(57)【要約】【課題】耐熱性を有し且つ熱間加工によって表面に酸化層を含む酸素リッチ層を形成しているチタン合金を折損することなく確実に冷間加工できるチタン合金の加工方法を提供する。【解決手段】耐熱性を有し且つ熱間加工（Ｓ１，Ｓ２）によって表面に酸化層を含む酸素リッチ層を形成しているチタン合金を酸性液に浸漬することにより、前記酸素リッチ層を除去する表層除去工程（Ｓ４）と、係る工程（Ｓ４）の後に上記チタン合金を冷間加工する冷間加工工程（Ｓ５）と、を含む、チタン合金の加工方法。上記酸性液には、沸酸、硫酸、および硝酸の少なくとも１種以上が含まれる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性を有し且つ熱間加工によって表面に酸化層を含む酸素リッチ層を形成しているチタン合金を酸性液に浸漬することにより、上記酸素リッチ層を除去する表層除去工程と、
上記工程の後に上記チタン合金を冷間加工する冷間加工工程と、を含む、
ことを特徴とするチタン合金の加工方法。
【請求項２】
前記表層除去工程で用いる酸性液は、沸酸、硫酸、および硝酸の少なくとも１種以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の加工方法。
【請求項３】
前記冷間加工は、前記チタン合金の線材からなるコイルを直線にする矯正、上記線材を軸方向に沿って引き延ばす伸線加工、または上記線材の表層を切除する皮削り加工の何れかである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のチタン合金の加工方法。
【請求項４】
前記チタン合金の表面に位置する酸素リッチ層は、最外層に生成される前記酸化層および当該チタン合金自体における酸素固溶層を含む、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のチタン合金の加工方法。
【請求項５】
前記チタン合金は、所定量のＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒのうちの一種または二種以上を添加して強化したα相がほとんどで且つβ相が極少量のニア・アルファ合金である、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のチタン合金の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性を有するチタン合金の加工方法であって、具体的には熱間加工により表層に酸化層（スケール）を含む酸素リッチ層が形成された上記チタン合金の冷間加工を確実に行うための加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐熱性を有するチタン合金としては、高温クリープ強度の強いα相に、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒなどを添加して強化したα相がほとんどで且つβ相が極少量のニア・アルファ合金が知られている。しかしながら、上記各添加元素の添加量によっては、靭性や延性が低下すると共に、所定の形状に成形する熱間加工により表面に酸化層を含む酸素リッチ層（いわゆるαケース）が生成されるため、その後に行う冷間加工やそのために事前に施す矯正の際に折損し易い、という問題があった。
【０００３】
図３（Ａ）に示すように、一般に、上記のような組成で溶製されたチタン合金のインゴットは、分塊圧延（Ｓ１）、所定の線径にする熱間圧延（Ｓ２）、および焼鈍（Ｓ３）を施され、矯正を経て皮削りなどの冷間加工（Ｓ４）を施され同時に表面に形成されていた酸化層（スケール）を除去された後、切断（Ｓ５）などが施される。例えば、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｚｒ−２ｗｔ％Ｓｎ−２ｗｔＭｏ％の組成からなるチタン合金（以下、合金アと称する）や、Ｔｉ−５．８ｗｔ％Ａｌ−４．０ｗｔ％Ｓｎ−３．５ｗｔ％Ｚｒ−２．８ｗｔ％Ｍｏ−０．７ｗｔ％Ｎｂ−０．３５ｗｔ％Ｓｉ−０．０６ｗｔ％Ｃの組成からなるチタン合金（以下、合金イと称する）は、上記冷間加工（Ｓ４）やその直前に行う線材コイルの巻き癖を除去して直線化する矯正時において折損し易い。
