JP3877986B2 - プレス成形性及び表面光沢に優れたチタン板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプレス成形性及び表面光沢に優れたチタン薄板に関し、特にその表面近傍に硬質粒子であるＴｉＣが分散した特異なＴｉＣ含有層あるいはＴｉＣ含有酸化皮膜を生成させることにより前記特性を改善したチタン板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、チタンは優れた耐食性および比強度を有することから、近年、熱交換器や化学プラント部材や沿岸部の構造材などに使用され、特に海水に対しては全く腐食しないことから、海水熱交換器等に使用されている。中でも板材はプレート式熱交換器に多く使用され、プレート式熱交換器では、伝熱効率向上のため表面をプレス成形により凹凸形状とし利用されている。伝熱効率さらなる向上のため、板厚の薄肉化、また凹凸形状の複雑化等のニーズにより、成形性の優れた板材が要求されている。
【０００３】
材質面では、チタンは結晶構造が六方晶であるために異方性があり、そのため、特開昭60-82227号公報では、通常の圧延方向と直角に圧延して、異方性を低減する方法が提案されている。しかし、この方法では、コイル状に圧延した素材板を切断して、再度圧延するという極めて不効率な方法を取らざるを得ない。
【０００４】
成形加工技術の観点では、表面潤滑の適正化等が検討され、例えば特開昭63-174749号公報では、潤滑剤キャリアの鉄、亜鉛合金層を形成させ、その後燐酸亜鉛処理して潤滑剤を塗布するという方法が提案されている。しかし、この方法では、潤滑処理に多数の工程が必要となり、不効率である。
【０００５】
又、板材の表面潤滑性に着目し、特開平6-173083号および特開平6-248404号公報では表面に酸化被膜を生成させ、成形性を改善する方法が、特開平10-204609号公報では窒素富化層を生成される方法が提案されている。しかし、これらの方法では表面金属光沢が損なわれたり、むらが生じる恐れがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来の問題を解決し、特に煩雑な工程を要さずに得ることが可能なプレス成形性及び表面光沢に優れたチタン板を提供することをその課題としてなされたものである。特に本発明は硬質粒子であるＴｉＣを分散させた薄い層を表面に付与することによって、表面光沢を損なうことなくのプレス加工性を向上させることを目的としたものでる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そして本発明者らは、上記従来技術の問題点を改善するため、種々の実験・研究を鋭意進めてきた結果、その有利な解決手段として本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の請求項１においては、素地チタンの表面にＴｉＣ含有酸化皮膜が存在し、且つ素地チタンの表層にＴｉＣ含有層が存在し、前記ＴｉＣ含有酸化皮膜の厚さは２５０Å以下であり、又前記ＴｉＣ含有酸化皮膜と前記素地チタンのＴｉＣ含有層の合計の厚さが３００Å以上であることを特徴とするプレス成形性及び表面光沢に優れた構造材用チタン板を提案するものである。
【００１０】
又、本発明の請求項２においては、前記ＴｉＣ含有酸化皮膜の厚さが２００Å以下であり、前記ＴｉＣ含有酸化皮膜と前記素地チタンのＴｉＣ含有層の合計の厚さが４００Å以上である請求項１に記載のプレス成形性及び表面光沢に優れた構造材用チタン板を提案するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者等はプレス成形性およびプレス加工時の割れ発生状況や成形性評価試験法であるエリクセン試験での割れ発生状況を検討した結果、成型性に及ぼす影響は同一成分であれば粒径等の組織よりも表面潤滑状態の影響の方が強いという知見を得た。これは、成形時に割れが生じた部分では、他の部位と比較して極端に板厚が薄くなっており、変形が局部的に集中した結果であり、プレス成形時やエリクセン試験（ＪＩＳ−Ｂ法）でのしわ抑え部から張り出し成形部への材料の流れ込みが大きく、素材である純チタン板と金型の潤滑状態が良好なほど局部的な変形の集中がなくなり成形性が良いという事実から明らかとなった。又、純チタン板と金型との潤滑状態については、皮膜がない金属表面ままの状態が最も悪く、表面に酸化皮膜を付与することによって成形性が改善されることも確認した。
そして、潤滑性をさらに向上させる手法を鋭意検討した結果、
（１）素地チタンの表面近傍にＴｉＣを含有する層を３００Å以上形成する、
あるいは
