JP6690288B2 - Titanium-encapsulating structure and method for producing titanium multilayer material - Google Patents
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Description
本発明は、チタン内包構造体およびチタン複層材の製造方法に関する。 The present invention relates to a titanium-containing structure and a method for producing a titanium multilayer material .
チタン材は、耐食性に優れた金属材料であることから、海水を用いる熱交換器や各種の化学プラントなどに用いられている。また、密度が炭素鋼に比べて小さく、比強度(単位重量あたりの強度)に優れることから、航空機の機体にも多く使用されている。また、自動車などの陸上輸送機器にチタン材を使用すれば、陸上輸送機器が軽量となり、燃費の向上が期待できる。 Titanium material is a metal material having excellent corrosion resistance, and is therefore used in heat exchangers using seawater and various chemical plants. Further, since it has a smaller density than carbon steel and is superior in specific strength (strength per unit weight), it is often used in aircraft fuselages. Further, if titanium materials are used for land transportation equipment such as automobiles, the weight of the land transportation equipment can be reduced and fuel consumption can be expected to be improved.
しかし、チタン材は、鋼材に比べてヤング率が小さいため、撓み易い(剛性が低い)。このため、剛性を確保するためには、厚さを大きくすることになり、これにより重量が増して、比強度に優れるという特徴が減殺される。また、重量が増加すると製造コストも嵩むため、好ましくない。 However, since the Young's modulus of the titanium material is smaller than that of the steel material, the titanium material is easily bent (the rigidity is low). Therefore, in order to ensure rigidity, the thickness is increased, which increases the weight and reduces the characteristic of excellent specific strength. Further, if the weight increases, the manufacturing cost also increases, which is not preferable.
重量をあまり増加せずに金属板の剛性を向上させるため、金属板の内部を空隙にする(空隙を設ける)方法が知られている。 In order to improve the rigidity of the metal plate without increasing the weight so much, a method is known in which the inside of the metal plate is made into a void (a void is provided).
例えば、特許文献1には、工業用純TiやTi合金を母材として用い、そのβ変態点やβ変態点域の温度以上で加熱・接合することにより、積層された母材間を条線状に拡散接合した後、展張されたチタンハニカム構造が開示され、特許文献2には、金属ろう粉末と発泡剤粉末、フラックスをAl合金製の皮材で挟み込み、加熱して発泡率30〜50%で発泡剤を発泡させることにより内部に空隙を有する軽量高剛性パネルが開示されている。また、特許文献3には、チタン粉末、バインダー成分、溶剤成分を含むペースト状組成物を成膜後、溶剤成分を揮発し、さらにバインダーを除去後に焼結する多孔質チタン薄膜の製造方法が開示されている。 For example, in Patent Document 1, industrial pure Ti or Ti alloy is used as a base material, and heating / bonding is performed at a β transformation point or at a temperature in a β transformation point range or more, so that a line between the laminated base materials is formed. A titanium honeycomb structure that is spread after being diffusion-bonded in a circular shape is disclosed. In Patent Document 2, a metal brazing powder, a foaming agent powder, and a flux are sandwiched between Al alloy skins and heated to generate a foaming ratio of 30 to 50. Disclosed is a lightweight, high-rigidity panel having voids inside by foaming the blowing agent in%. Further, Patent Document 3 discloses a method for producing a porous titanium thin film in which a paste composition containing titanium powder, a binder component, and a solvent component is formed into a film, the solvent component is volatilized, and the binder is removed, followed by sintering. Has been done.
一方、特許文献4には、溶解工程を省略して製造したチタン鋳塊が開示されている。このチタン鋳塊(スラブ)は、多孔質チタン(スポンジチタン)を鋳塊状に成形してブリケットとし、ブリケットの表面に真空下で電子ビームを照射して溶解することにより製造され、内部が多孔質チタンであるとともにその全表面を稠密なチタンで被覆されて構成されている。 On the other hand, Patent Document 4 discloses a titanium ingot manufactured by omitting the melting step. This titanium ingot (slab) is manufactured by forming porous titanium (sponge titanium) into an ingot and briquetting it, and irradiating the surface of the briquette with an electron beam under vacuum to melt it. It is made of titanium and its entire surface is covered with dense titanium.
特許文献1〜3により開示されたハニカム構造や発泡金属は、確かに、軽量を維持しながら剛性を向上できるが、展伸材(薄板)や粉末等を用いるためにその製造工程が複雑になって製造コストが嵩むことや、フラックス等が板の内部に残存して製品の特性に悪影響を及ぼす等の課題がある。 The honeycomb structure and the foam metal disclosed in Patent Documents 1 to 3 can certainly improve the rigidity while maintaining the light weight, but the manufacturing process is complicated because the wrought material (thin plate) or powder is used. Therefore, there are problems that the manufacturing cost is increased and that the flux and the like remain inside the plate to adversely affect the characteristics of the product.
特許文献4により開示された発明は、鋳塊を前提に製造されているために表層部のチタンは粗大な凝固組織であり、表層の溶融した緻密なチタンと内部のスポンジチタンとの界面や、内部のスポンジチタン間の接合強度が非常に低いか、あるいは接合していない。このため、引張特性や曲げ加工等の製品特性が大幅に劣り、そのまま製品として使用することはできない。 In the invention disclosed by Patent Document 4, titanium in the surface layer portion is a coarse solidified structure because it is manufactured on the premise of an ingot, and an interface between the dense and dense titanium melted in the surface layer and titanium sponge inside, The bond strength between titanium sponge inside is very low or not bonded. For this reason, the product properties such as tensile properties and bending are significantly inferior, and they cannot be used as they are.
特許文献4により開示されたチタン鋳塊の表面は、電子ビームを照射して一度溶解して凝固しているため、粗い鋳造組織(粗大な結晶粒)である。このため、次工程の圧延、鍛造や押出し等の熱間加工時に、チタン鋳塊の表層の粗大な鋳造組織(粗大な結晶粒)は、結晶方位の差異による強い塑性異方性により、鋳塊表面に起伏を生じてヘゲ状の表面欠陥が多数発生する。 The surface of the titanium ingot disclosed in Patent Document 4 has a rough casting structure (coarse crystal grains) because it is once melted and solidified by being irradiated with an electron beam. Therefore, during hot working such as rolling, forging or extrusion in the next step, the coarse cast structure (coarse crystal grains) of the surface layer of the titanium ingot is caused by the strong plastic anisotropy due to the difference in crystal orientation. Unevenness occurs on the surface, and a large number of heavier surface defects occur.
また、鋳塊状の多孔質チタンの表面の一部を順次溶解して凝固するため、得られたチタン鋳塊の表面には溶解部周囲の熱膨張や溶解した部分が凝固する際の収縮により局部的に残留応力が発生し、表面割れが発生し易い。 Further, since a part of the surface of the ingot-shaped porous titanium is sequentially melted and solidified, the surface of the obtained titanium ingot is locally expanded due to thermal expansion around the melted portion or contraction when the melted portion is solidified. Residual stress is generated, and surface cracks are likely to occur.
大きな割れが発生すると稠密なチタンを貫通して、チタン鋳塊内部に空気が流入し、熱間加工前の加熱時にチタン鋳塊の内部の多孔質チタンが酸化するため、熱間加工できない。 When large cracks occur, air penetrates through dense titanium and flows into the titanium ingot, and porous titanium inside the titanium ingot oxidizes during heating before hot working, so hot working cannot be performed.
貫通しない小さい割れであっても、その割れが次工程の圧延、鍛造や押出し等の熱間加工時に拡大したり、あるいは被さり状の表面欠陥になり、製品には多数の表面欠陥が発生する。 Even a small crack that does not penetrate will expand during the hot rolling such as rolling, forging or extrusion in the next step, or become a cover-like surface defect, and many surface defects occur in the product.
さらに、このチタン鋳塊を圧延率70%以上で熱間圧延することにより内部のスポンジチタンに内在する真空の空隙を圧着することができ、内部まで稠密なチタン板を製造することができる。しかし、このようにして得られたチタン板は、通常の溶解工程を経て製造されるチタン板と同様であり、板厚を大きくしないと剛性を確保できない。 Further, by hot rolling this titanium ingot at a rolling ratio of 70% or more, it is possible to crimp the vacuum voids existing in the titanium sponge inside, and to manufacture a titanium plate that is dense inside. However, the titanium plate thus obtained is the same as the titanium plate manufactured through the usual melting process, and the rigidity cannot be secured unless the plate thickness is increased.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、チタン材、特に内部に空隙を有する軽量で剛性の高いチタン材と、このチタン材を低コストで効率よく製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a titanium material, in particular, a lightweight and highly rigid titanium material having voids inside, and a method for efficiently manufacturing the titanium material at low cost. The purpose is to
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、通常の溶解工程や鍛造工程を省略して、スポンジチタンをそのまま使って、直接加工(熱間圧延等)を行い、チタン板を製造することにより、製造工程を大幅に簡略化しながら軽量で剛性のあるチタン複層材を製造できることを知見した。 As a result of repeated intensive studies to solve the above problems, the present inventors omit the usual melting step and forging step, use titanium sponge as it is, and perform direct processing (hot rolling etc.), It has been found that by manufacturing a titanium plate, a lightweight and rigid titanium multilayer material can be manufactured while greatly simplifying the manufacturing process.
