本発明は、チタン内包構造体およびチタン複層材の製造方法に関する。

チタン材は、耐食性に優れた金属材料であることから、海水を用いる熱交換器や各種の化学プラントなどに用いられている。また、密度が炭素鋼に比べて小さく、比強度(単位重量あたりの強度)に優れることから、航空機の機体にも多く使用されている。また、自動車などの陸上輸送機器にチタン材を使用すれば、陸上輸送機器が軽量となり、燃費の向上が期待できる。

しかし、チタン材は、鋼材に比べてヤング率が小さいため、撓み易い(剛性が低い)。このため、剛性を確保するためには、厚さを大きくすることになり、これにより重量が増して、比強度に優れるという特徴が減殺される。また、重量が増加すると製造コストも嵩むため、好ましくない。

重量をあまり増加せずに金属板の剛性を向上させるため、金属板の内部を空隙にする(空隙を設ける)方法が知られている。

例えば、特許文献1には、工業用純TiやTi合金を母材として用い、そのβ変態点やβ変態点域の温度以上で加熱・接合することにより、積層された母材間を条線状に拡散接合した後、展張されたチタンハニカム構造が開示され、特許文献2には、金属ろう粉末と発泡剤粉末、フラックスをAl合金製の皮材で挟み込み、加熱して発泡率30〜50%で発泡剤を発泡させることにより内部に空隙を有する軽量高剛性パネルが開示されている。また、特許文献3には、チタン粉末、バインダー成分、溶剤成分を含むペースト状組成物を成膜後、溶剤成分を揮発し、さらにバインダーを除去後に焼結する多孔質チタン薄膜の製造方法が開示されている。

一方、特許文献4には、溶解工程を省略して製造したチタン鋳塊が開示されている。このチタン鋳塊(スラブ)は、多孔質チタン(スポンジチタン)を鋳塊状に成形してブリケットとし、ブリケットの表面に真空下で電子ビームを照射して溶解することにより製造され、内部が多孔質チタンであるとともにその全表面を稠密なチタンで被覆されて構成されている。

特許第3597684号明細書

特開2004−225086号公報

特開2014−065968号公報

特開2015−45040号公報

特許文献1〜3により開示されたハニカム構造や発泡金属は、確かに、軽量を維持しながら剛性を向上できるが、展伸材(薄板)や粉末等を用いるためにその製造工程が複雑になって製造コストが嵩むことや、フラックス等が板の内部に残存して製品の特性に悪影響を及ぼす等の課題がある。

特許文献4により開示された発明は、鋳塊を前提に製造されているために表層部のチタンは粗大な凝固組織であり、表層の溶融した緻密なチタンと内部のスポンジチタンとの界面や、内部のスポンジチタン間の接合強度が非常に低いか、あるいは接合していない。このため、引張特性や曲げ加工等の製品特性が大幅に劣り、そのまま製品として使用することはできない。

特許文献4により開示されたチタン鋳塊の表面は、電子ビームを照射して一度溶解して凝固しているため、粗い鋳造組織(粗大な結晶粒)である。このため、次工程の圧延、鍛造や押出し等の熱間加工時に、チタン鋳塊の表層の粗大な鋳造組織(粗大な結晶粒)は、結晶方位の差異による強い塑性異方性により、鋳塊表面に起伏を生じてヘゲ状の表面欠陥が多数発生する。

また、鋳塊状の多孔質チタンの表面の一部を順次溶解して凝固するため、得られたチタン鋳塊の表面には溶解部周囲の熱膨張や溶解した部分が凝固する際の収縮により局部的に残留応力が発生し、表面割れが発生し易い。

大きな割れが発生すると稠密なチタンを貫通して、チタン鋳塊内部に空気が流入し、熱間加工前の加熱時にチタン鋳塊の内部の多孔質チタンが酸化するため、熱間加工できない。

貫通しない小さい割れであっても、その割れが次工程の圧延、鍛造や押出し等の熱間加工時に拡大したり、あるいは被さり状の表面欠陥になり、製品には多数の表面欠陥が発生する。

