JP2001220631A

JP2001220631A - 高強度チタン合金

Info

Publication number: JP2001220631A
Application number: JP2000321283A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsumoto; 啓松本; Atsuhiko Kuroda; 篤彦黒田; Masaki Takashima; 昌樹高島
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-08-14
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP4006939B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ビッカース硬度200 以上であって、純チタン
に近い比重をもったチタン合金とそのチタン合金製眼鏡
フレームを提供する。【解決手段】 Fe：0.5 〜3.5 ％とＯ( 酸素) ：0.05〜
0.5 ％含有させることにより、Zr: 0.5 〜５重量％のと
き強度が高くなり、結晶粒も微細になる。CrおよびNiの
１種または２種をさらに含有させてもよい。これより眼
鏡フレームを製作すると、高強度化、軽量化を同時に実
現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カメラ、めがね、
時計、自転車等の民生用品に用いられる高強度チタン合
金や、高強度だけではなく冷間塑性加工性、切削性およ
び研磨性も兼ね備えた高強度チタン合金、およびそのよ
うな高強度チタン合金で作られた眼鏡フレームに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、軽量であるにもかかわら
ず強度や疲労強度に優れており、また耐食性にも優れて
いるという特長を持っている。そのために、航空機部
品、自動車部品、スポーツおよびレジャー用具、人工骨
などの医療用品、化学工業の設備用部品など多くの用途
に利用されている。特に最近では時計やめがね等の民生
品に多く用いられるようになってきている。

【０００３】これまでチタン合金としてTi-6Al-4V 合金
が多く用いられているが、眼鏡用チタン合金としては特
公平６−46269 号公報に記載されているように、Zr≧1.
0 ％、Zr＋25×O₂≧５および３×Zr＋220 ×O₂≦66を満
足する組成のTi−Zr合金等も用いられるようになってき
ている。

【０００４】Ti−Zr合金は適度の冷間加工性および研磨
性を有しており、また冷間加工後の強度も優れている。
これは、チタンにZrを含有させることにより結晶粒が微
細になるためとされている。そのためZr量が高くなるほ
ど高強度になるとされており、Zrが10％ほど含有された
合金が実用化されている。また特開平７−300637号公報
に示されているように８〜15％Zrの他にSnを3.5 〜10％
含有させた合金も提案されている。いずれもZr量が高く
なるほど高強度になるとされている。

【０００５】一方、前述した各種の民生品に用いられる
チタン合金には、多くの場合に穴あけ加工等を行われる
ことから、高強度とともに切削性や鏡面研磨性等が要求
され、さらに冷間鍛造や冷間伸線等も行われることから
冷間塑性加工性も要求される。しかし、一般的にチタン
合金は、焼き付き易くかつヤング率も低いことから切削
性が悪い。また、チタン合金に鏡面研磨を行うと曇った
感じになり、外観品質が低下し易い。

【０００６】そこで、これまでにも、快削性を向上させ
るために特開昭60−251239号公報により開示されている
ようにＳを添加したり、特許第2626344 号により開示さ
れているようにＰ、Ｓを添加することにより、切削性を
向上させる発明や、特開平７−62466 号公報により開示
されているようにFeを添加し鏡面研磨性を向上させる発
明が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Zr量が高く
なるほど高強度になるものの、ZrはTiに比べ比重が高い
ため全体の比重が高くなる問題がある。特に、今日のよ
うに、各種製品および部品について軽量化が求められて
いる状況下からは、そのような問題は重要である。例え
ば、眼鏡フレームを考えても、チタン本来の軽量である
という特性を利用して製品化を図っていることから、そ
の重量が増すことは望ましくない。軽量かつ高強度の特
性が求められている。

【０００８】また、特開昭60−251239号公報、特許第26
26344 号さらには特開平７−62466号公報により開示さ
れた発明では、熱間加工性はある程度確保できるが、冷
間塑性加工性が不足し、実用化は難しい。

【０００９】なお、特公平６−46269 号公報に記載され
ているTi−Zr合金では、冷間塑性加工性および鏡面研磨
性は適度に確保されているといわれているが、切削性は
十分であるとはいえず、よりいっそうの向上が望まれ
る。

