Титановый материал
Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым материалам с высокой прочностью и обрабатываемостью. Титановый материал содержит железо 0,60 мас.% или менее и кислород 0,15 мас.% или менее, титан и неизбежные примеси - остальное. Материал имеет нерекристаллизованную структуру, сформированную путем обработки, сопровождающейся пластической деформацией, и рекристаллизованную структуру, сформированную путем отжига после указанной обработки, при этом средний размер рекристаллизованных α-зерен составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее, а площадь нерекристаллизованной части в поперечном сечении титанового материала составляет от более 0 до 30 %. Материал характеризуется высокой прочностью и обрабатываемостью. 2 ил., 2 табл., 45 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к титановому материалу, более конкретно к титановому материалу, превосходному по своей прочности и обрабатываемости.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Обычно детали в форме пластин или в форме брусков, сформированные из материалов, таких как сплавы титана и чистый титан, использовались широко. Например, титановый материал в форме пластин (также называемый далее в настоящем описании "титановая пластина") широко использовался для промышленных продуктов, в которых титановую пластину подвергают различным обработкам, сопровождающимся пластической деформацией, такой как сгибание, выгибание и волочение, для формирования различных продуктов. От титановой пластины, которую подвергают такой обработке, требуется наличие превосходной обрабатываемости. Далее, в последнее время требовалось снижение толщины титановой пластины в смысле снижения стоимости сырья, снижения массы продукта и им подобного. В результате все больше требовалось увеличение прочности титановой пластины. Однако обычно обрабатываемость и прочность титановой пластины находятся в компромиссном соотношении, и является трудоемким одновременно удовлетворять этим свойствам. То есть обычные титановые пластины представляют проблему в том, что изготовление становится трудоемким (слабая обрабатываемость) с увеличением предела текучести.
По отношению к вышеуказанному предмету в следующем патентном документе 1 показаны результаты оценки обрабатываемости тонких титановых пластин, имеющих различные компоненты и размеры зерна кристалла в испытании на вытяжку, и описывается, что чем мельче зерно кристалла, тем лучшей является обрабатываемость (страница 103, со строки 5). Далее, в следующем патентном документе 1 раскрывается способ изготовления тонкой пластины из чистого титана и описывается изготовление тонкой пластины из чистого титана, имеющей уменьшенную поверхность блеска, включая осуществление окончательного отжига при (600-800)°С×(2-5) минут, затем осуществление обработки травлением и подбор среднего размера зерна кристалла (далее в настоящем описании называемого размером частиц) продукта до 3-60 мкм.
Далее, в следующем патентном документе 2 раскрывается чистый титан для строительных материалов, пластина из чистого титана и способ ее изготовления и описывается титановый материал для строительных материалов, который содержит 900 ч./млн или меньше кислорода и 100 ч./млн или более, и 600 ч./млн или меньше Fe, где содержание Ni и Cr является ограниченным. Более того, в патентном документе 2 описывается титановый материал для строительных материалов, имеющий средний размер зерна кристалла 70 мкм или менее, который подвергали обработке травлением водным раствором азотной и фтороводородной кислот после холодной прокатки и отжига.
Однако в этих патентных документах 1 и 2 не приводится практически никаких данных, которые давали бы оценку титановому материалу, имеющему мелкий размер зерна кристалла 5 мкм или менее, и в патентном документе 2 приведен пример, в котором размер зерна кристалла составляет 3 мкм, но в то же время в абзаце [0026] описано, что "в реальном производстве нижний предел составит примерно 5 мкм", что является отрицательным описанием размера зерна кристалла 5 мкм или менее.
Это, скорее всего, связано с тем, что в этих документах ставится цель получить превосходный титановый материал для строительства, имеющий пониженный блеск, а обрабатываемость в выгибании, глубокой вытяжке и им подобных изучалась недостаточно.
Далее, в следующем патентном документе 4 раскрывается титановая пластина, превосходная по обрабатываемости, которая имеет низкую прочность (предел текучести) несмотря на наличие превосходной обрабатываемости и не может одновременно удовлетворять и обрабатываемости, и прочности.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ
Патентный документ 1: Выложенная японская патентная заявка № 63-103056
Патентный документ 2: Выложенная японская патентная заявка № 9-3573
Патентный документ 3: Выложенная японская патентная заявка № 2006-316323
Патентный документ 4: Выложенная японская патентная заявка № 63-60247
НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ
Непатентный документ 1: "Titanium", Vol. 57, № 2 (издается Японским Титановым Обществом, апрель 2009 года)
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Задачей настоящего изобретения является создание титановой пластины, имеющей высокую прочность и превосходную обрабатываемость.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Хотя прочность (предел текучести) титанового материала можно увеличить путем добавления, в основном, кислорода (О) и железа (Fe), но когда их добавляют, будет снижаться пластичность, тем самым снижая обрабатываемость. Например, так как титановый материал, обозначаемый по JIS классом 1, имеет низкое содержание кислорода и железа, титановая пластина с использованием материала класса 1 по JIS в общем имеет низкую прочность (предел текучести), но является превосходной по пластичности и превосходной по обрабатываемости. Когда используют титановый материал класса 2 по JIS, имеющий более высокое содержание кислорода и железа, чем титановый материал класса 1 по JIS, получившийся титановый материал будет иметь более высокую прочность (предел текучести), чем титановый материал, в котором используют титановый материал класса 1 по JIS, в то время как он будет иметь тенденцию иметь пониженную пластичность со снижением обрабатываемости. Титановые материалы класса 3 и класса 4 по JIS, имеющие гораздо большее содержание кислорода и железа, имеют гораздо большую прочность (предел текучести), но имеют гораздо более сниженную пластичность с сильным снижением обрабатываемости. То есть прочность (предел текучести) и обрабатываемость обладают определенной взаимосвязью (далее в настоящем описании также называется равновесием "прочность (предел текучести) - обрабатываемость").
