JP2005076052A - 剛性および強度が向上したチタン合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】 チタン合金の金属組織中に硬質のチタン化合物の微粒子を分散させて強化したものにおいて、微粒子が粗大化することなく、剛性および強度の向上効果が高いチタン合金と、それを用いて各種の部品を得るための素材の製造方法を提供する。
【解決手段】 金属組織中にＴｉＢの微粒子とＴｉＣの微粒子の両方を分散させて含有するチタン合金。つぎの工程により製造する：１）チタン合金の原料と、Ｃを含む原料およびＢを含む原料とを混合し、レビテーション溶解により溶湯を用意して、２）溶湯をガスアトマイズすることによって粉末にし、粉末内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を十分に分散させ、３）得られた粉末をＨＩＰ法により焼結し、４）この焼結体を熱間で鍛造および（または）圧延し、５）熱間加工品を熱処理して固溶化する。続いて、６）時効処理をしてもよい。
【選択図】 図１
【解決手段】 金属組織中にＴｉＢの微粒子とＴｉＣの微粒子の両方を分散させて含有するチタン合金。つぎの工程により製造する：１）チタン合金の原料と、Ｃを含む原料およびＢを含む原料とを混合し、レビテーション溶解により溶湯を用意して、２）溶湯をガスアトマイズすることによって粉末にし、粉末内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を十分に分散させ、３）得られた粉末をＨＩＰ法により焼結し、４）この焼結体を熱間で鍛造および（または）圧延し、５）熱間加工品を熱処理して固溶化する。続いて、６）時効処理をしてもよい。
【選択図】 図１
Description
本発明は、硬質粒子の分散により強化され、剛性および強度が向上したチタン合金に関する。本発明はまた、そのチタン合金から各種の部品を得るための、素材の製造方法にも関する。
純チタンまたはチタン合金（以下、チタン合金で代表させる）に硬質の微粒子を分散させて特性を改善した複合材料が、種々提案されている。たとえば、β型のチタンの粉末と、ＴｉＣの粉末を混合してＨＩＰ処理により焼結したものは、耐摩耗性が高いという（特許文献１）。硬質の微粒子としては、ＴｉＣのほか、ＴｉＮ，ＴｉＢなども知られており、これらのいずれかを２０〜７０容積％という多量、Ｔｉ粉末と混合して焼結したものは、耐エロージョン性が高いとのことである（特許文献２）。
強度を高めたチタン合金複合材料としては、α−β二相チタン合金の粉末と、ＴｉＣなどのチタン化合物の粉末２０体積％以下を配合し、ＨＩＰ処理したものが開示された（特許文献３）。この発明により、合金組成の改良では得られなかった、引張強度１１００ＭＰａと、ヤング率１２５ＧＰａとが実現した。α−β二相チタン合金をベースとし、結晶粒内および粒界にＴｉＣなどのチタン化合物を体積率で２０％以下配合したものは、その後も提案されている（特許文献４）。α−β二相チタン合金粉末にホウ化物粉末を混合し、焼結して、マトリクス中にＴｉＢを晶出させることも開示されている（特許文献５）。
ＴｉＢを利用したα型、α＋β型またはβ型のチタン合金の複合材料であって、マトリクス金属中に、体積比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体を分散させたものも開示された（特許文献６）。それにより、強度、延性、剛性、耐摩耗性および耐熱性が改善されるとのことである。
材質異方性がなく高疲労強度を有するチタン基複合材料の製造方法として、チタン粉末、合金元素添加用粉末と、ＴｉＣなどの強化粒子とを混合し、ＨＩＰ法により焼結したものを、β変態点以上１３００℃以下の温度で熱間加工し、空冷以上の冷却速度で冷却してから、７００℃以上β変態点以下の温度で焼鈍処理する方法が開示された（特許文献７）。
以上はいずれも粉末冶金法により硬質粒子を配合するか、または硬質物質を析出させる技術であるが、チタン合金のマトリクス金属中に、金属ホウ化物を析出させて強化するものも提案された（特許文献８）。この高剛性チタン合金は、引張強さは９００〜１０００ＭＰａレベルであるが、ヤング率は１３０ＧＰａを超える。
