JP7087861B2 - チタン合金及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、チタン合金及びその製造方法に関する。
工業用純チタンは、ＳＵＳ３０４などの汎用ステンレス鋼では腐食してしまう海水においても優れた耐食性を示す。この高い耐食性を活かして海水淡水化プラント等で使用されている。
一方で、化学プラント用の材料として塩酸等の海水以上に腐食性の高い環境下で使用される場合がある。このような環境下では、工業用純チタンであっても顕著に腐食してしまう。
そこで、腐食性の高い環境下で用いることを想定し、工業用純チタンよりも耐食性に優れた耐食チタン合金が開発されてきた。
特許文献１には、Ｐｄなどの白金族元素を添加して耐食性の低下を抑制したチタン合金が記載されている。また、特許文献２および非特許文献１には、白金族元素の添加に加えて、金属間化合物を析出させることで、耐食性の改善を図ったチタン合金が開示されている。
しかしながら、これらの従来のチタン合金は、金属間化合物、β相自体、または、これらの周囲において局部腐食が発生してしまい、金属間化合物やβ相の脱落が発生してしまう。そのため、従来のチタン合金では、金属間化合物やβ相の脱落による耐食性の低下が課題であった。
この課題に対する取り組みとして、例えば特許文献３では、チタン合金の組織として、Ｎｉリッチなβ相とＴｉ２Ｎｉが共存する組織が提案されている。
「鉄と鋼」、ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．４（１９９４），Ｐ３５３－３５８
しかしながら、特許文献３に記載のような組織を形成したとしても、実用上求められる耐食性の水準に比べて腐食速度が大きく、前述の課題の完全な解決には至っていない。
以上のような経緯から、金属間化合物やβ相近傍の局部腐食を抑制して、優れた耐食性を示すチタン合金の開発が待ち望まれていた。
本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、優れた耐食性を有するチタン合金およびその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明者らは、金属間化合物やβ相そのものの局部腐食、および金属間化合物やβ相の周囲にて発生する局部腐食について研究を進めた。
その結果、局部腐食の発生を抑制するためには、金属間化合物の有無よりもβ相の組成が重要な役割を果たしていることが分かった。すなわち、本発明者らは、β相結晶粒（以下、β相結晶粒をβ粒と表記する場合がある）に含まれる元素の比率である平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を０．５５～２．００の範囲にすることで、局部腐食を抑制することを見出した。
さらに上記の知見に加えて、チタン合金中に、希土類元素であるＬａ、Ｃｅ、Ｎｄを微量含有させることで、更なる耐食性向上効果を発揮できることを見出した。
本発明の要旨は以下の通りである。
本発明の要旨は以下の通りである。
［１］質量％で、
Ｆｅ：０．０１０～０．３００％、
Ｒｕ：０．０１０～０．１５％、
Ｃｒ：０～０．１０％、
Ｎｉ：０～０．３０％、
Ｍｏ：０～０．１０％、
Ｐｔ：０～０．１０％、
Ｐｄ：０～０．２０％、
Ｉｒ：０～０．１０％、
Ｏｓ：０～０．１０％、
Ｒｈ：０～０．１０％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなり、
β相結晶粒に含まれる元素の成分比を表す下記式（１）のＡ値が、０．５５０～２．０００の範囲であることを特徴とするチタン合金。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。
［２］さらに質量％で、Ｌａ、Ｃｅ及びＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．００１～０．１０％含有することを特徴とする［１］に記載のチタン合金。
Ｆｅ：０．０１０～０．３００％、
Ｒｕ：０．０１０～０．１５％、
Ｃｒ：０～０．１０％、
Ｎｉ：０～０．３０％、
Ｍｏ：０～０．１０％、
Ｐｔ：０～０．１０％、
Ｐｄ：０～０．２０％、
Ｉｒ：０～０．１０％、
Ｏｓ：０～０．１０％、
Ｒｈ：０～０．１０％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなり、
β相結晶粒に含まれる元素の成分比を表す下記式（１）のＡ値が、０．５５０～２．０００の範囲であることを特徴とするチタン合金。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。
［２］さらに質量％で、Ｌａ、Ｃｅ及びＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．００１～０．１０％含有することを特徴とする［１］に記載のチタン合金。
［３］塑性加工されたチタン合金素材を、仕上げ焼鈍温度：５５０～７８０℃、仕上げ焼鈍時間：１分～７０時間で焼鈍する第１の工程と、
