JP5099659B2 - 高温制振性を有するβ型チタン合金 - Google Patents
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面、強度が低く、加工性に劣り、比較的に高価であるという問題がある。強磁性制振合金は、鉄系合金に多く、Fe−Cr−Al合金(サイレンタロイ)などが代表として実用化されている。これらの合金は制振性と強度は比較的優れており、実用温度も高く、比較的安価である。しかし、ひずみ振幅の変化に対して合金の減衰能の変化が多く、温度と外部磁場の変化が制振性能に大きな影響を与える。一方、双晶型制振合金は室温における双晶組織が特徴であり、高強度と高減衰能を兼ね備え、実用性にもっとも有望な制振合金である。たとえばソノストン合金(Mn−37Cu−4Al−3Fe−2Ni重量比)やインクラミュート合金(Cu−45Mn−2Al重量比)が典型な双晶型制振合金であり、450℃で時効熱処理を施し、0.03−0.05の制振性能と250〜350MPaの降伏強度を有している(非特許文献3)。また、近年、これらのMnCu基制振合金の加工性の問題を改善し、実用化に適するM2052合金(Mn−20Cu−5Ni−2Fe原子比)(特許文献1)や、MnCu基制振合金の強度を向上させるために硬質第二相粒子の添加法(特許文献2)、MnCu基制振合金の熱処理法(特許文献3)などが検討されている。
リシス制振(転位、磁壁によるもの)に分けられる。後者は、低歪み振幅の振動に対して制振性能が低いだけではなく、最適な制振組織を制御することに難しさがあるため、実用性が高い制振合金の開発は停滞しているのが現状である。また、粒界すべりによる金属の制振が昔から研究され、高温領域において制振ピークの出現(Al合金の場合250〜300℃)が特徴となる(非特許文献4)。しかし、金属の粒界制振ピークとクリープ損傷に密接な関係があり、ある温度領域で粒界拡散などを起こすため、その温度で繰り返しのひずみに伴う金属の力学性能の低下が予想される。一方、双晶界面が緩和型制振挙動を示し、大きな制振性能に期待できるが、高温領域で制振挙動を示す双晶組織がまだ見つかっていない。
田中良平:「制振材料−その機能と応用」(日本規格協会)(1992)13 「振動のダンピング技術」(養賢堂)(1996)3 日本金属学会誌、65(2001)607 金属、68(1998)11 金属、68(1998)5
型溶質原子の歪み緩和型制振ピークである、1Hz振動における制振ピークの特定温度と制振ピークの大きさ(Capacity)を示しているが、Fe以外の高融点金属に炭素C、窒素N、酸素O溶質原子が固溶した場合、高温領域(100−400℃)に歪み緩和型制振があらわれる。また図3に示すように溶質原子が1%(原子比)固溶したところでは、制振ピークの大きさがほぼ0.05を越えている。この制振性能の大きさが制振合金として高いレベルとなるが、溶質原子の固溶はそのM−i原子ペアーの固溶度に制限される。図3には、溶質原子の最大固溶度とその固溶する温度から求めた相対固溶度も示す。高い相対
固溶度をもち、しかも高温領域(100−400℃)に大きい制振性能を示すM−i原子ペアーがわかる。
るため、強度とともに延性も大きい。熱処理したTi−13V−11Cr−3Al(重量比)合金での引っ張り強度は1GPaを越え、その時の伸びは16%以上も示す構造材料として魅力ある合金である。
の高強度性能を実現することができる。特に、150℃〜350℃の範囲において、損失係数(tanδ)が0.04以上、さらには0.08以上の高い制振性能が実現される。
をもつ損失係数特性を有するβ型チタン合金を実現する。
1)合金創製
