(57)【要約】    【課題】本発明は、材料が特殊なものに限定されることを抑制しつつ成形性に優れたチタン材を得ることを課題としている。    【解決手段】鉄が０．１質量％を超え、０．５質量％以下含有され、酸素が０．０３質量％以上、０．１質量％以下含有されており残部がチタンおよび不可避不純物からなり、結晶粒度が粒度番号１０以上となるように形成されていることを特徴とする成形性に優れたチタン材を提供する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄が０．１質量％を超え、０．５質量％以下含有され、酸素が０．０３質量％以上、０．１質量％以下含有されており残部がチタンおよび不可避不純物からなり、結晶粒度が粒度番号１０以上となるように形成されていることを特徴とする成形性に優れたチタン材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン材に関し、より詳しくは、成形性に優れたチタン材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チタン合金や純チタンなどにより板状や棒状など種々の態様に形成されたチタン材が成形品（チタン製品）を製造するための材料として広く用いられている。
例えば、チタン製品を製造すべく、板状のチタン材（以下「チタン板」ともいう）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。
このようなチタン製品の製造に用いられるチタン板には、これらの加工時における優れた成形性が求められている。
【０００３】
このチタン板などの原料となる金属チタンは、イルメナイトなどの鉄とチタンとの複合酸化物から鉄を除去したものに塩素ガスを反応させて四塩化チタンを形成させ、該四塩化チタンを高純度化させた後に溶融マグネシウムと接触させるなどして還元分離させる方法、いわゆる、“クロール法”によって作製されている。
【０００４】
また、例えば、純チタンは、このクロール法により作製されたスポンジチタンをアーク溶解させるなどしてインゴットを得る方法により作製されており、ＪＩＳにおいては含有される鉄などのチタン以外の含有量によって１種から４種まで規定されている。
この純チタンの材料特性としては、鉄などのチタン以外の含有量が最も少ないＪＩＳ  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。
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。
【０００５】
したがって、例えば、優れた成形性が要求される用途に用いられる（以下「高成形用」ともいう）チタン板などには、ＪＩＳ  １種の純チタンが用いられていることが多く、中でも酸素含有量が、０．０３〜０．０６質量％、鉄含有量が０．０２〜０．０６質量％のＪＩＳ  １種の純チタンが主として用いられている。
また、チタン板などのチタン材の成形性については、そのチタン材を構成する純チタンの結晶粒度にも影響されることが知られており、例えば、下記特許文献１には、上記のような酸素含有量ならびに鉄含有量の純チタンで、粒度番号が４〜７のいずれかとなるような結晶粒度を有する状態に形成されたチタン板が優れた成形性を有することが記載されている。
【０００６】
ところで、前記クロール法における還元反応は、通常、炭素鋼あるいは鉄合金容器内で非連続的に（バッチ式で）実施されることから、得られるスポンジチタンの内、容器側に近い部位のスポンジチタンには、容器中心部に近い部位のスポンジチタンよりも鉄が多く含有されている。
したがって、特許文献１に記載されているようなチタン板を得るためには、容器中心部の限られた原料しか用いることができず、容器側に近い部位のスポンジチタンを使用することが困難であるという問題を有している。
【０００７】
このように、鉄の含有量が少ないチタン材が高成形用に適していることについては、下記特許文献２にも記載されており、該特許文献２には、鉄をある程度含有させることで粒度番号が８以上となる微細構造をチタン板に形成させ得るもののチタン板の結晶粒度を微細化させると延性が損なわれると記載されている。
さらに、この特許文献２には、鉄をある程度含有させてチタン板に微細構造を形成させつつも酸素含有量が０．０１〜０．０３質量％の極低酸素となるようにしてチタン板を形成させることによりチタン板の軟質化を図って良好な成形性を確保させ得ることが記載されている。
【０００８】
しかし、特許文献２に記載されているようなチタン材を得るためには、チタン材を作製する製造工程中において酸化が生じないように細心の注意を払う必要があるとともに、スポンジチタンには、通常、ある程度の酸素が含有されていることから、酸素含有量が極端に少ない高価な原料を用いなければならないという問題を有している。
したがって、特許文献２に記載のチタン材も、特許文献１に記載のチタン材と同様に特殊な原料を用いることなく得ることが困難なものである。
すなわち、従来、原料が特殊なものに限定されることを抑制しつつ成形性に優れたチタン材を得ることが困難であるという問題を有している。
【０００９】
【特許文献１】特開昭６３−６０２４７号公報
