JP2020045519A - Machine component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械部品に関する。より具体的には、本発明は、チタン合金製の機械部品に関する。 The present invention relates to mechanical parts. More specifically, the present invention relates to mechanical parts made of titanium alloy.
非特許文献１（M. A. Imam外1名、Fatigue and Microstructural Properties of Quenched Ti-6Al-4V、Metallurgical Transactions A、Volume 14A、1983年、第233頁）、非特許文献２（萩原益夫外3名、素粉末混合Ti-6Al-4V合金の疲労特性に及ぼす微視組織の影響、鉄と鋼、第76巻第12号、1990年、第2182頁）、非特許文献３（高橋等外3名、窒化した純チタンの疲労強度に及ぼす結晶粒径の影響、日本機械学会論文集（A編）、第59巻第567号、1993年、第2481頁）及び非特許文献４（ASM International、Material Properties Handbook: Titanium Alloy、1994年、第533頁）に記載されているように、チタン合金の疲労強度を改善するためには、チタン合金に含まれる結晶粒を微細化することが有効である。また、溶体化処理によりマルテンサイト相（α’相）をチタン合金中に生成することにより、チタン合金を高強度化することができる。このように、チタン合金に対して溶体化処理を行うことにより結晶粒を微細化するとともに、α’相を生成すれば、チタン合金の疲労強度を改善することが可能である。 Non-patent document 1 (MA Imam et al., Fatigue and Microstructural Properties of Quenched Ti-6Al-4V, Metallurgical Transactions A, Volume 14A, 1983, p.233), Non-patent document 2 (Masao Hagiwara et al. Influence of microstructure on fatigue properties of powder mixed Ti-6Al-4V alloy, Iron and Steel, Vol. 76, No. 12, 1990, p. 2182, Non-Patent Document 3 (Takahashi et al., 3 Nitrides, Nitriding) Of Grain Size on Fatigue Strength of Pure Titanium Prepared, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (A), Vol. 59, No. 567, 1993, pp. 2481) and Non-Patent Document 4 (ASM International, Material Properties Handbook) As described in Titanium Alloy, 1994, p. 533), it is effective to refine the crystal grains contained in the titanium alloy in order to improve the fatigue strength of the titanium alloy. Further, by forming a martensite phase (α ′ phase) in the titanium alloy by the solution treatment, the strength of the titanium alloy can be increased. As described above, by performing the solution treatment on the titanium alloy to refine the crystal grains and to generate the α ′ phase, it is possible to improve the fatigue strength of the titanium alloy.
しかしながら、α’相の生成を促進するために溶体化処理時の温度をチタン合金のβ単相変態点近傍にした場合、溶体化処理時に形成されるβ結晶粒が粗大化しやすい。その結果、冷却時にβ結晶粒から生成されるα’相、マッシブ相（αｍ相）、α相等の結晶粒が粗大化してしまう。そして、非特許文献１、非特許文献５（浜井升平外1名、β域溶体化後に過時効処理を施したTi-6Al-4V合金の機械的性質−溶体化処理温度、時間および焼入遅延時間の影響−、熱処理、第32巻第3号、1992年、第157頁）及び非特許文献６（浜井升平外1名、Ti-6Al-4V合金の機械的性質におよぼすβ域溶体化条件の影響、鉄と鋼、第78巻第2号、1992年、第319頁）に記載されているように、旧β結晶粒界にα相が生成され、チタン合金の機械的特性が低下する。 However, if the temperature during the solution treatment is set near the β single-phase transformation point of the titanium alloy in order to promote the formation of the α ′ phase, the β crystal grains formed during the solution treatment are likely to become coarse. As a result, crystal grains such as the α ′ phase, the massive phase (αm phase), and the α phase generated from the β crystal grains during cooling are coarsened. Non-Patent Documents 1 and 5 (Shohei Hamai et al., Mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy subjected to overaging treatment after β-range solution treatment-solution treatment temperature, time and quenching delay) Influence of time, heat treatment, Vol. 32, No. 3, 1992, p. 157) and Non-Patent Document 6 (Shohei Hamai, 1), β-range solution treatment conditions on mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy Effect, iron and steel, Vol. 78, No. 2, 1992, p. 319), an α phase is formed at the old β grain boundary, and the mechanical properties of the titanium alloy deteriorate. .
