JP3379370B2 - 冷間加工性に優れたα型チタン合金 - Google Patents

冷間加工性に優れたα型チタン合金

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JP3379370B2 JP01636497A JP1636497A JP3379370B2 JP 3379370 B2 JP3379370 B2 JP 3379370B2 JP 01636497 A JP01636497 A JP 01636497A JP 1636497 A JP1636497 A JP 1636497A JP 3379370 B2 JP3379370 B2 JP 3379370B2
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篤彦 黒田
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、カメラ、眼鏡、時
計、ゴルフクラブ、自転車等の民生用品材料や人工骨、
歯等の人体用材料として用いられるα型チタン合金に関
する。 【0002】 【従来の技術】チタン合金は、軽量で耐食性に優れ、人
体に接触しても皮膚アレルギーを引き起こさないため
に、カメラ、眼鏡、時計、ゴルフクラブ、自転車等の民
生用品材料や人工骨、歯等の人体用材料として用いられ
ている。これらの民生用品材料や人体用材料として用い
られるチタン合金には、高い冷間加工性が求められる。
さらに眼鏡、時計などの分野では製品に表面光沢を付与
するために研磨性が求められる。しかし、一般にチタン
合金は研磨性に劣るため、成形後の研磨で製品に光沢を
与えるのには多大の工数が必要である。 【0003】一方、チタン合金は組成によりα型、α+
β型、β型に分類される。この内α型チタン合金は、5
00℃までのクリープ強度と溶接性に優れているが、β
型に比べて冷間加工性が劣る。しかし、α型チタン合金
は、β型チタン合金で生じる熱処理による不安定相の生
成などがなく、かつ溶解もβ型チタン合金よりも容易で
あるために、冷間加工性を向上させられれば、応用分野
の拡大が期待できる。 【0004】冷間加工性を改善したα型チタン合金のひ
とつが特開昭62−222036号公報に提案されてい
る。その合金は、Zrを(Zr)+(25×酸素)≧6
でかつ(3×Zr)+(220×酸素)≦60を満たす
量含有し、Snを2重量%以上3重量%以下含み、さら
にAl、Fe、Cu、Cr、Niの1種または2種以上
を合計で0.5重量%以下含有し、残部がTiおよび不
可避的不純物からなるチタン合金である。しかし、本発
明者らの調査によれば、そのTi合金では、低融点金属
であるSnを2重量%以上3重量%以下と多量に含んで
いるので、インゴット中でSnが偏析し、低融点相が形
成される。すなわち、Snは固相への溶解度が低いの
で、液相側に濃縮し、インゴットの最終凝固部に偏析し
て低融点相を形成する。このSnの低融点相は、熱間加
工時の割れの原因となる。Ti合金は一般的に約900
℃で熱間加工が施されるが、Snの融点は232℃であ
るので、Snの低融点相は液相化しており、熱間加工の
応力がかかると液相部分から割れが発生するのである。 【0005】冷間加工性を改善したα型チタン合金の他
の例が特公平6−46269号公報に提案してある。そ
の合金は、ZrをZr≧1重量%、かつ(Zr)+(2
5×酸素)≧5および(3×Zr)+(220×酸素)
≦66の条件を満たすように含有し、さらにAl、S
n、Fe、Cu、Crの1種または2種以上を合計で1
重量%以下含有し、残部がTiおよび不可避的不純物か
らなるチタン合金である。しかし、本公報に記載されて
いるTi合金は、SnとFeを合計で高々1重量%しか
含有していないので、結晶粒径が粗くなり、成形加工後
の研磨に多大な工数を要する問題点を有している。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、熱間
