JPH07300637A - 冷間加工性に優れた高強度チタン合金 - Google Patents

冷間加工性に優れた高強度チタン合金

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JPH07300637A
JPH07300637A JP9012694A JP9012694A JPH07300637A JP H07300637 A JPH07300637 A JP H07300637A JP 9012694 A JP9012694 A JP 9012694A JP 9012694 A JP9012694 A JP 9012694A JP H07300637 A JPH07300637 A JP H07300637A
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JP
Japan
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cold workability
alloy
cold
titanium alloy
titanium
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JP9012694A
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Atsuhiko Kuroda
篤彦 黒田
Kazuyuki Nakasuji
和行 中筋
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷間加工後の引張強度が900MPa以上、70%以
上の冷間加工が可能であって、研摩性に優れ、かつ眼
鏡、時計部材として有用なチタン合金とその製造方法を
提供することである。 【構成】 Zr:8.0 〜15.0%、 Sn: 3.5 〜10.0%またはMo、Vの少なくとも1種合計:
1.0 %超8.0 %以下、 Sn、Mo、Vのうちの2種以上を下記式量だけ含有しても
よい。 3.5 ≦Sn+3×(Mo+V)≦24 ・・・・
・(1) Sn≦10 ・・・・
・(2)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、冷間加工性に優れた高
強度チタン合金とその製造方法に関する。特に眼鏡用の
線材、時計用の部品等の一般民生用材、あるいは冷間鍛
造などにより製造される歯車などの機械構造用材として
用いられる、高度の冷間加工を可能とするチタン合金と
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、眼鏡用チタン合金としては各種の
ものが知られているが、1例を挙げれば、特開昭62−87
932 号公報に開示されているものがある。この合金の組
成成分範囲は、Zr≧1.0%かつZr+25× (酸素) ≧6% お
よび3Zr+220 ×( 酸素) ≦66% で囲まれる範囲であ
り、このような組成範囲は冷間加工性と軟化後硬さを確
保するために規定され、Zr量に応じて酸素量を制限しよ
うとする技術思想に基づくものである。それらの元素は
いずれもチタン中に固溶することでその硬さを上昇させ
ると言われている。
【0003】また上記公報では併せて上記組成にAl、F
e、Cu、Sn、Crの各元素を1種または2種以上、合計量
で、1%以下添加した合金が開示されている。上記公報
においてAl、Fe、Cu、Sn、Crの各元素の添加量を1%以
下に制限するのは冷間加工性を確保するためである。1
%超添加すると眼鏡のテンプル部製造に必要な加工率70
%以上の冷間加工性を確保できないとしている。つま
り、チタン合金にあっては第三元素の配合、特に1%を
超える添加は冷間加工性を阻害すると考えられてきたの
である。
【0004】ところで、上記公報に開示されたチタン合
金の一つであるTi−10Zr合金は眼鏡用の線材として必要
な特性である研磨性、冷間加工性に優れた特性をもって
いることが知られている (雑誌「素形材」Vol.35, No.1
(1994) p.61)。
【0005】この場合にも強化元素としてはAl、Zr、酸
素などが考えられるが、冷間加工性が特に要求されると
してZr添加を行ったTi−10Zr合金についてその影響を見
ており、このTi−10Zr合金は研磨性も優れているとして
いる。
【0006】さらに、特開昭62−222036号公報には、Zr
+25× (酸素) ≧6% 、3 ×Zr+220 ×(S酸素) ≦60%
、Sn: 2〜3%を含み、必要に応じてAl、Fe、Cr、C
u、Niを1種以上で合計0.5 %以下、ならびにV、Mo、N
