JP6673121B2 - α + β type titanium alloy rod and method for producing the same - Google Patents

α + β type titanium alloy rod and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、α+β型チタン合金棒およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an α + β type titanium alloy rod and a method for producing the same.

近年、チタン合金は、軽量でかつ強度が高いという特徴から、構造材料や生体材料等の幅広い分野で利用されている。チタン合金の用途に合わせて、チタン合金の特性(例えば強度や耐食性)を向上させる発明が開示されている。また、チタン合金の製造コストを低減する発明も開示されている。   BACKGROUND ART In recent years, titanium alloys have been used in a wide range of fields such as structural materials and biomaterials because of their characteristics of being lightweight and having high strength. There is disclosed an invention for improving the properties (for example, strength and corrosion resistance) of a titanium alloy in accordance with the use of the titanium alloy. Also disclosed is an invention for reducing the production cost of a titanium alloy.

例えば、特許文献1には、質量%で、Al:4.4%以上5.5%未満、Fe:1.4%以上2.1%未満、Mo:1.5%以上5.5%未満を含有し、残部Tiおよび不純物である化学組成を有し、汎用的に用いられるα+β型チタン合金であるTi−6Al−4V系合金を凌ぐ、室温強度、室温延性および疲労強度を有するとともに、かつ熱間加工性、冷間加工性および耐食性に優れ、低コスト性のα+β型チタン合金が開示されている。   For example, in Patent Document 1, Al: 4.4% or more and less than 5.5%, Fe: 1.4% or more and less than 2.1%, Mo: 1.5% or more and less than 5.5% by mass%. And has a room temperature strength, a room temperature ductility, and a fatigue strength superior to a Ti-6Al-4V-based alloy which is an α + β-type titanium alloy which has a chemical composition of a balance of Ti and impurities and is generally used, and An α + β-type titanium alloy excellent in hot workability, cold workability and corrosion resistance and low in cost is disclosed.

また、高剛性化という点からチタン合金のヤング率に着目した発明も開示されている。この理由は、チタンが使用される部材毎に要求されるヤング率が相違することから、要求されるヤング率に適合したヤング率を有するチタン合金が選択されるためである。ヤング率は、材料設計において重要な因子である。   In addition, an invention that focuses on the Young's modulus of a titanium alloy from the viewpoint of increasing rigidity is also disclosed. The reason for this is that the required Young's modulus differs for each member in which titanium is used, and thus a titanium alloy having a Young's modulus suitable for the required Young's modulus is selected. Young's modulus is an important factor in material design.

チタンの常温におけるヤング率は、α相(六方最密充填構造)が主である工業用純チタンおよびα型チタン合金、ならびにα相およびβ相からなるα+β型チタン合金では約100〜120GPaであり、β相(面心立方格子構造)が主であるβ型チタン合金では約70〜90GPaである。   The Young's modulus of titanium at room temperature is about 100 to 120 GPa for industrial pure titanium and α-type titanium alloy mainly composed of α-phase (hexagonal close-packed structure), and α + β-type titanium alloy composed of α-phase and β-phase. , Β-phase (face-centered cubic lattice structure) is about 70 to 90 GPa for β-type titanium alloy.

六方最密充填構造(hcp構造)は、面心立方格子構造(bcc構造)と比較すると変形に関わるすべり系が少ない。一般的に、すべり系の少ないα相は変形し難く、ヤング率が高くなる傾向にある。一方、すべり系の多いβ相は変形し易く、ヤング率が低くなる傾向にある。このため、高いヤング率を要求される部材には、α型チタン合金およびα+β型チタン合金が選択されることが多い。   The hexagonal close-packed structure (hcp structure) has fewer slip systems related to deformation than the face-centered cubic lattice structure (bcc structure). In general, an α phase having a small slip system is hardly deformed and tends to have a high Young's modulus. On the other hand, a β phase having many slip systems tends to be deformed, and the Young's modulus tends to be low. For this reason, α-type titanium alloys and α + β-type titanium alloys are often selected for members requiring high Young's modulus.

しかし、β型チタン合金であってもα+β二相域で時効熱処理し、α相を析出させることにより、α型チタン合金またはα+β型チタン合金と同様に、ヤング率が100〜120GPaに増加することがある。このように、時効熱処理等により、析出組織を制御することでヤング率を高めることが知られている。   However, even in the case of a β-type titanium alloy, the Young's modulus increases to 100 to 120 GPa, as in the case of the α-type titanium alloy or the α + β-type titanium alloy, by aging heat treatment in the α + β two-phase region to precipitate the α phase. There is. As described above, it is known that the Young's modulus is increased by controlling the precipitation structure by aging heat treatment or the like.

特許文献2には、質量%で、Al:4.4%以上5.5%未満、Fe:1.4%以上2.1%未満、Mo:2.5%以上5%未満を含有し、残部Tiおよび不純物である化学組成を有するα+β型チタン合金を、810℃超940℃以下の温度から水冷以上の冷却速度で冷却する時効熱処理により、初析α相の面積率(量比)を5%以上49%未満に制御することによって、ヤング率を75GPa以上100GPa未満に調整してα+β型チタン合金部材を製造する発明が開示されている。   Patent Document 2 contains, by mass%, Al: 4.4% or more and less than 5.5%, Fe: 1.4% or more and less than 2.1%, Mo: 2.5% or more and less than 5%, The area ratio (quantity ratio) of the primary α-phase is 5 by aging heat treatment in which the remaining Ti and the α + β-type titanium alloy having the chemical composition of impurities are cooled from a temperature of over 810 ° C to 940 ° C at a cooling rate of water cooling or more. An invention is disclosed in which an α + β-type titanium alloy member is manufactured by controlling the Young's modulus to 75 GPa or more and less than 100 GPa by controlling the modulus to at least 75% and less than 49%.

特許文献3には、質量%で、Al:4.7〜5.5%、Fe:0.8〜2.1%を含有し、酸素当量[O]eq=[O]+2.77[N]:0.06〜0.35%、残部Tiおよび不純物である化学組成を有するチタン合金をβ変態点以上の温度まで加熱した後、空冷相当以上の冷却速度で冷却することにより、主たる金属組織を針状組織とし、針状α粒の短軸方向の幅を10μm以下とすることにより、120〜140GPaの高ヤング率のα+β型チタン合金部材を製造する発明が開示されている。   Patent Document 3 contains, by mass%, Al: 4.7 to 5.5% and Fe: 0.8 to 2.1%, and an oxygen equivalent [O] eq = [O] +2.77 [N] ]: A main metal structure by heating a titanium alloy having a chemical composition of 0.06 to 0.35%, balance Ti and impurities to a temperature equal to or higher than the β transformation point, and then cooling at a cooling rate equivalent to air cooling or more. The invention discloses an α + β-type titanium alloy member having a high Young's modulus of 120 to 140 GPa by setting the width of the needle-like α grains in the minor axis direction to 10 μm or less.

