TWI598446B - Titanium composite material and hot processing titanium material - Google Patents

Titanium composite material and hot processing titanium material Download PDF

Info

Publication number
TWI598446B
TWI598446B TW105124176A TW105124176A TWI598446B TW I598446 B TWI598446 B TW I598446B TW 105124176 A TW105124176 A TW 105124176A TW 105124176 A TW105124176 A TW 105124176A TW I598446 B TWI598446 B TW I598446B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
titanium
layer portion
surface layer
hot
less
Prior art date
Application number
TW105124176A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201718889A (zh
Inventor
Tomoyuki Kitaura
Yoshihisa Shirai
Hideki Fujii
Original Assignee
Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp filed Critical Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Publication of TW201718889A publication Critical patent/TW201718889A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI598446B publication Critical patent/TWI598446B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/02—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling heavy work, e.g. ingots, slabs, blooms, or billets, in which the cross-sectional form is unimportant ; Rolling combined with forging or pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B3/00—Rolling materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special rolling methods or sequences ; Rolling of aluminium, copper, zinc or other non-ferrous metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F3/00—Shielding characterised by its physical form, e.g. granules, or shape of the material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metal Rolling (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

鈦複合材以及熱間加工用鈦材
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。
處理核能發電關連設備等之放射性廢棄物的設備中，使用可遮蔽熱中子之中子線遮蔽板。中子遮蔽效果，以天然之B之中存在19.9%的硼10(10B)為最高。一般係使用含有B之不鏽鋼等作為中子線遮蔽板之素材。
日本特公昭58-6704號公報(專利文獻1)中，曾揭示一種中子線遮斷材，其係將富水鎂硼石(2MgO．3B2O2．13H2O)、三斜硼鈣石(Moyerhofferit,3CaO．3B2O2．7H2O)、硬硼鈣石(2CaO．3B2O2．5H2O)等之含結晶水的硼酸鹽骨材、及半水石膏、鋁酸鈣系水泥等之無機接著劑，與水混練成型而成之硬化成形體，含有5質量%以上之B。然而，專利文獻1所揭示之中子線遮蔽 材係由水泥所構成，因此在耐蝕性、製造性、甚至在加工性之層面有其問題。
將較不鏽鋼耐蝕性為優異之含B鈦合金使用於中子線遮斷材此舉，也已由業界所研討。例如，日本特公平1-168833號公報(專利文獻2)中，曾揭示使用以質量%計含有0.1~10%之B，而其餘部分由鈦及不可避免之雜質所構成之含硼鈦合金的熱軋板。
另外，日本特開平5-142392號公報(專利文獻3)中，曾揭示一種在中空狀金屬殼體內，填充含硼物(NaB4O7、B2O3或PbO、Fe2O3等)的流動物及於其中混入的金屬氧化物所成之固化狀態的放射線遮蔽材。根據專利文獻3，主要利用硼、氫來遮斷中子線，且利用殼體及其中之金屬等來遮斷γ射線。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特公昭58-6704號公報
[專利文獻2]日本特公平1-168833號公報
[專利文獻3]日本特開平5-142392號公報
專利文獻2所揭示之熱軋板，由於B含量 高，因此成本之上升不可否認，而且加工性也非屬良好，作為中子線遮蔽板使用實際上有所困難。
再者，專利文獻3所揭示之放射線遮蔽材，係於金屬製之殼體材之中填充含硼物而成者，然含硼物填充後之加工困難。
本發明藉由降低為了提升中子遮斷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)，且抑制鈦材之製造成本，而價廉地獲得具備所期望之特性的鈦材。
