JPH11229058A - 耐酸化性と冷間加工性に優れたチタン合金 - Google Patents

耐酸化性と冷間加工性に優れたチタン合金

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JPH11229058A
JPH11229058A JP10030797A JP3079798A JPH11229058A JP H11229058 A JPH11229058 A JP H11229058A JP 10030797 A JP10030797 A JP 10030797A JP 3079798 A JP3079798 A JP 3079798A JP H11229058 A JPH11229058 A JP H11229058A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱間での加工や熱処理の際の酸化が少なく、冷
間加工性に優れたβ型チタン合金を提供する。 【解決手段】重量%で、V:15.0〜22.0%、A
l:2.1〜5.0%、Zr:0.1〜10.0%、S
n:0.4%以下、O(酸素):0.2%以下、残部は
Ti及び不可避不純物の化学組成である耐酸化性と冷間
加工性に優れたチタン合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐酸化性と冷間加
工性に優れたチタン合金に関する。より詳しくは、カメ
ラ、時計、眼鏡フレームなど民生用の部品、ゴルフクラ
ブ、自転車、ラケット、スキーなどスポーツレジャー用
の部品、あるいは航空機用や産業機械用の部品などの素
材として好適な耐酸化性と冷間加工性に優れたβ型チタ
ン合金に関する。
【0002】
【従来の技術】工業用に用いられているチタンには純チ
タンとチタン合金がある。このうちチタン合金は軽量、
且つ高強度であるため、従来は専ら航空機やロケットな
どの部品の素材として使用されてきた。しかし、最近で
は、軽量、高強度で耐食性にも優れるという特徴を活か
して、カメラ、時計や眼鏡フレームなど民生用の部品、
更にはゴルフクラブ、自転車、ラケット、スキーなどス
ポーツレジャー用の部品にも広く使用されるようになっ
てきた。特に、肌に直接触れることが多い腕時計や眼鏡
のフレームなどは、ニッケルなど他の金属材料を素材に
すると皮膚アレルギーを生ずることがあるが、チタンに
はこの問題がないので好んで用いられるようになってき
た。
【0003】一方、チタン合金の用途が拡大するにつれ
て、所望形状に成形するための高い冷間加工性がチタン
合金に対して要求されるようになってきた。
【0004】チタン合金は、その金属組織を構成する相
の結晶構造から、hcp構造のα相単相からなるα型、
bcc構造のβ相単相からなるβ型、及びα相とβ相と
が混在するα+β型の3種類に大別される。立方晶系の
bcc構造は六方晶系のhcp構造に比べて辷り面が多
い。このため、上記のチタン合金のうちでbcc構造の
β相からなるβ型のチタン合金は冷間での加工性に優れ
ている。したがって、高い冷間加工性が必要とされる各
種の部品に対してβ型のチタン合金が重用されている。
【0005】β型のチタン合金(以下、単にβ型合金と
もいう)は、高温のβ相温度域(例えば、900℃)に
加熱してから急冷する溶体化処理を施した後で、例え
ば、400〜500℃で8時間程度の時効処理を行う
と、溶体化処理で形成された母相のβ相から微細な2次
α相が析出して強化する。このため、β型合金の場合に
は、(a)溶体化処理後に所望形状に成形加工した後で
更に溶体化処理を行い、次いで時効処理を施す、あるい
は、(b)溶体化処理後に所望の形状に成形加工し次い
で時効処理を施す、ことで高強度が得られる。
【0006】上記のβ型合金としては、一般に、Ti−
15V−3Al−3Cr−3Sn(V〜Snの各元素の
前の数字は重量%での含有量を示す)を基本組成とする
所謂「Ti−15−3」合金が良く知られている。しか
し、この「Ti−15−3」合金は、所定形状に冷間成
形する場合の強加工に耐えられず、割れや疵が生ずるこ
とがあった。
【0007】特開平1−184242号公報には、「T
i−15−3合金」の延性を向上させる目的で、重量%
で、16〜20%のVを含有するとともに2%以下のA
l、6%以下のZr、6%以下のSnの1種以上を含
む、延性に優れたチタン合金が開示されている。
【0008】特開平2−129331号公報には、冷間
加工時の変形抵抗を下げる目的で、重量%で、15〜2
5%のV、2〜5%のAl、0.5〜4%のSn、0.
