JP6787428B2 - Titanium material for hot rolling - Google Patents
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Description
本発明は、熱間圧延用チタン材に関する。 The present invention relates to a titanium material for hot rolling.
チタン材は、耐食性、耐酸化性、耐疲労性、耐水素脆化性、中性子遮断性などの特性に優れている。これらの特性は、チタンに様々な合金元素を添加することにより達成することができる。 Titanium material is excellent in characteristics such as corrosion resistance, oxidation resistance, fatigue resistance, hydrogen embrittlement resistance, and neutron blocking property. These properties can be achieved by adding various alloying elements to titanium.
チタン材料は、その優れた比強度および耐食性から、航空機分野での利用が進んでおり、さらには、自動車および二輪車の排気装置にも多く使用されている。特に、従来のステンレス素材に代わり、車両軽量化の観点から、二輪車を中心としてJIS2種の工業用純チタン材が使われている。さらに、近年では、JIS2種の工業用純チタン材に代わって、より耐熱性が高い耐熱チタン合金が使用されている。また、排気ガスの有害成分除去のため、高温で使用する触媒を搭載したマフラーも使用されている。 Titanium material is being widely used in the aircraft field due to its excellent specific strength and corrosion resistance, and is also widely used in exhaust systems for automobiles and motorcycles. In particular, instead of the conventional stainless steel material, JIS2 type industrial pure titanium material is used mainly for motorcycles from the viewpoint of reducing the weight of the vehicle. Further, in recent years, a heat-resistant titanium alloy having higher heat resistance has been used in place of the JIS2 type industrial pure titanium material. In addition, a muffler equipped with a catalyst used at a high temperature is also used to remove harmful components of exhaust gas.
排気ガスの温度は700℃を超え、一時的には800℃にまで達することがある。そのため、排気装置に用いられる素材には、800℃前後の温度における強度、耐酸化性等が要求され、さらに600〜700℃におけるクリープ速度の高温耐熱性の指標が重要視されるようになってきている。 The temperature of the exhaust gas exceeds 700 ° C. and may temporarily reach 800 ° C. Therefore, the material used for the exhaust device is required to have strength, oxidation resistance, etc. at a temperature of about 800 ° C., and an index of high temperature heat resistance of creep speed at 600 to 700 ° C. is becoming more important. ing.
その一方で、こうした耐熱チタン合金は高温強度を向上させるため、Al、CuおよびNbといった高温強度および耐酸化性を向上させる元素を添加する必要があり、工業用純チタンに比べ高コストである。 On the other hand, in order to improve the high temperature strength of such a heat resistant titanium alloy, it is necessary to add elements such as Al, Cu and Nb that improve the high temperature strength and oxidation resistance, which is higher in cost than pure titanium for industrial use.
特開2001−234266号公報(特許文献1)には、Al:0.5〜2.3%(本明細書では特に断りがない限り化学成分に関する「%」は「質量%」を意味する)を含む冷間加工性および高温強度に優れたチタン合金が開示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-234266 (Patent Document 1), Al: 0.5 to 2.3% (in the present specification, "%" relating to a chemical component means "mass%" unless otherwise specified). A titanium alloy having excellent cold workability and high temperature strength is disclosed.
特開2001−89821号公報(特許文献2)には、Fe:1%超5%以下、O(酸素):0.05〜0.75%を含み、さらにSi:0.01・e0.5[Fe]〜5・e―0.5[Fe]を含む耐酸化性および耐食性に優れたチタン合金([Fe]は合金中の含有率(質量%)を示し、eは自然対数の定数を示す)が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-89921 (Patent Document 2) contains Fe: more than 1% and 5% or less, O (oxygen): 0.05 to 0.75%, and Si: 0.01 · e 0. A titanium alloy containing 5 [Fe] to 5 · e- 0.5 [Fe] and having excellent oxidation resistance and corrosion resistance ([Fe] indicates the content (% by mass) in the alloy, and e is a constant of the natural logarithm. Is disclosed).
特開2005−290548号公報(特許文献3)には、Al:0.30〜1.50%、Si:0.10〜1.0%を含有する冷間加工性に優れる耐熱チタン合金板およびその製造方法が開示されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-290548 (Patent Document 3) describes a heat-resistant titanium alloy plate containing Al: 0.30 to 1.50% and Si: 0.10 to 1.0% and having excellent cold workability. The manufacturing method is disclosed.
特開2009−68026号公報(特許文献4)には、Cu:0.5〜1.8%、Si:0.1〜0.6%、O:0.1%以下を含有し、必要に応じ、Nb:0.1〜1.0%を含有し、残部がTi及び不可避的不純物からなる表面に保護膜を被覆したチタン合金が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-68026 (Patent Document 4) contains Cu: 0.5 to 1.8%, Si: 0.1 to 0.6%, O: 0.1% or less, and is required. Correspondingly, a titanium alloy containing Nb: 0.1 to 1.0% and having a protective film coated on a surface having a balance of Ti and unavoidable impurities is disclosed.
さらに、特開2013−142183号公報(特許文献5)には、Si:0.1〜0.6%、Fe:0.04〜0.2%、O:0.02〜0.15%を含有し、FeとOの含有量総量が0.1〜0.3%であり、残部Tiおよび不可避不純物元素からなる700℃における高温強度、および800℃における耐酸化性に優れるチタン合金が開示されている。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-142183 (Patent Document 5) contains Si: 0.1 to 0.6%, Fe: 0.04 to 0.2%, and O: 0.02 to 0.15%. Disclosed is a titanium alloy containing, having a total content of Fe and O of 0.1 to 0.3%, and having excellent high temperature strength at 700 ° C. and oxidation resistance at 800 ° C. consisting of the balance Ti and unavoidable impurity elements. ing.
チタン材は、通常、以下に示す方法により製造される。まず、クロール法によって、原料である酸化チタンを塩素化して四塩化チタンとした後、マグネシウムまたはナトリウムで還元することにより、塊状でスポンジ状の金属チタン(スポンジチタン)を製造する。このスポンジチタンをプレス成形してチタン消耗電極とし、チタン消耗電極を電極として真空アーク溶解してチタンインゴットを製造する。この際必要に応じて合金元素が添加されて、チタン合金インゴットが製造される。この後、チタン合金インゴットを分塊、鍛造、圧延してチタンスラブとし、さらに、チタンスラブを熱間圧延、焼鈍、酸洗、冷間圧延、および真空熱処理してチタン薄板が製造される。 Titanium material is usually produced by the method shown below. First, by the Kroll process, titanium oxide, which is a raw material, is chlorinated to obtain titanium tetrachloride, and then reduced with magnesium or sodium to produce massive and sponge-like metallic titanium (sponge titanium). This sponge titanium is press-molded into a titanium consumable electrode, and the titanium consumable electrode is used as an electrode to melt in a vacuum arc to manufacture a titanium ingot. At this time, alloying elements are added as needed to produce a titanium alloy ingot. After that, the titanium alloy ingot is agglomerated, forged, and rolled to obtain a titanium slab, and the titanium slab is hot-rolled, annealed, pickled, cold-rolled, and vacuum-heat-treated to produce a titanium thin plate.
また、チタン薄板の製造方法として、チタンインゴットを分塊、水素化粉砕、脱水素、粉末解砕、および分級してチタン粉末を製造し、チタン粉末を粉末圧延、焼結、および冷間圧延して製造する方法も知られる。 In addition, as a method for producing a titanium thin plate, a titanium ingot is agglomerated, hydrogenated, dehydrogenated, powdered, and classified to produce titanium powder, and the titanium powder is powder-rolled, sintered, and cold-rolled. The method of manufacturing is also known.
特開2011−42828号公報(特許文献6)には、チタンインゴットではなくスポンジチタンから直接チタン粉末を製造し、得られるチタン粉末からチタン薄板を製造すべく、チタン金属粉、結着剤、可塑剤、溶剤を含む粘性組成物を薄板状に成形した焼結前成形体を焼結して焼結薄板を製造し、焼結薄板を圧密して焼結圧密薄板を製造し、焼結圧密薄板を再焼結するチタン薄板の製造方法において、焼結薄板の破断伸びを0.4%以上、密度比を80%以上とし、焼結圧密板の密度比を90%以上とする方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-42828 (Patent Document 6) describes titanium metal powder, a binder, and plastics in order to produce titanium powder directly from sponge titanium instead of titanium ingot and to produce a titanium thin plate from the obtained titanium powder. A pre-sintered molded body obtained by molding a viscous composition containing an agent and a solvent into a thin plate is sintered to produce a sintered thin plate, and the sintered thin plate is compacted to produce a sintered compact thin plate. In the method for producing a titanium thin plate for re-sintering, a method is disclosed in which the breaking elongation of the sintered thin plate is 0.4% or more, the density ratio is 80% or more, and the density ratio of the sintered compacted plate is 90% or more. ing.
特開2014−19945号公報(特許文献7)には、チタン合金スクラップまたはチタン合金インゴットを原料としたチタン合金粉に、鉄粉、クロム粉または銅粉を適量添加して複合粉とし、複合粉を炭素鋼カプセル押出し、得られた丸棒の表面のカプセルを溶解除去した後、さらに溶体化処理あるいは、溶体化処理および時効処理を行うことにより、粉末法により品質の優れたチタン合金を製造する方法が開示されている。 According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-19945 (Patent Document 7), an appropriate amount of iron powder, chromium powder or copper powder is added to titanium alloy powder made from titanium alloy scrap or titanium alloy ingot to form a composite powder. Is extruded into carbon steel capsules, and the capsules on the surface of the obtained round bar are dissolved and removed, and then solution treatment, solution treatment and aging treatment are performed to produce a titanium alloy with excellent quality by the powder method. The method is disclosed.
特開2001−131609号公報(特許文献8)には、スポンジチタン粉末を銅製カプセルに充填した後で押出比1.5以上、押出温度700℃以下で温間押出加工を施して成形し、外側の銅を除く外周加工を施し、成形体の粒界の全長の内20%以上が金属接触しているチタン成形体を製造する方法が開示されている。 According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-131609 (Patent Document 8), a copper sponge powder is filled in a copper capsule and then warmly extruded at an extrusion ratio of 1.5 or more and an extrusion temperature of 700 ° C. or less to form the outside. Disclosed is a method for producing a titanium molded product in which 20% or more of the total length of the grain boundaries of the molded product is in metal contact with the outer circumference processed except for copper.