（２）酸化皮膜中にＴｉＣを分散させて含有させると共に素地チタンの酸化被膜との界面近傍にＴｉＣ含有層を形成し、これらＴｉＣ含有酸化皮膜と素地チタンのＴｉＣ含有層の厚さの合計を３００Å以上とする，ことによって優れた結果が得られることを見出した。
【００１２】
すなわち、酸化被膜だけでは２５０Å以上の被膜厚さが必要であるが、酸化皮膜中にＴｉＣを分散させて含有させると共に素地チタンにＴｉＣ含有層を形成させることによって、酸化皮膜自体の厚さは２００Å以下でも、成形性が大きく改善されること、また仮に酸化皮膜層が無くても素地チタンのＴｉＣ含有層の厚さを３００Å以上好ましくは４００Å以上形成すれば同様に成形性が大きく改善され、しかも金属光沢を有してムラのない表面光沢に優れたチタン板が得られることが判明したのである。つまり、かかる本発明の構成によって成形性と表面光沢の両立を果たし得たのである。
【００１３】
ＴｉＣ分散による潤滑性改善は、酸化膜中あるいは素地チタンの表層に、より硬度の高いＴｉＣが分散することにより金型との接触状態がＴｉＣの有無により変化し、潤滑効果を発揮するとともに、酸化膜あるいは素地チタン表層の硬度そのものが高くなり、摩擦抵抗が小さくなることによってもたらされる。このＴｉＣ含有層は上記の如く好ましくは４００Å以上であるが、より好ましくは５００Å以上、一層好ましくは６００Å以上とするのが良い。
【００１４】
ところで、本発明においてＴｉＣ含有する層とは、後記実施例に示す如く、ＸＰＳでの分析により、ＴｉＣの存在を示すエネルギー位置にピークを有すると共に素地チタンすなわち金属ＴｉあるいはＴｉＯの存在を示すエネルギー位置にピークを有する場合を指す。このとき、ＴｉＣ層の厚さはＡｒスパッタを行うことで分析部位を表面から徐々に削りつつ、ＸＰＳ分析を行い、ＴｉＣの存在を示すピークがバックグラウンドレベルまで下がる位置までの表面からの深さをスパッタ速度を基に計算して求める。また、ＴｉＣが酸化皮膜中のものであるか、素地チタン内のものであるかは、ＸＰＳ分析時に、ＴｉＣのピークと共にＴｉＯおよび金属チタンの存在を示すエネルギー位置も同時に測定を行い、金属Ｔｉのピークがなく、かつＴｉＯピークが得られた場合、その部位は酸化皮膜中であると判断し、一方、ＴｉＯの存在を示すピークがなく、金属Ｔｉのピーク得られた場合には、その部位は素地チタン板中であると判断するものである。また、ＴｉＯと金属Ｔｉのピークが同時に得られた場合には、ピーク高さが高い方を主構成相と見做し判断するものである。
【００１５】
ＴｉＣ含有層厚さの上限値は成形性の観点からは特に規定されないが、他の特性劣化が生じないことが確認されている陽極酸化処理の上限相当の１０００Å程度を上限とすることが望ましい。
【００１６】
また、ＴｉＣはあくまで金属Ｔｉ（素地チタン）あるいは金属ＴｉとＴｉＯ（酸化被膜）中の両方に含有されていることが必要であり、ＴｉＣ単独の層を形成する（上記ＸＰＳ分析によれば、ＴｉＣの存在をエネルギー位置にピークを有するが金属ＴｉあるいはＴｉＯの存在を示すエネルギー位置にはピークを有しない）場合には、金属光沢を損なったり、硬度が高くなりすぎて他の特性に影響を及ぼす様になる。
【００１７】
酸化膜あるいは素地チタンの表層にＴｉＣを分散させる方法は、特に限定するものではないが、例えば次記する実施例のように、チタン板表面に機械油を塗布し、真空中で焼鈍することにより、油中の炭素をチタン板表面に拡散させることによって酸化膜中或いは素地チタン板中にＴｉＣを分散させる方法を推奨することが出来る。尚、上記焼鈍は真空中でなく不活性ガス中で行うことも可能であるし、また機械油を塗布するのではなく真空や不活性ガス中に極微量のブタンガスを混在させた雰囲気下で加熱を行っても、酸化膜中にＴｉＣを分散させることも勿論可能である。また、チタン板表面をアルミナサンドブラストなどにより軽く粗面化した後、該粗面化されたチタン板表面に機械油を塗布し、その後表面を軽く脱脂して（粗面化されているので、表面にできた凹部に機械油が残留する）、その後真空中、あるいは不活性ガス中で焼鈍すること等でも生成可能である。厳密なTiC含有層厚さの制御は困難ではあるが冷間圧延後の脱脂において完全に圧延油を除去せず、部分的圧延油を残留させ、その後の焼鈍工程に入ることによっても達成可能である。
【００１８】
