JP4202626B2

JP4202626B2 - 冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度に優れたメガネフレーム用チタン合金

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Publication number: JP4202626B2
Application number: JP2001246729A
Authority: JP
Inventors: 功和枩倉; 淳之宮本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2001-08-15
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: JP2003055725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メガネフレームの素材として有用なチタン合金に関し、殊に冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度の両特性に優れたメガネフレーム用チタン合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チタンは、耐食性に優れ変色等の経時変化もなく、しかも（強度／比重）比が高いことから、メガネフレームを始めとして、時計、カメラ等様々な分野で使用されている。これらの用途のうち、メガネフレームに使用される場合には、冷間加工性が良好であると共に優れたロウ付け性が要求されることになる。
【０００３】
メガネフレームに使用されるチタン素材としては、冷間加工性を考慮してＪＩＳ−１種やＪＩＳ−２種等の工業用純チタンが汎用されている。しかしながら、これらの純チタンでは冷間加工性については良好であるものの、ロウ付け性については必ずしも良好であるとは言えない。即ち、メガネフレームをロウ付けによって製作するときには、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｉ−Ｃｕロウ等のロウ材（融点：８５０〜９００℃程度）を用いてロウ付けされることになるが、ロウ付け部分近傍のフレーム本体は、９００℃程度の高温に曝されることになり、当該本体は結晶粒径の粗大化に起因して脆くなってしまい、効果的なロウ付けが行なえないという問題がある。特に、こうしたロウ付け作業を行なった場合には、ロウ付け時の熱に曝された部分（熱影響部）において、疲労強度が低下するという問題がある。
【０００４】
冷間加工性とロウ付け性の両特性を満足させるという観点から、例えば特開昭６０−９８４７号には、チタンにＡｌとＶ等の合金成分を含有させたものが開示されている。この技術では、チタンに０．１〜４質量％のＡｌと０．１〜３．５質量％のＶを含有させることによって、純チタンの有する機械的強度やロウ付け時の熱（７５０℃程度）による軟化・変形等の欠点を解消するものである。また、この技術においては、Ｖは冷間加工性を改善するという観点から上記の程度含有されるものである。
【０００５】
しかしながら、こうした技術では、ロウ付けにおける再結晶や焼鈍での軟化度合いによって「ロウ付け性」を評価しており、ロウ付け後の疲労強度については何ら考慮されておらず、こうした特性については必ずしも良好であるとは言えない。特に、近年では、ロウ付け部の接着強度の改善の観点から、比較的融点の高い（９００℃程度）ロウ材が用いられるのであるが、上記の様な技術ではこうした高温でロウ付けした後の疲労強度が著しく劣化することがある。
【０００６】
即ち、メガネフレームでは、その素材の特性として冷間加工性とロウ付け後の疲労強度のいずれも優れていることが要求されるが、これまで提案されているチタン合金では、こうした要求特性のいずれも満足するものは存在しないのが実状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度のいずれにも優れ、メガネフレームの素材として有用なチタン合金を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明のメガネフレーム用チタン合金とは、Ａｌ：０．５〜１．５質量％を含有し、且つβ安定化元素を含有しないものであり、残部がチタンおよび不可避不純物からなる点に要旨を有するものである。本発明のチタン合金には、必要によって（１）Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まない）、（２）Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まない）等を含有することも有用である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するために、特にチタン材に対して耐熱性向上に有効であるとされているＡｌに着目して、その添加作用について様々な角度から検討した。その結果、所定量のＡｌを含有させ、且つβ安定化元素を実質的に含まないチタン合金では、冷間加工性と共にロウ付け後の疲労強度も優れたものとなることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
まず本発明者らは、Ｔｉ−Ａｌの２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間圧延性に及ぼす影響について調査した。図１は、冷間圧延で耳割れが発生するまでの限界圧下率をＡｌ含有量との関係で示したグラフである。この結果から明らかなように、Ａｌ含有量が２．３質量％以下の領域では、７５％の冷間圧延を行なっても耳割れは発生せず、十分な圧延性が補償されることが分かる。
【００１１】
