JP2009030140A - 冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金に比較しうる高温強度を有し、かつ冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材を提供する。
【解決手段】本発明のチタン合金は、Ｃｕ：２．１％超〜４．５％、酸素：０．０４％以下、Ｆｅ：０．０６％以下を含むか、またこれにＳｎ、Ｚｒの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有するか、さらにＳｉ、Ｎｂの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することを特徴とする。その製造方法は、素材の熱延、熱延版焼鈍、冷延、中間焼鈍、最終焼鈍等の工程を経て製造されるチタン合金板製造方法において最終焼鈍を６５０〜７８０℃の温度域にて行うことを特徴とする。また、上記チタン合金が使用されていることを特徴とする排気装置用部材である。
【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（消音器）部はもとより、７００℃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、メインマフラー等の部材に適した冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材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、途中に触媒マフラーやメインマフラー（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。

７００℃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、耐高温酸化性および耐食性に優れるチタン合金が提案されている。

特許文献２および３では、排気系部品など、高温域での特性と冷間での加工性が要求される用途に適した耐熱チタン合金に関する発明が記載されている。

特許文献４には、Ｃｕを含むα単相チタン合金からなる、電解Ｃｕ箔製造ドラム用チタン板およびその製造方法が記載されている。

特開２００１−２３４２６６号公報 特開２００５−２９０５４８号公報 特開２００５−２９８９７０号公報 特開２００４−２９５３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高すぎ、成形加工性に乏しいこと、また、７００℃付近の温度における酸化増量が大きいこと、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を含むマフラー用チタン合金であり、純チタンよりも耐熱性に優れ、純チタンと同等の冷間加工性を有することが開示されているが、６００〜７００℃における高温引張強度はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金に比べて低く、６割に満たない。

また、特許文献２に記載の発明は、０．３０〜１．５質量％のＡｌと０．１０〜１．０質量％のＳｉを含むα相が９０体積％以上となるα型チタン合金、または、これに０．１〜０．５％のＮｂを含む合金であるが、これらの合金も、６００℃における高温引張強度はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金に比べて低く、７割に満たない。

さらに、特許文献３に記載の発明は、質量％で、Ｃｕを０．８〜１．８％、Ｏを０．１８％以下、Ｆｅを０．３０％以下および０．３％以下の不純物を含む耐熱チタン合金、またはこれに、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒの少なくとも１種または２種以上を合計で０．３〜１．５％含有する耐熱チタン合金に関するものである。特許文献３のチタン合金も、７００℃における高温引張強度はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金に比べて低く、７割に満たない。

そこで、本発明は、６００℃以上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、メインマフラー等の部位に使用可能な、高温における高い強度を有し、かつ優れた耐酸化性および冷間加工性を、安定的に発現できる排気系部品用チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材を提供することを目的とするものである。本発明は、特に７００℃の高温引張強度としては、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の高温強度の７割を超える強度、かつ７００℃における耐酸化性が特許文献３に記載のチタン合金と同程度以上である冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材を提供することを目的としている。

なお、特許文献４に記載の発明は、質量％で、Ｃｕを０．５〜２．１％、Ｏを０．１％以下、Ｆｅを０．０４％以下含むチタン合金に関するものであり、本発明とはＣｕ量が異なる以外は、成分規定が一致する。しかし、特許文献４に記載の発明は、β相またはＴｉ₂Ｃｕの析出を抑え、かつ平均結晶粒径を４０μｍ未満としたα単相チタン合金に関するものであり、本発明のＴｉ₂Ｃｕ析出を積極的に活用する技術とは異なる。また、特許文献４に記載の発明の用途は、電解Ｃｕ箔製造のための陰極ドラムであり、硫酸銅溶液中で該ドラム表面にＣｕ箔を電析させ、該ドラムを回転させながら、この電析Ｃｕ箔を剥離させて連続的にＣｕ箔を製造するためのものである。該ドラム表面の品質が、電析Ｃｕの品質に大きな影響を与えるため、平均結晶粒径が４０μｍ未満の微細かつ、第二相のない均質なα単相組織であることが要求され、特許文献４に記載の発明はこれを満足するものとなっている。しかし、特許文献４に記載の発明は、冷間加工性に優れかつ、７００℃における優れた耐酸化性および高温強度を有する排気装置部材用材料を提供するものではない。

