JP5476175B2 - 高強度で強度安定性に優れたチタンコイル - Google Patents

Description

本発明は、高強度であり、且つ、強度安定性に優れたチタンコイルに関するものである。

チタンは、軽量、高強度、高耐食性に加え、溶接性、超塑性、拡散接合性などの利用加工諸特性を有することから、航空機産業、眼鏡や時計などの装身具を中心に多用されてきた。これらの特性を更に活用すべく、近年では、ゴルフ用品をはじめとしたスポーツ用品などにも用いられるようになってきており、更には、自動車部品、土木建築用素材、各種工具類などの民生品分野や、深海やエネルギー開発用途などへの適用拡大も進んでいる。

しかしながら、酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を比較的多く含む高強度低廉チタンは、ＯとＮがその溶解・鋳造時に、インゴットのボトム側に偏析（マクロ偏析）するという傾向がある。その偏析に起因して、そのインゴットが冷間圧延等によって圧延コイルに加工された際には、コイルのトップ側とテール側で機械的特性に大きなバラツキを生じることとなる。

すなわち、溶解・鋳造したインゴットの、前記コイルのトップ側に相当するトップ側は低強度高延性になり、逆に前記コイルのテール側に相当するボトム側では高強度低延性になる。従って、コイルの強度を確保するためには、インゴットのトップ側のＯとＮの濃度を適正な成分濃度とすることで対処する必要があるといえるが、そのように対処すると、逆にインゴットのボトム側でＯとＮの濃度が高くなりすぎ、ボトム側で強度が過剰になりすぎると共に、後で様々な成形加工を施す上での加工性が劣化するという問題が発生してしまう。また、冷間圧延等によって加工する同一コイル内でＯとＮの濃度のバラツキが発生してしまうため、そのコイルから製造する各種部材の製品特性も安定しないという課題があった。

以上のような課題もあり、トップ側とテール側で強度差が小さく、高強度で強度安定性に優れたチタンコイルが開発されることが待ち望まれていた。

近年、高強度チタンに関しては様々な技術が提案されているが、その代表的な技術として特許文献１〜５に記載されたような先行技術を挙げることができる。

特許文献１記載の技術は、圧延コイルのＯとＦｅの偏析を抑制して均一な機械的性質、且つ成形性を得ようという技術である。この技術を採用することで、コイルのトップ側とテール側（インゴットのトップ側とボトム側）の強度のバラツキを抑制することができており、当時の技術では最高度の技術ではあるということができるものの、まだ十分には強度のバラツキを抑制できているとはいえず、特に強度が高い場合には、強度のバラツキを抑制しきれてはいない。

特許文献２には、Ｏを０．２〜０．８％、Ｃを０．０１〜０．１５％、Ｎを０．０１〜０．０７％およびＦｅを０．３〜１．０％含有し、残部が実質上Ｔｉからなる合金組織を有し、引張強さが７５０ＭＰａ以上の高強度低合金チタン合金が開示されている。

また、特許文献３には、質量％で、Ｆｅ：０．２０〜０．８％およびＯ：０．２０〜０．６％を夫々含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物である高強度チタン合金が開示されている。

また、特許文献４には、質量％で、Ｆｅ：０．２〜１．０％、Ｏ：０．１５〜０．６０％およびＳｉ：０．２０〜１．０を夫々含み、残部がＴｉおよび不可避的不純物である高強度チタン合金が開示されている。

更には、特許文献５には、Ｏ、ＮおよびＦｅを含有し、残部が実質的にＴｉから成り、Ｆｅ：０．９〜２．３重量％、Ｎ：０．０５重量％以下であり、Ｑ＝［Ｏ］＋２．７７［Ｎ］＋０．１［Ｆｅ］で定義される酸素等価量値Ｑが０．３４〜１．００で、引張強さ７００ＭＰａ以上、伸び１５％以上の高強度・高延性チタン合金が開示されており、更にＣｒ、Ｎｉを含有させても良いことが記載されている。