【００１０】したがって、本発明の第１の課題は、高強
度かつ軽量であるチタン合金およびこのチタン合金から
成る眼鏡フレームを提供することであり、より具体的に
は、ビッカース高度Hv200 以上であって、純チタンに近
い比重をもったチタン合金およびそのようなチタン合金
から成る眼鏡フレームを提供することである。

【００１１】また、本発明の第２の課題は、高強度かつ
軽量であって、冷間塑性加工性、切削性および研磨性も
兼ね備えた高強度チタン合金と、このようなチタン合金
から成る眼鏡フレームを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
そのような課題を実現するチタン合金系としてTi−Zr系
チタン合金に着目し、Zr量が少なくても高強度が得られ
るチタン合金の開発を目指して研究を行った結果、以下
に列記する新規な知見１〜知見３を得た。

【００１３】（知見１）FeとＯ( 酸素) を含有させるこ
とによりZrが0.5 〜５質量％のとき強度が高くなる。ま
たこのとき結晶粒も微細になっている。

【００１４】（知見２）ZrとFeとＯをバランス良く含有
させることにより、高強度とともに冷間塑性加工性が確
保され、さらに切削性や鏡面研磨性等も確保される。

【００１５】（知見３）Cr、Niをさらに含有させること
により、これらの特長を伸長させることができる。

【００１６】本発明は、これらの新規な知見１〜知見３
に基づいて完成されたものであって、質量％で、Zr：0.
5 〜５％、Fe：0.5 〜3.5 ％、酸素：0.05〜0.5 ％、残
部：チタンと不可避成分からなることを特徴とする高強
度チタン合金（以下、「第１発明」という）である。

【００１７】また、本発明は、質量％で、Zr：0.1 〜５
％、Fe：0.5 〜5.0 ％、酸素：0.05〜0.5 ％、残部：チ
タンと不可避成分からなることを特徴とする高強度チタ
ン合金（以下、「第２発明」という）である。

【００１８】これら第１発明および第２発明では、Crお
よびNiの１種または２種をさらに合計で0.5 ％以下含有
させることによりその特長を伸長させてもよい。別の観
点からは、本発明は、これら第１発明および第２発明に
かかる高強度チタン合金から成る眼鏡フレームである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１発明および第２発明
にかかる高強度チタン合金における合金組成を上述のよ
うに制限した理由を、以下に第１発明および第２発明毎
に示す。なお、本明細書においてとくにことわりがない
限り、「％」は質量％である。

【００２０】（第１発明） (1) Zr ZrはTiに添加すると通常結晶粒を微細化する性質を持っ
ている。これは粒界にZrが偏析し粒界の移動を阻害する
ため、結晶成長が鈍り結果的に微細化すると考えられて
いる。そのためZrを添加することにより高強度になると
されている。ただし一般的には５％超添加しなければ十
分に強度が得られないとされていた。

【００２１】しかしFeとＯ( 酸素) を添加することによ
りZrの添加量を減少させることが可能になり、Zr:0.5〜
５％のときに強度が高くなる。Zr量が0.5 ％未満の場合
や、５％を越える場合には、むしろ強度が低下する。

【００２２】Zr量が５％を越えた場合に強度が低下する
理由ははっきりしないが、結晶粒が大きくなっているこ
とから、FeとＯを添加することによりZrが粒界に偏析し
にくくなると考えられる。

【００２３】またFe、Ｏを添加した場合、冷間加工性が
低下するが、Zrを0.5 ％以上添加することにより冷間加
工性が向上し、加工割れ等が減少する。ただし５％超で
はむしろ加工性が悪化する。

【００２４】したがって、強度の改善のために、Zrは0.
5 〜５％、望ましくは１〜２％である。 (2) Fe Feは固溶強化、Ti−Fe金属間化合物による析出強化、そ
して析出物による結晶粒微細化によりチタン合金を高強
度化する。このような効果を得るためにはFe:0.5％以上
とする。しかし、3.5 ％を越えると冷間加工性が低下す
る。Zr:0.5〜５％での高強度化の効果を高めるためには
上限を１％または下限を２％、より好ましくはFe:1〜２
％が望ましい。

