JP4492959B2 - 耐熱チタン合金及びそれによって形成されたエンジンバルブ - Google Patents
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Mo当量=[Mo]+[V]/1.5+1.25[Cr]+2.5[Fe]
但し、[元素]は当該元素の含有量(mass%)を示す。
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、熱間加工性が良好で、高温強度及び高温クリープ特性に優れ、しかも高温における耐スケール剥離性に優れた耐熱チタン合金を提供することを目的とする。
Al:6.0〜8.0%、
Mo:1.0〜3.0%、
Si:0.05〜0.40%、
C:0.08〜0.25%を含み、残部がTi及び不可避不純物からなるものである。
Mo当量=[Mo]+[V]/1.5+1.25[Cr]+2.5[Fe]
但し、[元素]は当該元素の含有量(mass%)を示す。以下同様。
Alは、α安定化元素であり、高温で高い強度とクリープ特性を得るために必須の元素である。6.0%未満ではかかる作用が過小であるので、Al量の下限を6.0%、好ましくは6.5%とする。一方、Alが過多に添加されると、高温で曝露したときに金属間化合物のTi3Al を生成し、材質が脆化する。一般的にチタン合金は下記式で表されるAl当量が9.0%以上になると、高温で曝露したときに脆化を起こすことが知られており、通常、不可避不純物元素として酸素が約0.1%含有されるため、[Al]+1/3[Sn]+1/6[Zr]の値が8.0%以下になるように、Al量の上限を8.0%、好ましくは7.5%とする。
なお、Al当量は当業者にとって周知事項であり、例えば、チタン合金ハンドブック(Rodney Boyer, Gerhard Welsch, E.W.Collings, Materials Properties Handbook Titanium Alloys (1994), P77)に記載されている。
Al当量=[Al]+1/3[Sn]+1/6[Zr]+10[O]
Moは酸化スケールを緻密化する作用を有し、形成されるスケールの密着性が増すため、高温に暴露された後でのスケールの耐剥離性が大きく向上する。1.0%未満ではかかる作用が過小であり、一方3.0%を超えると、β安定型元素であるMoが過多となり、高温強度が却って低下するようになる。このため、Mo量の下限を1.0%、望ましくは1.5%とし、その上限を3.0%、望ましくは2.5%とする。
Siは、酸化スケールを緻密化し、スケールの耐剥離性を向上させる作用を有し、また高温でのクリープ特性を向上させる。0.05%未満ではかかる作用が過小であり、一方0.40%を超えるとTiとSiの金属間化合物が析出し、常温での延性が低下するようになる。このため、本発明ではSi量の下限を0.05%、好ましくは0.10%とし、その上限を0.40%、好ましくは0.30%とする。
チタン合金の最終熱間加工は、加工性を確保するため、等軸結晶粒にすべく、β変態点未満のα−β域で実施する必要があるが、α−β域での加工時、オーバーヒートを起こさず、できるだけ高い温度で加工を行うべく、通常、(変態点−50)℃程度に加熱され、熱間加工が施される。このため、α−β域での熱間加工時の加熱温度はβ変態点によって決まり、β変態点が高い方が熱間加工性が向上する。Cはβ変態点を上昇させる作用を有し、1000℃以上のα−β域での加工を可能にするには、C量を少なくとも0.08%、好ましくは0.10%添加することが必要である。これによって、加工中の割れが大きく低減し、再加熱の回数も少なくすることができ、生産性が向上する。一方、過多に添加すると、TiCが多量に析出して疲労特性が低下するので、C量の上限を0.25%、望ましくは0.20%とする。なお、Nearα合金のTi−8Al−1Mo−1V合金は、その変態点は1040℃であり、通常990℃程度のα−β域に加熱され、熱間加工されるが、この程度の温度でも高温強度が高いため、熱間加工性が非常に悪く、材料温度が少しでも下がるとすぐに割れが発生してしまう。このため、現状では、繰り返して再加熱し、鍛造等の熱間加工を施している。
(1) 基本成分、Nb
(2) 基本成分、V,Cr,Feの内から1種以上
(3) 基本成分、Nb、及びV,Cr,Feの内から1種以上
Nbは高温暴露後の酸化スケールの脱落を抑え、また高温強度と高温でのクリープ特性を向上させる作用を有することが見出された。このような作用を有する理由は定かではないが、Nbを添加することで表面に生成した酸化スケール中の酸素の拡散が抑えられ、その結果、スケールの成長が抑えられるためスケールの剥離が抑制され、また母材への酸素の拡散も抑えられるのでクリープ転位が入りにくくなり、クリープ特性が向上するものと推察される。このような作用を有効に発現させるには、0.1%以上の添加が好ましい。一方、Nbは非常に高価な元素であるため、Nb量の上限を0.4%、望ましくは0.3%とする。
V、Cr、Feはβ安定化元素であり、高温強度およびβ変態点を低下させるが、熱間加工性が向上し、熱間加工時の割れが低減するため、歩留りを向上させることができる。高い高温強度と変態点をある程度維持しつつ、熱間加工性を向上させる適切なβ安定化元素の添加量を検討した結果、Mo当量が4.0%超では、高温での強度及び変態点が著しく低下することが知見された。このため、上記元素をMo当量で4.0%以下、好ましくは3.5%以下、より好ましくは3.25%以下添加する。これにより、高温強度とより良好な熱間加工性とを両立させることができる。
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
(1) 高温引張強さ:800℃において高温引張試験を行い、同温度での引張強度を測定した。
(2) クリープ試験:温度:760℃、応力:28MPa、時間:100hrの条件で実施し、クリープ伸びを測定した。
(3) スケール剥離性:試料表面を鏡面研磨した後、750℃で50hrおよび100hr大気焼鈍を施し、表面スケールの剥離の有無を目視観察し、100hrの焼鈍でも剥離のないものを優(表中「◎」で表示)、100hrの焼鈍では一部剥離したが、50hrの焼鈍では剥離がなかったものを良(表中「○」で表示)、50hrの焼鈍で剥離が生じたものを不可(表中「×」で表示)と評価した。
また、疲労特性については、C添加量が発明範囲内の0.11%、0.15%の試料No. 32,33(発明例)では、回転数が1.0×107 回以上では試験片が破断せず、非常に良好な疲労特性を示した。また、C添加量が0.23%の試料No. 34(発明例)でも破断までの回転数が7.8×106 回であり、良好な疲労特性を示した。一方、C添加量が0.30%の試料No. 35(比較例)は回転数7.6×104 回で破断し、疲労特性が急激に劣化した。
Claims (4)
- mass%で、
Al:6.0〜8.0%、
Mo:1.0〜3.0%、
Si:0.05〜0.40%、
C:0.08〜0.25%
を含み、残部がTi及び不可避不純物からなる耐熱チタン合金。 - さらに、Nb:0.40%以下を含む、請求項1に記載した耐熱チタン合金。
- さらに、V,Cr,Feの1種以上の元素を下記Mo当量が4.0%以下の範囲で含む、請求項1又は2に記載した耐熱チタン合金。
Mo当量=[Mo]+[V]/1.5+1.25[Cr]+2.5[Fe]
但し、[元素]は当該元素の含有量(mass%)を示す。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載したチタン合金によって形成された、エンジンバルブ。
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