WO2006041166A1

WO2006041166A1 - β型チタン合金

Info

Publication number: WO2006041166A1
Application number: PCT/JP2005/018979
Authority: WO
Inventors: Satoshi Matsumoto
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2006-04-20
Also published as: US20080092997A1; TWI277657B; CN101010438A; TW200619396A; CN101010438B; JP4939740B2; JP2006111934A

Description

0型チタン合金

技術分野

[0001] 本発明は、 j8型チタン合金ならびにその熱処理方法に関する。

背景技術

[0002] チタン合金は軽量で強度が高ぐ中でも β型チタン合金と呼ばれる j8相単体からなるチタン合金には、 a相を主体とするチタン合金に比べ冷間加工性に優れるものが多ぐ時効処理により優れた強度とし得るものが多く存在する。

前記 j8型チタン合金としては、 Ti— 20V— 4A1— ISn (特許文献 1)、 Ti— 15V— 3 Cr—3Al—3Sn、 1 22¥—4八1 (特許文献2)、1 15¥—60:—4八1 (特許文献 3)、 Ti— 13V— 9Cr— 3Al、Ti— 15Mo— 5Zr— 3Al、Ti— 3A1— 8V— 6Cr— 4M o— 4Zr、Ti— 13V— l lCr— 3Al、Ti— 4. 5Fe— 6. 8Mo— 1. 5A1などが知られている。

この内、 Ti— 15 V— 6Cr— 4A1、 Ti— 13 V— 9Cr— 3 Al、 Ti— 15Mo— 5Zr— 3A1 、 Ti— 3A1— 8V— 6Cr— 4Mo— 4Zr、Ti— 13V— l lCr— 3A1は強度が高いものの、冷間および熱間での変形抵抗が大きいために加工性が劣り特殊な用途にしか用いられていない。

逆に1 20¥—4八1 1311、 Ti— 15V—3Cr—3Al—3Sn、 Ti—22V—4A1は、強度がやや低いものの冷間加工性に優れるため、広く一般用途に用いられ、中でも T1- 20V-4A1- ISnは優れた冷間加工性と比較的高、強度を持つことからゴルフクラブ、自転車などのスポーツ用品をはじめとして各種の用途に用いられている。近年、 β型チタン合金には、用途展開、さらなる軽量化、コスト削減などの目的からさらなる高強度化の要求がなされており、前記 Ti 20V 4A1— 1 Snと同様に優れた冷間加工性を有しつつ、さらに強度の高、ものが望まれて、る。

し力し、これまでの検討では優れた冷間加ェ性を有し且っ1 20¥—4八1 ISn よりも高い強度を有する β型チタン合金は見出されておらず前記要求を満たすことができていない。 [0003] 特許文献 1：日本国特許第 2640415号公報

特許文献 2 :日本国特公平 6— 99765号公報

特許文献 3 :日本国特開 2000— 144286号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 本発明の課題は、上記問題点に鑑み、優れた冷間加工性を有し、且つ Ti— 20V

-4A1- lS_{n j}8型チタン合金よりも高!ヽ強度を有するチタン合金を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0005] 本発明者は、前記課題を解決すベぐ鋭意検討を行った結果、チタン合金の β相安定化元素である V、 Fe、 Mo、 Crの含有量の決定を、通例となっている各々単独でチタンに添カ卩した場合の β相安定ィ匕のための最少添カ卩量の比をもとに行うのではなぐ各元素の相互作用を加味した新たな係数を用いることで β相安定ィ匕の度合いを正確に示す指標にすることができることを見出した。

より具体的には、 j8型チタン合金に含有する各元素は、一般には、各元素単体でチタンを β相単体とすることができる最低量の逆数により、各元素の β相安定化効果の指標が与えられ、一般的知見として、重量％で、 Vが 15%、 Feが 3. 6%、 Moが 1 0%、 Crが 6. 3%でチタンを |8相単体とできることが知られていることから Vを基準とすれば、含有する Feの重量％に 3.6分の 15を乗じた数値が、該数値の Vを含有した場合と等価と考えられる。

