JP4125560B2 - 耐水素吸収性に優れたチタン合金材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、水素吸収により脆性破壊が生じるおそれがある環境において使用されるチタン合金材に関し、具体的には酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、炭酸ガスなどを用いる各種化学プラント、海水淡水化プラント、給水加熱器、復水器などの熱交換器や各種配管などに好適に用いられるチタン合金材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純チタンあるいはチタン合金（以下、単にチタン合金という場合がある。）は海水などの塩化物環境をはじめ、様々な環境において優れた耐食性を有することから、各種化学プラントや海水淡水化プラントなどにおいて多くの需要がある。しかし、チタンと水素との親和カが大きいことに起因して、使用環境によってはチタン合金は多量の水素を吸収する。例えば、海水淡水化プラントの熱交換器チューブにチタン合金を用いた場合、チタン合金と接触する鋼材の防食のために電気防食（カソード防食）が施され、チタン合金によって形成された部材の電極電位が水素発生電位以下となるため、発生した水素がチタン合金に吸収される。
【０００３】
チタン合金が水素を吸収し易い環境としては、上記の熱交換器用チューブのほか、非酸化性酸溶液環境、石油精製プラントなどの硫化水素雰囲気、発電プラントのタービンプレードなどの高温水蒸気雰囲気、化学プラントなどの高温水素ガス雰囲気などが挙げられる。また、チタン合金材と鉄鋼材とが接触する場合、鉄鋼材が腐食すると水素が発生し、これをチタン合金材が吸収する結果、チタン合金材が脆化する。
【０００４】
チタン合金が水素を吸収すると脆い水素化物がチタン合金中に形成される。このような水素化物の形成が多くなると、設計応力以下のわずかな外力が作用しただけでも、当該チタン合金によって形成された部材が破壊（水素脆化割れ）する。このような水素吸収に伴う脆化の問題から、上記のような水素吸収が起こりうる環境下では構造部材の素材としてチタン合金の使用は敬遠されているのが実状である。
【０００５】
チタン合金の水素吸収に起因した脆化防止に関する従来技術としては、日本海水学会第４４巻第３号や防食技術Ｖｏｌ．２８、ｐ４９０（１９７９）に示されているように、チタン合金の大気酸化処理による水素吸収抑制法が知られている。大気酸化処理によりチタン合金の表面に形成された酸化皮膜は、水素の拡散障壁として作用し、環境から合金中への水素の侵入が抑制される。
【０００６】
また、特許公報第２８２４１７４号や、特開平７−３３６４号公報に記載されているように、炭化チタン、窒化チタンもしくは炭窒化チタンの被覆面積を１．０％以下とする技術も知られている。チタン合金には圧延や焼鈍などの製造工程において炭化チタン、窒化チタンもしくは炭窒化チタンが不可避的に表面に形成される。特許公報第２８２４１７４号に記載の技術は、チタン合金の水素吸収速度を増大させるこれらの炭窒化チタンの量を少なくして、水素吸収を抑制するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
大気酸化処理により、水素の拡散障壁として作用する酸化皮膜を表面に形成させることで、チタンの水素吸収はある程度抑制できる。しかしながら、構造部材として用いる場合には、施工時などにおいて他材との接触や衝突などを避けることは非常に困難であるため、チタン合金の表面に形成された大気酸化皮膜は不可避的に傷が付いたり、剥離したりする。このような傷付き、剥離部分が生じると、そこでは水素の侵入が容易となるため、実験室において理想的に作製した大気酸化皮膜を有するチタン合金に比較して、実用部材における大気酸化処理の水素吸収抑制効果は小さい。
【０００８】
また、炭窒化チタンの表面被覆量を少なくすることによっても、チタン合金の水素吸収はある程度抑制できる。しかしながら、チタン合金自体が水素の親和力が大きいため、水素吸収に悪影響をもたらす表面の炭窒化量を少なくしたとしても、その水素吸収抑制効果は不十分である。また、チタンは炭素や窒素との親和力も大きいことから、製造工程で形成された表面の炭窒化チタンを除去した後に、さらに炭窒化チタンが不可避的に形成されて水素吸収量を増大させる場合もある。
【０００９】
一方、チタン合金を熱交換器用チューブや各種化学装置部品の素材として用いる場合、ＪＩＳ２種純チタンと同等の冷間加工性が要求される。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、水素吸収を起こしやすい環境においても脆性破壊のおそれなく使用することができ、かつ純チタンと同等の冷間加工性を有するチタン合金材を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、チタンの水素吸収特性について鋭意研究したところ、Ｔｉ−Ａｌ系合金中での水素拡散は純Ｔｉに比して遅く、純Ｔｉに特定量のＡｌを添加することにより、Ｔｉ合金中での水素拡散速度を低下させ、水素吸収を抑制することができるとの着想を得て、さらにまたチタン合金の表面に水素拡散抑制層を形成することによりＴｉ−Ａｌ系合金の耐水素吸収性をより一層向上させることができるとの着想を得て本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のチタン合金材は、水素吸収環境下で用いられる構造部材の素材として用いられるチタン合金材であって、Ａｌ：０．５０〜３．０mass％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ−Ａｌ合金によって形成されたバルク部と、前記バルク部の上に一体的に形成されたＡｌ濃縮層を有し、前記Ａｌ濃縮層はそのＡｌ濃度が前記バルク部のＡｌ濃度より０．３ mass ％以上高く、かつ０．８〜２５ mass ％とされる。前記Ｔｉ−Ａｌ合金の不純物であるＦｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＮｂおよびＭｎは、Ｆｅ：０．１５mass％以下、Ｍｏ：０．１０mass％未満、Ｎｉ：０．２０mass％未満、Ｎｂ：１．０mass％未満、Ｍｎ：１．０mass％未満に抑えることが好ましい。
