JP4157891B2 - 耐高温酸化性に優れたチタン合金およびエンジン排気管 - Google Patents
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Description
本発明のチタン合金は、800℃を越える、より高温の耐高温酸化性(以下、単に耐高温酸化性とも言う)に優れさせるために、Siを0.15〜2質量%含むとともに、Alを0.30質量%未満に規制し、残部チタンおよび不可避的不純物からなる。
Siは、耐高温酸化性の向上に必須の元素である。また、Siは高温強度も向上させる。このためには、Siを0.15質量%以上含有させることが必要である。一方、Si含有量が2質量%を越えると、成形性の劣化が著しく、チタン合金の排気管への成形加工が困難となる。
Alは、SiやNb、Mo、Crと同様に耐高温酸化性を向上させる元素である。しかし、Alの場合、チタン合金の使用温度が800℃を超えると、酸化スケールの剥離を起こしやすくする作用が発現し、この剥離により基材への酸素の拡散進入が抑制されず、この結果耐酸化性の劣化につながる。したがい本発明では、Alを上記弊害を及ぼさない範囲である0.30質量%未満に積極的に規制する。このAl含有量が0.30質量%以上に多いと、酸化スケールの剥離による耐高温酸化性の低下が必然的に生じ、800℃を越える、より高温の850℃程度の耐高温酸化性が達成できない。
Nb、Mo、Crは、800℃を越える、より高温の850℃程度の耐高温酸化性向上に有効であり、Siと複合添加(共存)することで相乗効果が期待できる。このため、本発明チタン合金は、更に、Nb、Mo、Crの内から選択される1種または2種以上を、前記SiまたはSiとAlとの合計含有量で2質量%以下含んでも良い。これらの元素の、Siとの合計量、または、Alを実質量( 0.30質量%以上) 含む場合にはSiとAlとの合計量、が2質量%を超えると、成形性が劣化し、排気管への成形加工が困難となる。したがって、これらの元素の、Siとの合計量、または、Alを実質量( 0.30質量%以上) 含む場合にはSiとAlとの合計量を2質量%以下とする。
なお、チタン合金には、一般的に、溶解原料や溶解工程において、酸素、鉄が主な不純物元素として含まれる。これら酸素、鉄は、排気管形状へのチタン合金の成形性を低下させる。したがって、含むとしても、酸素、鉄の含有量は、合計で0.20質量%以下であることが好ましい。
本発明のチタン合金を、更に、800℃を越える、より高温の850℃程度の耐高温酸化性に優れさせるためには、以上説明した成分組成の他に、本発明のチタン合金組織を以下に説明する好ましい態様とする。即ち、チタン合金最表面のSiの平均濃度を高める、チタン合金組織の平均結晶粒径を大きくする、針状組織とする、の内から1種または2種以上選択されるチタン合金組織とする。これらの組織を上記成分組成と適宜組み合わせて用いることで、相乗効果も期待できる。
チタン合金最表面にSiを濃化させ、Siの平均濃度を高めるほど、耐高温酸化性に優れる。このため、本発明チタン合金組織では、更に耐高温酸化性に優れさせるために、チタン合金最表面のSiの平均濃度が0.5at%以上であることが好ましい。この最表面に濃化しているSiはチタン中に固溶したSiであってもよく、Ti5 Si3 等のTiとSiとの金属間化合物や、Siの酸化物、炭化物等の化合物形で存在してもよい。
常法により製造した場合、本発明チタン合金組織は、通常通り等軸粒となる。この等軸粒組織により、チタン合金の成形性や機械的特性(強度)などの特性が確保される。
一方、この等軸粒組織の場合に、チタン合金の高温酸化性に対しては、その平均結晶粒径が大きく関与する。すなわち平均結晶粒径がある程度大きい方が耐高温酸化性が向上する。具体的には平均結晶粒径が15μm以上でこの効果が現れ、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上でこの効果は顕著になる。一方で、平均結晶粒径が過度に大きくなると、成形時の肌荒れの問題や疲労強度の低下が生じるので、この問題が重要視される用途の場合には、平均結晶粒径の上限は100μm程度となる。
