JP5533352B2

JP5533352B2 - β型チタン合金

Info

Publication number: JP5533352B2
Application number: JP2010149397A
Authority: JP
Inventors: 恵太日下; 公造尾崎; 薫今泉
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP2012012652A

Description

本発明は、β型チタン合金に関するものである。

チタン合金は、鋼と比較して、軽くて強く、耐食性に優れた材料である。チタン合金は、一般に、相構造の違いによりα型、α＋β型、β型に大別することができる。これらのうち、β型チタン合金は、加工性に優れることから、バネ形状等、比較的複雑な形状が必要とされる部材の材料として好適に用いられる。

この種のβ型チタン合金に求められる重要な機械的特性の一つとして、疲労強度がある。例えば、自動車エンジン等にβ型チタン合金を用いる場合には、高い疲労強度が要求される。従来、β型チタン合金の疲労強度を向上させる試みとしては、下記の技術が公知である。

例えば、特許文献１には、β型チタン合金素材の表面に酸化皮膜を形成した後に冷間加工を施す技術、および、その後に時効処理を施す技術が開示されている。

また、特許文献２には、チタンを基とし、Ａｌを２．０〜４．０重量％、Ｖを７．０〜９．０重量％、Ｃｒを５．０〜７．０重量％、Ｍｏを３．０〜５．０重量％、Ｚｒを３．０〜５．０重量％含有するβ型チタン合金に冷間加工を加えた後、時効処理、ショットピーニング処理を施す技術が開示されている。

なお、特許文献３のチタン合金は、α＋β型チタン合金であり、β型チタン合金ではないが、同文献には、高強度化に有効な元素として、重量％で、Ｎを０．０６〜０．２０％の範囲内で積極的に添加する点が記載されている。また、Ｎ量が０．２０重量％を越えると延性や靱性の低下が大きくなる点が記載されている。

また、特許文献４のチタン合金も、α型あるいはα＋β型チタン合金であると考えられ、β型チタン合金ではないが、重量％で、Ｎ：０．０５〜０．１５％、Ｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．５〜６．０％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる高強度・高延性チタン合金が記載されている。

特開平２−６１０４２号公報特開平５−１９５１７５号公報特開平６−１０８１８７号公報特開平８−７３９６８号公報

しかしながら、従来技術は以下の点で問題があった。すなわち、特許文献１の技術は、冷間加工のまま、または、冷間加工後に時効処理を施している。そのため、引張強度が上昇するものの、極端に伸び・絞りが低下し、靱性に乏しくなって十分な疲労強度が得られていない可能性がある。

また、特許文献２の技術は、β相安定化元素として高価なＶ、Ｍｏを添加する上、時効処理後にショットピーニング処理まで行う。そのため、製造コストが高くなり不利である。

このように、特許文献１、２の技術は、いずれも製造方法を工夫することによって疲労強度を向上させようとするものであり、成分元素を調整することにより疲労強度を改善しようとするものではない。また、高強度化を図るために時効処理が施されているので、引張強度が高くなる反面、靱性が低下してしまう。そのため、高い疲労強度を得ることは困難である。

また、特許文献３、４に記載のチタン合金は、いずれもβ型チタン合金ではないので、冷間加工性に劣る。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、主に成分元素を調整することにより、従来と比較して、冷間加工性、引張強度、疲労強度に優れたβ型チタン合金を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るβ型チタン合金は、質量％で、Ｎ：０．２超〜３．０％、Ｃｒ：１．０〜２２．０％、および、Ｏ：０．０５〜０．１５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなることを要旨とする。ここで、上記β型チタン合金は、質量％で、Ｆｅ：０．５〜５．０％をさらに含有していても良い。また、上記β型チタン合金は、質量％で、Ｓｎ：０．５〜５．０％をさらに含有していても良い。また、上記β型チタン合金は、質量％で、Ａｌ：６．５％以下をさらに含有していても良い。

本発明に係るチタン合金は、Ｎ、Ｃｒ、Ｏの成分が特定割合に調整されている。そのため、従来と比較して、冷間加工性、引張強度、疲労強度に優れる。また、上記特性を得るのに時効処理やショットピーニング処理等をわざわざ実施する必要もない。ここで、安価なβ相安定化元素であるＦｅを特定割合含有する場合には、低コスト化に寄与できる。また、Ｓｎを特定割合含有する場合には、β相の強化に寄与できる。また、Ａｌを特定割合含有する場合には、強度向上に寄与できる。

