专利名称：钛材的制作方法
技术领域：
本发明涉及钛材，具体而言，涉及强度和加工性优异的钛材。
背景技术：
以往，由钛合金、纯钛等材料形成的板状或棒状的部件被广泛使用。例如工业制品广泛使用板状的钛材(以下也称为“钛板”)，对前述钛板实施弯曲加工、鼓凸成形、拉深加工等伴随有塑性变形的各种加工而形成各种制品。对于实施这种加工的钛板要求优异的加工性。另外，最近从材料成本的降低、制品的轻量化等观点考虑，要求钛板的薄板化。其结果要求提高钛板的强度。但是，以往钛板的加工性与强度处于权衡关系，形成难以同时满足它们的状况。g卩，以往的钛板存在若屈服强度增大时则难以进行成形加工(加工性差)的问题。对此，下述非专利文献I中示出了通过圆筒深拉深试验对成分、结晶粒径不同的钛薄板评价加工性得到的结果，记载了晶粒越微细则加工性越良好(第103页、第5行 )。而且，下述专利文献I中公开了纯钛薄板的制造方法，记载了最终的退火在大气气氛下以￠00 800) °C X (2 5)分钟的连续退火方式进行，进一步实施酸洗处理，将制品的平均结晶粒径(以下称 为粒径)调整到3 60 μ m，从而制造表面的光泽得到抑制的纯钛薄板。另外，下述专利文献2中公开了建筑材料用纯钛、纯钛板及其制造方法，记载了所含有的氧为900ppm以下、Fe为IOOppm以上且600ppm以下，进一步Ni和Cr的含量得到限制的建筑材料用钛材。另外,专利文献2中对在冷轧退火后用硝酸氢氟酸水溶液实施了酸洗处理的平均结晶粒径为70 μ m以下的建筑材料用钛材进行了记载。但是，该专利文献1、2中几乎未示出评价5μπι以下微小结晶粒径的数据，专利文献2中虽然示出了结晶粒径为3μπι的实施例，但是同时在段落
中记载了“实际生产上，下限为5 μ m左右”，对于结晶粒径为5 μ m以下为否定性的记载。认为这是由于，这些文献的目的在于得到光泽得到抑制的作为建筑材料用优异的钛材，对于鼓凸成形、深拉深等的加工性未进行充分研究。另外，下述专利文献4中公开了加工性优异的钛板，然而虽然其加工性优异，但是强度(屈服强度)低，不能兼具加工性和强度两者。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开昭63-103056号公报专利文献2 :日本特开平9-3573号公报专利文献3 :日本特开2006-316323号公报专利文献4 :日本特开昭63-60247号公报
非专利文献非专利文献I ■夕 >”(《钛》)，Vol. 57、Νο· 2(社团法人日本钛协会、平成21年4月发行)
发明内容
发明要解决的问题本发明的目的在于，提供高强度且加工性优异的钛板。用于解决问题的方案钛材主要可以添加氧(O)、铁(Fe)来增大强度(屈服强度)，但是若添加它们则延展性降低、加工性也降低。例如，JISl类中规定的钛材料中，由于氧、铁的含量少，因此使用这种JISl类的材料的钛板，通常强度(屈服强度)低，但是延展性优异、加工性优异。若使用氧、铁的含量多于该JISl类的JIS2类的钛材料，则与使用JISl类的钛材料的钛材相比，存在强度(屈服强度)增大，另一方面延展性降低、加工性降低的趋势。进而，氧、铁的含量多的JIS3类及JIS4类，强度(屈服强度)进一步增大，但是延展性进一步降低、加工性大幅降低。S卩，强度(屈服强度)与加工性存在一定的关系(以下将这种关系也称为“强度(屈服强度)_加工性平衡”)。
