JP5021873B2 - 延性に優れたチタン板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、延性に優れたチタン板およびその製造方法に関する技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＩＳ Ｈ ４６００に規定されるチタン（Ｔｉ）は、耐食性に優れるものであり、かつ軽量でもあることから、熱交換器等の化学工業設備や、カメラボディー、時計、眼鏡、レジャー用品等の民生品にも用途が広がってきている。これらの製品は板から塑性加工して製造されるため、チタン板は強度・延性、成形性等の機械的性質に優れていることが要求される。
【０００３】
チタン板の延性を向上させる試みは、これまで種々なされ、検討されており、例えばＦｅ量、Ｏ量を或る量以下に抑制したり、結晶粒径を粗大化させたりすることにより延性の改善がなされてきている（例えば、特開平１０−３０１６０号公報参照）。一方、チタン板の要求特性として強度レベルもあり、Ｆｅ、Ｏは強度を増大させる目的で添加されているが、添加しすぎると延性が劣化し、所望の特性を満たし得なくなる。つまり、添加元素増大による強度向上と延性向上とが両立することは、現状の技術レベルでは難しかった。
【０００４】
また、成形性という観点では、上記強度・延性の特性の面内異方性も影響因子であり、従来のチタン板では圧延方向の特性と圧延垂直方向（圧延方向と垂直な方向、即ち、板幅方向）の特性との異方性が強く、例えば耐力は圧延方向の方が低いため、圧延方向の耐力レベルが要求特性を満たさない場合、予ひずみを加えることで耐力レベルを上げることがなされているが、その場合、予ひずみによって延性が劣化することによって成形性が劣化する問題があり、成形性の向上にも限界があった。さらに、成形部品によっては深絞り性も要求され、そのための深絞り性指標であるｒ値の向上に関しても従来の技術では不充分であった。
【０００５】
このような中で、延性向上の要求はますます厳しくなってきており、強度と延性とを高次のレベル（高水準）で両立させることが要求されるようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に着目してなされたものであって、その目的は、チタン板の強度を低下させることなく延性を向上させ、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るチタン板およびその製造方法は、請求項１，２記載のチタン板、請求項３，４記載のチタン板の製造方法としており、それは次のような構成としたものである。
【０００８】
即ち、請求項１記載のチタン板は、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする延性に優れたチタン板である。
【００１０】
請求項２記載のチタン板は、溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法が用いられて製造された請求項１記載の延性に優れたチタン板である。
【００１２】
請求項３記載のチタン板の製造方法は、ＶＡＲ法あるいはコールドクルーシブル誘導溶解法による溶解、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳＨ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とする延性に優れたチタン板の製造方法である。
【００１３】
請求項４記載のチタン板の製造方法は、前記溶解をするに際し、Ａｌ炭化物を溶湯中に添加する請求項３記載の延性に優れたチタン板の製造方法である。
【００１４】
ここで、ｐｐｍは、質量ｐｐｍ（質量比でのｐｐｍ）、即ち、質量百万分率であり、以下、単にｐｐｍと記載することもある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば次のような形態で実施する。
コールドクルーシブル誘導溶解法による溶解をし、この後、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材（鋳塊）を得る。次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍する。そうすると、本発明に係る延性に優れたチタン板が得られる。このとき、更にＡｌ：１００〜５０００ｐｐｍを含有するようにすると、深絞り性指標であるｒ値にも優れたチタン板が得られる。
【００１６】
かかる形態で本発明に係るチタン板の製造方法が実施され、そして本発明に係る延性に優れたチタン板が得られる。
【００１７】
本発明は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、得られた新規な知見に基づき完成されたものである。この詳細を以下説明する。
【００１８】
本発明者らは、前記目的を達成するために研究を重ねた結果、ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に相当するチタン板においてＣを５０〜８００ｐｐｍ添加することにより、特にチタン板の圧延垂直方向の延性を低下させることなく、圧延方向の強度・延性のレベルを向上させ、強度と延性とを高次のレベル（高水準）で両立させることができることを見出した。このメカニズムは明らかではないが、Ｃの効果についてこれまで調査された例はなく、ましてや上記の如き知見は従来得られておらず、新規な知見である。
