JP4666271B2 - チタン板 - Google Patents

Description

本発明は、チタン板に関し、より詳しくは、加工性に優れたチタン板に関する。

従来、チタン合金や純チタンなどのチタン材料は、通常、鉄やその合金などの鉄系金属材料に比べて軽量で強度が高いことからスポーツ・レジャー用具、医療器具、各種プラント用部材、航空・宇宙関係機器などに広く用いられている。
また、耐食性などにも優れることから例えば、プレート熱交換器のプレート材や、自動二輪車のマフラー部材などにも用いられたりしている。
このような製品を製造する場合には、例えば、チタン材料によって形成された板（チタン板）に、折り曲げ加工、絞り加工などといった塑性変形を伴う種々の加工が施されたりしている。
したがって、このような各種の用途に供すべく、チタン板には、絞り加工などの成形加工における加工性に優れたものが求められている。

しかし、最近では、材料コストの低減などからチタン板の薄肉化が求められる結果、強度の向上が求められるようになってきている。
すなわち、成形性と強度とのトレードオフの関係にある特性を同時に満足させることが求められるようになってきている。

このチタン板などの原料となるスポンジチタンは、クロール法によって作製されており、例えば、純チタンは、クロール法により得られたスポンジチタンをアーク溶解させるなどしてインゴットを得る方法により作製されている。
ＪＩＳにおいては、チタン材料が、チタン以外の鉄や酸素の含有量によって種類分けされておりＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種、ＪＩＳ４種などが規定されている。
これらの材料特性としては、鉄などの含有量が少ないＪＩＳ１種が最も低強度であり成形性に優れている。
そして、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種となるにしたがって高強度となることが知られている。
しかし一方で、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種となるにしたがって成形性が低下し、これらからなるチタン板に絞り加工などを加えることは容易ではない。

このことに対し、下記特許文献１〜３には、鉄などのチタン以外の成分の含有量を所定以下の範囲に制御することで成形性が向上されることが記載されている。
しかし、これらの特許文献に記載のものは、十分な強度を期待し得るものではない。
また、前記クロール法における還元反応は、通常、炭素鋼あるいは鉄合金容器内で非連続的に（バッチ式で）実施されることから、得られるスポンジチタンのうち、容器側に近い部位のスポンジチタンには、容器中心部に近い部位のスポンジチタンよりも鉄が多く含有されている。
そのため、鉄の含有量を例えば、特許文献３のように０．０３５％〜０．１００％の範囲に限定させると容器中心部のチタンを用いなければならず、使用材料が限られてしまう上にコスト高となるおそれがある。

なお、下記特許文献４、５では、特許文献１〜３記載の発明に比べてより多くの鉄の含有を許容するものではあるが、十分な成形性を有しているとはいえないものである。

特開昭６３−６０２４７号公報 特開平９−３５７３号公報 特開２００６−３１６３２３号公報 特開２００８−１２７６３３号公報 特開２００２−１８０１６６号公報

本発明は、高強度であり、しかも、加工性に優れたチタン板の提供を課題としている。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、鉄および酸素を所定の含有量とするとともに結晶粒が所定の状態となるようにチタン板を形成させることにより、高強度且つ加工性に優れたチタン板を形成させ得ることを見出し本発明の完成に至ったのである。

すなわち、前記課題を解決するためのチタン板にかかる本発明は、質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．１０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、残部がチタンおよび不可避不純物からなり、α相とβ相との二相組織が形成され、前記β相の円相当平均粒径が３μｍ以下となるように形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、高強度であり、しかも、加工性に優れたチタン板を提供し得る。

