WO2005005677A1

WO2005005677A1 - ばね特性にすぐれたチタン合金及びめがねフレーム

Info

Publication number: WO2005005677A1
Application number: PCT/JP2004/009955
Authority: WO
Inventors: Minoru Fumoto; Masaki Takashima
Original assignee: Minoru Fumoto; Masaki Takashima
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2005-01-20

Abstract

（課題）　冷間加工のみにより高強度が得られ、かつ低剛性であって、溶製法で製造が可能なチタン合金及びこのチタン合金線材で製造され、装着性、フィット性にすぐれためがねフレームの提供。（解決手段）　　重量％でＮｂを１０％以上３０％未満、Ａｌを０．５％以上８％以下でＮｂ＋Ａｌ≧１８％となるように含有し、Ｍｏを０．５％以上１０％未満含有し、さらに酸素を０．０５％以上０．５％以下含有し、残部がＴｉ及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする冷間加工性、ばね特性にすぐれたチタン合金及びその合金からなる線材から成形しためがねフレーム。

Description

明細書

ばね特性にすぐれたチタン合金及びめがねフレーム

技術分野

[0001] 本発明は、ばね特性にすぐれかつ冷間加工性にすぐれることが要求される医療分野やめがねフレーム等に利用され、低コストの製造法である溶製法による製造を前提とするチタン合金及びその合金により成形されるめがねフレームに関する。

背景技術

[0002] 鉄に比べ軽量かつ高強度で、耐食性や生体適合性に優れるという特徴を有するチタン合金は、その特徴を活かして人工骨や人工関節等の医療分野およびめがねフレームゃ腕時計等の装身具に広く利用されてきている。このような用途に利用する際には、人体への適合性が最重要の要求項目となるが、人体に対するニッケルアレルギ一の問題が明らかになって以来、これらの分野にチタン合金を適用するに際し、より厳しい評価がされるようになり、各特性の要求水準が高くなつてきている。特にこのような医療分野や装身具等の用途に使用される場合、人体組織に対する適合性だけでなく装着性の問題も大きな検討項目となること力、ら、外力を加え変形させるのは容易だが、除荷するともとの形状に戻り、永久変形がしにくぐかつ軽量化が可能な材料、すなわち低剛性かつ高強度の特性を有するばね特性にすぐれた合金の開発が強く要求されるようになった。

[0003] この要求に対し、従来のチタン合金を改良した新規合金が特許で公開されている。

例えば特開平 6—73475号には、重量％で 10 20%あるいは 35 50%のニオブと重量で 20%以下のジルコニウムを含有するチタン合金が開示されている。また、特開 2001—247924号には 30 60質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金、及び該合金にジルコニウム、ハフニウム、スカンジウムからなる金属元素中の 1種以上の元素を合計で 20質量％以下含有する合金あるいはさらにこれらのチタン合金に 0. 08-0. 6質量％の酸素を含有する合金が開示されている。

[0004] 特許文献 1：特開平 6 - 73475号公報

特許文献 2：特開 2001 - 247924号公報発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0005] し力しながら、前記公報に記載の合金には次の問題がある。

特開平 6— 73475号には、エージング処理により高強度化できる低剛性のチタン合金について記載されているが、この文献に記載の実施例を参照すると、得られる引張強さはエージング処理後においても、 lOOOMPa未満である。また、冷間加工を行うことにより lOOOMPaを超える高強度を確保できることが記載されている力冷間加工する場合でもエージング処理を実施した場合に可能な強度であって、熱処理なしに 1 OOOMPaを超える強度は達成できていない。また、実施例の記載からも明らかなようにエージング処理すると強度は向上するが、同時にヤング率も上昇してしまい、折角の得られていた低剛性という特徴が失われてしまうという問題がある。さらにエージング処理を必要とするとレ、うことは工程が増えるとレ、うことであり、工程が複雑になるとレ、う問題がある。

[0006] また、アルミニウムや酸素等の元素を添加すると高強度化することは可能である力これらの元素を特開平 6—73475号の合金に単純に添カ卩すると、冷間加工性が低下し、細径の線材を製造することが難しくなつたり、ヤング率が上昇してめがねフレームとして使用する際に装着性が低下するという問題があった。

