TW201718892A - 鈦複合材以及熱間加工用鈦材 - Google Patents
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Abstract
一種鈦複合材(1)，具備：第一表層部(2)、內層部(4)、及第二表層部(3)；第一表層部(2)及第二表層部(3)含有鈦合金，內層部(4)含有具有空隙之工業用純鈦，第一表層部(2)及第二表層部(3)之至少一方的化學組成以質量%計為Si：0.10~0.60%、Nb：0.1~2.0%、Ta：0.3~1.0%、Al：0.3~1.5%、Sn：0~1.5%、Cu：0~1.5%、Fe：0~0.5%、以及其餘部分：Ti及雜質；第一表層部(2)及第二表層部(3)之至少一方的厚度為5μm以上，且於鈦複合材(1)之總厚度中所占的比率為40%以下，空隙之於與板厚方向垂直的斷面中之體積率超過0%且為30%以下。
Description
本發明有關一種鈦複合材以及熱間加工用鈦材。
鈦材於耐蝕性、耐氧化性、耐疲勞性、耐氫脆性、中子遮斷性等之特性方面堪稱良好。此等特性可藉由於鈦中添加各種合金元素而達成。
鈦材料基於其優異之比強度及耐蝕性，在航空器領域之利用與日俱增，而且進一步在汽車以及二輪車之排氣裝置中亦多有使用。特別是基於替代先前之不鏽鋼素材、車輛輕量化之觀點，以二輪車為中心，JIS2種之工業用純鈦材已供使用。再者，近年以來，代替JIS2種之工業用純鈦材，耐熱性更高之耐熱鈦合金也已被使用。此外，為了除去廢氣之有害成分，搭載有高溫下使用之觸媒的消音器也已供使用。
廢氣之溫度超過700℃，而且也有暫時到達800℃之情況。因此，使用於排氣裝置之素材乃被要求具有800℃左右之溫度下的強度、耐氧化性等，再者600~
700℃下之蠕變速度的高溫耐熱性之指標也日益受到重視。
另一方面，如此之耐熱鈦合金，為了提高其高溫強度，有添加Al、Cu及Nb此等可提升高溫強度及耐氧化性之元素的必要，其與工業用純鈦相比之下成本高昂。
日本特開2001-234266號公報(專利文獻1)中，曾揭示一種含Al：0.5~2.3%(本說明書中如無特別異議，有關化學成分之「%」均指「質量%」)之冷間加工性及高溫強度優異的鈦合金。
日本特開2001-89821號公報(專利文獻2)中，曾揭示一種含Fe：大於1%且5%以下、O(氧)：0.05~0.75%，且進而含Si：0.01．e0.5[Fe]~5．e-0.5[Fe]之耐氧化性及耐蝕性優異的鈦合金([Fe]表示合金中之含有率(質量%)，e表示自然對數之常數)。
日本特開2005-290548號公報(專利文獻3)中，曾揭示一種含有Al：0.30~1.50%、Si：0.10~1.0%之冷間加工性優異的耐熱鈦合金板及其製造方法。
日本特開2009-68026號公報(專利文獻4)中，曾揭示一種含有Cu：0.5~1.8%、Si：0.1~0.6%、O：0.1%以下，且因應必要含有Nb：0.1~1.0%，且其餘部分由Ti及不可避免之雜質所構成之表面被覆有保護膜的鈦合金。
再者，日本特開2013-142183號公報(專利
文獻5)中，曾揭示一種含有Si：0.1~0.6%、Fe：0.04~0.2%、O：0.02~0.15%，Fe與O之含量總量為0.1~0.3%，且其餘部分由Ti及不可避免之雜質元素所構成之700℃下的高溫強度及800℃下的耐氧化性優異之鈦合金。
〔專利文獻1〕日本特開2001-234266號公報
〔專利文獻2〕日本特開2001-89821號公報
〔專利文獻3〕日本特開2005-290548號公報
〔專利文獻4〕日本特開2009-68026號公報
〔專利文獻5〕日本特開2013-142183號公報
專利文獻1所揭示之鈦合金，由於添加有Al，因此對於成形加工性，特別是對在厚度減少之方向由加工所引起之拉伸成形性帶來不良影響。
