JP5874707B2 - Titanium alloy with high strength, high Young's modulus and excellent fatigue properties and impact toughness - Google Patents

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Description

本発明は、板面内の一方向で高強度、高ヤング率を有し、疲労特性および/または衝撃靭性に優れると共に、良好な熱間加工性を有するチタン合金板に関する。   The present invention relates to a titanium alloy plate having high strength and high Young's modulus in one direction in the plate surface, excellent fatigue characteristics and / or impact toughness, and good hot workability.

これまで、航空機用部材を始めとして、高比強度、高耐食性などの優れた特性を生かしてチタン合金製品が数多く使用されてきた。そのうち、民生品用途として、自動車・自動二輪用マフラー材、眼鏡フレームや各種スポーツ用道具(ゴルフクラブフェース、スパイク用部品、金属バット・・・)などに幅広く使用されてきている。   Until now, many titanium alloy products have been used, taking advantage of excellent properties such as high specific strength and high corrosion resistance, including aircraft components. Among them, it has been widely used for consumer products such as automobile / motorcycle muffler materials, eyeglass frames and various sports tools (golf club face, spike parts, metal bats, etc.).

チタン合金の欠点の一つとして、鉄鋼材料等に比べヤング率が低いことが挙げられる。ヤング率が低いことにより、構造用材料、部品として使用される場合は弾性変形しやすい(剛性が低い)ことが問題になることがある。また、例えば、ゴルフクラブフェースとして使用される場合、フェースがたわみやすくなるため、反発係数が大きくなりやすく、反発係数規制を満足することが困難となることが問題となっている。   One of the drawbacks of titanium alloys is that the Young's modulus is lower than that of steel materials. Due to the low Young's modulus, when used as a structural material or component, it may become a problem that it is easily elastically deformed (low rigidity). Further, for example, when used as a golf club face, since the face is easily bent, the coefficient of restitution tends to increase, making it difficult to satisfy the coefficient of restitution coefficient.

この時、製品の形状が楕円形もしくは矩形の板状である場合に、短辺方向でヤング率が高くなるとたわみにくくなり、板の剛性を高める手段として有効であることが分かっている。このような状態を得るべく、α+β型チタン合金を一方向熱延して集合組織を制御することにより、板幅方向の強度およびヤング率を高める技術が特許文献1に開示されている。これは、α+β合金を特定の条件で一方向熱延することにより、チタンα相の底面が板幅方向に強く配向したTransverse-textureと呼ばれる熱延集合組織を発達させ、板幅方向への強度、ヤング率を高めたものである。その場合に、熱延板の板幅方向を楕円形もしくは矩形の板状製品の短辺側に設定することにより、板状製品がたわみにくくすることが可能となる。   At this time, when the shape of the product is an elliptical or rectangular plate, it becomes difficult to bend when the Young's modulus increases in the short side direction, and it has been found that the product is effective as a means for increasing the rigidity of the plate. In order to obtain such a state, Patent Document 1 discloses a technique for increasing strength and Young's modulus in the plate width direction by controlling the texture by unidirectional hot rolling of an α + β type titanium alloy. This is because the α + β alloy is unidirectionally hot-rolled under specific conditions to develop a hot-rolling texture called transverse-texture in which the bottom surface of the titanium α-phase is strongly oriented in the plate width direction. The Young's modulus is increased. In that case, by setting the plate width direction of the hot-rolled plate to the short side of the oval or rectangular plate product, it becomes possible to make the plate product difficult to bend.

こうして、例えば、ゴルフクラブフェース向けでは、反発係数規制が厳しくなった環境下で、上記のようにヤング率の高いα+β型チタン合金の適用が主流となってきている。ヤング率の高いα+β型チタン合金を使用することにより、フェースを薄くしても反発係数は高くなりにくく、ヤング率の低いβ型チタン合金に比べ、反発係数規制をクリアする板厚自由度が高まる。また、β型チタン合金に比べ比重が小さく、同じ質量でもクラブヘッドの容量を大きくすることが可能である上、β型合金に比べ高価な合金元素の含有量が低いことから、素材コストも低いといった多くのメリットがある。α+β型チタン合金としては、Ti−6%Al−4%Vが代表的であるが、他にも、例えば、Ti−5%Al−1%Fe、Ti−4.5%Al−3%V−2%Fe−2%Mo、Ti−4.5%Al−2%Mo−1.6%V−0.5Fe−0.3%Si−0.03%C、Ti−6%Al−6%V−2%Sn、Ti−6%Al−2%Sn−4%Zr−6%Mo、Ti−8%Al−1%Mo−1%V、Ti−6%Al−1%Feなどが使用されている。   Thus, for example, for golf club faces, the application of α + β type titanium alloys having a high Young's modulus as described above has become the mainstream in an environment where the coefficient of restitution coefficient has become strict. By using α + β type titanium alloy with high Young's modulus, even if the face is thinned, the coefficient of restitution is hard to increase, and compared to β type titanium alloy with low Young's modulus, the plate thickness freedom to meet the regulation of coefficient of restitution is increased. . In addition, the specific gravity is small compared to the β-type titanium alloy, the capacity of the club head can be increased even with the same mass, and the material cost is low because the content of expensive alloy elements is low compared to the β-type alloy. There are many merits. As the α + β type titanium alloy, Ti-6% Al-4% V is typical, but other examples include Ti-5% Al-1% Fe, Ti-4.5% Al-3% V. -2% Fe-2% Mo, Ti-4.5% Al-2% Mo-1.6% V-0.5Fe-0.3% Si-0.03% C, Ti-6% Al-6 % V-2% Sn, Ti-6% Al-2% Sn-4% Zr-6% Mo, Ti-8% Al-1% Mo-1% V, Ti-6% Al-1% Fe, etc. It is used.

さらに、ゴルフクラブフェース向け用途では、フェース加工時に成形加工度が小さく、形状制御による反発係数規制対応への自由度の少ない薄板状素材等では、板面内の一方向でヤング率135GPa以上、引張強さ1100MPa以上を有することが望ましい。この時、ヤング率は反発係数規制をクリアするため、引張強さと延性は良好な疲労特性を得るために、それぞれ上記の値を満足することが望ましい。しかし、一般的にα+β型合金は加工性が良好でなく、板厚を薄くしても優れた疲労特性および反発係数規制を満足する高強度、高ヤング率と、良好な熱間加工性を両立する合金は限られる。また、ゴルフクラブフェースの耐久性に影響を与える疲労特性および/または衝撃靭性についても、高い値を得ることはできていない。即ち、高ヤング率と高疲労強度および/または衝撃靭性を両立するチタン合金に関する技術は開示されていない。   Furthermore, in applications for golf club faces, for thin plate materials that have a low degree of molding during face processing and a low degree of freedom to meet the coefficient of restitution coefficient by shape control, the Young's modulus is 135 GPa or more in one direction in the plate surface. It is desirable to have a strength of 1100 MPa or more. At this time, it is desirable that the Young's modulus satisfies the rebound coefficient regulation, and the tensile strength and ductility satisfy the above values in order to obtain good fatigue properties. However, α + β type alloys generally do not have good workability, and even if the plate thickness is reduced, excellent fatigue properties and high strength and high Young's modulus satisfying repulsion coefficient regulations are compatible with good hot workability. Alloys to do are limited. Also, high values have not been obtained for fatigue properties and / or impact toughness that affect the durability of golf club faces. That is, a technique related to a titanium alloy that achieves both a high Young's modulus and high fatigue strength and / or impact toughness is not disclosed.

例えば、最汎用のα+β型合金であるTi−6%Al−4%V合金は、十分な強度、ヤング率を有し、航空機用部品を始めとする構造部材として、既に幅広く使用されている。しかし、この合金は、高温で固溶強化能を示し熱間加工時の変形抵抗を増大させるAlを6%含有しており、熱間加工性が良くないこと、また、高価なβ安定化元素であるVを4%含有し、素材コストが比較的高いこと、後述するが、Oの固溶強化により強化しているため疲労強度が十分でないという問題があった。   For example, Ti-6% Al-4% V alloy, which is the most general-purpose α + β type alloy, has sufficient strength and Young's modulus, and is already widely used as a structural member including aircraft parts. However, this alloy contains 6% Al, which exhibits solid solution strengthening ability at high temperatures and increases deformation resistance during hot working, has poor hot workability, and is an expensive β-stabilizing element However, there is a problem that the fatigue strength is not sufficient because it is strengthened by solid solution strengthening of O.

特許文献2には、Ti−6%Al−4%V合金と同様に高い比強度を有し、低コストの合金が提案されている。これはβ安定化元素として、VやMoなどの高価で比重の重い元素を、安価でβ安定化能の高いFeに置換すること、比重が軽いα安定化元素であるAlを多く添加することにより、高比強度かつ低コストを狙ったα+β型合金である。しかし、この合金は、Alを5.5〜7%含有し、熱間加工しにくいという難点を有する。フェース素材への加工コストを下げるには、軽いプレス成形と研磨工程のみによりフェース形状に加工できる板製品での供給が望まれるが、当該合金の熱延板を製造する際、高い熱間変形抵抗により適正な熱延温度範囲は狭く、それより少しでも温度が低下すると、耳割れが発生しやすく、成品歩留が低いという問題があった。   Patent Document 2 proposes a low-cost alloy having a high specific strength in the same manner as a Ti-6% Al-4% V alloy. This is to replace expensive and heavy specific elements such as V and Mo with low-cost and high β-stabilizing elements as β-stabilizing elements and to add a large amount of Al, which is an α-stabilizing element with low specific gravity. Therefore, it is an α + β type alloy aimed at high specific strength and low cost. However, this alloy contains 5.5 to 7% of Al and has a drawback that it is difficult to hot work. In order to reduce the processing cost of the face material, it is desirable to supply a plate product that can be processed into a face shape only by light press forming and polishing processes. However, when manufacturing hot rolled sheets of the alloy, high hot deformation resistance is required. Therefore, there is a problem that the proper hot rolling temperature range is narrow, and if the temperature is lowered even slightly, the ear cracks are likely to occur and the product yield is low.