例えば、非特許文献１に記載されているように、１０６５℃の保持温度で１０分間保持した後に水冷を行った場合、保持温度を９００℃以上９３０℃以下とした場合と比較し、引張伸びが数パーセント程度になり、疲労強度も著しく減少する。 For example, as described in Non-Patent Document 1, when water cooling is performed after holding at a holding temperature of 1065 ° C. for 10 minutes, the tensile elongation is lower than when holding temperature is 900 ° C. or more and 930 ° C. or less. It is on the order of a few percent, and the fatigue strength is significantly reduced.
上記のように、チタン合金の機械的特性を改善するためには、チタン合金に含まれる結晶粒径及びそのような結晶粒径を実現するための溶体化処理の条件が重要となる。しかしながら、現在のところ、それらの知見は明らかになっていない。 As described above, in order to improve the mechanical properties of the titanium alloy, the crystal grain size contained in the titanium alloy and the conditions of the solution treatment for realizing such a crystal grain size are important. However, at present, those findings are not clear.
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、機械的特性が改善されたチタン合金製の機械部品及びその製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art. More specifically, the present invention provides a mechanical component made of a titanium alloy having improved mechanical properties and a method for producing the same.
本発明の一態様に係る機械部品は、チタン合金製である。チタン合金は、α’結晶粒を含む複数の結晶粒を有している。結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されている。第１群に属する結晶粒の結晶粒径の最小値は、第２群に属する結晶粒の結晶粒径の最大値よりも大きい。第１群に属する結晶粒の総面積を結晶粒の総面積で除した値は、０．７以上である。第１群に属する結晶粒径が最も小さい結晶粒を除いた第１群に属する結晶粒の総面積を結晶粒の総面積で除した値は、０．７未満である。第１群に属する結晶粒の平均粒径は６μｍ以下である。 The mechanical component according to one embodiment of the present invention is made of a titanium alloy. The titanium alloy has a plurality of crystal grains including α 'crystal grains. The crystal grains are divided into a first group and a second group. The minimum value of the crystal grain size of the crystal grains belonging to the first group is larger than the maximum value of the crystal grain size of the crystal grains belonging to the second group. The value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group by the total area of the crystal grains is 0.7 or more. The value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group excluding the crystal grains having the smallest crystal grain diameter belonging to the first group by the total area of the crystal grains is less than 0.7. The average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 6 μm or less.
上記の機械部品において、チタン合金は、６４チタン合金であってもよい。上記の機械部品において、硬さは、３５０Ｈｖ以上であってもよい。上記の機械部品において、引張降伏強度が９５０ＭＰａ以上であり、かつ、引張伸びが１０パーセントを超えていてもよい。上記の機械部品において、引張伸びが１５パーセント以上であってもよい。上記の機械部品において、疲労強度は、６５０ＭＰａ以上であってもよい。 In the above mechanical component, the titanium alloy may be a 64 titanium alloy. In the above mechanical component, the hardness may be 350 Hv or more. In the above mechanical component, the tensile yield strength may be 950 MPa or more, and the tensile elongation may exceed 10%. In the above mechanical component, the tensile elongation may be 15% or more. In the above mechanical component, the fatigue strength may be 650 MPa or more.
本発明の一態様に係る機械部品によると、チタン合金製の機械部品の機械的特性を改善することができる。 According to the mechanical component of one embodiment of the present invention, the mechanical characteristics of the titanium alloy mechanical component can be improved.
本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、同一又は重複する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or overlapping portions are denoted by the same reference characters, and the description thereof will not be repeated.
（実施形態に係る機械部品の構成）
以下に、実施形態に係る機械部品の構成を説明する。
(Configuration of mechanical parts according to the embodiment)
Hereinafter, the configuration of the mechanical component according to the embodiment will be described.
実施形態に係る機械部品は、チタン合金製である。実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金は、α型合金及びα＋β型チタン合金のいずれかである。 The mechanical component according to the embodiment is made of a titanium alloy. The titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment is either an α-type alloy or an α + β-type titanium alloy.
α型のチタン合金とは、常温においてα相単相組織を呈するチタン合金である。α＋β型のチタン合金とは、常温においてα相及びβ相で構成される２相組織を呈するチタン合金である。なお、α相とは、ｈｃｐ（hexagonal closed pack）構造のチタンの低温相であり、β相とは、ｆｃｃ（face centered cubic）構造のチタンの高温相である。 The α-type titanium alloy is a titanium alloy that exhibits an α-phase single-phase structure at normal temperature. The α + β type titanium alloy is a titanium alloy exhibiting a two-phase structure composed of an α phase and a β phase at normal temperature. The α phase is a low-temperature phase of titanium having an hcp (hexagonal closed pack) structure, and the β phase is a high-temperature phase of titanium having an fcc (face centered cubic) structure.