【０００４】
上記折損を回避するため、上記合金アの場合には、図３（Ｂ）に示すように、冷間加工（Ｓ５）の直前にヒータで６００℃以上に昇温された雰囲気ガスにより予め加熱（Ｓ４）することで、矯正や皮削り時における折損を防ぐことが可能である。しかしながら、上記合金イの場合には、更に高温である８００℃以上に加熱することが必要となり、係る温度に加熱された線材と接触する矯正や冷間加工設備のガイドなどの接触部分が損傷するため、実用的には困難であった。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、耐熱性を有し且つ熱間加工によって表面に酸化層を含む酸素リッチ層を形成しているチタン合金を折損することなく確実に冷間加工できるチタン合金の加工方法を提供する、ことを課題
（目的）とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者らによる鋭意研究および調査の結果、耐熱性を有するチタン合金において、熱間加工によりその表面に形成された酸化層を含む酸素リッチ層を酸性液に浸漬して化学的に除去した後に、上記チタン合金に冷間加工を施す、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のチタン合金の加工方法（請求項１）は、耐熱性を有し且つ熱間加工によって表面に酸化層を含む酸素リッチ層を形成しているチタン合金を酸性液に浸漬することにより、上記酸素リッチ層を除去する表層除去工程と、係る工程の後に上記チタン合金を冷間加工する冷間加工工程と、を含む、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、チタン合金の冷間加工に先立って、予め表面に形成されている酸化層を含む硬くて脆い酸素リッチ層を酸性液による腐食により除去しているため、係る酸素リッチ層による脆性がなくなるため、冷間加工工程において折損などを確実に防ぎ且つ所望の冷間加工を施すことができる。しかも、上記表層除去工程により、従来冷間加工において切除していた表面の酸化層（スケール）を同時に除去することができる。尚、前記酸素リッチ層は、酸化層および酸素が係る酸化層を通過してチタン合金中に固溶した酸素富化層（いわゆるαケース）であり、その厚みは、熱間加工の条件によって異なるが、通常数１０μｍレベルである。
【０００８】
また、本発明には、前記表層除去工程で用いる酸性液は、沸酸、硫酸、および硝酸の少なくとも１種以上である、チタン合金の加工方法（請求項２）も含まれる。これによれば、表面の酸化層およびその直下に位置するチタン合金中の酸素富化（固溶）層の双方を確実に除去することができる。尚、酸性度を調整するため、例えば沸酸と硫酸とを混合した沸酸・硫酸の酸性液を用いることもできる。また、複数の液槽を用意し、濃度を個別に調整した上記酸性液やこれらの混合酸性液を充填し、これらの酸性液槽に順次チタン合金を浸漬しても良い。
【０００９】
更に、本発明には、前記冷間加工は、前記チタン合金の線材からなるコイルを直線にする矯正、上記線材を軸方向に沿って引き延ばす伸線加工、または上記線材の表層を切除する皮削り加工の何れかである、チタン合金の加工方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、硬くて脆い酸素リッチ層が予め除去されているため、当該チタン合金自体に対して塑性加工や切削加工などを折損などすることなく、確実に施すことができる。尚、上記冷間加工には、チタン合金が線材からなり、これを巻き付けたコイルから線材を巻き戻して直線にする矯正も含まれ、係る矯正を経ることにより、上記伸線や皮削り、あるいは切断などを確実に行うことができる。
【００１０】
また、本発明には、前記チタン合金の表面に位置する酸素リッチ層は、最外層に生成される酸化層および当該チタン合金自体における酸素固溶層を含む、チタン合金の加工方法（請求項４）も含まれる。
