JP2001254130A - めがねフレーム用チタン合金とめがねフレーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】強度が十分高く、冷間加工性にすぐれ、ろう付
けの加熱により軟化せず、しかも原料コストのかからな
い、めがねフレーム用チタン合金およびそれによるめが
ねフレームの提供。 【解決手段】質量％にてＺｒ：0.05〜8％、Ｏ（酸
素）：0.01〜0.3％、Ｆｅが1％を超え、Ｆｅ％＋Ｎｉ％
＋Ｃｒ％が3以下で、かつ 2(Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％)
＋Ｚｒ％＋12Ｏ％が12以下である、残部がＴｉおよび不
純物からなるめがねフレーム用チタン合金、およびこの
合金を用いたチタン合金製めがねフレーム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、めがねフレームに
用いられるチタン合金、およびその合金を用いためがね
フレームに関する。

【０００２】

【従来の技術】めがねフレームは、レンズ周りにあって
レンズを固定するアイリム部、二つのアイリム部を結合
するブリッジ部、耳にかけてアイリム部分を顔面に保持
するためのテンプル部、アイリム部とテンプル部とを連
絡する蝶番部、等からなっている。このめがねのフレー
ム用金属材料としては、従来洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ合
金）が多く使用されていたが、近年チタン製のフレーム
がこれに取って代わりつつある。チタンは比重が小さい
ので軽くでき、強度があり、耐食性にすぐれ、適度の弾
性率を持つなど、めがねフレームに適した特性を有して
いる。

【０００３】めがねフレームは、線状の素材をスエージ
ング、異形断面形状圧延、プレス、切削などの冷間加工
によって、所定の形状や寸法のフレーム各構成部材に成
形し、これらの必要部分をろう付けし、組み立てて製造
される。この際の冷間加工の加工度は60％をこえ、洋箔
の場合、加工硬化によってビッカース硬さでＨv270程度
になる。ところが純チタンの場合、同様な加工をおこな
うと硬さがＨv230位にしかならず強度不足になる。この
ため、フレ−ムの強度を十分確保するには細くできず、
期待ほどには軽量化ができないとか、細線化などデザイ
ンの多様化に対応できないといった問題があった。

【０００４】高強度のチタン合金は、JIS-H4657の60種
のＴｉ−6Ａｌ−4Ｖなどがよく知られているが、このよ
うな高強度材は加工性がよくなく、加工途中の軟化熱処
理なしには、60％を超える加工は不可能である。また、
チタンフレームのろう付けには、銀ろうやＴｉ−Ｃｕ−
Ｎｉ合金などが用いられており、接合時に短時間ではあ
るが950℃前後に加熱される。純チタンでは、その際に
軟化して強度が低下することも問題であった。

【０００５】このような、めがねフレームに用いるチタ
ン合金に関し、いくつかの発明が提案されている。なか
でも、特公平6-46269号公報に開示されているＺｒを含
みＯ（酸素）量を管理した合金は、洋白と同様な加工方
法にて十分な強度が得られ、しかも70％を超える加工に
耐えるものとして、すぐれたフレーム用材料になると考
えられる。この発明のフレーム用チタン合金は、質量％
にてＺｒを1.0％以上として、Ｚｒ％＋25Ｏ％≧5、およ
びＺｒ％＋220Ｏ％≦66を満足する範囲のＺｒとＯとを
含有し、他は不可避的不純物か、またはＡｌ、Ｓｎ、Ｆ
ｅ、ＣｕおよびＣｒの1種または2種以上を合計にて1％
以下を含み他は不可避的不純物、とするチタン合金であ
る。

