DE60203581T2

DE60203581T2 - Alfa-beta Titanlegierung

Info

Publication number: DE60203581T2
Application number: DE60203581T
Authority: DE
Inventors: Soichiro Takasago-shi Kojima; Hideto Takasago-shi Oyama
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: US6849231B2; US20030098099A1; EP1308528B1; EP1308528A1; DE60203581D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Titanlegierung, die aufgrund ihrer geringen Fließspannung bei höheren Temperaturen hohe Festigkeit im Verarbeitungs-Temperaturbereich aufweist und in der Warmverarbeitbarkeit ausgezeichnet ist. Die Titanlegierung kann weitestgehend auf den Gebieten von z.B. der Luftfahrtindustrie, der Kraftfahrzeugindustrie und der Schiffsindustrie verwendet werden, wobei von ihrer hohen Festigkeit und ausgezeichneten Warmverarbeitbarkeit profitiert wird.
Titanlegierungen vom α-β-Typ, vertreten durch eine Ti-6Al-4V-Legierung, weisen ein geringes Gewicht auf und haben eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Aus diesem Grund wurden die Legierungen positiv als Konstruktionsmaterialien, Mantelbleche und dergleichen verwendet, wobei sie auf verschiedenen Gebieten der Luftfahrt-, Kraftfahrzeug- und Schiffsindustrie und anderen Industrien als Alternativen für Stahlmaterialien dienen.
Die Titanlegierungen mit hoher Festigkeit sind allerdings aufgrund ihrer hohen Fließspannung im α-β-Temperaturbereich, d.h. in dem Warmverarbeitungsbereich, in ihrer Schmiedbarkeit und ihrer sekundären Verarbeitbarkeit nachteilig, was eine große Hürde für ihre weitere Verbreitung darstellt. Aus diesem Grund wird die Zahl der Verarbeitungsschritte und die Zahl der Erwärmungsschritte während der Warmverarbeitung erhöht, sodass bei Einbuße an Produktausbeute ein genügender Metallüberschuss vorliegt. Unter solchen Umständen wird Warmverarbeitung tatsächlich ausgeführt. Selbst wenn Warmpressformen ausgeführt wird, wird die begrenzte Höhe des anwendbaren Pressvermögens akzeptiert. Auch wenn eine Legierung zu einer Stabform oder einer linearen Form warmgewalzt wird, tritt, wenn Hochgeschwindigkeitswalzen ausgeführt wird, außerdem aufgrund der hohen Fließspannung eine hohe Arbeitswärmeerzeugung auf, die Strukturmängel hervorruft. Daher muss man die Legierung bei geringer Geschwindigkeit walzen, was eine hohe Hürde bei der Produktivitätssteigerung darstellt.
EP 0 969 109 A1 beschreibt eine Titanlegierung vom α-β-Typ mit hoher Festigkeit und Duktilität, umfassend mindestens ein isomorphes, β-stabilisierendes Element in einer Mo-Äquivalenz von 2,0–4,5 Masse-%, mindestens ein eutektisches β in einer Fe-Äquivalenz von 0,3–2,0 Masse-% und Si in einer Menge von 0,1–1,5 Masse-% und gegebenenfalls umfassend C in einer Menge von 0,01–0,15 Masse-%.
Im Hinblick auf die vorstehend genannten Umstände wurde die vorliegende Erfindung ausgeführt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Titanlegierung bereitzustellen, die bei gewöhnlicher Temperatur eine Festigkeit äquivalent zu oder jene einer Ti-6Al-4V-Legierung übersteigend, die weitestgehend als hochfeste Titanlegierung derzeit verwendet wird, aufweist und in der Warmverarbeitung einschließlich Warmschmiedbarkeit und der anschließenden sekundären Verarbeitbarkeit ausgezeichnet ist und folglich in der Lage ist, Warmverarbeiten zu einer gewünschten Form bei geringen Kosten und mit Effizienz unterzogen zu werden. Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Titanlegierung vom α-β-Typ bereit, bestehend aus Al in einer Menge von 3,0 bis 7,0 Masse-%, C in einer Menge von 0,08 bis 0,25 Masse-% und als ein β-Stabilisator, Cr in einer Menge von 2,0 bis 6,0 Masse-% und Fe in einer Menge von 0,3 bis 2,0 Masse-%, mit der Maßgabe einer Mo-Äquivalenz von 3,25 bis 10 Masse-%, wobei Mo-Äquivalenz = Mo (Masse-%) + (1/1,5) V (Masse-%) + 1,25 Cr (Masse-%) + 2,5 Fe (Masse-%) und gegebenenfalls Sn in einer Menge von 1 bis 5 Masse-%, Zr in einer Menge von 1 bis 5 Masse-% und Si in einer Menge von 0,2 bis 0,5 Masse-%, wobei der Rest Ti und übliche Verunreinigungen sind, wobei die maximale Teilchengröße von TiC, welches in der Titanlegierungsmatrix vorliegt, nicht mehr als 15 μm beträgt und das Flächenverhältnis des TiC nicht mehr als 3% beträgt.
Das Verhältnis zwischen der Zugfestigkeit bei 25°C nach Rühren bei 700°C und die Fließspannung nach einem Greeble-Test bei 850°C ist nicht geringer als 9.
In der erfindungsgemäßen Titanlegierung vom α-β-Typ ist es erwünscht, dass die Zugfestigkeit 500°C nach Glühen bei 700°C nicht geringer als 45% der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von 25°C ist.
Eine wünschenswerte Zusammensetzung der Titanlegierung vom α-β-Typ der vorliegenden Erfindung schließt außerdem zusätzlich zu 0,08 bis 0,25 Masse-% C, Al in einer Menge von 4 bis 5,5 Masse-% und einen β-Stabilisator in einer für eine Zugfestigkeit bei 25°C nach Glühen bei 700°C von nicht weniger als 895 MPa ausreichenden Menge ein.
Wenn die gewünschte Ausführungsform der Titanlegierung vom α-β-Typ der vorliegenden Erfindung von einem anderen Gesichtspunkt definiert wird, ist die peritektische Reaktionstemperatur in einem pseudobinären System-Phasendiagramm der Titanlegierung als ein Grundmaterial und C mehr als 900°C.
In der Titanlegierung vom α-β-Typ der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, dass die Menge an C, die in der Legierung enthalten ist, nicht weniger als die Löslichkeitsgrenze in der β-Phase bei der peritektischen Reaktionstemperatur in dem pseudobinären System-Phasendiagramm der Titanlegierung als ein Grundmaterial und C und weniger als die Menge an C in der peritektischen Zusammensetzung beträgt.
Mit der vorstehend genannten Konfiguration ist es möglich, eine Titanlegierung zu implementieren, die sowohl hohe Festigkeit bei üblicher Temperatur als auch ausgezeichnete Warmverarbeitbarkeit aufweist.
