JP4065644B2 - 耐衝撃特性に優れた耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐衝撃特性に優れた耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品及びその製造方法に関する。ここで耐衝撃特性とは外部からの衝撃に対して破損しにくいことであり、例えば盾やヘルメットやベスト及び重要部分のカバ−や自動車のドアなど中身の人体や重要な箇所を防護する用途における特性である。
【０００２】
【従来の技術】
耐衝撃特性が要求される成品において、軽量化を図るために高強度な合金鋼や比強度の高いチタン合金が適用されており、いずれも高強度故に成形が難しく、温間や熱間での成形、更には成形速度を遅くするなどの対策が実施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術では成形性は改善されるが、加熱・保温工程や成形後のデスケール工程などが付与されるため生産効率が必ずしも高くなく、更にチタン合金はＶ，Ｍｏなどの合金元素を添加して高強度化しているため、一般的な純チタンと比べて決して廉価ではないという課題を有している。
またチタン合金は高強度故に、高速の衝撃に対して優れた耐衝撃特性が必ずしも得られないという課題がある。
【０００４】
そこで本発明は、前記した従来技術の課題に鑑みて、耐衝撃特性に優れた廉価な耐衝撃用チタン成品及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、以下の構成を有する耐衝撃特性に優れた耐衝撃用チタン成品及びその製造方法である本発明を成すに至った。
【０００６】
すなわち本発明は、チタンの成分と硬さにおいて、ＯとＮ、Ｃの合計Ｓが０．０４〜０．２７質量％、Ｆｅが０．１質量％以下、残部がＴｉ及び不可避な不純物よりなり、且つ冷間加工により硬化させることにより断面部のビッカース硬さ：Ｈｖ* が下記の式（１）、式（２）、式（３）のいずれかを満たすことを特徴とする耐衝撃特性に優れた、厚さ３．３ｍｍ以上の耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品である。
０．０４≦Ｓ≦０．０９（質量％）の場合、
１５０≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ ………………式（１）
０．０９＜Ｓ≦０．２０（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ …式（２）
０．２０＜Ｓ≦０．２７（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦２５５ ………………式（３）
ここで、Ｓ：［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］
Ｈｖ* ：冷間加工硬化後の断面部におけるビッカース硬さ
【０００７】
また、上記チタン成品を製造する方法であって、成品形状に冷間成形加工した後のチタン成品の断面ビッカース硬さ：Ｈｖ* が上記式（１）、式（２）、式（３）の範囲内になるように、冷間成形加工前の被成形材に圧延、矯正などの予備冷間加工を施すことを特徴とする。
【０００８】
また、上記チタン成品を製造する方法であって、成品形状に冷間成形加工した後のチタンの断面ビッカース硬さ：Ｈｖ＊が上記式（１）、式（２）、式（３）の範囲内になるように調整する冷間成形加工前の被成形板への予備冷間加工において、それ以前での熱間圧延或いは冷間圧延とは直交する方向にて、ロールを用いた圧延又は矯正、或いはその両方を実施することを特徴とする。
【０００９】
削除
【００１０】
削除
【００１１】
【発明の実施形態】
図１に、本発明の成分範囲（Ｓ＝［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］（質量％）と冷間加工硬化させた後の断面ビッカース硬さ（Ｈｖ* ）の範囲を示す。図１の耐衝撃特性は、先端に突起（２mmＲ、φ４×２０mm）のある重さ６０ｋｇの落下物を高さ１．５mmより落とす落重試験により評価した。試験材は板厚３．３mmでローラーで曲げた１５０Ｒの曲面形状であり、落下物は試験材の曲面凸側から衝突させた。
【００１２】
前記試験に供したチタン成品は以下の手順で準備、調整した。まず各種成分のチタン板を最終成形材の板厚が３．３ｍｍになるように熱間圧延し、一部は更に冷間圧延を実施した後に焼鈍した。その後、種々の冷間加工度（０〜約７０％）にて冷間圧延の予備冷間加工を実施した後に、ローラー曲げ冷間加工により１５０Ｒに成形した。ここでローラー曲げ冷間加工に用いた設備はロールが千鳥配置された曲げ冷間加工機である。更に曲げ成形後の一部は高真空中にて焼鈍して軟質化させた。
【００１３】
以上のように試験材は、成分、冷間加工度及び焼鈍により断面ビッカース硬さを調整した成形まま或いは焼鈍状態であり、酸化スケールのない金属色である。
【００１４】
前記方法の落重試験に供した試験材の被衝突部を目視にて観察し、突起が貫通（記号▼）、不貫通だが割れが発生（記号△）、不貫通で且つ割れの発生がない（記号○）の三つに分類した。
【００１５】
その結果、図１に示すように、突起が不貫通な場合（記号△及び記号○）を直線で結ぶと、硬さへの影響が比較的大きな以下３元素、Ｏ、Ｎ、Ｃの合計濃度Ｓ：［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］（質量％）と、断面ビッカース硬さ：Ｈｖ* が以下の式（１）、式（２）、式 （３）の領域にあるとき不貫通であり、所定の領域の硬さに冷間加工硬化させることが耐衝撃特性に優れていることを見出した。