特許文献3には、高強度・低反発チタン合金フェースを含むゴルフクラブヘッドが提案されている。フェースを構成するチタン合金において、AlおよびFeの含有量が規定されており、それにより高いヤング率と引張強度が得られるとある。特許文献3にこの合金の具体的な製造方法は記載されていないが、特許請求範囲に示されるAlおよびFeを含み、残部不可避的不純物からなる合金組成で、特許請求範囲に記載される引張強度1200〜1600MPaを得るには、製造方法がかなり限定される。すなわち、熱延、鍛造などの熱間加工まま、あるいは、熱間加工または冷間加工後に焼鈍処理を行う場合にはこのような強度を得ることはできない。さらに、熱間あるいは冷間加工品に時効熱処理を行った場合においても、この強度範囲の製品を得ることはできず、唯一、強加工度まで冷間加工したままの状態でのみ得られる可能性がある。しかし、冷間加工まま材をゴルフクラブフェースに使用すると、高強度は得られるが疲労特性は著しく低下するため、フェースにいったん疲労亀裂が発生すると、その伝播を抑えることはできない。こうして、ゴルフクラブフェースに要求される優れた疲労特性を確保できない問題があった。   Patent Document 3 proposes a golf club head including a high strength and low repulsion titanium alloy face. In the titanium alloy constituting the face, the contents of Al and Fe are regulated, and it is said that high Young's modulus and tensile strength can be obtained. Although the specific manufacturing method of this alloy is not described in Patent Document 3, the tensile strength described in the claims is made of an alloy composition containing Al and Fe shown in the claims and the balance unavoidable impurities. In order to obtain 1200 to 1600 MPa, the manufacturing method is considerably limited. That is, such a strength cannot be obtained in the case of performing an annealing process after hot working such as hot rolling or forging, or after hot working or cold working. Furthermore, even when hot- or cold-worked products are subjected to aging heat treatment, products in this strength range cannot be obtained, and can only be obtained in the state of being cold-worked to a high workability. There is. However, if the material is used for a golf club face while being cold-worked, high strength can be obtained, but the fatigue characteristics are remarkably lowered. Therefore, once a fatigue crack occurs in the face, the propagation cannot be suppressed. Thus, there is a problem that the excellent fatigue characteristics required for the golf club face cannot be secured.

特許文献4には、溶接部を含むゴルフクラブヘッドで熱影響部の疲労特性が高く、ヤング率および強度を熱処理により調整可能なフェース用チタン合金板が提案されている。Al、Fe、O、Nを適正量添加することで強度を調整し、熱影響部の疲労特性を向上させると共に、時効強化熱処理などの熱処理条件をコントロールすることでヤング率を制御することを特徴とする。しかし、特許文献4が出願された後に反発係数規制が施行され、ヤング率の高い合金のみが求められるようになり、特許文献4に記載される請求範囲の合金組成および製造条件により製造した板製品では、反発係数規制を満足する高いヤング率が得られない場合もあるという問題があった。   Patent Document 4 proposes a titanium alloy plate for a face in which a golf club head including a welded portion has high fatigue characteristics in the heat affected zone and the Young's modulus and strength can be adjusted by heat treatment. The strength is adjusted by adding appropriate amounts of Al, Fe, O, and N, the fatigue properties of the heat affected zone are improved, and the Young's modulus is controlled by controlling the heat treatment conditions such as aging strengthening heat treatment. And However, after the patent document 4 is filed, the coefficient of restitution coefficient is enforced, and only alloys having a high Young's modulus are required, and the plate product manufactured according to the alloy composition and manufacturing conditions described in the patent document 4 However, there is a problem that a high Young's modulus that satisfies the restitution coefficient regulation may not be obtained.

特許文献5には、Al、Fe、O、Nを含むチタン合金を一方向熱延することにより、上述のTransverse-textureと呼ばれる集合組織を発達させ、コイル巻取り時の板破断発生を抑制するなど、冷間でのコイル取扱性を向上させる技術が開示されている。これは、Transverse-texture発達に伴い、板破断の起点となる耳割れが発生しても、亀裂伝播経路が斜行して長くなるためである。しかしながら、高ヤング率、高疲労特性等についての技術課題の解決は考慮されていない。   In Patent Document 5, a titanium alloy containing Al, Fe, O, and N is unidirectionally hot-rolled to develop a texture called the above-mentioned transverse-texture and suppress the occurrence of plate breakage during coil winding. For example, a technique for improving cold coil handling is disclosed. This is because, along with the development of Transverse-texture, even if an ear crack that is the starting point of the plate breakage occurs, the crack propagation path is skewed and lengthened. However, the solution of technical problems concerning high Young's modulus, high fatigue properties, etc. is not considered.

また、特許文献6には、Al、Fe、Siを含むα+β型チタン合金が開示されており、従来のAl−Fe系チタン合金と同等の疲労強度と耐クリープ特性を有することが開示されている。しかしながら、高ヤング率等についての技術課題は考慮されていない。   Patent Document 6 discloses an α + β-type titanium alloy containing Al, Fe, and Si, and discloses that it has fatigue strength and creep resistance equivalent to those of a conventional Al—Fe-based titanium alloy. . However, technical issues regarding high Young's modulus and the like are not considered.

特許文献7には、Al,Fe,Si、Oを含有し、さらに、MoやVを選択的に含有したチタン合金をβ変態点温度以上に加熱し、β変態点以下で熱間圧延を開始し、主に900℃以上の温度で熱延するα+β型チタン合金の製造方法が開示されている。このようにして製造されたチタン合金は、熱延板表面に発生する表面疵を低減することができるとあるが、高ヤング率、高強度、及び優れた疲労特性を有するチタン合金に関する技術の開示は無い。   In Patent Document 7, a titanium alloy containing Al, Fe, Si, and O, and selectively containing Mo and V is heated to a β transformation point temperature or higher, and hot rolling is started below the β transformation point. And the manufacturing method of the alpha + beta type titanium alloy mainly hot-rolled at the temperature of 900 degreeC or more is disclosed. The titanium alloy produced in this way is able to reduce surface flaws generated on the surface of the hot-rolled sheet, but the disclosure of the technology relating to the titanium alloy having high Young's modulus, high strength, and excellent fatigue properties. There is no.

特許文献8には、Siを添加して破壊靭性に優れたニアβ型のα+β型合金およびその製造方法が開示されている。ただし、シャルピー試験などによる高歪速度での変形を含む衝撃靭性に関する特性ではなく、破壊靭性値で靭性を評価している。また、ミクロ組織は針状組織に限定されている。   Patent Document 8 discloses a near β-type α + β-type alloy having excellent fracture toughness by adding Si and a method for producing the same. However, the toughness is evaluated by the fracture toughness value, not by the characteristics related to impact toughness including deformation at a high strain rate by the Charpy test. Further, the microstructure is limited to a needle-like structure.

ここで、破壊靭性とは、一般的には、比較的低歪速度の元で亀裂伝播のしにくさを示す材料特性であり、一般的には、破壊靭性試験を行い評価される。例えば、非特許文献1等に示されるような除荷弾性コンプライアンス法等を用いて評価される。一方、衝撃靭性とは高歪速度の元での破壊し難さを示す特性であり、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーなどを使って簡便に評価することが可能である。ゴルフクラブや自動車部品などは高速の変形にさらされることから、衝撃靭性が高いことが望ましい。   Here, the fracture toughness is generally a material characteristic showing the difficulty of crack propagation at a relatively low strain rate, and is generally evaluated by performing a fracture toughness test. For example, it is evaluated using an unloading elastic compliance method as shown in Non-Patent Document 1 or the like. On the other hand, impact toughness is a characteristic indicating the difficulty of fracture under a high strain rate, and can be easily evaluated using absorbed energy of a Charpy impact test. Since golf clubs and automobile parts are exposed to high-speed deformation, high impact toughness is desirable.

即ち、高グレードなゴルフクラブフェースや、一部の自動車部品等に要求される高ヤング率、高強度、優れた疲労特性および衝撃靭性を同時に満たすα+β型チタン合金に関する技術は開示されていない。   That is, there is no disclosure of a technology relating to an α + β type titanium alloy that simultaneously satisfies high grade golf club face, high Young's modulus, high strength, excellent fatigue properties and impact toughness required for some automobile parts and the like.

特開2012−132057号公報JP 2012-132057 A 特開2004−10963号公報JP 2004-10963 A 特開2006−212092号公報JP 2006-212092 A 特開2005−220388号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-220388 WO2012/115243A1号公報WO2012 / 115243A1 特開平7−62474号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-62474 特開2012−149283号公報JP 2012-149283 A 特開平11−343529号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-343529

「材料」第25巻第276号、昭和51年9月、第91〜95頁"Materials" Vol. 25, No. 276, September 1976, pp. 91-95

本発明は、上記課題を解決し、板面内の一方向で高いヤング率および強度を有すると共に、高い疲労特性および/あるいは、衝撃靭性を有するα+β型チタン合金を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an α + β-type titanium alloy having high Young's modulus and strength in one direction in the plate surface and high fatigue characteristics and / or impact toughness. It is.

発明者らは、α相を固溶強化するAl、O、N、および、Oと逆の偏析傾向を示すSiを添加すると共に、β安定化元素として安価かつβ安定化能の高いFeを選び、それら元素の添加量を適正に制限して、室温でのβ相分率を低減させヤング率低下を抑えた。さらに、この合金を一方向熱延することにより、冷間加工強化あるいは時効強化熱処理に頼ることなく、板面内の一方向で高い強度と、高いヤング率を両立できることを見出した。同時に、高い強度を示すと共に、疲労特性および/あるいは、衝撃靭性も高くなることを見出した。SiはOと逆の偏析傾向を示すことから、SiとOを複合添加することにより、Oを単独添加した場合に生じるOの凝固偏析に伴う、元のインゴットのTop側に相当する位置での過度の高強度・低延性化を防ぐことが可能となった。また、SiはO程には凝固偏析しにくいことから、疲労試験および衝撃試験において、破壊の起点となるか、発生した亀裂が伝播しやすい、高硬度の部分を生じさせにくい特徴を有する。こうして、疲労特性および/あるいは、衝撃靭性に悪影響を及ぼさないSiを添加することにより、疲労特性および/あるいは、衝撃靭性を低下させるO量を減らしても、強度確保が可能となった。   The inventors added Al, O, N, and Si that solidify and strengthen the α phase, and Si that shows a segregation tendency opposite to that of O, and selected Fe that is inexpensive and has high β stabilizing ability as a β stabilizing element. The amount of these elements added was appropriately limited to reduce the β phase fraction at room temperature and suppress the decrease in Young's modulus. Furthermore, it has been found that by hot rolling this alloy in one direction, both high strength and high Young's modulus can be achieved in one direction within the plate without relying on cold work strengthening or aging strengthening heat treatment. At the same time, it has been found that, while exhibiting high strength, fatigue characteristics and / or impact toughness are also increased. Since Si shows a segregation tendency opposite to that of O, by adding Si and O in combination, at the position corresponding to the top side of the original ingot accompanying the solidification segregation of O that occurs when O is added alone. It became possible to prevent excessive high strength and low ductility. Further, since Si is less prone to solidification and segregation as much as O, it has a characteristic that it becomes a starting point of fracture in a fatigue test and an impact test, or a crack is easily propagated and a hard part is hardly generated. Thus, by adding Si that does not adversely affect fatigue characteristics and / or impact toughness, it is possible to ensure strength even if the amount of O that decreases fatigue characteristics and / or impact toughness is reduced.