Gemäß der Erfindung ist die maximale Teilchengröße von TiC, das in einer Titanlegierungsmatrix vorliegt, nicht mehr als 15 μm und das Flächenverhältnis von dem TiC ist nicht mehr als 3%. Im Ergebnis ist es möglich, günstige Ermüdungseigenschaften zu verleihen.
Eine solche Titanlegierung vom α-β-Typ mit günstigen Ermüdungseigenschaften kann in nachstehender Weise implementiert werden. Beispielsweise wird vor dem Glühen bei 700 bis 900°C Warmverarbeitung derart ausgeführt, dass die gesamte Erwärmungszeit bei 900°C für die peritektische Reaktionstemperatur nicht weniger als 4 Stunden beträgt und derart, dass die Gesamtverringerung nicht weniger als 30% ist.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung verständlicher.
1 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen der Testtemperatur und der Zugfestigkeit (und der Fließspannung) von Titanlegierung hoher Festigkeit der vorliegenden Erfindung und einer üblichen Legierung zeigt.
2 ist ein erläuterndes Schema, das die Geometrie eines Teststücks zum Messen der Fließspannung bei einem hohen Temperaturbereich zeigt.
3 ist eine Kurve, die die Wirkung des C-Gehalts auf das Verhältnis (A/B) zwischen der Festigkeit bei Raumtemperatur und der Fließspannung bei hoher Temperatur nach Verstrecken in der Titanlegierung hoher Festigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Querschnitts-EPMA-Photographie einer Titanlegierung hoher Festigkeit mit einem TiC Flächenverhältnis von 0%.
5 ist eine Querschnitts-EPMA-Photographie einer Titanlegierung hoher Festigkeit mit einem TiC-Flächenverhältnis von 3%.
6A und 6B sind Kurven, die jeweils das Verhältnis zwischen der Menge eines zuzugebenden β-Stabilisators und der Zugfestigkeit zeigt.
7 ist ein Diagramm, das schematisch das binäre System-Phasendiagramm einer Titanlegierung und C zeigt.
8 ist ein Diagramm, das schematisch das Verhältnis zwischen der Menge von C in einer festen Lösung, in der Titanlegierung und der Zugfestigkeit zeigt.
Im Hinblick auf die bereits ausgeführten Probleme auf dem Fachgebiet haben die Erfinder Untersuchungen in nachstehender Weise ausgeführt, die insbesondere auf die Titanlegierungszusammensetzung zur Entwicklung einer Titanlegierung gerichtet sind, die sowohl in der Festigkeit als auch in der Warmverarbeitung ausgezeichnet ist. Während die Legierung eine Festigkeit bei üblicher Temperatur äquivalent oder übersteigend jene einer Ti-6Al-4V-Legierung, die weitestgehend als Titanlegierung hoher Festigkeit derzeit verwendet wird, aufweist und ausreichende Festigkeit auch in der Nähe von etwa 500°C gewährleistet, welches die allgemeine obere Arbeitstemperaturgrenze ist, wird die Fließspannung bei hohen Temperaturen von nicht weniger als etwa 800°C, bei der Warmverarbeitung für eine allgemeine Titanlegierung vom α-β-Typ schwierig auszuführen ist, vermindert, sodass die Warmverarbeitbarkeit verbessert ist.
Im Ergebnis fanden sie Nachstehendes. Wenn die Art und der Gehalt von jedem der Legierungselemente günstig, wie nachstehend beschrieben, kontrolliert wird, ist es möglich, eine Titanlegierung zu erhalten, die eine ausgezeichnete Warmverarbeitbarkeit aufweist, während sie einer Festigkeit äquivalent, gleich oder übersteigend jene von der Ti-6Al-4V-Legierung in dem Betriebstemperaturbereich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 500°C aufweist. Folglich haben sie die vorliegende Erfindung ausgeführt.
Eine solche Titanlegierung mit sowohl hoher Festigkeit als auch ausgezeichneter Warmverarbeitung kann hauptsächlich durch geeignetes Auswählen und Kontrollieren der Art und der Menge von jedem der Legierungselemente, wie nachstehend beschrieben, erhalten werden. Die Unterscheidbarkeit der Titanlegierung der vorliegenden Erfindung, die bei den bereits bestehenden Titanlegierungen nicht beobachtbar ist, wird als das Verhältnis der Festigkeit bei üblicher Temperatur und der Fließspannung nach einem Greeble-Test unter Hochtemperaturbedingungen ausgedrückt. Die Titanlegierung der vorliegenden Erfindung ist daher dadurch gekenn zeichnet, dass das Verhältnis von A/B 9 oder mehr ist, wobei A die Zugfestigkeit bedeutet (der Wert ermittelt gemäß ASTM E8) bei Raumtemperatur (25°C) der Legierung, die erhitzt und für 2 Stunden bei 700°C geglüht wurde, gefolgt von natürlichem Luftkühlen und B die Fließspannung bedeutet (der Wert erhalten durch Division der maximalen Belastung in einem Greeble-Test bei einer Verformungsgeschwindigkeit bzw. Strain-rate von 100/s für eine Fläche des Parallelteils vor dem Zugtest, unter der Annahme, dass ein Zugtestteil in einer solchen Weise verformt wird, dass die Länge des parallelen Teils davon gleichförmig verändert wird), wenn die Titanlegierung unter einer Luftatmosphäre für 5 Minuten auf 850°C erhitzt wurde, sofort gefolgt von einem Greeble-Test bei einer Verformungsgeschwindigkeit von 100/s.
1. ist eine Kurve zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Testtemperatur und der Zugfestigkeit und der Fließspannung nach einem Greeble-Test für jede der Titanlegierungen (1) und (2), erhalten in den nachstehenden Versuchsbeispielen, eine Ti-6Al-4V-Legierung (übliche Legierung) (4), die eine typische, übliche Titanlegierung hoher Festigkeit ist und eine Legierung vom JIS Typ 2 (reines Titan) (5). Es wird angemerkt, dass die Zugfestigkeit bei Temperaturen zwischen gewöhnlicher Temperatur (25°C) und 500°C gemäß ASTM E8 ermittelt werden und dass der Fließspannungswert bei Temperaturen zwischen 700°C und 950°C den Wert bedeutet, der durch einen Greeble-Test bei einer Verformungsgeschwindigkeit von 100/s bestimmt wird.