[0007] また、特開 2001—247924号には、強度については一部の合金において 1000MP a以上の引張弾性強度を有する合金の記載がされているが、この文献に記載の発明は、請求の範囲に明確な記載はなレ、ものの、実施例の記載から明らかなように、実質的に焼結による製造を前提とする発明となっている。この文献の実施例には 30%以上の Nbを含有する合金が多数記載されてレ、るが、本発明者らが実験により確認した結果、そのような多量の Nb含有合金を溶製法で製造した場合には、成分が均一なィンゴットを製造することが難しぐ強度等の特性が均一となる材料を溶製法で製造することは困難であることが判明した。焼結法に限定された場合、溶製法による製造に比べコストが大幅に高くなり、低コスト化が困難になるという問題がある。

[0008] 本発明はヤング率が低ぐかつ冷間加工性が良好で、エージング処理に頼ることなく lOOOMPa以上の高強度を容易に達成することができ、装身具等に適用した場合に高い装着性を維持しつつ軽量の製品を製造することが可能となり、かつ溶製法による製造が可能な低剛性、高強度のばね特性にすぐれたチタン合金を提供し、かつその合金を用いて軽量で装着性の向上しためがねフレームを製造可能にすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明者等は前記した課題を解決するために、高強度、低剛性、冷間加工性のすベてにつレ、て優れた特性が得られ、かつ溶製法による製造が可能な成分範囲を見出すために鋭意研究を行った結果、次の知見を得て本発明を完成したものである。

[0010] (1)チタン合金は常温での母相の結晶構造により大きく 3種類に分類される。すなわち、ちょう密六方晶（HCP)である α相を母相とする α型合金、体心立方晶（BCC)である i3相と α相とが共存する α + 型合金、体心立方晶（BCC)である β相を母相とする i3型合金の 3種類である。型合金の中で、常温での応力負荷により応力誘起マルテンサイト変態を生じるものがあり、これを特に Near 型合金と呼んでいる。本発明はこの Near 型合金に関するものである。

[0011] (2)チタン合金は 80— l lOGPa程度のヤング率を有しているのが普通である力 Nb、 Moを適量添加すると、降伏応力以下の低い応力で応力誘起変態により熱弾性マルテンサイトが生じて見掛け上の歪みが生じ、応力除去時には逆変態により元の母相に戻るため、ヤング率を低下することができる。この点では前記特開 2001—247924 号の発明でも同じであるが、この発明のように焼結による製造を前提の場合 Nbの多量添加も容易である力本発明では Nbの含有率を 30%未満に抑制することにより、溶製法でも製造が容易であることを見出した。また、後述のアルミニウム、酸素の添加効果により、エージング処理に頼ることなく冷間加工のみで引張り強さ lOOOMPa以上の高強度を達成でき、熱弾性マルテンサイトの生成により得られる低剛性と両立させること力 Sできる。

[0012] (3)(1)(2)に記載の合金にっレ、て優れた冷間加工性、低剛性を維持しつつ高強度化するのに、アルミニウム、酸素を複合添加することが効果的であり、かつ必要な冷間加工性を確保するための適切な添加範囲を見出した。

本発明は、上記 (1)、（2)、（3)の知見を得ることによりなされたものである。 [0013] 以上説明した知見を得ることにより完成した本発明の要求項 1記載のばね特性にすぐれたチタン合金は、重量％で Nbを 10%以上 30%未満、 A1を 0. 5%以上 8%以下で Nb+Al≥18%となるように含有し、 Moを 0. 5%以上 10%未満含有し、さらに酸素を 0. 05%以上 0. 5%以下含有し、残部がチタンと不可避的不純物とからなることを特徴とする。

[0014] 次に請求項 1からなる本発明のチタン合金の各成分範囲の限定理由について説明する。

Nb : 10%以上 30%未満

Nbは、本発明にとって最も重要な元素であり、 Nbを添カ卩することにより前記したように応力負荷時に熱弾性マルテンサイトが生じ、応力除去時に元の母相に戻ることによって低いヤング率を達成することができる。その効果を得るためには、ある程度多量に添カ卩する必要があり、そのために下限量を 10%とした。しかし、多量に添加すると溶製法による製造では、性能の均一なインゴットを製造することが困難となるため上限を 30%未満とした。