專利文獻2所揭示之鈦合金，Fe與O合計含量多，因此室溫下之強度超過800N/mm2而過強，且其伸長量也在20%以下而缺乏成形性。
專利文獻3所揭示之鈦合金，與上述相同添加有Al，因此冷間加工性，特別是對在厚度減少之方向由加工所引起之拉伸成形性有帶來不良影響之虞。
專利文獻4所揭示之鈦合金，雖然具有充分之加工性及耐氧化特性，然因多量含有高價之Nb，合金成本提高。
專利文獻5所揭示之鈦合金，亦具有充分之高溫耐氧化特性，然因板全面合金化，合金成本提高。
本發明之目的在於藉由降低為了提升耐氧化性而添加之合金元素的含量(為了表現目標特性之特定的合金元素之使用量)，且藉由抑制鈦材之製造成本，而價廉地獲得具備所期望特性之鈦材。
本發明係為解決上述課題而開發完成，係以下述之鈦複合材以及熱間加工用鈦材為其要旨。
(1)一種鈦複合材，具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及第二表層部含有鈦合金，前述內層部含有具有空隙之工業用純鈦，前述第一表層部及前述第二表層部之至少一方的化學組成以質量%計為：Si：0.10~0.60%、Nb：0.1~2.0%、Ta：0.3~1.0%、
Al：0.3~1.5%、Sn：0~1.5%、Cu：0~1.5%、Fe：0~0.5%、以及其餘部分：Ti及雜質；前述第一表層部及前述第二表層部之前述至少一方的厚度為5μm以上，且於前述鈦複合材之總厚度中所占的比率為40%以下，前述空隙之於與板厚方向垂直的斷面中之體積率超過0%且為30%以下。
(2)如上述(1)之鈦複合材，其中前述化學組成以質量%計含有選自：Sn：0.2~1.5%、以及Cu：0.2~1.5%
之一種以上。
(3)如上述(1)或(2)之鈦複合材，其中前述工業用純鈦之化學組成，以質量%計為：C：0.1%以下、H：0.015%以下、O：0.4%以下、N：0.07%以下、Fe：0.5%以下、以及其餘部分：Ti及雜質。
(4)一種熱間加工用鈦材，具備：
框體、及填充於前述框體內之選自海綿鈦、海綿鈦壓縮塊體及工業用純鈦邊角料的一種以上；前述框體之一部分、且為熱間加工後構成表層之部分含有鈦合金，前述鈦合金之化學組成，以質量%計為：Si：0.10~0.60%、Nb：0.1~2.0%、Ta：0.3~1.0%、Al：0.3~1.5%、Sn：0~1.5%、Cu：0~1.5%、Fe：0~0.5%、以及其餘部分：Ti及雜質。
本發明相關之鈦複合材，其表層部含有鈦合金，其內層部含有工業用純鈦，因此與整體為相同之鈦合金所構成之鈦材比較，具有同等之耐氧化性，然而能夠價廉地製造。
1‧‧‧鈦複合材
2‧‧‧第一表層部
3‧‧‧第二表層部
4‧‧‧內層部
5‧‧‧熱間加工用鈦材
6‧‧‧框體
7‧‧‧鈦塊
第1圖為表示本發明相關之鈦複合材的構成之一例的
說明圖。
第2圖為表示本發明相關之鈦複合材的熱間加工用素材即鈦材之構造的說明圖。
本發明人等，為了解決上述課題再三研究，藉由僅將最終製品之鈦板的表層部合金化，而減少表現耐氧化性之特定之合金元素的使用量，且為了抑制鈦材之製造成本，而展開銳意研討之結果，終而發現一種於含有鈦合金材之框體中，將較價廉之海綿鈦等之材料事先於減壓下填充暨封入，並將此鈦材熱間加工而形成為鈦複合材之方法。
本發明係基於上述知識及見解而完成者。以下，茲將本發明相關之鈦複合材以及其熱間加工用之鈦材，一面參照圖面一面說明。又，以下之說明中，有關各元素之含量的「%」，如未特別異議，均是指「質量%」。
如第1圖所示，本發明相關之鈦複合材1，為具備：第一表層部2、內層部4、及第二表層部3之鈦複合材1，第一表層部2及第二表層部3含有鈦合金，內層部4含有存在空隙之工業用純鈦。如此，此一鈦複合材之耐氧
化性，係由與外部環境相接之表層部(第一表層部2、第二表層部3)所保證。又，第一表層部2及第二表層部3，係由與工業用純鈦相較，各種性能為優異之鈦合金所構成。