さらに、このチタン鋳塊を圧延率70%以上で熱間圧延することにより内部のスポンジチタンに内在する真空の空隙を圧着することができ、内部まで稠密なチタン板を製造することができる。しかし、このようにして得られたチタン板は、通常の溶解工程を経て製造されるチタン板と同様であり、板厚を大きくしないと剛性を確保できない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、チタン材、特に内部に空隙を有する軽量で剛性の高いチタン材と、このチタン材を低コストで効率よく製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、通常の溶解工程や鍛造工程を省略して、スポンジチタンをそのまま使って、直接加工(熱間圧延等)を行い、チタン板を製造することにより、製造工程を大幅に簡略化しながら軽量で剛性のあるチタン複層材を製造できることを知見した。

使用する原料として、不定形で塊状のスポンジチタンを用いる。塊状のスポンジチタンは、従来の工程で製造されているため、比較的安価に入手できる。また、製錬工程において、主な不純物(酸素等)が除去されているため、スポンジチタンから、直接、チタン材を製造しても化学成分の問題はない。

スポンジチタンを圧縮成形することによってブリケット形状としたもの(以下、「チタンブリケット」という。)、または、製品にはならない端材等のチタン材(以下、「チタンスクラップ」という。)も比較的安価に入手できる。ただし、これらの材料は不定形であるため、直接加工することはできない。

本発明者らは、工業用純チタン展伸材を用いて作製した容器(以下、「梱包材」という。)に、スポンジチタンなどの充填材を収容し、密閉したチタン内包構造体を見出した。このような構成のチタン内包構造体であれば、熱間加工した際に、表面割れやヘゲ状等の表面欠陥の発生を抑制できる。

特に、充填材の化学組成を工業用純チタン展伸材と同種のものにすることによって、従来のパック圧延のように圧延後にカバー材を剥がして廃却する必要はなく、梱包材は、加工後もそのままチタン複層材(製品)の一部として用いることができる。

また、本発明者らは、熱間加工前に加熱した際に、スポンジチタンなどの充填材が酸化しないように、また、熱間加工時に充填材間や充填材と梱包材の間に存在する空隙が減少し易いように、梱包材の内圧を極力減圧しておくことが重要であることも知見した。

さらに、本発明者らは、チタン複層材を軽量にするためには、内部の空隙率を大きくする必要があり、このために、チタン内包構造体を熱間加工あるいは冷間加工する際の加工率が重要であることや、加工後のチタン複層板の表層(元のチタン展伸材)と内部(元のスポンジチタンやチタンスクラップ)の境界部の剥離を防ぐためには、加工後に圧力を加えながら加熱することが重要であることを知見した。

本発明は、これらの新規な知見に基づいて完成したものであり、以下に列記の通りである。

(1)JIS1〜4種に属する化学組成を有し、内部に圧縮成形体を備えるとともに表層にチタン展伸材を備え、 前記圧縮成形体は、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上からなるとともに空隙率が30%超60%以下である、チタン複層材。

(2)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該梱包材の内部に充填された充填材とを備えるチタン内包構造体であって、 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るとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有する、1項に記載のチタン複層材の圧縮加工素材。

(3)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該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るとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有するチタン内包構造体を圧縮加工した後、厚さ方向に圧力を付与しながら熱処理して得られる、1項に記載のチタン複層材。

(4)工業用純チタン展伸材からなる梱包材と、該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るとともに、前記工業用純チタン展伸材と同種の化学組成を有するチタン内包構造体に圧縮加工を行う、1項に記載のチタン複層材の製造方法。

(5)前記圧縮加工を行った後に、厚さ方向に圧力を付与しながら熱処理する、4項に記載のチタン複層材の製造方法。

本発明によれば、表層がチタン展伸材からなるとともに内部が空隙の多いスポンジチタンからなるため、軽量でかつ剛性が高く、しかも安価なチタン複層材を得られる。

また、本発明によれば、チタン内包構造体を用いることにより、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して加工を行い、本発明に係るチタン複層材を製造することができる。このため、これらの製造に要するエネルギー(電力やガスなど)を大幅に削減できる。

さらに、本発明によれば、チタン鋳塊の表層や底面に多い欠陥部の切削除去や、鍛造後の表面割れや形状の悪い先後端部(クロップ)の除去など、多量のチタン素材を切削除去や切断除去することなく、本発明に係るチタン複層材を製造できるため、製造歩留が大幅に向上する。このため、本発明によれば、チタン複層材の製造コストを大幅に低減することができる。

