JP2007239030A - 高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】二級品スポンジチタンやチタン合金全体の８０％を占めるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを原料として用いることができ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の高比強度を有する軽量の高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】質量％で、Ａｌ：７．１〜１０％、Ｆｅ：０．１〜３．０％、Ｃ：０．５％以下、Ｏ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．５％以下を含み、必要に応じてＶ：０．０１〜２．０％、を含み、更に、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種又は二種以上を含み、その群の総量が、質量％で、１％以下であることを満たし、かつ、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる高比強度α＋β型チタン合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法に関する。

チタン合金は、鉄等に比べると比重が軽く、比強度（＝強度／比重）が高く、耐食性及び耐熱性も優れている。そのため、チタン合金は、化学プラント、海水利用分野、民生品分野（スポーツ（ゴルフクラブヘッド）、建材、医療、装身具）、航空機分野等に使用されている。

このチタン合金は、α型チタン合金、α＋β型チタン合金、β型チタン合金に分類され、多くの合金種類が存在する。そのうち、代表的なものは、全チタン合金全体の約８０％を占めるα＋β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。
しかしながら、α＋β型チタン合金の比重（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖで４．４５）は、鉄の比重（７．８７）等に比べると比重が軽くても、マグネシウム合金（ＡＺ９１合金で１．８２）やアルミニウム合金（Ａ２０２４で３．０１）に比べると比重が大きいという問題があった。

また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、価格が高いため用途が限定されており、強度の点でも充分ではないという欠点があった。そこで、この欠点を改良すべく、特許文献１、２に高比強度及び低廉化を達成するためのチタン合金が開示されている。

特許文献１の高強度Ｔｉ合金は、重量％で、Ａｌ：５．００〜７．００％、Ｖ：１．００〜３．５０％、Ｆｅ：０．４０超え〜１．００％、Ｏ：０．２０〜０．５０％、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有し、Ｖ当量（Ｖ当量＝Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が３．００〜５．５０％であり、残部が実質的にＴｉからなるものである。また、特許文献２の高強度Ｔｉ合金は、質量％で、Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるものである。

特開２００１−１１５２２１ 特開２００４−０１０９６３

しかしながら、特許文献１、２に開示された高強度Ｔｉ合金は、β相の安定化のためにＶやＭｏなどのβ安定化元素を含有させる必要がある。β安定化元素は価格が高く、比重が大きい元素が多い。従って、これらの高強度Ｔｉ合金は、ゴルフヘッドや眼鏡フレーム等の民生品分野や、低燃費化を図る自動車分野に適用するには価格面及び重量面で問題が残っている。

特に、チタンの民生部品の一つであるゴルフヘッドは、反発規制の影響によって今後、高強度材からＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金へ移行することが予想される。そのため、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等の強度ないし比強度を備え、かつ、軽量の材料開発が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の高比強度を有する軽量の高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は、高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法について鋭意研究を行った結果、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の比重を小さくするため、β安定化元素であるＶをＦｅに置換し、比重が軽くα安定化元素であるＡｌを添加することにより、高比強度α＋β型チタン合金の高比強度化及び低廉化を図ることができることを知見した。そして、高比強度α＋β型チタン合金を製造するために、二級品スポンジチタンやチタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）スクラップを原料とすればよいことを知見した。この知見に基づいて、本発明はなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金は、質量％で、Ａｌ：７．１〜１０％、Ｆｅ：０．１〜３．０％、Ｃ：０．５％以下、Ｏ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．５％以下を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
この場合に、前記高比強度α＋β型チタン合金は、更に、質量％で、Ｖ：０．０１〜２．０％を含むことが望ましい。

この場合に、前記高比強度α＋β型チタン合金は、更に、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種又は二種以上を含み、それらの総量が、質量％で、１％以下であることが望ましい。

上記課題を解決するために、本発明に係る前記高比強度α＋β型チタン合金の製造方法は、質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有したスポンジチタン及び／又はチタン合金スクラップを原料とすることができる。

本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金は、β安定化元素である高価なＶをβ安定化元素である安価なＦｅに置換し、α安定化元素である軽量で安価なＡｌの添加量を増加させたものであるため、低廉化及び高比強度化が達成されるという効果がある。
本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金の製造方法によれば、二級品スポンジチタン及び／又はチタン合金スクラップを原料として用いることができるため、低廉化及び高比強度化を達成することができるという効果がある。