此一鈦複合材1整體與由相同之鈦合金所構成之鈦材比較下，雖具有同等之耐氧化性，然卻能夠價廉地製造。
第一表層部2及第二表層部3之中與外部環境相接之表層部的厚度若是過薄，則無法充分獲得耐氧化性。用於第一表層部2及第二表層部3之厚度雖依製造所用之素材的厚度，或其後之加工率而變化，若是5μm以上則可發揮充分效果。因此，第一表層部2及第二表層部3之至少一方(至少與外部環境相接之表層部)的厚度，宜為5μm以上，更令人滿意的是10μm以上。
另一方面，第一表層部2及第二表層部3厚的情形下，耐氧化性雖無問題，但鈦複合材整體中鈦合金所占的比率增大，成本優勢減小。因此，相對鈦複合材1之總厚度的第一表層部2及第二表層部3之厚度，令人滿意的是分別為40%以下，更令人滿意的是30%以下。
鈦複合材1之第一表層部2及第二表層部3之厚度，係依存於構成後述框體6之鈦合金材的厚度、及
而後實施之熱間加工時之加工率。例如，將使用由1mm厚之鈦材所構成的框體6之厚度250mm之熱間加工用鈦材5予以熱間加工，而製造厚度5mm之鈦複合材1的情形下，鈦複合材1中之第一表層部2及第二表層部3之鈦合金層的厚度，分別成為約20μm，占鈦複合材1之總厚度的約0.4%。
鈦之氧化，係因氧在氧化膜中擴散並與表面之鈦結合而發生，採取稱為所謂內方擴散之氧化形態。因此，氧之擴散若受到抑制的話，氧化也受到抑制。鈦合金中，在提升高溫下之600~800℃下之耐氧化性的情況下，係添加Si及Nb此類合金元素。
在添加Si之情形下，當曝露於高溫之氛圍時，會在表層形成矽氧化物成為障壁，因此氧之朝鈦內部的擴散受到抑制而提升耐氧化性。又，相對於Ti之為4價，Nb為5價。因之，藉由Nb固溶於鈦之氧化被膜中，氧化膜中之氧的空孔濃度降低，而可抑制氧化膜中之氧的擴散。
本發明相關之鈦複合材1中，為提高第一表層部2及第二表層部3之至少一方(至少與外部環境相接之表層部)的耐氧化性，有必要含有以下所揭示之各種合金元素。
Si具有提升600~800℃之高溫下的耐氧化性之作用。Si含量若小於0.10%，則對於耐氧化性之提升限度小。另一方面，Si含量若是大於0.60%，則對於耐氧化性之影響飽和，且不只室溫而且高溫下之加工性顯著降低。因此，Si之含量設為0.10~0.60%。Si含量宜為0.15%以上，更好的是0.20%以上。而且，宜為0.50%以下，更好的是0.40%以下。
Nb也具有提升高溫下之耐氧化性的作用。為了提升耐氧化性，Nb含量設為0.1%以上。另一方面，Nb含量即使超過2.0%效果也會飽和，而且由於Nb為高價之添加元素，與合金成本之增加息息相關。因此，於含有Nb之情形下，其含量設為0.1~2.0%。Nb含量宜為0.3%以上，更好的是0.5%以上。而且，宜為1.5%以下，更好的是1.2%以下。
Ta也具有提升高溫下之耐氧化性的作用。為了提升耐氧化性，Ta含量設為0.3%以上。另一方面，Ta含量若以超過1.0%含有，由於Ta為高價之添加元素，與合金成本之增加息息相關，而且根據熱處理溫度，β相之生成也令人懸念。因此，於含有Ta之情形下，其含量設為0.3~
1.0%。Ta含量宜為0.4%以上，更好的是0.5%以上。而且，宜為0.9%以下，更好的是0.8%以下。
Al也是提升高溫下之耐氧化性的元素。另一方面，Al若是多量含有，則室溫下之延性將顯著降低。Al含量若為0.3%以上，則可充分表現耐氧化特性。又，Al含量若是1.5%以下，則可充分保證冷間加工。因此，在含有Al之情形下，其含量設為0.3~1.5%。Al含量宜為0.4%以上，更好的是0.5%以上。而且，宜為1.2%以下。
又，Si、Nb、Ta及Al，若是各自單獨含有雖可使耐氧化性提升，但藉由複合含有，則可使耐高溫氧化性進一步提升。
除了上述之元素以外，可含有選自Sn、Cu及Fe之一種以上。