【００１９】
Ｃの効果についてこれまで検討されてこなかった理由は、以下の通りである。従来、Ｔｉ（チタン）の溶解は消耗電極式アーク溶解法といわれる方法により行われている（例えば、日刊工業新聞社、「金属チタンとその応用」、草道英武 編集、ｐ.16 〜参照）。この消耗電極式アーク溶解法は、Ｔｉ溶解原料そのものを押し固めて断面の大きい大型の電極（消耗電極）を作り、水冷銅ルツボにつり下げ、先端で銅ルツボ中の溶湯との間に直流アークを発生させ、電極それ自体が溶け落ちて溶湯プールを作り、溶滴が集まった溶湯プールは下側から冷却されて凝固し、一方向凝固に近い方式で鋳塊を製造する方法である。この方法では、スポンジチタンを合金原料と共にプレス成形してブリケットとし、これを溶接して消耗電極とする。従って、消耗電極の場所毎に合金成分の量（濃度）が異なってくるため、その均質化が必要となるが、この方法では前述したように消耗電極全体を一度に溶融するのではなく、部分的に溶融した部分だけで再凝固するために合金成分の均質化は不充分になる。そこで、通常は初回溶解で得た鋳塊を消耗電極として再度溶解する二重溶解が行われている。しかし、数百ｐｐｍレベル以下のＣの均一分散化は、上記の如き溶解方法でも非常に困難であったため、Ｃ添加の発想自体がこれまでなく、Ｃ添加の効果については検討されてこなかった。
【００２０】
これに対して新しい溶解方法としてコールドクルーシブル誘導溶解法という方法が実用化されつつある（例えば、草道龍彦他、神戸製鋼技報、Vol.49、No.3、1999年、ｐ.13 〜14参照）。これは、真空誘導溶解法での耐火ルツボを、水冷銅製の多数のセグメントで構成されるルツボに置き換えた溶解方法である。この溶解方法では、消耗電極式アーク溶解法と異なり、溶解原料全てを一括溶融する方式であるため、消耗電極式アーク溶解法の場合のような不均質化が起こり難く、また、溶湯成分の調整が容易となるため、微量添加元素の調整が可能となり、その均一分散化が可能となる。
【００２１】
そこで、コールドクルーシブル誘導溶解法によりＣを添加した組成のチタン材を製造し、これを用いてチタン板を製造した。その結果、Ｃの添加量が数百〜数十ｐｐｍレベルの如く微量であっても、数ｐｐｍの如く極微量であっても、Ｃの均一分散化が可能であることが確認されると共に、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍの添加により、特にチタン板の圧延垂直方向の延性を低下させることなく、圧延方向の強度・延性のレベルを向上させ、強度と延性とを高次のレベルで両立させることができることがわかった。
【００２２】
さらに、従来はＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に相当するチタン板においてＡｌを添加することは延性を劣化させるものであり好ましくないとの考え方が一般的であったのであるが、本発明者らの更なる研究および検討により、ＣとＡｌを微量に複合添加することによって深絞り性指標のｒ値が向上することが明らかになった。このメカニズムは現在のところ明らかではないが、ＣとＡｌの複合添加の効果についてはこれまで調査された例はなく、ましてや上記の如き知見は従来得られておらず、新規な知見である。また、このようなＡｌとＣの複合添加に際し、これをAl4C3 等のＡｌ炭化物の形で添加することで、添加量を増大しても、溶解時の不均質化を低減させることができることも見出した。従って、Ａｌ炭化物の形でＡｌとＣを複合添加添加すれば、通常の量産方法であるＶＡＲ法でも添加が容易となることがわかった。
【００２３】
本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、本発明に係るチタン板は、前述のように、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍを含有する。従って、本発明のチタン板は、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板であることとなる。
【００２４】
また、本発明に係るチタン板は、前述の如く、更にＡｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有する。即ち、このチタン板は、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするものである。従って、このチタン板は、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えると共に、深絞り性指標のｒ値が向上して優れたチタン板であることとなる。
【００２５】
ここで、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍとしているのは、Ｃ：５０質量ｐｐｍ未満の場合にはチタン板の圧延方向の延性向上の効果が小さくて不充分であり、Ｃ：８００質量ｐｐｍ超の場合にはチタン板の強度が上昇しすぎて延性が劣化して不充分となるからである。尚、従来のチタン板の場合、一般的には３０質量ｐｐｍ以下のＣが不可避的に含まれているが、この程度のＣ量では延性を改善し得ない。
【００２６】
Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍとしているのは、Ａｌ：１００質量ｐｐｍ未満の場合にはｒ値の向上効果が小さくて不充分であり、Ａｌ：５０００質量ｐｐｍ超の場合にはチタン板の強度が上昇しすぎて延性が劣化し、成形性が劣化するからである。尚、通常ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定されるチタン板においては、Ａｌは積極的に添加される元素ではなく、何らかの形で混入したとしても大抵は検出限界以下の程度であった。
【００２７】
Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種に規定される量であることとは、Ｈ：０．０１３質量％以下，Ｏ：０．１５質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｆｅ：０．２０質量％以下であることである（但し、いずれの場合も０質量％を含む）。Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の２種に規定される量であることとは、Ｈ：０．０１３質量％以下，Ｏ：０．２０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｆｅ：０．２５質量％以下であることである（但し、いずれの場合も０質量％を含む）。
【００２８】
上記元素（Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ）の中、ＯもＦｅも強度を向上させる働きがあるが、これらはいずれも添加しすぎると強度が上昇しすぎて延性が劣化する。かかる点から、Ｏ，Ｆｅ量はＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量としており、このＯ，Ｆｅ量の範囲において前記Ｃ添加（Ｃ：５０〜８００ｐｐｍ）の効果は同等である。Ｈ及びＮは不可避的不純物に属する元素であり、チタン板の機械的性質等の特性を劣化させる働きがあるので、少ない方がよいが、ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であれば前記特性の劣化といった支障はないことから、かかるＨ，Ｎ量としている。
【００２９】
本発明に係るチタン板においてＣは極めて重要な添加元素であり、前記の如くＣ：５０〜８００ｐｐｍとしているが、Ｃ：１２０〜６００ｐｐｍとすることが望ましく、そうすると強度と延性とをより高次のレベルで兼ね備えることができる。更に、Ｃ：２５０〜５００ｐｐｍとすることは一層望ましく、強度と延性とをさらに高次のレベルで兼ね備えることができる。
【００３０】
本発明に係るチタン板は、歩留まり等の問題を考慮しなければ、従来の通常の製造プロセス（消耗電極式アーク溶解法による溶解、再溶解、鋳造、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、最終焼鈍）によっても製造することができる。即ち、従来の通常の製造プロセスにおいて、溶解時に適当量のＣを含有させて製造すれば、Ｃは均一には分散しないものの、得られるチタン板の部位を細かく分析すれば、チタン板はあたかも様々なＣ量を持ったチタン片の集合のようなものであり、場合によっては必要なＣ量範囲を有する箇所も存在しうる。このようなＣ量範囲を有する領域のものが使用可能な用途であれば、歩留まりはともかく、この領域からチタン板を切り出し、使用することが可能である。従って、このような場合も考えれば、本発明に係るチタン板を製造する際の条件や方法は特には定める必要はない。
【００３１】
しかしながら、Ｃの均一分散化を効率よく達成すると共に歩留まりを向上するためには、チタン板の製造の際の溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法を採用することが推奨される。コールドクルーシブル誘導溶解法によれば、前述の如くＣの添加量が微量であってもＣの均一分散化が可能であるからである。
【００３２】
このような点から、本発明に係るチタン板は溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法が用いられて製造されたものであることが望ましい。このチタン板はＣの均一分散化がなされ、機械的特性の均一性に優れている。
【００３３】
一方、本発明に係るチタン板の製造方法としては、溶解をコールドクルーシブル誘導溶解法により行う方式のものを採用することが望ましい。このような
製造方法として、より具体的には次のような製造方法を挙げることができる。即ち、その製造方法は、コールドクルーシブル誘導溶解法による溶解をした後、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とするものである。この製造方法によれば、Ｃの均一分散化がなされ、高度の歩留まりで、本発明に係るチタン板を得ることができる。
【００３４】
Ａｌも含有するチタン板の製造方法としては、ＶＡＲ法により行う方式のものも採用することができる。このような製造方法として、より具体的には次のような製造方法を挙げることができる。即ち、その製造方法は、ＶＡＲ法あるいはコールドクルーシブル誘導溶解法による溶解、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とするものである。
【００３５】