以下に、本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金の成分組成を限定する理由について説明する。尚、以下において％とは、明示する場合を除いて質量％を意味する。
Ａｌ：７．１〜１０．０％
Ａｌは、主として、高比強度α＋β型チタン合金のα相に固溶してα相を強化する元素である（α安定化元素）。また、Ａｌは、高比強度α＋β型チタン合金よりも軽量であるため、高比強度を達成しやすい。これらの理由から、本発明においては、Ａｌが添加される。Ａｌの下限を７．１％としたのは、それ以上の添加量にすると従来品に比べて高比強度化の効果が高いからである。一方、Ａｌの上限を１０．０％としたのは、それ以上過剰にＡｌを添加すると、金属間化合物Ｔｉ_３Ａｌを析出し、合金を脆化するからである。

Ｆｅ：０．１〜３．０％
Ｆｅは、β相を安定化し、合金強度を高めることができる元素であり、安価でもある。従って、Ｆｅは、β相安定化、高比強度化及び低廉化を目的として添加される元素である。このＦｅは、高純度のＦｅ源（例えば、電解鉄等）に加えて、Ｆｅを相対的に多量に含む二級品スポンジチタンやステンレス鋼スクラップ等を用いることができる。Ｆｅの下限を０．１％としたのは、添加量がそれよりも少ないと、β相の安定化や高比強度化の効果が少なくなるためである。一方、Ｆｅの上限を３．０％としたのは、添加量がそれより多いと合金硬さが増すからである。

Ｃ：０．５％以下
Ｃは、α相に固溶してα相を強化する元素である（α安定化元素）。Ｃは、任意的に添加される元素である。Ｃを過剰に含有させると、延性を低下させる。そこで、Ｃの上限は、０．５％以下とするとよい。

Ｏ：０．０５〜０．５％
Ｏは、α相に固溶してα相を強化する元素である（α安定化元素）。その効果を得るためには、０．０５％以上が好ましい。一方、Ｏの上限を０．５％としたのは、添加量がそれよりも多いと、延性を低下させるからである。

Ｎ：０．５％以下
Ｎは、α相に固溶してα相を強化する元素である（α安定化元素）。Ｎは、任意的に添加される元素である。Ｎを過剰に含有させると、ＴｉＮのような介在物を作るため、低密度介在物として疲労破壊の起点となる。そこで、Ｎの上限は、０．５％以下とするとよい。

Ｖ：０．０１〜２．０％
Ｖは、β相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善する元素である（β相安定化元素）。Ｖは、任意的に添加される元素である。従って、Ｖを添加する場合には、原料として用いるチタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）のスクラップに含有されているＶを用いることができる。Ｖの下限を０．０１％としたのは、それよりも添加量が少ないとβ相の安定化、熱間成形性、熱処理性の改善効果が少ないからである。一方、Ｖの上限を２．０％としたのは、重量の増加や高価格化を回避するためである。

Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ≦１．０％
Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏは、β相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善する元素である（β安定化元素）。従って、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏを添加する場合には、β相安定化効果、熱間成形性、熱処理性の改善効果を得るために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏのうちの一種又は二種以上を単独又は総量で１．０％以下になるように添加する。これらの元素を添加する場合、成分調整された高純度品を意図的に添加してもよいし、ステンレス鋼スクラップやチタン合金スクラップを使用する場合に元々含有されているものを付随的に添加してもよい。Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏのうちの一種又は二種以上を単独又は総量で１．０％以下としたのは、１．０％を超えると、重量の増加や高価格となるためである。

次に、本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金の製造方法について説明する。本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金の製造方法は、質量％で、Ａｌ：７．１〜１０％、Ｆｅ：０．１〜３．０％、Ｃ：０．５％以下、Ｏ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．５％以下を含み、必要に応じて、更に、Ｖ：０．０１〜２．０％、を含み、更に、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種又は二種以上を含み、その群の総量が、質量％で、１％以下であることを満たし、かつ、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる高比強度α＋β型チタン合金の製造方法において、原料として、質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有したスポンジチタン及び／又はチタン合金スクラップを原料とする方法である。原料として、必要に応じて合金元素、通常のスポンジチタン、ステンレス鋼等の鉄合金スクラップ、チタン合金スクラップの一種又は二種以上を併用することができる。

本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金を製造するために、原料として、Ｆｅを０．１〜２．０％含有するスポンジチタンを用いるのは、Ｆｅが主要な添加元素（Ｆｅ：０．１〜３．０％）であるため、Ｆｅを含むような低品位のスポンジチタンを原料として使用することができるからである。また、Ｆｅがスポンジチタンに分散しているため、合金にする場合に偏析が少なくなる効果を得ることができる。