【００２５】(3) Ｏ( 酸素) 酸素は固溶強化により強度を向上させる。この効果を得
るためには酸素:0.05％以上とする。一方、酸素が0.5
％を越えると冷間加工性が低下する。Zr:0.5〜５％での
高強度化の効果を高めるためには酸素:0.1〜0.2 ％が望
ましい。

【００２６】(4) Cr、Ni Cr、Niはいずれか一方または両方を合計量で0.5 ％以下
添加する所望添加元素であり、それらを添加する場合、
固溶強化により強度を向上させる効果もあるが、延性を
向上させる効果もある。これは、Ti−Fe相と母相との間
に濃化し整合性を高める役割があるためである。合計量
が0.5 ％を越えると濃化が過剰になり粒界の強度が低下
するため、0.5 ％以下とする。Cr、Niの望ましい範囲は
１種または２種合計で0.4 ％以下、より好ましくは１種
または２種合計量0.1 〜0.4 ％である。

【００２７】（第２発明） (1) Zr Zrは、Tiに添加すると通常結晶粒を微細化する性質を持
っている。これは、前述したように、粒界にZrが偏析し
粒界の移動を阻害するため、結晶成長が鈍り結果的に微
細化するためと考えられている。また、ZrはTiと結晶構
造が同じ六方細密構造を有しており、それにより冷間塑
性加工性を付与して他の添加成分による塑性加工性低下
を防ぐ役割がある。

【００２８】しかし、Zrが0.1 ％を下回るとその効果は
なくなってしまう。また、５％を越えると他の添加合金
との関係で塑性加工性が悪化してしまう。したがって、
Zrは0.1 〜５％でよいが、望ましくは２〜４％である。

【００２９】(2) Fe Feは、結晶粒を微細化し、さらにその粒界上に析出した
り、Ti−Fe金属間化合物による析出などにより、研磨性
や切削性を向上する。この効果を得るためにはFe含有量
は0.5 ％以上である。しかし、５％を越えると冷間加工
性が低下する他、偏析により組織が乱れ、鏡面研磨時に
研磨むらが発生することがある。望ましくは１％以上２
％以下である。

【００３０】(3) Ｏ (酸素) 酸素は、固溶強化により強度を向上することにより切削
性を向上する。この効果を得るためには0.05％以上必要
である。しかし、0.5 ％を越えると塑性加工性が低下す
る。Zr含有量が0.5 〜５％の範囲で高強度化の効果を高
めるためには、0.1 ％以上0.2 ％以下が望ましい。

【００３１】(4) Cr、Ni Cr、Niはいずれか一方または両方を合計量で0.5 ％以下
添加する所望添加元素であり、それらを添加する場合、
固溶強化により強度を向上させる効果もあるが、延性を
向上させる効果もある。これは、Ti−Fe相と母相との間
に濃化し整合性を高める役割があるためである。合計量
が0.5 ％を越えると濃化が過剰になり粒界の強度が低下
するため、0.5 ％以下とする。Cr、Niの望ましい範囲は
１種または２種合計で0.4 ％以下、より好ましくは１種
または２種合計量0.1 〜0.4 ％である。

【００３２】第１発明および第２発明において、これら
以外の成分は、チタンと不可避成分とである。第１発明
および第２発明にかかる合金の製造に当たっては、ま
ず、例えば所定の組成となるように所定の量の金属元素
をスポンジチタンで包み込んだ後に圧縮・成型してTi電
極とする。このTi電極を通常のアーク溶解にて溶解し凝
固させることによって合金を製造できる。なお、Ti合金
中の酸素濃度は例えば原料 (スポンジチタン) の酸素濃
度を変えるかあるいはTiO₂をさらに添加することで調整
すればよい。

【００３３】第１発明にかかるチタン合金は、熱間鍛
造、熱間圧延等の熱間加工を施した後、冷間鍛造、冷間
圧延、プレス加工などの冷間塑性加工を施して製品形状
に成型することにより、第２発明にかかるチタン合金
は、さらに研磨等を行うことにより、それぞれ、眼鏡、
時計、カメラ、ゴルフクラブなどの製品の素材として用
いられる。

【００３４】第１発明および第２発明にかかるチタン合
金は、いずれも、熱間加工や冷間加工を施すことにより
高強度化の効果を高めることができることから、これら
のチタン合金からは特に眼鏡フレームを構成することが
好ましい。