図1は、本発明に係るチタン複層板の構成を模式的に示す説明図である。

図2は、本発明に係るチタン内包構造体の構成を模式的に示す説明図である。

以下、本発明に係るチタン内包構造体およびチタン複層材を説明する。以降の説明では、本発明に係るチタン複層材がチタン複層板である場合を主に例にとるが、本発明は、チタン複層板には限定されず、チタン複層管やチタン複層棒等にも同様に適用される。また、以降の説明では、化学組成に関する「%」は特に断りがない限り「質量%」を意味する。

1.全体構成 図1は、本発明に係るチタン複層板10の構成を模式的に示す説明図であり、図2は、本発明に係るチタン内包構造体1の構成を模式的に示す説明図である。

本発明に係るチタン複層板10の素材となるチタン内包構造体1は、チタン梱包材2により覆われた内部が真空であって、スポンジチタンを格納したものである。

図2に示すように、本発明に係るチタン内包構造体1は、純チタン材で形成された梱包材2と、梱包材2の内部に充填された充填材3とを備えるチタン材であって、梱包材2の内圧が、10Pa以下であり、充填材3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、かつ梱包材2の純チタン材と同種の化学組成を有する、加工用素材である。

2.充填材3 まず、充填材3について説明する。

(2−1)大きさ 充填材3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ことが望ましい。

充填材3の粒の大きさは、梱包材2の内部空間の大きさよりも小さくしなければならない。また、充填材3は、そのまま梱包材2に充填してもよいが、より効率的にするため、予めスポンジチタンを圧縮成形した成形体(チタンブリケット)としてもよい。特に、空隙率の小さいチタン複層板10を得る場合は、チタンブリケットを充填材として梱包材2の内部に充填するのが望ましい。

チタンブリケットの空隙率は30%を超え、60%以下となるように圧縮成形することが望ましい。チタンブリケットの空隙率が30%以下では、得られるチタン複層板10の空隙率も30%以下になるため所望の特性が得られない。さらに、後工程の熱間加工と熱処理により充填材(チタンブリケット)3と梱包材2を接合させるためには、チタンブリケットの空隙率は40%以上であることが望ましい。一方、チタンブリケットの空隙率が60%を超えると、チタンブリケットの強度が小さく脆くなるため、その形状を保ち難くなる。

充填材3の大きさは、平均粒径で1mm以上30mm以下であることが望ましい。平均粒径が1mm未満では、破砕するのに時間がかかり、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が悪くなる。一方、平均粒径が30mmより大きいと、チタン複層板10の空隙の大きさや分布にむらができる。

(2−2)化学組成 充填材3は、梱包材2、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、JIS2種、JIS3種またはJIS4種に相当する化学組成である。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2の化学組成がJIS1種に属する場合には、充填材もJIS1種に属する化学組成とする。このように、充填材3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、加工後のチタン複層板10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。

なお、JIS1種とは、酸素:0.15%以下、鉄:0.20%以下、窒素:0.03%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、 JIS2種とは、酸素:0.20%以下、鉄:0.25%以下、窒素:0.03%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、 JIS3種とは、酸素:0.30%以下、鉄:0.30%以下、窒素:0.05%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下であり、 JIS4種とは、酸素:0.40%以下、鉄:0.50%以下、窒素:0.05%以下、炭素:0.08%以下、水素:0.013%以下である。

次に、充填材3として用いることができるチタンスクラップを説明する。

チタンスクラップとは、工業用純チタン材の製造工程で発生する製品にならない端材や、工業用純チタン素材を製品形状とするために切削、研削した際に発生するチタン切粉、製品として使用した後の不要になった工業用純チタン材等である。

チタンスクラップの大きさは、スポンジチタンと同等の平均粒径で1mm以上30mm以下になるように切断や破砕することが望ましい。平均粒径が1mm未満であると、切断や破砕するのに時間がかかり、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が悪くなる。一方、平均粒径が30mmより大きいと、チタン複層板10の空隙の大きさや分布にむらが発生する。

チタンスクラップは、そのままの状態で梱包材2に充填してもよいが、かさ比重の小さいチタン切粉等は、より効率的に、またはより多く充填するために、予めスポンジチタンと混合した後で圧縮成形したり、チタンスクラップだけで圧縮成形した成形体として、梱包材2に充填してもよい。このチタンスクラップの成形体の空隙率はスポンジチタンだけの場合と同様、30%を超え、60%以下となるように圧縮成形することが望ましい。

