JP2006291267A

JP2006291267A - 加工性に優れた排気系部品用チタン合金材およびその製造方法ならびに該合金材を用いた排気装置

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Publication number: JP2006291267A
Application number: JP2005111812A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Otsuka; 広明大塚; Hideki Fujii; 秀樹藤井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP4414928B2

Abstract

【課題】加工性に優れた排気系部品用チタン合金材およびその製造方法ならびに該合金材を用いた排気装置を提供する。
【解決手段】本発明のチタン合金材は、Ａｌ：０．４〜２．３％、酸素：０．０４％以下、Ｆｅ：０．０６％以下を含むことを特徴とする。その製造方法は、電子ビーム溶解により製造することを特徴とする。また、本発明の排気装置は、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、上記チタン合金材で構成されていることを特徴とする。これにより、軽量かつ高温で十分な強度があり、かつ高温における耐酸化性が良好で室温における加工性の良好なチタン合金材を製造、提供することが可能になる。
【選択図】なし

Description

本発明は、四輪車、二輪車等自動車用の排気装置として使用されるチタン材料に関するものであり、メインマフラー部はもとより、６００℃以上の高温に曝され、特に耐熱性、耐酸化性が要求されるエキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の部位に使用可能な軽量かつ耐食性、加工性、耐熱性・耐酸化性に優れたチタン合金材と本チタン合金材を用いた排気装置に関するものである。

チタン材料は、軽量でありながら高強度で耐食性も良好であることから自動車の排気装置にも使用されている。自動車やバイクのエンジンから排出される燃焼ガスは、エキゾーストマニホールドにより一つにまとめられ、エキゾーストパイプにより車両後方の排気口から排出される。エキゾーストパイプは、途中に触媒やマフラー（消音器）を入れるためいくつかに分割されて構成される。本明細書では、エキゾーストマニホールドからエキゾーストパイプ、排気口までの全体を通して排気装置と称する。

こうした排気装置の素材は、現在、耐食性に優れたステンレス鋼が主に使われているが、車輌軽量化の観点から最近バイクを中心としてチタンも使われるようになってきた。現在使用されているチタン製マフラーの材料は、大部分がＪＩＳ２種の工業用純チタンである。排気ガスの温度は、およそ７００℃以上と言われており、純チタンは、６００℃の温度では通常強度が大きく低下するが、マフラー部分はエンジンの排気ガス出口からは遠い上、外気に触れているため、６００℃以上となることは少なく、６００℃以上になっても長時間その温度にさらされることはないため、純チタンでも十分に使用が可能であった。

しかし、近年、よりエンジンの排気口に近い部分まで軽量化したいニーズが出てきており、より高温強度の高いチタン合金が求められている。

６００℃以上の高温において強度が高いという観点では、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金やＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が適している。

また、特許文献１では、冷間加工性と高温強度を併せ持つチタン合金が提案されている。

特開２００１−２３４２６６号公報

しかしながら、上記Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金は、室温における強度が強すぎ、成形加工性に乏しいこと、また、冷間加工は可能であるが、耳割れを生じ易く中間焼鈍を何度も入れる必要があり加工コストがかかること等の問題があった。また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、冷間加工が困難で薄板にすることができないため、排気装置用素材として不適当である。

一方、特許文献１に記載の発明は、０．５〜２．３質量％のＡｌを含むチタン合金であるが、室温における伸びが３０％未満と小さく、特に張り出し成形性が要求される形状をもつ排気装置への加工は難しく、設計の自由度が制限されているのが現状である。

そこで、本発明は、６００℃付近の高温に曝されるエキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の部位に使用可能な、加工性に優れた排気系部品用チタン合金材およびその製造方法ならびに該合金材を用いた排気装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、Ｔｉ−Ａｌ二元系チタン合金の室温における加工性、すなわち伸びを向上させるため、酸素、Ｆｅ等の不純物元素の効果を調査した。その結果、酸素およびＦｅの含有量がある値を下回ると室温における伸びが大きく改善することを見出した。