使用する原料として、不定形で塊状のスポンジチタンを用いる。塊状のスポンジチタンは、従来の工程で製造されているため、比較的安価に入手できる。また、製錬工程において、主な不純物(酸素等)が除去されているため、スポンジチタンから、直接、チタン材を製造しても化学成分の問題はない。 As a raw material to be used, amorphous and massive sponge titanium is used. Since the lump-shaped titanium sponge is manufactured by the conventional process, it can be obtained relatively inexpensively. Further, since the main impurities (oxygen etc.) are removed in the smelting process, there is no problem in chemical composition even if the titanium material is directly produced from titanium sponge.
スポンジチタンを圧縮成形することによってブリケット形状としたもの(以下、「チタンブリケット」という。)、または、製品にはならない端材等のチタン材(以下、「チタンスクラップ」という。)も比較的安価に入手できる。ただし、これらの材料は不定形であるため、直接加工することはできない。 A briquette shape made by compression-molding titanium sponge (hereinafter referred to as "titanium briquette"), or a titanium material such as a scrap that does not become a product (hereinafter referred to as "titanium scrap") is relatively inexpensive. Available at. However, since these materials are amorphous, they cannot be processed directly.
本発明者らは、工業用純チタン展伸材を用いて作製した容器(以下、「梱包材」という。)に、スポンジチタンなどの充填材を収容し、密閉したチタン内包構造体を見出した。このような構成のチタン内包構造体であれば、熱間加工した際に、表面割れやヘゲ状等の表面欠陥の発生を抑制できる。 The present inventors have found a sealed titanium-containing structure in which a container made of an industrial pure titanium wrought material (hereinafter referred to as “packing material”) contains a filler such as sponge titanium. . With the titanium-encapsulated structure having such a structure, it is possible to suppress the occurrence of surface defects such as surface cracks and whiskers during hot working.
特に、充填材の化学組成を工業用純チタン展伸材と同種のものにすることによって、従来のパック圧延のように圧延後にカバー材を剥がして廃却する必要はなく、梱包材は、加工後もそのままチタン複層材(製品)の一部として用いることができる。 In particular, by making the chemical composition of the filler the same type as the industrial pure titanium wrought material, it is not necessary to peel off the cover material after rolling like the conventional pack rolling and discard it, and the packaging material is processed. After that, it can be used as it is as a part of the titanium multilayer material (product).
また、本発明者らは、熱間加工前に加熱した際に、スポンジチタンなどの充填材が酸化しないように、また、熱間加工時に充填材間や充填材と梱包材の間に存在する空隙が減少し易いように、梱包材の内圧を極力減圧しておくことが重要であることも知見した。 Further, the inventors of the present invention prevent the filler such as titanium sponge from being oxidized when heated before hot working, and exist between the fillers or between the filler and the packing material during hot working. It was also found that it is important to reduce the internal pressure of the packaging material as much as possible so that the voids can be easily reduced.
さらに、本発明者らは、チタン複層材を軽量にするためには、内部の空隙率を大きくする必要があり、このために、チタン内包構造体を熱間加工あるいは冷間加工する際の加工率が重要であることや、加工後のチタン複層板の表層(元のチタン展伸材)と内部(元のスポンジチタンやチタンスクラップ)の境界部の剥離を防ぐためには、加工後に圧力を加えながら加熱することが重要であることを知見した。 Furthermore, the present inventors need to increase the internal porosity in order to reduce the weight of the titanium multilayer material. Therefore, when the titanium-containing structure is hot-worked or cold-worked, In order to prevent the peeling of the boundary between the surface layer (original titanium wrought material) and the inside (original titanium sponge or titanium scrap) of the processed titanium multi-layer plate after processing, it is important to apply pressure after processing. It was found that it is important to heat while adding.
本発明は、これらの新規な知見に基づいて完成したものであり、以下に列記の通りである。 The present invention has been completed based on these novel findings, and is as listed below.
(1)JIS1〜4種に属する化学組成を有し、内部に圧縮成形体を備えるとともに表層にチタン展伸材を備え、
前記圧縮成形体は、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上からなるとともに空隙率が30%超60%以下である、チタン複層材。
(1) It has a chemical composition belonging to JIS 1 to 4 types, a compression molded body is provided inside, and a titanium wrought material is provided on the surface layer.
The compression-molded body is a titanium multilayer material, which comprises one or more kinds selected from titanium sponge and titanium scrap, and has a porosity of more than 30% and 60% or less.
(2)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該梱包材の内部に充填された充填材とを備えるチタン内包構造体であって、
前記梱包材の内圧が絶対圧で10Pa以下であり、
前記充填材が、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成されるとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有する、1項に記載のチタン複層材の圧縮加工素材。
(2) A titanium-containing structure including a packing material made of an industrial pure titanium wrought material and a packing material filled inside the packing material.
The internal pressure of the packaging material is 10 Pa or less in absolute pressure,
The compression processing of the titanium multilayer material according to item 1, wherein the filler is composed of one or more kinds selected from titanium sponge and titanium scrap, and has the same chemical composition as the industrial pure titanium wrought material. Material.
(3)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該梱包材の内部に充填された充填材とを備え、前記梱包材の内圧が絶対圧で10Pa以下であり、前記充填材が、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成されるとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有するチタン内包構造体を圧縮加工した後、厚さ方向に圧力を付与しながら熱処理して得られる、1項に記載のチタン複層材。 (3) A packing material made of an industrial pure titanium wrought material and a packing material filled inside the packing material, the internal pressure of the packing material is 10 Pa or less in absolute pressure, and the packing material is After compressing a titanium-containing structure that is composed of one or more selected from titanium sponge and titanium scrap and has the same chemical composition as the industrial pure titanium wrought material, pressure is applied in the thickness direction. The titanium multi-layer material as described in 1 above, which is obtained by heat treatment.
(4)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該梱包材の内部に充填された充填材とを備え、前記梱包材の内圧が絶対圧で10Pa以下であり、前記充填材が、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成されるとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有するチタン内包構造体に圧縮加工を行う、1項に記載のチタン複層材の製造方法。 (4) A packing material made of an industrial pure titanium wrought material and a packing material filled inside the packing material, wherein the packing material has an internal pressure of 10 Pa or less in absolute pressure, and the packing material is The titanium multi-layer according to item 1, which is composed of at least one selected from titanium sponge and titanium scrap, and which is compression-processed into a titanium-containing structure having the same chemical composition as the industrial pure titanium wrought material. Method of manufacturing wood.
(5)前記圧縮加工を行った後に、厚さ方向に圧力を付与しながら熱処理する、4項に記載のチタン複層材の製造方法。 (5) The method for producing a titanium multilayer material according to item 4, wherein after the compression processing, heat treatment is performed while applying pressure in the thickness direction.
本発明によれば、表層がチタン展伸材からなるとともに内部が空隙の多いスポンジチタンからなるため、軽量でかつ剛性が高く、しかも安価なチタン複層材を得られる。 According to the present invention, since the surface layer is made of titanium wrought material and the inside is made of sponge titanium with many voids, it is possible to obtain a titanium multilayer material which is lightweight, has high rigidity, and is inexpensive.
また、本発明によれば、チタン内包構造体を用いることにより、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して加工を行い、本発明に係るチタン複層材を製造することができる。このため、これらの製造に要するエネルギー(電力やガスなど)を大幅に削減できる。 Further, according to the present invention, by using the titanium-containing structure, it is possible to perform the processing by omitting the conventional melting step and forging step, and to manufacture the titanium multilayer material according to the present invention. Therefore, the energy (electric power, gas, etc.) required for manufacturing these can be significantly reduced.