ここで、チタン合金の組織を、その平均結晶粒径を15μm以上とした比較的粗大な等軸結晶粒組織とすれば、前記した通り、Alを0.30質量%未満に規制しなくても良い。即ち、これら比較的粗大な等軸結晶粒組織の作用により、耐高温酸化性が向上する分、Alによる耐高温酸化性低下作用が抑制される。そして、この効果は、チタン合金の前記した平均結晶粒径が大きいほど、大きくなる。
本発明で言う結晶粒径とは、チタン合金の圧延(L) 方向断面の平均結晶粒径である。この結晶粒径は、チタン合金板から採取した試料 (試験片) 断面を0.05〜0.1mm 粗研磨した後、鏡面研磨し、この後エッチングした表面を、100 倍の光学顕微鏡を用いて観察し、前記L 方向にラインインターセプト法で測定する。1 測定ライン長さは0.95mmとし、1 視野当たり各3 本で合計5 視野を観察することにより、全測定ライン長さを0.95×15mmとする。このように、板の先端部と後端部とを除く、チタン合金板中央部の任意の10箇所において測定した各平均結晶粒径を、更に平均化したものを、チタン合金の平均結晶粒径とする。
これら等軸粒により、チタン合金の上記成形性や機械的特性などの特性を多少犠牲にしても差し支えのない用途の場合には、800℃を越える、より高温の耐高温酸化性の更なる向上のために、チタン合金を針状組織にしても良い。
本発明の等軸粒の断面ミクロ組織を図1、2(図面代用写真)に、本発明の針状組織の断面ミクロ組織を図3(図面代用写真)に、各々示す。図1、2はチタン合金の断面ミクロ組織を100倍の光学顕微鏡で、図3は200倍の光学顕微鏡で観察したものである。
ここで、図1の場合、等軸組織を呈しており、平均結晶粒径は15μm以下になっている。図2の場合、図1と同様に等軸組織であるが、後述する低圧下率と高温焼鈍の組合せにより、平均結晶粒径が30μm程度に大きくなっている。図3の場合、後述するβ変態点以上に加熱してから冷却を行ったため、針状組織となっている。
本発明チタン合金の製造方法は、上記製造方法の好ましい態様や、組織作り分けの条件はあるものの、その工程自体は、鋳塊溶製、熱間鍛造、熱延、焼鈍、冷間圧延、焼鈍あるいは熱処理等からなる常法により製造できる。そして、耐高温酸化性を向上させるための好ましい組織などの作り分けは、前記した通り、冷間圧延、焼鈍あるいは熱処理条件を変えて行なう。
以上のようにして得られた本発明チタン合金は、850℃程度の耐高温酸化性に優れているため、表面処理無しで用いられて良い。ただ、このように表面処理無しの裸だけではなく、種々の表面処理を施して用いられても良い。
各表1、2に記載したチタン合金の内、試験片の平均結晶粒径が10μm以下(表1、2に<10と記載)の例は、チタン合金の冷間圧延の圧下率を、常法の範囲内の概ね40%とした。その後800℃、均熱時間6分の真空焼鈍を行った。
また、針状組織を得た例は、冷間圧延の圧下率は常法の範囲内の概ね40%とし、この冷延板を、チタン合金のβ変態点を超える950℃で均熱時間6分間の真空加熱した。このようにして得られた供試材から採取した試験片全体の組織が針状組織であった。
チタン合金最表面のSiの平均濃度が0.5at%以上である、最表面Siの濃化例は、概ね圧下率が40%の冷間圧延後、真空焼鈍に代えて、850℃で6分間大気焼鈍した後、チタン合金最表面に酸素や炭素等の表面汚染層を数μm の深さまで存在させないように、600℃の溶融ソルト(NaNO3 55質量% 、NaOH35質量% 、残KCl 、NaCl等を含有)に1分間浸漬した後、HF 1質量% 、HNO3 20 質量% 、60℃の水溶液に浸漬して、板厚で片面50μm 酸洗除去した後、直ちに水流により十分に撹拌された流水中に2 分浸漬し、次いで撹拌された80℃の水に3 分間浸漬し湯洗を実施して供試材とした。
耐高温酸化性は、高温酸化試験により評価した。即ち、これらの試験片を、800℃を越える、より高温の850℃で100時間の高温大気中に曝した場合の、高温酸化試験前後における試験片の重量増加(酸化増量:mg/cm2 )を測定した。そして、重量増加が少ないものほど、耐高温酸化性に優れると評価した。なお、酸化スケールの剥離が認められた試料については、剥離した酸化スケールの重量も本重量測定に加味した。表1、2にこれらの結果を示す。