熱間圧延素材を熱間圧延するに際し、熱間圧延素材が純チタンまたはチタン合金のように熱間での延性不足で熱間変形抵抗値が高い、いわゆる難加工材である場合、これらを薄板に圧延する技術としてパック圧延方法が知られている。パック圧延方法とは、加工性の悪いチタン合金などのコア材を加工性の良い安価な炭素鋼などのカバー材で被覆し、熱間圧延する方法である。 When hot-rolling a hot-rolled material, if the hot-rolled material is a so-called difficult-to-process material such as pure titanium or a titanium alloy, which has a high hot deformation resistance value due to insufficient ductility in hot water, these are thin plates. The pack rolling method is known as a rolling technique. The pack rolling method is a method in which a core material such as titanium alloy having poor workability is covered with a cover material such as inexpensive carbon steel having good workability and hot rolling.
具体的には、例えば、コア材の表面に剥離剤を塗布し、少なくともその上下2面をカバー材で被覆するか、または、上下面の他に四周面をスペーサー材により覆い、周りを溶接して組み立て、熱間圧延する。パック圧延では、被圧延材であるコア材をカバー材で覆って熱間圧延する。そのため、コア材表面は冷えた媒体(大気またはロール)に直接触れることがなく、コア材の温度低下を抑制できるため、加工性の悪いコア材でも薄板の製造が可能になる。 Specifically, for example, a release agent is applied to the surface of the core material, and at least the upper and lower two surfaces thereof are covered with a cover material, or the four peripheral surfaces are covered with a spacer material in addition to the upper and lower surfaces, and the surrounding surfaces are welded. Assemble and hot roll. In pack rolling, the core material to be rolled is covered with a cover material and hot-rolled. Therefore, the surface of the core material does not come into direct contact with a cold medium (atmosphere or roll), and the temperature drop of the core material can be suppressed, so that even a core material having poor workability can be manufactured as a thin plate.
特開昭63−207401号公報(特許文献9)には、密閉被覆箱の組み立て方法が開示され、特開平09−136102号公報(特許文献10)には、10−3torrオーダー以上の真空度にしてカバー材を密封して密閉被覆箱を製造する方法が開示され、さらに、特開平11−057810号公報(特許文献11)には、炭素鋼(カバー材)で覆って10−2torrオーダー以下の真空下で高エネルギー密度溶接によって密封し、密閉被覆箱を製造する方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-207401 (Patent Document 9) discloses a method for assembling a sealed coated box, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-136102 (Patent Document 10) discloses a vacuum degree of 10-3 torr or more. to process for producing a sealing covering box to seal the cover material is disclosed, further, Japanese Unexamined 11-057810 (Patent Document 11), 10 -2 torr order covered carbon steel (cover material) A method of manufacturing a sealed cladding box by sealing by high energy density welding under the following vacuum is disclosed.
一方、耐食性の高い素材を安価に製造する方法として、チタン材を母材となる素材表面に接合する方法が知られている。 On the other hand, as a method for inexpensively producing a material having high corrosion resistance, a method of joining a titanium material to the surface of a material as a base material is known.
特開平08−141754号公報(特許文献12)には、母材として鋼材を用いるとともに合わせ材としてチタンまたはチタン合金を用い、母材と合わせ材の接合面を真空排気した後に溶接して組み立てた圧延用組立スラブを、熱間圧延で接合するチタンクラッド鋼板の製造方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-141754 (Patent Document 12) uses a steel material as a base material and titanium or a titanium alloy as a laminated material, and assembles by welding after vacuum exhausting the joint surface between the base material and the laminated material. A method for manufacturing a titanium clad steel sheet in which an assembly slab for rolling is joined by hot rolling is disclosed.
特開平11−170076号公報(特許文献13)には、0.03質量%以上の炭素を含有する母材鋼材の表面上に、純ニッケル、純鉄および炭素含有量が0.01質量%以下の低炭素鋼のうちのいずれかからなる厚さ20μm以上のインサート材を介在させてチタン箔材を積層配置した後、その積層方向のいずれか一方側からレーザビームを照射し、チタン箔材の少なくとも縁部近傍を全周にわたって母材鋼材と溶融接合させることによりチタン被覆鋼材を製造する方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-170076 (Patent Document 13) states that pure nickel, pure iron and carbon content are 0.01% by mass or less on the surface of a base steel material containing 0.03% by mass or more of carbon. After laminating and arranging the titanium foil material with an insert material having a thickness of 20 μm or more made of any of the low carbon steels of the above, the titanium foil material is irradiated with a laser beam from either side of the laminating direction. A method for producing a titanium-coated steel material by melt-joining at least the vicinity of the edge portion with the base steel material over the entire circumference is disclosed.
特開2015−045040号公報(特許文献14)では、鋳塊状に成形された多孔質チタン原料(スポンジチタン)の表面を、真空下で電子ビームを用いて溶解して表層部を稠密なチタンとしたチタン鋳塊を製造し、これを熱間圧延および冷間圧延することにより、多孔質チタン原料が鋳塊状に成形された多孔質部と、稠密なチタンで構成されて多孔質部の全表面を被覆する稠密被覆部とを備える稠密なチタン素材(チタン鋳塊)を非常に少ないエネルギーで製造する方法が例示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-045040 (Patent Document 14), the surface of a porous titanium raw material (sponge titanium) formed into an ingot shape is melted under vacuum using an electron beam to form a dense titanium surface layer. Titanium ingot was manufactured, and by hot rolling and cold rolling, the porous titanium raw material was formed into an ingot shape, and the entire surface of the porous portion was composed of dense titanium. An example is a method of producing a dense titanium material (titanium ingot) having a densely coated portion for coating with very little energy.
特開昭62−270277号公報(特許文献15)には、溶射により、自動車用エンジン部材の表面効果処理をすることが記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-270277 (Patent Document 15) describes that surface effect treatment of an automobile engine member is performed by thermal spraying.
特許文献1により開示されたチタン合金は、Alを添加しているため、成形加工性、特に肉厚が減じる方向で加工が起こる張り出し成形性に悪影響を与える。
Since the titanium alloy disclosed in
特許文献2により開示されたチタン合金では、FeとO合計含有量が多いため、室温における強度が800N/mm2を超えて強すぎ、伸びも20%以下と成形性に乏しい。
In the titanium alloy disclosed in
特許文献3により開示されたチタン合金では、上記と同様にAlが添加されているため冷間加工性、特に肉厚が減じる方向で加工が起こる張り出し成形性に悪影響を及ぼすおそれがある。 In the titanium alloy disclosed in Patent Document 3, since Al is added as described above, there is a possibility that the cold workability, particularly the overhang formability in which the work occurs in the direction of reducing the wall thickness, is adversely affected.
特許文献4により開示されたチタン合金は、十分な加工性および耐酸化特性を有しているものの、高価なNbを多量に含有しているため、合金コストが高くなってしまう。 Although the titanium alloy disclosed in Patent Document 4 has sufficient processability and oxidation resistance, it contains a large amount of expensive Nb, which increases the alloy cost.
さらに、特許文献5により開示されたチタン合金も十分な高温酸化特性を有しているものの、板全面が合金化しているため、合金コストが高くなってしまう。 Further, although the titanium alloy disclosed in Patent Document 5 also has sufficient high-temperature oxidation characteristics, the entire surface of the plate is alloyed, so that the alloy cost increases.
従来、熱間加工を経てチタン材を製造するに際しては、スポンジチタンをプレス成形してチタン消耗電極とし、チタン消耗電極を電極として真空アーク溶解してチタンインゴットを製造し、さらにチタンインゴットを分塊、鍛造、圧延してチタンスラブとし、チタンスラブを熱間圧延、焼鈍、酸洗、冷間圧延することによって製造されていた。 Conventionally, when manufacturing titanium material through hot rolling, titanium sponge is press-molded to form a titanium consumable electrode, and the titanium consumable electrode is used as an electrode to melt a vacuum arc to produce a titanium ingot, and then the titanium ingot is lumped. , Forged and rolled to form titanium slabs, which were manufactured by hot rolling, annealing, pickling and cold rolling.
この場合、チタンを溶解してチタンインゴットを製造する工程が必ず加えられていた。チタン粉末を粉末圧延、焼結、および冷間圧延して製造する方法も知られているが、チタンインゴットからチタン粉末を製造する方法では、やはりチタンを溶解する工程が加えられていた。 In this case, a step of melting titanium to produce a titanium ingot was always added. A method of producing titanium powder by powder rolling, sintering, and cold rolling is also known, but in the method of producing titanium powder from a titanium ingot, a step of melting titanium is also added.
チタン粉末からチタン材を製造する方法においては、たとえ溶解工程を経ないとしても、高価なチタン粉末を原料として用いるので、得られたチタン材は非常に高価になる。特許文献9〜特許文献10に開示された方法でも同様である。 In the method for producing a titanium material from titanium powder, since expensive titanium powder is used as a raw material even if it does not go through a melting step, the obtained titanium material becomes very expensive. The same applies to the methods disclosed in Patent Documents 9 to 10.
パック圧延においては、カバー材で被覆されるコア材はあくまでスラブまたはインゴットであって、溶解工程を経ているか、高価なチタン粉末を原料としており、製造コストを低減することはできない。 In pack rolling, the core material covered with the cover material is only a slab or an ingot, which has undergone a melting process or is made from expensive titanium powder, and the manufacturing cost cannot be reduced.
特許文献14では、非常に少ないエネルギーで稠密なチタン素材を製造することができるものの、鋳塊状に成形されたスポンジチタンの表面を溶解して稠密なチタン表層部および内部の成分は同種の純チタンまたはチタン合金と規定されており、例えば、表層部のみにチタン合金層を均一かつ広範囲に亘って形成することにより製造コストの低下を図ることはできない。 In Patent Document 14, although a dense titanium material can be produced with very little energy, the surface of titanium sponge formed into an ingot is melted and the dense titanium surface layer and internal components are the same type of pure titanium. Alternatively, it is defined as a titanium alloy, and for example, it is not possible to reduce the manufacturing cost by forming the titanium alloy layer uniformly and over a wide range only on the surface layer portion.
