特許 6206628 チタン材およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6206628

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】チタン材およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B21B 3/00 20060101AFI20170925BHJP

   B21B 1/02 20060101ALI20170925BHJP

   C22B 34/12 20060101ALI20170925BHJP

   C22F 1/18 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   B21B3/00 K

   B21B1/02 D

   C22B34/12 103

   C22F1/18 H

【請求項の数】3

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2017-535118(P2017-535118)

(86)(22)【出願日】2017年3月9日

(86)【国際出願番号】JP2017009619

【審査請求日】2017年6月29日

(31)【優先権主張番号】特願2016-48341(P2016-48341)

(32)【優先日】2016年3月11日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的新構造材料等研究開発のうちチタン薄板の革新的低コスト化技術開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002044

【氏名又は名称】特許業務法人ブライタス

(72)【発明者】

【氏名】北浦 知之

(72)【発明者】

【氏名】白井 善久

(72)【発明者】

【氏名】藤井 秀樹

【審査官】 池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第５５６４０６４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１８７２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０４５０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 クロール法によるスポンジチタン中の塩素分離除去プロセスの解析，新日鉄技報，日本，２００１年１１月，第375号，P.33-37，ISSN:09167609

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２１Ｂ １／００−１１／００

Ｃ２２Ｂ ３４／００−３４／３６

Ｃ２２Ｆ １／００− ３／０２

ＣｉＮｉｉ

ＪＳＴＰｌｕｓ／

ＪＳＴ７５８０／

ＪＳＴＣｈｉｎａ／（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内層部と表層部とを有するチタン材であって、
前記表層部の化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記内層部の化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０超、０．６０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記内層部は空隙を有し、
前記チタン材の長手方向に垂直な断面において、前記内層部の前記空隙の面積率が、０％を超えて３０％以下であり、
下記（ｉ）式を満足する、
チタン材。
Ｃｌ_Ｉ≦０．０３＋０．０２×ｔ_Ｓ／ｔ_Ｉ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｃｌ_Ｉ：内層部のＣｌ含有量（質量％）
ｔ_Ｓ：表層部の厚さ
ｔ_Ｉ：内層部の厚さ

【請求項2】

請求項１に記載のチタン材を製造する方法であって、
質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である化学組成を有するチタン筐体を作製する工程と、
前記チタン筐体の内部に、
質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０超、０．６０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である化学組成を有するスポンジチタンおよび該スポンジチタンを圧縮したブリケットから選択される１種以上を充填する工程と、
前記チタン筐体の内部の真空度を１０Ｐａ以下にした後、該内部の真空度が維持されるように周囲を密閉し、チタン梱包体とする工程と、
前記チタン梱包体に対して、熱間加工を行う工程と、を備える、
チタン材の製造方法。

【請求項3】

前記熱間加工を行う工程の後に、さらに冷間加工および焼鈍を行う工程を備える、
請求項２に記載のチタン材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チタン材およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

チタン材は、軽量で耐食性に優れるという特徴を活かして、プラント用の海水冷却復水器、熱交換器、反応器、冷却器等などに利用されている。また、チタン材は、高い比強度を有するため、軽量化による燃費性向上を目的として、自動車、または航空機等の輸送機関に使用される構造用材料への適用が期待されている。

【0003】

さらに近年では、高比強度・高耐食性を活かしてメンテナンスフリーな建築材料としての価値が高まりつつある。例えば、その一例として、耐震性向上のための屋根材、および海水に対する被覆防食用のカバー材等への適用例がある。

【0004】

このように、様々な分野において、チタン材の適用が進んでいるが、他の鋼材などと比較すると、チタン材は非常に高価な素材である。このため、チタン材の適応用途を拡大するためには、製造コストを低減することが必要である。

【0005】

チタン材の製造コストが高い原因は、その製造方法にある。チタン材は、通常、以下のように製造される。原料である酸化チタンを塩素化して四塩化チタンとした後、マグネシウム（クロール法）、またはナトリウムで還元後（ハンター法）、真空分離工程を経て、塊状でスポンジ状の金属チタン（スポンジチタン）が製造される。

【0006】

このスポンジチタンをプレス成形してチタン消耗電極とし、チタン消耗電極を電極として真空アーク溶解してチタン鋳塊を製造する。近年では、水冷式銅ハース内でプラズマ、または電子ビームによりスポンジチタンを溶解し、水冷式の銅鋳型から、連続的に引き抜くことによりチタン鋳塊を製造する方法も用いられている。

【0007】

これらの方法により製造されたチタン鋳塊は、分塊、鍛造、および圧延されてチタンスラブ（形状等により、いわゆるブルームおよびビレットを含む。以下、同様。）とされる。さらに、このチタンスラブを熱間圧延、焼鈍、酸洗、冷間圧延、および真空熱処理することにより、ＪＩＳ Ｈ４６００（チタン及びチタン合金−板及び条）に規定された１種、２種、３種および４種などのチタン材が製造される。

【0008】

これらの製造工程のうち、スポンジチタン、およびチタン鋳塊の製造工程は、非連続的なバッチ式の工程であるため、製造コストが上昇する。このため、チタンの製造コストを低減するために、溶解工程を経ないで、スポンジチタンから直接チタンを製造する技術が開示されている。

【0009】

特許文献１には、直方体形状に成形された多孔質チタン原料（スポンジチタン）の表面を、真空下で電子ビームを用いて溶解して表層部を稠密なチタンとしたチタン鋳塊（チタンスラブに相当）を製造する方法が開示されている。そして、このチタン鋳塊に熱間圧延および冷間圧延を行うことにより、チタン材を製造する。特許文献１で開示された方法では、多孔質チタン原料が、スラブ状に成形された多孔質部と、稠密なチタンにより構成されて多孔質部を被覆する稠密被覆部と、を有する稠密なチタン鋳塊を製造することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１５−０４５０４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ところで、スポンジチタンを完全に溶解せずに製造されるチタン材の内部には、塩化マグネシウム（以後、ＭｇＣｌ_２と記載する。）が不可避的に残存する。チタン材の機械的特性への悪影響を考慮すると、ＭｇＣｌ_２の残存量は少ないほうが好ましい。一方、チタン材の内部に残存するＭｇＣｌ_２含有量を低下させるためには、原料であるスポンジチタンの純度を上げる必要があり、コストの増加を招くおそれがある。

【0012】

特許文献１では、電子ビームをスポンジチタンに照射することによって、ＭｇＣｌ_２を揮発除去することができるとされている。しかしながら、内部に熱が伝達されるまで電子ビームを照射する必要が生じるため、製造コストの上昇は免れない。

【0013】

また、特許文献１では、内部のＭｇＣｌ_２を揮発除去しているため、チタン材中に残存するＭｇＣｌ_２がチタン材の機械的特性に与える影響については一切検討がなされていない。

【0014】

さらに、特許文献１に開示されるチタン鋳塊では、電子ビームにより表面のみを溶解することで稠密被覆部を形成している。しかし、多孔質で形状が揃っていないスポンジチタンを均一に一定の厚さで溶解させることは困難であり、溶解凝固した稠密被覆部の厚さは不均一となる。

【0015】

このようなチタン鋳塊に対し、熱間および冷間加工を行ってチタン材を製造しても、加工前の稠密被覆部に対応する表層部の厚さは均一でない。このため、チタンの表面性状が劣化することに加えて、引張特性、および曲げ性等の機械的特性が安定しないという問題がある。また、チタンスラブの稠密被覆部の厚さが小さい場合は、熱間加工、または冷間加工する際に、表層部が割れたり、くびれてシワ状の欠陥になったりするという課題もある。なお、特許文献１にはチタンスラブではなくチタン鋳塊と記載されているが、分塊圧延の必要がない矩形の形状であり、以下、チタンスラブという。