【００１３】
本発明のチタン合金材の好適な実施形態として、前記Ａｌ濃縮層の上に酸化皮膜を被覆し、前記酸化皮膜の厚さを１．０〜１００ｎｍとすることができる。この場合、前記酸化皮膜は膜厚断面において面積率で５０％以上が結晶質酸化物で形成されることが好ましい。さらに、前記Ａｌ濃縮層はその厚さを０．１０〜３０μm 形成することが好ましい。
【００１４】
本発明のチタン合金材は、酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、あるいは電気防食を施される場合などの水素を吸収しやすい環境において優れた耐水素吸収性を発揮し、特に鉄鋼材料と接触した状態で用いられる用途においても優れた耐水素吸収特性が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るチタン合金材を図１を参照して説明する。このチタン合金材は、Ｔｉ−Ａｌ合金からなるバルク部１の上にＡｌ濃縮層３が形成され、その上に厚さ１．０〜１００ｎｍの酸化皮膜２が形成されたものである。前記バルク部は、Ａｌ：０．５０〜３．０mass％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ−Ａｌ合金によって形成されたものである。
【００１６】
合金元素としてＡｌを添加したチタン合金が耐水素吸収性に優れるのは、Ｔｉ−Ａｌ合金中での水素の拡散速度が純Ｔｉに比較して非常に小さくなるためと考えられる。Ｔｉ−Ａｌ合金中での水素の拡散速度はＡｌ含有量が多いほど小さくなるが、Ａｌ含有量が０．５０mass％より少ない場合には、水素の拡散速度が十分に遅くならないため、水素吸収の抑制効果が不十分となる。このため、Ａｌ含有量の下限は０．５０mass％、好ましくは１．０mass％とする。
【００１７】
一方、Ａｌ含有量が多くなると、冷間圧延時に耳割れが発生するなど冷間加工性が著しく低下する。圧下率７５％で冷間圧延を行った場合、Ａｌ含有量が２．５〜３．０mass％の範囲では耳割れ発生は除去可能な微少なレベルであるが、Ａｌ含有量が３．０mass％を超えると耳割れは非常に大きくなり、生産性が低下する。よって、Ａｌ含有量の上限を３．０mass％、好ましくは２．５mass％とする。なお、冷間圧延における圧下率として７５％を確保することができれば、現在溶接チタン管として汎用されるＪＩＳ２種純チタンと同様の工程で薄板化が可能である。
【００１８】
図２はＴｉ−Ａｌ２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間圧延性に及ぼす影響を示したもので、冷間圧延で耳割れが発生する直前の圧下率（限界圧下率）を調べた結果を示したグラフである。この調査では圧下率の上限を７５％とした。同図から明らかなように、Ａｌ含有量が２〜２．３％以下の領域では、圧下率が７５％の冷間圧延を行っても耳割れは発生せず、十分な圧延性が保証されることがわかる。ところが、Ａｌ含有量が２．５％を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められるようになり、５．０％以上になると耳割ればかりではなく、板幅全体にわたってクラックが発生する。また、Ａｌ含有量が２．５％超、３．０％以下である場合には、耳割れが発生するために生産性は低下するが、板エッジの近傍に止まる程度の軽微な耳割れであるため、薄板および溶接チタン管への加工は十分に可能である。
【００１９】
前記Ｔｉ−Ａｌ合金における、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｎなどの不純物については少ない程よいが、本発明ではＦｅ：０．２０mass％程度以下、Ｍｏ：０．１５mass％程度以下、Ｎｉ：０．２５mass％程度以下、Ｎｂ：１．１mass％程度以下、Ｍｎ：１．１mass％程度以下は許容される。もっとも、好ましくはＦｅ：０．１５mass％以下、Ｍｏ：０．１０mass％未満、Ｎｉ：０．２０％未満、Ｎｂ：１．０mass％未満、Ｍｎ：１．０％未満に抑えるのがよい。
【００２０】
Ｆｅはチタン合金の水素吸収量を増加させる合金元素であることに加えて、耐食性も劣化させる合金元素でもある。Ｆｅ含有量が０．１５mass％を超えると、チタン合金の水素過電圧が著しく小さくなって水素発生が起こりやすくなるため、耐水素吸収性が低下する。このためＦｅ含有量は０．１５mass％以下、より好ましくは０．１０mass％以下にすることが望ましい。Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｎも水素吸収性を害する合金元素であり、それぞれの好ましい含有量は、Ｍｏが０．１０mass％未満、Ｎｉが０．２０mass％未満、Ｎｂが１．０mass％未満、Ｍｎが１．０mass％未満である。
【００２１】
前記酸化皮膜２として、厚さが１．０〜１００ｎｍの酸化皮膜を表面に形成した場合には、水素に対する表面酸化皮膜の拡散障壁作用と、前記Ａｌ濃縮層と、合金母材の水素拡散抑制作用との相乗効果によって、非常に優れた耐水素吸収性が得られる。酸化皮膜の厚さが１．０ｍｍに満たない場合には水素の拡散障壁としての作用が小さいため、水素吸収抑制に対するこのような相乗効果は低い。一方、厚さが１００ｎｍ超になった場合には、特に加工時に部分的な皮膜の割れや剥離が起き易くなり、割れあるいは剥離部分から水素侵入が容易になって、水素吸収抑制効果が低下する。このような理由から、形成する表面酸化皮膜の膜厚は１．０〜１００ｎｍが好ましい。
【００２２】
前記酸化皮膜の形成方法としては、例えば、大気雰囲気あるいは酸素分圧を適宜調整した雰囲気でＴｉ−Ａｌ合金を加熱酸化する方法を挙げることができる。加熱の際、加熱温度や雰囲気中酸素分圧などを調整することにより、膜厚を制御することができる。また、りん酸水溶液などの電解液中で陽極酸化を行うことによっても酸化皮膜を形成することができる。陽極酸化の際、印加電圧や電解液温度などを調整することにより膜厚を制御することができる。もっとも、酸化皮膜の形成方法としてはかかる方法に限定されるものではない。本発明のチタン合金材は、通常、鋳塊を必要に応じて鍛造、焼鈍した後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板を焼鈍後、脱スケールし、さらに所定厚さまで冷間圧延した後、冷延板を焼鈍して製造されるが、前記冷延板の焼鈍過程において焼鈍と同時に加熱酸化を行うようにしてもよい。
