JP2797914B2

JP2797914B2 - 冷間加工性および溶接性に優れた高強度チタン合金

Info

Publication number: JP2797914B2
Application number: JP19930593A
Authority: JP
Inventors: 学西元; 篤彦黒田; 司郎北山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH0754082A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化学工業（配管な
ど）、エネルギー開発（アンビリカルチューブ、石油開
発用油井管など）、一般工業用構造材、航空機関連（油
圧配管など）、スポーツ用品（自転車のフレーム、ゴル
フクラブ、テニスラケットなど）および建材などの分野
で用いられる、冷間加工性および溶接性に優れた高強度
チタン合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、一般的にチタンおよびチ
タン合金は比強度と耐食性に優れるという長所を持つ反
面、冷間加工性や溶接性に乏しいために熱間加工後、機
械加工で仕上げなければならない場合が多い。しかし、
チタン合金は切削性が悪く、そのため製品歩留りの低
下、切削の長時間化などによりコスト高を招く。

【０００３】チタンおよびチタン合金の中で冷間加工が
可能な合金としては、α型チタンである純Ti、α＋β型
チタン合金であるTi−３Al− 2.5Ｖ、および多くのβ型
チタン合金が挙げられる。

【０００４】これらのうち、β型チタン合金は冷間加工
は可能であるものの、熱間における変形抵抗が大き
く、従来工程では製造が困難である。高温域(100〜40
0 ℃前後) で使用した場合には、α相やω相の析出によ
り脆化し、熱的安定性に欠ける、という問題がある。

【０００５】Ti−３Al− 2.5Ｖは代表的な冷間加工可能
なα＋β型チタン合金であり、その基本的な成分はAlが
2.5〜3.5 重量％、Ｖが 2.0〜3.0 重量％である (この
合金はＡＭＳに規格化されている) 。この合金も純Tiと
同様に冷間加工は可能であるものの、多くの他のチタン
合金と比べて強度が低く、実用的な用途が狭められてい
る。

【０００６】特開昭50−25418 号公報には、強度および
破壊靱性向上を目的としたチタン合金が示されている。
このチタン合金はTiにAl、ＶおよびMoなどを添加し、さ
らに必要に応じてZr、NiおよびFeを添加したものである
が、冷間加工性と溶接性に関しては十分に検討されてい
ない。

【０００７】特開昭61−257448号公報には、Al、Zr、M
o、Ｖ、Cr、Niなどを添加し、NiとZrの複合効果により
高い耐食性と高強度を付与したチタン合金が開示されて
いる。

【０００８】また、特開昭63−179033号公報には、Tiに
Al、Ｖ、Ni、Moなどを添加し、高強度と高耐食性を達成
したチタン合金が開示されている。しかし、これらのチ
タン合金でも、冷間加工性と溶接性について十分な検討
がなされていない。例えば、前者の発明では、冷間圧延
の圧下率が30％のときの耳割れの発生程度を冷間加工性
良否の判断基準としている。しかし、この30％という圧
下率はかなり低い基準であって、さらに高い圧下率の場
合でも冷間加工性に優れたチタン合金は示されていな
い。

【０００９】特開平３−166350号公報および特開平３−
274238号公報には、β相安定化元素( Fe、Ni、Co、Cr、
Ｍo 、Ｖ )の添加によりβ相率を増加させて、高い冷間
加工性と固溶強化による強度向上を達成したチタン合金
が示されている。また本発明者らは、特開平５−117791
号公報において、Ti−３Al− 2.5Ｖ合金にNbを 0.1％以
上10.0％以下添加し、良好な冷間加工性を維持しながら
高強度と高靱性を有するチタン合金を開示した。しか
し、これらの発明では、溶接性については明らかとなっ
ていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】チタン合金は、高強
度、低比重の特性を活かし、構造材として用いることが
期待されている。しかし、多くの高強度チタン合金は冷
間加工性や溶接性に乏しいために、チタン合金を構造材
として使用する場合、熱間仕上げの状態から機械加工な
どによって製品を製造する必要がある。そのため、製品
の歩留りの低下とコスト上昇を招いている。

【００１１】本発明は、チタン合金から構造用部材など
を製造する際の製品歩留りを向上させ、生産コストを低
減するために、冷間加工性と溶接性に優れた高強度チタ
ン合金を提供することを目的としてなされたものであ
る。

