JP7024861B2 - チタン合金線材およびチタン合金線材の製造方法 - Google Patents

チタン合金線材およびチタン合金線材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、チタン合金線材およびチタン合金線材の製造方法に関する。
チタンは、軽量で高強度を有するから比強度に優れ、耐食性にも優れる材料であり、航空機、化学プラント、建築物の外装材、装飾品、民生品など、様々な用途に使用されている。特にＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏなどのα＋β型チタン合金は、比強度、延性、靭性、耐熱性などの優れた機械的性質を有しており、チタン合金の中でも多用されてきた。
特許文献１には、安定したばらつきの少ない疲労強度と、高い熱間加工性を有するチタン合金を得ることを目的として、０．５％以上１．４％未満のＦｅ、４．４％以上５．５％未満のＡｌ、残部チタンおよび不純物からなるα＋β型チタン合金が提案されている。
特開平７－７０６７６号公報
航空機のファスナー(ボルト、ナット等)や自動車のバルブなどに用いられるＴｉ－６Ａｌ－４ＶやＴｉ－５Ａｌ－１Ｆｅなどの高強度チタン合金線材には、更なる優れた疲労強度とクリープ強度が必要とされ、より一層の向上が求められている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、疲労強度およびクリープ強度に優れたチタン合金線材およびチタン合金線材を工業的に安定して製造可能なチタン合金線材の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、チタン合金線材の針状組織および等軸組織の特性およびその存在位置に着目した。針状組織は、クリープ特性に優れ、等軸組織は疲労特性に優れている。そして、この針状組織および等軸組織を所定の位置に配置することにより、疲労強度およびクリープ強度を同時に優れたレベルで両立するチタン合金線材を見出した。また、所定の針状組織および等軸組織を配置する方法として、チタン合金線材製造時に生じる加工発熱を利用できることを見出し、さらに検討した結果、本発明に至った。
上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］
α相とβ相とを含むチタン合金線材であって、
質量％で、
Ａｌ：０％以上７．０％以下、
Ｖ：０％以上６．０％以下、
Ｍｏ：０％以上７．０％以下、
Ｃｒ：０％以上７．０％以下、
Ｚｒ：０％以上５．０％以下、
Ｓｎ：０％以上３．０％以下、
Ｓｉ：０％以上０．５０％以下、
Ｃｕ：０％以上１．８％以下、
Ｎｂ：０％以上１．０％以下、
Ｍｎ：０％以上１．０％以下、
Ｎｉ：０％以上１．０％以下、
Ｓ：０％以上０．２０％以下、
ＲＥＭ：０％以上０．２０％以下、
Ｆｅ：０％以上２．１０％以下、
2
Ｎ：０％以上０．０５０％以下、
Ｏ：０％以上０．２５０％以下、
Ｃ：０％以上０．１００％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
Ａｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｎの含有量が、下記式（１）を満たす化学組成を有し、
長手方向に対して垂直な断面において、表面から重心へ向かって線径の３％
の深さまでの外周領域における金属組織が、平均結晶粒径が１０μｍ以下のα結晶粒を有する等軸組織であり、
前記長手方向に対して垂直な断面において、前記外周領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比が１．０以上３．０未満であり、
前記長手方向に対して垂直な断面において、重心から表面に向かって線径の２０％の位置までの重心を含む内部領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である、チタン合金線材。
－４．００≦［Ｍｏ］＋０．６７［Ｖ］＋０．２８［Ｎｂ］＋２．９［Ｆｅ
］＋１．６［Ｃｒ］＋１．１［Ｎｉ］＋１．６［Ｍｎ］－［Ａｌ］≦６．０
０
・・・（１）
なお、式（１）において、［元素記号］の表記は、対応する元素記号の含有
量（質量％）を表し、含有しない元素記号については、０を代入するものと
する。
［２］
質量％で、
Ａｌ：４．５％以上６．５％以下、
Ｆｅ：０．５０％以上２．１０％以下、
を含む、［１］に記載のチタン合金線材。
［３］
質量％で、
Ａｌ：２．０％以上７．０％以下、
Ｖ
：１．５％以上６．０％以下、
を含む、［１］に記載のチタン合金線材。
［４］
質量％で、
Ａｌ：５．０％以上７．０％以下、
Ｍｏ：１．０％以上７．０％以下、
Ｚｒ：３．０％以上５．０％以下、
Ｓｎ：１．０％以上３．０％以下、
を含む、［１］に記載のチタン合金線材。
［５］
前記長手方向に対して垂直な断面において、α結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である重心を含む領域の面積が、当該断面の面積に対し４０％以上である、［１］～［４］の何れか一項に記載のチタン合金線材。
［６］
前記外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径が５．０μｍ以下である、［１］～［５］の何れか一項に記載のチタン合金線材。
［７］
線径が、２.０ｍｍ以上２０.０ｍｍ以下である、［１］～［６］のいずれか一項に記載のチタン合金線材。
［８］
チタン合金素材を（β変態点－２００）℃以上の温度に加熱する工程と、
前記チタン合金素材を、総減面率が９０.０％以上であり、かつ、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率が１０.０％以上、かつ、伸線速度が５.０ｍ／ｓ以上で加工する工程と、
を有する、［１］～［７］の何れか一項に記載のチタン合金線材の製造方法。
4
［９］
さらに、前記加工する工程後に、（β変態点－３００）℃以上（β変態点－５０）℃以下の温度域にて熱処理する工程を有する、［８］に記載のチタン合金線材の製造方法。
本発明によれば、疲労強度およびクリープ強度に優れたチタン合金線材およびチタン合金線材を工業的に安定して製造可能なチタン合金線材の製造方法を提供することが可能となる。
等軸組織を模式的に示した説明図である。 針状組織を模式的に示した説明図である。 本発明の一実施形態に係るチタン合金線材を模式的に示す斜視断面図である。 長軸と短軸を定める状態を模式的に示す説明図である。 （ａ）～（ｅ）は、本実施形態のチタン合金線材が製造されていく過程を順を追って模式的に示す説明図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
＜１．
チタン合金線材＞
まず、本実施形態に係るチタン合金線材について説明する。
（１．１ 金属組織）
まず、本実施形態に係るチタン合金線材の金属組織について説明する。本実施形態に係るチタン合金線材は、後述する化学組成を有するα＋β型チタン合金からなり、室温でα相を主体とし、α相中に少量のβ相が存在する二相組織となる。ここで、α相が「主体」とは、α相の面積率が７０％以上であることを意味する。β相の面積率は２％～３０％程度である。なお、本発明の各実施形態で着目するチタン合金線材では、β相の面積率の測定が難しく、許容される測定誤差は±５％である。
本実施形態に係るチタン合金線材は、長手方向に対して垂直な断面において、表面から重心へ線径３％位置までの外周領域における金属組織が、平均結晶粒径が１０μｍ以下の等軸のα結晶粒を有する等軸組織であり、前記長手方向に対して垂直な断面において、重心から表面に向かって線径の２０％の位置までの重心を含む内部領域における金属組織が、針状のα結晶粒を有する針状組織である。
図１に示すように、α＋β型チタン合金の等軸組織では、等軸なα結晶粒ａの集合組織となっており、α結晶粒ａ同士の粒界、粒内には、微細なβ相ｂが存在している。
針状組織は、高温でβ相であったチタンが冷却されたことにより、粒界から針状に発達したα相の金属組織である。図２に示すように、α＋β型チタン合金の針状組織では、旧β粒の粒界位置から針状に発達した針状α（図２中の符号ｃで示す）と針状β（図２中の符号ｅで示す） が層状に並んだ組織となっている。
このように、金属組織を観察することにより、等軸組織と針状組織は区別することが可能である。
本実施形態に係るチタン合金線材は、針状組織および等軸組織を所定の位置に配置することにより、疲労強度およびクリープ強度に同時に優れたものとなる。詳しく説明すると、チタン合金において、針状組織は、クリープ特性に優れ、等軸組織は疲労特性に優れている。そして、疲労破壊の起点は、チタン合金線材の表層（外周）付近において生じる。したがって、本発明者らは、チタン合金線材の表層付近に微細な等軸組織を配置して疲労強度を向上させるとともに、チタン合金線材の重心付近においては、クリープ強度に優れた針状組織を配置してクリープ強度を十分に優れたものとして担保することを想起した。
