JP6515359B2 - チタン複合材および熱間圧延用チタン材 - Google Patents
チタン複合材および熱間圧延用チタン材 Download PDFInfo
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Description
前記内層の少なくとも一方の圧延面に形成された前記内層とは異なる化学組成を有する表層と、
前記内層と前記表層との間に形成され、前記内層とは異なる化学組成を有する中間層と、
を備えるチタン複合材であって、
前記表層が、その厚さが2μm以上であり、全厚さに占める割合が片面あたり40%以下であり、
前記表層部の化学組成が、質量%で、
Si:0.1〜0.6%、
Nb:0.1〜2.0%、
Ta:0.3〜1.0%および
Al:0.3〜1.5%から選択される一種以上、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%、
残部:チタンおよび不純物であり、
前記中間層の厚さが0.5μm以上である、
チタン複合材。
前記他の表層が、前記表層と同一の化学組成を備える、
上記(1)のチタン複合材。
前記母材の少なくとも一方の圧延面に接合された表層材と、
前記母材と前記表層材の周囲を接合する溶接部とを備える熱間圧延用チタン材であって、
前記表層材が、前記母材とは異なる化学組成を有し、かつ、質量%で、
Si:0.1〜0.6%、
Nb:0.1〜2.0%、
Ta:0.3〜1.0%および
Al:0.3〜1.5%から選択される一種以上、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%、
残部:チタンおよび不純物であり、
前記溶接部が、前記母材と前記表層材の界面を外気から遮断する、
熱間圧延用チタン材。
前記他の表層材が、前記表層材と同一の化学組成を備える、
上記(3)の熱間圧延用チタン材。
上記(3)または(4)の熱間圧延用チタン材。
上記(5)の熱間圧延用チタン材。
上記(6)熱間圧延用チタン材。
1−1.全体構成
図1,2に示すように、チタン複合材1,2は、工業用純チタンまたはチタン合金からなる内層5と、内層5の少なくとも一方の圧延面に形成された内層5とは異なる化学組成を有する表層3,4と、内層5と表層3,4との間に形成され、内層5とは異なる化学組成を有する中間層(図示省略)とを備える。なお、図1,2に示す例では、内層5の一方または両方の圧延面に表層を形成した例を示しているが、内層5の圧延面以外の面(図1,2に示す例では側面)に他の表層(図示省略)を設けてもよい。以下、表層、内層、中間層を順次説明する。
(厚さ)
表層のうち外部環境に接する表層の厚さが薄過ぎると、耐酸化性が十分に得られない。表層の厚さは製造に用いる素材の厚さ、またはその後の加工率によって変化するが、2μm以上あれば十分効果を発揮する。表層の厚さは、5μm以上であることが望ましく、10μm以上であることがより望ましい。
本発明に係るチタン複合材1では、表層の少なくとも一方(少なくとも外部環境に接する表層)の耐酸化性を高めるために、以下に掲げる各種合金元素を含有させてもよい。
Siは、600〜800℃における高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。Si含有量が0.1%未満であると、耐酸化性の向上代が少ない。一方、Si含有量が0.6%を超えると、耐酸化性への影響が飽和するとともに、室温のみならず高温での加工性が著しく低下する。よって、Siを含有させる場合にはその含有量を0.1〜0.6%とする。Si含有量は0.15%以上であるのが好ましく、0.20%以上であるのがより好ましい。また、0.55%以下であるのが好ましく、0.50%以下であるのがより好ましい。
Nbも、高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。耐酸化性を向上させるために、Nb含有量は0.1%以上とする。一方、Nb含有量が2.0%を超えて含有させても効果が飽和するうえ、Nbは高価な添加元素であるため、合金コストの増加に繋がる。よって、Nbを含有させる場合にはその含有量は0.1〜2.0%とする。Nb含有量は0.3%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、1.5%以下であるのが好ましく、1.0%以下であるのがより好ましい。
Taも、高温での耐酸化性を向上させる作用を有する。耐酸化性を向上させるために、Ta含有量は0.3%以上とする。一方、Ta含有量が1.0%を超えて含有させても、Taは高価な添加元素であるため、合金コストの増加に繋がるだけでなく、熱処理温度によってはβ相の生成が懸念される。よって、Taを含有させる場合にはその含有量は0.3〜1.0%とする。Ta含有量は0.4%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、0.9%以下であるのが好ましく、0.8%以下であるのがより好ましい。