3.梱包材2 次に、梱包材2を形成する純チタン材を説明する。

純チタン材としては、例えば、チタン展伸材が挙げられる。チタン展伸材は、圧延、押出し、引抜き、鍛造などの熱間または冷間の塑性加工によって造られたチタン板やチタン管である。工業用純チタン展伸材は、塑性加工されているため、表面が平滑で組織が細かい(結晶粒が小さい)という利点がある。

(3−1)厚さ 梱包材2が直方体の場合、純チタン材の厚さは、作製する梱包材2の大きさによって異なるが、0.5mm以上であることが望ましい。梱包材2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。

純チタン材の厚さが0.5mm未満であると、熱間加工前の加熱時に梱包材2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。純チタン材の厚さの上限は特になく、所望のチタン複層板10の厚さによって決められる。

さらに、純チタン材の厚さは、チタン内包構造体1の厚さの3%以上40%以下であることが望ましい。純チタン材の厚さが、チタン内包構造体1の厚さの3%より薄いと、充填材を保持し難くなり、熱間加工前の加熱時に大きく変形したり、梱包材2の溶接部分が破断したりする。一方、純チタン材の厚さが、チタン内包構造体の厚さの40%より厚いと、製造上の問題は特にないものの、チタン内包構造体1の厚さに占める純チタン材の割合が大きくなり、充填材3の充填量が少なくなるため、得られるチタン複層板10の軽量効果が少なくなる。

梱包材2が管である場合も同様で、作製する梱包材2の大きさによって純チタン材の厚さは、異なるものの、0.5mm以上であることが望ましい。さらに、直方体の場合と同様、純チタン材の厚さは、チタン内包構造体1の直径の3%以上40%以下であることが望ましい。

(3−2)成分 梱包材2は、充填材3と同種の化学組成を有することが必要である点は、上述のとおりである。

(3−3)結晶粒の大きさ 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2に用いる純チタン材の平均結晶粒径は、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1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起因する表面疵の発生を抑制することができる。

梱包材2に用いる純チタン材の平均結晶粒径の下限は、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になり、梱包材として使用できる純チタン材の厚さが限られる。このため、梱包材2に用いる純チタン材の平均結晶粒径は、好ましくは10μm以上であり、さらには好ましくは15μmである。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。

なお、平均結晶粒径は、次のようにして算出される。すなわち、純チタン材の断面の組織を光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、JIS G 0551(2005)に準拠した切断法により、純チタン材の表層の平均結晶粒径を求める。

4.チタン内包構造体1 次に、チタン内包構造体1を説明する。

(4−1)形状 チタン内包構造体1の形状は、特に制限されるものではないが、製造される複層チタン板10の形状によって決められる。チタン薄板やチタン厚板を製造する場合は、チタン内包構造体1は直方体形状(スラブ)とする。チタン内包構造体1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。

チタン丸棒、線材または押出し形材を製造する場合は、チタン内包構造体1は円柱形や八角柱などの多角柱形状(ビレット)である。その大きさ(直径、長さ)は、製品の大きさ厚さ、幅および長さ、製造量(重量)などにより決められる。

(4−2)内部 チタン内包構造体1の内部には、スポンジチタンなどの充填材3が充填されている。充填材3は、塊状の粒であるため、粒と粒の間には空隙4がある。この空隙4に空気が存在すると、熱間加工前の加熱した際に、充填材3が、酸化や窒化してしまい、その後に加工して得られたチタン複層板10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2を押し広げ、チタン内包構造体1が変形してしまい、熱間加工ができなくなる。

以上のことから、充填材3の粒間の空隙4は、極力減圧にしなければならない。具体的には、梱包材2の内圧(空隙4の圧力)は、10Pa以下であり、好ましくは1Pa以下である。梱包材2の内圧が10Paより大きいと、残留している空気により、充填材3が酸化や窒化してしまう。梱包材2の内圧の下限は、特に限定されない。しかし、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を高めたり、真空排気機器を増強するなどにより製造コストが上昇するため、梱包材2の内圧の下限は1×10⁻³Paとすることが望ましい。