Sn為α相安定化元素，且與Cu相同，乃可提高高溫強度之元素。然而，Sn含量若大於1.5%，則會抑制雙晶變形，而降低室溫下之加工性。因此，於含有Sn之情形下，其含量設為1.5%以下。Sn含量宜為1.2%以下。在企圖獲得上述效果之情形下，Sn含量宜為0.2%以上，更好的是0.4%以上。
Cu為提高高溫強度之元素。而且，以一定程度固溶於α相，因此即使於高溫下使用時也不會生成β相。然而，Cu含量若大於1.5%，則根據溫度而生成β相。因此，於含有Cu之情形下，其含量設為1.5%以下。Cu含量宜為1.4%以下，更好的是1.2%以下。在企圖獲得上述效果之情形下，Cu含量宜為0.2%以上，更好的是0.4%以上。
Fe為β相安定化元素，若為少量則β相之生成少，對於耐氧化性並無大的影響。然而，Fe含量若是超過0.5%則β相之生成量增多，而使耐氧化性劣化。因此，於含有Fe之情形下，其含量設為0.5%以下。Fe含量宜為0.4%以下，更好的是0.3%以下。
Sn、Cu及Fe之合計含量若是超過2.5%，會造成室溫下之加工性降低，變得根據溫度而β相生成。因此，於含有選自Sn、Cu及Fe之一種以上的情形下，其合計含量宜設為2.5%以下。
上述以外之其餘部分為Ti以及雜質。作為雜質，可以不妨害目標特性之範圍含有，其他之雜質主要包括作為自邊角料混入之雜質元素的Cr、V、Cr、Mn及Mo等，與一般之雜質元素C、N、O及H合計，總量若是5%以下可容許。
鈦複合材1之內層部4的純鈦之成分，如後所述，係依存於製造時所使用之海綿鈦的成分。本發明相關之鈦複合材1，可使用JIS所規定之純鈦之中，JIS1種、JIS2種、JIS3種或JIS4種之工業用純鈦。具體言之，其為含有0.1%以下之C、0.015%以下之H、0.4%以下之O、0.07%以下之N、0.5%以下之Fe，且其餘部分為Ti之工業用純鈦。
若是使用此等JIS1~4種之工業用純鈦，將會具有充分之加工性，不會發生破裂等，且於熱間加工後可獲得與表面之鈦合金一體化的鈦材。惟因鈦係活性金屬，若為海綿鈦之平均粒徑0.1mm以下之微粉，則每單位質量之表面積將會增大，以致實際操作下O的纏集(濃化)不可避免，就此點有留意之必要。
鈦複合材之內層部的O含有率可因應所期望之機械特性調整，高強度為必要之情形下可含有最大達0.4%。O含量若是超過0.4%，則會發生破裂等，而有在熱間加工後無法獲得與表面之鈦合金一體化的鈦材之顧慮。另一方面，較之強度更要求延性之情形下，宜使O含量更為降低，較佳的是0.1%以下，更好的是0.05%以下。
本發明相關之鈦複合材1，係以後述之鈦材5為素材，利用熱間加工及冷間加工製造。此時，鈦材5中之純鈦部分中所形成的空隙，係伴隨著熱間加工及冷間加工而逐漸被壓著，但並未完全除去而以一部分殘留於內層部4中。此內層部4中之空隙若是過多，則作為塊狀金屬之機械特性(強度及延性)將會降低，因此空隙乃以愈少愈令人滿意。
惟為了將空隙完全地壓著必須有大的輾軋，以致製造之鈦複合材1的形狀(厚度)受到限制，再者，也會成為製造成本高昂的要因。另一方面，於為了維持作為鈦複合材1之構造而以具有充分之機械特性(強度及延性等)的程度含有空隙之情形下，內部鈦之密度將可變低，因此可期待製造之鈦複合材1的輕量化。
此時，內層部4中之空隙率若為30%以下，則可製造成內層部4與第一表層部2及第二表層部3一體化形態之鈦複合材1。為了有效率地製造鈦複合材1，較佳的是超過一定量地進行熱間及冷間加工，此時之空隙率成為10%以下。
如以上般，在作為塊狀金屬之機械特性重要的情形下降低空隙率、在素材之輕量化為優先的情形下提高空隙率等，可因應用途選擇空隙率。此時之內層部4中的空隙率宜為超過0%且30%以下，更好的是超過0%且10%以下。
