JP5161059B2 - 高強度で深絞り性に優れたチタン合金板およびチタン合金板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、強度と深絞り性に優れたチタン合金板と、そのチタン合金板の製造方法に関するものである。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表される高強度α＋β型チタン合金は、軽量、高強度、高耐食性に加え、溶接性、超塑性、拡散接合性などの利用加工諸特性を有することから、航空機産業を中心に多用されてきた。これらの特性を更に活用すべく、近年では、ゴルフ用品をはじめとしたスポーツ用品にも使用されるようになってきており、自動車部品、土木建築用素材、各種工具類などの民生品分野や、深海やエネルギー開発用途などへの適用拡大も進んでいる。しかし、α＋β型チタン合金の著しく高い製造コストがその適用拡大の妨げとなっており、これら民生品分野等への更なる適用拡大を促進するには、上記した諸特性を阻害することなく、且つ安価なチタン合金が開発されることであり、その開発が待ち望まれている。

これら高強度α＋β型チタン合金の製造コストが高くなる理由としては次の２点を挙げることができる。Ｖなどの高価なβ相安定化元素を使用していること。α相安定化元素として使用しているＡｌが、熱間での変形抵抗を著しく高め、熱間加工性を損ねるため、加工しにくく、また割れなどの欠陥を生じやすいということ。以上の２点である。

特に、Ａｌの添加は、主要製品である合金板を製造する際に製造コストが高くなる大きな要因となっており、圧延途中で再加熱を必要としたり、合金板の端部に割れを生じて材料歩留まりが低下したりするといった問題が発生する要因となっていた。

このような状況下で、近年、低コストチタン合金が種々提案されている。それらの中でも、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系高強度チタン合金は、β相安定化元素として、安価なＦｅを採用し、α相安定化元素として、熱間加工性を低下させるＡｌに替えて、熱間での加工性を損なわず且つ安価な酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）を採用していることから、従来のα＋β型チタン合金に比べて、相当な低コスト化が期待されている。

しかしながら、このＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系高強度チタン合金は、通常の一方向圧延により板を製造した場合、極端な板面内材質異方性が生じ、板の圧延方向すなわち長さ方向の特性は優れるものの、その幅方向の延性が極端に乏しくなってしまうという問題を兼ね備えていた。

この問題を解消するための改善案として一度だけ圧延方向に対して垂直方向に圧延を行い、その面内異方性を小さくすることで、長さ方向、幅方向ともに高強度・高延性のＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系高強度チタン合金を得られることが、特許文献１に開示されている。しかしながら、このようなクロス圧延を実機に適用することはコスト増を招くことになり、実質的な改善とはなっていない。従って、実機へ適用してもコスト増を招かず低コストで、面内異方性が小さい上に、高強度で、成形性、特に深絞り性に優れたチタン合金板が開発されることが待ち望まれている。

特開平１１−６１２９７号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、高強度で深絞り性に優れたチタン合金板と、その高強度で深絞り性に優れたチタン合金板を確実に得ることができるチタン合金板の製造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、質量％で、Ｏを０．２〜０．５％、Ｆｅを０．５％以下（０％を含まない）含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であり、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値が、４５°以下であって、前記傾角が５０°以上であるα相の、全α相に占める面積率が１０％以下であることを特徴とする高強度で深絞り性に優れたチタン合金板である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のチタン合金板の製造方法であって、質量％で、Ｏを０．２〜０．５％、Ｆｅを０．５％以下（０％を含まない）含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金鋳塊を用いて、分塊圧延、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍を順次実施してチタン合金板を製造するにあたり、前記最終焼鈍を、８００℃以上β変態点以下の温度、且つ、最終焼鈍温度の保持時間を１２分以上として実施することを特徴とする高強度で深絞り性に優れたチタン合金板の製造方法である。

本発明によると、高強度で深絞り性に優れたチタン合金板を確実に得ることができる。また、チタン合金本来の優れた耐久性はもとより、高い機械的強度に加えて、優れた深絞り性を有しているので、プレート式熱交換器の構成材、燃料電池のセパレーター、携帯電話機、モバイルパソコン、カメラのボディ、眼鏡フレーム等、高度な成形性が要求される用途に広く適用することができる。

本発明者らは、高強度で深絞り性に優れたチタン合金板を得るために、鋭意、実験、研究を進めた。その結果、添加元素であるＯ（酸素）とβ安定化元素の含有量を規定すると共に、チタン合金板の金属組織における、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角（図１に示すθ）を適切に制御することで、高強度で、優れた深絞り性を確保することが可能になることを見出し、本発明の完成に至った。