一方、安価な耐食素材を製造できる、母材の表面にチタンまたはチタン合金を接合させた素材では、その多くが母材として鋼を選択している。そのため、表面のチタン層が失われると耐食性は損なわれてしまう。仮に、母材にもチタン材を採用したとしても、通常の製造工程を経て製造されるチタン材を用いる限り、抜本的なコスト改善は期待できない。そこで、本発明者らは、工業用純チタンまたはチタン合金からなるスラブの表層に、特定の合金元素を含有する合金層を設け、安価で特定性能に優れたチタン材を得ることを考えた。 On the other hand, steel is selected as the base material for most of the materials in which titanium or a titanium alloy is bonded to the surface of the base material, which can produce an inexpensive corrosion-resistant material. Therefore, if the titanium layer on the surface is lost, the corrosion resistance is impaired. Even if a titanium material is used as the base material, no drastic cost improvement can be expected as long as the titanium material manufactured through a normal manufacturing process is used. Therefore, the present inventors have considered providing an alloy layer containing a specific alloying element on the surface layer of a slab made of industrial pure titanium or a titanium alloy to obtain a titanium material that is inexpensive and has excellent specific performance.
特許文献15のように、溶射は、金属、セラミックスなどを溶融し、チタン材表面に噴きつけて皮膜を形成させる方法である。この方法で皮膜を形成させた場合、皮膜中の気孔の形成を避けることができない。通常、溶射時には、皮膜の酸化を避けるため、不活性ガスでシールドしながら溶射が行われる。これら不活性ガスは、皮膜の気孔内に巻き込まれる。このような不活性ガスを内包する気孔は、熱間加工などで圧着しない。また、チタンの製造においては、一般的に真空熱処理が実施されるが、この処理時に、気孔内の不活性ガスが膨張して、皮膜が剥がれるおそれがある。本発明者らの経験上、溶射により生じる気孔の存在率(空隙率)は、数vol.%以上となり、溶射条件によっては10vol.%を超えることもある。このように、皮膜内の空隙率が高いチタン材は、製造工程において剥離する危険性があり、また、加工時の割れなどの欠損が生じるおそれがある。 As in Patent Document 15, thermal spraying is a method in which a metal, ceramics, or the like is melted and sprayed onto the surface of a titanium material to form a film. When the film is formed by this method, the formation of pores in the film cannot be avoided. Normally, during thermal spraying, thermal spraying is performed while shielding with an inert gas in order to avoid oxidation of the film. These inert gases are entrained in the pores of the coating. The pores containing such an inert gas are not crimped by hot working or the like. Further, in the production of titanium, vacuum heat treatment is generally performed, but during this treatment, the inert gas in the pores may expand and the film may peel off. In the experience of the present inventors, the abundance rate (porosity) of pores generated by thermal spraying is several vol. % Or more, and depending on the thermal spraying conditions, 10 vol. May exceed%. As described above, the titanium material having a high porosity in the film has a risk of peeling in the manufacturing process, and there is a risk of defects such as cracks during processing.
皮膜の形成方法としては、コールドスプレー法がある。この方法により表面に皮膜を形成する場合も、不活性の高圧ガスが使用される。この方法では、その条件によっては空隙率を1vol.%未満にすることも可能であるものの、気孔の発生を完全に防止することは極めて難しい。そして、溶射の場合と同様に、気孔は不活性ガスを内包しているため、その後の加工によっても消滅しない。また、真空中で熱処理を施した場合、気孔内の不活性ガスが膨張して、皮膜が割れるおそれがある。 As a method for forming a film, there is a cold spray method. When forming a film on the surface by this method, an inert high-pressure gas is also used. In this method, the porosity is set to 1 vol. Depending on the conditions. Although it is possible to make it less than%, it is extremely difficult to completely prevent the formation of pores. Since the pores contain an inert gas as in the case of thermal spraying, they do not disappear by subsequent processing. Further, when the heat treatment is performed in a vacuum, the inert gas in the pores may expand and the film may crack.
熱延時の表面疵を抑制するために、電子ビームを用いてスラブの表層を溶融し、再凝固させる処理として、溶融再凝固処理がある。通常、溶融再凝固した表層は、熱延後の酸洗工程で除去される。本発明者らは、この溶融再凝固処理に着目した。すなわち、本発明者らは、スラブ表層を溶融するときに特定の合金元素を溶融させ、スラブ由来成分とともに凝固させることにより、スラブに特定の合金元素を含有する表層部を形成することができると考えたのである。しかし、熱延時の表面疵の抑制を目的とする溶融再凝固処理は、そのまま、スラブに特定の合金元素を含有する表層部を形成するために利用することはできない。これは、従来の溶融再凝固処理は、形成した表層は酸洗で除去されることを前提としており、表層部の合金成分の偏析について全く考慮されていなかったからである。 There is a melt recoagulation treatment as a treatment for melting and recoagulating the surface layer of the slab using an electron beam in order to suppress surface defects during hot spreading. Usually, the melt-resolidified surface layer is removed by a pickling step after hot spreading. The present inventors have focused on this melt resolidification treatment. That is, the present inventors have stated that when the surface layer of a slab is melted, a specific alloy element is melted and solidified together with a slab-derived component to form a surface layer portion containing the specific alloy element in the slab. I thought about it. However, the melt resolidification treatment for the purpose of suppressing surface defects during hot spreading cannot be used as it is for forming a surface layer portion containing a specific alloying element in the slab. This is because the conventional melt resolidification treatment is based on the premise that the formed surface layer is removed by pickling, and the segregation of the alloy component of the surface layer portion is not considered at all.
特定の合金元素を含有するスラブ表層部において、合金成分の偏析が存在すると、所望の性能を十分に発揮できないか、所望性能の劣化が早まってしまう。そのため、特定の合金元素を添加する方法が重要となる。 If segregation of the alloy component is present in the surface layer portion of the slab containing a specific alloy element, the desired performance cannot be sufficiently exhibited or the desired performance is deteriorated earlier. Therefore, a method of adding a specific alloying element is important.
本発明は、耐酸化性を向上させるために添加する合金元素の含有量(目標特性を発現する特定の合金元素の使用量)を低減し、かつ、チタン材の製造コストを抑制することにより、安価に所望の特性を有する熱間圧延用チタン材を得ることを目的としている。 The present invention reduces the content of alloying elements added to improve oxidation resistance (the amount of specific alloying elements that exhibit target characteristics), and suppresses the manufacturing cost of titanium material. It is an object of the present invention to obtain a titanium material for hot rolling having desired characteristics at low cost.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記の熱間圧延用チタン材を要旨とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the following titanium materials for hot rolling are the gist of the present invention.
(1)工業用純チタンまたはチタン合金からなる母材と、前記母材の少なくとも一方の圧延面に形成された前記母材とは異なる化学組成を有する表層部と、を備える熱間圧延用チタン材であって、前記表層部が、その厚さが2.0〜20.0mm、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、母材からの増加含有量として、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%を含み、前記表層部に含まれる元素の含有量を複数点測定したとき、母材からの増加含有量の平均値CAVEと各測定箇所における母材からの増加含有量C0との関係:|CAVE−C0|/CAVE×100が40%以下である、熱間圧延用チタン材。 (1) Titanium for hot rolling including a base material made of industrial pure titanium or a titanium alloy and a surface layer portion formed on at least one of the rolled surfaces of the base material and having a chemical composition different from that of the base material. The thickness of the surface layer portion of the material is 2.0 to 20.0 mm, the ratio to the total thickness is 40% or less per side, and the chemical composition of the surface layer portion is increased from that of the base material. As the content, in mass%, Si: 0.1 to 0.6%, Nb: 0.1 to 2.0%, Ta: 0.3 to 1.0% and Al: 0.3 to 1.5. One or more selected from%, Sn: 0 to 1.5%, Cu: 0 to 1.5%, Fe: 0 to 0.5%, and the content of the element contained in the surface layer portion is a plurality of points. Relationship between the average value C AVE of the increased content from the base material and the increased content C 0 from the base material at each measurement point when measured: | C AVE −C 0 | / C AVE × 100 is 40% or less Titanium material for hot rolling.
(2)前記母材の圧延面以外の面に、他の表層部が形成されており、
前記他の表層部が、前記表層部と同一の化学組成および金属組織を備える、
上記(1)の熱間圧延用チタン材。
(2) Another surface layer portion is formed on a surface other than the rolled surface of the base metal.
The other surface layer portion has the same chemical composition and metallic structure as the surface layer portion.
The titanium material for hot rolling in (1) above.
本発明に係る熱間圧延用チタン材は、工業用純チタンまたはチタン合金からなる母材と、母材とは異なる化学組成を有する表層部とを備えるものであるから、これを用いて製造されたチタン複合材は、全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比較して、同等の耐酸化性を有するが、安価に製造することができる。 Since the titanium material for hot rolling according to the present invention includes a base material made of industrial pure titanium or a titanium alloy and a surface layer portion having a chemical composition different from that of the base material, it is manufactured using the base material. The titanium composite material has the same oxidation resistance as the titanium material made of the same titanium alloy as a whole, but can be manufactured at low cost.
本発明の熱間圧延用チタン材は、熱間加工に供される素材(スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片)であり、熱間加工後、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。 The titanium material for hot rolling of the present invention is a material (slabs, blooms, billets, etc.) to be subjected to hot working, and after hot working, cold working, heat treatment, etc. are performed as necessary. It is processed into a titanium composite material. Hereinafter, the titanium material for hot rolling of the present invention will be described with reference to the drawings. Further, in the following description, "%" regarding the content of each element means "mass%".
