JP2005097700A - チタン合金、チタン合金部材、およびチタン合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Snから選ばれる少なくとも1種類の金属元素を5重量%以上、50重量%以下含有し、残部が実質的にTiからなるチタン合金において、所定の断面上でのビッカース硬さの最大偏差ηmaxと平均値Havとの比(ηmax/Hav)が±0.3以下とする。断面でのビッカース硬さのバラツキが小さいことから、チタン合金を伸張したときに伸張が一様に行われ易くなり、線材、棒材等に加工したときの直線性の確保が容易になる。
【選択図】図1
Description
これらの部材には様々なデザインのものがあり、塑性加工容易性、柔軟性が求められている。
なお、チタン合金の表層部と肉厚中央部でのビッカース硬度の差異を60以下とすることで鍛造後の形状の乱れ、特性の不均一を招かないようにする技術が開示されている(特許文献1参照)。
このような偏析は、塑性加工時の加エムラの原因となる。例えば、チタン合金をワイヤー形状に伸線した場合に、うねりを生じ、ワイヤーの直線性が低下する可能性がある。
上記に鑑み、本発明は塑性加工時の直線性の向上を図ったチタン合金、チタン合金部材、およびチタン合金の製造方法を提供することを目的とする。
これら酸素等は侵入型元素であり、これらの濃度とチタン合金の硬さに密接な関係があるからである。これらの濃度の増大に伴い、濃度偏析により硬さのバラツキが拡大して、塑性加工時の直線性が低下し易くなる。
・チタン合金部材の例として、眼鏡フレーム、生体材料、装飾品、電子部材を挙げることができる。
・チタン合金部材が、形状が棒状または線状の部位を有してもよい。棒状または線状の部位ではその直線性が問われる可能性が大きい。この場合、ビッカース硬さのバラツキを判定するための断面は、棒状、線状の長さ方向に対して垂直な断面とすることが好ましい。
A.チタン合金
本発明の実施形態に係るチタン合金は、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Snから選ばれる少なくとも1種類の金属元素を5重量%以上、50重量%以下含有し、残部が実質的にTiからなる。さらに、このチタン合金は、合金を切断したときの断面上でのビッカース硬さのバラツキの最大値が±0.3以下であることが好ましい。
ビッカース硬さのバラツキの最大値を±0.3以下とした理由は、バラツキの範囲がこれを超えると断面上での硬さの相違による塑性変形の不均一性のために直線性が著しく悪化するためである。ビッカース硬さのバラツキの最大値を±0.2以下、さらには±0.1以下とすることがより好ましい。
ビッカース硬さHvのバラツキCiは、以下の式(1)で定義することができる。
Ci=(Hi−Hav)/Hav ……式(1)
ここで、
Hi:測定点(i=1〜n)それぞれでのビッカース硬さHv
Hav:複数の測定点(i=1〜n)のビッカース硬さHvの平均値(Hav=(H1+…+Hn)/n)
(Hav−Hi):平均値Havからの各測定点iのビッカース硬さHvの偏差ηi
である。
Cmax=MAX(Ci)
=ηmax/Hav ……式(2)
ここで、ηmax:最大偏差(偏差ηiの最大値)である。
なお、測定点の個数nは、例えば、17であり、測定箇所は図1に示されるように線材の断面Sの中心、および中心から0.4・r、0.8・rの点A1〜A17とすることができる(r:線材Wの半径)。このときの断面Sは、線材Wの長さ方向(伸線方向)に対して垂直な断面とすることが好ましい。
これらの濃度を限定した理由は、これら酸素、窒素、水素、炭素は、チタン合金の格子間に侵入する侵入型元素であり、これらの濃度とチタン合金の硬さに密接な関係があるからである。即ち、これらの侵入型元素の濃度がこれ以上入ると硬さが大きくなり、塑性加工が困難になる。さらに、濃度の増大に伴い、濃度のムラが生じ、硬さのバラツキが拡大して、塑性加工時の直線性が低下する。
なお、酸素量は4000ppm以下、窒素量は500ppm以下(より好ましくは250ppm以下)、水素量は100ppm以下、炭素量は500ppm以下(より好ましくは200ppm以下)であることが、直線性を向上する上でより好ましい。
直線性が向上されたチタン合金の製造は次のようにして行える。
(1)所定重量に配合された金属粉末をボールミル等により不活性ガス中で混合し、この混合粉末をCIP(冷間等方加工プレス:Cold Isostatic Press)や金型プレス等で加圧、成形する。
(2)成形された粉末を真空中あるいは不活性ガス中で焼結して、合金化する。なお、この焼結工程は合金組成により高融点金属の割合が少なければ省略することも可能である。
(3)焼結体を加熱して均一に溶解して、チタン合金インゴットを作成する。
この溶解には電子ビーム溶解、アーク溶解、コールドクルーシブル溶解(水冷された銅製の坩堝を用い原料を高周波誘導加熱で加熱する)、カルシア溶解(カルシア(CaO)坩堝を用いた溶解)などの坩堝による汚染が少ない溶解方法が適する。
なお、場合によりこの溶解工程を省略することも可能である。
(3)作成されたチタン合金インゴットは、必要に応じて、熱間加工(熱間鍛造、熱間圧延等)で目的の形状に成形される。
A.試料の製法
