JP2001234266A - マフラー用チタン合金材およびマフラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン合金が本来有している軽量性や耐食性
を活かし、且つ、特にコストや加工性を損なうことなく
耐熱性や耐酸化性を高め、自動車やバイクのマフラー用
として耐用寿命を高めると共に設計の自由度を高めたマ
フラー用のチタン合金を開発すると共に、該チタン合金
を用いた高性能のマフラーを提供すること。 【解決手段】 ０．５〜２．３質量％のＡｌを含み、或
いは更に他の合金元素を含み、金属組織がα相：９０％
体積以上、β相：１０体積％以下であるチタン合金から
なるマフラー用チタン合金材と、該チタン合金を用いて
作製された軽量で耐熱性、耐酸化性、溶接性などに優れ
たマフラーを開示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車やバイクの
マフラー用として使用されるチタン合金材に関し、より
詳細には、チタン合金が本来有している軽量性や耐食性
を活かし、且つ、特にコストや加工性を損なうことなく
耐熱性や耐酸化性を高め、マフラー用素材として耐用寿
命を高めると共に設計の自由度を高めたマフラー用のチ
タン合金と、該チタン合金を用いたマフラーに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】自動車やバイクにおける排気系は、エン
ジンの排ガス出口側から順にエキゾーストマニホールド
→エキゾーストパイプ→触媒マフラー→プリマフラー→
サイレンサー（メインマフラー）等によって構成されて
いる（本明細書では、これら個々の部材および全体をマ
フラーと総称する）。これらマフラーの構成素材として
古くは普通鋼が使用されていたが、近年では耐食性に優
れたステンレス鋼が主流となっている。

【０００３】一方、最近バイクを中心としてＴｉ製マフ
ラーが注目されており、従来の普通鋼やステンレス鋼に
比べて下記の様な特徴を有することから、レース用バイ
クを始めとして量産バイクにもＴｉ製マフラーを標準装
備される例が増大してきている。

【０００４】1)比重が鋼系材料の約６０％と非常に軽量
であり、車輌の軽量化が可能となる、 2)塩分や排ガス成分を含む腐食性ガスや腐食性液に対す
る耐食性が極めて良好であり、腐食の問題が一掃される
（一般に優れた耐食性を有するものとされているステン
レス鋼でも、冬場に凍結防止用として路面に撒かれる塩
により腐食を受ける）、 3)軽量であるため駆動時の振動による負荷応力が軽減さ
れ、振動疲労に対する耐久性が向上する、 4)鋼に比べて熱膨張率が小さい（普通鋼の約７０％、ス
テンレス鋼の約５０％）ため、熱膨張に伴う応力負荷も
小さくて熱疲労に対する耐久性にも優れている。

【０００５】現在実用化されているＴｉ製マフラーの殆
どは、ＪＩＳ２種の工業用純チタンである。自動車やバ
イクエンジンなどからの排気ガス温度は通常７００℃程
度以上になるものと予測されるが、バイクの如くマフラ
ー外表面が大きく外気に開放されている場合は、該表面
から熱が外気に放散されるためマフラー自体の温度はそ
れほど上昇せず、ＪＩＳ２種の純チタン材でも支障なく
使用できる。ところが、外気に直接開放されていない自
動車用マフラーのエキゾーストパイプ、あるいはバイク
用マフラーでも複数のエキゾーストパイプが合流する部
分に配置されるものは高温になり易いため、現状のＪＩ
Ｓ２種純チタン材よりも高耐熱性のチタン合金材が望ま
れる。また温間域（室温〜４００℃程度の低温域）に配
置されるものであっても、高強度で高耐熱性のチタン合
金を使用すればＪＩＳ２種純チタン材よりも薄肉化する
ことができるので、更なる軽量化と設計自由度の向上が
期待される。

【０００６】こうした観点に立てば、現存するチタン合
金のうちＴｉ−３Ａｌ−２．５ＶやＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
などのチタン合金は有望なマフラー用素材になると考え
られる。ところが、マフラーへの成形と組立てには素材
を薄板化することが必要であり、また加工性にも優れた
ものでなければならないので、成形加工性に欠ける上記
２種の既存チタン合金では要求を満たすことができな
い。

