JP2019141910A - 熱間圧延用チタン材 - Google Patents
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Abstract
Description
前記他の表層部が、前記表層部と同一の化学組成および金属組織を備える、
上記(1)の熱間圧延用チタン材。
1−1.全体構成
図1に示すように、本発明に係る熱間圧延用チタン材1は、母材1bと、母材1bの圧延面に表層部1aとを備える。そして、表層部は所定の中間層(図示省略)を備える。母材1bは、工業用純チタンまたはチタン合金からなり、表層部1aは、母材1bとは異なる化学組成を有する。図2に示すように、本発明に係る熱間圧延用チタン材1は、母材1bの両方の圧延面に表層部1aa、1abを備えるものでもよい。このように、この熱間圧延用チタン材1における耐酸化性は、外部環境に接する表層部1a(図2に示す例では1aa、1ab)によって担保される。この熱間圧延用チタン材1は、全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比較して、同等の耐酸化性を有するが、安価に製造することができる。
母材1は、工業用純チタンまたはチタン合金からなる。ただし、チタン合金を用いることにより、工業用純チタンを用いる場合よりも優れた機械的特性(強度や延性など)を得られる。
(化学成分)
チタンの酸化は、酸化膜中を酸素が拡散して表面のチタンと結びつくことにより起こるいわゆる内方拡散と呼ばれる酸化形態をとるため、酸素の拡散が抑制されれば酸化が抑制される。チタン合金では、高温の600〜800℃における耐酸化性を向上させる場合、SiやNbといった合金元素を添加する。Siを添加した場合、高温の雰囲気に晒された際にシリコン酸化物を表層に形成してバリアーとなるため、酸素のチタン内部への拡散が抑制され耐酸化性を向上させる。また、Nbはチタンの酸化被膜中に固溶し、チタンが4価であるのに対し、5価であるため、酸化膜中の酸素の空孔濃度が低下し、酸化膜中の酸素の拡散が抑制される。
Siは、600〜800℃における高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。Si含有量が0.1%未満であると、耐酸化性の向上代が少ない。一方、Si含有量が0.6%を超えると、耐酸化性への影響が飽和するとともに、室温のみならず高温での加工性が著しく低下する。よって、Siを含有させる場合にはその含有量を0.1〜0.6%とする。Si含有量は0.15%以上であるのが好ましく、0.20%以上であるのがより好ましい。また、0.55%以下であるのが好ましく、0.50%以下であるのがより好ましい。
Nbも、高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。耐酸化性を向上させるために、Nb含有量は0.1%以上とする。一方、Nb含有量が2.0%を超えて含有させても効果が飽和する上、Nbは高価な添加元素であるため、合金コストの増加に繋がる。よって、Nbを含有させる場合にはその含有量は0.1〜2.0%とする。Nb含有量は0.3%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、1.5%以下であるのが好ましく、1.0%以下であるのがより好ましい。
Taも、高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。耐酸化性を向上させるために、Ta含有量は0.3%以上とする。一方、Ta含有量が1.0%を超えて含有させても、Taは高価な添加元素であるため、合金コストの増加に繋がるだけでなく、熱処理温度によってはβ相の生成が懸念される。よって、Taを含有させる場合にはその含有量は0.3〜1.0%とする。Ta含有量は0.4%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、0.9%以下であるのが好ましく、0.8%以下であるのがより好ましい。
Alも高温での耐酸化性を向上させる元素である。その一方で、Alは多量に含有すると室温での延性を著しく低下させる。Al含有量が0.3%以上であれば十分に耐酸化特性を発現する。また、Al含有量が1.5%以下であれば、冷間での加工を十分に担保できる。よって、Alを含有させる場合にはその含有量を0.3〜1.5%とする。Al含有量は0.4%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、1.2%以下であるのが好ましい。
Snは、α相安定化元素であり、かつ、Cuと同様に、高温強度を高める元素である。しかしながら、Sn含有量が1.5%を超えると、双晶変形を抑止し、室温での加工性を低下させる。そのため、Snを含有させる場合にはその含有量は1.5%以下とする。Sn含有量は1.3%以下であるの好ましく、1.2%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合には、Sn含有量は0.2%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。
Cuは、高温強度を高める元素である。また、α相に一定程度固溶するため、高温で使用した際にもβ相を生成しない。しかしながら、Cu含有量が1.5%を超えると、温度によってはβ相を生成してしまう。そのため、Cuを含有させる場合にはその含有量は1.5%以下とする。Cu含有量は1.4%以下であるのが好ましく、1.2%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合には、Cn含有量は0.2%以上であるのが好ましく、0.4%以上であるのがより好ましい。
Feは、β相安定化元素であるが、少量であればβ相の生成が少なく、耐酸化性に大きな影響を与えない。しかしながら、Fe含有量が0.5%を超えるとβ相の生成量が多くなり、耐酸化性を劣化させる。そのため、Feを含有させる場合にはその含有量は0.5%以下とする。Fe含有量は0.4%以下であるのが好ましく、0.3%以下であるのがより好ましい。
