JP4855555B2 - α+β型チタン合金製部品、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
一方向に熱間圧延を施しチタン合金板とし、その後、
熱間圧延方向及び厚み方向の双方に垂直な方向が、完成部品において高剛性が要求される方向となるように、前記チタン合金板を加工するα+β型チタン合金製部品の製造方法であって、
前記α+β型チタン合金は、質量%で、Al:0.5〜5.5%を含有し、O及びNを合計で0.04〜0.35%含有し、さらに、Fe、Cr、及び、Niのうち1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有し、かつ、下記(1)式の値が−2.0〜5.3であり、残部がTi及び不可避的不純物からなり、
前記チタン合金板の加工は、前記α+β型チタン合金製部品の長手軸方向に垂直な断面で測定したチタンα相の(0002)面からのX線回折強度I(0002)、(10−10)面からのX線回折強度I(10-10)、(10−11)面からのX線回折強度I(10-11)が、I(0002)/[I(10-10)+I(10-11)]≧1を満たすように実施する
ことを特徴とするα+β型チタン合金製部品の製造方法。
[Al]+10[O]+10[N]−[Mo]−2.5[Fe]−1.25[Cr]
−1.25[Ni] ・・・(1)式
ここで、[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]は、各々、Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Niの濃度(質量%)である。
前記α+β型チタン合金が、質量%で、Al:0.5〜5.5%を含有し、O及びNを合計で0.04〜0.35%含有し、さらに、Fe、Cr、及びNiのうち1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有し、かつ、前記(1)式の値が−2.0〜5.3であり、残部がTi及び不可避的不純物からなる
ことを特徴とするα+β型チタン合金製部品。
チタンのヤング率は、β相に比べてα相の方が高く、α相はhcpの結晶方位によってヤング率に異方性があり、hcpのc軸方向がより高いことが知られている。したがって、α相hcpのc軸を所定の向きに強く配勾させることによって、長軸方向のヤング率を高めることが可能である。
本発明のα+β型チタン合金の成分組成1は、Al:0.5〜5.5%を含有し、O及びNを合計で0.04〜0.35%含有し、さらに、Fe、Cr、及びNiのうちFeを含む1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有し、かつ、下記(1)式の値が−2.0〜5.3である。
−1.25[Cr]−1.25[Ni] ・・・(1)式
ここで、[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]は、各々、Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Niの濃度(質量%)である。
Alは、チタンのβ相と比べてヤング率が高いα相を安定化させる元素であり、Alの含有量が0.5%を下まわると、熱間圧延によって容易に幅方向のヤング率を高めることができなくなる。Alの含有量が5.5%を上まわると、熱間の変形抵抗が増加し、熱間圧延時に耳割れなどの割れが生じる場合がある。そこで、Alの含有量は、0.5〜5.5%とする。
O及びNの含有量が合計で0.35%を超えると、Alなどの元素による固溶強化と相まって材料が硬質化し、穴あけや旋盤などの切削加工性が低下し、生産性が低下する。O及びNの含有量を合計で0.04%未満に低下させるためには、使用する原料の純度を高める必要があり、製造コストが高くなる。そこで、O及びNの含有量は合計で0.04〜0.35%とする。なお、O及びNをいずれも積極的に添加しない場合であっても、通常は、不可避不純物のレベルで、この濃度範囲を満足する。
これらの元素は、V同様にβ相安定化元素であり、Vに比べて廉価である。しかし、Fe、Cr、Niとも、凝固時に液相側(インゴットの中心)に偏析し易い元素である。これらの元素の含有量の合計が2.5%を超えると、凝固偏析によって、機械的特性の均一性に影響を及ぼす場合がある。そのため、Fe、Cr、Niの含有量の合計は、2.5%以下とする。
幅方向のヤング率を高めるためには、一方向に熱間圧延されるβ相と、ヤング率が高いα相とのバランスが重要となる。β相とα相のバランスの指標として、(1)式を用いる。
次に、本発明のα+β型チタン合金の成分組成2について説明する。成分組成2は、凝固偏析の影響をより緩和し溶解操業をより容易にするために、Fe、Cr、及びNiとは逆傾向に偏析するβ相安定化元素であるMoをさらに添加し、高強度化を指向した発明である。
成分組成1と同様の理由により、Fe、Cr、Niのうち少なくともFeを含む1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有する。
Fe、Cr、Ni、及びMoは、いずれもβ相安定化元素である。凝固時に、Fe、Cr、及びNiの濃度が高い部位では、Mo濃度が低くなり、逆に、Fe、Cr、及びNiの濃度が低い部位では、Mo濃度が高くなる。