前記仕上げ焼鈍温度から４００℃に到達するまでの平均冷却速度が０．２０℃／ｓ以下となる条件で冷却する第２の工程と、
を順次行うことを特徴とする、［１］または［２］に記載のチタン合金の製造方法。
前記仕上げ焼鈍温度から４００℃に到達するまでの平均冷却速度が０．２０℃／ｓ以下となる条件で冷却する第２の工程と、
を順次行うことを特徴とする、［１］または［２］に記載のチタン合金の製造方法。
本発明によれば、金属間化合物やβ相近傍の局部腐食を抑制することができ、耐食性の良好なチタン合金およびその製造方法を提供できる。
以下、本発明の実施形態であるチタン合金およびその製造方法について詳細に説明する。
本実施形態のチタン合金は、質量％で、Ｆｅ：０．０１０～０．３００％、Ｒｕ：０．０１０～０．１５％、Ｃｒ：０～０．１０％、Ｎｉ：０～０．３０％、Ｍｏ：０～０．１０％、Ｐｔ：０～０．１０％、Ｐｄ：０～０．２０％、Ｉｒ：０～０．１０％、Ｏｓ：０～０．１０％、Ｒｈ：０～０．１０％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなり、β相結晶粒に含まれる元素の成分比を表す下記式（１）のＡ値が、０．５５０～２．０００の範囲である。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。
まず、本実施形態のチタン合金の化学成分について説明する。以下の説明では、質量％を単に％という。
Ｒｕ：０．０１０～０．１５％
Ｒｕは、水素過電圧が小さく、チタンの不動態化を促進して耐食性向上に有効に作用する。この効果を発揮させるため、含有量を０．０１０％以上とする。好ましくは０．０２％以上である。しかし、Ｒｕは強力なβ安定化元素であるため、過剰に含有させるとβ相中に濃化してβ相率の不要な増加をもたらす。また、Ｒｕを過剰に含有させると、後述するβ相結晶粒における（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正なバランスから逸脱させる一因となる。そのため、Ｒｕの上限は０．１５％以下とする。好ましくは０．１３％以下である。
Ｒｕは、水素過電圧が小さく、チタンの不動態化を促進して耐食性向上に有効に作用する。この効果を発揮させるため、含有量を０．０１０％以上とする。好ましくは０．０２％以上である。しかし、Ｒｕは強力なβ安定化元素であるため、過剰に含有させるとβ相中に濃化してβ相率の不要な増加をもたらす。また、Ｒｕを過剰に含有させると、後述するβ相結晶粒における（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正なバランスから逸脱させる一因となる。そのため、Ｒｕの上限は０．１５％以下とする。好ましくは０．１３％以下である。
Ｆｅ：０．０１０～０．３００％
Ｆｅは、β安定化元素であり、Ｒｕと同様にβ相中に濃化して分布する。Ｆｅ原子そのものの水素過電圧は必ずしも小さくなく単独添加による耐食性向上効果は認められないが、０．０１０％以上のＦｅがβ相結晶粒中にＲｕと共に存在することで耐食性向上効果をもたらす。そのため、合金中のＦｅ含有量を０．０１０％以上とし、好ましくは０．０２０％以上とする。一方、Ｆｅを過剰に含有させると、後述するβ相結晶粒における（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正なバランスから逸脱させる一因となる。そのため、Ｆｅの上限範囲として０．３００％以下とする。好ましくは０．２５０％以下である。
Ｆｅは、β安定化元素であり、Ｒｕと同様にβ相中に濃化して分布する。Ｆｅ原子そのものの水素過電圧は必ずしも小さくなく単独添加による耐食性向上効果は認められないが、０．０１０％以上のＦｅがβ相結晶粒中にＲｕと共に存在することで耐食性向上効果をもたらす。そのため、合金中のＦｅ含有量を０．０１０％以上とし、好ましくは０．０２０％以上とする。一方、Ｆｅを過剰に含有させると、後述するβ相結晶粒における（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正なバランスから逸脱させる一因となる。そのため、Ｆｅの上限範囲として０．３００％以下とする。好ましくは０．２５０％以下である。
また、本実施形態に係るチタン合金は、Ｃｒ：０～０．１０％、Ｎｉ：０～０．３０％、Ｍｏ：０～０．１０％、Ｐｔ：０～０．１０％、Ｐｄ：０～０．２０％、Ｉｒ：０～０．１０％、Ｏｓ：０～０．１０％、Ｒｈ：０～０．１０％の１種または２種以上を含有してもよく、これらの元素を含有しなくてもよい。含有しない場合の下限は０％である。
Ｃｒ：０～０．１０％
Ｃｒは、チタン合金への微量含有では耐食性に悪影響をもたらさないが、多量の含有は局部アノードのｐＨを低下させてしまい局部腐食の進展を促進する悪影響をもたらしてしまう。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｃｒは、チタン合金への微量含有では耐食性に悪影響をもたらさないが、多量の含有は局部アノードのｐＨを低下させてしまい局部腐食の進展を促進する悪影響をもたらしてしまう。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｎｉ：０～０．３０％
