JP3228134B2 - 成形性と耐焼き付き性に優れた純チタン板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カメラボディー、
時計、メガネ、レジャー用品等の民生用品、あるいは熱
交換器等の化学工業設備の素材として用いられる純チタ
ン板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタンは、軽量で、かつ極めて耐食性に
優れているために様々な用途に活用されている。最近で
は、カメラボディー、時計等の民生用品、あるいは熱交
換器等の化学工業設備の素材として用いられる。これら
の用途には、成形性が要求されるので、おもに軟質の工
業用純チタンが用いられている。工業用純チタン（以
下、純チタンと記す）には、ＪＩＳＨ４６００に規定さ
れている１種から３種があり、ＦｅとＯの含有率で区分
されている。その中でも１種の純チタン板は、高いｒ値
を持ち、軟鋼などに比べて良好な深絞り特性を有してい
るので、成形性や加工性が要求される用途に適してい
る。

【０００３】純チタン板は、一般に次の工程で製造され
る。まず、原料である純度の高いスポンジ状の金属チタ
ンをプレス加工し、円柱状の電極を作る。この電極を消
耗式電極として、真空下でアーク溶解し、インゴットを
作製する。次に、このインゴットを分塊圧延し、熱間圧
延用のスラブを製造する。表面疵の除去等の表面手入れ
が施されたチタンスラブを熱間圧延、冷間圧延後、焼鈍
処理によって軟化させて成形性・加工性を付与してい
る。この焼鈍処理としては、アルゴン雰囲気または真空
下で加熱するバッチ焼鈍法と、大気中で帯状の純チタン
板を連続炉によって加熱する連続焼鈍法がある。連続焼
鈍法の場合には、焼鈍後、純チタン板表面に発生したス
ケールを取り除くために、硝弗酸等の酸を用いて酸洗処
理を施す。この酸洗処理によって、表面性状のよい、光
沢のある純チタン板に仕上げられる。例えば、特公昭６
０−２５５０６号報には、純チタン板に弗酸または硝弗
酸水溶液をスプレー噴射するか、溶液中に浸漬して、純
チタン板のスケールを除去し、表面を綺麗にする技術が
開示されている。

【０００４】カメラボディー、時計等の民生用品、ある
いは熱交換器等の化学工業用設備の素材としての純チタ
ン板の用途拡大を図る上で、もっとも強く求められてい
るのは、（ａ）純チタン板の価格を下げることである。
さらに、（ｂ）純チタン板の成形性が良いこと、（ｃ）
純チタン板のプレス等の成形時に工具との焼き付きが生
じ難いことが求められている。

【０００５】（ａ）純チタン板の製造コストおよび
（ｂ）成形性について 通常、純チタン板の原料としては、ＪＩＳ Ｈ２１５１
で規定されるスポンジチタンが使用される。しかし、Ｊ
ＩＳ Ｈ２１５１で規定されるスポンジチタンは、精製
に多大な電力を要するので高価であり、それを使用する
と純チタン板の製造コストが上昇してしまう。純チタン
板の製造コストを低減するためには、純チタン板の原料
に安価なスクラップチタンを活用して、原料に占めるス
ポンジチタンの比率を下げる必要がある。ところがスク
ラップチタンを原料として再利用する場合、Ｆｅ、Ｏ
（酸素）の混入が避けられない。さらにスクラップチタ
ン中に選別工程で除去しきれなかったオーステナイト系
ステンレス鋼が混入しているために、Ｎｉ、Ｃｒの含有
量が増大してしまう。また、スポンジチタンの原料費を
下げるためにＪＩＳ規格外の純度の低い安価なスポンジ
チタンを利用することも有効であるが、純度の低いスポ
ンジチタンを原料にすると純チタン板中のＮｉ、Ｃｒの
含有量が高くなる。純チタン板がＦｅ、Ｏ（酸素）、Ｎ
ｉおよびＣｒを一定量以上含む場合には、純チタン板の
硬度が高くなりすぎて、プレス加工時の成形性が悪くな
る。