特に、この合金を一方向熱延して、チタンα相のc軸が板幅方向に強く配向したTransverse-textureと呼ばれる集合組織を発達させることにより、板幅方向の引張強さおよびヤング率を高めると共に、板幅方向に曲げ変形を繰返す場合の疲労特性および/あるいは、衝撃靭性を高めることも可能である。特に、前述の機構により、Si,Oを複合添加した場合にその効果が高いことを見出した。   In particular, this alloy is unidirectionally hot-rolled to develop a texture called transverse-texture in which the c-axis of the titanium α phase is strongly oriented in the plate width direction, thereby reducing the tensile strength and Young's modulus in the plate width direction. It is possible to increase the fatigue characteristics and / or impact toughness when bending deformation is repeated in the plate width direction. In particular, it has been found that the above-described mechanism is highly effective when Si and O are added in combination.

また、この合金は、比重も軽く、ゴルフクラブフェースを含む幅広い用途に最適な素材である。さらには、Ti−6%Al−4%V合金を主とする他のα+β型合金に比べ、熱間加工性を低下させるAlの含有量を低く制限しており、熱間圧延時の圧延負荷が低く、熱間圧延時のキズや耳割れが発生しにくいことから、薄板を含む、あらゆる形状の製品への製造性が良好であるという利点を有する。   In addition, this alloy has a low specific gravity and is an optimal material for a wide range of applications including golf club faces. Furthermore, compared with other α + β type alloys mainly composed of Ti-6% Al-4% V alloy, the content of Al which lowers hot workability is limited to be low, and the rolling load during hot rolling Therefore, scratches and ear cracks during hot rolling are less likely to occur, and therefore, there is an advantage that the manufacturability to products of all shapes including thin plates is good.

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、以下の手段を骨子とする。
(1)質量%で、4.7〜5.5%のAl、0.5〜1.3%のFe、0.03%以下のN,かつ、式(1)より計算される[O]eqが0.13%以上0.25%未満を満たすO,Nを含有し、さらに、0.15〜0.40%のSiを含み、残部Tiおよび不可避的不純物からなり、熱延板の圧延面法線方向をND方向、熱間圧延方向をRD方向、熱延板の板幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をc軸方位として、c軸方位がND方向となす角度をθ、c軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、角度θが0度以上、30度以下であり、かつφが全周(−180度〜180度)に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、角度θが80度以上、100度未満であり、φが±10度に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとし、XTD/XNDが4.0以上であり、板幅方向のヤング率が135GPa以上、板幅方向の引張強さ1100MPa以上であり、疲労特性に優れていることを特徴とする熱間加工性に優れたα+β型チタン合金熱延板。
ここで、板幅方向とは、熱延方向に対して板面内で直角な方向である。
[O]eq=[O]+2.77[N]・・・式(1)
ここで、[O]は、酸素濃度(質量%)、[N]は、窒素濃度(質量%)である。
(2)質量%で、4.7〜5.5%のAl、0.5〜1.3%のFe、0.03%以下のN,かつ、式(1)より計算される[O]eqが0.13%以上0.25%未満を満たすO,Nを含有し、さらに、0.20〜0.40%のSiを含み、残部Tiおよび不可避的不純物からなり、熱延板の圧延面法線方向をND方向、熱間圧延方向をRD方向、熱延板の板幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をc軸方位として、c軸方位がND方向となす角度をθ、c軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、角度θが0度以上、30度以下であり、かつφが全周(−180度〜180度)に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、角度θが80度以上、100度未満であり、φが±10度に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとし、XTD/XNDが4.0以上であり、板幅方向のヤング率が135GPa以上、板幅方向の引張強さ1100MPa以上であり、疲労特性及び衝撃靭性に優れていることを特徴とする熱間加工性に優れたα+β型チタン合金熱延板。
ここで、板幅方向とは、熱延方向に対して板面内で直角な方向である。
[O]eq=[O]+2.77[N]・・・式(1)
ここで、[O]は、酸素濃度(質量%)、[N]は、窒素濃度(質量%)である。
(3)(1)または(2)に記載の組成のチタン合金スラブをそのβ単相域あるいはβ変態点からβ変態点よりも50℃低い温度までのα+β2相域に加熱し、一方向に熱間圧延率90%以上で熱間圧延することを特徴とする(1)または(2)に記載のα+β型チタン合金熱延板の製造方法。
This invention is made | formed based on the said knowledge, and makes the following means the main point.
(1) By mass%, 4.7 to 5.5% Al, 0.5 to 1.3% Fe, 0.03% or less N, and calculated from equation (1) [O] Rolling of hot-rolled sheet containing O and N satisfying eq of 0.13% or more and less than 0.25%, further containing 0.15 to 0.40% Si, the balance being Ti and inevitable impurities The surface normal direction is the ND direction, the hot rolling direction is the RD direction, the plate width direction of the hot-rolled sheet is the TD direction, the normal direction of the (0001) plane of the α phase is the c-axis direction, and the c-axis direction is ND The angle formed by the direction is θ, the angle formed by the plane including the c-axis azimuth and the ND direction with the plane including the ND direction and the TD direction is φ, the angle θ is 0 ° or more and 30 ° or less, and φ is the entire circumference. Among the (0002) reflected relative intensities of X-rays by crystal grains entering (-180 degrees to 180 degrees), the strongest intensity is XND, and the angle θ is 80 degrees or more. Of the X-ray (0002) reflection relative intensities of crystal grains that are less than 100 degrees and φ is within ± 10 degrees, the strongest intensity is XTD, XTD / XND is 4.0 or more, An α + β-type titanium alloy hot-rolled sheet excellent in hot workability, having a Young's modulus of 135 GPa or more, a tensile strength in the sheet width direction of 1100 MPa or more, and excellent fatigue characteristics.
Here, the plate width direction is a direction perpendicular to the hot rolling direction within the plate surface.
[O] eq = [O] + 2.77 [N] ... Formula (1)
Here, [O] is the oxygen concentration (mass%), and [N] is the nitrogen concentration (mass%).
(2) By mass%, 4.7 to 5.5% Al, 0.5 to 1.3% Fe, 0.03% or less N, and calculated from the formula (1) [O] Rolling of hot-rolled sheet containing O and N satisfying eq of 0.13% or more and less than 0.25%, further containing 0.20 to 0.40% Si, the balance being Ti and unavoidable impurities The surface normal direction is the ND direction, the hot rolling direction is the RD direction, the plate width direction of the hot-rolled sheet is the TD direction, the normal direction of the (0001) plane of the α phase is the c-axis direction, and the c-axis direction is ND The angle formed by the direction is θ, the angle formed by the plane including the c-axis azimuth and the ND direction with the plane including the ND direction and the TD direction is φ, the angle θ is 0 ° or more and 30 ° or less, and φ is the entire circumference. Among the (0002) reflected relative intensities of X-rays by crystal grains entering (-180 degrees to 180 degrees), the strongest intensity is XND, and the angle θ is 80 degrees or more. Of the X-ray (0002) reflection relative intensities of crystal grains that are less than 100 degrees and φ is within ± 10 degrees, the strongest intensity is XTD, XTD / XND is 4.0 or more, An α + β-type titanium alloy hot-rolled sheet excellent in hot workability, having a Young's modulus of 135 GPa or more, a tensile strength in the sheet width direction of 1100 MPa or more, and excellent fatigue characteristics and impact toughness.
Here, the plate width direction is a direction perpendicular to the hot rolling direction within the plate surface.
[O] eq = [O] + 2.77 [N] ... Formula (1)
Here, [O] is the oxygen concentration (mass%), and [N] is the nitrogen concentration (mass%).
(3) The titanium alloy slab having the composition described in (1) or (2) is heated to the β single phase region or the α + β2 phase region from the β transformation point to a temperature lower by 50 ° C. than the β transformation point , and unidirectionally. The method for producing an α + β-type titanium alloy hot rolled sheet according to (1) or (2) , wherein hot rolling is performed at a hot rolling rate of 90% or more .

本発明により、板幅方向で、高い強度・延性バランスおよびヤング率を有すると共に、疲労特性および/あるいは衝撃靭性に優れた、α+β型チタン合金板を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an α + β-type titanium alloy sheet having a high strength / ductility balance and Young's modulus in the sheet width direction and having excellent fatigue characteristics and / or impact toughness.

結晶方位を説明する図Diagram explaining crystal orientation X線極点図を説明する図Diagram explaining X-ray pole figure

本発明者らは上記課題を解決すべく、チタン合金の材質特性に及ぼす成分元素および製造方法の影響を詳しく調査した結果、Fe、Al、O、N、Si添加量をコントロールすることにより、高い強度・延性バランスと、高いヤング率を具備し、良好な熱間加工性を有するα+β型チタン合金を製造することが可能であることを見出した。特に、α相に固溶して強化する働きのあるOとNの添加量を[O]eq式で適正な範囲に規定するとともに、Siを適正量添加することにより、ハイエンドのゴルフクラブフェースとして要求される高い強度とヤング率および疲労特性を確保できることを見出した。さらに、Alを主としてO、N、Siを複合添加して強化した本発明合金では、板製品を製造する場合、一方向熱延もしくは冷延により、材質異方性をもたらす集合組織が適正に発達し、圧延方向に垂直な方向である板幅方向のヤング率及び強度が、圧延方向よりも増大する材質異方性が生じる。さらに、疲労特性および/あるいは衝撃靭性が優れているという特徴も有する。 In order to solve the above problems, the present inventors have investigated in detail the effects of the component elements and the production method on the material properties of the titanium alloy. As a result, the amount of Fe, Al, O, N, and Si is increased by controlling the amount of addition. It has been found that an α + β type titanium alloy having a balance between strength and ductility and a high Young's modulus and having good hot workability can be produced. In particular, the addition amount of O and N, which has the function of strengthening by solid solution in the α phase, is regulated within the proper range by the [O] eq formula, and by adding the proper amount of Si, it becomes a high-end golf club face. It was found that the required high strength, Young's modulus and fatigue characteristics can be secured. Furthermore, in the present invention alloy that is strengthened by adding Al, mainly O, N, and Si, when producing plate products, the texture that causes material anisotropy is properly developed by unidirectional hot rolling or cold rolling. However, material anisotropy occurs in which the Young's modulus and strength in the sheet width direction, which is a direction perpendicular to the rolling direction, are increased as compared to the rolling direction. Furthermore, it has the characteristic that fatigue characteristics and / or impact toughness are excellent.

ゴルフクラブフェース面において、ヤング率と引張強度は、ゴルフクラブフェース面の縦方向において目標値を実現すれば十分である。従って、板の少なくとも一方向で必要とされるヤング率と引張強度を実現すればよい。ここで、薄板製品においては、一方向圧延を行うことにより、板幅方向についてヤング率と引張強度について目標を実現することが可能である。即ち、ゴルフクラブフェース面の縦方向を前記板幅方向にとれば、ゴルフクラブフェースに必要とされる一方向(ゴルフクラブフェース面の縦方向)での高いヤング率と引張強度を得ることができる。また、板幅方向に繰返し曲げ変形を行う場合の曲げ疲労特性や、ノッチを板幅方向に入れた場合のシャルピー衝撃特性も向上させることができる。   In the golf club face surface, it is sufficient that the Young's modulus and the tensile strength achieve the target values in the longitudinal direction of the golf club face surface. Therefore, the Young's modulus and tensile strength required in at least one direction of the plate may be realized. Here, in the thin plate product, by performing unidirectional rolling, it is possible to achieve the targets for the Young's modulus and the tensile strength in the plate width direction. That is, if the longitudinal direction of the golf club face is taken as the plate width direction, a high Young's modulus and tensile strength in one direction required for the golf club face (longitudinal direction of the golf club face) can be obtained. . Further, it is possible to improve the bending fatigue characteristics when the bending deformation is repeatedly performed in the sheet width direction and the Charpy impact characteristics when the notches are inserted in the sheet width direction.