В частности, пластинчатые материалы и проволочные материалы, изготавливаемые путем использования титановых материалов, формируют путем подвергания материалов обработке, сопровождающейся пластической деформацией, такой как прокатка и волочение проволоки. Эти пластинчатые материалы и проволочные материалы, подвергаемые обработке, сопровождающейся пластической деформацией, в общем имеют внутреннюю часть, в которой обрабатываемая структура формируется в том виде, как она есть, и, следовательно, их подвергают стадии, называемой окончательным отжигом, с целью рекристаллизации структуры перед поставкой их на рынок. Например, титановую пластину подвергают обработке, такой как холодная прокатка, для регулирования толщины до заранее установленного значения и затем подвергают периодическому отжигу, непрерывному отжигу или им подобным для рекристаллизации обрабатываемой структуры внутренней части для формирования равноосных зерен кристалла (далее в настоящем описании называемых "рекристаллизованными зернами"). Эти рекристаллизованные зерна сильно растут с течением времени отжига и ему подобных, и, в частности, в период немедленно после инициации рекристаллизации, где размер частиц рекристаллизованных зерен является малым, скорость роста рекристаллизованных зерен будет являться высокой и они будут расти до большого размера частиц, превосходя 5 мкм за относительно короткое время. Когда рекристаллизованные зерна вырастают до такого размера, нерекристаллизованная часть (обрабатываемая структура) сохраняться не будет, а лишь равноосная структура, основанная на рекристаллизованных зернах, будет в общем образовываться во внутренней части титанового материала.
В результате интенсивных и широких исследований для достижения вышеуказанной цели авторы настоящего изобретения обнаружили, что увеличение прочности (предела текучести) титанового материала можно достичь путем подбора структуры (измельчение зерен кристалла путем сохранения нерекристаллизованной части), на которую в качестве средства увеличения прочности внимания не обращалось. Конкретно, авторы настоящего изобретения завершили настоящее изобретение путем подвергания доступной на рынке пластины из чистого титана, которая являлась холоднокатаной до заранее определенной толщины, окончательному отжигу в вакууме с использованием электрической печи; делая различные титановые пластины, имеющие различные структуры на экспериментальной основе, путем изменения ее температуры и времени; и оценивая ее прочность (предел текучести) и обрабатываемость (пластичность) при помощи остаточного удлинения и пробы Эриксена.
В результате оценки было обнаружено, что, хотя прочность (предел текучести) имеет тенденцию увеличиваться и обрабатываемость (число Эриксена) имеет тенденцию снижаться с уменьшением размера зерен кристалла, число Эриксена не снижается значительно при условии, что средний размер частиц рекристаллизованных зерен имеет заранее определенный размер или менее, и "равновесие прочность (предел текучести) - обрабатываемость" можно улучшить с обычными титановыми материалами.
Далее, имелся случай, когда, даже если средний размер зерна кристалла рекристаллизованных зерен составляет заранее определенный размер или менее, обрабатываемость (число Эриксена) снижается и, следовательно, "равновесие прочность (предел текучести) - обрабатываемость" не может быть улучшено по сравнению с обычными титановыми материалами. В результате подробного изучения микроструктуры этой титановой пластины наблюдалось много нерекристаллизованных частей в дополнение к зернам, рекристаллизованным окончательным отжигом. "Равновесие прочность (предел текучести) - обрабатываемость" изучали на основе количества нерекристаллизованной части, и было обнаружено, что обрабатываемость в высшей степени снижается, если доля площади нерекристаллизованной части в поперечном сечении титановой пластины превышает 30%. Следует отметить, что в настоящем описании нерекристаллизованная часть означает часть, в которой обрабатываемая структура, подвергнутая пластической обработке, сохраняется.
Конкретно, настоящее изобретение, относящееся к титановому материалу для достижения вышеуказанной цели, отличается тем, что титановый материал имеет содержание железа 0,60% по массе или менее и содержание кислорода 0,15% по массе или менее, при этом остальное представляет собой титан и неизбежные примеси, при этом титановый материал имеет обработанную структуру, сформированную обработкой, сопровождающейся пластической деформацией, и рекристаллизованную структуру, сформированную отжигом после обработки, где титановый материал является сформированным так, что средний размер частиц зерен кристалла рекристаллизованной структуры составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее и площадь нерекристаллизованной части в поперечном сечении титанового материала составляет больше чем 0% и 30% или менее.
ПОЛЕЗНЫЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении можно создать титановый материал, имеющий высокую прочность и превосходную обрабатываемость.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой микрофотографию, показывающую микроструктуру титановой пластины из примера, наблюдаемую при помощи просвечивающего электронного микроскопа (нерекристаллизованная часть наблюдается в части между рекристаллизованными зернами).
Фиг.2 представляет собой график, показывающий связь между пределом текучести и числом Эриксена.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее в настоящем описании предпочтительный вариант осуществления титанового материала в соответствии с настоящим изобретением будет описан при взятии в качестве примера титановой пластины. Титановую пластину в настоящем варианте осуществления формируют из титанового материала, имеющего содержание железа (Fe) 0,60% по массе или менее и содержание кислорода (О) 0,15% по массе или менее, при этом остальное представляет собой титан (Ti) и неизбежные примеси. Титановую пластину формируют путем обработки, сопровождающейся пластической деформацией с последующим отжигом, и она имеет во внутренней части обработанную структуру, сопровождающуюся обработкой, и рекристаллизованную структуру, сопровождающуюся отжигом, где титановую пластину формируют так, что средний размер частиц зерен кристалла рекристаллизованной структуры составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее и площадь нерекристаллизованной части в поперечном сечении титанового материала составляет больше чем 0% и 30% или менее.
Как описано выше, железо (Fe) содержится с процентным содержанием 0,60% по массе или менее. Следует отметить, что верхний предел Fe составляет 0,60% по массе, так как Fe представляет собой стабилизирующий β-фазу элемент в титановом материале, и если содержание Fe превышает 0,60% по массе, в структуре, составляющей титановую пластину, в дополнение к α-фазе может образоваться много β-фаз. То есть, так как в зависимости от размера образованной β-фазы сильно снижается пластичность или сильно снижается коррозионная стойкость, является важным поддерживать содержание Fe, содержащегося в титановом материале, который образует титановую пластину по настоящему варианту осуществления, при 0,60% по массе или менее в смысле формирования титановой пластины, имеющей высокую прочность и превосходную обрабатываемость.
Следует отметить, что, хотя нижний предел содержания Fe необязательно требуется в смысле формирования титановой пластины, имеющей высокую прочность и превосходную обрабатываемость, в качестве сырья необходимо использовать дорогой и высокочистый губчатый титан, если иметь целью использование титановой пластины, имеющей содержание Fe меньше, чем 0,01% по массе, что может увеличить материальные затраты на титановую пластину. Следовательно, содержание Fe, предпочтительно, составляет 0,01% по массе или более и 0,60% по массе или менее в смысле стоимости титановой пластины и ей подобных.
Например, в процессе Кролля титановый материал, имеющий содержание Fe в 0,60% по массе или более, обычно образуется лишь в малой области рядом с емкостью. Следовательно, можно использовать бульшую часть губчатого титана, полученного в процессе Кролля, так как титановая пластина в настоящем варианте осуществления имеет содержание железа в качестве компонента в диапазоне 0,01-0,60% по массе. То есть можно сказать, что титановая пластина по настоящему варианту осуществления является пригодной в качестве потребительского материала, так как практически никаких ограничений на использование губчатого титана не накладывается.
Кислород (О) содержится в титановом материале с содержанием 0,15% по массе или менее. Содержание О в титановом материале, формирующем титановую пластину по настоящему варианту осуществления, составляет 0,15% по массе или менее, так как, если содержание О превышает 0,15% по массе, прочность титановой пластины может быть избыточно увеличена, предотвращая достаточное придание ей свойства обрабатываемости, даже если имеется цель улучшить "равновесие прочность - обрабатываемость" путем снижения размера зерен кристалла, таким образом, делая затруднительным формирование титановой пластины, пригодной для обработки, такой как выгибание или глубокая вытяжка.
Следует отметить, что, хотя и нижний предел содержания О не является конкретно обозначенным, может потребоваться изготавливать титановую пластину с использованием в качестве сырьевого материала дорогого и высокочистого губчатого титана, если имеется цель установить содержание О в титановом материале, составляющем титановую пластину, менее чем 0,015% по массе. Следовательно, содержание О, предпочтительно, составляет 0,015% по массе или более и 0,15% по массе или менее.
Далее, является важным, чтобы неизбежные примеси, такие как углерод (С), азот (N) и водород (Н), каждая содержалась бы в количестве, соответствующем классу 2 по JIH или менее с целью обеспечения хорошей обрабатываемости в производстве. Более конкретно, является важным, чтобы содержание С, N и Н составляло меньше 0,02% по массе для каждого. Далее, содержание С, предпочтительно, составляет 0,01% по массе или менее, содержание N, предпочтительно, составляет 0,01% по массе или менее, содержание Н, предпочтительно, составляет 0,01% по массе или менее. Хотя нижний предел не является определенным для вышеуказанного содержания С, N и Н, с точки зрения обрабатываемости титановой пластины, производственная стоимость титановой пластины может существенно увеличиться, если имеется целью полностью удалить это содержание. С точки зрения предотвращения такого увеличения стоимости, содержание С составляет, предпочтительно, 0,0005% по массе или более, содержание N составляет, предпочтительно, 0,0005% по массе или более, содержание Н составляет, предпочтительно, 0,0005% по массе или более.
