JP4048035B2 - Ｔｉ系３元合金を用いた眼鏡フレームならびに該眼鏡フレームの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高強度・高弾性・無毒化・高冷間加工性を持つ新規なＴｉ合金を用いた眼鏡フレームならびに該眼鏡フレームの製造方法の開発に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔｉ系合金は、大気中でその表面にＴｉＯ₂の緻密な酸化被膜を形成する事により耐食性に優れている事、軽くて強く比強度（引張強度を比重で割った商）の大きな材料として注目されており、宇宙航空関連素材、化学装置用素材、眼鏡フレームやゴルフのドライバーヘッドを始めとする民生用素材として幅広く使われ始めている。しかしながら、前記Ｔｉ系合金は常温ではその金属組織は、硬くて脆いα相であるため圧延・鍛造或いは切削などの機械加工は出来ず、唯一、高温領域で析出する機械加工の可能なβ相領域でしか加工が出来ず、加工性が非常に悪いという問題があった。そして、これがＴｉ系合金の一般工業用途の拡大を阻害していた。
【０００３】
また、メガネフレームや腕時計のハウジング、バンドなど人体に接する金属製品は人によっては皮膚のかぶれを引き起こすこともあり、人体にやさしい金属製品の開発も望まれていた。この点、Ｔｉを始めＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐｔなどはこれまでの研究結果から生体適合性に優れた元素として知られているが、前述のようにＴｉ系合金の加工困難性がネックとなり用途拡大が囲まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決課題は、一般工業用の用途として常温塑性加工性に優れ、高強度・高弾性・無毒性を有するＴｉ合金を用いた眼鏡フレームならびに該眼鏡フレームの製造方法の開発にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、「組成がＴｉ_100-X-YＺｒ_XＮｂ_Yで示され、２４重量％≦Ｘ≦２６重量％，２４重量％≦Ｙ≦２６重量％であり、金属組織がβ相であり、１２００ＭＰａ以上、伸びが４〜６％、硬度がＨｖ３２０〜３５０である」事を特徴とする眼鏡フレームである。ここで、本発明合金の構成元素の和が、１００重量％となるようにＸ，Ｙの各数字が選定される事になる。
【０００６】
Ｔｉは常温では六方最密構造で８８２℃以上で体心立方構造に変わるが、Ｚｒを２０〜３５重量％添加することで、常温で母相をβ相とすることができ冷間加工が可能となる。Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂは合金表面に緻密な酸化被膜を形成し、常温空気中では変化せず、強度に優れ耐食性を有する。また、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂはいずれも人体親和性に優れた素材であり、人体に接触する部材に使用した場合、人体にアレルギーを生じさせない優れた作用を発揮する。
【０００７】
添加元素のひとつであるＺｒの含有量Ｘが２０重量％より小さい場合、合金中にＴｉのα相が析出して加工性を著しく阻害する。逆に、Ｘが４０重量％より大きい場合、耐食性の改善は見られず、比重が増加するだけとなる。Ｔｉは常温空気中で変化せず、Ｚｒは固溶体を形成し、合金の強度が上がるので、両者の特長が相乗して良好な特性を示す。
【０００８】
ＮｂもＺｒと同様、緻密な酸化皮膜を形成すると同時に、人体との親和性に優れるという性質を有するため、この目的の添加元素として優れた材料の一つである。
【０００９】
Ｔｉ合金を常温加工する場合、母相はβ相が好ましく、β相に単相の場合には９９.９％の冷間圧延率を達成することができる。加工度合いが小さい場合には、α＋β相の混相でもよい。
【００１０】
「請求項２」は請求項１に記載の眼鏡フレームの製造方法に関し「組成がＴｉ _100-X-Y Ｚｒ _X Ｎｂ _Y で示され、２４重量％≦Ｘ≦２６重量％，２４重量％≦Ｙ≦２６重量％であり、金属組織がβ相であるＴｉ合金を線引き加工後、７８０〜８２０℃の溶体化処理、３８０〜４２０℃の時効処理を施す」ことを特徴とするもので、これにより母相内に微細な析出物が析出して高強度・高弾性を達成することができ、無毒性、高強度、高弾性の眼鏡フレームを得ることができる。
【００１１】
冷却は空冷あるいは炉冷によって行われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に従って詳述する。本発明にかかる眼鏡フレームの母材となる合金は、Ｔｉ−Ｚｒ―Ｎｂ３元合金で、Ｔｉ_(100-X-Y)Ｚｒ_XＮｂ_Yで表され、［Ｘ，Ｙは、重量％であり、２４≦Ｘ≦２６，２４≦Ｙ≦２６］で、Ｔｉ−Ｚｒ―Ｎｂの
重量％の合計は１００重量％となる。
【００１４】
上記範囲の３元合金の物性を下記表１に示す。
【００１５】
【表１】
３元合金の物性