Ｎｉは、Ｔｉに含有されて金属化合物を形成した場合に、耐食性を向上させる元素である。しかし、金属間化合物の形成は局部腐食発生の一因となる場合があり、本発明への積極的な含有は必要ない。そのため、上限を０．３０％以下とする。下限は０％である。
Ｎｉは、Ｔｉに含有されて金属化合物を形成した場合に、耐食性を向上させる元素である。しかし、金属間化合物の形成は局部腐食発生の一因となる場合があり、本発明への積極的な含有は必要ない。そのため、上限を０．３０％以下とする。下限は０％である。
Ｍｏ：０～０．１０％
Ｍｏは、溶出してイオン化した際に腐食抑制剤として機能することで耐食性を向上させる元素である。しかし、わずかな局部腐食を抑制する本発明において、腐食抑制剤として機能するほどＭｏがイオン化することはなく積極的に含有させる必要はない。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｍｏは、溶出してイオン化した際に腐食抑制剤として機能することで耐食性を向上させる元素である。しかし、わずかな局部腐食を抑制する本発明において、腐食抑制剤として機能するほどＭｏがイオン化することはなく積極的に含有させる必要はない。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｐｔ：０～０．１０％
Ｐｔは、水素過電圧が小さく、その添加によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、Ｐｔを積極的に含有させなくても他の白金族元素の添加によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＰｔの過剰な含有は素材コストを損なう一因となる。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｐｔは、水素過電圧が小さく、その添加によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、Ｐｔを積極的に含有させなくても他の白金族元素の添加によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＰｔの過剰な含有は素材コストを損なう一因となる。そのため、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｐｄ：０～０．２０％
Ｐｄは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため、少量の含有により耐食性向上に有効な元素である。しかし、Ｐｄは希少元素であり高価であるため、過剰な添加は素材コストを損なう一因となる。そのため、上限を０．２０％以下とする。下限は０％であってもよく、０．０１％以上であってもよい。
Ｐｄは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため、少量の含有により耐食性向上に有効な元素である。しかし、Ｐｄは希少元素であり高価であるため、過剰な添加は素材コストを損なう一因となる。そのため、上限を０．２０％以下とする。下限は０％であってもよく、０．０１％以上であってもよい。
Ｉｒ：０～０．１０％以下
Ｉｒは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、Ｉｒを積極的に含有させなくても他の白金族元素の含有によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＩｒの過剰な添加は素材コストを損なう一因となり得ること、Ｉｒの過剰な含有は不要な金属間化合物の析出を促進してしまうことから、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｉｒは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、Ｉｒを積極的に含有させなくても他の白金族元素の含有によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＩｒの過剰な添加は素材コストを損なう一因となり得ること、Ｉｒの過剰な含有は不要な金属間化合物の析出を促進してしまうことから、上限を０．１０％以下とする。下限は０％である。
Ｏｓ：０～０．１０％
Ｒｈ：０～０．１０％
ＯｓやＲｈは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、ＯｓやＲｈを積極的に含有させなくても他の白金族元素の含有によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＯｓやＲｈの過剰な含有は素材コストを損なう一因となり得ること、ＯｓやＲｈの過剰な含有は規定範囲以上にβ相析出を促進してしまうことから、それぞれの上限を０．１０％以下とする。下限はそれぞれ０％である。
