JPH0873968A - 高強度・高延性チタン合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた強度−延性バランスを有するチタン合
金を提供する。 【構成】 化学組成が重量％で、Ｎ：０．０５〜０．１
５％、Ｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．５〜６．０％、
Ｆｅ：０．５〜１．５％であり、残部がＴｉおよび不可
避的不純物からなる高強度・高延性チタン合金。これら
の化学成分に、更に、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｃｒお
よびＭｎのうち少なくとも一種以上、かつ、Ｆｅ，Ｃｒ
およびＭｎの合計で４％以下添加し、残部がＴｉおよび
不可避的不純物からなる高強度・高延性チタン合金。ま
た、[Al]＋１８．８[O] ＋２４．７[N] ≧７．０ か
つ、0.03[Al]− 33.73[O] − 23.59[N] ≧− 9.0 （[A
l]，[O] ，[N] は、Ａｌ，Ｏ，Ｎの重量％）とすること
により、更に強度−延性バランスが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、強度が高く延性に優
れた高強度・高延性チタン合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、その優れた比強度を利用
して、主として宇宙航空分野において構造部材として利
用されてきた。また、この他にも優れた耐腐食性から、
化学プラント用材料としても利用されはじめてきた。し
かし、最近のチタン合金市場の動向をみると、冷戦終結
後の軍縮傾向に伴う航空宇宙産業の停滞や世界的な景気
の低迷により、政府調達関連あるいは産業用の需要につ
いては頭打ちとなっているのが現状である。

【０００３】こうした現状を踏まえて、チタン合金の他
分野、特に民生用途の開拓が活発化している。例えば、
自動車エンジン用部品、工具、スポーツ用品、日用雑貨
などへの適用はよい例であり、既に一部で実用化されて
いる。また、その優れた生体適合性なども注目され、イ
ンプラント用材料としても利用されはじめている。

【０００４】しかし、こうした民生分野への進出は、必
ずしも順調に進展しているとはいい難い。その最大の理
由は、チタン合金の製造コストが、鉄鋼材料、アルミニ
ウム合金などの従来材料と較べて非常に高価である点に
ある。チタン合金の場合、原料であるスポンジチタンが
高価であるのに加えて、変形抵抗が高いことからプロセ
スも高価なものとなる。

【０００５】また、化学成分もコストに影響を及ぼす重
要な因子であり、高価な添加元素や高純度の原料の使用
はコストの上昇につながる。現在実用化されているチタ
ン合金の約９０％を占めるといわれる、Ti-6Al-4V 合金
は変形抵抗が高く、また高価なバナジウムを含有してい
ることから民生用途への使用に適しているとはいい難
い。こうしたことから、今後チタン合金の用途を拡大す
るためにはより安価なチタン合金製品を製造する必要が
ある。

【０００６】このような状況を鑑みて、チタン合金を低
コストにて製造する方法がいくつか報告されている。そ
れらの中で、化学成分について検討されているものを見
ると、特公平５−７２４５２号公報記載の技術（以下、
従来技術と呼ぶ）には、鉄、酸素、窒素を添加するこ
とにより高強度・高延性化を図った合金が提案されてい
る。また、特開平４−３５８０３６号公報記載の技術
（以下、従来技術と呼ぶ）にはTi-6Al-4V 合金と同等
以上の強度を有し、高価なバナジウムに代えて鉄を含有
した合金が提案されている。

【０００７】表１は、これらの従来技術に記載されてい
るチタン合金の化学成分を示す。従来技術には、鉄
０．２１〜０．７２％、酸素０．２０〜０．３１％、窒
素０．０５〜０．２３％のチタン合金が、開示されてい
る。従来技術には、アルミニウム５．９５％、鉄３．
３１％、酸素０．１０％のチタン合金が、開示されてい
る。

