TWI600772B - Titanium composite material and hot processing titanium material - Google Patents

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。

工業用鈦冷軋板材(例如，工業用純鈦冷軋板材)，如板式熱交換器、FC隔板等般，係將板材成形加工為特定之形狀而使用，其用途正日益擴大之中。因此，工業用鈦冷軋板材除了成形性以外，還被要求的有疲勞強度之提升所致之薄型化、高負荷環境(高荷重下)。

另一方面，與其他之金屬材相同，純鈦亦是支配其成形性之延性與強度(疲勞強度)呈相反之關係。

日本特開2008-195994號公報(專利文獻1)中，曾揭示一種藉由進行：以純鈦、α型鈦合金、β型鈦合金或α+β型鈦合金之任一種所構成的鈦製品作為處理對象實施電漿氮化而於處理對象之表面形成硬化層的電漿氮 化處理、以及對於電漿氮化處理後之處理對象以1種或2種以上之微粒子衝撞的微粒子衝撞處理，而除去硬化層之表面存在的化合物層，據以進行鈦製品之表面改質而提升疲勞強度之方法。

日本特開2013-76110號公報(專利文獻2)中，曾揭示一種依序具備以下步驟之由鈦合金及鈦所構成之基體的表面處理方法：對於由鈦合金及鈦所構成之基體的表面進行微粒子珠擊處理之步驟A、於溫度帶T1中進行第一熱處理之步驟B、於溫度帶T2中進行第二熱處理之步驟C、及於溫度帶T3中進行第三熱處理之步驟D；上述步驟中除符合T1>T2>T3之關係以外，又使T1設為900~1000℃。具體言之，此一表面處理方法，係藉由於鈦材之表面的附近區域，自表面側依序形成非晶質層、微細粒層(α相，粒徑：約300nm)、次微米粒層(α相，粒徑：約500nm)、微米粒層(β相，粒徑：約3000nm)，而提升疲勞強度。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2008-195994號公報

[專利文獻2]日本特開2013-76110號公報

根據專利文獻1所揭示之方法，由於硬化層之形成使用到固溶強化能高之C及N，因此若將其等固溶則會變硬，雖然可提升疲勞強度，然會招致急劇之延性降低，成形性低劣。

又，根據本發明人等之研討結果，由專利文獻2所揭示之此一表面處理方法，提升成形性並非容易。

另外，專利文獻1及專利文獻2所揭示之發明，有必要對鈦材進行特殊之表面處理，製造成本之上升無可避免。

本發明之目的在於藉由降低為了提升耐疲勞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，具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及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：合計：0.08~1.0%之選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上、以及其餘部分：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為5~100μm，且於前述鈦複合材之總厚度中所占的比率為20%以下，前述空隙之於與板厚方向垂直的斷面中之體積率超過0%且為30%以下。

(2)如上述(1)之鈦複合材，其中前述第一表層部及前述第二表層部之前述至少一方的α相之結晶粒徑為15μm以下。

(3)如上述(1)或(2)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。

(4)如上述(1)至(3)中任一項之鈦複合材，其疲勞強度比為0.65以上。

(5)如上述(1)至(4)中任一項之鈦複 合材，其輥軋時寬度方向之破斷伸長量為25%以上。

(6)一種熱間加工用鈦材，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：合計：0.08~1.0%之選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上、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，雖具有同等之耐疲勞性，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圖為表示平面彎曲疲勞試驗材的說明圖。

第4圖(a)~(d)表示根據本說明書所示之方法製作的情形下之組織照片的一例。

本發明人等，為了解決上述課題再三研究，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，此一鈦複合材之耐疲勞性，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含有與工業用純鈦相較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，則無法充分獲得耐疲勞性。第一表層部2及第二表層部3之厚度雖依製造時所用之素材的厚度、或而後之加工率而變化，若為5μm以上即可發揮充分之效果。因此，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，宜為5μm以上，更令人滿意的是10μm以上。又，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之厚度，宜分別為1%以上。