Ｒｈ：０～０．１０％
ＯｓやＲｈは、水素過電圧が小さく、その含有によりチタンの不動態化を促進するため耐食性向上に有効な元素である。本発明においては、ＯｓやＲｈを積極的に含有させなくても他の白金族元素の含有によって十分な耐食性を発揮できる。高価な希少元素であるＯｓやＲｈの過剰な含有は素材コストを損なう一因となり得ること、ＯｓやＲｈの過剰な含有は規定範囲以上にβ相析出を促進してしまうことから、それぞれの上限を０．１０％以下とする。下限はそれぞれ０％である。
また、本実施形態のチタン合金は、さらに質量％で、Ｌａ、Ｃｅ及びＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．００１～０．１０％含有してもよい。
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの合計量：０．００１～０．１０％
ＲｕやＰｄ等の白金属元素を含有せずにＬａ、Ｃｅ、Ｎｄをそれぞれ含有させるだけでは耐食性を向上させる効果は乏しいが、ＲｕやＰｄ等の水素過電圧の小さい元素と、合計０．００１％以上のＬａ、Ｃｅ、Ｎｄを含有させることで、チタン酸化物から構成される不動態皮膜をより溶解し難くし、耐食性を一層向上させる効果がある。ただし、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄのいずれの元素も酸化物を形成しやすいため、過剰に含有すると不要な介在物の形成をもたらし、望ましくない。そのため、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの合計量上限を０．１０％以下とする。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄは単独で含有させてもよく、２種以上を含有させてもよい。
ＲｕやＰｄ等の白金属元素を含有せずにＬａ、Ｃｅ、Ｎｄをそれぞれ含有させるだけでは耐食性を向上させる効果は乏しいが、ＲｕやＰｄ等の水素過電圧の小さい元素と、合計０．００１％以上のＬａ、Ｃｅ、Ｎｄを含有させることで、チタン酸化物から構成される不動態皮膜をより溶解し難くし、耐食性を一層向上させる効果がある。ただし、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄのいずれの元素も酸化物を形成しやすいため、過剰に含有すると不要な介在物の形成をもたらし、望ましくない。そのため、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの合計量上限を０．１０％以下とする。Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄは単独で含有させてもよく、２種以上を含有させてもよい。
本実施形態に係るチタン合金は、上述してきた元素以外（残部）は、Ｔｉ及び不純物からなる。以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることができる。本実施形態における「不純物」とは、チタン合金を工業的に製造する際にスポンジチタンやスクラップ等の原料をはじめとして製造工程の種々の要因によって混入する成分であり、不可避的に混入する成分も含む。このような不可避的な不純物としては、例えば、酸素、水素、炭素、窒素などが挙げられる。これらの元素は、本発明の課題を解決する限度において、その含有割合を制限すればよい。
また、本実施形態で対象とするチタン合金は、熱延板や冷延板として適用される。具体的には、上記の成分範囲としたインゴットやスラブを溶製するが、溶解時のＴｉ原料としては、一般的なスポンジチタンやスクラップを適宜用いる。この際、スクラップ原料由来により、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈなどが微量含有される場合があるが、上記範囲内であれば特に問題はない。
次に、β相結晶粒中の元素濃度について説明する。本実施形態のチタン合金は、α相の組織中に、微細なβ相結晶粒が分散した組織を有している。本実施形態のチタン合金のβ相結晶粒には、主にβ安定化元素や白金属元素が濃化するが、β相結晶粒に濃化する元素の成分比が所定の範囲になる場合に、より優れた耐食性を発揮できるようになる。具体的には、β相結晶粒に含まれる元素の成分比を表す下記式（１）のＡ値が、０．５５０～２．０００の範囲を満たす必要がある。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。また、式（１）中の〔元素記号〕のうち、β相結晶粒中に含有しない元素については当該元素の項に０を代入する。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。また、式（１）中の〔元素記号〕のうち、β相結晶粒中に含有しない元素については当該元素の項に０を代入する。