【００３５】ここに、これらのチタン合金から眼鏡フレ
ームを製作するには、スエージング加工、異型圧延加
工、プレス加工等の冷間加工によって所定形状、寸法に
成形加工された眼鏡フレーム構成部材( 例: アイリム、
ブリッジ、テンプル) をろう付けして、一般には銀ろう
付けして眼鏡フレームに組み立てる。

【００３６】図１は、眼鏡フレームの斜視図であり、通
常、眼鏡フレーム10はレンズを固着しておくアイリム部
11、眼鏡を顔面に保持する作用を有するテンプル部12、
両アイリム部11とテンプル部12とを連絡する蝶番14およ
び智15と呼ばれる各フレーム構成部材から成る。

【００３７】例えば、テンプルの加工には、70％以上の
冷間加工を中間焼鈍を行わずに可能とする加工性が求め
られるが、第１発明および第２発明にかかるチタン合金
はそれらの特性を満足するものである。

【００３８】また、眼鏡フレームの製作にはろう付けが
用いられており、ろう付けに際しては920 〜980 ℃に短
時間加熱するが、このような温度に加熱されても強度の
低下をもたらすものではあってはならない。この点につ
いても、第１発明および第２発明にかかるチタン合金は
そのような特性を満足するものである。

【００３９】さらに、第２発明にかかるチタン合金は、
高強度かつ軽量であって、冷間塑性加工性、切削性およ
び研磨性も兼ね備えるものである。このため、眼鏡、時
計、カメラさらにはゴルフクラブ等といった各種の民生
品の素材として好適に用いられる。

【００４０】

【実施例】(実施例１)ボタンアーク溶解炉を用いて溶解
した溶湯500gを幅50mm、厚さ20mm、長さ100mmのインゴ
ットに鋳造した。表１に本発明例および比較例の供試合
金の組成を示す。

【００４１】得られたインゴットを850 ℃に加熱後、厚
さ５mmまで熱間圧延を行った。その後、熱間圧延による
歪みを除去するため 700℃×30分焼鈍を行った。このと
き一部を切り出しその断面のビッカース硬度を測定し
た。次いで、焼鈍後脱スケールのための切削加工を施
し、厚さ２mmまで圧下率60％の冷間圧延を行った。

【００４２】供試合金の合金組成、熱延焼鈍後のビッカ
ース硬度、そして冷間圧延時の割れ、つまりエッジ割れ
の発生の有無について表１にまとめて示す。ビッカース
硬度が200 以上の場合を合格とした場合、本発明合金の
場合いずれもHV200 以上であったが、比較合金ではHV25
0 以下になるものがあった。また、成分が高めの場合、
冷間圧延時にエッジ割れが見られるものがあった。

【００４３】

【表１】次いで、得られた冷間圧延材の一部について 700℃×30
分中間焼鈍後、圧下率を変え冷間圧延後断面のビッカー
ス硬度を測定した。

【００４４】その結果を図２に示すが、図中、横軸に冷
間圧延の圧下率をとり、縦軸にビッカース硬度をとり、
表１のNo.３のチタン合金に相当する本発明合金(Ti-2Zr
-1.5Fe-0.1 酸素) と、それぞれ表１にNo.５およびNo.
１に相当する比較合金(Ti-6Zr-1.5Fe-0.1 酸素、Ti-0Zr
-1.5Fe-0.1酸素) の比較を行ったものである。

【００４５】図２の結果からも分かるように、本発明に
かかる合金は冷間圧延により大きく加工硬化しているの
に対し、比較合金はその加工硬化の度合いが小さかっ
た。また比重を調査した結果を表２に示す。本発明合金
は純チタンやTi-6Al-4V より大きいが、純チタンに近
く、Ti−10Zrよりは小さくなった。

【００４６】

【表２】次に、表１のNo.３のチタン合金について、ろう付け性
を確認するために、インダクションヒーターによって表
面を950 ℃に90秒加熱し、冷却後、ビッカース硬度を測
定したところ、Hv＝220 であり、眼鏡フレームとして適
する優れたろう付け性を備えていることが確認された。