このことから、これまでの考え方に基づけば、 j8相安定ィ匕の度合いを算定するには、 Vを基準としたときには、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％を X 、含

V Fe 有する Moの重量％を X 、含有する Crの重量％を X とすると X + (15Ζ3· 6)X

Mo Cr V Fe

+ (15/10) X + (15/6. 3)X の値で得られるはずである力発明者らの実験

Mo Cr

に基づく検討からは、 X + 2. 95X + 1. 5X + 1. 65X の値を採用することによ

V Fe Mo Cr

り β相安定ィ匕の度合いを正確に示す指標とできることを見出し本発明の完成に到つたのである。

すなわち、本発明は、重量％で、 V: 5〜15%、 Fe : 0. 5〜2. 5%、Mo : 0. 5〜6% 、 Cr:0.5〜5%含有し、且つ、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％を X

V

、含有する Moの重量％を X 、含有する Crの重量％を X としたときに、 X +2.9

Fe Mo Cr V

5X +1.5X +1.65X の値が 15〜23%となり、さらに Al:l.5〜5%を含有し、

Fe Mo Cr

残部が Tiおよび不純物からなることを特徴とする β型チタン合金を提供する。

発明の効果

[0006] 本発明によれば、 Ti—20V—4Al—lSnj8型チタン合金に比べ、 Vの他に Fe、 M o、 Crを含有させ、しかも重量⁰ /₀で、 V:5〜15%、 Fe:0.5〜2.5%、 Mo:0.5〜6 %、 Cr:0.5〜5%含有し、且つ、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％

V

を X 、含有する Moの重量％を X 、含有する Crの重量％を X としたときの X +2·

Fe Mo Cr V

95X +1.5X +1.65X で表される値を 15〜23%とすることで優れた冷間加工

Fe Mo Cr

性を維持しつつ、固溶強化の作用により Ti 20V 4A1— 1 Sn |8型チタン合金よりも優れた強度を有するものとすることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0007] 以下に本実施形態のチタン合金に含有される各元素の量を決定する理由につ!/ヽて説明する。

[0008] 本実施形態のチタン合金に含有される各元素の量は、重量％で、 V： 5〜15%、 Fe

:0.5〜2.5%、Mo:0.5〜6%、Cr:0.5〜5%、A1:1.5〜5%で、残部が Tiおよび不純物からなっている。

これら元素カゝらなるチタン合金を溶解して急冷すると冷間加工性に優れた、 β型チタン合金とすることができる。

次いで、前記 j8型チタン合金を所望の形状に加工した後、時効処理といわれる熱処理を施し、前記 β型チタン合金に β相より強度の高い α相を析出させることで強度を高めることができる。

[0009] Vが重量％で 5〜15%の範囲とされるのは、 Vが 5%未満の場合、 j8型チタン合金の冷間加工性が下がり、優れた冷間加工性が得られなくなるためである。また、 Vが 1

5%を超える場合は、前記時効処理での《相の析出を阻害し1 20¥—4八1 1311 より優れた強度とならな、ためである。

[0010] Feが重量⁰ /₀で 0.5〜2.5%の範囲とされるのは、 Fe力 0.5%未満の場合、固溶強化の効果が得られず、 T1- 20V-4A1- ISnより優れた強度とならないためである。また、 Feが 2. 5%を超える場合は、 j8型チタン合金に Feの偏祈が生じ特性バラツキが起こるためである。

[0011] Moが重量％で 0. 5〜6%の範囲とされるのは、 Moが 0. 5%未満の場合、固溶強化の効果が得られず、 T1- 20V-4A1- ISnより優れた強度とならないためである。また、 Moが 6%を超える場合は、優れた冷間加工性が得られなくなるためである。さらに、 Moは原料として高価であるため添加量を多くするとコストが高くなるという問題ち生じさせる。

[0012] Crが重量％で 0. 5〜5%の範囲とされるのは、 Crが 0. 5%未満の場合、固溶強化の効果が得られず、 Ti— 20V— 4A1— ISnより優れた強度とならないためである。また、 Crが 5%を超える場合は、 j8型チタン合金に Crの偏祈が生じ特性バラツキが起こるためである。