そして、本発明者らは、表層付近の微細な等軸組織の指標として、チタン合金線材の外周領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比および平均結晶粒径について着目し、これらが所定の範囲内にあることにより、すなわち、外周領域に微細な等軸組織の領域（等軸組織領域）が形成されていることにより、チタン合金線材の疲労強度を向上させることを見出した。さらに、本発明者らは、重心を含む内部領域における針状組織の指標として、重心を含む領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比について着目し、これが一定以上の値となることにより、すなわち、重心を含む領域に針状組織（針状組織領域）が形成されていることにより、チタン合金線材のクリープ強度を向上させることを見出した。これにより、チタン合金線材のクリープ強度と疲労強度とを同時に向上させることが可能となった。
また、本発明者らは、上述したような金属組織を有するチタン合金線材を、後に詳述する本実施形態に係るチタン合金線材の製造方法により製造可能なことを見出し、本発明に至った。以下、本実施形態に係るチタン合金線材が備える金属組織について具体的に説明する。
図３は、本実施形態に係るチタン合金線材１の一例を模式的に示す説明図である。なお、図中に示される各領域の寸法は、説明の容易化のため適宜拡大、縮小されており、実際の各領域の大きさを示すものではない。
また、本発明に係るチタン合金線材の断面形状は、いかなるものであってもよいが、以下、本実施形態に係るチタン合金線材１が長手方向Ｌに対して垂直な断面において円形断面を有するものとして説明する。また、図中の断面は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面である。
本明細書において、図３に示すように、外周領域２を、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において、外周表面３から重心Ｇへ向けて線径Ｒの３％に相当する深さｄまでの領域と定義する。なお、場合によっては、チタン合金線材１の外周表面３に酸化物スケール等が付着している場合があるが、このような付着物の厚さは、外周領域２の深さｄの測定起点としての外周表面には含めない。
また、本明細書において、図３に示すように、内部領域４を、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において、重心Ｇから外周表面３に向かって線径Ｒの２０％の位置までの重心Ｇを含む領域と定義する、なお、本明細書において、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面における重心Ｇは、その断面形状に基づき定義される、いわゆる「幾何中心」として定義される。本実施形態において、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面は円をなすことから、図３に示す重心Ｇは、円形断面の中心となる。
さらに、線径Ｒは、本実施形態においては、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面が円をなすことから、円断面の直径として定義されることができる。なお、チタン合金線材１の断面が円形ではない場合、例えば、楕円形状の場合には、線径Ｒは、楕円断面における長径と短径との平均値として定義することが可能である。
本実施形態に係るチタン合金線材１は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において、チタン合金線材１の外周表面３から重心Ｇへ向かって線径Ｒの３％に相当する深さｄまでの外周領域２における金属組織が等軸のα結晶粒を有する等軸組織を呈している。外周領域２における金属組織が等軸組織である場合、チタン合金線材１の外周領域２での延性が向上することに加え、表面性状が良好となり、表面での疲労破壊の起点となる欠陥が少なくなる。これにより、チタン合金線材１の製造時における破断を防止することもできるとともに疲労特性を向上させることができる。これに対し、チタン合金線材１の外周領域２における金属組織が針状組織となる場合、延性が低下する結果、チタン合金線材１の疲労強度を優れたものとすることができない。
外周領域２におけるα結晶粒の平均アスペクト比は、１．０以上３．０未満であればよいが、より一層優れた疲労強度得るために、好ましい上限は、２．５であり、より好ましくは２．０である。なお、α結晶粒の平均アスペクト比は、外周領域２における金属組織が完全な等軸組織である場合、理論上「１」となる。したがって、外周領域２におけるα結晶粒の平均アスペクト比の下限は１．０である。
また、本実施形態において、外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径は、１０.０μｍ以下である。これにより、外周領域における金属組織が微細なものとなり、α結晶粒の等軸化とも相まって表面粗さが低減し、表面における疲労破壊の起点としての欠陥が減少する結果、チタン合金線材の疲労強度が向上する。これに対し、外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径が１０.０μｍを超えると、表面粗さの増大を一因として、チタン合金線材の疲労強度を優れたものとすることができない。
外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径は、１０.０μｍ以下であればよいが、チタン合金線材の疲労強度をより一層向上させるために、好ましくは５．０μｍ以下、より好ましくは３．０μｍ以下である。
なお、外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径の下限は例えば１.０μｍとしても良い。それ未満は、作製困難であり、コストがかかる恐れがある。
次に、本実施形態において、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において、チタン合金線材１の重心Ｇから表面に向かって線径の２０％の位置までの重心を含む内部領域４における金属組織が、針状のα結晶粒を有する針状組織を呈している。内部領域４における金属組織が針状組織である場合、チタン合金線材のクリープ強度が向上する。これに対し、チタン合金線材１における内部領域４の金属組織が、十分に針状の組織として発達していない場合、チタン合金線材１のクリープ強度が十分なものとならない。
クリープは、変形により金属組織中に導入された転位が、原子の拡散によって回復することで、材料が軟化し、変形が進む現象である。そのため、回復の速度（原子の拡散速度）がクリープに影響する。針状組織で形成されたα/β界面は整合性が高く、原子の拡散速度が遅いため、針状組織はクリープ強度に優れると言われている。チタン合金線材１の重心Ｇを含む内部領域４における金属組織を針状組織とすることで、クリープ強度を向上させることができる。
チタン合金線材１の重心Ｇから表面に向かって線径の２０％の位置までの重心Ｇを含む内部領域４におけるα結晶粒の平均アスペクト比は、５．０以上であればよいが、クリープ強度をより一層向上させるために、好ましくは６．０以上、より好ましくは７．０以上である。重心Ｇを含む内部領域４におけるα結晶粒の平均アスペクト比の上限は、特に限定されないが、実績により、２０．０以下とすることができる。
また、本実施形態において、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面における、α結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である重心Ｇを含む領域（重心Ｇを含む針状のα結晶粒を有する針状組織領域）の面積率は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面の面積に対し、例えば２０％以上であることができる。クリープ強度のより一層の向上の観点から、この針状組織領域の面積率は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面の面積に対し、好ましくは４０％以上、より好ましくは５０％以上である。
外周領域において金属組織を等軸組織とする観点から、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面における、α結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である重心Ｇを含む領域（重心Ｇを含む針状のα結晶粒を有する針状組織領域）の面積率は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面の面積に対し、好ましくは９０％以下、より好ましくは８０％以下である。
なお、図１に示した等軸組織からなる外周領域２と重心Ｇを含む針状組織領域との間は、等軸組織から針状組織に連続して変化することが望ましいが、それらの組織が混在した組織であっても構わない。
チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面におけるα結晶粒の平均結晶粒径および平均アスペクト比は、以下のようにして求めることができる。まず、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面を鏡面研磨後、ふっ酸と硝酸の混合水溶液によりエッチングする。平均結晶粒径および平均アスペクト比は、当該面の光学顕微鏡写真を観察することにより測定できる。
