JP4939741B2 - ｎｅａｒβ型チタン合金 - Google Patents

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Description

本発明は、ｎｅａｒβ型チタン合金ならびにその熱間加工方法に関する。
チタン合金は軽量で強度が高く、中でもβ相にα相などの他相を混在させるｎｅａｒβ型チタン合金と呼ばれるチタン合金は、β変態点よりも低い温度で熱間加工され、高い強度を示すことから広く用いられている。
なかでも、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒは、優れた強度を有することが知られており「Ｔｉ−１７」と呼ばれ広く用いられている。
また、β型チタン合金あるいはｎｅａｒβ型チタン合金は、成形後に時効処理などの熱処理を施すことにより強度が向上することが知られている。特許文献１には、β型チタン合金を時効処理により引張強さを向上させることが記載されており、例えば、前記特許文献１の表１中Ｎｏ．４の試料では引張強さ７０ｋｇｆ／ｍｍ2（約６９０ＭＰａ）の試料を時効処理することにより１３０ｋｇｆ／ｍｍ2（約１２７０ＭＰａ）にまで向上することが記載されている。
また、特許文献２では、「Ｔｉ−１７」を代表成分とするチタン合金を、加工時の温度、熱処理温度を規定することで高強度化されることも記載されている。
ところで、近年、チタン合金には、さらなる用途展開、軽量化などの目的から、さらなる高強度化の要求がなされており、前述の「Ｔｉ−１７」に比べてさらに強度の高いものも要望されている。しかし、前記時効処理は、通常、５００℃程度の温度で数時間保持することにより行われるため、例えば、「Ｔｉ−１７」よりも高い強度のものを製造する場合には、時効処理のために生産性を低下（生産コストを上昇）させる必要がある。また、時効処理のための特別の設備も必要になり設備コストも上昇させることとなる。
すなわち、従来のｎｅａｒβ型チタン合金は、コスト上昇を抑制しつつ「Ｔｉ−１７」よりも高い強度を有するｎｅａｒβ型チタン合金を得ることが困難であるという問題を有している。
特許第２６６９００４号公報 特開２００１−２８８５１８号公報
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、コストの上昇を抑制しつつ「Ｔｉ−１７」よりも高い強度を有するｎｅａｒβ型チタン合金を提供することにある。
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、チタン合金のβ相安定化元素であるＶ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒの含有量が、所定の数式に基づき計算され、該計算により求められた数値が所定の範囲とされ、さらに、Ａｌが所定量含有されることで時効処理を施すことなく「Ｔｉ−１７」よりも高い強度を有するｎｅａｒβ型チタン合金とし得ることを見出し本発明の完成に到ったのである。
すなわち、本発明は、重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：３〜５％（ただし、３．０％以下、及び、３．２９％を除く）含有し、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCrとしたときに、ＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCrの値が９〜１７％となり、さらにＡｌ：３〜７％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるｎｅａｒβ型チタン合金を提供する。
なお、本発明において、ｎｅａｒβ型チタン合金とは、β相にα相などの他相が混在するものを意図しており、β相にα相などの他相が混在することは、ミクロ組織観察やＸ線回折などにより確認することができる。
本発明によれば、Ｔｉ以外に、β相安定化元素としてＶ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒが含有され、α相安定化元素としてＡｌが含有され、しかも、これらが所定の含有量で配合されるため固溶強化の作用により、時効処理を施すことなく「Ｔｉ−１７」に比べ優れた強度を有するものとすることができる。
したがって、時効処理などのための特別な設備や工程を行うことを抑制でき、コストが上昇することを抑制しつつ「Ｔｉ−１７」に比べ優れた強度を有するチタン合金を得ることができる。
以下に本実施形態のｎｅａｒβ型チタン合金に含有される各元素の量を決定する理由について説明する。
本実施形態のｎｅａｒβ型チタン合金に含有される各元素の量は、重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：０．５〜５％、Ａｌ：３〜７％で、残部がＴｉおよび不純物からなる。
これら元素からなるｎｅａｒβ型チタン合金は、通常、β変態点よりも低い温度で熱間加工され冷却されて強度の優れたものとなる。このことにより時効処理を施すことなく「Ｔｉ−１７」よりも優れた強度のものを得ることができる。
Ｖが重量％で０．５〜７％の範囲とされるのは、Ｖが０．５％未満の場合、β相安定化効果が得られない。また、７％を超える場合は、「Ｔｉ−１７」よりも優れた強度とならないためである。
