熱軋用鈦板坯及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種即使在熔煉工業(yè)用純鈦而成的鈦板坯中省略初軋工序,熱軋后的帶狀卷材的表面性狀也良好的熱軋用鈦板坯及該鈦板坯的熔煉方法。本發(fā)明的鈦板坯是在熔煉含有作為β相穩(wěn)定化元素的Fe的工業(yè)用純鈦而成的熱軋用鈦板坯中,通過將從鈦板坯的至少與軋制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺拥?0mm處的平均Fe濃度規(guī)定為0.01質(zhì)量%以下,從而抑制粗大β相的生成的鈦板坯。可通過在將熔煉工業(yè)用純鈦而成的鈦板坯冷卻到表面達(dá)到β相變點(diǎn)以下之后,再加熱到β相變點(diǎn)以上,從板坯表層進(jìn)行緩冷來得到。
【專利說明】熱軋用鈦板坯及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)用純鈦的熱軋用鈦板坯及該鈦板坯的制造方法。特別是,涉及即 使省略開坯或鍛造等初軋工序,對(duì)通過電子束熔煉法或等離子弧熔煉法制造的矩形錠直接 進(jìn)行熱軋,也能夠良好地保持熱軋后的帶狀卷材的表面性狀的熱軋用鈦板坯及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為鈦及鈦合金,一般采用以海綿鈦或鈦廢料為原料,用真空自耗電弧爐熔煉法 或電子束熔煉法進(jìn)行熔煉、然后凝固而成的錠。這些錠在通過實(shí)施開坯、鍛造及軋制等熱加 工,用熱軋機(jī)加工到可軋制的板坯形狀后,進(jìn)行表面的整理,從而成為熱軋用板坯。
[0003]在熔煉工序中廣泛采用真空自耗電弧爐熔煉法,但必須均勻地進(jìn)行電極和鑄模 的電弧放電,因此鑄模形狀局限于圓筒形。與此相對(duì)照,采用爐床的電子束熔煉法或等離 子弧熔煉法的特征在于:將在爐床中熔化的鈦的熔液流入鑄模內(nèi),因此沒有鑄模形狀的限 制,不僅能夠制造圓筒形的錠,而且還能夠制造矩形的錠。在使用矩形的錠制造板材時(shí),一 般認(rèn)為根據(jù)其形狀,能夠省略開坯或鍛造等熱加工工序而進(jìn)行熱軋,從而可相應(yīng)地降低成 本。所以,一直在研究采用由矩形鑄模澆注的矩形鈦錠直接作為熱軋用鈦板坯,省略熱加工 工序而進(jìn)行熱軋的技術(shù)。這里,將開坯或鍛造等在熱軋前進(jìn)行的熱加工工序統(tǒng)稱為“初軋 (breakdown)工序”。
[0004]可是,在通過電子束熔煉或等離子弧熔煉而用矩形鑄模鑄造的鈦板坯中,在工業(yè) 化制造的板坯的鑄造原狀的組織中,晶體粒徑達(dá)到幾十mm。此外,工業(yè)用純鈦多少含有Fe 等雜質(zhì)元素,根據(jù)情況的不同有時(shí)在熱軋溫度下生成P相。從粗大a相生成的P相變得 粗大。P相和a相即使在高溫下變形能力也大不相同,因此在粗大的P相與a相之間變 形變得不均勻,有時(shí)成為大的表面缺陷。為了將熱軋中發(fā)生的表面缺陷除去,需要在酸洗工 序中增加熱軋板表面的溶解脫落量,結(jié)果使成品率惡化。也就是說,如前所述,對(duì)于通過電 子束熔煉或等離子弧熔煉煉成的、能夠省略初軋工序的矩形鈦板坯,一方面可期待降低生 產(chǎn)成本,一方面擔(dān)心成品率下降。
[0005]專利文獻(xiàn)I中,作為在制造鈦的厚板或板坯時(shí)防止表面缺陷的方法,公開了在熱 加工前的鑄錠的階段,在加熱至(P相變點(diǎn)+ 50°C)以上后冷卻到(P相變點(diǎn)-50°C)以下 的溫度,使鑄錠的粗大晶粒組織微細(xì)化的方法。但是,在專利文獻(xiàn)I中,鑄錠以圓柱形為前 提,直到加工成板坯形狀,成品率的下降非常大。此外,熱軋前的初軋工序也是必須的,因此 與矩形鈦錠相比生產(chǎn)成本升高。加之,制造圓柱形鑄錠的真空自耗電弧熔煉爐在其構(gòu)成上, 熔煉時(shí)不能連續(xù)地進(jìn)行所述熱處理,從而要增加一道熱處理工序,因此有生產(chǎn)成本更加上 升的擔(dān)心。