以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係るβ型チタン合金は、以下の成分元素を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる。含まれる成分元素の種類、含有量および限定理由などは、以下の通りである。なお、含有量の単位は、質量％である。

・Ｎ：０．２超〜３．０％
Ｎは、チタン合金の強度上昇に非常に有効な元素である。その効果を十分に得るため、Ｎ含有量の下限を０．２％超とする。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．３％以上であると良い。一方、Ｎの過剰な添加は、ＴｉＮやその他の窒化物の生成量が多くなり、材料の延性が急激に低下したり、疲労破壊の起点となって疲労強度を低下させる。そのため、Ｎ含有量の上限を３．０％以下とする。

・Ｃｒ：１．０〜２２．０％
Ｃｒは、共析型のβ相安定化元素であり、一般的にチタン合金のβ相安定化元素として用いられるＶやＭｏ等に比べてコストが安い。また、Ｎを添加するための原料として融点の低いＣｒの窒素化合物が適しているため、Ｎ添加には一定量のＣｒを含有させると良い。Ｎ添加を適切に行うことができる等の観点から、Ｃｒ含有量の下限を１．０％以上とする。Ｃｒ含有量の下限は、β相をより安定化させる観点から、好ましくは５．０％以上、より好ましくは１０．０％以上であると良い。一方、ＣｒはＴｉとの間で脆い金属間化合物をつくりやすく、Ｃｒの過剰な添加は延性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量の上限を２２．０％以下とする。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは１６．０％以下であると良い。

・Ｏ：０．０５〜０．１５％
Ｏは、α相安定化元素であり、チタン合金の強度上昇に有効な元素である。その効果を得るため、Ｏ含有量の下限を０．０５％以上とする。一方、Ｏの過剰な添加は、延性を低下させる。そのため、Ｏ含有量の上限を０．１５％以下とする。

本発明に係るβ型チタン合金は、上述した必須構成元素に加えて、さらに、以下の元素を１種または２種以上任意に含有しても良い。

・Ｆｅ：０．５〜５．０％
Ｆｅは、Ｃｒと同じ共析型のβ相安定化元素であり、非常に安価な元素である。そのため、低コスト化の観点から使用することが望ましい。十分なコスト低下の効果を得る等の観点から、Ｆｅ含有量の下限を０．５％以上とする。一方、Ｆｅは偏析しやすい元素であり、多量に添加するとチタン合金の製造性を害する懸念がある。また、ＦｅはＴｉとの間で脆い金属間化合物をつくりやすく、延性を低下させる懸念がある。そのため、Ｆｅ含有量の上限を５．０％以下とする。

・Ｓｎ：０．５〜５．０％
Ｓｎは、α相およびβ相の両方を強化する元素である。その効果を顕在化させる観点から、Ｓｎ含有量の下限を０．５％以上とする。一方、Ｓｎを過剰に添加してもその効果は飽和する。そのため、Ｓｎ含有量の上限を５．０％以下とする。

・Ａｌ：６．５％以下
Ａｌは、Ｎと同様にα相安定化元素であり、チタン合金の強度上昇に有効な元素である。もっとも、Ａｌの過剰な添加は、Ｔｉ_３Ａｌの生成を招き、延性や靱性を低下させる。そのため、Ａｌ含有量の上限を６．５％以下とする。Ａｌ含有率の上限は、好ましくは６．０％以下であると良い。

次に、本発明に係るチタン合金の製造方法の一例について説明する。
本発明に係るチタン合金を得るには、先ず、上述した化学組成となるように各原料を秤量し、例えば、プラズマスカル炉や真空アーク溶解炉などの種々の溶解炉を用いて、チタン合金インゴットを溶製する。Ｎを添加するための原料としては、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等の低融点の窒素化合物が望ましい。また、この際、上述した化学組成に応じて、チタン合金スクラップ、Ｆｅスクラップ、ステンレス鋼スクラップ等を原料の一部として１または２以上使用しても良い。

次いで、得られたチタン合金インゴットを、必要に応じて、熱間鍛造、熱間圧延するなどすれば、所望の形状の本発明に係るβ型チタン合金を得ることができる。

また、得られたチタン合金インゴットに対して、必要に応じて、焼鈍処理、溶体化処理などの熱処理を施しても良い。また、必要に応じて、冷間あるいは温間での加工も可能である。