さらに、本発明によれば、チタン鋳塊の表層や底面に多い欠陥部の切削除去や、鍛造後の表面割れや形状の悪い先後端部(クロップ)の除去など、多量のチタン素材を切削除去や切断除去することなく、本発明に係るチタン複層材を製造できるため、製造歩留が大幅に向上する。このため、本発明によれば、チタン複層材の製造コストを大幅に低減することができる。 Further, according to the present invention, a large amount of titanium material is removed by cutting, such as cutting and removing many defective portions on the surface layer and bottom surface of a titanium ingot, and removing surface cracks and bad front and rear ends (crops) after forging. Since the titanium multilayer material according to the present invention can be manufactured without cutting or removing, the manufacturing yield is significantly improved. Therefore, according to the present invention, the manufacturing cost of the titanium multilayer material can be significantly reduced.
以下、本発明に係るチタン内包構造体およびチタン複層材を説明する。以降の説明では、本発明に係るチタン複層材がチタン複層板である場合を主に例にとるが、本発明は、チタン複層板には限定されず、チタン複層管やチタン複層棒等にも同様に適用される。また、以降の説明では、化学組成に関する「%」は特に断りがない限り「質量%」を意味する。 Hereinafter, the titanium-containing structure and the titanium multilayer material according to the present invention will be described. In the following description, the case where the titanium multi-layer material according to the present invention is a titanium multi-layer plate will be mainly taken as an example, but the present invention is not limited to the titanium multi-layer plate, and the titanium multi-layer pipe or the titanium multi-layer plate. The same applies to layer bars and the like. Further, in the following description, “%” regarding the chemical composition means “mass%” unless otherwise specified.
1.全体構成
図1は、本発明に係るチタン複層板10の構成を模式的に示す説明図であり、図2は、本発明に係るチタン内包構造体1の構成を模式的に示す説明図である。
1. Overall Structure FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the structure of a
本発明に係るチタン複層板10の素材となるチタン内包構造体1は、チタン梱包材2により覆われた内部が真空であって、スポンジチタンを格納したものである。
The titanium-containing structure 1 as a material of the
図2に示すように、本発明に係るチタン内包構造体1は、純チタン材で形成された梱包材2と、梱包材2の内部に充填された充填材3とを備えるチタン材であって、梱包材2の内圧が、10Pa以下であり、充填材3が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成され、かつ梱包材2の純チタン材と同種の化学組成を有する、加工用素材である。 As shown in FIG. 2, a titanium-containing structure 1 according to the present invention is a titanium material including a packing material 2 formed of a pure titanium material and a packing material 3 filled in the packing material 2. The packing material 2 has an internal pressure of 10 Pa or less, the filler 3 is composed of one or more kinds selected from titanium sponge, titanium briquette and titanium scrap, and has the same chemical composition as the pure titanium material of the packing material 2. It is a processing material that we have.
2.充填材3
まず、充填材3について説明する。
2. Filling material 3
First, the filler 3 will be described.
(2−1)大きさ
充填材3としてスポンジチタンを用いる場合には、従来のクロール法などの製錬工程で製造されるものを用いることができる。この製錬工程で得られたスポンジチタンは、通常数tonもある大きな塊であるため、従来工程と同様に、破砕して平均粒径で30mm以下の粒にしたものを用いることが望ましい。
(2-1) Size When sponge titanium is used as the filler 3, a filler manufactured by a conventional smelting process such as the Kroll method can be used. The sponge titanium obtained in this smelting step is usually a large lump of several tons, so it is desirable to crush it into particles having an average particle size of 30 mm or less, as in the conventional step.
充填材3の粒の大きさは、梱包材2の内部空間の大きさよりも小さくしなければならない。また、充填材3は、そのまま梱包材2に充填してもよいが、より効率的にするため、予めスポンジチタンを圧縮成形した成形体(チタンブリケット)としてもよい。特に、空隙率の小さいチタン複層板10を得る場合は、チタンブリケットを充填材として梱包材2の内部に充填するのが望ましい。
The size of the particles of the filling material 3 must be smaller than the size of the internal space of the packing material 2. The packing material 2 may be directly packed in the packing material 2, but in order to make it more efficient, it may be a molded body (titanium briquette) in which sponge titanium is compression-molded in advance. In particular, when obtaining the
チタンブリケットの空隙率は30%を超え、60%以下となるように圧縮成形することが望ましい。チタンブリケットの空隙率が30%以下では、得られるチタン複層板10の空隙率も30%以下になるため所望の特性が得られない。さらに、後工程の熱間加工と熱処理により充填材(チタンブリケット)3と梱包材2を接合させるためには、チタンブリケットの空隙率は40%以上であることが望ましい。一方、チタンブリケットの空隙率が60%を超えると、チタンブリケットの強度が小さく脆くなるため、その形状を保ち難くなる。
It is desirable to perform compression molding so that the porosity of the titanium briquette exceeds 30% and is 60% or less. When the porosity of the titanium briquette is 30% or less, the desired properties cannot be obtained because the porosity of the obtained
充填材3の大きさは、平均粒径で1mm以上30mm以下であることが望ましい。平均粒径が1mm未満では、破砕するのに時間がかかり、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が悪くなる。一方、平均粒径が30mmより大きいと、チタン複層板10の空隙の大きさや分布にむらができる。
It is desirable that the filler 3 has an average particle size of 1 mm or more and 30 mm or less. If the average particle size is less than 1 mm, it takes time to crush and a large amount of fine dust is scattered, resulting in poor manufacturing efficiency. On the other hand, when the average particle size is larger than 30 mm, the size and distribution of the voids in the
(2−2)化学組成
充填材3は、梱包材2、すなわち純チタン材と同種の化学組成であることが必要である。例えば、JIS1種、JIS2種、JIS3種またはJIS4種に相当する化学組成である。ここで、同種の化学組成であることとは、具体的には、JISの同じ規格に属することを意味する。例えば、梱包材2の化学組成がJIS1種に属する場合には、充填材もJIS1種に属する化学組成とする。このように、充填材3の化学組成を、純チタン材と同種の化学組成とすることにより、加工後のチタン複層板10の表層と内部とを同等の化学組成とすることができ、そのまま工業用純チタンとして扱うことができる。
(2-2) Chemical Composition The filler 3 needs to have the same chemical composition as the packaging material 2, that is, the pure titanium material. For example, the chemical composition corresponds to JIS type 1, JIS type 2, JIS type 3 or JIS type 4. Here, having the same kind of chemical composition means specifically belonging to the same JIS standard. For example, when the chemical composition of the packing material 2 belongs to JIS type 1, the packing material also has a chemical composition belonging to JIS type 1. In this way, by setting the chemical composition of the filler 3 to be the same as that of the pure titanium material, the surface layer and the inside of the processed
なお、JIS1種とは、酸素:0.15%以下、鉄:0.20%以下、窒素:0.03%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、
JIS2種とは、酸素:0.20%以下、鉄:0.25%以下、窒素:0.03%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、
JIS3種とは、酸素:0.30%以下、鉄:0.30%以下、窒素:0.05%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、
JIS4種とは、酸素:0.40%以下、鉄:0.50%以下、窒素:0.05%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下である。
The JIS class 1 means oxygen: 0.15% or less, iron: 0.20% or less, nitrogen: 0.03% or less, carbon: 0.08% or less, hydrogen: 0.013% or less,
JIS type 2 means oxygen: 0.20% or less, iron: 0.25% or less, nitrogen: 0.03% or less, carbon: 0.08% or less, hydrogen: 0.013% or less,
JIS class 3 means oxygen: 0.30% or less, iron: 0.30% or less, nitrogen: 0.05% or less, carbon: 0.08% or less, hydrogen: 0.013% or less,
JIS 4 type is oxygen: 0.40% or less, iron: 0.50% or less, nitrogen: 0.05% or less, carbon: 0.08% or less, hydrogen: 0.013% or less.
次に、充填材3として用いることができるチタンスクラップを説明する。 Next, a titanium scrap that can be used as the filler 3 will be described.
チタンスクラップとは、工業用純チタン材の製造工程で発生する製品にならない端材や、工業用純チタン素材を製品形状とするために切削、研削した際に発生するチタン切粉、製品として使用した後の不要になった工業用純チタン材等である。 Titanium scrap is used as a product such as a scrap material that does not become a product generated in the manufacturing process of industrial pure titanium material, titanium chips generated when cutting and grinding to make the industrial pure titanium material into a product shape. It is a pure titanium material for industrial use that is no longer needed.