これによれば、熱間加工により形成された表面のＴｉＯ２などからなる酸化層およびこれを通過した酸素がチタン合金中に拡散し且つ固溶した硬くて脆い酸素固溶層を、冷間加工に先立って確実に除去できる。従って、折損などを生じることなくチタン合金を容易に冷間加工することが可能となる。
【００１１】
更に、本発明には、前記チタン合金は、所定量のＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒのうちの一種または二種以上を添加して強化したα相がほとんどで且つβ相が極少量のニア・アルファ合金である、チタン合金の加工方法（請求項５）も含まれる。
これによれば、熱間加工によって前記酸素リッチ層が形成されるが、前記表層除去工程により、係る酸素リッチ層が確実に除去されるため、以降の冷間加工や切断などを折損などを生じることなく容易に行うことが可能となる。
尚、熱間加工したチタン合金について通常の酸洗をした後、仕上げ圧延や矯正を行うことは、既におこなわれているが、上記チタン合金の場合は、これまで皮削りによる冷間加工と同時に酸化層（スケール）の切除が行われていた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
前記ニア・アルファ合金の一種であるＴｉ−５．８ｗｔ％Ａｌ−４．０ｗｔ％Ｓｎ−３．５ｗｔ％Ｚｒ−２．８ｗｔ％Ｍｏ−０．７ｗｔ％Ｎｂ−０．３５ｗｔ％Ｓｉ−０．０６ｗｔ％Ｃの組成からなるチタン合金を真空溶解により溶製した後、鋳型に鋳込んでインゴットとする。図１（Ａ）に示すように、係るインゴットを約１０００℃以上に加熱して分塊圧延（Ｓ１）および所定の線径に成形する熱間圧延（Ｓ２）からなる熱間加工を施す。得られたチタン合金の線材は、コイル状に巻き取られるが、上記熱間加工による加工歪みを除去するため、不活性ガス中で約８００℃に加熱する焼鈍（Ｓ３）が施される。
係るチタン合金の線材は、上記熱間加工によって、図２（Ａ）に模式的に示すように、その表面に最外層の酸化層３および当該チタン合金１自体の表層寄りに位置する酸素固溶層４からなる酸素リッチ層２が生成されている。
【００１３】
次いで、コイル線材の上記チタン合金には、図１（Ａ）に示すように、表層除去工程（Ｓ４）が施される。この工程（Ｓ４）は、図１（Ｂ）に示すように、所定濃度にした硫酸（酸性液）、弗酸と硫酸との混合液（酸性液）、ソルト（Ｎａなどを含む溶融塩）、弗酸と硫酸との混合液（酸性液）、硝酸（酸性液）、および中和液（アルカリ液）に、上記チタン合金をそれらの間に行う水洗を介して順次浸漬して行われる。あるいは、図１（Ｃ）に示すように、一般的な酸洗工程と同様の工程であって、所定濃度にした硫酸、弗酸と硫酸との混合液、ソルト、硝酸、および中和液に、上記チタン合金をそれらの間に行う水洗を介して順次浸漬して行っても良い。
【００１４】
係る表層除去工程（Ｓ４）を経ることにより、図２（Ｂ）に模式的に示すように、上記チタン合金１は、その表層に位置していた酸化層３および酸素固溶層４からなる前記酸素リッチ層２を上記酸性液との接触による腐食によって全て除去される。尚、上記酸素リッチ層２を確実に除去するため、予め測定した酸素リッチ層２の厚み分が線材（１）の表層からなくなった時点で上記浸漬作業を終える。
また、図１（Ｂ），（Ｃ）に示したように、複数の酸性液に所要時間にわたり浸漬する他、単数または２つの酸性液に長時間にわたり浸漬したり、それらの酸性液の濃度（酸性度）を高めて短時間の浸漬とすることも可能である。
尚、図２（Ｃ）は、通常の酸洗を行った場合、表層に位置していた酸化層３のみが除去され且つ酸素固溶層４が残留したチタン合金１の断面を模式的に示す。
【００１５】
そして、前記酸素リッチ層２を除去された上記チタン合金１のコイルの線材は、図１（Ａ）に示すように、冷間加工（Ｓ５）により所定の線径にされた後、所定の長さに切断（Ｓ６）される。冷間加工（Ｓ５）は、上記線材をコイルから巻き戻して直線化する矯正を経た後、例えば係る線材の外周面に沿って円周方向に回転する複数の粗切削バイトおよびそれらの後方に位置する複数の仕上げ切削バイトによって、当該線材の表面を約１ｍｍ前後の厚みで皮削りして、所定の線径に整える。この際、線材は、折損することなく、矯正および皮削りが施される。