【０００６】しかしながら、この発明のＺｒを添加した
チタン合金は、その効果を十分発揮させるためには高価
なＺｒを10％程度含有させる必要があり、その上、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属Ｔｉ製造過程で混入しやすい不
純物量を1％以下にしなければならないなど、高価なＺ
ｒの多量添加や、高純度のＴｉ材を必要とし、その原料
コストが増大する。その上、ろう付けの際の加熱によ
り、硬さが7〜10％低下するなどの難点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、強度
が十分高く、冷間加工性にすぐれ、ろう付けの加熱によ
る軟化の程度が小さく、しかも原料コストのかからな
い、めがねフレーム用チタン合金と、それによるめがね
フレームの提供にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、すぐれた
性能を有するＺｒ含有チタン合金の特性をさらに向上さ
せ、しかも原料コストを低減させるべく、種々検討を行
った。

【０００９】まずＺｒの添加は、Ｔｉの硬さを向上させ
るが、硬さを向上させても加工性の劣化が少ない特徴が
ある。これはＺｒがＴｉと同じ稠密六方格子の結晶系の
元素であり、Ｔｉと全率固溶することによると考えられ
る。ただし、硬さを十分大きくするためには、かなり多
量に添加する必要がある。そこで、この高価なＺｒの含
有量を減らし、それに代わるＴｉを硬くする元素の添加
により、硬さを維持することの可能性を検討した。この
場合、洋白によるめがねフレームが、60％の加工にて硬
さがＨv270程度であることから、中間の焼鈍など熱処理
なしに60％以上の冷間加工が可能であること、およびそ
れにより硬さはＨv270以上になることをその合金の目標
性能とした。

【００１０】不可避的に混入してくる不純物の一つのＯ
（酸素）は、少量で著しく硬さを上昇させるが、硬さ増
加と共に加工性を大きく劣化させる。このＯの影響を調
べた結果、Ｚｒの存在下で適量含有させることにより、
加工性を損なうことなく、硬さを増すことができること
が確認された。また、Ｆｅも不純物元素として混入して
くるが、これも少量で硬さを増加させ、加工性を大きく
劣化させる元素として知られている。この硬さを増す効
果は、同じ添加量であればＺｒよりもはるかに大きい。
そこで、Ｚｒの含有量を減少させ、その分をＦｅ添加で
補って同一硬さを得るようにして加工性を調査したとこ
ろ、少量のＦｅに対しＺｒが同時に存在すると、Ｆｅに
よる加工性の劣化が抑制できることが明らかになった。

【００１１】さらに、このＦｅが少量含まれた場合、ろ
う付けのための950℃の短時間加熱による軟化は生じ難
く、それよりもむしろ硬さが上昇する傾向が見いだされ
たのである。加工後のろう付けの加熱による硬さ上昇
は、フレームの強度向上に対し望ましい効果である。フ
レームの素材は、加工前、熱間加工状態または焼きなま
しをおこなった状態で、十分に軟化させたものを用い
る。その状態では、Ｔｉは稠密六方格子の金属結晶の、
いわゆるα相となっており、フレームに成形された状態
では、α相の加工組織である。これがろう付けのために
加熱されると、加工組織からひずみが解放され、通常は
軟化が起きる。Ｆｅの添加は、Ｔｉの高温での安定相で
ある体心立方格子金属結晶のβ相を安定化させる作用が
あり、またＴｉＦｅの金属間化合物を形成する傾向があ
る。このため、ろう付けの短時間加熱によりβ相となっ
てから急冷される際に、変態温度が大きく低下して結晶
粒微細化が生じ、その上微細な金属間化合物の析出も起
きるので、それらによって軟化よりは硬さ上昇が現れた
ものと思われる。

【００１２】Ｆｅは、金属Ｔｉないしはスポンジチタン
製造の際の反応容器などから混入してくる不純物の一つ
で、工業用純チタンの性能を劣化させるため、一般的に
Ｆｅの多いスポンジチタンはグレードが低く価格が安
い。ところが、Ｆｅを有効な添加元素の一つとして積極
的に活用するとすれば、この低グレードの安価な原材料
を利用することができ、めがねフレームのコストを低減
させ得る。そこで、Ｆｅとおなじく混入の可能性の大き
い、ＣｒおよびＮｉの含有の効果も合わせて検討した。
その結果、ＣｒまたはＮｉは、少量含有される範囲にお
いてはＦｅと同様な効果があり、ほぼ等量で置換できる
ことがわかった。これは、ＣｒもＮｉもＦｅと同様β相
を安定化させ、金属間化合物を析出する元素であためと
思われる。