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，其具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及前述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：B：0.1~3.0%、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，占前述鈦複合材之總厚度的比率為5~40%，前述空隙之與板厚方向垂直的斷面之體積率超過0%且為30%以下。
(2)如前述(1)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。
(3)一種熱間加工用鈦材，其具備：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：B：0.1~3.0%、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 金所形成之鈦材相較，雖具有同等之中子遮斷性，但可價廉地製造。
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。
第3圖為組合Ti-B合金板而形成為扁胚狀的框體之中填充有海綿鈦及邊角料之鈦材的示意圖。
本發明人等，為了解決上述課題，藉由僅將最終製品之鈦板的表層部合金化，而減少表現目標特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，終而發現一種在含有鈦合金材之框體中，將較廉價之海綿鈦等之材料於減壓下事先填充暨封入，並將該鈦材予以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 %」。
1.鈦複合材 1-1.整體構成
如第1圖所示，本發明相關之鈦複合材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含有存在有空隙之工業用純鈦。如是，此一鈦複合材之中子遮斷性，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。而且，第一表層部2及第二表層部3含有較之工業用純鈦各種性能為優異之鈦合金。
此一鈦複合材1整體，與由含有相同之鈦合金所形成的鈦材比較雖具有同等之特性，但可價廉地製造。
1-2.第一表層部及第二表層部 (厚度)
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，則無法充分獲得中子線遮蔽效果。另一方面，若是第一表層部2及第二表層部3厚的情形下，中子線遮蔽效果雖然提升，然素材整體中鈦合金所占的比率會增大，因此製造成本上升。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之至少一方(至少與外部環境相接之表層部)的厚度，設為5~40%。
中子線遮蔽效果，係與相對上述鈦複合材1之總厚度的第一表層部2及第二表層部3的厚度及加工率相關。例如，將使用20mm厚之框體6的100mm厚之熱間加工用鈦材5予以熱間加工，而製造10mm厚之鈦複合材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，分別為2mm，占鈦複合材1之總厚度的20%(兩面合計為40%)。
又，為了使第一表層部2及第二表層部3之厚度增厚，只要將製造框體6時所貼合之合金板的板厚增厚即可。然而，合金板之板厚若是過度增大，則難以將合金板熔接而形成框體6。因此，只要藉由將原本之熱間加工用鈦材5的厚度設為較小，而使相對鈦材5之總厚度的合金板之比率相對提高即可。
(化學成分)
本發明相關之鈦複合材1中，為了使第一表層部2及第二表層部3具備中子線遮蔽效果而含有合金元素。以下，茲將添加元素之選擇理由及其添加量範圍之限定理由詳細說明。
B：0.1~3.0%
B之中，10B存在19.9%，此10B之熱中子之吸收截面積大，中子線之遮蔽效果大。B含量若小於0.1%，則無法充分獲得中子線遮蔽效果，B含量若是超過3.0%，則有引 起熱軋時破裂以及加工性劣化之虞。
此處，含有B之鈦合金，可藉由於鈦中添加B或TiB2等之硼化物而製作。此外，若使用H3 10BO3、10B2O10B4C等之10B濃縮含硼素材(10B含量大致為90%以上)，則即使B含量少而中子線遮蔽效果仍大，因此極為有效。
於使用H3 10BO3、10B2O、10B4C之情形下，合金層中H及O亦會濃化，但H於真空退火等之熱處理時會自素材脫除不會成為問題，O及C若為在工業用純鈦中所含之上限以下之0.4質量%O以下、0.1質量%C以下的話，可無問題地進行製造。
上述以外之其餘部分為Ti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自邊角料混入之作為雜質元素的Cr、Ta、Al、V、Cr、Nb、Si、Sn、Mn、Mo及Cu等，與一般之雜質元素即C、N、Fe、O及H合計，總量若為5%以下可容許。
(用途)
於粒子線治療、BNCT(硼中子捕捉療法)等之放射線療法之設施中，使用B含量為3.0~4.0質量%、板厚為10~100mm之聚乙烯材料。又，核能關連設備中，核燃料貯存用架中係使用B含量0.5~1.5質量%、板厚4.0~6.0mm之不鏽鋼板。藉由使用第一表層部2及第二表層部3之B含量以及厚度(B濃化層厚度)經調整之鈦複合 材1，可發揮與上述材料同等或其以上之特性。
1-3.內層部 (化學成分)
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。
(空隙率)
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，則作為塊體金屬之機械特性(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3一體化型態之鈦複合材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，在作為塊體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。
(空隙率之算出方法)
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。
2.鈦複合材之熱間加工用素材
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。
2-1.鈦塊 (化學成分)