特開平２−１２９３３０
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特開平５−５１３８
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特開平５−５１４２
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特開平５−２０９２５１
発明者らは、チタン合金の金属組織中にチタン化合物の微粒子を分散させることにより、強度および剛性を高める技術を研究し、チタン化合物としてはＴｉＢおよびＴｉＣがとくにすぐれていることを確認したが、これらを少量、たとえばＢ量またはＣ量にして１．０重量％未満含有させても、剛性や強度の向上効果はそれほど高くなく、一方で、多量に含有させようとしてＢおよびＣの添加量を増すと、生成したＴｉＣやＴｉＢの粒子が合金内部で粗大化してしまい、逆効果となることを経験した。
本発明の第一の目的は、チタン合金の金属組織中に、チタン化合物の微粒子を分散させて強度および剛性を高めたものにおいて、チタン化合物の微粒子を多量に存在させてもそれらが粗大化することなく、したがって剛性および強度の向上効果が高く得られるチタン合金を提供することにある。
本発明の第二の目的は、上記の剛性および強度が向上したチタン合金から、各種の部品を得るための素材を製造する、有利な方法を提供することにある。
上記した第一の目的を達成する、本発明の剛性および強度が向上したチタン合金は、金属組織内にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を分散させて含有するチタン合金である。
第二の目的を達成する、本発明の剛性および強度が向上したチタン合金素材の製造方法は、下記の諸工程からなる：
（１）チタン合金の原料をレビテーション溶解法により用意し、その溶解時にＢを含む原料およびＣを含む原料を添加する溶解工程、
（２）得られた溶湯をガスアトマイズすることによって粉末にし、粉末内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を十分に分散させる粉末化工程、
（３）粉末をＨＩＰ法により焼結する焼結工程、
（４）焼結体を鍛造および（または）圧延する熱間加工工程、および
（５）熱間加工品を熱処理する固溶化工程。
（１）チタン合金の原料をレビテーション溶解法により用意し、その溶解時にＢを含む原料およびＣを含む原料を添加する溶解工程、
（２）得られた溶湯をガスアトマイズすることによって粉末にし、粉末内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を十分に分散させる粉末化工程、
（３）粉末をＨＩＰ法により焼結する焼結工程、
（４）焼結体を鍛造および（または）圧延する熱間加工工程、および
（５）熱間加工品を熱処理する固溶化工程。
本発明のチタン合金は、金属組織内にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子の両方を均一に分散させたことにより、それらチタン化合物の微粒子が粗大化することなく多量に存在することが可能になり、微粒子による補強効果を十分に発揮させることができ、剛性および強度を、従来達成できなかったレベルまで高めることができる。
本発明のチタン合金素材の製造方法は、ＴｉＢおよびＴｉＣを生成させるための、Ｂを含む原料およびＣを含む原料を、合金原料に混合した状態でレビテーション溶解し、ガスアトマイズして粉末とすることにより、粉末の内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を均一に分散させることができ、得られた粉末をＨＩＰ法により焼結し、焼結体を熱間加工および固溶化処理するという工程を採用することによって、ＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子の両方が、両者を合計すると多量に、かつ均一に分散したチタン合金素材を得ることを可能にした。