実施例７のチタン板のミクロ組織を示す顕微鏡写真。 β相の円相当平均粒径とエリクセン値との関係を示すグラフ。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
本実施形態におけるチタン板は、質量で、鉄（Ｆｅ）の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素（Ｏ）の含有量が０．００５％を超え０．１０％未満、炭素（Ｃ）の含有量が０．０１５％未満、窒素（Ｎ）の含有量が０．０１５％未満、水素（Ｈ）の含有量が０．０１５％未満であり、残部がチタン（Ｔｉ）および不可避不純物からなるチタン材料によって板状に形成されており、α相とβ相との二相組織が形成され、前記β相の円相当平均粒径が３μｍ以下となるように形成されている。

上記のように前記鉄（Ｆｅ）は、チタン材料中に、質量で０．１０％を超え０．６０％未満の含有量で含有される。
チタン材料において、Ｆｅは、β安定化元素であり、一部は固溶するものの多くは、β相を形成させて、さらに、熱処理などによりＴｉＦｅとして存在し、結晶粒の成長を阻害することが知られており、そのため従来は、チタン材料中のＦｅ含有量を増大させるとチタン板に形成されるα相の結晶粒径が小さくなり、チタン材料の強度や研磨加工の加工性を向上させ得るもののエリクセン値などの延性（成形加工性）を示す指標が低下すると考えられていた。

しかしながら、後述するように、チタン材料中のＦｅ含有量を増大させても、チタン材料中のＯ含有量を所定の値としつつ、β相の調整を実施することにより、得られるチタン板の延性の低下を抑制しつつ強度の向上を図ることができる。

本実施形態のチタン板の形成に用いられるチタン材料におけるＦｅ含有量が質量で０．１０％を超え０．６０％未満とされているのは、Ｆｅ含有量が０．１０％以下の場合においては、形成されるチタン板に十分な強度を付与することができなくなるおそれを有するためである。
一方、０．６０％以上の含有量とすると、チタン材料中のＯ含有量を所定の値としても延性の低下が生じてしまいチタン板の成形加工性を低下させてしまうおそれを有する。

なお、クロール法においては、通常、０．６０％以上の鉄含有量を示すチタン材料は、容器の近くの僅かな領域にしか形成されない。
したがって、本実施形態におけるチタン板は、その成分として鉄の含有量の上限値が０．６０質量％とされていることで、クロール法によるスポンジチタンの殆どの材料が利用可能であり、使用材料に殆ど制約が加えられないという点において成形品の形成に用いられる消費材として好適であるといえる。

前記酸素（Ｏ）は、チタン材料中に、質量で０．００５％を超え０．１０％未満の含有量で含まれる。
本実施形態のチタン板を形成しているチタン材料中のＯ含有量が質量で０．００５％を超え０．１０％未満とされているのは、Ｏ含有量が０．１０％以上になると、強度が向上し過ぎるあまりにβ相の調整による成形加工性の付与が十分なものとならないおそれを有するためである。

また、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）は、成形加工における良好なる加工性を確保する目的からＪＩＳ ２種に相当する含有量以下とされる必要がある。
より具体的には、Ｃ、Ｎ、Ｈの含有量は、それぞれ、質量で０．０１５％未満とされる必要がある。
さらに、好ましくは、Ｃの含有量を０．０１％以下、Ｎの含有量を０．０１％以下、Ｈの含有量を０．０１％以下とすることが好ましい。
チタン板の加工性の観点からは、上記Ｃ、Ｎ、Ｈの含有量に下限を定めるものではないが、これらの含有量を極端に低下させようとするとチタン板の製造コストを大幅に増大させるおそれがある。
このコストアップ抑制の観点からは、Ｃ含有量を０．０００５％以上、Ｎの含有量を０．０００５％以上、Ｈの含有量を０．０００５％以上とすることが好ましい。

従来、成形加工における良好なる加工性が求められるチタン板は、ＪＩＳ１種やＪＩＳ２種に相当するチタン材料が使用され、これらは鉄含有量が少ないため、通常、α単相である。
このα粒径が大きいほど成形性に優れることから本実施形態におけるチタン板は、α＋βの二相組織を有しながらもβ相の円相当平均粒径が３μｍ以下となっていることが重要であり、このような組織となるようにチタン板を形成することでエリクセン値など加工性を示す指標を向上させうる。

