JP2007527466A

JP2007527466A - ベータチタン合金、このタイプの合金からの熱間圧延生成物の製造方法、及びその使用

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Publication number: JP2007527466A
Application number: JP2006518094A
Authority: JP
Inventors: ハインツシーブム; オリバーシャオアルテ; ゲオルクフロムメイヤー; スヴェンクニップシーア
Original assignee: Deutsche Titan GmbH
Current assignee: VDM Metals GmbH
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2007-09-27
Also published as: EP1641950B1; WO2005003399A1; CN100478472C; DE10329899B8; US20070175552A1; EP1641950A1; CN1902331A; DE502004007396D1; ZA200510297B; KR20060111895A; ATE398686T1; DE10329899B3

Abstract

本発明は、効果的な成形性の目的に対して、硬化前に高い強度及び良好な塑性特性を有し、そして、高い疲労強度をも有するベータチタン合金に関する。従って、ベータチタン合金は、（質量％で）：Ｖ：１０〜１７％、Ｆｅ：２〜５％，Ａｌ：２〜５％、Ｍｏ：０．１〜３％、及び場合により、下記比率：Ｓｎ：０．１〜３％、Ｓｉ：０．１≦２％、Ｃｒ：≦２％、Ｎｂ：≦２％、Ｚｒ：≦２％によるＳｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒの群からの合金元素１つ以上を含み、ここで、更に、Ｃの含有量及びランタニド元素の群からの元素の含有量が存在していることができ、そして、残余物としてのＴｉ及び不可避の不純物を含む。本発明は、このタイプの合金から高強度の部品を費用効果的に製造することができる方法にも関する。

Description

発明の詳細な説明

高いバナジウム含有量を有するベータチタン合金は、高い強度及び同時に効果的な靭性又は延性を特徴としている。通常、前記ベータチタン合金を、加熱成形法によって加工して、例えば、金属シート、ロッド、中空の又は中空でない形状の部材、及びワイヤの半生成物を形成し、次いでそれらから高品質で軽量の部品を製造する。

ベータチタン合金の特性及び製造の基本原理は、Ｕ．Ｚｗｉｃｋｅｒ，Ｔｉｔａｎ− ｕｎｄＴｉｔａｎｌｅｇｉｅｒｕｎｇｅｎ（「チタン及びチタン合金」）、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ：Ｂｅｒｌｉｎ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，ＮｅｗＹｏｒｋ（１９７４）に記載されている。従って、ベータチタン合金は、通常、マトリクス金属としてのチタンの他に、β混晶を安定化させる主たる合金元素としてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｆｅ及びＣｒを含み、そしてある程度の含有量のＺｒ、Ｓｎ、Ａｌ及び追加量のＳｉを含む。

ベータチタン合金及びこの合金からの部品の製造方法は、ＤＤ２８１４２２Ａ５からも公知である。公知の合金において、Ｃｒ及びＶの含有量は合計で１．５〜４．５質量％であるが、Ｃｒの含有量は２．５質量％未満に制限される。更に、公知の合金は、Ｆｅ２．０質量％未満、Ａｌ３．８〜４．８質量％、Ｍｏ１．５〜４．５質量％、並びにＳｎ１．５〜２．５質量％、Ｚｒ２．８〜４．８質量％、及びＳｉ０．３質量％未満を含有する。公知の方法によれば、このタイプの組成を有するメルトを、鋳造してバーを形成し、そして、次に前記バーを２段階で実施される方法によって加熱成形して部品を形成する。得られる部品は、加熱処理温度が「βトランサス」リアルバリュー（“ｔｒａｎｓｕｓ β”−Ｅｃｈｔｗｅｒｔ）としてＤＤ２８１４２２Ａ５に示された値より１０℃〜４０℃低い温度に維持される加熱処理工程によって固溶体にされる。この加熱処理工程の後、次に、前記部品を５５０℃〜６５０℃で４〜１２時間維持する。前記方法により処理された部品は、降伏点Ｒ_ｐ０．２１、１００ＭＰａ以上、及び引張強さＲ_ｍ１，２００ＭＰａ以上を有する。

ベータチタン合金のその他の例は、ＡＴ−ＰＳ２７２６７７、ＥＰ０４０８３１３Ｂ１及びＥＰ０６００７５９Ｂ１に提供されている。これらの文献の全てに記載されている従来技術に共通しているのは、できるだけ容易に鋳造することができると同時に、良好な機械的特性を有し、そして、費用効果的に製造することができるチタン合金を提供しようとする試みである。

しかしながら、公知の合金は、その強度に関してもそしてその膨張挙動に関しても、製造加工業者及びユーザーによって設けられた要件を十分には満たしていないことが実際的経験により示されてきた。

