JP5218897B2

JP5218897B2 - チタン合金

Info

Publication number: JP5218897B2
Application number: JP2008170979A
Authority: JP
Inventors: 尚志前田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010007165A

Description

本発明は、チタン合金に関する。

チタン合金は、軽量で強度が高いことから、スポーツ用具、医療器具、航空・宇宙関係機器などに広く用いられている。また、加えて高い硬度を有する点から包丁、鋏、バイトなどの刃物にも広く用いられている。このような刃物に用いられる場合、通常、チタン合金を所定形状に加工した後に窒化処理、浸炭処理など表面に窒化チタン、炭化チタンなどのセラミックス層を形成させたり、イオン注入、メッキ処理などの表面処理が施されたりしている。そして、これらの表面処理により、例えば、ニッケルりん合金メッキ処理されたチタン合金は、ビッカース硬度（以下Ｈｖ）で６００〜９００もの表面硬度を有するものとなり、窒化処理されたチタン合金では、Ｈｖ１２００〜１６００もの硬度となる。

しかし、これらの表面処理による方法は、表面処理のための特別な装置を必要とし、工程が煩雑なものとなる。また、セラミックスと金属とは、通常、線膨張係数や弾性率が大きく異なることから、窒化チタンのようなセラミックスをチタン合金の表面に備えたものは、熱や機械的な衝撃に対して剥離が生じやすいものとなる。また、メッキなどの表面処理により形成される高硬度の表面層は、通常、数μｍ程度の厚さにしか形成されていないため摩耗により消失しやすいものとなっている。したがって、このような刃物などにチタン合金が用いられる場合、従来、製品寿命を短いものとするおそれを有している。

このことに対し、チタン合金自体に高い硬度（例えば、刃物などの用途に求められているようなＨｖ５５０以上）を備えるものを用いて、表面層の脱離、消失などにより製品寿命を短いものとするおそれを抑制させることも考え得るが、従来のチタン合金では、このような表面処理後の硬度に比べて、低い硬度のものしか得られていない。
例えば、特許文献１では、チタン合金刃物としてロックウェル硬度４９のβ型チタン合金を用いることが記されている。
ロックウェル硬度とビッカース硬度とは、試験方法が異なることから単純な比較はできないものの、一般にロックウェル硬度４９は、Ｈｖ５００程度であることが知られており、この特許文献１に記載されているチタン合金は、要望される硬度を十分に備えていないといえる。

また、特許文献２には、チタン合金刃物としてＨｖ５２０〜５３０のα＋β型チタン合金を用いることが記されている。この場合も、要望される硬度を十分に満足させるものとはなっていない。
このように、チタン合金単体との高硬度化が行われているが、結果としては、Ｈｖ５３０程度の硬度を限界としており、より高い硬度のものが要望されていることに対し、十分に応えるものとなっていない。

また、チタン合金にチタン合金よりも高い硬度の物質を分散させて全体の高硬度化を図り、表面層の脱離、消失などによる硬度低下を抑制させることも考えられ、特許文献３には、チタン合金中に炭化チタンの粒子を分散形成させることが記載されている。また、そのことにより、Ｈｖ６２０の優れた硬度のものが得られることも記されている。しかし、この特許文献３においては、チタン合金中にセラミックス粒子を分散させるため、セラミックス粒子を均一に分散させなければ組織が不均一なものとなり、割れなどのトラブルが生じやすいものである。そのため、セラミックス粒子を分散させていないものに比べ、固溶状態からの冷却温度などにおいて精細な温度制御が必要である。また、延伸加工性もセラミックス粒子を分散させていないものに比べ低いものとなることから、外形加工時に慎重な取り扱いを必要としている。したがって、セラミックス粒子を分散させたチタン合金を用いた場合は、セラミックス粒子を分散させていないものを用いた場合に比べ製造に多大な手間を必要としている。
以上のように、刃物のごとく長期にわたり優れた硬度とすることが求められる用途において、従来は、多大な手間を必要とせず、長期にわたり優れた硬度を維持させ得るチタン合金を得ることが困難であるという問題を有している。

