(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．２０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、しかも、前記鉄が前記酸素よりも多く含まれており、残部がチタンおよび不可避不純物からなるチタン材料によって板状に形成されており、α相とβ相との二相組織が形成され、前記α相の円相当平均粒径が１０μｍ以下となるように形成されていることを特徴とするチタン板。
【請求項２】
質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．２０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、しかも、前記鉄が前記酸素よりも多く含まれており、残部がチタンおよび不可避不純物からなるチタン材料を、仕上げ冷延圧下率２０％以上、仕上げ焼鈍温度６００〜８８０℃、仕上げ焼鈍時間０．５〜６０分の条件、且つ下記式（１）におけるＧの値が１４以下となる条件で加工してチタン板を製造することを特徴とするチタン板製造方法。
【数１】
0004605514.tif 000006
（ただし、式中のＸFeは前記鉄の含有量（％）であり、ｒは前記仕上げ冷延圧下率（％）である。また、Ｔは前記焼鈍温度（℃）であり、ｔは前記仕上げ焼鈍時間（分）である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン板とチタン板製造方法に関し、より詳しくは、成形性に優れたチタン板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チタン合金や純チタンなどのチタン材料は、通常、鉄やその合金などの鉄系金属材料に比べて軽量で強度が高いことからスポーツ・レジャー用具、医療器具、各種プラント用部材、航空・宇宙関係機器などに広く用いられている。
また、耐食性などにも優れることから例えば、プレート熱交換器のプレート材や、自動二輪車のマフラー部材などにも用いられたりしている。
このような製品を製造する場合には、例えば、チタン材料によって形成された板（チタン板）に、折り曲げ加工、絞り加工などといった塑性変形を伴う種々の加工が施されたりしている。
したがって、このような各種の用途に供すべく、チタン板には、絞り加工などの成形加工における加工性に優れたものが求められている。
【０００３】
ところで、“工業用純チタン”と言われるものにはＪＩＳ  １種、ＪＩＳ  ２種、ＪＩＳ  ３種、ＪＩＳ  ４種などがあり、材料特性としては１種が最も低強度で、２種、３種となるに従って高強度となることが知られている。
しかし一方で、ＪＩＳ  ２種、ＪＩＳ  ３種となるほど成形性が低下し、例えば、これらを用いて絞り加工などを実施させることは容易なものではない。
【０００４】
このことに対し、特許文献１、２には、“工業用純チタン”におけるチタン以外の成分の含有量を所定の範囲に制御することで成形性が向上されることが記載されている。
しかし、これらの特許文献に記載のものは、十分な強度を期待し得るものではない。
【０００５】
また、特許文献３には、Ｆｅを所定量含有させたチタン合金が研磨性に優れることが記載されており、特許文献４、５には、Ｚｒなどを所定量含有させたチタン合金が研磨性に優れることが記載されている。
これら特許文献３乃至５に記載されているようなチタン合金によって形成された成形品は、結晶粒が細かく、高硬度を有することで優れた研磨性を示すものと考えられ、高強度を有するものと見られる。
しかし、これら特許文献３乃至５に記載されているようなチタン合金を用いたチタン板は、例えば、絞り加工などを容易に実施させ得るものではなく加工性に優れているとはいえないものである。
【０００６】
すなわち、従来、高強度と加工性とを兼ね備えたチタン板を得ることが困難であるという問題を有している。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−６０２４７号公報
【特許文献２】特開平９−３５７３号公報
【特許文献３】特開平７−６２４６６号公報
【特許文献４】特開昭６２−８７９３２号公報