本発明に係るβ型チタン合金の用途は、特に限定されるものではない。本発明に係るβ型チタン合金の用途としては、例えば、ばね部材、ゴルフクラブのフェースなどを好適な用途して例示することができる。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
原料として、スポンジチタンまたは純チタン板と、低融点窒素化物であるＣｒＮまたはＣｒ_２Ｎと、その他の金属として純金属を用い、後述する表１、表２に示した種々の化学組成（単位は質量％）を有するチタン合金をアルゴン雰囲気中にてアーク溶解により溶製した。得られた直径１６０ｍｍで１０ｋｇのインゴットを、１１５０℃で粗鍛造した後、８５０℃で熱間鍛造し、直径２２ｍｍで所定長さの棒材を作製した。この棒材に対し、７００℃に加熱して１時間保持後空冷するという条件の焼鈍処理を施し、実施例、比較例に係る供試材とした。

これら供試材を室温引張試験に供し、室温における機械的特性（引張強度、絞り）を評価した。また、回転曲げ疲れ試験により疲労特性を評価した。この際、室温引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して行い、試験片形状は１４Ａ号試験片を用いた。また、室温状態における引張強度および絞りの測定は、インストロン型引張試験機を用いて行った。また、疲労特性は、小野式回転曲げ疲れ試験（１０^７回疲れ強度）を行うことにより評価した。

表１および表２に、実施例、比較例に係るチタン合金の化学組成および評価結果を示す。

表１および表２を相対比較すると以下のことが分かる。すなわち、比較例１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖである。この比較例１は、引張強度や疲労限については実施例１と比較して遜色はない。しかしながら、α＋β型チタン合金であるため、絞りが低く、冷間加工性に劣る。

比較例２は、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｌである。この比較例２は、β型チタン合金であり、絞りについては実施例１〜６と同等であるが、引張強度や疲労特性に劣る。

比較例３は、Ｎ含有量が本発明で規定される下限を下回っている。そのため、引張強度や疲労特性に劣る。

比較例４は、Ｎ含有量が本発明で規定される上限を上回っている。そのため、絞りが低く、冷間加工性に劣る。

比較例５は、Ｃｒ含有量が本発明で規定される下限を下回っている。そのため、Ｎ添加源であるＣｒＮまたはＣｒ_２Ｎの量が制限され、Ｎを十分に添加できていない。さらに、β相安定化元素が不足しているため、絞りが低く、冷間加工性に劣る。

比較例６、７は、Ｃｒ含有量が本発明で規定される上限を上回っている。そのため、絞りが低下し、冷間加工性に劣るとともに、疲労特性も悪い。

比較例８、９は、Ｓｎ含有量が本発明で規定される上限を上回っている。そのため、実施例６、８と比較して、Ｓｎ添加による効果が見られず、特性低下が見られる。

比較例１０、１１は、Ａｌ含有量が本発明で規定される上限を上回っている。そのため、ともに絞りが低く、冷間加工性に劣る。

比較例１２、１３は、Ｆｅ含有量が本発明で規定される上限を上回っている。そのため、ともに絞りが低く、冷間加工性に劣る。

これらに対し、実施例１〜２３は、いずれもβ型チタン合金であり、絞りが５０％以上であるため、冷間加工性に優れている。また、Ｃｒ、Ｎ含有量が適切であるため、引張強度が１０００ＭＰａ以上、疲労限が５５０ＭＰａ以上となっており、引張強度−疲労限のバランスに優れる。

つまり、本発明によれば、強化元素であるＮや、安価なβ相安定化元素であるＣｒ等の成分元素を主に調整することにより、従来と比較して、冷間加工性、引張強度、疲労強度に優れたβ型チタン合金を得ることが可能であることが確認できた。

以上、本発明に係るβ型チタン合金について説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。

Claims

質量％で、
Ｎ：０．２超〜３．０％、
Ｃｒ：１．０〜２２．０％、および、
Ｏ：０．０５〜０．１５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とするβ型チタン合金。
質量％で、
Ｆｅ：０．５〜５．０％をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載のβ型チタン合金。
質量％で、
Ｓｎ：０．５〜５．０％をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載のβ型チタン合金。
質量％で、
Ａｌ：６．５％以下をさらに含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のβ型チタン合金。