このようにして本発明は、後記する実施例に見るように、従来技術では到達できなかった、ヤング率１４５〜１５０ＧＰａという高い剛性、および引張強さ１５００〜１７５０ＭＰａという高い強度をもつチタン合金素材を実現した。
本発明の剛性および強度が向上したチタン合金は、重量％で（以下同じ）、Ｖ：１０〜２４％ならびに、Ｃｒ：４〜１０％およびＡｌ：１〜６％の一方または両方を含有し、残部が実質上Ｔｉである合金組成を有するものが好適である。
このチタン合金は、下記の添加元素のいずれか一つ、二つまたは三つを含有することが好ましい。
（Ｉ）Ｆｅ：０〜６％、Ｎｉ：０〜７％およびＳｉ：０〜２％からなるグループの１種または２種以上
（II）ＺｒおよびＳｎからなるグループの１種または２種：０〜４％
（III）Ｃａ，Ｓ，ＰｄおよびＲＥＭからなるグループの１種または２種以上（２種以上の場合は合計量で）：０．０１〜３％
（Ｉ）Ｆｅ：０〜６％、Ｎｉ：０〜７％およびＳｉ：０〜２％からなるグループの１種または２種以上
（II）ＺｒおよびＳｎからなるグループの１種または２種：０〜４％
（III）Ｃａ，Ｓ，ＰｄおよびＲＥＭからなるグループの１種または２種以上（２種以上の場合は合計量で）：０．０１〜３％
上記した必須合金元素および任意添加元素の作用と、組成範囲の限定理由は下記のとおりである。
Ｖ：１０〜２４％
Ｖはチタン合金のβ相安定化元素であり、マトリクスをβ相にして延性を良好にする作用がある。この効果を得るには、少なくとも１０％のＶを添加する。しかし、Ｖは高価な材料であるから、多量に添加すると原料コストが高くなる上、時効反応すなわちα相の析出が遅くなって、熱処理に長時間を要するなど、経済的な不利を招くので、２４％を添加の上限とする。通常は、１３〜２３％のＶ量が好ましい。
Ｖはチタン合金のβ相安定化元素であり、マトリクスをβ相にして延性を良好にする作用がある。この効果を得るには、少なくとも１０％のＶを添加する。しかし、Ｖは高価な材料であるから、多量に添加すると原料コストが高くなる上、時効反応すなわちα相の析出が遅くなって、熱処理に長時間を要するなど、経済的な不利を招くので、２４％を添加の上限とする。通常は、１３〜２３％のＶ量が好ましい。
Ｃｒ：４〜１０％
Ｃｒはチタン合金のβ相マトリクスを固溶強化するのに有効な成分である。この効果を得るためには、少なくとも４％、好ましくは５％を超える量のＣｒを添加する。ただし、Ｃｒ量が過大になると、時効処理の過程で金属間化合物ＴｉＣｒ2の析出を招き、材料を脆くするから、１０％以下、好ましくは８％以下の添加量を選ぶ。
Ｃｒはチタン合金のβ相マトリクスを固溶強化するのに有効な成分である。この効果を得るためには、少なくとも４％、好ましくは５％を超える量のＣｒを添加する。ただし、Ｃｒ量が過大になると、時効処理の過程で金属間化合物ＴｉＣｒ2の析出を招き、材料を脆くするから、１０％以下、好ましくは８％以下の添加量を選ぶ。
Ａｌ：１〜６％
Ａｌは時効反応により析出するα相の強化に有効であるから、その効果が得られる１％以上の、適量を選んで添加することが好ましい。一方、過大な量のＡｌが存在するとＴｉ3Ａｌなどの金属間化合物が析出し、これが靱性を低下させるため、６％以下、好ましくは５％以下の添加量を選ぶ。
Ａｌは時効反応により析出するα相の強化に有効であるから、その効果が得られる１％以上の、適量を選んで添加することが好ましい。一方、過大な量のＡｌが存在するとＴｉ3Ａｌなどの金属間化合物が析出し、これが靱性を低下させるため、６％以下、好ましくは５％以下の添加量を選ぶ。
Ｆｅ：０〜６％
Ｆｅは、Ｃｒと同様にチタン合金のβ相を強化するのに有効な成分である。しかし、多すぎるとＴｉＦｅなどの金属間化合物が形成しやすくなって、靱性の低下を生じるようになるため、６％以下、好ましくは５．５％以下の添加量とする。
Ｆｅは、Ｃｒと同様にチタン合金のβ相を強化するのに有効な成分である。しかし、多すぎるとＴｉＦｅなどの金属間化合物が形成しやすくなって、靱性の低下を生じるようになるため、６％以下、好ましくは５．５％以下の添加量とする。