局部腐食を抑制し耐食性に優れたチタン合金を提供するためには、β相結晶粒（β粒）中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を０．５５０～２．０００とする。β粒の組成が、この条件を満足することで、β相やその周囲が優先的な腐食サイトとならず、局部腐食の抑制が成され優れた耐食性を示す。
β相やその周囲が優先的な腐食サイトとなることを回避するためには、β粒の組成において、水素過電圧が小さいＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈなどの白金族元素と、白金族元素に比べて水素過電圧が大きいその他のβ安定化元素のバランスが重要である。この適したバランスとしてβ粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を０．５５０～２．０００とする。
β粒中に白金族元素が多く分布する場合、つまり（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が小さい場合は、β相は優先溶解しないがその周囲にて局部腐食が発生してしまう。一方で、β粒中に白金族元素分布が少ない場合、つまり（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が大きい場合は、β相が優先的な腐食サイトとなってしまい、局部腐食が発生してしまう。このようなβ相やその周囲で発生する局部腐食をどちらも抑制できる範囲として、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を０．５５０～２．０００と定める。なお、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正範囲に制御するためには、後述する仕上げ焼鈍後の冷却速度を調整することによって達成できる。
β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比は以下のようにして求めることができる。
チタン合金の表面を数μｍ程度研削し、更に、コロイダルシルカ含有液を研磨液として機械研磨を行う。ついで、研磨後の表面に対して、ＥＰＭＡによる元素分析を行う。具体的には、表面を３０００倍に拡大した拡大画像においてβ粒を特定する。特定したβ粒について、粒径の大きいものから順に１０個を選択し、これら１０個のβ粒の化学成分をＥＰＭＡ法により分析する。ＥＰＭＡ法による測定対象元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈ及びＴｉとする。そして、β粒中の各測定対象元素の質量％を求める。得られた各元素の含有率を式（１）に導入することで、測定対象の１０個のβ粒についてそれぞれ、（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を求める。そして、これらを平均して、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比とする。
チタン合金の表面を数μｍ程度研削し、更に、コロイダルシルカ含有液を研磨液として機械研磨を行う。ついで、研磨後の表面に対して、ＥＰＭＡによる元素分析を行う。具体的には、表面を３０００倍に拡大した拡大画像においてβ粒を特定する。特定したβ粒について、粒径の大きいものから順に１０個を選択し、これら１０個のβ粒の化学成分をＥＰＭＡ法により分析する。ＥＰＭＡ法による測定対象元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈ及びＴｉとする。そして、β粒中の各測定対象元素の質量％を求める。得られた各元素の含有率を式（１）に導入することで、測定対象の１０個のβ粒についてそれぞれ、（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を求める。そして、これらを平均して、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比とする。
次に、本実施形態のチタン合金の製造方法について説明する。
上記のように、本実施形態で対象とするチタン合金は、熱間圧延板や冷間圧延板として適用される。そしてこれら圧延板には、仕上げ焼鈍が施されて製品とされるが、本実施形態では、この仕上げ焼鈍の条件を制御することが重要となる。
以下、チタン合金の好適な製造方法を説明する。
上記のように、本実施形態で対象とするチタン合金は、熱間圧延板や冷間圧延板として適用される。そしてこれら圧延板には、仕上げ焼鈍が施されて製品とされるが、本実施形態では、この仕上げ焼鈍の条件を制御することが重要となる。
以下、チタン合金の好適な製造方法を説明する。