【特許文献５】特開昭６３−１８６８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高強度であり、しかも、加工性に優れたチタン板の提供を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、チタン板の成分等について鋭意検討した結果、鉄および酸素を所定の含有量とすることにより、高強度且つ加工性に優れたチタン板を形成させ得ることを見出し本発明の完成に至ったのである。
【００１０】
すなわち、前記課題を解決するためのチタン板にかかる本発明は、質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．２０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、しかも、前記鉄が前記酸素よりも多く含まれており、残部がチタンおよび不可避不純物からなるチタン材料によって板状に形成されており、α相とβ相との二相組織が形成され、前記α相の円相当平均粒径が１０μｍ以下となるように形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、前記課題を解決するためのチタン板製造方法にかかる本発明は、質量で、鉄の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素の含有量が０．００５％を超え０．２０％未満、炭素の含有量が０．０１５％未満、窒素の含有量が０．０１５％未満、水素の含有量が０．０１５％未満であり、しかも、前記鉄が前記酸素よりも多く含まれており、残部がチタンおよび不可避不純物からなるチタン材料を、仕上げ冷延圧下率２０％以上、仕上げ焼鈍温度６００〜８８０℃、仕上げ焼鈍時間０．５〜６０分の条件、且つ下記式（１）における“Ｇ”の値が１４以下となる条件で加工してチタン板を製造することを特徴としている。
【００１２】
【数１】
0004605514.tif 000002
【００１３】
（ただし、式中のＸFeは前記鉄の含有量（％）であり、ｒは前記仕上げ冷延圧下率（％）である。また、Ｔは前記焼鈍温度（℃）であり、ｔは前記仕上げ焼鈍時間（分）である。）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高強度であり、しかも、加工性に優れたチタン板を提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の好ましい実施の形態について、まず本実施形態のチタン板について説明する。
本実施形態におけるチタン板は、質量で、鉄（Ｆｅ）の含有量が０．１０％を超え０．６０％未満、酸素（Ｏ）の含有量が０．００５％を超え０．２０％未満、炭素（Ｃ）の含有量が０．０１５％未満、窒素（Ｎ）の含有量が０．０１５％未満、水素（Ｈ）の含有量が０．０１５％未満であり、しかも、前記鉄（Ｆｅ）が前記酸素（Ｏ）よりも多く含まれており、残部がチタン（Ｔｉ）および不可避不純物からなるチタン材料によって板状に形成されており、α相とβ相との二相組織が形成され、前記α相の円相当平均粒径が１０μｍ以下となるように形成されている。
【００１６】
上記のように前記鉄（Ｆｅ）は、チタン材料中に、質量で０．１０％を超え０．６０％未満の含有量で含有される。
チタン材料において、Ｆｅは、β安定化元素であり、一部は固溶するものの多くは、β相を形成させて、さらに、熱処理などによりＴｉＦｅとして存在し、結晶粒の成長を阻害することが知られており、そのため従来は、チタン材料中のＦｅ含有量を増大させるとチタン板に形成される結晶粒径が小さくなり、チタン材料の強度や研磨加工の加工性を向上させ得るもののエリクセン値などの延性（成形加工性）を示す指標が低下すると考えられていた。
しかしながら、後述するように、チタン材料中のＯ含有量を所定の値としつつ、チタン材料中のＦｅ含有量を増大させることにより、得られるチタン板の延性の低下を抑制しつつ強度の向上を図ることができる。
したがって、前記チタン材料におけるＦｅ含有量が質量で０．１０％を超え０．６０％未満とされているのは、Ｆｅ含有量が０．１％以下の場合においては、形成されるチタン板に十分な強度を付与することができず、また、研磨加工の加工性を低下させるためである。
一方、０．６０％以上の含有量とすると、チタン材料中のＯ含有量を所定の値としても延性の低下が生じてしまいチタン板の成形加工性を低下させてしまうためである。
このような点においてＦｅ含有量は、０．４０％以下とされることが好ましい。
【００１７】