(4−3)減圧方法 次に、梱包材2の内部を減圧して真空に保つ方法を説明する。

梱包材2は、充填材3を充填した後、所定の内圧以下になるように減圧して密閉されたものである。あるいは、純チタン材である梱包材2同士を部分的に接合してから、減圧し、密閉してもよい。密閉することにより、空気が侵入することなく、熱間加工前の加熱時に内部の充填材3が酸化されることがない。

密閉方法は、特に限定されないが、純チタン材である梱包材2同士を溶接して密閉することが好ましい。この場合、溶接位置は、純チタン材の継ぎ目のすべてを溶接して溶接部5を形成する、すなわち全周溶接を行う。純チタン材を溶接する方法は、ティグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接、電子ビーム溶接やレーザー溶接などを用いることができ、特に限定されない。

充填材3および梱包材2の内面が酸化または窒化されないように、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気で溶接する。純チタン材である梱包材2のつなぎ目を最後に溶接する場合は、梱包材2を真空雰囲気の容器(チャンバー)に入れて溶接を行い、梱包材2の内部を真空に保つことが望ましい。

その他、予め、梱包材2の一部に配管を設けて、不活性ガス雰囲気で全周を溶接した後、その配管を通じて所定の内圧にまで減圧し、配管を圧着などにより封じることにより、梱包材2の内部を真空にしてもよい。なお、この場合、配管は、後工程の熱間加工の際に不具合にならない位置、例えば、後端面に施工することが望ましい。

5.チタン複層板10 (5−1)全体構成 次に、チタン複層板10を説明する。

本発明に係るチタン複層板10は、JIS1種、JIS2種、JIS3種またはJIS4種に属する化学組成を有し、内部に圧縮成形体11を備えるとともに、表層にチタン展伸材12を備える。

圧縮成形体11は、スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上からなるとともに空隙率が30%超60%以下である。本発明に係るチタン複層板10は、具体的には、チタン内包構造体1を加熱した後、熱間加工すること、またはさらに冷間加工することによって得られる工業用純チタンである。

チタン複層板10は、加工前のチタン内包構造体1において、梱包材2であった外層と充填材3であった内層の2つの構造からなる。以下、チタン複層板10の内部とは、この内層のことを意味する。

上述したように、梱包材2および充填材3それぞれの化学組成は同種であるため、チタン複層板10の化学組成は、外層および内層が同種の化学組成である。具体的には、JIS1〜4種に属する化学組成を有する。

(5−2)空隙率 チタン内包構造体1の内部に存在している空隙4は、チタン内包構造体1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、所定の量残存させる。すなわち、空隙率は30%超60%以下である。空隙率が30%を下回ると、チタン複層板10の嵩比重が大きくなって重量が増加し、チタン複層板10の軽量化を図ることができなくなる。一方、空隙率が60%を越えると、チタン複層板10の内部(熱間加工する前には充填材3であった部分)の強度が低いため、チタン複層板10に曲げ加工等の加工を施した際に、チタン複層板10の内部が崩れて形状を維持できなくなる。すなわち、製品として使用できる剛性、強度さらには延性を確保でき、かつ軽量なチタン材を得るために、チタン複層板10の内部は体積率で30%超60%以下の空隙を有する。

チタン複層板10の内部に残存する空隙の割合(空隙率)は、次のように算出される。チタン複層板10の内部の断面が観察できるようにチタン複層板10を切断して、その断面の観察面を研磨し、平均表面粗さRaが0.2μm以下である鏡面化仕上げを行い、観察用試料を作製する。研磨の際には、ダイヤモンドまたはアルミナ研濁液等を用いる。

この鏡面化仕上げを行った観察用試料は、光学顕微鏡で異なる位置の20か所の中心部を写真撮影する。ここで、中心部は、チタン複層板10の場合は板厚中心であり、チタン複層丸棒の場合には円断面の中心である。その光学顕微鏡写真により観察される空隙の面積割合を測定し、20枚の写真の空隙率の値を平均した結果を空隙率として算出する。

なお、光学顕微鏡で写真を撮影する際には、チタン複層板10の空隙の大きさや空隙率に応じて適正な倍率を選択する。本発明に係るチタン複層板10の空隙率は30%超と大きいので、10〜20倍程度の低倍率で観察を行い写真撮影することが望ましい。