1.熱間圧延用チタン材
1−1.全体構成
図1に示すように、本発明に係る熱間圧延用チタン材1は、母材1bと、母材1bの圧延面に表層部1aとを備える。そして、表層部は所定の中間層(図示省略)を備える。母材1bは、工業用純チタンまたはチタン合金からなり、表層部1aは、母材1bとは異なる化学組成を有する。図2に示すように、本発明に係る熱間圧延用チタン材1は、母材1bの両方の圧延面に表層部1aa、1abを備えるものでもよい。このように、この熱間圧延用チタン材1における耐酸化性は、外部環境に接する表層部1a(図2に示す例では1aa、1ab)によって担保される。この熱間圧延用チタン材1は、全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比較して、同等の耐酸化性を有するが、安価に製造することができる。
1. 1. Titanium material for hot rolling 1-1. Overall Structure As shown in FIG. 1, the
なお、熱間圧延用チタン材が矩形チタン鋳片の場合の寸法は、そのまま熱間圧延に供し得る寸法であれば特に限定されない。熱間圧延としてコイル圧延を適用し、板厚3〜8mm程度の熱延コイル薄中板を製造する場合、矩形チタン鋳片としては、厚み50〜300mm程度、長さ3000〜10000m程度、幅600〜1500mm程度とすれば良い。 When the titanium material for hot rolling is a rectangular titanium slab, the dimensions are not particularly limited as long as they can be used for hot rolling as they are. When coil rolling is applied as hot rolling to produce a hot-rolled coil thin medium plate with a plate thickness of about 3 to 8 mm, the rectangular titanium slab has a thickness of about 50 to 300 mm, a length of about 3000 to 10000 m, and a width of 600. It may be about 1500 mm.
表層部の厚さが薄すぎると、最終製品の表層の厚さも薄くなり、所望の特性が十分に得られない。一方、厚すぎると、チタン複合材全体に占めるチタン合金の割合が増すため、コストメリットが小さくなる。そのため、表層部の厚さは2.0〜20.0mmとする。表層部の厚さの全厚さに占める割合は片面あたり40%以下とする。 If the thickness of the surface layer portion is too thin, the thickness of the surface layer of the final product will also be thin, and the desired characteristics cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if it is too thick, the ratio of the titanium alloy to the entire titanium composite material increases, so that the cost merit becomes small. Therefore, the thickness of the surface layer portion is set to 2.0 to 20.0 mm. The ratio of the thickness of the surface layer portion to the total thickness shall be 40% or less per side.
1−2.母材
母材1は、工業用純チタンまたはチタン合金からなる。ただし、チタン合金を用いることにより、工業用純チタンを用いる場合よりも優れた機械的特性(強度や延性など)を得られる。
1-2. Base material The
母材1としては、JISに規定される純チタンのうち、JIS1〜4種の工業用純チタンを用いることができる。すなわち、0.1%以下のC、0.015%以下のH、0.4%以下のO、0.07%以下のN、0.5%以下のFeを含有し、残部がTiである工業用純チタンである。これらJIS1〜4種の工業用純チタンを使用すれば、十分な加工性を有しており、割れなどが発生せず、熱間加工後に表面のチタン合金と一体化したチタン材が得られる。
As the
母材1としては、α型、α+β型、β型チタン合金を用いることができる。
As the
ここで、α型チタン合金としては、例えば、Ti−0.5Cu、Ti−1.0Cu、Ti−1.0Cu−0.5Nb、Ti−1.0Cu−1.0Sn−0.3Si−0.25Nb、Ti−0.5Al−0.45Si、Ti−0.9Al−0.35Si、Ti−3Al−2.5V、Ti−5Al−2.5Sn、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−6Al−2.75Sn−4Zr−0.4Mo−0.45Siなどが例示される。 Here, as the α-type titanium alloy, for example, Ti-0.5Cu, Ti-1.0Cu, Ti-1.0Cu-0.5Nb, Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.3Si-0. 25Nb, Ti-0.5Al-0.45Si, Ti-0.9Al-0.35Si, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti- 6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si and the like are exemplified.
また、α+β型チタン合金としては、例えば、Ti−6Al−4V、Ti−6Al−6V−2Sn、Ti−6Al−7V、Ti−3Al−5V、Ti−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−1Fe−0.35O、Ti−1.5Fe−0.5O、Ti−5Al−1Fe、Ti−5Al−1Fe−0.3Si、Ti−5Al−2Fe、Ti−5Al−2Fe−0.3Si、Ti−5Al−2Fe−3Mo、Ti−4.5Al−2Fe−2V−3Moなどが例示される。 Examples of the α + β type titanium alloy include Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7V, Ti-3Al-5V, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, and Ti. -6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-1Fe-0.35O, Ti-1.5Fe-0.5O, Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-1Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe, Ti Examples thereof include -5Al-2Fe-0.3Si, Ti-5Al-2Fe-3Mo, and Ti-4.5Al-2Fe-2V-3Mo.
さらに、β型チタン合金としては、例えば、Ti−11.5Mo−6Zr−4.5Sn,Ti−8V−3Al−6Cr−4Mo−4Zr,Ti−10V−2Fe−3Mo,Ti−13V−11Cr−3Al,Ti−15V−3Al−3Cr−3Sn、Ti−6.8Mo−4.5Fe−1.5Al、Ti−20V−4Al−1Sn、Ti−22V−4Alなどが例示される。 Further, as the β-type titanium alloy, for example, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn, Ti-8V-3Al-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-10V-2Fe-3Mo, Ti-13V-11Cr-3Al , Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al, Ti-20V-4Al-1Sn, Ti-22V-4Al and the like.
母材は、溶解法、粉末冶金法など公知の製造方法により製造すればよく、特に制約がない。例えば、母材は、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、切削整精して製造できる。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元素を比較的均一に散布しやすく、合金相の元素分布を均一にしやすい。 The base material may be produced by a known production method such as a dissolution method or a powder metallurgy method, and is not particularly limited. For example, the base metal can be manufactured by cutting and rectifying the ingot into a slab or billet shape by breaking down. When manufactured by breakdown, since the surface is relatively flat due to breakdown, it is easy to disperse the elements containing the alloying elements relatively uniformly, and it is easy to make the element distribution of the alloy phase uniform.
一方、鋳造時に直接製造された鋳塊を母材として用いることもできる。この場合、切削整精工程を省略できるため、より安価に製造することができる。また、鋳塊を製造後に、表面を切削整精してから用いれば、ブレークダウンを経て製造した場合同様の効果が期待できる。 On the other hand, an ingot directly produced at the time of casting can also be used as a base material. In this case, since the cutting and adjusting step can be omitted, the manufacturing can be performed at a lower cost. Further, if the ingot is used after the ingot is manufactured and the surface is cut and refined, the same effect can be expected when the ingot is manufactured through breakdown.
1−3.表層部
(化学成分)
チタンの酸化は、酸化膜中を酸素が拡散して表面のチタンと結びつくことにより起こるいわゆる内方拡散と呼ばれる酸化形態をとるため、酸素の拡散が抑制されれば酸化が抑制される。チタン合金では、高温の600〜800℃における耐酸化性を向上させる場合、SiやNbといった合金元素を添加する。Siを添加した場合、高温の雰囲気に晒された際にシリコン酸化物を表層に形成してバリアーとなるため、酸素のチタン内部への拡散が抑制され耐酸化性を向上させる。また、Nbはチタンの酸化被膜中に固溶し、チタンが4価であるのに対し、5価であるため、酸化膜中の酸素の空孔濃度が低下し、酸化膜中の酸素の拡散が抑制される。
1-3. Surface layer (chemical composition)
Oxidation of titanium takes an oxidation form called inward diffusion, which occurs when oxygen diffuses in the oxide film and binds to titanium on the surface. Therefore, if the diffusion of oxygen is suppressed, the oxidation is suppressed. In titanium alloys, alloying elements such as Si and Nb are added to improve the oxidation resistance at high temperatures of 600 to 800 ° C. When Si is added, silicon oxide is formed on the surface layer when exposed to a high temperature atmosphere to serve as a barrier, so that the diffusion of oxygen into titanium is suppressed and the oxidation resistance is improved. Further, Nb is dissolved in the oxide film of titanium, and titanium is tetravalent, whereas it is pentavalent, so that the pore concentration of oxygen in the oxide film is lowered and oxygen is diffused in the oxide film. Is suppressed.
本発明の熱間圧延用チタン材から製造されたチタン複合材の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、熱間圧延用チタン材の表層部1aは、以下に掲げる各種合金元素を含有させる。
In order to enhance the oxidation resistance of at least one surface layer (at least the surface layer in contact with the external environment) of the titanium composite material produced from the titanium material for hot rolling of the present invention, the
Si:0.1〜0.6%
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。
Si: 0.1-0.6%
Si has an action of improving oxidation resistance at a high temperature of 600 to 800 ° C. When the Si content is less than 0.1%, the margin for improving the oxidation resistance is small. On the other hand, when the Si content exceeds 0.6%, the influence on the oxidation resistance is saturated and the workability at not only room temperature but also high temperature is remarkably lowered. Therefore, when Si is contained, the content is set to 0.1 to 0.6%. The Si content is preferably 0.15% or more, and more preferably 0.20% or more. Further, it is preferably 0.55% or less, and more preferably 0.50% or less.
Nb:0.1〜2.0%
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上、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。
Nb: 0.1 to 2.0%
Nb also has the effect of improving the oxidation resistance at high temperatures. In order to improve the oxidation resistance, the Nb content is 0.1% or more. On the other hand, even if the Nb content exceeds 2.0%, the effect is saturated and Nb is an expensive additive element, which leads to an increase in alloy cost. Therefore, when Nb is contained, the content is set to 0.1 to 2.0%. The Nb content is preferably 0.3% or more, and more preferably 0.5% or more. Further, it is preferably 1.5% or less, and more preferably 1.0% or less.
Ta:0.3〜1.0%
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。
Ta: 0.3-1.0%
Ta also has the effect of improving the oxidation resistance at high temperatures. In order to improve the oxidation resistance, the Ta content is set to 0.3% or more. On the other hand, even if the Ta content exceeds 1.0%, Ta is an expensive additive element, which not only leads to an increase in alloy cost, but also may cause β phase formation depending on the heat treatment temperature. .. Therefore, when Ta is contained, the content is set to 0.3 to 1.0%. The Ta content is preferably 0.4% or more, more preferably 0.5% or more. Further, it is preferably 0.9% or less, and more preferably 0.8% or less.
Al:0.3〜1.5%
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。
Al: 0.3-1.5%
Al is also an element that improves oxidation resistance at high temperatures. On the other hand, when Al is contained in a large amount, the ductility at room temperature is significantly reduced. When the Al content is 0.3% or more, the oxidation resistance property is sufficiently exhibited. Further, when the Al content is 1.5% or less, cold processing can be sufficiently guaranteed. Therefore, when Al is contained, the content is set to 0.3 to 1.5%. The Al content is preferably 0.4% or more, and more preferably 0.5% or more. Further, it is preferably 1.2% or less.
