WO2013080390A1 - α+β型またはβ型チタン合金およびその製造方法 - Google Patents

α+β型またはβ型チタン合金およびその製造方法 Download PDF

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菅原 智
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Definitions

  • the present invention relates to a titanium alloy, and in particular, a titanium alloy having a composition which is excellent in mechanical properties such as strength and hardness as compared to a Ti-6Al-4V alloy and the like and can not be manufactured by a conventional melting method.
  • the present invention also relates to a method for producing a titanium alloy which can produce the alloy inexpensively.
  • Ti-6Al-4V alloy (hereinafter sometimes referred to as 64 alloy) has been used for a long time because it has excellent mechanical properties.
  • 64 alloy has poor machinability, there is a problem that it is difficult to apply to complicated parts of the shape.
  • a Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo alloy (so-called SP700) was developed to improve the processability of the 64 alloy.
  • Ti-10V-2Fe-3Al a so-called 10-2-3 alloy
  • Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn a so-called 15-3-3-3
  • Alloys etc. were developed.
  • vanadium and iron are easily segregated at the time of ingot production of any of the SP700, 10-2-3 and 15-3-3-3 alloys, and further improvement is required.
  • the new composition is intended to prevent segregation of the additive element during ingot production while maintaining the effects of the additive elements of SP 700 and 10-2-3 and 15-3-3-3 at the same level or more.
  • Alloys have been developed.
  • Ti-5V-5Mo-3Cr alloy (so-called 5-5-5-3 alloy)
  • Ti-5Al-2Fe-3Mo (so-called TiX-523 alloy)
  • TiX-523 alloy Ti-5Al-4V-0.6Mo-0.4Fe alloy
  • the so-called Timetal 54M alloy corresponds to that.
  • the content of iron and vanadium, which are elements which are easily segregated is reduced, and instead, molybdenum and chromium are contained, and the effect of the addition of alloying elements is maintained equally over the entire alloy. It is considered as an aim.
  • the problem of segregation has been alleviated by the development of these new alloys, even with these new composition alloys, segregation of alloying elements during ingot production is an inevitable problem.
  • the high cost of the elemental powder mixing method is due to the high cost of titanium powder due to the high price of the pure titanium material used and the high cost of the parent alloy powder, and further improvement is required.
  • titanium alloys produced by the elemental powder mixing method are often densified by a method called HIP, but such methods are also costly and a method that can be manufactured at lower cost is desired. .
  • a method for inexpensively producing a titanium alloy such as 64 alloy is desired.
  • the present invention is, among titanium alloys as described above, an iron-containing titanium alloy which contains iron of a composition which can not be realized by the conventional method without segregation and which has high strength and hardness. It is provided. In addition, the present invention also provides a method of manufacturing the titanium alloy at a lower cost than the conventional method.
  • a titanium alloy sintered body can be manufactured inexpensively by producing a titanium alloy by powder metallurgy instead of melting, or by using titanium alloy powder instead of elemental powder mixing. I found out what I could do.
  • titanium alloy scrap can be used as a raw material, and titanium alloy powder can be made by the HDH method. Since titanium alloy scrap, which can generally be obtained inexpensively, can be used as a raw material without using pure titanium powder, powder of alloying elements, or parent alloy powder of alloying elements as a raw material of powder metallurgy. It is possible to manufacture inexpensively.
  • the titanium alloy manufactured by the above method was confirmed to be a titanium alloy having strength and hardness as compared with the titanium alloy manufactured by the conventional melting method, and the present invention was completed. .
  • the ⁇ + ⁇ -type or ⁇ -type titanium alloy according to the present invention is characterized by being produced by forming and processing a titanium alloy powder containing 3 to 15 mass% of iron powder by hot extrusion or the like.
  • the ⁇ -type alloy also includes a near ⁇ -type alloy.
  • the ⁇ + ⁇ -type or ⁇ -type titanium alloy according to the present invention is a preferable embodiment in which the titanium alloy powder before the addition of the iron powder is produced from a titanium alloy material by the HDH method.
  • the titanium alloy powder used for producing the ⁇ + ⁇ -type or ⁇ -type titanium alloy according to the present invention is preferably an alloy powder containing titanium, aluminum and vanadium.
  • the concentration of iron in the titanium alloy is averaged in the range of 500 ⁇ m, the value is within ⁇ 20% of the average value of the material. It is
  • the method for producing ⁇ + ⁇ -type titanium alloy or ⁇ -type titanium alloy according to the present invention is characterized in that 3 to 15 mass% of iron powder and the remaining titanium alloy powder are mixed and hot extrusion forming processing is performed. is there.
  • the forming temperature of the above-mentioned hot extrusion etc. is in the range of ( ⁇ transformation point-100 ° C) to ( ⁇ transformation point + 100 ° C) Is a preferred embodiment.
  • the titanium alloy produced by the method according to the present invention is an iron-containing titanium alloy having a composition which could not be produced by the conventional method, and there is no segregation of iron, and furthermore, in terms of strength and hardness as compared with the prior art. In addition to being excellent, they can be manufactured inexpensively, and as a result, they can be suitably used in the fields of high-strength machine parts, medical materials, and aircraft materials.