チタンスクラップの大きさは、スポンジチタンと同等の平均粒径で1mm以上30mm以下になるように切断や破砕することが望ましい。平均粒径が1mm未満であると、切断や破砕するのに時間がかかり、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が悪くなる。一方、平均粒径が30mmより大きいと、チタン複層板10の空隙の大きさや分布にむらが発生する。
It is desirable that the size of the titanium scrap be cut or crushed so that the average particle size is the same as that of titanium sponge and is 1 mm or more and 30 mm or less. If the average particle size is less than 1 mm, it takes time to cut or crush, and many fine dust particles are scattered, resulting in poor production efficiency. On the other hand, when the average particle diameter is larger than 30 mm, the size and distribution of the voids in the
チタンスクラップは、そのままの状態で梱包材2に充填してもよいが、かさ比重の小さいチタン切粉等は、より効率的に、またはより多く充填するために、予めスポンジチタンと混合した後で圧縮成形したり、チタンスクラップだけで圧縮成形した成形体として、梱包材2に充填してもよい。このチタンスクラップの成形体の空隙率はスポンジチタンだけの場合と同様、30%を超え、60%以下となるように圧縮成形することが望ましい。 Titanium scrap may be packed in the packing material 2 as it is, but titanium chips or the like having a low bulk specific gravity should be mixed in advance with titanium sponge in order to be packed more efficiently or more. The packing material 2 may be filled as a molded body that is compression molded or compression molded only with titanium scrap. As in the case of titanium sponge alone, it is desirable to perform compression molding so that the porosity of the titanium scrap compact exceeds 30% and 60% or less.
3.梱包材2
次に、梱包材2を形成する純チタン材を説明する。
3. Packing material 2
Next, the pure titanium material forming the packing material 2 will be described.
純チタン材としては、例えば、チタン展伸材が挙げられる。チタン展伸材は、圧延、押出し、引抜き、鍛造などの熱間または冷間の塑性加工によって造られたチタン板やチタン管である。工業用純チタン展伸材は、塑性加工されているため、表面が平滑で組織が細かい(結晶粒が小さい)という利点がある。 Examples of pure titanium materials include titanium wrought materials. The titanium wrought material is a titanium plate or a titanium tube produced by hot or cold plastic working such as rolling, extrusion, drawing, or forging. Since the industrial pure titanium wrought material is plastically worked, it has the advantage of having a smooth surface and a fine structure (small crystal grains).
(3−1)厚さ
梱包材2が直方体の場合、純チタン材の厚さは、作製する梱包材2の大きさによって異なるが、0.5mm以上であることが望ましい。梱包材2が大きいほど、強度や剛性が必要であるため、より厚い純チタン材を用いる。
(3-1) Thickness When the packaging material 2 is a rectangular parallelepiped, the thickness of the pure titanium material is preferably 0.5 mm or more, although it depends on the size of the packaging material 2 to be manufactured. As the packing material 2 is larger, the strength and rigidity are required, so a thicker pure titanium material is used.
純チタン材の厚さが0.5mm未満であると、熱間加工前の加熱時に梱包材2が変形したり、熱間加工初期に破断したりする可能性があるので好ましくない。純チタン材の厚さの上限は特になく、所望のチタン複層板10の厚さによって決められる。
If the thickness of the pure titanium material is less than 0.5 mm, the packaging material 2 may be deformed at the time of heating before hot working or may be broken at the beginning of hot working, which is not preferable. There is no particular upper limit on the thickness of the pure titanium material, and it is determined by the desired thickness of the
さらに、純チタン材の厚さは、チタン内包構造体1の厚さの3%以上40%以下であることが望ましい。純チタン材の厚さが、チタン内包構造体1の厚さの3%より薄いと、充填材を保持し難くなり、熱間加工前の加熱時に大きく変形したり、梱包材2の溶接部分が破断したりする。一方、純チタン材の厚さが、チタン内包構造体の厚さの40%より厚いと、製造上の問題は特にないものの、チタン内包構造体1の厚さに占める純チタン材の割合が大きくなり、充填材3の充填量が少なくなるため、得られるチタン複層板10の軽量効果が少なくなる。
Further, the thickness of the pure titanium material is preferably 3% or more and 40% or less of the thickness of the titanium-containing structure 1. If the thickness of the pure titanium material is less than 3% of the thickness of the titanium-containing structure 1, it becomes difficult to hold the filler, and the filler is largely deformed during heating before hot working, and the welded portion of the packaging material 2 is It breaks. On the other hand, if the thickness of the pure titanium material is more than 40% of the thickness of the titanium-containing structure, there is no particular problem in manufacturing, but the proportion of the pure titanium material in the thickness of the titanium-containing structure 1 is large. Since the filling amount of the filler 3 is reduced, the light weight effect of the obtained
梱包材2が管である場合も同様で、作製する梱包材2の大きさによって純チタン材の厚さは、異なるものの、0.5mm以上であることが望ましい。さらに、直方体の場合と同様、純チタン材の厚さは、チタン内包構造体1の直径の3%以上40%以下であることが望ましい。 The same applies to the case where the packing material 2 is a tube, and the thickness of the pure titanium material is preferably 0.5 mm or more, although it varies depending on the size of the packing material 2 to be manufactured. Furthermore, as in the case of the rectangular parallelepiped, the thickness of the pure titanium material is preferably 3% or more and 40% or less of the diameter of the titanium-containing structure 1.
(3−2)成分
梱包材2は、充填材3と同種の化学組成を有することが必要である点は、上述のとおりである。
(3-2) Component The packaging material 2 needs to have the same chemical composition as the filler 3, as described above.
(3−3)結晶粒の大きさ
純チタン材は、適度な塑性加工を施して熱処理することにより、その結晶粒を調整することができる。梱包材2に用いる純チタン材の平均結晶粒径は、円相当直径で500μm以下にする。これにより、チタン内包構造体1を熱間加工した場合に発生する粗大な結晶の結晶方位の違いに起因する表面疵の発生を抑制することができる。
(3-3) Size of Crystal Grain The crystal grain of the pure titanium material can be adjusted by subjecting it to appropriate plastic working and heat treatment. The average crystal grain size of the pure titanium material used for the packing material 2 is 500 μm or less in terms of circle equivalent diameter. As a result, it is possible to suppress the occurrence of surface defects due to the difference in crystal orientation of coarse crystals that occurs when the titanium-containing structure 1 is hot-worked.
梱包材2に用いる純チタン材の平均結晶粒径の下限は、特に定めるものではないが、工業用純チタンで結晶粒径を極端に小さくするためには塑性加工時の加工割合を大きくすることが必要になり、梱包材として使用できる純チタン材の厚さが限られる。このため、梱包材2に用いる純チタン材の平均結晶粒径は、好ましくは10μm以上であり、さらには好ましくは15μmである。ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンで大半を占めるα相の結晶粒である。 The lower limit of the average crystal grain size of the pure titanium material used for the packing material 2 is not particularly specified, but in order to make the crystal grain size extremely small in the case of industrial pure titanium, increase the processing ratio during plastic working. Therefore, the thickness of the pure titanium material that can be used as a packaging material is limited. Therefore, the average crystal grain size of the pure titanium material used for the packing material 2 is preferably 10 μm or more, and more preferably 15 μm. The crystal grains of interest here are α-phase crystal grains that account for the majority of industrial pure titanium.
なお、平均結晶粒径は、次のようにして算出される。すなわち、純チタン材の断面の組織を光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、JIS G 0551(2005)に準拠した切断法により、純チタン材の表層の平均結晶粒径を求める。 The average crystal grain size is calculated as follows. That is, the structure of the cross section of the pure titanium material was observed with an optical microscope and photographed, and from the structure photograph, the average crystal grain size of the surface layer of the pure titanium material was determined by a cutting method according to JIS G 0551 (2005). Ask.
4.チタン内包構造体1
次に、チタン内包構造体1を説明する。
4. Titanium inclusion structure 1
Next, the titanium-containing structure 1 will be described.
(4−1)形状
チタン内包構造体1の形状は、特に制限されるものではないが、製造される複層チタン板10の形状によって決められる。チタン薄板やチタン厚板を製造する場合は、チタン内包構造体1は直方体形状(スラブ)とする。チタン内包構造体1の厚さ、幅および長さは、製品の厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。
(4-1) Shape The shape of the titanium-containing structure 1 is not particularly limited, but is determined by the shape of the manufactured
チタン丸棒、線材または押出し形材を製造する場合は、チタン内包構造体1は円柱形や八角柱などの多角柱形状(ビレット)である。その大きさ(直径、長さ)は、製品の大きさ厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。 When manufacturing a titanium round bar, a wire rod, or an extruded shape member, the titanium-containing structure 1 has a polygonal columnar shape (billet) such as a columnar shape or an octagonal column. The size (diameter, length) is determined by the size, thickness, width and length of the product, the production amount (weight), and the like.
