JP2013226574A - チタン薄板の圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン薄板に形状不良を発生させることなく良好な表面性状を実現して、かつ、チタン薄板を効率的に圧延する。
【解決手段】多段ミル１を用いたチタン薄板の圧延方法は、前段パスと後段パスとで構成される。これらの前段パスおよび後段パスにおいて、多段ミル１に備えられたワークロール４とチタン薄板との摩擦係数に関して、後段パスの摩擦係数が、前段パスの摩擦係数よりも低い、ヘリングボーン（クロスバックル）を発生させない摩擦係数になるように圧延条件が設定されている。そして、後段パスの圧下率が前段パスの圧下率よりも低く設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段式のクラスター型圧延機（以下、多段ミルやリバース圧延機と記載する場合がある）等を使用し薄板（箔材を含む）を圧延する技術であって、特に、チタン薄板に形状不良を発生させることなく（良好な表面性状を実現して）、かつ、チタン薄板を効率的に圧延するための技術に関する。

薄板の圧延は、２台のテンションリールで交互に巻取り・巻戻して圧延機を行き来するように薄い金属板を通板し、この薄い金属板の圧下を繰り返して板厚を減少させることにより行われている。このように圧延機に金属板を通過させて圧下を行うことを「パス（圧延パス）」と呼んでいる。そして、目標とする板厚および板幅の金属板（製品）まで圧延を行うに際しては、複数回の圧延、すなわち複数の圧延パスが必要であり、各パスにおける圧下率、圧延荷重などの圧延条件をどのように決定するのかは非常に重要な事項となる。各パスの圧延条件を決定することを圧延パススケジュールの決定と呼ぶ。

このように圧延パススケジュールを決定して行われる、薄板を圧延製造する圧延機として、上述の多段ミルが用いられる。多段ミルは、ステンレスなどの硬い材料を冷間圧延するためのクラスターロールを持つリバース圧延機である。
このような圧延機を用いて圧延される金属材料として、チタン材がある。このチタン材は軽量で強度が高く、しかも耐食性に優れ、絞り加工性が良好であるので、多方面の用途に利用されている。しかし、用途によっては厳しい平坦度が要求される場合もあり、高強度のチタン材を用い、これをより薄くした良好な平坦度のシート材（薄板）が必要とされている。

このようなチタン材を効率よく圧延することを優先する場合には、圧延荷重を設備制約の上限に近づけることでパス数を最小化して生産性を向上させるパススケジュール（高生産型パススケジュール）を適用することが好ましい。具体的には、チタン材に比較的大きな張力を付与して小径のワークロールを用いて強圧下で圧延することが好ましい。しかしながら、このように圧延した場合、板幅に対して板厚の薄い、例えば板厚１．０ｍｍ以下で２００ｍｍ幅以上の圧延では特有のヘリングボーン（クロスバックル）が発生してしまい、平坦度の良好な薄板が得られない。このヘリングボーン（クロスバックル）は、圧延後の薄板に規則的に傾斜して発生する波状の形状不良であって、いわゆる耳伸びや腹伸びなどと称される一般的な平坦度不良とは異なる形状不良である。このヘリングボーン（クロスバックル）は、圧延方向に対して規則的に傾斜するような形態で伸びが局所的に過多になる。このような形状不良は、圧延方向と交差して発生する座屈であることからクロスバックルとも呼ばれることも、または、その模様形態からヘリングボーン（あるいはクロスバックル）と称されることもある。以下においては、ヘリングボーンと記載する。

このような形状不良を発生させないようにチタン材を圧延する方法を、特開昭６３−１２８１５９号公報（特許文献１）は開示する。この圧延方法は、引張強さが４６ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の高強度純チタンの熱延板、冷延板等の板材につき、焼鈍後、冷間圧延工程と焼鈍酸洗工程とを繰り返して薄板を製造するに際し、圧延張力を１５〜３０ｋｇｆ／ｍｍ^２の範囲にコントロールし、各冷間圧延工程における総圧下率を１０〜４０％とし、かつ、板厚１．０ｍｍ以下における各パスの圧下率が１０％以下で後段パスほど軽圧下とすることを特徴とする。