特開２００４−３１５９１２号公報 特開２００４−２６９９８２号公報 特開平１０−１７９６２号公報 特許第３３７６２４０号公報 特許第３４２６６０５号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、トップ側とテール側で強度差が小さく、高強度で強度安定性に優れたチタンコイルを提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、質量％で、Ｏを０．０８〜０．４０％、Ｃを０．１〜０．４％、Ｎを０．００１〜０．０２％、Ｓｉを０．４％以下（０％を含まない）、Ｆｅを０．１〜２．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であって、前記Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）が、０．３以上であることを特徴とする高強度で強度安定性に優れたチタンコイルである。

請求項２記載の発明は、更に、前記Ｏ及びＦｅの含有量（質量％）から求めたＯ×Ｆｅが、０．０８以上であると共に、ＯとＦｅ含有量（質量％）の関係が、０．０８×Ｆｅ≦Ｏ≦Ｆｅを満たすことを特徴とする請求項１記載の高強度で強度安定性に優れたチタンコイルである。

本発明によると、そのトップ側とテール側で強度差が小さく、且つ高強度なチタンコイルを得ることができる。また、本発明のチタンコイルは高強度高延性で、更には強度のバラツキも小さいため、眼鏡や時計などの装身具、ゴルフクラブのヘッド、耐弾板、高張力ボルト、バルブリテーナーなどの各種自動車部品等の用途に広く適用することができる。

実施例の引張試験で用いたＪＩＳＺ２２０１に規定される１３号試験片を示す正面図である。

従来から知られている高強度チタンは、高強度且つ高延性という基本的な機械的特性は備えるものの、コイルに加工した際に、そのトップ側とテール側で強度差が大きくなるという問題があったため、本発明者らは、高強度且つ高延性という基本的な機械的特性を備えた上で、トップ側とテール側で強度のバラツキがない強度安定性に優れたチタンコイルを得るために、鋭意、実験、研究を進めた。

その結果、Ｏ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ及びＦｅの含有量を適正範囲に規定した上で、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスを適正な比率とすることで、高強度且つ高延性という基本的な機械的特性を備えた上で、トップ側とテール側で強度のバラツキがない強度安定性に優れたチタンコイルを得ることができることを見出し、本発明の完成に至った。

また、これに併せＯとＦｅの含有量（質量％）の成分濃度バランスを適正な範囲とすることで、コイルのトップ側とテール側で強度のバラツキをより一層抑制できることも見出した。

以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。

本発明では、チタンコイルの成分組成、並びに、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスを規定するが、以下にその理由を説明する。

（成分組成）
一般に純チタンコイルは、不純物元素としてＯ、Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｓｉ、Ｆｅ等を微量に含有するが、本発明ではその中でも比較的含有量が多いＯ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｆｅの含有量を規定した。尚、以下の説明において％で示す含有量は、全て質量％を示す。

Ｏ：０．０８〜０．４０％
Ｏは、チタンコイルの強度を大きく向上させるために有効な必須元素であるが、その含有量が０．０８％未満であれば、本発明の高強度チタンコイルが必要とする強度レベルを得ることができなくなる。一方、Ｏの含有量が０．４０％を超える場合は強度が更に向上するものの、強度のバラツキが著しく大きくなってしまうという問題を生じる。従って、Ｏの含有量は０．０８〜０．４０％とする。尚、より好ましいＯの含有量の下限は０．１０％、より好ましいＯの含有量の上限は０．３５％である。

Ｆｅ：０．１〜２．０％
Ｆｅも、チタンコイルの強度の向上に寄与する有効な元素であるが、その作用を発揮させるためには少なくとも０．１％は含有させる必要がある。一方、Ｆｅを添加することで、その含有量が２．０％を超えて多くなると、Ｆｅの添加に伴って生成するβ相が粗大になり、強度の向上よりも、延性の低下の度合いが大きくなり、また、強度のバラツキも大きくなってしまう。従って、Ｆｅの含有量は０．１〜２．０％とする。尚、より好ましいＦｅの含有量の下限は０．１５％、より好ましいＦｅの含有量の上限は１．７％である。