本実施形態のチタン合金は、塑性加工されたチタン合金素材を、仕上げ焼鈍温度：５５０～７８０℃、仕上げ焼鈍時間：１分～７０時間で焼鈍する第１の工程と、仕上げ焼鈍温度から４００℃に到達するまでの平均冷却速度が０．２０℃／ｓ以下となる条件で冷却する第２の工程と、を順次行うことによって製造される。なお、塑性加工されたチタン合金素材とは、例えば、熱間圧延板や冷間圧延板を例示できる。
以下、各工程について説明する。
以下、各工程について説明する。
まず、上記成分組成を有するインゴットやスラブを鋳造し、熱間鍛造や熱間圧延等の熱間加工と、脱スケールを施したのち、必要に応じて冷間加工を施す。このようにしてチタン合金素材を製造する。チタン合金素材は、冷間加工後の素材に限らず、熱間加工後の素材であってもよく、熱間加工と脱スケールを行った後の素材であってもよい。
次に、第１の工程として、チタン合金素材に仕上げ焼鈍を施す。仕上げ焼鈍後には、必要に応じて脱スケールを実施する。
仕上げ焼鈍の温度は、例えば５５０～７８０℃といった範囲で実施すればよい。また、仕上げ焼鈍の保持時間も特に規定せず、例えば連続焼鈍の場合は１～２０分、バッチ焼鈍の場合は２～７０時間といった範囲で実施すればよい。
仕上げ焼鈍の雰囲気についても特に限定せず、大気雰囲気で行ってもよく、真空雰囲気や不活性ガス雰囲気で行ってもよい。
次に、第２の工程として、前述の仕上げ焼鈍温度にて熱処理した後は常温まで冷却するが、このときの冷却速度は、β粒中の組成に大きな影響を及ぼす。耐食性に優れたチタン合金を提供するには、適切なβ粒中の組成とする必要があり、具体的には上述したようにβ粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正の範囲内とする。そのためには、前述の仕上げ焼鈍温度から４００℃までの温度域における平均冷却速度を０．２０℃／ｓ以下とする必要がある。当該温度域の平均冷却速度を遅くすることで、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を適正範囲とすることができる。平均冷却速度が遅すぎると生産性が低下するため、生産性を損なわない程度に下限を設定すればよい。例えば、平均冷却速度の下限は、０．００１℃／ｓ以上としてもよい。
なお、仕上げ焼鈍温度から４００℃までの温度域における平均冷却速度とは、仕上げ焼鈍温度から４００℃までのチタン合金素材の表面の温度降下幅を、仕上焼鈍温度から４００℃までの所要時間で除した値とする。
４００℃まで冷却した後の平均冷却速度は特に制限する必要はなく、水冷等の手段によって急速に冷却を行ってもよい。
以上説明したように、本実施形態のチタン合金は、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を制御することにより、β相やその周囲が優先的な腐食サイトとなることを回避し局部腐食を抑制することができ、結果、希少元素の添加に頼らずとも耐食性を向上させることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することが可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
スポンジチタン、スクラップおよび所定の添加元素を溶解原料とし、真空アーク溶解炉により、表１に示す各成分組成のチタンインゴットを鋳造した。
鋳造したチタン鋳塊を用いて、約８００～１０００℃の加熱温度で鍛造、熱間圧延を行い厚さ４．０ｍｍの熱延板を得た。熱延板に脱スケールを施した後、所定の板厚まで冷間圧延を行い、これをチタン合金素材とした。
次いで、圧力１．３x１０－４Ｐａの真空雰囲気中にて仕上げ焼鈍を施し、その後、冷却した。仕上げ焼鈍及び冷却の条件は、表２に示す条件にて実施した。表２に示す冷却速度は、仕上げ焼鈍温度から４００℃に到達するまでの平均冷却速度である。このようにして、チタン合金板を得た。なお、仕上げ焼鈍における保持時間（焼鈍時間）は１８０ｍｉｎとした。
製造されたチタン合金板から試験片を作製し、以下の組織観察、β粒中の元素分布分析および耐食性試験を行った。
組織観察は、ＳＥＭを用いて、準備したチタン合金素材の表面を３０００倍以上の倍率で観察することで、金属間化合物や介在物の有無を確認した。ここでは、α相およびβ粒以外の組織を全て金属間化合物または介在物と判断した。金属間化合物または介在物の合計の面積率が１％以下の場合に、金属間化合物や介在物が無いと判断した。
β粒中の元素分布分析は、以下のようにして行った。
まず、チタン合金板の表面を数μｍ程度研削し、更に、コロイダルシルカ含有液を研磨液として機械研磨を行った。ついで、研磨後の表面に対して、ＥＰＭＡによる元素分析を行った。具体的には、表面を３０００倍に拡大した拡大画像においてβ粒を特定した。特定したβ粒について、粒径の大きいものから順に１０個を選択し、これら１０個のβ粒の化学成分をＥＰＭＡ法により分析した。ＥＰＭＡ法による測定対象元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈ及びＴｉとした。そして、β粒中の各測定対象元素の質量％を求めた。得られた各元素の含有率を下記式に導入することで、測定対象の１０個のβ粒についてそれぞれ、（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を求めた。そして、これらを平均して、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比とした。