【００１６】
[実施例]
上記合金の製造方法の１例を示すと、スポンジ−チタン、スポンジ−ジルコニウム及び純ニオビウムを必要重量％だけ秤量し、これを水冷銅ハース内でアーク溶解し、合金化して金型に鋳込んでインゴットとした。実施例に供した合金の化学組成は、「Ｔｉ―２５Ｚr−２５Ｎｂ」である。母相の金属組織はβ相でこの試料を冷間圧延すると、９９.９％の圧延率迄圧延する事ができた。その間軟化焼鈍を行なうことなく連続的に圧延することができ、割れやクラックは生じず優れた冷間塑性加工性を示した。冷間塑性加工により加工硬化は見られ、１３００ＭPa程度の引っ張り強さを示すようになった。
【００１７】
次に、この素材を使って本発明にかかる眼鏡フレームを形成する場について説明する。前述のように溶製した「Ｔｉ―２５Ｚｒ−２５Ｎｂ」３元合金を線引き加工して所定の太さの線材とし、更にはこれを金型で冷間鍛造を行い所定の形状にする。しかる後この部材を溶体化処理して母相中に析出物を全て固溶させた後、たとえば２５０〜５００℃に加熱して固溶成分を母相中に微細な析出物として析出させ、母相の強化を図る。時効硬化処理における冷却方法は、空冷あるいは炉冷によって行われる。このようにして、この用途の材料として好ましい機械的性質である引っ張り強度が１２００ＭＰａ以上、伸びが４〜６％、硬度がＨｖ３２０〜３５０という機械的強度を示現させた。
【００１８】
参考例として、時計のハウジングやバンドに適用する場合も同様で、前述同様、金型による冷間鍛造あるいは旋盤やフライスなどによる機械加工を施して所定の形状に加工した後、溶体化処理、時効硬化処理を行い、所定の機械的性質を示現させる。
【００１９】
このようにして製造された眼鏡フレームは高強度、高弾性は勿論のこと、皮膚に接して使用したとしても金属アレルギを発生させることがなく、快適な着用感を保証することができる。
【００２０】
別の参考例として、コレオリメーターは、液体の質量流量を測定するためのもので、パイプ内を測定対象物である流体が高速で通流する。その際にパイプが振動するため、長期間の使用中には金属疲労により破断することがある。この発明の眼鏡フレームに用いられるＴｉ合金は、高強度、高弾性を有しているので金属疲労に強く、長期間の使用に耐えることができる。このパイプの製造方法も前述と同様であり、パイプ加工の後、熱処理が施されて要求される機械的性質が付与される。
【００２１】
ブラジャーのカップ部のワイヤの場合は、線引き加工により所定の太さのワイヤにした後、これを所定の長さに切断し、前述の熱処理行った後、端部処理をして製品化する。当該ワイヤには１本ものを使用する場合もあれば、複数の線材を撚り合わせて使用する場合もあり、その目的に応じて種々の形状が採用される。ブラジャーのカップ部のワイヤはカップ部の下辺に挿入されて使用されるため直接肌に触れることはないが、その高強度、高弾性により高い保形性を満足させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明眼鏡フレームの母材となる合金は、如上のような構成のＴｉ系３元合金であり、その金属組織は常温でβ相を示すので、常温での非常に優れた塑性加工性を示す。しかも、構成元素である、Ｚｒ及びＮｂは、耐食性がよく且つ生体親和性に優れている。この３元合金は高強度、高弾性を示すので、しなやかさを必要とする眼鏡フレームに使用するには特に有効である。

Claims (2)

1. 組成がＴｉ_100-X-YＺｒ_XＮｂ_Yで示され、２４重量％≦Ｘ≦２６重量％，２４重量％≦Ｙ≦２６重量％であり、金属組織がβ相であり、１２００ＭＰａ以上、伸びが４〜６％、硬度がＨｖ３２０〜３５０であることを特徴とする眼鏡フレーム。
2. 組成がＴｉ _100-X-Y Ｚｒ _X Ｎｂ _Y で示され、２４重量％≦Ｘ≦２６重量％，２４重量％≦Ｙ≦２６重量％であり、金属組織がβ相であるＴｉ合金を線引き加工後、７８０〜８２０℃の溶体化処理、３８０〜４２０℃の時効処理を施すことを特徴とする眼鏡フレームの製造方法。