【００２３】
本発明では、前記酸化皮膜の厚さは以下の方法により決定される。オージェ電子分光法（ＡＥＳ）により表面から深さ方向にスパッタリングしながら酸素の元素分析を行い、酸素濃度の最大値が半分になった時点の深さを任意の５カ所で測定し、それらの平均値を酸化皮膜の厚さ（平均膜厚）とする。
【００２４】
本発明者の知見によると、前記酸化皮膜の一部あるいは全部を結晶質とすることにより、チタン合金の耐水素吸収性を著しく向上させることができる。自然に大気中で形成される表面酸化皮膜は結晶性が低く、非晶質部分が多い。一方、前記酸化皮膜形成手法によれば、前記Ａｌ濃縮層の表面に、アナターゼ（Ａｎａｔａｓｅ）型、ルチル（Ｒｕｔｉｌｅ）型、ブルッカイト（Ｂｒｏｏｋｉｔｅ）型など結晶質酸化皮膜を形成することができる。これらの結晶質酸化皮膜の形成により、酸化皮膜が緻密となってより強く水素の拡散障壁として作用して、水素吸収を著しく抑制することができる。このような作用は、酸化皮膜中の結晶質酸化物がいずれの結晶構造であっても得られるが、正方晶であるアナターゼ型やルチル型にくらべて、斜方晶であるブルッカイト型がより好ましい。
【００２５】
上記のような耐水素吸収性の向上効果は、表面酸化皮膜の５０％以上が結晶質である場合に顕著に現れる。このような結晶質部分の割合は、本発明では以下のようにして決定される。まず、表面に対して垂直方向に試料を切断し、さらにイオンミリングなどにより薄膜サンプルを作製し、酸化皮膜の膜厚に応じて１００〜１５０万倍で電子線回折を行う。このときの各結晶の回折ピークで結像させて、断面から見た酸化皮膜の結晶質部分と非晶質部分を区別し、写真上で結晶質部分の面積率を求める。このような電子線回折を任意の１０倍の薄膜サンプルについて行い、結晶質部分の面積率の平均値を求める。また、結晶構造も前記電子線回折によって同定することができる。
【００２６】
前記酸化皮膜の結晶性については、例えば、加熱酸化処理時の加熱温度や酸素分圧あるいは陽極酸化処理時の印加電圧や電解液温度などを調整することにより制御可能である。もっとも、酸化皮膜の結晶化については、これらの手法に限定されるものではない。
【００２７】
前記Ｔｉ−Ａｌ合金からなるバルク部１と、前記酸化皮膜２との間に形成された前記Ａｌ濃縮層３は、Ａｌ濃度をバルク部のＡｌ濃度に比して０．３mass％以上高く濃縮し、かつ０．８〜２５mass％としたものである。なお、前記酸化皮膜２は必ずしも必要ではなく、バルク部１の上にＡｌ濃縮層３のみを一体的に形成するだけでもＴｉ−Ａｌ合金のみからなるバルク材に比して耐水素吸収効果を向上させることができる。
【００２８】
チタンにＡｌを添加することにより、水素拡散が抑制されて耐水素吸収性が向上するが、上述のようにＡｌを添加すると冷間加工性が低下する問題がある。よって、表層のみＡｌ含有量を増大させることによって、冷間加工性を害することなく、水素吸収抑制作用を向上させることができ、さらにごく薄い酸化皮膜との相乗作用により耐水素吸収性が飛躍的に向上するようになる。上記したように、バルク部のＴｉ−Ａｌ合金のＡｌ濃度は０．５mass％以上の場合に高い水素拡散障壁作用を発揮して水素吸収抑制効果が顕著となるが、Ａｌ濃縮層のＡｌ濃度をバルク部のそれより０．３mass％以上高くすることで、水素吸収抑制作用をより一層向上させることができる。Ａｌ濃縮層のＡｌ含有量の下限は、バルク部のＡｌ含有量の下限と、バルク部のＡｌ量との最小差から０．８mass％となる。一方、Ａｌ濃縮層中のＡｌ含有量が２５mass％を超えると非常に脆いＴｉＡｌを基とするγ相が生じ、加工時に表面層（Ａｌ濃縮層および酸化皮膜）の割れや剥離を発生させる。この場合、水素の侵入は表面層の割れ・剥離発生部から容易となり、拡散障壁作用が得られないようになる。このため、Ａｌ含有量の上限は、２５mass％とすることが望ましい。さらには、ε相を生じない成分範囲である１６mass％以下が好ましく、α２相（Ｔｉ2Ａｌ ）を生じない成分範囲である６mass％以下がより好ましい。
【００２９】
Ａｌ濃縮層の厚さについては、０．１０μm 以上になると水素吸収抑制効果がＡｌ濃縮層がない場合（バルク部のみ）に比べて顕著に増大する。しかし、厚さが３０μm を超えるようになると加工時に表面剥離が生じやすくなり、水素吸収抑制効果が劣化するようになる。このため、Ａｌ濃縮層の厚さは０．１０〜３０μm とすることが好ましい。
【００３０】
Ｔｉのような高融点金属にＡｌのような低融点金属を添加した合金を加熱処理した場合、表面における低融点金属の拡散による濃度の増加あるいは低下が認められる。これは高融点金属と低融点金属との蒸気圧の差によるものであり、表面酸化膜を除去した状態であれば低融点金属の表面濃度は低下し、他方、表面酸化膜を形成することによって表面濃度は増加する。従って、Ａｌ濃縮層の形成については、前述の加熱酸化において温度や酸素分圧を調整することにより、Ａｌ濃縮層のＡｌ濃度およびその厚さを制御することができる。また、陽極酸化の印加電圧や電解液温度を調整することによっても、同様にＡｌ濃度や濃縮厚さを制御することができる。もちろん、Ａｌ濃縮層の形成については、これらの手法に限定されるものではない。
【００３１】
本発明においては、Ａｌ濃縮層の層厚とそのＡｌ濃度（平均濃度）は、オージェ電子分光法により表面から深さ方向にスバッタリングしながらＡｌの元素分析を行うことにより測定される。
【００３２】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００３３】
【実施例】
まず、各種チタン合金について、定電流電解による耐水素吸収性の評価について説明する。
ＪＩＳ１種（ＡＳＴＭ Ｇｒ．１相当）の純ＴｉおよびＡｌ、Ｆｅなどの各種純金属を原料として真空アーク溶解炉で表１に示す各種チタン合金を溶製し、鋳塊（約５００ｇ）を製造した。各鋳魂は調質焼鈍（１０００℃、２時間）を行った後、熱間圧延（８００〜９００℃）により厚さ４．２ｍｍの板状片に加工した。さらに、スケールを酸洗により除去した後、冷間圧延により板厚を１．０mm（圧下率７５％）とした。冷間圧延時の耳割れの発生状況をもって各試験片の冷間加工性を評価した。
【００３４】