尚、ＡｌとＣの複合添加に際し、Ａｌ炭化物の形でＡｌとＣを複合添加すれば、通常の量産方法であるＶＡＲ法においても添加が容易となる。
【００３６】
このようなＡｌ炭化物の添加は、溶解の際にＡｌ炭化物を溶湯中に添加する方法により行うことができる。また、ＶＡＲ法により溶解をする場合には、その原料の電極中に予め混在させ、これをＶＡＲ溶解することによっても行うことが可能である。
【００３７】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例を以下説明する。尚、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
〔Ｃ含有チタン材に関する参考例及び比較例〕
原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解をし、溶湯温度を１７００℃程度に保持してからＣ粉末（カーボン粉末）を添加し、３０分間保持した後に鋳造してチタン材（チタン鋳塊）を得た。次に、このチタン材を９５０℃に加熱して４０．０ｍｍの厚さになるまで熱間鍛造をした後、８５０℃の温度にて厚さ４．０ｍｍになるように熱間圧延した。次に、熱間圧延後のものをスケールを除去してから、圧下率８６％の冷間圧延をし、この後、最終焼鈍して厚み：０．５ｍｍのチタン板を作製した。
【００３９】
このチタン板は、Ｆｅ，Ｏ，Ｃ量が表１に示す量であり、Ｈ量が０．０１３質量％以下，Ｎ量が０．０５質量％以下であり、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するものである。また、最終焼鈍後のものにおいて平均結晶粒径は８０μm であった。
【００４０】
このようにして得られたチタン板について、ＪＩＳ１３号Ｂ型試験片による引張り試験を行い、圧延方向及び圧延垂直方向の耐力及び全伸びを測定した。尚、一部（試験No.9）のものについては、予ひずみを付与した後、引張り試験を行った。
【００４１】
上記引張り試験の結果を表２に示す。本発明の参考例に係るチタン板（本発明参考材：表１および表２には本発明材と記載）は、同レベルの耐力を有する比較例に係るチタン板（比較材）に比べて伸びに優れていることがわかる。即ち、本発明参考材と比較材とを同レベルの耐力を有するもの同士で比較すると、本発明参考材は比較材に比べて伸びが大きく、延性に優れていることがわかる。従って、本発明参考材は、比較材に比べて伸び／耐力の値が大きく、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板であることがわかる。
【００４２】
〔Ｃ及びＡｌ含有チタン材に関する実施例及び比較例〕
Al4C3 というＡｌ炭化物の形でＡｌ及びＣを混合した原料をＶＡＲ法により溶解し、鋳造してチタン材（チタン鋳塊）を得た。次に、このチタン材を９５０℃に加熱して４０．０ｍｍの厚さになるまで熱間鍛造をした後、８５０℃の温度にて厚さ４．０ｍｍになるように熱間圧延した。次に、熱間圧延後のものをスケールを除去してから、圧下率８６％の冷間圧延をし、この後、最終焼鈍して厚み：０．５ｍｍのチタン板を作製した。
【００４３】
このチタン板は、Ｆｅ，Ｏ，Ｃ量、及び、Ａｌ量が表３に示す量であり、Ｈ量が０．０１３質量％以下，Ｎ量が０．０５質量％以下であり、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するものである。また、最終焼鈍後のものにおいて平均結晶粒径は７０μm であった。
【００４４】
このようにして得られたチタン板について、ＪＩＳ１３号Ｂ型試験片による引張り試験を行い、圧延方向及び圧延垂直方向の耐力および全伸びを測定した。また、圧延方向のｒ値の測定も行った。このｒ値の測定は、ひずみ１０％で測定した。
【００４５】
上記引張り試験の結果およびｒ値の測定結果を表４に示す。本発明の実施例に係るチタン板（本発明材）は、同レベルの耐力を有する比較例に係るチタン板（比較材）に比べてｒ値に優れていることがわかる。即ち、本発明材と比較材とを同レベルの耐力を有するもの同士で比較すると、本発明材は比較材に比べてｒ値が大きいことがわかる。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
【表３】
【００４９】
【表４】
【００５０】
本発明に係るチタン板は、伸び／耐力の値が大きく、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えており、このため、強度と延性とを高次のレベルで両立させることができると共に、深絞り性指標のｒ値が向上して、ひいては、成形性の向上がはかれ、また、これが使用される機器、部品等の品質・特性の向上がはかれ、更にはチタン板の新規用途開発に寄与し得るようにもなるという顕著な作用効果を奏する。
【００５１】
本発明に係るチタン板の製造方法は、上記の如き顕著な作用効果を奏するチタン板を、Ｃの均一分散化がなされ、高度の歩留まりで得ることができるようになるという顕著な作用効果を奏する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、延性に優れたチタン板およびその製造方法に関する技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＩＳ Ｈ ４６００に規定されるチタン（Ｔｉ）は、耐食性に優れるものであり、かつ軽量でもあることから、熱交換器等の化学工業設備や、カメラボディー、時計、眼鏡、レジャー用品等の民生品にも用途が広がってきている。これらの製品は板から塑性加工して製造されるため、チタン板は強度・延性、成形性等の機械的性質に優れていることが要求される。
