JP4459832B2 - 工具寿命及び切屑分断性に優れたα−β型チタン合金 - Google Patents

Description

本発明は鍛造性、被削性のみならず、工具寿命及び切屑分断性に優れたα−β型チタン合金に関する。

α−β型チタン合金は、六方晶ＨＣＰ構造をもつα相と、体心立方晶ＢＣＣ構造をもつβ相を併存させることによって、強度・延性、破壊靭性、疲労強度などの特性を調整することかできるため、機械構造部品の素材として広く使用されている。特にコンロッド、吸排気バルブ、懸架ばね、マフラー等の自動車部品では軽量化・燃費向上の観点からチタン合金の使用が有望視されている。しかし、チタンの特性上、被削性が悪く、被削性の改善が望まれている。

このような課題に対して、被削性を改善したチタン合金として、例えば特公平６−９９７６４号公報（特許文献１）には、Ｓｃ，Ｙなどの希土類元素（ＲＥＭ）とＳ，Ｓｅ，Ｔｅなどの元素を複合添加して、粒状の化合物を形成することによって靭性・延性の低下を抑制しつつ、被削性を向上させたコンロッド用チタン合金が、また特公平６−５３９０２号公報（特許文献２）には、ＲＥＭ添加によって被削性を向上させ、熱間加工性を改善するためにＢを添加した快削チタン合金が、また特許２６２６３４４号公報（特許文献３）には快削成分として、Ｐ及びＳ、Ｐ及びＮｉ、Ｐ，Ｓ及びＮｉ等を添加し、マトリックスの延性低下と介在物の微細化により、快削性を改善しつつ、熱間加工性や疲労強度の低下を抑制したチタン合金が記載されている。
特公平６−９９７６４号公報 特公平６−５３９０２号公報 特許２６２６３４４号公報

しかしながら、ＲＥＭ化合物やＰ化合物で被削性を向上させる手法は、溶解−鍛造工程における温度や冷却速度によって被削性が影響を受け易く、目的の介在物を得るには製造工程上厳密な管理か必要であり、また素材形状やサイズによってバラツキも大きい。また、ＲＥＭと共にＳやＢなどの特殊元素を複合添加すると、総じて切屑分断性が低下し、工具寿命も必ずしも向上せず、また切削加工中に切屑が工具にからみついて、被削材の加工表面性状を悪化させる、という問題がある。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、製造が容易で、熱間加工性を損なうことなく、被削性のみならず、工具寿命や切屑分断性に優れたα−β型チタン合金を提供することを目的とする。

従来、ＲＥＭを単独添加した場合に被削性は顕著に改善するものの熱間加工性が極めて悪化するため、これを防止すべくＢやＳなどの特殊元素を添加する手法が採られていたが、上記のとおり、切屑分断性が低下し、必ずしも工具寿命の向上が期待できず、また切屑が工具にからみ付き、被削材の加工表面性状を悪化させる原因になっていた。本発明者は、ＳやＢなどの特殊元素を添加することなく、ＲＥＭ単独添加による熱間加工性の悪化原因を子細に調査したところ、熱間加工時のβ温度域でβ相の結晶粒が粗大化していることを知見した。本発明は係る知見に基づきなされたもので、熱間加工の際に、β温度域でＴｉＣを微細に析出させ、β粒の粗大化を抑制することによって熱間加工性を確保し、ＲＥＭのみの作用によって被削性を向上させると共に工具寿命、切屑分断性の向上を図ったものである。

すなわち、本発明のα−β型チタン合金は、mass％で、
０．０１〜０．５％の希土類元素、
０．０５〜０．２５％のＣ、
２．０〜７．０％のＡｌを含み、
５．０％以下のＶ、６．０％以下のＣｒ、２．５％以下のＦｅ、５．０％以下のＭｏの１種又は２種以上を合計で２．０〜１０％含み、
残部Ｔｉ及び不純物からなるものである。以下、成分単位は単に「％」と表示する場合がある。
Ｃを０．０５〜０．２５％添加することで、β温度域での熱間加工の際にＴｉＣが微細に析出し、これによってβ相結晶粒が微細化され、熱間加工性の劣化を防止することができる。さらに、ＲＥＭの作用により、被削性を向上させることができ、しかも固溶したＲＥＭがチタンの切削温度域（６００〜８００℃）でのマトリックスを脆化させるためか、あるいは微量のＲＥＭ酸化物（サブミクロン〜数ミクロン）が切削部の歪集中を向上させるためかは明確ではないが、ＲＥＭは切屑の生成、分断を容易にする効果があり、工具寿命も向上する。