さらに、特許文献4には、上記のような時効熱処理および冷却速度といった熱処理プロセスだけでなく、質量%で、Al:4.7〜5.5%、Fe:0.5〜1.4%、N:0.03%以下、Si:0.15〜0.40%を含有し、酸素当量[O]eq=[O]+2.77[N]:0.13%以上0.25%未満、残部Tiおよび不純物である化学組成を有することによって室温でのβ相分率を低減することに加え、一方向熱間圧延することによって、結晶粒によるX線の(0002)反射相対強度のうち、α相の(0001)面のc軸方位が熱延板の法線方向(ND方向)から30°の範囲に入るものの最も強い強度XNDと、熱延板の板幅方向(TD方向)の±10度/±10度に入るものの最も強い強度XTDとの比、XTD/XNDが4.0以上であるように集合組織を制御することにより、α+β型チタン合金熱延板の板幅方向のヤング率を135GPa以上に高める発明が開示されている。   Further, Patent Document 4 discloses not only the aging heat treatment and the heat treatment process such as the cooling rate as described above, but also, by mass%, Al: 4.7 to 5.5%, Fe: 0.5 to 1.4%, N: 0.03% or less, Si: 0.15 to 0.40%, oxygen equivalent [O] eq = [O] +2.77 [N]: 0.13% or more and less than 0.25%, In addition to reducing the β-phase fraction at room temperature by having the chemical composition of the balance of Ti and impurities, by performing unidirectional hot rolling, the relative intensity of (0002) reflection of X-rays by crystal grains can be reduced. Although the c-axis orientation of the (0001) plane of the α phase falls within a range of 30 ° from the normal direction (ND direction) of the hot rolled sheet, the strongest strength XND and ± in the sheet width direction (TD direction) of the hot rolled sheet. The ratio with the strongest intensity XTD that falls within 10 degrees / ± 10 degrees, and XTD / XND is 4 The invention discloses that the Young's modulus of the α + β type titanium alloy hot-rolled sheet in the sheet width direction is increased to 135 GPa or more by controlling the texture so as to be 0.0 or more.

特開2005−320618号公報JP 2005-320618 A 特開2007−314834号公報JP 2007-314834 A 特開2015−4100号公報JP-A-2015-4100 特開2014−224301号公報JP 2014-224301 A

一般に、工業用部材などに用いられる金属材料のヤング率が低いと、剛性を確保するために、部材の断面積を大きくする必要がある。したがって、このような工業用部材では、製造コストの観点などから、ヤング率がより高いことが望まれる。   Generally, when the Young's modulus of a metal material used for an industrial member or the like is low, it is necessary to increase the sectional area of the member in order to secure rigidity. Therefore, it is desired that such an industrial member has a higher Young's modulus from the viewpoint of manufacturing cost and the like.

また、チタン合金は、板材、棒材、管材、線材等に加工されて使用されており、特に、棒においては、軸方向へ高ヤング率を有するチタン合金棒が求められている。   In addition, titanium alloys are used after being processed into plates, bars, pipes, wires, and the like. In particular, for the bars, titanium alloy bars having a high Young's modulus in the axial direction are required.

特許文献1により開示された発明は、室温強度、室温延性および疲労強度といった機械特性の向上を図ることを目的とするため、チタン合金棒の軸方向へのヤング率を高めることはできない。   The invention disclosed in Patent Document 1 aims at improving mechanical properties such as room temperature strength, room temperature ductility, and fatigue strength, and therefore cannot increase the Young's modulus of a titanium alloy rod in the axial direction.

特許文献2により開示された発明は、比較的安価な化学組成で元素の含有量を調整することなくヤング率を調整するが、得られるヤング率の最大値は125GPaであり、軸方向へより高いヤング率を有するチタン合金棒を提供することはできない。   The invention disclosed in Patent Document 2 adjusts the Young's modulus without adjusting the content of elements with a relatively inexpensive chemical composition, but the maximum value of the obtained Young's modulus is 125 GPa, which is higher in the axial direction. A titanium alloy rod having a Young's modulus cannot be provided.

特許文献3により開示された発明は、合金設計段階において含有する元素を適切に選定することにより高いヤング率を確保するが、チタン合金棒の軸方向へのヤング率を高めることは十分に検討されていると言えない。   The invention disclosed in Patent Document 3 secures a high Young's modulus by appropriately selecting the elements contained in the alloy design stage, but it has been sufficiently studied to increase the Young's modulus in the axial direction of the titanium alloy rod. I can't say that.

特許文献4により開示された発明は、α+β型チタン合金熱延板に関する発明であり、この発明によりチタン合金棒の軸方向へのヤング率を高めることは難しい。   The invention disclosed in Patent Document 4 relates to a hot-rolled α + β titanium alloy sheet, and it is difficult to increase the Young's modulus of a titanium alloy rod in the axial direction by this invention.

具体的に説明すると、チタン合金のα相は、hcp構造を有するために強い異方性を有する。また、ヤング率は結晶方位により大きく相違する。このため、特許文献4により開示されるように、チタン合金熱延板では、熱間圧延方法により熱延板の板幅方向へhcp構造のc軸が指向するように結晶方位を制御することにより、熱延板の板幅方向へのヤング率を高めることが可能である。   More specifically, the α phase of the titanium alloy has a strong anisotropy due to the hcp structure. Further, the Young's modulus greatly differs depending on the crystal orientation. For this reason, as disclosed in Patent Document 4, in a hot-rolled titanium alloy sheet, the crystal orientation is controlled by a hot rolling method such that the c-axis of the hcp structure is directed in the width direction of the hot-rolled sheet. In addition, it is possible to increase the Young's modulus of the hot-rolled sheet in the sheet width direction.

しかし、チタン合金棒の熱間圧延では、hcp構造のc軸がチタン合金棒の軸方向を指向するように制御することが難しいため、チタン合金棒の軸方向へ高いヤング率を発現させることは難しい。   However, in hot rolling of a titanium alloy rod, it is difficult to control the c-axis of the hcp structure so as to point in the axial direction of the titanium alloy rod. Therefore, it is difficult to develop a high Young's modulus in the axial direction of the titanium alloy rod. difficult.

このように、特許文献1〜4により開示された従来の技術では、チタン合金棒の軸方向へのヤング率を高めることはできない。   As described above, the conventional techniques disclosed in Patent Documents 1 to 4 cannot increase the Young's modulus of the titanium alloy rod in the axial direction.

本発明の目的は、比較的安価な合金組成を有し、軸方向へのヤング率が高いα+β型チタン合金棒と、その製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide an α + β type titanium alloy rod having a relatively inexpensive alloy composition and having a high Young's modulus in the axial direction, and a method for producing the same.

本発明者らは、軸方向へ高いヤング率を有するα+β型チタン合金棒について鋭意研究を重ねた結果、以下に列記の知見A〜Cを得て、本発明を完成した。   The present inventors have conducted intensive studies on α + β type titanium alloy rods having a high Young's modulus in the axial direction, and as a result, obtained the findings A to C listed below and completed the present invention.

(A)チタンでは、低温で安定なα相に比べて高温で安定なβ相は、ヤング率が低いことが知られる。α相の平均的なヤング率は約120GPa程度であるのに対し、β相のヤング率は80GPaである。このため、β相の比率が高くなるほどヤング率は低下する。また、β相のMs点(マルテンサイト変態温度)が室温近くになる化学組成を有すると、β相が不安定となって、ヤング率がさらに約60GPaまで低下することがある。   (A) In titanium, it is known that a β phase which is stable at a high temperature has a lower Young's modulus than an α phase which is stable at a low temperature. The average Young's modulus of the α phase is about 120 GPa, while the Young's modulus of the β phase is 80 GPa. For this reason, the Young's modulus decreases as the ratio of the β phase increases. If the β phase has a chemical composition at which the Ms point (martensite transformation temperature) becomes close to room temperature, the β phase becomes unstable, and the Young's modulus may further decrease to about 60 GPa.