上記課題を解決するために本発明は、以下の手段を骨子とする。
（１）質量％で、Ｃｕ：２．１％超〜４．５％、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、冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
（２）前記チタン合金が、さらに、質量％で、Ｓｎ、Ｚｒの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することを特徴とする請求項１に記載の冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
（３）Ｓｉ、Ｎｂの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
（４）素材の熱延、熱延版焼鈍、冷延、中間焼鈍、最終焼鈍の工程を経て製造されるチタン合金板製造方法において、その素材での成分調整を前記（１）〜（３）のいずれかに記載の成分組成に調整するとともに、前記最終焼鈍を６５０〜７８０℃の温度域にて行うことを特徴とする冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金板の製造方法。
（５）前記（１）〜（３）のいずれかに記載のチタン合金が使用されていることを特徴とする排気装置部材。

本発明によれば、軽量かつ高温で十分な強度があり、かつ冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金およびその製造方法ならびに該合金を用いた排気装置部材を提供することが可能になる。この結果、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。

本発明者らは上記課題を解決すべく、チタンに対する高温強度、高温耐酸化性、冷間加工性におよぼす成分元素の影響を詳細に調べた結果、チタンに一定量のＣｕを添加し、かつ、酸素および鉄の含有量を一定値以下に抑えることにより、冷間加工性や耐酸化性を損なわずに、６００〜７００℃の高温強度をＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の半分以上に向上させることが可能であることを見出した。本発明はこの知見に基づきなされたものである。

請求項１に記載の本発明（以下、本発明（１））では、質量％で、２．１％超〜４．５％のＣｕ、０．０４％以下の酸素、０．０６％以下のＦｅ、残部Ｔｉおよび不可避不純物からなるチタン合金とした。

チタン中にＣｕは最大約１．８％固溶し、それを超えてＣｕを添加するとＴｉ₂Ｃｕ相が生成する。すなわち本発明のチタン合金はα−ＴｉにＴｉ₂Ｃｕ相が析出した２相の合金である。このＴｉ₂Ｃｕ相は当初、冷間加工性に悪影響を与えると思われていたが、実際には、冷間圧延性にはほとんど影響を与えず、高温強度を向上させることが出来ることを見出した。

さらに、本発明が目標としているＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の７００℃引張強度の７割となる９１Ｎ／ｍｍ²程度以上の引張強度を７００℃付近で得るには、ある程度以上のＴｉ₂Ｃｕ相析出量が必要であり、そのためには、Ｃｕ量が２．１％超必要である。一方、Ｃｕの添加量の上限を４．５％としたのは、これを超えてＣｕを添加すると室温での強度が上りすぎて、冷間加工性が損なわれる。

このため、本発明では、Ｃｕ量の範囲を２．１％超〜４．５％とした。

本発明（１）のチタン合金は、Ｃｕの添加量が多いため、室温での強度が純チタンに比べやや高い。ここで十分な冷間加工性を確保するため、冷間加工性に影響を与える元素の含有量をできるだけ抑えることが必要である。酸素はチタン材料の冷間加工性を担う双晶変形を抑制するため、その含有量が多いと冷間加工性が悪化する。酸素の含有量を０．０４％以下にすれば、冷間加工性への影響はほとんど無視できる。

また、Ｆｅはβ相安定化元素であり、室温から高温域にかけてβ相を生成する。β相があるとＣｕが集中的に濃化するため、固溶Ｃｕ量およびＴｉ₂Ｃｕ相量に影響を与え、ひいては冷間加工性や耐酸化性を劣化させる。Ｆｅの含有量を０．０６％以下とすることにより、β相の生成を抑制し、β相へのＣｕの濃化を防ぐことができる。