Ｎｉ：０〜７％
Ｎｉは、ＣｒおよびＦｅと同様に、チタン合金のβ相を強化するのに有効な成分である。しかし、多すぎるとＴｉＮｉ２等の金属間化合物が形成しやすくなって、やはり靱性の低下を生じるようになるため、７％以下、好ましくは６％以下の添加量とする。
Ｎｉは、ＣｒおよびＦｅと同様に、チタン合金のβ相を強化するのに有効な成分である。しかし、多すぎるとＴｉＮｉ２等の金属間化合物が形成しやすくなって、やはり靱性の低下を生じるようになるため、７％以下、好ましくは６％以下の添加量とする。
Ｓｉ：０〜２％
Ｓｉは結晶粒を微細化し、強度を向上させるのに有効な成分であるが、多量にすぎるとシリサイドの析出に起因する延性低下を生じるため、２％以下、好ましくは１．５％以下の添加量を選ぶ。
Ｓｉは結晶粒を微細化し、強度を向上させるのに有効な成分であるが、多量にすぎるとシリサイドの析出に起因する延性低下を生じるため、２％以下、好ましくは１．５％以下の添加量を選ぶ。
ＺｒおよびＳｎからなるグループの１種または２種：０〜４％
これらの元素は、いずれもチタン合金のα相およびβ相の両方を固溶強化するのに有効な成分である。しかし、多量に添加しても固溶強化への寄与は飽和してくるので、いずれも４％以下、好ましくは３．５％までの添加に止める。
これらの元素は、いずれもチタン合金のα相およびβ相の両方を固溶強化するのに有効な成分である。しかし、多量に添加しても固溶強化への寄与は飽和してくるので、いずれも４％以下、好ましくは３．５％までの添加に止める。
Ｃａ，Ｓ，ＰｄおよびＲＥＭからなるグループの１種または２種以上（２種以上の場合は合計量で）：０．０１〜３％
これらの元素は、Ｔｉと化合物を形成し、それらがチタン合金の被削性を改善する。この効果は、下限値０．０１％以上の添加で顕著になる。過大な量を添加すると熱間加工性を損なうので、上限値３％を設けた。
これらの元素は、Ｔｉと化合物を形成し、それらがチタン合金の被削性を改善する。この効果は、下限値０．０１％以上の添加で顕著になる。過大な量を添加すると熱間加工性を損なうので、上限値３％を設けた。
ＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子は、その大きさが、球相当径で３０μm以下の微細なものであることが好ましい。ここで「球相当径」とは、顕微鏡観察により測定される、長径と短径との平均値を意味する。
本発明のチタン合金は、粉末の形態で得ることが、部品製造のための素材を用意する上で有利である。この粉末は、チタン合金の金属組織中にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子が均一に分散した複合状態の粉末である。
本発明のチタン合金素材の製造方法で採用したレビテーション溶解は、高融点でしかも活性が高いチタン合金の製造に有用な溶解方法である。溶湯を不活性ガスでアトマイズすることにより、酸素含有量の低い粉末が得られる。
粉末の焼結を行なうＨＩＰの条件は、ＨＩＰの分野において知られている技術に従って、前記した、静水圧１００〜１５０ＭＰａ、温度８００〜１２００℃、時間０．５〜１０ｈｒの範囲で、適切なものを選択し実施すればよい。
熱間加工を、βトランザス以上１１００℃以下の温度で実施するのは、いうまでもなく、βトランザス温度以下での加工は割れを招くこと、および、１１００℃以上の高温はマトリクス組織およびＴｉＢおよびＴｉＣの微粒子の粗大化が生じる、ということからくる制約である。
固溶化を、βトランザス近傍の温度、具体的にはβトランザス±１００℃で実施するのは、均一なβ相が得られるからである。つづいて時効処理を施す場合の温度４００〜６００℃は、この範囲内であれば良好な強度が得られるという理由で決定した。
表１に示す、Ａ〜Ｅ（実施例）およびＦ〜Ｈ（比較例）の合金組成となるように、合金成分元素、Ｃを含む原料およびＢを含む原料を配合した。レビテーション溶解により溶湯を用意し、圧力３ＭＰａのＡｒガスでアトマイズして、本発明のチタン合金の粉末を得た。
