熱すれば問題ないことから、これを下限とした。一方、高温に加熱しすぎると、熱間加熱時に結晶粒径が大きくなり過ぎたり、スラブ表面の酸化が著しく進行することから、上限をβ変態点+120℃とした。なお、β変態点については示唆熱分析等で求めることが出来る。
板を製造する場合、必要に応じて焼鈍により歪を取り除いた後、冷間圧延により板厚を調整する必要がある。熱間圧延と同一方向に冷間圧延をする場合、圧下率が大きくなると、α相の集合組織が、HCPの(0001)面の法線方向がND方向からTD方向に30°方向傾いた位置に変化する。そのため、上記の面積比B/Aが1より小さくなり、圧延幅方向のヤング率が低下する。冷延時の圧下率について検討した結果、40%以下の圧下率であれば、上記の面積比B/Aを1以上にすることができ、圧延幅方向のヤング率を高めることが出来る。さらに好ましくは、30%以下の圧下率である。なお、40%以上の圧下率が必要な場合は、その都度、焼鈍工程を追加すれば、集合組織の変化を抑制することが出来る。
上述したように、チタン・チタン合金は剛性が低く、それを補うために長尺な製品(薄板、パイプ)などでは、剛性を補うために断面形状を大きくする必要がある。しかし、本発明のチタン合金は、圧延幅方向への剛性に優れている。従って、圧延幅方向をパイプの長手方向となるように成形することで、従来よりも断面形状を小さくしても、長手方向の剛性を確保することが可能である。なお、パイプのみに限らず、剛性を確保した方向を圧延幅方向になるように成形することで、他形状の製品においても、剛性を確保することが出来る。
Claims (7)
- Fe、Cr、Niの1種以上を総含有量[%Fe]+[%Cr]+[%Ni]で0.250質量%以上0.750質量%以下、O、N、Cの1種以上を総含有量[%O]+[%N]+[%C]で0.030質量%以上0.400質量%以下、且つ、Cの含有量を0.05質量%以下とし、残部がTi及び不可避的な不純物からなるチタン板であって、
圧延面の法線方向をND方向、圧延方向をRD方向、圧延幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をC軸方位として、C軸方位がND方向となす角度をθ、C軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、
圧延面より法線方向からのα相の(0001)面極点図において、角度θが40°未満である結晶粒の総面積をAとし、角度θが70°以上110°以下で角度φが±20°の範囲内である結晶粒の総面積をBとし、面積比B/Aが1以上であることを特徴とする圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。 - 上記面積比B/Aが3以上であることを特徴とする請求項1に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
- さらに、Nb,V,Mo,Cuのうち1種類上をそれぞれ0.2質量%以上1.5質量%以下含有する、請求項1又は2に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
- さらに、Siを0.2質量%以上1.0質量%以下含有する、請求項1〜3の何れか1項に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板。
- 熱間圧延素材をβ変態点+20〜120℃に加熱した後、β変態点−70℃以上の温度域にて圧下率50%以上で一方向に熱間圧延することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板の製造方法。
- 更に、一方向の熱間圧延した板をそのまま又は焼鈍した後、熱間圧延と同じ方向へ圧下率40%以下で冷間圧延し、その後に焼鈍する冷間圧延・焼鈍工程を、少なくとも一回以上実施することを特徴とする、請求項5に記載の圧延幅方向の剛性に優れたチタン板の製造方法。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載のチタン板を用いて、板のTD方向がパイプの長手方向となるように成形し、溶接することを特徴とするチタン製パイプの製造方法。
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