Как описано выше, титановая пластина по настоящему изобретению имеет обработанную структуру и рекристаллизованную структуру во внутренней ее части и является сформированной так, что средний размер частиц зерен кристалла рекристаллизованной структуры составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее, и площадь поверхности нерекристаллизованной структуры в поперечном сечении титановой пластины составляет больше чем 0% и 30% или меньше.
Верхний предел среднего размера частиц рекристаллизованной структуры составляет 5 мкм или менее, так как, если средний размер зерна кристалла равноосных α-зерен, полученных путем рекристаллизации, превысит 5 мкм, эффект от измельчения зерен кристалла будет малым, делая сложным достижение "равновесия прочность-обрабатываемость". Далее, нижний предел составляет 1 мкм, так как если титановую пластину подвергнуть обработке (прокатке, ковке и им подобным) в действительном производстве (промышленно пригодным способом) с последующим отжигом для получения среднего размера зерен кристалла менее чем в 1 мкм, доля площади нерекристаллизованной части (обработанная структура), которая будет описана ниже, будет увеличиваться, что чрезвычайно увеличивает прочность, но значительно снижает обрабатываемость, делая сложным достижение превосходного "равновесия прочность - обрабатываемость".
Нерекристаллизованная часть формируется из обработанной структуры, в которой титановая пластина пластично деформируется путем обработки (холодная прокатка, ковка и им подобные) для сжатия зерен кристалла, и прочность титановой пластины можно повысить путем предоставления возможности обработанной структуре сохраняться в титановой пластине. Титановая пластина, содержащая в себе обработанную структуру, сформированную путем холодной прокатки или ей подобного, имеет высокую прочность, в то время как ее пластичность является очень малой. Следовательно, обработанную структуру обычным образом рекристаллизовали путем отжига для формирования равноосной структуры и обеспечили достаточное время отжига до такой степени, чтобы обработанная структура не сохранялась в титановой пластине. С другой стороны, по отношению к титановой пластине в настоящем варианте осуществления обработанной структуре позволяют сохраниться в титановой пластине путем использования условий отжига, которые будут описаны ниже, и более того, размер частиц рекристаллизованных зерен регулируют так, как указано выше.
В смысле получения превосходного "равновесия прочность - обрабатываемость" является важным, чтобы нерекристаллизованная часть (обработанная структура) создавалась бы так, чтобы доля ее площади в поперечном сечении титановой пластины составляла 30% или менее. Если доля площади нерекристаллизованной части составляет больше 30%, прочность титановой пластины будет являться большей, но пластичность будет являться пониженной, делая трудоемким обеспечение превосходной обрабатываемости титановой пластины. В результате может оказаться невозможным достичь превосходного "равновесия прочность - обрабатываемость". Доля площади нерекристаллизованной части, предпочтительно, составляет 10% или менее в смысле более надежного придания титановой пластине превосходного "равновесия прочность - обрабатываемость". Следует отметить, что, хотя нижний предел не является конкретно ограниченным, размер частиц рекристаллизованных зерен будет резко увеличиваться, если нерекристаллизованная часть теряется (доля площади составляет 0%). Следовательно, доля площади нерекристаллизованной части составляет, предпочтительно, 0,1% или более, в которой размер частиц рекристаллизованных зерен можно более надежно регулировать внутри диапазона, как описано выше.
Способ регулирования размера частиц рекристаллизованных зерен и формирования нерекристаллизованной части, как описано выше, включает способ, в котором титановую пластину доводят до желаемой толщины в обычном процессе прокатки и ему подобных и затем подвергают окончательному отжигу в заранее установленном состоянии.
Прием отжига, который можно применять в окончательном отжиге, можно грубо разделить на непрерывный тип и периодический тип. Среди них окончательный отжиг непрерывного типа представляет собой способ отжига путем разворачивания холоднокатаного рулона и пропускания титановой пластины с постоянной скоростью через печь для отжига, и способ может управлять временем поддержания температуры нагревания при помощи скорости прохождения пластины. В окончательном отжиге обычных титановых пластин, в случае непрерывного типа, температура нагревания составляет 700-800°С и время нагревания составляет от нескольких десятков секунд до примерно 2 минут. С другой стороны, периодический тип окончательного отжига представляет собой нагревание рулона титановой пластины в печи для отжига в состоянии рулона самого по себе, где титановую пластину медленно нагревают с целью снижения разницы в применении тепла между внешней частью и внутренней частью рулона, и его скорость нагревания также является крайне медленной. В окончательном отжиге обычных титановых пластин, в случае периодического типа, температура нагревания составляет 550-650°С и время нагревания составляет от примерно 3 часов до 30 часов.