本発明は以上の知見に基づいてなされたものである。以下に、本発明に示した各種添加元素を選択した理由と、その添加量範囲を限定した理由を示す。以下、特に指定しない限り、%は質量%を意味する。   The present invention has been made based on the above findings. The reasons for selecting the various additive elements shown in the present invention and the reasons for limiting the addition amount range are shown below. Hereinafter, unless otherwise specified,% means mass%.

Feは、β相安定化元素のうちで安価な添加元素であり、β相を強化する働きを有する。かつ、β安定化能が高いため、比較的低い添加量でもβ相を安定化できる特性を有する。自動車部品や民生品などの用途、例えば、ゴルフクラブフェースとして必要な強度を得るには、0.5%以上のFeの添加が必要である。一方、FeはTi中で凝固偏析しやすく、また、多量に添加すると、α相に比べてヤング率の低いβ相の体積分率が増えるため、バルクのヤング率が低下してしまい、板面内の一方向でヤング率135GPa未満となって、ゴルフクラブフェースとして使用される場合に反発係数規制をクリアすることが困難となる。更に、Fe含有率の上昇により強度が上昇し、結果として、衝撃靭性の低下も見られることが分かった。それらの影響を考慮して、Feの添加量の上限を1.3%とした。なお、強度特性を重視するとともに、ヤング率低下による反発係数規制を確実にクリアするには、Fe添加量の下限として0.7%、上限として1.2%が望ましい。   Fe is an inexpensive additive element among the β-phase stabilizing elements and has a function of strengthening the β-phase. In addition, since the β-stabilizing ability is high, the β-phase can be stabilized even with a relatively low addition amount. Addition of 0.5% or more of Fe is necessary in order to obtain the strength required for applications such as automobile parts and consumer products, for example, golf club faces. On the other hand, Fe is prone to solidification and segregation in Ti, and if added in a large amount, the volume fraction of the β phase, which has a lower Young's modulus compared to the α phase, increases, resulting in a decrease in the bulk Young's modulus. The Young's modulus is less than 135 GPa in one of the directions, making it difficult to satisfy the rebound coefficient regulation when used as a golf club face. Furthermore, it turned out that intensity | strength raises with the raise of Fe content rate, and the fall of impact toughness is also seen as a result. Considering those effects, the upper limit of the amount of Fe added is set to 1.3%. In addition, in order to emphasize strength characteristics and to reliably satisfy the coefficient of restitution due to a decrease in Young's modulus, it is desirable that the lower limit of Fe addition is 0.7% and the upper limit is 1.2%.

Alはチタンα相の安定化元素であり、高い固溶強化能を有すると共に、安価な添加元素である。後述するO、Nとの複合添加により、高グレードのゴルフクラブフェース等の用途として優れた疲労特性を確保できる必要な強度レベルである、薄板製品の板幅方向で引張強さ1100MPa以上を得るため、添加量の下限を4.7%とした。一方、5.5%を超えてAlを添加すると、熱間変形抵抗増大により熱間加工性の低下をもたらすと共に、凝固偏析等によりα相を過度に固溶強化して局所的に硬い領域を生成し、疲労強度の低下をもたらすとともに、衝撃靭性の低下ももたらす。したがって、Alの添加量は5.5%以下にする必要がある。   Al is a stabilizing element of the titanium α phase, has high solid solution strengthening ability, and is an inexpensive additive element. In order to obtain a tensile strength of 1100 MPa or more in the sheet width direction of a thin sheet product, which is a necessary strength level that can ensure excellent fatigue characteristics for applications such as high-grade golf club faces by combined addition with O and N described later. The lower limit of the amount added was 4.7%. On the other hand, when Al is added in excess of 5.5%, hot workability is decreased due to an increase in hot deformation resistance, and the α phase is excessively solid-solution strengthened by solidification segregation or the like to locally harden the region. In addition to reducing fatigue strength, it also reduces impact toughness. Therefore, the amount of Al needs to be 5.5% or less.

OおよびNはいずれもα相中に侵入型固溶して、室温付近の温度でα相を固溶強化する作用を有する。Alとの複合添加により、高強度さらには高ヤング率を達成することが可能となる。その一方で、Alと異なり、熱間変形抵抗を上昇させないため、O、N、Siを複合添加することによりAl添加量を抑えることが可能となる。特許文献4〜6に記載されているように、Tiに及ぼすOとNの強化機構の類似性から、室温での強度に及ぼすOおよびNの働きは、前記式(1)に示す[O]eqにより一義的に表すことができる。Siを添加した場合であっても、[O]eqが0.13%未満となるO、Nの添加では、例えば、高グレードのゴルフクラブフェースとして十分な疲労特性を示す、薄板製品で板面内の一方向で引張強さ1100MPa以上の強度を安定して得ることはできない。特許文献7において、O単独で0.08%を下限としており、十分な強度を得ることを目的としていないことが分かる。また、Siを複合添加していることにより、[O]eqが0.25%以上となる範囲のO、Nを添加すると、凝固偏析によるα相の過度の固溶強化に伴い、局所的に硬い領域が生成され、疲労強度および/あるいは、衝撃靭性が低下してしまう。したがって、式(1)で示される[O]eqの下限を0.13%以上、上限を0.25%未満とした。 Both O and N have an interstitial solid solution in the α phase and have the effect of strengthening the α phase by solid solution strengthening at a temperature near room temperature. By combined addition with Al, it becomes possible to achieve high strength and also high Young's modulus. On the other hand, unlike Al, since the hot deformation resistance is not increased, it is possible to suppress the amount of Al added by adding O, N, and Si in combination. As described in Patent Documents 4 to 6, from the similarity of the strengthening mechanism of O and N on Ti, the action of O and N on the strength at room temperature is represented by the formula [1] It can be uniquely expressed by eq . Even when Si is added, the addition of O and N with [O] eq of less than 0.13% shows, for example, a thin plate product that exhibits sufficient fatigue characteristics as a high-grade golf club face. It is impossible to stably obtain a strength of 1100 MPa or more in one direction. In patent document 7, it turns out that 0.08% is made into a lower limit only by O, and it is not aiming at obtaining sufficient intensity | strength. In addition, when O and N in a range where [O] eq is 0.25% or more are added due to the complex addition of Si, locally, along with excessive solid solution strengthening of α phase due to solidification segregation, A hard region is generated, and fatigue strength and / or impact toughness is reduced. Therefore, the lower limit of [O] eq represented by the formula (1) is set to 0.13% or more and the upper limit is set to less than 0.25%.

N添加量については、高濃度のNを含有するスポンジチタンを使用する通常の添加方法により、0.030%を超えるNを添加すると、LDI(Low density Inclusion)と呼ばれる未溶解介在物が生成しやすくなり、製品の歩留が低くなるため、0.030%を上限とした。Nは含有しなくてもよい。   As for the amount of N added, when 0.030% or more of N is added by a normal addition method using sponge titanium containing a high concentration of N, undissolved inclusions called LDI (Low density Inclusion) are generated. Since it becomes easy and the yield of the product becomes low, 0.030% was made the upper limit. N may not be contained.

Siはチタンβ相の安定化元素であるが、α相中にも固溶して高い固溶強化能を有すると共に、安価な添加元素である。O、Nとの複合添加により、例えば、高グレードのゴルフクラブフェースとして疲労特性を確保するのに必要な強度レベルである、薄板製品の板幅方向で引張強さ1100MPa以上を得るため、添加量の下限を0.15%とした。好ましくは0.25%以上である。また、SiはOと逆の偏析傾向があること、O程には凝固偏析しにくいことから、適正量のSiをOと複合添加することにより、高い疲労強度と高い引張強度を両立することが可能である。この点が、Si添加効果の特徴である。ここで、特許文献6、7では、本発明に類似の成分系で、疲労強度低下の観点から、Si添加量は0.25%未満に規定されている。しかし、Siが0.25%以上添加されていても、粗大なシリサイドが生成しなければ疲労特性の低下は起らない。また、Siが0.2%以上になると、衝撃靭性も向上することが分かった。即ち、0.2%以上のSiの組成領域において、疲労特性および衝撃靭性に優れた特性が得られる。一方、0.40%を超えてSiを添加すると、熱延あるいは熱間鍛造中、もしくは、冷却中に粗大なシリサイドが生成して、強度が低下すると共に、疲労破壊の起点となりやすくなることから、例えばゴルフクラブフェースや一部の自動車用部品等として十分な疲労特性を確保できなくなる上、衝撃靭性の低下を招く。さらに、Siは熱間変形抵抗を増大させる作用を有し、0.40%を超えるSiを含有させると急激に熱間変形抵抗が高くなり、熱間加工性が低下する。したがって、Siの添加量は0.40%以下にする必要がある。衝撃靭性へのSiの効果について、添加量が0.40%を超えると悪化させ、0.2%未満では効果が認められない。Si添加量が0.2〜0.40%の範囲では、添加量が多いほど衝撃靭性を向上させることが可能である。   Si is a stabilizing element of the titanium β phase, but is also an inexpensive additive element while being dissolved in the α phase and having a high solid solution strengthening ability. The combined addition with O and N, for example, to obtain a tensile strength of 1100 MPa or more in the sheet width direction of a thin sheet product, which is a strength level necessary to ensure fatigue characteristics as a high-grade golf club face. Was set to 0.15%. Preferably it is 0.25% or more. In addition, Si has a tendency to segregate opposite to O, and solidification segregation is less likely to occur as much as O. Therefore, by adding an appropriate amount of Si in combination with O, both high fatigue strength and high tensile strength can be achieved. Is possible. This is a feature of the Si addition effect. In Patent Documents 6 and 7, the amount of Si added is specified to be less than 0.25% from the viewpoint of reducing fatigue strength in a component system similar to the present invention. However, even if Si is added in an amount of 0.25% or more, fatigue characteristics do not deteriorate unless coarse silicide is generated. Moreover, when Si became 0.2% or more, it turned out that impact toughness also improves. That is, in the Si composition region of 0.2% or more, characteristics excellent in fatigue characteristics and impact toughness can be obtained. On the other hand, if Si is added in excess of 0.40%, coarse silicide is generated during hot rolling, hot forging, or cooling, resulting in reduced strength and a tendency to become the starting point of fatigue failure. For example, sufficient fatigue properties cannot be ensured for golf club faces, some automobile parts, etc., and impact toughness is reduced. Furthermore, Si has an action of increasing the hot deformation resistance. If Si exceeds 0.40%, the hot deformation resistance is rapidly increased and the hot workability is lowered. Therefore, the amount of Si needs to be 0.40% or less. The effect of Si on impact toughness is exacerbated when the added amount exceeds 0.40%, and when it is less than 0.2%, no effect is observed. When the Si addition amount is in the range of 0.2 to 0.40%, the impact toughness can be improved as the addition amount increases.