【0016】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、表面性状、および延性に優れ、かつ廉価なチタン材を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明は以下に列記のとおりである。

【0018】

（１）内層部と表層部とを有するチタン材であって、
前記表層部の化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記内層部の化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０超、０．６０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記内層部は空隙を有し、
前記チタン材の長手方向に垂直な断面において、前記内層部の前記空隙の面積率が、０％を超えて３０％以下であり、
下記（ｉ）式を満足する、
チタン材。
Ｃｌ_Ｉ≦０．０３＋０．０２×ｔ_Ｓ／ｔ_Ｉ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｃｌ_Ｉ：内層部のＣｌ含有量（質量％）
ｔ_Ｓ：表層部の厚さ
ｔ_Ｉ：内層部の厚さ

【0019】

（２）上記（１）に記載のチタン材を製造する方法であって、
質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である化学組成を有するチタン筐体を作製する工程と、
前記チタン筐体の内部に、
質量％で、
Ｏ：０．４０％以下、
Ｆｅ：０．５０％以下、
Ｃｌ：０．０２０超、０．６０％以下、
Ｎ：０．０５０％以下、
Ｃ：０．０８０％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である化学組成を有するスポンジチタンおよび該スポンジチタンを圧縮したブリケットから選択される１種以上を充填する工程と、
前記チタン筐体の内部の真空度を１０Ｐａ以下にした後、該内部の真空度が維持されるように周囲を密閉し、チタン梱包体とする工程と、
前記チタン梱包体に対して、熱間加工を行う工程と、を備える、
チタン材の製造方法。

【0020】

（３）前記熱間加工を行う工程の後に、さらに冷間加工および焼鈍を行う工程を備える、
上記（２）に記載のチタン材の製造方法。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、表面性状および延性に優れ、かつ廉価なチタン材を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係るチタン材の構成を説明するための図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係るチタン材の断面を観察した組織写真である。

【図3】図３は、本発明の他の実施形態に係るチタン材の構成を説明するための図である。

【図4】図４は、内層部における、チタン材の長手方向に垂直な断面を観察した組織写真である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態に係るチタン材の素材であるチタン梱包体の構成を説明するための図である。

【図6】図６は、チタン筐体の構成を説明するための図である。

【図7】図７は、表層部厚さ／内層部厚さの比と内層部の塩素濃度（質量％）との関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

従来のように、スポンジチタンを溶解することによりチタンスラブを得る場合、スポンジチタン内の塩素は溶解工程において揮発除去される。一方、スポンジチタン等を溶解せずに原料として用いた場合、溶解工程にて蒸発するはずのＭｇＣｌ_２が、チタン材中に残存する。原料として高品位のスポンジチタン等を用いれば、残存するＭｇＣｌ_２の量を小さくできるため、ＭｇＣｌ_２によるチタンの機械的特性への悪影響を低減できる。しかしながら、製品としてのチタン材の製造コストが上昇するという問題が生じる。このため、製品としてのチタン材の機械的特性に悪影響を及ぼさない、ＭｇＣｌ_２含有量を見極めることができれば、原料として低品位の原料を選択することができる。

【0024】

本発明者らは、このような観点から鋭意検討を行なった。そして、溶解工程を経ずに、スポンジチタンから直接、熱間加工（必要に応じてさらに冷間加工）により製造され、目標とする機械的特性を具備する、チタン材の構成について検討した。

【0025】

まず、チタン材中に残存するＭｇＣｌ_２の量は、チタン中に塩素が殆ど固溶しないことから、構成元素であるＣｌ含有量で規定することができる。これに基づき、本発明者らは、チタン材に含有されるＣｌ含有量と、チタン材の機械的特性との関係を検討した。

【0026】

その結果、本発明者らはチタン材を内層部とそれに接合された表層部とを有する構造にするとともに、それぞれのＣｌ含有量を規定し、さらに、内層部のＣｌ含有量に応じて表層部および内層部それぞれの厚さを制御することで、製造コストを上昇させることなく機械的特性の劣化を防止できることを知見した。より具体的には、内層部のＣｌ含有量が高いほど、表層部の厚さを厚くすることにより、混入するＭｇＣｌ_２に起因した、チタンの機械的特性の劣化を防止できることを知見した。

【0027】

本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下に本発明の各要件について詳しく説明する。なお、以下の説明では、化学組成に関する「％」は特に断りがない限り「質量％」を意味する。

【0028】

１．チタン材１
１−１．全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係るチタン材の構成を説明するための図である。図１に示すように、チタン材１は、表層部２および内層部３を有する。本実施形態においては、内層部３の両面にそれぞれ表層部２が接合されている。また、図２は、チタン材の断面を観察した組織写真である。図２からも表層部２と内層部３とが明瞭に区別できることが分かる。さらに、表層部２の厚さはその変動が±１５％以内で一定であり、表面性状に優れることが見て取れる。

【0029】

なお、図１および２に示す構成では、チタン材１は板材であるが、これに限定されず、例えば、丸棒材または線材であってもよい。図３は、本発明の他の実施形態に係るチタン材の構成を説明するための図である。図３に示すように、チタン材１が丸棒材または線材である場合には、円柱状の内層部３の全周を表層部２が覆うように接合される構成となる。

【0030】

１−２．表層部２
表層部２の化学成分は、Ｃｌを除き、ＪＩＳ Ｈ４６００の４種の規定どおりとする。その具体的な化学成分は、Ｏ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、Ｃｌ：０．０２０％以下、Ｎ：０．０５０％以下、Ｃ：０．０８０％以下、およびＨ：０．０１３％以下とする。特に、表層部２におけるＣｌ含有量を０．０２０％以下に制限することによって、チタン材１としての延性を向上させることが可能になる。

【0031】

Ｏは、０．３０％以下、０．１０％以下、０．０５０％以下、０．０１０％以下、または０．００６０％以下としてもよい。Ｆｅは、０．３０％以下、０．２０％以下、０．１０％以下、０．０７０％以下、または０．０５０％以下としてもよい。Ｃｌは、０．０１８％以下、０．０１５％以下、０．０１２％以下、または０．００９％以下としてもよい。Ｎは、０．０４０％以下、０．０３０％以下、０．０１０％以下、０．００５％以下または０．００１％以下としてもよい。Ｃは、０．０４０％以下、０．０２０％以下、０．０１０％以下、０．００７％以下、０．００５％以下、または０．００２％以下としてもよい。Ｈは、０．０１０％以下、０．００５％以下、０．００３％以下、または０．００２％以下としてもよい。これらの下限を特に定める必要はなく、それらの下限は０％である。

【0032】

表層部２の化学組成において、残部はＴｉおよび不純物である。不純物元素としては、主に、後述する表層梱包材５の原料となるスポンジチタンまたはスクラップから混入する、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等が例示される。これらの不純物元素の含有量についての規定は、ＪＩＳ Ｈ４６００にはないが、可能な限り低減することが好ましい。しかし、上述したＯ、Ｎ、Ｃ、ＦｅおよびＨと合わせた合計含有量が５％以下であれば、これらの不純物を含有することは本発明が目標とする機械的特性を阻害しない。必要に応じて、その合計含有量を１％以下、０．５０％以下、または０．２０％以下、または０．１０％以下としてもよい。さらには、不純物元素の含有量の合計を、２％以下、１％以下、０．５０％以下、０．２０％以下、または０．１０％以下としてもよい。

【0033】

なお、ここでいう目標とする機械的特性とは、チタン材１の加工方向に平行な向きに引張試験をした際の全伸びが２０％以上であることを意味する。

【0034】

表層部２は、チタン板等が圧延されて形成されるため、基本的に空隙がない。すなわち、表層部２の空隙の面積率（以下、単に空隙率ともいい、その定義および測定方法等は後述する）は０％である。表層部２の空隙率は、０．１０％未満、０．０５０％未満、または０．０１０％未満としてもよい。

