JP2800651B2

JP2800651B2 - 冷間加工性および溶接性に優れた高耐食性チタン合金

Info

Publication number: JP2800651B2
Application number: JP20219793A
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: 1993-08-16
Filing date: 1993-08-16
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH0754084A

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）および航空機関連（油圧配管など）な
どで用いられる高耐食性チタン合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタンは比強度（強度／比重）が大き
く、耐食性に優れているという長所を持つ。従来、これ
らの長所を各々別個に改良する方向でチタン合金の開発
が行われてきた。これらの改良方法として、Al、Ｖ、Ni
などの元素を添加することが挙げられるが、冷間加工性
については十分な配慮が行われていない場合が多く、強
度や耐食性が改善されても冷間加工性を損ねることが多
かった。

【０００３】チタン合金は一般的に冷間加工性や溶接性
に乏しく、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。

【０００４】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。

【０００５】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〜 4
00℃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。

【０００６】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い上に耐食性も十分とは言えず、
実用的な用途が狭められている。

【０００７】特開昭50−25418 号公報には、Al、Zr、M
o、Ｖ、Cr、NiおよびFeを含有するチタン合金が示され
ているが、これは強度および破壊靱性向上を目的として
発明されたものであり、冷間加工性や溶接性について
は、ほとんどまたは全く検討されていない。

【０００８】チタンは周知のように、耐食性に優れた材
料であるという長所を持つが、苛酷な腐食環境での使用
にはさらなる耐食性の向上が必要であり、用途によって
は高い強度も要求される。これらの要求に対して、例え
ば特開昭61−257448号公報には、Al、Ni、Zrなどを添加
し、NiとZrの複合作用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。また、特開昭63−17
9033号公報には、Al、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は、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。特に前者の発明で
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、耐食性および溶接性については
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、高耐食
性、高比強度の特性を活かし、腐食環境用構造材として
用いることが期待されている。しかし、多くのチタン合
金は苛酷な腐食環境での使用に耐え得る耐食性があると
は言い難い。また、一般的に冷間加工性と溶接性に乏し
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によって製品を製造する必要
がある。そのため、製品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も優れた高耐食性チタ
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600 ＭＰa 以上であり、室温の母材部の0.2 ％耐力に
おいても 600ＭＰa 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】腐食減量は、後述の耐食性試験において
0.5mm／年以下であること。

【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、強度、溶接性および耐食性に与える
影響を検討し、耐食性と冷間加工性、強度および溶接性
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： 0.1〜6.0 ％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耐食性チタン合金。

【００２１】

【作用】本発明のチタン合金は、TiにAl、ＶおよびMoを
数％添加し、さらにNiを添加することによって、耐食
性、冷間加工性および溶接性の向上を図ったものであ
る。

【００２２】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。

【００２３】Al： 1.0％〜3.0 ％未満 Alはα相安定化元素である。固溶強化と耐食性向上の目
的で含有させるが、目標の強度と耐食性を得るには、Al
を1.0 ％以上含有させる必要がある。一方、Al含有量が
3.0 ％以上になると冷間加工性が低下するために、目標
とするTi−３Al− 2.5Ｖ合金以上の冷間加工性が達成で
きない。よって、Al含有量の範囲は 1.0％〜3.0 ％未満
とした。好ましいのは 1.5〜2.5 ％の範囲である。

【００２４】Ｖ： 1.5〜4.5 ％Ｖはβ相安定化元素である。固溶強化の目的で含有させ
るが、目標強度を得るには1.5 ％以上含有させる必要が
ある。一方、Ｖ含有量が4.5 ％を超えると冷間加工性と
耐食性を劣化させる。よって、Ｖ含有量の範囲は 1.5〜
4.5 ％とした。

【００２５】好ましいのは 2.5〜3.5 ％の範囲である。
また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。

【００２６】Mo： 0.1〜6.0 ％ Moは冷間加工性、強度および耐食性の向上に寄与する
が、Mo含有量が0.1 ％未満ではその効果は小さい。しか
し、Moは高融点金属であり、多量に含有させると偏析を
生じる懸念があること、伸びが低下すること、および溶
接性が劣化することなどを考慮すると、Mo含有量は6.0
％以下に抑えるべきである。このため、Mo含有量の範囲
は0.1 ％〜6.0 ％とした。好ましいのは 0.8〜3.0 ％の
範囲である。

【００２７】なお、Ｖと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母合金またはAl−Mo−
Ｖ母合金という形で添加してもよい。