12%以下の酸素を含む、冷間加工性に優れたβ型チタ
ン合金が開示されている。
【0009】特開平1−111834号公報には、強度
を低下させるとともに絞り性を高めて冷間鍛造性を向上
させる目的で、重量%で、10〜20%のV、Sn及び
Zrをそれぞれ0.5〜9.5%で且つ総和で1〜10
%、必要に応じて更にAlを0.5〜7%含有する、冷
間加工用低強度・高延性Ti合金が開示されている。
【0010】しかし、上記の各公報で提案されたチタン
合金は、高温で現れるβ相を常温にまで安定化させるた
めに、いずれも多量のVを含むものである。Vを多量に
含むチタン合金は、所望の部品(製品)の製造に際し、
熱間加工時や熱処理時の高温に加熱された際の耐酸化性
が著しく低くなる場合がある。耐酸化性が劣化すると高
温加熱時の酸素吸収が激しくなり、製品の表面状態が極
めて劣悪になってしまう。酸化の進行は製品歩留りを低
下させ、しかも、酸化による表面状態の劣化は製品表面
の研磨や酸洗など表面層を除去するための工程を必要と
するため、製造コストの増大を避けられない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、民生用の部品、スポーツレジャー
用の部品、あるいは航空機用や産業機械用の部品など各
種部品の素材として好適な、熱間での加工や熱処理の際
の酸化が少なく耐酸化性に優れ、しかも、冷間加工性に
も優れた高強度のβ型チタン合金を提供することを目的
とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記に
示す耐酸化性と冷間加工性に優れたチタン合金を要旨と
する。
【0013】すなわち、「重量%で、V:15.0〜2
2.0%、Al:2.1〜5.0%、Zr:0.1〜1
0.0%、Sn:0.4%以下、O(酸素):0.2%
以下、残部はTi及び不可避不純物の化学組成である耐
酸化性と冷間加工性に優れたチタン合金」である。
【0014】本発明者らは、高温で良好な耐酸化性を有
するとともに、優れた冷間加工性を有する、つまり、変
形能が高く且つ加工時の変形抵抗が小さいβ型合金を得
るために種々の調査を行った。
【0015】先ず、Vと同様にβ相の安定化に効果のあ
る元素として知られているMoを含有させることを検討
した。しかし、β相の安定化のためにはVと同量かそれ
を超える量のMoを含有させることが必要であり、しか
も、MoはVと同様に高温での耐酸化性を著しく劣化さ
せる元素であることが明らかとなった。
【0016】そこで次に、Vを多く含むβ型合金におい
て、高温加熱時の酸化を抑止する方法について検討し
た。その結果、高温での耐酸化性を高めるためにはZr
を添加すれば良いことが判明した。
【0017】Tiを高温に加熱した際に形成される表面
スケールには、O(酸素)の侵入を阻止する作用はほと
んどない。チタン合金中にVが多量に含まれると、高温
でVがO(酸素)と反応し昇華性のあるV25が形成さ
れる。したがって、Vを多く含むβ型合金が高温に加熱
されると、V25が素材表面から昇華するので、表面の
スケール層は気孔率の高い、つまり多孔質なものになっ
てしまう。このため表面のスケール層はO(酸素)の侵
入をくい止めることができず、O(酸素)の侵入が容易
となるので、酸化が進んでしまう。しかし、Vを多く含
むβ型合金であっても、Zrを含有させれば、高温加熱
の途中で素材表面に緻密なZrO2 が形成されて、この
ZrO2 がO(酸素)の侵入を阻止するので耐酸化性が
大きく向上することがわかった。
【0018】一方、Vを多量に含むβ型合金を溶体化処
理し、更に時効処理するとω相が生成し、強度が著しく
増大して伸びを生じなくなる所謂「ω脆性」を招く場合
がある。なお、上記のω相とは溶体化処理後のβ相が時
効処理によって分解する際、微細に分散して生ずるもの
である。この「ω脆性」を回避するためにはAlを含有
させることが有効である。しかし、Alを多量に含有さ
せるとチタン合金の冷間変形抵抗が著しく増大してしま
う。Alの一部をSnで代替させることで上記の冷間変
形抵抗増大の問題を回避することは可能であるが、Sn
を添加した場合には、Zrを含有させた合金であっても
耐酸化性が著しく劣化してしまうことが明らかになっ
た。
【0019】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳しく説明
する。なお、化学成分の含有量の「%」は「重量%」を
意味する。
【0021】V:15.0〜22.0% Vは、β相を安定化する作用を有する。しかし、その含
有量が15.0%未満ではβ相の安定化度が不十分なた
め、溶体化処理後の冷間加工段階においてβ相が加工誘
起マルテンサイトとなる。この結果、冷間加工時の変形
能が不足する。一方、22.0%を超えて含有させると
耐酸化性の劣化を招く。したがって、Vの含有量を1
5.0〜22.0%とした。なお、Vの含有量は18.