【0035】

１−３．内層部３
内層部３は、Ｃｌを除き、ＪＩＳ Ｈ４６００の４種の規定どおりとする。その具体的な化学成分は、Ｏ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、およびＣｌ：０．０２０％超、０．６０％以下、Ｎ：０．０５０％以下、Ｃ：０．０８０％以下、およびＨ：０．０１３％以下とする。

【0036】

上述のように、本発明においては、廉価なチタン材１を得るため、内層部３にはチタンが低純度の原料を用いることが好ましい。チタンが高純度の原料は、その製造過程においてＣｌ含有量が小さくなる。換言すると、Ｃｌ含有量が小さい原料は、チタンが高純度となり高価となる。このため、内層部３のＣｌ含有量を０．０２０％以下とすることは、高純度の原料を用いる必要が生じ、製造コストが上昇するため好ましくない。一方、内層部３のＣｌ含有量が０．６０％を超えると、表層部２のＣｌ含有量を低減したとしても、チタン材１の引張特性および曲げ性が著しく劣化する。

【0037】

Ｏは、０．１５％以下、０．１０％以下、０．０５０％以下、０．０１０％以下、または０．００６％以下としてもよい。Ｆｅは、０．３０％以下、０．２０％以下、０．１０％以下、０．０７０％以下、または０．０５０％以下としてもよい。Ｃｌの下限は、０．０２５％、０．０３０％、０．０４０％、または０．０５０％としてもよく、Ｃｌの上限は、０．１５％、０．３５％、または０．５５％としてもよい。Ｎは、０．０４０％以下、０．０３０％以下、０．０１０％以下、０．００５％以下、または０．００１％以下としてもよい。Ｃは、０．０４０％以下、０．０２０％以下、０．０１０％以下、０．００７％以下、０．００５％以下、または０．００２％以下としてもよい。Ｈは、０．０１０％以下、０．００５％以下、０．００３％以下、または０．００２％以下としてもよい。これらの下限を特に定める必要はなく、それらの下限は０％である。

【0038】

内層部３の化学組成において、残部はＴｉおよび不純物である。不純物元素としては、主に、スポンジチタンから混入する不純物元素として、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等が例示される。特に、ＭｇはＭｇＣｌ_２として混入する。これらの不純物元素の含有量についての規定は、ＪＩＳ Ｈ ４６００にはないが、可能な限り低減することが好ましい。しかし、上述したＯ、Ｎ、Ｃ、ＦｅおよびＨと合わせた合計含有量が５％以下であれば、これらの不純物を含有することは本発明が目標とする機械的特性を阻害しない。必要に応じて、その合計含有量を１％以下、０．５％以下、または０．２％以下、または０．１％以下としてもよい。さらには、不純物元素の含有量の合計を、２％以下、１％以下、０．５０％以下、０．２０％以下、または０．１０％以下としてもよい。

【0039】

なお、本発明において、表層部２および内層部３の化学組成は以下の方法によって測定するものとする。

【0040】

表層部２および内層部３の成分分析は、公知の方法（例えば、ＪＩＳ Ｈ １６１２（１９９３）、ＪＩＳ Ｈ １６１４（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１５（１９９７）、ＪＩＳ Ｈ １６１７（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１９（２０１２）、ＪＩＳ Ｈ １６２０（１９９５））により求める。なお、この際、チタン材１から表層部２および内層部３をそれぞれ切り出してから測定を行う。表層部２は切削等で加工して得た切粉等から、内層部３は表層削除後の残材から分析したほうが、効率的である。表層部１または内層部３の厚さが薄く十分な量の切粉を得られない場合には、チタン材１の全体の成分分析を行いその分析値と、表層部１または内層部３のいずれかの分析値と、それぞれの板厚から、表層の成分を算出（逆算）してもよい。また、ＥＰＭＡ等により、表層部１または内層部３の成分分析を行うことも妨げない

【0041】

図４は、内層部３における、チタン材１の長手方向に垂直な断面を観察した組織写真である。図４から分かるように、内層部３は空隙を有する。この空隙は製造過程で不可避的に含まれるものである。空隙を完全に消滅させるためには大圧下での加工が必要となり、チタン材１の形状および寸法を制限することに加えて、製造コストの高騰の要因となる。一方、空隙を有することによって、内層部３の密度が低くなるため、チタン材１の軽量化が期待できる。

【0042】

内層部３の空隙の割合が過剰になるとチタン材１の機械的特性が低下する。機械的特性の低下を避けるため、チタン材１の長手方向に垂直な断面における、内層部３中の空隙の面積率を、０％を超えて３０％以下とする。上述のように、本願明細書においては、チタン材１の長手方向に垂直な断面において観察される空隙の面積率を、空隙率ともいう。上記空隙率は、１０％以下、５％以下、２％以下、１％以下、または０．５％以下としてもよい。

【0043】

内層部３の空隙率は、用途に応じて選択することが可能であり、チタン材１としての機械的特性が重要な場合には低くし、一方、軽量化を優先する場合には高くすればよい。特に、チタン材１の機械的特性を重視する場合には、空隙率は、５％以下であるのがより好ましく、３％以下であるのがさらに好ましく、１％以下であるのが特に好ましい。空隙率の下限は、０％超であるが、必要に応じて、０．０１％、０．０５％、または０．１％としてもよい。

【0044】

ここで、空隙率ｐは、内層部の面積に対する内層部中に存在する空隙の面積の割合を意味し、以下のように定義される。
ｐ（％）＝内層部中に存在する空隙の面積／内層部の面積 × １００

【0045】

また、空隙率ｐは以下の手順により求める。まず、チタン材１から観察用試料を切り出す。チタン材１が厚肉の場合はその内層部３の板厚中心部から観察用試料を切り出す。そして、チタン材１の長手方向に垂直な断面が観察面となるように、切り出された観察用試料を樹脂に埋め込んだ後、ダイヤモンドまたはアルミナ研濁液を用いてバフ研磨して鏡面化仕上げする。そして、チタン材１の板厚中心部の鏡面化仕上げした観察面を光学顕微鏡で写真を撮影する。

【0046】

撮影した光学顕微鏡写真に含まれる空隙の面積を測定し、それを撮影視野全体の面積で除することで、空隙率を求める。この際、光学顕微鏡による撮影は、観察面積が合計で０．３ｍｍ^２以上（倍率５００倍の光学顕微鏡写真で２０視野以上）になるように行い、それらの平均値を採用することとする。観察に用いる顕微鏡は、通常の光学顕微鏡でも問題ないが、偏光観察が可能な微分干渉顕微鏡を用いることでより明瞭に観察できるため、使用することが望ましい。

【0047】

１−４．表層部２および内層部３の厚さ
本発明においては、内層部３のＣｌ含有量が高いほど、内層部３の厚さに対する表層部２の厚さの割合を大きくすることにより、ＭｇＣｌ_２に起因した、チタン材１全体での機械的特性の劣化を防止する。

【0048】

具体的には、下記（ｉ）式を満足するように、表層部２および内層部３の厚さ、ならびに内層部３のＣｌ含有量を制御する。
Ｃｌ_Ｉ≦０．０３＋０．０２×ｔ_Ｓ／ｔ_Ｉ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｃｌ_Ｉ：内層部のＣｌ含有量（質量％）
ｔ_Ｓ：表層部の厚さ
ｔ_Ｉ：内層部の厚さ

【0049】

なお、本実施形態において、表層部２の厚さとは、図１の２−１または２−２で示される部分の厚さである。２つの表層部２のうちの厚さが異なる場合には、薄い方つまりより小さい厚さとする。チタン材１が丸棒材または線材である場合には、表層部２の厚さとは、図３の２で示される部分の厚さである。