Ｆｅが重量％で０．５〜２．５％の範囲とされるのは、Ｆｅが０．５％未満の場合、固溶強化の効果が得られず、「Ｔｉ−１７」より優れた強度とならないためである。また、Ｆｅが２．５％を超える場合は、ｎｅａｒβ型チタン合金にＦｅの偏析が生じ特性バラツキが起こるためである。
なお、ｎｅａｒβ型チタン合金の特性バラツキを抑制しつつ、材料コストをより低下させ得る点においてＦｅは、１〜２％の含有量とされるのが好ましい。
Ｍｏが重量％で０．５〜５％の範囲とされるのは、Ｍｏが０．５％未満の場合、固溶強化の効果が得られず、「Ｔｉ−１７」より優れた強度とならないためである。また、Ｍｏが５％を超える場合は、加工性が低下して加工困難となるためである。さらに、Ｍｏは原料として高価であるため添加量を多くするとコストが高くなるという問題も生じさせる。
Ｃｒが重量％で０．５〜５％の範囲とされるのは、Ｃｒが０．５％未満の場合、固溶強化の効果が得られず、「Ｔｉ−１７」より優れた強度とならないためである。また、Ｃｒが５％を超える場合は、ｎｅａｒβ型チタン合金にＣｒの偏析が生じ特性バラツキが起こるためである。
なお、ｎｅａｒβ型チタン合金の特性バラツキを抑制しつつ、材料コストをより低下させ得る点ならびに変形抵抗が高くなるのを抑制し得る点においてＣｒは、３〜４％の含有量とされるのが好ましい。
Ａｌは、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒがβ相を安定化させるための元素であるのに対し、α相の安定化に作用するものであり、重量％で３〜７％の範囲とされるのは、Ａｌが３％未満の場合、固溶強化を促進させることができず、「Ｔｉ−１７」より優れた強度とならないためである。また、Ａｌが７％を超える場合は、Ｔｉ３Ａｌを析出させて加工性が悪くなるためである。
なお、固溶強化を促進させつつ、加工性の低下を抑制し得る点において、Ａｌは、４〜６％の含有量とされるのが好ましい。
また、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒの含有する量は、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCrとしたときのＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCrで表される値を９〜１７％とすることで「Ｔｉ−１７」よりも優れた強度とすることができ、前記値が９％未満の場合には、「Ｔｉ−１７」よりも優れた強度とならず、１７％を超える場合には、加工性が悪くなるためである。
なお、このようなｎｅａｒβ型チタン合金の熱間加工温度は、ミクロ組織を等軸構造として良好なる延性を保持し得る点、加工性を良好なものとし、ヒート数を減らし得る点、ならびにスケールの成長を防止し得る点からβ変態点よりも低い温度で且つβ変態点よりも１００℃低い温度以上とされるのが好ましい。
また、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ以外のβ相安定化元素として、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏを単独または複数を用いることができる。これらの含有量としては、Ｎｂ：０．５〜２％、Ｔａ：０．５〜２％、Ｎｉ：０．２５〜１％、Ｍｎ：０．２５〜１％、Ｃｏ：０．２５〜１％とし、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCr、含有するＮｂの重量％をＸNb、含有するＴａの重量％をＸTa、含有するＮｉの重量％をＸNi、含有するＭｎの重量％をＸMn、含有するＣｏの重量％をＸCoとしたときのＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCr＋０．４ＸNb＋０．３ＸTa＋１．６ＸNi＋２．３ＸMn＋２．１ＸCoの値が９〜１７％とすることで、優れた冷間加工性を備えつつ、「Ｔｉ−１７」より優れた強度を有するものとなる。
また、要すれば、中性元素であるＳｎ、Ｚｒを任意成分としてＡｌの一部に置き換えて単独または組み合わせて使用することもできる。これらの含有量としては、Ｓｎ：４％以下、Ｚｒ：４％以下とし、且つ、含有するＡｌの重量％をＸAl、含有するＳｎの重量％をＸSn、含有するＺｒの重量％をＸZrとしたとき、ＸAl＋（ＸSn／３）＋（ＸZr／６）の値が３〜７となるよう含有させることで「Ｔｉ−１７」より優れた強度を有するものとすることができる。
また、不純物としては、Ｏ、Ｈなどの不可避不純物があるが延性を良好なものとし得る点からＯは０.２５重量％以下であることが好ましく、時効処理による強度向上をより有効に得られる点からＨは、０．０５重量％以下であることが好ましい。
次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１〜１３、比較例１〜１３）
各元素が表１に示す割合となるように、ボタンアーク溶解により厚さ２０ｍｍ×幅７５ｍｍ×長さ９７ｍｍの鋳塊を製造し、β変態点より約５０℃低い温度で４ｍｍ厚さに熱延した。
なお、β変態点は、純チタンに対して各元素を単独で含有させた場合のβ変態点の変化量を状態図から読み取り、該変化量の総和を求め、純チタンのβ変態点に前記変化量の総和を加える計算により求めた。