(B)一般にα+β型チタン合金は、α相安定化元素であるAl、Zn、Oの他に、共析型β相安定化元素であるFe、Ni、Cr、Mnや、全率固溶型β相安定化元素であるV、Mo等を含有することにより、高強度を有する。これらのβ相安定化元素を含有することにより室温でもβ相が安定し、その含有量が増加することによりβ相の割合が増加し、ヤング率は減少傾向となる。   (B) In general, α + β-type titanium alloys include Fe, Ni, Cr, Mn as eutectoid β-phase stabilizing elements in addition to Al, Zn, and O as α-phase stabilizing elements, It has high strength by containing a β-phase stabilizing element such as V and Mo. By containing these β-phase stabilizing elements, the β-phase is stabilized even at room temperature, and as the content increases, the proportion of the β-phase increases and the Young's modulus tends to decrease.

(C)比較的安価なチタン合金成分系であるTi−Al−Fe系をベースとしてMoを含有するTi−Al−Fe−Mo系のα+β型チタン合金棒に溶体化熱処理を行って冷却した後に、α+β型チタン合金棒に軸方向へ弾性歪みを付与した状態で時効熱処理を行うことにより、時効熱処理中に析出する変態α相を、α+β型チタン合金棒の軸方向を指向する層状部により構成される針状組織に制御することができ、これにより、軸方向へ125GPa以上の高いヤング率を有するα+β型チタン合金棒を得ることができる。   (C) Based on a relatively inexpensive Ti-Al-Fe-based titanium alloy component based on a Ti-Al-Fe-Mo-based α + β-type titanium alloy rod containing Mo and then cooled by performing a solution heat treatment. By subjecting the α + β type titanium alloy rod to aging heat treatment with elastic strain imparted in the axial direction, the transformed α phase precipitated during the aging heat treatment is composed of a layered part oriented in the axial direction of the α + β type titanium alloy rod. The α + β type titanium alloy rod having a high Young's modulus of 125 GPa or more in the axial direction can be obtained.

本発明は、以下に列記の通りである。
(1)α+β型チタン合金棒であって、化学組成が、質量%で、Al:4.4%以上5.5%未満、Fe:1.4%以上2.5%未満、Mo:1.5%以上5.5%未満、Ni:0%以上0.15%未満、Cr:0%以上0.25%未満、Mn:0%以上0.25%未満、Si:0.1%未満、C:0.01%未満、残部Tiおよび不純物であり、金属組織が、初析α相、β相および変態α相を有し、前記β相の体積率が15%未満であり、前記変態α相が層状部により構成され、前記合金棒の軸方向と前記層状部の指向方向とがなす角度の平均が45度以下であり、前記層状部の指向方向の標準偏差が20度以下である、α+β型チタン合金棒。
The present invention is as listed below.
(1) An α + β type titanium alloy rod having a chemical composition in mass% of Al: 4.4% or more and less than 5.5%, Fe: 1.4% or more and less than 2.5%, Mo: 1.%. 5% to less than 5.5%, Ni: 0% to less than 0.15%, Cr: 0% to less than 0.25%, Mn: 0% to less than 0.25%, Si: less than 0.1%, C: less than 0.01%, the balance being Ti and impurities, and the metal structure has a proeutectoid α phase, a β phase, and a transformed α phase, and the volume fraction of the β phase is less than 15%; The phase is composed of a layered portion, the average of the angle between the axial direction of the alloy rod and the direction of the layered portion is 45 degrees or less, and the standard deviation of the direction of the layered portion is 20 degrees or less, α + β type titanium alloy rod.

(2)前記軸方向のヤング率が125GPa以上である、(1)項に記載のα+β型チタン合金棒。   (2) The α + β type titanium alloy rod according to (1), wherein the Young's modulus in the axial direction is 125 GPa or more.

(3)チタン合金棒に、850〜920℃の温度から30℃/秒以上の冷却速度で冷却する溶体化熱処理を施した後に、
該チタン合金棒の軸方向へ弾性歪みが存在する状態で、300〜700℃の温度で熱処理を施す、(1)または(2)項に記載のα+β型チタン合金棒の製造方法。
(3) After subjecting the titanium alloy rod to a solution heat treatment for cooling from a temperature of 850 to 920 ° C. at a cooling rate of 30 ° C./sec or more,
The method for producing an α + β type titanium alloy rod according to the above mode (1) or (2), wherein the titanium alloy rod is subjected to a heat treatment at a temperature of 300 to 700 ° C. in a state where elastic strain is present in the axial direction.

本発明によれば、比較的安価な合金組成を有し、軸方向へのヤング率が高いα+β型チタン合金棒を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an α + β type titanium alloy rod having a relatively inexpensive alloy composition and having a high Young's modulus in the axial direction.

図1は、歪み時効熱処理後の金属組織写真である。FIG. 1 is a photograph of the metallographic structure after the strain aging heat treatment. 図2は、歪みを付与せず、時効熱処理した場合の金属組織写真である。FIG. 2 is a photograph of a metal structure when an aging heat treatment is performed without giving a strain. 図3は、歪み時効熱処理後の金属組織の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a metal structure after a strain aging heat treatment.

本発明を、添付図面を参照しながら説明する。なお、以降の説明では、化学組成に関する「%」は特にことわりがない限り「質量%」を意味する。また、以降の説明では、α+β型チタン合金丸棒を例にとるが、本発明は、α+β型チタン合金角棒にも適用される。   The present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, “%” regarding the chemical composition means “% by mass” unless otherwise specified. In the following description, an α + β type titanium alloy round bar is taken as an example, but the present invention is also applied to an α + β type titanium alloy square bar.

1.本発明に関わるチタン合金丸棒
(1)化学組成
はじめに必須元素を説明する。
1. Titanium alloy round bar according to the present invention (1) Chemical composition First, essential elements will be described.

(1−1)Al:4.4%以上5.5%未満
Alは、α相安定化元素であり、固溶強化によってチタン合金丸棒の強度を高める。Al含有量が4.4%未満であるとこの効果を得られず、1000MPa以上の十分な強度を得ることができない。このため、Al含有量は、4.4%以上であり、好ましくは4.5%以上であり、さらに好ましくは4.6%以上である。
一方、Al含有量が5.5%以上であると、高温および室温での延性や冷間加工性が低下してしまう場合がある。したがって、Al含有量は、5.5%未満であり、好ましくは
5.4%以下であり、さらに好ましくは5.3%以下である。
(1-1) Al: 4.4% or more and less than 5.5% Al is an α-phase stabilizing element, and increases the strength of a titanium alloy round bar by solid solution strengthening. If the Al content is less than 4.4%, this effect cannot be obtained, and a sufficient strength of 1000 MPa or more cannot be obtained. For this reason, the Al content is at least 4.4%, preferably at least 4.5%, and more preferably at least 4.6%.
On the other hand, when the Al content is 5.5% or more, ductility and cold workability at high temperature and room temperature may be reduced. Therefore, the Al content is less than 5.5%, preferably 5.4% or less, more preferably 5.3% or less.