JIS1種の純チタン、高純度Nb(99.999%)、及び高純度酸化物粉を出発材料として、大効率CCLM(Cold Crucible Levitation Melting)溶解装置を用いて重さ約1.1Kg、直径60mmの円柱状合金インゴットを創製した。創製した合金はTi−25.6Nb、Ti−25Nb−1.47O(酸素)、Ti−24.5Nb−2.9O(酸素)(原子比)三種のチタン合金である。溶解温度はおよそ2050℃、溶解時の雰囲気はアルゴンガスをメインとした保護性混合ガスである。鋳造鋳型は水冷銅鋳型で、均質的な組成を得るために再溶解鋳込みを行った。
2)制振性能評価
円柱状インゴットから厚さ1.5mm、幅8mm、長さ60mmの短柵状試験片を制振性能評価用試験片として機械加工で切り出した。DMA(Dynamic Mechanical Analyzer
)を用いて、三点曲げ振動モードにおいて、2.5×10ー5振動歪み振幅で強制振動を与えた。応力振幅と歪み振幅の比からヤング率E、が得られ、応力振幅と歪み振幅の位相差から損失係数に相当するtanδが制振性能として求める。0℃から350℃までの温度
範囲に5℃/minの速度でサンプルを加熱し、振動周波数を0.1、1.0、10Hzの三条件で変えながら測定を行った。
を固溶した合金のtanδがそれぞれ0.04と0.08まで著しく上昇した。tanδの大きさは振動減衰能(一サイクルの振動エネルギー損失)に変換すると、それぞれは25%と50%の振動減衰能となる。高温領域(100−400℃)ではこれまでに報告されていない優れた制振性能である。また、この制振特性は酸素原子の歪み緩和によるものであることについて、その温度領域にヤング率とtanδの変化が大きな振動周波数依存性を示す
ことが証明できる。また、制振性能の大きさが酸素固溶量に依存して上昇する傾向も酸素原子の効果の検証となる。
.4%C−1.5%O、1.2%N−1.7%O、1.5%C−1.4%Nに変更した場合にも、1Hzの振動数において230℃〜280℃の温度範囲で0.05〜0.08のtanδ値になることを確認した。
3)力学性能の評価:
鋳造した合金インゴットから厚さ1.5mm、幅8mm、長さ60mmの短柵状引っ張り試験片を作製した。平行部幅は5mm、長さは25mmである。引っ張り試験は室温で1mm/minの引っ張り速度で試験片の伸び歪みが5%なるまで行った。三種の合金の引っ張りヤング率がほぼ同じく、80.8GPaであった。0.2%以上の超弾性現象がβ型チタン合金であらわれ、酸素固溶なし合金の場合には0.6%最大弾性ひずみであり、1.47と2.9%(原子比)の酸素(O)を固溶した合金のそれぞれは0.8、0.
9であった。図5は酸素固溶量が異なる三種の合金の降伏強度を示す。酸素固溶なし合金の470MPaに対して、1.47と2.9%(原子比)を固溶した合金のそれぞれの降伏強度が600と720MPaであった。また、酸素固溶量の増大に対して、チタン合金の降伏強度がその固溶量に比例して増大する。高強度MnCu基制振合金に比べて、酸素固溶したチタン合金は200MPa以上より高い降伏強度を有することがわかる。
Claims (1)
- 100℃−400℃の温度領域において1Hzの振動に対して損失係数(tanδ)が0.02以上の高温制振性を有し、
侵入型溶質原子として、原子比で炭素C:1.2−2%、窒素N:1−3%、および酸素O:1−5%のうちの1種または2種以上をその総量で2.5%(原子比)以上となるように固溶し、
またチタン合金のβ相安定化元素のTa(5−45%)、Nb(4−40%)、V(1.5−30%)およびMo(1−30%)の元素のうちの1種または2種以上をその総量が50%(原子比)以下含有し、もしくは、前記Ta、Nb、VおよびMoからなる群の元素の1種と,Cr(0.6−30%)とW(0.5−20%)からなる群の元素の1種とを含み、その総量が50%(原子比)以下含有すると共に、残部がTiからなり、
溶解凝固工程により製造され、鋳造組織よりなることを特徴とする高温制振性β型チタン合金。
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