JPWO2016056607A1 - チタン素材およびチタン材 - Google Patents
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Abstract
Description
溶解工程:スポンジチタンをプレス成形して電極として、真空アーク溶解炉で溶解して鋳塊を製造する工程
鍛造工程:鋳塊を熱間で鍛造してスラブ(熱間圧延素材)やビレット(熱間押出しや熱間圧延などの素材)などを製造する工程
熱間加工工程:スラブやビレットを加熱して熱間で圧延や押出し加工して板や丸棒などを製造する工程
冷間加工工程:板や丸棒をさらに冷間で圧延加工して薄板や丸棒、線などを製造する工程
前記梱包材の内部に充填された充填材とを備えるチタン材であって、
前記梱包材の内圧が、10Pa以下であり、
前記充填材が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成され、且つ前記純チタン材と同種の化学組成を有する、
チタン内包構造体。
充填材2としてスポンジチタンを用いる場合には、従来のクロール法などの製錬工程で製造されるものを用いることができる。この製錬工程で得られたスポンジチタンは、通常数tonもある大きな塊であるため、従来工程と同様に、破砕して平均粒径で30mm以下の粒にしたものを用いるのがよい。
充填材2は、梱包材1、すなわち純チタン材と同種の化学組成であることが必要である。例えば、JIS1種、2種、3種または4種に相当する化学成分である。ここで、同種の化学組成であることとは、具体的には、JISの同じ規格に属することを意味する。例えば、梱包材1の化学組成がJIS1種に属する場合には、充填材2もJIS1種に属する化学組成とする。このように、充填材2の化学組成を、純チタン材と同種の化学組成とすることにより、加工後のチタン材の表層と内部とを同等の化学組成とすることができ、そのまま工業用純チタンとして扱うことができる。
梱包材1が直方体の場合、純チタン材の厚さは、作製する梱包材1の大きさによって異なるが、0.5mm以上50mm以下が望ましい。梱包材1が大きいほど、強度や剛性が必要であるため、より厚い純チタン材を用いる。0.5mm未満では熱間加工前の加熱時に梱包材1が変形したり、熱間加工初期に破断したりする可能性があるので好ましくない。50mmより厚いと、チタン内包構造体10の厚さに占める純チタン材の割合が大きくなり、充填材2の充填量が少なくなるため、充填材2を加工する量が少なく、製造効率が劣り好ましくない。
梱包材1は、充填材2と同種の化学組成であることが必要である点は、上述のとおりである。
純チタン材は、適度な塑性加工を施して熱処理することにより、その結晶粒を調整することができる。梱包材1に用いる純チタン材の平均結晶粒は、円相当直径で500μm以下にする。これにより、チタン内包構造体10を熱間加工した場合に発生する粗大な結晶の結晶方位の違いによって発生する表面疵を抑制することができる。その下限は特に定めるものではないが、工業用純チタンで結晶粒径を極端に小さくするためには、塑性加工時の加工割合を大きくすることが必要であり、梱包材1として使用できる純チタン材の厚さが限られるため、10μm以上、さらには15μmより大きいのが好ましい。ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンで大半を占めるα相の結晶粒である。
チタン内包構造体10の形状は、制限されるものではないが、製造されるチタン材の形状によって決められる。チタン薄板や厚板を製造する場合は、チタン内包構造体10は直方体形状(スラブ)とする。チタン内包構造体10の厚さ、幅および長さは、製品の厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。
チタン内包構造体10の内部には、スポンジチタンなどの充填材2が充填されている。充填材2は、塊状の粒であるため、粒と粒の間には空隙3がある。この空隙3に空気があると、熱間加工前の加熱した際に、充填材2が、酸化や窒化してしまい、その後に加工し得られたチタン材が脆くなって、必要な材料特性が得られなくなる。また、Arガスなどの不活性ガスを充填すると、スポンジチタンの酸化または窒化を抑制することができる。しかし、加熱時にArガスが熱膨張し、梱包材1を押し広げ、チタン内包構造体10が変形してしまい、熱間加工ができなくなる。
チタン内包構造体10の内部に存在している空隙3は、チタン内包構造体10を熱間加工、またはさらに冷間加工に伴い減少するものの、完全には除去されず(空隙率は0%にはならず)、一部が残存する。すなわち、空隙率は、0%を超える。この空隙3が多いと、チタン材のかさ比重が小さくなり軽量化できる。しかし、空隙3が多すぎると、製品によってはチタン材の強度や延性が低くなりすぎて、所望の性能が発揮できない場合がある。よって、空隙率の上限を30%以下とすることによってチタン材の強度や延性が必要な製品においては特性を確保することができる。すなわち、製品として使用できる強度や延性が確保でき、かつ軽量なチタン材を得るために、チタン材内部は体積率で0%超30%以下の空隙3を有することが好ましい。