また、前記α−β型チタン合金において、上記のＲＥＭ、Ｃのほか、２．０〜７．０％のＡｌを含み、５．０％以下のＶ、６．０％以下のＣｒ、２．５％以下のＦｅ、５．０％以下のＭｏの１種又は２種以上を合計で２．０〜１０％含み、残部Ｔｉ及び不純物からなる組成とするので、優れた機械的性質を兼ね備えることができる。
前記合金成分は、Ｔｉの一部に代えて、さらに１．０％以下のＳｉを含み、あるいはさらに５．０％以下のＺｒ、５．０％以下のＳｎの１種又は２種を合計で６．０％以下含む組成とすることができる。

本発明のα−β型チタン合金は、０．０１〜０．５mass％のＲＥＭ及び０．０５〜０．２５mass％のＣを含有するので、熱間加工性を損なうことなく、被削性に優れ、しかも切削条件に拘わらず工具寿命や切屑分断性にも優れる。しかも、熱間加工をβ温度域で行えばよく、製造容易である。

以下、本発明のα−β型チタン合金の組成について説明する。
本発明のα−β型チタン合金は、必須成分として０．０１〜０．５mass％のＲＥＭ及び０．０５〜０．２５mass％のＣを含有し、室温でβ相とα相からなる組織を有するものである。

Ｃは、強度の向上に効果があり、またβ温度域でＴｉＣとして微細析出するため、β相結晶粒を微細化し、これによって熱間加工性を向上させる。０．０５％未満ではかかる作用が不足する。一方、０．２５％を超えると、室温でα相中に固溶されない粗大なＴｉＣが残留するようになり、機械的特性が劣化するようになる。このため、Ｃ量の下限を０．０５％、好ましくは０．１０％とし、その上限を０．２５％、好ましくは０．２０％とする。

ＲＥＭは、被削性の改善に効果があり、このため、０．０１％以上添加されるが、０．５％を超えて添加すると、ＴｉＣ析出によりβ相結晶粒を微細化しても熱間加工性が劣化するようになる。このため、本発明ではＲＥＭの下限を０．０１％、好ましくは０．０５％とし、その上限を０．５％、好ましくは０．４５％とする。

本発明のα−β型チタン合金は、基本的に上記範囲のＣ、ＲＥＭを必須成分として含有しておればよいが、Ｓ，Ｓｅ，ＴｅやＢなどの、ＲＥＭと安定な化合物を形成し易い元素は可及的に含まないようにすることが望ましい。これらの元素を複合添加すると、ＲＥＭがこれらの元素と結合して安定な化合物を形成するために、ＲＥＭによる上記作用効果が消失するようになるからである。

さらに、本発明のα−β型チタン合金は、前記所定量のＣ、ＲＥＭのほか、Ａｌ：２．０〜７．０％を含み、かつＶ：５．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｆｅ：２．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０％含み、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなる。このチタン合金は、引張強さ（ＴＳ）が７４０ＭＰａ以上、伸び（Ｅｌ）が１０％以上有するものであり、各種機械構造用材として好適なものである。以下、Ａｌ、Ｖ等の成分限定理由について説明する。

Ａｌ：２．０〜７．０％
Ａｌはα安定化元素であり、α相を生成させるために添加される。Ａｌが２．０％未満ではα相の生成が過少になり、また十分な強度が発現せず、前記目標のＴＳを満足することができないようになる。このため、Ａｌの下限を２．０％、好ましくは２．２％とする。一方、Ａｌ量が７．０％と超えて過多になると、延性が劣化し、Ｅｌが目標値を下回るようになる。このため、Ａｌの上限を７．０％、好ましくは６．０％とする。

Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：６．０％以下、Ｆｅ：２．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０％
これらの元素はβ安定化元素であり、β相を生成させるために合計量で２．０％以上、好ましくは３．０％以上添加される。これらの元素も強度を向上させる作用があり、それぞれの元素の上限を超えて添加すると、また合計量で１０％を超えて添加するとＥｌの劣化を招来する。特に、Ｆｅ量が過多になると絞りも低下するようになる。このため、各元素の上限を上記のとおり規定し、また合計量の上限を１０％とする。

