JP2003055725A

JP2003055725A - 冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度に優れたチタン合金

Info

Publication number: JP2003055725A
Application number: JP2001246729A
Authority: JP
Inventors: Narikazu Matsukura; 功和枩倉; Atsuyuki Miyamoto; 淳之宮本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2001-08-15
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: JP4202626B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度のい
ずれにも優れ、メガネ用フレームや自転車用フレーム等
の素材として有用なチタン合金を提供する。【解決手段】本発明のチタン合金は、Ａｌ：０．５〜
２．３質量％を含有し、必要によりＧａ：４質量％以下
やＳｉ：１質量％以下を含有し、且つβ安定化元素を実
質的に含有しないものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メガネ用フレーム
や自転車用フレーム等の素材として有用なチタン合金に
関し、殊に冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度の両
特性に優れたチタン合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタンは、耐食性に優れ変色等の経時変
化もなく、しかも（強度／比重）比が高いことから、メ
ガネ用フレームを始めとして、時計、カメラ等様々な分
野で使用されている。これらの用途のうち、メガネ用フ
レームや自転車用フレーム等に使用される場合には、冷
間加工性が良好であると共に優れたロウ付け性が要求さ
れることになる。

【０００３】メガネ用フレームや自転車用フレーム等に
使用されるチタン素材としては、冷間加工性を考慮して
ＪＩＳ−１種やＪＩＳ−２種等の工業用純チタンが汎用
されている。しかしながら、これらの純チタンでは冷間
加工性については良好であるものの、ロウ付け性につい
ては必ずしも良好であるとは言えない。即ち、メガネ用
フレームをロウ付けによって製作するときには、Ｔｉ−
Ｚｒ−Ｎｉ−Ｃｕロウ等のロウ材（融点：８５０〜９０
０℃程度）を用いてロウ付けされることになるが、ロウ
付け部分近傍のフレーム本体は、９００℃程度の高温に
曝されることになり、当該本体は結晶粒径の粗大化に起
因して脆くなってしまい、効果的なロウ付けが行なえな
いという問題がある。特に、こうしたロウ付け作業を行
なった場合には、ロウ付け時の熱に曝された部分（熱影
響部）において、疲労強度が低下するという問題があ
る。

【０００４】冷間加工性とロウ付け性の両特性を満足さ
せるという観点から、例えば特開昭６０−９８４７号に
は、チタンにＡｌとＶ等の合金成分を含有させたものが
開示されている。この技術では、チタンに０．１〜４質
量％のＡｌと０．１〜３．５質量％のＶを含有させるこ
とによって、純チタンの有する機械的強度やロウ付け時
の熱（７５０℃程度）による軟化・変形等の欠点を解消
するものである。また、この技術においては、Ｖは冷間
加工性を改善するという観点から上記の程度含有される
ものである。

【０００５】しかしながら、こうした技術では、ロウ付
けにおける再結晶や焼鈍での軟化度合いによって「ロウ
付け性」を評価しており、ロウ付け後の疲労強度につい
ては何ら考慮されておらず、こうした特性については必
ずしも良好であるとは言えない。特に、近年では、ロウ
付け部の接着強度の改善の観点から、比較的融点の高い
（９００℃程度）ロウ材が用いられるのであるが、上記
の様な技術ではこうした高温でロウ付けした後の疲労強
度が著しく劣化することがある。

【０００６】即ち、メガネ用フレームや自転車用フレー
ム等では、その素材の特性として冷間加工性とロウ付け
性後の疲労強度のいずれも優れていることが要求される
が、これまで提案されているチタン合金では、こうした
要求特性のいずれも満足するものは存在しないのが実状
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした状況
の下になされたものであって、その目的は、冷間加工性
およびロウ付け後の疲労強度のいずれにも優れ、メガネ
用フレームや自転車用フレーム等の素材として有用なチ
タン合金を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明のチタン合金とは、Ａｌ：０．５〜２．３質量％を
含有し、且つβ安定化元素を実質的に含有しない点に要
旨を有するものである。本発明のチタン合金には、必要
によって（１）Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まな
い）、（２）Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まな
い）等を含有することも有用である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、上記目的を達成す
るために、特にチタン材に対して耐熱性向上に有効であ
るとされているＡｌに着目して、その添加作用について
様々な角度から検討した。その結果、所定量のＡｌを含
有させ、且つβ安定化元素を実質的に含まないチタン合
金では、冷間加工性と共にロウ付け後の疲労強度も優れ
たものとなることを見出し、本発明を完成した。