  • the ⁇ + ⁇ -type or ⁇ -type titanium alloy according to the present invention is characterized by being produced by hot-extruding a titanium alloy powder containing 3 to 15 mass% of iron powder.
  • titanium alloy powder containing 3 to 15 mass% of iron powder is 3 to 15 mass% of iron powder separately prepared for titanium alloy powder in the case of titanium alloy powder not containing iron as an alloy element
  • Means composite powder In the case of a titanium alloy powder containing iron as an alloy element, a composite powder obtained by adding separately prepared iron powder to the titanium alloy powder so that the total with the iron component originally contained is in the range of 3 to 15 mass%.
  • the titanium alloy powder not containing iron as an alloying element it is preferable to use a titanium alloy powder containing titanium, aluminum and vanadium.
  • a titanium alloy powder containing titanium, aluminum and vanadium As a preferable example of such an alloy powder, Ti-6Al-4V alloy powder, Ti-3Al-2.5V alloy powder, etc. are mentioned.
  • titanium alloy powder containing iron as an alloy element include Ti-10V-2Fe-3Al alloy (so-called 10-2-3 alloy) powder, Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy (so-called TiX-523 alloy) powder, etc. Can be mentioned.
  • the above-mentioned titanium alloy powder preferably uses the above-mentioned titanium alloy scrap as a raw material and is manufactured by the HDH method.
  • FIG. 1 is a flowchart showing the steps of a preferred embodiment according to the production of a titanium alloy according to the present invention.
  • the titanium alloy raw material may be an alloy scrap or titanium alloy ingot having a desired component from the beginning such as titanium alloy chips, titanium alloy forgings, or scraps of titanium alloy rods. Is preferred.
  • titanium alloy raw materials may preferably be dimensioned to a predetermined length or size in advance.
  • alloy chips it is preferable to cut in advance to a length of 100 mm or less. By cutting into the length as described above, it is possible to efficiently advance the hydrogenation step of the next step.
  • block-shaped alloy scrap such as forged pieces, there is no particular need for pre-treatment, as long as it is large enough to enter the hydrogenation furnace.
  • the alloy material is a titanium alloy ingot, it is preferable to use chips.
  • the titanium alloy raw material prepared as described above is subjected to a hydrotreating step under a hydrogen atmosphere.
  • the hydrogenation treatment is preferably performed in a temperature range of 500 to 650 ° C. Since the hydrotreating reaction of the alloy raw material is an exothermic reaction, the temperature raising operation by the heating furnace is unnecessary with the progress of the hydrogenation reaction, and there is an effect that the hydrogenation reaction can be spontaneously proceeded. is there.
  • the hydrotreated titanium alloy raw material (hereinafter sometimes simply referred to as “hydrogenated titanium alloy”) may be crushed and sieved to a predetermined particle size in an inert atmosphere such as argon gas after cooling to room temperature. It is preferable to separate.
  • the dehydrogenation temperature is preferably performed while evacuation in a temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. Since the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction unlike the above-mentioned hydrotreating reaction, a heating operation is required until generation of hydrogen from the titanium hydride alloy powder disappears.
  • the titanium alloy powder according to the present invention can be obtained by the above operation.
  • the titanium alloy powder according to the present invention is preferably sized in the range of 1 to 300 ⁇ m. More preferably, it is 5 to 150 ⁇ m. When it is coarse, it tends to be difficult to increase the density. When the particle size is too fine, the bulk density is lowered, and there are disadvantages such as flammable, high oxygen content, and the like.
  • the titanium alloy powder obtained after completion of the dehydrogenation treatment may be sintered to each other. In this case, it is preferable to carry out the crushing treatment.
  • the present invention is also characterized in that iron powder is blended so that the content of iron is 3 to 15 mass% with respect to the titanium alloy powder produced by the above method.
  • the particle size of the iron powder to be mixed with the titanium alloy powder is preferably adjusted to 1 to 300 ⁇ m.
  • the use of iron powder in the range of 1 to 50 ⁇ m is more preferable.
  • the use of a finer iron powder is advantageous for producing a titanium alloy powder having a uniform composition, so the average particle size (d50) of the iron powder in the range of 1 to 50 ⁇ m is 2 It is preferable that the particle size be adjusted so as to be in the range of ⁇ 10 ⁇ m.
  • the present invention is characterized in that the iron powder-added titanium alloy powder obtained by the above-mentioned method is further uniformly mixed and then subjected to forming processing such as hot extrusion.
  • forming processing such as hot extrusion.
  • the titanium alloy powder containing the iron powder is preferably formed and processed after being filled in a metallic capsule.
  • a sintered material obtained by forming and processing a titanium alloy powder in which iron powder filled in a metallic capsule is mixed is an iron-containing titanium alloy having a composition which can not be manufactured by the conventional method, and segregation of iron is In addition, it has an excellent effect of being strong and hard.
  • the temperature of the above-mentioned molding process is preferably in the range of ( ⁇ transformation point ⁇ 100 ° C.) to ( ⁇ transformation point + 100 ° C.).