平均結晶粒径は線分法により測定（ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠）できる。チタン合金線材１の外周表面３から重心Ｇへ向かって線径Ｒの３％に相当する深さｄまでの外周領域２において、例えば５００倍の倍率で撮影した光学顕微鏡写真に対し、縦横に５本ずつ線分を引き、線分ごとに当該線分を横切る粒界数を用いて平均結晶粒径を算出し、合計１０本の平均結晶粒径の算術平均値より求める。
平均アスペクト比は、チタン合金線材１の外周表面３から重心Ｇへ向かって線径３％に相当する深さｄまでの外周領域２、および、重心Ｇから表面３に向かって線径Ｒの２０％の位置までの重心Ｇを含む内部領域４において、それぞれ例えば５００倍の倍率で撮影した光学顕微鏡写真に対し、任意の結晶粒５０個に対して、長軸と短軸を測定し、長軸を短軸で除した値の平均として算出することができる。ここで、図４に示すように、「長軸１１」とは、α相の粒界１０（輪郭）上の任意の２点を結ぶ線分のうちで、長さが最大になるものをいい、「短軸１２」とは、長軸１１に直交し、かつ粒界１０（輪郭）上の任意の２点を結ぶ線分のうちで、長さが最大になるものをいう。
ここで、α結晶粒の平均アスペクト比は、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において測定した場合と、チタン合金線材１の長手方向に対して平行な断面において測定した場合とでは、同様の値になると考えられる。しかしながら、チタン合金線材１の長手方向Ｌと平行な断面において測定した場合、圧延で伸びた伸長したα結晶粒を有する組織と針状のα結晶粒を有する針状組織との区別が困難になる可能性がある。そのため、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において測定した値で求める。
なお、圧延で伸長したα結晶粒を有する組織では、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面で測定した場合と、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して平行な断面で測定した場合とで、α結晶粒のアスペクト比の値が異なるものと考えられる。具体的には、圧延で伸長したα結晶粒を有する組織について、チタン合金線材１の長手方向Ｌと平行な断面で測定した場合には、アスペクト比が大きい（例えば、５．０以上となる）α結晶粒が観察されるのに対し、チタン合金線材１の長手方向Ｌと垂直な断面で測定した場合には、アスペクト比が小さい（例えば、１．０～３．０程度となる）α結晶粒が観察される。したがって、α結晶粒の平均アスペクト比をチタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面で測定することにより、圧延で伸長したα結晶粒であるか、針状のα結晶粒であるかを区別することができる。
また、α結晶粒の平均結晶粒径および平均アスペクト比を求める場合、細い針状のβ相を挟んで同様の方位を有するα結晶粒が並んでいると考えられる。EBSDでは、細いβ相の検出が困難であるため、EBSDによる解析では困難になる可能性がある。
重心Ｇは、厳密にはチタン合金線材１の長手方向Ｌに垂直な断面において「点」として存在する。このため、チタン合金線材１の重心Ｇを含む内部領域４におけるα結晶粒の平均アスペクト比を観察する際には、重心Ｇから外周表面３へ向けて線径Ｒの２０％までの領域についてα結晶粒のアスペクト比を観察し、観察されたアスペクト比を平均することにより算出することができる。
以上、本実施形態に係るチタン合金線材の金属組織について説明した。
（１．２ 化学組成）
次に、本実施形態に係るチタン合金線材の化学組成について説明する。本実施形態に係るチタン合金線材の化学組成は、使用時の温度環境や室温においてα相とβ相とを有する二相組織を形成可能であれば特に限定されず、例えば、ＪＩＳ Ｈ ４６００や、ＪＩＳ Ｈ ４６５０に記載される各種組成を有するα＋β型チタン合金を採用することができる。あるいは、以下に説明する元素を含有させることも可能である。なお、以下の説明を含め本明細書において、特段の明示がない限り、含有量を「％」で表す場合、当該「％」は質量％を示す。
Ａｌ：０％以上７．０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、α相に固溶してα相を強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ａｌを含まなくてもよいが、この効果を得るため、２．０％以上、好ましくは２．５％以上のＡｌを含んでいてもよい。一方で、Ａｌの含有量が大きすぎると、化学組成によってはα２相（Ｔｉ３Ａｌ）が析出して延性を低下させる場合があり、またα相の量が増加して熱間加工性が低下する場合があるため、Ａｌの含有量を７．０％以下、好ましくは６．５％以下としてもよい。
Ｖ：０％以上６．０％以下
バナジウム（Ｖ）は、β相を安定化し、熱間成形性および熱処理性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｖを含まなくてもよいが、この効果を得るため、１．５％以上、好ましくは２．０％以上のＶを含んでいてもよい。一方で、Ｖの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｖの含有量を６．０％以下、好ましくは５．５％以下としてもよい。
Ｍｏ：０％以上７．０％以下
モリブデン（Ｍｏ）も、β相を安定化し、熱間成形性および熱処理性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｍｏを含まなくてもよいが、この効果を得るため、１．０％以上、好ましくは１．５％以上のＭｏを含んでいてもよい。一方で、Ｍｏの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｍｏの含有量を７．０％以下、好ましくは６．０％以下としてもよい。
Ｃｒ：０％以上７．０％以下
クロム（Ｃｒ）も、β相を安定化し、熱間成形性および熱処理性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｃｒを含まなくてもよいが、この効果を得るため、２．０％以上、好ましくは３．０％以上のＣｒを含んでいてもよい。一方で、Ｃｒの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｃｒの含有量を７．０％以下、好ましくは６．０％以下としてもよい。
Ｚｒ：０％以上５．０％以下
ジルコニウム（Ｚｒ）は、α相およびβ相を同時に強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ｚｒを含まなくてもよいが、この効果を得るため、１．５％以上、好ましくは２．０％以上のＺｒを含んでいてもよい。一方で、Ｚｒの含有量が大きすぎると、化学組成によってはα２相（Ｔｉ３Ａｌ）の析出を促進させて延性を低下させる場合があるため、Ｚｒの含有量を５．０％以下、好ましくは４．５％以下としてもよい。
Ｓｎ：０％以上３．０％以下
スズ（Ｓｎ）は、α相およびβ相を同時に強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ｓｎを含まなくてもよいが、この効果を得るため、１．０％以上、好ましくは１．５％以上のＳｎを含んでいてもよい。一方で、Ｓｎの含有量が大きすぎると、化学組成によってはα２相（Ｔｉ３Ａｌ）の析出を促進させて延性を低下させる場合があるため、Ｓｎの含有量を３．０％以下、好ましくは２．５％以下としてもよい。
Ｓｉ：０％以上０．５０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、耐熱性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｓｉを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．０４％以上、好ましくは０．０７％以上のＳｉを含んでいてもよい。一方で、Ｓｉの含有量が大きすぎると、化学組成によっては、シリサイドの析出によるクリープ強度の低下が生じる場合があるため、Ｓｉの含有量を０．５０％以下、好ましくは０．３５％以下としてもよい。
Ｃｕ：０％以上１．８％以下
銅（Ｃｕ）は、β相を安定化させるとともに、α相にも固溶し、α相を強化する。α＋β型チタン合金線材は、Ｃｕを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．４％以上、好ましくは０．８％以上のＣｕを含んでいてもよい。一方で、Ｃｕの含有量が大きすぎると、化学組成によっては、Ｔｉ２Ｃｕの析出により疲労強度が低下する場合があるため、Ｃｕの含有量を１．８％以下、好ましくは１．５％以下としてもよい。
Ｎｂ：０％以上１．０％以下
ニオブ（Ｎｂ）は、耐酸化性を向上させる。α＋β型チタン合金線材は、Ｎｂを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．１％以上、好ましくは０．２％以上のＮｂを含んでいてもよい。一方で、Ｎｂの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｎｂの含有量を１．０％以下、好ましくは０．８％以下としてもよい。