另一方面，第一表層部2及第二表層部3厚的情形下，耐疲勞性雖無問題，但成形性降低。又，鈦複合材整體中鈦合金所占之比率增大，因此成本優勢減小。故而，第一表層部2及第二表層部3之厚度，宜分別為100μm以下，更令人滿意的是50μm以下。又，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之厚 度，宜分別為20%以下，更令人滿意的是10%以下。

(化學成分)

本發明相關之鈦複合材1中，為了提升第一表層部2及第二表層部3之至少一者(至少與外部環境相接之表層部)的耐疲勞性，可含有以下所揭示之各種合金元素。

選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上：0.08~1.0%

疲勞破壞之起點為板材之表面，因此為了在維持成形性下獲得高耐疲勞性，宜使α相之結晶粒徑為15μm以下。α相之結晶粒徑更好的是10μm以下，再好的是5μm以下。

α相之結晶粒徑設為15μm以下，為了獲得高耐疲勞性，Fe、Cr、Ni、Al及Zr之合計含量設為0.08%以上。另一方面，此等元素之合計含量若是大於1.0%，則有使伸長量或成形性等之延性大幅降低之情形。因此，選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上的合計含量設為0.08~1.0%。

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作為自邊角料混入之雜質元素的Sn、Mo、V、Mn、Nb、Si、Cu、Co、Pd、Ru、Ta、Y、La及Ce等，與一般之雜質元素即C、N、O及H合計，總量為5%以下可容許。

(機械特性)

鈦複合材1在維持優異之成形性下兼具有高疲勞強度，疲勞強度比(10⁷次疲勞強度/抗拉強度)為0.65以上。疲勞強度比愈高則愈為疲勞特性優異之材料，鈦材一般而言此數值為0.5~0.6，若為0.65以上則與一般之鈦材相比疲勞特性可稱優異，若為0.70以上則更是優異。

此外，鈦複合材1其與輥軋方向垂直之方向的破斷伸長量為25%以上。有關成形加工，伸長量有重大影響，伸長量愈大則愈顯示優異之成形性。

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，相較於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，則作為塊狀金屬之機械特性(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3一體化形態之鈦複合材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，在作為塊狀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渉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，乃有利用惰性氣體化進行處理之必要。

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。故而，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特性，進而對耐疲勞性帶來不良影響。

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耐疲勞性的可能性。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耐疲勞性之鈦複合材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，則因殘留之空氣之故鈦塊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低，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]

如第1圖及第2圖所示，此處進行於鈦合金板之框體6的內部填充鈦塊7而形成為鈦材5，並將此鈦材5輥軋之方法，據以進行試驗片之製作。

又，鈦材5之整體之厚度設為125mm，框體6之Fe、Cr、Ni、Al、Zr之合計含量為0.03~1.12%，內部之鈦塊7的化學成分為O：0.043~0.301%、Fe：0.028~0.088%之範圍，且C：0.01%以下、H：0.003以下、N：0.006%以下。作為其一部分，為了比較熱軋率之影響，另外又製作整體之厚度為25mm、50mm之鈦材5。

具體而言，外周使用Fe、Cr、Ni、Al、Zr濃度及厚度經調整之鈦合金板而製作框體6，於此框體6之內部填充將海綿鈦壓縮成形之壓縮體(塊體)，而後再將鈦材5之蓋熔接。

作為其一部分，另又製作不形成塊體而以海綿鈦之原狀填充成之鈦材5，另又製作將與海綿鈦組成同等之純鈦板切成約25mm見方之邊角料混合10%或30%而成之塊體並將其填充之而製作鈦材5。

