热轧用钛铸坯以及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及包含工业用纯钛的热乳用钛铸坯、以及其制造方法，尤其涉及用于制 造表面品质优异的热乳板的热乳用钛铸坯以及其制造方法。本申请主张基于2013年4月 1日在日本提出的日本特愿2013-075886号的优先权，将其内容援引于此。
【背景技术】
[0002] 通常工业用纯钛较常见的是将利用克罗尔法而得到的海绵钛、钛废料作为熔炼原 料，由真空电弧熔炼（VAR)、电子束熔炼（EBR)等进行熔炼而制成大型的铸坯（铸锭）。在 此，作为铸坯形状，真空电弧熔炼的情况下限于圆柱状的铸坯，而电子束熔炼的情况下能够 铸造成矩形状的铸坯、即板坯。
[0003] 进而，将这样的大型铸坯作为原材料制造钛薄板等钛材料时，对于大型铸坯，根据 需要进行表面的切削修整之后，实施热初乳或锻造，加工为适于之后的热乳的形状、尺寸的 板坯。在此将基于这些初乳或锻造的热加工工序称为开坯（break down)工序。然后进而 为了去除形成于开坯后的板坯表面的氧化物层、富氧层，较常见的是利用切削加工实施将 表面削磨几mm左右的切削修整之后供于热乳。
[0004] 然而，这样的以往通常的方法中，用于由大型铸坯加工为适于热乳的形状、尺寸的 通过初乳或锻造的开坯工序需要极大的时间和成本，其对于钛薄板制造的生产率提高、成 本降低成为巨大的瓶颈。
[0005] 然而，时至最近，逐渐确立了采用DC板坯铸造法（直接浇铸法）作为铸造板坯状 的铸坯的方法来制造较薄的板坯状铸坯、即具有可以直接供于热乳的形状、尺寸的钛铸坯 以替代如前述的大型铸锭铸造的技术，所述DC板坯铸造法如下：将利用电子束熔炼等在炉 床（hearth)内熔炼的钛熔液连续地注入到真空气氛下保持的水冷铜铸模内，并且将在该 水冷铜铸模内凝固的部分从铸模的下端侧连续地拔出而得到规定长度的板坯状铸坯。
[0006] 若应用这样的电子束熔炼等在真空下的DC板坯铸造法，则可以省略以往需要的 开坯工序，其结果可以提高钛薄板制造的生产率、降低制造成本。
[0007] 进而，对于上述那样应用由电子束熔炼等在真空下的DC板坯铸造法而得到的板 坯（省略开坯工序），即便在供于热乳的情况下，也存在热乳后的热乳板的表面性状未必良 好的问题。即，存在热乳板表面产生许多几_至IOmm左右的长度以及大小的覆盖状瑕疵 的问题。将这样的表面的许多覆盖状瑕疵在此称为表面瑕疵。认为这样的热乳板的表面瑕 疵源自铸造的板坯的粗大铸造组织。即，认为未经过作为热加工的开坯工序的板坯具有铸 造状态（as cast;"铸造状态"）的包含粗大晶粒的铸造组织，即便对其表面实施切削加工 而减小表面的凹凸，切削后的表面层中也存在粗大的组织，由于这样的粗大的表面的铸造 组织导致在热乳板上产生表面瑕疵。
[0008] 在此，作为由于粗大的铸造组织导致在热乳板上产生表面瑕疵的具体的因素，认 为由于在热乳初期产生的粗大热孪晶，导致母相与孪晶之间的大的取向差，从而在母相与 孪晶的边界部产生较大的凹陷，随着之后的热乳的进行，在该凹陷上覆盖金属成为表面瑕 疵。
[0009] 然而，对于未经开坯工序而得到的热乳用钛板坯，为了防止出现在热乳后的热乳 板表面的表面瑕疵的产生，已提出了几个在热乳前对板坯表面层实施改性处理的方法。
[0010] 例如，在专利文献1中，提出利用具有曲率半径为3~30mm的前端形状的钢制工 具、或半径为3~30_的钢球对热乳用钛板坯的表面进行冷锻（塑性加工），由此赋予波纹 度轮廓单元的平均高度为0. 2~I. 5mm、平均宽度为3~15mm的浅凹。该提案的方法中，利 用上述那样的钢制工具或钢球对钛板坯的表面层通过冷加工先赋予规定的塑性应变，从而 在之后的热乳前的加热时使表面层再结晶、生成微细组织，从而可以防止由前述那样的粗 大组织导致的凹陷的产生，因此，即便省略开坯工序，也可以减轻热乳板的表面瑕疵。