(1)原料粉末としてそれぞれの平均粒径が150μmのTi粉末、l00μmのNb粉末、100μmのTa粉末を所定の重量比で配合し、不活性ガスで置換したナイロンポットにて16時間ボールミルで混合した。なお、このときの混合比は後に表1で示す。
(2)混合後の原料粉末をCIPにて直径100mmの棒状に成形後、真空度5×10−3Paの真空中にて1000℃で10時間、焼結と合金化を行った。
後に表1で示すように、インゴットの製法として、焼結法、溶解法、コールドクルーシブル法の3通りを採用している。
1)焼結法では、混合後に真空中で焼結した焼結体を溶解することなくそのままインゴットとして用いた。
2)溶解法では、焼結体を電子ビーム溶解炉にて溶解し、直径130mmの棒状のインゴットを得た。
3)コールドクルーシブル法では、焼結体をコールドクルーシブル溶解し、直径130mmの棒状のインゴットを得た。
(4)インゴットを、熱間鍛造、熱間圧延により直径9mmの線材Wに加工した。
(5)加工された線材Wに50kg/cm2の張力をかけたまま600℃、1時間の熱処理を行い、直線性の向上を図った(直線化熱処理)。
作製した試料の不純物量、直線性、ビッカース硬さHのバラツキの最大値を測定する。
(1)不純物量の測定
不純物量は、例えば、ICP法(誘導結合高周波プラズマ分光分析:Inductively Coupled Plasma Spectrometry)で測定できる。なお、測定結果は、後に表2で示す。
(2)直線化熱処理後の試料(線材W)の直線性を測定した。
図2は、直線性測定方法を表す模式図である。
直線距離で間隔L0の点P1,P2を線材Wが通過するときに、線材Wが曲がっていることから点P1とP2を結んだ直線Lと線材Wとで不一致が生じる。このとき、直線Lと線材Wの内側面との距離の最大値をL1maxとする。
このとき、線材Wの直線性を次の式(3)の直線度Zによって表す。
Z=L1max/L0×100 …… 式(3)
(3)直線化熱処理後の試料(線材W)のビッカース硬さHvを測定し、式(2)に基づきそのバラツキの最大値を算出した。
以下、試料の作成条件等と測定結果との対応につき説明する。
比較例1、2では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結したものをインゴットとして用いている。
比較例3では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結し、さらに電子ビーム溶解したものをインゴットとして用いている。
比較例4では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結し、さらにコールドクルーシブル溶解したものをインゴットとして用いている。
以上の比較例1〜4では、原料粉末の混合が大気中で行われていることから、次の表2に示すように、実施例1〜6と比べて不純物量が多くなっている。
また、この最大バラツキの大きさには、不純物量との関連性が認められる。即ち、不純物量が5000ppm以下(酸素量4300ppm以下、窒素量300ppm以下、水素量60ppm以下、炭素量300ppm以下)の場合には、ビッカース硬さの最大バラツキが0.1以下(0.06)となっている。これに対して、不純物量が6000ppm以上(酸素量4500ppm以上、窒素量850ppm以上、水素量90ppm以上、炭素量330ppm以上)の場合には、ビッカース硬さの最大バラツキが0.2以上となっている。
以上のように、不純物量が多くなるとビッカース硬さの最大バラツキが大きくなり、その結果、直線性の低下を招くことが判る。
Claims (6)
- Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Snから選ばれる少なくとも1種類の金属元素を5重量%以上、50重量%以下含有し、残部が実質的にTiからなり、
所定の断面上でのビッカース硬さの最大偏差ηmaxと平均値Havとの比(ηmax/Hav)が±0.3以下であることを特徴とするチタン合金。 - 酸素含有量が5000ppm以下、窒素含有量が800ppm以下、水素含有量が200ppm以下、炭素含有量が800ppm以下である
ことを特徴とする請求項1記載のチタン合金。 - 請求項1に記載のチタン合金からなることを特徴とするチタン合金部材。
- 前記チタン合金部材が、棒状または線状の部位を有することを特徴とする請求項3記載のチタン合金部材。
- 前記チタン合金部材が、眼鏡フレーム、生体材料、装飾品、電子部材のいずれかであることを特徴とする請求項3記載のチタン合金部材。
- Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Snから選ばれる少なくとも1種類の金属元素を5重量%以上、50重量%以下含有し、残部が実質的にTiからなる混合粉末を作製する工程と、
前記混合粉末を圧縮、成形する工程と、
前記成形された混合粉末に熱処理を施し、第1のチタン合金を作製する工程と、
前記作製されたチタン合金を溶解して、チタン合金溶湯を作製する工程と、
前記作製されたチタン合金溶湯を冷却して、第2のチタン合金を作製する工程と、
を具備することを特徴とするチタン合金の製造方法。
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