Alも高温での耐酸化性を向上させる元素である。その一方で、Alは多量に含有すると室温での延性を著しく低下させる。Al含有量が0.3%以上であれば十分に耐酸化特性を発現する。また、Al含有量が1.5%以下であれば、冷間での加工を十分に担保できる。よって、Alを含有させる場合にはその含有量を0.3〜1.5%とする。Al含有量は0.4%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。また、1.2%以下であるのが好ましい。
Snは、α相安定化元素であり、かつ、Cuと同様に、高温強度を高める元素である。しかしながら、Sn含有量が1.5%を超えると、双晶変形を抑止し、室温での加工性を低下させる。そのため、Snを含有させる場合にはその含有量は1.5%以下とする。Sn含有量は1.3%以下であるの好ましく、1.2%以下であるのがより好まし)い。上記の効果を得たい場合には、Sn含有量は0.2%以上であるのが好ましく、0.5%以上であるのがより好ましい。
Cuは、高温強度を高める元素である。また、α相に一定程度固溶するため、高温で使用した際にもβ相を生成しない。しかしながら、Cu含有量が1.5%を超えると、温度によってはβ相を生成してしまう。そのため、Cuを含有させる場合にはその含有量は1.5%以下とする。Cu含有量は1.4%以下であるのが好ましく、1.2%以下であるのがより好ましい。上記の効果を得たい場合には、Cn含有量は0.2%以上であるのが好ましく、0.4%以上であるのがより好ましい。
Feは、β相安定化元素であるが、少量であればβ相の生成が少なく、耐酸化性に大きな影響を与えない。しかしながら、Fe含有量が0.5%を超えるとβ相の生成量が多くなり、耐酸化性を劣化させる。そのため、Feを含有させる場合にはその含有量は0.5%以下とする。Fe含有量は0.4%以下であるのが好ましく、0.3%以下であるのがより好ましい。
内層5には、工業用純チタンまたはチタン合金からなる。例えば、内層5に工業用純チタンを用いると、全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比べて、室温での加工性に優れる。
本発明のチタン複合材は、前記内層と前記表層との間に中間層を備えている。すなわち、後述する熱間圧延用チタン材は、母材に表層材を貼り付け周囲を溶接したものであるが、その後の熱延加熱時、および、冷延後の熱処理工程において、母材と表層材との界面で拡散が生じ、最終的にチタン複合材に仕上げた時には、上記母材由来の内層と、上記表層材由来の表層との間には中間層が形成される。この中間層は、母材の化学組成とは異なる化学組成を有している。この中間層が、上記内層と上記表層とを金属結合させ、強固に接合する。また、中間層では連続した元素勾配を生じるため、上記内層と上記表層との強度差を和らげることができ、加工時の割れを抑制することができる。
本発明の熱間圧延用チタン材は、熱間圧延に供される素材(スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片)であり、熱間圧延後、必要に応じて、冷間加工、熱処理などを施して、チタン複合材に加工される。以下、図面を用いて、本発明本発明の熱間圧延用チタン材を説明する。また、以下の説明において、各元素の含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。
図3は、母材(チタン矩形鋳片、スラブ)6と表層材(チタン板)7を真空中で溶接することにより貼り合わせることを模式的に示す説明図であり、図4は、母材(チタン矩形鋳片、スラブ)6の表面(圧延面)だけでなく側面(圧延面以外の面)にも表層材(チタン板)7,8を溶接することにより貼り合わせることを模式的に示す説明図である。
チタン複合材1,2を製造する際には、熱間圧延により形成した酸化層を除去するため、熱間圧延後にショット−酸洗の工程を経て製造される。しかしながら、この工程の際に熱延クラッドにより形成した表層が除去されてしまうと、耐酸化性を発現させることができない。
母材としては、前記のチタン複合材の内層の項で説明した工業用純チタンまたはチタン合金を用いる。特に、母材として直接鋳造スラブを用いるのがよい。直接鋳造スラブは、表面の少なくとも一部に溶融再凝固層を形成したものであってもよい。また、直接鋳造スラブの表面に溶融再凝固処理を実施する際に所定の元素を添加して、直接鋳造スラブの板厚中心部とは異なる化学組成を有する溶融再凝固層を形成したものであってもよい。