【0050】

表層部２および内層部３では、それぞれのミクロ組織および結晶粒径が異なる。そのため、図２に示すように、チタン材の圧延方向に垂直な断面を研磨してエッチングすることにより、表層部２と内層部３との境界を明瞭に判別することができる。そして、チタン材の断面を観察した組織写真から、チタン材１の表層部２および内層部３の厚さをそれぞれ測定する。例えば、表層部２および内層部３のそれぞれについて、任意の位置（例えば５か所）の厚さを測定し、その平均を表層部２および内層部３のそれぞれの厚さとする。なお、チタン材１が丸棒材または線材である場合には、図３に示す内層部３の直径を内層部３の厚さとする。

【0051】

また、含有されているＣｌ量に応じてＭｇＣｌ_２が分布しており、このＭｇＣｌ_２の有無を基準にして表層部２と内層部３とを区別してもよい。本発明では、内層部はＣｌ含有量が０．０２０％超、０．６０％以下、表層部はＣｌ含有量が０．０２０％以下とし、内層部のＣｌ含有量の方が、表層部のＣｌ含有量より高い。このため、Ｃｌ濃度の違いからも内層部と表層部を判別することができる。具体的な手段としては、内層部と表層部におけるＣｌの濃度差は、図４のような断面を鏡面研磨した後、ＥＰＭＡの測定によるＣｌの元素分布状態を観察することでも明らかになる。

【0052】

表層部２の厚さは、上記（ｉ）を満足しながら、０．０１〜３５ｍｍであることが好ましい。表層部２の厚さが０．０１ｍｍより小さくなると、チタン材１を製造する際に表層部２が薄くなりすぎて破断して、内層部が表面に露出する可能性がある。表層部２の厚さの下限は、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、または、０．２０ｍｍとしてもよい。表層部２の厚さの上限は、チタン材１の厚さと内層部の下限の厚さから決まる。表層部２の厚さの上限は、０．３０ｍｍ、０．５０ｍｍ、１．０ｍｍ、３．０ｍｍ、１０ｍｍ、または、２０ｍｍとしてもよい。

【0053】

内層部３の厚さは、上記（ｉ）を満足しながら、０．０１〜９０ｍｍであることが好ましい。内層部３の厚さが０．０１ｍｍより小さくなると、Ｃｌの高いスポンジチタンを有効に使用できる量が少なくなり、本発明の効果が得られにくい。内層部３の厚さの下限は、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．５０ｍｍ、または、０．７０ｍｍとしてもよい。内層部３の厚さの上限は、チタン材１の厚さと表層部の下限の厚さから決まる。内層部３の厚さの上限は、０．９０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、５．０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、または、５０ｍｍとしてもよい。

【0054】

チタン材１の厚さは、上記（ｉ）を満足しながら、０．０３ｍｍ以上である。チタン材１の厚さは、０．１０ｍｍ以上、０．３０ｍｍ以上、または０．５０ｍｍ以上としてもよい。また、チタン材１の厚さは、上記（ｉ）を満足すれば２０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、または１００ｍｍ以下でもよい。ただし、コストを考慮すると、チタン材１の厚さは、上記（ｉ）を満足しながら、１５ｍｍ以下であることが好ましい。チタン材１の厚さは、１０ｍｍ以下、５．０ｍｍ以下、４．０ｍｍ以下、２．０ｍｍ以下、１．５ｍｍ以下、または、１．２ｍｍ以下としてもよい。

【0055】

２．チタン梱包体４
２−１．全体構成
図５は、本発明の一実施形態に係るチタン材１の素材であるチタン梱包体４の構成を説明するための図である。図５に示すように、チタン梱包体４は、表層梱包材５で構成されたチタン筐体の内部に、スポンジチタン、またはスポンジチタンを圧縮して得られたブリケットからなるチタン塊６が満たされた構造を有する。

【0056】

図６は、チタン筐体の構成を説明するための図である。図６に示す例においては、５枚の板状の表層梱包材５を用いて箱型に組み立て、上面のみが開口した状態としている。なお、上面は図示していない別の板状の表層梱包材５によって封止することができる。以下の説明においては、図６に示される梱包材５が組み立てられた状態のものをチタン筐体と呼ぶ。そして、チタン塊６はチタン筐体を構成する表層梱包材５によって周囲を完全に覆われた状態となっている。上記の例では、チタン筐体は箱型であるが、形状は制限されず、管状であってもよいし、板材と管材とが組み合わされた形状であってもよい。

【0057】

後述するように、チタン梱包体４に対して熱間加工など（例えば、熱間圧延または冷間圧延など）を行うことにより、チタン材１が得られる。すなわち、チタン梱包体４の表層梱包材５およびチタン塊６が、それぞれ、熱間加工後のチタン材１の表層部２および内層部３に対応する。なお、本発明においては、チタン筐体の内部に満たされた状態のスポンジチタンおよびブリケットを総称してチタン塊６という。

【0058】

また、熱間加工時の高温加熱および保持中に、チタン塊６が酸化・窒化するのを防止するために、チタン梱包体４の内部の真空度（絶対圧）を１０Ｐａ以下とする。内部の真空度は１Ｐａ以下であるのが好ましい。内部の圧力の下限は特に定めるものではない。しかしながら、真空度を極端に小さくすると、装置の気密性の向上、または真空排気装置の増強など製造コストの上昇に繋がる。このため、真空度は、１×１０^−３Ｐａ以上とすることが好ましい。なお、表層梱包材５の内部の真空度とは、表層梱包材５で囲まれる領域のうち、チタン塊６を除く領域（空隙ともいう）の真空度を示す。

【0059】

図５に示す構成では、チタン梱包体４は、板材であるチタン材１の素材とするため、熱間加工が施される方向（圧延方向）に垂直な断面が四角形状となっている。しかし、これに限定されず、丸棒材または線材であるチタン材１の素材とする場合には、チタン梱包体４の圧延方向に垂直な断面は円形状または多角形状としてもよい。

【0060】

２−２．表層梱包材５
表層梱包材５の化学成分は、前記１−２で記載したチタン材１の表層部２の化学成分と同じとする。表層梱包材５には、ＪＩＳ Ｈ４６００の１種、２種、３種または４種のチタンを用いることができる。

【0061】

表層梱包材５として用いるチタン材の形状は、チタン梱包体４の形状に依存する。このため、表層梱包材５は、特に定形はなく、例えば、板材、または管材である。ただし、チタン梱包体４の熱間加工性および冷間加工性を確保するとともに、チタン材１に優れた表面性状および延性、さらには曲げ性を具備させるためには、表層梱包材５に利用される板材の厚さまたは管材の肉厚を調整する必要がある。以下、表層梱包材５に利用される板材の厚さまたは管材の肉厚を、単に、「表層梱包材５の厚さ」という。

【0062】

表層梱包材５の厚さが０．５ｍｍ未満と薄い場合には、塑性変形に伴って熱間加工の途中で表層梱包材５が破断して真空が破れ、内部のチタン塊６の酸化を招く。また、チタン梱包体４の内部に満たされたスポンジチタンの起伏が表層梱包材５の表面に転写されて、熱間加工中にチタン梱包体４の表面で大きな表面起伏を生じる。これらの結果、製造されるチタン材１の表面性状、および延性などの機械的特性に悪影響を及ぼす。