[0006]在專利文獻(xiàn)2中,公開了一種方法:其在直接從鑄模內(nèi)拉出用電子束熔煉爐煉成 的鈦板坯的板坯的斷面組織中,在從表層朝內(nèi)部的凝固方向和板坯的鑄造方向形成的角e 為45°?90° ,或者在表層的結(jié)晶方位分布中hep的c軸和板還表層的法線形成的角為35°?90°的情況下,鑄件表面良好,且即使省略對(duì)錠進(jìn)行開坯或鍛造或軋制等熱加工的 工序即初軋工序,也能夠改善熱軋后的表面缺陷。也就是說,通過控制表面的晶粒的形狀或 結(jié)晶方位,能夠抑制這樣的起因于粗大晶粒的缺陷的發(fā)生。
[0007]但是,在專利文獻(xiàn)2中,沒有考慮到熱軋的加熱時(shí)生成大量0相的可能性,認(rèn)為可 得到良好的表面性狀,但擔(dān)心有因作業(yè)條件的偏差或板坯制造方法而使表面性狀惡化的可 能性。
[0008]在專利文獻(xiàn)3中,列舉了在省略初軋工序直接對(duì)鈦材的錠進(jìn)行熱軋的情況下,通 過用高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱、等離子加熱、電子束加熱及激光加熱等使錠的與軋制面相當(dāng) 的面的表層熔化再凝固,使從表層到深1_以上的區(qū)域細(xì)?;?,從而改善熱軋后的表層組 織的方法。這是通過使表層部驟冷凝固,形成微細(xì)、且具有不規(guī)則的方位的凝固組織來防止 發(fā)生表面缺陷。作為使鈦板坯的表層組織熔化的方法,可列舉出高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱、 等離子加熱、電子束加熱及激光加熱??墒?,鈦材料在工業(yè)化采用的電弧加熱法的TIG焊接 法中,單位面積的處理需要較長(zhǎng)的時(shí)間。此外,電弧加熱以外的熔化法在引進(jìn)用于改善板坯 表層組織的設(shè)備方面也需要較高的費(fèi)用。另外,電子束加熱等通常必須在KT5Torr左右的 真空中進(jìn)行作業(yè),大大受到設(shè)備的制約。也就是說,可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本的上升。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)
[0011]專利文獻(xiàn)1:日本特開平8-060317號(hào)公報(bào)
[0012]專利文獻(xiàn)2:國(guó)際公開公報(bào)W02010/090353號(hào)
[0013]專利文獻(xiàn)3:日本特開2007-332420號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014]發(fā)明所要解決的課題
[0015]如前所述,在用電子束熔煉法或等離子弧熔煉法煉成的矩形鈦錠的表層附近由粗 大晶粒構(gòu)成的組織中,如果省略初軋工序而加熱至熱軋溫度,則工業(yè)用純鈦所含的Fe等3 相穩(wěn)定化元素較多地存在于表層附近,有時(shí)在板坯的表層附近生成粗大的3相。在此種情 況下,在粗大的P相與和其相接的粗大的a相之間,因變形能力不同而產(chǎn)生不均勻的變 形,因此在板坯表面產(chǎn)生凹凸,從而使表面性狀惡化。這樣的凹凸令人擔(dān)心如前所述那樣發(fā) 展成表面缺陷,從而招致熱軋板的成品率的降低。