С другой стороны, окончательный отжиг, осуществленный при изготовлении титановой пластины по настоящему варианту осуществления, предпочтительно, осуществляют, например, в непрерывной системе при условиях нагревания при температуре 580°С или более и меньше 600°С, в течение 1 минуты или более и 10 минут или менее или при условиях нагревания при температуре 600°С или более и 650°С или менее, в течение 10 секунд или более и 2 минут или менее. Период времени 10 секунд или более выбирают в качестве предпочтительного условия нагревания, потому что, если время поддержания температуры является меньшим чем 10 секунд, правильный диапазон эксплуатационных условий, таких как скорость прохождения пластины и температура нагревания для осуществления заранее установленного отжига титановой пластины, будет являться крайне узким, что требует высокоточного регулирования устройства или его эксплуатации. С другой стороны, условие 10 минут или более является предпочтительным в качестве времени нагревания, потому что, если время выдерживание превышает 10 минут, скорость прохождения пластины необходимо снижать, снижая таким образом продуктивность.
Далее, температуру 580°С или более выбирают в качестве предпочтительного условия температуры нагревания, потому что, если температура нагревания составляет менее 580°С, будет являться затруднительным вызвать заранее определенную рекристаллизацию в титановой пластине за время выдерживания 10 минут или менее, и доля площади нерекристаллизованной части будет во многих случаях превышать 30%. Более того, температуру нагревания 650°С или менее выбирают, потому что, если температура составляет больше 650°С, рекристаллизация титановой пластины может завершиться даже за время 10 секунд и рекристаллизованные зерна могут вырасти до среднего размера частиц 5 мкм или более.
Далее, окончательный отжиг, осуществляемый при изготовлении титановой пластины по настоящему варианту осуществления, предпочтительно, осуществляют при условиях нагревания при температуре 420°С или более и менее 550°С, в течение 3 часов или более и 50 часов или менее, когда он представляет собой периодический тип. Условие 3 часа или более является предпочтительным в качестве времени нагревания, потому что, если время нагревания составляет меньше 3 часов, температура внутренней части рулона может не достичь заранее установленной температуры в зависимости от размера рулона. С другой стороны, условие 50 часов или менее является предпочтительным в качестве времени нагревания, потому что, если время нагревания превышает 50 часов, то время, требуемое для отжига, будет являться чрезмерно долгим, снижая, таким образом, продуктивность титановой пластины.
Далее, температура нагревания 420°С является предпочтительной, потому что, если температура нагревания составляет меньше 420°С, будет являться затруднительным вызвать заранее определенную рекристаллизацию в титановой пластине за время выдерживания 50 часов или менее, и доля площади нерекристаллизованной части будет во многих случаях превышать 30%. Или же она обусловлена тем, что необходимо иметь несколько печей для отжига (оборудования для нагревания) с целью обеспечения заранее определенного объема изготовления, что увеличивает стоимость оборудования и требует большого пространства для установки печей для отжига. Следует отметить, что в периодическом типе, так как титановую пластину нагревают в состоянии рулона, скорость увеличения температуры отличается между внешней частью и внутренней частью рулона и время до того, как температура достигнет целевой температуры, также является другим. В зависимости от размера рулона, температуры нагревания и нагревательной способности печи для отжига время до того, как температура достигнет целевой температуры, в общем, отличается на десятки минут - несколько часов. Следовательно, является важным нагревать рулон до температурного диапазона, где размер рекристаллизованных зерен различается не сильно, даже если время нагревания в какой-то степени отличается, то есть важно - до температурного диапазона, где скорость роста рекристаллизованных зерен является низкой.
Далее, температура нагревания, предпочтительно, составляет меньше 550°С, потому что из-за того, что скорость роста рекристаллизованных зерен кристалла является высокой при температуре 550°С или более, когда время нагревания уменьшают в соответствии со внешней частью рулона, целевая температура во внутренней части рулона может не достигаться, приводя к состоянию, где нерекристаллизованная часть, которая не является рекристаллизованной, может присутствовать в количестве, превышающем 30%; напротив, когда время нагревания увеличивают в соответствии со внутренней частью рулона, рекристаллизованные зерна могут избыточно нарастать во внешней части рулона, приводя к среднему размеру зерен кристалла 5 мкм или более.
Следует отметить, что окончательный отжиг либо непрерывного типа, либо периодического типа, желательно, осуществляют в вакууме или в атмосфере инертного газа. Титановую пластину, имеющую превосходное "равновесие прочность - обрабатываемость", можно получить путем регулирования среднего размера частиц рекристаллизации и остаточной процентной доли нерекристаллизованной части (обработанной структуры) с условиями отжига, как описано выше.
Следует отметить, что, хотя это и не описано подробно в настоящем описании, известный подход в обычной титановой пластине и способе изготовления титановой пластины также можно применять в настоящем изобретении в диапазоне, который не ослабляет эффекта настоящего изобретения значительным образом. Далее, хотя титановую пластину указывают в качестве примера титанового материала по настоящему варианту осуществления, титановый материал различных форм, таких как проволочный материал, брусковый материал, трубчатый материал, представляет собой то же самое, что и титановая пластина, так как проявляется превосходное "равновесие прочность - обрабатываемость" и эти титановые материалы также подпадают под объем, подразумевающийся настоящим изобретением.