[0015] Mo : 0. 5%以上 10%未満

本発明の Nbの一部を Moに置換することが可能である。その効果を得るためには Mo含有量が 0. 5%以上ではヤング率が高くなつてしまうため、下限を 0. 5%とした。一方、 Mo含有量が 10%以上の場合には降伏応力以下の低い応力では応力誘起変態が生じなくなり低いヤング率が得られなくなるため、 Mo含有量を 10%未満とした

[0016] A1 : 0. 5%以上 8%以下で Nb+Al≥18

A1はエージング処理に頼ることなく冷間加工のみで lOOOMPa以上の高強度を得るために必要な元素である。 A1は添加量を増加するほど高強度効果が増加するが、目的の強度を得るためには最低でも 0. 5%以上でかつ Nb + Al≥18となるように添加する必要がある。しかし、多量の添カ卩はヤング率増加につながるとともに、冷間加ェ性を低下させるため、上限を 8。/₀とした。

[0017] 0 : 0. 05%以上 0. 5%以下

Oは添加すると ω相の析出を抑えて脆ィ匕を防ぎ、かつ高強度化できることが知られているが、一方で添加量が増加するほど冷間加工性が低下し、ヤング率が上昇するという問題がある。 0. 05%未満の含有量では熱間圧延や焼鈍後に ω相が析出し脆化するという問題があるため下限の含有量を 0. 05%とした。一方、すぐれた冷間加ェ性と低剛性の維持を重視する本発明では含有量を抑制することが望ましぐ上限を 0. 5%とした。

[0018] 次に請求項 2の発明について説明する。

請求項 2の発明は、請求項 1記載のチタン合金に加え、さらに必要に応じて重量％で、（l) Co、 Cr、 Feのうち 1種または 2種以上を 3%以下、（2) Zrを Mo含有量が 3% 未満の場合 0. 5%以上 30%以下、 Mo含有量が 3%以上の場合 0. 5%以上 7%未満、（3) Vを 10%未満、 (4) Snを 20%以下の（1)、 (2)、 (3)、 (4)記載の元素のうち 1種または 2種以上を含有させ、請求項 1記載の合金の特性をさらに改善させたものである。以下、各元素の組成範囲限定理由について説明する。

[0019] Co、 Cr、 Fe、 V、 Snは、前記した請求項 1記載の合金に必要に応じて添カ卩することにより、さらに強度を向上させる効果のある元素である。但し、多量に含有させると高強度は得られるがヤング率が上昇して高強度と低剛性の両立が困難になるとともに、冷間加工性が低下して製品の製造が難しくなるので、冷間加工性、ヤング率への影響が小さい範囲（重量％で〇0、 Cr、 Feの 3元素の合計が 3%以下、 V: 10%未満、 S n: 20%以下）で添加できるものとした。

[0020] Zrも前記した請求項 1記載の合金に必要に応じて添加することにより、さらに強度を向上させる効果のある元素である力 S、 Moとの相乗効果があるため Moの含有量に応じて含有量を制限する必要がある。すなわち、 Mo含有量が 3%未満の場合 Zrを 30 %以下、 Mo含有量が 3%以上の場合 Zrを 7%未満含有させることによりヤング率の上昇を抑えて強度上昇に効果がある。なお、 0. 5%以下の添加ではその効果が認められない。下記の式で表される Mo当量が、 7未満ではヤング率が高くなつてしまうため下限を 7とした。一方、この値が 14を超えて大きくなる場合には応力誘起変態が生じなくなり低いヤング率が得られなくなるため、 Mo当量は 7以上 14以下とした。 Mo当量 = Mo + VZ3 + Nb/3. 5 + 2. 8 X Fe + l . 6 X Cr

+ 1. 4Co [0021] 次に請求項 3の発明について説明する。

請求項 3は、前記した請求項 1又は 2に記載のチタン合金からなる冷間加工線材を少なくとも素材の一部分に使用して成形したことを特徴とする低剛性、高強度でばね特性にすぐれためがねフレームである。