(1−2)Fe:1.4%以上2.5%未満
Feは、β相安定化元素として、固溶強化によってチタン合金丸棒の強度を高める。Fe含有量が1.4%未満であると、この効果を得られず、1000MPa以上の十分な強度を得ることができない。このため、Fe含有量は、1.4%以上であり、好ましくは1.5%以上であり、さらに好ましくは1.6%以上である。
一方、Fe含有量が2.5%以上であると、凝固時に偏析し易く、数百kg以上の大型インゴットでは偏析が顕著になる。したがって、Fe含有量は、2.5%未満であり、好ましくは2.4%以下であり、さらに好ましくは2.3%以下である。
(1-2) Fe: 1.4% or more and less than 2.5% Fe, as a β-phase stabilizing element, increases the strength of a titanium alloy round bar by solid solution strengthening. If the Fe content is less than 1.4%, this effect cannot be obtained, and a sufficient strength of 1000 MPa or more cannot be obtained. For this reason, the Fe content is at least 1.4%, preferably at least 1.5%, and more preferably at least 1.6%.
On the other hand, if the Fe content is 2.5% or more, segregation tends to occur during solidification, and segregation becomes remarkable in a large ingot of several hundred kg or more. Therefore, the Fe content is less than 2.5%, preferably not more than 2.4%, and more preferably not more than 2.3%.

(1−3)Mo:1.5%以上5.5%未満
Moは、β相安定化置換型固溶元素であり、Feと同様に、室温強度、高温強度、室温延性および疲労強度を向上させ、かつ熱間加工性および冷間加工性を向上させる。また、後述するように、本発明では、溶体化処理後にある程度β相を残留させた後に、等温変態させることにより、β相内に一定の方向、すなわち結晶方位を揃えて変態α相を、層状部により構成される針状組織に形成し、これにより、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へ完全に平行ではないものの、それに近い方向へ組織を揃えて、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率を高める。
Mo含有量が1.5%未満であると、上記効果および適当な量のβ相を得ることができない。このため、Mo含有量は、1.5%以上であり、好ましくは1.7%以上であり、さらに好ましくは1.9%以上である。
一方、Mo含有量が5.5%以上であると、凝固偏析の問題が生じる。したがって、Mo含有量は、5.5%未満であり、好ましくは5.3%以下であり、さらに好ましくは5.0%以下である。
(1-3) Mo: 1.5% or more and less than 5.5% Mo is a β-phase stabilized substitution type solid solution element, and improves room temperature strength, high temperature strength, room temperature ductility, and fatigue strength similarly to Fe. And improve hot workability and cold workability. Further, as described later, in the present invention, after a certain amount of the β phase remains after the solution treatment, the β phase is subjected to isothermal transformation, so that the transformed α phase is formed in a certain direction in the β phase, that is, the crystal orientation is aligned, thereby forming a layered structure. It is formed into a needle-like structure composed of a part, and although this is not completely parallel to the axial direction of the α + β-type titanium alloy round bar, the structure is aligned in a direction close to that, and the axial direction of the α + β-type titanium alloy round bar To increase the Young's modulus.
If the Mo content is less than 1.5%, the above effects and an appropriate amount of β phase cannot be obtained. Therefore, the Mo content is 1.5% or more, preferably 1.7% or more, and more preferably 1.9% or more.
On the other hand, if the Mo content is 5.5% or more, a problem of solidification segregation occurs. Therefore, the Mo content is less than 5.5%, preferably 5.3% or less, and more preferably 5.0% or less.

次に、任意元素を説明する。   Next, the optional elements will be described.

(1−4)Ni:0〜0.15%未満、Cr:0〜0.25%未満またはMn:0〜0.25%未満の1種以上
これらの元素は、Feと同様にβ相安定化元素として固溶強化によって強度を高めるとともに、安価な元素である。本発明では、必要に応じて、Feの一部を、0.15%未満のNi、0.25%未満のCr、または0.25%未満のMnの1種以上により置換することで、低コスト化を図ることができる。
(1-4) One or more of Ni: 0 to less than 0.15%, Cr: 0 to less than 0.25% or Mn: 0 to less than 0.25% These elements are β-phase stable similarly to Fe. It is an inexpensive element that enhances strength by solid solution strengthening as a chemical element. In the present invention, if necessary, a part of Fe is replaced by at least one of Ni of less than 0.15%, Cr of less than 0.25%, or Mn of less than 0.25%, thereby reducing the amount of Fe. Cost can be reduced.

一方で、これらの元素を、上記上限を超えて含有させると、平衡相である金属間化合物(TiNi,TiCr,TiMn)が生成し、疲労強度および室温延性が劣化する。
なお、Ni,Cr,Mn,Feの合計含有量は、1.4%以上2.5%未満であることが好ましい。合計含有量が1.4%未満であると、後述する冷間加工後の金属組織を得るために、同じβ相安定化元素であるMoの含有量が増加して製造コストが上昇するおそれがある。好ましくは1.5%以上であり、さらに好ましくは1.6%以上である。一方、合計含有量が2.5%以上であると、大型のインゴットの製造時の偏析が顕著になる。好ましくは2.4%以下であり、さらに好ましくは2.3%以下である。
On the other hand, when these elements are contained in excess of the above upper limits, intermetallic compounds (Ti 2 Ni, TiCr 2 , TiMn) which are equilibrium phases are formed, and the fatigue strength and the room temperature ductility are deteriorated.
The total content of Ni, Cr, Mn, and Fe is preferably 1.4% or more and less than 2.5%. If the total content is less than 1.4%, the content of the same β-phase stabilizing element Mo may be increased to obtain a metal structure after cold working, which will be described later, and the production cost may be increased. is there. It is preferably at least 1.5%, more preferably at least 1.6%. On the other hand, when the total content is 2.5% or more, segregation during the production of a large ingot becomes remarkable. It is preferably at most 2.4%, more preferably at most 2.3%.

次に、不純物を説明する。不純物には、原料に含まれているもの、または製造工程で混入するものがある。   Next, impurities will be described. Some of the impurities are contained in the raw material or others are mixed in the production process.

(1−5)Si:0.1%未満
Siは、不純物であり、多量に含有すると、室温延性、冷間加工性および熱間加工性を低下させるおそれがある。したがって、Si含有量は、0.1%未満であり、好ましくは0.08%以下であり、さらに好ましくは0.05%以下である。
一方で、Si含有量を過剰に低減すると製造コストの増加につながるため、通常、Si含有量は、0.005%以上であり、好ましくは0.007%以上であり、さらに好ましくは0.01%以上である。
(1-5) Si: less than 0.1% Si is an impurity, and if contained in a large amount, may deteriorate room temperature ductility, cold workability, and hot workability. Therefore, the Si content is less than 0.1%, preferably 0.08% or less, and more preferably 0.05% or less.
On the other hand, excessively reducing the Si content leads to an increase in manufacturing cost. Therefore, the Si content is usually 0.005% or more, preferably 0.007% or more, and more preferably 0.01% or more. % Or more.

(1−6)C:0.01%未満
Cは、不純物であり、多量に含有させると、室温延性、冷間加工性および熱間加工性を低下させるおそれがある。したがって、C含有量は、0.01%未満であり、好ましくは0.009%以下であり、さらに好ましくは0.008%以下である。
(1-6) C: less than 0.01% C is an impurity, and when contained in a large amount, may deteriorate the room temperature ductility, cold workability, and hot workability. Therefore, the C content is less than 0.01%, preferably 0.009% or less, and more preferably 0.008% or less.