(4−2)内部
チタン内包構造体1の内部には、スポンジチタンなどの充填材3が充填されている。充填材3は、塊状の粒であるため、粒と粒の間には空隙4がある。この空隙4に空気が存在すると、熱間加工前の加熱した際に、充填材3が、酸化や窒化してしまい、その後に加工して得られたチタン複層板10が脆くなって、必要な材料特性が得られなくなる。また、Arガスなどの不活性ガスを充填すると、スポンジチタンの酸化または窒化を抑制することができる。しかし、加熱時にArガスが熱膨張し、梱包材2を押し広げ、チタン内包構造体1が変形してしまい、熱間加工ができなくなる。
(4-2) Inside The inside of the titanium-containing structure 1 is filled with a filler 3 such as titanium sponge. Since the filler 3 is a lumpy grain, there is a void 4 between the grains. When air is present in the voids 4, the filler 3 is oxidized or nitrided when heated before hot working, and the
以上のことから、充填材3の粒間の空隙4は、極力減圧にしなければならない。具体的には、梱包材2の内圧(空隙4の圧力)は、10Pa以下であり、好ましくは1Pa以下である。梱包材2の内圧が10Paより大きいと、残留している空気により、充填材3が酸化や窒化してしまう。梱包材2の内圧の下限は、特に限定されない。しかし、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を高めたり、真空排気機器を増強するなどにより製造コストが上昇するため、梱包材2の内圧の下限は1×10−3Paとすることが望ましい。 From the above, the voids 4 between the particles of the filler 3 should be decompressed as much as possible. Specifically, the internal pressure of the packaging material 2 (pressure in the void 4) is 10 Pa or less, preferably 1 Pa or less. When the internal pressure of the packing material 2 is larger than 10 Pa, the filler 3 is oxidized or nitrided by the remaining air. The lower limit of the internal pressure of the packing material 2 is not particularly limited. However, in order to reduce the internal pressure to an extremely low level, the manufacturing cost is increased by increasing the airtightness of the device or increasing the vacuum exhaust equipment. Therefore, the lower limit of the internal pressure of the packaging material 2 is 1 × 10 −3 Pa. It is desirable to do.
(4−3)減圧方法
次に、梱包材2の内部を減圧して真空に保つ方法を説明する。
(4-3) Decompression Method Next, a method of decompressing the inside of the packaging material 2 to maintain a vacuum will be described.
梱包材2は、充填材3を充填した後、所定の内圧以下になるように減圧して密閉されたものである。あるいは、純チタン材である梱包材2同士を部分的に接合してから、減圧し、密閉してもよい。密閉することにより、空気が侵入することなく、熱間加工前の加熱時に内部の充填材3が酸化されることがない。 After the packing material 2 is filled with the packing material 2, the packing material 2 is depressurized to a predetermined internal pressure or less and hermetically sealed. Alternatively, the packing materials 2, which are pure titanium materials, may be partially joined together, and then the pressure may be reduced and sealed. By hermetically sealing, air does not enter and the filler 3 inside is not oxidized during heating before hot working.
密閉方法は、特に限定されないが、純チタン材である梱包材2同士を溶接して密閉することが好ましい。この場合、溶接位置は、純チタン材の継ぎ目のすべてを溶接して溶接部5を形成する、すなわち全周溶接を行う。純チタン材を溶接する方法は、ティグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接、電子ビーム溶接やレーザー溶接などを用いることができ、特に限定されない。 The sealing method is not particularly limited, but it is preferable to weld and seal the packing materials 2 that are pure titanium materials. In this case, at the welding position, all the seams of the pure titanium material are welded to form the welded portion 5, that is, the entire circumference welding is performed. The method of welding the pure titanium material may be arc welding such as TIG welding or MIG welding, electron beam welding or laser welding, and is not particularly limited.
充填材3および梱包材2の内面が酸化または窒化されないように、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気で溶接する。純チタン材である梱包材2のつなぎ目を最後に溶接する場合は、梱包材2を真空雰囲気の容器(チャンバー)に入れて溶接を行い、梱包材2の内部を真空に保つことが望ましい。 Welding is performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere so that the inner surfaces of the filler 3 and the packing material 2 are not oxidized or nitrided. When the joint of the packing material 2 which is a pure titanium material is to be welded last, it is desirable to put the packing material 2 in a container (chamber) in a vacuum atmosphere and perform welding to keep the inside of the packing material 2 in a vacuum.
その他、予め、梱包材2の一部に配管を設けて、不活性ガス雰囲気で全周を溶接した後、その配管を通じて所定の内圧にまで減圧し、配管を圧着などにより封じることにより、梱包材2の内部を真空にしてもよい。なお、この場合、配管は、後工程の熱間加工の際に不具合にならない位置、例えば、後端面に施工することが望ましい。 In addition, by providing piping in part of the packing material 2 in advance and welding the entire circumference in an inert gas atmosphere, the pressure is reduced to a predetermined internal pressure through the piping, and the piping is sealed by crimping or the like. The inside of 2 may be evacuated. In this case, it is desirable that the pipe is installed at a position that does not cause a problem during the hot working in the subsequent process, for example, at the rear end face.
5.チタン複層板10
(5−1)全体構成
次に、チタン複層板10を説明する。
5.
(5-1) Overall Configuration Next, the
本発明に係るチタン複層板10は、JIS1種、JIS2種、JIS3種またはJIS4種に属する化学組成を有し、内部に圧縮成形体11を備えるとともに、表層にチタン展伸材12を備える。
The
圧縮成形体11は、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上からなるとともに空隙率が30%超60%以下である。本発明に係るチタン複層板10は、具体的には、チタン内包構造体1を加熱した後、熱間加工すること、またはさらに冷間加工することによって得られる工業用純チタンである。
The compression molded
チタン複層板10は、加工前のチタン内包構造体1において、梱包材2であった外層と充填材3であった内層の2つの構造からなる。以下、チタン複層板10の内部とは、この内層のことを意味する。
The
上述したように、梱包材2および充填材3それぞれの化学組成は同種であるため、チタン複層板10の化学組成は、外層および内層が同種の化学組成である。具体的には、JIS1〜4種に属する化学組成を有する。
As described above, since the packing material 2 and the filling material 3 have the same chemical composition, the
(5−2)空隙率
チタン内包構造体1の内部に存在している空隙4は、チタン内包構造体1を熱間加工、またはさらに冷間加工に伴い減少するものの、所定の量残存させる。すなわち、空隙率は30%超60%以下である。空隙率が30%を下回ると、チタン複層板10の嵩比重が大きくなって重量が増加し、チタン複層板10の軽量化を図ることができなくなる。一方、空隙率が60%を越えると、チタン複層板10の内部(熱間加工する前には充填材3であった部分)の強度が低いため、チタン複層板10に曲げ加工等の加工を施した際に、チタン複層板10の内部が崩れて形状を維持できなくなる。すなわち、製品として使用できる剛性、強度さらには延性を確保でき、かつ軽量なチタン材を得るために、チタン複層板10の内部は体積率で30%超60%以下の空隙を有する。
(5-2) Porosity The voids 4 existing inside the titanium-containing structure 1 are reduced by hot working or cold working of the titanium-containing structure 1, but are left in a predetermined amount. That is, the porosity is more than 30% and 60% or less. When the porosity is less than 30%, the bulk specific gravity of the
チタン複層板10の内部に残存する空隙の割合(空隙率)は、次のように算出される。チタン複層板10の内部の断面が観察できるようにチタン複層板10を切断して、その断面の観察面を研磨し、平均表面粗さRaが0.2μm以下である鏡面化仕上げを行い、観察用試料を作製する。研磨の際には、ダイヤモンドまたはアルミナ研濁液等を用いる。
The ratio of voids remaining inside the titanium multilayer plate 10 (void ratio) is calculated as follows. The
この鏡面化仕上げを行った観察用試料は、光学顕微鏡で異なる位置の20か所の中心部を写真撮影する。ここで、中心部は、チタン複層板10の場合は板厚中心であり、チタン複層丸棒の場合には円断面の中心である。その光学顕微鏡写真により観察される空隙の面積割合を測定し、20枚の写真の空隙率の値を平均した結果を空隙率として算出する。
The observation sample that has been mirror-finished is photographed with an optical microscope at 20 different central portions. Here, the central portion is the center of the plate thickness in the case of the
なお、光学顕微鏡で写真を撮影する際には、チタン複層板10の空隙の大きさや空隙率に応じて適正な倍率を選択する。本発明に係るチタン複層板10の空隙率は30%超と大きいので、10〜20倍程度の低倍率で観察を行い写真撮影することが望ましい。
When taking a photograph with an optical microscope, an appropriate magnification is selected according to the size and the porosity of the
チタン複層板10の内部に空隙が発生する理由は、充填材3のスポンジチタン粒やチタンスクラップ片の間に形成される空隙4や、充填材3と梱包材2との間に形成される空隙である。これらのチタン内包構造体1に形成される空隙は、熱間加工やその後の冷間加工により小さくなるが、チタン内包構造体1を熱間加工あるいは冷間加工する際の加工率を適宜設定することにより、空隙率を30%超60%以下とする。
The reason why the voids are generated inside the
(5−3)熱間加工の方法
チタン複層板(製品)10は、チタン内包構造体1に熱間加工を施して形成される。熱間加工の方法は、チタン複層材の形状によって異なる。チタン複層板10を製造する場合には、直方体形状(スラブ)のチタン内包構造体1を加熱して、熱間圧延を行いチタン複層板10とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。
(5-3) Hot Working Method The titanium multilayer plate (product) 10 is formed by subjecting the titanium-containing structure 1 to hot working. The method of hot working differs depending on the shape of the titanium multilayer material. When manufacturing the
チタン複層丸棒やチタン複層線材を製造する場合には、円柱や多角柱形状のチタン内包構造体を加熱して、熱間鍛造、熱間圧延や熱間押出しを行い、チタン複層丸棒やチタン複層線材とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延等を行い、さらに細く加工してもよい。 When manufacturing titanium multi-layer rods and titanium multi-layer wire rods, the titanium inclusion structure in the shape of a cylinder or polygonal column is heated and hot-forged, hot-rolled or hot-extruded. Use rods and titanium multi-layer wire rods. If necessary, as in the conventional process, the oxide layer may be removed by pickling or the like, and then cold rolling or the like may be performed to further reduce the thickness.