０．０４≦Ｓ≦０．０９（質量％）の場合、
１５０≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ ………………式（１）
０．０９＜Ｓ≦０．２０（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ …式（２）
０．２０＜Ｓ≦０．２７（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦２５５ ………………式（３）
【００１６】
図１の式（１）、式（２）、式（３）の領域よりも上部では、冷間加工硬化の度合いが高過ぎて延性が不十分なため、衝撃に対してチタン成品が変形できずに割れの発生、伝播が起こりやすくなり貫通してしまい、一方、式（１）、式（２）、式（３）の領域よりも下部では冷間加工硬化の度合いが低すぎて衝撃に対するチタン成品の変形抵抗が小さいため、変形が局所化して貫通してしまうことから、本発明のＳ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］（質量％））と冷間加工硬化後の断面ビッカース硬さＨｖ＊の範囲を式（１）、式（２）、式（３）とした。
【００１７】
Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］（質量％））が０．０４質量％未満の場合、精錬及び真空溶解工程で一般的な工業用純チタンよりも高純化する必要があり、決して廉価ではなくなることから、本発明の範囲はＳを０．０４質量％以上とした。
またＳが０．２７質量％超及びＦｅ濃度が０．１質量％超の場合には、冷間加工硬化を付与することによる耐衝撃特性の向上がほとんどなくなり、加えて冷間加工素材であるチタンそのものが非常に硬質化するため、冷間での加工や成形が容易でなくなることから、本発明ではＳを０．２７％以下、Ｆｅ濃度を０．１質量％以下とした。
【００１８】
また前記試験と同様の板厚及び形状の２種類のチタン合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５ＶとＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌからなるチタン成品において、同一の落重試験を実施した結果、いずれも貫通もしくは不貫通ではあるが割れが発生したことから、本発明のチタン成品は一般的なチタン合金成品と同等以上の耐衝撃特性を有すると考えられる。
【００１９】
以上より本発明は、Ａｌ、Ｖ、Ｍｏなどの合金化元素を添加することなく一般的に純チタンに含まれるＯ，Ｎ，Ｃ，Ｆｅの濃度を制限し冷間加工性を確保しつつ、且つ成形の前及び途中での予備冷間加工や焼鈍の組合わせにより、チタンの冷間加工硬化後の断面ビッカース硬さを所定の範囲内に調整するという比較的容易な方法によって、チタン合金成品と同等以上の優れた耐衝撃特性を有する耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品を得ることができる。
【００２０】
また予備冷間加工の冷間圧延や矯正をそれ以前で実施した圧延方向と直交する方向にて施すこと、例えばコイルで圧延し焼鈍したものを板に切断し、コイル圧延方向に対して直交する方向に予備冷間加工の冷間圧延を施すなどであり、これにより異方性が低減されてプレス成形性や耐衝撃特性が改善されることから、本発明では好ましくは冷間成形加工前の被成形板への予備冷間加工において、それ以前での熱間圧延或いは冷間圧延とは直交する方向にロールを用いた圧延又は矯正、或いはその両方を施すこととした。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果を説明する。
表１（表１〜表４）に、チタン成品における成分、形状、予備冷間加工と成形及び焼鈍の組合せ状態（予備冷間加工の冷間圧延率や方向、焼鈍条件など）、成品（冷間加工硬化後）の断面ビッカーズ硬さＨｖ* 、前記落重試験の被衝撃部の形態などを示す。ここで断面ビッカース硬さは、圧延方向断面（Ｌ断面）及びその直交方向断面（Ｃ断面）の両断面にて板厚の１／２及び１／４で各５点、合計２０点測定した平均値である。尚、測定荷重は９．８Ｎ (１kgf)であった。
【００２２】
また表１のチタン成品は以下の手順で準備した。まず各種成分のチタン板を最終成形材の板厚が３．３mmになるように熱間圧延、一部は更に冷間圧延を実施した後に焼鈍した。その後、種々の冷間加工度（０〜約７０％）にて冷間圧延の予備冷間加工を実施した後に、ローラー曲げ冷間加工により１５０Ｒに成形した。ここで予備冷間加工の冷間圧延は、コイルでの圧延方向と同一方向又は直交方向にて施した。またローラー曲げ冷間加工にはロールが千鳥配置された曲げ冷間加工機を用いた。更に一部は高真空中にて最終または中間での焼鈍処理を実施した。尚、全てのチタンとも酸化スケールのない金属色であった。
【００２３】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
表１（表１〜表４）の比較例であるＮｏ．１，５，８，９，１３，１６，１９，２３，２６，２９〜３３，４４は、Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］）及びＦｅ濃度が本発明の範囲内であるが、断面のビッカーズ硬さ：Ｈｖ＊が範囲外であり、本方法の落重試験にて、硬質な場合には冷間加工硬化の度合いが高過ぎて延性が不十分なため、チタン成品が変形できずに割れが発生、伝播し貫通している。一方、軟質な場合にはチタン成品の変形抵抗が小さいため変形が局所化して貫通した。
【００２８】