Ｍｎ：０％以上１．０％以下
マンガン（Ｍｎ）も、β相を安定化し、熱間成形性および熱処理性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｍｎを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．１％以上、好ましくは０．２％以上のＭｎを含んでいてもよい。一方で、Ｍｎの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｍｎの含有量を１．０％以下、好ましくは０．８％以下としてもよい。
Ｎｉ：０％以上１．０％以下
ニッケル（Ｎｉ）も、β相を安定化し、熱間成形性および熱処理性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｎｉを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．１％以上、好ましくは０．２％以上のＮｉを含んでいてもよい。一方で、Ｎｉの含有量が大きすぎると、化学組成によってはβ相の体積率が増加し、α＋β型チタン合金線材の強度が低下する場合があるため、Ｎｉの含有量を１．０％以下、好ましくは０．８％以下としてもよい。
Ｓ：０％以上０．２０％以下
硫黄（Ｓ）は、切削性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｓを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．０１％以上、好ましくは０．０３％以上のＳを含んでいてもよい。一方で、Ｓの含有量が大きすぎると、化学組成によっては、介在物の生成によって熱間成形性が低下する場合があるため、Ｓの含有量を０．２０％以下、好ましくは０．１０％以下としてもよい。
ＲＥＭ：０％以上０．２０％以下
希土類元素（ＲＥＭ）は、Ｓとともに含有されることにより、切削性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、ＲＥＭを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．０１％以上、好ましくは０．０３％以上のＲＥＭを含んでいてもよい。一方で、ＲＥＭの含有量が大きすぎると、化学組成によっては、介在物の生成によって熱間成形性が低下する場合があるため、ＲＥＭの含有量を０．２０％以下、好ましくは０．１０％以下としてもよい。
ここで、ＲＥＭとしては、具体的にはスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム(Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）が挙げられ、これらのうち１種を単独で、または２種以上を組み合わせて含有させることができる。２種類以上の希土類元素を含有させる場合、例えば、分離精製前の混合希土類元素（ミッシュメタル）や、ジジム合金（ＮｄおよびＰｒからなる合金）のような希土類元素の混合物や化合物を用いてもよい。また、２種類以上の希土類元素を含有させる場合において、上記ＲＥＭ量は、すべての希土類元素の総量を意味する。
Ｆｅ：０％以上２．１０％以下
鉄（Ｆｅ）は、β相を強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ｆｅを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．５０％以上、好ましくは０．７０％以上のＦｅを含んでいてもよい。一方で、Ｆｅの含有量が大きすぎると、化学組成によっては、Ｆｅの偏析により製造性が低下したり、金属間化合物（ＴｉＦｅ）が析出して靱延性が低下したりする場合があるため、Ｆｅの含有量を２．１０％以下、好ましくは１．５０％以下としてもよい。
Ｎ：０％以上０．０５０％以下
窒素（Ｎ）は、α相に固溶してα相を強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ｎを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．００２％以上、好ましくは０．００５％以上のＮを含んでいてもよい。一方で、Ｎの含有量が大きすぎると、化学組成によっては低密度介在物（ＴｉＮ）が生成して疲労破壊の起点となる場合があるため、Ｎの含有量を０．０５０％以下、好ましくは０．０３０％以下としてもよい。
Ｏ：０％以上０．２５０％以下
酸素（Ｏ）は、α相に固溶してα相を強化する元素である。α＋β型チタン合金線材は、Ｏを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．０５０％以上、好ましくは０．１００％以上のＯを含んでいてもよい。一方で、Ｏの含有量が大きすぎると、化学組成によってはα相が過度に増加して延性が低下する場合があるため、Ｏの含有量を０．２５０％以下、好ましくは０．２００％以下としてもよい。
Ｃ：０％以上０．１００％以下
炭素（Ｃ）は、α相に固溶してα相を強化するとともに、Ｓとともに含有されることにより切削性を改善する。α＋β型チタン合金線材は、Ｃを含まなくてもよいが、この効果を得るため、０．００５％以上、好ましくは０．０１０％以上のＣを含んでいてもよい。一方で、Ｃの含有量が大きすぎると、化学組成によっては炭化物が過度に増加して熱間成形性が低下する場合があるため、Ｃの含有量を０．１００％以下、好ましくは０．０８０％以下としてもよい。
本実施形態に係るチタン合金線材の化学成分の残部は、チタン（Ｔｉ）及び不純物であってもよい。不純物とは、チタン合金線材を工業的に製造する際に、原料その他の要因により混入する成分であって、本実施形態に係るチタン合金線材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
かかる不純物としては、例えば、水素（Ｈ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、ホウ素（Ｂ）、塩素（Ｃｌ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）等が挙げられる。これらＨ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｂ、Ｃｌ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａが不純物として含まれる場合、その含有量は、例えば、それぞれ０．０５％以下であり、合計０．１０％以下である。
Ｍｏ当量
本実施形態に係るチタン合金線材の化学成分においては、更に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｎの含有量が、下記式（１）を満たす。
－４．００≦［Ｍｏ］＋０．６７［Ｖ］＋０．２８［Ｎｂ］＋２．９［Ｆｅ］＋１．６［Ｃｒ］＋１．１［Ｎｉ］＋１．６［Ｍｎ］－［Ａｌ］≦６．００ ・・・（１）
なお、式（１）において、［元素記号］の表記は、対応する元素記号の含有量（質量％）を表し、含有しない元素記号については、０を代入するものとする。
Ａ＝［Ｍｏ］＋０．６７［Ｖ］＋０．２８［Ｎｂ］＋２．９［Ｆｅ］＋１．６［Ｃｒ］＋１．１［Ｎｉ］＋１．６［Ｍｎ］－［Ａｌ］
ここで、上記式（１）の右辺で表されるＭｏ当量Ａは、式中に記載されたβ相を安定化する各元素（β安定化元素）Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎによるβ相の安定化度合いを数値化するために、用いられるものである。この際に、Ｍｏによるβ相の安定化度合いを基準として、Ｍｏ以外のβ安定化元素によるβ相の安定化度合いを、正の係数によって相対化している。一方、Ａｌはα相に固溶してα相を強化する元素（α安定化元素）であるため、上記のＭｏ当量Ａにおいて、Ａｌに関する係数は、負の値となっている。
［Ｍｏ当量Ａの範囲：－４．００≦Ａ≦６．００］
本実施形態に係るチタン合金線材は、上記式（１）で表されるＭｏ当量Ａの値が－４．００以上６．００以下の範囲内となるように、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、及び、Ｍｎからなる群より選択される少なくとも何れか１つ以上の元素を含有する。上記Ｍｏ当量Ａの値が－４．００未満である場合には、β相が少なくなりすぎて針状組織を形成しにくくクリープ特性が向上しない。Ｍｏ当量Ａの下限は、好ましくは－３．５０であり、より好ましくは－３．００である。一方、Ｍｏ当量Ａの値が６．００を超える場合には、冷却時にβ相から針状のα相が形成せず、内部がβ単相組織となり、クリープ特性が向上しない。Ｍｏ当量Ａの上限は、好ましくは５．００、より好ましくは４．００である。
このような化学組成のチタン合金線材は、α相とβ相とを有するα＋β型のチタン合金線材となる。
より具体的には、チタン合金線材は、
Ａｌ：４．５％以上６．５％以下、好ましくは４．８％以上、または６．２％以下、
Ｆｅ：０．５０％以上２．１０％以下、好ましくは０．７０％以上、または１．５０％以下、
を含んでもよい。
なお、
Ｎ ：０％以上０．０５０％以下、好ましくは０．００２％以上、または０．０３０％以下、