その後、真空焼鈍（８００℃、１時間）を施した板状片より、大きさ１０mm×１０mmを切り出して試験片とした。湿式研磨（エメリー紙＃１２００）を行った直後の試験片に０．１ mol／ＬのＨ2ＳＯ4水溶液（８０℃大気解放）中で定電流陰極電解を行って、吸収された水素量を測定した。このときの電流密度は−１mＡ／cm2、電解時間は２４０時間である。吸収された水素量は溶融法で測定した。冷間加工性と水素吸収性の評価結果を表１に併せて示す。
【００３５】
表１より、本発明に係るチタン合金に相当する成分を有する試料は、原料として用いたＪＩＳ１種の純Ｔｉである試料No. １に比して総じて優れた冷間加工性と耐水素吸収特性を示している。特にＡｌを１．０％以上含有し、不純物を所定量に規制した試料No. ９〜１１のチタン合金材では耐水素吸収性の改善が著しい。なお、表１の備考において、「実施例」は試料に係るチタン合金の成分が本発明に係るチタン合金の成分範囲内のものを、また「比較例」は同成分範囲外のものを意味する。後記する表２においても同様である。
【００３６】
【表１】
【００３７】
次に、各種チタン合金について、塩酸浸漬による耐水素吸収性の評価について説明する。
水素を吸収しやすく、腐食性の厳しい環境の代表として塩酸を取り上げて浸漬腐食試験を行った。上記と同様の方法で表２に示す各種チタン合金の試験片を作製した。ただし、本評価に用いた試験片には、真空焼鈍の後、さらに１ｖｏｌ％りん酸水溶液中で陽極酸化処理を施した。このときの印加電圧は１〜５０Ｖ、電解液温度は２０〜５０℃で適宜変化させて、バルク材の表面に酸化皮膜を形成し、その膜厚および結晶性を調整した。
酸化皮膜の厚さは前記の通りオージェ電子分光法で測定し、その結晶質部分の割合（結晶性）および結晶構造は電子線回折により求めた。
【００３８】
塩酸浸漬試験は、０．１ mol／Ｌ ＨＣｌ水溶液（沸騰）中において行い、浸漬時間は１０日間とした。浸漬試験前後の重量変化より腐食速度を求め、試験で吸収された水素量を溶融法で測定した。冷間加工性も定電流電解による耐水素吸収性評価の場合と同様に評価した。腐食速度はいずれの試料についても０．０１mm／ｙ以下であった。冷間加工性、酸化皮膜の膜厚等および吸収水素量の測定結果を表２に示す。
【００３９】
表２より、本発明に係るチタン合金に相当する成分を有する試料は、原料として用いたＪＩＳ１種の試料No. ２１の純Ｔｉと同等の冷間加工性および耐食性を有し、純Ｔｉよりも耐水素吸収特性に優れることがわかる。特に、Ａｌ含有量が１．０％以上で、酸化皮膜の膜厚が１．０ｎｍ以上で、結晶質が５０％以上の試料No. ３１〜３８のチタン合金材は、非常に優れた耐水素吸収性を示している。もっとも、No. ３９では、酸化皮膜はほぼ結晶質であるにもかかわらず、その厚さが１００ｎｍ超とであるため、耐水素吸収性が劣化している。
【００４０】
【表２】
【００４１】
次に、本発明の実施例に係るチタン合金材が鋼材と接触した状態での耐水素吸収性の評価について説明する。
上記と同様の方法で試験片を作成した。ただし、この試験に用いた試験片には、陽極酸化処理の後に大気酸化処理を施した。このときの酸化温度および処理時間を調整することにより、表面酸化皮膜の膜厚や結晶性、Ａｌ濃縮層のＡｌ量と厚さを調整した。
酸化皮膜の厚さおよび結晶性は、塩酸浸漬による耐水素吸収性評価の場合と同様にオージェ電子分光法および電子線回折により求めた。また、オージェ電子分光法により試験片の表面から深さ方向のＡｌ濃度分布を測定して、Ａｌ濃縮層の厚さおよび平均Ａｌ濃度を求めた。
【００４２】
板状片より大きさ３０mm×３０mmの試験片を採取し、その中心にφ５mmの穴をあけ、同形状の炭素鋼（ＪＩＳ ＳＰＣＣ）と張り合わせ、チタン製のボルトおよびナットで締め付けた状態で腐食溶液中に浸漬した。用いた溶液は３mass％のＮａＣｌ水溶液（沸騰）であり、浸漬時間は２ケ月間とした。試験後の吸収水素量は溶融法で測定した。測定結果を表３に併せて示す。なお、冷間加工性についても定電流電解あるいは塩酸浸漬による耐水素吸収性評価の場合と同様に評価したが、冷間加工時の耳割れはいずれの試料にも認められなかった。
【００４３】
表３より、Ａｌ濃縮層が形成された実施例No. ４６〜５９、特にその層厚が０．１０μm 以上のNo. ５０〜５９では酸化皮膜の結晶質の割合にかかわらず、極めて優れた耐水素吸収性を有することが確認された。
【００４４】
【表３】
【００４５】
【発明の効果】
本発明のチタン合金材は、所定成分のＴｉ−Ａ合金からなるバルク部の上に形成されたＡｌ濃縮層あるいはさらにその上に形成された酸化皮膜が高い水素拡散抵抗として作用するので、耐水素吸収性に優れる。さらに、純Ｔｉと同等の冷間加工性を有するので、各種形状への加工も容易である。耐食性も純Ｔｉと同等であるから、炭素鋼やステンレス鋼に比べて耐食性も良好である。従って、本発明のチタン合金材は、水素を吸収しやすく、腐食性の厳しい環境における構造部材の素材として好適である。具体的には、酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、炭酸ガスなどを用いる各種化学プラント、海水淡水化プラント、給水加熱器、復水器などの熱交換器管や各種配管などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係るＡｌ濃縮層および酸化皮膜を備えたチタン合金材の断面模式図である。
【図２】 Ｔｉ−Ａｌ２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間加工性に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１ バルク部
２ 酸化皮膜
３ Ａｌ濃縮層
【発明が属する技術分野】
本発明は、水素吸収により脆性破壊が生じるおそれがある環境において使用されるチタン合金材に関し、具体的には酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、炭酸ガスなどを用いる各種化学プラント、海水淡水化プラント、給水加熱器、復水器などの熱交換器や各種配管などに好適に用いられるチタン合金材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純チタンあるいはチタン合金（以下、単にチタン合金という場合がある。）は海水などの塩化物環境をはじめ、様々な環境において優れた耐食性を有することから、各種化学プラントや海水淡水化プラントなどにおいて多くの需要がある。しかし、チタンと水素との親和カが大きいことに起因して、使用環境によってはチタン合金は多量の水素を吸収する。例えば、海水淡水化プラントの熱交換器チューブにチタン合金を用いた場合、チタン合金と接触する鋼材の防食のために電気防食（カソード防食）が施され、チタン合金によって形成された部材の電極電位が水素発生電位以下となるため、発生した水素がチタン合金に吸収される。