(1−7)O:0.2%以下、N:0.05%以下、H:0.015%以下
これら元素は、不純物であり、JIS H 4600の60種(Ti−6Al−4V)同様に、O含有量は0.2%以下、N含有量は0.05%以下、H含有量は0.015%以下とすることが好ましい。さらに、室温延性および冷間加工性を高めるために、O含有量は0.15%以下、N含有量は0.02%以下、H含有量は0.01%以下とすることがより好ましい。
(1-7) O: 0.2% or less, N: 0.05% or less, H: 0.015% or less These elements are impurities and are the same as 60 kinds of JIS H 4600 (Ti-6Al-4V). Preferably, the O content is 0.2% or less, the N content is 0.05% or less, and the H content is 0.015% or less. Further, in order to enhance the room temperature ductility and cold workability, it is more preferable that the O content is 0.15% or less, the N content is 0.02% or less, and the H content is 0.01% or less.

(1−8)残部
上記以外の残部はTiである。
(1-8) Remainder The remainder other than the above is Ti.

(2)金属組織
(2−1)α相の組織形態
金属組織は、初析α相、β相および変態α相を有する。α+β型チタン合金では、溶体化処理後に時効熱処理を施すとβ相内にβ相から変態した変態α相が析出する。この際、変態α相の析出方向、すなわち結晶方位は図2に示すようにランダムである。尚、図2の組織写真は、変態α相のみを示しており、初析α相を含まない。
(2) Metal structure (2-1) Form of α phase The metal structure has a primary α phase, a β phase, and a transformed α phase. In an α + β type titanium alloy, when an aging heat treatment is performed after the solution treatment, a transformed α phase transformed from the β phase precipitates in the β phase. At this time, the precipitation direction of the transformed α phase, that is, the crystal orientation is random as shown in FIG. Note that the structure photograph of FIG. 2 shows only the transformed α phase and does not include the primary α phase.

図1は、歪み時効熱処理後の金属組織写真であり、図3はその時の金属組織の模式図である。   FIG. 1 is a photograph of the metallographic structure after the strain aging heat treatment, and FIG. 3 is a schematic view of the metallic structure at that time.

図2に対し、本発明では、後述するように、α+β型チタン合金丸棒の軸方向に応力を負荷した状態で時効熱処理を施すこと(時効熱処理中に歪みを付与すること)により、図1および図3に示すように、β相内に一定の方向、すなわち結晶方位を揃えて変態α相が層状部により構成される針状組織(一方向に揃った針状組織)を形成する。この変態α相は、各β相結晶粒で結晶方位が異なるため、β相結晶粒ごとに層状部により構成される針状組織の指向方向とチタン合金丸棒の軸方向(応力負荷方向)に若干の角度差が生じるが、この際、層状部は応力負荷方向、すなわちα+β型チタン合金丸棒の軸方向へ完全に平行ではないものの、それに近い方向へ揃う。   On the other hand, in the present invention, as will be described later, in the present invention, the aging heat treatment is performed in a state where stress is applied in the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar (the strain is imparted during the aging heat treatment), so that FIG. As shown in FIG. 3, a needle-like structure (a needle-like structure aligned in one direction) is formed in the β-phase in a certain direction, that is, the crystal orientation is aligned, and the transformed α-phase is formed of a layered portion. Since the transformed α-phase has a different crystal orientation in each β-phase crystal grain, the β-phase crystal grains are oriented in the direction of the needle-like structure composed of the layered portions and in the axial direction (stress-loading direction) of the titanium alloy round bar. Although a slight angle difference occurs, the layer portions are aligned in a direction close to, but not completely parallel to, the stress loading direction, that is, the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar.

また、変態α相(0001)面の法線方向、すなわちhcpのc軸方位は軸方向に近い角度(45度以下)となり、結晶方位の揃った集合組織となる。このため、本発明によれば、α+β型チタン合金丸棒の軸方向のヤング率を高めることができる。   Also, the normal direction of the transformed α-phase (0001) plane, that is, the c-axis direction of hcp becomes an angle close to the axial direction (45 degrees or less), and the texture becomes uniform with the crystal orientation. For this reason, according to the present invention, the Young's modulus of the α + β type titanium alloy round bar in the axial direction can be increased.

具体的には、変態α相は、層状部により構成される針状組織からなり、層状部の指向方向の偏差が20度以下、好ましくは18度以下、さらに好ましくは15度以下であるとともに、α+β型チタン合金丸棒の軸方向が層状部の指向方向となす平均角度は45度以下、好ましくは30度以下、さらに好ましくは15度以下である。   Specifically, the transformed α phase is composed of a needle-like structure composed of a layered portion, and the deviation in the directivity direction of the layered portion is 20 degrees or less, preferably 18 degrees or less, and more preferably 15 degrees or less, The average angle formed by the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar and the directivity direction of the layer portion is 45 degrees or less, preferably 30 degrees or less, and more preferably 15 degrees or less.

上記のように、時効熱処理中に歪みを付与することにより析出する変態α相の析出方向が一方向に揃う機構は明らかではないが、応力を負荷した状態で層状部を形成する際の、β相からα相への相変態時にバリアント選択(結晶方位の選択)を生じるためであると推定される。   As described above, the mechanism in which the direction of precipitation of the transformed α phase that precipitates by applying strain during the aging heat treatment is not clear, but β in forming the layered portion under a stressed state is not clear. It is presumed that this is because variant selection (selection of crystal orientation) occurs during the phase transformation from the phase to the α phase.

(2−2)β相の体積率
本発明では、α相の組織形態(金属組織)を制御することによりα+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率を高める。他の金属材料とは異なり、チタン合金では、ヤング率は化学組成のみでは決定されず、β相、マルテンサイト相の面積率等といった金属組織によっても大きく変化する。
(2-2) Volume Ratio of β Phase In the present invention, the Young's modulus of the α + β type titanium alloy round bar in the axial direction is increased by controlling the structure form (metal structure) of the α phase. Unlike other metal materials, in a titanium alloy, the Young's modulus is not determined only by the chemical composition, but greatly varies depending on the metal structure such as the area ratio of the β phase and the martensite phase.

例えば、本発明のTi−Al−Fe−Mo成分系においても、時効熱処理の温度およびその他の条件を変更することにより、ヤング率を変化させることができる。   For example, also in the Ti-Al-Fe-Mo component system of the present invention, the Young's modulus can be changed by changing the aging heat treatment temperature and other conditions.

このように、本発明では、α相の体積率および組織形態を制御することにより、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率を高める。上述したように、本発明のTi−Al−Fe−Mo成分系では、β相安定化元素であるFeおよびMoを一定量以上含有するため、熱処理後に徐冷してもβ相は15〜20体積%近く存在する。   As described above, in the present invention, the Young's modulus in the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar is increased by controlling the volume ratio and the microstructure of the α phase. As described above, the Ti-Al-Fe-Mo component system of the present invention contains Fe and Mo, which are β-phase stabilizing elements, in a certain amount or more. It is present close to volume%.

このため、本発明では、後述する方法により、平衡状態よりもβ相の体積率を小さくすること、具体的には、β相の体積率を15%未満、好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下とすることにより、ヤング率の小さいβ相の割合を小さくし、これにより、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率を高める。   For this reason, in the present invention, the volume fraction of the β phase is made smaller than the equilibrium state by a method described later, specifically, the volume fraction of the β phase is less than 15%, preferably 10% or less, more preferably By setting the content to 5% or less, the proportion of the β phase having a small Young's modulus is reduced, thereby increasing the Young's modulus of the α + β type titanium alloy round bar in the axial direction.