【００１０】まず本発明者らは、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につい
て調査した。図１は、冷間圧延で耳割れが発生するまで
の限界圧下率をＡｌ含有量との関係で示したグラフであ
る。この結果から明らかなように、Ａｌ含有量が２．３
質量％以下の領域では、７５％の冷間圧延を行なっても
耳割れは発生せず、十分な圧延性が補償されることが分
かる。

【００１１】しかしながら、Ａｌ含有量が２．３質量％
を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められるよう
になり、５質量％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、現在メガネ用フレールの素材と
して汎用されているＪＩＳ２種純チタンと同様の工程で
フレームを成形することができ、製造コストの実質的な
上昇も避けられることから、冷間加工性の面からしてＡ
ｌ含有量を２．３質量％以下に抑えることが必須とな
る。尚、冷間加工性の観点からして、好ましい上限は２
質量％である。

【００１２】一方、本発明者らは、Ａｌ含有量とロウ付
け後における熱影響部の疲労強度（以下、単に「疲労強
度」と呼ぶことがある）の関係についても調査した。こ
の疲労強度については、９００℃で２分間加熱したとき
に母材結晶粒が１００μｍを超える程度の粗大化が生じ
るか否かによってその良否を判断した。即ち、７００℃
程度の加熱であれば疲労強度の劣化はあまり問題になら
ないが、９００℃という変態点付近で加熱したときに結
晶粒が急激に成長すれば、疲労強度に悪影響を及ぼすこ
とが予測されることから、この結晶粒の粗大化の有無に
よって疲労強度の良否を判断したのである。その結果、
所定量のＡｌを含有させたＴｉ−Ａｌ合金では、Ａｌ含
有量が増加するにつれて結晶粒の粗大化が阻止されて、
良好な疲労強度性が発揮されることが判明したのであ
る。

【００１３】Ａｌを含有させることによって、上記の効
果が得られた理由については、次の様に考えることがで
きる。即ち、Ａｌはα安定化元素であり、Ａｌを含有さ
せることによってチタン合金のβ変態点を高くすること
ができ、これによって９００℃の高温においても結晶粒
の粗大化が生じることなく、優れた疲労強度が発揮され
るものと考えられる。

【００１４】ロウ付けがβ変態点以下の温度で行われる
場合には、チタン合金の組織はα＋βの２相組織になっ
ており、２相が互いに結晶粒成長を抑制するので、急激
な粒成長が起こることはない。しかしながら、β変態点
よりも高い温度でロウ付けが行われると、β単相組織で
の加熱になって急激な結晶粒成長が起こることになる。
こうした結晶粒成長が発生すると、粗大結晶粒の部分は
強度が極端に低下するので、メガネフレーム等の製品に
したときには、ここに変形が集中することになる。そし
て、母材強度の高い材料ほど、この傾向が顕著になる。
また、結晶粒の粗大化が生じた部分は、ロウ付けの際に
水素を吸収すると共に、メガネフレームの作製に不可欠
なメッキ処理の際にも水素を吸収するのでチタン合金の
脆化が生じることになる。上記の様な変形集中と水素吸
収によって、結晶粒が粗大化した組織を含むチタン合金
では疲労強度が劣化することになる。