Wie aus dieser Figur hervorgeht, sind alle Titanlegierungen (1) und (2), die übliche Legierung (4) und reines Titan (5) nicht unterschiedlich voneinander, indem sie bei einem Anstieg in der Testtemperatur in der Festigkeit vermindert werden (Fließspannung). Außerdem wird keine hohe Differenz in der Festigkeitsverminderungsneigung bei einem Temperaturbereich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 500°C (d.h., der tatsächliche Betriebstemperaturbereich) zwischen der üblichen Legierung (4), hergestellt aus Ti-6Al-4V, welche eine typische Titanlegierung hoher Festigkeit ist, und den Titanlegierungen (1) und (2) beobachtet.
Der Vergleich in der Fließspannung bei dem Warmverarbeitungstemperaturbereich, insbesondere in dem α-β-Temperaturbereich von 800–950°C, zeigt allerdings da zwischen Nachstehendes an. Die übliche Legierung (4) hält eine beträchtlich hohe Festigkeit (Fließspannung). Im Gegensatz dazu zeigen die Titanlegierungen (1) und (2) jeweils eine stark verminderte Festigkeit (Fließspannung). Dies zeigt Nachstehendes an. Die Titanlegierungen (1) und (2) zeigen hohe Festigkeit bei dem Betriebstemperaturbereich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 500°C und zeigen ausgezeichnete Warmverarbeitbarkeit, aufgrund ihrer beträchtlich verminderten Fließspannung, wegen einer deutlichen Verminderung in der Festigkeit in dem Warmverarbeitungstemperaturbereich.
In der vorliegenden Erfindung werden die Eigenschaften der ausgezeichneten Hochtemperaturfestigkeit mit Temperaturen von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 500°C und der geringen Fließspannung in dem Warmverarbeitungstemperaturbereich (d.h. ausgezeichnete Warmverarbeitung) zum Quantifizieren als die Eigenschaften, die bei bestehenden Titanlegierungen nicht beobachtet werden, sind wie nachstehend definiert. Die Legierung mit solchen Eigenschaften ist jene mit einem Verhältnis von „A/B ≥ 9 oder mehr", wobei A bedeutet [die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (25°C) der Legierung, die erhitzt wurde und bei 700°C für zwei Stunden gekühlt wurde, gefolgt von natürlicher Luftkühlung] und B bedeutet [Fließspannung, wenn die Legierung in einer Luftatmosphäre 850°C für 5 Minuten erhitzt wurde und unmittelbar danach einem Greeble-Test mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 100/s unterzogen wurde]. In der vorliegenden Erfindung hat die Legierung ein A/B von vorzugsweise 10 oder mehr und bevorzugter 12 oder mehr.
Der Wert von A/B, ermittelt durch die vorangehende Messmethode von der Ti-6Al-4V-Legierung (übliche Legierung) (4), welche eine typische Hochfestigkeitstitanlegierung vom α-β-Typ ist, ist [994/319 = 3,1], wie aus Tabelle 3 hervorgeht und unterschreitet größtenteils das Erfordernis von „A/B ≥ 9", das in dieser Erfindung definiert ist.
Es wird angemerkt, dass die Eigenschaften von reinem Titan vom JIS Typ 2 (5), welches einfacher warm zu verarbeiten ist, verglichen mit der üblichen Titanlegierung, auch zusammen in 1 und Tabellen 1 bis 3 zu Vergleichszwecken dargestellt sind.
Die erfindungsgemäße Titanlegierung hoher Festigkeit wird daher durch die Festigkeitseigenschaft von „A/B ≥ 9" gegenüber vorhandenen Titanlegierungen gekennzeichnet und ist somit eine neue Titanlegierung hoher Festigkeit, die von bekannten Titanlegierungen deutlich unterscheidbar ist. In Anbetracht der ausgezeichneten Festigkeitseigenschaft und Warmverarbeitbarkeit hat die erfindungsgemäße Titanlegierung außer der Stabilität in der Strukturkontrolle während der Warmverarbeitung oder dergleichen hohe Festigkeit zusätzlich zu den vorstehend genannten Festigkeitseigenschaften von „A/B ≥ 9" nachstehende Eigenschaften:

(1) Die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (25°C) nach Glühen bei 700°C ist 895 MPa oder mehr. Diese Eigenschaft ist die gewünschte Eigenschaft zur deutlicheren Definition des Rangs als Titanlegierung hoher Festigkeit. Sie wird als die Bedingung definiert, die den Eigenschaften äquivalent jenen der vorhandenen Legierungen genügt, aufgrund der Tatsache, dass der untere Grenzwert der Festigkeit, spezifiziert unter dem ASTM-Standard der Ti-6Al-4V-Legierung, die die vorstehend genannte typische Titanlegierung hoher Festigkeit darstellt, 895 MPa ist. Die erfindungsgemäße Titanlegierung hoher Festigkeit, die in den nachstehend beschriebenen Beispielen zu erwähnen ist, zeigt einen Wert der Festigkeit bei gewöhnlicher Temperatur in der Nähe von 1000 MPa äquivalent jener eines allgemeinen geglühten Ti-6Al-4V-Materials.
(2) Die Fließspannung beim Greeble-Test bei 850°C ist 200 MPa oder weniger. Diese Eigenschaft ist der Wert, erhalten durch spezielle Umwandlung der ausgezeichneten Warmverarbeitung, die bei vorhandenen Titanlegierungen hoher Festigkeit nicht beobachtbar ist, in einen numerischen Wert. Zur stabilen Gewährleistung der ausgezeichneten Verarbeitbarkeit, basierend auf der ausreichend geringen Fließspannung unter einer solchen Temperaturbedingung, welche als allgemeine Schmiedetemperatur angenommen wird, ist die Fließspannung unter der Temperaturbedingung wünschenswerterweise 200 MPa oder weniger, bevorzugter 150 MPa oder weniger und vor allem 100 MPa oder weniger. Alle Fließspannungswerte der erfindungsgemäßen Legierungen, die in den nachstehend beschriebenen Beispielen gezeigt werden, sind 100 MPa oder weniger.
(3) Die Zugfestigkeit bei 500°C nach Glühen bei 700°C ist nicht weniger als 45% der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (25°C). Diese Festigkeitseigenschaft wird als ein Index zum Anzeigen der Festigkeitsretentivität unter den Hochtemperaturbedingungen, denen die erfindungsgemäße Legierung ausgesetzt wird, definiert, damit sie praktikabel wird, d.h. die praktische Wärmebeständigkeitseigenschaft hat. Die Legierung mit dieser Eigenschaft bedeutet jene, welche auch unter Hochtemperaturbedingungen von 500°C relativ zur Festigkeit bei jeglicher Temperatur weniger in der Festigkeit vermindert ist und folglich in der wärmebeständigen Festigkeitseigenschaft ausgezeichnet ist. Damit die wärmebeständige Festigkeitseigenschaft von höherem Maß gewährleistet ist, werden wünschenswerterweise 50% oder mehr, bevorzugter 55% oder mehr zurückgehalten. Die Legierungen (1) und (2), die in den nachstehenden Beispielen genannt werden, weisen beide nicht weniger als 55% davon auf.