スラブ6の圧延面に当たる表面に、合金元素を含有するチタン板7を貼り合わせた後、真空容器内で、少なくとも周囲を溶接部9により溶接することによって、スラブ6とチタン板7,8の間を真空で密閉し、外気と遮断し、圧延することによりスラブ6とチタン板7,8とを貼り合わせる。スラブ6にチタン板7,8を貼り合わせた後に接合する溶接部は、スラブ6とチタン板7,8の界面を大気から遮断するように、例えば、図3,4に示すように全周を溶接する。
3−1.母材の製造方法
熱間圧延用チタン材の母材は、通常、インゴットをブレークダウンによりスラブやビレット形状にした後、切削精整して製造される。また、近年ではインゴット製造時に直接熱延可能な矩形スラブを製造し、熱延に供されることもある。ブレークダウンにより製造された場合、ブレークダウンにより表面が比較的平坦になっているため、合金元素を含有する素材を比較的均一に散布し易く、合金相の元素分布を均一にしやすい。
3−2.熱延クラッド法
熱間圧延用チタン材は、熱延クラッド法により、予め、周囲を溶接したスラブ6とチタン板7,8を接合するのがよい。
スラブ表面にチタン板を貼り付けることにより形成した合金層を最終製品として残存させることが重要であり、スケールロスや表面疵による表面層の除去を可能な限り抑制する必要がある。具体的には、下記のような熱間圧延工程上の工夫を、生産に使用する設備の特性や能力を考慮した上で最適化し適宜採用することにより、達成される。
熱間圧延用素材を加熱する際には低温短時間加熱を行うことによりスケールロスを低く抑制できるが、チタン材は熱伝導が小さくスラブ内部が低温状態で熱間圧延を行うと内部で割れが発生し易くなる欠点もあり、使用する加熱炉の性能や特性に合わせてスケール発生を最小限に抑制するように最適化する。
熱間圧延工程においても、表面温度が高すぎると通板時にスケールが多く生成し、スケールロスが大きくなる。一方で、低すぎると、スケールロスは小さくなるが、表面疵が発生し易くなるため、後工程の酸洗で除去する必要があり、表面疵が抑制できる温度範囲で熱間圧延することが望ましい。そのため、最適温度域で圧延することが望ましい。また、圧延中にチタン材の表面温度が低下するため、圧延中のロール冷却は最小限とし、チタン材の表面温度の低下を抑制することが望ましい。
熱間圧延された板には、表面に酸化層があるため、その後の工程で酸化層を除去するデスケーリングの工程がある。チタンでは主に、ショットブラスト後に、硝ふっ酸溶液による酸洗で酸化層を除去するのが一般的である。また、場合によっては酸洗後に砥石研磨により表面を研削する場合もある。デスケーリング後に、熱間圧延用チタン材の母材および表層部に由来する、内層および表層からなる、2層または3層構造となっていればよい。
すなわち、電子ビーム溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した厚さ200mm×幅1000mm×長さ4500mmの寸法を有する、図4に示すスラブ6の表面に、Si,Nb,Taを少なくとも一種以上を含有するチタン合金板7を、真空中で溶接した。No.3および4の実施例においては、スラブ6の側面にもチタン合金板8を真空中で溶接した。その後、チタン合金板7,8を溶接されたスラブ6を820℃に加熱し、厚さ5mmまで熱間圧延した後に、ショットブラストおよび硝ふっ酸を用いて、表裏面ともデスケーリング処理を行った。さらに冷間圧延を行い、厚さ1mmのチタン板とし、焼鈍処理として、真空あるいは不活性ガス雰囲気中で600〜750℃まで加熱し、240分間保持する熱処理を行うことにより、表1に示すNo.1〜20の実施例(本発明例)および比較例の供試材であるチタン複合材2を製造した。
すなわち、No.22および23の本発明例では、スラブ6は電子ビーム溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ200mm×幅1000mm×長さ4500mmの寸法を有する、図3に示すスラブ6の表面に、Si,Nb,Ta,Alを少なくとも一種類以上含有するチタン合金板7を真空中で溶接した。また、No.24の本発明例では電子ビーム溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ100mm×幅1000mm×長さ4500mmの寸法を有する、図4に示すスラブ6の表面を、切削精整した後、Si,Nb,Ta,Alを少なくとも一種以上を含有するチタン合金板7を真空中で溶接した。
