(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン複層材を製造するのに用いられるチタン内包構造体であって、
前記チタン複層材が、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、前記圧縮成形体と前記表層とが接合されており、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％以下であり、
前記チタン内包構造体が、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。
【請求項２】
請求項１に記載のチタン内包構造体に圧下率３５％以上の圧縮加工を行う、
チタン複層材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のチタン内包構造体に圧下率１０％以上３５％未満の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、
チタン複層材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５９７６８４号明細書
【特許文献２】特開２００４−２２５０８６号公報
【特許文献３】特開２０１４−０６５９６８号公報
【特許文献４】特開２０１５−４５０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
（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。
【００２７】
（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。
【００２８】
（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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
２．充填材３
まず、充填材３について説明する。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
（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。
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
（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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
（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。
【００８２】
（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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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】
【００９３】
実施例を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【表１】
0006690288.tif 000002
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
このように、本発明の産業上の利用可能性は高い。
【図１】
0006690288.tif 000003
【図２】
0006690288.tif 000004