另外，使用钛材料而成的板材、线材，实施轧制、拉丝这些伴随有塑性变形的加工来形成。这种实施了伴随有塑性变形的加工的板材、线材，由于通常以如此的状态在内部形成加工组织，为了进行组织的再结晶化，实施被称为最终退火的工序而提供给市场。例如，若为钛板则如下进行进行冷轧等加工而调整为规定厚度后，实施间歇退火、连续退火等，使内部的加工组织再结晶化，形成等轴状的晶粒(以下称为“再结晶晶粒”)。并且，该再结晶晶粒随着退火时间的推移等而生长变大，特别是在再结晶晶粒的粒径小的再结晶刚开始之后，再结晶晶粒的生长速度快，结果在比较短的时间内形成超过5μπι的大的粒径。而且，若再结晶晶粒生长至这种尺寸，则通常不残留未再结晶部(加工组织)，在钛材内部仅形成通过再结晶晶粒形成的等轴状组织。本发明人等对上述问题进行深入地研究，结果发现，通过以往作为提高强度(屈服强度)的手段未受到关注的组织的调整(通过残留未再结晶部进行的晶粒的微细化)，可以实现钛材的强度(屈服强度)的提高。具体而言，本发明人等使用电炉在真空中对冷轧至规定厚度的工业用纯钛板进行最终退火，改变其温度和时间来试制组织不同的各种钛板，通过拉伸试验和埃里克森试验对它们的强度(屈服强度)和加工性(延展性)进行评价，从而完成本发明。该评价的结果中，晶粒越细则存在强度(屈服强度)越大、加工性(埃里克森值)越降低的倾向，但是若再结晶晶粒的平均粒径为规定的尺寸以下则埃里克森值不怎么降低，发现与以往的钛材相比，可以提高“强度(屈服强度)-加工性平衡”。
另外，即使再结晶晶粒的平均结晶粒径为规定以下，也存在加工性(埃里克森值)降低、与以往的钛材相比不能提高“强度(屈服强度)_加工性平衡”的情况。而对该钛板的显微组织进行详细调查，结果发现，除了通过最终退火而再结晶而成的晶粒之外，未再结晶部也多。基于该未再结晶部的量，对“强度(屈服强度)_加工性平衡”进行研究后发现，特别是未再结晶部在钛板的截面积中所占的面积率超过30%时加工性极端降低。需要说明的是，在此未再结晶部指的是残留的经过塑性加工形成的加工组织的部分。S卩，涉及用于解决前述问题的钛材的本发明，其特征在于，所述钛材中的铁的含量为O. 60质量％以下、氧的含量为O. 15质量％以下，剩余部分由钛和不可避免的杂质组成，所述钛材具有实施伴随有塑性变形的加工而形成的加工组织、和前述加工后实施退火而形成的再结晶组织，形成为该再结晶组织的晶粒的平均粒径为I μ m以上且5 μ m以下，未再结晶部在截面积中所占的面积超过0%且为30%以下。发明的效果根据本发明，可以提供高强度且加工性优异的钛材。
图1是用透射式电子显微镜观察到的实施例的钛板的显微组织照片(再结晶晶粒之间的一部分发现未再结晶部)图2是表示屈服强度与埃 里克森值的关系的图。
具体实施例方式以下以钛板为例对本发明的钛材的优选实施方式进行说明。本实施方式中的钛板通过下述钛材料形成，所述钛材料中的铁(Fe)的含量为
O.60质量％以下、氧(O)的含量为O. 15质量％以下，剩余部分由钛(Ti)和不可避免的杂质组成。该钛板在实施伴随有塑性变形的加工后实施退火来形成，内部具有伴随前述加工的加工组织、和伴随前述退火的再结晶组织，而且形成为该再结晶组织的晶粒的平均粒径Slym以上且5 μ m以下并且未再结晶部在钛板的截面积中所占的面积超过0%且为30%以下。如上所述，前述铁(Fe)以O. 60质量％以下的比率含有。需要说明的是，Fe的含量的上限值为O. 60质量％是由于在钛材料中，Fe为β相稳定化元素，若Fe的含量超过O. 60质量％则在构成钛板的组织中，除了 α相之外还有可能生成大量β相。S卩，由于根据所形成的β相的尺寸而延展性大幅降低或耐腐蚀性降低，因此形成本实施方式的钛板的钛材料中含有的Fe的含量为O. 60质量％以下，这在形成高强度且加工性优异的钛板方面是重要的。需要说明的是，在形成高强度且加工性优异的钛板方面，对Fe的含量的下限值没有特别要求，如果想要制造Fe小于O. 