  • the molding temperature is lower than ( ⁇ transformation point -100 ° C.), the deformation resistance of the material is large, the material can not be processed to the end, and in the case of extrusion, it is in the die It is not preferable because the material may be clogged.
  • the molding temperature exceeds ( ⁇ transformation point + 100 ° C.), the crystal grains of the molded material tend to be coarse, which is not preferable.
  • the molding processing temperature according to the present invention is preferably in the range of ( ⁇ transformation point ⁇ 100 ° C.) to ( ⁇ transformation point + 100 ° C.).
  • the titanium alloy according to the present invention contains iron having a composition of 3 to 15 mass% which can not be produced by the conventional ingot melting method, and when the concentration of iron in the titanium alloy is averaged in the range of 500 ⁇ m, It is characterized by being within ⁇ 20% with respect to the nominal value of the material.
  • titanium alloy powder and iron powder of the target composition are prepared and mixed so as to have a predetermined iron content, and then the mixed powder is inserted into a metallic capsule and hot-worked.
  • the forming temperature for hot extrusion or the like is in the range of ( ⁇ transformation point ⁇ 100 ° C.) to ( ⁇ transformation point + 100 ° C.).
  • the ratio of the cross-sectional area of the processed material to the cross-sectional area of the capsule (hereinafter sometimes referred to simply as “processing ratio”) is preferably in the range of 1/10 to 1/30.
  • processing ratio is preferably in the range of 1/10 to 1/30.
  • the capsule coated with the titanium alloy material manufactured by the above method can be separated by cutting and pickling.
  • the titanium alloy material from which the capsule is separated by the method as described above may be again heated to a high temperature under a vacuum atmosphere.
  • the strength of the titanium alloy material subjected to the above-mentioned treatment is remarkably excellent, and it is a material having very few lattice defects, so that it has an effect that it can be suitably used for a structural material such as a high strength mechanical component. It is.
  • the strength of the iron-containing titanium alloy material according to the present invention is not only higher by 10% to 50% than that of the conventional iron-free titanium alloy material, but titanium alloy scrap is used as its raw material As a result, the cost of the raw material can be reduced, and as a result, the cost of the titanium alloy material as the final product can be reduced by 50% to 70% as compared with the prior art.
  • the titanium alloy material according to the present invention exhibits an effect of showing a value higher by 10% to 70% also in hardness as compared with a material to which iron is not added.
  • the titanium alloy according to the present invention has excellent mechanical properties as described above, and as a result, it can be suitably applied not only to industrial precision machine parts but also to medical materials, and further, strength It has an effect that it can be suitably used not only for aircraft parts where abrasion resistance is also required.
  • the said titanium alloy containing iron can be manufactured also with a melt
  • the titanium alloy material produced in the present invention preferably contains at least aluminum and vanadium, but it may optionally contain molybdenum, iron, chromium, or tin. . These representative alloys are listed below.
  • the total iron content before addition and the iron content after addition is preferably 3 to 15 mass%.
  • the alloys that can be manufactured by the present invention are not limited to these, and can be applied to various titanium alloys satisfying the iron content of 3 to 15 mass%. .
  • the present invention is an iron-containing titanium alloy having a composition which could not be manufactured by the conventional method, which is free of iron segregation, and further has strength and hardness, and is a conventional titanium alloy efficiently. This produces the effect of being able to be manufactured more inexpensively.
  • Raw material 64 alloy powder Production method: After producing 64 alloy scraps by the HDH method, grinding and sizing average particle diameter (d50): 32 ⁇ m 2) Iron powder Production method: Carbonyl iron powder manufactured by BASF, CF grade average particle size (d50): 4 ⁇ m 3) Blending ratio of iron powder to titanium alloy powder 3% to 15 mass% 4) Mixing The 64 alloy powder and the iron powder were homogenized using a commercially available mixer. 2.
  • the deformation resistance of the above-mentioned alloy at a temperature considered to be a candidate for forming temperature was determined.
  • the measurement was performed by a compression test using a hot working reproducer (Thermek Master). It shows in Table 1 with a beta transformation point measurement result.
  • Molded alloy powder was mixed with 0% and 5% iron powder in alloy powder and filled into a mild steel capsule and vacuum-sealed.
  • the powder-encapsulated capsule was molded by an extrusion apparatus owned by Sanyo Special Steel Co., Ltd.
  • the heating time at this time was 2 Hr, and the heating temperature of each iron content was the temperature described in Table 2.
  • the heating temperature of each iron content alloy and the temperature difference from the ⁇ transformation point of the temperature are also shown in Table 2.
  • Example 1 Comparative Example 1 (Difference in Effects of Addition of Iron Powder) The mechanical properties were investigated with and without the addition of iron powder to the 64 alloy powder. As shown in Table 3, it was confirmed that the addition of iron powder is superior in yield strength, tensile strength and hardness. The iron-added alloy results in less elongation, which was considered to be affected by the forming temperature being in the ⁇ temperature range.
  • Example 2 iron concentration distribution of manufactured titanium material
  • Example 1 the component concentration in the crystal structure of the titanium material produced by the hot forming process was examined by EPMA.