【０００３】
チタン合金が水素を吸収し易い環境としては、上記の熱交換器用チューブのほか、非酸化性酸溶液環境、石油精製プラントなどの硫化水素雰囲気、発電プラントのタービンプレードなどの高温水蒸気雰囲気、化学プラントなどの高温水素ガス雰囲気などが挙げられる。また、チタン合金材と鉄鋼材とが接触する場合、鉄鋼材が腐食すると水素が発生し、これをチタン合金材が吸収する結果、チタン合金材が脆化する。
【０００４】
チタン合金が水素を吸収すると脆い水素化物がチタン合金中に形成される。このような水素化物の形成が多くなると、設計応力以下のわずかな外力が作用しただけでも、当該チタン合金によって形成された部材が破壊（水素脆化割れ）する。このような水素吸収に伴う脆化の問題から、上記のような水素吸収が起こりうる環境下では構造部材の素材としてチタン合金の使用は敬遠されているのが実状である。
【０００５】
チタン合金の水素吸収に起因した脆化防止に関する従来技術としては、日本海水学会第４４巻第３号や防食技術Ｖｏｌ．２８、ｐ４９０（１９７９）に示されているように、チタン合金の大気酸化処理による水素吸収抑制法が知られている。大気酸化処理によりチタン合金の表面に形成された酸化皮膜は、水素の拡散障壁として作用し、環境から合金中への水素の侵入が抑制される。
【０００６】
また、特許公報第２８２４１７４号や、特開平７−３３６４号公報に記載されているように、炭化チタン、窒化チタンもしくは炭窒化チタンの被覆面積を１．０％以下とする技術も知られている。チタン合金には圧延や焼鈍などの製造工程において炭化チタン、窒化チタンもしくは炭窒化チタンが不可避的に表面に形成される。特許公報第２８２４１７４号に記載の技術は、チタン合金の水素吸収速度を増大させるこれらの炭窒化チタンの量を少なくして、水素吸収を抑制するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
大気酸化処理により、水素の拡散障壁として作用する酸化皮膜を表面に形成させることで、チタンの水素吸収はある程度抑制できる。しかしながら、構造部材として用いる場合には、施工時などにおいて他材との接触や衝突などを避けることは非常に困難であるため、チタン合金の表面に形成された大気酸化皮膜は不可避的に傷が付いたり、剥離したりする。このような傷付き、剥離部分が生じると、そこでは水素の侵入が容易となるため、実験室において理想的に作製した大気酸化皮膜を有するチタン合金に比較して、実用部材における大気酸化処理の水素吸収抑制効果は小さい。
【０００８】
また、炭窒化チタンの表面被覆量を少なくすることによっても、チタン合金の水素吸収はある程度抑制できる。しかしながら、チタン合金自体が水素の親和力が大きいため、水素吸収に悪影響をもたらす表面の炭窒化量を少なくしたとしても、その水素吸収抑制効果は不十分である。また、チタンは炭素や窒素との親和力も大きいことから、製造工程で形成された表面の炭窒化チタンを除去した後に、さらに炭窒化チタンが不可避的に形成されて水素吸収量を増大させる場合もある。
【０００９】
一方、チタン合金を熱交換器用チューブや各種化学装置部品の素材として用いる場合、ＪＩＳ２種純チタンと同等の冷間加工性が要求される。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、水素吸収を起こしやすい環境においても脆性破壊のおそれなく使用することができ、かつ純チタンと同等の冷間加工性を有するチタン合金材を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、チタンの水素吸収特性について鋭意研究したところ、Ｔｉ−Ａｌ系合金中での水素拡散は純Ｔｉに比して遅く、純Ｔｉに特定量のＡｌを添加することにより、Ｔｉ合金中での水素拡散速度を低下させ、水素吸収を抑制することができるとの着想を得て、さらにまたチタン合金の表面に水素拡散抑制層を形成することによりＴｉ−Ａｌ系合金の耐水素吸収性をより一層向上させることができるとの着想を得て本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明のチタン合金材は、水素吸収環境下で用いられる構造部材の素材として用いられるチタン合金材であって、Ａｌ：０．５０〜３．０mass％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ−Ａｌ合金によって形成されたバルク部と、前記バルク部の上に一体的に形成されたＡｌ濃縮層を有し、前記Ａｌ濃縮層はそのＡｌ濃度が前記バルク部のＡｌ濃度より０．３ mass ％以上高く、かつ０．８〜２５ mass ％とされる。前記Ｔｉ−Ａｌ合金の不純物であるＦｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＮｂおよびＭｎは、Ｆｅ：０．１５mass％以下、Ｍｏ：０．１０mass％未満、Ｎｉ：０．２０mass％未満、Ｎｂ：１．０mass％未満、Ｍｎ：１．０mass％未満に抑えることが好ましい。
【００１３】
本発明のチタン合金材の好適な実施形態として、前記Ａｌ濃縮層の上に酸化皮膜を被覆し、前記酸化皮膜の厚さを１．０〜１００ｎｍとすることができる。この場合、前記酸化皮膜は膜厚断面において面積率で５０％以上が結晶質酸化物で形成されることが好ましい。さらに、前記Ａｌ濃縮層はその厚さを０．１０〜３０μm 形成することが好ましい。
【００１４】
本発明のチタン合金材は、酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、あるいは電気防食を施される場合などの水素を吸収しやすい環境において優れた耐水素吸収性を発揮し、特に鉄鋼材料と接触した状態で用いられる用途においても優れた耐水素吸収特性が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るチタン合金材を図１を参照して説明する。このチタン合金材は、Ｔｉ−Ａｌ合金からなるバルク部１の上にＡｌ濃縮層３が形成され、その上に厚さ１．０〜１００ｎｍの酸化皮膜２が形成されたものである。前記バルク部は、Ａｌ：０．５０〜３．０mass％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ−Ａｌ合金によって形成されたものである。
