JPWO2017018512A1 - 熱間圧延用チタン材 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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における中性子遮断性は、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、同等の中性子遮断性を有するが、安価に製造することができる。
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。
(化学成分)
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)に中性子線遮蔽効果を具備させるために、熱間圧延用チタン材の表層部は、熱間圧延用チタン材の表層部は、以下に掲げる各種合金元素を含有させてもよい。
Bの中には、10Bが19.9%存在するが、この10Bは、熱中性子の吸収断面積が大きく、中性子線の遮蔽効果が大きい。B含有量が0.1%未満では中性子線遮蔽効果を十分得られず、B含有量が3.0%を超えると熱間圧延時の割れおよび加工性の劣化を引き起こすおそれがある。
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。
(厚さ)
外部環境に接する表層の厚さが薄過ぎると、中性子線遮蔽効果を十分に得られない。一方、表層が厚い場合には中性子線遮蔽効果は向上するものの、素材全体に占めるチタン合金の割合が増すため、製造コストが上昇する。また、加工性に悪影響を及ぼす。このため、チタン複合材の全厚に対する表層の厚さは、片面あたり5〜40%とする。
表層の空隙率は、3.0%未満であることが好ましい。Bは、溶融時または熱間加熱時にTiBとして析出し、その後の加工時にTiBと母材との界面に空隙が生じる。しかし、本発明の熱間圧延用チタン材を用いれば、TiBが熱延時に分裂し、微細化するため、空隙のサイズが小さくなる。しかし、空隙率が、3.0%以上になると、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。
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。
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以上とするのがこのましい。
粒子線治療、BNCT(ホウ素中性子捕捉療法)などの放射線療法の施設に、B含有量が3.0〜4.0質量%、板厚が10〜100mmであるポリエチレン材料が用いられている。また、原子力関連設備では、核燃料保管用ラックに、B含有量が0.5〜1.5質量%、板厚が4.0〜6.0mmであるステンレス鋼板が用いられている。表層のB含有量および厚さ(B濃化層厚さ)を調整したチタン複合材を用いることにより、上記の材料と同等またはそれ以上の特性を発揮することが可能である。
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。
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。
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。
熱間圧延用素材を加熱する際には低温短時間加熱を行うことによりスケールロスを低く抑制できるが、チタン材は熱伝導が小さくスラブ内部が低温状態で熱間圧延を行うと内部で割れが発生し易くなる欠点もあり、使用する加熱炉の性能や特性に合わせてスケール発生を最小限に抑制するように最適化する。
熱間圧延工程においても、表面温度が高すぎると通板時にスケールが多く生成し、スケールロスが大きくなる。一方で、低すぎると、スケールロスは小さくなるが、表面疵が発生し易くなるため、後工程の酸洗で除去する必要があり、表面疵が抑制できる温度範囲で熱間圧延することが望ましい。そのため、最適温度域で圧延することが望ましい。また、圧延中にチタン材の表面温度が低下するため、圧延中のロール冷却は最小限とし、チタン材の表面温度の低下を抑制することが望ましい。
熱間圧延された板には、表面に酸化層があるため、その後の工程で酸化層を除去するデスケーリングの工程がある。チタンでは主に、ショットブラスト後に、硝ふっ酸溶液による酸洗で酸化層を除去するのが一般的である。また、場合によっては酸洗後に砥石研磨により表面を研削する場合もある。デスケーリング後に、熱間圧延用チタン材の母材および表層部に由来する、内層および表層からなる、2層または3層構造となっていればよい。
図3に示す、本発明に係る二層構造のチタン複合材である中性子線遮蔽板1は、母材の片側表面を溶融再凝固させた後に熱間圧延されることにより、表層3および内層5を形成される。また、図4に示す、本発明に係る三層構造の中性子線遮蔽板2は、母材の両側表面を溶融再凝固させた後に熱間圧延されることにより、表層3,4および内層5を形成される。中性子線遮蔽板1,2の製造方法を具体的に説明する。
インゴットのサイズは、直径1200mm×長さ2500mmであり、品種は、Ti−1Fe−0.35O、Ti−0.5Cu、Ti−1Cu、Ti−1Cu−0.5Nb、Ti−5Al−1Fe、Ti−3Al−2.5V、Ti−3Al−5Vとした。
溶融再凝固処理は、少なくとも圧延面の一方について行い、必要に応じて長手方向の側面にも実施した。この処理は、約3×10−3Torrの真空雰囲気下で電子ビーム溶接にて行い、溶融時にTiB2粉末(100μm以下)を添加し、溶融再凝固層をTi−0.1〜3.7%B合金とすることで、二層構造または三層構造のチタンスラブとした。表層部(B濃化層)については、チタン複合材1での全厚さに占める片面あたりの割合を表2に示しており、三層構造においては、両表面の表層部が同じ厚みになるように調整した。
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
Claims (2)
- 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、
B:0.1〜3.0%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。 - 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、
請求項1に記載の熱間圧延用チタン材。
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