Ｃ：０．１〜０．４％
Ｃは、チタンコイルの冷間加工性を大きく低下させることなく、その強度を上げることができる元素である。また、Ｃの偏析はＯ、Ｎと比較して小さく、それらに代替して添加することで、強度のバラツキを抑制しつつ高強度チタンコイルとすることができる。ＪＩＳ、ＡＳＴＭ、ＡＭＳ等の規格で規定されている純チタンではその含有量の上限は０．０８％程度であるが、本発明では上記作用を発揮させるために更に積極的に添加する。それらの作用を発揮させるためには、Ｃの含有量は少なくとも０．１％とする必要がある。一方、その含有量が０．４％を超えて多くなるとＣの添加量の増加に伴って生成するＴｉＣが粗大化し、強度の向上よりも、延性の低下の度合いが大きくなってしまう。従って、Ｃの含有量は０．１〜０．４％とする。尚、より好ましいＣの含有量の下限は０．１２％、より好ましいＣの含有量の上限は０．３５％である。尚、ＣはＴｉＣ粉末で添加することができるため、歩留まりも高く、その成分調整も容易である。

Ｎ：０．００１〜０．０２％
Ｎは、チタンコイルの強度向上に顕著に作用する元素であるが、その含有量が多くなると延性が著しく低下し、冷延性を大きく阻害させるという作用も発現させてしまい、また、強度のバラツキも大きくなってしまう。そのため、本発明ではその含有量を極力少なくするが、あまりその含有量を少なくするとコストアップにつながってしまう。従って、Ｎの含有量は０．００１〜０．０２％の範囲とした。尚、より好ましいＮの含有量の下限は０．００２％、より好ましいＮの含有量の上限は０．０１％である。

Ｓｉ：０．４％以下（０％を含まない）
Ｓｉは比較的安価な元素であり、チタンコイルの耐熱性（耐酸化性、高温強度）を向上させ、また、ミクロ組織の微細化にも寄与する元素である。更には、Ｓｉの添加によってＯの偏析が低減するという作用も奏する。それらの作用は、極微量の添加であっても発現させることができるが、０．４％を超えて添加した場合には強度のバラツキが大きくなる可能性がある。従って、Ｓｉの含有量は０．４％以下（０％を含まない）とした。尚、より好ましいＳｉの含有量の下限は０．００２％、より好ましいＳｉの含有量の上限は０．３５％である。

（Ｃ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランス）
トップ側とテール側で強度のバラツキがない高強度で強度安定性に優れたチタンコイルを得るためには、以上説明した成分組成を満足させた上で、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスを規定することが最も有効となる。ＯとＮは微量の添加で顕著に強度を向上させる作用を発揮するが、一方で、チタンコイルのトップ側とテール側の強度差を増大させ、更には延性を低下させるという問題を発現させてしまう。しかしながら、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）を、０．３以上とすれば、トップ側とテール側で強度のバラツキがない高強度で強度安定性に優れたチタンコイルとすることができる。Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）は、より好ましくは０．５以上、更に好ましくは０．８以上とすることが推奨される。

Ｃのマクロ偏析は、Ｏ、Ｎのマクロ偏析と比較して小さい。また、Ｏ、Ｎは凝固時に液相側に濃化するのに対して、Ｃは僅かではあるが固相側に濃化する傾向がある。従って、Ｏ、Ｎに代替してＣを添加することで、強度のバラツキを抑制した上で、高強度化することができる。また、ＳｉはＯ、Ｎの偏析を緩和する作用がある。これらＣおよびＳｉの作用は、コイルのみならず、鍛造材、棒材、線材などの場合にも有効である。