【０００６】特公昭６４−１５４６号報には、冷間圧延
後の純チタン板に焼鈍処理を施し、ついで酸洗処理を行
うことにより、成形性を向上させて成形時の表面欠陥を
防止した純チタン板の製造方法が開示されている。しか
し、この技術の場合には、純チタン板の成形性は改善さ
れるものの製造コストを下げることはできない。

【０００７】このように、（ａ）純チタン板の製造コス
トの低減と、（ｂ）良好な成形性の付与の両者を両立さ
せることは非常に困難であった。

【０００８】（ｃ）プレス時の工具との焼き付きについ
て チタンは、化学的に活性な金属であるために、チタン板
から製品に成形する際の加工中に、工具とチタン板との
間で焼き付きが起きやすい。焼き付きが生じると、成形
加工後にその部分を研磨により除去するか、成形品を廃
棄するなどの処置が必要である。したがって、純チタン
板を素材として成形品を製造する際の工数が増加した
り、歩留まりが低下するという問題がある。

【０００９】成形加工中の工具との焼き付きを防止する
ためには、銅系合金工具を使用すればよいが、この工具
は通常用いられる炭素鋼工具に比べて非常に高価であ
る。また、焼き付きを防止する他の方法として、炭素鋼
工具に二硫化モリブデン等の潤滑剤を塗布する方法があ
るが、潤滑剤や塗布装置が必要となる分、製造コストが
上昇してしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、スク
ラップチタンあるいはＪＩＳ Ｈ２１５１の規格外の純
度の低いスポンジチタン等の安価な原料を使用した場合
であっても、純チタン板のプレス等の成形性が良好で、
かつ成形の際に焼き付きが生じ難い純チタン板を製造す
る方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために、純チタン板の化学組成、冷間圧
延と焼鈍処理後の純チタン板の結晶粒径、および特定
の組成の硝弗酸水溶液での酸洗処理に着目した。本発明
はこれらの着目点に関する知見を基になされたものであ
ってその要旨は次の通りである。

【００１２】「重量割合で、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの含
有率が下記式（１）、（２）および（３）（単位はいず
れもｐｐｍ）を満足し、かつＯ（酸素）の含有率が９０
０ｐｐｍ以下で、残部がＴｉおよび不可避不純物からな
る純チタン材に、冷間圧延を施し、ついで６００〜８５
０℃の温度で焼鈍処理を施して純チタン板の平均結晶粒
径を２０〜８０μｍとし、その後下記式（４）、（５）
および（６）を満足する硝弗酸水溶液（単位はいずれも
重量％）で酸洗処理を施すことを特徴とする純チタン板
の製造方法。

【００１３】 １００≦Ｆｅ≦７００ 式（１） １００≦Ｎｉ＋Ｃｒ≦７００ 式（２） ２００≦Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ≦１１００ 式（３） ２≦弗酸≦７ 式（４） ４≦硝酸≦２０ 式（５） １≦硝酸／弗酸≦５ 式（６）」 ここでいう純チタン材とは、Ｔｉのみではなく、上記の
Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｒおよびＯ（酸素）を含有し、残部は不
可避的不純物を含んでいる化学組成のものである。

【００１４】ここでいう冷間圧延とは、純チタン板を製
造する際に施される通常の冷間圧延でよく、例えばロー
ル圧延機を用いて、圧下率５０〜９０％程度の圧延を行
う。

【００１５】冷間圧延を施す前の工程としては、本発明
の純チタン材の組成成分を満足するように、スクラップ
チタンやスポンジチタンを単独あるいは混合してプレス
加工等を施して電極を作る。その後アーク溶解しインゴ
ットに形成する。さらに、冷間圧延を施すことができる
程度の板厚になるように、通常の鍛造や熱間圧延等を施
す。