Ｏ ：０％以上０．２５０％以下、好ましくは０．１００％以上、または０．２００％以下、
Ｃ ：０％以上０．１００％以下、好ましくは０．００１％以上、または０．０８０％以下、
であってもよい。
このような化学組成のチタン合金線材は、α相とβ相とを有するα＋β型のチタン合金線材となり、安定したばらつきの少ない疲労強度と、高い熱間加工性を有する。また、このような化学組成のチタン合金線材としては、例えばＳｕｐｅｒ－ＴｉＸ ５１ＡＦ（Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ、日本製鉄株式会社製）等が挙げられる。
あるいは、チタン合金線材は、
Ａｌ：２．０％以上７．０％以下、好ましくは２．５％以上、または６．５％以下、
Ｖ ：１．５％以上６．０％以下、好ましくは２．０％以上、または５．５％以下、
を含んでもよい。
なお、
Ｆｅ：０％以上０．５０％以下、好ましくは０．０３％以上、または０．３０％以下、
Ｎ ：０％以上０．０５０％以下、好ましくは０．００２％以上、または０．０３０％以下、
Ｏ ：０％以上０．２５０％以下、好ましくは０．１００％以上、または０．２００％以下、
であってもよい。
このような化学組成のチタン合金線材も、α相とβ相とを含むα＋β型のチタン合金線材となり、安定したばらつきの少ない疲労強度と、高い熱間加工性を有する。また、このような化学組成のチタン合金線材としては、例えばＴｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、ＳＳＡＴ－３５（Ｔｉ－３Ａｌ－５Ｖ、日本製鉄株式会社製）等が挙げられる。
さらにまた、チタン合金線材は、
Ａｌ：５．０％以上７．０％以下、好ましくは５．５％以上、または６．５％以下、
Ｍｏ：１．０％以上７．０％以下、好ましくは１．８％以上、または６．５％以下、
Ｚｒ：３．０％以上５．０％以下、好ましくは３．６％以上、または４．４％以下、
Ｓｎ：１．０％以上３．０％以下、好ましくは１．７５％以上、または２．２５％以下を含んでもよい。
なお、
Ｓｉ：０％以上０．５０％以下、好ましくは０．０６％以上、または０．１０％以下、
Ｆｅ：０％以上０．５０％以下、好ましくは０．０３％以上、または０．１０％以下、
Ｎ ：０％以上０．０５０％以下、好ましくは０．００２％以上、または０．０３０％以下、
Ｏ ：０％以上０．２５０％以下、好ましくは０．１００％以上、または０．２００％以下、
であってもよい。
このような化学組成のチタン合金線材は、α相とβ相とを含むα＋β型のチタン合金線材となり、特にクリープ特性に優れている。また、このような化学組成のチタン合金線材としては、例えばＴｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ－０．０８Ｓｉ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏ等が挙げられる。
以上、本実施形態に係るチタン合金線材の化学組成について説明した。
（１．３ 線径、形状）
本実施形態に係るチタン合金線材１の線径Ｒは、特に限定されないが、例えば２ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができる。チタン合金線材１の線径Ｒを２ｍｍ以上とすることにより、重心Ｇを含む内部領域４に針状のα粒結晶を有する針状組織を形成しつつ、外周領域２に微細な等軸のα結晶粒を有する微細等軸組織をより確実に形成することができ、より確実に疲労強度とクリープ強度を同時に優れたものとすることができる。また、チタン合金線材１の線径Ｒを２０ｍｍ以下とすることにより、高速での伸線加工が可能となり、安定して棒線の中央部が加工発熱しやすくなり、重心付近の内部領域４に針状組織が得られやすくなる。本実施形態に係るチタン合金線材１の線径Ｒの下限は、好ましくは３ｍｍであり、線径Ｒの上限は、好ましくは１５ｍｍである。
また、本実施形態に係るチタン合金線材の形状（断面形状）は、図示の態様に限定されず、円形の他、例えば楕円形や方形等の多角形状であることもできる。
以上説明した本実施形態においては、チタン合金線材１の長手方向Ｌに対して垂直な断面において、外周領域２における金属組織が、平均結晶粒径が１０μｍ以下の等軸のα結晶粒を有する微細等軸組織であり、重心Ｇを含む内部領域４における金属組織が、針状のα結晶粒を有する針状組織であることにより、チタン合金線材の疲労強度およびクリープ強度が同時に優れたものとなる。
以上説明した本実施形態に係るチタン合金線材は、α＋β型チタン合金に由来する優れた特性、耐食性、比強度等に加え、優れたクリープ強度および疲労強度を有している。したがって、本実施形態に係るチタン合金線材は、いかなる用途に用いてもよいが、例えばボルト、ナット等のファスナー（固定具）、バルブ等に好適に用いることができる。本実施形態に係るチタン合金線材は、特に、輸送機器、例えば航空機、自動車等のファスナーやバルブ材料として好適に用いることができる。
以上説明した本実施形態に係るチタン合金線材は、いかなる方法によって製造されてもよいが、例えば以下に説明する本実施形態に係るチタン合金線材の製造方法により製造することもできる。
＜２．チタン合金線材の製造方法＞
次に、本実施形態に係るチタン合金線材の製造方法について説明する。
本実施形態に係るチタン合金線材の製造方法は、チタン合金素材を（β変態点－２００）℃以上の温度に加熱する工程（加熱工程）と、α＋β型チタン合金素材を、総減面率が９０％以上であり、かつ、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率が１０％以上、かつ、伸線速度が５ｍ／ｓ以上で加工する工程（加工工程）と、を有する。以下、各工程について説明する。
（２．１ チタン合金素材の準備）
まず、上述した各工程に先立ち、チタン合金素材を準備する。
チタン合金素材としては、上述した化学組成のものを用いることができ、公知の方法により製造されたものを用いることができる。例えば、チタン合金素材は、スポンジチタンから真空アーク溶解法によりインゴットを作製し、これをβ単相域の温度で熱間鍛造することにより得ることができる。なお、チタン合金素材には、必要に応じて洗浄処理、酸洗等の前処理が施されていてもよい。
また、チタン合金素材の線径は、加工工程において予定する減面率および予定するチタン合金線材の線径に応じて適宜選択することができる。
（２．２ 加熱工程）
本工程においては、チタン合金素材を（β変態点－２００）℃以上の温度に加熱する。これにより、変形抵抗の減少および後述する加工工程においてチタン合金素材の重心付近の温度をβ変態点以上に維持しやすくなり、チタン合金素材の重心付近における針状組織の発達を促進することができる。この結果、後述する加工工程において、重心付近（内部領域）におけるα結晶粒の平均アスペクト比を５．０以上とすることができる。これに対し、本工程における加熱温度が（β変態点－２００）℃未満である場合、変形抵抗が大きくなりすぎたり、後述する加工工程においてチタン合金素材の重心付近の温度をβ変態点以上に維持できない場合がありチタン合金素材の重心付近において針状組織を十分に発達できない結果、重心付近（内部領域）におけるα結晶粒の平均アスペクト比を十分に大きくすることができない。
本工程における加熱温度は、（β変態点－２００）℃以上であればよいが、変形抵抗の観点から、好ましくは（β変態点－１５０）℃以上、より好ましくは（β変態点－１２５）℃以上である。本工程における加熱温度の上限は、特に限定されないが、スケール形成による歩留り低下の観点から、加熱温度は、好ましくは（β変態点＋１００）℃以下、より好ましくは（β変態点＋５０）℃以下である。
なお、本明細書において、「β変態点」は、チタン合金の加熱時におけるβ変態の終了温度を意味する。本実施形態に係るチタン合金線材や、その原料となるチタン合金素材は、室温や使用環境においてα相とβ相とが存在するα＋β二相域にあり、β変態の開始温度はこれらの室温や使用環境の温度以下にある。
β変態温度Ｔは、状態図から取得することができる。状態図は、例えばＣＡＬＰＨＡＤ（Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry）法により取得することができ、例えば、そのためにＴｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＢ社の統合型熱力学計算システムであるＴｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ及び所定のデータベース（ＴＩ３）を用いることができる。
（２．３ 加工工程）
本工程は、複数の圧延パスを順次通過させることによりチタン合金素材の伸線を行う、いわゆる伸線加工工程である。
この加工工程は、リバース圧延ではなくタンデム圧延で行われる。タンデム圧延は、直列に配置された複数台の圧延パスに圧延材を連続的に通過させ、各圧延パスで一方向に順次圧延していく方式である。タンデム圧延を用いてチタン合金線材を製造することにより、チタン合金素材を、総減面率が９０％以上であり、かつ、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率が１０％以上、かつ、伸線速度が５ｍ／ｓ以上で加工することが可能となる。