特開昭６３−２５０４４５号公報特許第３４０３１５０号公報特公平７−６２１９６号公報

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、多大な手間を必要とせず長期にわたり優れた硬度を維持させ得るチタン合金を提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を行った結果、チタン合金に所定範囲のＣｒが含有され、かつ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒを所定の計算式に基づき、所定範囲の量含有されることで従来のチタン合金よりも高硬度なもの、より具体的にはＨｖ５５０以上のものとし得ることを見出し本発明の完成に到ったのである。
すなわち、本発明は、質量％でＣｒ：６〜１６％が含有され、Ａｌ：４％以上１２％未満含有されており、任意添加元素としてＳｎ：６％以下、Ｚｒ：１２％以下を含み、含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が７〜１２％となり、残部がＴｉおよび不純物で、表面のマイクロビッカース硬さが５５０以上であることを特徴とするチタン合金を提供する。
また、本発明は、質量％でＣｒ：６〜１６％が含有され、Ａｌ：４％以上１２％未満含有されており、任意添加元素としてＳｎ：６％以下、Ｚｒ：１２％以下を含み、含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が７〜１２％となり、さらに、Ｖ及びＭｏの内の少なくとも１種が含有され、含有されているＶ及びＭｏの総量が質量％で１０％以下であり残部がＴｉおよび不純物で、表面のマイクロビッカース硬さが５５０以上であることを特徴とするチタン合金を提供する。

本発明によれば、チタン合金自体の硬度をセラミックス成分を形成させることなく高硬度（Ｈｖ５５０以上）のものとし得る。
また、チタン合金中にセラミックス成分を形成させることなく高硬度とし得ることから多大な手間が必要となることを抑制し得る。
さらに、チタン合金自体が高い硬度を備えるため、長期にわたり優れた硬度を維持し得る。

以下に本実施形態のチタン合金に含有される各元素ならびにその量について説明する。
本実施形態のチタン合金には、Ｃｒ：６〜１６％が含有され、Ａｌ：４％以上１２％未満含有されており、Ｓｎ：６％以下およびＺｒ：１２％以下の内の少なくとも一方が含有されており、含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が６〜１２％となり、残部がＴｉおよび不純物からなる。
これら元素からなるチタン合金は、溶体化処理、時効処理などの熱処理を施されることにより高い硬度のチタン合金とすることができる。

Ｃｒが質量％で６〜１６％の範囲とされるのは、Ｃｒが６％未満の場合、固溶強化による高硬度化の効果が得られず、また、β変態点以上の温度から急冷した場合にマルテンサイト相が生成しＨｖ５５０以上の硬度が得られず、Ｃｒが１６％を超える場合は、β相の安定性が過剰となり、時効処理などの熱処理を施してもＨｖ５５０以上の硬度が得られないためである。
なお、チタン合金の軽量性を維持しうる点、偏析の生成を抑制し得る点ならびに熱間加工性の低下を抑制し得る点からＣｒは、８〜１４％の含有量とされるのが好ましい。

Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒは、α相の安定化に作用するものであり、本実施形態のチタン合金に含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が６〜１２％となる範囲でこれらが含有されているのは、該数値が６％未満となる含有量の場合には、固溶強化による高硬度化の効果が得られず、逆に前記数値が１２％を超える含有量となる場合には、Ｔｉ₃Ａｌ金属間化合物の生成による脆化が顕著となり製品形状などへの加工性が悪くなるためである。
なお、固溶強化を促進させつつ、加工性の低下を抑制し得る点において、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が、７〜１１％のいずれかとなるようにＡｌ及び、ＳｎとＺｒとの内の少なくとも一方が含有されていることが好ましい。

また、上記の成分以外に、任意成分としてＶ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕを単独または複数組み合わせて含有させることも可能である。これらの成分が含有されることにより、含有される成分の種類や、量にもよるが、β相の安定化や固溶強化による高硬度化などの効果が得られる。
なお、チタン合金の軽量性を維持しうる点、偏析の生成を抑制し得る点ならびに熱間加工性の低下を抑制し得る点からＶ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕは、総量で１０％未満の含有量とさせるのが好ましい。