実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金は、好ましくは、ＡＳＴＭ規格（Ｂ３４８−１３ ＧＲ．５）に定められたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（以下においては、「６４チタン合金」という）である。表１には、６４チタン合金の組成が示されている。表１に示されるように、６４チタン合金は、５．５０重量パーセント以上６．７５重量パーセント以下のアルミニウム、３．５０重量パーセント以上４．５０重量パーセント以下のバナジウム、０．４０重量パーセント以下の鉄、０．０８重量パーセント以下の炭素、０．０５重量パーセント以下の窒素、０．０１５重量パーセント以下の水素及び０．２０重量パーセント以下の酸素を含有している。なお、６４チタン合金の残部は、チタンである。６４チタン合金は、α＋β型合金の一種である。 The titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment is preferably a Ti-6Al-4V alloy (hereinafter, referred to as “64 titanium alloy”) defined in ASTM standard (B348-13 GR.5). . Table 1 shows the composition of the 64 titanium alloy. As shown in Table 1, the 64 titanium alloy is composed of at least 5.50 weight percent and no more than 6.75 weight percent aluminum, at least 3.50 weight percent and no more than 4.50 weight percent vanadium, and no more than 0.40 weight percent. It contains iron, up to 0.08 weight percent carbon, up to 0.05 weight percent nitrogen, up to 0.015 weight percent hydrogen, and up to 0.20 weight percent oxygen. The balance of the 64 titanium alloy is titanium. 64 titanium alloy is a kind of α + β type alloy.
実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金は、複数の結晶粒を含んでいる。これらの結晶粒は、α’相の結晶粒（α’結晶粒）、α相の結晶粒（α結晶粒）及びβ相の結晶粒（β結晶粒）のいずれかである。なお、α’相とは、後述する冷却工程Ｓ２２においてβ相から生成される非平衡相である。 The titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment includes a plurality of crystal grains. These crystal grains are any of α ′ phase crystal grains (α ′ crystal grains), α phase crystal grains (α crystal grains), and β phase crystal grains (β crystal grains). The α ′ phase is a non-equilibrium phase generated from the β phase in the cooling step S22 described below.
各々の結晶粒は、結晶方位により識別される。より具体的には、ある結晶粒の結晶方位と当該結晶粒に隣接する別の結晶粒の結晶方位とのずれが１５°未満である場合には、それらの結晶粒は、１つの結晶粒と見做される。他方で、ある結晶粒の結晶方位と当該結晶粒に隣接する別の結晶粒の結晶方位とのずれが１５°以上である場合には、それらの結晶粒は、別々の結晶粒と見做される。なお、結晶方位の測定（各々の結晶粒界の特定）は、例えば、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction）法を用いて行われる。 Each crystal grain is identified by a crystal orientation. More specifically, when the difference between the crystal orientation of a certain crystal grain and the crystal orientation of another crystal grain adjacent to the crystal grain is less than 15 °, those crystal grains are regarded as one crystal grain. Will be considered. On the other hand, when the deviation between the crystal orientation of a certain crystal grain and the crystal orientation of another crystal grain adjacent to the crystal grain is 15 ° or more, those crystal grains are regarded as separate crystal grains. You. The measurement of the crystal orientation (identification of each crystal grain boundary) is performed by using, for example, an EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method.
実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金に含まれる結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されている。第１群に属する結晶粒の結晶粒径の最小値は、第２群に属する結晶粒の最大値よりも大きい。また、第１群に属する結晶粒の総面積を結晶粒の総面積で除した値は、０．７以上である。第１群に属する最も結晶粒径が小さい結晶粒を除いた第１群に属する結晶粒の総面積を結晶粒の総面積で除した値は、０．７未満である。 The crystal grains contained in the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment are divided into a first group and a second group. The minimum value of the crystal grains belonging to the first group is larger than the maximum value of the crystal grains belonging to the second group. The value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group by the total area of the crystal grains is 0.7 or more. The value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group excluding the crystal grains having the smallest crystal grain diameter belonging to the first group by the total area of the crystal grains is less than 0.7.
このことを別の観点からいうと、実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金に含まれる結晶粒は、降順に（つまり、結晶粒径が大きいものから順番に）第１群に割り当てられる。そして、それまでに第１群に割り当てられた結晶粒の総面積が結晶粒の総面積の０．７倍をはじめて超えた段階で、第１群への割り当てを停止し、残余の結晶粒が第２群に割り当てられる。 In other words, the crystal grains contained in the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment are assigned to the first group in descending order (that is, in descending order of crystal grain size). Then, when the total area of the crystal grains allocated to the first group has exceeded 0.7 times the total area of the crystal grains for the first time, the allocation to the first group is stopped, and the remaining crystal grains are removed. Assigned to the second group.
