JP4987615B2

JP4987615B2 - 高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金

Info

Publication number: JP4987615B2
Application number: JP2007206706A
Authority: JP
Inventors: 健一森; 秀樹藤井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: JP2009041065A

Description

本発明は、高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金に関する。

従来から、航空機のエンジン部品用途等に軽量、高強度で耐熱性に優れたチタン合金が開発されてきた。例えば、代表的な合金としてＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉが知られている。

また、特許文献１には、５００℃〜６００℃において良好な耐クリープ性を有する合金として、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｓｎ：２．００〜４．００％、Ｚｒ：３．５〜４．５％、Ｍｏ：０．３〜０．５％、Ｓｉ：０．３５〜０．５５％、Ｆｅ：０．０３％以下、Ｏ：０．１４％まで、からなる合金が開示されている。

特許文献２には、６００℃における高温強度および耐クリープ性に優れた合金として、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｓｎ：１．５〜３．０％、Ｚｒ：０．７〜５．０％、Ｍｏ：０．３〜３．０％、Ｓｉ：０．１５超〜０．５０％、Ｃ：０．０４〜０．３０％、Ｏ：０．１６％以下、かつ、Ａｌ＋Ｓｎ／３＋Ｚｒ／６：６．５〜８．０を満たす合金が開示されている。

特許文献３には、６００℃におけるクリープ強度に優れたチタン合金として、Ａｌ：５．０〜７．０％、Ｓｎ：２．０〜５．０％、Ｚｒ：２．０〜５．０％、Ｍｏ：０．１０〜１．００％、Ｓｉ：０．２０〜０．６０％、Ｈｆ：０．１０〜１．００％からなる合金が開示されている。

特許第２１３０８９５号公報特開平２−２２４３５号公報特許第２７３７５００号公報

上に記載したように、従来の耐熱チタン合金は、最高で６００℃までの使用温度が想定されている。しかし、エンジンの高性能化、低燃費化、低コスト化の要求が厳しい自動車用途への適用が増加するにつれ、８００℃から８５０℃にも達するとされる使用温度にあわせた特性の向上、および、コスト低減が望まれている。

特性の向上の点では、特に、８５０℃における高温疲労強度、および耐クリープ性が求められている。また、コスト削減には、添加元素の削減による素材コストの低減が不可欠である。

しかしながら、代表的な耐熱チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉは、８５０℃の高温では疲労強度、耐クリープ性が低く、コストも高いことが問題である。

また、上記特許文献１に記載の発明の合金は、高価なＺｒを４％含有しているためコスト高であり、疲労強度も充分ではない。

特許文献２に記載の発明の合金は、８５０℃における耐クリープ性は充分ではない。

特許文献３に記載の発明の合金は、高価なＺｒおよびＨｆを多く含有しているためコスト高である。

その他、ＴｉＡｌやＴｉ₃Ａｌといった金属間化合物をベースとした材料は、耐クリープ性に優れているものの加工コストが著しく高くなる。

そこで、本発明は、上記課題を有利に解決して、８５０℃レベルの高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金を低コストで提供するものである。

本発明者らは、上記目的を達成するために、鋭意検討した結果、８５０℃における疲労強度、および耐クリープ性を向上させるため、添加元素を調整して検討した結果、既存の合金と同等以上の耐クリープ性を有し、かつ、高温疲労強度に優れた低コストのチタン合金を見出した。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）質量％で、Ａｌ：５．５％以上７．０％未満、Ｓｎ：３．０％以上８．０％未満、Ｚｒ：０．５％以上２．０％未満、Ｍｏ：０．３％以上１．０％未満、Ｓｉ：０．３５％以上０．５５％未満、Ｏ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．０７％未満、残部チタンおよび不可避的不純物からなる高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金。
（２）質量％で、０．０１％以上１．０％未満のＮｂを添加した、前記（１）に記載の高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金。

本発明の耐熱チタン合金は、従来のチタン合金を上回る高温疲労強度、および同等以上の耐クリープ性を有し、安価であることから、自動車用エンジンバルブなど高温用途への使用に適しており、自動車用エンジンの高出力化、低燃費化、静音化に寄与するだけでなく、量産品への適用拡大により幅広くその効果を得ることが可能になることから、産業上の効果は計り知れない。