【0063】

また、表層梱包材５が過度に薄くなると内部に満たされたスポンジチタンの重量を支え切れなくなる。その結果、室温、熱間保持、または加工中にチタン梱包体４の剛性が不足し、変形が生じる。したがって、表層梱包材５の厚さは、０．５ｍｍ以上とする。表層梱包材５の厚さは、１．０ｍｍ以上であるのが好ましく、２．０ｍｍ以上であるのがより好ましい。また、梱包材は溶接により組み立てて、チタン筐体またはチタン梱包体とする。溶接部の強度を確保するために、その厚さは７０ｍｍ以下とする。表層梱包材５の厚さは、３０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、または５．０ｍｍ以下としてもよい。

【0064】

なお、表層梱包材５の厚さが過剰であると、製造上の問題はないものの、コストの低減効果が得られにくくなる。そのため、表層梱包材５の厚さは、チタン梱包体４の全厚さの４０％以下または２０％以下とすることが好ましい。

【0065】

２−３．チタン塊６
チタン塊６の化学成分は、前記１−３で記載したチタン材１内層部３の化学成分と同じとする。チタン塊６には、Ｃｌを除き、ＪＩＳ Ｈ４６００の１種、２種、３種または４種として定められた成分範囲のチタン塊を用いることができる。その具体的な化学成分は、Ｏ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、およびＣｌ：０．０２０％超、０．６０％以下、Ｎ：０．０５０％以下、Ｃ：０．０８０％以下、およびＨ：０．０１３％以下とする。

【0066】

Ｏは、０．１５％以下、０．１０％以下、０．０５０％以下、０．０１０％以下、または０．００６％以下としてもよい。Ｆｅは、０．３０％以下、０．２０％以下、０．１０％以下、０．０７０％以下、または０．０５０％以下としてもよい。Ｃｌの下限は、０．０２５％、０．０３０％、０．０４０％、または０．０５０％としてもよく、Ｃｌの上限は、０．１５％、０．３５％、または０．５５％としてもよい。Ｎは、０．０４０％以下、０．０３０％以下、０．０１０％以下、０．００５％以下、または０．００１％以下としてもよい。Ｃは、０．０４０％以下、０．０２０％以下、０．０１０％以下、０．００７％以下、０．００５％以下、または０．００２％以下としてもよい。Ｈは、０．０１０％以下、０．００５％以下、０．００３％以下、または０．００２％以下としてもよい。

【0067】

これらの下限を特に定める必要はなく、それらの下限は０％である。化学組成を上記の範囲に制御することによって、熱間加工後の内層部３の化学組成を前述した範囲に調整することが可能となる。また、チタン塊６には、不純物として、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅに例示される元素が含まれてもよい。

【0068】

上述のように、本発明においては、廉価なチタン材１を製造するため、０．０２０％以上のＣｌが含まれる低純度のチタン塊６を原料として用いる。一方、チタン塊６のＣｌ含有量が０．６０％を超えると、チタン梱包体４の熱間加工性および冷間加工性が低下し、製造されるチタン材１の表面性状および機械的性質が劣化する。

【0069】

なお、チタン塊６としては、ａ．スポンジチタン、ｂ．スポンジチタンを圧縮して得られたブリケットから選択される１種以上を用いることができる。スポンジチタンは、従来のマグネシウムで還元されるクロール法等の製錬工程により製造された通常のスポンジチタンであり、例えば、ＪＩＳ Ｈ２１５１の１種Ｍ、２種Ｍ、３種Ｍ、または４種Ｍに相当する化学組成を有するスポンジチタンを用いることができる。

【0070】

スポンジチタンは、一般的にはフレーク状の形状で、その製造過程により大きさが異なるが、平均粒径で数十ｍｍ程度である。本発明では、スポンジチタンの平均粒径は３０ｍｍ以下であることが好ましい。これは、スポンジチタンの平均粒径が３０ｍｍより大きい場合、搬送時、またはチタン梱包体４の製造時に、取り扱いに問題を生じる場合があるためである。スポンジチタンの粒度は、３０ｍｍ以下であることが好ましい。

【0071】

一方、スポンジチタンの平均粒径が小さい場合には特性面では問題は生じないが、小さ過ぎると、表層梱包材５で形成されたチタン筐体に充填する際における粉塵の発生が問題となって作業に支障をきたすおそれがある。このため、スポンジチタンの平均粒径は１ｍｍ以上であることが好ましい。

【0072】

スポンジチタンは不定形であり、スポンジチタンを圧縮して得られたブリケットをチタン塊として用いると、ハンドリングが容易となるので、好ましい。圧延時のスラブ寸法（すなわち、チタン梱包体４の寸法）の制約等に基づき、予め準備していた金型に、原料とするスポンジチタンを投入し、所定の圧力で圧縮加工して、ブリケットを製造する。この際、スポンジチタンにチタンスクラップ等を混入してもよいが、チタン塊の成分変動がないように、事前によく混合しておくことが好ましい。

【0073】

２−４．表層部２の厚さと内層部３の厚さの比Ｘの決定方法
チタン梱包体４に対して熱間加工を施して製造されるチタン材１が上述した（ｉ）式を満足するためには、チタン梱包体４の寸法の調整が重要となる。このためには、まず（ｉ）式をもとに、チタン材１の表層部の厚さｔｓ、チタン材１の内層部の厚さｔｉとの比Ｘ（＝ｔｓ／ｔｉ）の目標値を決定することが、好ましい。その一例を、次に述べる。

【0074】

Ｘが満足すべき範囲は、下記（ｉｉ）式から算出できる。
Ｘ≧（Ｃｌ_Ｉ−０．０３）／０．０２・・・・・・・・・・（ｉｉ）
ただし、Ｘ＜０の場合、Ｘ＝０とする。

【0075】

梱包体を製作する際には、原料となるスポンジチタンのＣｌ量を測定する。チタン塊のＣｌ量は、チタン材１の内層部のＣｌ量と同じであるため、この測定したチタン塊のＣｌ量から、チタン材１の厚さ比Ｘの下限値を求めることができる。この下限値に加え、Ｃｌ量測定精度、チタン材１での表面疵などを踏まえた表層部の厚さの余裕代、製造時のばらつきなどを考慮して、目標のＸ値を決定する。

【0076】

２−５．チタン梱包体４の寸法の決定方法
目標のＸ値に基づきチタン梱包体４の寸法を決定する方法の一例を、下記に示す。まず、チタン材１の厚さをｔ、チタン材１の表層部の厚さをｔｓ、チタン材１の内層部の厚さをｔｉとすると、ｔは下記式となる。
ｔ＝２ｔｓ＋ｔｉ・・・・・・・・・（１）

【0077】

チタン材１の表層部と内層部の厚さ比をＸは、その定義から下記式となる。
Ｘ＝ｔｓ／ｔｉ・・・・・（２）
チタン材１の表層部の厚さｔｓおよび内層部の厚さｔｉは、（１）および（２）式から、それぞれ下記の式であらわされる。
ｔｓ＝Ｘ・ｔ／（２Ｘ＋１）・・・・・・・（３）
ｔｉ＝ｔ／（２Ｘ＋１）・・・・・・・・・・（４）

【0078】

熱間圧延後のチタン熱延材の厚さをｔ２とし、酸洗して表層の酸化層を片面あたり、厚さｔｅ分だけ除去した場合、酸洗後の熱延材の厚さｔ３は、下記の式となる。
ｔ３＝ｔ２−２ｔｅ・・・・・・・（５）

【0079】

過去の測定結果から酸洗後の熱延材と冷延材の空隙率は、ほぼ同一であるため、酸洗後の熱延材の表層部と内層部の厚さ比は、冷延材の厚さ比Ｘと同等となる。そこで、酸洗後の熱延材の表層部の厚さｔｓ３と内層部の厚さｔｉ３とは、酸洗後の熱延材全体の厚さをｔ３とすると下記の式となる。
ｔｓ３＝Ｘ・ｔ３／（２Ｘ＋１）・・・・・・・（６）
ｔｉ３＝ｔ３／（２Ｘ＋１）・・・・・・・・・（７）

