JPH0394034A - 耐酸化性・耐熱性の優れたチタン材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、通常の工業用純チタンをベースにして、その
製造時において良好な表面性状を得るために耐酸化性を
向上させ、またその製品の使用条件下において、耐酸化
性・耐熱性を向上させたチタン材料に関するものである
。

（従来の技術） チタンは耐蝕性に優れかつ比重が小さいために、いわゆ
る比強度が高く、化学プラント、航空機用部材そして一
般家庭用厨房用材などに広く使用されている。

従来チタン製品の製造方法は、インゴットを尚温に加熱
し、鍛造あるいは分解圧延によってスラブあるいはビレ
ットとした後、熱間加工そして必要に応じて焼鈍し、そ
の後酸洗一表面研削などによって、表面のスケールおよ
びこれにもとすく表面疵の除去を行い製品としている。

あるいはまた鍛造品として製品にする場合がある。製品
の形状としては、厚板、薄板、線材および押出などによ
るもの、そして鍛造によるものがある。

これらの製品の用途としては、耐蝕性を必要とする箇所
への適用の他に、最近常温はもとより高温において耐酸
化性が必要でかつ高い強度を必要とする箇所に使われる
場合が多くなってきている。

チタンは酸素との親和力が非常に強く、常温付近におい
ては表面に緻密な酸化皮膜を形成し、これによって耐蝕
性が良好であり、かつ比強度が高いなどの優れた特性を
有している。反面、高温にさらされると表面部に厚い酸
化層が形威されるようになる。酸化層の厚さは温度と時
間の増加とともに増え続け、ついには厚い酸化層となり
局部的に亀裂を生じて剥離したりする。

このような性質を有するため、チタンを製造する際には
、鍛造あるいは分塊圧延時に高温にさらされることによ
って、素材表面に顕著な酸化層を生じ、酸化スケールロ
スを生じたり、また加工時に酸化層が表面に食い込んで
表面疵となったりする。従って、これらの疵は、後の工
程で酸洗や機械的研削により取り除かなければならない
が、これは製品製造の歩留が低下するなどの製迭コスト
増を招き、また工期が長くなるために大きな問題である
。

一方、チタン製品を高温下で構造物として使用する場合
には、構造材の表面に高温酸化によってスケール剥離が
生じ、これによって肉厚不足を起して、構造物としての
役目をはたさなくなる場合がある。また高温になるにつ
れ強度が低下するために、かなりの肉厚を有する材料が
必要となり、機械設計上また経済的にも好ましくない。

（発明が解決しようとする課題） このように、チタンはまず製造面においては、高温にさ
らされる工程で表面に酸化スケールを生じこのスケール
ロスの他に、これに起因する表面疵研削のために製品の
歩留が低下すること、および製品性能の点では、高温の
酸化と強度低下の点など種々問題がある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、チタ
ン本来の特性、すなわち常温付近での高耐蝕性を備えた
製品において、まずその製造時には、高温での耐酸化性
をも備え酸化によるスケールロスを軽減するとともに、
スケールによる表面疵の発生を極力低減し、また製品に
おいては、従来問題となっていた高温使用における耐酸
化性を向上することにより、これら耐酸化性・耐熱性の
良好なチタン材料を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、工業用純チタンに、Ｐ，ＡＳ，Ｓｅ，Ｓ
ｂ，Ｔｅ等の周期率表におけるＶＢ，ＶＩＢ族の元素を
添加すると、耐酸化性・耐熱性が著しく向上することを
知見した。

本発明はこのような知見にもとすくものであって、Ｐ，
Ａｓ，Ｓｅ，Ｓｂ，Ｔｅの１種又は２種以上を１０〜１
０４原子ＰＰＭ含有し、残部Ｔｉおよび不可避不純物か
らなることを特徴とするチタン材を発明の要旨とするも
のである。