ただし、本件発明のＴｉＣ含有層の形成にあたって、加熱条件（：上記機械油塗布後の真空中の加熱条件や真空や不活性ガス中に極微量のブタンガスを混在した雰囲気下での加熱条件を指す）については、その加熱温度、加熱時間に注意を払う必要がある。加熱温度が低過ぎる、あるいは温度は十分でも加熱時間が短いとＴｉＣの分散が進まず所望のＴｉＣ含有層を形成することが困難となる。一方加熱温度が高すぎると短時間でもＴｉＣ層の成長が進みすぎたり、酸化皮膜が成長しすぎることとなる。また温度は十分でも、必要以上に長時間加熱すると、やはり酸化皮膜が成長しすぎて、表面光沢が損なわれたり、ＴｉＣ層の成長が進みすぎることとなる。加熱炉の能力や真空度、使用するガス種などによりＴｉＣや酸化皮膜の生成する状況は変化するので、適正な加熱温度、加熱時間を一義的に決めることはできないが、予め予備実験などにより加熱条件とＴｉＣ含有層の生成状況を調べておくなどすることにより、本発明のＴｉＣ含有層を得ることができる。尚、後記実施例には、機械油塗布後に真空中で焼鈍を行う方法を示しているが、この様な真空焼鈍においては、例えば加熱温度で４５０〜６５０℃、加熱時間で０．５〜２時間程度の加熱条件が、所望とするＴｉＣ含有層を得るのに推奨される。
【００１９】
尚、本発明が対象とするチタン板とはＪＩＳ−１種相当の純チタンだけでなく、チタンおよびチタン合金の板材全般を指すことはいうまでもない。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の作用・効果を一層明確にするため、実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
本実施例の実験に供した材料は、板厚０．５ｍｍまで圧延したＪＩＳ−１種相当純チタン板材を大気焼鈍（７００℃）した後、酸洗した材料（試料Ｎｏ．１）、Ｎｏ．１材をＡｒと酸素の雰囲気中で５００〜６００℃に加熱し酸化膜のみ生成させた板材（Ｎｏ．２〜４）、Ｎｏ．１材表面に機械油を塗布後真空中で５００〜６００℃に加熱した板材（Ｎｏ．５〜７）、Ｎｏ．７材を酸洗処理し、酸化被膜を除去した板材（Ｎｏ．８）、板厚０．５mmのＪＩＳ−１種相当純チタン板材を大気焼鈍（７００℃）後、アセトン脱脂して真空中で６００℃に加熱した板材（Ｎｏ．９）、板厚０．５ｍｍのＪＩＳ−１種相当純チタン板材を大気焼鈍（７００℃）後、アルミナサンドブラスト処理し、油塗布後ウェスで板材表面をふき取り（アセトンによる脱脂を行ったものに比べると軽めに脱脂を行った状態となる）、その後真空中で６００℃に加熱した板材（Ｎｏ．１０）を作製し、ＪＩＳ−Ｂ法によるエリクセン試験を実施すると共に表面の光沢を目視で評価した。ここにおいて、Ｎｏ．５〜７、１０は本発明の実施例、又Ｎｏ．１〜４、９、１１は比較例である。
【００２２】
尚、試験を行った各材料で粒径等に顕著な差がないことを確認し、被膜構成の影響を抽出できることを確認した上で、エリクセン試験を実施した。圧延に際して使用した圧延油は日石三菱製ユニロールＣＲ４であり、塗布に使用した機械油は同じくUH-７５である。また、真空加熱に際しては、真空炉は真空度が２×１０^-3Ｔｏｒrまでロータリーポンプで排気した。また、Ａｒ雰囲気は前記真空度まで排気後、Ａｒガスを通気したものである（環流雰囲気）。また、ＸＰＳ分析条件は以下の通りである。
【００２３】
パーキン・エルマー社製 ＰＨＩ１５４００ＭＣ Ｘ線光電子分光装置
Ｘ線源： Ｍｇ−Ｋα
Ｘ線出力： ４００W（１５ｋV、２６．７ｍＡ）
深さ方向分析：Ａｒスパッタ、スパッタ速度：２０Å／分
酸化皮膜厚さ、エリクセン試験結果とＸＰＳ分析によるＴｉＣ分散の有無・検出深さに基づくＴｉＣの厚さの結果を表１にまとめた。尚、上記X線光電子分光分析により測定された酸化被膜厚さが測定限界以下であったNo．1及びNo．8のサンプルについては表中の酸化膜厚さの欄を０と表記している。
【００２４】
【表１】

【００２５】
さて、表１の結果を見ると、本発明の実施例すなわち素地チタンの表面に３００Å以上のＴｉＣ含有層を形成したものあるいは２５０Å以下のＴｉＣ含有酸化皮膜と素地チタンのＴｉＣ含有層の両方の合計厚みが３００Å以上としたものは、これらの条件を満足しない比較例と較べてエリクセン値が高く（１２．５ｍｍ以上）、しかも表面光沢も優れていることが明らかである。
【００２６】
【本発明の効果】
以上の述べたように、本発明によれば成形性及び表面光沢の両方共に優れたチタン板を比較的容易なプロセスによって製品化することができるもので本技術分野において顕著な技術的貢献を果たすものである。

Claims (2)

1. 素地チタンの表面にＴｉＣ含有酸化皮膜が存在し、且つ素地チタンの表層にＴｉＣ含有層が存在し、前記ＴｉＣ含有酸化皮膜の厚さは２５０Å以下であり、又前記ＴｉＣ含有酸化皮膜と前記素地チタンのＴｉＣ含有層の合計の厚さが３００Å以上であることを特徴とするプレス成形性及び表面光沢に優れた構造材用チタン板。
2. 前記ＴｉＣ含有酸化皮膜の厚さが２００Å以下であり、前記ＴｉＣ含有酸化皮膜と前記素地チタンのＴｉＣ含有層の合計の厚さが４００Å以上である請求項１に記載のプレス成形性及び表面光沢に優れた構造材用チタン板。