以上の成分組成と、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスを満足させることで、トップ側とテール側で強度のバラツキがない高強度で強度安定性に優れたチタンコイルとすることができるが、更に、これに併せ、ＯとＦｅの含有量（質量％）の成分濃度バランスを適正な範囲とすることで、チタンコイルのトップ側とテール側での強度のバラツキをより一層抑制することができる。

（ＯとＦｅの含有量の成分濃度バランス）
前記した元素のうちでも比較的含有量が多いＯとＦｅの含有量の成分濃度バランスを調整することで、チタンコイルのトップ側とテール側で強度のバラツキをより一層抑制できるが、その条件は、Ｏ及びＦｅの含有量（質量％）から求めたＯ×Ｆｅが、０．０８以上となるように調整すると共に、ＯとＦｅ含有量（質量％）の関係が、０．０８×Ｆｅ≦Ｏ≦Ｆｅを満たすように調整することである。

（製造方法）
次に、本発明のチタンコイルの製造方法について説明するが、本発明のチタンコイルは、通常のチタンコイルと同様に、分塊圧延→熱間圧延→中間焼鈍→冷間圧延（→中間焼鈍→冷間圧延）→最終焼鈍といった各工程間に、随時ブラスト、酸洗処理を入れること等によって製造することが可能で、特に特殊な方法を用いることなく製造することができる。尚、前記工程の説明で、括弧書きの（→中間焼鈍→冷間圧延）という工程は必ずしも必要ではないが、製造するチタンコイルの大きさ、強度の違いにより適宜回数繰り返して行う。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

ＪＩＳ２種の純チタン板材を溶解原料とし、所定の添加元素を添加することで、真空アーク溶解炉により表１に示す各成分組成のチタンインゴット（径４８０ｍｍ×長さ１０００ｍｍ）を鋳造した。溶解原料のＪＩＳ２種の純チタン板材は、厚さ３．１ｍｍの冷延・真空焼鈍材を用い、シャー切断後、その表面を有機溶剤で脱脂・洗浄し、酸洗したものを用いた。また、添加元素のうち、ＯはＦｅ_２Ｏ_３で添加し、不足する場合はＴｉＯ_２で補った。また、Ｆｅは電解鉄で、ＣはＴｉＣ粉末で、Ｓｉは９９．９質量％以上の高濃度のシリコンウエハーを用いることで、夫々添加した。尚、溶解条件は、より大きな（５〜８トン相当）インゴットの偏析を模擬するために、通常より溶解電流値を高くした。

次いで、このチタン鋳塊を用いて、約１０００℃の加熱温度で分塊鍛造を行い、厚さ２００ｍｍ×幅８００ｍｍ×長さ１０００ｍｍのスラブとした。その後、約８００℃に加熱して熱間圧延を行うことで、厚さ３．５ｍｍの熱延板とし、更に、約７５０℃で焼鈍した後、酸洗により表層のスケールを除去した。

得られた熱延板に対し、冷延率３０〜４５％の冷間圧延、７５０℃での焼鈍を繰り返して実施し、厚さ０．５ｍｍになるまで圧延し、その後、酸洗を行い表層のαケースを完全に除去することで、試験に用いる試料とした。

得られた試料のトップ側とテール側の板幅の中央付近より、その圧延方向を長手方向とした、図１に示すＪＩＳＺ２２０１に規定される１３号試験片を夫々２本ずつ作製し、この試験片を用いて、トップ側とテール側の試験片共に、圧延方向の引張試験を実施することで、表１に示す各成分組成の試験片の圧延方向の引張強度（ＴＳ）と伸び（ＥＬ）を測定した。このときの試験条件は、ＪＩＳＨ４６００に準じた。

