熱軋用鈦鑄坯以及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包含工業(yè)用純鈦的熱乳用鈦鑄坯、以及其制造方法，尤其涉及用于制 造表面品質(zhì)優(yōu)異的熱乳板的熱乳用鈦鑄坯以及其制造方法。本申請主張基于2013年4月 1日在日本提出的日本特愿2013-075886號的優(yōu)先權(quán)，將其內(nèi)容援引于此。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常工業(yè)用純鈦較常見的是將利用克羅爾法而得到的海綿鈦、鈦廢料作為熔煉原 料，由真空電弧熔煉（VAR)、電子束熔煉（EBR)等進(jìn)行熔煉而制成大型的鑄坯（鑄錠）。在 此，作為鑄坯形狀，真空電弧熔煉的情況下限于圓柱狀的鑄坯，而電子束熔煉的情況下能夠 鑄造成矩形狀的鑄坯、即板坯。
[0003] 進(jìn)而，將這樣的大型鑄坯作為原材料制造鈦薄板等鈦材料時，對于大型鑄坯，根據(jù) 需要進(jìn)行表面的切削修整之后，實施熱初乳或鍛造，加工為適于之后的熱乳的形狀、尺寸的 板坯。在此將基于這些初乳或鍛造的熱加工工序稱為開坯（break down)工序。然后進(jìn)而 為了去除形成于開坯后的板坯表面的氧化物層、富氧層，較常見的是利用切削加工實施將 表面削磨幾mm左右的切削修整之后供于熱乳。
[0004] 然而，這樣的以往通常的方法中，用于由大型鑄坯加工為適于熱乳的形狀、尺寸的 通過初乳或鍛造的開坯工序需要極大的時間和成本，其對于鈦薄板制造的生產(chǎn)率提高、成 本降低成為巨大的瓶頸。
[0005] 然而，時至最近，逐漸確立了采用DC板坯鑄造法（直接澆鑄法）作為鑄造板坯狀 的鑄坯的方法來制造較薄的板坯狀鑄坯、即具有可以直接供于熱乳的形狀、尺寸的鈦鑄坯 以替代如前述的大型鑄錠鑄造的技術(shù)，所述DC板坯鑄造法如下：將利用電子束熔煉等在爐 床（hearth)內(nèi)熔煉的鈦熔液連續(xù)地注入到真空氣氛下保持的水冷銅鑄模內(nèi)，并且將在該 水冷銅鑄模內(nèi)凝固的部分從鑄模的下端側(cè)連續(xù)地拔出而得到規(guī)定長度的板坯狀鑄坯。
[0006] 若應(yīng)用這樣的電子束熔煉等在真空下的DC板坯鑄造法，則可以省略以往需要的 開坯工序，其結(jié)果可以提高鈦薄板制造的生產(chǎn)率、降低制造成本。
[0007] 進(jìn)而，對于上述那樣應(yīng)用由電子束熔煉等在真空下的DC板坯鑄造法而得到的板 坯（省略開坯工序），即便在供于熱乳的情況下，也存在熱乳后的熱乳板的表面性狀未必良 好的問題。即，存在熱乳板表面產(chǎn)生許多幾_至IOmm左右的長度以及大小的覆蓋狀瑕疵 的問題。將這樣的表面的許多覆蓋狀瑕疵在此稱為表面瑕疵。認(rèn)為這樣的熱乳板的表面瑕 疵源自鑄造的板坯的粗大鑄造組織。即，認(rèn)為未經(jīng)過作為熱加工的開坯工序的板坯具有鑄 造狀態(tài)（as cast;"鑄造狀態(tài)"）的包含粗大晶粒的鑄造組織，即便對其表面實施切削加工 而減小表面的凹凸，切削后的表面層中也存在粗大的組織，由于這樣的粗大的表面的鑄造 組織導(dǎo)致在熱乳板上產(chǎn)生表面瑕疵。
[0008] 在此，作為由于粗大的鑄造組織導(dǎo)致在熱乳板上產(chǎn)生表面瑕疵的具體的因素，認(rèn) 為由于在熱乳初期產(chǎn)生的粗大熱孿晶，導(dǎo)致母相與孿晶之間的大的取向差，從而在母相與 孿晶的邊界部產(chǎn)生較大的凹陷，隨著之后的熱乳的進(jìn)行，在該凹陷上覆蓋金屬成為表面瑕 疵。
[0009] 然而，對于未經(jīng)開坯工序而得到的熱乳用鈦板坯，為了防止出現(xiàn)在熱乳后的熱乳 板表面的表面瑕疵的產(chǎn)生，已提出了幾個在熱乳前對板坯表面層實施改性處理的方法。