[0022] 請求項 1、 2により低剛性、高強度を冷間加工のみで達成でき、かつ焼結法でなく溶製法で製造可能なため低コストで製造可能なチタン合金を明らかにした。この合金は優れた特性を有しているため、数多くの種類の装身具、携帯品 (腕時計、ピアス、指輪、ネクタイピン、ブローチ、カフスボタン、携帯電話、ベルトのバックル、鍵、ライタ一、各種筆記用具（ボールペン等）、キーホルダー、ネックレス、ブレスレット、ィアリング、ハンドバッグや財布等の金具)や、ゴルフクラブ、人工骨等の医療分野への適用が可能であるが、特にめがねフレームに適用すると大きな効果を得ることができる。

[0023] すなわち、めがねフレームは常時人が顔に身につけて活動するため、軽量化要求が強ぐかつ顔とのフィット性が要求されるため外力によって容易に変形できかつ外力を除去した場合にはすぐにもとの形状に戻ることが必要であり、低剛性と高強度、すなわちばね特性が最も強く要求される製品であるからである。

[0024] 前記した請求項 1 , 2からなる合金から製造した冷間加工線材を用いてめがねフレームを製造することにより、装着性、フィット性にすぐれ、従来合金を用いた場合に比ベ大幅に軽量ィ匕しためがねフレームの製造が可能となる。なお、めがねフレームは、テンプル部、リム部、ブリッジ部からなっている力本発明合金をその全てに適用しても良いし、一部分に使用しても良い。特にその中でもテンプノレ部が装着性、フィット性に最も関係の大きい部分であるため、一部に本発明合金を使用する場合には、テンプル部に本発明合金を使用すると装着性、フィット性にすぐれためがねフレームを製造すること力 Sできる。また、本発明合金は高い強度を有しているため、前記した全ての部分に使用することにより、従来の純チタン製のフレームに比べ大幅に軽量ィ匕しためがねフレームを製造することも可能である。

発明の効果

[0025] 以上の結果から明らかなように、本発明合金は冷間加工による線材への加工が可能な加工性を有しているため、加工硬化による高強度化を容易に達成することができ、 lOOOMPa以上の引張強度を得ることができる。また、高強度と同時に 70GPa以下の低ヤング率を達成でき、数多くの種類の携帯品、装身具は勿論のこと、人体の骨に近いヤング率を有しているため、人工骨等の医療分野にも適用でき、特にめがねフレームに適用すると、大幅に装着性、フィット性を改善することが可能となる。実施例

[0026] 次に本発明の特徴を実施例により明らかにする。表 1に実施例として使用した供試材の化学成分を示す。このうち、 No. 1— 12が本発明の請求範囲内の合金であり、 No. 1一 4が請求項 1に該当する合金、 Νο· 5— 12が請求項 2に該当する合金である。また、 No. 13— 24合金はいずれかの成分含有率が本発明の範囲外である比較合金であり、 25, 26合金はそれぞれ従来合金である、 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金、 Ti一 11. 5Mo-6Zr-4. 5Sn合金（ 3合金とも呼ばれている。）であり、従来合金の中で最も高強度を得られることが知られている合金である。

[0027] [表 1]

〔〕0028 (I^W12

ことにより準備した。そして、得られた供試材を用いて引張強度及びヤング率の測定を行った。

[0029] ヤング率は引張試験片に歪ゲージを取り付け、引張試験実施中における応力一歪曲線を測定し、降伏点以下の応力での応力増加直線の勾配から求めた。

[0030] 冷間加工性は、前記した供試材準備時の減面率 50%の冷間圧延が正常に行うことができた場合を〇、割れが発生し正常に圧延できなかった場合を Xで示した。前記した表 1にその結果を示す。

[0031] 表 1から明らかなように、本発明合金である No. 1— 12合金はいずれも断面減少率 5 0%の冷間圧延を正常に行うことができ、かつ 70GPa以下の低いヤング率と 1000M Pa以上の高い引張強度を示し、めがねフレームでの適用時に重要視されるばね特性に非常にすぐれていることがわかる。