鈦複合材1之內層部4中所殘留的空隙之比率(空隙率)，係以以下方式算出。為了能夠觀察鈦材之截面而埋入樹脂中之後，使用金剛鑽或氧化鋁懸浮液將觀察面拋光研磨而予鏡面化加工。使用此一經鏡面化加工之觀察用試料，以倍率500倍拍攝板厚中心部之光學顯微照片。測定拍攝之光學顯微鏡照片中所觀察到的空隙之面積比率，將20張之測定結果平均，而作為空隙率予以算出。觀察所用之顯微鏡，一般之光學顯微鏡雖無問題，但藉由使用可偏光觀察之微分干涉顯微鏡可作更明瞭之觀察，因此可令人滿意地使用。
第2圖為表示鈦複合材1的熱間加工用素材即熱間加工用鈦材5之構造的說明圖。第一表層部2及第二表層部3含有鈦合金，且內層部4含有純鈦之鈦複合材1，例如可藉由利用第2圖所示般之具有各種特性的鈦合金材密封全周而形成框體6，於框體6之內部填充鈦塊7，並將框體6之內部減壓而形成鈦材5，將此鈦材5作為熱間加工用素材予以熱間加工而製成。以下，將素材之各部構成的細節說明之。
本發明相關之熱間加工用鈦材5中所填充之鈦塊7，為先前之克羅爾法等之鍊製步驟所製造之一般性鈦塊，其成分可使用JIS1種、JIS2種、JIS3種或JIS4種相當之工業用純鈦。
鈦塊7含有選自海綿鈦、海綿鈦壓縮塊體及工業用純鈦邊角料之一種以上者。鈦塊7之大小，宜為平均粒徑30mm以下。平均粒徑若較30mm為大，則有搬送時不易處置，不易置入鈦材等處理時發生的問題，其結果為作業效率不佳。又，還有框體6中填充時之填充率降低之可能性，也會成為熱間加工所製造之鈦複合材1的密度變低而招致延性等之特性降低的要因。
另一方面，鈦塊7之大小若是過小，則於填充於框體6中時粉塵會成為問題不僅有為作業帶來妨礙之虞，而且還有每單位質量之表面積增大以致在處理中發生O濃化之顧慮。因此，鈦塊7之平均粒徑宜為0.1mm以上，更好的是1mm以上。
又，作為平均粒徑0.1mm以下之非常微細的粉末，可考慮的是使用經施以MM(Mechanical Milling，機械碾磨)處理之純鈦粉末。MM處理，係指將粉末及硬質磨球置入磨罐內密封，藉由將球磨機振動而將粉末微細化之處理。MM處理後之微粉末的表面係成為活性狀態，因此於自磨罐內回收純鈦粉末時，為了不致吸收大氣中之
O及N，乃有利用惰性氣體化進行處理之必要。
又，若是將O及N之濃度低的純鈦作MM處理，則因高延性之故粉末彼此壓著，或是純鈦壓著於硬質磨球或磨罐表面。因此，會產生MM處理所得之純鈦粉末之產率不佳之問題。基於如此般之理由，利用MM處理之純鈦粉末的製作必須要有莫大的勞力與費用，不適於大量生產。
還有的是將鈦微粉末自海綿鈦利用氫化脫氫法製造之方法。然而，如此則每單位質量之表面積增加，因表面氧化之故O濃度易於上升，因此材質之控制困難。因此，以將海綿鈦原狀使用之本發明，在品質暨成本的層面較為優異。
又，將海綿鈦利用壓製成形而以塊體使用之情形下，可將海綿鈦之一部分或全部，以邊角料(純鈦邊角料)或鈦粉末代替。
為了形成最終製品即鈦複合材1之第一表層部2及第二表層部3的鈦合金，乃採用上述之合金成分的鈦合金。
作為框體6使用之鈦合金材的形狀，係依存於作為熱間加工用素材而使用之鈦材5的形狀，特別是可使用無固
定形狀之板材或管材等。惟，經由熱間加工、冷間加工及退火等之製造步驟所製造之鈦複合材1，為使其具備表層之合金化所帶來的高機能化及優異之表面性狀，用於框體6之鈦合金材的厚度乃為重要。
在厚度薄至小於1mm之情形下，伴隨著塑性變形，於熱間加工之途中框體6將會破斷而真空破壞，而招致內部之鈦塊7的氧化。又，鈦材5之內部中填充的鈦塊7之起伏也會轉印至鈦材5之表面，而導致在熱間加工中於鈦材5之表面產生大的表面起伏。此等結果，將會對製造之鈦複合材1的表面性狀及延性等之機械特性，進而對耐氧化性帶來不良影響。
又，即使是假設熱間加工及冷間加工中不發生表面缺陷之情形下，也仍會有製造之鈦複合材1之中，鈦合金部分之厚度局部地薄化以致無法發揮充分之耐氧化性的可能性。又，框體6若是過度薄化，則無法支持內部填充之鈦塊7的重量，因此室溫或熱間下之保持中或加工中，鈦材5之剛性會不足而變形。