第１群に属する結晶粒の平均粒径は、６μｍ以下である。第１群に属する結晶粒の平均粒径は、５μｍ以下であることが好ましい。第１群に属する結晶粒の平均粒径は、４．５μｍ以下であることがさらに好ましい。第１群に属する結晶粒の平均アスペクト比は、２．９以上であることが好ましい。 The average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 6 μm or less. The average grain size of the crystal grains belonging to the first group is preferably 5 μm or less. More preferably, the average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 4.5 μm or less. The average aspect ratio of the crystal grains belonging to the first group is preferably 2.9 or more.
結晶粒の結晶粒径及びアスペクト比は、ＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）法を用いて測定される。より具体的には、以下のとおりである。第１に、ＥＢＳＤ法に基づいて、実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金の断面画像が撮影される（以下においては、「ＥＢＳＤ画像」という）。ＥＢＳＤ画像は、十分な数（例えば、２０個以上）の結晶粒が含まれるように撮影される。ＥＢＳＤ画像に基づいて、隣接する結晶粒の境界が特定される。 The crystal grain size and the aspect ratio of the crystal grains are measured using an EBSD (Electron Back Scattered Diffraction) method. More specifically, it is as follows. First, a cross-sectional image of the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment is captured based on the EBSD method (hereinafter, referred to as an “EBSD image”). The EBSD image is captured so as to include a sufficient number (for example, 20 or more) of crystal grains. A boundary between adjacent crystal grains is specified based on the EBSD image.
第２に、特定された結晶粒の境界に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒の面積及び形状が算出される。より具体的には、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒の面積をπ／４で除した値の平方根を計算することにより、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒の円相当径が算出される。 Second, the area and shape of each crystal grain displayed on the EBSD image are calculated based on the specified boundary of the crystal grain. More specifically, by calculating the square root of the value obtained by dividing the area of each crystal grain displayed in the EBSD image by π / 4, the equivalent circle diameter of each crystal grain displayed in the EBSD image is calculated. Is calculated.
上記のように算出された各々の結晶粒の円相当径に基づき、ＥＢＳＤ画像に表示されている結晶粒のうち、第１群に属する結晶粒が決定される。第１群に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されている結晶粒の円相当径の合計を第１群に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されている結晶粒の個数で除した値が、第１群に属する結晶粒の平均粒径とされる。 Based on the circle equivalent diameter of each crystal grain calculated as described above, the crystal grains belonging to the first group among the crystal grains displayed in the EBSD image are determined. The value obtained by dividing the sum of the equivalent circle diameters of the crystal grains displayed in the EBSD images classified into the first group by the number of crystal grains displayed in the EBSD images classified into the first group is the first group. Is the average grain size of the crystal grains belonging to.
ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒の形状から、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒の形状が楕円近似される。この楕円形状において、長軸の寸法を短軸の寸法で除することにより、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々の結晶粒のアスペクト比が算出される。ＥＢＳＤ画像に表示されている第１群に分類された結晶粒のアスペクト比の合計をＥＢＳＤ画像に表示されている第１群に分類された結晶粒の個数で除した値が、第１群に属する結晶粒の平均アスペクト比とされる。 From the shape of each crystal grain displayed on the EBSD image, the shape of each crystal grain displayed on the EBSD image is approximated by an ellipse. In this elliptical shape, the aspect ratio of each crystal grain displayed in the EBSD image is calculated by dividing the major axis dimension by the minor axis dimension. The value obtained by dividing the sum of the aspect ratios of the crystal grains classified into the first group displayed on the EBSD image by the number of crystal grains classified into the first group displayed on the EBSD image is the first group. It is the average aspect ratio of the crystal grains to which it belongs.
実施形態に係る機械部品の硬さ（つまり、実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金の硬さ）は、３５０Ｈｖ以上であることが好ましい。なお、実施形態に係る機械部品の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＪＳ Ｚ ２２４４：２００９）に規定された方法にしたがって測定される。 The hardness of the mechanical component according to the embodiment (that is, the hardness of the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment) is preferably 350 Hv or more. In addition, the hardness of the mechanical component according to the embodiment is measured according to a method defined in JIS standard (JJS Z 2244: 2009).