01质量％的钛板则必须以价格昂贵的高纯度海绵钛作为原料，结果钛板的材料成本有可能增大。因此，从钛板的成本等观点考虑，优选Fe的含量为O. 01质量％以上且O. 60质量％以下。例如镁热还原法(Kroll法)中，通常表现出O. 60质量％以上的Fe含量的钛材料仅形成在容器附近的少许区域。因此，本实施方式中的钛板，通过使得作为其成分的铁的含量为O. 01 O. 60质量％，可以利用通过Kroll法得到的海绵钛的大部分材料。S卩，本实施方式中的钛板在几乎不对海绵钛的使用部位施加限制方面考虑，适合作为消耗材。前述氧(O)在钛材料中以O. 15质量％以下的含量含有。形成本实施方式的钛板的钛材料中的O含量为O. 15质量％以下是由于若O含量超过O. 15质量％则即使想要使晶粒变细来实现“强度-加工性平衡”的提高，强度也会过强而有可能不能充分赋予加工性，难以形成适于鼓凸成形、深拉深等加工的钛板。需要说明的是，对O含量的下限量没有特别规定，但是如果想要使构成钛板的钛材料中的O含量小于O. 015质量％则有可能必须以价格昂贵的高纯度海绵钛作为原料来制造。
因此，O含量优选为O. 015质量％以上且O. 15质量％以下。另外，对于碳(C)、氮(N)、氢(H)等不可避免的杂质，从确保成形加工中的良好的加工性目的考虑，为相当于JIS2类的含量以下是重要的。具体而言，C、N、H的含量分别小于O. 02质量％是重要的。进一步优选C的含量为O. 01质量％以下，N的含量为O. 01质量％以下，H的含量为O. 01质量％以下。从钛板的加工性观点考虑，对上述C、N、H的含量不规定下限，但是如果想要极端降低它们的含量则钛板的制造成本有可能大幅增大。从抑制这种成本升高的观点考虑，优选C的含量为O. 0005质量％以上，N的含量为O. 0005质量％以上，H的含量为O. 0005质量％以上。如以上所述，本发明的钛板在内部具有加工组织和再结晶组织，而且形成为该再结晶组织的晶粒的平均粒径为I μ m以上且5 μ m以下并且未再结晶部在钛板的截面积中所占的面积超过0%且为30%以下。前述再结晶组织的平均粒径的上限值为5μπι是由于若进行再结晶而生成的等轴状的α粒的平均结晶粒径超过5μπι则晶粒的微细化的效果减小，难以实现优异的“强度-加工性平衡”。另外，下限值为Iym是由于若实际生产上(工业上可以实施的方法)进行加工(轧制、锻造等)、然后进行退火时平均晶粒小于I μ m，则后段中所述的未再结晶部(加工组织)的面积率增多，强度变得非常大，但是延展性大幅降低，难以实现优异的“强度-加工性平衡”。前述未再结晶部由通过加工(冷轧、锻造等)进行塑性变形、晶粒被压碎而成的加工组织形成，通过使该加工组织残留在钛板中，可以提高其强度。由通过冷轧等形成的加工组织构成的钛板表现出高的强度，另一方面延展性非常小。因此，以往通过退火使加工组织再结晶化而形成等轴状的组织，以钛板中不残留加工组织的程度设置充分的退火时间。另一方面，本实施方式的钛板中，通过采用后段中所述的退火条件使前述加工组织残留在钛板中，而且如上所述调整再结晶晶粒的粒径。前述未再结晶部(加工组织)以在钛板的截面中所占的面积比率为30%以下的方式设置，这在得到优异的“强度-加工性平衡”方面是重要的。若该未再结晶部的面积率大于30%则虽然钛板的强度进一步增大，但是延展性降低、难以使钛板发挥优异的加工性。其结果，有可能不能得到优异的“强度-加工性平衡”。在可以更切实地对钛板赋予这种优异的“强度-加工性平衡”方面考虑，优选未再结晶部的面积率为10%以下。需要说明的是，对下限值没有特别限定，但是若未再结晶部消失(面积率为0%)则再结晶晶粒的粒径急速增大。