JP6864955B2 - チタン合金から棒材を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は金属加工に関し、特に、チタン合金から棒材を製造する方法に関する。この棒材は、化学工業、石油工業、ガス工業、および医薬産業においてはもちろん、原子炉炉心用構造材として利用される。

航空宇宙産業向けに、２相のチタン合金から多様な径を持つ高品質の棒材を製造する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法は、β相における相変態（ｐｔ）温度を超える温度に加工材を加熱してこの温度で圧延し、一旦室温まで冷却し、圧延を終えた半完成品を相変態温度よりも摂氏２０−５０度低い温度まで再び加熱してこの温度で最終的に圧延する。β相における加熱変形は２段階で行われる。第１段階では、加工材が相変態温度よりも摂氏４０−１５０度高い温度まで加熱され、９７−９７．６％の割合で変形され、空気で冷却される。第２段階では、圧延を終えた半完成品が相変態温度よりも摂氏２０度だけ高い温度に加熱され、３７−３８％の割合で変形される。最終的な圧延では、α相とβ相との両方において５４−５５％の割合で変形される。この既知の方法では、棒材にマクロとミクロとの両方で特定の構造を与えて、棒の断面全体にわたって機械的な性質を一定レベルに安定化させることができる。

熱間変形によってチタン合金から中間加工品を製造する方法が知られている（特許文献２参照）。鋳塊（インゴッド）は棒材に鍛造される間に、β相の温度では数回変態し、β相とα＋β相との温度で数回変態する間に鍛造される。α＋β相の温度における中間鍛造は延伸比１．２５−１．７５で行われる。最後の変態では中間鍛造が延伸比１．２５−１．３５で行われ、棒材となる。その後、棒材に対する機械的処理、すなわち、加工材への切断と端部の形成とが行われ、続いて最後の変形がα＋β相の温度で行われる。

特許請求の範囲に記載の方法に最も近い方法は、チタン合金から中間加工品を製造する方法である（特許文献３参照）。この方法は次のステップを含む。まず、４個のダイを含む鍛造機の中において、相変態温度よりも摂氏１２０度低い温度と摂氏１００度高い温度との間に属する温度でプレスして、全体の変形率が少なくとも３５％まで熱間鍛造する。冷却の後に続く鍛造は、相変態温度よりも低い温度で全体の変形率が２５％以上まで
行われる。

ロシア連邦特許第２１７８０１４号明細書 ロシア連邦特許第２２１７２６０号明細書 ロシア連邦特許第２４０９４４５号明細書

GOST 19807-74 "Wrought titanium and titanium alloys"

特許文献１の方法は効率が低く、製造サイクルが長い。これは、熱間圧延と棒材表面の機械加工との段階で中間加熱が必要であることによる。この結果、圧延された棒材の品質が下がり、棒材の欠陥率が上がって歩留まりが下がり、ひいては棒材の製造コストの増大につながる。

特許文献２の方法は、製造サイクルが長く、機械加工の前処理として必要な加工操作を含む。加工材の製造時における中間的な機械加工の前処理は、金属に余分な欠損をもたらす。

特許文献３の方法では、熱間鍛造間での加熱と空気による冷却とが何回も行われるので、棒材の表面品質に悪影響を与える。さらに、この方法は、鍛造の欠陥部分と表面の不良層との除去に研磨処理という高価な操作を必要とする。その結果、不良品数が増加して歩留まりが低下し、ひいては棒材の製造コストの増大につながる。
本発明は、高品質のチタン合金から棒材を製造すると同時に高効率の処理を保証するという課題を解決する。

技術的効果は次の事実によって達成される。チタン合金から棒材を製造する方法であって、加工材の熱間鍛造とそれに続く熱間変形とを含む。鋳塊を加熱して摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲（Ｔｐｔは相変態温度である。）に保った後で熱間鍛造すると共に、主に長手方向において延伸比ｋ＝１．２−２．５でせん断変形させ、その後、冷却することなく、鍛造品を摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲で熱間圧延して、主に横方向において高くとも延伸比７．０でせん断変形させ、変形した加工材を摂氏（Ｔｐｔ−７０）度から（Ｔｐｔ−２０）度までの温度範囲に保つことによって熱間変形させる。

特に、たとえば時間の長い鍛造処理の間、熱的圧延の前に、鍛造がほぼ完了した加工材を摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲に加熱する。

摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲における熱間鍛造と熱間圧延との後に、棒材を摂氏３５０度から５００度までの温度範囲に冷却し、その後、その棒材を摂氏（Ｔｐｔ−７０）度から（Ｔｐｔ−２０）度までの温度範囲に加熱して熱間変形してもよい。

摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲に加熱した後、延伸比１．２０−２．５０で鍛造して、主に長手方向においてせん断変形させる。これにより、鋳造された材料の構造が破壊され、可塑性が向上する。

熱間圧延によってせん断変形を、主に横方向において高くとも延伸比７．０で変化させる。これにより追加処理が可能になり、材料の表面層の可塑性を向上させ、表面の欠陥の数と大きさとを抑えることができる。

熱間鍛造の直後に、冷却することなく熱間圧延を行う。これにより、鍛造品の表面が硬い皮で覆われることを避けることができる。この皮は、冷却が長びいてガスが飽和するとひび割れるので、圧延の間に深く摘ままれた領域が生じかねず、棒材の内側に酸化した領域が形成される危険性がある。これは、上記の皮を機械的に除去する必要性につながる。したがって、本発明による方法は、皮の機械的な除去操作を不要にすることができる。

こうして、本発明による操作、手順、および条件を採用した棒材の製造では、棒材の断面にわたって欠陥が形成される度合いが抑えられ、断面積の全体で金属が処理され、顧客、ロシア、および国際的な規格の要求に合った特定の構造と高レベルの機械的性質とが得られる。

以下、本発明が提案する方法の好ましい実施形態について述べる。

チタン合金ΠＴ−７Ｍ（キリル文字）（α合金、平均化学組成Ａｌ２．２：Ｚｒ２．５。非特許文献１参照。）の鋳塊が摂氏Ｔｐｔ＋１３０度まで加熱され、鍛造プレス機の上で延伸比１．５の熱間鍛造を受けた。金属の高い可塑性と、鍛造間の加熱に伴う変形とにより、１回で大きく変形した。これにより、鍛造の完了までに、鍛造品の温度は摂氏Ｔｐｔ＋２０度からＴｐｔ＋１５０度までの範囲にあった。鍛造品は、スクリュー式圧延機の上で、加熱されることなく、延伸比３．８０の圧延を受けた。さらに、棒材は複数の部分に切り分けられ、摂氏Ｔｐｔ＋４０度まで加熱され、スクリュー式圧延機の上で延伸比２．４５の熱間圧延を受けた。こうして、必要な性質を備えた棒材がある程度のサイズで得られた（表１参照）。これらの棒材は、熱間押し出し用の管状加工材を製造するのに利用可能である。

表１が示すとおり、棒材は必要な条件を十分に満たしている。同様な結果は、他のα合金から棒材を製造する際にも得られた。

チタン合金ＢＴ６Ｃ（キリル文字）（α＋β合金、平均化学組成Ａｌ５：Ｖ４。非特許文献１参照。）の鋳塊が摂氏Ｔｐｔ＋６０度まで加熱され、鍛造プレス機の上で延伸比２．１５の熱間鍛造を受けた。さらに、鍛造品は、冷却されることなく、摂氏Ｔｐｔ＋６０度に加熱され、スクリュー式圧延機の上で延伸比２．７８の圧延を受けた。その後、棒材は室温まで冷却され、３等分に切断された。圧延された棒材は、炉の中で摂氏Ｔｐｔ−４０度まで加熱された後、２回目のスクリュー式圧延を延伸比２．２５で受けた。金属の変形はマクロにもミクロにも欠陥が無く安定していた。２回目の圧延後、棒材は室温まで冷却され、特定の長さに切り分けられた。

これらの棒材は２群に分けられる。第１群の棒材は大型の既製品であり、必要条件を満たすことの確認段階へ送られた。顧客の依頼により、これらの棒材は追加の機械加工を受けた。第２群の棒材は、誘導炉の中で摂氏Ｔｐｔ−４０度まで加熱され、スクリュー式圧延機の上で延伸比３．６２の圧延を受けた後、室温まで冷却された。これら棒材も、必要条件を満たすことが確認された。顧客の依頼により、これらの棒材は追加の機械加工を受けた。

得られた棒材は、幾何学的寸法の正確性の高さと欠陥の無さとが特徴的であった。基本的な検査（機械的性質、硬さ、マクロおよびミクロの構造）に加え、超音波による連続性検査がこれらの棒材に行われた。その結果が表２に与えられている。