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明チタン合金の機械的性質として、自動車用エンジンバルブ等の用途で、６００℃レベルでの使用に従来適用されてきた実績のある耐熱チタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉ材が一つの指標となり、この材料の８５０℃における高温疲労強度および耐クリープ性を上回ることを目標とした。すなわち、８５０℃における繰返し数１×１０⁷回高温疲労強度が１４０ＭＰａ以上、かつ、以下に述べる試験条件における耐クリープ性の評価方法において、クリープ変形量が３％以下であることを目標とした。

ここで、本発明における耐クリープ性の評価方法について述べる。

耐クリープ性の評価方法として、高温での片持ち梁式の試験を採用した。水平に保持した丸棒試験片の自由端に、錘の作用点が一致するように錘を載せ、試験片保持部の固定端から、試験片の自由端すなわち錘の作用点までの距離を一定の有効試験片長さＬになるように設定し、８５０℃、大気雰囲気中、２４時間保持後の試験片のたわみ変形量から、クリープ変形量を評価した。クリープ変形量は、試験後の試験片の自由端が、試験前の元の丸棒試験片中心軸から変位した距離Ｈを測定し、Ｈ／Ｌを百分率で表したものを指標とした。

請求項１に記載の本発明では、上記の指標を達成するための、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｏの各成分範囲と、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉの成分範囲を規定している。

Ａｌは、α相の固溶強化能が高い元素であり、添加量を増やすと高温強度および疲労強度が増す。８５０℃で１４０ＭＰａ以上の疲労強度を得るためには、５．５％以上の添加が必要である。しかし、Ａｌを７．０％以上添加すると、金属間化合物Ｔｉ₃Ａｌを生成して延性が低下する。そこで、Ａｌの成分範囲は５．５％以上７．０％未満とした。Ａｌの偏析が生じるおそれのある場合、Ｔｉ₃Ａｌ相の生成を確実に抑えるために、より好ましくは、５．５％以上６．５％未満である。

Ｓｎは、α相およびβ相の両方を強化する効果があり、α＋β二相合金の強度を向上させる上で、有効な元素である。８５０℃で１４０ＭＰａ以上の疲労強度を得るためには、３．０％以上の添加が必要である。しかし、８．０％以上添加すると、Ｔｉ₃Ｓｎ相を生成して延性が低下する。そこで、Ｓｎの成分範囲は３．０％以上８．０％未満とした。Ｓｎの偏析が生じるおそれのある場合、Ｔｉ₃Ｓｎ相の生成を確実に抑えるために、より好ましくは３．０％以上６．５％未満である。

Ｚｒは、α相およびβ相の両方を強化するのに有効な元素である。また、Ｓｉと同時に添加すると、耐クリープ性を向上させる効果がある。８５０℃における耐クリープ性は、２％で飽和するため、上限を２．０％とした。下限は、８５０℃における疲労強度１４０ＭＰａを得るために必要な０．５％とした。

Ｍｏは、β安定化置換型元素であり、高温強度、熱間加工性を向上させる働きをする。この効果を発現するため、下限を０．３％以上とした。しかし、８５０℃においては、β相が３０（Ｖｏｌ．％）以上過剰に存在すると耐クリープ性が低下するため、上限を１．０％未満とした。

Ｓｉは、耐クリープ性を向上させる元素である。しかし、多量の添加はＴｉおよびＺｒと形成する金属間化合物の増加あるいは粗大化により、チタン合金を脆化する傾向がある。そのため、０．３５％以上０．５５％未満の添加とした。

Ｏは、α相を強化する元素である。その効果を発現させるには、Ｏが０．０５％以上必要である。しかし、Ｏを０．２０％以上添加するとα相にＴｉ₃Ａｌ相の生成を促進して延性を低下させる。このため、０．０５％以上０．２０％未満の添加とした。Ａｌの偏析が生じるおそれのある場合、Ｔｉ₃Ａｌ相の生成を確実に抑えるために、より好ましくは、０．０５％以上０．１４％未満である。