【００１６】本発明では、冷間圧延後の純チタン板に焼
鈍処理を施す。焼鈍は、重油燃焼、あるいはガス燃焼等
の炉を用いて、純チタン板の温度を６００〜８５０℃の
温度域のある特定温度に加熱し、その後この温度で０．
５〜３０分間保持するのが望ましい。この焼鈍処理によ
り、純チタン板の平均結晶粒径は２０〜８０μｍとな
る。なお、本発明における純チタン板の平均結晶粒径と
は、ＪＩＳＨ０５０１に規定されている求積法により求
められる値である。

【００１７】ここでいう酸洗処理とは、上記式（４）、
（５）および（６）で規定した硝弗酸水溶液を用いて、
純チタン板を１〜３分程度浸漬する通常の酸洗を行うこ
とを意味している。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明は、スクラップチタンや純
度の低い安価なスポンジチタンを原料とすることで、純
チタン板の製造コストを大幅に下げようとするものであ
る。しかし、スクラップチタンや純度の低いスポンジチ
タンを原料とすると、不純物であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、
Ｏ（酸素）を必要以上に含有してしまう。本発明では、
不純物として含有してよいＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｏ（酸
素）の量を規定することにより純チタン板の成形性を確
保しつつ、純チタン板の成形の際の工具との焼き付き問
題を焼鈍処理と硝弗酸による酸洗処理により解決したも
のである。

【００１９】以下、本発明の純チタン板の製造方法を具
体的に説明する。

【００２０】なお、以下で記す、ppmおよび％は重量比
を意味している。

【００２１】（１）純チタン材の組成について Ｆｅ：Ｆｅは純チタン板の硬度に及ぼす影響が大きい元
素である。Ｆｅの含有率が７００ppmを超えると、純チ
タン板は硬くなりプレス成形性が悪化する。

【００２２】また、Ｆｅはプレス加工中の工具と純チタ
ン板の焼き付きを防止する元素でもあるので適当な量を
含有させておく必要がある。Ｆｅは純チタン板の結晶粒
界に偏析する。この偏析領域は酸洗時に優先的な腐食を
受けるので、純チタン板の表面は凹凸となる。この表面
の凹凸はプレス加工において使用する潤滑剤のピットと
なり、プレス加工中に純チタン板と工具の間に潤滑剤を
引き込む効果を持つ。このためにプレス加工中の潤滑効
果が増大し、純チタン板と工具との焼き付きが防止され
る。Ｆｅの含有率が低い純チタン板では、酸洗後の表面
が極めて平滑となる。このためプレス加工中に潤滑剤の
ピットが形成されず、潤滑剤が工具との接触面から排除
されてしまい、純チタン板の表面と工具が焼き付いてし
まう。プレス加工中の純チタン板と工具との焼き付きを
防止するためには、Ｆｅの含有率を１００ppm以上にす
る必要がある。よってＦｅの含有率を（１）式のように
規定した。

【００２３】Ｏ（酸素）：Ｏ（酸素）は、Ｆｅと同様に
純チタン板の硬度に及ぼす影響が大きい元素である。Ｏ
の含有率が９００ppmを超えると純チタン板は硬くな
り、プレス成形性が悪化するので含有率を９００ppm以
下とする。ただし、Ｏの含有率は２００ppm以上とする
のが好ましい。Ｏの含有率を２００ppm未満にするため
には、不純物の少ないＪＩＳで規定されている高価なス
ポンジチタンを原料としなければならず、本発明の課題
である安価に純チタン板を製造する目的を達成し難くな
るからである。

【００２４】ＮｉおよびＣｒ：ＮｉやＣｒも純チタン板
の硬度に影響を与える元素であり、それぞれＦｅの１／
２程度の硬化能を有する。ＮｉとＣｒの合計の含有率が
７００ppmを越えると純チタン板が硬化し、プレス成形
性が悪化してしまう。