ここで、加工工程によって、本実施形態のチタン合金線材が製造されていく過程を、図面（長手方向に対して垂直な断面を示す図）を参照にして説明する。図５（ａ）～（ｅ）は、本実施形態のチタン合金線材が製造されていく過程を、順を追って模式的に示している。
まず、前述の加熱工程において、（β変態点－２００）℃以上の温度に加熱されたことにより、金属組織は、β相を主相としたα＋β組織もしくはβ単相となる。ここでは図５（ａ）に示されるように、β結晶粒２０のみからなるβ単相組織の場合について説明する。そして、加工初期では、図５（ｂ）に示されるように、温度低下に伴う、β相からα相への変態時に、針状のα結晶粒２１が生成し、α相とβ相からなる針状組織が形成される。なお、針状組織とは、針状に発達した針状αと針状βが層状に並んだ組織である。
次に、加工工程の中期においては、針状のα結晶粒２１が、加工を加えられることで分断され、さらに粒成長により、図５（ｃ）に示されるように、等軸のα結晶粒２２が形成される。加工工程の中期においては、まだ伸線速度（ひずみ速度）が小さく、加工発熱が小さいため、重心付近の温度がβ変態点を超える（β単相域まで高温になる）ことはない。したがって、等軸のα結晶粒２２と等軸のβ結晶粒とが混在するα＋β型等軸組織が形成される。
次に、加工工程の後期においては、伸線速度が大きくなり、加工発熱により、重心付近では、β変態点以上の温度に上昇する。これにより、図５（ｄ）に示されるように、重心を含む内部領域においては、α相からβ相に変態し、β結晶粒２３のみからなるβ単相組織が形成される。
なお、一般にチタン合金は、変形抵抗が大きく、圧延工程や伸線工程において加工発熱が比較的大きい。特に、加工工程の後期においては、平均減面率および伸線速度が比較的大きくなることにより、圧延パス通過時における加工発熱が大きくなる。そして、チタン合金素材の内部領域、例えば、重心付近においては加工発熱に対して抜熱が小さいため、同領域における温度が上昇しβ変態点以上となる。
一方で、外周領域では、加工工程の後期においても、外周表面から十分な抜熱が可能であり、比較的低温において加工されることにより金属組織の微細化および等軸化が進行する。これにより、外周領域におけるα結晶粒２４は、平均結晶粒径が１０μｍ以下の微細な等軸粒となる。また、上記のように外周領域の金属組織が十分に微細化および等軸化されることにより、外周表面における欠陥の発生が抑制され、製造時における破断等の不具合の発生が抑制される。
そして、加工工程が終了すると、チタン合金素材の重心付近まで冷却されるため、図５（ｅ）に示されるように、温度低下に伴い、β相からα相への変態時に針状のα結晶粒２５が生成し、重心を含む内部領域には針状組織が形成される。こうして、長手方向に対して垂直な断面において、外周領域における金属組織が微細な等軸組織２４であり、内部領域における金属組織が針状組織２５である、本実施形態のチタン合金線材が製造される。
なお、加工工程では、チタン合金素材を、総減面率が９０％以上であり、かつ、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率が１０％以上、かつ、伸線速度が５ｍ／ｓ以上で加工する工程を含むことにより、本実施形態のチタン合金線材が製造される。すなわち、長手方向Ｌに対して垂直な断面において、表面３から重心Ｇへ向けて線径３％に相当する深さｄまでの外周領域２における金属組織が、平均結晶粒径が１０μｍ以下の等軸のα結晶粒を有する等軸組織となり、重心Ｇから表面３に向かって線径の２０％の位置までの重心Ｇを含む内部領域４における金属組織が、針状のα結晶粒を有する針状組織となる。また、長手方向Ｌに対して垂直な断面において、外周領域２におけるα結晶粒の平均アスペクト比が１．０以上３．０未満であり、内部領域４におけるα結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上となる。
なお、以上説明した少なくとも最終から１以上のパスにおける伸線速度は、従来のチタン合金線材の製造において採用されている伸線速度（０．２～２．０ｍ／ｓ程度）より遥かに大きい。本発明者らは、敢えてこのような伸線速度を上記の平均減面率とともに採用することにより、大きな加工発熱を生じさせ、上述した本実施形態に係るチタン合金線材の金属組織を得ることが可能であることを見出した。
上述したように、本実施形態において、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率は、１０％以上である。これにより、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、十分な加工発熱を生じさせることができる。これに対し、上記平均減面率が１０％未満であると、十分な加工発熱を生じさせることができず、重心Ｇを含む内部領域４の温度を十分に高くすることができず、β相が十分に発達しない。
少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率は、１０％以上であればよいが、より大きな加工発熱を生じさせ、β単相組織とし、その後の冷却時に針状組織を形成させるために、好ましくは１５％以上、より好ましくは２０％以上である。また、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率の上限は特に限定されないが、設備への負荷の観点から、当該平均減面率は、好ましくは４５％以下、より好ましくは３５％以下である。
少なくとも最終から１以上のパスにおいて、伸線速度は、５ｍ／ｓ以上である。これにより、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、抜熱量を小さくすることができ、加工発熱よって生じた熱が重心Ｇを含む内部領域４に蓄積される結果、内部領域４の温度を十分に高くすることができる。これに対し、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、伸線速度が５ｍ／ｓ未満の場合、抜熱量が大きくなる結果、加工発熱よって生じた熱を、重心Ｇを含む内部領域４に蓄積することができず、内部領域４の温度を十分に高くすることができない。このため、β単相組織とならず、その後の冷却時に針状組織を形成させることが困難になる。
少なくとも最終から１以上のパスにおいて、伸線速度は、５ｍ／ｓ以上であればよいが、β相を十分に発達させ、その後の冷却時に針状組織を形成させるために、好ましくは１０ｍ／ｓ以上、より好ましくは２０ｍ／ｓ以上である。また、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、伸線速度の上限は特に限定されないが、操業の安定性や設備への負荷の観点から、当該伸線速度は、好ましくは７５ｍ／ｓ以下、より好ましくは５０ｍ／ｓ以下である。
また、本工程において加工されるチタン合金素材の総減面率は９０％以上である。これにより、上述したように、外周領域２における金属組織が等軸化および微細化される。これに対し、チタン合金素材の総減面率は９０％未満であると、外周領域２における金属組織の等軸化および微細化が不十分となる。あるいは、仮に外周領域２における金属組織の等軸化した場合であってもα結晶粒が十分に微細化せず、大きな粒径を有するものとなる。
上記総減面率は、９０％以上であればよいが、外周領域２における金属組織をより確実に等軸化および微細化するために、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上である。
なお、１パス当たりの減面率については、当該１パス前における断面積に対する当該１パス後における面積の減少率をいい、総減面率については、本工程の加工前のチタン合金素材の断面積に対する加工後の断面積の減少率をいう。
また、本工程において用いられるロールのカリバー形状としては、上述した伸線速度、減面率を達成可能であれば特に限定されず、公知のカリバー形状を用いることができ、例えば真円、楕円、四角形状等を用いることができる。
また、本工程においてロールを通過させる回数（パス数）は、特に限定されず、本工程を実施できるよう５回以上であればよい。なお、９０％以上の減面率を行うために、１０パス以上行うことが好ましい。
以上の各工程により、上述したような本実施形態に係るチタン合金線材を工業的に安定して製造することができる。なお、得られたチタン合金線材について、必要に応じて、以下のような熱処理・後処理が行われてもよい。
（２．４ 熱処理工程）
上記の各工程により得られたチタン合金素材（チタン合金線材）について、さらに（β変態点－３００）℃以上（β変態点－５０）℃以下の温度域にて熱処理（焼鈍処理）を施してもよい。これにより、上述した加工工程において生じたひずみを除去し、得られるチタン合金線材の疲労強度をより一層向上させることができる。
本処理において熱処理の温度は（β変態点－３００）℃以上である。これにより、加工工程において生じたひずみを十分に除去することができる。熱処理の温度は、好ましくは（β変態点－２５０）℃以上、より好ましくは（β変態点－２００）℃以上である。
また、本処理において熱処理の温度は（β変態点－５０）℃以下である。これにより、外周領域２に等軸組織と針状組織の混在（バイモーダル）組織が生じて疲労特性が低下することを防止することができる。熱処理の温度は、好ましくは（β変態点－１００）℃以下である。
