JP2013170271A

JP2013170271A - 熱処理により加工方向と同一方向への形状変形するチタン合金部材とその製造方法

Info

Publication number: JP2013170271A
Application number: JP2012032686A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Kunieda; 知徳國枝; Hideki Fujii; 秀樹藤井; Yoshitoshi Takemoto; 嘉利竹元
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP5831283B2

Abstract

【課題】熱処理により加工方向と同一方向への形状変形するチタン合金部材とその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で５．５％以上７．５％未満のＡｌ、３．５％以上５．０％未満のＦｅを含有し、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなり、β変態点以上から水冷以上の冷却速度で冷却して溶体化処理することを特徴とする、加工方向と同一方向への形状変形特性を有するチタン合金部材。さらに、溶体化処理後のミクロ組織がβ相単相もしくはβ相とマルテンサイト相の２相からなっている。さらに、加工変形後に２５０℃から５００℃の温度で保持することで、加工方向と同一方向への形状変形しつつ、ビッカース硬さで５０Ｈｖ以上時効硬化することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機や二輪および四輪の自動車のファスナー、高強度チタン合金管やチタン合金バネに適した、加工方向と同一方向への形状変形を生じるチタン合金部材に関する。

形状記憶合金は、加工後に熱を加えることにより、加工前の形状に戻る特殊な合金であり、航空宇宙分野のほか、自動車や家電のアクチュエータ、歯列矯正ワイヤ、医療用具、携帯電話のアンテナ、めがねフレームなどに広く使用されている。

機能材料として現実に実用化されている形状記憶合金の１つに、チタンとニッケルの原子比が１：１である合金（ニチノール）があり、高強度、耐熱性、耐摩耗性、耐食性に優れている。ニチノールは、強加工、拘束加熱、トレーニング、拘束時効などの特別な処理を施すことにより、温度の変化だけで、高温、低温の形状が繰り返し可逆変化を有する、変形方向が逆の二方向形状記憶特性を発現することができる。ここで二方向形状とは、加工前の形状と加工状態の形状を意味している。

チタン合金においても、形状記憶特性を有する合金が知られている。代表的な形状記憶特性を有する合金としては、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、Ｔｉ−１５．４Ｖ−４Ａｌ、特許文献１のチタンとジルコニウムの両方または少なくとも１つの元素にニオブとタンタルを合計で１０〜２０元素％、かつ錫を３〜６元素％含有した合金、特許文献２のチタンに１０〜１５質量％のモリブデンおよび５％以下のアルミニウムを含有させた合金、特許文献３のＴｉ−Ｓｃ−Ｘ合金であって、１ａｔ％≦Ｓｃ≦３０ａｔ％、１ａｔ％≦Ｘ≦１５ａｔ％（但し、Ｘ＝Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａの内の一種若しくは数種の組み合わせ）からなる合金、特許文献４の質量％で、３．５％以上７．０％未満のＡｌ、１．４％以上３．６％未満のＦｅ、２．０％以上１０．０％未満のＭｏを含有し、残部Ｔｉ及び不可避的な不純物からなり、Ｍｏ当量＝２．９×％Ｆｅ＋％Ｍｏ−％Ａｌからなる式のＭｏ当量が６．０％以上１４．０％未満含有させた準安定β型チタン合金、非特許文献１のチタンに８重量％モリブデン及び５重量％錫にアルミニウムとジルコニウムと錫が合計で１０質量％含有させた合金が記載されている。

特許３５２１２５３号公報特許１２５８０２４号公報特許４２２０７７２号公報特開２０１０−２１６０１１号公報

SIXTH WORLD CONFERENCE ON TITANIUM 1988 P.1069

形状記憶特性とは、前述のとおり、加工後に熱を加えることにより加工前の形状に戻る特性をいう。これに対し、加工後に熱を加えることにより加工方向と同一方向にさらに形状が変形する特性を有する合金であれば、従来の形状記憶合金とは全く異なる用途に用いることが可能となる。しかし従来知られている形状記憶合金の形状記憶特性はほとんどの場合、加工前の形状に戻る一方向のみであり、加工方向と同一方向にさらに形状が変形する特性を有していない。

唯一、特許文献４には、加工後の２５０℃加熱で加工前の形状に戻り、５００℃加熱で加工方向と同一方向にさらに形状が変形する合金が開示されている（同文献表２のＮｏ．３）。しかし特許文献４に記載のものは４．２％のＭｏを含有しており、Ｍｏは高価な金属であるため合金コストが高くなることが懸念される。