【００１２】具体的な目標は次の〜のとおりとし
た。

【００１３】冷間加工性は、後述の冷間加工性試験に
おいてTi−３Al− 2.5Ｖ合金以上であること。

【００１４】溶接性を示す室温の溶接部の0.2 ％耐力
が 650ＭＰa 以上であり、室温の母材部の0.2 ％耐力に
おいても 650ＭＰa 以上であること。

【００１５】室温における溶接部の破断強度が母材部
のそれの90％以上であること。

【００１６】構造材などに適用する実用面から、溶接
性を示す伸びについても下限値を設け、室温での溶接部
の引張伸びが5.0 ％以上であり、室温での母材部の引張
伸びにおいても10.0％以上であること。

【００１７】後述の曲げ試験において溶接部に割れが
発生しないこと。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは種々の添加
元素が冷間加工性、溶接性および強度に与える影響を検
討し、熱的安定性に優れ、強度と冷間加工性および溶接
性を高度にバランスさせたチタン合金を開発した。

【００１９】本発明の要旨は次の高強度チタン合金にあ
る。

【００２０】重量％で、Al： 1.0％〜3.0 ％未満、Ｖ：
1.5〜4.5 ％、Mo：0.1 ％〜2.5 ％未満、Zr： 0.1〜1
0.0％およびNi： 0.1〜1.5 ％を含有し、残部はTiおよ
び不可避的不純物からなる冷間加工性および溶接性に優
れた高強度チタン合金。

【００２１】

【作用】本発明の高強度チタン合金は、TiにAl、Ｖおよ
びMoを数％添加し、さらにZrとNiを添加することによっ
て強度、冷間加工性および溶接性の向上を図ったもので
ある。化学組成を前記のように限定した理由について説
明する。以下、％は重量％を意味する。

【００２２】Al、Ｖ：Alはα相安定化元素、Ｖはβ相安
定化元素であり、いずれも固溶強化作用を有する元素で
ある。これらの元素は固溶強化の目的で含有させるが、
所望の効果を得るためには、Al含有量は 1.0％以上、Ｖ
含有量は 1.5％以上とする必要がある。しかし、Al含有
量が 3.0％以上になり、Ｖ含有量が4.5 ％を超えると、
冷間加工性が低下するために冷間加工時に割れが生じ
る。よって、Al含有量の範囲は1.0 ％〜3.0 ％未満、Ｖ
含有量の範囲は 1.5〜4.5 ％とした。好ましい範囲は、
Alで 2.0〜2.8 ％、Ｖで 2.5〜3.5 ％である。なお、Ｖ
はMoと同様に溶接性を劣化させる元素であるが、その程
度はMoに比べて小さく、上記の範囲内であれば問題はな
い。

【００２３】Mo：Moはβ相安定化元素であり、冷間加工
性と強度の向上に寄与する。これらの効果を得るには、
0.1％以上のMo含有量が必要である。一方、冷間加工性
向上の観点からは、後述する図２に示すように、Mo含有
量は 6.0％程度まで許容される。

【００２４】しかし、Mo含有量が 2.5％以上になると溶
接性に悪影響を与え、溶接部の強度、伸びおよび曲げ加
工性を低下させる。そのため、Mo含有量の範囲は 0.1％
〜2.5％未満とした。好ましいのは、 0.8〜2.3 ％の範
囲である。

【００２５】なお、Ｖ、Moは単体の金属として添加して
もよいが、Al−Ｖ母合金、Al−Mo母合金、Al−Mo−Ｖ母
合金という形で添加してもよい。

【００２６】Zr：Zrは、冷間加工性および強度の向上に
寄与し、特に冷間加工性の向上効果が大きい元素である
（後述の図２参照）。Zr含有量が0.1 ％未満ではその効
果は小さい。一方、10.0％を超えると固溶強化のため強
度は上昇するが、伸びが著しく劣化する。また冷間加工
性も劣化する。このために、Zr含有量の範囲は 0.1〜1
0.0％とした。好ましいのは 0.5〜7.0 ％の範囲であ
る。

【００２７】Ni：Niは少量でも強度向上に寄与する元素
であるが、Ni含有量が 0.1％未満ではその効果が小さ
い。一方、 1.5％を超えると脆化相であるTi₂Ni が生成
し、冷間加工性を著しく劣化させる。そのため、Ni含有
量は 0.1〜1.5 ％とした。

【００２８】その他：不可避的な不純物とはＣ、Ｈ、
Ｏ、ＮおよびＹなどを指すが、通常の含有量レベルであ
れば特に問題はない。

【００２９】Feは、固溶強化作用が大きく、少量でも強
度向上に寄与する元素であるが、Fe含有量が 0.5％を超
えるとTiと反応して低融点金属間化合物を生じ、冷間加
工性を著しく劣化させる。そのため、Fe含有量は 0.5％
以下とすべきである。FeはスポンジTiや添加元素原料に
幾分か含まれているため、不可避的に混入するが、0.5
％以下であれば問題ない。