また、熱処理の時間は、特に限定されず適宜選択可能であるが、例えば１分以上１２０分以下、好ましくは２分以上、または６０分以下であることができる。
また、熱処理時における雰囲気は、特に限定されず、大気、真空、不活性ガス（アルゴンなど）であることができる。特に酸化等の化学反応を促進する雰囲気でなければ、その後に脱スケールにて対応することが可能である。
（２．５ 後処理）
後処理としては、酸洗や切削による酸化物スケール等の除去や、洗浄処理等が挙げられ、必要に応じて適宜適用することができる。
以上、本実施形態に係るチタン合金線材の製造方法について説明した。
以下に、実施例を示しながら、本発明の実施形態について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明のあくまでも一例であって、本発明が、下記の例に限定されるものではない。
１．
チタン合金線材の製造
まず、真空アーク溶解法により表１の化学組成を有するインゴットを作製し、これをβ単相域の温度で熱間鍛造することにより、合金種Ａ～Ｏの組成を有する所定の径（線径２２ｍｍ～１８０ｍｍ）のチタン丸棒を得た。なお、各チタン丸棒において、表１に記載の組成以外の成分は、チタンおよび不純物である。また、合金種Ａ～Ｍはいずれも、室温や使用環境においてにおいてα相とβ相とを有する二相組織を形成するα＋β型チタン合金である。また、合金種Ｎは、室温でβ相がほとんど存在しないα＋β型チタン合金であり、合金種Ｏは、マルテンサイト変態開始温度が室温以下である準安定β型チタン合金である。
合金種Ａ～Ｍは、請求項１に規定する成分範囲を満足する例である。
合金種Ａ～Ａ４は、請求項２に規定する成分範囲を満足する例である。
合金種Ｂ～Ｂ５は、請求項３に規定する成分範囲を満足する例である。
合金種Ｃ～Ｃ９は、請求項４に規定する成分範囲を満足する例である。
Figure 0007024861000001
次に、得られた各チタン丸棒を加熱し（加熱工程）、ロールを用いて伸線加工を行った（加工工程）。さらに、必要に応じて熱処理工程を行った（熱処理工程）。熱処理は、１００％アルゴンの雰囲気において、１０分行った。これにより、各例に係るチタン合金線材を得た。加熱工程における加熱温度（℃）、加工工程での少なくとも最終から１以上のパスにおける１パスあたりの平均減面率（％）、伸線速度（ｍ／ｓ）、加工工程での総減面率（％）、熱処理工程の有無、熱処理温度（℃）を表２、表３、表４に示す。
Figure 0007024861000002
Figure 0007024861000003
Figure 0007024861000004
２．
分析・評価
各例に係るチタン合金線材について、以下の項目について分析および評価を行った。
２．１ 金属組織（ミクロ組織）の観察
各例に係るチタン合金線材について、以下のように、長手方向に対して垂直な断面を観察し、断面の各領域について金属組織が等軸組織、針状組織のいずれであるかを調べた。また、α結晶粒の平均結晶粒径および平均アスペクト比を測定、算出するとともに、α結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である領域の上記断面に対する面積率を求めた。まず、各例に係るチタン合金線材について長手方向に対して垂直な断面を鏡面研磨後、ふっ酸と硝酸の混合液によりエッチングした。平均結晶粒径および平均アスペクト比は、当該面の光学顕微鏡写真を観察することにより測定した。平均結晶粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠して、線分法により測定した。具体的には、５００倍の倍率で撮影した光学顕微鏡写真に対し、縦横に５本ずつ線分を引き、線分ごとに当該線分を横切る粒界数を用いて平均結晶粒径を算出し、合計１０本の平均結晶粒径の算術平均値より求めた。平均アスペクト比は、５００倍の倍率で撮影した光学顕微鏡写真に対し、任意の結晶粒５０個に対して、長軸と短軸を測定し、長軸を短軸で除した値の算術平均として算出した。ここで、「長軸」とは、α相の粒界（輪郭）上の任意の２点を結ぶ線分のうちで、長さが最大になるものをいい、「短軸」とは、長軸に直交し、かつ粒界（輪郭）上の任意の２点を結ぶ線分のうちで、長さが最大になるものをいう。
２．２ 疲労強度
疲労強度は、ＪＩＳ Ｚ ２２７４：１９７８に準じて回転曲げ疲労試験を行い、１０７回まで破断しなかった場合における最大の応力を疲労強度とした。
２．３ クリープ強度
クリープ強度は、ＪＩＳ Ｚ ２２７１：２０１０に準じてクリープ試験を行った。具体的には、４００℃の環境下にて１００時間クリープ試験を行った際に、０．２％ひずみに到達する最小の応力をクリープ強度とした。
２．４ 評価
同一の合金種について従来の製造方法に相当する製造方法によって得られるチタン合金線材との比較を行うために、表２に示す合金種Ａ～Ｏの例（いずれも比較例）では、加工工程での少なくとも最終から１以上のパスにおける１パスあたりの平均減面率（％）は１６％であるが、伸線速度（ｍ／ｓ）を、２．０ｍ／ｓ（５ｍ／ｓ未満）とした。表２に示す例に係るチタン合金線材は、外周領域と内部領域のいずれも、金属組織が等軸組織となった。
一方、表３に示す合金種Ａ～Ｍの発明例１～３１は、加工工程での少なくとも最終から１以上のパスにおける１パスあたりの平均減面率（％）は１６％であり、伸線速度（ｍ／ｓ）は２５ｍ／ｓである。表３に示す発明例１～３１のチタン合金線材は、外周領域の金属組織が、等軸のα相を母相とし、その粒界や粒内に微細なβ相が存在する等軸組織となり、内部領域の金属組織が針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
なお、表３に示す合金種Ｎ、Ｏの比較例１、２は、加工工程での少なくとも最終から１以上のパスにおける１パスあたりの平均減面率（％）は１６％であり、伸線速度（ｍ／ｓ）は２５ｍ／ｓである。しかしながら、比較例１は、Ｍｏ当量（Ｍｏｅｑ）が-４．０より小さい。比較例１では、外周領域の金属組織は、等軸のα結晶粒からなるα相を母相とし、β相がほとんど存在しない（ごく微量のβ相が存在する）α単相の等軸組織となり、内部領域の金属組織は、アスペクト比が比較的小さいα結晶粒を有するα相を母相とし、β相がほとんど存在しない（β相がごく微量に存在する）組織になった。より詳細には、比較例１の内部領域では、ブロック状のα相中に等軸のβ相が微細分散した組織となっている。
また、比較例２は、Ｍｏ当量（Ｍｏｅｑ）が６．０より大きい。比較例２では、外周領域の金属組織、内部領域の金属組織のいずれもが、等軸のβ結晶粒からなるβ単相の等軸組織になった。
なお、表３中、比較例１、２の内部領域の金属組織、および、比較例２の外部領域の金属組織は、本発明の等軸組織とは異なるため、「＊」を付して区別した。
表２と表３において、合金種Ａ～Ｏの例について、疲労強度を比較・評価した。表２に示す合金種Ａ～Ｏの例の疲労強度を基準として、以下のＡ～Ｃの段階で評価した。そして、基準の疲労強度と同等以上であった場合、すなわちＡ、Ｂの評価について合格とした。
Ａ：基準の疲労強度と比較して１０ＭＰａ以上向上した。
Ｂ：基準の疲労強度と比較して－１０ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満の範囲の変動があった。
Ｃ：基準の疲労強度と比較して１０ＭＰａ超２０ＭＰａ以下低下した。
また、表２と表３において、合金種Ａ～Ｏの例について、クリープ強度（クリープ応力）を比較・評価した。表２に示す合金種Ａ～Ｏの例のクリープ強度を基準として、以下のＡ～Ｃの段階で評価した。そして、基準のクリープ強度と比較して向上した場合、すなわちＡ、Ｂの評価について合格とした。
Ａ：基準のクリープ強度と比較して２０ＭＰａ以上向上した。
Ｂ：基準のクリープ強度と比較して１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満向上した。
Ｃ：基準のクリープ強度と比較して－１０ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満の範囲の変動があった。
表１に示す合金種Ａ～Ｏについて従来の製造方法に相当する製造方法よって得られたチタン合金線材の例における、外周領域における金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比、平均結晶粒径、および、内部領域における金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比、針状組織領域の面積率、ならびに、評価の基準となる疲労強度、クリープ強度を表２に示す。また、発明例１～３１（合金種Ａ～Ｍ）と比較例１、２（合金種Ｎ、Ｏ）の外周領域における金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比、平均結晶粒径、および、内部領域における金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比、針状組織領域の面積率、ならびに、評価の対象となる疲労強度と評価結果、評価の対象となるクリープ強度と評価結果を表３に示す。
発明例１～３１では、疲労強度の評価がＡ、Ｂの何れかであり、基準の疲労強度と同等以上であった。また、発明例１～３１では、クリープ強度の評価がＡ、Ｂの何れかであり、基準のクリープ強度と比較して向上した。