また、上記切断（Ｓ６）は、皮削りされた上記線材をコイルから巻き戻して直線化する矯正を経た後、カッタにより所定の長さに切断する。この際にも、係る線材は、折損することなく、矯正および切断される。最後に、切断されたチタン合金の線材は、検査および梱包されて出荷される。
【００１６】
以上のような本発明によるチタン合金の加工方法によれば、熱間加工されたチタン合金に予め表層除去工程（Ｓ４）を施し、表層に位置する硬くて脆い前記酸素リッチ層２を除去しているため、次いで行う冷間加工（Ｓ５）や切断（Ｓ６）工程において、折損を生じることなく矯正、皮削り、切断を確実に行うことができる。このため、前記ニア・アルファ合金であって、熱間加工によって表層に酸素リッチ層２を生成するチタン合金１に対して、所望の冷間加工を精度良く確実に施したり、所定の長さに切断することができる。従って、当該チタン合金の活用分野あるいは用途などを拡大することが可能となる。
【００１７】
【実施例】
以下において、本発明の具体的な実施例を比較例と併せて説明する。
Ｔｉ−５．８ｗｔ％Ａｌ−４．０ｗｔ％Ｓｎ−３．５ｗｔ％Ｚｒ−２．８ｗｔ％Ｍｏ−０．７ｗｔ％Ｎｂ−０．３５ｗｔ％Ｓｉ−０．０６ｗｔ％Ｃの組成からなる耐熱チタン合金（ニア・アルファ合金）を真空溶解によって溶製した後、所定の鋳型に鋳込んでインゴットを得た。
上記インゴットを１０００℃以上に加熱し、分塊圧延（Ｓ１）および直径１０ｍｍの線径に成形する熱間圧延（Ｓ２）からなる熱間加工を施した。得られたチタン合金の線材を４個のコイル（外径約１メートル×２５０ｋｇ）に分けて巻き取り、アルゴンガス中で約８００℃に加熱する焼鈍（Ｓ３）を各コイルについて施した。
【００１８】
顕微鏡によるサンプル検査によれば、４個のコイルにおける各線材の表面には、全体の厚みが３６〜４４μｍで酸化層（スケール）および酸素固溶層からなる酸素リッチ層がそれぞれ形成されていた。
前記４個のコイルに対し、表１に示す浴濃度の硫酸→第１弗酸・硫酸→ソルト→塩酸→第２弗酸・硫酸→弗酸・硝酸→硝酸→中和の順序で酸性液およびアルカリ液中に浸漬する表層除去工程（Ｓ４）を施した。
尚、第１および第２弗酸・硫酸と弗酸・硝酸とは、それぞれほぼ１：１の割合で混合されている。また、上記ソルトは、Ｎａを主成分とする溶融塩であり、上記中和液は、ＮａＯＨの水溶液である。更に、上記各矢印（→）で示す部分および中和の後において、各コイルに対して、水洗（シャワー）を行った。
【００１９】
表１に示すように、４個のコイルの浸漬時間を個別に変えて、これらを実施例１〜３と比較例とした。このうち、比較例における酸性液への浸漬時間は、鋼材や一般的なチタン合金（例えば、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ）に通常施される酸洗と同様の長さである。これに対して、実施例１〜３における全酸性液への浸漬時間は、約２０〜４０％長く、特に第１および第２弗酸・硫酸への浸漬時間は、２．５倍長くなっている。
実施例１〜３および比較例の上記各コイルの線材について、これを巻き戻して直線化する矯正を施した後、係る線材の外周面に沿って円周方向に回転する複数の粗切削バイトおよびその後方に位置する複数の仕上げ切削バイトによって、それらの表面を１ｍｍの厚みで皮削りする冷間加工（Ｓ５）を行った。
係る矯正または皮削りの間で、各例の線材に折損が生じたか否かを目視により観察し、それらの結果を表１に示した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１によれば、実施例１〜３の前記各線材コイルは、前記矯正および皮削りによる冷間加工を受けても、折損を全く生じなかった。係る実施例１〜３の各線材コイルについて、その表面付近の断面を顕微鏡で観察したところ、前記図２（Ｂ）に示したと同様に、表面にチタン合金１が露出し、前記酸素リッチ層２は、全て除去されていた。