ゴルフクラブフェース用途を考慮すると、フェース形状への成形加工度が軽く、フェース形状により反発係数を低く抑える余地の少ない薄板製品をフェース用素材として製造する場合、Transverse-textureを発達させると、板幅方向の引張強さ及びヤング率が高くなり、フェース用素材として好ましい。この時、図1(a)に示すように、熱間圧延板の法線方向をND方向、熱間圧延方向をRD方向、熱間圧延板の幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をc軸方位として、c軸方位がND方向となす角度をθ、c軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとして定める。次に、図1(b)に示すように、角度θが0度以上、30度以下であり、かつφが全周(−180度〜180度)に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、図1(c)に示すように、角度θが80度以上、100度未満であり、φが±10度に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとする。そして、XTD/XNDが4.0以上である場合に、板幅方向の引張強さは1100MPa、ヤング率は135GPaを満足することから、ハイエンド機種のゴルフクラブフェースに要求される特性をクリアできる。したがって、上に記載したXTD/XNDの範囲を4.0以上と規定した。   Considering golf club face applications, when manufacturing thin plate products with low room for reducing the coefficient of restitution due to the face shape as a material for the face, the width of the plate can be increased by developing a transverse-texture. The tensile strength and Young's modulus in the direction are increased, which is preferable as a face material. At this time, as shown in FIG. 1 (a), the normal direction of the hot rolled sheet is the ND direction, the hot rolled direction is the RD direction, the width direction of the hot rolled sheet is the TD direction, ) The normal direction of the surface is defined as the c-axis direction, the angle between the c-axis direction and the ND direction is defined as θ, and the angle between the surface including the c-axis direction and the ND direction as the surface including the ND direction and the TD direction is defined as φ. Next, as shown in FIG. 1B, the X-ray (0002) of the crystal grains having an angle θ of 0 degrees or more and 30 degrees or less and φ of the entire circumference (−180 degrees to 180 degrees). Among the reflected relative intensities, the strongest intensity is XND, and as shown in FIG. 1C, the angle θ is 80 degrees or more and less than 100 degrees, and the X-rays ( [0002] Of the reflected relative intensities, the strongest intensity is XTD. When XTD / XND is 4.0 or more, the tensile strength in the plate width direction satisfies 1100 MPa and the Young's modulus satisfies 135 GPa, so that the characteristics required for a high-end golf club face can be cleared. Therefore, the XTD / XND range described above was defined as 4.0 or more.

薄板製品の製造プロセスにおいて、上記成分範囲にAl、Fe、O、N、Si添加量を制限し、β単相域あるいはβ変態点直下のα+β2相域に加熱して一方向熱延する。β変態点直下とは、β変態点よりも50℃低い温度までを意味する。これにより、XTD/XNDの範囲を4.0以上とすることができる。Transverse-textureが発達しやすいからである。こうして、高グレードのゴルフクラブフェース用に要求される板幅方向の引張強さ1100MPa以上、ヤング率135GPa以上を得ることができ、さらに、高い疲労特性を有しており、フェース用素材として最適なものを製造することが可能となる上、衝撃靭性にも優れる。   In the manufacturing process of a thin plate product, the addition amount of Al, Fe, O, N, and Si is limited to the above component range, and the unidirectional hot rolling is performed by heating to the β single phase region or the α + β2 phase region immediately below the β transformation point. The term “below the β transformation point” means that the temperature is 50 ° C. lower than the β transformation point. Thereby, the range of XTD / XND can be 4.0 or more. This is because Transverse-texture is easy to develop. Thus, the tensile strength in the plate width direction required for high grade golf club faces of 1100 MPa or more and Young's modulus of 135 GPa or more can be obtained, and furthermore, it has high fatigue characteristics and is optimal as a face material. In addition to being able to manufacture products, it has excellent impact toughness.

ここで、高い疲労特性とは、10万回繰り返し3点曲げ疲労試験を行った場合の疲労強度が800MPa以上であることで定義される。   Here, the high fatigue property is defined by the fact that the fatigue strength when the three-point bending fatigue test is repeated 100,000 times is 800 MPa or more.

また、高い衝撃靭性とは、シャルピー吸収エネルギーが25J/cm2であることと定義した。 High impact toughness was defined as Charpy absorbed energy of 25 J / cm 2 .

この薄板素材を製造する際、熱間圧延開始から終了まで、一貫して一方向にのみ圧延する理由は、本発明が目的とする、材質異方性に伴う板幅方向の高いヤング率が得られるTransverse-textureを効率的に得るためである。こうして、高いヤング率と強度を有する該チタン合金薄板をゴルフクラブフェース用素材として使用する場合、板幅方向をフェースの縦方向かそれに近い方向に配置することにより、反発係数規制に対応し、かつ、高い疲労特性、すなわち、高い疲労特性を具備するフェースを製造することが可能となる上、衝撃靭性にも優れる。熱間圧延温度は、β変態点近傍の二相域とすることで、前記Transverse-textureを形成する元となる核の発生が促進され、β変態点を超えると加熱するためのエネルギーコストがかかるため、熱延加熱温度はβ変態点直下温度とした。好ましくは、β変態点−65℃の温度以上β変態点以下の範囲である。さらに熱間圧延率としては、Transverse-textureが成長するためには90%以上とすることが好ましい。   The reason for rolling in one direction consistently from the start to the end of hot rolling when manufacturing this thin plate material is that the high Young's modulus in the plate width direction accompanying the material anisotropy is the purpose of the present invention. This is to obtain the transverse-texture efficiently. Thus, when the titanium alloy thin plate having a high Young's modulus and strength is used as a golf club face material, the plate width direction is arranged in the longitudinal direction of the face or a direction close thereto, thereby complying with the coefficient of restitution coefficient, and It is possible to produce a face having high fatigue characteristics, that is, high fatigue characteristics, and excellent impact toughness. The hot rolling temperature is a two-phase region in the vicinity of the β transformation point, so that the generation of nuclei that form the transverse-texture is promoted, and when the β transformation point is exceeded, the energy cost for heating is increased. Therefore, the hot rolling heating temperature is set to a temperature immediately below the β transformation point. Preferably, it is in the range of a temperature of β transformation point −65 ° C. or more and β transformation point or less. Further, the hot rolling rate is preferably 90% or more in order for Transverse-texture to grow.

また、前記の組成のチタン合金スラブは、熱間圧延するに際して、熱延疵の発生が無く、熱間加工性に優れている。ここでは、熱延疵の無い熱延板を熱間加工性の良い熱延板としている。また、熱延疵とは、深さが0.3mm以上の疵を言い、熱延板前面にわたって目視検査を行い、熱延疵の可能性のあるものについてその深さを計測することによって判断する。   In addition, the titanium alloy slab having the above composition has no hot rolling during hot rolling and is excellent in hot workability. Here, a hot-rolled sheet without hot-rolling is used as a hot-rolled sheet with good hot workability. The hot rolled steel is a steel sheet having a depth of 0.3 mm or more, and is determined by performing a visual inspection over the front surface of the hot rolled sheet and measuring the depth of a material that may be hot rolled. .

<実施例1>
真空アーク溶解法により、表1に示す化学組成のチタン材を溶解し、これを熱間鍛造して厚さ180mmのスラブとした。このスラブを1060℃に加熱して、試験番号1および22以外のものについては、一方向に熱間圧延して、厚さ4mmの熱延板を製造した。試験番号1および22では、スラブを1060℃に加熱して、板幅方向への熱間圧延を含むクロス圧延により、厚さ4mmの熱延板を製造した。これをショットブラスト処理後、酸洗して酸化スケールを除去した。
<Example 1>
A titanium material having the chemical composition shown in Table 1 was melted by a vacuum arc melting method, and this was hot forged to obtain a slab having a thickness of 180 mm. This slab was heated to 1060 ° C., and those other than test numbers 1 and 22 were hot-rolled in one direction to produce a hot-rolled sheet having a thickness of 4 mm. In Test Nos. 1 and 22, a slab was heated to 1060 ° C., and a hot rolled sheet having a thickness of 4 mm was manufactured by cross rolling including hot rolling in the sheet width direction. This was shot blasted and then pickled to remove oxide scale.

酸化スケールを除去した際に表面キズ深さをデプスゲージで測定し、熱間加工性を評価した(○:最大キズ深さ≦0.3mm、×:最大キズ深さ≧0.3mm)。その結果と、引張特性を調べた結果も併せて表1に示す。   When the oxide scale was removed, the surface scratch depth was measured with a depth gauge to evaluate hot workability (O: maximum scratch depth ≦ 0.3 mm, x: maximum scratch depth ≧ 0.3 mm). The results and the results of examining the tensile properties are also shown in Table 1.

さらに、この熱延酸洗板の板面方向の集合組織をX線回折により測定し、熱間圧延面よりND方向からのα相の(0001)面極点図において、図2のハッチング部(領域B)に示したように、c軸方位とND方向のなす角度θが30度未満である結晶粒(図1(b)に示す領域)によるX線のα相(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、図2のハッチング部(領域C)に示すように、c軸方位とND方向のなす角度θが80度以上、100度以下であって、前記φが±10度の範囲にある結晶粒(図1(c)に示す領域)によるX線のα相(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとし、それらの比XTD/XNDをX線異方性指数として、集合組織の発達程度を評価した。   Further, the texture in the plate surface direction of the hot-rolled pickled plate was measured by X-ray diffraction, and in the (0001) plane pole figure of the α phase from the ND direction from the hot rolled surface, the hatched portion (region) in FIG. As shown in B), of the α phase (0002) reflection relative intensity of the X-rays by the crystal grains (region shown in FIG. 1B) where the angle θ between the c-axis orientation and the ND direction is less than 30 degrees. The strongest strength is XND, and the angle θ between the c-axis azimuth and the ND direction is not less than 80 degrees and not more than 100 degrees as shown in the hatched area (region C) in FIG. Among the X-ray α-phase (0002) reflection relative intensities of crystal grains in the range (region shown in FIG. 1C), the strongest intensity is XTD, and the ratio XTD / XND is X-ray anisotropy. The degree of texture development was evaluated as an index.