[0032] それに対し比較合金である No. 13— 24合金は、いずれかの元素の含有率が本発明の条件を満足しないために、ヤング率、引張強度、冷間加工性のいずれかが本発明合金に比べ劣るものである。具体的には No. 13— 15合金、 No. 17合金、 No. 2 0— 24合金は表 1で *で示した元素が範囲外であるためヤング率が高いものであり、 16、 18、 19合金は A1または Oの含有率が本特許成分範囲を外れるため、冷間加工性が大きく低下し、冷間圧延時に割れが発生したものである。

[0033] また、従来合金である 25， 26合金は、従来合金の中で最も高強度の得られる合金であり、強度についてはすぐれた値を示している力ヤング率が高ぐ高強度と低剛十生の両立ができていない。

[0034] 以上の結果より本発明合金によりすぐれた特性の得られることが明らかになつたので、実際に本発明合金を用いて図 1に示すようなめがねフレームを製造した。なお、図中で 1はテンプル部、 2はリム部、 3はブリッジ部である。このうち、 1のテンプル部は最も装着性、フィット性の良し悪しに影響の大きい部品であるため、一種類はテンプル部、リム部、ブリッジ部の全てが純チタン（ヤング率 100GPa、引張強度 600MPa) からなるめがねフレーム（従来のめがねフレーム）を製造し、もう一種類としてテンプル部のみ表 1の No. 1に相当する合金を用レ、、リム部、ブリッジ部は前記と同じ純チタンからなるめがねフレームを製造した。そして、リム部、ブリッジ部については両者とも同じ寸法とし、テンプル部については引張による破断荷重が同一となるよう太さを変更し、長さは同一となるようにして製造した。製造後に重量を測定した結果、純チタンのみから製造しためがねフレームが 5. 5gであったのに対し、テンプル部に本発明合金を用いためがねフレームは 4. 3gと約 20%の軽量化を実現することができた。

[0035] この試作しためがねフレームの使用した合金の違いによる効果である力装着性、フィット性は個人によっても評価に差が生じ、数値で明確に評価することは困難であるため、無作為に 20人を選び装着性、フィット性について 5段階評価を実施 (評価が 5, 4, 3， 2, 1のそれぞれについて点数を 5, 4, 3， 2, 1として評価）し、その平均点で評価した。その結果、従来合金のみにより製造しためがねフレームが平均 3. 2点であったのに対し、本発明の合金を使用しためがねフレームは、平均 4. 6点とかなりの改善が見られた。これは、軽量化効果に加え、ヤング率の低下と高強度化により、めがねをかける時にテンプノレ部の間隔の調整の自由度が大きくなつたことにより、フィット性が向上したことが大きな原因と推定される。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]実施例として製造しためがねフレームの形状を説明する図である。

符号の説明

[0037] 1 テンプル部

2 リム部

3 ブリッジ部

Claims

請求の範囲

[1] 重量％で Nbを 10%以上 30%未満、 A1を 0. 5%以上 8%以下で Nb+Al≥18。/₀となるように含有し、 Moを 0. 5%以上 10%未満含有し、さらに酸素を 0. 05%以上 0. 5%以下含有し、残部がチタンと不可避的不純物とからなる、冷間加工性にすぐれかつばね特性にすぐれたチタン合金。

[2] 請求項 1に記載のチタン合金に、さらに重量％で（l) Co、 Cr、 Feのうち 1種または 2 種以上を 3%未満、（2) Zrを Mo含有量が 3%未満の場合 0. 5%以上 30%以下、 M o含有量が 3%以上の場合 0· 5%以上 7%未満、（3) Vを 10%未満、（4) Snを 20% 以下の（1)、（2)、（3)、（4)記載の元素のうち 1種または 2種以上を含有し、下記の式で表される Mo当量が 7以上 14以下であり、残部が Ti及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする、冷間加工性にすぐれかつばね特性にすぐれたチタン合金。

Mo当量 = Mo + V/3+Nb/3. 5 + 2. 8 X Fe+ l . 6 X Cr

+ 1. 4Co

[3] 請求項 1または 2に記載のチタン合金の冷間加工線材を少なくとも素材の一部分に使用して成形したことを特徴とするばね特性にすぐれためがねフレーム。