[0016]本發(fā)明的課題是:在通過電子束熔煉爐鑄造的鈦板坯中,即使將以往必要的開坯 或鍛造等初軋工序省略而直接進(jìn)行熱軋,也可得到難以發(fā)生表面缺陷的、從而表面性狀良 好的鈦板坯。
[0017]用于解決課題的手段
[0018]本發(fā)明人為解決上述課題而進(jìn)行了潛心的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在工業(yè)用純鈦的鈦板 坯中,在制造時(shí)或在制造后冷卻到室溫或a相溫度區(qū)域,然后,再次加熱到P相變點(diǎn)以上 之后進(jìn)行冷卻,從而能夠抑制板坯表層的Fe濃度,良好地保持熱軋后的表面性狀。
[0019]本發(fā)明是基于該見解而完成的,其要點(diǎn)如下。
[0020](I) 一種熱軋用鈦板坯,其是由工業(yè)用純鈦制造的熱軋用鈦板坯,其特征在于:從 與軋制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺友睾穸确较蛑罥Omm處的平均Fe濃度為0.01質(zhì)量%以下。[0021](2)根據(jù)上述(I)所述的熱軋用鈦板坯,其特征在于:在所述熱軋用鈦板坯的與長(zhǎng) 度方向垂直的斷面內(nèi),其組織的原P晶粒為等軸狀。
[0022](3) —種熱軋用鈦板坯的制造方法,其是通過采用爐床的熔煉爐來熔化工業(yè)用純 鈦而制造鈦板坯的方法,其特征在于:在將工業(yè)用純鈦熔化后通過冷卻而制造鈦板坯時(shí),在 將鈦板坯的表面冷卻到P相變點(diǎn)以下后,再次加熱到P相變點(diǎn)以上,然后對(duì)板坯進(jìn)行緩 冷。
[0023](4)根據(jù)上述(3)所述的熱軋用鈦板坯的制造方法,其特征在于:所述采用爐床的 熔煉爐為電子束熔煉爐。
[0024](5)根據(jù)上述(3)所述的熱軋用鈦板坯的制造方法,其特征在于:所述采用爐床的 熔煉爐為等離子弧熔煉爐。
[0025]發(fā)明的效果
[0026]本發(fā)明在通過電子束熔煉爐而鑄造的鈦板坯中,即使省略以往必要的開坯或鍛造 等初軋工序而進(jìn)行熱軋,也可制造難以發(fā)生表面缺陷的、從而表面性狀良好的鈦板坯。初軋 工序的省略帶來的加熱時(shí)間的降低及酸洗時(shí)溶解脫落量的降低將帶來成品率的提高,由此 能夠大幅度改善制造成本,從而產(chǎn)業(yè)上的效果是不可估量的。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028][I]從板坯的表層沿厚度方向至IOmm處的平均Fe濃度為0.01質(zhì)量%以下:
[0029]通常,純鈦在P相變點(diǎn)以下的溫度下進(jìn)行熱軋。如果P相變點(diǎn)以下的溫度區(qū)為 a單相區(qū),則熱軋時(shí)的組織只為a相。但是,作為原料的工業(yè)用純鈦不可避免地含有Fe等 作為雜質(zhì)。此外,為了得到強(qiáng)度,有時(shí)也少量添加Fe或0等元素。特別是P相穩(wěn)定化元素 的Fe在強(qiáng)度最低的工業(yè)用純鈦JISl種中含有0.020質(zhì)量%,在強(qiáng)度最高的工業(yè)用純鈦JIS4 種中有時(shí)添加到0.500質(zhì)量%。也就是說,工業(yè)用純鈦的Fe含量為0.020質(zhì)量%以上。因 此,在工業(yè)用純鈦中,在P相變點(diǎn)以下存在a相和P相的雙相區(qū)。
[0030]在較多存在0相穩(wěn)定化元素的Fe時(shí),如果加熱至0相變點(diǎn)以下的a+P雙相區(qū) 的溫度,則引起P相的生成,大多發(fā)生粗大化??芍谠揚(yáng)相至少存在于從與軋制面相當(dāng) 的面的表層沿板坯的厚度方向至IOmm以內(nèi)的情況下,特別是板坯的表面性狀惡化。也就是 說,起因于粗大的a相而生成的3相容易變得粗大,通過混合存在這樣粗大的3相,熱軋 時(shí)晶粒間產(chǎn)生變形能力的差異,從而使表面性狀惡化。