【０００８】表２は、これらの従来技術に記載されてい
る引張試験結果を示す。従来技術では、引張強さ７６
０〜１０４０ＭＰａで伸び２４〜１３％の強度−延性バ
ランスを示している。また、従来技術では、引張強さ
９８０〜１２６０ＭＰａで伸び１７〜８％の強度−延性
バランスを示している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術は、
高価なバナジウムを必要とせずコスト削減の道を開いた
点は評価できるが、次の問題点があった。それは、チタ
ン合金は他の金属材料と同様に強度の上昇にともなって
延性の劣化が生じるため、強度−延性バランスが良くな
いということである。

【００１０】従来技術では、引張強さ７６０ＭＰａで
も伸びは２４％であり、引張強さ８００ＭＰａ以上では
伸びは２０％以下に低下している。また、従来技術で
は、引張強さ９８０〜１０６０ＭＰａの領域で伸びが１
７〜１５％程度であり、やはり延性が低い。従来技術
、では強度レベルは確保されているが、延性が不足
しており、民生用の用途開発に当たってはこの点を解決
する必要がある。

【００１１】チタン合金において、延性の劣化を抑制し
強度−延性バランスを向上することができれば、より材
質的に優れた材料となる。しかも、安価な合金元素の添
加によりこの目標を達成できれば今後のチタン材料の市
場開拓に有益な材料となる。以上のことから、本発明が
解決しようとする課題は、延性の低下を抑制しつつTi-6
Al-4V 合金並の強度を有し、しかも優れた強度−延性バ
ランスを有する、安価なチタン合金を提供することにあ
る。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、化学
組成が重量％で、Ｎ：０．０５〜０．１５％、Ｏ：０．
２５％以下、Ａｌ：０．５〜６．０％、Ｆｅ：０．５〜
１．５％であり、残部がＴｉおよび不可避的不純物から
なる高強度・高延性チタン合金である。

【００１５】請求項２の発明は、化学組成が重量％で、
Ｎ：０．０５〜０．１５％、Ｏ：０．２５％以下、Ａ
ｌ：０．５〜６．０％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、Ｃｒ
およびＭｎのうち少なくとも一種以上、かつ、Ｆｅ，Ｃ
ｒおよびＭｎの合計が４％以下であり、残部がＴｉおよ
び不可避的不純物からなる高強度・高延性チタン合金で
ある。

【００１６】請求項３の発明は、化学組成のうちＡｌ，
Ｏ，Ｎの含有量（重量％）が、２つの不等式 [Al]＋１８．８[O] ＋２４．７[N] ≧７．０ および 0.03[Al]− 33.73[O] − 23.59[N] ≧− 9.0 を満足する範囲内にあることを特徴とする請求項１又は
請求項２の高強度・高延性チタン合金である。但し、[A
l]，[O] ，[N] は、Ａｌ，Ｏ，Ｎの含有量（重量％）を
それぞれ表す。

【００１７】

【作用】この発明は、チタン合金の成分系について鋭意
研究を重ねた結果得られたものであり、アルミニウム、
窒素、酸素を適量添加することで強度−延性バランスを
向上させることに成功した。以下に各元素の成分限定理
由および請求項に示した条件式について説明する。

【００１８】（１）窒素 窒素Ｎは、チタンの強度を上昇させる上で重要な元素で
ある。強度上昇の観点から０．０５％は必要であり、こ
れを下限とする。上限については、今回、窒素の添加に
よる強度の上昇と延性の低下について、特徴的な効果を
示すことが新たに発見された。それは、特に０．１５重
量％までの添加は、他の強化元素であるアルミニウムや
酸素と比較して、延性の低下が少ないということであ
る。これに基づき、窒素の上限を０．１５重量％とす
る。

【００１９】このように、窒素は、高強度・高延性、高
延性チタン合金を製造する上で、添加量を適切に設定す
ることにより積極的に利用することができる。これらの
ことから、窒素は、０．０５〜０．１５重量％に規定す
る。

【００２０】（２）酸素 酸素Ｏはチタン合金の強度を上昇させる効果がある。ま
た、酸素添加量が増加できれば、低グレードスポンジチ
タンの利用が可能となり、材料コスト面で有利である。