この圧延方法によると、冷間圧延工程と焼鈍酸洗工程とを繰り返す冷間圧延において、各冷間圧延工程の圧延張力および板厚が小さくなつたときの各パスの圧下率をコントロールすることにより、平坦度欠陥が全くない高強度純チタン材の薄板を製造することができる。

特開昭６３−１２８１５９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の圧延方法は有効であるものの、この圧延方法における条件は、圧延機のロール寸法、圧延油および板厚に依存した条件である。０．５ｍｍ以下の板厚のチタン材を小径ワークロールを用いて圧延すると、このような張力条件（１５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上）ではヘリングボーンがなくならないことを、本願発明者らは実験を通じて検証済みである。一方、圧下率を下げることにより、従来の知見通りにヘリングボーンが消滅することも確認している。

とはいえ、板厚の薄い状態でむやみに圧下率を下げることは、圧延パスの増大を生み生産性の著しい低下を引き起こすことになり好ましくない。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、チタン薄板に形状不良を発生させることなく（良好な表面性状を実現して）、かつ、チタン薄板を効率的に圧延することができる、圧延方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る圧延方法は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明に係る圧延方法は、リバース圧延機によりチタン薄板を圧延する方法である。この圧延方法は、前段パスと後段パスとで構成され、前記リバース圧延機に備えられたワークロールとチタン薄板との摩擦係数に関して、後段パスの摩擦係数が前段パスの摩擦係数よりも低くなるように圧延条件を設定し、圧延を行うことを特徴とする。

好ましくは、圧延によりワークロールに所定の厚み以下のチタンコーティングが形成されるように圧延条件を設定し、圧延を行うように構成することができる。
さらに好ましくは、後段パスにおいて、前記チタンコーティングが形成されるように圧延条件を設定し、圧延を行うように構成することができる。
さらに好ましくは、前段パスにおいて、圧延によりワークロールに所定の厚み以上のコーティングが形成される焼付き限界圧下率未満のできるだけ高い圧下率で圧延を行うように構成することができる。

さらに好ましくは、後段パスの圧下率を前段パスの圧下率よりも低くするように構成することができる。
さらに好ましくは、後段パスは、少なくとも最終パスを含むように構成することができる。

本発明に係る圧延方法を用いることにより、チタン薄板に形状不良を発生させることなく（良好な表面性状を実現して）、かつ、チタン薄板を効率的に圧延することができる。

本発明の実施形態に係るチタン薄板の圧延方法が適用される多段ミルの概略構成を示す図である。 １パスあたりの圧下率と推定摩擦係数との関係を示す図である。 全圧下率と推定摩擦係数との関係を示す図である。 強圧下したワークロール表面断面を示す図である。 低圧下したワークロール表面断面を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るチタン薄板の圧延方法を、図面に基づき詳しく説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
［全体構成］
まず、本実施形態に係る圧延方法が適用される多段ミル（例えば、１２段式のクラスター型多段圧延機）の概要について説明する。

図１は、チタン等の金属薄板（金属箔材）を圧延する多段ミル１の概略図である。多段ミル１は、１対のワークロール４，４と複数の中間ロール５およびバックアップロール６を有していて、２台のテンションリール２，３の間に配置されている。
すなわち、これら２台のテンションリール２，３を交互に巻取り・巻出して多段ミル１を行き来するようにチタン薄板７を通板することにより、この極薄金属板の圧下を繰り返して板厚を減少させて、チタン薄板７の圧延が行われる。チタン薄板７の多段ミル１での仕上がり厚みは１．０ｍｍ以下である。