分級により２５０μｍ以下の粉末を得て、これを１００Ａのステンレス鋼製の缶に真空封入し、静水圧１２０ＭＰａ、温度９５０℃で４時間のＨＩＰ処理を行なった。ＨＩＰ処理により得られた焼結体を、９００〜１１００℃の温度で鍛造して丸棒を得、これをそれぞれのβトランザス近傍の温度で固溶化処理し、４００〜６００℃の温度で時効処理することにより、本発明のチタン合金素材とした。
各サンプルから機械加工により試験片を得、ヤング率および引張強さを測定した。また、光学顕微鏡を用いて鍛造伸長方向の断面を観察し、認められた最大径のＴｉＢおよびＴｉＣの円相当径、すなわち、素材中における球相当径を調べた。結果を表２に示す
実施例１のＮｏ．Ａのチタン合金の粉末を対象に、実施例１の操作におけるＨＩＰ処理、鍛造、熱処理つまり固溶化および時効処理の条件を表３に示すように変化させて、本発明のチタン合金素材を製造した。それについて、同様に引張試験を行なった。結果を、あわせて表３に示す。表３において、Ｎｏ．８は鍛造時に割れが生じて、試験片が製作できなかった。
Ｔｉ−１５Ｖ−６Ｃｒ−４Ａｌ−１Ｂ−１Ｃの合金組成を選択し、実施例１の操作を行なって、本発明のチタン合金素材を得た。その表層部のミクロ組織を顕微鏡観察したところ、図１に示すような組織であった。
本発明のチタン合金は、各種スポーツ用品、調理器具ないしレジャー用品に好適であるほか、耐海水用シャフト、各種ボルト、バルブリテーナなど、軽量で、しかも高い強度や靭性が要求される部品類の素材として有用である。また、肉盛溶射による表面改質に使用しても有用である。
Claims (10)
- 金属組織内にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を分散させて含有することにより、剛性および強度が向上したチタン合金。
- 重量％で（以下同じ）、Ｖ：１０〜２４％ならびに、Ｃｒ：４〜１０％およびＡｌ：１〜６％の一方または両方を含有し、残部が実質上Ｔｉである合金組成を有する請求項１のチタン合金。
- チタン合金が、さらに、Ｆｅ：０〜６％、Ｎｉ：０〜７％およびＳｉ：０〜２％からなるグループの１種または２種以上を含有し、剛性および強度がさらに向上した請求項１または２のチタン合金。
- チタン合金が、さらに、ＺｒおよびＳｎからなるグループの１種または２種：０〜４％を含有し、剛性および強度がさらに向上した請求項１または２のチタン合金。
- チタン合金が、さらに、Ｃａ，Ｓ，ＰｄおよびＲＥＭからなるグループの１種または２種以上(２種以上の場合は合計量で)：０．０１〜３％を含有し、被削性が改善された請求項１または２のチタン合金。
- ＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子の大きさが、球相当径で３０μm以下である請求項１または２のチタン合金。
- 粉末の形態である請求項１ないし６のいずれかのチタン合金。
- 下記の諸工程からなる、剛性および強度が向上したチタン合金素材の製造方法：
（１）チタン合金の原料をレビテーション溶解法により用意し、その溶解時にＢを含む原料およびＣを含む原料を添加する溶解工程、
（２）得られた溶湯をガスアトマイズすることによって粉末にし、粉末内部にＴｉＢの微粒子およびＴｉＣの微粒子を十分に分散させる粉末化工程
（３）粉末をＨＩＰ法により焼結する焼結工程、
（４）焼結体を鍛造および（または）圧延する熱間加工工程、および
（５）熱間加工品を熱処理する固溶化工程。 - 請求項８に記載の諸工程（１）〜（５）に続く下記の工程を付加したチタン合金素材の製造方法：
（６）固溶化を経た熱間加工品を熱処理する時効工程。 - 焼結工程（３）を、静水圧１００〜１５０ＭＰａ、温度８００〜１２００℃、時間０．５〜１０ｈｒの条件で実施し、熱間加工工程（４）を、βトランザス以上１１００℃以下の温度で実施し、固溶化工程（５）を、βトランザス近傍の温度で実施し、時効工程（６）を実施する場合は、４００〜６００℃の温度で実施する請求項８または９の製造方法。
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