以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。

（成分組成）
β安定化元素としては、Ｍｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｓｉ、およびＨを挙げることができるが、その中でもＦｅを添加することが、Ｆｅは自然界に多量に存在し、安価な元素であることから好ましい。Ｆｅの含有量は、０．５質量％以下（０質量％を含まない）であることが好ましい。Ｆｅの含有量が０．５質量％を超えると、ｒ値が減少し、深絞り性が劣化してしまう。尚、Ｆｅの含有量の好ましい上限は０．３質量％であり、より好ましい上限は０．１５質量％である。

尚、β安定化元素としては、Ｆｅのほかにも、前記したＭｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｓｉ、およびＨの１種以上の元素を添加することができるが、Ｆｅを含むβ安定化元素の（合計）含有量は、０．５質量％以下（０質量％を含まない）とする。

また、チタン合金中のα相を硬化させるα安定化元素として、Ｏを添加する。Ｏは主に不純物として混入する元素であるが、Ｏの含有量が少なすぎると、強度が小さくなり、深絞り性が低下する。従って、本発明ではＯの含有量の下限を、深絞り性が低下することのない下限である０．１質量％とした。Ｏの含有量の好ましい下限は０．１５質量％であり、より好ましい下限は０．２５質量％である。

Ｏの含有量の上限については特に規定しないが、Ｏの含有量が多くなりすぎると、強度が大きくなりすぎ、チタン合金板の製造が困難になる。Ｏの含有量の上限の目安は、０．５質量％程度である。

（α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値）
チタンの金属組織における、ＨＣＰ構造（六方最密充填構造）であるα相は、そのすべり方向がＨＣＰ構造の六角形の底面方向にあるので、その底面に対して垂直方向に荷重が加わった場合、結晶のすべり変形を起こさず、より大きな変形が可能になる。すなわち、優れた深絞り性を確保することできる。

本発明では、このような観点から、チタン合金板において、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角（図１に示すθ）について検討を行った。その結果、その傾角の平均値が４５°以下である場合に、チタン合金板の法線方向へ力が加わるような深絞り成形において、すべり変形を起こすα相を少なくすることができることを確認した。すべり変形を起こすα相を少なくすることができると、深絞り成形時の板厚減少が小さくなり、深絞り性が向上する。

α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値の上限は、好ましくは４０°、より好ましくは３５°である。一方、その傾角の平均値の下限については、本発明では特に規定しないが、量産適用が可能な通常の製法の場合、その下限は１５°程度となる。

（傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率）
また、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値が４５°以下であっても、傾角が極端に大きいα相が多くなると、チタン合金板に対し、法線板厚方向に力が加わるような深絞り成形を施した場合、傾角が極端に大きいα相がすべり変形を起こすため、深絞り成形時の板厚減少が大きくなり、その結果、深絞り性が劣化する。

そこで、本発明では傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率を規定した。実験を行った結果、傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率を１０％以下とすることで、十分な深絞り性を確保することができることを確認した。

この面積率の上限は、好ましくは８％、より好ましくは５％である。一方、この面積率の下限については、本発明では特に規定しないが、量産適用が可能な通常の製法の場合、その下限は１％程度となる。

（製造条件）
次に、本発明のチタン合金板の製造方法について説明する。通常のチタン合金板は、分塊圧延→熱間圧延→中間焼鈍→冷間圧延→最終焼鈍といった各工程間に、随時ブラスト、酸洗処理を入れて製造されるが、製造するチタン合金板の成分組成や各工程の設定条件によって、得られる物性や組織状態は変わるので、一連の製造工程として総合的に条件を選択して決定すべきであって、個々の工程毎に条件を厳密に設定することは必ずしも適切でない。

しかしながら、本発明のチタン合金板を製造するための製造条件を、本発明者らが鋭意検討したところ、以下に示す製造条件を採用することで、本発明で意図する高強度で深絞り性に優れたチタン合金板を確実に製造することができることを確認した。

その製造条件は、１）最終焼鈍温度を８００℃以上β変態点以下とする。２）最終焼鈍温度の保持時間を１０分以上とする。以上、二つの条件である。

冷間圧延により得られる板の組織は加工組織であり、この組織を最終焼鈍によって再結晶させるのであるが、上記二つの条件を採用して最終焼鈍を実施することにより、再結晶を促進することができ、結果として、本発明で意図する高強度で深絞り性に優れたチタン合金を確実に製造することができる。