[0013] A1は、 V、 Fe、 Mo、 Crが j8相を安定化させるための元素であるのに対し、 α相の安定化に作用するものであり、重量％で1. 5〜5%の範囲とされるのは、 A1が 1. 5% 未満の場合、時効処理による α相の析出を促進させることができず、 Ti—20V—4A 1— ISnより優れた強度とならないためである。さらに、 A1は ω相の析出を抑制する効果があり、 1. 5%未満では ω相が析出し脆ィ匕するおそれを有するものとなる。

また、 A1が 5%を超える場合は、冷間加工性が下がり、優れた冷間加工性が得られなくなる。

[0014] また、 V、 Fe、 Mo、 Crの含有する量は、含有する Vの重量％を、含有する Feの

V

重量％を X 、含有する Moの重量％を X 、含有する Crの重量％を X としたときの

Fe Mo Cr

X + 2. 95X + 1. 5X + 1. 65X で表される値を 15〜23%とすることで Ti— 20

V Fe Mo Cr

V-4A1- ISnと同等の冷間加工性とすることができ、前記値が 15未満の場合には、 β変態点以上の温度からの冷却速度を高めても β単相のものを得られにくぐマルテンサイト相、 α相などが析出により加工性が悪くなる。逆に 23を超える場合には前記時効処理での α相の析出を阻害し Ti 20V -4A1- 1 Snより優れた強度とならない。

なお、 _α相など e相以外の相が析出して冷間加工性を低下させるおそれを抑制し得る点において、前記 j8変態点以上の温度から、他相の析出するおそれのない、少なくとも 500°Cまでの平均冷却速度は、 1〜100°CZ秒であることが好ましい。特に、 X + 2. 95X + 1. 5X + 1. 65X で表される値が 17%以下となるものにおいて

V Fe Mo Cr

は、低い冷却速度により他の相が析出しやすいことから、上記の範囲で冷却されることが好ましい。

前記冷却速度が 1〜100°CZ秒の範囲とされるのは、 1°CZ秒以下においては、 j8 相以外の相が析出しやすくなり、 100°CZ秒以上に冷却速度を高めても、他の相の析出を防止する効果を高めに《なるためである。

[0015] また、 V、 Fe、 Mo、 Cr以外の j8相安定化元素として、 Nb、 Ta、 Ni、 Mn、 Coを単独または複数を用いることができる。これらの含有量としては、 Nb : 0. 5〜2%、 Ta: 0 . 5〜2%、Ni: 0. 25〜1%、Μη: 0. 25〜l%、Co : 0. 25〜1%とし、且つ、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％を X 、含有する Moの重量％を X 、含有

V Fe Mo する Crの重量％を X 、含有する Nbの重量％を X 、含有する Taの重量％を X 、

Cr Nb Ta 含有する Niの重量％を X 、含有する Mnの重量％を X 、含有する Coの重量％を

Ni Mn

X としたときの X + 2· 95X + 1. 5X + 1. 65X +0. 4X +0. 3X + 1. 6X

Co V Fe Mo Cr Nb Ta N

+ 2. 3X + 2. IX の値が 15〜23%とすることで、優れた冷間加工性を備えつつ i Mn Co

、 T1- 20V-4A1- ISnより優れた強度を有するものとなる。

また、要すれば、中性元素である Sn、 Zrを任意成分として、 A1の一部に置き換えて単独または組み合わせて使用することもできる。これらの含有量としては、 Sn: 5%以下、 Zr: 5%以下とし、且つ、含有する A1の重量％を X 、含有する Snの重量％を X

Al Sn

、含有する Zrの重量⁰ /₀を X としたとき、 X + (X /3) + (X Z6)の値が 1. 5〜5と

Zr Al Sn Zr

なるよう含有させることで Ti— 20V— 4A1— ISnより優れた強度を有するものとすることがでさる。

また、不純物としては、 0、 Hなどの不可避不純物があるが延性を良好なものとし得る点力 Oは 0.25重量％以下であることが好ましぐ時効処理による強度向上をより有効に得られる点力も Hは、 0. 05重量％以下であることが好ましい。

実施例

[0016] 次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

[0017] (実施例 1〜： L 1、比較例 1〜6)