チタン複層板10の内部に空隙が発生する理由は、充填材3のスポンジチタン粒やチタンスクラップ片の間に形成される空隙4や、充填材3と梱包材2との間に形成される空隙である。これらのチタン内包構造体1に形成される空隙は、熱間加工やその後の冷間加工により小さくなるが、チタン内包構造体1を熱間加工あるいは冷間加工する際の加工率を適宜設定することにより、空隙率を30%超60%以下とする。

(5−3)熱間加工の方法 チタン複層板(製品)10は、チタン内包構造体1に熱間加工を施して形成される。熱間加工の方法は、チタン複層材の形状によって異なる。チタン複層板10を製造する場合には、直方体形状(スラブ)のチタン内包構造体1を加熱して、熱間圧延を行いチタン複層板10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。

チタン複層丸棒やチタン複層線材を製造する場合には、円柱や多角柱形状のチタン内包構造体を加熱して、熱間鍛造、熱間圧延や熱間押出しを行い、チタン複層丸棒やチタン複層線材とする。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、冷間圧延等を行い、さらに細く加工してもよい。

チタン複層押出し型材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン内包構造体を加熱して、熱間押出しを行い、種々の断面形状のチタン形材とする。

(5−4)加熱温度 熱間加工前の加熱温度は、チタン内包構造体1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。加熱温度が600℃未満であると、チタン内包構造体1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。一方、加熱温度が1200℃より高くなると、得られたチタン複層板10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1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1が薄肉化し、場合によっては穴明きが生じるため好ましくない。

(5−5)加工率 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複層材10の断面積の差を、加工前の断面積で除した割合)は、必要なチタン複層材10の特性に応じて調整する。チタン内包構造体1の加工率によって、チタン複層材10の内部(充填材3に由来する部分)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1の断面積を大きく減少させる加工)を付与すると空隙は殆どなくなり、通常の製法で製造したチタン複層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、チタン複層材の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。

熱間加工および冷間加工の合わせた加工率(圧下率)は10%以上であることが望ましい。その理由は、この加工率が10%未満であると、梱包材2と充填材3が全面で密着していないため、後工程の熱処理を行ってもチタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の接合が十分でない。圧下率の上限は、チタン内包構造体1の厚さとチタン複層板10の厚さおよび空隙率から決まる。加工率が大き過ぎると空隙率を30%以上にすることができなくなる。

(5−6)熱処理 チタン内包構造体1の熱間加工の際に、加工率が大きい場合(圧下率35%以上)、梱包材(チタン展伸材)2と接する充填材(スポンジチタンやチタンスクラップ)3は十分に加工されて、梱包材2に高い圧力で押しつけられるため、チタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の境界部は、強固に接合される。このため、熱間加工後のチタン複層板10は、表層と内部の境界部の接合強度を増すための熱処理を施す必要はない。必要に応じて、通常行われている焼鈍を行えばよい。

一方、加工率が小さい場合(圧下率35%未満)、加工後のチタン複層板10の表層(元の梱包材2)と内部(元の充填材3)の境界部の接合強度が十分ではない。チタン複層板10の剥離を防ぐためには、加工後に板厚方向に圧力を加えながら加熱する熱処理が必要になる。この熱処理によって、チタン複層板10の表層と内部の境界部が一体化して強固に接合される。

熱処理の方法は、加工後のチタン複層板10を加熱炉に装入して、チタン複層板10の上に重りを載せて加熱する方法(重り方式)、チタン複層板10を金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を真空に減圧し、封入した後に加熱炉に装入して加熱する方法(金属薄板方式)、チタン複層板10を加熱源とともに可塑性の断熱材で覆い、通気性のないシートで密封して内部を真空に減圧後に加熱する方法(シート方式)などがある。

加熱温度は、650℃以上900℃以下である。加熱温度が650℃より低いとチタン複層板10の表層と内部を十分に接合できない。加熱温度が900℃より高いと、チタン複層板10の表層の組織が粗大化し、チタン複層板10の強度や伸びが低下する。

重り方式の場合、用いる重りは上記の加熱温度でも耐えられる材料であり、鋼,銅,ニッケル,モリブデン,タングステン等の金属や、アルミナやジルコニア等のセラミックスである。重りの重量は、単位面積あたりの荷重で0.3kg/cm²以上3kg/cm²以下であることが望ましい。重りの重量が0.3kg/cm²より少ないと、チタン複層板10の表層と内部を十分に接合できない。一方、重りの重量が3kg/cm²より大きいと、チタン複層材10が変形するために好ましくない。