(2−3)β相の体積率の測定方法
β相の体積率は、X線回折により測定できる。すなわち、β相の体積率は、素材の表面を鏡面研磨した後、Cu管球を用いて40kV、150mA、回折角2θで20〜100°の条件で広角X線回折測定を行い、その範囲に発生した回折ピークの回折強度を解析することにより、測定することができる。
(2-3) Measurement method of volume ratio of β phase The volume ratio of β phase can be measured by X-ray diffraction. That is, after the surface of the material is mirror-polished, the volume ratio of the β phase is measured by wide angle X-ray diffraction measurement using a Cu tube at 40 kV, 150 mA, and a diffraction angle 2θ of 20 to 100 °. It can be measured by analyzing the diffraction intensity of the generated diffraction peak.

(2−4)金属組織および各相の確認方法
β相内のα相の層状部により構成される針状組織は、透過電子顕微鏡もしくはEBSD(Electron Backsccaterd Diffraction pattern)を用い、観察することにより、確認することができる。丸棒のL断面より観察用サンプルを作製し、観察することにより層状部(一方向の針状組織)が形成しているかどうかを確認できる。透過電子顕微鏡で観察する場合は、L断面よりFIB法により透過電子顕微鏡観察用サンプルを作製し、加速電圧200kVで観察する。EBSDで観察する場合は、L断面よりコロイダルシリカ研磨により観察サンプルを作製し、観察する。
ここで、層状部により構成される針状組織と指向方向の角度差および偏差の測定方法について説明する。棒材のL断面(棒材の軸方向と平行の断面)にて透過電子顕微鏡もしくはEBSDで10〜20個程度のβ相組織を観察する。各β粒の棒材の軸方向と層状に生成した変態α相の針状組織の指向方向の角度差を求め、その平均を棒材の軸方向と層状の針状組織との角度差とする。また、平均の角度差から、各β粒の層状部の指向方向の標準偏差を求めそれを偏差とする。
(2-4) Confirmation Method of Metal Structure and Each Phase The needle-like structure constituted by the layered portion of the α-phase in the β-phase is observed by using a transmission electron microscope or EBSD (Electron Backsccaterd Diffraction pattern). You can check. A sample for observation is prepared from the L cross section of the round bar, and by observing, it can be confirmed whether or not a layered portion (unidirectional needle-like structure) is formed. When observing with a transmission electron microscope, a sample for observation with a transmission electron microscope is prepared from the L section by the FIB method and observed at an acceleration voltage of 200 kV. When observing by EBSD, an observation sample is prepared from the L section by polishing the colloidal silica and observed.
Here, a method of measuring the angle difference and the deviation between the needle-shaped tissue constituted by the layered portion and the directing direction will be described. About 10 to 20 β-phase structures are observed with a transmission electron microscope or EBSD in an L section of the bar (a cross section parallel to the axial direction of the bar). The angle difference between the axial direction of the bar material of each β grain and the directivity direction of the needle-like structure of the transformed α-phase formed in a layer is obtained, and the average is defined as the angle difference between the axial direction of the bar material and the layer-like needle-like structure . Further, the standard deviation of the directivity direction of the layered portion of each β grain is obtained from the average angle difference, and is determined as the deviation.

2.チタン合金丸棒の製造方法
本発明に係るチタン合金丸棒は、例えば、上記の化学組成を有するチタン合金棒に、850〜920℃の温度から30℃/秒以上の冷却速度で冷却する溶体化熱処理と、前記チタン合金棒の軸方向へ弾性歪みが存在する状態で、300〜700℃の温度で時効熱処理とが施された、上記の金属組織を有するα+β型チタン合金棒である。
2. Method for producing titanium alloy round bar The titanium alloy round bar according to the present invention is, for example, a solution formed by cooling a titanium alloy rod having the above chemical composition from a temperature of 850 to 920 ° C at a cooling rate of 30 ° C / sec or more. An α + β-type titanium alloy rod having the above metal structure, which has been subjected to heat treatment and aging heat treatment at a temperature of 300 to 700 ° C. in a state where elastic strain is present in the axial direction of the titanium alloy rod.

(1)鋳造、熱間鍛造および熱間圧延
クロール法により二酸化チタンTiOを原料として、約900〜1000℃の高温で金属チタンを製造し、1〜数日を要してMgとMgClを蒸発除去してスポンジチタンを製造した後、スポンジチタンを加圧成形して連結し、消耗型電極に組み合わされて、真空アーク溶解(VAR:Vacuum Arc Remelting)法により数〜数10トンのチタン合金インゴットを作製し、さらに、高真空中で電子ビーム溶解を行うことにより、上述した化学組成を有するチタン合金インゴットとし、さらに、熱間鍛造および熱間圧延を行うことによりチタン合金丸棒を製造する。
(1) Casting, hot forging and hot rolling Using titanium dioxide TiO 2 as a raw material by a crawl method to produce titanium metal at a high temperature of about 900 to 1000 ° C., and taking one to several days to produce Mg and MgCl 2 . After evaporating and removing titanium sponge, sponge titanium is pressed and connected, combined with a consumable electrode, and vacuum alloy melting (VAR: Vacuum Arc Remelting) method of several to several tens tons of titanium alloy Produce an ingot, and further perform electron beam melting in a high vacuum to obtain a titanium alloy ingot having the above-described chemical composition, and further manufacture a titanium alloy round bar by performing hot forging and hot rolling. .

(2)溶体化処理
本発明では、上述した化学組成を有するα+β型チタン合金丸棒を、焼鈍工程において850℃以上920℃以下の温度から水冷以上の冷却速度で冷却する。本発明では、溶体化処理後の時効熱処理時に等温変態を活用し、β相の体積率を平衡状態よりも低くし、さらに、β相内に析出する変態α相の層状部により構成される針状組織を揃えることにより、高ヤング率を得る。
(2) Solution treatment In the present invention, the α + β titanium alloy round bar having the above-mentioned chemical composition is cooled at a cooling rate of water cooling or higher from a temperature of 850 ° C. or more and 920 ° C. or less in the annealing step. In the present invention, utilizing the isothermal transformation at the time of aging heat treatment after the solution treatment, the volume fraction of the β phase is made lower than the equilibrium state, and further, the needle constituted by the layered portion of the transformed α phase precipitated in the β phase A high Young's modulus is obtained by aligning the texture.

ここで、等温変態とは、マルテンサイト変態に類似の変態である。等温変態を活用することにより、通常の平衡状態よりも低いβ相分率を得ることができる。等温変態は、特定の化学成分系で発生するため、溶体化処理後のβ相の組成が重要となる。上記温度範囲で溶体化処理を施せば、その後の時効熱処理時に等温変態を生じさせることができる。   Here, the isothermal transformation is a transformation similar to the martensitic transformation. By utilizing the isothermal transformation, it is possible to obtain a β-phase fraction lower than the normal equilibrium state. Since the isothermal transformation occurs in a specific chemical component system, the composition of the β phase after the solution treatment is important. If the solution treatment is performed in the above temperature range, isothermal transformation can be caused during the subsequent aging heat treatment.