[0011] 此外，在专利文献2中提出了如下方法：在热乳用钛板坯的表面、尤其是作为热乳 时的乳制面一侧的表面，通过高频感应加热、电弧加热、等离子体加热、电子束加热以及激 光加热等赋予高能量，仅使其表面层至Imm以上的深度熔融、立刻骤冷再凝固。需要说明的 是，该提案的方法的情况下，钛的熔点自然为0相变点以上的温度，因此随着使表面熔融， 在表面的熔融层下侧（母材侧）的热影响区域（HAZ)层也被加热至0相变点以上、发生0 相变。而且，在该提案的方法中，热乳用钛板坯的表面层熔融，从而表面被平滑化，进而通过 在此后从母材侧的排热使熔融层骤冷而凝固，同时下侧的HAZ层相）骤冷，从而熔融层 以及HAZ层成为微细的相变组织（通常为微细针状组织）。而且，如此操作而微细化的表面 层在之后的热乳前的加热时发生再结晶，成为微细且具有不规则的取向的粒状组织（等轴 粒组织）。因此，可以防止由粗大组织导致的凹陷的产生，也可以消除热乳后热乳板的表面 瑕疵。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献
[0014] 专利文献1 :国际公开2010/090352
[0015] 专利文献2 :日本特开2007-332420号公报
【发明内容】
[0016] 发明要解决的问题
[0017] 本发明人等通过实验确认了，若采用如专利文献1所示通过冷加工对热乳用钛板 坯的表层赋予塑性应变的表面层改性处理方法、以及如专利文献2所示对热乳用钛板坯的 表面赋予高能量而仅将表面层熔融、使其骤冷再凝固的表面层改性处理方法，则即便为未 经过开坯工序的热乳用钛板坯，根据其表面状况也可有效地对表面层进行改性，能够防止 热乳板表面瑕疵的产生。即确认了，如上所述，对于通过在真空下的DC板坯铸造而得到的 板坯，铸造状态的铸坯的表面层也通常为凹凸严重且缺陷多的层，通过切削加工将这样的 板坯的表面层去除掉几_左右的深度，之后若实施如专利文献1或专利文献2所示的表面 层改性处理，则可以抑制之后的热乳后的热乳板的表面瑕疵的产生。
[0018] 然而，如上所述的表面改性处理前的表面切削加工需要极大的劳力和时间，成品 率也大幅降低。因此，若即便省略这样的表面切削加工也可以通过表面改性处理抑制热乳 板的表面瑕疵产生，则可以以高生产率且低成本地制造表面性状优异的钛薄板。然而可知， 在表面改性处理前不实施如上所述的切削加工，对表面存在氧化皮层的铸造状态的铸坯实 施表面改性处理时，不能可靠并且稳定地抑制热乳板表面的表面瑕疵产生。
[0019] 因此，本发明的课题在于提供不仅省略开坯工序而且也不需要表面改性处理前的 切削加工，但能够可靠地避免之后的在热乳后的热乳板表面产生表面瑕疵，由此使钛热乳 板制造的生产率提高、并且可以实现成本降低的热乳用钛铸坯、以及其制造方法。
[0020]用于解决问题的方案
[0021] 为了解决上述的课题，对于如前述的专利文献2所示的表面层改性技术进行反复 深入实验/研究，结果得到如下的见解。
[0022] S卩，利用电子束等高能量密度的加热方法将铸坯的表面加热而仅使表面层熔融之 后的冷却通常是通过从母材侧的排热来进行的。此时，熔融层的厚度越薄、铸坯表面的每单 位面积的输入热量（以下涉及输入热量时单位面积是指Icm2)越少，因此刚刚加热之后的 冷却速度变大，由此冷却而凝固的表面层（熔融再凝固层）成为更微细的组织，之后实施用 于热乳的加热时的表面层组织也进一步微细化，其结果，能够可靠地抑制在热乳初期产生 的较大的凹陷、并抑制热乳板的表面瑕疵的产生。
[0023] 然而，熔融深度浅的情况下，存在于距表面有一定深度的位置的空隙、皱褶等缺陷 (源自铸造）不会消失。即认识到，虽然通过实验确认了为了利用熔融后的再凝固充分地使 表面层的组织微细化，有时需要将熔融深度抑制为几_左右以下，但源自铸造的空隙较多 存在于更深的位置、即自表面跨越几mm至深度5~8mm左右的位置，因此，仅使几mm左右 熔融时，这些较深的位置的空隙不会消失，因而在热乳时以这些空隙为起点而产生裂纹、表 面出现较大的凹部、产生表面瑕疵。
[0024] 为了解决上述的问题，认为将利用电子束等高能量密度的加热方法加热铸坯的表 面而使表面层熔融时的熔融深度增大即可。然而，此时与前述的情况相反，铸坯表面的每单 位面积的输入热量变大、刚刚加热之后的利用从母材侧的排热的冷却速度变小，因此，冷却 而凝固的表面层（熔融再凝固层）的组织未充分地微细化，之后实施用于热乳的加热时的 表面层的组织也未充分地微细化，其结果热乳初期产生的较大的凹陷、热乳板的表面瑕疵 未充分降低。