bを1種以上合計で1%以下を含む合金が開示されてい
る。
【0007】この場合にもSnは3%を越えると冷間加工
性を劣化するとしており、またAlその他の添加元素につ
いて冷間加工性確保のためにいずれも1%以下に制限さ
れる。ただし、V 、Mo、Nbに関しては加工後の硬度を確
保するために合計1%以下に制限するとしている。
【0008】このような従来技術に見られる知見を総合
すると、次のようにまとめることができる。 Zr添加は冷間加工性および研磨性改善に有効である
が、酸素含有量などの制限を受ける。
【0009】Snは、Zrおよび酸素を含有する場合、冷
間加工性確保のために3%が上限である。ただし、眼鏡
フレーム製造用のように加工度が高い冷間加工性確保の
ためにはその上限は1 %である。
【0010】Al、Fe、Cu、CrおよびNiは冷間加工性を
確保するためには1%以下に制限する。 V 、Mo、Nbは冷間加工性を改善するが、加工後の硬度
確保のために上限を1 %とする。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、Ti−10Zr合
金は眼鏡用の線材として優れた特性をもつが、眼鏡のデ
ザインの進歩などにより、この合金よりも一層高強度で
冷間加工性に優れた眼鏡用のチタン合金材が必要となっ
てきた。つまり、従来のTi−10Zr合金は40%の冷間加工
後の引張強度が約800MPaであるが、最近ではこの条件下
で900MPa以上の引張強さを持つ材料が求められるように
なってきている。特に眼鏡用線材として用いる場合に
は、70%以上の冷間加工性を有することが求められる。
【0012】一方、眼鏡あるいは時計用部材としてチタ
ン合金を用いる場合、これらの用途の最終工程である研
磨工程で良好な研磨性を素材が持っている必要がある
が、研磨性を向上させる方策について、従来の文献では
触れられていない。ただ、Ti−10Zr合金が研磨性に優れ
ていることが前述の雑誌「素形材」で示唆されている
が、これは純チタン材と比べて良いといっているにすぎ
ないのである。
【0013】このように、確かに従来合金であるTi−10
Zr合金では、研磨性が純チタン材と比べれば良好である
が、他のステンレス鋼材等と比べるとかなり劣ってい
る。従ってチタン合金としてもTi−10Zr合金の研磨性を
向上させることも求められている。
【0014】かくして、本発明の目的は、上述のいずれ
の特性をも満足する冷間加工性に優れた高強度チタン合
金とその製造方法を提供することである。より具体的に
は、本発明の目的は、冷間加工後の引張強度が900MPa以
上、70%以上の冷間加工が可能であって、ステンレス鋼
並みの研磨性に優れ、かつ眼鏡、時計部材として有用な
チタン合金とその製造方法を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明者らはこれらの目
的達成のために種々検討を重ねた結果、Ti−Zr系合金に
あって、高強度化を図る場合、必然的に材料の冷間加工
性の低下が懸念される。このため、高強度化を図った材
料に充分な冷間加工性を付与し得る素材の条件およびそ
のための製造条件に着目して、そのための必要条件を求
め、研究開発を続けたところ、次のような予想外の知見
を得て、本発明を完成した。
【0016】Snは従来考えられていたよりもむしろ多
量に、例えば3.5 〜10%というように多量に添加して
も、高強度化と冷間加工性の確保という相反する特性獲
得が可能であること。 Mo、Vの場合、Ti−Zr系においては、従来考えられて
いたこととは反対に、1〜8 %という比較的多量添加が
有効であること。 Snと、MoおよびVの少なくとも1種を複合添加する場
合、3.5 ≦Sn+3×(Mo+V)≦24、およびSn≦10を満足す
ることで、高強度化と冷間加工性確保とがともに満足さ
れること。
【0017】ここに、本発明の要旨とするところは、重
量%で、 Zr:8.0 〜15.0%、 Sn: 3.5 〜10.0%、 残部をチタンと不可避的な不純物からなる組成を有する
ことを特徴とする冷間加工性に優れた高強度チタン合金
である。
【0018】別の面からは、本発明は、重量%で、Zr:
8.0 〜15.0%、MoおよびVの少なくとも1種合計: 1.0
%超8.0 %以下、残部チタンと不可避な不純物から成る
組成を有する冷間加工性に優れた高強度チタン合金であ
る。
【0019】さらに別の面からは、本発明は、Zr:8.0
〜15.0%と、Snと、MoおよびVのうちの1種以上を下記
式を満足する量だけ含有するものであってもよい。 3.5 ≦Sn+3×(Mo+V)≦24 ・・・・・(1) Sn≦10 ・・・・・(2) かくして、本発明によれば、70%以上の冷間加工が可能