【００２５】一方、ＮｉおよびＣｒは、Ｆｅと同様にプ
レス加工中の工具と純チタン板の焼き付きを防止する元
素なので適当な量を含有させておく必要がある。Ｎｉと
Ｃｒは、Ｆｅと同様に純チタン板の結晶粒界に偏析し
て、プレス加工中の潤滑効果を増大させて純チタン板と
工具との焼き付きを防止する。その効果を得るために
は、ＮｉとＣｒの合計の含有率を１００ppm以上にする
必要がある。よって、ＮｉとＣｒの含有率を（２）式の
ように規定した。

【００２６】ＮｉとＣｒの合計の含有率が７００ppm以
下であっても、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの合計の含有率が
１１００ppmを超えると純チタン板が硬化し、プレス成
形性が悪化してしまう。一方、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの
合計の含有率が２００ppm未満ではプレス成形時の工具
との焼き付きを防止する効果が少ない。よって、Ｆｅ、
ＮｉおよびＣｒの合計の含有率を（３）式のように規定
した。

【００２７】（２）焼鈍処理および純チタン板の結晶粒
径について 純チタン板の結晶粒径は、プレス加工時の成形性と耐焼
き付き性に大きな影響を与える。ＪＩＳＨ０５０１に規
定されている求積法により求められる純チタン板の平均
結晶粒径が８０μｍを超える場合、結晶粒の面積が大き
くなるために酸洗により生じる結晶粒界の凹凸の間隔が
大きくなり、潤滑剤を保持するピットとしての効果が低
減する。このため、結晶粒径が８０μｍを超える場合に
は焼き付き防止効果が得られない。

【００２８】一方、結晶粒径が２０μｍ未満の場合、純
チタン板の成形性が悪化する。これはチタンの変形機構
として重要な双晶変形が２０μｍ未満の場合は生じない
ことが原因である。

【００２９】結晶粒の大きさが２０〜８０μｍの純チタ
ン板を製造するためには、冷間圧延後の純チタン板に焼
鈍処理を施す必要がある。焼鈍は前述したように、重油
燃焼、ガス燃焼等の炉を用いて純チタン板の温度を６０
０〜８５０℃に加熱し焼鈍する。この焼鈍は、６００〜
８５０℃のある温度（±１０℃は許容範囲）で０．５〜
３０分間保持するのが望ましい。６００℃未満では冷間
加工組織を完全に再結晶させることが出来ないので成形
性が悪化する。８５０℃を超えると結晶が粗大化するた
めに８０μｍ以下の粒径が得られない。また、焼鈍時間
が０．５分未満では再結晶化が不十分で成形性が悪化す
る恐れがある。３０分を超えると結晶が粗大化してしま
う恐れがある。

【００３０】特定の組成の硝弗酸水溶液での酸洗処理
について 焼鈍後の純チタン板に酸洗を施すのは、焼鈍により生成
した純チタン板の表面のスケールを除去し表面を美しく
するためと、製品としての純チタン板をユーザーがプレ
ス加工等による成形を行う際の工具と純チタン板との焼
き付きを防止するためである。

【００３１】酸洗に使用する溶液は、硝弗酸水溶液とす
る。弗酸の濃度が重量％で２％未満の場合には、スケー
ルを溶解して除去する効果が得られない。一方、弗酸の
濃度が７％を超える場合には、酸洗反応が激しく起きる
ために、純チタン板の表面に酸焼けと称するムラが発生
し、純チタン板の商品価値を低下させてしまう。

【００３２】また硝酸の濃度が４％未満の場合には、酸
洗後の純チタン板の表面に反応生成物が付着して純チタ
ン板の表面全体が黒っぽく汚れた外観となり、純チタン
板の商品価値が落ちる。逆に硝酸の濃度が２０％を超え
ると、酸洗反応が起き難くなり、結晶粒界のＦｅ、Ｎｉ
およびＣｒの偏析領域が優先的には腐食されなくなるの
で、純チタン板の表面はほとんど溶解しないままの平滑
な表面となってしまう。純チタン板の表面が平滑になり
すぎると、プレス加工等の際の潤滑剤を保持する凹凸が
ないので工具と純チタン板が焼き付いてしまう。純チタ
ン板の表面の適切な凹凸、および清浄な表面を形成する
ためには、上記に加えさらに弗酸と硝酸の濃度比を管理
しておくことが必要である。硝酸と弗酸の濃度比（硝酸
／弗酸）が１未満では酸洗後の純チタン板の表面が黒っ
ぽく汚れた状態となり、商品としての純チタン板の価値
が低下してしまう。硝酸と弗酸の濃度比が５を超えると
硝酸の酸洗抑制効果が高まり、チタン表面が平滑となる
ため、焼き付き防止効果が低減してしまう。