【００２１】しかし酸素は、上述した窒素とは異なり、
添加量の増加にともない延性の低下を引き起こす。ま
た、より高強度・高延性を得る場合や低純度のスポンジ
チタンやスクラップの利用を考慮する場合にも、酸素を
過剰に増加させることは延性の観点から好ましくない。
特に、酸素添加量が０．３％前後からは、延性が大きく
低下する。従って、酸素の上限を０．２５重量％以下と
する。

【００２２】なお、酸素については特に下限を限定しな
いが、酸素はチタンとの親和力が強く、チタン合金には
不可避的に含まれる。従って、一般には酸素の含有量を
０．０６％未満とすることは困難であり、工業的には酸
素の下限を０．０６％とするのが好ましい。

【００２３】（３）アルミニウム アルミニウムＡｌは比較的安価な添加元素でありチタン
の強度を上昇させる効果がある。したがって、本発明に
おいて目的とする強度を得るためにはアルミニウムの添
加は必須であり、少なくとも０．５％必要である。

【００２４】しかし、強度の上昇に伴って延性も低下す
るので、過剰の添加は上述した窒素の効果を損なうこと
になりかねない。特に、アルミニウムの添加量が７％前
後になると、この傾向が顕著となるので、工業的には６
％が上限である。以上より、アルミニウムは０．５〜６
重量％とする。

【００２５】（４）鉄 鉄Ｆｅは、チタン合金に対してβ相安定化元素であり、
β相を固溶強化する。また、微量に添加することにより
β相を微細に分散させるので、組織の微細化を図ること
ができる。これらの効果により、鉄はチタン合金の強度
及び延性を向上せしめる。この効果を得るには、鉄は
０．５％は必要である。

【００２６】また、鉄は安価な添加元素でありコスト面
でも有利である。しかし鉄は偏析しやすい元素であり、
過剰に添加すると偏析の影響でミクロ組織が不均一とな
ったり、機械的性質がばらつくなどの弊害を生じやすく
なる。鉄を１．５％以上添加すると、この影響が大きく
なり好ましくない。以上より、鉄は０．５〜１．５重量
％とする。

【００２７】（５）クロムおよびマンガン 更に、合金成分を増やし、合金設計の自由度を高くする
ことも可能である。それらの中で、クロムＣｒおよびマ
ンガンＭｎは、鉄と同様β相を生成し、組織を微細化す
ると同時にβ相を固溶強化する効果がある。しかし、多
量に添加するとβ相が安定化し過ぎるため、過度の強度
上昇および延性の劣化を招く。そこで、この発明では、
鉄、クロム、マンガンの総添加量について検討し、これ
を規定することで、延性の大きな劣化を防止することに
成功した。

【００２８】前述のように、鉄のみの添加では添加量は
１．５％が上限であるが、これらの元素は、総添加量に
して４．０％まで延性を大きく劣化することなく、添加
が可能である。以上より、鉄、クロム、マンガンの総添
加量を、４．０重量％以下と規定する。

【００２９】なお、この発明で、残部がＴｉおよび不可
避的不純物からなるというのは、通常の工業的な製造方
法で製造する場合、原料に含まれている元素や製造過程
で混入する元素を含むということである。例えば、この
発明の構成元素であるＡｌ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ等の合金
元素の原料には他の元素が含まれているが、これらは不
可避的不純物となる。また、精錬の過程で用いる副原料
や反応容器から溶け出してくる元素、その他塵埃や製造
設備の脱落等による混入物等、発明の目的を損なわない
限り不可避的不純物となるのは言うまでもない。

【００３０】また、原料として、チタンやチタン合金の
スクラップを用いた場合は、スクラップの素性や等級に
より種々の元素が含まれるが、これらはこの発明に規定
する以外の元素であれば不可避的不純物となる。例えば
Ｍｏ，Ｖ，Ｓｎ，Ｓｉ等の元素はその例であり、これら
の元素も少量であれば不可避的不純物となる。ここで、
少量というのは、この発明のチタン合金の目的を損なわ
ない程度の量であり、具体的には、Ｍｏ，Ｖ，Ｓｎにつ
いてはそれぞれ０．３重量％以下、Ｓｉについてはそれ
ぞれ０．０２重量％以下であればよい。