多段ミル１と各テンションリール２，３との間には、チタン薄板７の通板方向で上流側から下流側へ向けて順に、チタン薄板７の板厚を測定する板厚計（図示せず）や、チタン薄板７のパスラインを一定にするデフレクタロール８とが配置されている。また、後述する数式により摩擦係数が算出できるように各種データを測定する計測器等が配置されている。

［圧延方法］
このような多段ミル１を用いてチタン薄板を圧延する方法について説明する。
この圧延方法は、１以上のパスから構成される前段パスと１以上のパスから構成される後段パスとで構成される。これらの前段パスおよび後段パスにおいて、多段ミル１に備えられたワークロール４とチタン薄板との摩擦係数に関して、後段パスの摩擦係数が前段パスの摩擦係数よりも低くなるように圧延条件が設定されている。

そして、後段パスの圧下率が前段パスの圧下率よりも低く設定されており、また、圧下率の低い後段パスは、少なくとも最終パスを含んで構成されている。このため、最終パスは、ヘリングボーンが発生しない、低い圧下率で圧延が必ず行われる。
さらに、具体的には、前段パスにおける圧下率は、圧延によりワークロール４に所定の厚み以上（たとえば１μｍ程度）のコーティング（摩擦係数が上昇する白色の焼付きコーティング）が形成される焼付き限界圧下率未満のできるだけ高い圧下率である。これは、チタン材が非常に活性な金属であるため、圧延により板表面に形成された新生面がロール表面に付着する、いわゆる焼付き現象があるロール表面被覆率を超えることにより、ロール表面がロール材質より活性なチタンで全面覆われるために、このような厚さのコーティングとなり、かつ、ロールに焼付いたチタンが凹凸面となるため白色化してくる。このため、ロール表面のこのような特徴が発生しない限界（焼付き限界圧下率）まで圧下率を高めても、油潤滑状態が継続しているため問題が無く圧延が可能である。このようにすると、生産性が向上する。そして、後段パスでは以下のように低圧下で圧延する。後段パスにおける圧下率は、圧延によりワークロール４に所定の厚み以下（たとえば２００ｎｍ程度）のチタンコーティング（ＴｉＣリッチな黒色コーティングで低い摩擦係数で安定するコーティング）が形成される低い圧下率である。これは圧下率を下げることにより、圧延中のチタンの新生面の発生を防止するとともに、チタン圧延中に発生したチタンの微細な摩耗粉が圧延油中のＣと結合して、部分的にＴｉＣを含む摩耗粉が形成する。このＴｉＣを含む摩耗粉をロールに付着させることにより、ＴｉＣでコーティングされた圧延ロールとなる。ＴｉＣは、新生面のチタンとの反応性が低いため、ロールコーティングは薄くなりかつ焼付きも起こり難くなる。このようにすると、後段パスでの摩擦抵抗を低く抑えることができ、良好な表面性状のチタン薄板を生産することができる。

なお、後段パスの摩擦係数が前段パスの摩擦係数よりも低くなるように圧延条件を設定するパススケジュールを決定するに際しては、例えば、「板圧延の理論と実際、（社）日本鉄鋼協会 共同研究会、Ｓ５９発行、ｐｐ２８５〜ｐｐ２８７」などに開示されたような当業者定法のパススケジュール決定手法を用いるとよい。
以下に、このようなパススケジュールとした理由について説明する。

［圧下率と摩擦係数との関係およびロール表面に形成されるコーティング］
へリングボーンの発生メカニズムは、十分解明されていないが、板厚に対して、板幅が十分広いような極薄板の圧延においてロールバイト内の幅方向の拘束による板幅方向の圧縮応力がロールバイト出側での板座屈を引き起こすためと言われている。このため、板厚が薄くなると起こり易く、前方張力や後方張力を付与して、ロールバイト内の変形を容易にすることにより、板幅方向の圧縮応力が減少するため発生が抑えられると言われている。このため、特許文献１に開示された方法は、有効であると考えられる。しかしながら、上述した性質に加えて、チタン材は、異方性が高く、大きな張力を与えると、板破断や幅
変化が生じてしまう。このため、特許文献１においても最大張力が制限されている。したがって、チタン圧延に適用可能な十分な高張力を付与してもヘリングボーンが消去しない場合は、圧下率を下げる方法しか残されていない。