【００１６】
合金元素としてＡｌを添加したチタン合金が耐水素吸収性に優れるのは、Ｔｉ−Ａｌ合金中での水素の拡散速度が純Ｔｉに比較して非常に小さくなるためと考えられる。Ｔｉ−Ａｌ合金中での水素の拡散速度はＡｌ含有量が多いほど小さくなるが、Ａｌ含有量が０．５０mass％より少ない場合には、水素の拡散速度が十分に遅くならないため、水素吸収の抑制効果が不十分となる。このため、Ａｌ含有量の下限は０．５０mass％、好ましくは１．０mass％とする。
【００１７】
一方、Ａｌ含有量が多くなると、冷間圧延時に耳割れが発生するなど冷間加工性が著しく低下する。圧下率７５％で冷間圧延を行った場合、Ａｌ含有量が２．５〜３．０mass％の範囲では耳割れ発生は除去可能な微少なレベルであるが、Ａｌ含有量が３．０mass％を超えると耳割れは非常に大きくなり、生産性が低下する。よって、Ａｌ含有量の上限を３．０mass％、好ましくは２．５mass％とする。なお、冷間圧延における圧下率として７５％を確保することができれば、現在溶接チタン管として汎用されるＪＩＳ２種純チタンと同様の工程で薄板化が可能である。
【００１８】
図２はＴｉ−Ａｌ２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間圧延性に及ぼす影響を示したもので、冷間圧延で耳割れが発生する直前の圧下率（限界圧下率）を調べた結果を示したグラフである。この調査では圧下率の上限を７５％とした。同図から明らかなように、Ａｌ含有量が２〜２．３％以下の領域では、圧下率が７５％の冷間圧延を行っても耳割れは発生せず、十分な圧延性が保証されることがわかる。ところが、Ａｌ含有量が２．５％を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められるようになり、５．０％以上になると耳割ればかりではなく、板幅全体にわたってクラックが発生する。また、Ａｌ含有量が２．５％超、３．０％以下である場合には、耳割れが発生するために生産性は低下するが、板エッジの近傍に止まる程度の軽微な耳割れであるため、薄板および溶接チタン管への加工は十分に可能である。
【００１９】
前記Ｔｉ−Ａｌ合金における、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｎなどの不純物については少ない程よいが、本発明ではＦｅ：０．２０mass％程度以下、Ｍｏ：０．１５mass％程度以下、Ｎｉ：０．２５mass％程度以下、Ｎｂ：１．１mass％程度以下、Ｍｎ：１．１mass％程度以下は許容される。もっとも、好ましくはＦｅ：０．１５mass％以下、Ｍｏ：０．１０mass％未満、Ｎｉ：０．２０％未満、Ｎｂ：１．０mass％未満、Ｍｎ：１．０％未満に抑えるのがよい。
【００２０】
Ｆｅはチタン合金の水素吸収量を増加させる合金元素であることに加えて、耐食性も劣化させる合金元素でもある。Ｆｅ含有量が０．１５mass％を超えると、チタン合金の水素過電圧が著しく小さくなって水素発生が起こりやすくなるため、耐水素吸収性が低下する。このためＦｅ含有量は０．１５mass％以下、より好ましくは０．１０mass％以下にすることが望ましい。Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｎも水素吸収性を害する合金元素であり、それぞれの好ましい含有量は、Ｍｏが０．１０mass％未満、Ｎｉが０．２０mass％未満、Ｎｂが１．０mass％未満、Ｍｎが１．０mass％未満である。
【００２１】
前記酸化皮膜２として、厚さが１．０〜１００ｎｍの酸化皮膜を表面に形成した場合には、水素に対する表面酸化皮膜の拡散障壁作用と、前記Ａｌ濃縮層と、合金母材の水素拡散抑制作用との相乗効果によって、非常に優れた耐水素吸収性が得られる。酸化皮膜の厚さが１．０ｍｍに満たない場合には水素の拡散障壁としての作用が小さいため、水素吸収抑制に対するこのような相乗効果は低い。一方、厚さが１００ｎｍ超になった場合には、特に加工時に部分的な皮膜の割れや剥離が起き易くなり、割れあるいは剥離部分から水素侵入が容易になって、水素吸収抑制効果が低下する。このような理由から、形成する表面酸化皮膜の膜厚は１．０〜１００ｎｍが好ましい。
【００２２】
前記酸化皮膜の形成方法としては、例えば、大気雰囲気あるいは酸素分圧を適宜調整した雰囲気でＴｉ−Ａｌ合金を加熱酸化する方法を挙げることができる。加熱の際、加熱温度や雰囲気中酸素分圧などを調整することにより、膜厚を制御することができる。また、りん酸水溶液などの電解液中で陽極酸化を行うことによっても酸化皮膜を形成することができる。陽極酸化の際、印加電圧や電解液温度などを調整することにより膜厚を制御することができる。もっとも、酸化皮膜の形成方法としてはかかる方法に限定されるものではない。本発明のチタン合金材は、通常、鋳塊を必要に応じて鍛造、焼鈍した後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板を焼鈍後、脱スケールし、さらに所定厚さまで冷間圧延した後、冷延板を焼鈍して製造されるが、前記冷延板の焼鈍過程において焼鈍と同時に加熱酸化を行うようにしてもよい。
【００２３】
本発明では、前記酸化皮膜の厚さは以下の方法により決定される。オージェ電子分光法（ＡＥＳ）により表面から深さ方向にスパッタリングしながら酸素の元素分析を行い、酸素濃度の最大値が半分になった時点の深さを任意の５カ所で測定し、それらの平均値を酸化皮膜の厚さ（平均膜厚）とする。
【００２４】
本発明者の知見によると、前記酸化皮膜の一部あるいは全部を結晶質とすることにより、チタン合金の耐水素吸収性を著しく向上させることができる。自然に大気中で形成される表面酸化皮膜は結晶性が低く、非晶質部分が多い。一方、前記酸化皮膜形成手法によれば、前記Ａｌ濃縮層の表面に、アナターゼ（Ａｎａｔａｓｅ）型、ルチル（Ｒｕｔｉｌｅ）型、ブルッカイト（Ｂｒｏｏｋｉｔｅ）型など結晶質酸化皮膜を形成することができる。これらの結晶質酸化皮膜の形成により、酸化皮膜が緻密となってより強く水素の拡散障壁として作用して、水素吸収を著しく抑制することができる。このような作用は、酸化皮膜中の結晶質酸化物がいずれの結晶構造であっても得られるが、正方晶であるアナターゼ型やルチル型にくらべて、斜方晶であるブルッカイト型がより好ましい。