【0080】

上記（６）式と（７）式から、酸洗前の熱延材の表層部の厚さｔｓ２と内層部の厚さｔｉ２は、下記となる。
ｔｓ２＝ｔｓ３＋ｔｅ
＝Ｘ・ｔ３／（２Ｘ＋１）＋ｔｅ・・・・・（８）
ｔｉ２＝ｔｉ３
＝ｔ３／（２Ｘ＋１）・・・・・・・・・・（９）

【0081】

（６）式と（７）式から、酸洗前の熱延材の表層部の厚さと内層部の厚さの比Ｚは、下記となる。
Ｚ＝ｔｓ２／ｔｉ２
＝｛Ｘ・ｔ３／（２Ｘ＋１）＋ｔｅ｝／｛ｔ３／（２Ｘ＋１）｝
＝Ｘ＋ｔｅ（２Ｘ＋１）／ｔ３・・・・・（１０）

【0082】

ここで、熱延材の酸洗による表層除去厚（ｔｅ）と、酸洗後の熱延材全体の厚さ（ｔ３）との比ｔｅ／ｔ３をαとすると、酸洗前の熱延材の表層部の厚と内層部の厚さの比Ｚは、下記式となる。
Ｚ＝Ｘ＋α（２Ｘ＋１）・・・・・・・・・（１１）

【0083】

熱延材の内層の空隙率は１％未満が多く、非常に低い。このため、工業的または実用的には空隙率を無視できる場合が多い。この場合、チタン梱包体４の梱包材の厚さＴｓと空隙を除いたチタン塊６の実質厚さＤの比Ｖ（＝Ｔｓ／Ｄ）は、酸洗前の熱延材の表層厚と内層厚の比Ｚとほぼ同じであるため、下記式が得られる。
Ｖ＝Ｚ
Ｔｓ／Ｄ＝Ｘ＋α（２Ｘ＋１）・・・・・・・（１２）

【0084】

上記（１０）式から、チタン梱包体の表層部の厚さ、つまり梱包材の厚さＴｓは下記により算出できる。
Ｔｓ＝｛Ｘ＋α（２Ｘ＋１）｝Ｄ・・・・・（１３）

【0085】

過去の測定結果からαは約０．０１程度であるため、工業的にはまたは実用上は、Ｔｓは下記式により算出できる。
Ｔｓ＝｛Ｘ＋０．０１（２Ｘ＋１）｝Ｄ・・・・・（１４）

【0086】

チタン梱包体４を製作する際には、空隙を除いたチタン塊６の実質厚さＤを予め決定しておけば、目標のＸ値からチタン梱包体４の表層部の厚さ（表層梱包材５の厚さ）Ｔｓを上記（１３）式または（１４）式を用いて算出することができる。

【0087】

実用上は、式（１４）の「０．０１（２Ｘ＋１）」の項をゼロと看做し、Ｔｓ＝Ｘ・Ｄと仮定し、目標のＸ値と、圧延時のスラブ寸法（すなわち、チタン梱包体４の寸法）の制約等から、空隙を除いたチタン塊６の実質厚さＤを仮決定する。

【0088】

この仮決定に基づき、梱包体に用いるチタン塊６を準備する。そのチタンの質量Ｗとチタン梱包体４の幅Ｂと長さＬの測定結果、およびチタンの密度ρ（＝４．５１ｇ／ｃｍ^２）から、下記式で最終的なＤ値を求めることができる。
Ｄ＝Ｗ／ＢＬρ・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）

【0089】

次に、得られたＤ値および目標とするＸ値から、チタン梱包体４の表層部の厚さ（表層梱包材５の厚さ）Ｔｓを決定する。

【0090】

なお、この際、目標となるＸ値を、原料となるスポンジチタンのＣｌ量の測定結果からチタン塊６のＣｌ量を予測していた場合、製作したチタン塊６の塩素量を測定し、（ｉｉ）式を満たしていることを確認することが、好ましい。必要に応じて、チタン梱包体４の表層部の厚さ（表層梱包材５の厚さ）Ｔｓを、（ｉｉ）式を満たすように、変更する。

【0091】

板厚ｔ＝１ｍｍ、Ｘ＝ｔｓ／ｔｉ＝０．３／０．４＝０．７５のチタン材を製造する場合の梱包材の寸法を計算する。

【0092】

チタン塊を準備し、式（１５）から、そのＤを測定すると、Ｄ＝１７．１６ｍｍであった。同時に、Ｔｉも測定したが、４８．４ｍｍであった。参考までに、式（１６）に基づいて空隙率Ｐを計算すると、１−１７．１６／４８．４＝０．６５つまり６５％であった。
Ｄ＝Ｔｉ（１−Ｐ）・・・・・・・・・・・・・・・・（１６）

【0093】

式（１４）により、チタン梱包材の厚さＴｓを算出すると
Ｔｓ＝（０．７５＋０．０１（１＋２×０．７５））×１７．１６＝１３．３ｍｍ
つまり、Ｔｓ＝１３．３ｍｍとなった。Ｔｉ＝４８．４ｍｍであり、Ｔ＝１３．３×２＋４８．４＝７５ｍｍ厚の梱包体となる。

【0094】

３．製造方法
本発明の一実施形態に係るチタン梱包体４およびチタン材１の製造方法の一例について説明する。なお、以下の説明においては、板状のチタン材１の製造方法を一例として用いているが、これに限定されるものではない。

【0095】

３−１．チタン梱包体４の製造方法
まず、チタン筐体の底面、および側面に相当する部分を、図６に示すように、５枚のチタン板（表層梱包材）を用いて箱型に組み立て、上面のみが開口した状態とする。そして、チタン筐体の内部に、スポンジチタンおよび／または予めスポンジチタンを圧縮成形したブリケットを充填し、その後、チタン筐体の上面に当たるチタン板（表層梱包材）を上から被せ、仮組みする。なお、上記の例では、チタン筐体は箱型であるが、形状は制限されず、管状などであってもよい。

【0096】

続いて、仮組されたチタン筐体を真空チャンバー内に収納し、チャンバー内の真空度を１０Ｐａ以下に減圧した後、継ぎ目部分を溶接し、チタン梱包体４とする。また、スポンジチタンとしては、クロール法の製錬工程により製造される通常のスポンジチタンを用いる。ただし、スポンジチタン中のＣｌ含有量が上述の規定範囲内になるよう調整する必要がある。

【0097】

クロール法で製造されるスポンジチタンは、四塩化チタンをＭｇで還元することにより製造される。この還元により生成されるＭｇＣｌ_２は、次工程の真空分離工程により除去される。しかしながら、巨大な塊状のスポンジチタンの素材を処理する場合、ＭｇＣｌ_２は完全には除去されず、不可避的な不純物として一部、破砕後のスポンジチタン内に残存する。スポンジチタンのＣｌ含有量が上述の規定範囲を超える場合には、例えば、以下に記載の真空再分離処理を行うことができる。

【0098】

真空再分離処理は、真空度１．３Ｐａ以下（より好ましくは、１．３×１０^−２Ｐａ以下）の真空環境で９００〜１２００℃で保持する真空雰囲気下での熱処理であり、この熱処理時間は所望のＣｌ含有量や原料スポンジチタンのＣｌ含有量に応じて調整できる。例えば、Ｃｌ含有量が０．０５％以下のスポンジチタンを得る場合には、１．３×１０^−２Ｐａ以下の真空中で４０時間以上、加熱するのが好ましい。

【0099】

チタン筐体の継ぎ目部分を溶接する方法は、特に限定されない。例えば、ＴＩＧ溶接、もしくはＭＩＧ溶接等のアーク溶接、電子ビーム溶接、またはレーザー溶接等でもよい。ただし、溶接雰囲気は、チタン塊６、および表層梱包材５の表面が酸化または窒化されないように、真空雰囲気、または不活性ガス雰囲気で溶接を行う。