一方、比較例の線材コイルは、矯正の際に折損を生じ、その後の皮削りは行えなかった。係る比較例の線材コイルについて、その表面付近の断面を顕微鏡で観察したところ、前記図２（Ｃ）に示したと同様に、チタン合金１の表層には、前記酸素リッチ層２を形成していた酸素固溶層４が残留し、且つ前記酸化層３のみが除去されていた。
【００２２】
以上のような実施例１〜３の結果から、前記酸性液に比較的長く浸漬して前記酸素リッチ層２を全て除去することにより、矯正を含む冷間加工やその後の切断などを折損することなく確実に行えることが確認された。
尚、耐熱性を有し且つ熱間加工によって表面に酸化層および酸素固溶層からなる酸素リッチ層を有するチタン合金を冷間加工するに際して、酸性液への浸漬時間を通常の酸洗時間よりも長くするほか、酸性液の濃度（酸性度）を高めることにより、酸洗時と同等の浸漬時間によって、酸素リッチ層を除去することも可能である。尚、同じ濃度の酸性液を用いると仮定した場合、係る酸性液への浸漬時間を通常の酸洗時間よりも５０％以上長くする方法が実操業の上では有効である。また、酸性液に浸漬する際には、前記のような複数種類の酸性液とそれらの間のソルトとに浸漬する順序のほか、単一の酸性液の液槽に浸漬した後にアルカリ液で中和する順序で行うことも可能である。
【００２３】
本発明は、以上にて説明した実施の形態や実施例に限定されるものでない。
例えば、チタン合金は、熱間圧延により薄板とされ、係る薄板に対して前記表層除去工程を施した後、冷間圧延などの冷間加工を施すことも可能である。
また、前記熱間加工には、熱間鍛造も含まれ、前記冷間加工には、冷間鍛造や曲げ加工なども含まれる。
更に、本発明の対象となるチタン合金は、前記実施の形態や実施例で挙げたチタン合金に限らず、耐熱性を有するチタン合金の全てが含まれ、特に本発明の対象として好適なものは、前記ニア・アルファ合金に該当する全ての合金である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によるチタン合金の加工方法（請求項１）によれば、冷間加工に先立ち予め表面に形成されている酸化層を含む酸素リッチ層を酸性液の腐食により除去しているので、係る酸素リッチ層による脆性がなくなるため、折損などを確実に防ぎつつ所望の冷間加工を施すことができる。
また、請求項２のチタン合金の加工方法によれば、表面の酸化層とその直下に位置するチタン合金中の酸素富化（固溶）層との双方を確実に除去できる。
更に、請求項３のチタン合金の加工方法によれば、予め酸素リッチ層が除去されているため、チタン合金に対して塑性加工や切削加工などを折損などすることなく、確実に施すことができる。
【００２５】
また、請求項４のチタン合金の加工方法によれば、熱間加工により形成された表面の酸化層およびこれを通過した酸素がチタン合金中に拡散し且つ固溶した硬くて脆い酸素固溶層を、冷間加工に先立って確実に除去できる。
加えて、請求項５のチタン合金の加工方法によれば、熱間加工により酸素リッチ層が形成されるが、前記表層除去工程により、係る酸素リッチ層が確実に除去されるため、以降の冷間加工や切断などを折損などを生じずに容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明による加工方法を含むチタン合金の加工工程を示す流れ図、（Ｂ），（Ｃ）は本発明における表層除去工程を示す流れ図。
【図２】（Ａ）は表層除去工程前のチタン合金の表面付近を模式的に示す断面図、（Ｂ）は本発明による表層除去工程を施した後における上記と同様な断面図、（Ｃ）は通常の酸洗のみを施した際における上記と同様な断面図。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は従来のチタン合金の加工工程を示す流れ図。
【符号の説明】
１…チタン合金／チタン合金の線材
２…酸素リッチ層
３…酸化層
４…酸素固溶層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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