【０００３】
チタン板の延性を向上させる試みは、これまで種々なされ、検討されており、例えばＦｅ量、Ｏ量を或る量以下に抑制したり、結晶粒径を粗大化させたりすることにより延性の改善がなされてきている（例えば、特開平１０−３０１６０号公報参照）。一方、チタン板の要求特性として強度レベルもあり、Ｆｅ、Ｏは強度を増大させる目的で添加されているが、添加しすぎると延性が劣化し、所望の特性を満たし得なくなる。つまり、添加元素増大による強度向上と延性向上とが両立することは、現状の技術レベルでは難しかった。
【０００４】
また、成形性という観点では、上記強度・延性の特性の面内異方性も影響因子であり、従来のチタン板では圧延方向の特性と圧延垂直方向（圧延方向と垂直な方向、即ち、板幅方向）の特性との異方性が強く、例えば耐力は圧延方向の方が低いため、圧延方向の耐力レベルが要求特性を満たさない場合、予ひずみを加えることで耐力レベルを上げることがなされているが、その場合、予ひずみによって延性が劣化することによって成形性が劣化する問題があり、成形性の向上にも限界があった。さらに、成形部品によっては深絞り性も要求され、そのための深絞り性指標であるｒ値の向上に関しても従来の技術では不充分であった。
【０００５】
このような中で、延性向上の要求はますます厳しくなってきており、強度と延性とを高次のレベル（高水準）で両立させることが要求されるようになってきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に着目してなされたものであって、その目的は、チタン板の強度を低下させることなく延性を向上させ、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るチタン板およびその製造方法は、請求項１，２記載のチタン板、請求項３，４記載のチタン板の製造方法としており、それは次のような構成としたものである。
【０００８】
即ち、請求項１記載のチタン板は、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする延性に優れたチタン板である。
【００１０】
請求項２記載のチタン板は、溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法が用いられて製造された請求項１記載の延性に優れたチタン板である。
【００１２】
請求項３記載のチタン板の製造方法は、ＶＡＲ法あるいはコールドクルーシブル誘導溶解法による溶解、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳＨ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とする延性に優れたチタン板の製造方法である。
【００１３】
請求項４記載のチタン板の製造方法は、前記溶解をするに際し、Ａｌ炭化物を溶湯中に添加する請求項３記載の延性に優れたチタン板の製造方法である。
【００１４】
ここで、ｐｐｍは、質量ｐｐｍ（質量比でのｐｐｍ）、即ち、質量百万分率であり、以下、単にｐｐｍと記載することもある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば次のような形態で実施する。
コールドクルーシブル誘導溶解法による溶解をし、この後、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材（鋳塊）を得る。次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍する。そうすると、本発明に係る延性に優れたチタン板が得られる。このとき、更にＡｌ：１００〜５０００ｐｐｍを含有するようにすると、深絞り性指標であるｒ値にも優れたチタン板が得られる。
【００１６】
かかる形態で本発明に係るチタン板の製造方法が実施され、そして本発明に係る延性に優れたチタン板が得られる。
【００１７】
本発明は、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、得られた新規な知見に基づき完成されたものである。この詳細を以下説明する。
【００１８】
本発明者らは、前記目的を達成するために研究を重ねた結果、ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に相当するチタン板においてＣを５０〜８００ｐｐｍ添加することにより、特にチタン板の圧延垂直方向の延性を低下させることなく、圧延方向の強度・延性のレベルを向上させ、強度と延性とを高次のレベル（高水準）で両立させることができることを見出した。このメカニズムは明らかではないが、Ｃの効果についてこれまで調査された例はなく、ましてや上記の如き知見は従来得られておらず、新規な知見である。
【００１９】