すなわち、プラズマアーク溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ200mm×幅1000mm×長さ4500mmの寸法を有する、図4に示すスラブ6の表面に、各元素を含有するチタン合金板を真空中で溶接した。その後、当該スラブを820℃に加熱し、厚さ5mmまで熱間圧延した後に、ショットブラストおよび硝ふっ酸を用いて、表裏面ともデスケーリング処理を行った。さらに冷間圧延を行い、厚さ1mmのチタン板とし、焼鈍処理として、真空あるいは不活性ガス雰囲気中で600〜750℃まで加熱し、240分間保持する熱処理を行うことにより、表3に示すNo.25〜27の実施例(本発明例)の供試材であるチタン複合材2を製造した。
すなわち、チタン鋳塊をブレークダウンより矩形形状にした後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ200mm×幅1000mm×長さ4500mmの寸法を有するインゴットの表面を切削精整した、図4に示すスラブ6の表面に、合金元素を含有するチタン合金板7を真空中で溶接した。その後、チタン合金板7を溶接されたスラブ6を820℃に加熱し、厚さ5mmまで熱間圧延した後に、ショットブラストおよび硝ふっ酸を用いて、表裏面ともデスケーリング処理を行った。さらに冷間圧延を行い、厚さ1mmのチタン板とし、焼鈍処理として、真空あるいは不活性ガス雰囲気中で600〜750℃まで加熱し、240分間保持する熱処理を行うことにより、表4に示すNo.28,29の本発明例の供試材であるチタン複合材2を製造した。
すなわち、スラブ6として、電子ビーム溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ220mm×幅1000mm×長さ4500mmのインゴットを用いた。
すなわち、スラブ6として、電子ビーム溶解を行い、角型鋳型にて鋳造した後、圧延面に当たる面を切削整精した厚さ200mm×幅1000mm×長さ4500mmのチタン合金インゴットを用いた。
3,4 表層
5 内層
6 母材(スラブ)
7,8 表層材(チタン板)
9 溶接部
Claims (7)
- 工業用純チタンまたはチタン合金からなり、0.2%耐力が1000MPa以下である内層と、
前記内層の圧延面の少なくとも一方に形成された前記内層とは異なる化学組成を有する表層と、
前記内層と前記表層との間に形成され、前記内層とは異なる化学組成を有し、下記式を満足する中間層と、
を備えるチタン複合材であって、
前記表層が、その厚さが2μm以上であり、全厚さに占める割合が片面あたり40%以下であり、
前記表層部の化学組成が、質量%で、
Si:0.1〜0.6%、
Nb:0.1〜2.0%、
Ta:0.3〜1.0%および
Al:0.3〜1.5%から選択される一種以上、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%、
残部:チタンおよび不純物であり、
前記中間層の厚さが0.5μm以上である、
チタン複合材。
0<C MID ≦0.8×C AVE
ただし、C MID は前記内層からの増加含有量を意味し、C AVE は前記表層における増加含有量の平均を意味し、増加含有量とは、前記内層には含まれない元素の場合は、その含有量、前記内層にも含まれる元素の場合には、前記内層からの含有量の増加分を意味する。 - 前記内層の前記圧延面以外の面に、他の表層が形成されており、
前記他の表層が、前記表層と同一の化学組成を備える、
請求項1に記載のチタン複合材。 - 工業用純チタンまたはチタン合金からなる母材と、
前記母材の圧延面の少なくとも一方に接合された表層材と、
前記母材と前記表層材の周囲を接合する溶接部とを備える熱間圧延用チタン材であって、
前記表層材が、前記母材とは異なる化学組成を有し、かつ、質量%で、
Si:0.1〜0.6%、
Nb:0.1〜2.0%、
Ta:0.3〜1.0%および
Al:0.3〜1.5%から選択される一種以上、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%、
残部:チタンおよび不純物であり、
前記溶接部が、前記母材と前記表層材の界面を外気から遮断する、
熱間圧延用チタン材。 - 前記母材の前記圧延面以外の面に、他の表層材が接合されており、
前記他の表層材が、前記表層材と同一の化学組成を備える、
請求項3に記載の熱間圧延用チタン材。 - 前記母材が、直接鋳造スラブからなる、
請求項3または4に記載の熱間圧延用チタン材。 - 前記直接鋳造スラブが、表面の少なくとも一部に溶融再凝固層を形成したものである、
請求項5に記載の熱間圧延用チタン材。 - 前記溶融再凝固層の化学組成が、前記直接鋳造スラブの板厚中心部の化学組成とは異なる、
請求項6に記載の熱間圧延用チタン材。
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