尚、最終焼鈍温度は、８００℃以上β変態点以下とするが、その温度範囲でもより高温側である方が好ましい。また、最終焼鈍温度の保持時間は、１０分以上とするが、好ましくは１２分以上、より好ましくは１５分以上である。参考に述べるが、従来からの製造工程で実施される最終焼鈍は、加工歪みを取ることを目的として実施されるが、加工歪みは数分程度で取ることができ、通常は生産性の観点からも５分以下で実施されている。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

本実施例では、まず、ＣＣＩＭ（コールドクルーシブル誘導溶解法）により表１に示す各成分組成のチタン合金でなる鋳塊を鋳造した。鋳塊の大きさはφ１００ｍｍの円柱形で、１０Ｋｇである。この鋳塊を用いて分塊圧延し、以下、熱間圧延→中間焼鈍→冷間圧延→最終焼鈍という工程を経て厚み０．３ｍｍのチタン合金板を製造した。

最終焼鈍温度、並びに最終焼鈍温度の保持時間を表１に示す。尚、本実施例で用いたチタン合金のβ変態点は、約８３０〜８７０℃である。

製造した各チタン合金板の金属組織の観察・測定と、強度および深絞り性の評価を夫々下記の要領で行った。

<α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値、傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率>
本実施例では、上記各パラメータの測定を、電界放出型走査顕微鏡（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＦＥＳＥＭ）（日本電子社製、ＪＳＭ５４１０）に、後方錯乱電子回析像（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ（Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ） Ｐａｔｔｅｒｎ：ＥＢＳＰ）システムを搭載した結晶方位解析法で行った。この測定方法を用いたのは、ＥＢＳＰ法は他の測定方法と比較して高分解能であり、高精度な測定ができるためである。まず、測定原理について説明する。

ＥＢＳＰ法は、ＦＥＳＥＭの鏡筒内にセットした試料に電子線を照射してスクリーン上にＥＢＳＰを投影する。これを高感度カメラで撮影して、コンピュータに画像として取り込む。この画像を解析して、既知の結晶系を用いたシミュレーションによるパターンとの比較によって、結晶の方位が決定される。算出された結晶の方位は３次元オイラー角として、位置座標（ｘ、ｙ）などと共に記録される。このプロセスが全測定点に対して自動的に行われるので、測定終了時には数万〜数十万点のデータを得ることができる。

このように、ＥＢＳＰ法には、Ｘ線回析法や透過電子顕微鏡を用いた電子線回析法よりも、観察視野が広く、数百個以上の多数の結晶粒に対する各種情報を、数時間以内で得ることができる利点がある。また、結晶粒毎の測定ではなく、指定した領域を一定間隔で走査して測定するために、測定領域全体を網羅した上記多数の測定ポイントに関する、上記各情報を得ることができる利点もある。尚、これらＦＥＳＥＭにＥＢＳＰシステムを搭載した結晶方位解析法の詳細は、神戸製鋼技報／Ｖｏｌ．５２ Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２００２）Ｐ６６−７０などに詳細に記載されている。

α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値、および傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率を、この測定から得た。これらの測定については、前記したように、ＦＥＳＥＭにＥＢＳＰシステムを搭載した結晶方位解析法を用いて、チタン合金板の表面に平行な面であって、且つ、板厚方向の１／４ｔ部の集合組織を測定することで行った。具体的には、チタン合金板の圧延面表面を機械研磨し、更にバフ研磨に次いで電解研磨を行い、表面を調整した試料を準備した。その後、日本電子社製ＦＥＳＥＭ（ＪＥＯＬ ＪＳＭ ５４１０）を用いて、ＥＢＳＰによる測定を行った。測定領域は３００μｍ×３００μｍの領域であり、測定ステップ間隔０．５μｍとした。ＥＢＳＰ測定・解析システムは、ＥＢＳＰ：ＴＳＬ社製のＯＩＭ（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた。

ここで、通常のチタン合金の場合、β相（ＢＣＣ）は、｛１１１｝方位（｛１１１｝＜１１２＞、｛１１１｝＜１１０＞で規定）、｛００１｝＜１００＞方位、｛０１１｝＜１００＞方位、｛５５４｝＜２２５＞方位等からなる集合組織を形成する。

本発明においては、基本的に、方位のズレが各結晶方位から±１５°以内のものは同一の結晶方位に属するとした。また、隣り合う結晶粒の境界を結晶粒界と定義した。

このような測定方法により、測定範囲内のα相、β相の全結晶粒の方位を個別に同定し、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値、その傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率を求めた。