Ｃの効果についてこれまで検討されてこなかった理由は、以下の通りである。従来、Ｔｉ（チタン）の溶解は消耗電極式アーク溶解法といわれる方法により行われている（例えば、日刊工業新聞社、「金属チタンとその応用」、草道英武 編集、ｐ.16 〜参照）。この消耗電極式アーク溶解法は、Ｔｉ溶解原料そのものを押し固めて断面の大きい大型の電極（消耗電極）を作り、水冷銅ルツボにつり下げ、先端で銅ルツボ中の溶湯との間に直流アークを発生させ、電極それ自体が溶け落ちて溶湯プールを作り、溶滴が集まった溶湯プールは下側から冷却されて凝固し、一方向凝固に近い方式で鋳塊を製造する方法である。この方法では、スポンジチタンを合金原料と共にプレス成形してブリケットとし、これを溶接して消耗電極とする。従って、消耗電極の場所毎に合金成分の量（濃度）が異なってくるため、その均質化が必要となるが、この方法では前述したように消耗電極全体を一度に溶融するのではなく、部分的に溶融した部分だけで再凝固するために合金成分の均質化は不充分になる。そこで、通常は初回溶解で得た鋳塊を消耗電極として再度溶解する二重溶解が行われている。しかし、数百ｐｐｍレベル以下のＣの均一分散化は、上記の如き溶解方法でも非常に困難であったため、Ｃ添加の発想自体がこれまでなく、Ｃ添加の効果については検討されてこなかった。
【００２０】
これに対して新しい溶解方法としてコールドクルーシブル誘導溶解法という方法が実用化されつつある（例えば、草道龍彦他、神戸製鋼技報、Vol.49、No.3、1999年、ｐ.13 〜14参照）。これは、真空誘導溶解法での耐火ルツボを、水冷銅製の多数のセグメントで構成されるルツボに置き換えた溶解方法である。この溶解方法では、消耗電極式アーク溶解法と異なり、溶解原料全てを一括溶融する方式であるため、消耗電極式アーク溶解法の場合のような不均質化が起こり難く、また、溶湯成分の調整が容易となるため、微量添加元素の調整が可能となり、その均一分散化が可能となる。
【００２１】
そこで、コールドクルーシブル誘導溶解法によりＣを添加した組成のチタン材を製造し、これを用いてチタン板を製造した。その結果、Ｃの添加量が数百〜数十ｐｐｍレベルの如く微量であっても、数ｐｐｍの如く極微量であっても、Ｃの均一分散化が可能であることが確認されると共に、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍの添加により、特にチタン板の圧延垂直方向の延性を低下させることなく、圧延方向の強度・延性のレベルを向上させ、強度と延性とを高次のレベルで両立させることができることがわかった。
【００２２】
さらに、従来はＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に相当するチタン板においてＡｌを添加することは延性を劣化させるものであり好ましくないとの考え方が一般的であったのであるが、本発明者らの更なる研究および検討により、ＣとＡｌを微量に複合添加することによって深絞り性指標のｒ値が向上することが明らかになった。このメカニズムは現在のところ明らかではないが、ＣとＡｌの複合添加の効果についてはこれまで調査された例はなく、ましてや上記の如き知見は従来得られておらず、新規な知見である。また、このようなＡｌとＣの複合添加に際し、これをAl4C3 等のＡｌ炭化物の形で添加することで、添加量を増大しても、溶解時の不均質化を低減させることができることも見出した。従って、Ａｌ炭化物の形でＡｌとＣを複合添加添加すれば、通常の量産方法であるＶＡＲ法でも添加が容易となることがわかった。
【００２３】
本発明は、かかる知見に基づき完成されたものであり、本発明に係るチタン板は、前述のように、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍを含有する。従って、本発明のチタン板は、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板であることとなる。
【００２４】
また、本発明に係るチタン板は、前述の如く、更にＡｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有する。即ち、このチタン板は、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするものである。従って、このチタン板は、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えると共に、深絞り性指標のｒ値が向上して優れたチタン板であることとなる。
【００２５】
ここで、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍとしているのは、Ｃ：５０質量ｐｐｍ未満の場合にはチタン板の圧延方向の延性向上の効果が小さくて不充分であり、Ｃ：８００質量ｐｐｍ超の場合にはチタン板の強度が上昇しすぎて延性が劣化して不充分となるからである。尚、従来のチタン板の場合、一般的には３０質量ｐｐｍ以下のＣが不可避的に含まれているが、この程度のＣ量では延性を改善し得ない。
【００２６】
Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍとしているのは、Ａｌ：１００質量ｐｐｍ未満の場合にはｒ値の向上効果が小さくて不充分であり、Ａｌ：５０００質量ｐｐｍ超の場合にはチタン板の強度が上昇しすぎて延性が劣化し、成形性が劣化するからである。尚、通常ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定されるチタン板においては、Ａｌは積極的に添加される元素ではなく、何らかの形で混入したとしても大抵は検出限界以下の程度であった。
【００２７】
Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種に規定される量であることとは、Ｈ：０．０１３質量％以下，Ｏ：０．１５質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｆｅ：０．２０質量％以下であることである（但し、いずれの場合も０質量％を含む）。Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の２種に規定される量であることとは、Ｈ：０．０１３質量％以下，Ｏ：０．２０質量％以下，Ｎ：０．０５質量％以下，Ｆｅ：０．２５質量％以下であることである（但し、いずれの場合も０質量％を含む）。
【００２８】
上記元素（Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ）の中、ＯもＦｅも強度を向上させる働きがあるが、これらはいずれも添加しすぎると強度が上昇しすぎて延性が劣化する。かかる点から、Ｏ，Ｆｅ量はＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量としており、このＯ，Ｆｅ量の範囲において前記Ｃ添加（Ｃ：５０〜８００ｐｐｍ）の効果は同等である。Ｈ及びＮは不可避的不純物に属する元素であり、チタン板の機械的性質等の特性を劣化させる働きがあるので、少ない方がよいが、ＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であれば前記特性の劣化といった支障はないことから、かかるＨ，Ｎ量としている。
【００２９】
本発明に係るチタン板においてＣは極めて重要な添加元素であり、前記の如くＣ：５０〜８００ｐｐｍとしているが、Ｃ：１２０〜６００ｐｐｍとすることが望ましく、そうすると強度と延性とをより高次のレベルで兼ね備えることができる。更に、Ｃ：２５０〜５００ｐｐｍとすることは一層望ましく、強度と延性とをさらに高次のレベルで兼ね備えることができる。
【００３０】
本発明に係るチタン板は、歩留まり等の問題を考慮しなければ、従来の通常の製造プロセス（消耗電極式アーク溶解法による溶解、再溶解、鋳造、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、最終焼鈍）によっても製造することができる。即ち、従来の通常の製造プロセスにおいて、溶解時に適当量のＣを含有させて製造すれば、Ｃは均一には分散しないものの、得られるチタン板の部位を細かく分析すれば、チタン板はあたかも様々なＣ量を持ったチタン片の集合のようなものであり、場合によっては必要なＣ量範囲を有する箇所も存在しうる。このようなＣ量範囲を有する領域のものが使用可能な用途であれば、歩留まりはともかく、この領域からチタン板を切り出し、使用することが可能である。従って、このような場合も考えれば、本発明に係るチタン板を製造する際の条件や方法は特には定める必要はない。
【００３１】
しかしながら、Ｃの均一分散化を効率よく達成すると共に歩留まりを向上するためには、チタン板の製造の際の溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法を採用することが推奨される。コールドクルーシブル誘導溶解法によれば、前述の如くＣの添加量が微量であってもＣの均一分散化が可能であるからである。
【００３２】
このような点から、本発明に係るチタン板は溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法が用いられて製造されたものであることが望ましい。このチタン板はＣの均一分散化がなされ、機械的特性の均一性に優れている。
【００３３】
一方、本発明に係るチタン板の製造方法としては、溶解をコールドクルーシブル誘導溶解法により行う方式のものを採用することが望ましい。このような
製造方法として、より具体的には次のような製造方法を挙げることができる。即ち、その製造方法は、コールドクルーシブル誘導溶解法による溶解をした後、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とするものである。この製造方法によれば、Ｃの均一分散化がなされ、高度の歩留まりで、本発明に係るチタン板を得ることができる。
【００３４】
Ａｌも含有するチタン板の製造方法としては、ＶＡＲ法により行う方式のものも採用することができる。このような製造方法として、より具体的には次のような製造方法を挙げることができる。即ち、その製造方法は、ＶＡＲ法あるいはコールドクルーシブル誘導溶解法による溶解、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とするものである。
【００３５】
尚、ＡｌとＣの複合添加に際し、Ａｌ炭化物の形でＡｌとＣを複合添加すれば、通常の量産方法であるＶＡＲ法においても添加が容易となる。
【００３６】
このようなＡｌ炭化物の添加は、溶解の際にＡｌ炭化物を溶湯中に添加する方法により行うことができる。また、ＶＡＲ法により溶解をする場合には、その原料の電極中に予め混在させ、これをＶＡＲ溶解することによっても行うことが可能である。
【００３７】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例を以下説明する。尚、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