0〜21.0%とすることが好ましい。
【0022】Al:2.1〜5.0% Alは、時効処理において微細な2次α相の析出を促す
とともに、析出した2次α相の強度を高める作用を有す
る。しかし、その含有量が2.1%未満では、2次α相
の析出促進効果が得難くなって長時間の時効処理が必要
となるので、製品の製造コストが嵩んでしまう。一方、
Alの多量の添加は、チタン合金の変形抵抗を増加させ
て冷間加工時の工具との接触圧力を高くし、工具を早期
に摩耗させてしまう。特に、Al含有量が5.0%を超
えると冷間加工時の工具摩耗が早期に生じ、工具寿命の
著しい低下を招くので製品の製造コストが嵩んでしま
う。したがって、Alの含有量を2.1〜5.0%とし
た。なお、Alの含有量は2.5〜4.0%とすること
が好ましい。
【0023】Zr:0.1〜10.0% Zrは、Vを多く含むβ型合金において、高温加熱時の
酸化を抑止する作用を有する。Zrには、時効処理時に
ω相の生成を抑制して、ω相によるβ型合金の脆化
(「ω脆性」)を抑える作用もある。しかし、Zrの含
有量が0.1%未満では上記した効果が得られない。一
方、Zrを10%を超えて含有させても効果が飽和する
し、Zrが高価な元素であることから無用なコストアッ
プを招いてしまう。したがって、Zrの含有量を0.1
〜10.0%とした。なお、Zrの含有量は0.5%〜
6.0%とすることが好ましい。
【0024】Sn:0.4%以下 Zrを含有させたチタン合金であっても、Snを多量に
含む場合には耐酸化性が著しく劣化してしまう。Snの
含有量が0.4%以下の場合に、前記したZrの耐酸化
性向上作用が充分発揮される。したがって、Snの含有
量を0.4%以下とした。
【0025】O(酸素):0.2%以下 O(酸素)は、原料であるスポンジチタンや、Vの添加
のためのAl−V母合金などから侵入する不純物元素
で、変形抵抗の増加を招き、冷間加工性を低下させてし
まう。特に、O(酸素)の含有量が0.2%を超える
と、変形抵抗が著しく大きくなって、冷間加工性が極め
て低下してしまう。したがって、不純物元素としてのO
(酸素)の含有量を0.2%以下とした。
【0026】他の不可避不純物は少ないほど良い。特
に、溶解中などに混入し易い元素は熱間や冷間での加工
性や溶接性などに悪い影響を及ぼすことがある。したが
って、例えば、N(窒素)の含有量は0.2%以下、H
(水素)の含有量は0.02%以下、C(炭素)の含有
量は0.02%以下、Feの含有量は0.2%以下など
とするのが好ましい。
【0027】以下、実施例により本発明を説明する。
【0028】
【実施例】表1に示す化学組成を有するチタン合金を、
アルゴン雰囲気中でプラズマアーク式の溶解炉を用いて
溶製し、直径50mmで長さ100mmの鋳塊を製造し
た。
【0029】なお、表1における合金1〜14は化学組
成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の合金、合
金15〜22はその化学組成のいずれかが本発明で規定
する含有量の範囲から外れた比較例の合金である。比較
例の合金のうち合金15は特開平2−129331号公
報で提案された合金に相当するものである。
【0030】
【表1】
【0031】上記の各鋳塊を大気中で1000℃に加熱
した後、通常の方法で熱間鍛造して直径20mmの丸棒
に仕上げた。なお、熱間鍛造終了後は放冷した。次い
で、これらの丸棒を900℃で1時間保持後水冷して溶
体化処理を施した。なお、加熱雰囲気は大気中である。
【0032】こうして得られた溶体化処理後の直径が2