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。
(形狀)
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，乃有必要以惰性氣體化進行處理。
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。
2-2.框體 (化學成分)
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。
(形狀)
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的特性，進而對中子遮斷性帶來不良影響。
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中子遮斷性的可能性。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中子遮斷性之鈦複合材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。
2-3.熱間加工用鈦材
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。
(形狀)
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。
(內部)
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。
(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(絶對壓)若是大於10Pa，則因殘留之空氣鈦塊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小，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。
(熔接)
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。
3.鈦複合材之製造方法
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。
[實施例] (實施例1)
表1所示之試驗No.1~26的中子線遮蔽板，係利用以下之方法製造。
首先，框體6之Ti-B合金板，係藉由將事前利用TiB2或10B濃縮硼(H3 10BO3、10B2O10B4C)添加B並熔解的錠予以熱軋而製作。熱軋後，將其通過包含硝氟酸之連續酸洗線，而除去熱軋板表面之氧化皮膜。
將此一Ti-B合金板，於約8×10-3Pa之真空氛圍下利用電子射束熔接，於扁胚之5面對應之位置將合金板熔接而製作中空之框體6。
於該框體6之內部，置入選自海綿鈦、海綿鈦壓縮塊體及細碎裁斷成30mm×30mm×30mm以下之鈦邊角料的一種以上，並將剩餘的1面同樣地作電子射束熔接，而製作內部真空之100mm厚的鈦材5。
又，藉由改變合金板之厚度，可調整相對熱軋板之總厚度的表層部之比率。
第3圖係將如是般組合Ti-B合金板形成為扁胚狀之框體6之中填充有鈦塊7的鈦材5之示意圖。
針對此一鈦材5，使用鐵鋼設備，作800℃下240分鐘之加熱後，進行熱軋，製造厚度約4~20mm之帶狀捲。
熱軋後之帶狀捲，係通過含有硝氟酸之連續酸洗線，就每個單層作約50μm之溶削，而後，針對破裂之發生狀況進行目視觀察。又，表層部(B濃化層)之深度之測定方法，係將酸洗後熱軋板之一部分(針對長度方向之前端、中央、後端之3個部位，自寬度方向中央部分別採取)切出，將其研磨所得之物進行SEM/EDS分析， 求得相對板厚之表層部的比率及表層部的B含量(採用觀察部位之中的平均值)。
又，針對長度方向之前端、中央、後端之3個部位，自寬度方向中央部採取L方向之彎曲試驗片共計20支，並依據JIS Z 2248(金屬材料彎曲試驗方法)進行彎曲試驗。試驗溫度為室溫，藉由3點彎曲試驗以到達120度為止之彎曲角度進行彎曲試驗，評估破裂發生之有無，求得破裂發生率。
又，中子線遮蔽效果之評估，作為線源係使用Am-Be(4.5MeV)，於自線源起200mm之位置固定500mm×500mm×4~20mm厚之試驗片。檢測器設置於距線源300mm之位置，就對象能量之峰值，於對照試驗片之工業用純鈦JIS1種(4mm厚)與試驗片(4~20mm厚)分別測定放射線當量，自其值之比，評估中子線遮蔽效果(以工業用純鈦JIS1種之中子線遮蔽效果為1，記載各試驗片之值)。
結果係彙整於表1中。
試驗No.1~12之比較例及本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS1種之情形。
比較例之試驗No.1，係作為框體6並非Ti-B合金板而是使用不含有B之工業用純鈦的情形。熱軋板中並未發生破裂等，彎曲試驗中也沒有發生破裂。
試驗No.2，係第一表層部2及第二表層部3之B含量超過3.0%之情形。熱軋板中部分發生破裂，彎 曲試驗中破裂發生率也高。
試驗No.3，係第一表層部2及第二表層部3之比率超過40%之情形。熱軋板中部分發生破裂，彎曲試驗中破裂發生率也高。
本發明例之試驗No.4，係將100mm厚之鈦材5熱軋至20mm厚之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5%，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.5%，因此在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也未發生破裂。
試驗No.5~9，係將100mm厚之鈦材5熱軋至10mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率、B含量、空隙率之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.10~12，係將100mm厚之鈦材5熱軋至4mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率或B含量之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.13~19所示之本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS2種之情形。