[0010] 例如，在專利文獻(xiàn)1中，提出利用具有曲率半徑為3~30mm的前端形狀的鋼制工 具、或半徑為3~30_的鋼球?qū)崛橛免伆迮鞯谋砻孢M(jìn)行冷鍛（塑性加工），由此賦予波紋 度輪廓單元的平均高度為0. 2~I. 5mm、平均寬度為3~15mm的淺凹。該提案的方法中，利 用上述那樣的鋼制工具或鋼球?qū)︹伆迮鞯谋砻鎸油ㄟ^冷加工先賦予規(guī)定的塑性應(yīng)變，從而 在之后的熱乳前的加熱時使表面層再結(jié)晶、生成微細(xì)組織，從而可以防止由前述那樣的粗 大組織導(dǎo)致的凹陷的產(chǎn)生，因此，即便省略開坯工序，也可以減輕熱乳板的表面瑕疵。
[0011] 此外，在專利文獻(xiàn)2中提出了如下方法：在熱乳用鈦板坯的表面、尤其是作為熱乳 時的乳制面一側(cè)的表面，通過高頻感應(yīng)加熱、電弧加熱、等離子體加熱、電子束加熱以及激 光加熱等賦予高能量，僅使其表面層至Imm以上的深度熔融、立刻驟冷再凝固。需要說明的 是，該提案的方法的情況下，鈦的熔點自然為0相變點以上的溫度，因此隨著使表面熔融， 在表面的熔融層下側(cè)（母材側(cè)）的熱影響區(qū)域（HAZ)層也被加熱至0相變點以上、發(fā)生0 相變。而且，在該提案的方法中，熱乳用鈦板坯的表面層熔融，從而表面被平滑化，進(jìn)而通過 在此后從母材側(cè)的排熱使熔融層驟冷而凝固，同時下側(cè)的HAZ層相）驟冷，從而熔融層 以及HAZ層成為微細(xì)的相變組織（通常為微細(xì)針狀組織）。而且，如此操作而微細(xì)化的表面 層在之后的熱乳前的加熱時發(fā)生再結(jié)晶，成為微細(xì)且具有不規(guī)則的取向的粒狀組織（等軸 粒組織）。因此，可以防止由粗大組織導(dǎo)致的凹陷的產(chǎn)生，也可以消除熱乳后熱乳板的表面 瑕疵。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)1 :國際公開2010/090352
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2007-332420號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明要解決的問題
[0017] 本發(fā)明人等通過實驗確認(rèn)了，若采用如專利文獻(xiàn)1所示通過冷加工對熱乳用鈦板 坯的表層賦予塑性應(yīng)變的表面層改性處理方法、以及如專利文獻(xiàn)2所示對熱乳用鈦板坯的 表面賦予高能量而僅將表面層熔融、使其驟冷再凝固的表面層改性處理方法，則即便為未 經(jīng)過開坯工序的熱乳用鈦板坯，根據(jù)其表面狀況也可有效地對表面層進(jìn)行改性，能夠防止 熱乳板表面瑕疵的產(chǎn)生。即確認(rèn)了，如上所述，對于通過在真空下的DC板坯鑄造而得到的 板坯，鑄造狀態(tài)的鑄坯的表面層也通常為凹凸嚴(yán)重且缺陷多的層，通過切削加工將這樣的 板坯的表面層去除掉幾_左右的深度，之后若實施如專利文獻(xiàn)1或?qū)＠墨I(xiàn)2所示的表面 層改性處理，則可以抑制之后的熱乳后的熱乳板的表面瑕疵的產(chǎn)生。
[0018] 然而，如上所述的表面改性處理前的表面切削加工需要極大的勞力和時間，成品 率也大幅降低。因此，若即便省略這樣的表面切削加工也可以通過表面改性處理抑制熱乳 板的表面瑕疵產(chǎn)生，則可以以高生產(chǎn)率且低成本地制造表面性狀優(yōu)異的鈦薄板。然而可知， 在表面改性處理前不實施如上所述的切削加工，對表面存在氧化皮層的鑄造狀態(tài)的鑄坯實 施表面改性處理時，不能可靠并且穩(wěn)定地抑制熱乳板表面的表面瑕疵產(chǎn)生。