【０００７】即ち、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は冷間
圧延で薄板に加工することができないため、エキゾース
トパイプやサイレンサーなどのマフラー用素材として適
性を欠く。これに対し上記Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金
は、ある程度の冷間加工が可能で薄板に加工することが
できることから、現存するチタン合金の中では最も有望
なマフラー用素材と考えられる。ところがこのチタン合
金は、冷間圧延工程で耳割れや内部欠陥を生じ易く、圧
延と中間焼鈍を複数回繰り返す必要があるため、薄板化
のための加工コストが非常に高くつく。しかも、現在汎
用されているＪＩＳ２種純チタン材に比べると、マフラ
ー状に二次加工する際の成形性もかなり劣る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは上記の様
な事情に着目してなされたもので、下記の様な性能を備
えたマフラー用チタン合金材を提供すると共に、該チタ
ン合金を用いた耐熱・耐酸化性に優れたマフラーを提供
することにある。

【０００９】1)ＪＩＳ２種純チタン材よりも耐熱性、耐
酸化性に優れたチタン合金を開発し、マフラーの高温部
にも適用可能にすること。従来のＪＩＳ２種純チタン材
で支障なく使用し得る部位に適用する場合であっても、
耐熱性や耐酸化性を更に改善すれば一層の薄肉化が可能
となり、ひいては更なる軽量化と設計自由度の向上が期
待できる、 2)耐熱性に優れた従来のチタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−
２．５ＶやＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなど）に欠ける冷間加工
性を改善し、薄板への冷間加工性やマフラーへの成形加
工性をＪＩＳ２種純チタン材並みに高める、 3)マフラー加工に当たっては溶接接合が必須とされるの
で、優れた溶接性を保障できる材料であること。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係るマフラー用チタン合金材は、０．
５〜２．３質量％のＡｌを含むチタン合金、および０．
５〜２．３質量％のＡｌを含み、金属組織がα相：９０
体積％以上、β相：１０体積％以下であるチタン合金か
らなるところに要旨を有している。また本発明のマフラ
ーは、上記チタン合金を構成素材として作製されたもの
で、該マフラーとは、エキゾーストマニホールド、エキ
ゾーストパイプ、触媒マフラー、プリマフラー、サイレ
ンサー（メインマフラー）などの個々のマフラー部品お
よびそれらを含めた全体を総称する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは上記課題を掲げてそ
の目的を達成すべく、チタン材に対して耐熱性向上効果
を有する合金元素であるＡｌに着目して研究を行なっ
た。Ａｌがチタン材の耐熱性向上に有効な合金元素であ
ることは周知のことであるが、本発明者らが実験によっ
て確認したところによると、チタンに合金元素としてＡ
ｌを添加していくと、特に圧延性が大幅に低下してくる
ことが分かった。

【００１２】ちなみに図１は、Ｔｉ−Ａｌの２元系合金
におけるＡｌ含有量が冷間圧延性に及ぼす影響を示した
もので、冷間圧延で耳割れが発生するまでの限界圧下率
を調べた結果を示したグラフである。この図からも明ら
かな様に、Ａｌ含有量が２〜２．３％（元素含有量の場
合は質量％を意味する、以下同じ）以下の領域では、７
５％の冷間圧延を行なっても耳割れは発生せず、十分な
圧延性が保障される。ところが、Ａｌ含有量が２．３％
を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められる様に
なり、５％以上になると耳割ればかりでなく板幅全体に
亘ってクラックが発生する。そして冷間加工率で７５％
を確保できれば、現在マフラー用として汎用されている
ＪＩＳ２種純チタンと同様の工程で薄板化することがで
き、製造コストの実質的な上昇も避けられることから、
加工性の面からするとＡｌ含有量を２．３％以下に抑え
ることが必須となる。

【００１３】一方、チタン合金の耐熱性に及ぼすＡｌ添
加量の影響を確認するため、ＪＩＳ２種純チタン材とＴ
ｉに０．５〜４％のＡｌを添加したチタン合金について
室温引張試験を行ない、０．２％耐力および引張強さに
及ぼすＡｌ添加量の影響を調べた。結果は図２に示す通
りであり、Ａｌ含有量の増大に伴って室温強度はほぼ比
例的に増大していくことが分かる。

【００１４】また図３,４は、Ａｌ添加による耐熱性に
及ぼす効果を確認するため、ＪＩＳ２種純チタンおよび
Ａｌ含有量の異なるＴｉ−Ａｌ合金について、温度と
０．２％耐力及び引張強さの関係を調べた結果を示した
グラフである。