  • the respective X-ray images were obtained for Ti, Al, V and Fe.
  • the results are shown below.
  • the numbers shown here are EPMA count numbers, and the sensitivity differs depending on each element. Therefore, in order to convert the count number to a concentration, the average count number is shown as a nominal concentration of each element as shown in Table 4.
  • the density correction factor was determined. Based on this correction coefficient, the existence ratio by concentration was determined as shown in Table 5.
  • the lowest and highest concentrations of each element were as follows.
  • the present invention relates to a titanium alloy by a powder method and a method for producing the same, which is an iron-containing titanium alloy having a composition which could not be manufactured by the conventional method, and which has no segregation of iron, further has strength and is hard. Also, it can be manufactured at a lower cost than before even in terms of cost.

Abstract

鉄を含有するチタン合金であって、従来法では実現することができない組成の鉄を偏析なく含有させ、強度および硬度の大きい鉄含有チタン合金を安価に提供する。 3~15mass%の鉄粉末を含むチタン合金粉末を熱間押出等の成形加工することにより製造されたことを特徴とするα+β型またはβ型チタン合金。また、3~15mass%の鉄粉末と残部のチタン合金粉末を混合し、熱間押出の成形加工を行うことを特徴とするα+β型チタン合金またはβ型チタン合金の製造方法。

Description

α+β型またはβ型チタン合金およびその製造方法
 本発明は、チタン合金に係り、特に、Ti−6Al−4V合金等に比べて、強度や硬度のような機械的特性に優れていて、従来の溶解法では製造できなかった組成を有するチタン合金および、その合金を安価に製造できるチタン合金の製造方法に関する。
 チタン合金は、航空機用のみならず、民生用の市場にも適用範囲が拡大して、年々その需要が拡大する基調にある。中でも航空機用の合金は、品質や機能に対する要求が高いため、コストに対するプライオリティーはその次の課題になっている場合が多い。
 しかしながら、合金製造工程の省力化や歩留まり向上という観点からの改善をすることでチタン合金の製造コスト削減を実現することは、軽量なチタン合金使用量の増加、すなわち、機械設備運転のエネルギー負荷軽減に繋がるものであり、社会的要請に沿うものと考えられる。
 特に、航空機用のチタン合金の中でも、Ti−6Al−4V合金(以降、64合金と呼ぶ場合がある。)は、機械的特性にすぐれているため古くから使用されてきている。しかしながら、前記64合金は加工性が悪いために、形状の複雑な部位には適用しづらいという課題がある。
 このような状況においては、64合金の有する加工性を改良すべく、Ti−4.5Al−3V−2Fe−2Mo合金(所謂SP700)が開発された。また、64合金の伸びを維持したまま、強度をさらに強くしたTi−10V−2Fe−3Al(所謂10−2−3合金)やTi−15V−3Cr−3Al−3Sn(所謂15−3−3−3合金)等が開発された。しかしながら、SP700、10−2−3、15−3−3−3のいずれの合金もインゴット製造時に、バナジウムや鉄が偏析し易く、更なる改良が求められている。
 このような中、SP700や10−2−3、15−3−3−3の添加元素の効果を同等以上に維持しながら、インゴット製造時に添加元素の偏析を防止することを目的として、新組成の合金が開発された。Ti−5V−5Mo−3Cr合金(所謂5−5−5−3合金)、Ti−5Al−2Fe−3Mo(所謂TiX−523合金)、Ti−5Al−4V−0.6Mo−0.4Fe合金(所謂Timetal54M合金)等がそれに該当する。これらの新組成合金は、偏析しやすい元素である、鉄、バナジウムの含有量を減らし、その代わりにモリブデンやクロムを含有させ、合金全体としては合金元素添加の効果を同等以上に維持するのが狙いと考えられる。これらの新合金の開発により、偏析の問題は緩和されてはいるが、これらの新組成合金であっても、インゴット製造時の合金元素の偏析は避けられない問題である。
