JP6340783B2

JP6340783B2 - Ｔｉ合金の加熱方法

Info

Publication number: JP6340783B2
Application number: JP2013257429A
Authority: JP
Inventors: 由隆佐藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: JP2015113508A

Description

本発明は、Ｔｉ合金の加熱方法に関するものである。

高強度、高耐食性および耐摩耗性に優れたＴｉ合金(チタン合金)が、エンジンバルブ、人工関節等のインプラント部材、航空機用部材等の材料として好適に用いられている(例えば、先行文献１参照)。Ｔｉ合金塊を分塊圧延してブルーム、ビレット、スラブ等の一次加工品を製造する場合、合金塊を大気雰囲気の加熱炉で分塊圧延温度まで加熱し、この加熱炉から取り出した合金塊を分塊圧延している。

Ｔｉ(チタン)は酸素親和性が極めて高いため、Ｔｉ合金の合金塊を大気雰囲気で加熱している間に、合金塊表面に硬くて緻密な酸化層が生成されていた。また、Ｔｉ合金は熱伝導率が低いことから、合金塊を中心部まで分塊圧延温度とするために加熱時間が長くなり、該加熱中に酸化層が成長して微小なクラックが発生していた。そして、このように表層にクラックが生じている合金塊を分塊圧延すると、該クラックが進展して線状疵等の表面欠陥を生ずるため、分塊圧延された一次加工品の表面欠陥部分をグラインダー等で除去しているが、除去された材料の再利用は難しく、歩留が低下する問題があった。

そこで、前記分塊圧延前の加熱工程での酸化層の生成を防止する対策として、合金塊表面に酸化防止剤を塗布したり、加熱雰囲気をアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とすることが提案されている。

特開平１１−２５６２５７号公報

しかしながら、合金塊表面に酸化防止剤を塗布する場合は、工数の増加に伴う製造コストの上昇や生産性が低下する問題がある。また、合金塊を不活性ガス雰囲気で加熱する場合は、炉内を不活性ガス雰囲気とするのに時間が掛かって生産性が低下するばかりでなく、炉内を完全に不活性ガス雰囲気とすることが難しい難点がある。しかも、高価な不活性ガスを用いることでコストが嵩む問題も指摘される。

すなわち本発明は、前述した従来の技術に内在している前記課題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、加熱工程での酸化層の生成を抑制して、歩留を向上し得るＴｉ合金の加熱方法を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項１の発明に係るＴｉ合金の加熱方法は、
Ｔｉ合金塊を、分塊圧延前に大気雰囲気の加熱炉で加熱する加熱方法であって、
前記合金塊を、８００〜９００℃の温度域で３〜５時間加熱保持し、引き続いて該合金塊を分塊圧延の開始温度となる１０００〜１２５０℃の温度域に均熱することを要旨とする。

請求項１に係る発明によれば、Ｔｉ合金の合金塊を、Ｔｉ合金の酸化が起こり難い８００〜９００℃の温度域で加熱した後に、分塊圧延の開始温度となる温度域に均熱するようにしたので、Ｔｉ合金の酸化が起こり易い温度域での加熱時間を短縮することができ、酸化層の生成を抑制して歩留を向上し得る。また、酸化防止剤を塗布する作業や炉内雰囲気を置換する作業を必要としないので、生産性を低下させることなく酸化層の生成を抑制し得る。すなわち、生産性を低下させることなく歩留を向することができる。

本願には次のような技術的思想が含まれている。
前記Ｔｉ合金は、α＋β型のＴｉ合金であることを要旨とする。
この構成によれば、歩留の効果が大きい。

本願には次のような技術的思想が含まれている。
前記合金塊の加熱中における加熱炉内の空気比を、１.０５〜１.２の範囲としたことを要旨とする。
この構成によれば、酸化層の生成をより抑制し得る。