なお、Si、Nb、TaおよびAlは、それぞれ単独でも含有すれば耐酸化性は向上するが、複合して含有することにより、耐高温酸化性をさらに向上させることができる。 If Si, Nb, Ta and Al are contained alone, the oxidation resistance is improved, but if they are contained in combination, the high temperature oxidation resistance can be further improved.
上記の元素に加え、Sn、CuおよびFeから選択される1種以上を含有させてもよい。 In addition to the above elements, one or more selected from Sn, Cu and Fe may be contained.
Sn:0〜1.5%
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。
Sn: 0 to 1.5%
Sn is an α-phase stabilizing element and, like Cu, is an element that enhances high-temperature strength. However, when the Sn content exceeds 1.5%, twinning deformation is suppressed and workability at room temperature is lowered. Therefore, when Sn is contained, the content is set to 1.5% or less. The Sn content is preferably 1.3% or less, more preferably 1.2% or less. When the above effect is desired, the Sn content is preferably 0.2% or more, and more preferably 0.5% or more.
Cu:0〜1.5%
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。
Cu: 0-1.5%
Cu is an element that enhances high temperature strength. Moreover, since it dissolves in the α phase to a certain extent, it does not form a β phase even when used at a high temperature. However, if the Cu content exceeds 1.5%, a β phase is formed depending on the temperature. Therefore, when Cu is contained, the content is set to 1.5% or less. The Cu content is preferably 1.4% or less, more preferably 1.2% or less. When the above effect is desired, the Cn content is preferably 0.2% or more, and more preferably 0.4% or more.
Fe:0〜0.5%
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。
Fe: 0-0.5%
Fe is a β-phase stabilizing element, but if it is in a small amount, β-phase is less generated and does not significantly affect the oxidation resistance. However, when the Fe content exceeds 0.5%, the amount of β phase produced increases, and the oxidation resistance deteriorates. Therefore, when Fe is contained, the content is set to 0.5% or less. The Fe content is preferably 0.4% or less, more preferably 0.3% or less.
Sn、CuおよびFeの合計含有量が2.5%を超えると、室温での加工性を低下させ、温度によってはβ相が生成するようになる。このため、Sn、CuおよびFeから選択される1種以上を含有させる場合には、その合計含有量を2.5%以下とするのが好ましい。 When the total content of Sn, Cu and Fe exceeds 2.5%, the workability at room temperature is lowered, and a β phase is formed depending on the temperature. Therefore, when one or more selected from Sn, Cu and Fe are contained, the total content thereof is preferably 2.5% or less.
上記以外の残部は、チタンおよび不純物である。不純物としては、目標特性を阻害しない範囲で含有することができ、その他の不純物は主にスクラップから混入する不純物元素としてCr、V、Cr、MnおよびMo等があり、一般的な不純物元素であるC、N、OおよびHと併せて、総量で5%以下であれば許容される。 The rest other than the above is titanium and impurities. Impurities can be contained within a range that does not impair the target characteristics, and other impurities mainly include Cr, V, Cr, Mn, Mo and the like as impurity elements mixed from scrap, and are general impurity elements. Together with C, N, O and H, a total amount of 5% or less is acceptable.
なお、表層部には、スラブ(母材)に由来する元素が含まれる。よって、表層部の各元素の含有量は、スラブには含まれない元素についてはその含有量、スラブにも含まれる元素については、含有量の増加分(母材からの増加含有量)を意味する。 The surface layer contains elements derived from the slab (base material). Therefore, the content of each element in the surface layer means the content of the element not contained in the slab, and the increased content of the element contained in the slab (increased content from the base material). To do.
2.チタン複合材
本発明の熱間圧延用チタン材は、熱間加工に供される素材(スラブ、ブルーム、ビレットなどの鋳片)であり、熱間加工後、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。そして、チタン複合材には、本発明の熱間圧延用チタン材の母材に由来する内層と、同表層部に由来する表層を備えている。
2. Titanium composite material The titanium material for hot rolling of the present invention is a material (slabs, blooms, billets, etc.) used for hot rolling, and after hot working, cold working, if necessary, It is processed into a titanium composite material by heat treatment. The titanium composite material includes an inner layer derived from the base material of the titanium material for hot rolling of the present invention and a surface layer derived from the surface layer portion.
(厚さ)
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、5μm以上あれば十分効果を発揮する。そのため、表層の厚さは、それぞれ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。
(thickness)
If the surface layer in contact with the external environment is too thin, sufficient oxidation resistance cannot be obtained. The thickness of the surface layer varies depending on the thickness of the material used for manufacturing or the subsequent processing rate, but a sufficient effect is exhibited if it is 5 μm or more. Therefore, the thickness of the surface layer is preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm or more.
一方、表層が厚い場合には耐酸化性には問題はないが、チタン複合材全体に占めるチタン合金の割合が増すため、コストメリットが小さくなる。このため、チタン複合材の全厚さに対する表層の厚さの割合(表層占有率)は、片面あたり40%以下であることが望ましく、30%以下であることがより望ましい。 On the other hand, when the surface layer is thick, there is no problem in oxidation resistance, but the ratio of the titanium alloy to the entire titanium composite material is increased, so that the cost merit is reduced. Therefore, the ratio of the thickness of the surface layer to the total thickness of the titanium composite material (surface layer occupancy) is preferably 40% or less per side, and more preferably 30% or less.
チタン複合材の表層の厚さは、表層部1aの厚さ、その後に実施される熱間加工時の加工率に依存する。
The thickness of the surface layer of the titanium composite material depends on the thickness of the
(空隙率)
表層の空隙率は、0.1%以下であることが好ましい。空隙率が、0.1%を超えると、熱間圧延が施される際に、表層の膨れや剥がれなどを引き起こす恐れがある。
(Porosity)
The porosity of the surface layer is preferably 0.1% or less. If the porosity exceeds 0.1%, the surface layer may swell or peel off when hot rolling is performed.
空隙率は、素材断面を光学顕微鏡観察により写真を撮影し、その写真を画像処理することで容易に測定できる。断面の任意の10〜20箇所観察し、空隙率を測定し、その平均を全体の空隙率とすることができる。なお、熱間圧延または冷間圧延後を施した材料の空隙率は、熱間圧延用チタン材の空隙率と同等である。 The porosity can be easily measured by taking a picture of the cross section of the material by observing it with an optical microscope and processing the picture. The porosity can be measured by observing any 10 to 20 points on the cross section, and the average thereof can be taken as the total porosity. The porosity of the material subjected to hot rolling or cold rolling is equivalent to the porosity of the titanium material for hot rolling.
(偏析)
表層部に含まれる元素の含有量を複数点測定したとき、母材からの増加含有量の平均値CAVEと各測定箇所における母材からの増加含有量C0との関係:|CAVE−C0|/CAVE×100が40%以下である。|CAVE−C0|/CAVE×100が40%を超える場合には、所望性能を十分に発揮できないか、所望性能の劣化が早まるからである。|CAVE−C0|/CAVE×100は20%以下であることが好ましい。
(Segregation)
When the content of elements contained in the surface layer is measured at multiple points, the relationship between the average value C AVE of the increased content from the base material and the increased content C 0 from the base material at each measurement point: | C AVE − C 0 | / C AVE × 100 is 40% or less. This is because when C AVE −C 0 | / C AVE × 100 exceeds 40%, the desired performance cannot be sufficiently exhibited or the desired performance deteriorates earlier. | C AVE −C 0 | / C AVE × 100 is preferably 20% or less.
なお、表層部における特定元素は、EPMAまたはGDSを用いて測定することができる。具体的には、表層部の任意の10〜20箇所を測定し、それぞれの測定箇所における母材からの増加含有量の平均値を各測定箇所における増加含有量C0とし、増加含有量C0の平均値を表層部における増加含有量の平均値CAVEとすればよい。 The specific element in the surface layer portion can be measured using EPMA or GDS. Specifically, any 10 to 20 points on the surface layer are measured, and the average value of the increased content from the base material at each measurement point is defined as the increased content C 0 at each measurement point, and the increased content C 0. the average value may be set to increase the content of the average value C AVE in the surface layer.
(中間層)
表層は、内層近傍に中間層を備えている。すなわち、本発明の熱間圧延用チタン材は、母材表面に、例えば、溶融再凝固処理によって形成した表層部を備えているが、その表層部は、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、母材と表層部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、上記表層部由来の表層との間には中間層が形成される。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。この中間層の厚さは、0.5μm以上とするのが好ましい。
(Middle layer)
The surface layer has an intermediate layer in the vicinity of the inner layer. That is, the titanium material for hot rolling of the present invention is provided with a surface layer portion formed by, for example, melt resolidification treatment on the surface of the base material, and the surface layer portion is subjected to subsequent hot rolling heating and. In the heat treatment step after cold rolling, diffusion occurs at the interface between the base material and the surface layer portion, and when the titanium composite material is finally finished, it is between the inner layer derived from the base material and the surface layer derived from the surface layer portion. An intermediate layer is formed. This intermediate layer metal-bonds the inner layer and the surface layer to firmly bond them. Further, since a continuous elemental gradient is generated in the intermediate layer, the difference in strength between the inner layer and the surface layer can be softened, and cracking during processing can be suppressed. The thickness of this intermediate layer is preferably 0.5 μm or more.
なお、中間層の厚さは、EPMAまたはGDSを用いて測定することができる。GDSを用いればより詳細な測定が可能である。GDSの場合は表層をある程度、研磨で除去した後、表面から深さ方向にGDS分析を行うことで中間層の厚みを測定することが可能である。中間層とは、母材からの増加含有量(母材には含まれない元素の場合は、その含有量、母材にも含まれる元素の場合には、母材からの含有量の増加分)をCMIDとし、表層部における増加含有量の平均をCAVEとするとき、0<CMID≦0.8×CAVEの領域を意味する。 The thickness of the intermediate layer can be measured using EPMA or GDS. More detailed measurement is possible by using GDS. In the case of GDS, it is possible to measure the thickness of the intermediate layer by removing the surface layer by polishing to some extent and then performing GDS analysis in the depth direction from the surface. The intermediate layer is the increased content from the base material (in the case of an element not contained in the base material, its content, and in the case of an element also contained in the base material, the increased content from the base material). ) as the C MID, when the average of the increase amount in the surface layer and the C AVE, refers to a region of 0 <C MID ≦ 0.8 × C AVE.