 インゴット製造時の添加元素の偏析を防止する目的で、金属粉末を原料として64合金を粉末冶金の手法で製造する技術も知られている。粉末冶金の手法で製造する場合は、純チタン粉末と合金元素粉末を混合した混合粉末、または、純チタン粉末と添加元素の母合金粉末を混合した混合粉末を出発原料として用いることが一般的のようである(例えば、特許文献1および非特許文献1参照)。
特開平5−009630号公報
斎藤、古田:豊田中央研究所R&Dレビュー、Vol.29(1994)、(3)、PP49−60
 これらの手法は素粉末混合法と呼ばれ技術的には確立している手法である。しかしながら、素粉末混合法では、高品質の焼結材料を得ることはできるが、コストのハードルが高く、実用化されているのは限定的である。
 素粉末混合法がコスト高になるのは、使用する純チタン材が高価なことに起因するチタン粉のコスト高、母合金粉末のコスト高が原因であり、更なる改善が求められている。また、素粉末混合法で製造されるチタン合金は、HIPと呼ばれる方法で緻密化される場合が多いが、このような方法もコストが嵩み、より安価に製造しうる方法が望まれている。このように64合金のようなチタン合金を安価に製造する方法が望まれている。
 本発明は、前記したようなチタン合金の中でも、鉄を含有するチタン合金であって、従来法では実現することができない組成の鉄を偏析なく含有させ、強度および硬度の大きい鉄含有チタン合金を提供するものである。また、あわせてそのチタン合金を従来の方法に比べて安価に製造する方法を提供するものである。
 かかる実情に鑑みて種々検討してきたところ、溶解法ではなく粉末冶金法によってチタン合金を製造すること、素粉末混合法ではなく、チタン合金粉末を用いることで、チタン合金焼結体を安価に製造できることを見出した。
 この原料のチタン合金粉末を製造するためには、チタン合金スクラップを原料として用い、HDH法でチタン合金粉末とすることができる。粉末冶金法の原料として純チタン粉末や合金元素の粉末もしくは、合金元素の母合金粉末を用いることがなく、一般的に安価に入手可能な、チタン合金スクラップを原料とすることができるために、安価な製造が可能となる。
 更に、チタン合金粉に鉄粉を添加した混合粉として、これを押出等の成形加工で焼結することにより、チタン合金粉の焼結と棒材形状への形状成形を同時に行なわせることができ、その結果、従来法では製造できなかった組成の鉄含有チタン合金を鉄の偏析なく、安い製造コストで製造できることを見出した。
 また、前記方法で製造されたチタン合金は、従来の溶解法で製造されたチタン合金と比べて、強度があり、しかも硬質な材料チタン合金であることが確認でき本発明を完成するに至った。
 即ち、本発明に係るα+β型またはβ型チタン合金は、3~15mass%の鉄粉末を含むチタン合金粉末を熱間押出等の成形加工することにより製造されたことを特徴とするものである。なお、本発明においては、前記β型合金には、ニアーβ型合金も含むものとする。
 本発明に係るα+β型またはβ型チタン合金は、前記鉄粉末添加前のチタン合金粉末が、チタン合金材からHDH法で製造されたものであることを好ましい態様とするものである。
 本発明に係るα+β型またはβ型チタン合金の製造に用いるチタン合金粉末は、チタン、アルミニウム、および、バナジウムを含む合金粉であることを好ましい態様とするものである。
 本発明に係るα+β型またはβ型チタン合金は、前記チタン合金中の鉄の濃度を500μmの範囲で平均化した場合、その値が材料の平均値から±20%以内であることを好ましい態様とするものである。
 本発明に係るα+β型チタン合金またはβ型チタン合金の製造方法は、3~15mass%の鉄粉末と残部のチタン合金粉末を混合し、熱間押出の成形加工を行うことを特徴とするものである。
 本発明に係るチタン合金のα+β型チタン合金またはβ型製造方法は、前記熱間押出等の成形加工温度が、(β変態点−100℃)~(β変態点+100℃)の範囲であることを好ましい態様とするものである。
 本発明に係る方法で製造されたチタン合金は、従来法では製造できなかった組成の鉄含有チタン合金であって、鉄の偏析がなく、更には従来に比べて強さおよび硬さの点で優れているのみならず、安価に製造することができ、その結果、高強度機械部品、医療用材料、航空機材料の分野に好適に使用することができるという効果を奏するものである。
本発明に係るα+β型チタン合金またはβ型チタン合金の製造方法を示すフローチャートである。 実施例におけるTiの元素分布を示すEPMA画像である。 実施例におけるAlの元素分布を示すEPMA画像である。 実施例におけるVの元素分布を示すEPMA画像である。 実施例におけるFeの元素分布を示すEPMA画像である。
 本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
 本発明に係るα+β型またはβ型チタン合金は、3~15mass%の鉄粉末を含むチタン合金粉末を熱間押出しすることにより製造されたことを特徴とするものである。
 本発明においては、3~15mass%の鉄粉末を含むチタン合金粉末とは、鉄を合金元素として含まないチタン合金粉末の場合は、チタン合金粉末に別途準備した鉄粉末を3~15mass%添加した複合粉を意味する。鉄を合金元素として含んでいるチタン合金粉末の場合は、元々含んでいる鉄成分との合計が3~15mass%の範囲となるように、チタン合金粉末に別途準備した鉄粉末を添加した複合粉を意味する。