試驗No.13，係將100mm厚之鈦材5熱軋至 20mm厚之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也未發生破裂。
試驗No.14~16，係將100mm厚之鈦材5熱軋至10mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率或B含量之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.17~19，係將100mm厚之鈦材5熱軋至4mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率或B含量之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.20~26之本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS3種之情形。
試驗No.20，係將100mm厚之鈦材5熱軋至20mm厚之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.21~23，係將100mm厚之鈦材5熱 軋至10mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率或B含量之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.24~26，係將100mm厚之鈦材5熱軋至4mm厚，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率或B含量之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在熱軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
再者，依上述手法之評估的結果為，在比較例之試驗No.1中無法確認到中子線遮蔽效果，但在本發明例之No.4~26中，不論是任何情形下，不管是任何一例中子遮蔽效果均在1以上，可確認中子線遮蔽效果。
又，核燃料貯存用架中所使用之B含量為0.5%的不鏽鋼板(4mm厚)，中子遮蔽效果為23.7。試驗No.6~9、12、15、16、19、22及23，可獲得較此不鏽鋼為高之中子線遮蔽效果。
(實施例2)
表2所示之試驗No.27~38的中子線遮蔽板，係利用以下之方法製造。
根據與實施例1相同之程序，組合不同板厚及化學組成之Ti-B框體6，製作於其內部填充海綿鈦及經裁斷之邊角料的100mm厚之鈦材5。
針對此一鈦材5，使用鐵鋼設備，作800℃下240分鐘之加熱後，進行熱軋，製造厚度約5mm之帶狀捲。
熱軋後之帶狀捲，係通過包含硝氟酸之連續酸洗線，再予進行冷軋，而形成為厚度1mm之鈦板，作為退火處理，進行將其在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，予以形成為鈦複合材1。
冷軋板即鈦複合材1，於退火後之表面檢査步驟中，係以目視觀察破裂之發生狀況。又，第一表層部2及第二表層部3(B濃化層)之深度之測定方法，係將鈦複合材1之一部分(針對長度方向之前端、中央、後端之3個部位，自寬度方向中央部分別採取)切出，將其研磨所得之物進行SEM/EDS分析，求得相對鈦複合材1之板厚的第一表層部2及第二表層部3之比率與第一表層部2及第二表層部3之B含量(採用觀察部位之中的平均值)。
又，針對長度方向之前端、中央、後端之3個部位，自寬度方向中央部採取L方向之彎曲試驗片共計20支，並依據JIS Z 2248(金屬材料彎曲試驗方法)進行彎曲試驗。試驗溫度為室溫，藉由3點彎曲試驗以到達 120度為止之彎曲角度進行彎曲試驗，評估破裂發生之有無，求得破裂發生率。
又，中子線遮蔽效果之評估，作為線源係使用Am-Be(4.5MeV)，於自線源起200mm之位置固定500mm×500mm×1mm厚之試驗片。檢測器設置於距線源300mm之位置，就對象能量之峰值，於對照試驗片之工業用純鈦JIS1種(1mm厚)與試驗片(1mm厚)分別測定放射線當量，自其值之比，評估中子線遮蔽效果(以工業用純鈦JIS1種之中子線遮蔽效果為1，記載各試驗片之值)。
結果係彙整於表2中。
試驗No.27~32之比較例及本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS1種之情形。
比較例之試驗No.27，作為框體6並非Ti-B合金板而是使用不含B之工業用純鈦的情形。冷軋板中未發生破裂等，彎曲試驗中也未發生破裂。
試驗No.28之比較例，係第一表層部2及第二表層部3之B含量超過3.0%之情形。冷軋板中部分發生破裂，彎曲試驗中也是破裂發生率高。
試驗No.29之比較例，係第一表層部2及第二表層部3之比率超過40%之情形。冷軋板中部分發生破裂，彎曲試驗也是破裂發生率高。
本發明例之試驗No.30~32，係將第一表層部2及第二表層部3之比率、B含量、空隙率變化之情形。 第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在冷軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
試驗No.33~35之本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS2種，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率、B含量、空隙率之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在冷軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
No.36~38之本發明例，係將母材之種類設為純鈦JIS3種，且變化第一表層部2及第二表層部3之比率、B含量、空隙率之情形。第一表層部2及第二表層部3之比率為5~40%之範圍內，且第一表層部2及第二表層部3之B含量為0.1~3.0%之範圍內，因此不管是任何一例在冷軋板中均未發生破裂，彎曲試驗中也均未發生破裂。
再者，依上述手法之評估的結果為，在比較例之試驗No.27中無法確認到中子線遮蔽效果，但在本發明例之No.30~38中，不論是任何情形下，不管是任何一例中子遮蔽效果均在1以上，可確認中子線遮蔽效果。