【００２８】Ni： 0.1〜1.5 ％ Niは少量でも、強度と耐食性の向上に寄与する元素であ
る。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。このために、Ni含有量の
範囲は 0.1〜1.5 ％とした。好ましいのは 0.2〜0.8 ％
の範囲である。

【００２９】その他：不可避的な不純物とは、Ｃ、Ｈ、
Ｏ、Ｎ、Fe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。

【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 ％以下とすることが望まし
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、伸び、冷間加工性、溶接性および耐食性を
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腐
食環境用構造材などに適用することが可能であり、特に
溶接性、強度、冷間加工性および耐食性などが要求され
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.１〜11が本発明例、表２の
合金 No.12〜20が本発明範囲外の組成の比較例、表２の
合金 No.21、22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) および塩酸腐食
試験片 (厚さ10mm×幅20mm×長さ20mm) を切り出し、冷
間加工性と耐食性の各試験に供した。

【００３９】また、熱間圧延後の板材から切り出した供
試材 (厚さ４mm×幅70mm) に、ＴＩＧ溶接 (Ar雰囲気
中、両面各１パス、溶接棒も熱間圧延後の板材から切り
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。

【００４０】表３に示す組成の本発明合金を、前記と同
じ方法で溶製と熱間加工を行い、前記の冷間加工試験と
耐食性試験を実施した。さらに、母材としての熱的安定
性をみるために、熱間圧延後の板材から切り出した試験
片（平行部寸法：厚さ２mm×幅6.25mm×長さ32mm）を用
いて、室温と高温で引張試験を実施した。

【００４１】

【表３】

【００４２】次に各試験の詳細な内容について述べる。

【００４３】〔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
に沿って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。

【００４４】

【数１】

【００４５】〔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。

【００４６】

【数２】

【００４７】〔塩酸腐食試験〕厚さ10mm×幅20mm×長さ
20mmの前記試験片を、２重量％ＨCl沸騰溶液中に20時間
浸漬して腐食減量を測定し、腐食減量をmm／年に換算し
て耐食性を評価した。

【００４８】〔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、伸
びを比較した。

【００４９】〔高温引張試験〕平行部寸法：厚さ２mm×
幅6.25mm×長さ32mmの前記試験片を用いて、室温および
400 ℃で行った。

【００５０】以上の各評価試験の結果を表４、表５およ
び表６に示す。

【００５１】

【表４】

【００５２】

【表５（１）】

【００５３】

【表５（２）】

【００５４】

【表６（１）】

【００５５】

【表６（２）】

【００５６】表４〜表６の結果から以下のことが明らか
である。

【００５７】合金 No.１〜３および No.12、13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.12で
は、Alは0.5 ％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.13 では同じく4.
0 ％であり冷間加工性が劣悪 )。

【００５８】合金 No.４、５および No.14、15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.14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.15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）。

【００５９】Moは、合金 No.６、７および No.16、17の
結果によれば、冷間加工性、強度および耐食性の向上に
寄与することがわかる。しかし、合金 No.16の結果によ
れば、Mo含有量が 0.1％未満であると、上記の三種類の
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.17
では、Moは 8.0％であり伸びが低い) 。

【００６０】合金 No.８、９および No.18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
性と溶接性を低下させる。しかし、通常の量(0.2％以
下) なら問題はない。

【００６１】合金 No.10、11および No.19、20の結果に
よれば、Niは強度と耐食性の向上に大きく寄与するが、
その含有量が過少であるとその寄与は小さい (例えば、
合金No.19 ではNi:0.05 ％) 。また、過度のNi含有は冷
間加工性を著しく低下させ、熱間加工すら困難である
（例えば、合金 No.20ではNi:2.5％) 。しかし、本発明
で定める範囲内であれば冷間加工性を損ねることなく、
強度と耐食性を向上させる効果がある。

【００６２】合金 No.21、22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く、耐食
性も悪い。

【００６３】合金 No.23〜25はいずれも、前記の本発明
合金の母材部と同様の良好な冷間加工性と耐食性を示し
ている。400 ℃での引張伸びはいずれも、20％以上を示
しており、本発明のチタン合金は熱的にも安定してい
る。

【００６４】

【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）にも優れた高強度高耐食性チタン合金
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、一般工業などの分野
の腐食環境雰囲気で用いるのに好適なチタン合金チュー
ブ材などを、低コストで製造することができる。

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： 0.1〜6.0 ％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耐食性チタン合金。