【００３３】

【実施例】

（実施例１）表１で示した様々な組成を有するチタンを
原料として、本発明方法および本発明で規定する条件か
ら外れる方法で純チタン板を製造し、加工性と耐焼き付
き性を調べた。なお、原料はＪＩＳで規定されている高
価なスポンジチタンは使用せず、安価なスクラップチタ
ンを使用した。

【００３４】

【表１】

【００３５】原料をアルゴン雰囲気中でプラズマアーク
により加熱溶解し、厚み２５mm、幅６０mm、長さ１５０
mmのインゴットに鋳造した。次にインゴットを９５０℃
に加熱して１０mmの厚さになるまで鍛造し、その後８５
０℃の温度にて、厚さ５mmになるように熱間圧延を施し
た。圧延後の純チタン板に冷間圧延を施すために、ショ
ットブラストを行ってスケールを除去した。次に圧下率
８０％の冷間圧延を施して、厚さ１.０mmの純チタン板
を製造した。

【００３６】さらに、大気中において純チタン板の温度
が７００℃となるように加熱し、その温度で２分間保持
する焼鈍を行った。

【００３７】焼鈍後の純チタン板に３％弗酸と１０％硝
酸の硝弗酸水溶液（硝酸／弗酸の値は３．３３）に１分
２０秒間浸漬して、焼鈍により生成した表面スケールの
除去と焼き付き防止のための表面の凹凸を形成した。

【００３８】上記の方法で製造した純チタン板から試験
片を採取し、ビッカース硬度を測定することにより成形
性を評価した。測定は荷重１kgfの条件により各試料５
点を行った。５点の平均値が２００を超える試験片は硬
度が高すぎて一般的な成形性に劣ると判断し、成形性不
良とした。

【００３９】硬度の結果が良好であった試験片のみを対
象として深絞り加工時の耐焼き付き性を調査した。各々
の純チタン板よりφ６０の深絞り用の試験片を１５枚ず
つ採取し、直径φ３０のポンチを用いて１５枚ずつ連続
の深絞り試験を行った。また、ダイスとポンチのクリア
ランスは１．２mmとした。ポンチとダイスの材質は工具
鋼である。また潤滑剤はマシン油を用いた。深絞り加工
後の試験片を目で観察し、焼き付きが生じた時点で焼き
付き発生と評価し、深絞り加工を中断した。

【００４０】成形性の評価の指標としてのビッカース硬
度と耐焼き付き性の評価を表１にまとめた。ビッカース
硬度が２００を越えた試験片は成形性の評価を×、２０
０以下のものには評価を○として表した。また、深絞り
試験中に焼き付きが発生したものを×、１５枚連続して
深絞り試験を行っても焼き付きを生じなかったものを○
とした。総合評価は、成形性の評価が○でかつ焼き付き
が発生しなかったものを○とした。表１より、本発明で
規定する組成を有する純チタン板は、成形性と耐焼き付
き性の両方に優れていることが分かる。

【００４１】（実施例２）焼鈍処理後の純チタン板の結
晶粒径が純チタン板の成形性と耐焼き付き性に及ぼす影
響を調査した。実施例１のＮｏ．８と同じ組成のものを
使用し、実施例１と同様の方法で厚さ１．０ミリの冷間
圧延材を製造した。この純チタン板を５５０℃から８７
５℃までの様々な温度で２分間保持する焼鈍を施した。