更に、本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金を製造するために、原料として、チタン合金スクラップ、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを用いると、適量のＶが添加されたチタン合金が得られる。
更に、本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金を製造するために、原料として、ステンレス鋼等の鉄合金スクラップを使用することができる。そのため、製造コストを低減させることができる。また、鉄合金スクラップには、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏが含まれている場合があるため、これらを含む鉄合金スクラップを原料に用いると得られるチタン合金中にこれらが混入することになる。これらの元素は、その含有量が所定の範囲内であれば、特性を劣化させることなく、むしろ、β相の安定化、熱間成形性や熱処理性を改善することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る高比強度α＋β型チタン合金を製造する方法について説明する。尚、この実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。

（試験片の作製）
表１に各実施例及び各比較例をまとめて示す。これらの各実施例及び各比較例について、Ｆｅを０．５８％、Ｏを０．０７％含有する二級品スポンジチタン、Ａｌペレット、酸素含有量調整用ＴｉＯ_２、Ｆｅ含有量調整用電解鉄、Ｆｅを０．０２４％、Ｏを０．０２８％含有する通常のスポンジチタン、ステンレス鋼スクラップ及びチタン合金スクラップ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップ）のうちの一種又は二種以上を準備し、表１に示す各成分組成となるように所定量秤量した。

次に、各実施例及び各比較例について、その所定量秤量した各原料をプラズマスカル炉に投入するとともに、溶解・鋳造を行い、各実施例及び各比較例について、直径１００ｍｍ、質量約６ｋｇのインゴットを溶製した。その各インゴットの成分組成を確認したところ、表１に示したとおりであった。
次に、各インゴットを１０００℃に加熱し、熱間鍛造によって直径２０ｍｍの丸棒を作製した。更に、各丸棒に７５０℃で二時間の熱処理を加えて空冷した。その後、その熱処理後の各丸棒から機械加工によってＡＳＴＭ Ｅ８に規定される３号引張試験片（直径６．２５ｍｍ、標点距離２５ｍｍ）を作製し、得られた各試験片を各実施例及び各比較例についての試験片とした。
（評価試験及び評価）
引張試験は、インストロン型引張試験器を用いてクロスヘッド速度を５×１０^−５ｍ／ｓとして行った。その結果は表１に示す。また、比強度は水浸法で比重を測定し、算出することにより求めた。

実施例１〜６は、引張強さが９００ＭＰａを超えるとともに、比強度も２００を超えたため、良好な結果であった。比較的軽量でα相の強度を高めるＡｌを７．１〜１０．０％含有させるとともに、β相の強度を高めるＦｅを０．１〜３．０％含有させたためである。
比較例１〜２は、比較例１の引張強さが比較的高かったが、比較例２の引張強さが９００ＭＰａを下回り、また、比較例１〜２のいずれも比強度が２００以下であったため不良な結果であった。また、比較例３は、鍛造割れを起こしたため、引張強さ及び比強度の測定ができなかった。特に、比較例３はＡｌを多めに含有させたものであるが、このことから、Ａｌを多めに含有させすぎると却ってよくないことが判った。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係る高比強度α＋β型チタン合金及びその製造方法は、低廉化を実現しつつ、軽量化及び高比強度化を達成するものであるから、民生品分野（スポーツ（ゴルフクラブヘッド）、自動車材料、化学プラント、海水利用分野、建材、医療、装身具）、航空機分野等その他幅広い分野において適用することができる。

Claims (4)

1. 質量％で、Ａｌ：７．１〜１０％、Ｆｅ：０．１〜３．０％、Ｃ：０．５％以下、Ｏ：０．０５〜０．５％、Ｎ：０．５％以下を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる高比強度α＋β型チタン合金。
2. 更に、質量％で、Ｖ：０．０１〜２．０％を含むことを特徴とする請求項１に記載の高比強度α＋β型チタン合金。
3. 更に、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏからなる群から選ばれる少なくとも一種又は二種以上を含み、それらの総量が、質量％で、１％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高比強度α＋β型チタン合金。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載される高比強度α＋β型チタン合金の製造方法において、
   質量％で、Ｆｅ：０．１〜２．０％を含有したスポンジチタン及び／又はチタン合金スクラップを原料とすることを特徴とする高比強度α＋β型チタン合金の製造方法。