【特許文献２】特開２００６−３１６３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、原料が特殊なものに限定されることを抑制しつつ成形性に優れたチタン材を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、チタン材の成形性とその成分ならびに結晶粒度について鋭意検討した結果、鉄が従来のチタン材よりも多く含有されている場合には、むしろ、微細構造を有する場合の方が成形性に優れていることを見出し本発明の完成に至ったのである。
【００１２】
すなわち、本発明にかかる成形性に優れたチタン材は、鉄が０．１質量％を超え、０．５質量％以下含有され、酸素が０．０３質量％以上、０．１質量％以下含有されており残部がチタンおよび不可避不純物からなり、結晶粒度が粒度番号１０以上となるように形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、鉄が０．１質量％を超え、０．５質量％以下含有され、酸素が０．０３質量％以上、０．１質量％以下含有されており残部がチタンおよび不可避不純物からなる原料をチタン材の形成に用いうることから、チタン材に用いる原料に対する制限を緩和させうる。
しかも、結晶粒度が粒度番号１０以上とされることからチタン材に優れた成形性を発揮させ得る。
すなわち、本発明によれば、原料が特殊なものに限定されることを抑制しつつ成形性に優れたチタン材を提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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材に含まれる成分について説明する。
本実施形態のチタン材には、チタン以外に、鉄と酸素とが含有されている。
また、これら以外に不可避な不純物が含有されている。
【００１５】
前記鉄は、本実施形態のチタン材中に、０．１質量％を超え０．５質量％以下の範囲の内のいずれかの含有量で含有されている。
一般に、チタン合金において、鉄は、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、チタン材中に鉄を多く含有させると結晶粒径が小さくなり（流動番号が大きくなり）、チタン合金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、チタン材中の鉄の含有量が従来のチタン材に比べて多い場合には、むしろ結晶粒径が小さな微細構造を形成させることにより成形性の向上を図ることができる。
【００１６】
なお、本実施形態のチタン材における鉄の含有量が０．１質量％を超える値とされているのは、鉄の含有量が０．１％以下の場合においては、クロール法における還元反応容器付近のスポンジチタンなど、鉄を多く含むスポンジチタンが使用できなくなるおそれがあるためである。
また、鉄の含有量が０．１％以下の場合においては、α相単相となるか、α＋βの２相となってもβ相が非常に少ない状態となってしまい、粒度番号を大きくすることで成形性を向上させるという本発明の効果を得ることが困難となる。
【００１７】
また、本実施形態のチタン材における鉄の含有量が０．５質量％以下とされているのは、鉄の含有量が０．５％を超える場合においては、α＋βの２相におけるβ相の体積割合が所定以上に増大されてしまい、仕上げ焼鈍終了後の室温状態となった場合においてもβ相が残留し、延性の低下などといった成形性に悪影響が生じるためである。
【００１８】
前記酸素は、本実施形態のチタン材中に、０．０３質量％以上０．１質量％以下の範囲の内のいずれかの含有量で含有されている。
なお、本実施形態のチタン材における酸素含有量が０．０３質量％以上とされているのは、酸素含有量を０．０３質量％未満にしようとすると一般的な原料の使用が困難となるばかりでなく、チタン材の製造時における酸化防止に細心の注意を払わなければならなくなるおそれを有するためである。
しかも、酸素含有量を少なくするとチタン材の強度が低下してしまい、該チタン材を用いて製造する製品（成形品）に十分な強度を付与させることが困難となるおそれを有するためである。
【００１９】
また、本実施形態のチタン材における酸素含有量が０．１質量％以下とされているのは、酸素含有量を０．１質量％を超える値とすると該チタン材によって製造される成形品の強度を向上させうる一方でチタン材の延性を低下させてしまい、チタン材に十分優れた成形性を付与させることが困難となるためである。
【００２０】
このことについてより詳しく説明すると、酸素は、チタンに固溶して強度を向上させる作用を有し、製造条件にもよるが、例えば、酸素を０．０３質量％含有するチタン材の強度は３０５ＭＰａ程度となる。
そして、例えば、酸素を０．１質量％含有するチタン材の強度は４１０ＭＰａ程度、酸素を０．３質量％含有するチタン材の強度は７１０ＭＰａ程度となる。
一方で延性は、酸素含有量が多くなるほど低下し、製造条件にもよるが、例えば、酸素を０．０３質量％含有するチタン材の伸びが圧延方向に５８％程度であるのに対し、酸素を０．３質量％含有するチタン材の伸びは圧延方向に２２％程度となる。
【００２１】