まず、チタン合金板の表面を数μｍ程度研削し、更に、コロイダルシルカ含有液を研磨液として機械研磨を行った。ついで、研磨後の表面に対して、ＥＰＭＡによる元素分析を行った。具体的には、表面を３０００倍に拡大した拡大画像においてβ粒を特定した。特定したβ粒について、粒径の大きいものから順に１０個を選択し、これら１０個のβ粒の化学成分をＥＰＭＡ法により分析した。ＥＰＭＡ法による測定対象元素は、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｈ及びＴｉとした。そして、β粒中の各測定対象元素の質量％を求めた。得られた各元素の含有率を下記式に導入することで、測定対象の１０個のβ粒についてそれぞれ、（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比を求めた。そして、これらを平均して、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比とした。
耐食性の評価は、以下のようにして評価した。
得られたチタン合金板から、試験片（１０ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出し、当該試験片を９０℃、８ｍａｓｓ％の塩酸水溶液に２４ｈ浸漬し、浸漬前後の質量変化（腐食減量）から算出した腐食速度（ｍｍ／ｙｅａｒ）を求めた。腐食減量（質量）から腐食減肉量（厚み）を計算で求め、この２４時間の腐食減肉量を１年あたりの腐食速度に換算した。すなわち、腐食速度の単位は、１年あたりの試験片の厚みの減少量に換算したものである。腐食速度が０．２０（ｍｍ／ｙｅａｒ）以下である場合を合格とした。
得られたチタン合金板から、試験片（１０ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出し、当該試験片を９０℃、８ｍａｓｓ％の塩酸水溶液に２４ｈ浸漬し、浸漬前後の質量変化（腐食減量）から算出した腐食速度（ｍｍ／ｙｅａｒ）を求めた。腐食減量（質量）から腐食減肉量（厚み）を計算で求め、この２４時間の腐食減肉量を１年あたりの腐食速度に換算した。すなわち、腐食速度の単位は、１年あたりの試験片の厚みの減少量に換算したものである。腐食速度が０．２０（ｍｍ／ｙｅａｒ）以下である場合を合格とした。
局部腐食の評価は、以下のようにして評価した。
腐食試験後のチタン合金板の試験片（１０ｍｍ×４０ｍｍ）の表面を走査型電子顕微鏡で観察して、β粒の脱落の痕跡の有無を調べた。そして、β粒の全数に対する、脱落したβ粒の個数の割合を求めた。脱落したβ粒の個数が全体の１０％超であった場合に、局部腐食が「有」と評価した。局部腐食が「無」を合格とした。
これらの結果を表３にまとめた。
腐食試験後のチタン合金板の試験片（１０ｍｍ×４０ｍｍ）の表面を走査型電子顕微鏡で観察して、β粒の脱落の痕跡の有無を調べた。そして、β粒の全数に対する、脱落したβ粒の個数の割合を求めた。脱落したβ粒の個数が全体の１０％超であった場合に、局部腐食が「有」と評価した。局部腐食が「無」を合格とした。
これらの結果を表３にまとめた。
図１に本実施例（Ｎｏ．１～３０）におけるβ粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比と、腐食速度の関係を示す。
図１からも明らかなように、Ｎｏ．１～２０は、本発明に規定するチタン合金の化学成分、仕上げ焼鈍後の平均冷却速度、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比の全てを満足するため、優れた腐食速度を示し、局部腐食の発生も認められなかった。特に、Ｎｏ．１～２０の腐食速度はいずれも０．１０（ｍｍ／ｙｅａｒ）以下であり、合格基準を大幅に下回った。
図１からも明らかなように、Ｎｏ．１～２０は、本発明に規定するチタン合金の化学成分、仕上げ焼鈍後の平均冷却速度、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比の全てを満足するため、優れた腐食速度を示し、局部腐食の発生も認められなかった。特に、Ｎｏ．１～２０の腐食速度はいずれも０．１０（ｍｍ／ｙｅａｒ）以下であり、合格基準を大幅に下回った。