これに対して、表１（表１〜表４）の実施例であるＮｏ．２〜４，６，７，１０〜１２，１４，１５，１７，１８，２０〜２２，２４，２５，３５，３８〜４３，４５は、Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］）とＦｅ濃度及び冷間加工硬化後の断面のビッカーズ硬さ：Ｈｖ＊ が本発明の範囲内にあり、適度な冷間加工硬化を施すことにより本方法の落重試験にて不貫通となり、表１（表１〜表４）のＮｏ．４６，４７のチタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ）成品と比べても、同等以上の優れた耐衝撃特性を示した。
【００２９】
表１（表１〜表４）の比較例であるＮｏ．２７，２８，３４は、Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］）が０．２８質量％超と本発明の範囲より高いため、またＮｏ．３６，３７はＦｅ濃度が０．１５質量％超と本発明の範囲より高いため、いずれも本方法の落重試験において冷間加工硬化による耐衝撃特性の向上がほとんどなかった。
【００３０】
曲げ成形前に予備冷間加工と焼鈍を組み合わせたＮｏ．３８〜４１や、予備冷間加工の冷間圧延を直交方向に施したＮｏ．３９〜４３も、Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］）とＦｅ濃度及び冷間加工硬化後の断面のビッカーズ硬さ：Ｈｖ* が本発明の範囲内にあり、適度な冷間加工硬化を施すことにより本方法の落重試験にて不貫通であった。
【００３１】
また冷間圧延の方向についてコイルの圧延と同一方向に実施したＮｏ．１４と、直交方向に実施したＮｏ．４５を比較すると、曲げ成形直前の冷間圧延率が１０％で硬さもほぼ等しい。しかしながら、本方法の落重試験の結果では両者とも不貫通であったが、同一方向に冷間圧延したＮｏ．１４では割れが発生し、直交方向に冷間圧延したＮｏ．４５では割れが発生せず、Ｎｏ．４５の方が耐衝撃特性に上回っていた。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｖなどの合金化素を添加することなく、一般的に純チタンに含まれるＯ，Ｎ，Ｃ，Ｆｅ濃度を所定の範囲内にし冷間加工性を確保しつつ、且つチタン成品へ成形する前及びその途中で実施する予備冷間加工や焼鈍を組み合わせて、冷間加工硬化させた状態のチタン成品そのものの断面ビッカース硬さをその成分濃度に応じた所定の範囲に調整することによって、耐衝撃特性に優れた、厚さ３．３ｍｍ以上の耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 チタンの成分Ｏ、Ｎ、Ｃの合計濃度；Ｓ（［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］）及び冷間加工硬化後の断面ビッカース硬さ：Ｈｖ* と落重試験による耐衝撃特性の関係を示す図である。
Claims (3)
- ＯとＮ、Ｃの合計Ｓが０．０４〜０．２７質量％、Ｆｅが０．１質量％以下、残部がＴｉ及び不可避な不純物よりなり、且つ冷間加工により硬化させることにより断面部のビッカース硬さ：Ｈｖ* が下記の式（１）、式（２）、式（３）のいずれかを満たすことを特徴とする耐衝撃特性に優れた、厚さ３．３ｍｍ以上の耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品。
０．０４≦Ｓ≦０．０９（質量％）の場合、
１５０≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ ……………式（１）
０．０９＜Ｓ≦０．２０（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ …式（２）
０．２０＜Ｓ≦０．２７（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦２５５ ……………式（３）
ここで、Ｓ：［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］
Ｈｖ* ：冷間加工硬化後の断面部におけるビッカース硬さ - ＯとＮ、Ｃの合計Ｓが０．０４〜０．２７質量％、Ｆｅが０．１質量％以下、残部がＴｉ及び不可避な不純物よりなるチタンにおいて、成品形状に冷間成形加工した後の当該チタンの断面ビッカース硬さ：Ｈｖ* が下記の式（１）、式（２）、式 （３）のいずれかを満たすように冷間成形加工前に被成形材に予備冷間加工を施すことを特徴とする耐衝撃特性に優れた、厚さ３．３ｍｍ以上の耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品の製造方法。
０．０４≦Ｓ≦０．０９（質量％）の場合、
１５０≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ ……………式（１）
０．０９＜Ｓ≦０．２０（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦４００×Ｓ＋１７５ …式（２）
０．２０＜Ｓ≦０．２７（質量％）の場合、
５１０×Ｓ＋１０４≦Ｈｖ* ≦２５５ ……………式（３）
ここで、Ｓ：［Ｏ］＋［Ｎ］＋［Ｃ］
Ｈｖ* ：冷間加工硬化後の断面部におけるビッカース硬さ - 前記の予備冷間加工において、それ以前での熱間圧延或いは冷間圧延とは直交する方向にロールを用いた圧延又は矯正、或いはその両方を施すことを特徴とする請求項２に記載の耐衝撃特性に優れた、厚さ３．３ｍｍ以上の耐衝撃用冷間加工硬化チタン成品の製造方法。
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