有關熔接方法，為了防止熱間加工時之鈦塊7 之氧化暨氮化，乃於鈦材5之內部的真空度設為10Pa以下的真空氛圍下，進行電子射束熔接。

而後，熱軋至厚度5mm後，施以去皮膜(噴砂及酸洗)、冷軋及退火，而形成鈦複合材1。又，形成元素濃化區域(鈦合金)之第一表層部2及第二表層部3的厚度，係利用外側之鈦合金板6之厚度與去皮膜時之表面除去量而調整。

針對作為鈦複合材1之各試驗材，就其各位置之α相結晶粒徑、抗拉強度、伸長量、疲勞強度、成形性，利用以下所示之條件評估之。

(α相結晶粒徑)

第一表層部2及第二表層部3的厚度係由EPMA測定。於光學顯微鏡拍攝之組織照片中，利用根據JIS G 0551(2005)之切斷法，算出內層部及表層部中，板厚1~10%之位置的α相平均結晶粒徑。

(抗拉強度、伸長量)

製作平行部6.25×32mm、標點間25mm、夾頭部10mm寬、全長80mm之拉伸試驗材(JIS13-B拉伸試驗材之一半的尺寸)，至0.2%耐力測定為止以標點間0.5%/min之拉伸速度，耐力以降則以30%/min之拉伸速度進行拉伸試驗。此處，評估與輥軋方向為垂直方向之抗拉強度、全伸長量。

(疲勞強度)

使用第3圖所示之平面彎曲疲勞試驗材與東京衡機公司製之平面彎曲試驗機，以應力比R=-1、頻率25Hz之條件進行疲勞試驗。此處，求取各應力振幅之至破斷為止的重複數作成應力疲勞曲線，評估即使進行107次重複彎曲也不致破斷之疲勞限度(疲勞強度)。

(成形性)

利用東京試驗機公司製、型號SAS-350D之深沖試驗機，使用 40mm之球頭衝打頭，針對加工成90mm×90m×0.5mm之形狀的鈦板進行球頭突出試驗。突出試驗係塗佈日本工作油(股)公司製之高黏性油(# 660)，於其上載置聚乙烯板材，以使衝打頭與鈦板不直接接觸之方式，比較試驗材破斷時之突出高度，藉而進行評估。

球頭突出試驗下之突出高度，強烈受到氧濃度之影響，因此就JIS1種為21.0mm以上、就JIS2種為19.0mm以上、就JIS3種為13.0mm以上的話，判定其成形性良好(表中之○記號)。若是未達此等數值之情形下則為不佳(表中之×記號)。

(金屬組織)

第4圖中表示由上述方法製作之情形下的組織照片之一例。第4圖(a)係試驗No.1(比較例、一般之鈦材 料)之組織照片，第4圖(b)係試驗No.9(本發明例)之組織照片，第4圖(c)係試驗No.16(本發明例)之組織照片，第4圖(d)係試驗No.22(本發明例)之組織照片。

又，第4圖(b)~第4圖(d)為本發明例，第一表層部2與第二表層部3之厚度不同。

試驗結果係彙整於表1及表2中。表1係作為鈦塊7使用JIS1種相當之工業用純鈦的情形，表2係作為鈦塊7使用JIS2、3種相當之工業用純鈦的情形。又，表1及表2中之「框體內部所使用之素材形態的水準」欄中的記號N1~N4，係表示以下之種類與比率。

N1：100%使用海綿鈦之塊體

N2：海綿鈦原狀100%

N3：混合有與海綿鈦90%組成同等的邊角料10%之塊體

N4：混合有與海綿鈦70%組成同等的邊角料30%之塊體

[表1]

表1中之試驗No.7~19、21~24、26~30及33~40，為完全符合本發明之規定條件的本發明例，試驗No.1~6、20、25、31及32則為不符合本發明之規定條件的比較例。

試驗No.1~3為JIS1種相當之鈦合金板，具有本發明例之成形性及疲勞強度評估時作為基準之成形性以及疲勞強度。試驗No.1~3之疲勞強度比分別為0.63、0.63及0.55，為一般之值。