金属薄板方式の場合、金属薄板は、炭素鋼,ステンレス,ニッケル等の上記の加熱温度でも耐えられる金属薄板を用いる。金属板の厚さは0.1mm以上1mm以下であることが望ましい。金属薄板の厚さが0.1mmより薄いと、強度が小さくなるため、加熱炉から出し入れする際に破損し易い。一方、金属薄板の厚さが1mmより大きいと、強度が大きくなりチタン複層板を封入する際に加工し難いために好ましくない。

チタン複層板10を金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を10Pa以下に減圧し、封入する。これにより、チタン複層板10には、単位面積あたりの荷重で約1.0kg/cm²の圧力が付与される。内圧が10Paより大きいと、残留している空気により、チタン複層板10が酸化や窒化してしまう。内圧の下限は、特に限定されないが、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強する必要を生じ、製造コストが上昇するため、内圧の下限は1×10⁻³Paとすることが望ましい。

シート方式の場合、断熱材は可塑性のあるアルミナ,シリカやジルコニア等からなる耐火セラミック粒子や繊維状の耐火シート等を用いる。チタン複層板10と電気ヒータ等の加熱源を断熱材で覆うことにより、その外周の温度は100℃程度以下に抑えられるため、通気性のないシートには、ポリエステルやポリカーボネイト等のプラスチックフィルムを用いればよい。内部の減圧は、上記の金属薄板のカプセルで封入する場合と同じである。

実施例を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。

表1に示すチタン内包構造体1を製造し、このチタン内包構造体に表1に示す製作工程で表1に示すチタン複層板10を製造した。

充填材3として使用するスポンジチタンは、クロール法により製造したスポンジチタン(粒度=0.25mm以上19mm以下)で、スポンジチタンA(試料No.19)は化学成分がJIS1種相当のものを、スポンジチタンB(試料No.1〜18,22,24,25)は化学成分がJIS2種相当のものを、スポンジチタンC(試料No.20)は、化学成分がJIS3種相当のものを、スポンジチタンD(試料No.21)は、化学成分がJIS4種相当のものを、それぞれ用いた。

また、チタンスクラップとして、JIS2種(酸素含有量0.06%、鉄含有量0.05%、窒素含有量0.002%、炭素含有量0.003%、水素含有量0.028%)の薄板を10〜20mm角に切断したものを一部(試料No.22,23)で使用した。

さらに、一部(試料No.24,25)では、スポンジチタンBを圧縮成形して、空隙率40%のチタンブリケットとして梱包材2に充填した。

梱包材2の素材として、工業用純チタン展伸材は、JIS1種(TP270H)(試料No.19)、JIS2種(TP340H)(試料No.1〜18,22,24,25)、JIS3種(TP480H)(試料No.20)、JIS4種(TP550H)(試料No.21)の酸洗した厚板を用いた。事前に、これらの厚板の断面組織を光学顕微鏡で観察して、JIS G 0551(2005)に準拠した切断法により、厚板表層のα相の平均結晶粒径を求めた。その結果は、いずれも17μm以上30μm以下の範囲にあり、微細であることを確認した。

工業用純チタン材の5枚を仮組みし、ここにスポンジチタン、チタンスクラップやチタンブリケットを充填して残りの工業用純チタン展伸材であるチタン梱包材2で蓋をした。

この状態で、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧(真空)した後、梱包材2の継ぎ目を全周電子ビームで溶接した。この時のチャンバー内の圧力は、1.2×10⁻²〜9.4×10⁻²Paとした。

一部のチタン内包構造体1(試料No.5,16,18)では、チタン梱包材2の中央に穴をあけて内径6mmのチタン管をティグ溶接した工業用純チタン展伸材チタン梱包材2を1枚準備し、この工業用純チタン展伸材チタン梱包材2が圧延時に後端面になるように、チタン内包構造体1の仮組立を行ってから、Arガス雰囲気中で、チタン梱包材2の継ぎ目を全周ティグ溶接した。その後、チタン管を通して、チタン梱包材2の内部を所定の真空度圧力(9.2×10⁻²〜80Pa)になるまで減圧し、減圧後にチタン管を圧着して、チタン梱包材2の内部の真空度圧力を保った。