表２に試験結果を示すが、ＴＳ_ＡＶＥと記載の値は、測定された全ての試験片の引張強度（ＴＳ）を平均した値、ＥＬ_ＡＶＥと記載の値は、測定された全ての試験片の伸び（ＥＬ）を平均した値であり、ΔＴＳはトップ側とテール側の試験片の引張強度（ＴＳ）の差異であり、ＴＳ_ＡＶＥとＥＬ_ＡＶＥで試験片の強度および延性を、ΔＴＳ／ＴＳ_ＡＶＥで試験片のトップ側とテール側で強度差（バラツキ）を評価した。

本実施例では、以上の試験結果で得られた、ＴＳ_ＡＶＥが４５０ＭＰａ以上、ＥＬ_ＡＶＥが２０％以上という条件を満たすと共に、ΔＴＳ／ＴＳ_ＡＶＥが９．０％以下という条件を満たすものを合格とし、トップ側とテール側で強度差が小さく、高強度で強度安定性に優れたチタンコイルであると評価した。

Ｎｏ．４〜８、Ｎｏ．１０は、チタンコイルの成分組成、並びに、Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスが、本発明で規定する要件を満足する発明例である。

また、それら発明例の中でも、特にＮｏ．４とＮｏ．７は、請求項２記載のＯとＦｅの含有量の成分濃度バランスも満足する発明例である。

一方、Ｎｏ．１〜３は、Ｃの含有量が少なすぎ、Ｃ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスが本発明で規定する要件を満足しない比較例、Ｎｏ．９は、Ｃ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）の成分濃度バランスが本発明で規定する要件を満足しない比較例、Ｎｏ．１３，１４は、Ｏの含有量が少なすぎる比較例と多すぎる比較例、Ｎｏ．１５，１６はＣの含有量が少なすぎる比較例と多すぎる比較例、Ｎｏ．１７はＮの含有量が多すぎる比較例、Ｎｏ．１８はＳｉの含有量が多すぎる比較例である。

Ｎｏ．４〜８、Ｎｏ．１０の発明例では、ＴＳ_ＡＶＥが４５０ＭＰａ以上、ＥＬ_ＡＶＥが２０％以上であり、しかも、ΔＴＳ／ＴＳ_ＡＶＥが９．０％以下である。従って、これらは全て、トップ側とテール側で強度差が小さく、高強度で強度安定性に優れたチタンコイルであると評価することができる。

また、これら発明例の中でもＮｏ．４とＮｏ．７は、ΔＴＳ／ＴＳ_ＡＶＥが特に優れた値となっており、請求項２記載のＯとＦｅの含有量の成分濃度バランスも満足することで、チタンコイルのトップ側とテール側での強度のバラツキをより一層抑制できていることが分かる。

これに対し、本発明で規定する要件を満たしていないＮｏ．１〜３、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１３〜１８の比較例では、ＴＳ_ＡＶＥが４５０ＭＰａ以上、ＥＬ_ＡＶＥが２０％以上、ΔＴＳ／ＴＳ_ＡＶＥが９．０％以下という本発明の合格判定基準を、いずれか一つ以上で満足しておらず（尚、表２では合格判定基準を満足していないものに下線を付している。）、これら比較例は、高強度で強度安定性に優れたチタンコイルであると評価することができない。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｏを０．０８〜０．４０％、Ｃを０．１〜０．４％、Ｎを０．００１〜０．０２％、Ｓｉを０．４％以下（０％を含まない）、Ｆｅを０．１〜２．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であって、
   前記Ｃ、Ｏ、Ｎ及びＳｉの含有量（質量％）から求めたＣ／（Ｏ＋Ｎ−Ｓｉ／５）が、０．３以上であることを特徴とする高強度で強度安定性に優れたチタンコイル。
2. 更に、前記Ｏ及びＦｅの含有量（質量％）から求めたＯ×Ｆｅが、０．０８以上であると共に、
   ＯとＦｅ含有量（質量％）の関係が、０．０８×Ｆｅ≦Ｏ≦Ｆｅを満たすことを特徴とする請求項１記載の高強度で強度安定性に優れたチタンコイル。