他方、板圧延の板厚方向の応力は、上記の圧下率とともに摩擦係数にも依存する。摩擦係数が高い場合には、板厚方向の圧縮力が高まり、同時に幅方向の圧縮応力も増加する。したがって、摩擦係数が低い方が、幅方向の圧縮応力が小さくなり、ロールバイト出側での板座屈が防止でき、ヘリングボーンの発生が抑制可能である。
この知見から、摩擦係数を下げることが、ヘリングボーンの発生抑制には効果的である。圧下率を稼ぐため（生産性を低下させないため）、小径ワークロールを採用すると、ロールの油の引き込み力が減少し、摩擦係数が高くなってしまうとの問題点がある。また、油自身の粘度を上げて、摩擦係数を下げると圧延ロールバイトの出側でも油が沢山残り、コイルに巻き取った場合には、巻ずれなどの問題が発生するために、高粘度の油を用いることも好ましくない。また、上述したようにチタンは活性金属であり、圧延中にワークロールの表面にコーティングが発生し、ワークロールとチタン薄板との摩擦係数が刻々と変化する。

したがって、具体的な限界圧下率は、圧延機、圧延油およびロールコーティングの状況により変化する。上記のメカニズムと、以下に示す種々の実験とを検討した結果、摩擦係数が妥当な評価指標であることが分かった。
図２に１パスあたりの圧下率と推定摩擦係数との関係を、図３に全圧下率と推定摩擦係数との関係を、それぞれ示す。これらの図に示すプロット内の数字はパス番号を示す。なお、これらの図を作成するにあたり、摩擦係数の推定は以下の式を用いている。

摩擦係数に着目すると以下のことが分かる。図２に示すように、実施例１および実施例２の圧延実験から、圧下率が６％を超えると摩擦係数が急激に上昇して、ヘリングボーンが発生することが分かる。また、図３に示すように、実施例２の圧延実験から、定圧下率（８％）であっても、圧延が進むに従い摩擦係数が増加することが分かる。
これらの図２および図３において、摩擦係数が０．２以上になると、ヘリングボーンが発生することが分かった。すなわち、パスにおける（特に後段パスにおける）摩擦係数を０．２未満に維持すれば、ヘリングボーンが発生することを回避することができる。

また、同一圧下率でも圧延を継続すると摩擦係数が上昇する傾向も観察される（図３の
矢印）。したがって、同一圧下率（図２および図３における実施例２）においても摩擦係数は一定とは言えない。この摩擦係数の変化は、圧延状態にも依存することが分かっている。圧延状態とは、同一圧下率であっても板厚が薄くなるに従い摩擦係数が上昇する場合と、高摩擦係数状態であっても圧下率を下げるとパス内で緩やかに摩擦係数が減少する場合とがあり、これはワークロール４の表面に形成されるコーティングの状況により異なるものと考えられる。

図４に、図２および図３の比較例として示した強圧下（２４％）した場合のワークロール４の表面の拡大図を、図５に、図２の後段パスの低圧下（５％）した場合のワークロール４の表面の拡大図を、それぞれ示す。
図４に示すように、強圧下されたワークロール４の表面には、１μｍ程度の厚い白色（コーティング組成は主に金属チタンから成っている）のコーティングが形成されていることが分かり、図５に示すように、低圧下されたワークロール４の表面には、２００ｎｍ程度の薄い黒色のチタンコーティング（金属チタンとともに、ＴｉＣおよびＴｉＯ等の炭化物および酸化物を含む）が形成されていることが分かる。