本発明の熱間圧延用チタン材は、熱間加工に供される素材(スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片)であり、熱間加工後、必要に応じて、冷間加工、熱処理などを施して、チタン複合材に加工される。そして、チタン複合材には、本発明の熱間圧延用チタン材の母材に由来する内層と、同表層部に由来する表層を備えている。
外部環境に接する表層の厚さが薄過ぎると、耐酸化性が十分に得られない。表層の厚さは製造に用いる素材の厚さ、またはその後の加工率によって変化するが、5μm以上あれば十分効果を発揮する。そのため、表層の厚さは、それぞれ5μm以上であることが望ましく10μm以上であることがより望ましい。
表層の空隙率は、0.1%以下であることが好ましい。空隙率が、0.1%を超えると、熱間圧延が施される際に、表層の膨れや剥がれなどを引き起こす恐れがある。
表層部に含まれる元素の含有量を複数点測定したとき、母材からの増加含有量の平均値CAVEと各測定箇所における母材からの増加含有量C0との関係:|CAVE−C0|/CAVE×100が40%以下である。|CAVE−C0|/CAVE×100が40%を超える場合には、所望性能を十分に発揮できないか、所望性能の劣化が早まるからである。|CAVE−C0|/CAVE×100は20%以下であることが好ましい。
表層は、内層近傍に中間層を備えている。すなわち、本発明の熱間圧延用チタン材は、母材表面に、例えば、溶融再凝固処理によって形成した表層部を備えているが、その表層部は、その後の、熱延加熱時、および、冷延後の熱処理工程において、母材と表層部との界面で拡散が生じ、最終的にチタン複合材に仕上げた時には、上記母材由来の内層と、上記表層部由来の表層との間には中間層が形成される。この中間層が、上記内層と上記表層とを金属結合させ、強固に接合する。また、中間層では連続した元素勾配を生じるため、上記内層と上記表層との強度差を和らげることができ、加工時の割れを抑制することができる。この中間層の厚さは、0.5μm以上とするのが好ましい。
3−1.溶融再凝固による表層部の形成
本発明の熱間圧延用チタン材は、母材表層を溶融させ、その時に特定の合金元素を溶融させ、母材由来成分とともに凝固させることにより、母材に特定の合金元素を含有する表層部を形成することにより製造することができる。図5〜7は、いずれも溶融再凝固の方法を示す説明図である。
熱間圧延用チタン材の母材は、通常、インゴットをブレークダウンによりスラブやビレット形状にした後、切削精整して製造される。また、近年ではインゴット製造時に直接熱延可能な矩形スラブを製造し、熱延に供されることもある。ブレークダウンにより製造された場合、ブレークダウンにより表面が比較的平坦になっているため、合金元素を含有する素材を比較的均一に散布し易く、合金相の元素分布を均一にしやすい。
溶融再凝固処理により形成した合金層を最終製品として残存させることが重要であり、スケールロスや表面疵による表面層の除去を可能な限り抑制する必要がある。具体的には、下記のような熱間圧延工程上の工夫を、生産に使用する設備の特性や能力を考慮した上で最適化し適宜採用することにより、達成される。
熱間圧延用素材を加熱する際には低温短時間加熱を行うことによりスケールロスを低く抑制できるが、チタン材は熱伝導が小さくスラブ内部が低温状態で熱間圧延を行うと内部で割れが発生し易くなる欠点もあり、使用する加熱炉の性能や特性に合わせてスケール発生を最小限に抑制するように最適化する。
熱間圧延工程においても、表面温度が高すぎると通板時にスケールが多く生成し、スケールロスが大きくなる。一方で、低すぎると、スケールロスは小さくなるが、表面疵が発生し易くなるため、後工程の酸洗で除去する必要があり、表面疵が抑制できる温度範囲で熱間圧延することが望ましい。そのため、最適温度域で圧延することが望ましい。また、圧延中にチタン材の表面温度が低下するため、圧延中のロール冷却は最小限とし、チタン材の表面温度の低下を抑制することが望ましい。
熱間圧延された板には、表面に酸化層があるため、その後の工程で酸化層を除去するデスケーリングの工程がある。チタンでは主に、ショットブラスト後に、硝ふっ酸溶液による酸洗で酸化層を除去するのが一般的である。また、場合によっては酸洗後に砥石研磨により表面を研削する場合もある。デスケーリング後に、熱間圧延用チタン材の母材および表層部に由来する、内層および表層からなる、2層または3層構造となっていればよい。
1a,1aa,1ab.表層部
1b.母材
2.チタン複合材
3,4.表層(表面層)
5.内層
Claims (2)
- 工業用純チタンまたはチタン合金からなる母材と、
前記母材の少なくとも一方の圧延面に形成された前記母材とは異なる化学組成を有し、表面の割れがない表層部と、を備える熱間圧延用チタン材であって、
前記表層部が、その厚さが2.0〜20.0mm、全厚さに占める割合が片面あたり40%以下であり、
前記表層部の化学組成が、母材からの増加含有量(母材には含まれない元素についてはその含有量、母材にも含まれる元素については、母材からの増加含有量)として、質量%で、
Si:0.1〜0.6%、
Nb:0.1〜2.0%、
Ta:0.3〜1.0%および
Al:0.3〜1.5%から選択される一種以上、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%を含み、
前記表層部に含まれる元素の含有量を複数点測定したとき、母材からの増加含有量の平均値CAVEと各測定箇所における母材からの増加含有量C0との関係:|CAVE−C0|/CAVE×100が40%以下である、
熱間圧延用チタン材。 - 前記母材の圧延面以外の面に、他の表層部が形成されており、
前記他の表層部が、前記表層部と同一の化学組成および金属組織を備える、
請求項1に記載の熱間圧延用チタン材。
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