表中には、室温において三点曲げ疲労試験を実施した時の10万回疲労強度を示す。疲労特性評価用試験片には、熱延板の板厚中央部付近から、板幅方向を長手方向とするt2.0(mm)×w15(mm)×L60(mm)を加工して表面を平滑に仕上げたものを使用した。3点曲げの要領で、先端にR=2mmの曲率を持つ冶具(ポンチ)を試験片の長手方向中央部に押込むことにより、応力比0.1で6Hzの繰返し荷重を与え、疲労試験を行った。即ち、繰り返し3点曲げ疲労試験である。荷重点と両側の各支点との間の距離を各々20mmとした。即ち、両側の支点間距離が40mmであって、その中央に、曲げ応力負荷を与えるポンチが位置するという配置である。ここで、応力比とは、試験片にかける最大負荷応力に対する最小負荷応力の比で定義される。試験片にかける応力は、ポンチの押し込み荷重を測定すると共に、試験片の各寸法を、材料力学のたわみの式に代入することにより求められる。曲げにより発生する歪は、上記の材料力学の式から求めてもよいし、試料に歪みゲージを貼り、その長手方向に発生する歪を実測して求めてもよい。最大応力と最小応力に対応するポンチの押し込み量が、ポンチのストロークの上限および下限を決めることとなる。この上限と下限の間をポンチが繰り返し往復することによって繰り返し荷重が与えられる。応力比0.1で疲労試験を行うということは、最大応力と最小応力の比が0.1ということである。例えば、最大応力が800MPaの場合、最小応力は80MPaとなるように押し込み荷重を調整し、繰り返し応力をかけることとなる。本発明では、10万回疲労強度(105回疲労強度)を、105回の繰り返し荷重付与で破断しない最大負荷応力と定義し、それが800MPa以上を維持することを特徴とする。これは非常に高い疲労特性を有していることを示し、ハイグレードのゴルフクラブフェースに必要とされる高い耐久性を有することを示す。逆に、800MPa以下の最大負荷応力で繰り返し荷重を与えた場合に、105回以下の繰り返し回数で破断すれば、本発明の目的とする疲労特性を満たさないことになる。105回以上の繰り返し荷重付与でも破断しなかった試料については、同一素材で異なる試験片について最大負荷応力を増加させ、繰り返し荷重付与を行い、再び105回でも破断しなかった場合は、さらに最大負荷応力を増加させた条件で、新たな試験片で繰り返し荷重試験を行い、破断が見られるまで、この手続を繰り返して疲労試験を行った。 The table shows the 100,000 times fatigue strength when a three-point bending fatigue test is performed at room temperature. For the test piece for fatigue property evaluation, the surface is processed by processing t2.0 (mm) × w15 (mm) × L60 (mm) with the plate width direction as the longitudinal direction from near the center of the thickness of the hot-rolled plate. A smooth finish was used. By pushing a jig (punch) with a curvature of R = 2mm at the tip into the longitudinal center of the test piece in the manner of three-point bending, a repeated load of 6Hz is given at a stress ratio of 0.1, and a fatigue test is performed. went. That is, a repeated three-point bending fatigue test. The distance between the load point and each fulcrum on both sides was 20 mm. That is, the distance between the fulcrums on both sides is 40 mm, and a punch for applying a bending stress load is located at the center thereof. Here, the stress ratio is defined as the ratio of the minimum load stress to the maximum load stress applied to the test piece. The stress applied to the test piece is obtained by measuring the indentation load of the punch and substituting each dimension of the test piece into the bending equation of material mechanics. The strain generated by bending may be obtained from the above formula of material mechanics, or may be obtained by measuring a strain generated in the longitudinal direction by attaching a strain gauge to the sample. The pushing amount of the punch corresponding to the maximum stress and the minimum stress determines the upper limit and the lower limit of the punch stroke. The load is repeatedly applied by the punch repeatedly reciprocating between the upper limit and the lower limit. Performing a fatigue test at a stress ratio of 0.1 means that the ratio of maximum stress to minimum stress is 0.1. For example, when the maximum stress is 800 MPa, the indentation load is adjusted so that the minimum stress is 80 MPa, and the stress is repeatedly applied. In the present invention, the 100,000 times fatigue strength (10 5 times fatigue strength) is defined as the maximum load stress that does not break by applying 10 5 times repeated load, and it is characterized by maintaining 800 MPa or more. This indicates that it has very high fatigue properties and that it has the high durability required for high grade golf club faces. On the other hand, when a repeated load is applied at a maximum load stress of 800 MPa or less, if the fracture occurs at a repeat count of 10 5 times or less, the intended fatigue characteristics of the present invention are not satisfied. For samples that did not break even after repeated application of 10 5 times or more, the maximum load stress was increased for different specimens of the same material, repeated load application was performed, and when the sample did not break again even 10 5 times, Under the condition that the maximum load stress was increased, a repeated load test was performed on a new specimen, and this procedure was repeated until a fracture was observed, and a fatigue test was performed.

また、Siを含有しない比較例である表1の試験番号18と、Siを含有する発明例である表1の試験番号20を比較すると、105回疲労強度において、比較例が劣っており、本発明の特徴の一つであるSiと酸素、窒素の複合添加効果が示されることが分かる。 Further, when comparing test number 18 in Table 1 which is a comparative example not containing Si and test number 20 in Table 1 which is an example containing Si, the comparative example is inferior in 10 5 times fatigue strength, It can be seen that the combined effect of Si, oxygen, and nitrogen, which is one of the features of the present invention, is shown.

さらに、熱延板の長手方向より、JIS Z2242に規定されるシャルピー衝撃試験片(サブサイズ、t2.5(mm)×w10(mm)×L55(mm))を加工して、シャルピー衝撃試験を行い、衝撃靭性を評価した。衝撃試験片には、深さ2mmのVノッチを元の熱延板の板幅方向に相当する向きに加工した。シャルピー衝撃試験は22℃で行い、ハンマーの上った高さより求められる吸収エネルギーを試験片の断面積で除した値をシャルピー衝撃吸収エネルギーとして評価した。   Furthermore, the Charpy impact test piece (subsize, t2.5 (mm) x w10 (mm) x L55 (mm)) defined in JIS Z2242 is processed from the longitudinal direction of the hot-rolled sheet, and the Charpy impact test is performed. And impact toughness was evaluated. The impact test piece was processed with a V notch having a depth of 2 mm in a direction corresponding to the width direction of the original hot-rolled sheet. The Charpy impact test was performed at 22 ° C., and the value obtained by dividing the absorbed energy obtained from the height of the hammer by the cross-sectional area of the test piece was evaluated as the Charpy impact absorbed energy.

Figure 0005874707
Figure 0005874707

表1において、試験番号1はTi−6%Al−4%V合金を板幅方向への熱間圧延を含むクロス圧延した場合の結果、試験番号2はTi−7%Al−1%Feを一方向熱延した場合の結果である。試験番号1のXTD/XNDは3.0を下回り、板幅方向の引張強さは1100MPaに達していない。また、試験番号2ではXTD/XNDは3.0を上回っており、板幅方向の引張強さ(TS)は1100MPa以上、ヤング率は135GPa以上を満たしているが、0.5mm以上の深さの熱延キズが発生しており、熱間加工性は悪い上に、シャルピー衝撃吸収エネルギーも25J/cm2を下回っており、衝撃靭性も低い。この衝撃靭性の低下は、Al含有量が高いためである。また、試験番号18、19は本発明で規定したSi量を下回る添加量であり、ヤング率135GPa、引張強さ1100MPaを満たし、熱間圧延性も良好であるが、105回疲労強度は800MPaを下回っており、疲労特性は十分ではない。また、衝撃靭性も低い。 In Table 1, test number 1 is the result of cross-rolling a Ti-6% Al-4% V alloy including hot rolling in the sheet width direction. Test number 2 is Ti-7% Al-1% Fe. This is the result when unidirectional hot rolling is performed. XTD / XND of test number 1 is less than 3.0, and the tensile strength in the plate width direction does not reach 1100 MPa. In Test No. 2, XTD / XND exceeds 3.0, the tensile strength (TS) in the plate width direction is 1100 MPa or more, and the Young's modulus is 135 GPa or more, but the depth is 0.5 mm or more. In addition to poor hot workability, the Charpy impact absorption energy is below 25 J / cm 2 , and the impact toughness is low. This reduction in impact toughness is due to the high Al content. Test numbers 18 and 19 are addition amounts lower than the Si amount defined in the present invention, satisfy Young's modulus of 135 GPa, tensile strength of 1100 MPa, and good hot rollability, but 10 5 times fatigue strength is 800 MPa. The fatigue characteristics are not sufficient. Also, impact toughness is low.

これに対し、本発明の実施例である試験番号4、5、8、9、12、13、15、16、20、23、24は、板幅方向で1100MPa以上の高い引張強さ(EL)を示す上、800MPaを超える高い105回疲労強度を示している。これらの特性から、例えば、ゴルフクラブフェースとして使用される場合に優れた特性を有する。さらにSi含有量が0.2%以上である試験番号4、5、12、13、15、16、20、23、24は、25J/cm2を超える高いシャルピー衝撃吸収エネルギーも有している。特に、Si添加量の高い試験番号4、5、12、13、20、23、24ではシャルピー衝撃吸収エネルギーは30J/mm2を超えており、極めて良好な衝撃靭性を有している。 On the other hand, test numbers 4, 5, 8, 9, 12, 13, 15, 16, 20, 23, and 24, which are examples of the present invention, have a high tensile strength (EL) of 1100 MPa or more in the plate width direction. And a high 10 5 times fatigue strength exceeding 800 MPa. From these characteristics, for example, it has excellent characteristics when used as a golf club face. Furthermore, test numbers 4, 5, 12, 13, 15, 16, 20, 23, and 24 having a Si content of 0.2% or more also have high Charpy impact absorption energy exceeding 25 J / cm 2 . In particular, in Test Nos. 4, 5, 12, 13, 20, 23, and 24 with a high Si addition amount, Charpy impact absorption energy exceeds 30 J / mm 2 and has extremely good impact toughness.

一方、試験番号3、7、7A、11では、板幅方向の引張強さが1100MPa以下であり、フェースに使用するには十分な強度を有していない。試験番号3、7、7A、11の順に、それぞれ、Al、Fe、[O]eq量が本発明の下限値を下回っていたため、固溶強化能が十分でなく、引張強さが低くなったためである。 On the other hand, in test numbers 3, 7, 7A, and 11, the tensile strength in the plate width direction is 1100 MPa or less, and the strength is not sufficient for use in the face. Since the amounts of Al, Fe, and [O] eq were below the lower limit of the present invention in the order of test numbers 3, 7, 7A, and 11, respectively, the solid solution strengthening ability was not sufficient, and the tensile strength was low. It is.

試験番号14では、本発明例に比べて105回疲労強度が低く、十分な疲労特性を付与できていない。また、シャルピー衝撃吸収エネルギーも低い。試験番号14では[O]eqが上限を超えたため、Oの凝固偏析により局所的に硬さの高い領域が生成し、疲労強度ならびに衝撃靭性が低下したためである。また、試験番号17では、Nが本発明の上限を越えて添加されており、LDI発生が確認されたため、試験を中断した。 In Test No. 14, the fatigue strength is 10 5 times lower than that of the example of the present invention, and sufficient fatigue characteristics cannot be imparted. Charpy impact absorption energy is also low. In Test No. 14, because [O] eq exceeded the upper limit, a region of high hardness was locally generated due to solidification segregation of O, and fatigue strength and impact toughness were reduced. In test number 17, N was added in excess of the upper limit of the present invention, and the occurrence of LDI was confirmed, so the test was stopped.