従って、本発明の目的は、効果的な成形性の目的に対して硬化（Ａｕｓｈａｅｒｔｕｎｇ）前に良好な塑性特性を及び硬化後に高い疲労強度を有し、そして費用効率的に製造することができる高強度のベータチタン合金を提供することであった。また、このタイプの合金から高強度の部品を費用効果的に製造することができる方法も提示しようとするものである。

材料に関して、本発明の目的は、（質量％で）：
Ｖ：１０〜１７％、Ｆｅ：２〜５％、Ａｌ：２〜５％、Ｍｏ：０．１〜３％を含み、そして場合により、下記比率：Ｓｎ：０．１〜３％、Ｓｉ：０．１≦２％、Ｃｒ：≦２％、Ｎｂ：≦２％、Ｚｒ：≦２％によるＳｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒの群からの合金元素１つ以上を含むベータチタン合金により達成され、前記ベータチタン合金は、更にＣの含有量及びランタニド元素の群からの元素の含有量を含んでいることができ、そして、残余物としてのＴｉ及び不可避の不純物を含む。

周囲温度において、本発明による組成を有するベータチタン合金は、降伏点Ｒ_ｐ０．２１，４００ＭＰａ以上、引張強さＲ_ｍ１，５００ＭＰａ以上、及び塑性歪みε_ｐ０．２４％超を容易に達成する。その密度ρは４．８ｇ／ｃｍ^３を超えないので、本発明によるベータチタン合金を用いて、極めて強いだけでなく重量が最適化された部品を製造することができる。

このことは、最初に、本発明による合金が従来技術のベータチタン合金において設けられたバナジウム含有量より著しく高いバナジウム含有量を含むことにおいて達成される。高いバナジウム含有量の結果として、構造のβ相が安定化し、そして、高温強度が増す。従って、本発明による合金において、バナジウム含有量は、好ましくは、１２〜１７質量％の範囲に、特に、１３〜１７質量％の範囲にある。

２〜５質量％のアルミニウム含有量は、構造のα相を安定化させ、そして効果的な混晶焼入れを生じさせる。

本発明による組成を有するチタン合金における鉄の効果は、構造のβ相の安定化、高温強度の増大、及び混晶形成における向上にある。

含有量０．１〜３質量％、好ましくは、０．５質量％以上のモリブデンを、本発明によるチタン材料中に含ませて、構造のβ相を安定化させ、そして、高温強度を高める。

本発明によるベータチタン合金は、場合により、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒの群からの合金元素１つ以上を含んでいる。

スズの存在は、混晶焼入れ及び高温強度に対して有益な効果を与える。従って、Ｓｎ含有量は、好ましくは、０．５〜３質量％の範囲である。

本発明による合金において、ケイ素は、高温強度及び耐酸化性を高める。

クロムを合金に添加して、構造のβ相を安定化させ、そして、高温強度を高めることができる。

ニオブの添加も、合金の高温強度及び耐酸化性に対して有益な効果を与えることができる。

最後に、混晶形成及び耐酸化性を向上させるために、本発明による合金にジルコニウムを添加することも有利であることができる。

前記で詳細に説明してきた効果を有する要素に加えて、本発明による合金は、本発明によって達成される特性に悪影響を与えないという条件で、別の要素を含んでいることができる。これらの要素は、特に、炭素の含有量及びランタニド元素の群に関連した元素の含有量を含む。

本発明によるベータチタン合金の最適な特性は、前記記載の限界値が小数点以下２桁以上の範囲内で守られる場合に、達成される。

方法に関して、上記で明記した目的は、下記工程、すなわち：
・本発明による組成を有するベータチタンメルトを溶融してブロック体状の予備的生成物を形成し、
・前記予備的生成物を加熱成形（Ｗａｒｍｕｍｆｏｒｍｅｎ）し、
・前記加熱成形した予備的生成物を加熱最終成形して加熱最終生成物を形成し、
・前記加熱最終生成物を溶体化焼鈍（Ｌｏｅｓｕｎｇｓｇｌｕｅｈｅｎ）し、
・前記加熱最終生成物を冷間成形して最終生成物を形成し、そして
・前記最終生成物を硬化処理する
工程に関するベータチタン合金から製造される生成物の製造において達成される。

ストリップ又は金属シートの製造に対する加熱最終成形工程は、必要により事後にコイリング工程を伴うことができる熱間圧延工程として実施することができる。

本発明によるチタン合金は、合金元素Ｖ、Ｆｅ及びＡｌを、それ自体公知である方法により、個別にではなく、どちらかと言えばマスター合金の形に合金化することによって添加する方法、特に、費用効果的な方法により製造することができる。このタイプのマスター合金は市販されている。