【００３０】Ｏも固溶強化度が大きく、少量でも強度向
上に寄与する元素であるが、その反面、冷間加工性を劣
化させる。そのため、Ｏ含有量は 0.2％以下であること
が望ましい。

【００３１】上記の化学組成とすることで、前記の目標
とする強度、冷間加工性、伸びおよび溶接性を備えたチ
タン合金を得ることができる。

【００３２】本発明の合金は、これらの特性によってエ
ネルギー開発、化学工業、スポーツ用品などの分野で用
いる部材などに適用することが可能である。特に冷間加
工性、溶接性および強度などが要求されるアンビリカル
チューブ用素材として好適である。アンビリカルチュー
ブとは、海底の油田と海上のプラットホームを結ぶ制御
管のことであり、管中に油圧を制御する電線などが通さ
れるものである。

【００３３】

【実施例】表１と表２に示す組成の合金を真空溶解法に
よって溶製し、直径 120mm×長さ300mm の円柱状インゴ
ットとした。表１の合金 No.１〜18が本発明例、表２の
合金 No.19〜29が本発明範囲外の組成の比較例、表２の
合金 No.30、31が既存の冷間加工可能な純Ti、Ti−３Al
− 2.5Ｖ合金である。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】これらのインゴットを1100℃に加熱した
後、850 ℃以上で鍛造を行い、厚さ60mm×幅70mm×長さ
680mm の角状とした。その後、熱間圧延(900℃加熱、 7
50℃打ち上げ) を施して厚さ15mm×幅70mmの板材にした
後、750 ℃で焼鈍を行った。

【００３７】熱間加工性の評価は、上記の熱間鍛造、熱
間圧延によって割れが生じた場合を熱間加工性が劣悪
「×」、割れが生じない場合を良好「○」とした。

【００３８】このようにして得られた各供試材から、冷
間圧延試験片 (厚さ12mm×幅35mm×長さ200mm)と冷間据
え込み加工試験片 (φ６mm×長さ９mm) を切り出し、冷
間加工性試験に供した。

【００３９】また、熱間圧延後の板材から切り出した供
試材 (厚さ３mm×幅70mm) に、ＴＩＧ溶接 (Ar雰囲気
中、両面各１パス、溶接棒も熱間圧延材から切り出した
もの)を行った後、溶接部と母材部からそれぞれ平行部
寸法：厚さ２mm×幅6.25mm×長さ32mmの板引張試験片を
切り出し、引張強度を測定した。さらに各供試材の溶接
部の曲げ加工性を調べるために曲げ試験片 (厚さ２mm×
幅15mm×長さ100mm)を切り出し、曲げ試験を実施した。

【００４０】次に各試験の詳細な内容について述べる。

【００４１】〔冷間圧延試験〕厚さ12mm×幅35mm×長さ
200mm の前記試験片を、ロールで１パスあたり 0.5mmづ
つ減厚し、板端部から３mm以上の長さの耳割れが板側面
にそって５cm以内の間隔で生じた場合を限界冷間加工度
とし、下記 (1)式に従い算出した。

【００４２】

【数１】

【００４３】〔冷間据え込み加工試験〕φ６mm×長さ９
mmの前記試験片を、歪速度＝ 1.0×10^-2 sec^-1で加工フ
ォーマスター試験装置により冷間据え込み加工を行い、
割れが発生した加工度を限界冷間加工度とした。なお、
この据え込み加工試験は各合金につき３回試験を行い、
その平均値を限界冷間加工度とし、下記 (2)式に従い算
出した。

【００４４】

【数２】

【００４５】〔引張試験〕母材部と溶接部から切り出し
た平行部寸法：厚さ２mm×幅6.25mm×長さ32mmの前記試
験片に、0.2 ％耐力までは 0.5％歪/min、耐力後は15％
歪/minの引張速度を与えて破断させ、強度を測定して溶
接性を評価した。この引張試験は室温で行い、強度と伸
びを比較した。

【００４６】〔溶接部曲げ試験〕厚さ２mm×幅15mm×長
さ100mm の前記試験片を各供試材の溶接部から切り出
し、２mmの曲げ半径で90℃曲げを行った。曲げ試験後、
光学顕微鏡で曲げ部の20倍観察を行い、割れの有無を調
査して溶接性を評価した。図１はこの試験片の形状を示
す図である。

【００４７】以上の各評価試験の結果を表３、表４およ
び図２、図３に示す。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４（１）】