上記基本元素の他は、残部Ｔｉおよび不可避的不純物で構成されるが、さらに強度を向上させるために、Ｔｉの一部に代えて(1) Ｓｉ：１．０％以下、(2) Ｚｒ：５．０％以下、Ｓｎ：５．０％以下の１種または２種を合計で６．０％以下、の各群から選択される元素を単独で、あるいは複合して含有することができる。
Ｓｉが１．０％超、Ｚｒ及びＳｎが各々単独で、あるいは合計で６．０％超になると、延性が劣化し、１０％以上のＥｌを得ることができないようになる。このため、Ｓｉ、Ｚｒ及びＳｎの各元素の上限、Ｚｒ及びＳｎの合計量を上記のように規制する。

上記実施形態のチタン合金は、一般的には、鋳片を主にβ温度域で熱間鍛造を実施し、目的形状に加工した後、焼鈍を実施する。すなわち、９７０℃程度以上の温度域で所望の形状にするか、鍛造割れが発生しにくい形状の場合はそれ以下のα−β二相温度域まで熱間鍛造を実施し、それに引き続いて、あるいは一旦冷却した後、β相域（９７０℃程度以上）あるいはα−β二相域（７００〜９７０℃程度）の温度で、１５〜１２０分程度の焼鈍を行なう。この焼鈍によって、残留応力を除去するとともに、α相の量ならびに結晶粒径など組織形態を整える。焼鈍後の冷却は特に限定されず、放冷や空冷（０．５〜２℃／sec 程度）してもよく、あるいは水冷（５℃／sec 以上）してもよいが、残留応力が特に問題になる場合においては、水冷は避けた方が好ましい。
以下、本発明のα−β型チタン合金の実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。

下記表１に示した種々の成分のチタン合金を真空溶解し、１２０ｇ程度のインゴットを製造した。このインゴットを１２００℃に加熱して熱間鍛造し、さらに１０００℃を下限としてβ温度域（β変態点（Ｔβ）以上）で２５mmφの丸棒に鍛造により成形した。続いて、１０５０℃×２ｈｒ保持の焼鈍を行い、放冷した。なお、β相域内の１０５０℃で焼鈍を施した理由は、成分によって一次α相の量が変化することを避け、被削性に及ぼす合金元素の影響のみを抽出するためである。

このようにして得られた試料から被削性試験片を採取し、これを下記の切削条件で切削し、工具摩耗性及び切屑分断性を調べた。工具摩耗性は、工具逃げ面の摩耗量（μm ）を測定し、これによって評価した。切屑分断性は、切削試験終了後の切屑を無作為に抽出して電子天秤にて秤量し、切屑１ｇ当たりの個数を求め、これによって評価した。これらの試験結果を表２に示す。
・切削条件
(1) 工具：Ｈ１３Ａチップ（サンドビック製）
(2) 切削速度：１００ｍ／min
(3) 切削送りと切り込み量
条件Ａ：０．１０mm／rev、０．５mm
条件Ｂ：０．１５mm／rev、１．０mm
(4) 切削長さ：５０ｍ
(5) 切削油：無し

表２より、Ｃ量及びＲＥＭ量が本発明範囲内の発明例（試料No. ２，６〜８，１０〜１５）では、工具摩耗性については、切削送り・切り込み量条件が条件Ａでは合格レベルの５０μm 以下であり、また条件Ｂでも合格レベルの７０μm 以下であり、工具の耐摩耗に優れ、工具寿命に優れる。また、切屑分断性についても、条件Ａで合格レベルの６０個／ｇ以上であり、条件Ｂでも合格レベルの８０個／ｇ以上であり、切削条件の如何に拘わらず優れた切屑分断性が得られている。一方、ＲＥＭを適量添加した場合においても、Ｓを複合添加した試料No. ３では、工具摩耗性、切屑分断性について、条件Ｂでは合格レベルにあるものの、条件Ａでは合格レベルに達せず、切削条件によって満足な結果が得られていない。また、Ｂを複合添加した試料No. ４では、工具耐摩耗性及び切屑分断性のいずれも、満足な結果が得られていない。

Claims (3)

1. mass％で、
   ０．０１〜０．５％の希土類元素、
   ０．０５〜０．２５％のＣ、
   ２．０〜７．０％のＡｌを含み、
   ５．０％以下のＶ、６．０％以下のＣｒ、２．５％以下のＦｅ、５．０％以下のＭｏの１種又は２種以上を合計で２．０〜１０％含み、
   残部Ｔｉ及び不純物からなるα−β型チタン合金。
2. さらに、１．０％以下のＳｉを含む請求項１に記載したα−β型チタン合金。
3. さらに、５．０％以下のＺｒ、５．０％以下のＳｎの１種又は２種を合計で６．０％以下含む請求項１又は２に記載したα−β型チタン合金。