チタン材(製品)は、チタン内包構造体10に熱間加工を施して形成される。熱間加工の方法は、チタン材の形状によって異なる。チタン板を製造する場合は、直方体形状(スラブ)のチタン内包構造体10を加熱して、熱間圧延を行いチタン板とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。
熱間加工前の加熱温度は、チタン内包構造体10の大きさや熱間加工の加工率によって異なるが、600℃以上、1200℃以下である。600℃未満では、チタン内包構造体10の高温強度が高く、十分な加工率を付与することができない。加熱温度が1200℃より高くなると、得られたチタン材の組織が粗くなり、十分な材料特性が得られないことや、チタン内包構造体10の外表面が酸化されて、厚いスケールが生成し、チタン内包構造体10が薄肉化、場合によっては穴明きが生じるため好ましくない。
熱間加工や冷間加工の際の加工の度合い、すなわち加工率(加工前の断面積と加工後のチタン材の断面積の差を、加工前の断面積で除した割合)は、必要なチタン材の特性に応じて調整する。チタン内包構造体10の加工率によって、チタン材の内部(充填材2由来の部分)の空隙割合を調整することができる。大きな加工(チタン内包構造体10の断面積を大きく減少させる加工)を付与すると空隙はほとんどなくなり、通常の製法で製造したチタン材と同程度の引張特性を付与することができる。一方、小さい加工では、チタン材内部に多くの空隙を残し、その分軽量なチタン材を得ることができる。
充填材として、表1に示す、クロール法により製造したスポンジチタンおよび/またはチタンスクラップと、梱包材として、表1に示す、純チタン材(工業用純チタン展伸材)を酸洗した厚板6枚を用いて、厚さ75mm、幅100mm、長さ120mmの直方体のチタン内包構造体の製作を試みた。
充填材として、表2に示す、クロール法により製造したスポンジチタンまたはチタンスクラップと、表2に示す、梱包材とを用いて、直径150mm、長さ250mmの円柱形のチタン内包構造体を製作した。
1a 純チタン材
2 充填材
3 空隙
4 溶接部
10 チタン内包構造体
20a、20b チタン材
21a、21b 外層
22a、22b 内層
23a、23b 空隙
溶解工程:スポンジチタンをプレス成形して電極として、真空アーク溶解炉で溶解して鋳塊を製造する工程
鍛造工程:鋳塊を熱間で鍛造してスラブ(熱間圧延素材)やビレット(熱間押出しや熱間圧延などの素材)などを製造する工程
熱間加工工程:スラブやビレットを加熱して熱間で圧延や押出し加工して板や丸棒などを製造する工程
冷間加工工程:板や丸棒をさらに冷間で圧延加工して薄板や丸棒、線などを製造する工程
純チタン材で形成された梱包材と、
前記梱包材の内部に充填された充填材とを備え、
前記梱包材の内圧が、絶対圧で10Pa以下であり、
前記充填材が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成され、且つ前記純チタン材と同種の化学組成を有する、
チタン素材。
充填材2としてスポンジチタンを用いる場合には、従来のクロール法などの製錬工程で製造されるものを用いることができる。この製錬工程で得られたスポンジチタンは、通常数tonもある大きな塊であるため、従来工程と同様に、破砕して平均粒径で30mm以下の粒にしたものを用いるのがよい。
充填材2は、梱包材1、すなわち純チタン材と同種の化学組成であることが必要である。例えば、JIS1種、2種、3種または4種に相当する化学成分である。ここで、同種の化学組成であることとは、具体的には、JISの同じ規格に属することを意味する。例えば、梱包材1の化学組成がJIS1種に属する場合には、充填材2もJIS1種に属する化学組成とする。このように、充填材2の化学組成を、純チタン材と同種の化学組成とすることにより、加工後のチタン材の表層と内部とを同等の化学組成とすることができ、そのまま工業用純チタンとして扱うことができる。
梱包材1が直方体の場合、純チタン材の厚さは、作製する梱包材1の大きさによって異なるが、0.5mm以上50mm以下が望ましい。梱包材1が大きいほど、強度や剛性が必要であるため、より厚い純チタン材を用いる。0.5mm未満では熱間加工前の加熱時に梱包材1が変形したり、熱間加工初期に破断したりする可能性があるので好ましくない。50mmより厚いと、チタン素材10の厚さに占める純チタン材の割合が大きくなり、充填材2の充填量が少なくなるため、充填材2を加工する量が少なく、製造効率が劣り好ましくない。
梱包材1は、充填材2と同種の化学組成であることが必要である点は、上述のとおりである。