各元素が表 1に示す割合となるように、ボタンアーク溶解により铸塊を製造し、 4mm 厚さに熱延し、溶体化処理を行った。

溶体化処理後 500°Cまでは、 4°CZ秒の平均冷却速度で冷却し、その後、室温まで自然に放冷した。

次いでスケールを除去し、冷延して、 1mm厚さの |8型チタン合金の薄板試料を作成した。

[0018] (評価）

各実施例、比較例の評価については次のとおり実施した。

[0019] <熱間変形抵抗 >

铸塊より切り出した試験片を（直径 8mm X長さ 12mm)を用いてカ卩ェフォーマスタ試験により熱間変形抵抗を求めた。具体的には、赤外線を用い前記試験片を 900°C に急速加熱し、 50mmZ秒の速度で 50%の圧縮率で圧縮加工したときの応力を求め熱間変形抵抗とした。

[0020] <限界冷延圧下率 >

铸塊より 4mm厚さに熱延したものを溶体ィ匕処理し、冷却した後、表面を各 0. 5mm 機械切削してスケール除去し、板厚さ 3mmにした。

次いで、端面を # 100の研磨紙で研磨した後冷間圧延を行った。 10%冷間圧延を行う度に端面を観察して割れの有無を確認した。

端面力も深さ lmm以上の割れが 10mmあたりに 1本以上となったときの圧下率を限界冷延圧下率とした。

なお、限界冷延圧下率については、 70% (0. 9mm厚さ）の値を最大として評価を行った。

[0021] <耐力および引張強度 >

lmm厚さの薄板試料を真空中で熱処理し、溶体化処理（800°C X 15分）のみの試料、ならびに前記溶体ィ匕処理後、時効処理（500°C X 8時間）した試料を作成した。この熱処理された薄板試料を平行部幅 6. 25mm,標点間距離 25mmのハーフサィズの引張試験片を作成し、 JIS Z 2241に準じて 0. ImmZ分の速度で引張り試験を行い引張強度と 0.2%耐力とを求めた。

以上の評価結果を表 2に示す。

[表 1]

+ 5

X 2

※ X 2. 95 X, + 1. 65 Χ₍ .+ 0 • 4X_Nb +

3X_Ta+ 1. 6X_f 3Χ_λ ,+ 2. で示される値 [表 2]

時効前時効後

熱間変形抵抗限界冷延圧下率

(MPa) 引張強度引張強度

(%) 耐カ（MPa) 耐カ（MPa)

(MPa) (MPa) 実施例 1 205 70 831 882 1360 1446 実施例 2 190 70 814 857 1316 1394 実施例 3 201 70 654 699 1252 1334 実施例 4 208 70 812 844 1337 1042 実施例 5 207 70 815 852 1345 1412 実施例 6 215 70 820 845 1 120 1203 実施例 7 205 70 807 840 1342 1405 実施例 8 210 70 815 845 1331 1395 実施例 9 214 70 810 842 1295 1342 実施例 1 0 213 70 812 850 1296 1350 実施例 1 1 193 70 450 725 1210 1305 比較例 1 233 60 782 839 870 950 比較例 2 175 20 - - - - 比較例 3 185 70 642 672 1088 1198 比較例 4 295 70 866 885 940 1009 比較例 5 270 70 834 856 1034 1146 比較例 6 225 60 822 860 1050 1190

[0024] また、参考例 1〜7として、溶体化処理後 500°Cまでの平均冷却速度を表 3に示す条件とした以外は、実施例 1と同様に試料を作成したものについて、他相の形成を観察した結果を表 3に示す。なお、前記観察においては、 X線回折装置を用いて j8相以外の相の形成をチャートより判断した。

[0025] [表 3]

以上のように実施例 1〜： L 1では、 Ti— 20V— 4A1— lSn jS型チタン合金を示す比較例 3の結果に比べ、限界冷延圧下率が低下しておらず、 Ti 20V— 4A1 ISn iS 型チタン合金と同様に優れた冷間加工性を有していることがわかる。また、時効前、時効後の耐カおよび引張強度も比較例 3に比べて高い値を示し本発明により Ti— 2 0V-4A1- ISn β型チタン合金より優れた強度のチタン合金が得られることがわかる。