 本発明においては、前記鉄を合金元素として含まないチタン合金粉末としては、チタン、アルミニウム、およびバナジウムを含むチタン合金粉を使用することが好ましい。このような合金粉の好ましい例としては、Ti−6Al−4V合金粉、Ti−3Al−2.5V合金粉等が挙げられる。鉄を合金元素として含んでいるチタン合金粉末としては、Ti−10V−2Fe−3Al合金(所謂10−2−3合金)粉、Ti−5Al−2Fe−3Mo合金(所謂TiX−523合金)粉等が挙げられる。
 本発明においては、前記したチタン合金粉は、前記のチタン合金スクラップを原料とし、これをHDH法により製造することを好ましい態様とするものである。
 図1は、本発明に係るチタン合金の製造に係る好ましい態様の工程をフローチャートにて表している。本発明においては、前記チタン合金原料は、チタン合金切粉、チタン合金鍛造片、あるいは、チタン合金棒の端材等の、当初より所望の成分を有する合金スクラップまたはチタン合金インゴットを原料として用いることが好ましい。
 前記した合金スクラップ材を原料として使用することにより、チタン合金粉の製造コストを効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。
 これらのチタン合金スクラップまたはチタン合金インゴット(以降、単に「チタン合金原料」と略称する場合がある。)は、事前に所定の長さ、あるいは、大きさに寸法調整しておくことが好ましい。
 例えば、合金切粉の場合には、100mm以下の長さに、事前に切断しておくことが好ましい。前記のような長さに切断しておくことにより、次工程の水素化工程を効率よく進めることができるという効果を奏するものである。また、鍛造片のようなブロック状の合金スクラップでは、水素化炉に入る程度の大きさであれば、特に事前処理の必要はない。合金原料が、チタン合金インゴットの場合は、切粉にすることが好ましい。
 前記したように調整されたチタン合金原料は、水素雰囲気下での水素化処理工程に供される。水素化処理は、500~650℃の温度域で行なうことが好ましい。合金原料の水素化処理反応は、発熱反応であるため、水素化反応の進行に伴い、加熱炉による昇温操作は不要であり自発的に水素化反応を進めることができるという効果を奏するものである。
 水素化処理されたチタン合金原料(以降、単に「水素化チタン合金」と略称する場合がある。)は、室温まで冷却後、アルゴンガス等の不活性雰囲気で所定の粒度になるまで粉砕・篩別することが好ましい。
 続いて、粉末状に粉砕・篩別された水素化チタン合金粉は、減圧雰囲気に保持された雰囲気中で、高温域まで加熱処理することが好ましい。
 脱水素処理温度は、500℃~800℃の温度域で真空排気しながら行うことが好ましい。脱水素反応は、前記の水素化処理反応と異なり吸熱反応であるために、水素化チタン合金粉からの水素の発生がなくなるまで加熱操作が必要とされる。
 前記操作により本発明に係るチタン合金粉を得ることができる。本発明に係るチタン合金粉は、1~300μmの範囲に整粒しておくことが好ましいとされる。より好ましくは、5~150μmである。粗いと密度が上がりにくい傾向がある。細か過ぎると嵩密度が低くなるとともに、燃えやすくなる、酸素含有量が高くなる、等の不都合が生じる。
 前記脱水素処理が完了して得られたチタン合金粉は、相互に焼結している場合があり、この場合には、解砕処理を行なうことが好ましい。
 本発明においては、また、前記方法で製造されたチタン合金粉に対して、鉄の含有量が3~15mass%となるように鉄粉を配合することを特徴とするものである。
 チタン合金粉に配合する鉄粉の粒度は1~300μmの範囲に整粒したものを用いることが好ましい。より好ましくは1~50μmの範囲の鉄粉を使用することを好ましい態様とするものである。
 なお、より微細な鉄粉末を使用する方が組成の均一なチタン合金粉を製造する上で有利であるため、前記した粒度1~50μmの範囲において、鉄粉末の平均粒度(d50)は、 2~10μmの範囲となるように整粒しておくことが好ましいとされる。
 本発明では、上述の方法で得られた鉄粉末添加チタン合金粉を更に、均一混合した後、熱間押出等の成形加工を行うことを特徴としている。前記のような成形加工することにより、短時間のうちに、焼結と形状成形を同時に進めることができるという効果を奏するものである。
 本発明においては、前記鉄粉末を配合したチタン合金粉は、金属製のカプセルに充填した後、成形加工することが好ましい。
 金属製のカプセルに充填した鉄粉末を配合したチタン合金粉を成形加工することにより得られた焼結材は、従来法では製造できなかった組成の鉄含有チタン合金であって、鉄の偏析がなく、更には強度があり、しかも硬質であるという優れた効果を奏するものである。
 前記した成形加工の温度は、(β変態点−100℃)~(β変態点+100℃)の範囲とすることが好ましい。 前記した範囲にて被加工材を事前に加熱しておくことにより、成形加工操作を円滑に進めることができるという効果を奏するものである。
 前記成形加工温度が、(β変態点−100℃)よりも低温側にある場合には、材料の変形抵抗が大きく、材料を最後まで加工することができず、押出しの場合は、ダイス内に材料が詰まってしまう場合があるので好ましくない。一方、成形加工温度が、(β変態点+100℃)を超える場合には、成形加工材の結晶粒が粗大になる傾向を示して好ましくない。
 よって、本発明に係る成形加工温度は、(β変態点−100℃)~(β変態点+100℃)の範囲とすることが好ましい。