【００３１】（６）Ａｌ，Ｎ，Ｏ 次に、チタン合金の強度と延性については、Ａｌ，Ｎ，
Ｏの３つの元素と強い関係があることを見出した。種々
検討の結果、アルミニウムと同等の強度上昇となる酸
素、窒素の添加量があることを突き止めた。

【００３２】そこで、強度に対する一種のアルミニウム
等量として、指標を定義して解析を進めた。指標をＡと
し、Ａｌ，Ｏ，Ｎの含有量（重量％）をそれぞれ[Al]，
[O]，[N] で表すと次のようになる。

【００３３】Ａ＝[Al]＋Ａｏ[O] ＋Ａｎ[N] [Al]，[O] ，[N] を独立変数、強度ＴＳを従属変数と考
えて重回帰分析を行い、その結果を用いて指標Ａの係数
Ａｏ，Ａｎを求めた。その結果、Ａｏ＝１８．８、Ａｎ
＝２４．７となった。従って、指標Ａは次の式で表され
る。

【００３４】 Ａ＝[Al]＋１８．８[O] ＋２４．７[N] （１） 図１は、この指標Ａと引張強さＴＳ（ＭＰａ）の関係を
表す図である。図中、○印と△印は後述の実施例の合
金、●はこの発明と類似の成分系（発明の範囲外）の合
金を示す。この図より、引張強さは指標Ａによく対応し
ていることがわかる。指標Ａに対応する引張強さＴＳの
値をこの図から読み取ると、Ａ＝７．０以上でＴＳ＝７
００ＭＰａ以上となっている。また、図中の直線は、引
張強さＴＳと指標Ａの関係を直線近似したもので、 ＴＳ＝６９．８７Ａ＋２５５．７８ (MPa) （２） と表すことができる。

【００３５】同様に、延性に対する一種のアルミニウム
等量として、指標を定義して解析を進めた。指標をＢと
すると次のようになる。

【００３６】Ｂ＝[Al]＋Ｂｏ[O] ＋Ｂｎ[N] 指標Ａの場合と同様に、重回帰分析の結果を用いて指標
Ｂの係数Ｂｏ，Ｂｎを求めた。その結果、Ｂｏ＝３５．
０、Ｂｎ＝３６．３となった。従って、指標Ｂは次の式
で表される。

【００３７】 Ｂ＝[Al]＋３５．０[O] ＋３６．３[N] （３） 図２は、この指標Ｂと伸びＥｌ（％）の関係を表す図で
ある。図中、○印と△印は後述の実施例の合金、●印は
この発明と類似の成分系であるが発明の範囲外の合金を
示す。この図より、伸びＥｌは指標Ｂによく対応してい
ることがわかる。指標Ｂに対応する伸びＥｌの値をこの
図から読み取ると、Ｂ＝１６．０以下でＥｌ＝２０％以
上となっている。また、図中の直線は、伸びＥｌと指標
Ｂの関係を直線近似したもので、 Ｅｌ＝−２．１４Ｂ＋５４．３５ （％） （４） と表すことができる。

【００３８】図３は請求項１の合金のＴＳ−Ｅｌバラン
スを示す図である。図中、○印と△印は後述の実施例の
合金、●印はこの発明と類似の成分系であるが発明の範
囲外の合金を示す。図中の直線は、従来技術に比べて概
略５％の伸びの向上を目標として引いた線である。但
し、高強度領域（ＴＳ：１０００ＭＰａ以上）では、伸
びの差はあまり大きくないので、ここではＴＳが１００
０ＭＰａ以下の場合について考える。

【００３９】この直線よりＴＳ−Ｅｌバランスを良くす
るために、Ａｌ，Ｏ，Ｎの含有量（重量％）が満足すべ
き条件を求める。まず、この直線を式で表すと、 Ｅｌ＝−０．０３１３×ＴＳ＋５２．３８ と表すことができる。図３では、この直線より上の領域
で伸びＥｌが良好となるのであるから、この図示された
領域は、 Ｅｌ≧−０．０３１３×ＴＳ＋５２．３８ （５） という不等式で表されることになる。