ПРИМЕРЫ
Далее настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылками на примеры, но настоящее изобретение не является ограниченным ими.
Оценка 1
Образцы №№ 1-45
Изготовление испытательных фрагментов
Слиток (140 мм в диаметре) изготавливали при помощи малоразмерной вакуумной дуговой сварки и слиток нагревали до 1050°С и затем выковывали для изготовления заготовки, имеющей толщину 50 мм. Заготовку подвергали горячей прокатке при 850°С до толщины 5 мм и затем отжигали при 750°С и заусенцы на поверхности отожженной заготовки удаляли дробеструйной очисткой и травлением для подготовки материала пластины. Материал пластины дополнительно подвергали холодной прокатке для получения образца в форме пластины (титановой пластины), имеющей толщину 0,5 мм. Титановую пластину, имеющую толщину 0,5 мм, подвергали окончательному отжигу при температуре 400-800°С в течение 48 часов или менее в атмосфере газообразного аргона для получения испытательного фрагмента, в котором зерна кристалла являлись отрегулированными.
Измерение компонентов
Количества железа и кислорода, содержащихся в титановой пластине, измеряли с использованием материала пластины после горячей прокатки, с которой срезали поверхностные заусенцы. Содержание железа измеряли в соответствии с JIS H1614 и содержание кислорода измеряли в соответствии с JIS H1620.
Измерение предела прочности
Далее, предел прочности испытательного фрагмента (титановой пластины), в котором размер зерна кристалла был отрегулирован, как описано выше, измеряли в соответствии с JIS Z2241.
Оценка обрабатываемости
Далее оценивали обрабатываемость испытательного фрагмента (титановой пластины), в котором размер зерна кристалла был отрегулирован, как описано выше. Оценку осуществляли путем измерения числа Эриксена с использованием графитовой смазки в качестве смазывающего средства в соответствии с JIS Z2247.
Исследование структуры
Наблюдали микроструктуру титановой пластины для получения структурных фотографий зерен кристалла (рекристаллизованных α-зерен) и нерекристаллизованной части (обработанная структура). Следует отметить, что для наблюдения использовали оптический микроскоп или просвечивающий электронный микроскоп. Пример структурной фотографии, наблюдаемой при помощи просвечивающего электронного микроскопа, показан на фиг.1 (микроструктура образца № 28). На этой структурной фотографии наблюдаются рекристаллизованные α-зерна и нерекристаллизованная часть (На фотографии, показанной на фиг.1, место, обозначенное как "A", представляет собой нерекристаллизованную часть). Эту фотографию исследовали на площадь, иную, нежели нерекристаллизованная часть, с использованием программного обеспечения для анализа изображений для определения средней площади рекристаллизованных α-зерен; и диаметр окружности, имеющей ту же площадь, что и средняя площадь, определяли путем расчета для установления среднего размера частиц рекристаллизованных зерен. Далее, долю площади нерекристаллизованной части устанавливали из площади нерекристаллизованной части. Результаты вышеуказанного приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||
| Образец № | Содержание О (масс. %) | Содержание Fe (масс. %) | Условия отжига | Средний размер зерна кристалла рекристаллизованных зерен (мкм) | Доля площади нерекристаллизованной части (%) | Предел текучести (МПа) | Число Эриксена (мм) | |
| Температура | Время | |||||||
| 1 | 0,021 | 0,017 | 450 | 8 час | 2,3 | 25 | 190 | 13,9 |
| 2 | 0,021 | 0,017 | 600 | 1 мин | 3,9 | 2 | 162 | 14,5 |
| 3 | 0,024 | 0,253 | 600 | 110 сек | 2,2 | 16 | 352 | 10,9 |
| 4 | 0,024 | 0,253 | 630 | 110 сек | 2,8 | 11 | 305 | 11,7 |
| 5 | 0,024 | 0,253 | 650 | 1 мин | 3,4 | 5 | 268 | 12,1 |
| 6 | 0,030 | 0,022 | 450 | 8 час | 2,0 | 23 | 240 | 12,9 |
| 7 | 0,030 | 0,022 | 450 | 48 час | 2,6 | 2 | 229 | 13,1 |
| 8 | 0,030 | 0,022 | 480 | 8 час | 2,3 | 10 | 236 | 13,0 |
| 9 | 0,030 | 0,022 | 480 | 24 час | 2,8 | 5 | 230 | 13,2 |
| 10 | 0,030 | 0,022 | 480 | 32 час | 2,9 | 3 | 224 | 13,3 |
| 11 | 0,030 | 0,022 | 480 | 48 час | 3,1 | 1 | 225 | 13,3 |
| 12 | 0,030 | 0,022 | 500 | 8 час | 3,3 | 3 | 217 | 13,4 |
| 13 | 0,030 | 0,022 | 520 | 4 час | 4,5 | 0,5 | 210 | 13,6 |