[0025] 基于这样的新见解，本发明人等反复深入实验/研究，结果发现通过进一步改良 专利文献2所示的表面改性技术，能够可靠地抑制在热乳初期产生的较大的凹陷、热乳板 的表面瑕疵，尤其是发现即便为未预先实施切削加工的铸造状态的铸造外观，也能够抑制 在热乳初期产生的较大的凹陷、热乳板的表面瑕疵。
[0026] S卩，利用电子束照射等使作为热乳用板坯的原材料的铸坯的表面层熔融、再凝固 之后，再次对熔融再凝固层的表面照射电子束等，将熔融再凝固层之中的表面区域（比熔 融再凝固层的深度浅的区域）加热至0相变点以上的温度、使其骤冷凝固。通过进行2次 这样的利用电子束等照射的表面层加热，从而发现能够可靠地防止在热乳初期产生的较大 的凹陷、热乳板的表面瑕疵，并且即便为未预先实施切削加工的铸造状态的铸造外观，也能 够可靠地抑制之后的热乳后的热乳板的表面瑕疵的产生，以至完成本发明。
[0027] 根据本发明提供一种热乳用钛铸坯，其为包含工业用纯钛的热乳用钛铸坯，作为 乳制面的表面中，最表面具有包含针状组织的组织微细化层、前述组织微细化层的内侧具 有包含针状组织的内侧组织微细化层、与前述内侧组织微细化层相比更内侧为铸造凝固组 织，前述组织微细化层为与前述内侧组织微细化层相比更微细的组织，前述组织微细化层 为自表面至深度Imm以上且不足6mm的范围，前述内侧组织微细化层在前述组织微细化层 的内侧、为自表面至深度3mm以上且20mm以下的范围。
[0028] 对于这样的本发明的热乳用钛铸坯，在进行热乳前所实施的加热处理或与其相当 的处理而再结晶的状态下，如后面对于制造方法进行说明的那样，处于最表面的组织微细 化层成为不规则取向的等轴微细粒状组织。顺便一说，本发明中，热乳前所实施的加热处理 或与其相当的处理意味着820°C X240分钟的加热处理。即钛板坯的热乳一般常见地是于 720~920°C左右进行60~420分钟左右加热。因此，本发明中采用居中的热乳时加热条 件，作为微细化层的微细化的指标，规定了实施820°C X240分钟的热乳前所实施的加热处 理或与其相当的处理时的粒径。
[0029] 此外，根据本发明提供热乳用钛铸坯的制造方法，其具有：第1段表层加热处理 工序，对于包含工业用纯钛的铸坯原材料，加热作为热乳的乳制面的表面，将自表面至深度 6mm以上且20mm以下的区域加热至0相变点以上，使自表面至深度3mm以上~IOmm的范 围熔融；第1段冷却工序，前述第1段表层加热处理后，冷却至低于0相变点的温度；第2 段表层加热处理工序，对经过前述第1段表层加热处理和前述第1段冷却工序的表面进行 再加热，将自表面至深度Imm以上且不足6mm的区域加热至P相变点以上；和第2段冷却 工序，前述第2段表层加热处理后，冷却至低于P相变点的温度。
[0030] 需要说明的是，此处P相变点是指，在该温度以上P相为稳定相、且在该温度以 下实质上a相成为稳定相的温度，对于工业用纯钛来说为880~920°C。
[0031] 根据这样的本发明，铸造后的铸造外观中存在的严重凹凸通过熔融被消除而平滑 化，同时源自铸造时的内部空隙等缺陷消失，另外粗大的铸造组织也消失。并且，最表面由 于再加热/骤冷而成为组织微细化层。因此，将本发明的热乳用钛铸坯供于热乳时，能够将 源自铸造时的皱褶、内部空隙导致的表面瑕疵的产生防患于未然，与此同时也能够可靠地 将组织微细化的不充分导致的热乳初期的较大的凹部的产生、热乳板的表面瑕疵的产生防 患于未然。
[0032] S卩，第1段的熔融而再凝固的过程中被加热至熔融且P相变点以上的内侧组织微 细化层具有自最外表面至6mm以上且20mm以下的位置的足够的厚度，熔融再凝固达至比利 用以往的方法的切削程度（几mm左右）深的位置，因此存在于比距表面几mm左右的位置 深的位置的空隙（超过通常的切削程度的深度位置的空隙）也充分消失，与此同时最外表 面的严重凹凸也被消除。
[0033] 另一方面，第2段的表面侧的再加热/骤冷的组织微细化层在自最外表面至1_ 以上且不足6mm的位置、为薄层，由此通过利用从再加热后的母材排热的高速骤冷效果而 成为包含充分微细的组织的层。因此，也能够可靠地防止组织微细化的不充分导致的热乳 初期的较大的凹部的产生、热乳板的表面瑕疵的产生。
[0034] 并且，对于上述各作用，即便为在铸造后未经过作为热加