框體6中所使用之鈦合金材的厚度若是1mm以上，則可在不發生此等問題下進行熱間加工，而製造具備優異之表面性狀與耐氧化性之鈦複合材1。又，鈦合金材之厚度更好的是設為2mm以上。
另一方面，鈦合金材之厚度若是過厚，則於製造之熱間加工用鈦材5中所占之框體6的比率增大，相對的鈦材5中所占之鈦塊7的比率降低，導致產率降低成
本增高。
其次，對使用前述鈦塊7與框體6所製造之鈦材5進行說明。
鈦材5之形狀並未限定為特定之形狀，可依製造之鈦複合材1的形狀而決定。在以板材之製造為目的之情形下，可製造長方體形狀之鈦材5，在以圓棒、線材或擠壓材之製造為目的之情形下，可製造圓柱形或八角柱等多角柱形狀之鈦材5。鈦材5之大小，係依製品之大小(厚度、寬度、長度)及製造量(重量)而決定。
以框體6密封全周所圍成之鈦材5的內部，填充有鈦塊7。鈦塊7為塊狀之粒，因此粒與粒之間具有空間(間隙)。為了提升鈦塊7之處理性及減少此等間隙，可預先將鈦塊7壓縮成形後再置入鈦材5之中。鈦材5內之間隙內若是空氣殘留，則於熱間加工前之加熱時鈦塊7會氧化暨氮化，而導致製造之鈦複合材1的延性降低。因此，乃將鈦材5內減壓而設為高真空度。
為了防止熱間加工時之鈦塊7之氧化暨氮化，係將鈦材5之內部的真空度設為10Pa以下，較佳的是設為1Pa以下。鈦材5之內部壓力(絕對壓)若是大於10Pa，則因殘留之空氣之故鈦塊7會氧化或氮化。下限雖未特別規定，但為了使真空度極端地低，裝置之氣密性提升及真空排氣裝置之增強等與製造成本之上升又息息相關，因此並無必要設成小於1×10-3Pa。
作為將框體6熔接之方法，可使用TIG熔接或MIG熔接等之電弧熔接、電子射束熔接或雷射熔接等，並無特別限定。惟，為了使鈦塊7及框體6之面不致氧化或氮化，熔接氛圍係設為真空氛圍或惰性氣體氛圍。將框體6之接縫最後熔接之情形下，係將鈦材5置入真空氛圍之容器(腔室)內進行熔接，鈦材5之內部宜保持真空。
其次，茲針對將上述本發明之鈦材5作為熱間加工用素材進行熱間加工之鈦複合材1的製造方法進行說明。
鈦複合材(製品)1係將鈦材5作為熱間加工用素材實施熱間加工而形成。熱間加工之方法，可根據製品之形狀選擇。
在製造板材之情形下，係將長方體形狀(扁胚)之鈦材5加熱，進行熱軋而形成為鈦板。因應必要，
與既知之步驟相同，可於熱軋後以酸洗等除去表面之氧化層後，進行冷軋，再予薄化加工。
在製造圓棒或線材之情形下，係將圓柱或多角形形狀(小胚)之鈦材5加熱，進行熱軋或熱間擠壓，而形成為鈦圓棒或線材。又，因應必要，與既知步驟相同，可於熱軋後以酸洗等除去表面之氧化層後，進行冷軋，再進一步予以細化加工。
再者，於製造擠壓型材之情形下，係將圓柱或多角形形狀(小胚)之鈦材5加熱，進行熱間擠壓，而形成為各種斷面形狀之鈦型材。
作為熱間加工前之加熱溫度，可設為與一般之鈦扁胚或小胚熱間加工之情形相同之加熱溫度。雖依鈦材5之大小或熱間加工之程度(加工率)而有所不同，但宜設為600℃以上且1200℃以下。加熱溫度若是過低，則鈦材5之高溫強度變得過高，因此會成為熱間加工中破裂之原因，而且鈦塊7與框體(鈦合金部)6之接合也會變得不充分。另一方面，加熱溫度若是過高，則所獲得之鈦複合材1的組織變粗，因此無法獲得充分之材料特性，而且氧化也會造成表面之框體(鈦合金部)6減薄。加熱溫度若是設為600~1200℃，則可在如此般之問題不發生下進行熱間加工。
熱間加工時之加工的程度，具體而言加工率，可為了控制鈦複合材1之內部的空隙率而選擇。此處所稱之加工率，係將鈦材5之截面積與熱間加工後鈦複合
材1之截面積的差，除以鈦材5之截面積所得之比率(百分率)。
加工率低的情形下，鈦材5之內部的鈦塊7間之間隙無法充分地壓著，因此於熱間加工後會以空隙而殘留。如此般之空隙多量含有的鈦複合材1，對應於其含有之空隙，將會變得輕量。惟內部存在之空隙若是多量，則機械特性將無法充分發揮。另一方面，加工率增大之同時，空隙率也會降低而機械特性提升。因此，在製造之鈦複合材1的機械特性被重視的情形下，加工率以高為宜。