【００５０】

【表４（２）】

【００５１】表３、表４の結果から以下のことが明らか
である。

【００５２】合金 No.１〜３および No.19、20の結果に
よれば、Alは固溶強化による強度向上に大きく寄与する
が、含有量が少ないとその効果は小さい (合金 No.19で
は、Alは0.3 ％であり強度が低い) 。また、過度のAl含
有は冷間加工性を低下させる( 合金No.20 では同じく5.
0 ％であり冷間加工性が非常に低い）。

【００５３】合金 No.４、５および No.21、22の結果に
よれば、Ｖも固溶強化による強度向上に寄与する。しか
し、含有量が少ないとその効果は小さい (合金 No.21
では、Ｖは0.5 ％であり強度が低い) 。また、過度のＶ
含有は冷間加工性を低下させる (合金 No.22では、同じ
く6.0 ％であり、冷間加工性はTi-3Al-2.5Ｖ合金の場合
以下に低下している）。

【００５４】Moは、合金 No.６、７および No.23、24の
結果によれば、冷間加工性と強度の向上に寄与すること
がわかる。しかし、合金 No.23の結果によれば、Mo含有
量が0.1 ％未満であると、上記の二種類の特性の向上に
対する寄与は小さい。また、過度のMo含有は溶接性の低
下をもたらし、好ましくない (合金 No.24では、Moは3.
5 ％であり溶接部の曲げ加工性が低く、溶接部の強度が
母材に較べて小さい)。

【００５５】合金 No.８、９および No.26の結果によれ
ば、酸素は強度向上に大きく寄与するものの、冷間加工
性を低下させる。しかし、通常の量(0.2％以下) なら問
題はない。

【００５６】合金 No.11〜18および No.27〜29の結果に
よれば、NiとZrは強度向上に寄与し、特にNiは少量でも
この効果が大きいが、合金No.29 の場合のように過度の
Ni含有（Niは2.5 ％）は、加工性を低下させ、熱間加工
すら困難となる。合金 No.28の場合のように過度のZr含
有（Zrは13.0％）は、冷間加工性と延びの低下を招く。
しかし、本発明で定めるNi含有量の範囲内であれば、冷
間加工性を損なうことなく強度の向上を得ることができ
る。また、Zrの過少含有も冷間加工性の向上には寄与し
ない（合金 No.27では、Zrは0.05％であり、冷間加工性
が低い）。

【００５７】合金 No.30、31の既存の純TiやTi−３Al−
2.5Ｖ合金では、本発明合金に比べて強度が低い。

【００５８】図２は、冷間据え込み加工試験の場合の、
限界冷間加工度に及ぼすMo含有量の影響の例を示す図で
ある。この場合のチタン合金のベース組成は、Al:2.0
％、Ｖ:3.0％、Ni:0.4％、Zr:2.0％、Ｏ:0.1％、Fe:0.1
％、bal.:Ti である。

【００５９】図２に示すように、限界冷間加工度はMo含
有量が約2.5 ％前後でピークを示すが、６％程度までは
既存のTi−３Al− 2.5Ｖ合金よりも良好である。しか
し、前記のように、Mo含有量が約３％を超えると、限界
冷間加工度は低下し、同時に溶接性が悪化して溶接部の
強度、伸びおよび曲げ加工性を低下させる。

【００６０】図３は、冷間据え込み加工試験の場合の、
限界冷間加工度に及ぼすZr含有量の影響の例を示す図で
ある。この場合のチタン合金のベース組成は、Al:2.0
％、Ｖ:3.0％、Ni:0.4％、Mo:1.5％、Ｏ:0.1％、Fe:0.1
％、bal.:Ti である。

【００６１】図３に示すように、限界冷間加工度はZr含
有量が約５％前後でピークを示すが、本発明で定める含
有量の範囲内では、既存のTi−３Al− 2.5Ｖ合金よりも
良好である。

【００６２】

【発明の効果】本発明の合金は、冷間加工性および溶接
性（溶接部強度）にも優れた高強度チタン合金である。
溶接性が良好であるから、機械切削によることなく、化
学工業、エネルギー開発、航空機、スポーツ用品などの
分野で用いるのに好適なチタン合金構造用部材などを、
低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接部曲げ試験の試験片形状を示す図である。

【図２】冷間据え込み加工試験の場合の、限界冷間加工
度に及ぼすMo含有量の影響の例を示す図である。

【図３】冷間据え込み加工試験の場合の、限界冷間加工
度に及ぼすZr含有量の影響の例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 14/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Al： 1.0％〜3.0 ％未満、Ｖ：
1.5〜4.5 ％、Mo：0.1 ％〜2.5 ％未満、Zr： 0.1〜1
0.0％およびNi： 0.1〜1.5 ％を含有し、残部はTiおよ
び不可避的不純物からなる冷間加工性および溶接性に優
れた高強度チタン合金。