(4) Die Legierung ist vom α-β-Typ. Die Titanlegierung der vorliegenden Erfindung gehört wünschenswerterweise zum α-β-Typ als ein Erfordernis zur Gewährleistung eines Festigkeits-Duktilitätsausgleichs und Wärmebeständigkeit. Für die Struktur, die zu einer Titanlegierung vom α-Typ führt, neigt somit die Warmflussspannung dazu, anzusteigen. Für die Struktur, die zu einer Titanlegierung vom β-Typ führt, neigt die Wärmebeständigkeit dagegen dazu, verschlechtert zu werden. Beide Fälle sind schwierig mit den Eigenschaften, die für eine Titanlegierung hoher Festigkeit und hoher Verarbeitbarkeit erforderlich sind, in Einklang zu bringen, was gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.

Das Verfahren zur Herstellung der Titanlegierung hoher Festigkeit, das die vorstehend genannte Festigkeitseigenschaft zeigt, weist keine besondere Beschränkung auf. Wie aus Versuchen durch die Erfinder allerdings bestätigt, scheint die Art und der Gehalt von jedem der Legierungselemente von Bedeutung zu sein. Es ist nicht möglich, die Art und den Gehalt eines speziellen Legierungselements derzeit zu ermitteln. Es hat sich allerdings bestätigt, dass die Titanlegierung, die der nachstehend gezeigten Zusammensetzung genügt, eine Legierung mit hoher Leistungsfähigkeit ist, welche den Festigkeitseigenschaften, die in der vorliegenden Erfindung definiert werden, genügt.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Titanlegierung enthält somit Al in einer Menge von 3 bis 7 Masse-% (bevorzugter 3,5 bis 5,5 Masse-%) und C in einer Menge von 0,08 bis 0,25 Masse-% (bevorzugter 0,10 bis 0,22 Masse-% und besonders bevorzugt 0,15 bis 0,20 Masse-%) als α-Stabilisator und als einen β-Stabilisator Cr in einer Menge von 2,0 bis 6,0 Masse-% (bevorzugter 3 bis 5 Masse-%) und Fe in einer Menge von 0,3 bis 2,0 Masse-% (bevorzugter 0,5 bis 1,5 Masse-%), mit der Maßgabe einer Mo-Äquivalenz von 3,25 bis 10 Masse-% (bevorzugter 3,5 bis 8 Masse-%), wobei Mo-Äquivalenz = Mo (Masse-%) + (1/1,5) V (Masse-%) + 1,25 Cr (Masse-%) + 2,5 Fe (Masse-%) und gegebenenfalls Sn in einer Menge von 1 bis 5 Masse-%, Zr in einer Menge von 1 bis 5 Masse-% und Si in einer Menge von 0,2 bis 0,5 Masse-%, wobei der Rest die üblichen Verunreinigungen sind.
Der Grund zum Definieren des Gehalts von jedem Bestandteil des Elements, das vorstehend empfohlen wird, ist wie nachstehend. Zunächst wird für den Al-Gehalt der untere Grenzwert zur Gewährleistung der Festigkeit äquivalent jenem von Ti-6Al-4V empfohlen. Wohingegen der obere Grenzwert als jener empfohlen wird, der einen Anstieg an Fließspannung und eine Verminderung in der Warmverarbeitbarkeit unter den Warmverarbeitungsbedingungen unterdrücken kann. Auch für den C-Gehalt wird der untere Grenzwert zur Gewährleistung der Festigkeit äquivalent jenem von Ti-6Al-4V empfohlen. Wohingegen der obere Grenzwert als eine solche zulässige Grenze empfohlen wird, dass aufgrund Ausscheidung einer großen Menge von TiC die Warmduktilität nicht abbaut.
Der Grund zum Definieren der jeweiligen unteren Grenzen der Mo-Äquivalenz und der Anteile von Cr und Fe ist ähnlich der Festigkeit äquivalent jener von Ti-6Al-4V zu gewährleisten. Der obere Grenzwert wird als Erfordernis empfohlen, nicht die Fließspannung, während der Warmverarbeitung zu erhöhen und nicht den β-Transformationspunkt zu stark zu vermindern.
Außerdem wird für Sn, Zr und Si der untere Grenzwert als solcher als Menge definiert, die in der Lage ist, den festigkeitserhöhenden Effekt in dem Temperaturbereich von üblicher Temperatur bis zu einer Höhe von 500°C auszuüben. Der obere Grenzwert wird andererseits als eine solche Menge empfohlen, die nicht die Warmduktilität für Sn und Zr bzw. die Duktilität bei gewöhnlicher Temperatur für Si beeinträchtigt.
Somit ist es auch möglich, dass andere β-Stabilisatoren, wie V und Mo, darin in einer geeigneten Menge in einem solchen Bereich enthalten sind, dass der β-Transformationspunkt nicht geringer als 850°C ist. Die Wirkungen von diesen Legierungselementen variieren beträchtlich gemäß der Art von jedem der Legierungselemente und der Zugabe von zwei oder mehr Elementen in Kombination und außerdem der Menge von diesen Elementen, die zugegeben werden. Daher kann die Art von jedem der Legierungselemente, die kombinierte Addition davon oder die bevorzugte Additionsmenge oder dergleichen geeignet ausgewählt und gemäß den zu verwendeten Legierungselementen bestimmt werden.
Die chemischen Komponenten, die den Titanlegierungen der vorstehend genannten Zusammensetzungen, die in der vorliegenden Erfindung empfohlen werden, gemeinsam sind, werden allerdings durch die nachfolgenden jeweiligen Anteile charakterisiert. Der Al Anteil ist in Bezug auf jenen der Ti-6Al-4V-Legierung, die eine typische Titanlegierung mit hoher Festigkeit ist, etwas geringer und C ist in einer geringen Menge enthalten. Die Wirkungen von solchem Al und C werden dann wie nachstehend angenommen. Al und C sind nämlich als α-Stabilisatoren bekannt. Im Allgemeinen tragen sie zur Erhöhung der hohen Temperaturfestigkeit bei. Wenn allerdings die Zugabemenge geeignet gesteuert wird, rufen sie keine starke Verminderung in der Festigkeit einhergehend mit einem Anstieg in der Temperatur bis zu Temperaturen von Raumtemperatur auf eine Höhe von 500°C hervor. Sie unterdrücken allerdings den Anstieg in der Festigkeit und vermindern größtenteils die Fließspannung bei einem höheren Warmverarbeitungstemperaturbereich. Insbesondere trägt C zu der festen Lösungshärtung bis zu dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu einer Höhe von 500°C bei, trägt allerdings nur zur Verbesserung der Festigkeit bei dem Warmverarbeitungstemperaturbereich bei. C bewirkt auch größtenteils ein Ansteigen des β-Transformationspunkts, wenn es in Spurenmengen zugegeben wird. Somit wird C als ein sehr nützliches Element für die vorliegende Erfindung angesehen.