本発明に係るＴｉ合金の加熱方法によれば、酸化層の生成を抑制して歩留を向上し得る。

実施例に係る加熱方法の工程を示す説明図である。実施例に係る加熱方法のヒートパターンを示す説明図である。本発明を適用し得るＴｉ合金の組成成分の割合の一例を示す図である。加熱温度とＴｉ合金(Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ)の酸化との関係を示す図である。 (ａ)は、従来例のヒートパターンおよび該ヒートパターンで合金塊を加熱した場合の表層温度および中心温度の変化を示すシミュレーション図であり、(ｂ)は、発明例１のヒートパターンおよび該ヒートパターンで合金塊を加熱した場合の表層温度および中心温度の変化を示すシミュレーション図であり、(ｃ)は、発明例２のヒートパターンおよび該ヒートパターンで合金塊を加熱した場合の表層温度および中心温度の変化を示すシミュレーション図である。 (ａ)は、従来例のヒートパターンおよび該ヒートパターンで加熱した合金塊(テストピース)の表層の光学型電子顕微鏡写真であり、(ｂ)は、発明例１のヒートパターンおよび該ヒートパターンで加熱した合金塊(テストピース)の表層の光学型電子顕微鏡写真である。Ｔｉ合金の種類と歩留との関係を示す表図である。

次に、本発明に係るＴｉ合金の加熱方法につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。本願の発明者は、Ｔｉ合金(チタン合金)の合金塊を分塊圧延前に大気雰囲気で加熱する工程において、加熱処理を二段階に分け、一次加熱処理においてＴｉ合金の酸化が起こり難い温度(一次加熱温度)で加熱し、一次加熱処理された合金塊を分塊圧延に適した温度(二次加熱温度)に均熱する二次加熱処理を行うことで、酸化が進行する温度域での加熱処理時間を短縮することができ、生産性を低下することなく分塊圧延前加熱工程での酸化層の生成を抑制し得ることを知見したものである。

本発明例に係るＴｉ合金の加熱方法は、図１,図２に示す如く、Ｔｉ合金からなる合金塊を大気雰囲気の加熱炉に装入し、炉内をＴｉ合金の酸化が起こり難い８００〜９００℃の温度域に保持して該合金塊を加熱する一次加熱処理工程を行い、引き続いて炉内をＴｉ合金の分塊圧延に適した１０００〜１２５０℃に保持して該合金塊を均熱する二次加熱処理工程を行うものである。一次加熱温度を９００℃以下とすることで、Ｔｉ合金の酸化が起こり難く、一次合金塊の表面に生成される酸化層は極僅かである。また、一次加熱温度が８００℃より低いと、一次加熱処理工程の完了時における合金塊温度と二次加熱温度との差が大きく、二次加熱処理工程において合金塊を二次加熱温度に均熱するのに要する時間が長くなり、二次加熱処理工程での酸化層の生成が増加してしまう。すなわち、分塊圧延前加熱工程での酸化層の生成抑制の観点からは、一次加熱温度を８００〜９００℃の範囲とすればよい。なお、一次加熱処理工程では、合金塊の表層温度と中心温度との温度差がなくなるまで加熱しなくとも、二次加熱処理工程での酸化層の生成を抑えることができる。

ここで、二次加熱処理工程での加熱時間(合金塊の表層と中心部との温度を均一に近づけるための時間)を短くするためには、一次加熱温度としてはＴｉ合金の酸化が起こり難い上限温度であることが好ましいと云える。しかしながら、実操業において加熱炉内の温度を一定に保持することは難しく、炉内温度が上下に変動することは避けられないことから、加熱温度がＴｉ合金の酸化が起こり難い温度域から外れてしまうことを防ぐためには、一次加熱温度については安全を見込むと９００℃以下が好ましい。

前記二次加熱処理工程での二次加熱温度を１０００〜１２５０℃の範囲とすることで、分塊圧延に際して材料に割れが発生するのを防止し得る。すなわち、分塊圧延を開始する際の合金塊に適した温度である二次加熱温度は、分塊圧延の完了時における一次加工品の圧延完了温度が、加工性が低下して分塊圧延で割れが発生しない温度を目標として設定される。そして、発明者の知見によれば、Ｔｉ合金では、圧延完了温度が８５０℃以上であれば圧延に際して割れが発生しないことから、二次加熱温度は、圧延完了温度が８５０℃以上となることを目標として１０００〜１２５０℃に設定した。すなわち、二次加熱温度が１０００℃より低いと、分塊圧延中に材料温度が８５０℃より低下してしまって割れ等の欠陥が発生し易くなる。また、二次加熱温度が１２５０℃より高いと、酸化が促進されて酸化層が増大することで歩留を低下させる。従って、二次加熱温度を、１０００〜１２５０℃の範囲としたものである。