【００１５】これらのことからして、チタン合金の疲労
強度を良好に維持するためには、チタン合金のβ変態点
を高くすることが有効であり、本発明のチタン合金では
こうした観点から所定量のＡｌを含有させるものであ
る。但し、α安定化元素であればいずれの元素でも良い
というわけではなく、冷間加工性を劣化させないことも
必要である（後述する、Ｏ，Ｃ，Ｎ等）。こうした観点
からして、Ａｌが本発明で目的とする特性をチタン合金
に付与する上で最適な元素であると考えられる。また、
Ａｌによる上記の効果（β変態点上昇効果）を発揮させ
るためには、その含有量は少なくとも０．５質量％以上
とする必要があるが、好ましくは１．０質量％以上とす
るのが良い。

【００１６】また、本発明のチタン合金においては、
Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ等のβ安定化元素はチタン合金のβ変態
点を下げて本発明の効果を低減させる好ましくない元素
として実質的に含有しないものである。尚、「実質的に
含有しない」とは、製造工程上、不可避的に混入してく
る以外は含有しないことを意味する。

【００１７】上記の様に本発明では、メガネ用フレーム
等の素材として求められる冷間加工性と疲労強度を確保
するための要件として、チタンに０．５〜２．３質量％
のＡｌを含有させ、且つβ安定化元素を実質的に含有し
ないところに特徴を有しており、その最も単純で原料コ
ストや量産性を考慮した好ましい合金組成は、Ｔｉ−
（０．５〜２．３質量％）Ａｌからなる２元系のチタン
合金であるが、必要によって（１）Ｇａ：４質量％以下
（０質量％を含まない）、（２）Ｓｉ：１質量％以下
（０質量％を含まない）等を含有させることも有効であ
る。これらの元素を含有させるときの範囲限定理由は次
の通りである。

【００１８】Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まな
い）Ｇａは、Ａｌと同様にα相を安定化させる作用を発揮
し、チタン合金のβ変態点を高くすることによって疲労
強度を改善するのに有用な元素である。こうした効果
は、Ｇａの含有量が多くなるほど大きくなるが、過剰に
なれば冷間加工性が劣化するので、その含有量は４質量
％以下にすべきである。尚、冷間加工性の観点からし
て、Ｇａ含有量の好ましい上限は２質量％である。

【００１９】Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まな
い）Ｓｉは、Ｔｉとの化合物（ＴｉＳｉ₂，ＴｉＳｉ等）を
微細に析出させる作用を発揮し、この析出物が結晶粒界
の移動を阻害して結晶成長を抑制するので、疲労強度が
良好になる。こうした効果は、Ｓｉの含有量が多くなれ
ばなるほど大きくなるが、過剰になれば冷間加工性が劣
化するので、その含有量は１質量％以下にすべきであ
る。尚、冷間加工性の観点からして、Ｓｉ含有量の好ま
しい上限は０．６質量％である。

【００２０】本発明のチタン合金における必須の元素お
よび好ましい合金元素は上記の通りであり、残部は実質
的にチタンからなるものである。尚、「実質的にチタ
ン」とは、本発明のチタン合金材にはチタン以外にもそ
の特性を阻害しない程度の他の成分（許容成分）をも含
み得るものであり、こうした許容成分としては、例えば
Ｓｎ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素や、Ｏ，Ｎ，Ｃ等の不可避不
純物が挙げられる。

【００２１】上記許容成分のうち、Ｓｎ，Ｚｒ，Ｈｆ等
はいわゆる中性元素と呼ばれているものであり、チタン
合金材のβ変態点を下げる様な不都合もなく、またその
添加効果も明確には認められないものであるが、過剰に
含有してくると冷間加工性を劣化させるので、その含有
量は総合計（１種または２種以上）で４質量％以下に抑
えるのが良い。また、Ｏ，Ｎ，Ｃ等は原料に由来して不
可避的に含まれてくる不純物であり、Ｔｉに対しては基
本的にはα安定化元素（即ち、β変態点を上げる元素）
として作用するが、これらの元素は侵入型固溶体を形成
するので、少量含有するだけでチタン合金の強度を上昇
させて冷間加工性を劣化させるので、その含有量は合計
で０．３質量％以下に抑えるべきである。