[0019] 因此，本發(fā)明的課題在于提供不僅省略開坯工序而且也不需要表面改性處理前的 切削加工，但能夠可靠地避免之后的在熱乳后的熱乳板表面產(chǎn)生表面瑕疵，由此使鈦熱乳 板制造的生產(chǎn)率提高、并且可以實現(xiàn)成本降低的熱乳用鈦鑄坯、以及其制造方法。
[0020]用于解決問題的方案
[0021] 為了解決上述的課題，對于如前述的專利文獻(xiàn)2所示的表面層改性技術(shù)進(jìn)行反復(fù) 深入實驗/研究，結(jié)果得到如下的見解。
[0022] S卩，利用電子束等高能量密度的加熱方法將鑄坯的表面加熱而僅使表面層熔融之 后的冷卻通常是通過從母材側(cè)的排熱來進(jìn)行的。此時，熔融層的厚度越薄、鑄坯表面的每單 位面積的輸入熱量（以下涉及輸入熱量時單位面積是指Icm2)越少，因此剛剛加熱之后的 冷卻速度變大，由此冷卻而凝固的表面層（熔融再凝固層）成為更微細(xì)的組織，之后實施用 于熱乳的加熱時的表面層組織也進(jìn)一步微細(xì)化，其結(jié)果，能夠可靠地抑制在熱乳初期產(chǎn)生 的較大的凹陷、并抑制熱乳板的表面瑕疵的產(chǎn)生。
[0023] 然而，熔融深度淺的情況下，存在于距表面有一定深度的位置的空隙、皺褶等缺陷 (源自鑄造）不會消失。即認(rèn)識到，雖然通過實驗確認(rèn)了為了利用熔融后的再凝固充分地使 表面層的組織微細(xì)化，有時需要將熔融深度抑制為幾_左右以下，但源自鑄造的空隙較多 存在于更深的位置、即自表面跨越幾mm至深度5~8mm左右的位置，因此，僅使幾mm左右 熔融時，這些較深的位置的空隙不會消失，因而在熱乳時以這些空隙為起點而產(chǎn)生裂紋、表 面出現(xiàn)較大的凹部、產(chǎn)生表面瑕疵。
[0024] 為了解決上述的問題，認(rèn)為將利用電子束等高能量密度的加熱方法加熱鑄坯的表 面而使表面層熔融時的熔融深度增大即可。然而，此時與前述的情況相反，鑄坯表面的每單 位面積的輸入熱量變大、剛剛加熱之后的利用從母材側(cè)的排熱的冷卻速度變小，因此，冷卻 而凝固的表面層（熔融再凝固層）的組織未充分地微細(xì)化，之后實施用于熱乳的加熱時的 表面層的組織也未充分地微細(xì)化，其結(jié)果熱乳初期產(chǎn)生的較大的凹陷、熱乳板的表面瑕疵 未充分降低。
[0025] 基于這樣的新見解，本發(fā)明人等反復(fù)深入實驗/研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過進(jìn)一步改良 專利文獻(xiàn)2所示的表面改性技術(shù)，能夠可靠地抑制在熱乳初期產(chǎn)生的較大的凹陷、熱乳板 的表面瑕疵，尤其是發(fā)現(xiàn)即便為未預(yù)先實施切削加工的鑄造狀態(tài)的鑄造外觀，也能夠抑制 在熱乳初期產(chǎn)生的較大的凹陷、熱乳板的表面瑕疵。
[0026] S卩，利用電子束照射等使作為熱乳用板坯的原材料的鑄坯的表面層熔融、再凝固 之后，再次對熔融再凝固層的表面照射電子束等，將熔融再凝固層之中的表面區(qū)域（比熔 融再凝固層的深度淺的區(qū)域）加熱至0相變點以上的溫度、使其驟冷凝固。通過進(jìn)行2次 這樣的利用電子束等照射的表面層加熱，從而發(fā)現(xiàn)能夠可靠地防止在熱乳初期產(chǎn)生的較大 的凹陷、熱乳板的表面瑕疵，并且即便為未預(yù)先實施切削加工的鑄造狀態(tài)的鑄造外觀，也能 夠可靠地抑制之后的熱乳后的熱乳板的表面瑕疵的產(chǎn)生，以至完成本發(fā)明。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明提供一種熱乳用鈦鑄坯，其為包含工業(yè)用純鈦的熱乳用鈦鑄坯，作為 乳制面的表面中，最表面具有包含針狀組織的組織微細(xì)化層、前述組織微細(xì)化層的內(nèi)側(cè)具 有包含針狀組織的內(nèi)側(cè)組織微細(xì)化層、與前述內(nèi)側(cè)組織微細(xì)化層相比更內(nèi)側(cè)為鑄造凝固組 織，前述組織微細(xì)化層為與前述內(nèi)側(cè)組織微細(xì)化層相比更微細(xì)的組織，前述組織微細(xì)化層 為自表面至深度Imm以上且不足6mm的范圍，前述內(nèi)側(cè)組織微細(xì)化層在前述組織微細(xì)化層 的內(nèi)側(cè)、為自表面至深度3mm以上且20mm以下的范圍。