以下本発明を詳細に説明する。

まず最初にＰ含有量の異なるチタンを溶解し、インゴッ
トを熱間圧延、押し出しなどの加工により所定形状とし
、次いで大気中での加熱温度と表面酸化量、および耐熱
性としての高温強度を調べた。その結果、Ｐを１０〜Ｉ
０４原子ＰＰＭ含有することにより、これらの性質は大
幅に向上することが見出された。

すなわち通常の工業用純チタンは温度の上昇とともに、
表面スケールは増加し、例えば４００”Ｃ近傍からでき
始めたスケールは、特にｅｏｏ’ｃ以上になると急激に
増加し、９００℃になると厚くなり局部的に亀裂を生じ
剥離するようになる。

高温耐酸化性は材料表面にできた酸化皮膜が酸素の透過
を防ぐことにより向上する。Ｔｉの場合には試料表面上
にできたＴ　ｉ　Ｏ　２−Ｘの酸素空孔を通してＯが拡
散することにより酸化が進行すると考えられるため、高
温耐酸化性を向上するためには酸素空孔をなくしてＯの
拡散を抑制する必要がある。本発明の合金で耐酸化性が
向上する理由は、ＶＢ族（Ｐ，　Ａｓ，　　Ｓｂ）また
はＶＩＢ族（Ｓ，　Ｓｅ，Ｔｅ）の元素がＴｉの価電子
数の４より大きな５価または６価をもつため、自由電子
の供給を行い、表面に生成されたＴ　ｉ　Ｏ　２−Ｘ層
中の酸素空孔を減少させ、酸素の内方拡散を抑制し、高
温酸化雰囲気でＴ１にできる酸化層Ｔ　ｉ　Ｏ　２−Ｘ
の成長を止めるためと考えられる。

このため、Ｔ１に対して、例えばＰを１０〜１０４原子
ＰＰＭ添加すると、この酸化の増加傾向が、Ｐ添加量と
ともに減少し、特に６００℃以上で、その効果が著しく
現れる。

第１図に異ったＰ含有量のＩＯＸ　ＩＯＸ　１　帥の純
Ｔｉ試片を作或し、これを８００℃Ｘ　１００ｈｒ加熱
したときの酸化重量変化を示した。この図から明ら５ ６ かのようにＰの添加量も、１０〜１０３原子ＰＰＭまで
において著しい効果が現れ、１０３〜１０４原子ＰＰＭ
では、効果はあるが、その程度はやや少なくなっている
。１０４原子ＰＰＭ以上の添加は飽和状態となりあまり
効果を示さなくなる。

同様に高温強度について調べた。すなわち、第１図と同
様の試料について、Ｐ含有量と各試験温度における強度
（圧縮降伏応力ｋｇ　／　ａ＋Ｊ　）との関係をテスト
し、その結果を第２図に示した。この図からもわかるよ
うにＰ：１０原子ＰＰＭの添加により高温強度が上昇し
はじめ、１０４原子ＰＰＭまで続き、これ以上では飽和
状態となり効果は現われなくなる。

同様の効果は、Ｐ以外のＡｓ，Ｓｅ，Ｓｂ，ＴｅのＶＢ
　，　ＶＩＢ族の元素添加においても認められ、第３図
に示すように耐酸化性改善に対するその効果はＰ＞Ａｓ
＞Ｓｅ＞Ｔｅ＞Ｓｂの順で大きい。

このように工業用純チタンはＰ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｓｂ，Ｔ
ｅのｖ，，ｖｒ８族の元素を１０〜１０４原子ＰＰＭ添
加することにより、耐酸化性・耐熱性が著しく向上する
。またこれらの元素を１種以上複合添加した場合にもよ
り著しい効果が認められる。

ここで工業用純チタンとは、不純物としてＨ，０．，Ｎ
，Ｃ，Ｆｃを含みＪＩＳ１〜４種をはじめその他ＪＩＳ
の範囲を若干超えたこれら不純物を含むチタンである。

（実　施　例） 以下に本発明の実施例を示す。

第　　　１　　　表 （ａｔ％） （１）　　第１表に示した工業用純チタンＪＩ８２種相
当の成分系に、Ｐ：１０〜５００原子ＰＰＭまで添加し
た１００＋ａｍ厚のスラブを作成し、これを８８０℃に
２時間加熱後、熱間圧延により５ｍｍ厚さの板とした。