チタン複層押出し型材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン内包構造体を加熱して、熱間押出しを行い、種々の断面形状のチタン形材とする。 In the case of producing a titanium multi-layer extruded shape material, a titanium-containing structure in the shape of a cylinder or a polygonal pillar is heated and hot extruded to obtain titanium shape materials having various cross-sectional shapes.
(5−4)加熱温度
熱間加工前の加熱温度は、チタン内包構造体1の大きさや熱間加工の加工率によって異なるが、600℃以上1200℃以下である。加熱温度が600℃未満であると、チタン内包構造体1の高温強度が高く、十分な加工率を付与することができない。一方、加熱温度が1200℃より高くなると、得られたチタン複層板10の組織が粗くなり、十分な材料特性が得られないことや、チタン内包構造体1の外表面が酸化されて、厚いスケールが生成し、チタン内包構造体1が薄肉化し、場合によっては穴明きが生じるため好ましくない。
(5-4) Heating Temperature The heating temperature before hot working is 600 ° C. or more and 1200 ° C. or less, although it depends on the size of the titanium-containing structure 1 and the working rate of hot working. If the heating temperature is less than 600 ° C., the high temperature strength of the titanium-containing structure 1 is high and a sufficient processing rate cannot be imparted. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1200 ° C., the structure of the obtained
(5−5)加工率
熱間加工や冷間加工の際の加工の度合い、すなわち加工率(加工前の断面積と加工後のチタン複層材10の断面積の差を、加工前の断面積で除した割合)は、必要なチタン複層材10の特性に応じて調整する。チタン内包構造体1の加工率によって、チタン複層材10の内部(充填材3に由来する部分)の空隙割合を調整することができる。
(5-5) Working ratio Degree of working during hot working or cold working, that is, working ratio (the difference between the cross-sectional area before working and the cross-sectional area of the
大きな加工(チタン内包構造体1の断面積を大きく減少させる加工)を付与すると空隙は殆どなくなり、通常の製法で製造したチタン複層材と同程度の引張特性を付与することができる。一方、小さい加工では、チタン複層材の内部に多くの空隙を残し、その分軽量なチタン材を得ることができる。 When large processing (processing for greatly reducing the cross-sectional area of the titanium-containing structure 1) is applied, voids are almost eliminated, and tensile properties similar to those of the titanium multilayer material manufactured by a normal manufacturing method can be applied. On the other hand, with small processing, many voids are left inside the titanium multi-layer material, and a lightweight titanium material can be obtained accordingly.
熱間加工および冷間加工の合わせた加工率(圧下率)は10%以上であることが望ましい。その理由は、この加工率が10%未満であると、梱包材2と充填材3が全面で密着していないため、後工程の熱処理を行ってもチタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の接合が十分でない。圧下率の上限は、チタン内包構造体1の厚さとチタン複層板10の厚さおよび空隙率から決まる。加工率が大き過ぎると空隙率を30%以上にすることができなくなる。
It is desirable that the combined working ratio (reduction ratio) of hot working and cold working be 10% or more. The reason for this is that if the processing rate is less than 10%, the packing material 2 and the packing material 3 are not in close contact with each other over the entire surface, so that the surface layer of the titanium multilayer plate 10 (original packing The joining of the material 2) and the inside (original filler 3) is not sufficient. The upper limit of the rolling reduction is determined by the thickness of the titanium-containing structure 1, the thickness of the
(5−6)熱処理
チタン内包構造体1の熱間加工の際に、加工率が大きい場合(圧下率35%以上)、梱包材(チタン展伸材)2と接する充填材(スポンジチタンやチタンスクラップ)3は十分に加工されて、梱包材2に高い圧力で押しつけられるため、チタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の境界部は、強固に接合される。このため、熱間加工後のチタン複層板10は、表層と内部の境界部の接合強度を増すための熱処理を施す必要はない。必要に応じて、通常行われている焼鈍を行えばよい。
(5-6) Heat Treatment When hot working the titanium-containing structure 1, if the working rate is large (a rolling reduction of 35% or more), the packing material (titanium wrought material) 2 is in contact with the filler (titanium sponge or titanium). Since the scrap 3 is sufficiently processed and pressed against the packing material 2 with a high pressure, the boundary portion between the surface layer (original packing material 2) and the inside (original packing material 3) of the
一方、加工率が小さい場合(圧下率35%未満)、加工後のチタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の境界部の接合強度が十分ではない。チタン複層板10の剥離を防ぐためには、加工後に板厚方向に圧力を加えながら加熱する熱処理が必要になる。この熱処理によって、チタン複層板10の表層と内部の境界部が一体化して強固に接合される。
On the other hand, when the processing rate is small (reduction rate is less than 35%), the bonding strength at the boundary between the surface layer (original packing material 2) and the inside (original filler material 3) of the
熱処理の方法は、加工後のチタン複層板10を加熱炉に装入して、チタン複層板10の上に重りを載せて加熱する方法(重り方式)、チタン複層板10を金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を真空に減圧し、封入した後に加熱炉に装入して加熱する方法(金属薄板方式)、チタン複層板10を加熱源とともに可塑性の断熱材で覆い、通気性のないシートで密封して内部を真空に減圧後に加熱する方法(シート方式)などがある。
The heat treatment method is a method in which the processed
加熱温度は、650℃以上900℃以下である。加熱温度が650℃より低いとチタン複層板10の表層と内部を十分に接合できない。加熱温度が900℃より高いと、チタン複層板10の表層の組織が粗大化し、チタン複層板10の強度や伸びが低下する。
The heating temperature is 650 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. If the heating temperature is lower than 650 ° C., the surface layer and the inside of the
重り方式の場合、用いる重りは上記の加熱温度でも耐えられる材料であり、鋼,銅,ニッケル,モリブデン,タングステン等の金属や、アルミナやジルコニア等のセラミックスである。重りの重量は、単位面積あたりの荷重で0.3kg/cm2以上3kg/cm2以下であることが望ましい。重りの重量が0.3kg/cm2より少ないと、チタン複層板10の表層と内部を十分に接合できない。一方、重りの重量が3kg/cm2より大きいと、チタン複層材10が変形するために好ましくない。
In the case of the weight method, the weight used is a material that can withstand the above heating temperature, and is a metal such as steel, copper, nickel, molybdenum, or tungsten, or a ceramic such as alumina or zirconia. Weight of the weight is preferably in the load per unit area is 0.3 kg / cm 2 or more 3 kg / cm 2 or less. If the weight of the weight is less than 0.3 kg / cm 2 , the surface layer and the inside of the
金属薄板方式の場合、金属薄板は、炭素鋼,ステンレス,ニッケル等の上記の加熱温度でも耐えられる金属薄板を用いる。金属板の厚さは0.1mm以上1mm以下であることが望ましい。金属薄板の厚さが0.1mmより薄いと、強度が小さくなるため、加熱炉から出し入れする際に破損し易い。一方、金属薄板の厚さが1mmより大きいと、強度が大きくなりチタン複層板を封入する際に加工し難いために好ましくない。 In the case of the metal thin plate method, a metal thin plate such as carbon steel, stainless steel, or nickel that can withstand the above heating temperature is used. The thickness of the metal plate is preferably 0.1 mm or more and 1 mm or less. If the thickness of the metal thin plate is less than 0.1 mm, the strength becomes small, and therefore the metal sheet is easily damaged when it is taken in and out of the heating furnace. On the other hand, if the thickness of the metal thin plate is larger than 1 mm, the strength is increased and it is difficult to process the titanium multi-layer plate when it is sealed, which is not preferable.