純チタン材は、適度な塑性加工を施して熱処理することにより、その結晶粒を調整することができる。梱包材1に用いる純チタン材の平均結晶粒は、円相当直径で500μm以下にする。これにより、チタン素材10を熱間加工した場合に発生する粗大な結晶の結晶方位の違いによって発生する表面疵を抑制することができる。その下限は特に定めるものではないが、工業用純チタンで結晶粒径を極端に小さくするためには、塑性加工時の加工割合を大きくすることが必要であり、梱包材1として使用できる純チタン材の厚さが限られるため、10μm以上、さらには15μmより大きいのが好ましい。ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンで大半を占めるα相の結晶粒である。
チタン素材10の形状は、制限されるものではないが、製造されるチタン材の形状によって決められる。チタン薄板や厚板を製造する場合は、チタン素材10は直方体形状(スラブ)とする。チタン素材10の厚さ、幅および長さは、製品の厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。
チタン素材10の内部には、スポンジチタンなどの充填材2が充填されている。充填材2は、塊状の粒であるため、粒と粒の間には空隙3がある。この空隙3に空気があると、熱間加工前の加熱した際に、充填材2が、酸化や窒化してしまい、その後に加工し得られたチタン材が脆くなって、必要な材料特性が得られなくなる。また、Arガスなどの不活性ガスを充填すると、スポンジチタンの酸化または窒化を抑制することができる。しかし、加熱時にArガスが熱膨張し、梱包材1を押し広げ、チタン素材10が変形してしまい、熱間加工ができなくなる。
チタン素材10の内部に存在している空隙3は、チタン素材10を熱間加工、またはさらに冷間加工に伴い減少するものの、完全には除去されず(空隙率は0%にはならず)、一部が残存する。すなわち、空隙率は、0%を超える。この空隙3が多いと、チタン材のかさ比重が小さくなり軽量化できる。しかし、空隙3が多すぎると、製品によってはチタン材の強度や延性が低くなりすぎて、所望の性能が発揮できない場合がある。よって、空隙率の上限を30%以下とすることによってチタン材の強度や延性が必要な製品においては特性を確保することができる。すなわち、製品として使用できる強度や延性が確保でき、かつ軽量なチタン材を得るために、チタン材内部は体積率で0%超30%以下の空隙3を有することが好ましい。
チタン材(製品)は、チタン素材10に熱間加工を施して形成される。熱間加工の方法は、チタン材の形状によって異なる。チタン板を製造する場合は、直方体形状(スラブ)のチタン素材10を加熱して、熱間圧延を行いチタン板とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。
熱間加工前の加熱温度は、チタン素材10の大きさや熱間加工の加工率によって異なるが、600℃以上、1200℃以下である。600℃未満では、チタン素材10の高温強度が高く、十分な加工率を付与することができない。加熱温度が1200℃より高くなると、得られたチタン材の組織が粗くなり、十分な材料特性が得られないことや、チタン素材10の外表面が酸化されて、厚いスケールが生成し、チタン素材10が薄肉化、場合によっては穴明きが生じるため好ましくない。
熱間加工や冷間加工の際の加工の度合い、すなわち加工率(加工前の断面積と加工後のチタン材の断面積の差を、加工前の断面積で除した割合)は、必要なチタン材の特性に応じて調整する。チタン素材10の加工率によって、チタン材の内部(充填材2由来の部分)の空隙割合を調整することができる。大きな加工(チタン素材10の断面積を大きく減少させる加工)を付与すると空隙はほとんどなくなり、通常の製法で製造したチタン材と同程度の引張特性を付与することができる。一方、小さい加工では、チタン材内部に多くの空隙を残し、その分軽量なチタン材を得ることができる。
充填材として、表1に示す、クロール法により製造したスポンジチタンおよび/またはチタンスクラップと、梱包材として、表1に示す、純チタン材(工業用純チタン展伸材)を酸洗した厚板6枚を用いて、厚さ75mm、幅100mm、長さ120mmの直方体のチタン素材の製作を試みた。
充填材として、表2に示す、クロール法により製造したスポンジチタンまたはチタンスクラップと、表2に示す、梱包材とを用いて、直径150mm、長さ250mmの円柱形のチタン素材を製作した。
1a 純チタン材
2 充填材
3 空隙
4 溶接部
10 チタン素材
20a、20b チタン材
21a、21b 外層
22a、22b 内層
23a、23b 空隙
Claims (3)
- 純チタン材で形成された梱包材と、
前記梱包材の内部に充填された充填材とを備えるチタン材であって、
前記梱包材の内圧が、絶対圧で10Pa以下であり、
前記充填材が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上で構成され、且つ前記純チタン材と同種の化学組成を有する、
チタン内包構造体。 - 前記梱包材および前記充填材が、JIS1種から4種に規定されている化学組成を有する、請求項1に記載のチタン内包構造体。
- JIS1種から4種に属する化学組成を有し、内部の空隙率が、0%を超えて30%以下である、チタン材。
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