因此，在可以更切实地将再结晶晶粒的粒径调整到上述范围内方面考虑，优选未结晶部的面积率为O. 1%以上。为了进行上述再结晶晶粒的粒径的调整、未再结晶部的形成，可列举出通过通常的轧制工序等将钛板调整为所希望的厚度后，实施规定条件下的最终退火的方法。在前述最终退火中可以采用的退火方法可以大致分为连续式和间歇式。其中，连续式最终退火为展开冷轧卷材并使钛板以固定速度通过退火炉内、由此进行退火的方法，可以通过通板速度来控制加热温度的保持时间。以往的钛板的最终退火中，在连续式的情况下，加热温度为700 800°C，加热时间为数十秒 2分钟左右。另一方面，间歇式最终退火为对钛板的卷材直接以卷材的状态在退火炉内进行加热的方法，为了减小卷材的表层部与内部的热的施加方式的差异而缓慢地加热，冷却速度也非常慢。以往的钛板的最终退火中，在间歇式的情况下，加热温度为550 650°C，加热时间为3小时 30小时左右。与此相对，作为制作本实施方式的钛板时实施的最终退火，例如若为连续式则优选在580°C以上且低于600°C的温度、I分钟以上且10分钟以下的加热条件下，或者在600°C以上且650°C以下的温度、10秒以上且小于2分钟的加热条件下实施。作为这种优选的加热条件选择10秒以上的时间是由于若保持温度的时间短于10秒，则为了对钛板实施规定的退火，通板速度、加热温度等操作条件的适当范围变得非常狭窄，对装置、其操作要求精度高的管理。另一方面，作为加 热时间优选为10分钟以下的条件是由于若花费超过10分钟的时间则必须减慢通板速度，生产率降低。另外，作为优选的加热温度的条件选择580°C以上的温度是由于在低于580°C的加热温度下，难以以10分钟以下的保持时间使钛板产生规定的再结晶，未再结晶部的面积率超过30%的情况增多。
进而，选择650°C以下的加热温度是由于在高于650°C的温度下，即使为10秒的加热时间，也会完成钛板的再结晶，再结晶晶粒有可能生长至5 μ m以上的平均粒径。另外，作为制作本实施方式的钛板时实施的最终退火，若为间歇式则优选为420°C以上且低于550°C的温度，3小时以上且50小时以下的加热条件。作为该加热时间优选为3小时以上的条件是由于，若加热时间短于3小时，则虽然取决于卷材的尺寸，但是卷材的内部的温度有可能未达到规定的温度。另一方面，作为加热时间优选为50小时以下的条件是由于,若花费超过50小时的时间，则退火所需要的时间过长而钛板的生产率降低。另外，优选加热温度为420°C以上是由于在低于420°C的加热温度下，难以以50小时以下的保持时间使钛板产生规定的再结晶，未再结晶部的面积率超过30%的情况增多。或者为了确保规定的生产量，而必须保有几台退火炉(加热设备)，设备费价格昂贵并且必需用于设置退火炉的宽阔空间。需要说明的是，由于间歇式中直接以卷材的状态进行加热，卷材的表层部与内部温度的升高速度不同，达到目标温度所需的时间也不同。虽然取决于卷材的尺寸、加热温度、退火炉的加热能力，但是通常达到目标温度的时间有数十分钟 数小时的差异。因此，即使加热时间稍 微不同，再结晶的粒径也不怎么产生差异，S卩，在再结晶晶粒的生长速度慢的温度范围内加热是重要的。而且，优选加热温度低于550°C是由于，在550°C以上的温度下再结晶的晶粒生长速度快，因此若适应卷材表层部而缩短加热时间则卷材内部仍然未达到目标温度，有可能形成未再结晶的未再结晶部多于30%的状态，相反地若适应卷材内部而延长加热时间，则卷材表层部中再结晶晶粒过度生长而平均结晶粒径有可能为5 μ m以上。需要说明的是，以连续式或间歇式进行的最终退火优选在真空中或非活性气体气氛下实施。