0mmの丸棒から、直径が15mmで高さが21mmの
冷間加工用試験片を採取し、平滑圧縮板を用いて圧縮し
て冷間加工性として常温(室温)での変形抵抗と変形能
を調査した。変形抵抗は、上記の冷間加工用試験片を1
×10-3の歪速度で50%圧縮変形した時点、つまり高
さ10.5mmまで圧縮変形した時点で測定した。変形
抵抗の測定に際しては、試験開始前及び初期の試験片高
さに対して10%圧縮変形させる毎に、つまり、2.1
mm圧縮変形させる毎に、試験片の両端面に潤滑剤を塗
布して摩擦の影響を排除した。一方、変形能の調査では
試験片の両端面は無潤滑とし、初期の試験片高さに対し
て5%ずつ圧縮変形、つまり、1.05mmずつ圧縮変
形させて、試験片に割れを生じない最大の圧縮率を限界
圧縮率として評価した。
【0033】更に、上記の溶体化処理後の直径が20m
mの丸棒の中心部から、厚さ2mm、幅15mmで長さ
20mmの試験片を採取し、この試験片の表面を#60
0のエメリー紙で研磨後、大気中にて900℃で3時間
加熱して酸化させ、常温(室温)まで放冷した。次い
で、酸化前後の重量を測定して酸化増量を求め、耐酸化
性を評価した。
【0034】前記の溶体化処理後の直径が20mmの丸
棒の中心部から、厚さ10mm、幅10mmで長さ20
mm試験片を採取し、溶体化処理ままの硬度と、大気中
での450℃×8時間の時効処理後の硬度を測定した。
なお、硬度測定はビッカース硬度計を用いて試験荷重1
kgfで行い、幅中央部を長さ方向(鍛造長手方向に平
行な方向)に10点測定し、その平均値で評価した。
【0035】なお、冷間加工性の目標としては前記の圧
縮試験における50%圧縮変形時の変形抵抗が115k
gf/mm2 以下で、且つ、変形能としての割れ発生限
界圧縮率が75%以上であることとした。耐酸化性は酸
化増量が1.40g/cm2未満であることを、更に、
時効処理後の硬度はビッカース硬度(Hv)で350以
上であることを目標とした。
【0036】表2に各種試験の結果を示す。なお、合金
1〜22のいずれについても溶体化処理後はβ単相のβ
型合金であることを確認した。
【0037】
【表2】
【0038】表2から、化学組成が本発明で規定する範
囲内にある本発明例の合金1〜14は、50%圧縮変形
時の変形抵抗が115kgf/mm2 以下、変形能とし
ての割れ発生限界圧縮率が75%以上、大気中で900
℃に3時間加熱した時の酸化増量が1.40g/cm2
未満で、しかも、時効処理後の硬度がビッカース硬度
(Hv)で350以上であり、目標性能を満足してい
る。
【0039】これに対して、比較例の合金の場合には、
圧縮変形時の変形抵抗、割れ発生限界圧縮率、耐酸化
性、時効処理後の硬度のいずれかにおいて目標とする性
能に達していない。
【0040】
【発明の効果】本発明合金は、冷間加工性と耐酸化性に
優れ、しかも、時効処理で高硬度が得られるので、カメ
ラ、時計、眼鏡フレームなど民生用の部品、ゴルフクラ
ブ、自転車、ラケット、スキーなどスポーツレジャー用
の部品、あるいは航空機用や産業機械用の部品などの素
材として利用することができる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量%で、V:15.0〜22.0%、A
    l:2.1〜5.0%、Zr:0.1〜10.0%、S
    n:0.4%以下、O(酸素):0.2%以下、残部は
    Ti及び不可避不純物の化学組成である耐酸化性と冷間
    加工性に優れたチタン合金。
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