以上のようにして、内部にスポンジチタンやチタンスクラップを充填し、雰囲気が真空(真空度1.2×10⁻²〜80Pa)であるチタン内包構造体1〜25を用意した。

作製したチタン内包構造体1〜25は、大気雰囲気で820〜900℃に加熱した後、加工率(圧下率)7〜54%で熱間圧延を行い、チタン複層板1〜25を製作した。

得られたチタン複層材の一部(試料No.4,8,12,15,16,22,23)はそのままで評価を行った。

また、得られたチタン複層材の他の一部(試料No.13,14,17,18,24,25)は、チタン複層板の上に重りを載せて加熱する重り方式で、Ar雰囲気の加熱炉を用いて750℃で熱処理を行った。ステンレス(SUS304)ブロックからなる重りを、チタン複層材の上面全体に0.9kg/cm²の荷重になるように載せて加熱を行った。

残りのチタン複層材(No.1〜3,5〜7,9〜11,19〜21)は、金属薄板のカプセル内に装入し、カプセル内部を真空に減圧し、封入した後に、加熱炉に装入して加熱する金属薄板方式で熱処理を行った。金属薄板として厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)を用い、内部にチタン複層材を入れた後、内部を5×10⁻²Paまで減圧して密封した。このチタン複層材を入れた密封体を、大気雰囲気の加熱炉に入れて700℃〜850℃に加熱した。

熱処理後のチタン複層材は、熱処理を行っていないチタン複層材とともに、厚さ方向に切断してその断面を観察して評価した。

結果を表1にまとめて示す。表1における下線は、本発明の範囲外であることを示す。

表1における試料No.1,2,7,9〜24は本発明の条件を全て満足する本発明例であり、試料No.3〜6,8,25は本発明の条件を満足しない比較例である。

試料No.1,2,7,9〜24は、空隙率が31〜59%と本発明の範囲を満足しており、軽量で剛性の高いチタン複層材10を得られた。

特に、試料No.12,15,16,22,23では、熱間圧延の圧下率が38%〜54%と大きいため、熱間加工後の熱処理は施さずに熱間加工を行うだけで、表層と内部が十分接合された良好なチタン複層板10が得られる。

また、スポンジチタンやチタンスクラップ、チタンブリケットを充填したチタン内包構造体を用いた試料No.22〜24は、加工率12〜54%の熱間加工を施し、加工率が小さい(35%未満)場合はその後熱処理を行うことにより、剥離のない良好なチタン複層材10を得られる。

これに対し、試料No.3は、チタン複層材10の内部の空隙率が65%と本発明の範囲の上限を上回るため、内部で剥離が多数発生し、製品として使用することができない。

試料No.4は、熱間圧延時の圧下率が20%と小さく、熱処理を施していないため、得られたチタン複層材10の表層と内部が剥離していた。また、試料No.8も、熱間圧延時の圧下率が31%と小さく、熱処理を施していないため、得られたチタン複層材の表層と内部が剥離していた。このため、これらは製品として使用できない。

試料No.5は、チタン内包構造体1を製作する際に、内部の圧力を80Paとした。このため、熱間圧延時の加熱時に、内部のスポンジチタン表面が酸化して、その後の熱間圧延や熱処理ではスポンジチタン同士の接合が弱く、チタン複層材10の内部の一部が剥離して、製品として使用することができない。

さらに、試料No.25は、空隙率40%のチタンブリケットを熱間加工時の圧下率7%で加工し、空隙率35%のチタン複層板10を製作した。熱間加工後に熱処理を施したものの、熱間加工時の圧下率が小さいために、チタン内包構造体1の梱包材2とチタンブリケット3が全面で密着できず、チタン複層材10の一部で表層と内部の境界で剥離が発生した。このため、製品として使用することができない。

本発明によれば、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して、チタン内包構造体を製作して、圧延等の圧縮加工を行うことにより、軽量で剛性のあるチタン複層材を製造することができるため、製造に要するエネルギーを削減できる。

さらに、本発明によれば、チタン鋳塊の表層や底面に多い欠陥部の切削除去や、鍛造後の表面割れや形状の悪い先後端部(クロップ)の除去など、多量のチタン素材を切削除去や切断除去することなく製造できるため、製造歩留が大幅に向上し、製造コストを大幅に低減することができる。

このように、本発明の産業上の利用可能性は高い。