第１群の合金ＢＴ６Ｃ（キリル文字）製棒材は、チタン合金製の大型圧延棒材に対する必要条件を満たす。第２群の棒材は、チタン合金製の圧延棒材に対する必要条件を満たす。同様な結果は、他のα＋β合金から棒材を製造する際にも得られた。

実施例３は、擬α合金ΠＴ−３Ｂ（キリル文字）からの棒材の製造を示す。この合金は、実施例１、２の合金よりも可塑性が大幅に低い。チタン合金ΠＴ−３Ｂ（キリル文字）（平均化学組成Ａｌ４：Ｖ２。非特許文献１参照。）の鋳塊が摂氏Ｔｐｔ＋１２５度まで加熱され、鍛造プレス機の上で延伸比１．２５の熱間鍛造を受けた。この鍛造品が摂氏Ｔｐｔ＋１２５度まで加熱され、スクリュー式圧延機の上で延伸比２．６４の圧延を受けた。さらに、この棒材が複数の部分に切り分けられ、摂氏Ｔｐｔ−２５度に加熱され、鍛造プレス機の上で延伸比４．１４の熱間鍛造を受けて、最終的なサイズの円断面の棒材にされた。顧客の依頼により、追加の熱処理または機械的処理が行われた。長方形の断面を持つ棒材については、切断後の棒材が摂氏Ｔｐｔ−２５度まで加熱され、鍛造プレス機の上で延伸比３．１６の熱間鍛造を受けて、最終的なサイズの長方形断面の棒材にされた。顧客の依頼により、追加の熱処理または機械的処理が行われた。
円形と長方形との断面を持つこれらのΠＴ−３Ｂ（キリル文字）製棒材の性質は表３に示されている。

表３が示すとおり、棒材は必要な条件を十分に満たしている。同様な結果は、他の擬α合金から棒材を製造する際にも得られた。

発明の好ましい実施形態による主要なパラメータの値（特許請求の範囲に記載された範囲内とその外との両方）、および、その値に対して得られた結果が表４に示されている。

本発明は、株式会社チェペスキー機械プラント（JSC CHMZ）において、合金ΠＴ−７Ｍ、ΠＴ−１Ｍ、ＢＴ６Ｃ、ΠＴ−３Ｂ、２Ｂ、ＢＴ６、ＢＴ３−１、ＢＴ９（いずれもキリル文字）、その他のチタン合金から棒材を製造する際に試験された。合金ΠＴ−７Ｍ、ΠＴ−１Ｍはα合金であり、ＢＴ６Ｃ、ΠＴ−３Ｂ、２Ｂは擬α合金であり、ＢＴ６、ＢＴ３−１、ＢＴ９はα＋β合金である。

発明の実施形態の結果、断面のサイズが１０ｍｍから１８０ｍｍまでであり、マクロとミクロとに所定の構造を持ち、所定の機械的性質を示す棒材が得られることが示された。発明による方法で形成された棒材は必要な条件を満たす。これらの条件は、チタン合金から、化学工業、石油工業、ガス工業、および医薬産業においてはもちろん、原子炉炉心用の棒材に形成される加工材料または製品に対するものである。これと同時に、この方法は、製造サイクルの短縮、歩留まりの向上、欠陥品数の大幅な削減によってコストを低減させる。

Claims (3)

1. チタン合金から棒材を製造する方法であって、加工材に対する熱間鍛造とそれに続く熱間変形と含み、
   鋳塊を加熱して摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲（Ｔｐｔは相変態温度である。）に保った後で熱間鍛造すると共に、主に長手方向において延伸比ｋ＝１．２−２．５でせん断変形させ、その後、冷却することなく、鍛造品を摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲で熱間圧延して、主に横方向において高くとも延伸比７．０でせん断変形させ、変形した加工材を摂氏（Ｔｐｔ−７０）度から（Ｔｐｔ−２０）度までの温度範囲に保つことによって熱間変形させる
   ことを特徴とする製造方法。
2. 熱間圧延の前に、鍛造がほぼ完了した加工材を摂氏（Ｔｐｔ＋２０）度から（Ｔｐｔ＋１５０）度までの温度範囲に加熱することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 熱間鍛造と熱間圧延との後に棒材を摂氏３５０度から５００度までの温度範囲に冷却し、前記棒材を摂氏（Ｔｐｔ−７０）度から（Ｔｐｔ−２０）度までの温度範囲に加熱して熱間変形することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。