前記酸素（Ｏ）は、チタン材料中に、質量で０．００５％を超え０．２０％未満の含有量で含有され、しかも、前記Ｆｅの含有量をＸFe（質量％）、Ｏの含有量をＸO（質量％）としたときに（ＸFe＞ＸO）の関係を満足するようにチタン材料中に含有されている。
本実施形態のチタン板を形成しているチタン材料中のＯ含有量が質量で０．００５％を超え０．２０％未満とされているのは、Ｏ含有量が０．２０％以上になると、チタン材料中のＦｅの含有量を上記範囲とし且つ（ＸFe＞ＸO）の関係を満足するようにしても、エリクセン値の低い、すなわち、成形加工性の低下したチタン板となってしまうためである。
このような点において、Ｏ含有量は、０．１０％以下であることが好ましい。
【００１８】
また、Ｆｅの含有量（ＸFe）とＯ含有量（ＸO）とが、（ＸFe＞ＸO）の関係を満足するようにチタン材料中に含有されるのは、Ｏ含有量がＦｅの含有量以上（ＸFe≦ＸO）となると、チタン材料中のＦｅの含有量を上記範囲とし且つＯの含有量を上記範囲としてもエリクセン値の低い、すなわち、成形加工性の低下したチタン板となってしまうためである。
【００１９】
また、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）は、成形加工における良好なる加工性を確保する目的からＪＩＳ  ２種に相当する含有量以下とされる必要がある。
より具体的には、Ｃ、Ｎ、Ｈの含有量は、それぞれ、質量で０．０１５％未満とされる必要がある。
さらに、好ましくは、Ｃの含有量を０．０１％以下、Ｎの含有量を０．０１％以下、Ｈの含有量を０．０１％以下とすることが好ましい。
チタン板の加工性の観点からは、上記Ｃ、Ｎ、Ｈの含有量に下限を定めるものではないが、これらの含有量を極端に低下させようとするとチタン板の製造コストを大幅に増大させるおそれがある。
このコストアップ抑制の観点からは、Ｃ含有量を０．０００５％以上、Ｎの含有量を０．０００５％以上、Ｈの含有量を０．０００５％以上とすることが好ましい。
【００２０】
成形加工における良好なる加工性が求められるチタン板としては、一般的に結晶粒径が大きい方が良いと考えられてきたが、上記のような組成を有するチタン材料によって形成されるチタン板においては、むしろ結晶粒径が小さい方が成形性を向上させることができる（このことは本発明者らによって見出された事柄である）。
より具体的には、α相の円相当平均粒径が１０μｍ以下となるようにチタン板を形成することでエリクセン値など加工性を示す指標を向上させうる。
逆に、α相の円相当平均粒径が１０μｍを超えると、エリクセン値が、例えば、１０ｍｍ未満に低下するなどして加工性を低下させるおそれを有する。
なお、この“α相の円相当平均粒径”は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１の切断法により結晶粒度番号の測定を実施し、得られた結果を結晶粒径に換算することで求めることができる。
【００２１】
このα相の円相当平均粒径（粒度番号から換算される結晶粒径）は、主として、チタン板の成分中のＦｅ含有量により調整することができる。
このＦｅ含有量については、純チタンにおける鉄含有量を増大させると結晶粒度が小さく（結晶粒径が大きく）なることが知られている。
例えば、酸素含有量０．０９〜０．１１質量％の範囲において、鉄含有量を０．０４質量％から０．２７質量％へと変化させると、５０％冷間圧延後、８００℃×１０分間の焼鈍を実施した場合の平均結晶粒径が約６３μｍから約１４μｍへと変化することが報告されている。（近藤豊、鈴木脩二郎：住友金属誌、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．４、ｐ２０１のＦｉｇ．４２）
【００２２】
一般に鉄を０．０６質量％以上含有するチタン材料で形成された部材を５９５℃以上の温度で保持するとα相とβ相との二相組織が形成される。
鉄が０．０６質量％未満の場合においては、５００〜８００℃の温度域の一部でわずかにβ相が晶出するが、殆どがα相単相となる。
従来の高成形用チタン材においては、鉄含有量が０．０６質量％未満であったり、酸素含有量を０．０１〜０．０３質量％の極低酸素として鉄を多く含有させている場合でも鉄含有量が０．１質量％以下であったりすることから、焼鈍中においては、その殆どがα相単相となる。
したがって、結晶（α粒）の成長速度が大きく、焼鈍時間の経過とともに急速に結晶粒径が大きく（粒度番号が小さく）なってしまう。
一方で、本実施形態のチタン板は、前述のような鉄含有量ならびに酸素含有量であるため焼鈍中においてはα＋βの二相組織となる。