一方、比較例１、２は、クリープ強度の向上が十分でなかった。
次に、表４において、合金種Ａ、Ｂ、Ｃについて、疲労強度とクリープ強度を比較・評価した。発明例３２～５４は、加熱工程および加工工程が本発明を満足し、発明例３２～５４のチタン合金線材は、外周領域の金属組織が、等軸のα相を母相とし、その粒界や粒内に微細なβ相が存在する等軸組織となり、内部領域の金属組織が針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
一方、比較例３～１０は、加熱工程または加工工程の何れかが本発明の範囲外であり、比較例３～１０のチタン合金線材は、外周領域の金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比、α結晶粒の平均結晶粒径、または、内部領域の金属組織、α結晶粒の平均アスペクト比の何れかが本発明の範囲外となった。
なお、発明例３２～５４の線径は、１．５ｍｍ～２２．０ｍｍであった。発明例３２～５０、５２、５３は、請求項８に規定する線径２.０ｍｍ～２０．０ｍｍを満足する例である。
発明例３２～４８および発明例５１～５４については表２の合金種Ａの例における疲労強度とクリープ強度を基準として、発明例４９については表２の合金種Ｂの例における疲労強度とクリープ強度を基準として、発明例５０については表２の合金種Ｃの例における疲労強度とクリープ強度を基準として、上記と同様に、Ａ～Ｃの段階で評価した。
表４に示すように発明例３２～５４に係るチタン合金線材は、疲労強度およびクリープ強度に同時に優れていた。特に、発明例３２～５４に係るチタン合金線材は、クリープ強度について、基準とした比較例に対し良好な結果が得られた。これに対し、比較例３～１０に係るチタン合金線材は、疲労強度およびクリープ強度を同時に優れたものとすることができなかった。
比較例３では、総減面率が９０.０％未満であったため、外周領域は、α結晶粒のアスペクト比および結晶粒径がある程度大きくなったα相中に微細なβ相が少量存在する、等軸化が完了していない組織（未等軸化）となった。また、比較例３では、伸線速度が５．０ｍ／ｓ未満であり、加工発熱が小さかったため、内部領域は、等軸のα結晶粒からなるα相を母相とするα相中にβ相が微細分散した等軸組織となった。
比較例４では、少なくとも最終から１パス以上のパスにおける平均減面率が１０．０％よりも少なく、加工発熱が小さかったため、内部領域、外周領域ともに、等軸のα結晶粒からなるα相を母相とし、α相中に少量のβ相が微細分散した等軸組織となった。
比較例５では、総減面率が９０.０％未満であったため、外周領域は、α結晶粒のアスペクト比がある程度大きくなったα相中に微細なβ相が少量存在する、等軸化が完了していない組織（未等軸化）となり、内部領域は、針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
比較例６では、伸線速度が５．０ｍ／ｓ未満であり、加工発熱が小さかったため、内部領域、外周領域ともに、等軸のα結晶粒からなるα相を母相とし、α相中に少量のβ相が微細分散した等軸組織となった。
比較例７では、総減面率が９０.０％未満であったため、外周領域は、粗大な等軸のα結晶粒からなるα相を母相とし、α相中に少量のβ相が分散した等軸組織となり、内部領域は、針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
比較例８では、加熱温度が低すぎたため、内部領域、外周領域ともに、等軸のα結晶粒からなるα相を母相とし、α相中に少量のβ相が微細分散した等軸組織となった。
比較例９では、総減面率が９０.０％未満であったため、外周領域は、α結晶粒のアスペクト比および結晶粒径がある程度大きくなったα相中に微細なβ相が少量存在する、等軸化が完了していない組織（未等軸化）となり、内部領域は、針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
比較例１０では、総減面率が９０.０％未満であったため、外周領域は、アスペクト比がある程度大きくなったα相中に微細なβ相が少量存在する、等軸化が完了していない組織（未等軸化）となり、内部領域は、針状のα相とβ相が層状に並んだ針状組織となった。
特に、重心を含む針状組織領域の面積率が４０％を超えた発明例３２、３３、３６、３９～４１、４５～５２に係るチタン合金線材は、クリープ強度に優れていた。さらに、外周領域のα結晶粒の平均粒径が５．０μｍ以下である、発明例３２～３５、３９、４０、４２～４４、４７～５０、５３、５４に係るチタン合金線材は、疲労強度が優れていた。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
ａ α結晶粒
ｂ β相
ｃ 針状α
ｅ 針状β
１ チタン合金線材
Ｌ 長手方向
２ 外周領域
３ 外周表面
４ 内部領域
Ｇ 重心
Ｒ 線径
ｄ ３％に相当する深さ
１１ 長軸
１０ α相の粒界
１２ 短軸
２０ β結晶粒
２１ 針状のα結晶粒
２２ 等軸のα結晶粒
２３ β結晶粒
２４ 等軸の微細α結晶粒（微細な等軸組織）
２５ 針状のα結晶粒（針状組織）

Claims (9)

  1. α相とβ相とを含むチタン合金線材であって、
    質量％で、
    Ａｌ：０％以上７．０％以下、
    Ｖ：０％以上６．０％以下、
    Ｍｏ：０％以上７．０％以下、
    Ｃｒ：０％以上７．０％以下、
    Ｚｒ：０％以上５．０％以下、
    Ｓｎ：０％以上３．０％以下、
    Ｓｉ：０％以上０．５０％以下、
    Ｃｕ：０％以上１．８％以下、
    Ｎｂ：０％以上１．０％以下、
    Ｍｎ：０％以上１．０％以下、
    Ｎｉ：０％以上１．０％以下、
    Ｓ：０％以上０．２０％以下、
    ＲＥＭ：０％以上０．２０％以下、
    Ｆｅ：０％以上２．１０％以下、
    Ｎ：０％以上０．０５０％以下、
    Ｏ：０％以上０．２５０％以下、
    Ｃ：０％以上０．１００％以下、
    残部：Ｔｉおよび不純物であり、
    Ａｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｎの含有量が、下記式（１）を満たす化学組成を有し、
    長手方向に対して垂直な断面において、表面から重心へ向かって線径の３％の深さまでの外周領域における金属組織が、平均結晶粒径が１０μｍ以下のα結晶粒を有する等軸組織であり、
    前記長手方向に対して垂直な断面において、前記外周領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比が１．０以上３．０未満であり、
    前記長手方向に対して垂直な断面において、重心から表面に向かって線径の２０％の位置までの重心を含む内部領域におけるα結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である、チタン合金線材。
    －４．００≦［Ｍｏ］＋０．６７［Ｖ］＋０．２８［Ｎｂ］＋２．９［Ｆｅ］＋１．６［Ｃｒ］＋１．１［Ｎｉ］＋１．６［Ｍｎ］－［Ａｌ］≦６．００ ・・・（１）
    なお、式（１）において、［元素記号］の表記は、対応する元素記号の含有量（質量％）を表し、含有しない元素記号については、０を代入するものとする。
  2. 質量％で、
    Ａｌ：４．５％以上６．５％以下、
    Ｆｅ：０．５０％以上２．１０％以下、
    を含む、請求項１に記載のチタン合金線材。
  3. 質量％で、
    Ａｌ：２．０％以上７．０％以下、
    Ｖ ：１．５％以上６．０％以下、
    を含む、請求項１に記載のチタン合金線材。
  4. 質量％で、
    Ａｌ：５．０％以上７．０％以下、
    Ｍｏ：１．０％以上７．０％以下、
    Ｚｒ：３．０％以上５．０％以下、
    Ｓｎ：１．０％以上３．０％以下、
    を含む、請求項１に記載のチタン合金線材。
  5. 前記長手方向に対して垂直な断面において、α結晶粒の平均アスペクト比が５．０以上である重心を含む領域の面積が、当該断面の面積に対し４０％以上である、請求項１～４の何れか一項に記載のチタン合金線材。
  6. 前記外周領域におけるα結晶粒の平均結晶粒径が５．０μｍ以下である、請求項１～５の何れか一項に記載のチタン合金線材。
  7. 線径が、２．０ｍｍ以上２０．０ｍｍ以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載のチタン合金線材。
  8. チタン合金素材を（β変態点－２００）℃以上の温度に加熱する工程と、
    前記チタン合金素材を、総減面率が９０．０％以上であり、かつ、少なくとも最終から１以上のパスにおいて、１パスあたりの平均減面率が１０．０％以上、かつ、伸線速度が５．０ｍ／ｓ以上で加工する工程と、
    を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のチタン合金線材の製造方法。
  9. さらに、前記加工する工程後に、（β変態点－３００）℃以上（β変態点－５０）℃以下の温度域にて熱処理する工程を有する、請求項８に記載のチタン合金線材の製造方法。
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