一方、Ｎｏ．２１～２３は、チタン合金の化学成分は本発明に規定する成分範囲を満足するものの、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲外であった。そのため、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が規定範囲外となり、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２４～３０は、本発明に規定する成分範囲を満足しない。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比は規定範囲外となり、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２４はＦｅ量が過剰であり、また、Ｎｏ．２５はＣｒ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が上限を超えており、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２６は、Ｎｉ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、金属化合物または介在物が析出し、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が上限を超えており、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２７はＲｕ量が過剰であり、また、Ｎｏ．２８はＰｄ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が下限を下回り、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２９はＲｕ量が不足した。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が上限を超えており、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．３０はＲｈ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が下限を下回り、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２６は、Ｎｉ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、金属化合物または介在物が析出し、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が上限を超えており、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２７はＲｕ量が過剰であり、また、Ｎｏ．２８はＰｄ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が下限を下回り、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．２９はＲｕ量が不足した。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が上限を超えており、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Ｎｏ．３０はＲｈ量が過剰である。そのため、仕上げ焼鈍後の冷却速度が規定範囲内であっても、β粒中の平均（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ）／（Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｏｓ＋Ｒｈ）比が下限を下回り、大きな腐食速度を示し、局部腐食が発生してしまい、耐食性に劣った。
Claims (3)
- 質量％で、
Ｆｅ：０．０１０～０．３００％、
Ｒｕ：０．０１０～０．１５％、
Ｃｒ：０～０．１０％、
Ｎｉ：０～０．３０％、
Ｍｏ：０～０．１０％、
Ｐｔ：０～０．１０％、
Ｐｄ：０～０．２０％、
Ｉｒ：０～０．１０％、
Ｏｓ：０～０．１０％、
Ｒｈ：０～０．１０％を含有し、残部がＴｉおよび不純物からなり、
β相結晶粒に含まれる元素の成分比を表す下記式（１）のＡ値が、０．５５０～２．０００の範囲であることを特徴とするチタン合金。
Ａ＝（〔Ｆｅ〕＋〔Ｃｒ〕＋〔Ｎｉ〕＋〔Ｍｏ〕）／（〔Ｐｔ〕＋〔Ｐｄ〕＋〔Ｒｕ〕＋〔Ｉｒ〕＋〔Ｏｓ〕＋〔Ｒｈ〕）・・・（１）
ここで、式（１）内の〔元素記号〕の表示は、β相結晶粒中の元素濃度（質量％）を示す。 - さらに質量％で、Ｌａ、Ｃｅ及びＮｄのうちの１種または２種以上を合計で０．００１～０．１０％含有することを特徴とする請求項１に記載のチタン合金。
- 塑性加工されたチタン合金素材を、仕上げ焼鈍温度：５５０～７８０℃、仕上げ焼鈍時間：１分～７０時間で焼鈍する第１の工程と、
前記仕上げ焼鈍温度から４００℃に到達するまでの平均冷却速度が０．２０℃／ｓ以下となる条件で冷却する第２の工程と、
を順次行うことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のチタン合金の製造方法。
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