したがって、α粒の成長がβ粒に抑制されることから結晶粒径が急速に大きく（粒度番号が小さく）なることが抑制される。
【００２３】
また、結晶粒径の大きさについては、上記のようにＦｅ含有量と共にチタン板製造時における仕上げ冷延圧下率、仕上げ焼鈍温度、仕上げ焼鈍時間などによっても調整することができる。
以下に、チタン板製造方法におけるこれらの条件について説明する。
【００２４】
チタン板製造時の仕上げ冷延圧下率、仕上げ焼鈍温度、仕上げ焼鈍時間の各条件において、仕上げ冷延圧下率については、これを大きくすることで再結晶化させやすくすることができる。
また、仕上げ焼鈍温度を高くすることで結晶粒を成長させて結晶粒径を大きくすることができる。
さらに、仕上げ焼鈍時間を長くすることで結晶粒を成長させて結晶粒径を大きくすることができる。
【００２５】
このような傾向をもとにして、下記式（１）における“Ｇ”の値が１４以下となるように仕上げ冷延圧下率、仕上げ焼鈍温度、ならびに仕上げ焼鈍時間を調整してチタン板を製造することで、得られるチタン板のα相の円相当平均粒径をより確実に１０μｍ以下とすることができる。
【００２６】
【数２】
0004605514.tif 000003
【００２７】
（ただし、ＸFeは前記鉄の含有量（％）であり、ｒは前記仕上げ冷延圧下率（％）である。また、Ｔは前記焼鈍温度（℃）であり、ｔは前記仕上げ焼鈍時間（分）である。）
【００２８】
なお、上記式（１）における“Ｇ”の値は、１０以下であることが好ましい。
また、チタン板の製造を容易にさせ得る点においては、“Ｇ”の値は、２以上であることが好ましい。
【００２９】
ただし、“Ｇ”の値が上記のような範囲となる場合であっても、α相の円相当平均粒径をより確実に１０μｍ以下にするためには仕上げ冷延圧下率を２０％以上とし、仕上げ焼鈍温度を６００〜８８０℃とし、仕上げ焼鈍時間を０．５〜６０分とすることが必要である。
【００３０】
仕上げ冷延圧下率をこのような範囲とするのは、仕上げ冷延圧下率が２０％未満の場合には、再結晶が生じないためである。
また、仕上げ焼鈍温度をこのような範囲とするのは、仕上げ焼鈍温度が６００℃未満では、再結晶化せず、８８０℃を超える温度にするとβ変態してしまうためである。
さらに、仕上げ焼鈍時間をこのような範囲とするのは、仕上げ焼鈍時間が０．５分未満では、再結晶化しないおそれが有り、６０分を超えて仕上げ焼鈍を実施するとＴｉＦｅの析出が多くなりチタン板の加工性を低下させるおそれを有するためである。
【００３１】
以上のように成分ならびに製造条件によって、強度と加工性に優れたチタン板を得ることができる。
なお、ここでは詳述しないが、従来のチタン板ならびにチタン板製造方法において公知の事項を、本発明の効果を著しく損ねない範囲において、本実施形態のチタン板ならびにチタン板製造方法に採用することが可能である。
【実施例】
【００３２】
次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１〜７、従来例１〜３、比較例１〜７）
（テストピースの作製）
ボタンアーク溶解により、表１に示す組成のスラブを作製し、該スラブを８５０℃で熱延し、７５０℃で焼鈍させた後に表面のスケールを除去し、冷延により０．５ｍｍ厚さの板状試料を作製した。
なお、このとき表１に示すＦｅ含有量については、ＪＩＳ Ｈ １６１４に準じて測定し、Ｏ含有量については、ＪＩＳ Ｈ １６２０に準じて測定した。
該板状試料を８００℃×１５分の焼鈍を実施して、評価用試料とした。
なお、従来例１〜３については、ＪＩＳ  １種〜３種の一般的な組成のものを用いた。
【００３４】
（評価）
（引張強度）
上記のごとく作製した評価用試料をＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準じて引張強度の測定を実施した。結果を表１に示す。
（エリクセン値）
上記のごとく作製した評価用試料をＪＩＳ  Ｚ  ２２４７に準じてエリクセン値の測定を実施した。結果を表１および図１に示す。
（α相の円相当平均粒径）
結晶粒度番号の測定は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１の切断法により粒度番号測定を実施し、その粒度番号をもとにα相の円相当平均粒径（表１中の「粒径」）を計算により求めた。結果を表１に示す。
（研磨性）