Ein zweites Merkmal der Titanlegierung vom Blickwinkel seiner Zusammensetzung hier liegt außerdem darin, dass geeignete Mengen von Cr und Fe darin als β-Stabilisatoren enthalten sind. Die Wirkungen von solchem Cr und Fe werden wie nachstehend angenommen.
Es ist bekannt, dass Cr und Fe β-Stabilisatoren sind. Die β-Stabilisatoren erhöhen im Allgemeinen die Festigkeit und die Fließspannung. Cr und Fe, die Übergangselemente sind, unterliegen allerdings Hochgeschwindigkeitsdiffusion in Ti und folglich tragen sie zum Festigen bei hohen Temperaturen nicht sehr viel bei. Daher ist es denkbar, dass eine geeignete Steuerung der Mengen dieser zuzugebenden Elemente ausgezeichnete Warmverarbeitbarkeit bei geringer Fließspannung unter Hochtemperatur-Schmiede- oder Warmwalzbedingungen bereitstellt, während eine hohe Festigkeit bei dem Betriebstemperaturbereich von Raumtemperatur bis zu einer Höhe von 500°C beibehalten wird.
In der Titanlegierung der vorliegenden Erfindung vom α-β-Typ ist es bevorzugt, dass 0,08 bis 0,25 Masse-% C und 4 bis 5,5 Masse-% Al als α-Stabilisatoren enthalten sind und dass der β-Stabilisator in einer Menge enthalten ist, die ausreichend ist, damit die Zugfestigkeit bei 25°C nach Glühen bei 700°C nicht weniger als 895 MPa ist. Die Bedeutung des Begriffs „der β-Stabilisator in einer Menge ausreichend für die Zugfestigkeit bei 25°C nach Glühen bei 700°C von nicht weniger als 895 MPa" wird nachstehend beschrieben. 6A zeigt in einer Titanlegierung, enthaltend 0,2 Masse-% C und 5 Masse-% Al als α-Stabilisatoren, die durch Versuche ermittelten Ergebnisse des Verhältnisses zwischen der Menge von Cr, das außerdem zuzugeben ist, und der Zugfestigkeit nach Glühen bei 700°C. Hierbei wird nur Cr als β-Stabilisator zugegeben. Wie in 6A gezeigt, ist, wenn die Cr-Menge nicht geringer als 2,75 Masse-% ist, die Festigkeit nicht weniger als 895 MPa. Daher „der β-Stabilisator in einer Menge ausreichend für die Zugfestigkeit bei 25°C nach Glühen bei 700°C, der nicht weniger als 895 MPa ist", wenn 0,2 Masse-% C und 5 Masse-% Al darin als α-Stabilisatoren enthalten sind und nur Cr als β-Stabilisator enthalten ist, ist Cr in einer Menge von nicht weniger als 2,75 Masse-%. 6B zeigt in einer Ti tanlegierung, enthaltend 0,2 Masse-% C und 4,5 Masse-% Al als α-Stabilisatoren und 0,5 Masse-% Fe als β-Stabilisator, die durch Versuche ermittelten Ergebnisse der Beziehung zwischen der Menge von Cr, das außerdem zuzugeben ist, und der Zugfestigkeit nach Glühen bei 700°C. In Anbetracht der Ähnlichkeit zum Fall von 6A „der β-Stabilisatoren in einer Menge, ausreichend für die Zugfestigkeit bei 25°C nach Glühen bei 700°C von nicht weniger als 895 MPa" ist in diesem Fall Fe in einer Menge von 0,5 Masse-% und Cr in einer Menge von nicht weniger als 0,75 Masse-%.
Die erfindungsgemäße Titanlegierung vom α-β-Typ ist gekennzeichnet durch die peritektische Reaktionstemperatur in dem pseudobinären System-Phasendiagramm der Titanlegierung als Grundmaterial und C ist mehr als 900°C. Die 7 zeigt das pseudobinäre System-Phasendiagramm der Titanlegierung als Grundmaterial und C. In dem Diagramm wird die Position der peritektischen Reaktionstemperatur dargestellt. Das binäre System-Phasendiagramm der Titanlegierung und C schwankt gemäß der Zusammensetzung der Titanlegierung. Das Grundmuster ist allerdings dasselbe. Es wird in diesem Diagramm folglich schematisch dargestellt. Die peritektische Reaktionstemperatur der Titanlegierung wird im Allgemeinen durch den Anteil an α-Stabilisator und β-Stabilisator ermittelt. Daher ist es für die erfindungsgemäße Titanlegierung vom α-β-Typ möglich, die peritektische Reaktionstemperatur von mehr als 900°C durch Einstellen der Anteile von Al, C, Mo, V, Cr und Fe zu implementieren. Die peritektische Reaktionstemperatur von mehr als 900°C wird zur Prämisse zur Übernahme eines solchen warmen Handlungsverfahrens (später beschrieben) hinsichtlich der Unterdrückung der Ausscheidung von TiC und zur Verbesserung der Erfindungseigenschaften.
Der in der vorliegenden Erfindung erwünschte C-Gehalt kann wie nachstehend charakterisiert werden. In der erfindungsgemäßen Titanlegierung wird eine geeignete Menge an C positiv als Bestandteilselement, wie vorstehend beschrieben, zugelassen. Insbesondere gibt es, wie schematisch in 8 dargestellt, eine Beziehung, indem die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von etwa 500°C mit einem Anstieg im C-Gehalt ansteigt, d.h. bei einem Anstieg einer festgelösten Menge C und dass die Zugfestigkeit konstant wird, wenn der C-Gehalt die Löslichkeitsgrenze von C über steigt, da die Menge an festgelöstem C die Sättigung erreicht. Die vorliegende Erfindung strebt die vollständige Nutzung der Festlösungshärtung bei Raumtemperatur bis etwa 500°C durch C bei Zugabe von C in einer Menge von nicht weniger als der Löslichkeitsgrenze an. Umgekehrt gibt es Bedenken, dass TiC in einer Legierungsmatrix gebildet wird, das von der positiven Zugabe von C stammt und dass dieses unter Verschlechterung der Ermüdungseigenschaften der Titanlegierung zu einer Ausscheidung wird. Somit erfolgt eine Untersuchung hinsichtlich der Wirkung der TiC-Ausscheidung, die in der Titanlegierung gebildet werden kann, welche sich auf die Ermüdungseigenschaften auswirkt. Diese Untersuchung hat gezeigt, dass je geringerer die Menge an TiC-Ausscheidung in der Titanlegierungsmatrix ist, desto mehr sind die Ermüdungseigenschaften verbessert, wie aus den nachstehend beschriebenen Beispielen ersichtlich. Es wurde gezeigt, dass, insbesondere wenn die Legierung so konfiguriert ist, dass TiC, welches die TiC-Ausscheidung in der Titanlegierungsmatrix ist, eine maximale Teilchengröße von nicht mehr als 15 μm aufweist und dass das Flächenverhältnis davon nicht mehr als 3% beträgt, sie für die Titanlegierung der vorliegenden Erfindung wesentlich ist.