チタン複層板10を金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を10Pa以下に減圧し、封入する。これにより、チタン複層板10には、単位面積あたりの荷重で約1.0kg/cm2の圧力が付与される。内圧が10Paより大きいと、残留している空気により、チタン複層板10が酸化や窒化してしまう。内圧の下限は、特に限定されないが、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強する必要を生じ、製造コストが上昇するため、内圧の下限は1×10−3Paとすることが望ましい。
The
シート方式の場合、断熱材は可塑性のあるアルミナ,シリカやジルコニア等からなる耐火セラミック粒子や繊維状の耐火シート等を用いる。チタン複層板10と電気ヒータ等の加熱源を断熱材で覆うことにより、その外周の温度は100℃程度以下に抑えられるため、通気性のないシートには、ポリエステルやポリカーボネイト等のプラスチックフィルムを用いればよい。内部の減圧は、上記の金属薄板のカプセルで封入する場合と同じである。
In the case of the sheet type, as the heat insulating material, refractory ceramic particles made of plastic alumina, silica, zirconia, or the like or fibrous refractory sheet is used. By covering the
実施例を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be described more specifically with reference to Examples.
表1に示すチタン内包構造体1を製造し、このチタン内包構造体に表1に示す製作工程で表1に示すチタン複層板10を製造した。
The titanium-containing structure 1 shown in Table 1 was manufactured, and the titanium-containing
充填材3として使用するスポンジチタンは、クロール法により製造したスポンジチタン(粒度=0.25mm以上19mm以下)で、スポンジチタンA(試料No.19)は化学成分がJIS1種相当のものを、スポンジチタンB(試料No.1〜18,22,24,25)は化学成分がJIS2種相当のものを、スポンジチタンC(試料No.20)は、化学成分がJIS3種相当のものを、スポンジチタンD(試料No.21)は、化学成分がJIS4種相当のものを、それぞれ用いた。 Titanium sponge used as the filler 3 is titanium sponge (particle size = 0.25 mm or more and 19 mm or less) produced by the Kroll method, and titanium sponge A (sample No. 19) has a chemical component equivalent to JIS Class 1 sponge. Titanium B (Sample Nos. 1-18, 22, 24, 25) has a chemical component equivalent to JIS type 2, and Sponge Titanium C (sample No. 20) has a chemical component equivalent to JIS type 3 sponge titanium. As D (Sample No. 21), those having chemical components corresponding to JIS 4 types were used.
また、チタンスクラップとして、JIS2種(酸素含有量0.06%、鉄含有量0.05%、窒素含有量0.002%、炭素含有量0.003%、水素含有量0.028%)の薄板を10〜20mm角に切断したものを一部(試料No.22,23)で使用した。 In addition, as titanium scrap, JIS type 2 (oxygen content 0.06%, iron content 0.05%, nitrogen content 0.002%, carbon content 0.003%, hydrogen content 0.028%) can be used. The thin plate cut into 10 to 20 mm square was used in part (Sample Nos. 22 and 23).
さらに、一部(試料No.24,25)では、スポンジチタンBを圧縮成形して、空隙率40%のチタンブリケットとして梱包材2に充填した。 Furthermore, in some (Sample Nos. 24 and 25), sponge titanium B was compression-molded and filled in the packing material 2 as a titanium briquette having a porosity of 40%.
梱包材2の素材として、工業用純チタン展伸材は、JIS1種(TP270H)(試料No.19)、JIS2種(TP340H)(試料No.1〜18,22,24,25)、JIS3種(TP480H)(試料No.20)、JIS4種(TP550H)(試料No.21)の酸洗した厚板を用いた。事前に、これらの厚板の断面組織を光学顕微鏡で観察して、JIS G 0551(2005)に準拠した切断法により、厚板表層のα相の平均結晶粒径を求めた。その結果は、いずれも17μm以上30μm以下の範囲にあり、微細であることを確認した。 As a material of the packing material 2, the industrial pure titanium wrought material is JIS type 1 (TP270H) (sample No. 19), JIS type 2 (TP340H) (samples No. 1 to 18, 22, 24, 25), JIS type 3 (TP480H) (Sample No. 20) and JIS4 type (TP550H) (Sample No. 21) pickled thick plates were used. The cross-sectional structures of these thick plates were observed in advance with an optical microscope, and the average crystal grain size of the α phase of the surface layer of the thick plates was determined by the cutting method based on JIS G 0551 (2005). The results were all in the range of 17 μm or more and 30 μm or less, and were confirmed to be fine.
工業用純チタン材の5枚を仮組みし、ここにスポンジチタン、チタンスクラップやチタンブリケットを充填して残りの工業用純チタン展伸材であるチタン梱包材2で蓋をした。 Five pieces of industrial pure titanium materials were temporarily assembled, and titanium sponge, titanium scrap, and titanium briquette were filled therein, and the lid was covered with the remaining titanium packing material 2 which was pure titanium expanded material for industrial use.
この状態で、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧(真空)した後、梱包材2の継ぎ目を全周電子ビームで溶接した。この時のチャンバー内の圧力は、1.2×10−2〜9.4×10−2Paとした。 In this state, it was placed in a vacuum chamber and depressurized (vacuum) to a predetermined pressure, and then the seam of the packaging material 2 was welded with an electron beam around the entire circumference. The pressure in the chamber at this time was 1.2 × 10 −2 to 9.4 × 10 −2 Pa.
一部のチタン内包構造体1(試料No.5,16,18)では、チタン梱包材2の中央に穴をあけて内径6mmのチタン管をティグ溶接した工業用純チタン展伸材チタン梱包材2を1枚準備し、この工業用純チタン展伸材チタン梱包材2が圧延時に後端面になるように、チタン内包構造体1の仮組立を行ってから、Arガス雰囲気中で、チタン梱包材2の継ぎ目を全周ティグ溶接した。その後、チタン管を通して、チタン梱包材2の内部を所定の真空度圧力(9.2×10−2〜80Pa)になるまで減圧し、減圧後にチタン管を圧着して、チタン梱包材2の内部の真空度圧力を保った。 In some titanium-encapsulated structures 1 (Sample Nos. 5, 16, and 18), an industrial pure titanium wrought titanium packing material in which a titanium tube having a hole of the center of the titanium packing material 2 and a titanium pipe having an inner diameter of 6 mm is TIG-welded. 2 is prepared, and the titanium enclosing structure 1 is temporarily assembled so that the industrial pure titanium wrought titanium packing material 2 becomes the rear end face during rolling, and then the titanium packing structure 1 is packed in an Ar gas atmosphere. The seam of material 2 was TIG welded all around. After that, through the titanium pipe, the inside of the titanium packing material 2 is depressurized to a predetermined vacuum degree pressure (9.2 × 10 −2 to 80 Pa), and after the depressurization, the titanium pipe is pressure-bonded to the inside of the titanium packing material 2. The vacuum pressure was maintained.
以上のようにして、内部にスポンジチタンやチタンスクラップを充填し、雰囲気が真空(真空度1.2×10−2〜80Pa)であるチタン内包構造体1〜25を用意した。 As described above, titanium-containing structures 1 to 25 were prepared by filling the inside with titanium sponge or titanium scrap and having an atmosphere of vacuum (vacuum degree of 1.2 × 10 −2 to 80 Pa).
作製したチタン内包構造体1〜25は、大気雰囲気で820〜900℃に加熱した後、加工率(圧下率)7〜54%で熱間圧延を行い、チタン複層板1〜25を製作した。 The produced titanium-containing structures 1 to 25 were heated to 820 to 900 ° C. in an air atmosphere and then hot-rolled at a working rate (reduction rate) of 7 to 54% to produce titanium multilayer plates 1 to 25. .
得られたチタン複層材の一部(試料No.4,8,12,15,16,22,23)はそのままで評価を行った。 A part of the obtained titanium multilayer material (Sample No. 4, 8, 12, 15, 16, 22, 23) was evaluated as it was.