3.熱間圧延用チタン材の製造方法
3−1.溶融再凝固による表層部の形成
本発明の熱間圧延用チタン材は、母材表層を溶融させ、その時に特定の合金元素を溶融させ、母材由来成分とともに凝固させることにより、母材に特定の合金元素を含有する表層部を形成することにより製造することができる。図5〜7は、いずれも溶融再凝固の方法を示す説明図である。
3. 3. Manufacturing method of titanium material for hot rolling 3-1. Formation of surface layer by melt resolidification The titanium material for hot rolling of the present invention is specified as a base material by melting the surface layer of the base material, melting a specific alloy element at that time, and solidifying it together with the components derived from the base material. It can be produced by forming a surface layer portion containing the alloying element of. 5 to 7 are explanatory views showing a method of melt resolidification.
熱間圧延用チタン材の母材表面を溶融再凝固させる方法としては、レーザー加熱、プラズマ加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱などがあり、いずれかの方法で行えばよい。特に、特に電子ビーム加熱の場合、高真空中で行うため、溶融再凝固処理の際に、この層にボイド等を形成しても、真空であるため、後の圧延で圧着し無害化できる。 As a method for melting and resolidifying the surface of the base metal of the titanium material for hot rolling, there are laser heating, plasma heating, induction heating, electron beam heating and the like, and any method may be used. In particular, especially in the case of electron beam heating, since the electron beam heating is performed in a high vacuum, even if voids or the like are formed in this layer during the melt resolidification treatment, the vacuum can be obtained by crimping in the subsequent rolling to make it harmless.
さらに、エネルギー効率が高いことから大面積を処理しても深く溶融させることができるため、特にチタン複合材の製造に適している。真空中で溶融する場合の真空度は、3×10−3Torr以下のより高い真空度であることが望ましい。また、熱間圧延用チタン材の表層を溶融再凝固する回数については、特に制限はなく、必要に応じて回数を増やしても、素材の表層部の合金層の厚みや添加元素の添加量が上記の範囲内であれば問題ない。ただし、回数が多くなるほど、処理時間が長くなりコスト増に繋がるため、1回ないし2回であることが望ましい。 Further, since it has high energy efficiency, it can be deeply melted even if a large area is treated, so that it is particularly suitable for producing a titanium composite material. The degree of vacuum when melting in vacuum is preferably a higher degree of vacuum of 3 × 10 -3 Torr or less. The number of times the surface layer of the titanium material for hot rolling is melted and resolidified is not particularly limited, and even if the number of times is increased as necessary, the thickness of the alloy layer on the surface layer of the material and the amount of additive elements added can be increased. There is no problem if it is within the above range. However, as the number of times increases, the processing time becomes longer and the cost increases, so it is desirable that the number of times is once or twice.
表層の溶融再凝固法は、矩形のスラブの場合では図5に示しているように実施する。すなわち、矩形スラブ10の外表面のうち、少なくとも熱間圧延工程での圧延面(熱延ロールに接する面)となる幅広な2面10A,10Bについて、電子ビームを照射して、その面における表面層のみを溶融させる。ここでは先ずその2面10A,10Bのうちの一方の面10Aについて実施するものとする。
The surface layer melt resolidification method is carried out as shown in FIG. 5 in the case of a rectangular slab. That is, among the outer surfaces of the rectangular slab 10, at least the two
ここで、図5に示しているように、矩形鋳片10の面10Aに対する一基の電子ビーム照射ガン12による電子ビームの照射領域14の面積は、照射すべき面10Aの全面積と比較して格段に小さいのが通常である、そこで、実際には、電子ビーム照射ガン12を連続的に移動させながら、または、矩形鋳片10を連続的に移動させながら、電子ビーム照射を行なうのが通常である。この照射領域は、電子ビームの焦点を調整することによって、あるいは電磁レンズを使用して小ビームを高周波数で振動(オシレーション Oscillation)させてビーム束を形成させることによって、その形状や面積を調整することができる。
Here, as shown in FIG. 5, the area of the electron beam irradiation region 14 by one electron
そして、図5中の矢印Aで示しているように、電子ビーム照射ガン12を連続的に移動させるものとして、以下の説明を進める。なお電子ビーム照射ガンの移動方向は特に限定されないが、一般には矩形鋳片10の長さ方向(通常は鋳造方向D)または幅方向(通常は鋳造方向Dと垂直な方向)に沿って連続的に移動させ、前記照射領域14の幅W(円形ビームまたはビーム束の場合は、直径W)で連続的に帯状に照射する。さらにその隣の未照射の帯状領域について逆方向(もしくは同方向)に照射ガン12を連続的に移動させながら帯状に電子ビーム照射を行う。また場合によっては複数の照射ガンを用いて、同時に複数の領域について同時に電子ビーム照射を行ってもよい。図5では、矩形鋳片10の長さ方向(通常は鋳造方向D)に沿って矩形ビームを連続的に移動させる場合を示している。
Then, as shown by the arrow A in FIG. 5, the following description will proceed assuming that the electron
このような表層加熱処理工程によって矩形チタン鋳片10の表面(面10A)に電子ビームを照射して、その表面を溶融するように加熱すれば、図6の中央左寄りに示すように、矩形チタン鋳片10の面10Aの表面層が、入熱量に応じた深さだけ最大溶融される。しかしながら、電子ビームの照射方向に対して垂直方向からの深さは図7に示すように一定ではなく、電子ビーム照射の中央部が最も深さが大きくなり、帯状の端部に行くほどその厚みが減少する、下に凸の湾曲形状となる。
By irradiating the surface (
またその溶融層16よりも鋳片内部側の領域も、電子ビーム照射による熱影響によって温度上昇し、純チタンのβ変態点以上の温度となった部分(熱影響層=HAZ層)がβ相に変態する。このように表層加熱処理工程での電子ビーム照射による熱影響によってβ相に変態した領域も、溶融層16の形状と同様に下に凸の湾曲形状となる。 Further, the temperature of the region on the inner side of the slab from the molten layer 16 also rises due to the thermal effect of electron beam irradiation, and the portion (thermal influence layer = HAZ layer) whose temperature is higher than the β transformation point of pure titanium is the β phase. Transform into. In this way, the region transformed into the β phase due to the thermal effect of the electron beam irradiation in the surface layer heat treatment step also has a downwardly convex curved shape similar to the shape of the molten layer 16.
目的とする合金元素から成る素材とともに溶融再凝固を行うことにより、熱間圧延用素材表層を合金化する。この際に用いる素材としては、粉末、チップ、ワイヤー、薄膜、切り粉、メッシュのうちの1種以上を用いればよい。溶融前に配置する材料の成分および量については、素材表面とともに溶融し凝固した後の元素濃化領域の成分が目標成分となるように定める。 The surface layer of the hot rolling material is alloyed by performing melt resolidification together with the material composed of the target alloying element. As the material used at this time, one or more of powder, chips, wires, thin films, chips, and mesh may be used. The components and amounts of the material to be placed before melting are determined so that the components in the element-concentrated region after melting and solidifying together with the surface of the material are the target components.
ただし、この添加する素材が大きすぎると、合金成分の偏析の原因となる。そして、合金成分の偏析が存在すると、所望の性能を十分に発揮できないか、劣化が早まってしまう。このため、チタン母材表面の被加熱部位が溶融状態にあるうちに、合金素材が溶融し終えるサイズにすることが重要である。また、特定の時間における溶融部の形状および広さを考慮した上で、上記合金素材をチタン母材表面に均等に配置しておくことが重要である。しかしながら、電子ビームを使って照射位置を連続的に移動させる場合には、溶融部は溶融したチタンおよび合金とともに連続的に移動しながら攪拌されるため、合金素材は必ずしも連続的に配置しておく必要はない。そのほか、チタンの融点よりも極端に高い融点を有する合金素材の使用は避けなければならないことは当然である。 However, if the material to be added is too large, it causes segregation of alloy components. If segregation of the alloy component is present, the desired performance cannot be sufficiently exhibited or the deterioration is accelerated. For this reason, it is important to set the size so that the alloy material finishes melting while the heated portion on the surface of the titanium base material is in the molten state. Further, it is important to evenly distribute the alloy material on the surface of the titanium base material in consideration of the shape and width of the molten portion at a specific time. However, when the irradiation position is continuously moved by using an electron beam, the molten portion is agitated while continuously moving together with the molten titanium and the alloy, so that the alloy material is not necessarily arranged continuously. There is no need. In addition, it is natural that the use of alloy materials having a melting point extremely higher than the melting point of titanium should be avoided.
溶融再凝固処理後は、100℃以上500℃未満の温度で1時間以上保持するのがよい。溶融再凝固後、急激に冷却すると凝固時の歪で表層部に微細な割れが発生するおそれがある。その後の熱延工程や冷延工程において、この微細な割れが起点となって、表層部の剥離が発生する、部分的に合金層が薄い部位が発生するなど、特性が劣化するおそれがある。また、微細な割れによって内部が酸化すると、酸洗工程で除去する必要があり、合金層の厚さをさらに減少させる。上記の温度で保持することで表面の微細な割れを抑制できる。また、この温度であれば大気中で保持しても大気酸化は殆どしない。 After the melt resolidification treatment, it is preferable to keep the temperature at 100 ° C. or higher and lower than 500 ° C. for 1 hour or longer. If it is cooled rapidly after melt resolidification, fine cracks may occur in the surface layer due to strain during solidification. In the subsequent hot rolling step or cold rolling step, the fine cracks may be the starting point, causing peeling of the surface layer portion, partial thinning of the alloy layer, and other deterioration of the characteristics. Further, when the inside is oxidized due to fine cracks, it is necessary to remove it in a pickling step, further reducing the thickness of the alloy layer. By holding at the above temperature, fine cracks on the surface can be suppressed. Further, at this temperature, even if it is kept in the atmosphere, there is almost no atmospheric oxidation.