Aus den Beispielen, die nachstehend beschrieben werden, wird auch ersichtlich, dass von der Titanlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung diejenige mit einem TiC-Flächenverhältnis von mehr als 3% nur Ermüdungseigenschaften mit demselben Niveau von jenem einer Ti-6Al-4V-Legierung aufweist, welche eine typische übliche Titanlegierung hoher Festigkeit ist. Es wurde außerdem bestätigt, dass diejenige mit einem Ti-Flächenverhältnis von nicht mehr als 3%, bevorzugter nicht mehr als 1,0%, ihre Eigenschaften ausüben kann, die jene der üblichen Ti-6Al-4V-Legierung übertreffen.
Es wurde gezeigt, dass, um C in einer ausreichenden Menge zuzugeben und die Ausscheidung von TiC klein zu halten, solche wie nachstehend beschriebene Warmverarbeitung wünschenswerterweise ausgeführt wird. Es wurde daher gezeigt, dass Erwärmungsbehandlung und Warmverarbeitung einer Titanlegierung, die geeigneten Komponenten einschließt, Warmverarbeitung wünschenswerterweise derart ausgeführt wird, dass die Gesamterwärmungstemperatur bei 900°C bis weniger als die peritektische Reaktionstemperatur nicht weniger als 4 Stunden ist und sodass die Gesamtverminderung nicht weniger als 30% (vorzugsweise nicht weniger als 50%) vor dem Glühen bei Temperaturen von 700°C bis 900°C (vorzugsweise 700 bis 850°C) ist. Wenn eine geeignete Menge C zugegeben wird, ruft Erhitzen bis auf nicht weniger als die peritektische Reaktionstemperatur β + TiC hervor, sodass TiC ausgeschieden wird. Beim Erhitzen auf weniger als die peritektische Reaktionstemperatur kann jedoch TiC verschwinden. Eine solche Menge an C liegt im Bereich von nicht weniger als der Kohlenstofflöslichkeitsgrenze in der β-Phase bei der peritektischen Reaktionstemperatur bis weniger als die Menge von C in der Zusammensetzung beim peritektischen Reaktionspunkt (peritektische Zusammensetzung). Sie liegt daher zwischen C1 und C2, wie in der 7 dargestellt. In der Titanlegierung, die C in einer Menge in einem solchen Bereich enthält, ist es möglich, das Gesamt-C zu einem festen Lösungszustand zu gestalten, durch ausreichendes Erhitzen und Halten einer Temperatur von weniger als der peritektischen Reaktionstemperatur, die in der Lage ist, TiC verschwinden zu lassen und nicht weniger als 900°C zum Hervorrufen einer schnelleren Diffusion. Der Grund, warum die Gesamtreduktion nicht weniger als 30% betragen soll, besteht darin, dass die erforderliche Reduktion zur Gewinnung einer äquiaxialen Struktur nicht weniger als 30% ist. Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, den Bereich der wünschenswerten C-Menge der vorliegenden Erfindung als nicht weniger als die Kohlenstofflöslichkeitsgrenze der β-Phase bei der peritektischen Reaktionstemperatur und weniger als die C-Menge in der Zusammensetzung beim peritektischen Reaktionspunkt (peritektische Zusammensetzung) zu definieren.
Da eine relativ hohe Menge von C absichtlich zu der erfindungsgemäßen Titanlegierung zugegeben wurde, auch wenn C die Übersättigung erreicht, kann es als TiC bei der peritektischen Reaktionstemperatur oder weniger gemäß den Erwärmungsbedingungen vorliegen. Wenn die vorstehend genannten Erwärmungsbehandlungsbedingungen übernommen werden, ist es jedoch möglich, den Überschuss an TiC in einen thermisch stabilen Zustand zu gestalten, d.h. C in einer Menge von nicht mehr als der Löslichkeitsgrenze vollständig in eine feste Lösung zu bringen. Folglich ist es möglich, die Menge an C, die in Form von TiC vorliegt, klein zu halten.
[Beispiele]
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend genauer mit Hilfe von Beispielen beschrieben, die allerdings nicht als Begrenzung des Umfangs der vorliegenden Erfindung aufzufassen sind. Die vorliegende Erfindung kann auch mit Änderung und Modifizierungen ausgeführt werden, die in geeigneter Weise innerhalb des Bereichs liegen, der für die vorstehend genannten und nachstehend genannten Erfindungsgedanken anwendbar ist. Solche Änderungen und Modifizierungen sind alle im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Beispiel 1
Titanlegierungen (1) und (2) sind Bezugsbeispiele, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Titanlegierung (3) ist eine Legierung innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Eine Ti-5Al-6,25Cr-0,2C-Legierung (1) (peritektische Reaktionstemperatur: 915°C), eine Ti-5Al-0,5Mo-2,4V-2Fe-0,2C-Legierung (2) (peritektische Reaktionstemperatur: 967°C) und eine Ti-4,5Al-4Cr-0,5Fe-0,2C-Legierung (3) (peritektische Reaktionstemperatur: 970°C) wurden schmelzerzeugt und durch ein Kalttiegel-Induktionsschmelzverfahren (CCIM) zu 25 kg Rohlingen gegossen. Jeder der erhaltenen Rohlinge der Legierungen (1) und (2) wurden auf 1000°C, als bevorzugte Heiztemperatur etwas unterhalb als normal erhitzt, gefolgt von Vorschmieden bei einem Verarbeitungsverhältnis von 80%. Dann wurden die Rohlinge auf 850°C erhitzt, gefolgt von Fertigschmieden bei einem Bearbeitungsverhältnis von 75%. Wohingegen jeder der erhaltenen Rohlinge von der Legierung (3) auf 850°C für 2 Stunden erhitzt wurde, gefolgt von Schmieden bei einem Bearbeitungsverhältnis von 92%. Anschließend wurden alle Rohlinge der Legierungen (1) bis (3) auf 700°C für 2 Stunden erhitzt, gefolgt von Luftkühlung, um so geglüht zu werden. Folglich wurden geschmiedete, runde Stäbe hergestellt.