さらに詳しくは、図５に示す低圧下では、ワークロール４の表面に、圧延摩耗粉起因と考えられる、非常に薄い黒色のチタンコーティング（ＴｉＣが主体、Ｔｉ、ＴｉＯを含む）が形成される。このチタンコーティングは、低い摩擦係数で安定するため、ヘリングボーンを発生させることなく、良好な表面性状を実現できる。
他方、図４に示す強圧下では、ワークロール４の表面に、非常に厚くメタリック色（白色）のコーティング（金属チタンと考えられる）が形成される。このコーティングは高い摩擦係数となる一因と考えられる。このように高圧下で圧延にすると、生産性は向上するものの、板表面がむしれて、不安定な圧延状態で圧延されるものと考えられる。

このように、チタン薄板（特に１．０ｍｍ以下の板厚）について、多段ミル１により圧延を行う場合に、初期パス（第１、第２パスなど、全体の圧延パスの半分よりも前の前段パス）において、ワークロール４の表面に厚い白色のコーティングが形成されない限界の高圧下率（焼付きの限界圧下率は、圧延油、ロール径などの圧延条件により異なる）で生産性を上げて圧延する。その後の後段パスにおいて圧下率を下げることにより、後段パスにおいて、ワークロール４の表面に、摩擦係数を低下させる、非常に薄い黒色のチタンコーティングが形成されるようにして、必要以上の高摩擦係数となることを回避して、不必要な圧延荷重の増大や全面が白色化するような強度な焼付きを発生させないようにしている。

なお、後段パスにおいて、ワークロール４の表面に黒色のチタンコーティングが形成された場合は、摩擦係数が安定するため、生産性を加味して圧下率を上げることも好ましい。
また、初期パスにおいてワークロール４の表面に厚い白色のコーティングが形成されない限界の高圧下率で圧下することは、生産性を向上させることに加えて、後段パスで非常に薄い黒色のチタンコーティング（ＴｉＣコーティング）を上手く形成するための条件であると類推される。

以上のように本実施形態に係る圧延方法によると、圧延パスにおける摩擦係数を監視することにより、前段パスでは生産性を上げて高めの圧下率（ただし、厚い白色コーティングを発生しないように焼付き限界圧下率未満のできるだけ高い圧下率）で前段パスを行う。このため、後段パスでは、低めの圧下率で薄い黒色コーティングを成長させて低い摩擦係数として製品の良好な表面性状を実現することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 多段ミル
２、３ テンションリール
４ ワークロール
５ 中間ロール
６ バックアップロール
７ チタン薄板
８ デフレクタロール

Claims (6)

1. リバース圧延機によりチタン薄板を圧延する圧延方法であって、
   前記圧延方法は、前段パスと後段パスとで構成され、
   前記リバース圧延機に備えられたワークロールとチタン薄板との摩擦係数に関して、後段パスの摩擦係数が前段パスの摩擦係数よりも低くなるように圧延条件を設定し、圧延を行うことを特徴とするチタン薄板の圧延方法。
2. 圧延によりワークロールに所定の厚み以下のチタンコーティングが形成されるように圧延条件を設定し、圧延を行うことを特徴とする請求項１に記載のチタン薄板の圧延方法。
3. 後段パスにおいて、前記チタンコーティングが形成されるように圧延条件を設定し、圧延を行うことを特徴とする請求項２に記載のチタン薄板の圧延方法。
4. 前段パスにおいて、圧延によりワークロールに所定の厚み以上のコーティングが形成される焼付き限界圧下率未満のできるだけ高い圧下率で圧延を行うことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のチタン薄板の圧延方法。
5. 後段パスの圧下率を前段パスの圧下率よりも低くすることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のチタン薄板の圧延方法。
6. 後段パスは、少なくとも最終パスを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のチタン薄板の圧延方法。