[0031]為了抑制從板坯的與軋制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺友匕迮鞯暮穸确较蛑?0_以內(nèi)的3 相的出現(xiàn),得知只要將該區(qū)域的平均Fe濃度規(guī)定為0.01質(zhì)量%以下即可。該平均Fe濃度 為0.01質(zhì)量%以下的區(qū)域只要距板坯的與軋制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺訛镮Omm就有效果。為了 使表面缺陷更加輕微,如果平均Fe濃度為0.01質(zhì)量%以下的區(qū)域是距板坯的相當(dāng)于軋制 面的表層為20mm的區(qū)域,則更加優(yōu)選。
[0032]進(jìn)一步優(yōu)選的是:將從板坯的與軋制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺拥絀Omm處的平均Fe濃度 規(guī)定為0.06質(zhì)量%以下,將到20mm處的平均Fe濃度規(guī)定為0.09質(zhì)量%以下。
[0033]也就是說,本發(fā)明第I為由工業(yè)用純鈦構(gòu)成的鈦板坯,規(guī)定為從板坯的至少與軋 制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺友睾穸确较蛑罥Omm的區(qū)域的平均Fe濃度為0.01質(zhì)量%以下的矩形欽徒。
[0034][2]在與鈦板坯的軋制方向垂直的斷面內(nèi),其組織的原P晶粒為等軸狀:
[0035]本發(fā)明第2規(guī)定為在熱軋用鈦板坯的斷面組織中,原0晶粒為等軸狀。由于原3 晶粒粗大,所以能夠容易用肉眼確認(rèn)其形狀。這里,所謂晶粒為等軸狀,指的是晶粒的正交的長(zhǎng)軸和短軸之比較小,定義為長(zhǎng)軸/短軸的值為1.5以下的情況。另外,將長(zhǎng)軸/短軸的值大于1.5的情況定義為延伸狀。[0036]本發(fā)明如前所述,需要使板坯表層的Fe的濃度在0.01質(zhì)量%以下。因而如后所述,在一度冷卻到P相變點(diǎn)以下后,需要再次實(shí)施到P相變點(diǎn)以上的再加熱。
[0037]但是,由于鈦是非?;顫姷慕饘?,所以在真空中進(jìn)行鑄造,鑄造時(shí)難以準(zhǔn)確地測(cè)定板坯溫度。此外,鑄造后,即使在實(shí)施再加熱至P相區(qū)域溫度相變點(diǎn)以上)時(shí),為了防止@相晶粒的必要以上的粗大化及Fe的均勻化,也優(yōu)選溫度盡量在P相變點(diǎn)正上方。因此,有必要把握鈦板坯是否被充分加熱到P相變點(diǎn)正上方。[0038]因而首先,對(duì)再加熱到P相的方法反復(fù)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):從斷面組織的原 晶粒的形狀了解加熱溫度是比較容易的。
[0039]鈦由于其P相在高溫下是穩(wěn)定的,所以在凝固時(shí)P相生長(zhǎng)。此時(shí),凝固晶粒與熱流方向平行地生長(zhǎng),成為非常粗大的延伸晶粒。然后,再進(jìn)行冷卻,如果冷卻到P相變點(diǎn)以下,則在P相內(nèi)生成針狀的a相。因此,在只是一度產(chǎn)生從P相向a相的相變時(shí),原3 相晶粒就為延伸晶粒的原狀。