本発明は、比較的安価な合金元素を用いて、加熱することにより加工方向と同一方向への形状変形特性を有するチタン合金を提供することを目的とする。

本発明者は、比較的安価な合金元素であるＡｌとＦｅを用いて、加熱することにより加工方向と同一方向への形状変形能を有するチタン合金について、鋭意研究を重ねた。その結果、各元素の含有量をある所定内とすることで、加熱することより加工方向と同一方向への形状変形を生じることを見出した。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で５．５％以上７．５％未満のＡｌ、３．５％以上５．０％未満のＦｅを含有し、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなるチタン合金であって、加工後に２５０℃から５００℃の温度で保持することで、加工方向と同一方向への形状変形を生じることを特徴とするチタン合金部材。
（２）ミクロ組織が、β相もしくはβ相とマルテンサイト相の２相、及び不可避的な相であることを特徴とする、（１）に記載のチタン合金部材。
（３）形状変形する２５０℃から５００℃の温度で保持することで、ビッカース硬さで５０Ｈｖ以上の時効硬化をすることを特徴とする、（１）又は（２）に記載のチタン合金部材。
（４）最終焼鈍工程において、β変態点以上の温度範囲内から水冷以上の冷却速度で冷却することを特徴とする、（１）〜（３）の何れか一項に記載のチタン合金部材の製造方法。

本発明によって、一般的な形状記憶チタン合金よりも安価であり、かつ、通常とは異なって、加工方向と同一方向への形状記憶特性を有するチタン合金を提供できるため、産業上の効果は計り知れない。

曲げ試験による加工方向と同一方向への形状変形結果の一例を示す図である。

以下に、本発明について詳しく説明する。以降、添加元素の含有量は「質量％」で示す。

本発明の材料指標について説明する。チタン合金において加熱のみで形状変形させるためには、室温でなるべく多くのβ相を残存させる必要がある。チタン合金において、β相を室温で安定にさせるため、一般に、共析型β安定化元素であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、全率固溶型β安定化元素であるＶ、Ｍｏ等の置換型固溶元素を多量に添加している。一般にチタン合金ではβ安定化元素として、ＶやＭｏが多く用いられるが、形状記憶特性を発現させるためには、これら元素を１０％あるいはそれ以上添加する必要がある。しかし、これら元素は比較的高価なため、これら元素のみでβ相を安定化させようとすると、合金コストが非常に高くなる。そこで、本発明では、β相安定化元素として比較的安価であり、かつ、β安定化能がＭｏやＶよりも高いＦｅをβ安定化元素として活用することを指針とした。

［Ｆｅの添加量］
β相をなるべく多く室温で安定化させ、且つ、加工方向と同一方向への形状変形を発現させるためには、Ｆｅの添加量を適切な範囲に制限する必要がある。Ｆｅはβ安定化置換型固溶元素であり、添加量にしたがって室温でのβ相の安定化度が増していく。後述するＡｌの添加範囲において、Ｆｅの添加のみでβ相を室温で安定にするためには、３．５％以上の添加が必要である。しかしながら、Ｆｅは偏析しやすいため、添加量を多くするとその影響が顕著に表れる。また、焼結等の偏析が生じにくい手法で製造した場合でも、添加量が多くなり過ぎると、やはり偏析を生じてしまう。そのため、添加量の上限を５．０％とした。

［Ａｌの添加量］
Ａｌはα安定化元素であり、上記Ｆｅの成分範囲において、加工方向と同一方向への形状変形を発現させるためには、Ａｌ添加量を制限する必要がある。上記Ｆｅ含有領域においてＡｌの添加量が５．５％以下になると、加工方向と同一方向への形状変形が発現しなくなることから、これを下限とした。しかしながら、Ａｌの添加量を多くすると、冷間、熱間での加工性が著しく劣化することから、上限を８．０％とした。

［ミクロ組織］
加工後の熱処理により、加工方向と同一方向への形状変形特性を発現させるためにはβ相を室温で、ある程度残存させることが重要であり、β相の単相もしくはβ相とマルテンサイト層の２相からなることが重要であり、マルテンサイト単相となると形状記憶特性は発現しなくなる。ミクロ組織の同定は、光学顕微鏡及びＸ線回折によって行うことができる。

［不可避的な相］
本合金のように、β安定化元素の添加量がすくないような合金ではβ相域から急冷することにより、不可避的な相としてβ相内にω相が生成する場合がある。本成分系においてもω相が生成する場合があるが、生成量は極僅かで、ＴＥＭの回折パターンからしか同定できない。また、極少量であることから、本発明の変形特性に影響を与えないことから、問題ない。

［最終焼鈍条件］
本発明のチタン合金は、上記チタン合金の組成を含有した上で、β変態点以上の温度から水冷以上の冷却速度で冷却することにより、加工方向と同一方向への形状変形を発現することができる。β変態点温度については、示唆熱分析などを用いて求めることができる。

［加工方向と同一方向への形状変形］
形状記憶特性とは、一般に、加工した素材に熱を加えると元の形状に戻ることである。一方、本発明のチタン合金では、図１に模式的に示すように、加工（変形）方向と同一の方向への形状変形を生じる特異な特性を有することを特徴としている。本発明のチタン合金は、この加工方向と同一方向への形状記憶特性は、加工後に２５０℃から５００℃の温度で熱処理することで発現することを見出した。