加工時に割れが生じることがなく、冷間加工性や研磨性
に優れていて、民生用品材料や人体用材料として用いら
れるのに好適なα型チタン合金を提供することである。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次のα
型チタン合金にある。 【0008】『重量%で、Zr:5%以上15%以下、
Sn:1%以上2%未満、Fe:0.1%以上2%を含
み、残部がTiおよび不可避的不純物からなるα型チタ
ン合金。』 本発明のα型チタン合金(以下、本発明合金ともい
う。)は、下記のように冷間加工性、研磨性および熱間
加工性に優れている。なお、化学組成の説明で用いる%
表示は、重量%を意味する。 【0009】本発明合金では、Zr、SnおよびFeを
含有させることによって冷間加工性を向上させている。
これらの元素を含む場合には、結晶粒径が著しく微細化
する。結晶粒径が微細化すれば、プレスやロール圧延等
の冷間加工時に割れが生じにくくなる。さらに成形加工
時のしわの発生が防止できる。 【0010】また、本発明合金では、Zrを5〜15%
以下、Snを1%以上、Feを0.1%以上含有させる
ことによって研磨性を向上させている。このような化学
組成とすることにより、結晶粒径が著しく微細化するの
で研磨性が良好となる。 【0011】さらに本発明合金では、低融点金属である
Snを2%以下に抑えることによって熱間加工性を確保
している。Snの含有量が低いのでSnが濃縮した低融
点相は生成しない。したがって、低融点相が引き起こす
熱間加工時の割れを防止することができる。 【0012】 【発明の実施の形態】本発明合金をさらに具体的に説明
する。 【0013】(1)本発明合金の化学組成 Zr:5%以上15%以下 Zrは、結晶粒を著しく微細化する元素であり、研磨性
と冷間加工性を改善する。この効果を得るためには、5
%以上含有させる必要がある。一方、Zrの含有量が1
5%を超えると結晶粒を微細化する作用が飽和するばか
りか、延性の低下を招き、さらに合金の比重を高めると
ともに、原料費を上昇させる。したがって、Zrの含有
量は、5%以上15%以下とした。より望ましいZrの
含有量は、5%以上12%以下である。 【0014】Sn:1%以上2%未満 Snは、Zrと同様に結晶粒を微細化し、冷間加工性と
研磨性を改善する元素である。この効果を得るために
は、1%以上含有させる必要がある。一方、Snの融点
は232℃で、TiやZrのそれと比較して低い。した
がって、Snの含有量が多い場合は、Snが偏析し、低
融点の相がインゴット内に形成され、この低融点相を起
点として、熱間圧延や熱間鍛造等の熱間加工時に割れが
生じる。この熱間加工時の割れの問題は、Snの含有量
が2%以上の場合に顕著に生じる。したがって、Snの
含有量の上限を2%未満とした。 【0015】Fe:0.1%以上2%以下 Feは、ZrやSnと同様に結晶粒を微細化し、冷間加
工性と研磨性を改善する元素である。この効果を得るた
めには、0.1%以上含有させる必要がある。一方、F
e含有量が2%を超えるとインゴット内にFeの偏析が
発生し、インゴット全体にわたる均質性が保てなくな
る。また、Feの含有量が2%を超えると、TiとFe
の金属間化合物が形成され、材料の延性が低下する。し
たがって、含有量を0.1%以上2%以下とした。 【0016】Zr、SnおよびFe以外の残部は、Ti
および不可避的不純物である。不可避的不純物として
は、例えばO(酸素)、C、N、H、Ni、Crがあ
る。不可避的不純物として許容される含有量は、Oは
0.15%以下、Cは0.02%以下、Nは0.02%
以下、Hは0.025%以下、Niは0.02%以下、
Crは0.02%以下である。 【0017】(2)本発明合金の製造方法 本発明合金は、例えば、所定の化学組成となるように、
所定の量の各金属元素をスポンジチタンで包み込んだ後
に圧縮してTi電極に成形し、通常のアーク溶解法によ
りこのTi電極を溶解して凝固させることによって製造
できる。 【0018】本発明合金は、熱間鍛造、熱間圧延などの