<引張強度、深絞り性（ｒ値）の測定>
得られた各チタン合金板からＪＩＳＺ２２０１に規定される１３号試験片を作製し、この試験片について、ＪＩＳＺ２２４１に準拠する引張試験を行い、圧延方向（長手方向）の引張強度（ＴＳ）を測定した。このとき、試験速度（引張試験での歪み速度）は、０．２％耐力までを０．２５ｍｍ／ｍｉｎ、それ以降を１０ｍｍ／ｍｉｎとした。

この試験で得られた圧延方向の引張強度（ＴＳ）が、５００ＭＰａ以上のものを高強度であると評価した。

また、深絞り性の指標であるｒ値については、歪量５％における試験片の板厚ｔ（ｍｍ）、ゲージ幅Ｗ（ｍｍ）を測定し、下記式からｒ値を算出した。
ｒ値＝｛ｌｎ（Ｗ_０／Ｗ）｝／｛ｌｎ（ｔ_０／ｔ）｝
上式で、Ｗ_０、ｔ_０は、それぞれ試験前の板厚ｔ（ｍｍ）、ゲージ幅Ｗ（ｍｍ）を示す。

この試験で得られた圧延方向（長手方向）のｒ値が、１．５以上のものを深絞り性に優れると評価した。

以上の試験結果を表１に示す。

Ｎｏ．２は、Ｏの含有量が上限の目安とした０．５質量％のもの、Ｎｏ．３は、Ｏの含有量が下限の０．１質量％のもの、Ｎｏ．４は、β安定化元素であるＦｅの含有量が上限の０．５質量％のもの、Ｎｏ．１はＯとＦｅの含有量がそれらの中間値であるものであり、最終焼鈍の条件は夫々満足している。

これに対し、Ｎｏ．５〜８は、製造工程における最終焼鈍の条件を略上下限としたものであり、Ｎｏ．５は、最終焼鈍温度を上限のβ変態点である８５０℃としたもの、Ｎｏ．６は、最終焼鈍温度を下限の８００℃としたもの、Ｎｏ．７は、最終焼鈍温度の保持時間を下限の１０分としたもの、Ｎｏ．８は、最終焼鈍温度の保持時間が長時間であるが、製造工程に支障を及ぼさない最小限の時間としたものである。

これらＮｏ．１〜８は、本発明の発明例であって、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値、傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率は、本発明で規定する要件を満たすものであり、試験から得られた圧延方向の引張強度（ＴＳ）は、全て５００ＭＰａ以上、ｒ値は、全て１．５以上である。すなわち、本発明で規定する要件を満たすチタン合金板は、高強度で且つ深絞り性に優れたものであることが分かる。

一方、Ｎｏ．９〜１２は比較例であって、Ｎｏ．９は、Ｏの含有量が本発明で規定する下限より少ない０．０８質量％のもの、Ｎｏ．１０は、β安定化元素であるＦｅの含有量が本発明で規定する上限を超える０．５５質量％のもの、Ｎｏ．１１は、最終焼鈍温度がβ変態点未満であったもの。Ｎｏ．１２は、最終焼鈍温度の保持時間が５分で短すぎたものである。また、Ｎｏ．１１、１２は、製造条件が本発明で規定する要件を満足しなかったため、α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値、或いは、傾角が５０°以上のα相が全α相に占める面積率のうち、少なくとも一方が、本発明で規定する要件を満たすことができなかった。

本発明で規定する要件のうち、何らかの要件を満たさないＮｏ．９〜１２の比較例は、試験で測定した圧延方向の引張強度（ＴＳ）が、５００ＭＰａに達しないか、深絞り性の指標であるｒ値が、１．５に達しなかった。すなわち、本発明で規定する要件から外れるチタン合金板は、高強度で且つ深絞り性に優れたものとはいえないことが分かる。

α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角（θ）を示す参考図である。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｏを０．２〜０．５％、Ｆｅを０．５％以下（０％を含まない）含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であり、
   α相の（０００１）面の法線と圧延面の法線とがなす傾角の平均値が、４５°以下であって、
   前記傾角が５０°以上であるα相の、全α相に占める面積率が１０％以下であることを特徴とする高強度で深絞り性に優れたチタン合金板。
2. 請求項１記載のチタン合金板の製造方法であって、質量％で、Ｏを０．２〜０．５％、Ｆｅを０．５％以下（０％を含まない）含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金鋳塊を用いて、分塊圧延、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍を順次実施してチタン合金板を製造するにあたり、
   前記最終焼鈍を、８００℃以上β変態点以下の温度、且つ、最終焼鈍温度の保持時間を１２分以上として実施することを特徴とする高強度で深絞り性に優れたチタン合金板の製造方法。

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