如以上所述，通过退火条件来调整再结晶的平均粒径和未再结晶部(加工组织)的残留比率，由此可以得到具有优异的“强度-加工性平衡”的钛板。需要说明的是，虽然在此未进行详细说明，但是在不显著损害本发明效果的范围内，本发明中也可以采用以往的钛板以及钛板制造方法中公知的事项。另外，本实施方式中举出钛板作为钛材的例子，但是在发挥优异的“强度-加工性平衡”方面考虑，并不限于钛板，例如对于线材、棒材、管材等各种形态的钛材也是相同的，这些钛材也在本发明谋求的范围内。实施例下面举出实施例进一步详细说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。〈评价1>(样品No.1 45)(试验片的制作)通过小型真空电弧熔解制作铸锭(Φ 140mm)，将该铸锭加热到1050°C后，进行锻造而制作50mm厚度的板还。
将该板坯在850°C下热轧至5mm厚度后，在750°C下进行退火，并进行喷丸、酸洗，除去表面的氧化皮而制作板材。进一步将板材冷轧而制作O. 5mm厚度的板状试样(钛板)。在400 800°C的温度下，在氩气气氛中对该O. 5mm厚度的钛板实施48小时以下的最终退火，制作晶粒得到调整的试验片。(成分测定)使用表面的氧化皮被切削了的热轧后的板材，对钛板中含有的铁量和氧量进行测定。铁含量根据JIS H1614测定，氧含量根据JIS H1620测定。(拉伸强度测定)另外，根据JIS Z 2241对如上所述结晶粒度得到调整的试验片(钛板)的拉伸强度进行测定。(加工性评价)另外，对如上所述结晶粒度得到调整的试验片(钛板)的加工性进行评价。评价基于JIS Z2247通过使用石墨润滑脂作为润滑剂的埃里克森值的测定来实施。(组织调查) 观察钛板的显微组织，得到晶粒(再结晶的α粒)、未再结晶部(加工组织)的组织照片。需要说明的是，观察使用光学显微镜或透射式电子显微镜。通过透射式电子显微镜观察得到的组织照片的例子如图1 (样品No. 28的显微组织)所示。该组织照片中，映现了再结晶的α粒和未再结晶部。(该图1所示的照片中，“Α”所示的部位为未再结晶部。)对于该照片，使用图像分析软件求出未再结晶部以外的面积，求出再结晶的α粒的平均面积，通过计算求出具有与该平均面积相同的面积的圆的直径，作为再结晶晶粒的平均粒径。另外，由未再结晶部的面积求出未再结晶部的面积率。以上的结果如表I所示。[表I]
权利要求
1.一种钛材，其特征在于，所述钛材中的铁的含量为O. 60质量％以下、氧的含量为·O. 15质量％以下，剩余部分由钛和不可避免的杂质组成， 所述钛材具有实施伴随有塑性变形的加工而形成的加工组织、和所述加工后实施退火而形成的再结晶组织，形成为该再结晶组织的晶粒的平均粒径为I μ m以上且5 μ m以下，未再结晶部在截面积中所占的面积超过0%且为30%以下。
全文摘要
本发明的课题在于，提供一种高强度且加工性优异的钛材。为了解决这种问题，本发明提供一种钛材，其特征在于，所述钛材中的铁的含量为0.60质量%以下、氧的含量为0.15质量%以下，剩余部分由钛和不可避免的杂质组成，所述钛材具有实施伴随有塑性变形的加工而形成的加工组织、和前述加工后实施退火而形成的再结晶组织，形成为该再结晶组织的晶粒的平均粒径为1μm以上且5μm以下，未再结晶部在截面积中所占的面积超过0%且为30%以下。
文档编号C22F1/18GK103069027SQ20108006878
公开日2013年4月24日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者白井善久, 濑户英人 申请人:新日铁住金株式会社