実施形態に係る機械部品の引張降伏強度は、９５０ＭＰａ以上であることが好ましい。実施形態に係る機械部品の引張降伏強度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１）に規定された方法にしたがって測定される。実施形態に係る機械部品の引張伸びは、１０パーセント以上であることが好ましい。実施形態に係る機械部品の引張伸びは、１５パーセント以上であることがさらに好ましい。実施形態に係る機械部品の引張伸びは、伸び計により測定される。実施形態に係る機械部品の疲労強度は、６５０ＭＰａ以上であることが好ましい。実施形態に係る機械部品の疲労強度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２７４：１９７８）に規定された方法にしたがって測定される。 The mechanical component according to the embodiment preferably has a tensile yield strength of 950 MPa or more. The tensile yield strength of the mechanical component according to the embodiment is measured according to a method defined in JIS standard (JIS Z 2241: 2011). The tensile elongation of the machine component according to the embodiment is preferably 10% or more. More preferably, the mechanical component according to the embodiment has a tensile elongation of 15% or more. The tensile elongation of the machine component according to the embodiment is measured by an extensometer. The mechanical component according to the embodiment preferably has a fatigue strength of 650 MPa or more. The fatigue strength of the mechanical component according to the embodiment is measured according to a method specified in JIS standard (JIS Z 2274: 1978).
（実施形態に係る機械部品の製造方法）
以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を説明する。
(Method of Manufacturing Machine Parts According to Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a mechanical component according to the embodiment will be described.
図１は、実施形態に係る機械部品の製造方法を示す工程図である。図１に示されるように、実施形態に係る機械部品の製造方法は、準備工程Ｓ１と、溶体化処理工程Ｓ２とを有している。 FIG. 1 is a process chart illustrating a method for manufacturing a mechanical component according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a mechanical component according to the embodiment includes a preparation step S1 and a solution treatment step S2.
準備工程Ｓ１においては、溶体化処理工程Ｓ２を経ることにより実施形態に係る機械部品となる加工対象部材が準備される。加工対象部材は、チタン合金製である。加工対象部材を構成するチタン合金は、α型合金及びα＋β型合金のいずれかである。好ましくは、加工対象部材を構成するチタン合金は、６４チタン合金である。 In the preparation step S1, a member to be processed to be a mechanical component according to the embodiment is prepared through the solution treatment step S2. The member to be processed is made of a titanium alloy. The titanium alloy forming the member to be processed is either an α-type alloy or an α + β-type alloy. Preferably, the titanium alloy constituting the member to be processed is a 64 titanium alloy.
溶体化処理工程Ｓ２においては、加工対象部材に対する溶体化処理が行われる。溶体化処理工程Ｓ２は、加熱保持工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２とを含んでいる。冷却工程Ｓ２２は、加熱保持工程Ｓ２１の後に行われる。 In the solution treatment step S2, a solution treatment is performed on the member to be processed. The solution treatment step S2 includes a heating and holding step S21 and a cooling step S22. The cooling step S22 is performed after the heating and holding step S21.
加熱保持工程Ｓ２１は、加工対象部材を、所定の温度（保持温度）において所定の時間（保持時間）保持することにより行われる。これにより、加工対象部材を構成するチタン合金に含まれるα結晶粒の少なくとも一部が、β結晶粒となる。 The heating and holding step S21 is performed by holding the member to be processed at a predetermined temperature (holding temperature) for a predetermined time (holding time). Thereby, at least a part of the α crystal grains contained in the titanium alloy constituting the member to be processed becomes β crystal grains.
冷却工程Ｓ２２においては、加熱保持工程Ｓ２１を経た加工対象部材に対する冷却が行われる。これにより、加熱保持工程Ｓ２１において形成されたβ結晶粒から、α’結晶粒が生成される。 In the cooling step S22, cooling is performed on the processing target member after the heating and holding step S21. Thereby, α ′ crystal grains are generated from the β crystal grains formed in the heating and holding step S21.
（実施形態に係る機械部品の効果）
以下に、実施形態に係る機械部品の効果を説明する。
(Effects of Machine Parts According to Embodiment)
Hereinafter, effects of the mechanical component according to the embodiment will be described.
実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金中においては、第１群に属する結晶粒の平均粒径が６μｍ以下となっている。すなわち、実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金は、相対的に微細な結晶粒径のα’結晶粒、α結晶粒を含有している。そのため、実施形態に係る機械部品は、引張降伏応力、引張伸び、硬さ、疲労強度といった機械的特性が改善されている。 In the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment, the average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 6 μm or less. That is, the titanium alloy constituting the mechanical component according to the embodiment contains α ′ crystal grains and α crystal grains having relatively fine crystal grain sizes. Therefore, the mechanical components according to the embodiment have improved mechanical properties such as tensile yield stress, tensile elongation, hardness, and fatigue strength.