【0100】

３−２．チタン材１の製造方法
上述のチタン梱包体４に対して、熱間圧延を行うことによって板状のチタン材１が得られる。なお、板状のチタン材１を得る場合には、熱間圧延を行うが、丸棒状または線材状のチタン材１を得たい場合には、熱間押し出し加工などを施せばよい。

【0101】

熱間圧延後には、必要に応じて表面の酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、より薄く加工してもよい。

【0102】

熱間加工時の加熱温度は、鋳造によって作成された従来のチタンスラブ、またはビレットを熱間加工する場合と同様の加熱温度とすればよい。チタン梱包体４の大きさ、または加工率によって異なるが、上記加熱温度は、６００〜１２００℃とすることが好ましい。

【0103】

上記加熱温度が低過ぎると、チタン梱包体４の高温強度が高過ぎるため、熱間加工中に割れの原因となる。加えて、チタン塊６と表層梱包材５との接合が不十分になる。一方、上記加熱温度が高過ぎると、得られたチタン材１の組織が粗くなり、十分な機械的特性を得られない。加えて、酸化により表層梱包材５が減肉される。また、熱間加工率は、スポンジチタン同士を結合させ、空隙を少なくして十分な機械的特性を確保するために、５０％以上とすることが好ましい。

【0104】

一方、空隙の増加は軽量化の一助となるため、強度、または延性などの機械的特性が許容される範囲内でチタン材１に空隙を含有させることも可能である。この際の熱間加工率は、所望の機械的特性との兼ね合いで選択することができる。この際、熱間加工率は３０％以上、５０％以下であるのが好ましい。

【0105】

熱間加工に続いて、必要に応じて冷間加工を行う際は、最終製品の形状に応じて適切な冷間加工率を選択できる。この際、冷間加工率は３０％以上９５％以下であるのが好ましい。冷間加工率は、９６％、９８％以下でもよい。

【0106】

熱間加工および冷間加工後にさらに焼鈍を行ってもよい。上記焼鈍は、真空中または不活性ガス雰囲気で、５００〜８５０℃の温度とすることが好ましく、必要とされる機械特性に応じて焼鈍時間を選択することができる。

【0107】

なお、熱間加工または冷間加工の際の加工率は、加工前と加工後との断面積の差を、加工前の断面積で除した割合（百分率）であり、加工前の断面積をＡ_Ｂ、加工後の断面積をＡ_Ａ、としたとき、以下のように定義される。なお、この際の断面積とは、加工（圧延）方向に垂直な断面の断面積のことである。
加工率（％）＝（Ａ_Ｂ−Ａ_Ａ）／Ａ_Ｂ×１００

【0108】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0109】

［試験材作製工程］
チタン筐体に、クロール法により製造したＣｌ含有量が異なるスポンジチタン（Ｃｌ：０．０２１〜０．５０２％、平均粒径：０．２５〜１９ｍｍ）を充填した。ここで、厚さ０．６〜３６ｍｍのチタン板（ＪＩＳ１種）を用いて、厚さ７５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１２０ｍｍの直方体状のチタン筐体を製作した。

【0110】

以下、詳細を説明する。チタン梱包体の作製に際して、まず、５枚のチタン板（表層梱包材）を組み立てて、上面に開口部を有する箱形状とした後、この中にスポンジチタンを充填し、開口部をもう一枚のチタン板（表層梱包材）により蓋をしてチタン筐体として仮組みした。

【0111】

仮組みされたチタン筐体を、真空チャンバー内に収容して内部の真空度を８．２×１０^−３〜１．１×１０^−１Ｐａに減圧した後、チタン筐体の継ぎ目を全周電子ビームにより溶接して密封して、チタン梱包体とした。

【0112】

次に、このチタン梱包体を大気雰囲気下で８５０℃に加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ５ｍｍの熱延板とした。この後、ショットブラストおよび硝ふっ酸を用いて、熱延板の表裏面とも片面あたり約５０μｍ（両面で１００μｍ）を除去する酸洗処理（デスケーリング処理）を行った。

【0113】

さらに、熱延板に冷間圧延を行い、厚さ１ｍｍのチタン板とした。その後、焼鈍処理として、真空、または不活性ガス雰囲気中で６７０℃まで加熱し、１８０分間保持する熱処理を行うことにより、チタン材を作製した。試験番号１を例により詳しく説明する。

【0114】

試験番号１では、スポンジチタンのＣｌ量の分析結果０．０２３％から、Ｘの下限値０を算出した。チタン材の厚さは１ｍｍであり、表面疵等の発生等を考慮し、目標Ｘ値を０．７５とした。この目標Ｘ値とスラブ寸法等の制約から、空隙を除いたチタン塊の実質厚さＤの狙い値１７．２ｍｍと、表層梱包材の厚さＴｓの狙い値１３．３ｍｍを仮決定した。チタン塊の実質厚さＤからチタン塊の重量を、チタン筐体にスポンジチタンを充填した時の空隙率からチタン筐体の必要容積を算出して、チタン筐体内（チタン梱包体内）の厚さは４８．４ｍｍとした。このチタン塊とチタン板を用いて、厚さ７５ｍｍのチタン梱包体を製作した。熱間圧延および冷間圧延等を行って製造されたチタン材の表層部と内層部の厚さを測定した。それぞれ０．３０３ｍｍ、０．３９８ｍｍとなり、Ｘ値は０．７６となった。目標Ｘ＝０．７５にほぼ近いチタン材が製造できたことを確認した。

【0115】

なお、試験番号１５においては、チタン梱包体を作製するに際して、下面と上面とで厚さを変え、チタン材の２つの表層部の厚さがそれぞれ０．２４ｍｍおよび０．３３ｍｍになるようにした。

【0116】

［化学組成］
表層部および内層部の化学組成は、ＪＩＳ Ｈ １６１２（１９９３）、ＪＩＳ Ｈ １６１４（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１５（１９９７）、ＪＩＳ Ｈ １６１７（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１９（２０１２）、ＪＩＳ Ｈ １６２０（１９９５）に準拠して測定した。なお、この際、表層部または内層部の厚さが０．２〜０．１ｍｍの場合、その部分の化学組成は、切削等で加工して得た切粉等を用いて分析を行った。表層部または内層部の厚さが０．１ｍｍ未満の場合、チタン材の全体の化学成分の分析結果と、厚い方（内層部または表層部）の化学成分の分析結果から、当該部分の化学成分を算出した。

【0117】

［厚さ測定］
表層部および内層部の厚さは、光学顕微鏡によるミクロ組織観察により測定を行なった。まず、作製したチタン材の断面を観察できるように樹脂に埋め込み、研磨・腐食した後に、光学顕微鏡写真を撮影した。図２に示したように、表層部および内層部には、境界線がはっきりと観察できる。加えて、結晶粒径の差等により、腐食後の濃淡に差がみられるため、これにより境界を判別することもできる。

【0118】

無作為に選んだ２０箇所の断面写真から表層部と内層部の厚さを測定して、各部の平均値を求め、測定した表層部および内層部の平均厚さから、表層部の厚さ／内層部の厚さを算出した。

【0119】

［空隙率］
チタン材の内層部の空隙率は、次のように求めた。まず、内層部の板厚中心部から観察用試料を切り出した。そして、チタン材の長手方向に垂直な断面が観察面となるように、切り出された観察用試料を樹脂に埋め込んだ後、ダイヤモンドまたはアルミナ研濁液を用いてバフ研磨して鏡面化仕上げした。そして、鏡面化仕上げした観察面の光学顕微写真を撮影した。