しかしながら、Ａｌ含有量が１．５質量％を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められるようになり、５質量％以上になると耳割ればかりでなく板幅全体に亘ってクラックが発生する。そして冷間加工率で７５％を確保できれば、現在メガネフレームの素材として汎用されているＪＩＳ２種純チタンと同様の工程でフレームを成形することができ、製造コストの実質的な上昇も避けられることから、冷間加工性の面からしてＡｌ含有量を１．５質量％以下に抑えることが必須となる。
【００１２】
一方、本発明者らは、Ａｌ含有量とロウ付け後における熱影響部の疲労強度（以下、単に「疲労強度」と呼ぶことがある）の関係についても調査した。この疲労強度については、９００℃で２分間加熱したときに母材結晶粒が１００μｍを超える程度の粗大化が生じるか否かによってその良否を判断した。即ち、７００℃程度の加熱であれば疲労強度の劣化はあまり問題にならないが、９００℃という変態点付近で加熱したときに結晶粒が急激に成長すれば、疲労強度に悪影響を及ぼすことが予測されることから、この結晶粒の粗大化の有無によって疲労強度の良否を判断したのである。その結果、所定量のＡｌを含有させたＴｉ−Ａｌ合金では、Ａｌ含有量が増加するにつれて結晶粒の粗大化が阻止されて、良好な疲労強度性が発揮されることが判明したのである。
【００１３】
Ａｌを含有させることによって、上記の効果が得られた理由については、次の様に考えることができる。即ち、Ａｌはα安定化元素であり、Ａｌを含有させることによってチタン合金のβ変態点を高くすることができ、これによって９００℃の高温においても結晶粒の粗大化が生じることなく、優れた疲労強度が発揮されるものと考えられる。
【００１４】
ロウ付けがβ変態点以下の温度で行われる場合には、チタン合金の組織はα＋βの２相組織になっており、２相が互いに結晶粒成長を抑制するので、急激な粒成長が起こることはない。しかしながら、β変態点よりも高い温度でロウ付けが行われると、β単相組織での加熱になって急激な結晶粒成長が起こることになる。こうした結晶粒成長が発生すると、粗大結晶粒の部分は強度が極端に低下するので、メガネフレーム等の製品にしたときには、ここに変形が集中することになる。そして、母材強度の高い材料ほど、この傾向が顕著になる。また、結晶粒の粗大化が生じた部分は、ロウ付けの際に水素を吸収すると共に、メガネフレームの作製に不可欠なメッキ処理の際にも水素を吸収するのでチタン合金の脆化が生じることになる。上記の様な変形集中と水素吸収によって、結晶粒が粗大化した組織を含むチタン合金では疲労強度が劣化することになる。
【００１５】
これらのことからして、チタン合金の疲労強度を良好に維持するためには、チタン合金のβ変態点を高くすることが有効であり、本発明のチタン合金ではこうした観点から所定量のＡｌを含有させるものである。但し、α安定化元素であればいずれの元素でも良いというわけではなく、冷間加工性を劣化させないことも必要である（後述する、Ｏ，Ｃ，Ｎ等）。こうした観点からして、Ａｌが本発明で目的とする特性をチタン合金に付与する上で最適な元素であると考えられる。また、Ａｌによる上記の効果（β変態点上昇効果）を発揮させるためには、その含有量は少なくとも０．５質量％以上とする必要があるが、好ましくは１．０質量％以上とするのが良い。
【００１６】
また、本発明のチタン合金においては、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ等のβ安定化元素はチタン合金のβ変態点を下げて本発明の効果を低減させる好ましくない元素として実質的に含有しないものである。尚、「実質的に含有しない」とは、製造工程上、不可避的に混入してくる以外は含有しないことを意味する。
【００１７】
上記の様に本発明では、メガネフレームの素材として求められる冷間加工性と疲労強度を確保するための要件として、チタンに０．５〜１．５質量％のＡｌを含有させ、且つβ安定化元素を含有しないところに特徴を有しており、その最も単純で原料コストや量産性を考慮した好ましい合金組成は、Ｔｉ−（０．５〜１．５質量％）Ａｌからなる２元系のチタン合金であるが、必要によって（１）Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まない）、（２）Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まない）等を含有させることも有効である。これらの元素を含有させるときの範囲限定理由は次の通りである。
【００１８】
Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まない）
Ｇａは、Ａｌと同様にα相を安定化させる作用を発揮し、チタン合金のβ変態点を高くすることによって疲労強度を改善するのに有用な元素である。こうした効果は、Ｇａの含有量が多くなるほど大きくなるが、過剰になれば冷間加工性が劣化するので、その含有量は４質量％以下にすべきである。尚、冷間加工性の観点からして、Ｇａ含有量の好ましい上限は２質量％である。
【００１９】
Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まない）
Ｓｉは、Ｔｉとの化合物（ＴｉＳｉ₂，ＴｉＳｉ等）を微細に析出させる作用を発揮し、この析出物が結晶粒界の移動を阻害して結晶成長を抑制するので、疲労強度が良好になる。こうした効果は、Ｓｉの含有量が多くなればなるほど大きくなるが、過剰になれば冷間加工性が劣化するので、その含有量は１質量％以下にすべきである。尚、冷間加工性の観点からして、Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．６質量％である。
【００２０】
本発明のチタン合金における必須の元素および好ましい合金元素は上記の通りであり、残部は実質的にチタンからなるものである。尚、「実質的にチタン」とは、本発明のチタン合金材にはチタン以外にもその特性を阻害しない程度の他の成分（許容成分）をも含み得るものであり、こうした許容成分としては、例えばＳｎ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素や、Ｏ，Ｎ，Ｃ等の不可避不純物が挙げられる。