であって、冷間加工後の引張強度が900MPa以上を確保で
き研磨性に優れ、かつ特に眼鏡、時計部材として有用な
チタン合金が得られるのである。
【0020】
【作用】次に、本発明において合金組成およびその製造
方法を上述のように限定して理由をその作用とともに詳
述する。なお、特にことわりがない限り、本明細書で
「%」は「重量%」である。
【0021】(1) Zr Zrをチタンに添加すると結晶粒を細かくする作用を持っ
ており、この作用によりZrを添加したチタン合金では結
晶粒が粗大化せず、良好な冷間加工性と高強度が得られ
る。
【0022】この場合、8%未満のZrではSnと複合添加
しても強度目標が達成されず、あるいは冷間加工性が不
足する結果となる。好ましくは、9%以上添加する。一
方、Zrを過剰量添加しても強度特性の向上が見られず、
むしろ比重の増大を招き、軽量であるというチタン合金
の特徴を損なうことになる。そこでZrの添加量の上限を
15%以下、好ましくは12%以下とした。
【0023】(2) Sn 本発明にあってZrの単独添加だけでは強度の目標値を満
たすことができない。このため、第3元素としてSnの添
加が有効である。Snの添加量は3.5 %以上であれば強度
目標を満足し、かつこの添加により材料の研磨性が向上
できる。好ましくは 5.0%以上である。
【0024】一方、10.0%を越える添加は冷間加工性を
悪化させるため、Sn添加量の上限値は10.0%とした。ま
たこの場合、7.0%を越えるSnを添加しても強度が飽和
する傾向を持つので、Snの添加量として好ましくは7.0
%以下とする。
【0025】(3) Mo、V これらの元素もSnと同じく添加により強化元素として寄
与する。これらの元素の添加量としてそれぞれ1%以下
では強度目標を達成することができず、また良好な研磨
性も得られない。一方、それぞれ8%を越える添加を行
った場合、冷間加工性が劣化し、本発明にかかる合金の
開発目標を満足することができない。また、これらの元
素を5%を超えて添加しても強度の上昇に対する影響が
少なくなるため、これらの元素の単独添加の場合の好ま
しい添加量上限値を5%以下とした。
【0026】(4) 複合添加の効果 Snと、MoおよびVの少なくとも1種とを複合添加した場
合、添加量の合計がC=Sn+3× (Mo+V) で表される
成分指数Cについて、C<3.5 であれば強度目標を達成
することができず、かつ良好な研磨性を得ることができ
ない。一方、C>24の条件では冷間加工性が悪化する。
【0027】本発明にかかるチタン合金は以上の合金成
分から成り、残りは不可避不純物とチタンである。この
ようなチタン合金中に含まれる不可避的な不純物として
酸素、窒素、水素、炭素、シリコンなどが考えられる。
これらの不純物の存在量としては、通常、下記範囲内の
量が不純物量として許容されると考える。
【0028】(a) 酸素=0.20%以下 (b) 窒素=0.10%以下 (c) 水素、炭素=それぞれ0.010 %以下 (d) ケイ素=0.030 %以下 本発明にかかるチタン合金は通常の手段によって所定合
金組成のインゴットの溶製、熱間加工が行われ、次いで
仕上げ加工として一般には冷間圧延である冷間加工が行
われる。
【0029】ここに本発明によれば、冷間加工に先立っ
て800 ℃以上に加熱する焼鈍処理を行うのが望ましい。
冷間加工前のこのような熱処理は素材の冷間加工性を与
えるために重要な役割を果たし、そのとき熱処理温度が
800 ℃未満では素材の冷間加工時の加工性が不足し、冷
間加工中に割れの発生を招く場合がある。また、950 ℃
を超えると熱処理後にβ変態組織が残留し、冷間加工性
を悪化させる傾向がある。好ましい焼鈍条件は温度800
〜950 ℃×時間 0.5〜2時間である。
【0030】本発明において多段で冷間加工を行う場
合、各回の冷間加工に先立って上述の焼鈍処理を行うの
が好ましい。次に、実施例によって本発明の作用効果に
ついてさらに具体的に説明する。
【0031】
【実施例】本例では、表1に示す組成割合の各合金をプ
ラズマアーク溶解により溶解して厚み20mm、幅50mm、長
さ200 mmのボタンインゴットを作成した。ボタンインゴ
ットは1100℃で加熱して15mmの厚みまで鍛造してから、
950 ℃に加熱して7mmの厚みまで熱間で一方向に圧延し
た。この素材を800 ℃に1時間加熱空冷する焼鈍熱処理
した後、厚さ5mmまで機械加工により表面のスケール層
を除去してから、冷間にて3mmの厚みまで40%圧延し、
冷間圧延素材を得た。
【0032】この素材の長手方向からは、平行部幅=6.