【0120】

撮影した光学顕微鏡写真に含まれる空隙部分の面積を測定し、それを撮影視野全体の面積で除することで、空隙率を求めた。この際、光学顕微鏡による撮影は、観察面積が合計で０．３ｍｍ^２以上（倍率５００倍の光学顕微鏡写真で２０視野以上）になるように行い、それらの平均値を採用した。

【0121】

［機械的特性］
作製したチタン材から、圧延方向に平行部１２．５×６０ｍｍ（厚さ＝板厚）、標点間５０ｍｍ、チャック部２０ｍｍ幅、全長１５０ｍｍの引張試験材（ＪＩＳ１３Ｂ引張試験片）を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）（金属材料引張試験方法）に従って平板引張試験を行い、全伸びにより延性を評価した。なお、本実施例においては、全伸びが２０％以上である場合に、延性に優れると判断することとした。

【0122】

また、作製した厚さ１ｍｍのチタン材から、圧延方向に平行に幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの短冊状試験片を切り出して、ＪＩＳ Ｚ ２２４８（２０１４）（金属材料曲げ試験方法）に従って平板１８０°曲げ試験（曲げ内側の直径は板厚）を行い、割れの有無により曲げ性を評価し、割れの無いものを“○”とし、割れの有るものを“×”とした。

【0123】

以上の結果を表１および２に示す。

【0124】

【表1】

【0125】

【表2】

【0126】

表１および２における試験番号１〜１５は、本発明で規定する条件を全て満足する本発明例である。試験番号１〜１５は、いずれも、内層部のＣｌ含有率が０．６０％以下であり、かつ（ｉ）式を満足し、さらに空隙体積率３０％以下を満たすため、延性および曲げ性に優れる結果となった。

【0127】

一方、試験番号１６〜３７は、本発明で規定する条件を満足しない比較例である。これらの比較例は、内層部のＣｌ含有率は０．６０％以下であるものの、（ｉ）式を満足していないため、延性または曲げ性に劣る結果となった。

【0128】

図７に、曲げ性について、本発明例を○、比較例を×として示す。本発明例は、内層部の塩素濃度が高くても、良好な曲げ性を有している。このように、表層部厚さと内層部厚さを適切に制御することにより、Ｃｌに起因する機械的特性の劣化を防止している。

【実施例2】

【0129】

［試験材作製工程］
チタン筐体に、クロール法により製造したスポンジチタン（Ｃｌ：０．０２５％、平均粒径＝０．２５〜１９ｍｍ）を充填した。また、表層梱包材として、厚さ４．０ｍｍのチタン板（ＪＩＳ１種）を用いて、実施例１と同様の製造方法で、厚さ３９〜１４８ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１２０ｍｍのチタン梱包体を製作した。

【0130】

次いで、このチタン梱包体４を大気雰囲気下で８５０℃に加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ２０ｍｍの熱延板とした。この後、ショットブラストおよび硝ふっ酸を用いて、熱延板の表裏面とも片面あたり約５０μｍ（両面で１００μｍ）を除去するデスケーリング処理を行い、チタン材を製作した。

【0131】

この後、実施例１と同様の評価方法で、表層部および内層部の化学組成、厚さおよびチタン材の機械的特性を調査した。なお、本実施例においては、全伸びが２０％以上である場合に、延性に優れると判断することとした。さらに、チタン材の表面性状を目視により観察して、表面割れの有無を評価し、割れの無いものを“○”とし、割れの有るものを“×”とした。なお、ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２）では、板厚５ｍｍ以上のチタン材に対して、曲げ試験は必要とされておらず、本実施例では曲げ試験は行わなかった。

【0132】

以上の結果を表３および４に示す。

【0133】

【表3】

【0134】

【表4】

【0135】

表３および４における試験番号３８〜４２は、本発明で規定する条件を全て満足する本発明例である。試験番号３８〜４２は、内層部のＣｌ含有率が０．６０％以下であり、かつ（ｉ）式を満足し、さらに空隙体積率３０％以下を満たすため、表面性状が良好であるとともに、延性に優れる結果となった。

【実施例3】

【0136】

［試験材作製工程］
クロール法により製造したスポンジチタン（Ｃｌ：０．０２８〜０．０５２％、平均粒径＝０．２５〜１９ｍｍ）を金型に入れて圧縮プレスして、かさ密度３．２ｇ／ｃｍ^３のブリケットに成形した。

【0137】

これらのブリケットを直方体形状に切断加工後、厚さ１０ｍｍのチタン板（ＪＩＳ１〜４種）で梱包し、次いで、実施例１と同様の製造方法で、厚さ２８〜８４ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１２０ｍｍのチタン梱包体を作製した。

【0138】

次いで、チタン梱包体を、実施例１と同様の製造方法で、熱間圧延、デスケーリング、冷間圧延、および焼鈍処理を行い、チタン材を作製した。

【0139】

試験番号５５に関しては、表層梱包材の１枚に事前に端部に穴をあけて銅管をろう溶接した。梱包体全体を組み立てて、Ａｒガス雰囲気中で表層梱包材の継ぎ目を全周アーク溶接してチタン梱包体を組みたてた。その後、銅管を通してチタン梱包体の内部の真空度を１５Ｐａに減圧した後、銅管を密閉してチタン梱包体を作製した。その後は、上記実施例と同様に熱延、冷延を行い、チタン材を得た。

【0140】

この後、実施例１と同様の評価方法で、表層部および内層部の化学組成、厚さおよびチタン材の機械的特性を調査した。なお、本実施例においても、全伸びが２０％以上である場合に、延性に優れると判断することとした。さらに、チタン材の表面性状を目視により観察して、表面割れの有無を評価し、割れの無いものを“○”とし、割れの有るものを“×”とした。

【0141】

以上の結果を表５および６に示す。

【0142】

【表5】

【0143】

【表6】

【0144】

表５および６における試験番号４３〜５０は、本発明で規定する条件を全て満足する本発明例である。試験番号４３〜５０は、内層部のＣｌ含有率が０．６０％以下であり、かつ（ｉ）式を満足し、さらに空隙体積率３０％以下を満たすため、表面性状が良好であるとともに、延性に優れる結果となった。

【0145】

試験番号５１〜５４は、内層部のＣｌ含有率は０．６０％以下であるものの、（ｉ）式を満足していないため、曲げ性に劣る結果となった

【0146】

試験番号５５は、表面性状は良好であったものの、内層部が一部で酸化しておりＯ含有量が規定から外れたため、延性が低く、曲げ性が劣る結果となった。

【0147】

以上のように、本発明に係るチタン材は、優れた表面性状、伸び、および曲げ性を具備しており、高い変形能を要求される部材、例えば、屋根瓦等に用いるのに好適である。

【符号の説明】

【0148】

１ チタン材
２ 表層部
３ 内層部
４ チタン梱包体
５ 表層梱包材
６ チタン塊

【要約】

内層部３と内層部３に接合された表層部２とを有し、表層部２の化学組成が、質量％で、Ｏ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５％以下、Ｃｌ：０．０２０％以下、残部：Ｔｉおよび不純物であり、内層部３の化学組成が、質量％で、Ｏ：０．４％以下、Ｆｅ：０．５％以下、Ｃｌ：０．０２０％超、０．６０％、残部：Ｔｉおよび不純物であり、内層部３は空隙を有し、チタン材１の長手方向に垂直な断面での、内層部３中での空隙の面積率が、０％超、３０％以下であり、内層部３のＣｌ含有量（Ｃｌ_Ｉ）、表層部２の厚さ（ｔ_Ｓ）および内層部３の厚さ（ｔ_Ｉ）が［Ｃｌ_Ｉ≦０．０３＋０．０２×ｔ_Ｓ／ｔ_Ｉ］を満足する、チタン材１。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】