具體而言，加工率若為90%以上，鈦材5之內部的鈦塊7之粒界的間隙將可充分壓著，可減少鈦複合材1之空隙。雖然加工率愈高，則愈可使鈦複合材1之空隙確實消滅而較佳，但必須將鈦材5之截面積增大，而且熱間加工變得必須重複多次。其結果為，產生必須長的製造時間等之問題，因此加工率宜設為99.9%以下。
以下，根據實施例將本發明更具體地說明，然本發明不受此等實施例之限定。
表1所示之試驗No.1~20中，係於製作包含含有Si、Nb、Ta及Al之至少一種以上的鈦合金板之厚度250mm×寬度1000mm×長度4500mm的角型框體6後，於其
內部填充含有工業用純鈦之鈦塊7(選自塊體、邊角料及海綿鈦之一種以上)，並於約8×10-2Pa之真空氛圍下密閉之而形成鈦材5，將其作為熱軋用素材。
而後，將此一鈦材5加熱至820℃，並熱軋至厚度5mm後，利用噴砂及硝氟酸，針對表背面均進行去皮膜處理。
繼之，進一步進行冷軋，予以形成為厚度1mm之鈦複合材1，作為退火處理，再進行於真空或惰性氣體氛圍中加熱至600~750℃，並保持240分鐘之熱處理。
自此等供試驗材切出20mm×20mm之試驗片，將其表面與端部以# 400之砂紙研磨後，於700℃、750℃之各溫度下於大氣中曝露200小時，測定試驗前後之重量之變化，求得每個單位截面積之氧化增量。
比較例之No.1，內層部4為工業用純鈦JIS2種，不具有第一表層部2及第二表層部3。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為40g/m2以上，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為100g/m2以上，非常之高。
比較例之No.2為工業用純鈦JIS2種，第一表層部2及第二表層部3雖含有Si，但其厚度為0.9μm非常之薄。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為40g/m2以上，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為100g/m2以上，非常之高。
本發明例之No.3，內層部4含有工業用純鈦JIS1種，第一表層部2及第二表層部3含有Si，其厚度為5μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。又，空隙率也小於1%，機械性質也屬良好。
試驗No.4，其內層部4含有工業用純鈦JIS2種，第一表層部2及第二表層部3含有Si，其厚度為5μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。又，空隙率也小於1%，機械性質也屬良好。
試驗No.5，其內層部4含有工業用純鈦JIS3種，第一表層部2及第二表層部3含有Si，其厚度為5
μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。又，空隙率也小於1%，機械性質也屬良好。
比較例之試驗No.5，其內層部4含有工業用純鈦JIS2種，第一表層部2及第二表層部3含有Si，其厚度為5μm以上而具有充分之厚度，然Si含量高至0.70%。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性，但在熱軋及冷軋時表面破裂發生。
試驗No.7~20，其內層部4為工業用純鈦JIS2種，第一表層部2及第二表層部3含有選自Si、Nb、Ta、Al之1種以上，其厚度為5μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。又，空隙率也小於1%，機械性質也屬良好。