処理温度が920℃超であると、溶体化処理後の冷却時にマルテンサイト変態を生じ、その後の時効熱処理で等温変態によりα相を生成しても、層状部により構成される針状組織が一方向に揃わないためにヤング率を高くすることはできない。一方、処理温度が850℃よりも低いと、冷却後の時効熱処理で拡散変態を生じてしまい、一方向に揃った層状部により構成される針状組織を形成できない。このため、溶体化処理の温度は850〜920℃である。この溶体化処理温度はα相とβ相の二相域であるため、全ての初析α相は消失せず、溶体化処理後も一部残存する。   If the treatment temperature is higher than 920 ° C., martensitic transformation occurs during cooling after the solution treatment, and even if an α phase is generated by isothermal transformation in the subsequent aging heat treatment, the needle-like structure constituted by the layered portion is not removed. The Young's modulus cannot be increased because they are not aligned in the direction. On the other hand, if the treatment temperature is lower than 850 ° C., diffusion transformation occurs in the aging heat treatment after cooling, and a needle-like structure composed of layered portions aligned in one direction cannot be formed. For this reason, the temperature of the solution treatment is 850 to 920 ° C. Since this solution treatment temperature is in the two-phase region of the α phase and the β phase, all of the pro-eutectoid α phase does not disappear, and a part remains even after the solution treatment.

(3)冷却
溶体化処理後の冷却は、水冷以上の冷却速度(例えば30℃/秒以上)である。冷却が空冷であると(冷却速度:1℃/秒以下)、冷却中にβ相粒内に微細な変態α相が析出し、その後の時効熱処理時に等温変態を生じなくなり、125GPa以上のヤング率を得ることができなくなる。このため、溶体化処理後の冷却速度は水冷以上の冷却速度である。
(3) Cooling Cooling after solution treatment is performed at a cooling rate higher than water cooling (for example, 30 ° C./sec or more). If the cooling is air cooling (cooling rate: 1 ° C./sec or less), a fine transformation α phase precipitates in β phase grains during cooling, and no isothermal transformation occurs during the subsequent aging heat treatment, and a Young's modulus of 125 GPa or more Can not be obtained. For this reason, the cooling rate after the solution treatment is a cooling rate higher than water cooling.

(4)時効熱処理および歪み付与
溶体化処理後に300℃以上700℃以下の温度で、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へ応力が負荷された状態で時効熱処理を施すことにより、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率を125GPa以上に高めることができる。また、時効時間は、時効温度により変化するが、上記の300℃以上700℃以下の時効温度では1分〜8時間とすることで、β相の体積率を最適化できる。
(4) Aging heat treatment and imparting distortion α + β titanium alloy is subjected to aging heat treatment at a temperature of 300 ° C. or more and 700 ° C. or less after solution treatment in a state where stress is applied in the axial direction of the α + β titanium alloy round bar. The Young's modulus of the round bar in the axial direction can be increased to 125 GPa or more. The aging time varies depending on the aging temperature, and the aging temperature of 300 ° C. or more and 700 ° C. or less can be set to 1 minute to 8 hours to optimize the β phase volume ratio.

本発明では、時効熱処理中にα+β型チタン合金丸棒の軸方向に、α+β型合金チタン合金丸棒に歪みを付与する。このときの歪み量は0.1〜8%とする。   In the present invention, the α + β type titanium alloy round bar is strained in the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar during the aging heat treatment. The distortion amount at this time is set to 0.1 to 8%.

溶体化処理後に、上記の温度域で応力を付与せずに時効熱処理すると、上記のように等温変態により生じたα相(変態α相)が一方向に揃わないため、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率が125GPa未満になる。   After the solution treatment, if the aging heat treatment is performed without applying stress in the above temperature range, the α phase (transformed α phase) generated by the isothermal transformation is not aligned in one direction as described above. Has an Young's modulus in the axial direction of less than 125 GPa.

これに対し、α+β型チタン合金丸棒の軸方向に応力を負荷した状態で時効熱処理を施すと、等温変態の際に変態α相(層状部により構成される針状組織)が一方向に揃い、α+β型チタン合金丸棒の軸方向へのヤング率が125GPa以上となる。   On the other hand, when the aging heat treatment is performed in a state where a stress is applied in the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar, the transformed α phase (needle structure constituted by the layered portion) is aligned in one direction during isothermal transformation. And the Young's modulus in the axial direction of the α + β type titanium alloy round bar is 125 GPa or more.

なお、α+β型チタン合金丸棒に付与される応力は、時効熱処理中に丸棒を引張りながら応力を負荷してもよいし、先に軸方向に引張の加工を加え、それにより丸棒の軸方向に残留応力を発生させ、その後に時効熱処理を行うこととしてもよい。いずれにしても、時効熱処理時のα+β型チタン合金丸棒に歪みが与えられていればよい。   The stress applied to the α + β type titanium alloy round bar may be obtained by applying a stress while pulling the round bar during the aging heat treatment, or by applying a tensile process in the axial direction first, thereby forming the shaft of the round bar. A residual stress may be generated in the direction, and then aging heat treatment may be performed. In any case, it suffices that the α + β type titanium alloy round bar at the time of the aging heat treatment is strained.

真空アーク溶解(VAR:Vacuum Arc Remelting)法により表1に示す化学組成を有するチタン合金インゴットを作製し、これらを熱間鍛造および熱間圧延により製造したチタン合金丸棒を素材とした。   Titanium alloy ingots having the chemical composition shown in Table 1 were produced by a vacuum arc melting (VAR) method, and these were used as titanium alloy round bars produced by hot forging and hot rolling.

表2に示す本発明例および比較例は、表1のNo.1〜10の素材に900℃で1時間の溶体化処理を行った後に水冷し、その後、丸棒の軸方向に応力を付与しながら時効熱処理を行った。この際の歪み量を3%とした。   Examples of the present invention and comparative examples shown in Table 2 correspond to No. 1 of Table 1. The materials 1 to 10 were subjected to a solution treatment at 900 ° C. for 1 hour, then cooled with water, and then subjected to an aging heat treatment while applying a stress in the axial direction of the round bar. The distortion amount at this time was set to 3%.

時効熱処理後の材料についてβ相の体積率および丸棒の軸方向のヤング率を測定した。丸棒の軸方向のヤング率は、平行部が丸棒の軸方向になるようにASTM E8Mサブサイズ(並行部の直径6.25mm、長さ25mm)を作製し、歪ゲージを張り付けて測定したデータを用いて、耐力の半分までの応力までを直線近似して測定した。   With respect to the material after the aging heat treatment, the volume fraction of the β phase and the Young's modulus in the axial direction of the round bar were measured. The Young's modulus of the round bar in the axial direction was measured by preparing an ASTM E8M subsize (diameter of the parallel portion is 6.25 mm and length of 25 mm) such that the parallel portion is in the axial direction of the round bar, and attached a strain gauge. Using the data, up to half the stress of the proof stress was measured by linear approximation.

表2のNo.A−1〜A−7の本発明例は、軸方向に引張応力を負荷しながら300〜700℃の範囲で時効熱処理を施した。時効後の素材の金属組織において、β相の体積率は15%未満であり、かつ、β相内に一方向の層状部を形成した。そのため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa以上と高い値を示した。   No. of Table 2 In the present invention examples A-1 to A-7, the aging heat treatment was performed in the range of 300 to 700 ° C. while applying a tensile stress in the axial direction. In the metal structure of the material after aging, the volume fraction of the β phase was less than 15%, and a unidirectional layered portion was formed in the β phase. Therefore, the axial Young's modulus of the round bar showed a high value of 125 GPa or more.

表2のNo.A−8〜A−9の本発明例は、軸方向に引張加工を施し、軸方向に残留応力を発生させた後、300〜700℃の範囲で時効熱処理を施した。時効熱処理後の素材の金属組織において、β相の体積率は15%未満であり、かつ、β相内に一方向の層状部を形成した。そのため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa以上と高い値を示している。   No. of Table 2 In the present invention examples of A-8 to A-9, after the tensile processing was performed in the axial direction to generate the residual stress in the axial direction, the aging heat treatment was performed in the range of 300 to 700 ° C. In the metal structure of the material after aging heat treatment, the volume fraction of the β phase was less than 15%, and a unidirectional layered portion was formed in the β phase. Therefore, the axial Young's modulus of the round bar shows a high value of 125 GPa or more.