熱間加工を施した後に、冷間鍛造、冷間圧延、プレス加
工等の冷間加工を施して、板、棒、パイプ等の製品形状
に成形することにより、カメラ、眼鏡、時計、ゴルフク
ラブ、自転車等の民生用品や人工骨、歯等の人体用材料
として使用できる。 【0019】 【実施例】ボタンアーク溶解炉を使用して、溶解した溶
湯500gを幅50mm、厚さ20mm、長さ100m
mのインゴットに鋳造した。表1に、本発明合金および
の本発明で規定する化学組成の範囲から外れる比較のた
めの合金(以下、比較合金という。)の化学組成を示
す。 【0020】 【表1】 【0021】さらに、本発明合金および比較合金のイン
ゴットを1000℃に加熱した後、1ヒートの熱間圧延
を施して厚さ5mmの厚板に成形した。その後、熱間圧
延によって発生した歪を除去するために、上記の厚板に
700℃で30分間の焼鈍を施した。その後、脱スケー
ルのために切削加工により厚さ4mmの厚板に加工し
た。さらに厚板に冷間圧延を施して厚さ0.5mmの薄
板に成形した。なお、冷間圧延中、板厚2.5mmにな
った時点で、冷間加工組織を消滅させ、等軸組織を得る
ために、真空中において700℃で30分間保持する焼
鈍を施した。 【0022】本発明合金および比較合金の熱間加工性、
冷間加工性および研磨性の評価は以下の調査により行っ
た。 【0023】熱間加工性は、熱間圧延中に厚板に耳割れ
が生じるか否かによって評価し、耳割れが生じたものを
熱間加工性が不良とした。 【0024】冷間加工性は、冷間加工中に発生する薄板
の耳割れの有無と引張試験による材料の伸びによって評
価した。冷間圧延中に薄板に耳割れが生じたものを冷間
加工性が不良とした。冷間加工で耳割れが生じなかった
厚さ0.5mmの薄板を700℃で30分間、真空中で
焼鈍した後、平行部幅12.5mm、標点間距離50m
mの引張試験片を採取し、ASTM−E8に準拠して室
温での引張試験を実施した。この引張試験において、伸
びが25%を下回るもの、すなわち冷間加工での延性が
不足するものも冷間加工性が不良であると判断した。 【0025】研磨性は、薄板の表面を研磨した後の光沢
度を測定することにより評価した。冷間加工後焼鈍を施
した薄板から20mm角の試験片を採取し、1200番
までペーパー研磨した後、バフにて30秒間研磨し、7
5度の反射角で光沢度を測定し、表面光沢度が100よ
り低いものを研磨性不良とした。 【0026】これらの試験結果を表1に併せて示した。 【0027】表1に示すとおり本発明合金は、熱間加工
中および冷間加工中に割れが生じることはなく、かつ常
温での延びに優れていた。また、研磨性も良好であっ
た。しかし、比較合金1は、Zrの含有量が不足するた
めに結晶粒径が粗く、研磨性が不良であった。比較合金
7は、Zrを多量に含むために延びが不十分であり、冷
間加工性に劣っていた。比較合金7のようにZrを多量
に含有する合金は経済的でない。比較合金8は、Snの
含有量が不足するために研磨性が不良であった。一方、
比較合金12は、Snを多量に含有しているので熱間加
工時に割れが発生した。したがって、熱間圧延以降の加
工は行わなかった。比較合金13は、Feの含有量が不
足しているために研磨性が不良であった。比較合金19
は、Feを多量に含有しているので冷間圧延中に割れが
発生した。 【0028】 【発明の効果】本発明のα型チタン合金は、熱間加工時
に割れが生じることがなく、冷間加工性や研磨性に優れ
ているので、複雑な加工を施して製造される民生用品材
料や人体用材料として好適である。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】重量%で、Zr:5%以上15%以下、S
    n:1%以上2%未満、Fe:0.1%以上2%以下を
    含み、残部がTiおよび不可避的不純物からなることを
    特徴とするα型チタン合金。
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