[0040]另一方面,在冷卻到a相區(qū)域后,如果再次加熱到0相區(qū)域溫度相變點(diǎn)以上),則P相在a相晶界或原0相晶界形核,在P相區(qū)域溫度下該P(yáng)相等軸生長(zhǎng)。在此種情況下,凝固時(shí)形成的延伸晶粒完全消失,只成為通過再加熱形成的等軸的P相。然后, 即使再次向a相相變而在原0相內(nèi)形成a相,原0晶界也為等軸的原狀。所以,在斷面組織中只要原P晶粒為等軸,就能夠得知是否板坯通過再加熱而上升到P相區(qū)域。也就是說,在采用含有較高濃度的Fe的工業(yè)用鈦原料制造的鈦板坯中,原P晶粒為等軸狀表示被加熱到@相變點(diǎn)以上,并在其后的冷卻中產(chǎn)生@ — a的相變。
[0041]反過來說,如果將暫且被冷卻到a相區(qū)域溫度的鈦板坯再次加熱到0相區(qū)域溫度,然后冷卻到a相區(qū)域溫度,則在板坯的斷面內(nèi),原P晶粒長(zhǎng)軸與短軸之比(長(zhǎng)軸/短軸的值)為1.5以下,也就是說為等軸狀。更優(yōu)選的是該長(zhǎng)軸/短軸的值以1.3以下為宜。
[0042]如后所述,在這樣的產(chǎn)生P — a的相變的區(qū)域,可保證Fe濃度降低。可知在該鈦板坯中,在原P晶粒的長(zhǎng)軸/短軸之比為1.5以下時(shí),表面的Fe濃度充分下降,大致為 0.01質(zhì)量%以下。
[0043][3]制造方法
[0044]下面就本發(fā)明的熱軋用鈦板坯的制造方法進(jìn)行說明。
[0045]在采用電子束熔煉爐熔煉鈦板坯的過程中,從與鑄模相接的板坯表層部進(jìn)行凝固,因此每種元素因溶質(zhì)的分配而使成分在板坯表層和內(nèi)部稍微不同。上述3相穩(wěn)定化元素的Fe是顯示正偏析的元素。因此,在凝固時(shí)或相變時(shí),有板坯表層部的Fe濃度降低,板坯內(nèi)部的Fe濃度增高的傾向。但是,難以只在凝固過程中將表層附近的Fe濃度控制在本發(fā)明的0.01質(zhì)量%以下。
[0046]與此相對(duì)照,在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn):在從P相變點(diǎn)溫度以下再次再加熱至P相區(qū)域溫度后,通過利用從P相向a相的相變時(shí)產(chǎn)生的溶質(zhì)的分配,能夠?qū)迮鞅韺痈浇腇e濃 度降低到本發(fā)明規(guī)定的濃度。也就是說,通過將一度冷卻到P相變點(diǎn)以下的板坯加熱至3 相變點(diǎn)以上,然后從板坯的表面先進(jìn)行降溫,從P相向a相的相變便從板坯表面向內(nèi)部進(jìn) 展。此時(shí),通過利用從P相向a相的相變時(shí)產(chǎn)生的溶質(zhì)的分配,便能夠制造表層的Fe濃 度較低的板坯。此時(shí),通過將冷卻規(guī)定為利用空冷或爐冷等的緩冷,只要促進(jìn)Fe溶質(zhì)的分 配,就可實(shí)現(xiàn)表層的Fe溶質(zhì)濃度的降低。
[0047]例如,在電子束熔煉后,利用鑄模而使表層冷卻,從而表層附近凝固,表面溫度達(dá) 到@相變點(diǎn)以下,然后從鑄模中拉出。此時(shí),板坯內(nèi)部還是高溫的熔化狀態(tài)。通過減弱鑄 模內(nèi)的板坯的冷卻,在鑄模的下方,接受來自板坯中央部的熱流束,能夠?qū)迮鞅韺痈浇?溫度回流換熱至P相變點(diǎn)以上。然后,伴隨著板坯中央部的凝固的進(jìn)行,來自板坯中央部 的熱流束也減少,板坯先從表面降低溫度,P相變點(diǎn)溫度的板坯部位從板坯表面向內(nèi)部側(cè) 移動(dòng)。通過在鑄模下端以下從板坯表層以緩冷(空冷以下的冷卻速度:rc /s以下)進(jìn)行冷 卻,便能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的工藝。