Durch Verwendung der geschmiedeten Materialien wurde ihre jeweilige Zugfestigkeit bei Raumtemperatur bis 500°C (gemäß ASTM E8) ermittelt. Ein Prüfstück mit einer wie in 2 dargestellten Geometrie wurde außerdem aus jedem der Rohlinge ausgeschnitten. Jedes Prüfstück wurde unter Luftatmosphäre auf 700 bis 950°C für 5 Minuten erhitzt. Unmittelbar danach wurde ein Greeble-Test bei einer Verformungsgeschwindigkeit von 100/s mit einem Greeble-Tester (Handelsmarke: „Thermecmaster-Z" hergestellt von Fuji Electronic Industrial Co., Ltd.) zur Ermittlung der Fließspannung ausgeführt. Es ist anzumerken, dass der Fließspannungswert durch Division der maximalen Belastung, erhalten aus dem Greeble-Test, durch die Fläche des parallelen Bereichs vor dem Test berechnet wird. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Außerdem wurde unter Verwendung der Rohlingsstücke (1) und (2), die vorstehend erhalten wurden, Glühen zum Vorschmieden, Fertigschmieden und äquiaxiale Kristallisation unter den vorstehend genannten Bedingungen ausgeführt. Wohingegen durch Verwendung der Rohlingstücke (3) Schmieden unter denselben vorstehend beschriebenen Bedingungen ausgeführt wurde. Jedes der erhaltenen Stücke wurde erhitzt und bei 700°C für 2 Stunden gekühlt, gefolgt von Kühlen bei einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,2°C/s. Dann wurde es hinsichtlich seiner Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (25°C) bis 500°C mit Hilfe eines Zugtesters (Handelsmarke: „AG-E230 kN Autograph Zugtester), hergestellt von Shimadzu Corp. gemäß ASTM E8, gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
[Tabelle 1]
[Tabelle 2]
1 gibt graphisch die Ergebnisse von Tabellen 1 und 2, die vorstehend beschrieben wurden, als Verhältnis zwischen der Testtemperatur (°C) und der Zugfestigkeit (übliche Temperaturen bis 500°C) und der Fließspannung (700 bis 950°C) wieder. Für die Ergebnisse der Legierung (3) wird der graphische Ausdruck davon fortgelassen. In Tabellen 1 und 2 und 1 werden die Messergebnisse einer Ti-6Al-4V-Legierung (übliche Legierung (4)), die eine typische übliche Titanlegierung darstellt und einer Legierung vom JIS Typ 2 (reines Titan (5)) zusammen dargestellt.
Wie auch aus Tabellen 1 und 2 und 1 hervorgeht, weist die übliche Legierung (4), die eine typische Titanlegierung mit hoher Festigkeit darstellt, eine hohe Festigkeit bei dem Betriebstemperaturbereich von üblicher Temperatur bis 500°C auf. Andererseits behält sie sehr hohe Festigkeit auch in einem Hochtemperaturbereich von 700 bis 950°C bei und ihr fehlt folglich Warmbearbeitbarkeit aufgrund ihrer hohen Fließspannung.
Im Gegensatz dazu haben die Titanlegierungen (1) bis (3) bei dem Betriebstemperaturbereich von üblicher Temperatur bis 500°C eine hohe Festigkeit, die jene der üblichen Legierung (4) übersteigt. Außerdem ist die Fließspannung bei einem hohen Temperaturbereich von 800°C bis 950°C, vorgesehen für Warmbearbeitung, so gering wie von dem leicht bearbeitbaren Reintitan (5). Somit wird angezeigt, dass sie auch in der Warmbearbeitbarkeit sehr gut sind.
Die Titanlegierungen (1) bis (3) werden mit der üblichen Legierung (4) und dem reinen Titan (5) hinsichtlich der Festigkeit bei dem Betriebstemperaturbereich unter Fließspannung in dem Warmverarbeitungstemperaturbereich verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs werden in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt, die anzeigt, dass alle Titanlegierungen (1) bis (3) sowohl hohe Festigkeit als auch ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit aufweisen.
[Tabelle 3]
Beispiel 2
Unter Verwendung der Titanlegierungen mit ihren entsprechenden, in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellten Zusammensetzungen wurden 25 kg Rohlinge durch Übernahme des Kalttiegel-Induktionsschmelzverfahrens hergestellt. Jeder der erhaltenen Rohlinge wurde auf 850°C erhitzt und dann zu einem geschmiedeten Rundstab mit einem Durchmesser von 25 mm gefertigt. Der erhaltene Rundstab wurde bei 700°C für 2 Stunden geglüht. Anschließend wurde das geglühte Material hinsichtlich seiner Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (gemäß ASTM E8) und seine Fließspannung bei 850°C durch dasselbe Verfahren gemessen. Die Ergebnisse sind zusammen in Tabelle 4 dargestellt.
[Tabelle 4]
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, sind alle Titanlegierungen, ausgenommen der Legierung, angezeigt durch die Bezugsnummer 1 und 6, Titanlegierungen, die den ausgewiesenen Erfordernissen der vorliegenden Erfindung genügen. Es wird angezeigt, dass diese Legierungen nicht nur eine hohe Zugfestigkeit bei 25°C und 500°C aufweisen, sondern auch eine relativ geringe Fließspannung nach dem Greeble-Test bei 850°C aufweisen und folglich ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit aufweisen.
3 ist eine Kurve zur systematischen Darstellung hinsichtlich der Titanlegierungen, die in der vorstehenden Tabelle 4 gezeigt sind, der Wirkung, die der C-Gehalt auf das Verhältnis (A/B) zwischen der Festigkeit bei Raumtemperatur (25°C) und der Fließspannung bei 850°C für jede der Titanlegierungen ausübt. Wie auch aus dieser Figur hervorgeht, ist der C-Gehalt zum Anheben des (A/B)-Verhältnisses und zum Herstellen der Verträglichkeit zwischen der hohen Festigkeit bei Raumtemperatur und der ausgezeichneten Warmbearbeitbarkeit von großer Bedeutung. Wie ausge wiesen, ist es möglich, das (A/B)-Verhältnis durch vorzugsweise Einstellen des C-Gehalts im Bereich von 0,08 bis 0,25% wirksam anzuheben.
Beispiel 3
Schmelzerzeugung, Gießen, Schmieden und Glühen wurden in genau derselben Weise wie in Beispiel 1 ausgeführt, mit der Abweichung, dass die Legierung, angegeben durch die Bezugsbuchstaben a und b, gezeigt in der Tabelle 5, als Beispiele der Titanlegierungen, hauptsächlich vorgesehen zur Erhöhung der Festigkeit von Raumtemperatur bis 500°C verwendet wurden. Jedes der erhaltenen geglühten Materialien wurde in derselben Weise wie für die Zugfestigkeit bei gewöhnlicher Temperatur (25°C) und hoher Temperatur (500°C) und der Fließspannung nach dem Greeble-Test bei 850°C gemessen. Folglich wurden die in Tabelle 5 gemeinsam dargestellten Ergebnisse erhalten. In Tabelle 5 wurden die Werte in dem Fall, wenn Ti-6Al-4V-Legierung als typische übliche Legierung verwendet wurde, gemeinsam zum Vergleich dargestellt.