母材表面に溶融再凝固処理によって形成した表層部を備える熱間圧延用チタン材は、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、母材と表層部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、上記表層部由来の表層との間には、特定元素の濃度勾配があり、中間層が形成される。このため、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。 The titanium material for hot rolling, which has a surface layer portion formed by melt resolidification treatment on the surface of the base metal, is used at the interface between the base metal and the surface layer portion in the subsequent heat treatment steps during hot rolling and after cold rolling. When diffusion occurs and the titanium composite material is finally finished, there is a concentration gradient of a specific element between the inner layer derived from the base material and the surface layer derived from the surface layer portion, and an intermediate layer is formed. Therefore, this intermediate layer metal-bonds the inner layer and the surface layer to firmly bond them. Further, since a continuous elemental gradient is generated in the intermediate layer, the difference in strength between the inner layer and the surface layer can be softened, and cracking during processing can be suppressed.
また、溶融再凝固処理により合金化する場合、上述したように溶融部の形状が湾曲しているため、最終製品にもその形状が引き継がれる。そして、熱延加熱時、熱延後の熱処理時、冷延後の熱処理時などに、湾曲した母材との界面から合金元素が拡散し接合するため、元素の拡散方向は深さ方向のみならず、幅方向にも拡散が生じる。従って、母材と合金層の中間部での合金元素の勾配は深さ方向だけでなく幅方向にも生じる。そのため、例えば固溶強化能が異なる元素を添加した場合、強度差は深さ方向に垂直方向のみならず、平行方向にも生じ、濃度勾配が複雑化するため、強度差による割れが発生し難くなる。 Further, when alloying by melt resolidification treatment, the shape of the molten portion is curved as described above, so that shape is inherited by the final product. Then, during hot rolling heating, heat treatment after hot rolling, heat treatment after cold rolling, etc., the alloying elements diffuse and join from the interface with the curved base material, so if the diffusion direction of the elements is only in the depth direction However, diffusion also occurs in the width direction. Therefore, the gradient of the alloying element in the intermediate portion between the base metal and the alloy layer occurs not only in the depth direction but also in the width direction. Therefore, for example, when elements having different solid solution strengthening abilities are added, the strength difference occurs not only in the direction perpendicular to the depth direction but also in the parallel direction, and the concentration gradient becomes complicated, so that cracking due to the strength difference is unlikely to occur. Become.
母材表面を溶融再凝固させて表層部には、更に、所定の合金成分を含有するチタン板を貼り付けて熱間圧延用チタン材を製造してもよい。 A titanium plate for hot rolling may be produced by melt-resolidifying the surface of the base metal and further attaching a titanium plate containing a predetermined alloy component to the surface layer portion.
図8は、母材表面を溶融再凝固させて表層部を形成したチタン矩形鋳片(スラブ)6とチタン板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9は、チタン矩形鋳片(スラブ)6の表面だけでなく側面にもチタン板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。以降の説明では、母材表面を溶融再凝固させて表層部を形成したチタン矩形鋳片(スラブ)6を「チタンスラブ6」と称する。
FIG. 8 is an explanatory view schematically showing that a titanium
図8,9に示すように、チタンスラブ6の表層に特性を発現する合金元素を含有したチタン板7,8を貼り合わせた後、熱延クラッド法により接合させることによりチタン複合材の表層3,4を合金化する。すなわち、チタンスラブ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、好ましくは真空容器内で、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、チタンスラブ6とチタン板7の間を真空で密閉し、圧延することによりチタンスラブ6とチタン板7とを貼り合わせる。チタンスラブ6にチタン板7を貼り合わせる溶接は、チタンスラブ6とチタン板7の間に大気が侵入しないよう、例えば、図8,7に示すように全周を溶接する。
As shown in FIGS. 8 and 9, the surface layer 3 of the titanium composite material is formed by bonding
チタンは活性な金属であるため、大気中に放置すると表面に強固な不動態皮膜を形成する。この表面部の酸化濃化層を除去することは不可能である。しかし、ステンレス等とは異なり、チタンには酸素が固溶し易いため、真空中で密閉されて外部からの酸素の供給が無い状態で加熱されると、表面の酸素は内部に拡散し固溶するため、表面に形成した不動態皮膜は消滅する。そのため、チタンスラブ6とその表面のチタン板7とは、その間に介在物なども発生せずに、熱延クラッド法により完全に密着することができる。
Since titanium is an active metal, it forms a strong passivation film on its surface when left in the atmosphere. It is impossible to remove the oxidized concentrated layer on the surface portion. However, unlike stainless steel, oxygen easily dissolves in titanium, so if it is sealed in a vacuum and heated without the supply of oxygen from the outside, the oxygen on the surface will diffuse to the inside and dissolve in it. Therefore, the passivation film formed on the surface disappears. Therefore, the
さらに、チタンスラブ6として鋳造ままのスラブを用いると、凝固時に生成した粗大な結晶粒に起因し、その後の熱間圧延工程で表面疵が発生してしまう。これに対し、本発明のようにチタンスラブ6の圧延面にチタン板7を貼り合わせると、貼り合わせたチタン板7が微細な組織を有するために熱間圧延工程での表面疵も抑制できる。
Further, if a slab as cast is used as the
図1に示すチタン複合材を製造する場合には、図8に示すようにチタンスラブ6の片面にのみチタン板7を真空中で貼り合わせることが好ましく、チタンスラブ6のもう片面にはチタン板7を貼り付けずに熱間圧延してもよい。
When producing the titanium composite material shown in FIG. 1, it is preferable to attach the titanium plate 7 to only one side of the
図9に示すように、チタンスラブ6の片面たけでなく両面にチタン板7を貼り合わせてもよい。これにより、上述したように熱間圧延工程での熱延疵の発生を抑制できる。熱間圧延においては、通常、チタンスラブ6に圧下されることによって、チタンスラブ6の側面の少なくとも一部が熱延板の表面側に回り込む。そのため、チタンスラブ6の側面の表層の組織が粗大であったり、多数の欠陥が存在していたりすると、熱延板の幅方向の両端近くの表面に表面疵が発生する可能性がある。このため、図9に示すように、熱間圧延時のエッジ側となるチタンスラブ6の側面についても、圧延面と同様に同一規格のチタン板8を貼り合わせて溶接するのがよい。これにより、熱延板の幅方向の両端近くの表面における表面疵の発生を有効に防止できる。この溶接は、真空中で行うのが好ましい。
As shown in FIG. 9, the titanium plates 7 may be attached to both sides of the
なお、熱間圧延時にチタンスラブ6の側面が回り込む量は、製造方法により異なるが、通常は20〜30mm程度であるため、チタンスラブ6の側面全面にチタン板8を貼り付ける必要はなく、製造方法に則した回り込み量に相当する部分にのみチタン板8を貼り付ければよい。熱間圧延以降に高温長時間焼鈍を行うことにより、母材由来成分をチタン複合材の内部に含有させることができる。例えば700〜900℃で30時間の熱処理が例示される。
The amount of the side surface of the
チタンスラブ6とチタン板7,8を溶接する方法は、電子ビーム溶接やプラズマ溶接などがある。特に電子ビーム溶接は、高真空下で実施できることから、チタンスラブ6とチタン板7,8との間を高真空にすることができるため、望ましい。チタン板7,8を真空中で溶接する場合の真空度は3×10-3Torrオーダー以下のより高い真空度であることが望ましい。
Methods for welding the
なお、チタンスラブ6とチタン板7との溶接は、必ずしも真空容器内で行う必要はなく、例えば、チタン板7の内部に真空吸引用孔を設けておき、チタン板7をチタンスラブ6と重ね合わせた後に、真空吸引孔を用いてチタンスラブ6とチタン板7との間を真空引きしながらチタンスラブ6とチタン板7とを溶接し、溶接後に真空吸引孔を封止してもよい。
The
3−2.熱間圧延用チタン材の母材
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. Base material of titanium material for hot rolling The base material of titanium material for hot rolling is usually manufactured by cutting and refining the ingot into a slab or billet shape by breakdown. Further, in recent years, a rectangular slab that can be directly heat-rolled at the time of ingot manufacturing may be manufactured and used for heat-rolling. When manufactured by breakdown, since the surface is relatively flat due to breakdown, it is easy to disperse the material containing the alloying element relatively uniformly, and it is easy to make the element distribution of the alloy phase uniform.
一方、鋳造時に熱延用素材の形状に直接製造された鋳塊を素材として用いる場合、切削精整工程を省略できるため、より安価に製造することができる。また、鋳塊を製造後に、表面を切削精整してから用いれば、ブレークダウンを経て製造した場合同様の効果が期待できる。本発明においては、表層に安定的に合金層が形成すればよく、状況に合わせて適切な素材を選べばよい。このため、母材については特に限定しない。 On the other hand, when an ingot directly produced in the shape of a hot spreading material at the time of casting is used as a material, the cutting and adjusting step can be omitted, so that the ingot can be produced at a lower cost. Further, if the ingot is used after the ingot is manufactured and the surface is cut and refined, the same effect can be expected when the ingot is manufactured through breakdown. In the present invention, the alloy layer may be stably formed on the surface layer, and an appropriate material may be selected according to the situation. Therefore, the base material is not particularly limited.
例えば、スラブを組み立て、周囲を溶接した後、700〜850℃に加熱し10〜30%の接合圧延を行い、その後β域温度で3〜10時間加熱し母材成分を表層部に拡散させた後に、熱間圧延を行うことが好ましい。β域温度で熱間圧延を行うことによって、変形抵抗が低くなり圧延し易くなるからである。 For example, after assembling a slab and welding the surroundings, it was heated to 700 to 850 ° C. to perform joint rolling of 10 to 30%, and then heated at a β region temperature for 3 to 10 hours to diffuse the base metal component to the surface layer portion. It is preferable to perform hot rolling later. This is because hot rolling at a temperature in the β region lowers the deformation resistance and facilitates rolling.
4.チタン複合材の製造方法
溶融再凝固処理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。
4. Manufacturing method of titanium composite material It is important to leave the alloy layer formed by melt resolidification treatment as a final product, and it is necessary to suppress the removal of the surface layer due to scale loss and surface defects as much as possible. Specifically, it is achieved by optimizing and appropriately adopting the following ingenuity in the hot rolling process in consideration of the characteristics and capacities of the equipment used for production.
4−1.加熱工程
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。
4-1. Heating process When heating a material for hot rolling, scale loss can be suppressed low by heating at a low temperature for a short time, but titanium material has low heat conduction and if hot rolling is performed inside the slab at a low temperature, it will be inside. It also has the drawback of being prone to cracking, and is optimized to minimize scale generation according to the performance and characteristics of the heating furnace used.