【００１３】以上のように、Ｚｒ含有チタン合金の性能
向上と低コスト化という目的に対し、量を抑制したＺｒ
と、Ｏ、Ｆｅ、ＣｒまたはＮｉの含有量制御との組み合
わせが効果的であることが明らかになったので、されに
それらの元素の含有範囲限界を確認し、本発明を完成さ
せた。本発明の要旨は次のとおりである。

【００１４】(1) 質量％にてＺｒ：0.05〜8％、Ｏ（酸
素）：0.01〜0.3％、Ｆｅが1％を超え、Ｆｅ％＋Ｎｉ％
＋Ｃｒ％が3以下で、かつ 2(Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％)
＋Ｚｒ％＋12Ｏ％が12以下である、残部がＴｉおよび不
純物からなることを特徴とするめがねフレーム用チタン
合金。 (2) 上記(1)の合金を用いたことを特徴とするチタン合
金製めがねフレーム。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明において、チタン合金の組
成を上述のように規制した理由は次のとおりである。な
お以下の合金組成はいずれも質量％である。

【００１６】Ｚｒの含有量は、0.05〜8％とする。これ
は含有量が0.05％を下回ると、硬さを高くして加工性を
損なわないＺｒ添加の効果が失われるからであり、Ｆｅ
を上記のように添加すると、Ｚｒの8％を超える含有量
では、硬さが高くなりすぎて加工性が悪くなるからであ
る。

【００１７】Ｏの含有量は0.01〜0.3％とする。ＯはＴ
ｉのα相の金属結晶の中に侵入型に固溶し、その硬さを
著しく向上させる。含有量が0.01％を下回る場合は、そ
の硬さ向上効果はほとんど期待できず、0.3％を超える
と加工による割れを発生しやすくなり、冷間加工性を悪
くする。したがって、0.01〜0.3％に限定するが、望ま
しいのは0.05〜0.2％とすることである。

【００１８】Ｆｅ、ＣｒおよびＮｉの含有量を、 Ｆｅ％＞1 ・・・・・・・・・・・・・ で、かつ Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％≦3 ・・・・・・ であることとする。

【００１９】これはＦｅの含有量が1％以下の場合、硬
さの向上が不十分であり、ろう付けの加熱により、硬さ
の大幅低下を来すからである。ＮｉおよびＣｒはとくに
は添加しなくてもよい。しかし、不純物としてＣｒまた
はＮｉが混入している場合、あるいはこれら元素を積極
的に含有させた場合、Ｆｅの含有と同様な効果をもたら
す。したがって、これらの元素がＦｅと共に含有されて
いる場合、Ｆｅの一部を置き換えることができる。ただ
し、ＦｅとＮｉまたはＣｒとの総合計量が3％を超える
含有は、加工性が低下して冷間加工の加工度増加により
割れ発生を引き起こす。また、ろう付けによる加熱部分
が脆化するおそれもある。このため、Ｆｅは1％を超え
る量の含有を必要とするが、Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％は
3％以下でなければならない。