Ti−3Al−2.5Vの引張強度を超える、900MPa以上の引張強度を得るために、Al濃度は、2.5〜5.5%の範囲とする。好ましくは、Ti−6Al−4Vと同等以上の強度特性として980MPa以上の引張強度が得られる、4.0〜5.5%である。
本発明の製造方法で製造されたα+β型チタン合金からなるボルト、コネクティングロッド、及びエンジンバルブは、素材となる一方向に熱間圧延したα+β型チタン合金板の幅方向のヤング率が高いこと(125GPa以上、好ましくは130GPa以上)と、当該チタン合金板の幅方向と部品の長軸方向を一致させるので、部品の長軸方向のヤング率(剛性)も高くなる。
−16.7[Cr]−16.7[Ni]
−10.3[Mo]+122[O]
+150[N]+895.5・・・(3)式
ここで、[Al]、[Fe]、[Cr]、[Ni]、[Mo]、[O]、[N]は、各々、Al、Fe、Cr、Ni、Mo、O、Nの濃度(質量%)である。
Claims (11)
- α+β型チタン合金をβ相単相域に加熱し、続いて、
一方向に熱間圧延を施しチタン合金板とし、その後、
熱間圧延方向及び厚み方向の双方に垂直な方向が、完成部品において高剛性が要求される方向となるように、前記チタン合金板を加工するα+β型チタン合金製部品の製造方法であって、
前記α+β型チタン合金が、質量%で、Al:0.5〜5.5%を含有し、O及びNを合計で0.04〜0.35%含有し、さらに、Fe、Cr、及び、Niのうち1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有し、かつ、下記(1)式の値が−2.0〜5.3であり、残部がTi及び不可避的不純物からなり、
前記チタン合金板の加工は、前記α+β型チタン合金製部品の長手軸方向に垂直な断面で測定したチタンα相の(0002)面からのX線回折強度I(0002)、(10−10)面からのX線回折強度I(10-10)、(10−11)面からのX線回折強度I(10-11)が、I(0002)/[I(10-10)+I(10-11)]≧1を満たすように実施する
ことを特徴とするα+β型チタン合金製部品の製造方法。
[Al]+10[O]+10[N]−[Mo]−2.5[Fe]−1.25[Cr]
−1.25[Ni] ・・・(1)式
ここで、[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]は、各々、Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Niの濃度(質量%)である。 - 前記α+β型チタン合金が、さらに、Moを1.0〜3.5%を含有することを特徴とする請求項1に記載のα+β型チタン合金製部品の製造方法。
- 前記完成部品がボルトであり、前記高剛性が要求される方向がボルトの軸方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載のα+β型チタン合金製部品の製造方法。
- 前記完成部品がエンジンバルブであり、前記高剛性が要求される方向がエンジンバルブの軸方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載のα+β型チタン合金製部品の製造方法。
- 前記完成部品がコネクティングロッドであり、前記高剛性が要求される方向がコネクティングロッドの軸方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載のα+β型チタン合金製部品の製造方法。
- 前記チタン合金板の加工が、前記熱間圧延方向と一致する方向に垂直な断面側から圧縮する鍛造加工であることを特徴とする請求項5に記載のα+β型チタン合金製部品の製造方法。
- α+β型チタン合金製部品において、その長手軸方向に垂直な断面で測定したチタンα相の(0002)面からのX線回折強度I(0002)、(10−10)面からのX線回折強度I(10-10)、(10−11)面からのX線回折強度I(10-11)が、I(0002)/[I(10-10)+I(10-11)]≧1を満たし、
前記α+β型チタン合金が、質量%で、Al:0.5〜5.5%を含有し、O及びNを合計で0.04〜0.35%含有し、さらに、Fe、Cr、及びNiのうち1種又は2種以上を合計で0.5〜2.5%含有し、かつ、下記(1)式の値が−2.0〜5.3であり、残部がTi及び不可避的不純物からなる
ことを特徴とするα+β型チタン合金製部品。
[Al]+10[O]+10[N]−[Mo]−2.5[Fe]−1.25[Cr]
−1.25[Ni] ・・・(1)式
ここで、[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]は、各々、Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Niの濃度(質量%)である。 - 前記α+β型チタン合金が、さらに、Mo:1.0〜3.5%を含有することを特徴とする請求項7に記載のα+β型チタン合金製部品。
- 前記α+β型チタン合金製部品が、ボルトであることを特徴とする請求項7又は8に記載のα+β型チタン合金製部品。
- 前記α+β型チタン合金製部品が、エンジンバルブであることを特徴とする請求項7又は8に記載のα+β型チタン合金製部品。
- 前記α+β型チタン合金製部品が、コネクティングロッドであることを特徴とする請求項7又は8に記載のα+β型チタン合金製部品。
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