[0048]與此相對(duì)照,在以往的方法中,由于在鑄模內(nèi)充分進(jìn)行冷卻,所以即使在鑄模的下 方從高溫的鈦板坯中央部接受熱流束,也不會(huì)將鈦表面溫度回流換熱至P相變點(diǎn)溫度以 上。
[0049]正如以上所說明的那樣,在本發(fā)明的熱軋用鈦板坯的制造方法中,規(guī)定在將鈦板 坯冷卻到P相變點(diǎn)以下后,再加熱到P相變點(diǎn)以上,接著從板坯表層進(jìn)行緩冷。這里所謂 的緩冷,意味著空冷以下的速度的冷卻。
[0050]再有,到該P(yáng)相變點(diǎn)以上的加熱(回流換熱)及冷卻如上所述,可以在鈦板坯熔煉 時(shí),于鈦板坯表面冷卻到P相變點(diǎn)以下之后連續(xù)地進(jìn)行?;蛘?,即使在鈦板坯冷卻到室溫 后,經(jīng)過充分的時(shí)間后進(jìn)行也沒關(guān)系。在此種情況下,不是通過來自高溫的板坯中央部的熱 流束進(jìn)行回流換熱,而是從表面對(duì)板還進(jìn)行加熱。
[0051]另外,用于產(chǎn)生此相變的熱處理只進(jìn)行一次就具有效果,但通過多次進(jìn)行,表層附 近的Fe濃度可進(jìn)一步下降。所以,即使多次進(jìn)行也可得到同樣的效果。
[0052]再有,即使采用電子束熔煉且按以往的制造方法進(jìn)行制造,在后面的工序中,在將 鈦板坯加熱到P相變點(diǎn)以上后,從板坯表層進(jìn)行冷卻,也可得到同樣的效果。
[0053]實(shí)施例
[0054]以下,通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0055]表I所示的實(shí)施例及比較例使用采用電子束熔煉爐、按工業(yè)用純鈦JIS2種制造鈦 板坯(對(duì)于本次使用的原材料,板坯的3點(diǎn)的平均Fe濃度為0.04?0.06質(zhì)量%)而成的板 坯。所述鈦板坯在鑄造后進(jìn)行表面切削加工,采用鋼鐵材料的熱軋?jiān)O(shè)備進(jìn)行熱軋,形成帶狀 卷材。再有,用肉眼對(duì)酸洗后的板表層進(jìn)行了表面缺陷的評(píng)價(jià)。
【權(quán)利要求】
1.一種熱軋用鈦板坯,其是由工業(yè)用純鈦制造的熱軋用鈦板坯,其特征在于:從與軋 制面相當(dāng)?shù)拿娴谋韺友睾穸确较蛑罥Omm處的平均Fe濃度為0.01質(zhì)量%以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱軋用鈦板坯,其特征在于:在所述熱軋用鈦板坯的與長(zhǎng)度 方向垂直的斷面內(nèi),其組織的原P晶粒為等軸狀。
3.一種熱軋用鈦板坯的制造方法,其是通過采用爐床的熔煉爐來熔化工業(yè)用純鈦而制 造鈦板坯的方法,其特征在于:在將工業(yè)用純鈦熔化后通過冷卻而制造鈦板坯時(shí),在將鈦板 坯的表面冷卻到P相變點(diǎn)以下后,再次加熱到P相變點(diǎn)以上,然后對(duì)板坯進(jìn)行緩冷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱軋用鈦板坯的制造方法,其特征在于:所述采用爐床的熔 煉爐為電子束熔煉爐。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱軋用鈦板坯的制造方法,其特征在于:所述采用爐床的熔 煉爐為等離子弧熔煉爐。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK103459063SQ201280017946
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月22日
【發(fā)明者】立澤吉紹, 藤井秀樹, 國(guó)枝知德, 高橋一浩 申請(qǐng)人:新日鐵住金株式會(huì)社