試驗No.7~19、21~24、26~30及33~40，可獲得伸長量：30~46%、抗拉強度：295~341MPa、疲勞強度：197~251MPa、疲勞強度比：0.67~0.78、突出高度：21.0~21.7mm之機械特性，可知其成形性與疲勞強度雙方均屬優異。

相對於此，試驗No.4其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量低於本發明之範圍，因此疲勞強度比為0.63而不佳。

試驗No.5及6，其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量高於本發明之範圍，伸長量分別為20%及18%而不佳。

試驗No.20，其第一表層部2及第二表層部3之厚度為3μm，厚度/全板厚×100為0.5%而低於本發明之範圍，因此疲勞強度比為0.63而不佳。

試驗No.25，其第一表層部2及第二表層部3之厚度為128μm，厚度/全板厚×100為25.6%而高於本發 明之範圍，因此製造成本高。

試驗No.31，其第一表層部2及第二表層部3之Al含量低於本發明之範圍，因此疲勞強度比為0.62而不佳。

再者，試驗No.32，其第一表層部2及第二表層部3之Al含量高於本發明之範圍，因此伸長量為22%而不佳。

[表2]

表2中之試驗No.46~51、53、54及59~66，為完全符合本發明之規定條件的本發明例，試驗No.41~45、52及55~58則為不符合本發明之規定條件的比較例。

試驗No.41及42為JIS2種相當之鈦合金板，試驗No.55及56為JIS3種相當之鈦合金板。試驗No.41、42、55及56，均具有本發明例之成形性及疲勞強度評估時作為基準之成形性以及疲勞強度。試驗No.41及42之疲勞強度比分別為0.58及0.59，試驗No.55及56之疲勞強度比分別為0.59及0.58。均為一般之值。

試驗No.47~51、53、54及59~65，可獲得伸長量：25~33%、抗拉強度：341~614MPa、疲勞強度：255~421MPa、疲勞強度比：0.65~0.77、突出高度：10.0~20.6mm之機械特性，可知其成形性與疲勞強度雙方均屬優異。

相對於此，試驗No.43，其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量低於本發明之範圍，疲勞強度比為0.57而不佳。

試驗No.44及45，其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量高於本發明之範圍，因此伸長量分別為20%及16%而不佳。

試驗No.52，其第一表層部2及第二表層部3之厚度為160μm而高於本發明之範圍，因此製造成本高。

試驗No.57，其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量低於本發明之範圍，因此疲勞強度比為0.59而不佳。

試驗No.58，其第一表層部2及第二表層部3之Fe含量高於本發明之範圍，因此伸長量為19%而不佳。

1‧‧‧鈦複合材

2‧‧‧第一表層部

3‧‧‧第二表層部

4‧‧‧內層部

Claims (8)

1. 一種鈦複合材，具備：第一表層部、內層部、及第二表層部；前述第一表層部及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：合計：0.08~1.0%之選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上、以及其餘部分：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為5~100μm，且於前述鈦複合材之總厚度中所占的比率為20%以下，前述空隙之於與板厚方向垂直的斷面中之體積率超過0%且為30%以下。
2. 如申請專利範圍第1項之鈦複合材，其中前述第一表層部及前述第二表層部之前述至少一方的α相之結晶粒徑為15μm以下。
3. 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。
4. 如申請專利範圍第2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。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之鈦複合材，其疲勞強度比為0.65以上。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之鈦複合材，其輥軋時寬度方向之破斷伸長量為25%以上。
7. 如申請專利範圍第5項中任一項之鈦複合材，其輥軋時寬度方向之破斷伸長量為25%以上。
8. 一種熱間加工用鈦材，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：合計：0.08~1.0%之選自Fe、Cr、Ni、Al及Zr之一種以上、以及其餘部分：Ti及雜質，內部的真空度為10Pa以下。