加熱成形工程後に本発明による方法によって得られる加熱最終生成物は、そのトランサス温度Ｔ_Ｂが約７８８℃である、単相の準安定ベータチタンからなる。加熱最終生成物を熱間圧延工程によって製造する場合、前記加熱最終生成物は圧延方向に延伸された結晶を含みそして部分的に動的に再結晶した構造を有する。

本発明による方法の中で加工されるブロックの形態の予備的生成物は、再溶融によって得られる。この目的に対して、それ自体公知である方法により、真空アーク再溶融炉を用いることができる。

予備的生成物は、例えば、丸いブロック体であることができ、それは加熱成形工程の間に加熱成形されてビレット又はミルバー（Ｐｌａｔｉｎｅｎ）を形成する。このタイプのビレットは、典型的には、端部長さ（Ｋａｎｔｅｎｌａｅｎｇｅｎ）、例えば、７０ｍｍを有する四角形、又は直径、例えば、６０ｍｍを有する円形である。

断面積の効果的な低減及び組成及び構造の均一化を達成するために、通常、９５０℃〜１，１５０℃の範囲の成形温度で加熱最終成形工程を実施する。

熱間圧延工程として加熱最終成形工程を実施する場合、本発明による方法の有利な構成は、前記加熱最終成形工程後に加熱最終生成物を溶体化焼鈍することを提供する。前記溶体化焼鈍工程は、事後に冷間成形工程を伴う。通常、溶体化焼鈍工程は、８７５℃で３０分間実施する。

機械的特性の値を更に向上させるために、溶体化焼鈍することができる加熱最終生成物を再結晶法により焼鈍する。２０〜４０分間の保持時間に対して、この焼鈍処理の間の温度は、通常、７７５℃〜８７５℃の範囲にある。

次に、例えば、冷間圧延により冷間成形を実施する。冷間成形工程後に得られる最終生成物は、降伏点Ｒ_ｐ０．２８７０ＭＰａ以上〜９００ＭＰａ、引張強さＲ_ｍ８９０ＭＰａ〜９４４ＭＰａ、及び塑性歪み１４％〜１７％を有する。

次に、再結晶法により焼鈍された圧延生成物を硬化処理に付した後、得られる生成物は、降伏点Ｒ_ｐ０．２１，４００ＭＰａ以上，弾性限度（Ｓｔｒｅｃｋｇｒｅｎｚｅ）Ｒ_ｍ１，５００ＭＰａ以上、及び歪み（Ｄｅｈｎｕｎｇ）ε_ｐ１４％以上を有する。硬化処理の典型的な温度は、通常、５時間である処理時間に対して、約４８０℃である。これらの時間及び温度の要件に従うことを条件として、本発明により製造される最終生成物の最適な特性範囲が達成される。

その特徴的な形状のゆえに高強度の部品として理想的である半生成物、例えば、ミルバー、金属シート、ロッド、特定の横断面を有する材（Ｐｒｏｆｉｌｅ）又はワイヤは、本発明による組成を有するベータチタン合金から製造することができる。特に、前記半生成物は、本発明による方法を用いて費用効果的に製造することができる。

本発明によるベータチタン合金は、鉄道車両又は道路車両に及び飛行機旅行及び宇宙旅行に用いられる部品の製造用の構成材料として特に、適していることが分かった。この使用としての部品の例は、軸バネ、連接棒、ピストンピン、高強度ネジ、ブレーキピストン及びブレーキ板を含む。

本発明によるベータチタン合金は、その特有な特性のゆえに、一般機械工学、装置エンジニアリング、プラント・エンジニアリング、コンテナ建設、低温学、車両建設の分野に、及びスポーツの分野に用いられる部品の製造にも特に、適している。

本発明による組成を有するベータチタン合金は、−１９６℃〜３００℃の温度範囲で用いられる部品の製造に特に、適していることが見出された。

態様を参照しながら、以下で本発明を更に詳細に説明する。

次に鍛造工程において加熱成形されて四角のビレットを形成する、Ｖ１５％、Ｆｅ４％、Ａｌ３％、Ｍｏ１％、Ｓｎ１％及びＳｉ０．３％（質量％で表示）、並びに残余物のＴｉ及び不可避の不純物を含有する丸いブロックを、ＶＡＲ炉にて溶融した。このメルトの合金化の間、合金要素であるＶ、Ｆｅ及びＡｌを安価なマスター合金の形態で一緒にして、マトリクス材料であるＴｉに添加した。

鍛造工程後に、１，１００℃〜９５０℃の範囲の熱間圧延温度でビレットを熱間圧延してワイヤを形成し、そして、次いでこれを巻き取りコイルを形成した。熱間圧延工程後、ワイヤは、ワイヤ軸の方向に延伸されたクリスタライト及び部分的に動的に再結晶した構造を有する単相の準安定ベータチタン（トランサス温度Ｔ_β約７８８℃）を含んでいた。