[0028] 對于這樣的本發(fā)明的熱乳用鈦鑄坯，在進(jìn)行熱乳前所實施的加熱處理或與其相當(dāng) 的處理而再結(jié)晶的狀態(tài)下，如后面對于制造方法進(jìn)行說明的那樣，處于最表面的組織微細(xì) 化層成為不規(guī)則取向的等軸微細(xì)粒狀組織。順便一說，本發(fā)明中，熱乳前所實施的加熱處理 或與其相當(dāng)?shù)奶幚硪馕吨?20°C X240分鐘的加熱處理。即鈦板坯的熱乳一般常見地是于 720~920°C左右進(jìn)行60~420分鐘左右加熱。因此，本發(fā)明中采用居中的熱乳時加熱條 件，作為微細(xì)化層的微細(xì)化的指標(biāo)，規(guī)定了實施820°C X240分鐘的熱乳前所實施的加熱處 理或與其相當(dāng)?shù)奶幚頃r的粒徑。
[0029] 此外，根據(jù)本發(fā)明提供熱乳用鈦鑄坯的制造方法，其具有：第1段表層加熱處理 工序，對于包含工業(yè)用純鈦的鑄坯原材料，加熱作為熱乳的乳制面的表面，將自表面至深度 6mm以上且20mm以下的區(qū)域加熱至0相變點以上，使自表面至深度3mm以上~IOmm的范 圍熔融；第1段冷卻工序，前述第1段表層加熱處理后，冷卻至低于0相變點的溫度；第2 段表層加熱處理工序，對經(jīng)過前述第1段表層加熱處理和前述第1段冷卻工序的表面進(jìn)行 再加熱，將自表面至深度Imm以上且不足6mm的區(qū)域加熱至P相變點以上；和第2段冷卻 工序，前述第2段表層加熱處理后，冷卻至低于P相變點的溫度。
[0030] 需要說明的是，此處P相變點是指，在該溫度以上P相為穩(wěn)定相、且在該溫度以 下實質(zhì)上a相成為穩(wěn)定相的溫度，對于工業(yè)用純鈦來說為880~920°C。
[0031] 根據(jù)這樣的本發(fā)明，鑄造后的鑄造外觀中存在的嚴(yán)重凹凸通過熔融被消除而平滑 化，同時源自鑄造時的內(nèi)部空隙等缺陷消失，另外粗大的鑄造組織也消失。并且，最表面由 于再加熱/驟冷而成為組織微細(xì)化層。因此，將本發(fā)明的熱乳用鈦鑄坯供于熱乳時，能夠?qū)?源自鑄造時的皺褶、內(nèi)部空隙導(dǎo)致的表面瑕疵的產(chǎn)生防患于未然，與此同時也能夠可靠地 將組織微細(xì)化的不充分導(dǎo)致的熱乳初期的較大的凹部的產(chǎn)生、熱乳板的表面瑕疵的產(chǎn)生防 患于未然。
[0032] S卩，第1段的熔融而再凝固的過程中被加熱至熔融且P相變點以上的內(nèi)側(cè)組織微 細(xì)化層具有自最外表面至6mm以上且20mm以下的位置的足夠的厚度，熔融再凝固達(dá)至比利 用以往的方法的切削程度（幾mm左右）深的位置，因此存在于比距表面幾mm左右的位置 深的位置的空隙（超過通常的切削程度的深度位置的空隙）也充分消失，與此同時最外表 面的嚴(yán)重凹凸也被消除。
[0033] 另一方面，第2段的表面?zhèn)鹊脑偌訜?驟冷的組織微細(xì)化層在自最外表面至1_ 以上且不足6mm的位置、為薄層，由此通過利用從再加熱后的母材排熱的高速驟冷效果而 成為包含充分微細(xì)的組織的層。因此，也能夠可靠地防止組織微細(xì)化的不充分導(dǎo)致的熱乳 初期的較大的凹部的產(chǎn)生、熱乳板的表面瑕疵的產(chǎn)生。
[0034] 并且，對于上述各作用，即便為在鑄造后未經(jīng)過作為熱加