【００２０】また、Ｚｒ、ＯおよびＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ
は、いずれもチタン合金の硬さを上昇させる効果があ
り、これらの元素を共に多く添加すると硬くなりすぎ
て、加工性の劣化をきたす。したがってこれら元素のそ
れぞれの含有量は、次式で示される範囲内でなければ
ならない。 2(Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％)＋Ｚｒ％＋12Ｏ％≦12 ・・・・ 本発明の合金を用いためがねフレームの製造は、通常の
チタン合金を素材とする場合の方法や条件をそのまま適
用すればよい。たとえば、スポンジＴｉと合金成分とを
所要量配合しプレスしてブリケットを作製し、これらを
溶接して電極とし、この電極を消耗電極として真空中、
あるいはアルゴンなどの不活性雰囲気中にてアーク溶解
し、得られた鋳塊を電極にしてさらに第二次のアーク溶
解をおこなって鋳塊を作り、これを圧練して圧延素材と
し、熱間圧延して線材を製造する。線材をさらに冷間に
て伸線して加工素材寸法に仕上げ十分焼きなましをおこ
なう。この素材チタン合金線を用い、スエージング加
工、異形圧延加工、プレス加工、切削加工、等の冷間加
工により所要形状に成形し、各成形品の必要部分をろう
付けし、表面仕上げ、ねじ止め等をおこなってめがねフ
レームに仕上げる。

【００２１】

【実施例】表１に示す化学組成の合金を真空アーク溶解
炉を用いて溶製し、15ｋｇの鋳塊とした。これを1100℃
に加熱し鍛造してビレットとした後、850℃に加熱して
熱間圧延をおこない直径9mmの線材を得た。スケールを
除去して表面に疵など欠陥のないことを確認し、中間焼
鈍を施しながら5.5mmの線に冷間加工した。これに700
℃、15分間の焼鈍をおこなった後、スエージングにより
中間焼鈍なしに断面減少率70％の加工をおこない、直径
3mmのチタン合金線とした。

【００２２】

【表１】

【００２３】得られた冷間加工後合金線の表面を観察
し、割れの発生の有無からその加工性を評価した。加工
後の硬さは、線の断面にてビッカース硬さを測定した。
またろう付けによる硬さ変化は、合金線表面に銀ろうを
置き、バーナーで加熱して銀ろうの溶融後直ちに放冷
し、冷却後銀ろうの接している表面近くの断面硬さを測
定した。銀ろうの溶融時の温度は950℃であった。

【００２４】表１にこれらの試験結果も合わせて示す。
断面減少率70％の加工は、素線からフレームに加工する
際の冷間加工として、通常おこなわれる範囲を十分上回
っている。表１に示した本発明の組成範囲である番号1
〜19の合金では、この冷間加工でいずれも割れを生じて
いない。そして、いずれの加工後の硬さも、洋白で得ら
れているＨv270を超えるものとなっている。しかし、合
金の化学組成が本発明の範囲を多い方に逸脱した場合、
番号20〜27の組成の合金に見られるように、加工後の硬
さは十分大きいが、冷間加工で割れを発生する。また、
合金の化学組成が本発明の範囲を少ない方に逸脱した番
号28の合金では、ろう付けによる加熱後の硬さが、加工
後の硬さよりも低下している。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、冷間加工性にすぐれ、
中間に焼鈍をおこなわなくても70％以上の加工が可能で
あり、しかも強度が十分高く、ろう付けの加熱によっ
て、軟化よりはむしろ強度の上昇するチタン合金が得ら
れる。この合金は、めがねフレームへのチタン適用拡大
に大きく寄与できる。さらに、低グレードのチタン原料
を活用でき、Ｚｒのような高価な原材料の使用を節減で
きるので、優れた特性のめがねフレームをより低コスト
で供給することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量％にてＺｒ：0.05〜8％、Ｏ（酸
   素）：0.01〜0.3％、Ｆｅが1％を超え、Ｆｅ％＋Ｎｉ％
   ＋Ｃｒ％が3以下で、かつ 2(Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％)
   ＋Ｚｒ％＋12Ｏ％が12以下である、残部がＴｉおよび不
   純物からなることを特徴とするめがねフレーム用チタン
   合金。
2. 【請求項２】請求項１に記載の合金を用いたことを特徴
   とする、チタン合金製めがねフレーム。