また、前記不可避不純物としては、水素、窒素などの、鉄、酸素以外に工業用チタンに通常含まれている不純物が例示でき、本実施形態のチタン材におけるこれらの含有量は、通常、ＪＩＳ  Ｈ  ４６００の純チタンＪＩＳ  ４種に規定の含有量とされ、好ましくは、ＪＩＳ  ２種に相当する含有量とされる。
【００２２】
本実施形態においては、上記のような成分を含有する原料によって形成されていれば、チタン材の形態が特に限定されるものではなく、例えば、板状、棒状、線状など種々の形態を採用し得る。
【００２３】
ただし、本実施形態のチタン材は、粒度番号が１０以上となるように形成されていることが必要である。
本実施形態におけるチタン材の結晶粒度を粒度番号１０以上とするのは、粒度番号が１０未満となって結晶粒が大きくなると、エリクセン値が低下するなどして、絞り加工などの塑性変形を伴う加工に対する成形性を低下させるおそれがあるためである。
より具体的には、粒度番号が１０未満となると、エリクセン値が、例えば、１０ｍｍ未満に低下するなど成形性が低下してしまうおそれを有する。
【００２４】
このような成形性の観点からは、粒度番号がより大きな値となるようにチタン材を形成させることが好適であるが、あまり粒度番号の値を大きくさせると、当該チタン材を得るための製造工程の手間が増大するおそれがある。
このような観点からは、チタン材は、結晶粒度が粒度番号１４以下となるように形成されていることが好ましい。
すなわち、本実施形態におけるチタン材の結晶粒度は、粒度番号が１０〜１４の範囲の内のいずれかの値であることが好適である。
【００２５】
なお、このチタン材の結晶粒度については、チタン材の製造時の条件により調整が可能であり、例えば、冷間圧延後に仕上げ焼鈍を行って圧延組織を再結晶化させた後に、結晶を成長させることにより調整することができる。
結晶粒度は、焼鈍時間とその温度により調整が可能で、通常、焼鈍温度が高いほど、焼鈍時間が長いほど結晶成長が進み粒度番号の小さな（結晶粒の大きな）組織がチタン材に形成される。
【００２６】
また、結晶粒度の調整には、鉄の含有量も影響を与える。
より具体的には、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）。
一般に鉄を０．０６質量％以上含有するチタンでは、５９５℃以上の温度で保持するとα相とβ相との二相組織となる。
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材は、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。
すなわち、本実施形態のチタン材は、酸素が０．０３質量％以上、０．１質量％以下含有されており鉄が０．１質量％を超え、０．５質量％以下とされていることにより焼鈍によって結晶粒度を粒度番号１０以上に調整しやすい状態となっており、原料に対する制限を緩和し得るのみならず、製造が容易であるという効果も有する。
【実施例】
【００２７】
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。
【００２８】
（実施例１〜１９、比較例１〜７、従来例１〜６）
（チタン板の作製）
小型真空アーク溶解炉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℃で厚さ５ｍｍまで熱延し、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厚さの板状のチタン材（チタン板）を作製した。
このチタン板に対して、６００〜８５０℃の温度での１分間〜１０時間の仕上げ焼鈍を真空雰囲気中にて実施し結晶粒度の調整を実施した。
なお、表面のスケールを除去した板から採取した試料について鉄含有量をＪＩＳ  Ｈ１６１４に準じて測定し、酸素含有量をＪＩＳ  Ｈ１６２０に準じて測定した。
結果を表１に示す。
さらに、チタン板の断面略中央部における結晶粒度（粒度番号）をＪＩＳ  Ｇ０５５１の交差線分法により測定した結果を表１に併せて示す。
また、特許文献２（特開２００６−３１６３２３号公報）に比較例（表１のＮｏ．３９〜４４）として記載された評価結果を、従来例１〜６として表１に併せて示す。
【００２９】
（評価）
（エリクセン値）
上記のごとく作製したチタン板を９０ｍｍ角に切断してテストピースとし、該テストピースをＪＩＳ  Ｚ２２４７に準じてエリクセン値の測定を実施した。結果を表１に示す。
なお、潤滑剤にはグラファイトグリースを用い、割れの発生については目視にて判定した。
また、エリクセン値の測定後の各実施例のチタン板には肌荒れは観察されず良好なる外観を呈していた。
【００３０】
【表１】
2009161816.tif 000002
【００３１】
この表１に示される結果からもわかるように、従来例とは異なり、鉄が０．１質量％を超える値で含有されているチタン材においては、粒度番号を大きくすることで成形性を向上させうる。
したがって、本発明のチタン材には、クロール法における還元反応容器付近のスポンジチタンなど、鉄を多く含むスポンジチタンも形成に用いうる。
また、極低酸素材料などの特別な原料を使用することなく形成することが可能である。
すなわち、本発明によれば原料が特殊なものに限定されることを抑制しつつ成形性に優れたチタン材を提供し得る。