【００２５】
上記のような耐水素吸収性の向上効果は、表面酸化皮膜の５０％以上が結晶質である場合に顕著に現れる。このような結晶質部分の割合は、本発明では以下のようにして決定される。まず、表面に対して垂直方向に試料を切断し、さらにイオンミリングなどにより薄膜サンプルを作製し、酸化皮膜の膜厚に応じて１００〜１５０万倍で電子線回折を行う。このときの各結晶の回折ピークで結像させて、断面から見た酸化皮膜の結晶質部分と非晶質部分を区別し、写真上で結晶質部分の面積率を求める。このような電子線回折を任意の１０倍の薄膜サンプルについて行い、結晶質部分の面積率の平均値を求める。また、結晶構造も前記電子線回折によって同定することができる。
【００２６】
前記酸化皮膜の結晶性については、例えば、加熱酸化処理時の加熱温度や酸素分圧あるいは陽極酸化処理時の印加電圧や電解液温度などを調整することにより制御可能である。もっとも、酸化皮膜の結晶化については、これらの手法に限定されるものではない。
【００２７】
前記Ｔｉ−Ａｌ合金からなるバルク部１と、前記酸化皮膜２との間に形成された前記Ａｌ濃縮層３は、Ａｌ濃度をバルク部のＡｌ濃度に比して０．３mass％以上高く濃縮し、かつ０．８〜２５mass％としたものである。なお、前記酸化皮膜２は必ずしも必要ではなく、バルク部１の上にＡｌ濃縮層３のみを一体的に形成するだけでもＴｉ−Ａｌ合金のみからなるバルク材に比して耐水素吸収効果を向上させることができる。
【００２８】
チタンにＡｌを添加することにより、水素拡散が抑制されて耐水素吸収性が向上するが、上述のようにＡｌを添加すると冷間加工性が低下する問題がある。よって、表層のみＡｌ含有量を増大させることによって、冷間加工性を害することなく、水素吸収抑制作用を向上させることができ、さらにごく薄い酸化皮膜との相乗作用により耐水素吸収性が飛躍的に向上するようになる。上記したように、バルク部のＴｉ−Ａｌ合金のＡｌ濃度は０．５mass％以上の場合に高い水素拡散障壁作用を発揮して水素吸収抑制効果が顕著となるが、Ａｌ濃縮層のＡｌ濃度をバルク部のそれより０．３mass％以上高くすることで、水素吸収抑制作用をより一層向上させることができる。Ａｌ濃縮層のＡｌ含有量の下限は、バルク部のＡｌ含有量の下限と、バルク部のＡｌ量との最小差から０．８mass％となる。一方、Ａｌ濃縮層中のＡｌ含有量が２５mass％を超えると非常に脆いＴｉＡｌを基とするγ相が生じ、加工時に表面層（Ａｌ濃縮層および酸化皮膜）の割れや剥離を発生させる。この場合、水素の侵入は表面層の割れ・剥離発生部から容易となり、拡散障壁作用が得られないようになる。このため、Ａｌ含有量の上限は、２５mass％とすることが望ましい。さらには、ε相を生じない成分範囲である１６mass％以下が好ましく、α２相（Ｔｉ2Ａｌ ）を生じない成分範囲である６mass％以下がより好ましい。
【００２９】
Ａｌ濃縮層の厚さについては、０．１０μm 以上になると水素吸収抑制効果がＡｌ濃縮層がない場合（バルク部のみ）に比べて顕著に増大する。しかし、厚さが３０μm を超えるようになると加工時に表面剥離が生じやすくなり、水素吸収抑制効果が劣化するようになる。このため、Ａｌ濃縮層の厚さは０．１０〜３０μm とすることが好ましい。
【００３０】
Ｔｉのような高融点金属にＡｌのような低融点金属を添加した合金を加熱処理した場合、表面における低融点金属の拡散による濃度の増加あるいは低下が認められる。これは高融点金属と低融点金属との蒸気圧の差によるものであり、表面酸化膜を除去した状態であれば低融点金属の表面濃度は低下し、他方、表面酸化膜を形成することによって表面濃度は増加する。従って、Ａｌ濃縮層の形成については、前述の加熱酸化において温度や酸素分圧を調整することにより、Ａｌ濃縮層のＡｌ濃度およびその厚さを制御することができる。また、陽極酸化の印加電圧や電解液温度を調整することによっても、同様にＡｌ濃度や濃縮厚さを制御することができる。もちろん、Ａｌ濃縮層の形成については、これらの手法に限定されるものではない。
【００３１】
本発明においては、Ａｌ濃縮層の層厚とそのＡｌ濃度（平均濃度）は、オージェ電子分光法により表面から深さ方向にスバッタリングしながらＡｌの元素分析を行うことにより測定される。
【００３２】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００３３】
【実施例】
まず、各種チタン合金について、定電流電解による耐水素吸収性の評価について説明する。
ＪＩＳ１種（ＡＳＴＭ Ｇｒ．１相当）の純ＴｉおよびＡｌ、Ｆｅなどの各種純金属を原料として真空アーク溶解炉で表１に示す各種チタン合金を溶製し、鋳塊（約５００ｇ）を製造した。各鋳魂は調質焼鈍（１０００℃、２時間）を行った後、熱間圧延（８００〜９００℃）により厚さ４．２ｍｍの板状片に加工した。さらに、スケールを酸洗により除去した後、冷間圧延により板厚を１．０mm（圧下率７５％）とした。冷間圧延時の耳割れの発生状況をもって各試験片の冷間加工性を評価した。
【００３４】
その後、真空焼鈍（８００℃、１時間）を施した板状片より、大きさ１０mm×１０mmを切り出して試験片とした。湿式研磨（エメリー紙＃１２００）を行った直後の試験片に０．１ mol／ＬのＨ2ＳＯ4水溶液（８０℃大気解放）中で定電流陰極電解を行って、吸収された水素量を測定した。このときの電流密度は−１mＡ／cm2、電解時間は２４０時間である。吸収された水素量は溶融法で測定した。冷間加工性と水素吸収性の評価結果を表１に併せて示す。
【００３５】
表１より、本発明に係るチタン合金に相当する成分を有する試料は、原料として用いたＪＩＳ１種の純Ｔｉである試料No. １に比して総じて優れた冷間加工性と耐水素吸収特性を示している。特にＡｌを１．０％以上含有し、不純物を所定量に規制した試料No. ９〜１１のチタン合金材では耐水素吸収性の改善が著しい。なお、表１の備考において、「実施例」は試料に係るチタン合金の成分が本発明に係るチタン合金の成分範囲内のものを、また「比較例」は同成分範囲外のものを意味する。後記する表２においても同様である。