上記のごとく作製した評価用試料を耐水研磨紙で＃５００まで研磨した後、バフ研磨（ダイヤモンドスプレー９μｍ、回転数１５０ｒｐｍ、荷重１５０Ｎ）を２分間実施し、初期の評価用試料と研磨後の評価用試料との表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：算術平均粗さ）をそれぞれ測定し、その変化率を求めた。
初期の評価用試料の表面粗さをＲａ１、研磨後の評価用試料の表面粗さをＲａ２としたときに、下記式にて研磨性を評価した。
研磨性＝（Ｒａ２／Ｒａ１）
結果を、結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0004605514.tif 000004
【００３６】
この表における、例えば、Ｏ含有量が同等でＦｅ含有量の異なる、従来例１、比較例１と実施例１との比較、従来例３と実施例５との比較、比較例３、４と実施例６との比較などからもチタン材料中のＯ含有量を所定の値としつつ、チタン材料中のＦｅ含有量を増大させることにより、得られるチタン板のエリクセン値の低下を抑制しつつ強度の向上を図り得ることがわかる。
また、図１においては、酸素含有量ごとに、ＪＩＳ１種酸素レベルの従来例１、比較例１、実施例１、２と、ＪＩＳ２種酸素レベルの従来例２、実施例３、４、比較例２と、ＪＩＳ３種酸素レベルの従来例３、比較例３乃至５、実施例５乃至７をそれぞれ同一凡例にて示しているが、いずれにおいてもＦｅとＯとの比率を示す横軸が１を境にして大きく変化していることがわかる。
すなわち、ＸFe＞ＸOとすることでエリクセン値に優れたものとし得ることがわかる。
さらに、図１からは、ＦｅとＯとの比率が１を超える場合であっても、Ｆｅが０．６％を超えて含有される場合には、良好なる結果が得られないこともわかる。
すなわち、本発明によれば、チタン板を高強度且つ加工性に優れたものとし得ることがわかる。
また、比較例６、７は、Ｆｅ、Ｏの含有量が実施例３と同等で、Ｈ、Ｎ、Cの含有量が異なるものであるが、エリクセン値が低下し加工性が低下していることがわかる。
【００３７】
（製造条件の比較：α相の円相当平均粒径による加工性の違い）
次いで、製造条件によってチタン板の加工性にどのような違いが生じるかを実験によって確認した。
【００３８】
（実施例８〜２６、比較例８〜１３）
（テストピースの作製）
小型真空アーク溶解を用いて鋳塊を作製し、該鋳塊を１１５０℃で鍛造して厚さ５０ｍｍのスラブを作製した。
該スラブを８５０℃で熱延した後、７５０℃で焼鈍し、表面のスケールを除去した。
この表面のスケールを除去した試料の表面を切削して０．６〜５．０ｍｍまでの数種類の板厚とし、さらに冷延して０．５ｍｍ厚さの板状試料（チタン板）を作製した。
このチタン板に対して、６００〜８５０℃の温度で、１〜６０分の仕上げ焼鈍を真空雰囲気中で実施し結晶粒度の調整を行った。
また、表面のスケールを除去した試料のＦｅ含有量をＪＩＳ Ｈ １６１４に準じて測定し、Ｏ含有量をＪＩＳ Ｈ １６２０に準じて測定した。
また、上記のごとく結晶粒度を調整したチタン板のエリクセン値をＪＩＳ  Ｚ  ２２４７に準じて測定し、結晶粒度番号をＪＩＳ  Ｇ  ０５５１の切断法により実施し、その粒度番号をもとにα相の円相当平均粒径（表２中の「粒径」）を計算により求めた。
結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0004605514.tif 000005
【００４０】
この表２における実施例８〜１１と比較例８、９とはＦｅ含有量、Ｏ含有量が同一であるが、冷延圧下率、焼鈍条件の違いによってα相の円相当平均粒径が調整されたものであり、α相の円相当平均粒径が小さいほどエリクセン値が大きくなっている。
また、同様にＦｅ含有量、Ｏ含有量が同一である、実施例１２〜１７と比較例１０、１１からなる一群のデータ、実施例１８〜２２と比較例１２からなる一群のデータ、実施例２３〜２６、比較例１３からなる一群のデータにおいても同じ傾向が見られる。
すなわち、この表２からは、“Ｇ値”が小さくなる製造条件によって形成され、α相の円相当平均粒径が小さくなるよう形成されたチタン板は、エリクセン値が高く加工性に優れていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】表１におけるＦｅとＯとの比率（Ｆｅ含有量／Ｏ含有量）の値を横軸とし、エリクセン値を縦軸としたグラフ。
【図１】
0004605514.tif 000007