実施例の加熱方法では、燃焼ガスをバーナーで燃焼して炉内を所定の加熱温度に保持する加熱炉が用いられ、一次加熱処理工程および二次加熱処理工程において、該加熱炉における燃焼ガスの供給量に対する空気比ｍ(完全燃焼に際して理論上必要な空気量(Ａ₀)に対する実際に燃焼に際して供給される空気量(Ａ)の比(Ａ／Ａ₀))を、バーナーに供給する燃焼用空気量を制御することで１.０５≦ｍ≦１.２０の範囲とした。空気比ｍが１.０５より小さいと、燃料ガスが過剰となって煤煙が発生することで材料表面を汚染して品質劣化を招くと共に環境を悪化させる。また、空気比ｍが１.２０より大きいと、二次加熱処理工程において余剰の空気(酸素)によって合金塊表面の酸化が促進されてしまう。

ここで、Ｔｉ合金には、α型合金、α＋β型合金、β型合金の３種類があり、このうちα＋β型合金であるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金が、機械的性質が安定しており、最も多く使用されているが、本発明は全ての型のＴｉ合金に対して適用可能であり、本発明を適用することにより、分塊圧延前加熱工程での酸化層の生成を抑制し得る。本発明を適用し得るＴｉ合金の組成成分の例を、図３に示す。なお、図３に示す組成成分や割合は一例であって、これに限られるものではない。

本発明例のＴｉ合金の加熱方法は、Ｔｉ合金の酸化が起こり難い温度域で合金塊を加熱することで、合金塊の表層と中心部との温度差を小さくしたもとで二次加熱処理工程を行い得るので、合金塊を均熱するのに要する二次加熱時間を短縮することができ、酸化層の生成を抑制し得る。すなわち、二次加熱温度では酸化層が合金塊表面に生成することは避けられないが、二次加熱時間を短く抑えることで、酸化層の成長を抑制し得る。従って、分塊圧延によって得られた一次加工品の表面欠陥を少なくでき、欠陥部分の研削により無駄となる材料を低減して歩留を向上することができる。また、発明例の加熱方法は、炉内温度を変えるだけで、酸化防止剤を塗布する作業や炉内雰囲気を置換する作業は不要であるので生産性を低下させることはない。

(実験例)
前記加熱方法における一次加熱処理工程での一次加熱温度は、Ｔｉ合金の酸化が起こり難い温度で、かつ生産性が低下しないようにする必要があることから、Ｔｉ合金の合金塊を大気雰囲気で加熱する場合に、合金塊の表面に生成される酸化層と温度との関係について検証した。α＋β型のＴｉ合金であるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金の１辺が１７５ｍｍの角材から切り出した円柱状の試験片(テストピース)を用い、加熱時間を１時間に設定した条件で、炉内の加熱温度を６００,７００,８００,９００,１０００,１１５０℃とした場合におけるＨＶ硬度(ビッカース硬度)を測定した結果から酸化層の厚みを調べ、その結果を図４(ａ),(ｂ)に示す。なお、ＨＶ硬度(ビッカース硬度)は、円柱状の試験片(テストピース)を軸方向と直交する径方向に切断し、その切断面を被測定面としてビッカース硬度計を用いて試験片(テストピース)の外周面から中心に向けて一定間隔に測定した。Ｔｉ合金は、酸化することで硬度が上がることが知られており、加熱温度が６００〜９００℃の範囲では、硬度が一定(殆ど変化しない)であり、該６００〜９００℃の温度域では酸化が進行し難いことが確認された。また、加熱温度を１０００℃まで高めた場合に、表層から深いところまで硬度が上昇しており、酸化層の厚みが増していることが確認された。すなわち、高温になればなるほど酸化が助長されることが確認された。また、各加熱温度で加熱した試験片(テストピース)の表面を、光学型電子顕微鏡で確認し、６００〜９００℃の温度域では表面性状の変化は殆ど見られず、１０００〜１１５０℃の温度域では表面に針状の酸化層が形成されていることを確認した。すなわち、この結果から加熱温度を６００〜９００℃とすることで、合金塊表面に酸化層が生成され難いことが確認できる。

(合金塊の温度変化の検証について)
次に、図３に示すＮｏ．６のα＋β型Ｔｉ合金を用いて、分塊圧延前の加熱処理工程を１回としてその加熱温度を１２００℃で加熱時間を７時間とした従来例の加熱方法で加熱した合金塊と、同じくＮｏ．６のα＋β型Ｔｉ合金を用いて、８００℃(一次加熱温度)での一次加熱処理を３時間行った後に１１５０℃(二次加熱温度)での二次加熱処理を３時間行った発明例１の加熱方法で加熱した合金塊および同じくＮｏ．６のα＋β型Ｔｉ合金を用いて、９００℃(一次加熱温度)での一次加熱処理を５時間行った後に１１５０℃(二次加熱温度)での二次加熱処理を２時間行った発明例２の加熱方法で加熱した合金塊との夫々について、合金塊のサイズおよび熱伝導率等に基づく数値シミュレーションにより表層温度および中心温度の変化を調べた結果を図５に示す。