 また、本発明においては、(β変態点−100℃)~(β変態点)の温度域(すなわちα+β領域)にて成形加工を行なう場合においては、成形加工後の組織は、微細化されているために、強度があり硬質であるだけでなく引っ張り強さと伸びとのバランスがよいという都合のよい合金を製造することができるとう効果を奏するものである。
 本発明においては、β点変態点~(β変態点+100℃)の範囲で成形加工することにより、強度があり硬質であるだけでなく高温強度、耐クリープ特性、破壊靱性、疲労亀裂伝播特性が優れているという効果を奏するものである。
 本発明にかかるチタン合金は、従来のインゴット溶解法では製造できなかった3~15mass%という組成の鉄を含有するものであり、チタン合金中の鉄の濃度を500μmの範囲で平均化した場合、材料の公称値に対して±20%以内であることを特徴とするものである。
 前記したような特性を実現するための好ましい成形加工条件を以下に説明する。まずは、目的とする組成のチタン合金粉および鉄粉を準備し、これを所定の鉄含有量になるように混合した後に、混合粉を金属製のカプセルに挿入し、熱間で成形加工する。熱間押出等の成形加工温度は(β変態点−100℃)~(β変態点+100℃)の範囲とする。
 本発明においては、前記カプセルの断面積に対する加工材の断面積の比(以降、単に「加工比」と呼ぶ場合がある)は、1/10~1/30の範囲とすることが好ましい。前記した範囲に加工比を設定することにより、材料の流動の程度が制御され、成形加工材の鍛錬度合いを調整することができ、より好ましい機械的特性を付与するという効果を奏するものである。
 本発明においては、前記の方法で製造されたチタン合金材を被覆しているカプセルは、切削、酸洗により分離することができる。
 前記したような方法でカプセルが分離されたチタン合金材は、再度、真空雰囲気下にて高温に加熱してもよい。
 前記した処理を経たチタン合金材の強度は、格段に優れており、格子欠陥の極めて少ない材料であるため、高強度機械部品のような構造材に好適に使用することができるという効果を奏するものである。
 即ち、本発明による鉄を含むチタン合金材の強度は、従来の鉄を含まないチタン合金材に比べて、10%~50%だけ高い値を示すのみならず、その原料としてチタン合金スクラップを使用しているために、原料コストを安価にでき、その結果、最終製品であるチタン合金材のコストも、従来に比べて、50%~70%削減できるという効果を奏するものである。また、本発明に係るチタン合金材は、硬さにおいても、鉄を添加しない材料に比べて10%~70%だけ高い値を示すという効果を奏するものである。
 本発明に係るチタン合金は、前記したように優れた機械的性質を有しており、その結果、工業用の精密機械部品のみならず、医療用材料にも好適に適用でき、さらには、強度のみならず耐摩性も要求されるような航空機部品についても好適に使用することができるという効果を奏するものである。
 なお、鉄を含む前記チタン合金は、溶解法でも製造することはできるが、偏析が著しく、実用的な合金を製造することは困難である。
 本発明において製造されるチタン合金材は、少なくともアルミニウムとバナジウムを含有していることを好ましい態様とするものであるが、これに、モリブデンや鉄、あるいは、クロム、錫を適宜含んでいてもよい。これらの代表的な合金を以下に列挙しておく。鉄粉末を混合する前のチタン合金粉末がすでに鉄を成分元素として含んでいる場合は、添加前の鉄含有量と、添加後の鉄含有量の合計が3~15mass%となることが好ましい。
Ti−(5.1~5.8)%Al−(3.4~3.9)%V−(3~15)%Fe合金、
Ti−(2.6~3)%Al−(8.7~9.9)%V−(3~15)%Fe合金、
Ti−(2.6~2.9)%Al−(12.8~14.6)%V−(2.6~2.9)%Cr−(2.6~2.9)%Sn−(3~15)%Fe合金、
Ti−(3.9~4.5)%Al−(2.6~3)%V−(1.7~2)%Mo−(3~15)%Fe合金、
Ti−(4.3~4.9)%Al−(2.6~3)%Mo−(3~15)%Fe合金、
Ti−(4.3~4.9)%Al−(3.4~3.9)%V−(0.5~0.6)%Mo−(3~15)%Fe合金、
Ti−(4.3~4.9)%Al−(4.3~4.9)%V−(2.6~2.9)%Cr−(4.3~4.9)%Mo−(3~15)%Fe合金、
 上記は本発明の適用例であり、本発明で製造しうる合金は、これらに限定されるものではなく、鉄含有量が3~15mass%の条件を満たす種々のチタン合金に適用することができる。
 以上述べたように、本発明により、従来法では製造できなかった組成の鉄含有チタン合金であって、鉄の偏析がなく、更には強度があり、しかも硬質であるチタン合金を効率よく従来法より安価に製造することができるという効果を奏するものである。
 以下、実施例および比較例にて、本発明をより詳細かつ具体的に説明する。
 次に示す条件にて、実施例および比較例に係るデータを採取した。
1.原料
1)64合金粉末
 製法:64合金スクラップをHDH法で製造した後、粉砕整粒
 平均粒径(d50):32μm
2)鉄粉末
 製法:カルボニル鉄粉 BASF社製、CFグレード
 平均粒径(d50):4μm
3)チタン合金粉に対する鉄粉配合比
 3%~15mass%
4)混合
 前記64合金粉末および鉄粉末は、市販の混合機を用いて均一化した。
2.予備試験