β相の円相当平均粒径が３μｍを超えると、エリクセン値が、例えば、１０ｍｍ未満に低下するなどして加工性を低下させるおそれを有する。
これは粗大化したβ相とα相の境界で応力集中による割れが発生しやすくなり、チタン板の加工性を低下させることになるためである。
β相の円相当平均粒径の下限は特に定めるものではないが、０．０５μｍ未満となるチタン板を得るにはその製造コストを大幅に増大させるおそれがあるため、０．０５μｍ以上とされることが好ましい。
なお、このβ相の円相当平均粒径については、実施例記載の方法によって求めることができる。

なお、これらの知見は、本願発明者らによって以下のような方法によって見出されたものである。
すなわち、小型真空アーク溶解炉にて鉄含有量の異なる複数種類のチタン材料を用いて、焼鈍条件を変えつつ、０．５ｍｍ厚の冷延板を試作し、得られた冷延板（チタン板）の成形性をエリクセン試験によって評価した（詳細は実施例に示す）。
そして、例えば、焼鈍時間を長くすると、β相の粒径が増大し、β相の粒径が大きいほどエリクセン値が減少することを見出した。
そして、組織や破面を詳細に調査したところ粗大なβ粒とα相の界面に割れが発見されたため、焼鈍条件を変えてβ相の粒径を小さくしたところエリクセン値が増大し成形性が改良されることが判明した。
特に、β相の円相当平均粒径が３μｍを境として、それ以下であれば加工性に優れた高強度チタン板が得られることを見出した。

この知見を得る過程の説明で示したようにβ相の粒径の大きさについては、チタン材における鉄含有量と、チタン板製造時における仕上げ焼鈍温度及び仕上げ焼鈍時間などによって調整することができる。

以下に、チタン板製造方法におけるこれらの条件について説明する。
チタン板製造時の仕上げ焼鈍温度、仕上げ焼鈍時間の各条件において、仕上げ焼鈍温度を低くすることでβ粒の成長を抑制させて結晶粒径を小さくすることができる。
さらに、仕上げ焼鈍時間を短くすることで結晶粒の成長を抑制させて結晶粒径を小さくすることができる。

より具体的には、仕上げ焼鈍温度を５５０℃未満とすると、冷間圧延後の加工組織が再結晶化せず、成形性が低下するおそれが有り、一方で８００℃を超えるような温度にするとチタン中の鉄の拡散が速くなりβ相の結晶粒が粗大化されるおそれを有する。
このようなことから、仕上げ焼鈍温度は、５５０℃以上８００℃以下の内のいずれかの温度とされることが好ましい。

また、仕上げ焼鈍時間は、上記仕上げ焼鈍温度や、チタン板の板厚、焼鈍炉の容量等によって決定される。
すなわち、仕上げ焼鈍温度が６５０℃以上８００℃度以下の場合においては、仕上げ焼鈍時間は０分を超え、１５分以下であることが好ましい。
なお、チタン板の温度が前記仕上げ焼鈍温度に到達直後に仕上げ焼鈍を完了する場合であっても加熱中に組織が再結晶化を生じることから仕上げ焼鈍時間が０分を少しでも超えれば成形性を低下させるおそれは低い。
一方で、仕上げ焼鈍時間の上限値が前記仕上げ焼鈍温度おいて１５分とされているのは、１５分を超えて仕上げ焼鈍を実施するとβ相の結晶粒が粗大化してチタン板の加工性を低下させるおそれを有するためである。

なお、仕上げ焼鈍温度が５５０℃以上６５０℃未満では、焼鈍時間をｔ（分）、焼鈍温度をＴ（℃）としたときに、下記式（１）を満足させるように仕上げ焼鈍を実施することが好ましい。

このような温度範囲においては、再結晶は進行するがその速度が遅いため、再結晶化に要する時間がある程度必要となる。
そして、上記式（１）を満足させる条件を選択することにより再結晶による成形性の向上を図ることができる。