コイリング工程に続いて、ワイヤを８７５℃で３０分間溶体化焼鈍した。この溶体化焼鈍工程に続いて、ワイヤを冷間形成した。この冷間形成工程の後、２０分間〜４０分間の範囲の保持時間にわたり７７５℃〜８７５℃の温度で再結晶法によりワイヤを焼鈍した。この方法により焼鈍したワイヤは、降伏点Ｒ_ｐ０．２８７０ＭＰａ〜９００ＭＰａ、引張強さＲ_ｍ８９０ＭＰａ〜９４４ＭＰａ、及び歪みＡ１４％〜１７％を有していた。再結晶焼鈍工程に続いて、硬化処理を実施し、この処理においてワイヤを４８０℃に５時間保持した。

このようにして仕上げしたワイヤは、周囲温度において、１，４００ＭＰａを超える降伏点Ｒ_ｐ０．２、１，５００ＭＰａを超える引張強さＲ_ｍ、及び歪みＡ４％〜５％の範囲以上を有していた。

Claims

ベータチタン合金であって、下記（質量％で表示）：
Ｖ：１０〜１７％、
Ｆｅ：２〜５％、
Ａｌ：２〜５％、
Ｍｏ：０．１〜３％、
を含み、そして場合により、下記比率：
Ｓｎ：０．１〜３％、
Ｓｉ：０．１≦２％、
Ｃｒ：≦２％、
Ｎｂ：≦２％、
Ｚｒ：≦２％、
によるＳｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒの群からの合金元素１つ以上
を含み、ここで、前記ベータチタン合金は、更にＣの含有量及びランタニド元素の群からの元素の含有量を含んでいることができ、
そして、残余物としてのＴｉ及び不可避の不純物を含む、前記ベータチタン合金。
ベータチタン合金であって、下記（質量％で表示）：
Ｖ：１０．００〜１７．００％、
Ｆｅ：２．００〜５．００％、
Ａｌ：２．００〜５．００％、
Ｍｏ：０．１０〜３．００％、
を含み、そして場合により、下記比率：
Ｓｎ：０．１０〜３．００％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｃｒ：≦２．００％、
Ｎｂ：≦２．００％、
Ｚｒ：≦２．００％、
によるＳｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒの群からの合金元素１つ以上
を含み、
そして、残余物としてのＴｉ及び不可避の不純物を含む、前記ベータチタン合金。
Ｖ１２〜１７質量％を含有する、請求項１又は２に記載のベータチタン合金。
Ｍｏ０．５〜３質量％を含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
Ｓｎ０．５〜３質量％を含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
前記ベータチタン合金が、周囲温度において、降伏点Ｒ_ｐ０．２１，４００ＭＰａ以上を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
前記ベータチタン合金が、周囲温度において、引張強さＲ_ｍ１，５００ＭＰａ以上を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
前記ベータチタン合金が、周囲温度において、４％を超える塑性歪みε_ｐ０．２を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
前記ベータチタン合金の密度ρが４．８ｇ／ｃｍ^３を超えないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のベータチタン合金。
ベータチタン合金から製造される生成物の製造方法であって、下記工程、すなわち：
・請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタンメルトを溶融してブロック体状の予備的生成物を形成し、
・前記予備的生成物を加熱成形し、
・前記加熱成形した予備的生成物を加熱最終成形して加熱最終生成物を形成し、
・前記加熱最終生成物を溶体化焼鈍し、
・前記加熱最終生成物を冷間成形して最終生成物を形成し、
・前記最終生成物を硬化処理する、工程を含む、前記製造方法。
前記加熱最終形成工程を熱間圧延工程として実施することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
前記熱間圧延工程の後にコイリング工程を実施することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
合金元素Ｖ、Ｆｅ及びＡｌをマスター合金の形態に合金化することによって添加することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
前記予備的生成物が丸いブロック体であり、加熱成形工程の間に前記丸いブロック体を加熱成形してビレット又はミルバーを形成することを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
前記加熱最終生成物がワイヤ又は金属シートであることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
コイリング工程の後に前記加熱最終生成物を溶体化焼鈍することを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
溶体化焼鈍された前記加熱最終生成物を冷間成形することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタン合金から製造される半生成物。
−１９６℃〜３００℃の温度範囲で用いられる部品の製造に対する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタン合金の使用。
車両部品の製造に対する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタン合金の使用。
プラント又は装置エンジニアリグに用いられる部品の製造に対する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタン合金の使用。
スポーツ用具の製造に対する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成を有するベータチタン合金の使用。