【００２２】本発明のチタン合金材の金属組織はα相で
あり、その加工性はα相の加工性に依存することにな
る。前述の如く、Ａｌはα安定化元素であり、Ｔｉのα
相に優先的に固溶し、α相を固溶強化することになる。
従って、Ａｌの含有量を増加させていくと、α合金は硬
化していき加工性も劣化することになる。一方、Ａｌを
含有させることによって、α合金のβ変態点を上昇さ
せ、ロウ付け時における結晶粒の粗大化を防止して疲労
強度を向上させるという効果も発揮されるのである。即
ち、本発明のチタン合金では、冷間加工性を損なわない
程度にＡｌを含有させることによって、良好な冷間加工
性と疲労強度を確保したものである。

【００２３】尚、本発明のチタン合金を製造するに当た
っては、純チタンに準じた方法を採用すれば良く、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、次いで所定の厚
みまで冷間圧延してから成形加工してメガネ用フレーム
等の素材とする。そして、この間の熱延条件や冷延条
件、焼鈍条件等は、用いるチタン合金の成分組成等に応
じてその都度適性に調整すれば良い。

【００２４】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００２５】

【実施例】実施例１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質量％のＴｉ−Ａｌを溶製し、２５０ｇの小型
インゴットを製造し、各インゴットを用いて図２に示す
工程を経て厚さ：１ｍｍの薄板に加工した。

【００２６】冷間圧延は板厚４ｍｍから開始し、１ｍｍ
厚さ（圧延率；７５％）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（前記図２参照）。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。
このとき、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、冷間圧下
率５５％で耳割れを起こすことが確認された。

【００２７】実施例２実施例１と同様の工程で、下記表１に示すチタン合金の
板材を製作し、冷間加工性と疲労強度を評価した。この
とき、熱間圧延温度および焼鈍温度については、合金の
種類に応じて適当な温度を選んだ。

【００２８】冷間加工性の評価については、厚さ：４ｍ
ｍ〜１ｍｍへの冷間圧延で耳割れが発生しなければ、冷
間加工性は良好であると判断した。また、同時に引張り
特性（強度、伸び）についても調査した。

【００２９】疲労強度については、誘導加熱によって局
部的に９００℃で１分間加熱した棒材を試料として回転
曲げ疲労試験を行ない、疲れ限度（応力繰り返し数：１
０⁷回のときの応力振幅）によって評価した。このと
き、ミクロ組織についても観察し、加熱後の平均粒径が
１００μｍを超える場合を結晶粒の粗大化ありと判断し
た。これらの結果を一括して、下記表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から明らかな様に、本発明の要件を満
足するチタン合金では、冷間加工性に優れると共に、加
熱時における結晶粒の粗大化が抑制されて優れた疲労強
度を発揮していることが分かる。

【００３２】実施例３実施例１と同様の工程で、下記表２に示す各種チタン合
金の板材を製作し、その冷間加工性および疲労強度につ
いて実施例１、２と同様にして評価した。このとき、熱
間圧延温度および焼鈍温度については、合金の種類に応
じて適当な温度を選んだ。これらの結果を一括して下記
表２に示すが、本発明で規定する要件を満足するチタン
合金では、冷間加工性および疲労強度のいずれも優れて
いることが分かる。

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、チ
タンに特定量のＡｌを含有させ、或いは更に他の合金元
素を含み、実質的にβ安定化元素を含有しないもので
は、純チタンに匹敵する優れた冷間加工性を有すると共
に、ロウ付け後の疲労強度にも優れたチタン合金を提供
し得ることになった。従って、このチタン合金は、メガ
ネ用フレームや自転車用フレーム等の素材として有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】チタンへの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】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

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ：０．５〜２．３質量％を含有し、
且つβ安定化元素を実質的に含有しないことを特徴とす
る冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度に優れたチタ
ン合金。
【請求項２】Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まな
い）を含有するものである請求項１に記載のチタン合
金。
【請求項３】Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まな
い）を含有するものである請求項１または２に記載のチ
タン合金。