本発明はこのような知見に基づくものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）質量％で、Ａｌ：０．４〜２．３％、酸素：０．０４％以下、Ｆｅ：０．０６％以下を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、加工性に優れた排気系部品用チタン合金材。
（２）電子ビーム溶解により、質量％で、Ａｌ：０．４〜２．３％、酸素：０．０４％以下、Ｆｅ：０．０６％以下を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなる成分組成に調整して製造することを特徴とする、加工性に優れた排気系部品用チタン合金材の製造方法。
（３）エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、上記（１）に記載のチタン合金材で構成されていることを特徴とする排気装置。

本発明によれば、軽量かつ高温で十分な強度があり、かつ高温における耐酸化性が良好で室温における加工性の良好なチタン合金材を製造、提供することが可能になり、四輪車、二輪車等自動車の排気装置の軽量化が大きく進み、産業上および環境面の貢献が極めて顕著である。

一般に金属材料の塑性変形はすべり変形によってまかなわれるが、六方晶最密構造をもつチタン合金のすべり系は、結晶が連続した粒界を保って変形するために必要なすべり系の数（五つ）に満たないため、双晶変形によって塑性変形する。したがって、双晶変形を生じやすくすることは、チタン合金の加工性を向上させることになる。本発明におけるチタン合金では、十分な高温強度と耐酸化性を得るため、Ａｌを０．４〜２．５％含有するが、Ａｌは双晶変形を抑制する。したがって室温において十分な加工性を得るためには、双晶変形を誘起しやすくすることが必要である。これに対して酸素の影響について注目し、その含有量と室温延性について調査したところ、酸素含有量を０．０４％以下とすることにより、十分な延性が得られることを見出した。酸素は、一般的なチタン材料の溶解法である消耗電極式アーク溶解ではどうしてもあるレベル以上入ってしまい酸素含有量を安定的に０．０４％以下とすることは難しいが、電子ビーム溶解法では、溶解時に溶解原料に付着した酸素他の不純物を除去できるため、本発明のチタン合金のような酸素含有量の少ない合金の製造方法として、電子ビーム溶解法とすることにより、これを達成することができる。

本発明のチタン合金は、高温、特に６００℃における強度と室温における加工性が良好であること、および６００℃以上における耐酸化性を第一の要件としている。高温強度および室温強度の目安は、ＪＩＳ２種の工業用チタンの６００℃における０．２％耐力の１．５倍、すなわち５５Ｎ／ｍｍ²以上、室温における０．２％耐力は３１０Ｎ／ｍｍ²以下、かつ室温における伸びが３０％以上であることである。耐酸化性の目安は、６００℃における２００時間の加熱で酸化増量が８ｇ／ｍ²以下であることである。

請求項１に記載の本発明では、質量％で、Ａｌ：０．４〜２．３％、酸素：０．０４％以下、Ｆｅ：０．０６％以下を含み、残部チタンと不可避不純物からなることを特徴とする排気系部品用チタン合金材とした。Ａｌ、酸素、Ｆｅの含有量を限定した理由は、以下の通りである。

Ａｌの添加量が０．４％よりも少ないと６００℃における０．２％耐力が５５Ｎ／ｍｍ²以上とならないためであり、２．３％よりも多いと室温における０．２％耐力が３１０Ｎ／ｍｍ²を超えてしまうためである。酸素の含有量が０．０４％よりも多いと室温における伸びが３０％以上とならないためである。Ｆｅは高温使用時に結晶粒の粗大化を抑制する元素として有用であるが、含有量が０．０６％よりも多いと室温における伸びが抑制され、伸びが３０％以上とならないためである。

請求項２に記載の本発明では、請求項１に記載のチタン合金材の製造方法として電子ビーム溶解法を用いることを規定した。酸素は、チタンの溶解法として最も一般的な消耗電極式アーク溶解ではあるレベル以上入るが、電子ビーム溶解法では溶解時に溶解原料に付着した酸素を除去できるため、酸素含有量の少ない本発明のチタン合金を安定的に溶解する方法として、電子ビーム溶解法を選択した。

請求項３に記載の本発明では、請求項１に記載のチタン合金材を用いて排気装置を製作したものである。本発明のチタン合金は、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた加工性、溶接性を有しているので、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた方法により、溶解、圧延、成形が可能であり、冷延焼鈍された薄板を管状に湾曲してＴＩＧ溶接し、各パーツを溶接することにより排気装置とすることができる。