不純物元素は、窒素、炭素、Ｎｉ、Ｃｒ、水素など、通常のチタンに含まれる元素である。これらの元素の総和は０．１％未満であれば冷間加工性に影響を与えない。

次に請求項２に記載の発明（以下、本発明（２））について説明する。本発明（２）では、本発明（１）の合金に、Ｓｎ、Ｚｒの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することとした。これは、本発明（１）の合金の高温強度をさらに向上させようとするものである。Ｓｎ、Ｚｒは、いずれもα相にある程度固溶し、Ｃｕと重畳して高温強度を高める効果を有する。含有量の下限は、単独または複合添加のいずれの場合においても、高温強度を向上するために必要最低限の添加量であり、上限はこれを超えて添加すると加工性に影響を与える添加量である。

請求項３に記載の発明（以下、本発明（３））では、本発明（１）の合金の耐高温酸化性をさらに向上させようとするものである。Ｓｉ、Ｎｂも、いずれもα相にある程度固溶し、耐高温酸化性を向上する効果を有する。含有量の下限は、単独または複合添加のいずれの場合においても、耐高温酸化性を向上するために必要最低限の添加量であり、上限はこれを超えて添加すると加工性に影響を与える添加量である。

高温強度向上に効果のあるＳｎ、Ｚｒのどちらか一方、または両者と、耐高温酸化性に効果のあるＳｉ、Ｎｂのどちらか一方、または両者を複合添加する場合は、それぞれの添加範囲を重畳すれば、高温強度と耐高温酸化性の両方の効果が得られる。

請求項４に記載の本発明（以下、本発明（４））は、特に自動車用排気装置部材として使用される薄板の製造方法に関するものである。最終焼鈍を６５０〜７８０℃の温度域にて行うことを特徴とする、本発明（１）〜（３）のチタン合金板の製造方法である。

これは、α相とＴｉ₂Ｃｕ相の混合組織とするための条件である。７９０℃を超えて焼鈍を行うとα相とβ相の２相の組織となり耐高温酸化性が損なわれるため、７９０℃未満の焼鈍が必要であるが、温度制御の観点から７８０℃以下とした。６５０℃未満の温度で焼鈍を行った場合、十分な再結晶が得られず延性が小さくなるため、焼鈍温度の下限を６５０℃とした。

請求項５に記載の本発明（以下本発明（５））は、本発明（１）〜（３）のチタン合金を用いて製造した排気装置部材である。ここで排気装置とは、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、メインマフラー（消音器）等を指す。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や断面が楕円形状等の筒状や箱状に湾曲、成形してＴＩＧ溶接し、各パーツを溶接することにより排気装置用管、または筐体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真空アーク溶解し、鋳造して約１０ｋｇの鋳塊とした。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７７０℃、５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、７００℃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、７００℃、または８００℃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。また、しわ押さえ力１ｔｏｎで押さえた９０ｍｍ角の板状試験片に、先端が直径２０ｍｍの球形のポンチを押し付けて割れずに張り出した最大高さを測定した（エリクセン試験）。なお、使用した潤滑剤はグラファイトグリースである。

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．２１は、請求項１ないし３に記載の本発明の実施例である。いずれも７００℃における引張強度は、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の７割、すなわち９１．７Ｎ／ｍｍ²を超えており、室温における０．２％耐力は３３０Ｎ／ｍｍ²以下、かつ室温における伸びは３２％以上であった。耐酸化性では、７００℃における２００時間の加熱での酸化増量は３１ｇ／ｍ²以下、８００℃における２００時間の加熱での酸化増量は５７ｇ／ｍ²以下であった。さらにエリクセン試験でも９．５ｍｍを超える十分な張り出し性があり、マフラーのエンドキャップ等の加工に十分耐える加工性を有している。すなわち、本発明のチタン合金は、室温における十分な延性、加工性と、高温においてＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金と比較しうる十分な強度、かつ高温における優れた耐酸化性を示している。