（実施例）
以下に、本発明の実施例を説明する。
(Example)
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
＜試験片＞
試験片として、チタン合金製の板状部材が準備された。この板状部材を構成するチタン合金は、６４チタン合金である。この板状部材は、長さ１０ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ１ｍｍの寸法を有している。
<Test piece>
A plate member made of a titanium alloy was prepared as a test piece. The titanium alloy constituting this plate member is a 64 titanium alloy. This plate-shaped member has dimensions of 10 mm in length, 1.5 mm in width, and 1 mm in thickness.
＜熱処理条件＞
表２に示されるように、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度は、８５０℃から１０２０℃の範囲で変化させた。加熱保持工程Ｓ２１における保持時間は２０分とされた。冷却工程Ｓ２２における冷却速度は、５℃／秒から２１６℃／秒の範囲で変化させた。
<Heat treatment conditions>
As shown in Table 2, the holding temperature in the heating and holding step S21 was changed in a range from 850 ° C to 1020 ° C. The holding time in the heating and holding step S21 was set to 20 minutes. The cooling rate in the cooling step S22 was changed in a range from 5 ° C./sec to 216 ° C./sec.
＜組織観察結果＞
図２は、溶体化処理工程Ｓ２が行われる前における試験片のＥＢＳＤ画像である。図２に示されるように、溶体化処理工程Ｓ２が行われる前においては、試験片を構成するチタン合金は、主として楕円形状のα結晶粒で構成されていた。
<Results of tissue observation>
FIG. 2 is an EBSD image of the test piece before the solution treatment step S2 is performed. As shown in FIG. 2, before the solution treatment step S2 was performed, the titanium alloy constituting the test piece was mainly composed of elliptical α crystal grains.
保持温度が９４０℃であり、かつ、冷却速度が１５５℃／秒である場合を、第１条件という。保持温度が９８０℃であり、かつ、冷却速度が１８４℃／秒である場合を、第２条件という。保持温度が１０２０℃であり、かつ、冷却速度が１５６℃／秒である場合を、第３条件という。図３は、第１条件にしたがって溶体化処理工程Ｓ２が行われた後における試験片のＥＢＳＤ画像である。図４は、第２条件にしたがって溶体化処理工程Ｓ２が行われた後における試験片のＥＢＳＤ画像である。図５は、第３条件にしたがって溶体化処理工程Ｓ２が行われた後における試験片のＥＢＳＤ画像である。 The case where the holding temperature is 940 ° C. and the cooling rate is 155 ° C./sec is referred to as a first condition. The case where the holding temperature is 980 ° C. and the cooling rate is 184 ° C./sec is referred to as a second condition. The case where the holding temperature is 1020 ° C. and the cooling rate is 156 ° C./sec is referred to as a third condition. FIG. 3 is an EBSD image of the test piece after the solution treatment step S2 is performed according to the first condition. FIG. 4 is an EBSD image of the test piece after the solution treatment step S2 is performed according to the second condition. FIG. 5 is an EBSD image of the test piece after the solution treatment step S2 is performed according to the third condition.
図３〜図５に示されるように、保持温度が上昇するにしたがい、試験片を構成するチタン合金中において、楕円形状のα結晶粒が減少しており、針状形状のα’結晶粒が増加していた。 As shown in FIGS. 3 to 5, as the holding temperature increases, in the titanium alloy constituting the test piece, the elliptical α crystal grains decrease, and the acicular α ′ crystal grains decrease. Was increasing.
＜硬さ試験結果＞
図６は、試験片を構成するチタン合金中の第１群に属する結晶粒の平均粒径と試験片の硬さとの関係を示すグラフである。図６中において、横軸は第１群に属する結晶粒の平均粒径の逆数の平方根（単位：μｍ−１／２）であり、縦軸は硬さ（単位：Ｈｖ）である。図６に示されるように、試験片の硬さは、第１群に属する結晶粒の平均粒径が小さくなるほど、上昇していた。試験片の硬さは、第１群に属する結晶粒の平均粒径が６μｍ以下の範囲内において（第１群に属する結晶粒の平均粒径の逆数の平方根が０．４０μｍ−１／２以下の範囲内において）、３５０Ｈｖ以上となっていた。
<Hardness test results>
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the average grain size of the crystal grains belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece and the hardness of the test piece. In FIG. 6, the horizontal axis is the square root of the reciprocal of the average grain size of the crystal grains belonging to the first group (unit: μm −1/2 ), and the vertical axis is the hardness (unit: Hv). As shown in FIG. 6, the hardness of the test piece increased as the average grain size of the crystal grains belonging to the first group became smaller. The hardness of the test piece is within a range where the average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 6 μm or less (the square root of the reciprocal of the average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 0.40 μm −1/2 or less). In the range of 350 Hv).