【００４０】次に、この式のＴＳとＥｌを、式（２）と
（４）を用いて指標Ａ，Ｂで表す。すると不等式（５）
は、 −２．１４Ｂ＋５４．３５≧−２．１９Ａ＋４４．３７ となり、両辺を整理すると、 ２．１９Ａ−２．１４Ｂ≧−９．９８ となる。伸びのばらつきを考慮して、範囲（下限）を多
少狭めて、 ２．１９Ａ−２．１４Ｂ≧−９．０ （６） とする。

【００４１】この不等式（６）の左辺を変数Ｃとし、式
（１）、（３）により、[Al]，[O]，[N] で表すと次の
ようになる。

【００４２】Ｃ＝２．１９Ａ−２．１４Ｂ Ｃ＝0.03[Al]− 33.73[O] − 23.59[N] （７） これより、不等式（６）は、 Ｃ≧−９．０ 0.03[Al]− 33.73[O] − 23.59[N] ≧−9.0 （８） と表すことができ、良好な強度−延性バランスを得るた
めの条件が求まる。また、既述したように、引張強さＴ
Ｓを７００ＭＰａ以上とするには、指標Ａを７．０以上
とすればよいが、これも[Al]，[O] ，[N] で表すと次の
ようになる。

【００４３】Ａ≧７．０ [Al]＋18.8[O] ＋24.7[N] ≧7.0 （９） これらの不等式（８）と（９）とを満足する範囲内の化
学成分であれば、引張強さＴＳが７００ＭＰａ以上で、
従来技術による合金よりもＴＳ−Ｅｌバランスが顕著に
（伸びが５％前後以上）向上した合金が得られる。

【００４４】

【実施例】

（実施例１）チタン合金を非消耗電極式アルゴンアーク
溶解により溶解した。原料には、純度９９．９％のスポ
ンジチタンを用い、必要に応じて酸素量を調整するため
ＴｉＯ₂ を添加した。この実施例は比較的高い純度を要
求される場合を想定しており、酸素量を０．１５％以下
に抑えてある。

【００４５】表３は、これらの合金の化学組成を示す表
である。この表で、Ａは前述の強度に対するＡｌ等量
（指標Ａ）、Ｃは式（７）で定義された変数である。表
３に示すこれらの合金は、比較的酸素量の低いものであ
り、合金No. １〜５は請求項１に対応し、合金No. ６〜
１９は請求項２に対応する。また、いずれの合金も請求
項３の範囲内の合金でもある。

【００４６】これらのインゴットをβ単相域にて分塊鍛
造した後、α＋β域にて板厚６ｍｍに圧延した。次い
で、９００℃で１ｈ加熱後空冷（ＡＣ）する熱処理（再
結晶焼鈍）を施し、常温引張試験を実施した。

【００４７】表４は、この引張試験の結果を示す表であ
る。発明の合金（合金No. １〜１９）は、いずれも引張
強さが７００ＭＰａ以上で伸びが２５％以上であり、良
好な強度−延性バランスを示している。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４】

【００５０】（実施例２）実施例１と同様、チタン合金
を非消耗電極式アルゴンアーク溶解により溶解した。こ
の実施例でも、原料には純度９９．９％のスポンジチタ
ンを用い、必要に応じて酸素量を調整するためＴｉＯ₂
を添加した。この実施例は、スクラップを多量に使用
し、比較的低純度の場合を想定しており、酸素量は０．
１５％以上０．２５％未満の範囲となっている。これ
は、チタンスクラップを６０から８０％使用したことに
相当する。

【００５１】表５は、これらの合金の化学組成を示す表
である。記号その他は表３に同じである。これらの合金
は、チタンスクラップを多量に用いた場合を想定してい
るので比較的酸素量の高い。ここで、合金No. ２０〜２
４は請求項１に対応し、合金No. ２５〜４０は請求項２
に対応する。また、合金No. ４１〜４４の合金は請求項
１又は請求項２には対応しているが、請求項３の範囲か
らは外れている合金である。合金No. ４５、４６の合金
は、この発明の化学成分の範囲から外れている合金であ
る。