発明例1〜11は、平均結晶粒径が10μm未満の微細等軸粒である組織を前提に、成分組成要件を範囲内でふっている。この発明例の中でも、単独でSiのみを、その下限0.15質量%に近く含有させた発明例3は、Si含有量がより高い他の発明例4、5に比して各々850℃における耐高温酸化性が、相対的に劣る。したがって、Si単独の850℃における耐高温酸化性向上効果が裏付けられる。発明例5はSi含有量が上限2質量%に近く、ビッカース硬度が230ポイントであり、他の発明例に比して50〜80ポイント程度増加していた。このため、チタン合金の排気管への成形加工が困難であると予想される。
発明例12〜26は、等軸粒である組織を前提に、平均結晶粒径と最表面Siの平均濃度をふっている。発明例12〜14同士、発明例15、16同士、発明例17、18同士、発明例22〜24同士の各比較において、平均結晶粒径が15μm以上であって、平均結晶粒径が大きい例ほど、各々850℃における高温の耐高温酸化性が、相対的に優れる。したがって、結晶粒径の粗大化による、より高温の耐高温酸化性向上効果が裏付けられる。
表2の発明例27〜35は、針状組織を前提に、成分や最表面Siの平均濃度をふっている。
表2の36〜46は比較例であり、上記した発明例に比して、850℃における耐高温酸化性が著しく劣る。
次ぎに、これら表1、2から選択した本発明チタン合金に対して、Alを含有する有機金属化合物塗装皮膜を設けた本発明態様につき、この塗装皮膜の耐高温酸化性を評価した。この結果を表3に示す。
Claims (9)
- Siを0.15〜2質量%含むとともに、Alを0.05質量%以上含み、0.30質量%未満に規制し、残部チタンおよび不可避的不純物からなる、用途がエンジン排気管である耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 前記チタン合金が有する等軸結晶粒組織の平均結晶粒径が15μm以上である請求項1に記載の耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 前記チタン合金が針状組織を有する請求項1に記載の耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- Siを0.15〜2質量%含み、AlをSiとの合計含有量で2質量%以下含み、残部チタンおよび不可避的不純物からなるチタン合金であって、等軸結晶粒組織を有し、その平均結晶粒径が15μm以上である、用途がエンジン排気管である耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- Siを0.15〜2質量%含み、AlをSiとの合計含有量で2質量%以下含み、残部チタンおよび不可避的不純物からなるチタン合金であって、このチタン合金が針状組織を有する、用途がエンジン排気管である耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 前記チタン合金が、更に、Nb、Mo、Crの内から選択される1種または2種以上を、前記Siとの合計含有量またはSiおよびAlとの合計含有量で2質量%以下含む請求項1乃至5のいずれか1項に記載の耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 前記チタン合金最表面のSiの平均濃度が0.5at%以上である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 前記チタン合金が、その表面に、乾燥後の平均塗膜厚みが10〜100μmであり、乾燥後の塗膜中のAl含有量が30〜90質量%である、有機金属化合物塗装皮膜を有する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の耐高温酸化性に優れたチタン合金。
- 請求項1乃至8のいずれか1項のチタン合金で構成されたエンジン排気管。
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