【００４２】焼鈍後の純チタン板に実施例１と同じ条件
で酸洗して表面スケールを除去した後、結晶粒径を測定
すると共に実施例１と同じ条件で成形性および耐焼き付
き性の評価を行った。結晶粒径の測定は、純チタン板の
圧延方向と平行な縦断面上でミクロ組織を光学顕微鏡を
用いて５０または１００倍の倍率で観察し、ＪＩＳＨ０
５０１に準拠して算出した。

【００４３】表２に試験結果を示した。ビッカース硬度
が２００を超えた試験片は加工性が劣悪と判断し評価を
×、２００以下のものには評価を○として示した。ま
た、深絞り試験中に焼き付きが発生したものを×、１５
枚連続して深絞り試験を行っても焼き付きを生じなかっ
たものを○とした。総合評価は、ビッカース硬度が２０
０以下でかつ焼き付きが発生しなかったものを○とし
た。表２より、本発明で規定する焼鈍処理を施した純チ
タン板は、２０μｍ以上、８０μｍ以下の結晶粒が成長
しており、加工性および耐焼き付き性の両方に優れてい
ることが分かる。６００℃未満の温度で焼鈍した試験片
は、結晶粒径が２０μｍ未満であり、硬度が高すぎて加
工性が不良であることが分かる。８５０℃を超える温度
で焼鈍した試験片は、結晶粒径が８０μｍを超えてお
り、焼き付きが生じていることが分かる。

【００４４】

【表２】

【００４５】（実施例３）酸洗条件が純チタン板の表面
清浄性と耐焼き付き性に及ぼす影響を調査した。実施例
１のＮｏ．８と同じ組成のものを使用し、実施例１と同
様の方法で厚さ１．０ミリの冷間圧延材を製造した。こ
の純チタン板に７００℃で２分間保持する焼鈍を施し
た。

【００４６】焼鈍後の純チタン板に、表３で示した様々
な濃度の硝弗酸水溶液を用いて酸洗処理を施した。水溶
液の温度を３５℃に保ち、純チタン板を１分２０秒間浸
漬した。酸洗後の純チタン板の表面を肉眼観察により、
スケールの残存、表面汚れ、酸焼けについて調査した。
これらの欠陥が確認されたものを表面清浄が不良な純チ
タン板と評価した。さらに、表面が清浄である試験片の
みを対象として実施例１と同じ条件で深絞り試験を行っ
て成形性および耐焼き付き性を調査した。

【００４７】表３に試験結果を示した。表面性状の評価
は、表面が清浄であるものを○、スケールの残存等で表
面が清浄でないものを×と表した。また、深絞り試験の
際に焼き付きが発生したものを×、焼き付きが発生しな
かったものを○と表した。総合評価は、表面が清浄で、
かつ焼き付きが発生しなかったものを○とした。表３よ
り、本発明方法で規定する条件を満たす酸洗を施した純
チタン板は、表面が清浄でかつ焼き付きが発生していな
いことが分かる。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【発明の効果】本発明の方法により、プレス等の加工の
際に焼き付きが生じ難く、プレス等の成形性が良好で、
表面が清浄であり、しかも安価な純チタン板を製造する
ことができる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量割合で、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの含有
   率が下記式（１）、（２）および（３）（単位はいずれ
   もｐｐｍ）を満足し、かつＯ（酸素）の含有率が９００
   ｐｐｍ以下で、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる
   純チタン材に、冷間圧延を施し、ついで６００〜８５０
   ℃の温度で焼鈍処理を施して純チタン板の平均結晶粒径
   を２０〜８０μｍとし、その後下記式（４）、（５）お
   よび（６）（単位はいずれも重量％）を満足する硝弗酸
   水溶液で酸洗処理を施すことを特徴とする純チタン板の
   製造方法。 １００≦Ｆｅ≦７００ 式（１） １００≦Ｎｉ＋Ｃｒ≦７００ 式（２） ２００≦Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ≦１１００ 式（３） ２≦弗酸≦７ 式（４） ４≦硝酸≦２０ 式（５） １≦硝酸／弗酸≦５ 式（６）