〔Ｃ含有チタン材に関する参考例及び比較例〕
原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解をし、溶湯温度を１７００℃程度に保持してからＣ粉末（カーボン粉末）を添加し、３０分間保持した後に鋳造してチタン材（チタン鋳塊）を得た。次に、このチタン材を９５０℃に加熱して４０．０ｍｍの厚さになるまで熱間鍛造をした後、８５０℃の温度にて厚さ４．０ｍｍになるように熱間圧延した。次に、熱間圧延後のものをスケールを除去してから、圧下率８６％の冷間圧延をし、この後、最終焼鈍して厚み：０．５ｍｍのチタン板を作製した。
【００３９】
このチタン板は、Ｆｅ，Ｏ，Ｃ量が表１に示す量であり、Ｈ量が０．０１３質量％以下，Ｎ量が０．０５質量％以下であり、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するものである。また、最終焼鈍後のものにおいて平均結晶粒径は８０μm であった。
【００４０】
このようにして得られたチタン板について、ＪＩＳ１３号Ｂ型試験片による引張り試験を行い、圧延方向及び圧延垂直方向の耐力及び全伸びを測定した。尚、一部（試験No.9）のものについては、予ひずみを付与した後、引張り試験を行った。
【００４１】
上記引張り試験の結果を表２に示す。本発明の参考例に係るチタン板（本発明参考材：表１および表２には本発明材と記載）は、同レベルの耐力を有する比較例に係るチタン板（比較材）に比べて伸びに優れていることがわかる。即ち、本発明参考材と比較材とを同レベルの耐力を有するもの同士で比較すると、本発明参考材は比較材に比べて伸びが大きく、延性に優れていることがわかる。従って、本発明参考材は、比較材に比べて伸び／耐力の値が大きく、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えたチタン板であることがわかる。
【００４２】
〔Ｃ及びＡｌ含有チタン材に関する実施例及び比較例〕
Al4C3 というＡｌ炭化物の形でＡｌ及びＣを混合した原料をＶＡＲ法により溶解し、鋳造してチタン材（チタン鋳塊）を得た。次に、このチタン材を９５０℃に加熱して４０．０ｍｍの厚さになるまで熱間鍛造をした後、８５０℃の温度にて厚さ４．０ｍｍになるように熱間圧延した。次に、熱間圧延後のものをスケールを除去してから、圧下率８６％の冷間圧延をし、この後、最終焼鈍して厚み：０．５ｍｍのチタン板を作製した。
【００４３】
このチタン板は、Ｆｅ，Ｏ，Ｃ量、及び、Ａｌ量が表３に示す量であり、Ｈ量が０．０１３質量％以下，Ｎ量が０．０５質量％以下であり、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するものである。また、最終焼鈍後のものにおいて平均結晶粒径は７０μm であった。
【００４４】
このようにして得られたチタン板について、ＪＩＳ１３号Ｂ型試験片による引張り試験を行い、圧延方向及び圧延垂直方向の耐力および全伸びを測定した。また、圧延方向のｒ値の測定も行った。このｒ値の測定は、ひずみ１０％で測定した。
【００４５】
上記引張り試験の結果およびｒ値の測定結果を表４に示す。本発明の実施例に係るチタン板（本発明材）は、同レベルの耐力を有する比較例に係るチタン板（比較材）に比べてｒ値に優れていることがわかる。即ち、本発明材と比較材とを同レベルの耐力を有するもの同士で比較すると、本発明材は比較材に比べてｒ値が大きいことがわかる。
【００４６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
本発明に係るチタン板は、伸び／耐力の値が大きく、強度と延性とを高次のレベルで兼ね備えており、このため、強度と延性とを高次のレベルで両立させることができると共に、深絞り性指標のｒ値が向上して、ひいては、成形性の向上がはかれ、また、これが使用される機器、部品等の品質・特性の向上がはかれ、更にはチタン板の新規用途開発に寄与し得るようにもなるという顕著な作用効果を奏する。
【００５１】
本発明に係るチタン板の製造方法は、上記の如き顕著な作用効果を奏するチタン板を、Ｃの均一分散化がなされ、高度の歩留まりで得ることができるようになるという顕著な作用効果を奏する。
Claims (4)
- Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする延性に優れたチタン板。
- 溶解法としてコールドクルーシブル誘導溶解法が用いられて製造された請求項１記載の延性に優れたチタン板。
- ＶＡＲ法あるいはコールドクルーシブル誘導溶解法による溶解、鋳造をすることにより、Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｆｅ量がＪＩＳ Ｈ ４６００の１種または２種に規定される量であり、Ｃ：５０〜８００質量ｐｐｍ、Ａｌ：１００〜５０００質量ｐｐｍを含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなる組成を有するチタン材を得、次に、このチタン材を熱間加工および／または冷間加工を施して板形状に加工し、この後、最終焼鈍することを特徴とする延性に優れたチタン板の製造方法。
- 前記溶解をするに際し、Ａｌ炭化物を溶湯中に添加する請求項３記載の延性に優れたチタン板の製造方法。
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