また、試験番号6、17、21では、熱延後に0.5mmを超える深さの表面欠陥が多発した。試験番号6、21ではそれぞれ、熱間加工性を低下させるAl、Siが本発明の上限を超えて添加されており、熱延キズが発生したためである。試験番号17では、過剰のN含有によりLDIが生成し表面近傍の物が欠陥として認識されたためである。試験番号21では、過剰のSi含有により粗大なシリサイドが析出し、熱間加工中にシリサイドと母相の間にボイドが生成・連結して表面欠陥となったためである。試験番号6ではシャルピー衝撃吸収エネルギーも25J/cm2を下回っており、衝撃靭性も低い。これはAl添加量が高く、強度が高過ぎたためである。さらに、試験番号21では105回疲労強度が800MPaを下回っていた。シャルピー衝撃吸収エネルギーも25J/cm2を下回っており、衝撃靭性も低い。いずれも粗大なシリサイドが起点となり、これらの特性が低下したためである。 In Test Nos. 6, 17, and 21, surface defects having a depth exceeding 0.5 mm occurred frequently after hot rolling. In Test Nos. 6 and 21, Al and Si that reduce hot workability were added in excess of the upper limit of the present invention, and hot-rolled scratches occurred. This is because in Test No. 17, LDI was generated due to excessive N content, and an object near the surface was recognized as a defect. In Test No. 21, coarse silicide was precipitated due to excessive Si content, and voids were generated and connected between the silicide and the matrix during hot working, resulting in surface defects. In Test No. 6, the Charpy impact absorption energy is also lower than 25 J / cm 2 and the impact toughness is low. This is because the amount of Al added is high and the strength is too high. Furthermore, in test number 21, the 10 5 times fatigue strength was less than 800 MPa. Charpy impact absorption energy is also lower than 25 J / cm 2 and impact toughness is low. This is because coarse silicide is used as a starting point, and these characteristics are deteriorated.

試験番号10、10Aでは、Fe量が高すぎ、ヤング率が135GPaを下回った。また、強度が高いために衝撃靭性の低下も見られた。   In test numbers 10 and 10A, the amount of Fe was too high and the Young's modulus was below 135 GPa. Moreover, since the strength was high, the impact toughness was also reduced.

また、試験番号22では板幅方向への熱間圧延を含むクロス圧延をした結果、XTD/XNDは3.0を下回り、引張強さ1100MPa、ヤング率135GPaは得られていない上、疲労強度も低くなっている。これはクロス圧延によりTransverse-textureが発達しなかったためである。   In test number 22, as a result of cross rolling including hot rolling in the sheet width direction, XTD / XND was less than 3.0, tensile strength of 1100 MPa, Young's modulus of 135 GPa was not obtained, and fatigue strength was also high. It is low. This is because Trans-texture did not develop by cross rolling.

また、Siが0.15%以上で0.20%未満添加されており、他の合金元素が本発明の含有量の範囲内で添加され、かつ本発明に規定されたXTD/XNDを有する試験番号8、9、8A、9A、24Aでは、高い105疲労強度を示すが、シャルピー衝撃吸収エネルギーは25J/cm2を僅かに下回っていた。これは、Si添加量が、疲労強度を上昇させるには十分であるが、衝撃靭性を上昇させるには不足していたためである。 In addition, Si is added at 0.15% or more and less than 0.20%, other alloy elements are added within the content range of the present invention, and the test has XTD / XND defined in the present invention. Numbers 8, 9, 8A, 9A and 24A showed high 10 5 fatigue strength, but Charpy impact absorption energy was slightly lower than 25 J / cm 2 . This is because the amount of Si added is sufficient to increase the fatigue strength but is insufficient to increase the impact toughness.

以上の結果より、本発明に規定された元素含有量およびXTD/XNDを有するチタン合金熱延板は、板幅方向の引張強さとヤング率が高く、ハイエンドのゴルフクラブフェース向け素材として優れた材質特性を有すると共に、良好な熱間加工性を有する。一方、本発明に規定された合金元素量を外れると、熱間加工性が低下すると共に、板幅方向の引張強さ、ヤング率、疲労強度および/または衝撃靭性といったゴルフクラブフェースに必要な材質特性を満足することはできない。   From the above results, the titanium alloy hot rolled sheet having the element content and XTD / XND defined in the present invention has high tensile strength and Young's modulus in the sheet width direction, and is an excellent material as a material for high-end golf club faces. It has properties and good hot workability. On the other hand, if the amount of the alloying element specified in the present invention is deviated, the hot workability is deteriorated, and the materials necessary for the golf club face such as tensile strength in the sheet width direction, Young's modulus, fatigue strength and / or impact toughness. The property cannot be satisfied.

また、本発明材と、一般的に用いられているTi−Al−V系従来材との比較を行った。Ti−6%Al−4%Vをベース組成として添加酸素量を変化させたものは、汎用的に用いられているチタン合金であり、その強度(引張強さ)は、添加酸素量によって調整することができる。そこで、強度が約1000MPaのTi−6%Al−4%Vに酸素を含有させて強度を1100〜1200MPa程度に調整することで本発明合金と同程度の強度となる合金を製造し、同程度の強度の本発明の合金と疲労特性を比較した。Ti−6%Al−4%V従来材は、熱間圧延時に割れが発生する場合が多く、また、すべての試料で105回疲労強度において本発明になる合金より低く、劣っていた。 Moreover, the present invention material was compared with a commonly used Ti—Al—V conventional material. What changed the amount of added oxygen with Ti-6% Al-4% V as the base composition is a titanium alloy used for general purposes, and its strength (tensile strength) is adjusted by the amount of added oxygen. be able to. Therefore, an alloy having the same strength as that of the present invention alloy is manufactured by adding oxygen to Ti-6% Al-4% V having a strength of about 1000 MPa and adjusting the strength to about 1100 to 1200 MPa. The fatigue properties of the present invention were compared with those of the present invention. The Ti-6% Al-4% V conventional material often generates cracks during hot rolling, and all the samples were lower and inferior to the alloy according to the present invention in 10 5 times fatigue strength.

<実施例2>
真空アーク溶解法により、表1の試験番号5、9に示す化学組成のチタン材を溶解し、これを熱間鍛造して厚さ180mmのスラブとした。このスラブを表2、表3に示す条件により一方向に熱間圧延して、厚さ4mmの熱延板を製造した。これをショットブラスト処理後、酸洗して酸化スケールを除去した。
<Example 2>
Titanium materials having chemical compositions shown in Test Nos. 5 and 9 in Table 1 were melted by a vacuum arc melting method and hot forged to obtain a slab having a thickness of 180 mm. This slab was hot-rolled in one direction under the conditions shown in Tables 2 and 3 to produce a hot-rolled sheet having a thickness of 4 mm. This was shot blasted and then pickled to remove oxide scale.

酸化スケールを除去した際に表面キズ深さをデプスゲージで測定し、熱間加工性を評価した(○:最大キズ深さ≦0.3mm、×:最大キズ深さ>0.3mm)。その結果と、引張特性を調べた結果も併せて表2、表3に示す。   When the oxide scale was removed, the surface scratch depth was measured with a depth gauge to evaluate the hot workability (◯: maximum scratch depth ≦ 0.3 mm, ×: maximum scratch depth> 0.3 mm). The results and the results of examining the tensile properties are also shown in Tables 2 and 3.

さらに、この熱延酸洗板の板面方向の集合組織をX線回折により測定し、熱間圧延面よりND方向からのα相の(0001)面極点図において、図2のハッチング部(領域B)に示したように、c軸方位とND方向のなす角度θが30度未満である結晶粒によるX線のα相(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、図2のハッチング部(領域C)に示すように、c軸方位とND方向のなす角度θが80度以上、100度以下であって、前記φが±10度の範囲にある結晶粒によるX線のα相(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとし、それらの比XTD/XNDをX線異方性指数として、集合組織の発達程度を評価した。   Further, the texture in the plate surface direction of the hot-rolled pickled plate was measured by X-ray diffraction, and in the (0001) plane pole figure of the α phase from the ND direction from the hot rolled surface, the hatched portion (region) in FIG. B) As shown in FIG. 2, the strongest intensity is XND among the α-phase (0002) reflection relative intensities of X-rays by crystal grains whose angle θ between the c-axis orientation and the ND direction is less than 30 degrees. As shown in the hatched portion (region C), the angle θ formed between the c-axis azimuth and the ND direction is 80 degrees or more and 100 degrees or less, and the φ is in the range of ± 10 degrees. Of the α-phase (0002) reflection relative intensities, the strongest intensity was XTD, and the ratio XTD / XND was taken as the X-ray anisotropy index to evaluate the degree of texture development.

また、表中には、室温において三点曲げ疲労試験を実施した時の105回疲労強度を示す。試験片には、熱延板の板厚中央部付近から、板幅方向を長手方向とするt2.0(mm)×w15(mm)×L60(mm)を加工して表面を平滑に仕上げたものを使用した。先端にR=2mmの曲率を持つ冶具を試験片の長手方向中央に押込むことにより、応力比0.1で6Hzの繰返し荷重を与え、疲労試験を行った。荷重点と両側の支点間の距離を20mmとした。105回疲労強度は、800MPa以上であり、疲労強度は十分に高く、優れた疲労特性を持つといえる。 The table shows the 10 5 times fatigue strength when a three-point bending fatigue test is performed at room temperature. The surface of the test piece was smoothed by processing t2.0 (mm) × w15 (mm) × L60 (mm) with the plate width direction as the longitudinal direction from the vicinity of the center of the thickness of the hot-rolled plate. I used something. A fatigue test was performed by applying a 6 Hz repetitive load at a stress ratio of 0.1 by pushing a jig having a curvature of R = 2 mm at the tip into the center in the longitudinal direction of the test piece. The distance between the load point and the fulcrum on both sides was 20 mm. The 10 5 times fatigue strength is 800 MPa or more, the fatigue strength is sufficiently high, and it can be said that the fatigue strength is excellent.