また、参考例 1〜7の結果より、溶体化処理後 500°Cまでの平均冷却速度を所定範囲とすることで他相の析出するおそれを低減し得ることがわかる。

Claims

請求の範囲

[1] 重量⁰ /₀で、 V:5〜15%、 Fe:0.5〜2.5%、Mo:0.5〜6%、Cr:0.5〜5%含有し、且つ、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％を X 、含有する Moの重量

V Fe

%を X 、含有する Crの重量⁰ /₀を X としたときに、 X +2.95X +1.5X +1.6

Mo Cr V Fe Mo

5X の値が 15〜23%となり、さらに Al:l.5〜5%を含有し、残部が Tiおよび不純物

Cr

からなることを特徴とする β型チタン合金。

[2] 重量⁰ /₀で、 V:5〜15%、 Fe:0.5〜2.5%、Mo:0.5〜6%、Cr:0.5〜5%含有し、且つ、含有する Vの重量％を X、含有する Feの重量％を X 、含有する Moの重量

V Fe

Mo Cr V Fe Mo

5X の値が 15〜23%となり、

Cr

さらに Al:l.5%以上 5%未満を含有し、 Sn: 5%以下ならびに Zr: 5%以下の少なくとも一方を含有し、含有する A1の重量％を X 、含有する Snの重量％を X 、含有

Al Sn する Zrの重量⁰ /₀を X としたときに、 X +(X /3) + (X Z6)の値が 1.5〜5となり

Zr Al Sn Zr

、残部が Tiおよび不純物力なることを特徴とする β型チタン合金。

[3] 重量⁰ /₀で、 V:5〜15%、 Fe:0.5〜2.5%、Mo:0.5〜6%、Cr:0.5〜5%と、

Nb:0.5〜2%、Ta:0.5〜2%、Ni:0.25〜1%、Μη:0.25〜l%、Co:0.25

〜1%から選ばれる少なくとも 1種とを含有し、且つ、含有する Vの重量％を X、含有

V

する Feの重量％を、含有する Moの重量％を、含有する Crの重量％を、

Fe Mo Cr 含有する Nbの重量％を X 、含有する Taの重量％を X 、含有する Niの重量％を X

Nb Ta

、含有する Mnの重量％を X 、含有する Coの重量％を X としたときに、 X +2· 9

Ni Mn Co V

5X +1.5X +1.65X +0.4X +0.3X +1.6X +2.3X +2. IX の

Fe Mo Cr Nb Ta Ni Mn Co 値が 15〜23%となり、さらに Al:l.5〜5%を含有し、残部が Tiおよび不純物からなることを特徴とする j8型チタン合金。

[4] 重量⁰ /₀で、 V:5〜15%、 Fe:0.5〜2.5%、Mo:0.5〜6%、Cr:0.5〜5%と、

Nb:0.5〜2%、Ta:0.5〜2%、Ni:0.25〜1%、Μη:0.25〜l%、Co:0.25

V

Nb Ta 、含有する Mnの重量％を X 、含有する Coの重量％を X としたときに、 X + 2. 9

Ni Mn Co V

5X + 1. 5X + 1. 65X +0. 4X +0. 3X + 1. 6X + 2. 3X + 2. IX の

Fe Mo Cr Nb Ta Ni Mn Co 値が 15〜23%となり、

さらに Al: l. 5%以上 5%未満を含有し、 Sn: 5%以下ならびに Zr: 5%以下の少なくとも一方を含有し、含有する A1の重量％を X 、含有する Snの重量％を X 、含有

Al Sn する Zrの重量⁰ /₀を X としたときに、 X + (X /3) + (X Z6)の値が 1. 5〜5となり

Zr Al Sn Zr

請求項 1乃至 4のいずれかに記載の /3型チタン合金の熱処理方法であって、 j8変態点温度以上に加熱後、 1〜 100°CZ秒の平均冷却速度で少なくとも 500°C以下の温度にまで冷却することを特徴とする β型チタン合金の熱処理方法。