また、得られたチタン複層材の他の一部(試料No.13,14,17,18,24,25)は、チタン複層板の上に重りを載せて加熱する重り方式で、Ar雰囲気の加熱炉を用いて750℃で熱処理を行った。ステンレス(SUS304)ブロックからなる重りを、チタン複層材の上面全体に0.9kg/cm2の荷重になるように載せて加熱を行った。 In addition, another part of the obtained titanium multilayer material (Sample Nos. 13, 14, 17, 18, 24, 25) is a weight method in which a weight is placed on a titanium multilayer plate and heated by Ar. Heat treatment was performed at 750 ° C. using an atmosphere heating furnace. A weight made of a stainless (SUS304) block was placed on the entire upper surface of the titanium multilayer material so that a load of 0.9 kg / cm 2 was applied, and heating was performed.
残りのチタン複層材(No.1〜3,5〜7,9〜11,19〜21)は、金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を真空に減圧し、封入した後に、加熱炉に装入して加熱する金属薄板方式で熱処理を行った。金属薄板として厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)を用い、内部にチタン複層材を入れた後、内部を5×10−2Paまで減圧して密封した。このチタン複層材を入れた密封体を、大気雰囲気の加熱炉に入れて700℃〜850℃に加熱した。 The remaining titanium multi-layer material (No. 1-3, 5-7, 9-11, 19-21) is placed in a capsule of a thin metal plate , the inside of the capsule is depressurized to a vacuum, and the capsule is heated. The heat treatment was performed by a thin metal plate method in which the material was charged into a furnace and heated. As a thin metal plate, stainless steel (SUS304) having a thickness of 0.3 mm was used. After a titanium multi-layer material was put inside, the inside was depressurized to 5 × 10 −2 Pa and sealed. The sealed body containing the titanium multilayer material was placed in a heating furnace in the air atmosphere and heated to 700 ° C to 850 ° C.
熱処理後のチタン複層材は、熱処理を行っていないチタン複層材とともに、厚さ方向に切断してその断面を観察して評価した。 The titanium multilayer material after the heat treatment was cut along the thickness direction together with the titanium multilayer material that was not heat treated, and the cross section was observed and evaluated.
結果を表1にまとめて示す。表1における下線は、本発明の範囲外であることを示す。 The results are summarized in Table 1. The underline in Table 1 indicates that it is outside the scope of the present invention.
表1における試料No.1,2,7,9〜24は本発明の条件を全て満足する本発明例であり、試料No.3〜6,8,25は本発明の条件を満足しない比較例である。 Sample No. in Table 1 Sample Nos. 1, 2, 7, 9 to 24 are examples of the present invention that satisfy all the conditions of the present invention. 3 to 6, 8 and 25 are comparative examples which do not satisfy the conditions of the present invention.
試料No.1,2,7,9〜24は、空隙率が31〜59%と本発明の範囲を満足しており、軽量で剛性の高いチタン複層材10を得られた。
Sample No. 1, 2, 7, 9 to 24 have porosity of 31 to 59%, which satisfies the range of the present invention, and the
特に、試料No.12,15,16,22,23では、熱間圧延の圧下率が38%〜54%と大きいため、熱間加工後の熱処理は施さずに熱間加工を行うだけで、表層と内部が十分接合された良好なチタン複層板10が得られる。
In particular, the sample No. In Nos. 12, 15, 16, 22, and 23, the reduction ratio of hot rolling is as large as 38% to 54%, so that the surface layer and the inside are sufficiently satisfactorily processed by hot working without heat treatment after hot working. A good joined
また、スポンジチタンやチタンスクラップ、チタンブリケットを充填したチタン内包構造体を用いた試料No.22〜24は、加工率12〜54%の熱間加工を施し、加工率が小さい(35%未満)場合はその後熱処理を行うことにより、剥離のない良好なチタン複層材10を得られる。
In addition, Sample No. 1 using a titanium-containing structure filled with sponge titanium, titanium scrap, or titanium briquette. Nos. 22 to 24 are subjected to hot working with a working rate of 12 to 54%, and when the working rate is small (less than 35%), heat treatment is performed thereafter to obtain a good
これに対し、試料No.3は、チタン複層材10の内部の空隙率が65%と本発明の範囲の上限を上回るため、内部で剥離が多数発生し、製品として使用することができない。
On the other hand, the sample No. In No. 3, since the porosity inside the
試料No.4は、熱間圧延時の圧下率が20%と小さく、熱処理を施していないため、得られたチタン複層材10の表層と内部が剥離していた。また、試料No.8も、熱間圧延時の圧下率が31%と小さく、熱処理を施していないため、得られたチタン複層材の表層と内部が剥離していた。このため、これらは製品として使用できない。
Sample No. In No. 4, the rolling reduction during hot rolling was as small as 20%, and no heat treatment was performed, so that the surface layer and the inside of the obtained
試料No.5は、チタン内包構造体1を製作する際に、内部の圧力を80Paとした。このため、熱間圧延時の加熱時に、内部のスポンジチタン表面が酸化して、その後の熱間圧延や熱処理ではスポンジチタン同士の接合が弱く、チタン複層材10の内部の一部が剥離して、製品として使用することができない。
Sample No. In No. 5, when the titanium-containing structure 1 was manufactured, the internal pressure was set to 80 Pa. Therefore, the surface of titanium sponge inside is oxidized during heating during hot rolling, and the sponge titanium is weakly bonded to each other in subsequent hot rolling or heat treatment, and a part of the inside of the
さらに、試料No.25は、空隙率40%のチタンブリケットを熱間加工時の圧下率7%で加工し、空隙率35%のチタン複層板10を製作した。熱間加工後に熱処理を施したものの、熱間加工時の圧下率が小さいために、チタン内包構造体1の梱包材2とチタンブリケット3が全面で密着できず、チタン複層材10の一部で表層と内部の境界で剥離が発生した。このため、製品として使用することができない。
Further, the sample No. For No. 25, a titanium briquette having a porosity of 40% was processed at a rolling reduction of 7% during hot working to manufacture a
本発明によれば、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して、チタン内包構造体を製作して、圧延等の圧縮加工を行うことにより、軽量で剛性のあるチタン複層材を製造することができるため、製造に要するエネルギーを削減できる。 According to the present invention, a conventional titanium melting structure and a forging process are omitted, a titanium-containing structure is manufactured, and compression processing such as rolling is performed to manufacture a lightweight and rigid titanium multilayer material. Therefore, the energy required for manufacturing can be reduced.
さらに、本発明によれば、チタン鋳塊の表層や底面に多い欠陥部の切削除去や、鍛造後の表面割れや形状の悪い先後端部(クロップ)の除去など、多量のチタン素材を切削除去や切断除去することなく製造できるため、製造歩留が大幅に向上し、製造コストを大幅に低減することができる。 Furthermore, according to the present invention, a large amount of titanium material is removed by cutting, such as cutting and removing many defects on the surface layer and bottom surface of a titanium ingot, and removing surface cracks and bad front and rear ends (crops) after forging. Since it can be manufactured without cutting and removing, the manufacturing yield is significantly improved, and the manufacturing cost can be significantly reduced.
このように、本発明の産業上の利用可能性は高い。 Thus, the industrial applicability of the present invention is high.
Claims (3)
前記チタン複層材が、JIS1〜4種に属する化学組成を有し、内部に圧縮成形体を備えるとともに表層にチタン展伸材を備え、前記圧縮成形体と前記表層とが接合されており、前記圧縮成形体は、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上からなるとともに空隙率が30%超60%以下であり、
前記チタン内包構造体が、工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該梱包材の内部に充填された充填材とを備え、
前記梱包材の内圧が絶対圧で10Pa以下であり、
前記充填材が、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成されるとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有する、チタン内包構造体。 A titanium-containing structure used for producing a titanium multilayer material,
The titanium multilayer material has a chemical composition belonging to JIS 1 to 4 types, a compression molded body is provided inside and a titanium wrought material is provided on the surface layer, and the compression molded body and the surface layer are joined, the compression molded body state, and are porosity of less than 30% to 60% with composed of one or more selected from the sponge titanium and titanium scrap,
The titanium-containing structure comprises a packing material made of an industrial pure titanium wrought material, and a packing material filled inside the packing material,
The internal pressure of the packaging material is 10 Pa or less in absolute pressure,
A titanium-containing structure in which the filler is composed of one or more kinds selected from titanium sponge and titanium scrap, and has the same chemical composition as the industrial pure titanium wrought material.
チタン複層材の製造方法。 The titanium-containing structure according to claim 1 is subjected to compression processing with a rolling reduction of 35% or more.
Method for manufacturing titanium multilayer material.
チタン複層材の製造方法。 The titanium-encapsulated structure according to claim 1, after being subjected to compression processing with a reduction rate of 10% or more and less than 35%, heat treatment while applying pressure in the thickness direction.
Method for manufacturing titanium multilayer material.
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