4−2.熱間圧延工程
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。
4-2. Hot rolling process Even in the hot rolling process, if the surface temperature is too high, a large amount of scale is generated during plate passing, and the scale loss becomes large. On the other hand, if it is too low, the scale loss will be small, but surface defects will easily occur. Therefore, it is necessary to remove it by pickling in the subsequent process, and it is desirable to perform hot rolling in a temperature range in which surface defects can be suppressed. .. Therefore, it is desirable to roll in the optimum temperature range. Further, since the surface temperature of the titanium material decreases during rolling, it is desirable to minimize the roll cooling during rolling and suppress the decrease in the surface temperature of the titanium material.
4−3.酸洗工程
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。
4-3. Pickling step Since the hot-rolled plate has an oxide layer on the surface, there is a descaling step of removing the oxide layer in a subsequent step. For titanium, it is common to remove the oxide layer mainly by pickling with a nitre hydrofluoric acid solution after shot blasting. In some cases, the surface may be ground by grindstone polishing after pickling. After descaling, it may have a two-layer or three-layer structure composed of an inner layer and a surface layer derived from the base material and the surface layer portion of the titanium material for hot rolling.
熱間圧延工程で生成したスケールは厚いため、通常は酸洗処理の前処理としてショットブラスト処理を行い表面のスケールの一部を除去すると同時に、表面にクラックを形成させ、その後の酸洗工程で液をクラックに浸透させ、母材の一部も含めて除去している。このとき、母材表面にクラックを生じさせないに弱いブラスト処理を行うことが重要であり、チタン材表面の化学成分に応じて最適なブラスト条件を選択する必要がある。具体的には、例えば適正な投射材の選択や投射速度(エンペラーの回転速度で調整可能)を最適化することによって、母材にクラックが生じない条件を選択する。これらの条件の最適化は、チタン材表面に形成させた溶融再凝固層の特性によって異なるため、予め最適条件をそれぞれ決めておけばよい。 Since the scale generated in the hot rolling process is thick, shot blasting is usually performed as a pretreatment for the pickling process to remove a part of the scale on the surface, and at the same time, cracks are formed on the surface, and in the subsequent pickling process. The liquid is infiltrated into the cracks, and a part of the base metal is also removed. At this time, it is important to perform a weak blasting treatment without causing cracks on the surface of the base material, and it is necessary to select the optimum blasting condition according to the chemical composition of the surface of the titanium material. Specifically, for example, by selecting an appropriate projection material and optimizing the projection speed (which can be adjusted by the rotation speed of the emperor), conditions under which cracks do not occur in the base material are selected. Since the optimization of these conditions differs depending on the characteristics of the molten resolidification layer formed on the surface of the titanium material, the optimum conditions may be determined in advance.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
表1のNo.1〜3に示す実施例においては、熱間圧延用チタン素材は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を用いた。No.1はTi−1.0Cu、No.2はTi−1.0Cu−1.0Sn、No.3はTi−0.5Cuからなるチタン合金である。 No. in Table 1 In the examples shown in 1 to 3, the titanium material for hot rolling had a rectangular shape from the breakdown, and then the surface corresponding to the rolled surface was cut and refined to have a thickness of 200 mm, a width of 1000 mm, and a length of 4500 mm. No. 1 is Ti-1.0Cu, No. No. 2 is Ti-1.0Cu-1.0Sn, No. Reference numeral 3 denotes a titanium alloy made of Ti-0.5Cu.
一方、No.4〜8およびNo.13〜15に示す実施例においては、チタン鋳片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のインゴット表面を用いた。また、No.9〜12に示す実施例においては、チタン鋳片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50mm×幅1000mm×長さ4500mmのインゴット表面を用いた。No.4はTi−0.5Al、No.5はTi−0.9Al、No.6はTi−3Al−2.5V、No.7はTi−1Fe−0.35O、No.8はTi−1.5Fe−0.5O、No.9はTi−5Al−1Fe、No.10はTi−6Fe−4V、No.11はTi−0.5Al、No.12はTi−5Al−1Feからなるチタン合金である。また、No.13はJIS1種、No.14はJIS2種、No.15はJIS3種からなる工業用純チタンである。
On the other hand, No. 4-8 and No. In the examples shown in 13 to 15, the titanium slab was subjected to electron beam melting, cast in a square mold, and then the surface corresponding to the rolled surface was cut and refined. The surface was used. In addition, No. In the examples shown in 9 to 12, the titanium slab is electron beam melted, cast in a square mold, and then the surface corresponding to the rolled surface is cut and refined to form an ingot having a thickness of 50 mm, a width of 1000 mm, and a length of 4500 mm. The surface was used. No. No. 4 is Ti-0.5Al, No. 5 is Ti-0.9Al, No. No. 6 is Ti-3Al-2.5V, No. No. 7 is Ti-1Fe-0.35O, No. No. 8 is Ti-1.5Fe-0.5O, No. No. 9 is Ti-5Al-1Fe, No. No. 10 is Ti-6Fe-4V, No. No. 11 is Ti-0.5Al, No.
これらの熱間圧延用チタン素材の表面に、Si、Nb、AlおよびTaから選択される1種以上からなる素材と共に溶融再凝固処理を行った後、素材表面温度を200℃の温度で1時間以上保持した。その後、当該スラブを950℃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。No.1〜8については、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600〜700℃まで加熱し、240分間保持する熱処理を行った。No.9〜11については、デスケーリング処理後に、焼鈍処理として、真空あるいは不活性ガス雰囲気中で600〜700℃まで加熱し、240分間保持する熱処理を行った。 After performing melt resolidification treatment on the surface of these titanium materials for hot rolling together with a material consisting of one or more selected from Si, Nb, Al and Ta, the surface temperature of the material is set to 200 ° C. for 1 hour. I kept it above. Then, the slab was heated to 950 ° C., hot-rolled to a thickness of 5 mm, and then descaled on both the front and back surfaces using shot blasting and nitre hydrofluoric acid. No. For 1 to 8, cold rolling was performed to obtain a titanium plate having a thickness of 1 mm, and as an annealing treatment, heat treatment was performed by heating to 600 to 700 ° C. in a vacuum or an atmosphere of an inert gas and holding for 240 minutes. No. For 9 to 11, after the descaling treatment, as an annealing treatment, heat treatment was performed by heating to 600 to 700 ° C. in a vacuum or an atmosphere of an inert gas and holding for 240 minutes.
これらの供試材から20mm×20mmの試験片を表面と端部を#400のサンドペーパーで研磨した後、700,750℃の各温度に大気中に200時間暴露し、試験前後の重量の変化を測定し、単位断面積あたりの酸化増量を求めた。結果を表1にまとめて示す。なお、表1における表層部の元素濃度は、EPMAを用いて線分析を行い、表面から合金層の下端までの範囲を平均した結果である。 A 20 mm × 20 mm test piece from these test materials was sanded on the surface and edges with # 400 sandpaper, and then exposed to the atmosphere at temperatures of 700 and 750 ° C. for 200 hours to change the weight before and after the test. Was measured, and the amount of oxidation increase per unit cross-sectional area was determined. The results are summarized in Table 1. The element concentration in the surface layer portion in Table 1 is the result of performing line analysis using EPMA and averaging the range from the surface to the lower end of the alloy layer.
No.1〜15の実施例(本発明例)とも、表層がSi、Nb、AlおよびTaから選択される1種以上含有し、その厚みも5μm以上と十分な厚みを有している。さらに、700℃における200時間の加熱後の酸化増量は25g/m2以下、750℃における200時間の加熱後の酸化増量は70g/m2以下と優れた耐酸化性を示している。 No. In each of the examples 1 to 15 (example of the present invention), the surface layer contains at least one selected from Si, Nb, Al and Ta, and the thickness thereof is 5 μm or more, which is a sufficient thickness. Further, the oxidative increase after heating at 700 ° C. for 200 hours is 25 g / m 2 or less, and the oxidative increase after 200 hours of heating at 750 ° C. is 70 g / m 2 or less, showing excellent oxidation resistance.
1.熱間圧延用チタン材
1a,1aa,1ab.表層部
1b.母材
2.チタン複合材
3,4.表層(表面層)
5.内層
1. 1. Titanium materials for
5. Inner layer
Claims (2)
前記母材の少なくとも一方の圧延面に形成された前記母材とは異なる化学組成を有し、表面の割れがない表層部と、を備える熱間圧延用チタン材であって、
前記表層部が、その厚さが2.0〜20.0mm、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、母材からの増加含有量(母材には含まれない元素についてはその含有量、母材にも含まれる元素については、母材からの増加含有量)として、質量%で、
Si:0.1〜0.6%と、
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と、
Sn:0〜1.5%、
Cu:0〜1.5%、
Fe:0〜0.5%とを含み、
前記表層部に含まれる元素の含有量を複数点測定したとき、母材からの増加含有量の平均値CAVEと各測定箇所における母材からの増加含有量C0との関係:|CAVE−C0|/CAVE×100が40%以下である、
熱間圧延用チタン材。 And the base material made of titanium alloy,
A titanium material for hot rolling, which has a chemical composition different from that of the base material formed on at least one of the rolling surfaces of the base material and has a surface layer portion having no surface cracks.
The surface layer portion has a thickness of 2.0 to 20.0 mm, and the ratio to the total thickness is 40% or less per one side.
The chemical composition of the surface layer is defined as the increased content from the base material (the content of elements not contained in the base material is increased, and the increased content of the elements contained in the base material is increased from the base material). By mass%
Si: and from 0.1 to 0.6%,
Nb: 0.1 to 2.0%,
Ta: 0.3 to 1.0% and Al: 0.3 to 1.5% one or more selected from a,
Sn: 0-1.5%,
Cu: 0-1.5%,
Fe: and a 0 to 0.5 percent,
When the content of the elements contained in the surface layer is measured at multiple points, the relationship between the average value C AVE of the increased content from the base material and the increased content C 0 from the base material at each measurement point: | C AVE -C 0 | / C AVE x 100 is 40% or less,
Titanium material for hot rolling.
前記他の表層部が、前記表層部と同一の化学組成および金属組織を備える、
請求項1に記載の熱間圧延用チタン材。 Other surface layer portions are formed on surfaces other than the rolled surface of the base metal.
The other surface layer portion has the same chemical composition and metallic structure as the surface layer portion.
The titanium material for hot rolling according to claim 1.
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