次いでこれらをＡＳＴＭサブサイズの引張試験片に加工しＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて０．１ｍｍ／分の速度で引張り試験を行い引張強度と０．２％耐力とを求めた。
また、参考として、０．２％耐力が１３００ＭＰａ以上の強度を示すものについては、熱延した後に５００℃×１時間の時効処理した場合についても、引張強度と０．２％耐力の測定を行った。
なお、比較例１、２、４、７、９、１０、１１については、加工性が低く、熱延が実施できなかったため引張試験を実施しなかった。
また、比較例１２として、「Ｔｉ−１７」合金の引張強度と０．２％耐力を同様に求めた。
以上の評価結果を表２に示す。
Figure 0004939741
Figure 0004939741
実施例１〜１６では、「Ｔｉ−１７」ｎｅａｒβ型チタン合金を示す比較例１２の結果に比べ、耐力、引張強度とも向上しており、「Ｔｉ−１７」ｎｅａｒβ型チタン合金より優れた強度を有していることがわかる。

Claims (5)

  1. 重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：３〜５％（ただし、３．０％以下、及び、３．２９％を除く）含有し、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCrとしたときに、ＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCrの値が９〜１７％となり、さらにＡｌ：３〜７％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるｎｅａｒβ型チタン合金。
  2. 重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：０．５〜５％含有し、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCrとしたときに、ＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCrの値が９〜１７％となり、
    さらにＡｌ：３％以上７％未満を含有し、Ｓｎ：４％以下ならびにＺｒ：４％以下の少なくとも一方を含有し、含有するＡｌの重量％をＸAl、含有するＳｎの重量％をＸSn、含有するＺｒの重量％をＸZrとしたときに、ＸAl＋（ＸSn／３）＋（ＸZr／６）の値が３〜７となり、残部がＴｉおよび不純物からなるｎｅａｒβ型チタン合金。
  3. 重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：３〜５％（ただし、３．０％以下、及び、３．２９％を除く）と、
    Ｎｂ：０．５〜２％、Ｔａ：０．５〜２％、Ｎｉ：０．２５〜１％、Ｍｎ：０．２５〜１％、Ｃｏ：０．２５〜１％から選ばれる少なくとも１種とを含有し、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCr、含有するＮｂの重量％をＸNb、含有するＴａの重量％をＸTa、含有するＮｉの重量％をＸNi、含有するＭｎの重量％をＸMn、含有するＣｏの重量％をＸCoとしたときに、ＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCr＋０．４ＸNb＋０．３ＸTa＋１．６ＸNi＋２．３ＸMn＋２．１ＸCoの値が９〜１７％となり、さらにＡｌ：３〜７％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなることを特徴とするｎｅａｒβ型チタン合金。
  4. 重量％で、Ｖ：０．５〜７％、Ｆｅ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．５〜５％、Ｃｒ：０．５〜５％と、
    Ｎｂ：０．５〜２％、Ｔａ：０．５〜２％、Ｎｉ：０．２５〜１％、Ｍｎ：０．２５〜１％、Ｃｏ：０．２５〜１％から選ばれる少なくとも１種とを含有し、且つ、含有するＶの重量％をＸV、含有するＦｅの重量％をＸFe、含有するＭｏの重量％をＸMo、含有するＣｒの重量％をＸCr、含有するＮｂの重量％をＸNb、含有するＴａの重量％をＸTa、含有するＮｉの重量％をＸNi、含有するＭｎの重量％をＸMn、含有するＣｏの重量％をＸCoとしたときに、ＸV＋２．９５ＸFe＋１．５ＸMo＋１．６５ＸCr＋０．４ＸNb＋０．３ＸTa＋１．６ＸNi＋２．３ＸMn＋２．１ＸCoの値が９〜１７％となり、
    さらにＡｌ：３％以上７％未満を含有し、Ｓｎ：４％以下ならびにＺｒ：４％以下の少なくとも一方を含有し、含有するＡｌの重量％をＸAl、含有するＳｎの重量％をＸSn、含有するＺｒの重量％をＸZrとしたときに、ＸAl＋（ＸSn／３）＋（ＸZr／６）の値が３〜７となり、残部がＴｉおよび不純物からなることを特徴とするｎｅａｒβ型チタン合金。
  5. 請求項１乃至４の何れかに記載のｎｅａｒβ型チタン合金を、熱間加工するｎｅａｒβ型チタン合金の熱間加工方法であって、
    β変態点よりも低い温度且つβ変態点よりも１００℃低い温度以上で熱間加工することを特徴とするｎｅａｒβ型チタン合金の熱間加工方法。
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