また、前記不純物としては、Ｈ、Ｏ、Ｎが挙げられる。

なお、このようなチタン合金は、一般的な、溶体化処理ならびに時効処理を施すことで高硬度なものとすることができる。例えば、１０００℃程度の温度で溶体化処理した後、４００〜５００℃の温度で時効処理を行うことでＨｖ５５０以上のチタン合金を得ることができる。
また、製品の形状を形成した後に、溶体化処理、時効処理を施すのではなく、溶体化処理後に、冷延加工または熱延加工により製品の形状を形成して、時効処理を行うことで時効処理の時間を短縮させて、より生産性の高いものとなる。
特に、溶体化処理後に、冷延加工により製品の形状を形成して、時効処理を行った場合には、時効処理の時間をより短縮させ得ることからさらに優れた生産性を有するものとなる。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実験１：（実施例１〜１０、比較例１〜２）
表１に示す組成比となるよう原料を配合し、非消耗電極式Ａｒアークボタン溶解炉を用いて、重さ約２００ｇの鋳塊を溶製した。
次いで、１０５０℃の温度で１５分間溶体化処理した後、氷水中にて急冷を行い、大きさ約１０ｍｍ厚さ×１５ｍｍ幅×２０ｍｍ長さの試料を作製した。
該急冷した試料を４００℃×２４時間、４００℃×１６８時間、５００℃×４時間の３通りで時効処理を行い、各時効処理後の試料を樹脂埋めして表面研磨し、該研磨された表面の５箇所をマイクロビッカース硬度計（明石製作所社製、型名「ＭＨＫ−１００」）を用いて荷重１ｋｇでの硬度測定を行い、平均値を求めた。結果を表１に示す。

実験２：（実施例１１〜１９、比較例３〜７）
表２に示す組成比となるよう原料を配合し、実験１と同様に、大きさを５ｍｍ厚さ×２５ｍｍ幅×７５ｍｍ長さの試料を作製した。
得られた、試料を、厚さ減少率６０％の冷間圧延を行った後、４００℃×４時間、４００℃×２４時間、４００℃×１６８時間の３通りで時効処理を行い、実験例１と同様に硬度測定を行った。結果を表２に示す。

実験３：（実施例２０〜４８）
表３に示す組成比となるよう原料を配合し、実験１と同様にして得られた、質量２００ｇ、厚さ１０ｍｍの試料を作製し溶体化処理試料１とした。次いで、溶体化処理後試料１を１０５０℃の温度で４ｍｍ厚さ（厚さ減少率６０％）まで熱間圧延し、急冷して熱延試料とした。
また、該熱延後試料を再び１０００℃×３０分間の溶体化処理し溶体化処理試料２とした。次いで、溶体化処理試料２の表面のスケールを除去して３ｍｍ厚さの試料を作製し冷間圧延により０．５ｍｍ厚さ（厚さ減少率８３％）の冷延試料とした。
溶体化処理後試料１、熱延試料、溶体化処理試料２、冷延試料のそれぞれを４００℃×４時間、４００℃×２４時間、４００℃×１６８時間の３通りで時効処理を行い、実験例１と同様に硬度測定を行った。結果を表３に示す。

表１ならびに表２の結果から、本発明によればチタン合金を、従来のチタン合金よりも高硬度（Ｈｖ５５０以上）とし得ることがわかる。
また、表３の結果から、溶体化処理後、時効処理前に冷延加工又は熱延加工を実施することで溶体化処理後に時効処理する場合に比べて、短い時効処理時間で高硬度のものとなり、例えば、これらのチタン合金を用いて製品を製造する場合に、より生産性の高いものとし得ることがわかる。

Claims

質量％でＣｒ：６〜１６％が含有され、Ａｌ：４％以上１２％未満含有されており、任意添加元素としてＳｎ：６％以下、Ｚｒ：１２％以下を含み、含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が７〜１２％となり、残部がＴｉおよび不純物で、表面のマイクロビッカース硬さが５５０以上であることを特徴とするチタン合金。
質量％でＣｒ：６〜１６％が含有され、Ａｌ：４％以上１２％未満含有されており、任意添加元素としてＳｎ：６％以下、Ｚｒ：１２％以下を含み、含有されているＡｌの質量％をＸ_Al、含有されているＳｎの質量％をＸ_Sn、含有されているＺｒの質量％をＸ_Zrとしたときに、Ｘ_Al＋（Ｘ_Sn／３）＋（Ｘ_Zr／６）の値が７〜１２％となり、さらに、Ｖ及びＭｏの内の少なくとも１種が含有され、含有されているＶ及びＭｏの総量が質量％で１０％以下であり残部がＴｉおよび不純物で、表面のマイクロビッカース硬さが５５０以上であることを特徴とするチタン合金。
請求項１又は２に記載のチタン合金を用いた、チタン合金製品の製造方法であって、
溶体化処理後、時効処理前に冷延加工又は熱延加工を実施することを特徴とするチタン合金製品の製造方法。