Ｆｅ，Ｃｒ、Ｎｉはいずれもβ安定化置換型元素である。β相が過剰に存在すると耐クリープ性が低下するため、これら元素が疲労強度および耐クリープ性に悪影響を与えない含有量を調査した結果、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉが０．０７％未満、好ましくは０．０５％未満であるため、これを規定した。

請求項２に記載の本発明では、０．０１％以上１．０％未満のＮｂを添加している。Ｎｂは、β相を強化する働きがあるため、０．０１％以上添加することで、強度を上げる効果が発現するが、同時にβ安定化元素であるため、１．０％以上添加するとβ相が過剰に増え、耐クリープ性を低下させるため、上限を１．０％未満と規定している。

本発明チタン合金の代表的な製造工程は次のとおりである。スポンジチタン、合金素材を原料として、真空中でアーク溶解または電子ビーム溶解し、水冷銅鋳型に鋳造する溶解法により、不純物の混入を抑えて、本発明のチタン合金成分の鋳塊とする。ここで、Ｏは、溶解の際、例えば酸化チタンまたは酸素濃度の高いスポンジチタンを用いることで添加できる。この鋳塊を１１００〜１２５０℃に加熱後、直径１００ｍｍの円柱形状に鍛造した後、１１００〜１２５０℃に再加熱し、熱間圧延で１５ｍｍ角程度の断面四角形または、直径１８ｍｍ程度の断面円形の棒材に加工できる。最終熱処理として、析出物等の固溶化のためにβ単相領域である１０５０〜１１００℃に１０〜３０分保持後空冷の後、６５０〜８５０℃、１時間、空冷の時効処理を行なうことで、β相中にα相が７０〜９８（Ｖｏｌ．％）析出し、優れた耐クリープ性および高温疲労強度を与える金属組織状態となる。なお、前記最終熱処理は、前記棒材を最終製品形状に近い形状に切削加工してから施しても良い。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

表１に示す成分のチタン合金を電子ビーム溶解法により製造し、それぞれ約１ｋｇの鋳塊とした。これら鋳塊をそれぞれ鍛造して得た１５ｍｍ角の棒材を素材とした。高温疲労試験片および耐クリープ性試験片は、１０７０℃、２０分、空冷の熱処理の後、更に、８２０℃、１時間、空冷の熱処理を行った後、試験片を採取した。疲労試験は、平行部直径８ｍｍの丸棒試験片を作製し、小野式回転曲げ疲労試験にて、試験温度８５０℃、応力振幅１４０ＭＰａ、回転数３６００ｒｐｍの条件で、１×１０⁷回まで実施した。耐クリープ試験は、水平に保持した直径５ｍｍの丸棒試験片の自由端に錘の作用点が一致するように０．６７±０．１ｋｇの耐熱Ｎｉ合金製の錘をのせ、８５０℃、大気雰囲気中、２４時間保持後の変形量Ｈを測定した。変形量Ｈは、試験後の試験片自由端中心部から、試験前の元の丸棒試験片中心軸までの距離である。試験片の把持部を除いた固定端から自由端までの有効試験片長さＬは４５ｍｍとした。耐クリープ性は、有効試験片長さＬと、変形量Ｈの比（Ｈ／Ｌ）を百分率で表した。表１に、８５０℃の高温疲労試験、耐クリープ試験の各試験結果を示す。本発明範囲から外れる数値にアンダーラインを付している。

Claims

質量％で、Ａｌ：５．５％以上７．０％未満、Ｓｎ：３．０％以上８．０％未満、Ｚｒ：０．５％以上２．０％未満、Ｍｏ：０．３％以上１．０％未満、Ｓｉ：０．３５％以上０．５５％未満、Ｏ：０．０５％以上０．２０％未満、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．０７％未満、残部チタンおよび不可避的不純物からなる高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金。
質量％で、０．０１％以上１．０％未満のＮｂを添加した、請求項１に記載の高温疲労強度および耐クリープ性に優れた耐熱部材用チタン合金。