図７は、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度と試験片の硬さとの関係を示すグラフである。図７中において、横軸は加熱保持工程Ｓ２１における保持温度の逆数（単位：１０３／Ｋ）であり、縦軸は試験片の硬さ（単位：Ｈｖ）である。図７に示されるように、試験片の硬さは、冷却速度が高いほど上昇していた。これは、冷却速度が高いほど、生成されるα’結晶粒が微細化されるとともに、生成されるα’結晶粒の生成量が増加するためであると考えられる。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the holding temperature in the heating and holding step S21 and the hardness of the test piece. In FIG. 7, the horizontal axis is the reciprocal (unit: 10 3 / K) of the holding temperature in the heating and holding step S21, and the vertical axis is the hardness (unit: Hv) of the test piece. As shown in FIG. 7, the hardness of the test piece increased as the cooling rate increased. It is considered that this is because the higher the cooling rate, the finer the α 'crystal grains generated and the more the generated α' crystal grains.
＜平均粒径測定結果＞
図８は、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度と試験片を構成するチタン合金中の第１群に属する結晶粒の平均粒径との関係を示すグラフである。なお、図８中において、横軸は加熱保持工程Ｓ２１における保持温度の逆数（単位：１０３／Ｋ）であり、縦軸は試験片を構成するチタン合金中における第１群に属する結晶粒の平均粒径（自然対数表示）である。
<Average particle size measurement result>
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the holding temperature in the heating and holding step S21 and the average grain size of the crystal grains belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece. In FIG. 8, the horizontal axis represents the reciprocal (unit: 10 3 / K) of the holding temperature in the heating and holding step S21, and the vertical axis represents the crystal grains belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece. It is an average particle size (natural logarithmic representation).
図８に示されるように、加熱温度が９４０℃までの範囲では、加熱温度を上昇させることにより、第１群に属する結晶粒の平均粒径が減少していた。他方で、加熱温度が９４０℃以上の範囲では、加熱温度を上昇させることにより、第１群に属する結晶粒の平均粒径が増加していた。同一の加熱温度で比較した場合、冷却速度が増加するほど、第１群に属する結晶粒の平均粒径が減少していた。これは、冷却速度が高いほど、生成されるα’結晶粒が微細化されるとともに、生成されるα’結晶粒の生成量が増加するためであると考えられる。 As shown in FIG. 8, when the heating temperature was up to 940 ° C., the average particle size of the crystal grains belonging to the first group was reduced by increasing the heating temperature. On the other hand, when the heating temperature was in the range of 940 ° C. or higher, increasing the heating temperature increased the average grain size of the crystal grains belonging to the first group. When compared at the same heating temperature, the average grain size of the crystal grains belonging to the first group decreased as the cooling rate increased. It is considered that this is because the higher the cooling rate, the finer the α 'crystal grains generated and the larger the amount of generated α' crystal grains.
より具体的には、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度が９４０℃以上１０２０℃以下の範囲内においては、冷却工程Ｓ２２における冷却速度が５０℃／以上であれば、第１群に属する結晶粒の平均粒径が６μｍ以下となっていた。 More specifically, when the holding temperature in the heating and holding step S21 is in the range of 940 ° C. or more and 1020 ° C. or less, if the cooling rate in the cooling step S22 is 50 ° C./or more, the average of the crystal grains belonging to the first group is The particle size was 6 μm or less.
＜平均アスペクト比測定結果＞
図９は、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度と試験片を構成するチタン合金中における第１群に属する結晶粒の平均アスペクト比との関係を示すグラフである。なお、図９中において、横軸は加熱保持工程Ｓ２１における保持温度の逆数（単位：１０３／Ｋ）であり、縦軸は試験片を構成するチタン合金中における第１群に属する結晶粒の平均アスペクト比（自然対数表示）である。図９に示されるように、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度が上昇するほど、第１群に属する結晶粒の平均アスペクト比が大きくなっていた。
<Average aspect ratio measurement result>
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the holding temperature in the heating and holding step S21 and the average aspect ratio of the crystal grains belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece. In FIG. 9, the horizontal axis is the reciprocal (unit: 10 3 / K) of the holding temperature in the heating and holding step S21, and the vertical axis is the crystal grain belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece. Average aspect ratio (natural logarithmic representation). As shown in FIG. 9, as the holding temperature in the heating holding step S21 increases, the average aspect ratio of the crystal grains belonging to the first group increases.