一方、Ｃｕの含有量が、それぞれ本発明の範囲に満たないＮｏ．２２は、室温における延性、加工性、および耐高温酸化性については問題ないが、７００℃における高温強度はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の高温強度の７割に満たない。また、Ｃｕの含有量が本発明の範囲を超えるＮｏ．２３では、７００℃における高温強度は十分であるが、室温における延性、加工性が悪く、排気装置部品への加工は難しい。

Ｎｏ．２４では、酸素含有量が０．０６％を超え、室温における延性が３５％を下回り、また、エリクセン値も低く、十分な加工性を有していない。また、Ｆｅ含有量の多いＮｏ．２５では７００℃における酸化増量が、従来合金よりも大きく、十分な耐高温酸化性を有していない。

表１に示すＮｏ．２、および、Ｎｏ．７の成分を有する試験材の最終焼鈍条件を、６００℃５ｈ、６９０℃５ｈ、また、８２０℃５ｈとし、室温における０．２％耐力、伸び、７００℃における引張強度、７００℃と８００℃２００ｈ加熱における酸化増量、および、エリクセン値を測定した。

結果を表２に示す。焼鈍温度が本発明（４）記載の温度範囲よりも低い、Ｎｏ．２７と３０では、室温での伸びが大きく低下し、エリクセン値も低く、室温での延性と加工性が不十分である。また、焼鈍温度が本発明（４）記載の温度範囲よりも高い、Ｎｏ．２９と３２では、α、βの２相組織となり、耐高温酸化特性が劣化する。一方、本発明（４）の温度範囲で焼鈍を行った、表１のＮｏ．１〜２１および、表２のＮｏ．２８、３１では、室温での十分な延性、加工性、および、７００℃における十分な高温強度、７００℃と８００℃における十分な耐高温酸化性を有していることがわかる。

表１のＮｏ．６に示す成分のα型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、７７０℃５時間の熱処理を施した。

上記薄板を適宜必要な幅で切り出し、外径４２．７ｍｍ、５０．８ｍｍ、６０．５ｍｍの溶接管を製造、かつ断面形状が長径１００ｍｍ、短径６９ｍｍの楕円の筐体を、同材料から切り出した板とＴＩＧ溶接により製造し、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、メインマフラー（消音器）の外筒、内筒、内装の一部に用いた排気装置を製造した。製造に当たり、外径４２．７ｍｍの溶接管端部に６０°の円錐コーンを押し込み、初期直径の１．３倍まで押し広げたところ、溶接部に割れを生じず、良好な押し広げ特性を有するとともに、同溶接管を半径９０ｍｍで９０°曲げ加工したところ、割れや皺などは生じなかった。

本発明のチタン合金は、高温強度が高く、かつ耐高温酸化性が良好で、室温における優れた延性、冷間加工性を安定的に発現できる、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 (5)

1. 質量％で、
   Ｃｕ：２．１％超〜４．５％、
   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、冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
2. 前記チタン合金が、さらに、質量％で、
   Ｓｎ、Ｚｒの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することを特徴とする請求項１に記載の冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
3. Ｓｉ、Ｎｂの１種または２種を合計０．５〜１．５％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金。
4. 素材の熱延、熱延版焼鈍、冷延、中間焼鈍、最終焼鈍の工程を経て製造されるチタン合金板製造方法において、前記素材の成分調整を請求項１〜３のいずれか１項に記載の成分組成に調整するとともに、前記最終焼鈍を６５０〜７８０℃の温度域にて行うことを特徴とする冷間加工性に優れる排気装置部材用耐熱チタン合金板の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のチタン合金が使用されていることを特徴とする排気装置部材。