25mm、長さ=32mm、厚み=2mmの引張試験片を採取し、
室温での引張特性を調査したが、この引張試験で900MPa
以下の引張強さを示した成分は強度不良と判断した。
【0033】さらに熱間圧延後の熱延板に所定温度で焼
鈍後、5mmから1.5 mmの厚みまで圧下率70%の冷間圧延
を行った。この冷間圧延後に表面端部に割れが目視で認
められた成分は冷間加工性不良と判断した。
【0034】上記とは別に冷間圧延後の素材を800 ℃に
て焼鈍後、素材横断面から埋め込み用試験片を採取し、
#1200 のペーパ研磨、およびバフ研磨を行い、研磨後の
表面に曇の認められた材料を研磨性不良と判断した。調
査結果を表1に併せて示す。本発明条件内の成分につい
てのみ強度、研磨性と冷間加工性の目標値を満足してい
ることが判る。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】これらの結果をグラフにまとめたのを図1
〜図3に示す。本発明の範囲の合金組成を有するものは
いずれも強度、研磨性、そして延性にすぐれている。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
眼鏡材として特に優れた強度と冷間加工性を有するチタ
ン合金が得られる。本発明にかかる合金は、眼鏡用だけ
ではなく、高強度と冷間加工性が同様に要求される時計
用部材、あるいは歯車などの機械構造用材料としても適
用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の結果をSn量とZrとの関係でまとめたグ
ラフである。
【図2】実施例の結果をZr量とMo+V量との関係でまと
めたグラフである。
【図3】実施例の結果をSn量と3× (Mo+V) 量との関
係でまとめたグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、 Zr:8.0 〜15.0%、 Sn: 3.5 〜10.0%、 残部をチタンと不可避的な不純物からなる組成を有する
    ことを特徴とする冷間加工性に優れた高強度チタン合
    金。
  2. 【請求項2】 重量%で、 Zr: 8.0〜15.0%、 Mo およびV の少なくとも1種合計:
    1.0 %超8.0 %以下、 残部チタンと不可避的な不純物からなる組成を有するこ
    とを特徴とする冷間加工性に優れた高強度チタン合金。
  3. 【請求項3】 重量%で、 Zr: 8.0 〜15.0%、 Snと、MoおよびVのうちの1種以上とを下記式を満足す
    る量だけ含有し、 3.5 ≦Sn+3×(Mo+V)≦24 かつ Sn ≦10、 残部をチタンと不可避的な不純物からなる組成を有する
    ことを特徴とする冷間加工性に優れた高強度チタン合
    金。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002371331A (ja) * 2001-06-18 2002-12-26 Sumitomo Metal Ind Ltd チタン合金

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002371331A (ja) * 2001-06-18 2002-12-26 Sumitomo Metal Ind Ltd チタン合金

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