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。

表１に示す成分のチタン合金を鋳造して約１０ｋｇの鋳塊とした。チタン合金のＦｅ含有量は、原料の純度によって調整した。表１のＮｏ．１〜７，９，１２は電子ビーム溶解により、Ｎｏ．８，１０，１１，１３，１４は消耗電極式真空アーク溶解により製造した。これらを８５０〜９００℃に加熱して、熱間圧延し、厚さ約３．５ｍｍの板とした。ショットブラストおよび酸洗後、さらにこれを冷間圧延して、厚さ１ｍｍの板とした。得られた板を真空中で７５０℃、１時間焼鈍した。これらの供試材からＪＩＳ１３号Ｂの試験片を切出し、室温引張試験を行った。また、６００℃においてＪＩＳＧ０５６７に準拠の高温引張試験を行った。高温の酸化試験は２０ｍｍ×２０ｍｍの試験片を表面と端面を＃４００のサンドペーパーで研磨した後、６００℃の各温度に大気中に２００時間暴露し、試験前後の重量の変化を測定し、単位断面積あたりの酸化増量を求めた。

測定結果を表１にまとめて示す。表１において、Ｎｏ．１からＮｏ．７は、請求項１ないし２に記載の本発明の実施例である。いずれも６００℃における０．２％耐力は、ＪＩＳ２種の工業用チタンの１．５倍、すなわち５５Ｎ／ｍｍ²以上であり、室温における０．２％耐力は３１０Ｎ／ｍｍ²以下、かつ室温における伸びは３０％以上であった。耐酸化性では、６００℃における２００時間の加熱での酸化増量は８ｇ／ｍ²以下、室温における十分な延性と高温における十分な耐力、かつ高温における優れた耐酸化性を示している。

一方、チタンの溶解で最も一般的な消耗電極式真空アーク溶解で製造したＮｏ．８、１０、１１では、酸素含有量が本発明範囲を超えるため、６００℃における耐力が目標値を超えるが、室温における延性が３０％を下回り、十分な加工性を有していない。また、Ｆｅ含有量の多いＮｏ．９と１２も室温における延性が３０％を下回り、十分な加工性を有していない。

また、Ｖを１．３質量％、または２．５質量％含むＮｏ．１３およびＮｏ．１４は６００℃における耐力が高く、高温強度の観点で優れているが、室温における延性が不十分である。

表１のＮｏ．６に示す成分のチタン合金を電子ビーム溶解により２００ｋｇ溶製し、１０００℃で粗鍛造して３００ｍｍ角とした後、さらに９００℃で鍛造した後、厚さ１００ｍｍのスラブを製造した。次に、８５０℃で熱間圧延して、厚さ４ｍｍの板とした後、厚さ１ｍｍまで冷間圧延し、７５０℃１時間の熱処理を施した。

上記薄板を幅１２０ｍｍで切り出し、外径３８ｍｍの溶接管を製造した。湾曲加工後、ＴＩＧ溶接で溶接管を製造した。溶接管の製造工程は、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた薄板を用いて製造する場合と同様とした。

溶接管端部に６０°の円錐形コーンを押し込み、初期直径の１．３倍まで押し広げたところ、溶接部に割れは生じず、良好な押し広げ特性を有していた。また、本溶接管を半径９０ｍｍで９０°曲げ加工したしたところ、割れや皺などは生じなかった。

本発明のチタン合金材は、高温強度が高く、かつ耐酸化性が良好で、室温における延性に優れ、溶接管の製造が従来の純チタン材並に容易であり、四輪者や二輪車等自動車のメインマフラー部はもとより、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の排気装置用部材に利用することが可能である。

Claims

質量％で、
Ａｌ：０．４〜２．３％、
酸素：０．０４％以下、
Ｆｅ：０．０６％以下
を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、加工性に優れた排気系部品用チタン合金材。
電子ビーム溶解により、質量％で、
Ａｌ：０．４〜２．３％、
酸素：０．０４％以下、
Ｆｅ：０．０６％以下
を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなる成分組成に調整して製造することを特徴とする、加工性に優れた排気系部品用チタン合金材の製造方法。
エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、請求項１に記載のチタン合金材で構成されていることを特徴とする排気装置。