ただし、仕上げ焼鈍温度が、６３０℃を超え６５０℃未満の場合に、長時間の焼鈍を実施するとβ相の結晶粒が粗大化してチタン板の加工性を低下させるおそれがある。
そのため、この温度域では、下記式（２）を満足させるように仕上げ焼鈍を実施することが好ましい。

また、仕上げ焼鈍温度が、５５０〜６３０℃の間においては、焼鈍時間は３００分以下とすることが好ましい。
このような条件を選択することで、チタン板に形成される組織におけるβ相の粗大化を抑制させることができ、良好な加工性がチタン板に付与されうる。
なお、この温度範囲で、３００分を超える仕上げ焼鈍時間を設けるとβ相の結晶粒が粗大化してチタン板の加工性を低下させるおそれを有する。

以上に示したようなチタン材料の成分構成ならびにチタン板の製造条件を採用することによって、チタン板中のβ相の粒径を所定以下に調整することができ、強度と加工性に優れたチタン板を得ることができる。

なお、ここでは詳述しないが、従来のチタン板ならびにチタン板製造方法において公知の事項を、本発明の効果を著しく損ねない範囲において、本実施形態のチタン板ならびにチタン板製造方法に採用することが可能である。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１〜２２、比較例１〜３）
（テストピースの作製）
小型真空アーク溶解によって鋳塊（φ１４０ｍｍ）を作製し、該鋳塊を１１５０℃に加熱後、鍛造して厚さ５０ｍｍのスラブを作製した。
該スラブを８５０℃で厚さ５ｍｍまで熱延した後、７５０℃で焼鈍し、表面のスケールを切削して厚さ４ｍｍの板材を作製した。
さらにこの板材を冷延して厚さ０．５ｍｍの板状試料（チタン板）を作製した。
この厚さ０．５ｍｍのチタン板に対して、５５０〜８００℃の温度で、３００分以下の仕上げ焼鈍を真空雰囲気中で実施し結晶粒度の調整されたテストピースを作製した。

（成分測定）
表面のスケールが切削された厚さ４ｍｍの板材を用いて、チタン板に含有される鉄量と酸素量とを測定した。
鉄含有量は、ＪＩＳ Ｈ１６１４に準じて測定し、酸素含有量は、ＪＩＳ Ｈ１６２０に準じて測定した。

（引張強度測定）
また、上記のごとく結晶粒度が調整されたテストピース（チタン板）の引張強度をＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて測定をした。

（加工性評価）
また、上記のごとく結晶粒度が調整されたテストピース（チタン板）のエリクセン値をＪＩＳ Ｚ２２４７に準じて測定しチタン板の加工性を評価した。

（組織調査）
チタン板のミクロ組織を顕微鏡写真により観察した様子を図１（実施例７のミクロ組織）に示す。
この組織写真においては、β相が黒く写り、α相は白く写ることから、この写真を画像解析ソフトを用いて２値化処理してβ相の平均面積を求め、該平均面積と同じ面積を有する円の直径を計算により求めて円相当平均粒径とした。
以上の結果を、表1に示す。

この表1における実施例１〜４と比較例１とは鉄含有量、酸素含有量が同一であるが、焼鈍条件の違いによってβ相の円相当平均粒径が調整されたものであり、β相の円相当平均粒径が小さいほどエリクセン値が大きくなっている。
また、その他の実施例、比較例においても同様の傾向が見られ、この表１におけるβ相の円相当平均粒径とエリクセン値との関係を示した図２からも、本発明によれば高強度であり、しかも、加工性に優れたチタン板が提供され得ることがわかる。

Claims (1)

1. 質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．１０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、残部がチタンおよび不可避不純物からなり、α相とβ相との二相組織が形成され、前記β相の円相当平均粒径が３μｍ以下となるように形成されていることを特徴とするチタン板。