［時効硬化］
本発明のチタン合金では、上記の形状変形が発現する温度で保持することで、形状記憶と変形が生じるだけの時間、保持することにより、時効硬化させ強度を上昇させることができる。強度上昇については、ビッカース硬さ試験などを用いて測定することができる。

表１に本発明のチタン合金の組成、溶体化処理後の組織、素材の作成方法、硬度及び加工方向と同一方向への形状変形の発現の有無を示す。各成分系について表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．５及びＮｏ．９〜１１の合金は真空アーク溶解で、Ｎｏ．６〜８および１２の合金はチタン粉末を静水圧プレスで成形した後、１２５０℃で焼結することにチタン合金素材を作製している。Ｎｏ．１〜９およびＮｏ．１１、１２については、これらをβ変態点以上の温度である１０５０℃で３０分の溶体化処理した後、水冷以上の冷却速度で冷却している。一方、Ｎｏ．１０については、β変態点以上の温度である１０５０℃で３０分の溶体化処理した後、空冷している。表１において、本発明範囲から外れる数値にアンダーラインを付している。

加工方向と同一方向への形状変形の測定方法について説明する。図１に示すように、本発明では加工方向と同一方向への形状記憶特性を有するかどうかを調べるために曲げ試験を行った。板状の試験片を切出した後、直径が８ｍｍの丸棒で試験片を押込み、押込み曲げ加工を行った。その後、１５０〜５００℃の温度で数分保持した後、試験片が曲げ加工と同一方向に変形しているかを調べることにより、加工方向と同一方向への形状変形特性を評価した。加工方向と同一方向への形状変形特性を示した場合は「○」と評価し、そうでない場合は「×」と評価した。

素材の硬度については、β変態点以上の温度から溶体化処理、及び、曲げ加工後の形状記憶発現のための熱処理と同等の条件で、試料を熱処理した後、荷重９，８Ｎでのビッカース硬さ試験により測定している。

表１のＮｏ．１〜８に示す本発明例は、β変態点以上の温度で熱処理後、水冷以上の速度で冷却して溶体化処理を行った結果、溶体化処理後の組織はβ相単相またはβ＋マルテンサイトの２相であった。曲げ加工後に本発明で規定する温度範囲で熱処理を施すことにより、加工方向と同一方向への形状記憶特性を示している。また、さらに溶体化処理後と、上記、形状変形発現後の硬度差が、いずれも９０Ｈｖ以上と十分な時効硬化特性を示している。

一方、表１の比較例のＮｏ．９は、Ａｌの添加量が５．１％と低くなっている。そのため、β変態点以上の温度で溶体化処理後、水冷することで組織はβ相単相となるものの、加工方向と同一方向への形状変形を示さない。

また、表１の比較例Ｎｏ．１０は、Ａｌ、Ｆｅとも添加量は本発明範囲にあるが、β変態点以上の温度での溶体化処理後の冷却速度が空冷を遅いため、溶体化処理後の組織がβ相＋α相の二相となっておいる。そのため、加工方向と同一方向への形状変形を示さない。

また、表１の参考例Ｎｏ．１１は、Ａｌ、Ｆｅとも添加量は本発明範囲にあり、また、β変態点以上の温度での溶体化処理後、水冷している。そのため、溶体化処理後の組織もβ相単相である。しかしながら、曲げ加工後の熱処理温度が１５０℃と低いため、加工方向と同一方向への形状記憶特性を示さない。また、さらに溶体化処理後と、上記、形状変形発現後の硬度差が、１５Ｈｖと非常に低くなっている。

また、表１の比較例Ｎｏ．１２は、Ｆｅの含有量が少なくなっている。そのため、β変態点以上の温度での溶体化処理後、水冷すると、マルテンサイト相単相となっている。そのため、加工方向と同一方向への形状変形を示さない。

本発明の特異な形状変形特性を有するチタン合金は、その加熱条件を変えてやることにより、加工方向と同一方向への形状変形を発現する。また、従来の形状記憶チタン合金よりも高価な添加元素であるＮｂ、Ｖ、Ｍｏ等の添加元素を使用しておらず、コスト面でも非常に有利である。そのため、航空機や二輪および四輪の自動車のファスナー、高強度チタン合金管やチタン合金バネとして利用することに適している。

Claims

質量％で５．５％以上７．５％未満のＡｌ、３．５％以上５．０％未満のＦｅを含有し、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなるチタン合金であって、加工後に２５０℃から５００℃の温度で保持することで、加工方向と同一方向への形状変形を生じることを特徴とするチタン合金部材。
ミクロ組織が、β相もしくはβ相とマルテンサイト相の２相、及び不可避的な相であることを特徴とする、請求項１に記載のチタン合金部材。
形状変形する２５０℃から５００℃の温度で保持することで、ビッカース硬さで５０Ｈｖ以上の時効硬化をすることを特徴とする、請求項１〜２の何れか一項に記載のチタン合金部材。
最終焼鈍工程において、β変態点以上の温度範囲内から水冷以上の冷却速度で冷却することを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載のチタン合金部材の製造方法。