【００５２】これらのインゴットをβ単相域にて分塊鍛
造（分塊圧延）した後、α＋β域にて板厚６ｍｍに圧延
した。その後、９００℃で１ｈ加熱して空冷（ＡＣ）す
る熱処理（再結晶焼鈍）を施し、常温引張試験を実施し
た。

【００５３】表６は、引張試験の結果を示す表である。
合金No. ２０〜４０の合金は請求項３の範囲内であり、
これらはいずれも引張強さが８００〜９００ＭＰａで伸
びが２５％以上、同９００ＭＰａ以上でも伸びが２０％
以上であり、良好な強度−延性バランスを示している。

【００５４】

【表５】

【００５５】

【表６】

【００５６】図４は、この発明の合金と従来技術の合金
の強度−延性バランスを示す図である。図中、○印と△
印は実施例、●印は比較例、■印は従来技術、□印は
従来技術の合金をそれぞれ示す。図から両者の特性差
は明らかであり、発明の合金は、従来技術およびと
比較して優れた強度−延性バランスを有していることが
わかる。このように、この発明では、原料としてチタン
又はチタン合金のスクラップを多量に使用した場合で
も、良好な強度−延性バランスが得られる。これに対し
て従来技術およびに示す合金は強度が不足している
か、または強度−延性バランスにおいて優位性が認めら
れない。

【００５７】更に、実施例の中で○印の合金は、請求項
１又は請求項２の範囲内であると同時に請求項３の範囲
内でもあり、Ａｌ，Ｏ，Ｎの含有量をこの発明が提供す
る関係で制御することにより、従来技術や比較例の合金
に比べて顕著に優れた強度−延性バランスが得られるこ
とがわかる。

【００５８】

【発明の効果】この発明は、ＡｌとＦｅ又は更にＭｎと
Ｃｒを適切に添加し、その他の化学成分を所定の量に限
定することにより、強度−延性バランスの良好なチタン
合金が得られる。

【００５９】更に、強度と延性に及ぼすＡｌ，Ｏおよび
Ｎの影響を明らかにし、これらの間で満たすべき関係を
提案することにより、強度−延性バランスの優れたチタ
ン合金が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の指標Ａと引張強さＴＳ（ＭＰａ）の関係
を表す図。

【図２】発明の指標Ｂと伸びＥｌ（％）の関係を表す
図。

【図３】発明の合金の強度−延性バランスを示す図。

【図４】発明の合金と従来技術の合金の強度−延性バラ
ンスを示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新倉 正和 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学組成が重量％で、Ｎ：０．０５〜
   ０．１５％、Ｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．５〜６．
   ０％、Ｆｅ：０．５〜１．５％であり、残部がＴｉおよ
   び不可避的不純物からなる高強度・高延性チタン合金。
2. 【請求項２】 化学組成が重量％で、Ｎ：０．０５〜
   ０．１５％、Ｏ：０．２５％以下、Ａｌ：０．５〜６．
   ０％、Ｆｅ：０．５〜１．５％、ＣｒおよびＭｎのうち
   少なくとも一種以上を含有し、かつ、Ｆｅ，Ｃｒおよび
   Ｍｎの合計が４％以下であり、残部がＴｉおよび不可避
   的不純物からなる高強度・高延性チタン合金。
3. 【請求項３】 化学組成のうちＡｌ，Ｏ，Ｎの含有量
   （重量％）が、２つの不等式 [Al]＋１８．８[O] ＋２４．７[N] ≧７．０ および 0.03[Al]− 33.73[O] − 23.59[N] ≧− 9.0 を満足する範囲内にあることを特徴とする請求項１又は
   請求項２の高強度・高延性チタン合金。但し、[Al]，
   [O] ，[N] は、Ａｌ，Ｏ，Ｎの含有量（重量％）をそれ
   ぞれ表す。