表2之試驗No.21及22中，於製作由含有Nb之鈦合金板所形成的厚度50mm×寬度1000mm×長度4000mm之框體6後，於其內部填充含有工業用純鈦之鈦塊7(塊體及海綿鈦)，並於約8×10-2Pa之真空氛圍下予以密閉
而形成鈦材5，將其作為熱軋用素材。
而後，將此一鈦材5加熱至820℃，並熱軋至厚度20mm後，利用噴砂及硝氟酸，針對表背面均進行去皮膜處理。繼之，進一步進行作為退火處理之於真空或惰性氣體氛圍中加熱至600~700℃，並保持240分鐘之熱處理。
試驗No.21及22，其內層部4為工業用純鈦JIS2種，第一表層部2及第二表層部3為含有Nb之鈦合金。又，其內層部4之空隙率也小於30%。再者，第一表層部2及第二表層部3之厚度也為5μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。
如表3所示，試驗No.23中使用含有Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.35Si-0.25Nb之鈦合金板，No.24中使用含有Ti-1.0Cu-0.5Nb之鈦合金板，No.25中使用含有Ti-0.25Fe-0.45Si之鈦合金板，而製作厚度250mm×寬度1000mm×長度4500mm之框體6後，於其內部填充以含有工業用純鈦之鈦塊7(塊體及海綿鈦)，於約8×10-2Pa之真空氛圍下密閉之而形成為鈦材5，將其作為熱軋用素材。
而後，將其加熱至820℃，並熱軋至厚度5mm後，利用噴砂及硝氟酸，針對表背面均進行就每個單層除去約40μm(兩面合計80μm)之去皮膜處理。
繼之，進一步進行冷軋，形成為厚度1mm之鈦複合材1，並作為退火處理而進行於真空或惰性氣體氛圍中加熱至600~700℃，且保持240分鐘之熱處理。
試驗No.23~25均是其第一表層部2及第二表層部3含有Si及Nb之任一種以上。又，其內層部4之空隙率也低至小於0.1%。再者，第一表層部2及第二表層部3之厚度也為5μm以上而具有充分之厚度。因此，700℃之200小時的加熱下之氧化增量為25g/m2以下，750℃之200小時的加熱下之氧化增量為70g/m2以下，顯示優異之耐氧化性。
Claims (4)
- 一種鈦複合材，具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及第二表層部含有鈦合金，前述內層部含有具有空隙之工業用純鈦，前述第一表層部及前述第二表層部之至少一方的化學組成以質量%計為：Si：0.10~0.60%、Nb：0.1~2.0%、Ta：0.3~1.0%、Al：0.3~1.5%、Sn：0~1.5%、Cu：0~1.5%、Fe：0~0.5%、以及其餘部分：Ti及雜質；前述第一表層部及前述第二表層部之前述至少一方的厚度為5μm以上，且於前述鈦複合材之總厚度中所占的比率為40%以下，前述空隙之於與板厚方向垂直的斷面中之體積率超過0%且為30%以下。
- 如申請專利範圍第1項之鈦複合材，其中前述化學組成以質量%計含有選自： Sn：0.2~1.5%、以及Cu：0.2~1.5%之一種以上。
- 如申請專利範圍第1或2項之鈦複合材，其中前述工業用純鈦之化學組成，以質量%計為：C：0.1%以下、H：0.015%以下、O：0.4%以下、N：0.07%以下、Fe：0.5%以下、以及其餘部分：Ti及雜質。
- 一種熱間加工用鈦材，具備：框體、及填充於前述框體內之選自海綿鈦、海綿鈦壓縮塊體及工業用純鈦邊角料的一種以上；前述框體之一部分、且為熱間加工後構成表層之部分含有鈦合金，前述鈦合金之化學組成，以質量%計為：Si：0.10~0.60%、Nb：0.1~2.0%、Ta：0.3~1.0%、Al：0.3~1.5%、Sn：0~1.5%、Cu：0~1.5%、 Fe：0~0.5%、以及其餘部分：Ti及雜質。
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