【００４７】(実施例２)ボタンアーク溶解炉を用いて溶
解した溶湯500gを幅50mm、厚さ20mm、長さ100mmのイン
ゴットに鋳造した。表３に本発明例および比較例の供試
合金の組成を示す。

【００４８】得られたインゴットを850 ℃に加熱後、厚
さ５mmまで熱間圧延を行った。その後、熱間圧延による
歪みを除去するため 700℃×30分焼鈍を行った。このと
き一部を切り出しその断面のビッカース硬度を測定し
た。次いで、焼鈍後脱スケールのための切削加工を施
し、厚さ5mm まで圧下率50％の冷間圧延を行った。

【００４９】このとき、供試合金のエッジ割れの有無で
冷間塑性加工性を判定した。また、ドリル穿孔による切
削加工性を、直径２mmのドリルを用いて熱延板に10個の
穴あけ加工を行い、焼き付きおよび破損なく穴あけ加工
を行うことができるか否かを調べた。さらに、1200番の
研磨紙で研磨した後にバフ研磨を行い、表面観察するこ
とによりその鏡面研磨性についても判定した。表３に、
冷間塑性加工性 (冷延割れの有無) 、切削加工性 (焼付
き、摩耗、折損の有無) および鏡面研磨性 (白濁、むら
の有無) の結果をあわせて示す。

【００５０】

【表３】比較例である純チタン (供試合金No.1) は冷延割れこそ
生じないが、穴あけ時は焼き付きが生じ、また鏡面研磨
時に白濁した。

【００５１】また、本発明の範囲を満足しない比較例
(供試合金No.5、6 、9 、13、15、17、19) では、冷間
圧延時に割れを生じたり、穴あけが不可能であったり、
さらには研磨時に白濁やむらが生じた。

【００５２】これに対して、本発明の範囲を満足する本
発明例 (供試合金No.2〜4 、7 、8、10〜12、14、16、1
8) は、いずれも、冷間塑性加工性、切削加工性および
鏡面研磨性が良好であった。

【００５３】また、本発明例 (供試合金No.2〜4 、7 、
8 、10〜12、14、16、18) は、いずれも、高強度かつ軽
量であり、眼鏡、時計、カメラさらにはゴルフクラブ等
といった各種の民生品の素材として好適に用いることが
できるものであった。

【００５４】

【発明の効果】本発明合金は、冷間加工性が確保され高
強度であり、Ti−10Zrに比べ比重が小さい。またそれだ
けでなく、素材として不純物(Fe)の多いスポンジチタン
を使用することができるため、低コストでの製造も可能
である。

【００５５】また、本発明合金は、高強度のみならず冷
間塑性加工性、切削性さらには研磨性も兼ね備えてお
り、各種の民生品の素材として好適に用いることができ
る。かかる効果を有する本発明の意義は、極めて著し
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】眼鏡フレームの斜視図である。

【図２】本発明にかかるチタン合金の冷間圧延による加
工硬化の傾向を示すグラフである。

フロントページの続き (72)発明者黒田篤彦大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者高島昌樹栃木県下都賀郡野木町野木1985番地株式会社三洋特殊合金内Ｆターム(参考） 2H006 AA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、 Zr：0.5 〜５％、Fe：0.5 〜3.5 ％、酸素：0.05〜0.5
％、残部：チタンと不可避成分からなることを特徴とする高
強度チタン合金。
【請求項２】質量％で、 Zr：0.5 〜５％、Fe：0.5 〜3.5 ％、酸素：0.05〜0.5
％、CrおよびNiの１種または２種：合計で0.5 ％以下、残部：チタンと不可避成分からなることを特徴とする高
強度チタン合金。
【請求項３】質量％で、 Zr：0.1 〜５％、Fe：0.5 〜5.0 ％、酸素：0.05〜0.5
％、残部：チタンと不可避成分からなることを特徴とする高
強度チタン合金。
【請求項４】質量％で、 Zr：0.1 〜５％、Fe：0.5 〜5.0 ％、酸素：0.05〜0.5
％、CrおよびNiの１種または２種：合計で0.5 ％以下、残部：チタンと不可避成分からなることを特徴とする高
強度チタン合金。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載の高強度チタン合金から成る眼鏡フレーム。