[Tabelle 5]
Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, haben die durch Bezugsbuchstaben a und b ausgewiesenen Legierungen, die den speziellen Erfordernissen der vorliegenden Erfindung genügen, deutlich ausgezeichnete Zugfestigkeit, verglichen mit üblicher Legierung, die durch den Bezugsbuchstaben c ausgewiesen ist, welche eine typische Titanlegierung hoher Festigkeit ist. Trotzdem wird angezeigt, dass sie eine geringe Fließspannung bei 850°C zeigen und folglich eine ausgezeichnete Warmbearbeitbarkeit aufweisen.
Beispiel 4
Die Ti-4,5Al-4Cr-0,5Fe-0,2C-Legierung (auf peritektische Reaktionstemperatur 970°C) aus den in Beispiel 2 gezeigten Legierungen wurde auf 940°C für 4 Stunden erhitzt, gefolgt von Schmieden bei einem Bearbeitungsverhältnis von 92%. Das erhaltene geschmiedete Material wurde Glühen durch 2-stündiges Erhitzen-Luftkühlen bei 700°C zur Herstellung eines geschmiedeten Rundstabs unterzogen. Die erhaltenen fünf Rundstäbe gemäß dem vorstehend genannten Herstellungsverfahren und die vier geschmiedeten Rundstäbe derselben Zusammensetzung, erhalten in vorstehend genanntem Beispiel 1 (die Erwärmungsbedingungen vor dem Schmieden für beide Stäbe sind 850°C und 2 Stunden) wurden hinsichtlich des Verhältnisses zwischen dem Flächenverhältnis von TiC, das auf dem Querschnitt vorkommt, und der Ermüdungsfestigkeit (gemäß ASTM E466: Spannungsverhältnis 0,1) geprüft.
Das Verfahren zum Messen des TiC-Flächenverhältnisses und der Ermüdungsfestigkeit ist wie nachstehend.
[TiC-Flächenverhältnis (%)]
Fünf Punkte auf dem Querschnitt von jeder testenden Titanlegierung wurden Oberflächenanalyse für einen 10000 μm² Bereich bei einer Verstärkung von 300fach oder mehr durch EPMA zur Ermittlung der Konzentrationsverteilung von C und Al unterzogen. Das Flächenverhältnis (A) des konzentrierten C-Bereichs und das Flächenverhältnis (B) des konzentrierten Al-Bereichs in dem erhaltenen Konzentrationsverteilungsdiagramm werden durch Bildanalyse ermittelt. Die Differenz zwischen den Flächenverhältnissen (A – B) wird als das Flächenverhältnis von TiC definiert. Die Photographien, bereitgestellt als 4 und 5, sind Querschnitts-EPMA- Photographien der Titanlegierungen. 4 und 5 sind die EPMA-Photographien für die Titanlegierung mit einem TiC-Flächenverhältnis von 0% bzw. der Titanlegierung mit einem TiC Flächenverhältnis von 3%.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt. Die Ermüdungsfestigkeit der Titanlegierung gemäß vorliegender Erfindung schwankt stark gemäß dem TiC-Flächenverhältnis, das in dem Querschnitt vorkommt. Die Ermüdungsgrenze zeigt dann anscheinend einen abnehmenden Trend bei Erhöhung des TiC-Flächenverhältnisses. Es ist ausgewiesen, dass eine hochgradige Ermüdungseigenschaft mit Stabilität gewährleistet werden kann, wenn das Flächenverhältnis auf nicht mehr als 3% gesteuert wird.
Hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit wurden Zyklen bis zum Versagen, d.h. Zahl der Tests bis ein Bruch stattfindet, durch einen Ermüdungstest (Spannungsverhältnis: 0,1, maximale Spannung: 800 MPa) gemessen. Die Ermüdungsbelastung wurde durch die Zyklen zum Versagen bewertet. Bei dem Ermüdungstest wurde geschätzt, wenn ein Bruch nicht nach 10⁷ Zyklen des Tests stattfand, dass mehr Zyklen als Test nicht zum Bruch führen würden, es wurde als „Runout" (kein Bruch) bezeichnet. In der Tabelle 6 waren die Nummern 1 bis 4 Runout und jenes von Nummer 5 war eines, bei dem ein Bruch nicht nach etwa 10⁷ Zyklen des Tests stattfand. Somit sind die Ermüdungsfestigkeiten in den Proben Nr. 1 bis 5, die in dem durch die vorliegende Erfindung definierten Bereich liegen, günstig.
[Tabelle 6] Maximale Spannung = 800 MPa, Spannungsverhältnis = 0,1

Claims

Titanlegierung vom α-β-Typ, bestehend aus Al in einer Menge von 3,0 bis 7,0 Masse-%, C in einer Menge von 0,08 bis 0,25 Masse-%, und als ein β-Stabilisator Cr in einer Menge von 2,0 bis 6,0 Masse-% und Fe in einer Menge von 0,3 bis 2,0 Masse-%, mit der Maßgabe einer Mo-Äquivalenz von 3,25 bis 10 Masse-%, wobei Mo-Äquivalenz = Mo (Masse-%) + (1/1,5) V (Masse-%) + 1,25 Cr (Masse-%) + 2,5 Fe (Masse-%), und gegebenenfalls Sn in einer Menge von 1 bis 5 Masse-%, Zr in einer Menge von 1 bis 5 Masse-% und Si in einer Menge von 0,2 bis 0,5 Masse-%, wobei der Rest Ti und übliche Verunreinigungen sind, wobei die maximale Teilchengröße von TiC, welches in der Titanlegierungsmatrix vorliegt, nicht mehr als 15 μm beträgt, und das Flächenverhältnis des TiC nicht mehr als 3% beträgt.
Titanlegierung vom α-β-Typ gemäß Anspruch 1, wobei die peritektische Reaktionstemperatur in einem Phasendiagramm vom pseudobinären System der Titenlegierung als ein Grundmaterial und C mehr als 900°C beträgt.
Titanlegierung vom α-β-Typ gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Menge an in der Legierung enthaltenem C nicht weniger als die Löslichkeitsgrenze in der β-Phase bei der peritektischen Reaktionstemperatur in einem Phasendiagramm vom pseudobinären System der Titanlegierung als ein Grundmaterial und C und weniger als die Menge an C in der peritektischen Zusammensetzung beträgt.