| 14 | 0,030 | 0,022 | 600 | 1 мин | 3,5 | 2 | 205 | 13,4 |
| 15 | 0,035 | 0,027 | 600 | 10 сек | 3,6 | 15 | 261 | 12,3 |
| 16 | 0,035 | 0,027 | 600 | 30 сек | 4,1 | 3 | 255 | 12,5 |
| 17 | 0,035 | 0,027 | 600 | 1 мин | 4,2 | 1 | 262 | 12,4 |
| 18 | 0,035 | 0,027 | 630 | 10 сек | 4,4 | 2 | 264 | 12,4 |
| 19 | 0,035 | 0,027 | 630 | 30 сек | 4,7 | 1 | 250 | 13,3 |
| 20 | 0,053 | 0,217 | 650 | 1 мин | 4,2 | 3 | 310 | 11,5 |
| 21 | 0,066 | 0,377 | 650 | 1 мин | 3,4 | 4 | 336 | 11,0 |
| 22 | 0,066 | 0,377 | 650 | 10 сек | 4,9 | 1 | 301 | 11,7 |
| 23 | 0,068 | 0,059 | 450 | 8 час | 1,8 | 21 | 428 | 9,4 |
| 24 | 0,068 | 0,059 | 500 | 8 час | 3,2 | 2 | 356 | 10,7 |
| 25 | 0,068 | 0,059 | 600 | 1 мин | 3,3 | 2 | 345 | 10,8 |
| 26 | 0,068 | 0,059 | 650 | 10 сек | 4,9 | 0,2 | 313 | 12,1 |
| 27 | 0,042 | 0,024 | 425 | 24 час | 1,8 | 26 | 360 | 10,4 |
| 28 | 0,042 | 0,024 | 450 | 24 час | 2,6 | 13 | 304 | 12,0 |
| 29 | 0,042 | 0,024 | 480 | 24 час | 3,3 | 4 | 264 | 12,0 |
| 30 | 0,042 | 0,024 | 500 | 24 час | 4,6 | 1,5 | 240 | 12,5 |
| 31 | 0,021 | 0,017 | 600 | 4 час | 26 | 0 | 107 | 14,0 |
| 32 | 0,030 | 0,022 | 600 | 1 час | 12 | 0 | 172 | 12,7 |
| 33 | 0,030 | 0,022 | 600 | 4 час | 23 | 0 | 159 | 13,0 |
| 34 | 0,030 | 0,022 | 750 | 1 мин | 46 | 0 | 148 | 13,2 |
| 35 | 0,035 | 0,027 | 800 | 1 мин | 82 | 0 | 146 | 13,4 |
| 36 | 0,053 | 0,217 | 800 | 5 мин | 17,2 | 0 | 430 | 8,0 |
| 37 | 0,066 | 0,377 | 800 | 15 час | 21 | 0 | 266 | 9,2 |
| 38 | 0,068 | 0,059 | 750 | 1 мин | 42 | 0 | 199 | 11,7 |
| 39 | 0,068 | 0,059 | 800 | 1 мин | 50 | 0 | 189 | 12,2 |
| 40 | 0,068 | 0,059 | 800 | 15 мин | 75 | 0 | 192 | 11,5 |
| 41 | 0,160 | 0,065 | 750 | 10 мин | 28 | 0 | 346 | 8,2 |
| 42 | 0,209 | 0,104 | 750 | 10 мин | 22 | 0 | 411 | 7,6 |
| 43 | 0,030 | 0,022 | 450 | 1 час | 1,8 | 43 | 263 | 8,6 |
| 44 | 0,066 | 0,377 | 500 | 1 час | 2,3 | 35 | 238 | 10,4 |
| 45 | 0,042 | 0,024 | 400 | 24 час | 1,5 | 45 | 414 | 6,9 |
Каждый из вышеуказанных образцов №№ 1-30 имеет средний размер рекристаллизованных зерен 5 мкм или менее, и в каждом из этих образцов наблюдается нерекристаллизованная часть при доле площади менее 30% в поперечном сечении титановой пластины; и образцы №№ 31-42 находятся в состоянии, где нерекристаллизованная часть не сохраняется, как и обычные титановые пластины. Далее, образцы №№ 43-45 получали путем регулирования условий отжига таким образом, что нерекристаллизованной части целенаправленно давали сохраняться, где нерекристаллизованной части давали оставаться в состоянии, где доля площади превышает 30%. Вышеуказанные образцы №№ 1-30 и №№ 31-42 получали путем регулирования размеров зерен кристалла (эквивалентный окружности средний размер зерна α-фазы) и количества нерекристаллизованной части с разницей между условиями отжига вне зависимости от использования титановых материалов, в которых содержание кислорода и содержание железа являются почти одними и теми же. Как показано в таблице 1, средний размер частиц можно подавить до малого и высокий предел текучести проявляется путем сохранения нерекристаллизованной части. В вышеприведенной оценке обрабатываемость (число Эриксена) в общем имеет тенденцию снижаться по мере того, как увеличивается предел текучести, но когда образцы, имеющие сравнимую обрабатываемость (число Эриксена), сравнивают между собой, обнаруживается, что предел текучести этих образцов является увеличенным, и эти образцы имеют высокую прочность благодаря присутствию нерекристаллизованной части (например, смотрите сравнение образца № 1 с № 31, № 9 с № 34 и № 15 с № 39). То есть обнаружено, что, когда зерна кристалла имеют размер 5 мкм или менее и нерекристаллизованная часть присутствует в количестве 30% или менее, "равновесие предел прочности - обрабатываемость" является хорошим. С другой стороны, когда площадь нерекристаллизованной части составляет более 30% после окончательного отжига, обрабатываемость (число Эриксена) является сильно сниженной, как показано в образцах №№ 43-45. Эти результаты также показали, что настоящее изобретение может обеспечить титановую пластину, имеющую высокую прочность и превосходную обрабатываемость.