図５(ａ),(ｂ),(ｃ)((ａ)は従来例、(ｂ)は発明例１,(ｃ)は発明例２)の結果から、従来例の加熱方法で加熱した合金塊では、炉内温度が加熱温度に達した時点での表層温度と中心温度との差は、約３２９℃であった。これに対し、発明例１,２の加熱方法で加熱した合金塊では、炉内温度が二次加熱温度に達した時点での表層温度と中心温度との差は、夫々約１４０℃、８４℃であった。すなわち、一次加熱処理を行うことで、合金塊の表層温度と中心温度との差は小さくなっており、合金塊の中心温度を二次加熱温度に均熱するのに要する時間を短縮し得ることが確認された。言い替えると、従来例において合金塊の表層温度と中心温度との差が発明例１,２と同等になるまでは、従来例の合金塊は酸化が起こり易い温度で加熱されることなり、酸化層が成長して歩留が低下する。

また、図５(ｂ),(ｃ)に示す結果から、一次加熱処理工程から二次加熱処理工程に移行する時点(発明例１では炉内温度が８００℃に達してから３時間後、発明例２では炉内温度が９００℃に達してから５時間後)での合金塊の表層温度と中心温度との差は、夫々約１０１℃、１４℃であった。そして、発明例１では、炉内温度が二次加熱温度に達した時点から３時間後の表層温度と中心温度との差が約４℃となり、発明例２では、炉内温度が二次加熱温度に達した時点から２時間後の表層温度と中心温度との差が約８℃となった。すなわち、合金塊の表層温度と中心温度との温度差を小さくしたもとで、二次加熱処理工程に移行することで、合金塊が酸化が起こり易い温度で加熱される時間を短かくして、酸化層の生成を抑制し得ることが分かる。

(合金塊表層の酸化厚みの検証について)
次に、加熱工程で生成される前記試験片(テストピース)の表層の酸化層の厚みについて、前記図５(ａ)に示す従来例の加熱方法で加熱した試験片(テストピース)および前記図５(ｂ)に示す発明例１の加熱方法で加熱した試験片(テストピース)について、各試験片(テストピース)における表層の光学型顕微鏡写真を図６に示す。図６において白い部分が酸化物であって、従来例(図６(ａ))における表層の酸化物の厚みに比べて、発明例１(図６(ｂ))における表層の酸化物の厚みが小さいことが分わる。すなわち、加熱処理を二段階に分けることで、酸化層の生成が抑制されることが確認された。また、従来例では多くのクラックが生じているのに対し、発明例１ではクラックが殆ど生じていないことも確認される。

(歩留の検証について)
分塊圧延前の加熱処理工程を１回としてその加熱温度を１２００℃で加熱時間を７時間とした従来例の合金塊と、８００℃での一次加熱処理を３時間行った後に１１５０℃での二次加熱処理を３時間行った発明例１の合金塊と、９００℃での一次加熱処理を５時間行った後に１１５０℃での二次加熱処理を２時間行った発明例２の合金塊と夫々について、各合金塊を分塊圧延して製造した一次加工品の表面から欠陥部分を研削除去した場合の歩留を算出した結果を、図７に示す。

図７に示す結果から、β、α＋β型の合金において歩留が改善されることが確認された。また、特にα＋β型のＴｉ合金について、合金塊表面の酸化が顕著に抑制されて、歩留の改善が図られることが確認された。

Claims

Ｔｉ合金塊を、分塊圧延前に大気雰囲気の加熱炉で加熱する加熱方法であって、
前記合金塊を、８００〜９００℃の温度域で３〜５時間加熱保持し、引き続いて該合金塊を分塊圧延の開始温度となる１０００〜１２５０℃の温度域に均熱する
ことを特徴とするＴｉ合金の加熱方法。
前記Ｔｉ合金は、α＋β型のＴｉ合金である請求項１記載のＴｉ合金の加熱方法。
前記合金塊の加熱中における加熱炉内の空気比を、１.０５〜１.２の範囲とした請求項１または２記載のＴｉ合金の加熱方法。