【００２１】
上記許容成分のうち、Ｓｎ，Ｚｒ，Ｈｆ等はいわゆる中性元素と呼ばれているものであり、チタン合金材のβ変態点を下げる様な不都合もなく、またその添加効果も明確には認められないものであるが、過剰に含有してくると冷間加工性を劣化させるので、その含有量は総合計（１種または２種以上）で４質量％以下に抑えるのが良い。また、Ｏ，Ｎ，Ｃ等は原料に由来して不可避的に含まれてくる不純物であり、Ｔｉに対しては基本的にはα安定化元素（即ち、β変態点を上げる元素）として作用するが、これらの元素は侵入型固溶体を形成するので、少量含有するだけでチタン合金の強度を上昇させて冷間加工性を劣化させるので、その含有量は合計で０．３質量％以下に抑えるべきである。
【００２２】
本発明のチタン合金材の金属組織はα相であり、その加工性はα相の加工性に依存することになる。前述の如く、Ａｌはα安定化元素であり、Ｔｉのα相に優先的に固溶し、α相を固溶強化することになる。従って、Ａｌの含有量を増加させていくと、α合金は硬化していき加工性も劣化することになる。一方、Ａｌを含有させることによって、α合金のβ変態点を上昇させ、ロウ付け時における結晶粒の粗大化を防止して疲労強度を向上させるという効果も発揮されるのである。即ち、本発明のチタン合金では、冷間加工性を損なわない程度にＡｌを含有させることによって、良好な冷間加工性と疲労強度を確保したものである。
【００２３】
尚、本発明のチタン合金を製造するに当たっては、純チタンに準じた方法を採用すれば良く、例えば、所定の合金組成となる様に原料成分を調整して溶製した後、常法に従って鋳造し、鍛造および熱間圧延の後、焼鈍してから表面を脱スケールし、次いで所定の厚みまで冷間圧延してから成形加工してメガネ用フレーム等の素材とする。そして、この間の熱延条件や冷延条件、焼鈍条件等は、用いるチタン合金の成分組成等に応じてその都度適性に調整すれば良い。
【００２４】
以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２５】
【実施例】
実施例１
真空アーク溶解炉を用いて、純チタンおよびＡｌ含有量が０〜６質量％のＴｉ−Ａｌを溶製し、２５０ｇの小型インゴットを製造し、各インゴットを用いて図２に示す工程を経て厚さ：１ｍｍの薄板に加工した。
【００２６】
冷間圧延は板厚４ｍｍから開始し、１ｍｍ厚さ（圧延率；７５％）まで圧延することとし、途中で耳割れが発生した合金については、その時点で圧延を中断した。尚、冷間圧延前に行なわれる熱間圧延の温度や焼鈍温度については、予備実験で確認した最適条件を採用した（前記図２参照）。この実験で得た限界圧下率に及ぼすＡｌ含有量の影響を示したのが前記図１である。このとき、同様の製法で既存合金であるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金薄板も試作したが、このものは、冷間圧下率５５％で耳割れを起こすことが確認された。
【００２７】
実施例２
実施例１と同様の工程で、下記表１に示すチタン合金の板材を製作し、冷間加工性と疲労強度を評価した。このとき、熱間圧延温度および焼鈍温度については、合金の種類に応じて適当な温度を選んだ。
【００２８】
冷間加工性の評価については、厚さ：４ｍｍ〜１ｍｍへの冷間圧延で耳割れが発生しなければ、冷間加工性は良好であると判断した。また、同時に引張り特性（強度、伸び）についても調査した。
【００２９】
疲労強度については、誘導加熱によって局部的に９００℃で１分間加熱した棒材を試料として回転曲げ疲労試験を行ない、疲れ限度（応力繰り返し数：１０⁷回のときの応力振幅）によって評価した。このとき、ミクロ組織についても観察し、加熱後の平均粒径が１００μｍを超える場合を結晶粒の粗大化ありと判断した。これらの結果を一括して、下記表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から明らかな様に、本発明の要件を満足するチタン合金では、冷間加工性に優れると共に、加熱時における結晶粒の粗大化が抑制されて優れた疲労強度を発揮していることが分かる。
【００３２】
実施例３
実施例１と同様の工程で、下記表２に示す各種チタン合金の板材を製作し、その冷間加工性および疲労強度について実施例１、２と同様にして評価した。このとき、熱間圧延温度および焼鈍温度については、合金の種類に応じて適当な温度を選んだ。これらの結果を一括して下記表２に示すが、本発明で規定する要件を満足するチタン合金では、冷間加工性および疲労強度のいずれも優れていることが分かる。
【００３３】
【表２】

【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、チタンに特定量のＡｌを含有させ、或いは更に他の合金元素を含み、β安定化元素を含有しないものでは、純チタンに匹敵する優れた冷間加工性を有すると共に、ロウ付け後の疲労強度にも優れたチタン合金を提供し得ることになった。従って、このチタン合金は、メガネフレームの素材として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタンへのＡｌ添加量と冷間圧延時の限界圧下率の関係を示すグラフである。
【図２】実験で採用したＴｉ−Ａｌ合金薄板の製造工程説明図である。

Claims

Ａｌ：０．５〜１．５質量％を含有し、且つβ安定化元素を含有しないものであり、残部がチタンおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性およびロウ付け後の疲労強度に優れたメガネフレーム用チタン合金。
Ｇａ：４質量％以下（０質量％を含まない）を含有するものである請求項１に記載のメガネフレーム用チタン合金。
Ｓｉ：１質量％以下（０質量％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載のメガネフレーム用チタン合金。