【００１５】これらのグラフからも明らかな様に、純チ
タンでは温間域での強度低下が著しく、２００℃程度で
も室温強度の約半分に低下し、３００℃を超えると強度
低下は更に顕著になる。これに対しＴｉ−Ａｌ合金で
は、温度の上昇に伴なう強度低下は避けられないもの
の、その低下傾向は純チタンに比べて小さく、またＡｌ
含有量を多くするにつれて強度の絶対値および低下傾向
は小さくなる。そして特にＡｌ含有量を１．０％以上に
高めた合金では、５００℃近傍でも室温強度の約半分の
強度を保っており、特に２００〜５００℃の温間域での
強度を比較すると、純チタンに対して２倍〜３倍の強度
を示すことが分かる。そしてこうしたＡｌ添加による高
温強度向上効果は、Ａｌ含有量を０．５％以上、更に好
ましくは１．０％以上とすることによって有効に発揮さ
れることを確認できる。

【００１６】これらの実験結果から本発明では、特に２
００〜５００℃における温間域の耐熱性を確保するため
の要件として、Ａｌ含有量を０．５％以上と規定した。
耐熱性確保の観点からより好ましいＡｌ含有量の下限は
１．０％以上である。尚チタンに適量のＡｌを添加する
と耐酸化性も向上することが知られており、上記の様に
０．５％以上のＡｌを含有させると該耐酸化性向上効果
も有効に発揮され、これもマフラー用素材としての適性
向上に寄与する。Ａｌ含有量の上限については、先に述
べた様に成形加工性の観点からＡｌ含有量を２．３％と
定めたが、より好ましい上限は２．０％である。

【００１７】上記の様に本発明では、マフラー用素材と
して求められる成形加工性と耐熱・耐酸化性を確保する
ための要件としてＴｉに０．５〜２．３％のＡｌを含有
させたところに特徴を有しており、その最も単純で原料
コストや量産性も加味した好ましい合金組成はＴｉ−
（０．５〜２．３％）Ａｌからなる２元系のチタン合金
であるが、上記本発明の特徴を損なわない範囲で、ある
いはそれらの効果の更なる向上もしくは他の性能向上を
期して、Ａｌ以外の合金元素を含有させることも有効で
ある。

【００１８】それら他の合金元素の具体例としては、室
温〜温間域での強度向上効果を発揮する固溶強化元素
（Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ｚｒなど）；温間〜熱
間域での耐熱強度向上効果を有するＷ，Ｔａ，Ｎｂ，希
土類元素など；耐熱性向上効果を有するＢ，Ｃなどが例
示され、これらの合金元素を適量含有させて３元系〜４
元系以上の多元系合金とすることも可能である。

【００１９】これら多元系Ｔｉ合金であっても、主たる
合金元素がＡｌで、且つ他の合金元素を添加した合金全
体としての金属組織が、上記規定範囲のＡｌを含むＴｉ
−Ａｌ合金の基本構造であるα相を９０体積％以上含む
ものであれば、本発明で意図する前述した成形加工性や
溶接性、耐熱・耐酸化性を十分に確保することができ
る。よって、金属組織として９０体積％以上のα相を確
保し得る限度で前記他の合金元素を添加することも可能
である。ちなみに、純チタンの結晶構造はα相であり、
Ａｌはα相安定化元素として作用するため、Ｔｉ−Ａｌ
２元系合金は実質的に全てがα相の合金となる。またＭ
ｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅなどはβ相安定化元素であって、そ
れらの元素含有量が多くなるとβ相が増大し、特に耐熱
性や溶接性に悪影響が現われてくるので、それら合金元
素の添加量は、添加量そのもので上限を規定するのでは
なく、それらの影響が殆ど現われないβ相：１０体積％
未満の金属組織を確保できる範囲内に抑えることが必要
となる。

【００２０】尚本発明のチタン合金は、前述の如く従来
の純チタンに匹敵する冷間圧延性と成形加工性、更には
溶接性を有しているので、該合金を用いたマフラー用素
材やマフラーの製法は純チタンに準じた方法を採用すれ
ばよく、例えば、所定の合金組成となる様に原料成分を
調整して溶製した後、常法に従って鋳造し、鍛造および
熱間圧延の後焼鈍してから表面を脱スケールし、次いで
所定厚さまで冷間圧延してから焼鈍し、得られる薄板を
湾曲加工してからシーム溶接することにより管状に加工
し、最後にマフラー形状に成形加工する方法が一般的に
採用される。この間の熱延条件や冷延条件、焼鈍条件、
シーム溶接条件などは、用いるチタン合金の成分組成な
どに応じてその都度適正に調整すればよい。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効
果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実
施例によって制限を受ける訳ではなく、前・後記の趣旨
に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能
であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含さ
れる。