【００３６】
【表１】
次に、各種チタン合金について、塩酸浸漬による耐水素吸収性の評価について説明する。
水素を吸収しやすく、腐食性の厳しい環境の代表として塩酸を取り上げて浸漬腐食試験を行った。上記と同様の方法で表２に示す各種チタン合金の試験片を作製した。ただし、本評価に用いた試験片には、真空焼鈍の後、さらに１ｖｏｌ％りん酸水溶液中で陽極酸化処理を施した。このときの印加電圧は１〜５０Ｖ、電解液温度は２０〜５０℃で適宜変化させて、バルク材の表面に酸化皮膜を形成し、その膜厚および結晶性を調整した。
酸化皮膜の厚さは前記の通りオージェ電子分光法で測定し、その結晶質部分の割合（結晶性）および結晶構造は電子線回折により求めた。
【００３８】
塩酸浸漬試験は、０．１ mol／Ｌ ＨＣｌ水溶液（沸騰）中において行い、浸漬時間は１０日間とした。浸漬試験前後の重量変化より腐食速度を求め、試験で吸収された水素量を溶融法で測定した。冷間加工性も定電流電解による耐水素吸収性評価の場合と同様に評価した。腐食速度はいずれの試料についても０．０１mm／ｙ以下であった。冷間加工性、酸化皮膜の膜厚等および吸収水素量の測定結果を表２に示す。
【００３９】
表２より、本発明に係るチタン合金に相当する成分を有する試料は、原料として用いたＪＩＳ１種の試料No. ２１の純Ｔｉと同等の冷間加工性および耐食性を有し、純Ｔｉよりも耐水素吸収特性に優れることがわかる。特に、Ａｌ含有量が１．０％以上で、酸化皮膜の膜厚が１．０ｎｍ以上で、結晶質が５０％以上の試料No. ３１〜３８のチタン合金材は、非常に優れた耐水素吸収性を示している。もっとも、No. ３９では、酸化皮膜はほぼ結晶質であるにもかかわらず、その厚さが１００ｎｍ超とであるため、耐水素吸収性が劣化している。
【００４０】
【表２】
次に、本発明の実施例に係るチタン合金材が鋼材と接触した状態での耐水素吸収性の評価について説明する。
上記と同様の方法で試験片を作成した。ただし、この試験に用いた試験片には、陽極酸化処理の後に大気酸化処理を施した。このときの酸化温度および処理時間を調整することにより、表面酸化皮膜の膜厚や結晶性、Ａｌ濃縮層のＡｌ量と厚さを調整した。
酸化皮膜の厚さおよび結晶性は、塩酸浸漬による耐水素吸収性評価の場合と同様にオージェ電子分光法および電子線回折により求めた。また、オージェ電子分光法により試験片の表面から深さ方向のＡｌ濃度分布を測定して、Ａｌ濃縮層の厚さおよび平均Ａｌ濃度を求めた。
【００４２】
板状片より大きさ３０mm×３０mmの試験片を採取し、その中心にφ５mmの穴をあけ、同形状の炭素鋼（ＪＩＳ ＳＰＣＣ）と張り合わせ、チタン製のボルトおよびナットで締め付けた状態で腐食溶液中に浸漬した。用いた溶液は３mass％のＮａＣｌ水溶液（沸騰）であり、浸漬時間は２ケ月間とした。試験後の吸収水素量は溶融法で測定した。測定結果を表３に併せて示す。なお、冷間加工性についても定電流電解あるいは塩酸浸漬による耐水素吸収性評価の場合と同様に評価したが、冷間加工時の耳割れはいずれの試料にも認められなかった。
【００４３】
表３より、Ａｌ濃縮層が形成された実施例No. ４６〜５９、特にその層厚が０．１０μm 以上のNo. ５０〜５９では酸化皮膜の結晶質の割合にかかわらず、極めて優れた耐水素吸収性を有することが確認された。
【００４４】
【表３】
【発明の効果】
本発明のチタン合金材は、所定成分のＴｉ−Ａ合金からなるバルク部の上に形成されたＡｌ濃縮層あるいはさらにその上に形成された酸化皮膜が高い水素拡散抵抗として作用するので、耐水素吸収性に優れる。さらに、純Ｔｉと同等の冷間加工性を有するので、各種形状への加工も容易である。耐食性も純Ｔｉと同等であるから、炭素鋼やステンレス鋼に比べて耐食性も良好である。従って、本発明のチタン合金材は、水素を吸収しやすく、腐食性の厳しい環境における構造部材の素材として好適である。具体的には、酸溶液、アンモニア、硫化水素ガス、水素ガス、炭酸ガスなどを用いる各種化学プラント、海水淡水化プラント、給水加熱器、復水器などの熱交換器管や各種配管などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係るＡｌ濃縮層および酸化皮膜を備えたチタン合金材の断面模式図である。
【図２】 Ｔｉ−Ａｌ２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間加工性に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１ バルク部
２ 酸化皮膜
３ Ａｌ濃縮層
Claims (6)
- 水素吸収環境下で用いられる構造部材の素材として用いられるチタン合金材であって、Ａｌ：０．５０〜３．０mass％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ−Ａｌ合金によって形成されたバルク部と、前記バルク部の上に一体的に形成されたＡｌ濃縮層を有し、
前記Ａｌ濃縮層はそのＡｌ濃度が前記バルク部のＡｌ濃度より０．３ mass ％以上高く、かつ０．８〜２５ mass ％である、耐水素吸収性に優れたチタン合金材。 - 前記Ｔｉ−Ａｌ合金は、不純物であるＦｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＮｂおよびＭｎがＦｅ：０．１５mass％以下、Ｍｏ：０．１０mass％未満、Ｎｉ：０．２０mass％未満、Ｎｂ：１．０mass％未満、Ｍｎ：１．０mass％未満に抑えられた請求項１に記載したチタン合金材。
- 前記Ａｌ濃縮層の上に酸化皮膜が被覆形成され、前記酸化皮膜の厚さが１．０〜１００ｎｍである、請求項１又は２に記載したチタン合金材。
- 前記酸化皮膜は、膜厚断面において面積率で５０％以上が結晶質酸化物で形成された請求項３に記載したチタン合金材。
- 前記Ａｌ濃縮層はその厚さが０．１０〜３０μmである請求項１から４のいずれか１項に記載したチタン合金材。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載されたチタン合金材であって、鉄鋼材と接触した状態で用いられるチタン合金材。
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