Оценка 2
Образцы №№ А-Н
Реальное машинное испытание
Изготовление испытательного рулона
Слиток (750 мм в диаметре) изготавливали при помощи вакуумной дуговой сварки, и слиток нагревали до 850-1000°С и затем выковывали для изготовления заготовки, имеющей толщину 170 мм. Заготовку нагревали до 850°С и затем подвергали горячей прокатке до толщины 3,5 мм, и горячекатаную пластину отжигали при температуре 750°С с последующим удалением заусенцев на поверхности отожженной заготовки путем дробеструйной очистки и травления для подготовки горячекатаного рулона. Горячекатаный рулон подвергали холодной прокатке для получения холоднокатаного рулона, имеющего толщину 0,4-0,8 мм. Масло и жир, такие как масло для холодной прокатки, удаляли с холоднокатаного рулона путем очистки, и полученный холоднокатаный рулон вносили в вакуумную печь для отжига. Внутреннюю часть вакуумной печи для отжига, в которой размещался холоднокатаный рулон, откачивали, и затем заполняли газообразным аргоном, и в печи холоднокатаный рулон подвергали отжигу периодического типа, в котором его нагревали до 450-650°С, и выдерживали в течение 4-36 часов для регулировки размера рекристаллизованных зерен. С целью оценки "измерения компонентов", "измерения предела прочности", "оценки обрабатываемости" и "исследования структуры" тем же способом, что и в вышеуказанной оценке 1, образцы требуемого размера отбирали из полученной титановой пластины и подвергали оценкам, как описано выше. Результаты показаны в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||
| Образец № | Содержание О (масс. %) | Содержание Fe (масс. %) | Условия отжига | Средний размер зерна кристалла рекристаллизованных зерен (мкм) | Доля площади нерекристаллизованной части (%) | Предел текучести (МПа) | Число Эриксена (мм) | |
| Температура | Время | |||||||
| A | 0,028 | 0,0179 | 500 | 24 час | 3,6 | 1 | 213 | 13,5 |
| B | 0,032 | 0,024 | 480 | 24 час | 2,6 | 5 | 232 | 13,1 |
| C | 0,035 | 0,022 | 480 | 24 час | 2,4 | 4 | 248 | 12,8 |
| D | 0,058 | 00234 | 450 | 36 час | 2,3 | 3 | 385 | 10,1 |
| E | 0,068 | 0,033 | 450 | 36 час | 2,4 | 4 | 401 | 9,9 |
| F | 0,022 | 0,014 | 600 | 4 час | 25 | 0 | 110 | 14,0 |
| G | 0,030 | 0,018 | 630 | 24 час | 45 | 0 | 149 | 13,2 |
| H | 0,041 | 0,028 | 650 | 4 час | 55 | 0 | 166 | 12,8 |
Каждый из вышеуказанных образцов №№ А-Е имеет средний размер рекристаллизованных зерен 5 мкм или менее, и в каждом из этих образцов наблюдается нерекристаллизованная часть при доле площади менее 30% в поперечном сечении титановой пластины; и образцы №№ F-H находятся в состоянии, где нерекристаллизованная часть не сохраняется, как и обычные титановые пластины. В вышеуказанных образцах №№ А, В и С получали титановые пластины, имеющие предел текучести 200 МПа или более и имеющие превосходную обрабатываемость, в которой число Эриксена составляет примерно 13 мм. Далее, в образцах №№ D и E получали титановые пластины, не только имеющие высокую прочность, в которых предел текучести составляет примерно 400 МПа, но также и имеющие хорошую обрабатываемость, в которой число Эриксена составляет примерно 10 мм. С другой стороны, образцы №№ F-H являются превосходными по обрабатываемости, но имеют недостаточную прочность, в которой предел текучести составляет меньше чем 200 МПа. Эти результаты также показали, что настоящее изобретение может обеспечить титановую пластину, имеющую высокую прочность и превосходную обрабатываемость.
Титановый материал, характеризующийся тем, что он содержит железо 0,60 масс.% или менее и кислород 0,15 масс.% или менее, титан и неизбежные примеси - остальное и имеет нерекристаллизованную структуру, сформированную путем обработки, сопровождающейся пластической деформацией, и рекристаллизованную структуру, сформированную после отжига путем указанной обработки, при этом средний размер рекристаллизованных α-зерен составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее, а площадь нерекристаллизованной части в поперечном сечении титанового материала составляет от более 0% до 30%.