＜引張試験結果＞
図１０は、試験片に対して行われた引張試験における応力ひずみ曲線である。図１０中において、横軸はひずみであり、縦軸は応力（単位：ＭＰａ）である。引張試験に供された試験片に対する熱処理では、保持温度が９８０℃とされた。なお、引張試験に供された試験片を構成するチタン合金中において、第１群に属する結晶粒の平均粒径は４．１μｍであった。図１０に示されるように、上記の引張試験において、試験片は、約１０００ＭＰａの引張降伏応力、約１８パーセントの引張伸びを示した。
<Tensile test result>
FIG. 10 is a stress-strain curve in a tensile test performed on a test piece. In FIG. 10, the horizontal axis represents strain, and the vertical axis represents stress (unit: MPa). In the heat treatment of the test piece subjected to the tensile test, the holding temperature was 980 ° C. The average grain size of the crystal grains belonging to the first group in the titanium alloy constituting the test piece subjected to the tensile test was 4.1 μm. As shown in FIG. 10, in the above tensile test, the test piece showed a tensile yield stress of about 1000 MPa and a tensile elongation of about 18%.
以上のように、加熱保持工程Ｓ２１における保持温度を９４０℃以上９８０℃以下とするとともに、冷却工程Ｓ２２における冷却速度を５０℃／秒以上とすることにより、実施形態に係る機械部品を構成するチタン合金中において、第１群に属するα’結晶粒を含む結晶粒の平均粒径を６μｍ以下とすることができることが実験的に明らかにされた。さらに、その場合には、実施形態に係る機械部品の硬さが３５０Ｈｖ以上にできること、実施形態に係る機械部品の引張降伏応力を９５０ＭＰａ以上にできること及び実施形態に係る機械部品の引張伸びを１０パーセントを超えるようにできることも、同様に実験的に明らかにされた。 As described above, the holding temperature in the heating and holding step S21 is set to 940 ° C. or more and 980 ° C. or less, and the cooling rate in the cooling step S22 is set to 50 ° C./second or more. It has been experimentally shown that the average grain size of the crystal grains including the α ′ crystal grains belonging to the first group can be set to 6 μm or less in the alloy. Further, in that case, the hardness of the mechanical component according to the embodiment can be 350 Hv or more, the tensile yield stress of the mechanical component according to the embodiment can be 950 MPa or more, and the tensile elongation of the mechanical component according to the embodiment is 10%. It has also been experimentally demonstrated that this can be exceeded.
以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。 As described above, the embodiment of the present invention has been described, but the above embodiment can be variously modified. Further, the scope of the present invention is not limited to the above embodiment. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品及びチタン合金製の機械部品の製造方法に特に有利に適用される。 The above embodiments are particularly advantageously applied to a titanium alloy machine part and a method of manufacturing a titanium alloy machine part.
Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 溶体化処理工程、Ｓ２１ 加熱保持工程、Ｓ２２ 冷却工程。 S1 preparation step, S2 solution treatment step, S21 heating and holding step, S22 cooling step.
Claims (6)
前記チタン合金は、α’結晶粒を含む複数の結晶粒を有しており、
前記結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されており、
前記第１群に属する前記結晶粒の結晶粒径の最小値は前記第２群に属する前記結晶粒の結晶粒径の最大値よりも大きく、
前記第１群に属する前記結晶粒の総面積を前記結晶粒の総面積で除した値は、０．７以上であり、
前記第１群に属する結晶粒径が最も小さい前記結晶粒を除いた前記第１群に属する前記結晶粒の総面積を前記結晶粒の総面積で除した値は、０．７未満であり、
前記第１群に属する前記結晶粒の平均粒径は６μｍ以下である、機械部品。 Mechanical parts made of titanium alloy,
The titanium alloy has a plurality of crystal grains including α ′ crystal grains,
The crystal grains are divided into a first group and a second group,
The minimum value of the crystal grain size of the crystal grains belonging to the first group is larger than the maximum value of the crystal grain size of the crystal grains belonging to the second group,
A value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group by the total area of the crystal grains is 0.7 or more,
A value obtained by dividing the total area of the crystal grains belonging to the first group by the total area of the crystal grains excluding the crystal grains having the smallest crystal grain diameter belonging to the first group is less than 0.7,
The mechanical part, wherein the average grain size of the crystal grains belonging to the first group is 6 μm or less.
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