Figure 0005874707
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Figure 0005874707
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表2、3はそれぞれ、表1の試験番号5、9に示す化学組成の板製品を一方向熱延した場合における結果である。このうち、試験番号26、27、28、29、31、32、33、34の条件で製造した板はいずれも、熱延前の加熱温度がβ単相域(β変態点温度以上)、もしくは、β変態点直下(β変態点よりも50℃低い温度まで)のα+β2相温度域であったため、Transverse-textureが発達し、板幅方向の引張強さ(1100MPa以上)およびヤング率(135GPa以上)を十分に満足すると共に、高い疲労強度を有している。これらの板材をゴルフクラブフェースとして使用した場合、反発係数規制に適合する特性と優れた疲労特性を兼ね備える。また、これらの熱延酸洗板には0.3mmを超える深さの表面欠陥は発生しておらず、良好な熱延性を示す。したがって、これら薄板材はゴルフクラブフェース用素材として好適である。   Tables 2 and 3 show the results when the plate products having the chemical compositions shown in Test Nos. 5 and 9 in Table 1 are hot-rolled in one direction, respectively. Among these, the plates manufactured under the conditions of test numbers 26, 27, 28, 29, 31, 32, 33, 34 all have a heating temperature before hot rolling in the β single phase region (above the β transformation temperature), or Because of the α + β2 phase temperature range immediately below the β transformation point (up to a temperature lower by 50 ° C. than the β transformation point), a transverse-texture develops, the tensile strength in the plate width direction (1100 MPa or more) and the Young's modulus (135 GPa or more) ) Is sufficiently satisfied and has high fatigue strength. When these plate materials are used as golf club faces, they have characteristics that conform to the coefficient of restitution coefficient and excellent fatigue characteristics. Moreover, the surface defect of the depth exceeding 0.3 mm does not generate | occur | produce in these hot-rolled pickling plates, and favorable hot ductility is shown. Accordingly, these thin plate materials are suitable as golf club face materials.

一方、試験番号25、30に示す熱延板では、XTD/XNDは3.0以下となっており、板幅方向で1100MPa以下の引張強さと、135GPa以下のヤング率を示し、例えば、ハイエンドのゴルフクラブフェース向け素材としては適当ではない。これは、試験番号25、30では、熱延前の加熱温度がα+β2相域の比較的低い温度であったため、β単相域(β変態点温度以上)、もしくは、β変態点直下(β変態点よりも50℃低い温度まで)のα+β2相温度まで加熱した場合に比べてTransverse-texture発達が少なく、材質異方性が大きくならなかったためである。   On the other hand, in the hot rolled sheets shown in test numbers 25 and 30, XTD / XND is 3.0 or less, and shows a tensile strength of 1100 MPa or less and a Young's modulus of 135 GPa or less in the sheet width direction. It is not suitable as a golf club face material. In Test Nos. 25 and 30, since the heating temperature before hot rolling was a relatively low temperature in the α + β2 phase region, the β single phase region (above the β transformation point temperature) or just below the β transformation point (β transformation) This is because the development of the transverse-texture is small and the material anisotropy is not increased as compared with the case of heating to the α + β2 phase temperature (up to 50 ° C. below the point).

以上の結果より、板幅方向で高いヤング率、引張強さ、および、優れた疲労特性および/または衝撃靭性を有するには、本発明に示す成分範囲の添加元素を有するチタン合金を、β変態点以上もしくは直下の温度域に加熱して一方向熱延することにより製造することができる。このチタン合金は、高い比強度や疲労特性を必要とする幅広い用途に使用できるが、特に、ゴルフクラブフェースや自動車部品用などとして優れた特性を有している。   From the above results, in order to have high Young's modulus, tensile strength, and excellent fatigue properties and / or impact toughness in the sheet width direction, a titanium alloy having an additive element in the component range shown in the present invention is subjected to β transformation. It can be manufactured by heating in the temperature range above or below the point and unidirectionally hot rolling. This titanium alloy can be used for a wide range of applications requiring high specific strength and fatigue characteristics, but has excellent characteristics particularly for golf club faces and automobile parts.

尚、前記試験番号12の熱延板に用いたスラブを用いて、熱間圧延率90%未満の熱延板をいくつか製造したが、いずれも、本発明の目的とする強度、ヤング率、疲労特性や衝撃靭性が得られるほどの発達したTransverse-textureを得ることができなかった。ただしここで、圧延率(%)とは、「100×(圧延前の板厚―圧延後の板厚)/圧延前の板厚」で定義した。   In addition, by using the slab used for the hot rolled sheet of the test number 12, several hot rolled sheets having a hot rolling rate of less than 90% were manufactured, all of which are intended strength, Young's modulus, It was not possible to obtain a transversal-texture that has developed enough to obtain fatigue properties and impact toughness. However, here, the rolling rate (%) was defined as “100 × (plate thickness before rolling−plate thickness after rolling) / plate thickness before rolling”.

本発明のチタン合金は、薄板製品の板面内の一方向でヤング率135GPa以上、引張強さ1100MPa以上が得られるとともに、優れた疲労特性および/または衝撃靭性も有する。また、良好な熱間加工性を有する。この合金は、優れた疲労特性を有すると共に、反発係数規制を満足し、例えば、高グレードのゴルフクラブフェースや自動車部品等の用途に適した材料を提供することができるものとなっている。   The titanium alloy of the present invention has a Young's modulus of 135 GPa or more and a tensile strength of 1100 MPa or more in one direction within the plate surface of the thin plate product, and also has excellent fatigue properties and / or impact toughness. It also has good hot workability. This alloy has excellent fatigue characteristics and satisfies the coefficient of restitution coefficient, and can provide a material suitable for applications such as high grade golf club faces and automobile parts.

Claims (3)

質量%で、4.7〜5.5%のAl、0.5〜1.3%のFe、0.03%以下のN、かつ、式(1)より計算される[O]eqが0.13%以上0.25%未満を満たすO,N、さらに、0.15〜0.40%のSiを含み、残部Tiおよび不可避的不純物からなり、熱延板の圧延面法線方向をND方向、熱間圧延方向をRD方向、熱延板の板幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をc軸方位として、c軸方位がND方向となす角度をθ、c軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、角度θが0度以上、30度以下であり、かつφが全周(−180度〜180度)に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、角度θが80度以上、100度未満であり、φが±10度に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとした場合、XTD/XNDが4.0以上であり、板幅方向のヤング率が135GPa以上、板幅方向の引張強さ1100MPa以上、かつ、疲労特性に優れていることを特徴とする熱間加工性に優れたα+β型チタン合金熱延板。
ここで、板幅方向とは、熱延方向に対して板面内で直角な方向である。
[O]eq=[O]+2.77[N]・・・式(1)
ここで、[O]は、酸素濃度(質量%)、[N]は、窒素濃度(質量%)である。
In mass%, 4.7 to 5.5% Al, 0.5 to 1.3% Fe, 0.03% or less N, and [O] eq calculated from Equation (1) is 0 O, N satisfying 13% or more and less than 0.25%, further containing 0.15 to 0.40% Si, the balance being Ti and unavoidable impurities, and the direction of the normal to the rolling surface of the hot-rolled sheet is ND Direction, hot rolling direction is RD direction, plate width direction of hot-rolled sheet is TD direction, normal direction of α phase (0001) plane is c-axis direction, and angle between c-axis direction and ND direction is θ , The angle formed by the plane including the c-axis azimuth and the ND direction and the plane including the ND direction and the TD direction is φ, the angle θ is 0 ° or more and 30 ° or less, and φ is the entire circumference (−180 ° to 180 °). Of the X-ray (0002) reflection relative intensities of crystal grains entering (degrees), the strongest intensity is XND, and the angle θ is 80 degrees or more and less than 100 degrees Yes, among X-ray (0002) reflection relative intensities of crystal grains with φ of ± 10 degrees, when XTD is the strongest intensity, XTD / XND is 4.0 or more, and Young's modulus in the plate width direction Is an α + β-type titanium alloy hot-rolled sheet excellent in hot workability, characterized by having a tensile strength in the sheet width direction of 1100 MPa or more and excellent fatigue properties.
Here, the plate width direction is a direction perpendicular to the hot rolling direction within the plate surface.
[O] eq = [O] + 2.77 [N] ... Formula (1)
Here, [O] is the oxygen concentration (mass%), and [N] is the nitrogen concentration (mass%).
質量%で、4.7〜5.5%のAl、0.5〜1.3%のFe、0.03%以下のN、かつ、式(1)より計算される[O]eqが0.13%以上0.25%未満を満たすO,N、さらに、0.2〜0.40%のSiを含み、残部Tiおよび不可避的不純物からなり、熱延板の圧延面法線方向をND方向、熱間圧延方向をRD方向、熱延板の板幅方向をTD方向とし、α相の(0001)面の法線方向をc軸方位として、c軸方位がND方向となす角度をθ、c軸方位とND方向を含む面がND方向とTD方向を含む面となす角度をφとし、角度θが0度以上、30度以下であり、かつφが全周(−180度〜180度)に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXNDとし、角度θが80度以上、100度未満であり、φが±10度に入る結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、最も強い強度をXTDとした場合、XTD/XNDが4.0以上であり、板幅方向のヤング率が135GPa以上、板幅方向の引張強さ1100MPa以上、かつ、疲労特性及び衝撃靭性に優れていることを特徴とする熱間加工性に優れたα+β型チタン合金熱延板。
ここで、板幅方向とは、熱延方向に対して板面内で直角な方向である。
[O]eq=[O]+2.77[N]・・・式(1)
ここで、[O]は、酸素濃度(質量%)、[N]は、窒素濃度(質量%)である。
In mass%, 4.7 to 5.5% Al, 0.5 to 1.3% Fe, 0.03% or less N, and [O] eq calculated from Equation (1) is 0 O, N satisfying 13% or more and less than 0.25%, further containing 0.2 to 0.40% of Si, the balance being Ti and unavoidable impurities. Direction, hot rolling direction is RD direction, plate width direction of hot-rolled sheet is TD direction, normal direction of α phase (0001) plane is c-axis direction, and angle between c-axis direction and ND direction is θ , The angle formed by the plane including the c-axis azimuth and the ND direction and the plane including the ND direction and the TD direction is φ, the angle θ is 0 ° or more and 30 ° or less, and φ is the entire circumference (−180 ° to 180 °). Among the X-ray (0002) reflected relative intensities of X-rays by crystal grains entering the degree), the strongest intensity is XND, and the angle θ is 80 degrees or more and less than 100 degrees Among the X-ray (0002) reflection relative intensities of crystal grains with φ of ± 10 degrees, when the strongest intensity is XTD, XTD / XND is 4.0 or more, and the Young's modulus in the plate width direction An α + β-type titanium alloy hot-rolled sheet excellent in hot workability, characterized by having a tensile strength in the sheet width direction of 1100 MPa or more and excellent fatigue properties and impact toughness.
Here, the plate width direction is a direction perpendicular to the hot rolling direction within the plate surface.
[O] eq = [O] + 2.77 [N] ... Formula (1)
Here, [O] is the oxygen concentration (mass%), and [N] is the nitrogen concentration (mass%).
請求項1または請求項2に記載の組成のチタン合金スラブをそのβ単相域あるいはβ変態点からβ変態点よりも50℃低い温度までのα+β2相域に加熱し、一方向に熱間圧延率90%以上で熱間圧延することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のα+β型チタン合金熱延板の製造方法。 The titanium alloy slab having the composition according to claim 1 or 2 is heated in the β single phase region or the α + β2 phase region from the β transformation point to a temperature lower by 50 ° C. than the β transformation point , and hot-rolled in one direction. The method for producing an α + β type titanium alloy hot-rolled sheet according to claim 1 or 2 , wherein hot rolling is performed at a rate of 90% or more .
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