その後表面を機楓的に研削して金属面を出して、しかる
のち大気中にて８００℃と９００℃に１００時間保定し
、そのときの酸化量を調べた。その結果を第３図（８０
０℃Ｘ　１００ｈｒ保定）及び第４図（９００’Ｃｘｌ
００ｈｒ保定）に示す。これからもわかるようにＰ：１
０〜５００原子ＰＰＭを添加することにより、耐酸化性
が著しく向上していることが確認された。

同じ材料を使用して、強度を常温〜８００℃において調
べた。その結果を第５図に示す。これからもわかるよう
に、２００℃において通常の工業用純チタンでは、圧縮
降伏応力が１４ｋｇ／一であるのに対して、Ｐを添加し
たものは、ｐ　ｔｏ２原子ＰＰＭ添加したもので、約２
倍の３　２　ｋｇ　／一まで向上している。

このようにＰ添加によって強度は常温、高温において向
上するが、延性は低下しない。

（２〉　　工業用純チタンＪＩ８２種相当の成分系（第
１表の成分）に、Ｐ：１０２原子ＰＰＭ添加した１００
ｍｍ厚のスラブを作成し、これを通常のチタンの熱間圧
延の場合のように、加熱温度を９００℃に２時間加熱し
、しかるのち熱間圧延で５ｍ＋ｓ板とした。この板を硝
フッ酸（硝酸：フッ酸−１０二３）水溶液（酸：水−１
：４）に浸漬して酸洗した。

熱延及び酸洗後の表面状況を、Ｐを添加しない比較例と
共に第２表に示す。Ｐを添加したものは、比較材として
のＰを添加しないものに比べて表面の酸化の程度が少な
く良好な表面が得られた。同様な結果はＡｓ，Ｓｅ，Ｓ
ｂ，Ｔｅを添加した場合にも得られた。

第　　　２　　　表 （３）工業用純チタンＪＩＳ２種相当の成分系（第１表
の成分）に、Ａｓ，Ｓｅ，Ｓｂ，ＴｅのＶＢ，ＶＩＢ族
の元素を各々１０２原子ＰＰＭ添加した１００ｍｍ厚の
スラブを作成し、これを８８０℃に２時間加熱後、熱間
圧延により５間厚さの板とした。

その後表面を機槻的に研削して企属面を出して、９ １０ しかるのち大気中にて８００℃と９００℃に１００時間
保定し、そのときの酸化量を調べた。その結果を第３図
及び第４図に併記した。これからもわかるように各々の
元素を添加することによって耐酸化性が向上することが
確認された。また約７００℃以下の温度域において高温
強度も向上することが確認された。

（発明の効果） 本発明は、今後ますます需要増が期待されるチタンに対
して、製造時における、表面疵を極めて有効に防止でき
、生産効率や歩留を向上させて経済的な効果を大きく、
また製品の使用性能面においては、高温でも使用可能な
チタン材料を提供することで工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はＰ添加Ｔｉ材のＰ添加量による酸化重量増ΔＷ
　（８００℃，１００時間）の変化を示す。 第２図は室温から８００℃までの各温度におけるＰ添加
Ｔｉ材のＰ添加量による圧縮降伏応力の変化を示す。 第３図はＰ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｔｅを添加した各Ｔｉ
材の８００℃，１００時間における酸化重量増を示す。 第４図はＰ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｅ，Ｔｅを添加した各Ｔｊ
材の９００℃，１００時間における酸化重量増を示す。 第５図はＴ１とＴ　ｉ　−　１０２原子ＰＰＭ　Ｐ材の
圧縮將伏応力と圧縮串の温度変化の比較を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｐ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｔｅの元素の１種または２種以
   上を１０〜１０＾４原子ＰＰＭを含有し残部Ｔｉおよび
   不可避不純物からなる耐酸化性・耐熱性の優れたチタン
   材。