【００２２】実施例 (1)Ｔｉ−Ａｌ二元系合金薄板の製造 真空アーク溶解炉を用いて、純チタンおよびＡｌ含有量
が０〜６％のＴｉ−Ａｌ合金を溶製し、２５０ｇのなま
こ型インゴットを製造し、各インゴットを用いて図５に
示す工程を経て厚さ１ｍｍの薄板に加工した。冷間圧延
は板厚４ｍｍから開始し、最終１ｍｍ厚さ（圧下率：７
５％）まで圧延することとし、途中で耳割れが発生した
合金についてはその時点で圧延を中断した。尚、冷間圧
延前に行なわれる熱間圧延の温度や焼鈍温度について
は、予備実験で確認した最適条件を採用した。この実験
で得た限界圧下率に及ぼすＡｌ含有量の影響を示したの
が前記図１である。なお、同様の製法で既存合金である
Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金薄板も試作したが、このも
のは、冷間圧延圧下率が約４５％で内部割れを起こし、
５５％で耳割れを起こすことが確認された。

【００２３】(2)Ｔｉ−１．５Ａｌ合金薄板の製造 代表的なＡｌ添加合金として、Ｔｉ−１．５Ａｌ合金薄
板の製造を行なった。製法は、高周波スカル溶解法によ
り溶製してから鋳造した２５ｋｇのインゴットを使用
し、鍛造→熱間圧延→焼鈍→脱スケール→冷間圧延→真
空焼鈍の工程を経て、板厚１ｍｍのコイル状に加工し
た。この時、熱間圧延以降の条件は前記図５に示した条
件に準じた。この実験により、Ｔｉ−１．５Ａｌ合金
も、ＪＩＳ２種純チタンと実質的に同じ工程および条件
で薄板状に加工できることが確認された。

【００２４】前記図３，４に示したＴｉ−１．５％Ａｌ
合金のデータは、このコイルを供試材として温間域の引
張試験を行なった結果を示したものである。該図のＴｉ
−１．５Ａｌ合金をみれば明らかである様に、この合金
の室温での耐力は、従来のＴｉ系マフラー材であるＪＩ
Ｓ２種純チタンの約１．２５倍、３００〜５００℃の温
間域では２．５〜３．５倍となり、こうした強度特性を
活かせば、大幅な薄肉化と軽量化を達成し得ることが分
かる。

【００２５】また、図３，４に示したＴｉ−０．５Ａ
ｌ，Ｔｉ−１．０Ａｌ，Ｔｉ−２．０Ａｌ合金のデータ
は、前記(1)で作製した板材を使用し、室温、２００
℃、４００℃での引張試験を行なった結果を示してい
る。

【００２６】(3)Ｔｉ−１．５Ａｌ合金溶接管の製造 上記薄板コイルから幅１２０ｍｍの帯板を切り出し、こ
れを幅方向に湾曲加工してからシーム溶接することによ
り、厚さ１ｍｍ，直径３８ｍｍの溶接管を製造した。な
お造管に当たっては、コイル長さが短かかったため、ダ
ミーとしてＪＩＳ２種純チタン帯板を溶接して予め該純
チタンで形状を安定化させた後、連続してＴｉ−１．５
Ａｌ合金部をシーム溶接する方法を採用した。

【００２７】該溶接管を得る際の湾曲加工性およびシー
ム溶接性は共に全く支障がなく、純チタン薄板を用いた
場合と実質的に変わらない条件で健全なシーム溶接管を
得ることができた。該溶接管の代表的な機械的特性は下
記の通りであり、マフラー用チタン合金材として十分な
特性を有していることを確認できた。

【００２８】該溶接管の引張試験を行なったところ、
０．２％耐力は４４０ＭＰａ、引張強さは５１０ＭＰ
ａ、伸び率は３５％であり、成形加工性に関係する伸び
率は純チタンに匹敵する値であった。

【００２９】溶接管端面に６０度の円錐形コーンを押
し込んで行なう押し広げ試験で得られた限界押し広げ率
は１．４であり、この値は純チタン溶接管並みであって
溶接部の延性劣化も殆ど生じていないことが確認され
た。

【００３０】直径３８ｍｍの溶接管を、曲げ半径９０
ｍｍで曲げ加工を行なったところ、割れや皺などの問題
は全く生じることがなく、従ってこの溶接管は、エキゾ
ーストパイプ、その他のマフラー部材への成形加工に十
分耐える曲げ加工性を有していることが確認された。