表2のNo.A−10の比較例は、軸方向に引張応力を負荷しながら300〜700℃の範囲で時効熱処理を施した。しかしながら、化学組成が本発明の範囲外であるため、β相内に一方向の層状部を形成しておらず、丸棒の軸方向へのヤング率は125GPa未満である。   No. of Table 2 In the comparative example of A-10, the aging heat treatment was performed in the range of 300 to 700 ° C. while applying a tensile stress in the axial direction. However, since the chemical composition is out of the range of the present invention, no unidirectional layered portion is formed in the β phase, and the Young's modulus in the axial direction of the round bar is less than 125 GPa.

表3に示す実施例および比較例は、表1のNo.1の素材を種々の温度および冷却速度で溶体化処理および時効熱処理を施した。時効熱処理後の材料についてβ相の体積率および丸棒の軸方向のヤング率を測定した。この際の歪み量を3%とした。   Examples and comparative examples shown in Table 3 correspond to No. Solution 1 was subjected to solution treatment and aging heat treatment at various temperatures and cooling rates. With respect to the material after the aging heat treatment, the volume fraction of the β phase and the Young's modulus in the axial direction of the round bar were measured. The distortion amount at this time was set to 3%.

丸棒の軸方向のヤング率は、平行部が丸棒の軸方向になるようにASTM E8Mサブサイズ(並行部の直径6.25mm、長さ25mm)を作製し、歪ゲージを張り付けて測定したデータを用いて、耐力の半分までの応力までを直線近似し測定した。   The Young's modulus of the round bar in the axial direction was measured by preparing an ASTM E8M subsize (diameter of the parallel portion is 6.25 mm and length of 25 mm) such that the parallel portion is in the axial direction of the round bar, and attached a strain gauge. Using the data, up to a stress of up to half of the proof stress was measured by linear approximation.

表3のNo.A−11の比較例は、溶体化処理温度が800℃と低い。そのため、軸方向に引張応力を負荷しながら300〜700℃の範囲で時効熱処理を施しているが、金属組織において、β相の体積率は15%以上であり、かつ、β相内に一方向の層状部を形成していないため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa以下と低い。   No. 3 in Table 3. In the comparative example of A-11, the solution treatment temperature was as low as 800 ° C. Therefore, aging heat treatment is performed in the range of 300 to 700 ° C. while applying a tensile stress in the axial direction. However, in the metal structure, the volume fraction of the β phase is 15% or more, and one direction is contained in the β phase. , The axial Young's modulus of the round bar is as low as 125 GPa or less.

表3のNo.A−12〜A−13の本発明例は、溶体化処理が850〜920℃の範囲であり、また、軸方向に引張応力を負荷しながら300〜700℃の範囲で時効熱処理を施している。時効熱処理後の素材の金属組織において、β相の体積率は15%未満であり、かつ、β相内に一方向の層状部を形成している。そのため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa以上と高い値を示している。   No. 3 in Table 3. In the present invention examples of A-12 to A-13, the solution treatment is in the range of 850 to 920 ° C, and the aging heat treatment is performed in the range of 300 to 700 ° C while applying tensile stress in the axial direction. . In the metal structure of the material after the aging heat treatment, the volume ratio of the β phase is less than 15%, and a unidirectional layered portion is formed in the β phase. Therefore, the axial Young's modulus of the round bar shows a high value of 125 GPa or more.

表3のNo.A−14の比較例は、溶体化処理温度が940℃と高く、時効熱処理後の金属組織で一方向の層状部を形成していないため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa未満である。   No. 3 in Table 3. In the comparative example of A-14, the solution treatment temperature was as high as 940 ° C., and the unidirectional layered portion was not formed in the metal structure after the aging heat treatment. Therefore, the axial Young's modulus of the round bar was less than 125 GPa. .

表3のNo.A−15の比較例は、溶体化処理温度の冷却速度が空冷と遅いため、時効後の金属組織でβ相分率が15%以上と高く、また、一方向の層状部を形成していない。そのため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa未満である。   No. 3 in Table 3. In the comparative example of A-15, since the cooling rate of the solution heat treatment temperature was slow as air cooling, the β-phase fraction was as high as 15% or more in the metal structure after aging, and no unidirectional layered portion was formed. . Therefore, the axial Young's modulus of the round bar is less than 125 GPa.

さらに、表3のNo.A−16の比較例は、時効熱処理時に応力を負荷していないため、金属組織で一方向の層状部を形成していないため、丸棒の軸方向のヤング率は125GPa未満である。

Further, in Table 3, No. In the comparative example of A-16, since no stress was applied at the time of the aging heat treatment, and the unidirectional layered portion was not formed in the metal structure, the axial Young's modulus of the round bar was less than 125 GPa.

Claims (3)

α+β型チタン合金棒であって、
化学組成が、質量%で、
Al:4.4%以上5.5%未満、
Fe:1.4%以上2.5%未満、
Mo:1.5%以上5.5%未満、
Ni:0%以上0.15%未満、
Cr:0%以上0.25%未満、
Mn:0%以上0.25%未満、
Si:0.1%未満、
C:0.01%未満、
残部Tiおよび不純物であり、
金属組織が、初析α相、β相および変態α相を有し、前記β相の体積率が15%未満であり、前記変態α相が層状部により構成され、前記合金棒の軸方向と前記層状部の指向方向とがなす角度の平均が45度以下であり、前記層状部の指向方向の標準偏差が20度以下である、α+β型チタン合金棒。
α + β type titanium alloy rod,
Chemical composition in mass%
Al: 4.4% or more and less than 5.5%,
Fe: 1.4% or more and less than 2.5%,
Mo: 1.5% or more and less than 5.5%,
Ni: 0% or more and less than 0.15%,
Cr: 0% or more and less than 0.25%,
Mn: 0% or more and less than 0.25%,
Si: less than 0.1%,
C: less than 0.01%,
The remaining Ti and impurities,
The metal structure has a proeutectoid α phase, a β phase, and a transformed α phase, the volume ratio of the β phase is less than 15%, the transformed α phase is constituted by a layered portion, and An α + β type titanium alloy rod, wherein the average of the angles formed by the direction of the layer portion and the direction of the layer is 45 degrees or less, and the standard deviation of the direction of the direction of the layer portion is 20 degrees or less.
前記軸方向のヤング率が125GPa以上である、請求項1に記載のα+β型チタン合金棒。   The α + β-type titanium alloy rod according to claim 1, wherein the Young's modulus in the axial direction is 125 GPa or more. チタン合金棒に、850〜920℃の温度から30℃/秒以上の冷却速度で冷却する溶体化熱処理を施した後に、
該チタン合金棒の軸方向へ弾性歪みが存在する状態で、300〜700℃の温度で熱処理を施す、請求項1または2に記載のα+β型チタン合金棒の製造方法。

After subjecting the titanium alloy rod to a solution heat treatment for cooling from a temperature of 850 to 920 ° C. at a cooling rate of 30 ° C./sec or more,
The method for producing an α + β-type titanium alloy rod according to claim 1 or 2, wherein heat treatment is performed at a temperature of 300 to 700 ° C in a state where elastic strain exists in the axial direction of the titanium alloy rod.

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