 成形加工条件を決定するために、64合金粉末に鉄粉末を0%、5%、10%、15%添加してサンプルを作り、β変態点とβ変態点近傍の温度における変形抵抗を求めた。β変態点は、試験片をアルゴンガス雰囲気中で昇温加熱しながら四端子法で電気抵抗を測定し、電気抵抗変化の無くなる温度を変態点とした。装置は電気抵抗測定装置ARC−TER−1型を用いた。
 次に、成形加工温度の候補と思われる温度での上記合金の変形抵抗を求めた。測定は熱間加工再現装置(サーメックマスター)を用いての圧縮試験でおこなった。β変態点測定結果とともに表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 この結果より、0%Fe合金、5%Fe合金、10%Fe合金および15%Fe合金は、いずれも変形抵抗が非常に大きいことが分かった。
3.成形加工
 64合金粉末に鉄粉末を0%、5%混合した複合粉を軟鋼カプセルに充填し、真空封入した。この粉末封入カプセルを山陽特殊製鋼株式会社所有の押出し装置にて成型加工を行った。この時の加熱時間は2Hr、各鉄含有量の加熱温度は表2に記載の温度とした。それぞれの鉄含有量合金の加熱温度と、その温度のβ変態点からの温度差も表2に記した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
4.成形加工材の処理
 熱間成形加工により生成したチタン合金材の表面に残留しているカプセルを酸洗により溶解除去した。
5.機械的特性の測定
1)引っ張り強度測定
 測定器メーカー:インストロン社
 測定器型番:引張り試験機 5985型
2)結晶組織観察
 測定器名:EPMA
 測定器メーカー:日本電子
 型番:JXA−8100
3)結晶組織中の鉄の分布
 測定器名:EPMA
 測定器メーカー:日本電子
 型番:JXA−8100
[実施例1/比較例1](鉄粉添加の有無の効果の差異)
 64合金粉末に、鉄粉末を添加した場合と、添加しない場合における機械的特性を調査した。表3に示すように、鉄粉末を添加した方が、降伏強さ、引張り強さ、硬さに優れていることが確認された。鉄添加合金は伸びが少ない結果となったが、これは、成形加工温度がβ温度域であることが影響している、と考えられた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
[実施例2](製造されたチタン材の鉄濃度分布)
 実施例1において、熱間成形加工により製造されたチタン材の結晶組織中の成分濃度をEPMAにて調べた。Ti、Al、V、FeについてそれぞれのX線像を求めた。その結果を以下に示す。ここで示している数字はEPMAのカウント数であり、それぞれの元素によって感度が違うので、カウント数を濃度に換算するために、平均カウント数を各元素の公称濃度として、表4に示すように濃度補正係数を求めた。この補正係数をもとに、濃度別の存在割合を表5のように求めた。それぞれの元素の最低濃度と最高濃度は以下の通りであった。
Ti(平均濃度85.5%)は、最低濃度78.4%、最高濃度93.3%
Al(平均濃度5.7%)は、最低濃度3.7%、最高濃度8.4%
V(平均濃度3.8%)は、最低濃度2.5%、最高濃度5.1%
Fe(平均濃度5.0%)は、最低濃度0.4%~最高濃度9.0%
Fe濃度をミクロ的にみると材料の公称値から大きく離れた組成の領域もあるが、500μmの長さに渡っての平均値は、500μmをどのように設定しても平均濃度5%に対して±20%の範囲内である。即ちマクロの偏析はない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
[実施例3](コストの差異)
 従来の方法を100とした場合、同じ機能特性を有するチタン合金材を本発明で製造した場合に、30~50となり、優れた経済効果を示すことが確認された。
 本発明は、粉末法によるチタン合金およびその製法に係り、従来法では製造できなかった組成の鉄含有チタン合金であって、鉄の偏析がなく、更には強度があり、しかも硬質であるのみならず、コストの点でも従来に比べて安価に製造することができる。

Claims (6)

  1.  3~15mass%の鉄粉末を含むチタン合金粉末を熱間押出の成形加工することにより製造されたことを特徴とするα+β型またはβ型チタン合金。
  2.  前記鉄粉末添加前のチタン合金粉末が、チタン合金材からHDH法で製造されたものであることを特徴とする請求項1に記載のα+β型またはβ型チタン合金。
  3.  前記チタン合金粉末が、チタン、アルミニウム、および、バナジウムを含む合金粉であることを特徴とする請求項1に記載のα+β型またはβ型チタン合金。
  4.  前記α+β型またはβ型チタン合金中の鉄の濃度を500μmの範囲で平均化した場合、その値が材料の平均値から±20%以内であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のα+β型またはβ型チタン合金。
  5.  3~15mass%の鉄粉末と残部のチタン合金粉末を混合し、熱間押出の成形加工を行うことを特徴とするα+β型チタン合金またはβ型チタン合金の製造方法。
  6.  前記熱間押出等の成形加工温度が、(β変態点−100℃)~(β変態点+100℃)の範囲であることを特徴とする請求項5に記載のα+β型チタン合金またはβ型チタン合金の製造方法。
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