【００３１】(4)マフラーへの成形加工 Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のスクラップ３３０Ｋｇと、ス
ポンジチタン７０Ｋｇを使用し、純チタン薄板コイルの
量産工程で採用される溶製法と同様に消耗電極式アーク
溶解炉を用いてＴｉ−２Ａｌ−１．３Ｖ合金を溶製し、
１トンのインゴットを製造した。これを常法に従って分
塊鍛造→熱間加工→焼鈍→脱スケール→冷間圧延→真空
焼鈍の工程を経て板厚０．７５ｍｍのコイルを製造し
た。この実験で、Ｔｉ−２Ａｌ−１．３Ｖ合金も、純チ
タンの製造工程を実質的にそのまま適用して薄板状に加
工し得ることを確認した。

【００３２】得られたコイルを使用し、直径３８ｍｍお
よび５０ｍｍの溶接管を製造すると共に、該溶接管を、
エキゾーストパイプ、サイレンサーパイプの外筒および
内装の一部に用いたバイクマフラーを製造したところ、
マフラー組み立てに際して何らの問題も生じなかった。
またこのマフラーは、ＪＩＳ２種純チタンを用いた同サ
イズ・寸法のマフラーに比べて約２０％の軽量化が図ら
れ、実車評価試験でも何らのトラブルも生じなかった。

【００３３】(5)Ｔｉ−Ａｌ系合金の溶接性確認試験 ＪＩＳ２種純Ｔｉ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ
−６Ａｌ−４Ｖ合金の各工場量産材（板厚１ｍｍ）およ
び前記(2)、(4)と同様にして作製した板材（それぞれ板
厚は１ｍｍ、０，７５ｍｍ）を供試材として使用し、溶
接性の確認試験を行なった。なお各供試材はいずれも焼
鈍仕上げ状態のものである。

【００３４】この試験では、供試材の板面を圧延方向に
ＴＩＧ溶接によって板の裏面まで貫通するビード（約２
ｍｍ幅）を形成し、溶接継手と類似したサンプルを作製
した。これらのサンプルについて、引張方向がビードと
直角になる様に試験片を加工して溶接継手引張試験を行
なった。

【００３５】結果を母材部の強度特性と共に表１に示
す。また表１には、夫々の供試材についてα相量（体積
％）をＸ線回折強度から同定した結果も示した。ここに
取り上げた合金は、何れもα単相またはα＋β２相合金
であるため、β相量＝１００−α相(体積％）の関係が
成立する。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１からも明らかな様に、α相量の減少に
伴って母材および溶接継手部の伸びは低下し、特にα相
量が９０体積％未満になると延性が急激に低下すること
が分かる。

【００３８】(6)Ｔｉ−Ａｌ合金の耐酸化性の調査 前記(1)で作製したＴｉ−Ａｌ２元系合金よりなる板材
を使用し、耐酸化性の調査を行なった。加熱は大気中７
００℃×２０時間および４０時間とし、得られた結果を
表２に示した。この表からも明らかな様に、Ａｌ添加に
よって耐酸化性が向上し、従来の純Ｔｉに比べてマフラ
ー材として好ましい素材であることが分かる。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、Ｔ
ｉに特定量のＡｌを含有させ、或いは更に他の合金元素
を含むものでは９０体積％以上のα相を有する金属組織
を確保することにより、従来の普通鋼やステンレス鋼に
比べて極めて軽量であり、しかも純チタン材に匹敵する
優れた冷間圧延性と成形加工性を有すると共に、耐熱性
や耐酸化性、溶接性などにも優れたマフラー素材を提供
すると共に、軽量で設計自由度の高いマフラーを提供し
得ることになった。従ってこのチタン合金は、マフラー
材、特に自動車やバイクへの装着状態で熱放散が起こり
難く高温になり易い部位に配置されるエキゾーストパイ
プやプリマフラー、サイレンサー内外装部品などとして
極めて有効に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴｉへのＡｌ添加量と冷間圧延時の限界圧下率
の関係を示すグラフである。

【図２】ＴｉへのＡｌ添加量が、室温での０．２％耐力
および引張強さに与える影響を示したグラフである。

【図３】温度による０．２％耐力の変化を純チタン合金
とＴｉ−Ａｌ合金で対比して示すグラフである。

【図４】温度による引張強さの変化を純チタン合金とＴ
ｉ−Ａｌ合金で対比して示すグラフである。

【図５】実験で採用したＴｉ−Ａｌ合金薄板の製造工程
説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ０．５〜２．３質量％のＡｌを含むチタ
   ン合金からなることを特徴とするマフラー用チタン合金
   材。
2. 【請求項２】 ０．５〜２．３質量％のＡｌを含み、金
   属組織がα相：９０体積％以上、β相：１０体積％以下
   であるチタン合金からなることを特徴とするマフラー用
   チタン合金材。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のチタン合金材
   で構成されたマフラー。