Claims (3)

  1. 一種鈦複合材，其具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及前述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：B：0.1~3.0%、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，占前述鈦複合材之總厚度的比率為5~40%，前述空隙之與板厚方向垂直的斷面之體積率超過0%且為30%以下。
  2. 如申請專利範圍第1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。
  3. 一種熱間加工用鈦材，其具備： 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：B：0.1~3.0%、以及其餘部分：Ti及雜質，內部的真空度為10Pa以下。
TW105124176A 2015-07-29 2016-07-29 Titanium composite material and hot processing titanium material TWI598446B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015149391 2015-07-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201718889A TW201718889A (zh) 2017-06-01
TWI598446B true TWI598446B (zh) 2017-09-11

Family

ID=57884467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105124176A TWI598446B (zh) 2015-07-29 2016-07-29 Titanium composite material and hot processing titanium material

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP6094724B1 (zh)
TW (1) TWI598446B (zh)
WO (1) WO2017018510A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117943403B (zh) * 2024-03-27 2024-06-04 广州众山精密科技有限公司 一种具有高结合强度的钛铝层状复合材料及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6380904A (ja) * 1986-09-22 1988-04-11 Nippon Steel Corp チタン基合金の熱間加工法
JPH01168833A (ja) * 1987-12-25 1989-07-04 Nippon Steel Corp ボロン含有チタン合金
US5579988A (en) * 1995-06-09 1996-12-03 Rmi Titanium Company Clad reactive metal plate product and process for producing the same
JP5888540B2 (ja) * 2010-09-30 2016-03-22 国立大学法人九州工業大学 ホウ素含有純チタン材および同純チタン材の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6094724B1 (ja) 2017-03-15
TW201718889A (zh) 2017-06-01
WO2017018510A1 (ja) 2017-02-02
JPWO2017018510A1 (ja) 2017-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107847994B (zh) 钛复合材料以及热轧用钛材
JP6172405B2 (ja) チタン複合材および熱間加工用チタン材
TWI605129B (zh) Titanium for hot rolling
TWI605130B (zh) Titanium composites and titanium materials for hot rolling
KR102157279B1 (ko) 티탄재 및 그 제조 방법
TWI598446B (zh) Titanium composite material and hot processing titanium material
TWI603851B (zh) Hot rolled titanium
WO2017171055A1 (ja) チタン複合材および梱包体
TWI589703B (zh) Titanium composite material and hot processing titanium material
TW201718892A (zh) 鈦複合材以及熱間加工用鈦材

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees