JP5800330B2 - Titanium alloy material for eyeglass frames - Google Patents
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Description
本件発明は、眼鏡フレーム用チタン合金材に関し、特に主相がβ相である金属結晶組織を備える眼鏡フレーム用チタン合金材に関するものである。 The present invention relates to a titanium alloy material for eyeglass frames, and more particularly to a titanium alloy material for eyeglass frames having a metal crystal structure whose main phase is a β phase.
金属材料からなる眼鏡フレームは、硬質な質感が高級感を醸しだし、ファッション性に優れる等の特徴を有することから幅広い世代に支持されている。そして、金属製眼鏡フレームは、その素材として、繊細な彫りまで可能な特徴を備える銅合金製のものや、軽くて丈夫な特徴を備えるチタン合金製のものが、現在主流となって使われている。ここで、眼鏡フレームは、常時、人が身につけて使用するものであるため、耐食性及び強度に優れた特性を有した素材が求められる。この点においても、チタン及びチタン合金は、強度（硬さ）及び耐食性において他の金属よりも優れた性質を有する。また、チタンは、金属アレルギーを引き起こす等の人体への害が殆どなく、生体適合性にも優れている。 Eyeglass frames made of metallic materials have been supported by a wide range of generations because of their high quality and high fashionability. And as for the metal eyeglass frame, the ones made of copper alloy with features that can be delicately carved and the ones made of titanium alloy with features that are light and durable are mainly used today. Yes. Here, since the spectacle frame is always worn by a person, a material having characteristics excellent in corrosion resistance and strength is required. Also in this respect, titanium and titanium alloys have properties superior to other metals in strength (hardness) and corrosion resistance. Titanium has almost no harm to the human body such as causing metal allergy, and is excellent in biocompatibility.
また、眼鏡フレームは、上述した要求特性に加えて、顔とのフィッティング性が重視されるため、しなやかなバネ性を有することも要求される。なお、従来より、眼鏡フレーム材には、チタン製及びチタン合金製（チタン−ニッケル合金、βチタン合金、ゴムメタル等）が、それぞれの特性と使用用途に合わせて選択されている。ここで、純チタンは、その特徴として、耐食性に優れ、低コストで、良好な加工性を有するものである。また、チタン−ニッケル合金は、その特徴として、耐食性に優れ、優れた超弾性、且つ低ヤング率を有するものである。また、βチタン合金は、その特徴として耐食性に優れ、低ヤング率で、良好な加工性を有するものである。また、「ゴムメタル」と称されるチタン合金は、その特徴として、耐食性に優れ、高強度で、低ヤング率で、良好な加工性を有するものである。このうち、チタン−ニッケル合金は、特に、低ヤング率で、且つ高強度を兼ね備えた特徴を有し、外力によって容易に変形可能であり、外力を除去した場合にはすぐに元の形状に戻る超弾性にも優れる性質を備える。そのため、チタン−ニッケル合金は、眼鏡フレーム用構成部材（例えば、テンプル材等）に好適に用いられている。 In addition to the required characteristics described above, the spectacle frame is required to have a flexible spring property because the fitting property with the face is important. Conventionally, for eyeglass frame materials, titanium and titanium alloys (titanium-nickel alloy, β-titanium alloy, rubber metal, etc.) have been selected according to the respective characteristics and intended use. Here, pure titanium is characterized by excellent corrosion resistance, low cost, and good workability. The titanium-nickel alloy is characterized by excellent corrosion resistance, excellent superelasticity, and low Young's modulus. In addition, the β titanium alloy has excellent corrosion resistance as a feature, a low Young's modulus, and good workability. The titanium alloy called “rubber metal” is characterized by excellent corrosion resistance, high strength, low Young's modulus, and good workability. Of these, the titanium-nickel alloy has a characteristic of having a low Young's modulus and high strength, can be easily deformed by an external force, and immediately returns to its original shape when the external force is removed. It has the property of being super elastic. Therefore, a titanium-nickel alloy is suitably used for a spectacle frame component (for example, a temple material).
例えば、特許文献１（特開２００９−８６５８０号）には、少なくとも一部にチタン−ニッケル合金材料を用いた眼鏡フレームについて開示がされている。具体的には、引用文献１には、その変形調整部位にチタン−ニッケル合金材料に接合された純チタン材料が用いられており、接合部分の引張強度が純チタン材料以上となっていることを特徴とした眼鏡フレームが開示されている。
For example, Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-86580) discloses a spectacle frame using a titanium-nickel alloy material at least in part. Specifically, in the cited
しかし、上述の特許文献１のように眼鏡フレームの構成部材をチタン−ニッケル合金製とした場合、加工性が悪いため、（１）眼鏡部品用の素材を加工までに高温での加工、及び熱処理が何度も必要になるため加工コストが大幅に増大する、（２）プレス加工の際に割れやすいため加工履歴の管理体制を強化しなければならない、（３）複雑な形状への加工が困難である、（４）眼鏡フレームの構成部材である「テンプル」と眼鏡のフロント両端と丁番との接合部分である「智」とを接続するためのろう付けが困難である、（５）人体に有害なニッケルを半量近くも含む、等の問題があった。
However, when the component of the spectacle frame is made of a titanium-nickel alloy as in
上述したように、チタン−ニッケル合金製の眼鏡フレームの場合、加工性が悪いというデメリットを有するため、人の顔形状に合わせた加工が困難となる。眼鏡フレームは、眼鏡の掛け心地を左右する上で重要な部位である。従って、眼鏡フレームを金属製とした場合、その材料は、人の顔形状に合わせて加工が容易な優れた加工特性を備えたものであることも重要である。更に、引用文献１の眼鏡フレーム材に含まれるニッケルは、金属アレルギーを起こす要因となる元素である。ちなみに、金属アレルギーとは、金属が汗や体液等で僅かながら溶け出し、イオン化した金属が身体に入り込み、その後、同じ金属に触れると、拒絶反応を起こして、皮膚の表面がかぶれる等のアレルギー性接触皮膚炎を起こす現象であって、人間が持つ抗体反応の一種である。よって、例え人体の皮膚に直接接しないような構造上の配慮がなされていたとしても眼鏡フレームの素材にニッケルを含ませることはあまり好ましくない。
As described above, in the case of a spectacle frame made of titanium-nickel alloy, there is a demerit that workability is poor, so that it is difficult to process in accordance with a human face shape. The spectacle frame is an important part in determining the wearing comfort of the spectacles. Therefore, when the spectacle frame is made of metal, it is also important that the material has excellent processing characteristics that can be easily processed in accordance with a human face shape. Furthermore, nickel contained in the spectacle frame material of
以上のことから、本件発明は、低ヤング率、且つ高強度であって、更に、生体適合性が高く、ろう付けが容易であり、加工性及びコスト面において優れた眼鏡フレーム用チタン合金材の提供を目的とする。 From the above, the present invention is a titanium alloy material for eyeglass frames that has a low Young's modulus and high strength, is further biocompatible, is easy to braze, and is excellent in workability and cost. For the purpose of provision.
そこで、本発明者等は、鋭意研究を行った結果、低ヤング率、且つ高強度であって、更に、生体適合性が高く、ろう付けが容易であり、加工性及びコスト面において優れた眼鏡フレーム用チタン合金材の組成を見い出すことで、上述した課題を解決するに到った。以下、本件発明に関して説明する。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have a low Young's modulus and a high strength, a high biocompatibility, easy brazing, and excellent workability and cost. By finding the composition of the titanium alloy material for the frame, the inventors have solved the above-mentioned problems. Hereinafter, the present invention will be described.
眼鏡フレーム用チタン合金材： 本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、主相がβ相である金属結晶組織を備える眼鏡フレーム用チタン合金材であって、組成式がＴｉ１００−ａ−ｂ−Ｔａａ−Ｓｎ ｂ で表わされ、ａ、ｂが原子％（ａｔ％）で、１２≦ａ≦２５、１≦ｂ≦７の関係を満足し、３５０℃〜５５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２５０ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１であることを特徴とする。 Titanium alloy material for eyeglass frames: The titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention is a titanium alloy material for eyeglass frames having a metal crystal structure whose main phase is a β phase, and the composition formula is Ti 100-a-b. -ta a - is represented by Sn b, a, b are atomic percent (at%), 12 ≦ a ≦ 25,1 satisfy the relationship ≦ b ≦ 7, 30 minutes to 120 at 350 ° C. to 550 ° C. Vickers hardness after the temper heat treatment was divided retained characterized 250HV0.1~400HV0.1 der Rukoto.
また、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、主相がβ相である金属結晶組織を備える眼鏡フレーム用チタン合金材であって、組成式がＴｉFurther, the titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention is a titanium alloy material for eyeglass frames having a metal crystal structure whose main phase is β phase, and the composition formula is Ti. １００−ａ−ｂ100-ab −Ｔａ-Ta ａa −Ｓｎ-Sn ｂb で表わされ、ａ、ｂが原子％（ａｔ％）で、１２≦ａ≦２５、１≦ｂ≦７の関係を満足し、６５０℃〜８５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２００ＨＶ０．１〜３００ＨＶ０．１であることを特徴とする。In which a and b are atomic% (at%) and satisfy the relationship of 12 ≦ a ≦ 25 and 1 ≦ b ≦ 7, and the hardness is maintained by heat treatment held at 650 ° C. to 850 ° C. for 30 minutes to 120 minutes. The adjusted Vickers hardness is 200HV0.1 to 300HV0.1.
眼鏡フレーム用構成部材： 本件発明に係る眼鏡フレーム用構成部材は、上述の眼鏡フレーム用チタン合金材を用いて製造したことを特徴とする。 Eyeglass Frame Component: The eyeglass frame component according to the present invention is manufactured using the above-described titanium alloy material for eyeglass frames.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、主相がβ相である金属結晶組織を備える眼鏡フレーム用チタン合金材であって、チタン−タンタル系合金材を採用したものである。この結果、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、耐食性に優れ、低ヤング率且つ良好な加工性を有し、線引き加工途中における焼鈍処理が不要になるため、他のチタン合金材に比して低コストで複雑形状への加工が可能となる。 The titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention is a titanium alloy material for eyeglass frames having a metal crystal structure whose main phase is a β phase, and uses a titanium-tantalum-based alloy material. As a result, the titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention is excellent in corrosion resistance, has a low Young's modulus and good workability, and does not require an annealing process in the middle of the drawing process. Thus, processing into a complicated shape is possible at low cost.
また、本件発明のチタン合金材は、冷間加工による線材への加工が可能な加工性を有しているため、低ヤング率と超弾性とを同時に達成出来る。一般的なチタン合金は、８０〜１１０ＧＰａ程度のヤング率を有しているのが通常であるのに対し、本件発明のチタン合金は７０ＧＰａ以下の、人体の骨に近いヤング率を有しているため、人工骨等の医療分野にも適用出来、眼鏡フレームに適用した場合においても、大幅に装着性、及びフィッティング性を改善することが可能となる。 In addition, since the titanium alloy material of the present invention has workability that can be processed into a wire by cold working, low Young's modulus and superelasticity can be achieved at the same time. While a general titanium alloy usually has a Young's modulus of about 80 to 110 GPa, the titanium alloy of the present invention has a Young's modulus of 70 GPa or less, which is close to a human bone. Therefore, it can be applied to the medical field such as artificial bones, and even when applied to a spectacle frame, it is possible to greatly improve the wearability and fitting performance.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材の好ましい実施の形態について以下に説明する。まず、本件発明の「主相がβ相である金属結晶組織」を備えるチタン合金の結晶構造について簡単に説明する。 A preferred embodiment of the titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention will be described below. First, the crystal structure of a titanium alloy having the “metal crystal structure whose main phase is β phase” according to the present invention will be briefly described.
チタン合金は常温での母相の結晶構造により大きく３種類に分類される。すなわち、稠密六方晶（ＨＣＰ）であるα相を主相とするα型チタン合金、体心立方晶（ＢＣＣ）であるβ相を主相とするβ型チタン合金、稠密六方晶（ＨＣＰ）であるα相と体心立方晶（ＢＣＣ）であるβ相とが共存するα＋β型チタン合金の３種類である。ここで、α型チタン合金は、耐熱性、低温特性に優れる特性を備え、α＋β型チタン合金は、高強度、高延性に優れる特性を備え、主相がβ相であるβ型チタン合金は、低ヤング率で超高強度であるという優れた特性を備える。この３種類のうち、主相がβ相であるβ型チタン合金は、ヤング率が低く、強度が高い特性に加え、唯一冷間加工が可能である特徴を有する。従って、主相がβ相であるβ型チタン合金は、この優れた特性及び特徴により、眼鏡フレーム用チタン合金材として好適である。 Titanium alloys are roughly classified into three types according to the crystal structure of the parent phase at room temperature. That is, an α-type titanium alloy whose main phase is an α phase which is a dense hexagonal crystal (HCP), a β-type titanium alloy whose main phase is a β phase which is a body-centered cubic crystal (BCC), and a dense hexagonal crystal (HCP). There are three types of α + β type titanium alloys in which a certain α phase and a β phase which is a body-centered cubic (BCC) coexist. Here, the α-type titanium alloy has characteristics excellent in heat resistance and low-temperature characteristics, the α + β-type titanium alloy has characteristics excellent in high strength and high ductility, and the β-type titanium alloy whose main phase is β phase is It has excellent properties of low Young's modulus and ultra high strength. Of these three types, the β-type titanium alloy whose main phase is the β phase has the characteristics that it can be cold worked only in addition to the low Young's modulus and high strength. Therefore, a β-type titanium alloy whose main phase is a β-phase is suitable as a titanium alloy material for a spectacle frame due to the excellent characteristics and features.
なお、主相がβ相であるβ型チタン合金は、低温時効時（３００℃程度）にヤング率を上昇させる原因となるω相が発生する場合がある。しかし、本件発明の主相がβ相であるβ型チタン合金は、ω相の析出を抑える効果を奏する元素として、スズ、アルミニウム、ホウ素のいずれか一つを微量添加することでω相の発生を効果的に抑制することが出来る。従って、本件発明の主相がβ相であるβ型チタン合金は、マルテンサイト組織を形成させない所謂超弾性材として安定した主相がβ相であるβ型チタン合金である。また、本件発明の主相がβ相であるβ型チタン合金は、超低弾性率化と超高強度化とを両立させた合金であり、加工硬化を伴わずに理論上９９．９％以上の冷間加工が可能な超塑性的性質を備えるものである。参考までに、ニッケル−チタン系合金は、所定の温度以上に加熱されると記憶された形状に戻る形状記憶作用を得るのにマルテンサイト組織の双晶変形を利用するため、マルテンサイト組織の形成が必要不可欠である。 Note that a β-type titanium alloy having a β-phase main phase may generate an ω-phase that causes the Young's modulus to increase during low-temperature aging (about 300 ° C.). However, the β-type titanium alloy whose main phase of the present invention is the β phase is that the ω phase is generated by adding a trace amount of any one of tin, aluminum, and boron as an element that has the effect of suppressing the precipitation of the ω phase. Can be effectively suppressed. Therefore, the β-type titanium alloy in which the main phase of the present invention is the β-phase is a β-type titanium alloy in which the main phase stable as a so-called superelastic material that does not form a martensite structure is the β-phase. In addition, the β-type titanium alloy whose main phase of the present invention is β phase is an alloy that achieves both ultra-low elastic modulus and ultra-high strength, and theoretically 99.9% or more without work hardening. It has superplastic properties that can be cold worked. For reference, since the nickel-titanium alloy uses the twin deformation of the martensite structure to obtain a shape memory action that returns to the memorized shape when heated above a predetermined temperature, the formation of the martensite structure Is indispensable.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、低ヤング率で高強度の眼鏡用材料として生体適合性が高く、ろう付けが容易であり、加工性の良さを確保するため、主相がβ相であるβ型チタン合金に狙いを定め、更にβ相安定化元素の中で生体適合性の高いタンタルに着目してチタン−タンタル系合金材を採用した。また、本件発明の主相がβ相であるβ型チタン合金は、上述したβ型チタン合金特有の、低温（３００℃程度）時効時におけるω相の発生を抑制するためにスズ又はホウ素を微量添加すると共に、α＋β変態点以上の温度に加熱し、その後急冷することで主相がβ相である金属結晶組織を備えるようにした。 The titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention has high biocompatibility as a spectacle material with low Young's modulus and high strength, is easy to braze, and has a main phase of β phase in order to ensure good workability. A β-type titanium alloy was aimed at, and a titanium-tantalum-based alloy material was adopted focusing on tantalum having high biocompatibility among β-phase stabilizing elements. In addition, the β-type titanium alloy whose main phase of the present invention is the β-phase has a small amount of tin or boron in order to suppress the occurrence of the ω-phase during aging at a low temperature (about 300 ° C.), which is peculiar to the β-type titanium alloy described above. While adding, it heated to the temperature more than (alpha) + (beta) transformation point, and it was made to equip with the metal crystal structure whose main phase is (beta) phase by quenching after that.
次に、本件発明に係る本件発明の眼鏡フレーム用チタン合金材の好ましい実施の形態について以下に説明していく。 Next, preferred embodiments of the titanium alloy material for eyeglass frames of the present invention according to the present invention will be described below.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、主相がβ相である金属結晶組織を備える眼鏡フレーム用チタン合金材であって、組成式がＴｉ１００−ａ−ｂ−Ｔａａ−Ｓｎ ｂ で表わされ、ａ、ｂが原子％（ａｔ％）で、１２≦ａ≦２５、１≦ｂ≦７の関係を満足するものである。 The titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention is a titanium alloy material for spectacle frames having a metal crystal structure whose main phase is a β phase, and the composition formula is Ti 100-ab- Ta a - Sn b . A and b are atomic% (at%) and satisfy the relationship of 12 ≦ a ≦ 25 and 1 ≦ b ≦ 7.
上記組成式において、タンタルの含有量が１２．０ａｔ％未満の場合には、主相がβ相である金属結晶組織とするのに十分ではなく、良好な超弾性特性が得られない。また、タンタルの含有量が２５．０ａｔ％を超えた場合には、眼鏡用途におけるチタン合金としての軽量化が図れないため好ましくない。なお、タンタルは、主相がβ相である金属結晶組織にし、ヤング率を低下させることが出来る。また、タンタルは、高融点のため溶け難く、均質な合金溶湯が得られ難いという難点があるが、これら元素を用いることでこの問題もかなり解消されることとなる。 In the above composition formula, when the tantalum content is less than 12.0 at%, it is not sufficient to form a metal crystal structure in which the main phase is a β phase, and good superelastic characteristics cannot be obtained. Further, when the content of tantalum exceeds 25.0 at%, it is not preferable because the weight of titanium alloy in spectacles cannot be reduced. Tantalum has a metal crystal structure in which the main phase is a β phase, and can reduce Young's modulus. Further, tantalum is difficult to melt due to its high melting point, and it is difficult to obtain a homogeneous alloy molten metal. However, the use of these elements significantly solves this problem.
また、上記組成式において、スズは、ω相の発生を抑制する元素である。ここで、スズの含有量が１．０ａｔ％未満の場合には、ω相の発生を抑制する効果を十分に得られないため好ましくない。また、スズの含有量が７．０ａｔ％を超える場合には、ω相の発生を抑制する効果が飽和状態となり経済的ではなく、また、ヤング率を上昇させるα相の析出が多くなるため好ましくない。 In the above composition formula, tin is elemental suppressing generation of ω phase. Here, when the content of tin is less than 1.0 at%, the effect of suppressing the generation of the ω phase cannot be obtained sufficiently, which is not preferable. In addition, when the tin content exceeds 7.0 at%, the effect of suppressing the generation of the ω phase is saturated and is not economical, and the precipitation of the α phase that increases the Young's modulus increases, which is preferable. Absent.
また、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、眼鏡フレーム用チタン合金材は、その硬度調整を、熱処理条件（温度、保持時間）の変更により行うことが出来る。そのため、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金は、質感を維持しながらも所望の硬度に調整することが出来る。従って、眼鏡フレームを構成する部品は、使用される部位によってそれぞれ要求される硬さが異なるものであるが、これら構成部品を所望の硬さにするに際して質感に統一感を持たせることが可能となり、ファッション性を損なうことが無い。 Further, in the titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention, the hardness of the titanium alloy material for spectacle frames can be adjusted by changing the heat treatment conditions (temperature, holding time). Therefore, the titanium alloy for spectacle frames according to the present invention can be adjusted to a desired hardness while maintaining the texture. Therefore, the parts that make up the spectacle frame have different required hardness depending on the parts to be used. However, it is possible to give a sense of unity to the texture when making these components the desired hardness. No loss of fashion.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、３５０℃〜５５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２５０ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１となる。また、６５０℃〜８５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２００ＨＶ０．１〜３００ＨＶ０．１となる。 Spectacle frame for the titanium alloy material according to the present invention, the Vickers hardness after the temper heat treatment of holding 30 to 120 minutes at 350 ° C. to 550 ° C. is that Do and 250HV0.1～400HV0.1. Moreover , the Vickers hardness after adjusting the hardness by heat treatment held at 650 ° C. to 850 ° C. for 30 minutes to 120 minutes becomes 200HV0.1 to 300HV0.1.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金は、３５０℃〜８５０℃の温度範囲内で設定温度を調整することで、そのビッカース硬度を２００ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１の範囲内の任意の硬さに調整することが出来る。上述したように、眼鏡フレームを構成する部材は、用いられる部位によって必要とされる硬度が異なるが、ビッカース硬度で２００ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１の範囲内であれば、眼鏡フレームを構成する全ての部品に用いることが可能となる。 The titanium alloy for eyeglass frames according to the present invention adjusts the Vickers hardness to an arbitrary hardness within the range of 200HV0.1 to 400HV0.1 by adjusting the set temperature within the temperature range of 350 ° C to 850 ° C. I can do it. As described above, the members constituting the spectacle frame have different hardnesses depending on the parts to be used. However, as long as the Vickers hardness is within the range of 200HV0.1 to 400HV0.1, all members constituting the spectacle frame are included. It can be used for parts.
本件発明に係る眼鏡フレーム用構成部材は、上述の眼鏡フレーム用チタン合金材を用いて製造したものである。眼鏡は、その役割に応じていくつかの部位を備えている。例えば、図１に示すように、眼鏡フレーム１は、レンズをはめ込む枠の部分である「リム」２、左右のリムをつなぐ部分である「ブリッジ」３、眼鏡を支持するためのつるの部分である「テンプル」４、鼻に乗せる部分である「パッド」５、眼鏡のフロントとテンプルをつないで開閉する部分である「丁番」６、テンプルの先に付いた耳にかける部分である「モダン」７、眼鏡のフロント側の丁番取り付け部分である「智」８等から主に構成されている。本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材を、これら眼鏡フレーム用構成部材に用いることで、耐久性、加工性、装着性、及びフィッティング性に優れた眼鏡フレームを提供可能である。
The eyeglass frame component according to the present invention is manufactured using the above-described titanium alloy material for eyeglass frames. Glasses have several parts depending on their roles. For example, as shown in FIG. 1, the
以下、本件発明の実施例を示し、本件発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be shown, and the present invention will be described in more detail.
以下に、本件発明の眼鏡フレーム用構成部材に関し、眼鏡フレーム材として重要な機械的特性としてヤング率と引張強度とについて評価するための試験を行い、更に、加工性を評価するためにプレス成形性と、切削性と、ろう付け性とについて試験を行った。 The following is a test for evaluating the Young's modulus and tensile strength as important mechanical characteristics as a spectacle frame material, and press formability for evaluating workability. Tests were conducted on machinability and brazability.
そして、これらの試験を行うにあたり、実施例試料Ａは、タンタルが２３ａｔ％、スズが３ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 In performing these tests, Example Sample A used a material having a composition of 23 at% tantalum, 3 at% tin, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、実施例試料Ｂは、タンタルが１２ａｔ％、スズが１ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 In addition, Example Sample B used a material having a composition of tantalum of 12 at%, tin of 1 at%, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、実施例試料Ｃは、タンタルが１２ａｔ％、スズが７ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Further, Example Sample C was made of a material having a composition of tantalum 12 at%, tin 7 at%, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、実施例試料Ｄは、タンタルが２５ａｔ％、スズが１ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 In addition, Example Sample D was made of a material having a composition of tantalum of 25 at%, tin of 1 at%, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、実施例試料Ｅは、タンタルが２５ａｔ％、スズが７ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Further, Example Sample E used a material having a composition of tantalum of 25 at%, tin of 7 at%, and the balance of titanium and inevitable impurities.
実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、全て本件発明の条件範囲内の組成となるものである。表１には、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅの組成を比較例試料及び参考例試料の組成と対比容易となるよう併せて示す。 Example Sample A to Example Sample E all have compositions within the condition range of the present invention. Table 1 shows the compositions of Example Sample A to Example Sample E together with the compositions of the comparative sample and the reference sample so as to facilitate comparison.
実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、アルゴンアーク溶解により溶製された５０ｇのインゴット（直径６ｍｍ）を冷間鍛造（スウェージング）で直径４．５ｍｍの線材とし、表面の酸化層を酸洗で除去し、加工率（断面減少率）９０％程度で冷間伸線した結果得られる、直径０．５ｍｍの丸線形状のものを用いた。
In Example Sample A to Example Sample E, a 50 g ingot (
ここで、「スウェージング」とは絞り加工のことで、丸線状態の材料を切削するのではなく、叩いて伸ばすことで、太さを変える技術である。スウェージング工程では、金属材に鍛造効果を与え、強度を高めたり、靭性を高めたりすることが出来るため、掛け心地を左右する眼鏡にとって重要な工程である。なお、スウェージング工程は、フレーム素材である金属部品をそれぞれのパーツの形に成型するためのプレス工程の前に、あらかじめＣＮＣスウェージングマシン等の機械を用いてフレーム素材（線材）の太さを変えておくことで、より高精度なプレス成型品を得ることが出来る。 Here, “swaging” is a drawing process, which is a technique of changing the thickness by striking and stretching a material in a round line state, rather than cutting it. In the swaging process, a forging effect is given to a metal material, and strength and toughness can be increased. In the swaging process, the thickness of the frame material (wire material) is preliminarily determined using a machine such as a CNC swaging machine before the pressing process for forming the metal parts, which are frame materials, into the shape of each part. By changing it, a more accurate press-molded product can be obtained.
一般的に、眼鏡フレームの構成品は、形も複雑で太さもそれぞれ異なるため、フレーム素材（線材）をスウェージング工程を行わずにプレス加工した場合、高精度のプレス成型品を得ることが困難となる。特に、眼鏡フレームの構成品である「テンプル」等は、使いやすさを考慮して、細い部分や太い部分が混在するため、あらかじめその形状に合わせて線材の太さを変えておかなければ、高精度で部品を製造することが出来ない。また、フレーム素材が金型の容量より大きいとバリの発生が顕著となる上、金型にも無理が生じて金型の寿命も短くなるため経済的にも好ましくない。 In general, eyeglass frame components are complex in shape and differ in thickness, so it is difficult to obtain high-precision press-molded products when the frame material (wire) is pressed without a swaging process. It becomes. In particular, the “Temple”, which is a component of the spectacle frame, has a thin portion and a thick portion mixed in consideration of ease of use, so if you do not change the thickness of the wire according to its shape in advance, Parts cannot be manufactured with high accuracy. In addition, if the frame material is larger than the capacity of the mold, the occurrence of burrs becomes remarkable, and the mold is unreasonable and the life of the mold is shortened.
以下、本件発明に対する比較例について説明する。 Hereinafter, comparative examples for the present invention will be described.
比較例試料についても、実施例試料と同様、機械的特性を評価するためにヤング率と引張強度とについて試験を行い、更に、加工性を評価するためにプレス成形性と、切削性と、ろう付け性とについて試験を行った。なお、比較例試料は、実施例試料と同じ形状のものを用意するために、実施例試料と同じ線材加工条件を採ったところ、冷間鍛造（スウェージング）の工程が困難であることに加え、試験条件とした９０％程度の加工率で冷間伸線を行った結果、試料に破断が生じた。そこで、比較例試料に関しては、溶製された５０ｇのインゴット（直径６ｍｍ）をまず熱間鍛造し、その後、加工率５０％未満での冷間伸線と、焼鈍処理とを数回繰り返すことで実施例試料と同じ、直径０．５ｍｍの丸線形状を得た。
Similarly to the example sample, the comparative sample was tested for Young's modulus and tensile strength in order to evaluate mechanical properties, and further, press formability, machinability, brazing, and solderability were evaluated in order to evaluate workability. A test was conducted on the wearability. In addition, in order to prepare a comparative example sample having the same shape as the example sample, the same wire rod processing conditions as the example sample were adopted. In addition, the cold forging (swaging) process was difficult. As a result of performing cold wire drawing at a processing rate of about 90% as a test condition, the sample was broken. Therefore, with respect to the comparative sample, a 50 g ingot (
そして、これらの試験を行うにあたり、比較例試料ａは、純チタン（ＪＩＳ２種）の素材を用いた。 And in performing these tests, the comparative example sample a used the raw material of pure titanium (JIS2 types).
また、比較例試料ｂは、ニッケルが５０．９ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Moreover, the comparative example sample b used the raw material provided with the composition of 50.9 at% of nickel and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、比較例試料ｃは、ニッケルが４９．６ａｔ％、コバルトが１．３ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 The comparative sample c was made of a material having a composition of 49.6 at% nickel, 1.3 at% cobalt, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、比較例試料ｄは、タンタルが１１ａｔ％、スズが０．５ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Moreover, the comparative example sample d used the raw material provided with a composition of tantalum 11at%, tin 0.5at%, the remainder titanium and inevitable impurities.
また、比較例試料ｅは、タンタルが１１ａｔ％、スズが８ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 In addition, as a comparative sample e, a material having a composition of 11 at% tantalum, 8 at% tin, and titanium and inevitable impurities in the balance was used.
また、比較例試料ｆは、タンタルが２６ａｔ％、スズが０．５ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Moreover, the comparative example sample f used the raw material provided with a composition of 26 at% of tantalum, 0.5 at% of tin, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、比較例試料ｇは、タンタルが２６ａｔ％、スズが８ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Moreover, the comparative example sample g used the raw material which has a composition of 26 at% of tantalum, 8 at% of tin, and the balance of titanium and inevitable impurities.
そして、表１には、比較例試料ａ〜比較例試料ｇの組成を実施例試料及び参考例試料の組成と併せて示す。 And in Table 1, the composition of the comparative example sample a-comparative example sample g is shown together with the composition of an example sample and a reference example sample.
［参考例］
次に、本件発明に対する参考例について説明する。参考例としての試料についても、機械的特性を評価するためにヤング率と引張強度とについて試験を行い、更に、加工性を評価するためにプレス成形性と、切削性と、ろう付け性とについて試験を行った。各参考例試料は、上述の実施例試料と組成のみが異なり、作製方法は実施例試料と同様とする。以下に、参考例試料ａ〜ｅの組成を示す。
[Reference example]
Next, reference examples for the present invention will be described. The sample as a reference example was also tested for Young's modulus and tensile strength in order to evaluate the mechanical properties, and in addition to the press formability, machinability, and brazability to evaluate the workability. A test was conducted. Each reference example sample differs from the above-described example sample only in composition, and the manufacturing method is the same as that of the example sample. The composition of reference example samples a to e is shown below.
ここで、参考例試料ａは、タンタルが５ａｔ％、ニオブが７ａｔ％、アルミニウムが１ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Here, as the reference example sample a, a material having a composition of tantalum at 5 at%, niobium at 7 at%, aluminum at 1 at%, and the balance of titanium and inevitable impurities was used.
また、参考例試料ｂは、タンタルが５ａｔ％、モリブデンが７ａｔ％、ホウ素が７ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 The reference sample b was made of a material having a composition of 5 at% tantalum, 7 at% molybdenum, 7 at% boron, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、参考例試料ｃは、タンタルが５ａｔ％、バナジウムが７ａｔ％、アルミニウムが１ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Reference sample c was made of a material having a composition of 5 at% tantalum, 7 at% vanadium, 1 at% aluminum, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、参考例試料ｄは、タンタルが５ａｔ％、クロムが７ａｔ％、ホウ素が７ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 The reference sample d was made of a material having a composition of 5 at% tantalum, 7 at% chromium, 7 at% boron, and the balance of titanium and inevitable impurities.
また、参考例試料ｅは、タンタルが４ａｔ％、ニオブが２ａｔ％、モリブデンが２ａｔ％、バナジウムが２ａｔ％、クロムが２ａｔ％、スズが１ａｔ％、残部がチタン及び不可避不純物の組成を備える素材を用いた。 Reference sample e is a material having a composition of 4 at% tantalum, 2 at% niobium, 2 at% molybdenum, 2 at% vanadium, 2 at% chromium, 1 at% tin, the remainder being titanium and inevitable impurities. Using.
［実施例と比較例及び参考例との対比］
以下に、本件発明の実施例と比較例及び参考例とを対比しつつ、本件発明を詳細に説明する。
[Contrast of Examples with Comparative Examples and Reference Examples]
Hereinafter, the present invention will be described in detail while comparing Examples of the present invention with Comparative Examples and Reference Examples.
（機械的特性評価試験）
表１には、実施例と比較例及び参考例との試料をそれぞれ用いて、ヤング率、引張強度、冷間加工性についての評価試験を行った結果を示す。
(Mechanical property evaluation test)
Table 1 shows the results of evaluation tests on Young's modulus, tensile strength, and cold workability using samples of Examples, Comparative Examples, and Reference Examples.
表１において、引張強度は、引張試験機を用いて試験を実施した。そして、引張強度が１０００ＭＰａ以上の場合に良好な性質として判断し評価とした。また、ヤング率は、ＪＩＳ Ｈ ７１０３（２００２）に基づき、引張試験機による引張試験実施中における応力−歪曲線を測定し、降伏点以下の応力での応力増加直線の勾配から求めた。そして、ヤング率が７０ＧＰａ以下の場合に良好な性質として判断し評価とした。また、冷間加工性は、試料準備時の減面率９０％程度の冷間伸線が正常に行うことが出来た場合を「○」、クラックが発生し正常に伸線出来なかった場合を「△」、破断が発生し正常に伸線出来なかった場合を「×」で示して評価とした。 In Table 1, the tensile strength was tested using a tensile tester. And when tensile strength was 1000 Mpa or more, it was judged and evaluated as a good property. The Young's modulus was obtained from the slope of the stress increase straight line at a stress below the yield point by measuring a stress-strain curve during the tensile test by a tensile tester based on JIS H 7103 (2002). And when Young's modulus was 70 GPa or less, it was judged as a good property and evaluated. The cold workability is “○” when cold drawing with a surface reduction rate of about 90% at the time of sample preparation can be performed normally, and when the wire is not drawn normally due to cracks. A case where “△” and breakage occurred and the wire was not drawn normally was indicated by “x” and evaluated.
表１から明らかなように、実施例試料Ａは、ヤング率が５０ＧＰａ、引張強度が１０５０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 As is clear from Table 1, Example Sample A had a Young's modulus of 50 GPa, a tensile strength of 1050 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、実施例試料Ｂは、ヤング率が６０ＧＰａ、引張強度が１１００ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 In addition, Example Sample B had a Young's modulus of 60 GPa, a tensile strength of 1100 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、実施例試料Ｃは、ヤング率が７０ＧＰａ、引張強度が１２００ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 In addition, Example Sample C had a Young's modulus of 70 GPa, a tensile strength of 1200 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、実施例試料Ｄは、ヤング率が４０ＧＰａ、引張強度が１０００ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 In addition, Example Sample D had a Young's modulus of 40 GPa, a tensile strength of 1000 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、実施例試料Ｅは、ヤング率が４５ＧＰａ、引張強度が１０５０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 In addition, Example Sample E had a Young's modulus of 45 GPa, a tensile strength of 1050 MPa, and a cold workability of “◯”.
これに対し、比較例試料ａは、ヤング率が１１０ＧＰａ、引張強度が４５０ＭＰａ、冷間加工性が「△」であった。 On the other hand, Comparative Example sample a had a Young's modulus of 110 GPa, a tensile strength of 450 MPa, and a cold workability of “Δ”.
また、比較例試料ｂは、ヤング率が３０ＧＰａ、引張強度が１３７０ＭＰａ、冷間加工性が「×」であった。 Comparative sample b had a Young's modulus of 30 GPa, a tensile strength of 1370 MPa, and a cold workability of “x”.
また、比較例試料ｃは、ヤング率が６０ＧＰａ、引張強度が１１６０ＭＰａ、冷間加工性が「×」であった。 Comparative Example sample c had a Young's modulus of 60 GPa, a tensile strength of 1160 MPa, and a cold workability of “x”.
また、比較例試料ｄは、ヤング率が１００ＧＰａ、引張強度が９００ＭＰａ、冷間加工性が「×」であった。 Comparative sample d had a Young's modulus of 100 GPa, a tensile strength of 900 MPa, and a cold workability of “x”.
また、比較例試料ｅは、ヤング率が１０５ＧＰａ、引張強度が９５０ＭＰａ、冷間加工性が「×」であった。 Comparative Example sample e had a Young's modulus of 105 GPa, a tensile strength of 950 MPa, and a cold workability of “x”.
また、比較例試料ｆは、ヤング率が８０ＧＰａ、引張強度が１２８０ＭＰａ、冷間加工性が「△」であった。 Comparative Sample f had a Young's modulus of 80 GPa, a tensile strength of 1280 MPa, and a cold workability of “Δ”.
また、比較例試料ｇは、ヤング率が９０ＧＰａ、引張強度が１３５０ＭＰａ、冷間加工性が「×」であった。 The comparative sample g had a Young's modulus of 90 GPa, a tensile strength of 1350 MPa, and a cold workability of “x”.
また、参考例試料ａは、ヤング率が５０ＧＰａ、引張強度が１１００ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 Reference example sample a had a Young's modulus of 50 GPa, a tensile strength of 1100 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、参考例試料ｂは、ヤング率が４５ＧＰａ、引張強度が１０７０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 Reference Example sample b had a Young's modulus of 45 GPa, a tensile strength of 1070 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、参考例試料ｃは、ヤング率が５０ＧＰａ、引張強度が１０４０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 Reference sample c had a Young's modulus of 50 GPa, a tensile strength of 1040 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、参考例試料ｄは、ヤング率が６０ＧＰａ、引張強度が１０２０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 Reference sample d had a Young's modulus of 60 GPa, a tensile strength of 1020 MPa, and a cold workability of “◯”.
また、参考例試料ｅは、ヤング率が７０ＧＰａ、引張強度が１２５０ＭＰａ、冷間加工性が「○」であった。 The reference example sample e had a Young's modulus of 70 GPa, a tensile strength of 1250 MPa, and a cold workability of “◯”.
以上、眼鏡フレーム用チタン合金材の機械的特性評価試験の結果、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、いずれも７０ＧＰａ以下の低いヤング率を示し、１０００ＭＰａ以上の高い引張強度を示し、更に、断面減少率９０％の冷間伸線を正常に行うことが出来、冷間加工性にも優れる結果となった。 As described above, as a result of the mechanical property evaluation test of the titanium alloy material for eyeglass frames, Example Sample A to Example Sample E all show a low Young's modulus of 70 GPa or less, a high tensile strength of 1000 MPa or more, It was possible to normally perform cold drawing with a cross-section reduction rate of 90%, and excellent cold workability.
これに対し、比較例試料ａ、比較例試料ｄ、比較例試料ｅは、７０ＧＰａを超える高いヤング率を示し、１０００ＭＰａ以下の低い引張強度を示し、更に、断面減少率９０％の冷間伸線を正常に行うことが出来ず、冷間加工性にも劣る結果となった。また、比較例試料ｂ、比較例試料ｃは、いずれも７０ＧＰａ以下の低いヤング率を示し、１０００ＭＰａ以上の高い引張強度を示したものの、断面減少率９０％の冷間伸線を正常に行うことが出来ず、冷間加工性に劣る結果となった。そして、比較例試料ｆ、比較例試料ｇは、１０００ＭＰａ以上の高い引張強度を示したものの、７０ＧＰａを超える高いヤング率を示し、断面減少率９０％の冷間伸線を正常に行うことが出来ず、冷間加工性に劣る結果となった。 On the other hand, the comparative sample a, the comparative sample d, and the comparative sample e show a high Young's modulus exceeding 70 GPa, a low tensile strength of 1000 MPa or less, and cold drawing with a cross-section reduction rate of 90%. Could not be performed normally, and the cold workability was inferior. Moreover, although the comparative example sample b and the comparative example sample c both showed a low Young's modulus of 70 GPa or less and a high tensile strength of 1000 MPa or more, cold drawing with a cross-section reduction rate of 90% should be performed normally. The result was inferior in cold workability. And although the comparative example sample f and the comparative example sample g showed the high tensile strength of 1000 Mpa or more, they showed the high Young's modulus exceeding 70 GPa, and can perform cold wire drawing of 90% of a cross-section reduction rate normally. The results were inferior in cold workability.
（眼鏡フレーム加工性評価試験）
機械的特性評価試験の結果、比較例試料ａに関しては、ヤング率、引張強度、冷間加工性の全てにおいて設定した評価基準を満足しない結果（特に、引張強度に関しては著しく劣る結果）となったため、以下の加工性評価試験は行わないこととする。従って、表２には、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅ、比較例試料ｂ〜比較例試料ｇ、参考例試料ａ〜参考例試料ｅの試料をそれぞれ用いて、加工性（プレス成形性、切削性）とろう付け性とについての評価試験を行った結果を示す。
(Eyeglass frame workability evaluation test)
As a result of the mechanical property evaluation test, the comparative sample sample a did not satisfy the evaluation criteria set in all of Young's modulus, tensile strength, and cold workability (particularly, the result was significantly inferior in terms of tensile strength). The following workability evaluation test will not be conducted. Therefore, in Table 2, workability (press moldability, The results of evaluation tests on machinability and brazeability are shown.
プレス成形性評価試験： 表２において、プレス成形性は、各試料を眼鏡フレーム構成部材の一つである「テンプル」用の金型を用いて、プレス加工を施した後のプレス成形品の形状精度を確認した。なお、プレス成形性の評価は、各試料それぞれプレス成形品を３０個用意し、実際図面上に設定されている「テンプル」の重要管理寸法として定められた箇所（３箇所）を三次元測定器を用いて計測し、品物３０個の計９０箇所のうち全ての箇所が公差内である場合に「○」、品物３０個の計９０箇所のうち１箇所以上３箇所以内が公差外となった場合に「△」、品物３０個の計９０箇所のうち４箇所以上が公差外となった場合に「×」と定めた。 Press moldability evaluation test: In Table 2, the press moldability is the shape of the press molded product after pressing each sample using a “temple” mold which is one of the spectacle frame constituent members. The accuracy was confirmed. The press formability was evaluated by preparing 30 press-formed products for each sample, and using the three-dimensional measuring instrument at the locations (three locations) defined as the critical control dimensions of the “Temple” set on the actual drawing. When all of the 90 items of the 30 items are within the tolerance, “○”, and 1 to 3 of the 30 items of the 30 items are out of the tolerance. In this case, “△” was set, and “x” was set when 4 or more of 90 items in total were out of tolerance.
表２にプレス成形性評価試験の結果を示したように、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、品物３０個の計９０箇所のうち全ての箇所が公差内であった。一方、比較例試料ｂは、品物３０個の計９０箇所のうち２箇所が公差外となり、比較例試料ｃは、品物３０個の計９０箇所のうち３箇所が公差外となった。また、比較例試料ｄ〜比較例試料ｇは、全て品物３０個の計９０箇所のうち４箇所以上が公差外となった。また、参考例試料ａ〜参考例試料ｅに関しては、実施例試料と同様に品物３０個の計９０箇所のうち全ての箇所が公差内であった。 As shown in Table 2, the results of the press formability evaluation test, Example Sample A to Example Sample E were all within the tolerance of the total 90 locations of 30 items. On the other hand, the comparative sample b was out of tolerance at 2 out of the total 90 locations of 30 items, and the comparative sample c was out of tolerance at 3 out of the total 90 locations of 30 items. Further, in Comparative Sample d to Comparative Sample g, four or more out of the total 90 locations of 30 items were out of tolerance. In addition, with respect to Reference Example Sample a to Reference Example Sample e, all of the 90 items of the 30 items were within the tolerance as in the Example sample.
このプレス成形性評価試験の結果について、比較例試料ｂ及び比較例試料ｃのチタン−ニッケル系合金に関しては、所謂α＋β型チタン合金材であって、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅ及び参考例試料ａ〜参考例試料ｅの主相がβ相であるβ型チタン合金のように、低ヤング率で超高強度であるという特性を備えていない点がその原因として挙げられる。また、比較例試料ｄ〜比較例試料ｇのチタン−タンタル系合金に関しては、β相安定化元素であるタンタルの含有量が少な過ぎて（代替元素も含んでおらず）β相のみの金属結晶組織とするのに十分でないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｅ）、スズの含有量が少な過ぎてヤング率を上昇させるω相の発生を十分に抑制出来ないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｆ）、スズの含有量が多過ぎてヤング率を上昇させるα相が多く析出し、更にタンタルの含有量が多過ぎて試料が軟化したことでそりが大きくなったこと（比較例試料ｇ）等がそれぞれ原因として考えられる。 As for the results of the press formability evaluation test, the titanium-nickel alloys of the comparative sample b and the comparative sample c are so-called α + β type titanium alloy materials, which are an example sample A to an example sample E and a reference example. The reason is that it does not have the characteristics of a low Young's modulus and an ultrahigh strength unlike the β-type titanium alloy in which the main phase of the sample a to the reference example sample e is the β phase. Further, regarding the titanium-tantalum-based alloys of Comparative Sample d to Comparative Sample g, the content of tantalum, which is a β-phase stabilizing element, is too small (not including an alternative element) and only a β-phase metal crystal. It is not sufficient to form a structure (Comparative Sample d and Comparative Sample e), and the tin content is too small to sufficiently suppress the generation of an ω phase that increases the Young's modulus (Comparative Sample d and Comparative Example Sample f), the amount of tin was too much and a lot of α phase was deposited to increase the Young's modulus, and the tantalum content was too high and the sample was softened, resulting in increased warpage (Comparative Example) Sample g) and the like are considered as causes.
チタンは常温では稠密六方格子のα相であり、８８５°Ｃで体心立方格子構造のβ相に変態し、β相安定化元素を添加するに従って、低い温度でβ相に変態する性質を有する。本件発明の主相がβ相であるβ型チタン合金は、常温から８８５°Ｃの温度範囲においてα＋β相の結晶組織の占める割合が多い領域で材料を設計し、β相安定化元素であるタンタルの添加量を決定する。そして、主相がβ相であるβ型チタン合金特有の低温時効時に発生するω相を抑制するためにスズ、アルミニウム、ホウ素のいずれか一つを微量添加し、α＋β変態点以上の温度に加熱し、その後急冷することで主相がβ相である金属結晶組織を備えるものである。仮に、チタン合金の金属結晶組織にα相が備わると、β相からα相への変態が起こる際に硬くて脆い針状結晶が析出し、設定した機械的強度を期待出来なくなる場合がある。よって、一般的にα＋β型チタン合金は、加工性が悪くプレス加工には適さない。 Titanium is a dense hexagonal lattice α-phase at room temperature, transforms into a β-phase with a body-centered cubic lattice structure at 885 ° C, and transforms into a β-phase at a lower temperature as a β-phase stabilizing element is added. . The β-type titanium alloy in which the main phase of the present invention is a β-phase is a tantalum which is a β-phase stabilizing element by designing a material in a region where the α + β-phase crystal structure occupies a large proportion in a temperature range from room temperature to 885 ° C. The amount of addition is determined. Then, in order to suppress the ω phase generated during low temperature aging unique to β-type titanium alloys whose main phase is β phase, a small amount of any one of tin, aluminum, and boron is added and heated to a temperature above the α + β transformation point. Then, by rapidly cooling after that, a metal crystal structure whose main phase is a β phase is provided. If the metal crystal structure of the titanium alloy is provided with an α phase, hard and brittle needle crystals may precipitate when the transformation from the β phase to the α phase occurs, and the set mechanical strength may not be expected. Therefore, generally α + β type titanium alloys have poor workability and are not suitable for press working.
切削性評価試験： また、切削性は、各試料のどちらか一方の端部をシャーリングカッターを用いて切断し、バリの発生する頻度を確認した。なお、切削性の評価は、プレス成形前の各試料をそれぞれ３０個用意し、それぞれの試料をシャーリング切断した後に高さ１００μｍ未満のバリのみ発生した場合に「○」、シャーリング切断した後に高さ１００μｍ以上のバリが１個以上３個以内発生した場合に「△」、シャーリング切断した後に高さ１００μｍ以上のバリが４個以上発生した場合に「×」と定めた。 Machinability evaluation test: In addition, the machinability was determined by cutting one end of each sample using a shearing cutter and confirming the frequency of occurrence of burrs. In addition, the evaluation of machinability is “◯” when only 30 burrs with a height of less than 100 μm are generated after shearing cutting each sample before press molding, and the height after shearing cutting. “Δ” was defined when 1 or more and 3 or less burrs of 100 μm or more occurred, and “x” when 4 or more burrs with a height of 100 μm or more occurred after shearing cutting.
切削性評価試験の結果、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、シャーリング切断後に高さ１００μｍ以上のバリが全く発生しなかった。一方、比較例試料ｂ及び比較例試料ｄは、シャーリング切断後に高さ１００μｍ以上のバリが２個発生し、比較例試料ｃ及び比較例試料ｆは、シャーリング切断後に高さ１００μｍ以上のバリが３個発生した。また、比較例試料ｅ及び比較例試料ｇは、シャーリング切断後に高さ１００μｍ以上のバリが４個以上発生した。また、参考例試料ａ〜参考例試料ｅに関しては、実施例試料と同様にシャーリング切断後に高さ１００μｍ以上のバリが全く発生しなかった。 As a result of the machinability evaluation test, Example Sample A to Example Sample E had no burrs having a height of 100 μm or more after shearing cutting. On the other hand, the comparative sample b and the comparative sample d have two burrs having a height of 100 μm or more after shearing cutting, and the comparative sample c and the comparative sample f have 3 burrs having a height of 100 μm or more after shearing cutting. Occurred. In Comparative Sample e and Comparative Sample g, four or more burrs having a height of 100 μm or more were generated after shearing cutting. Further, with respect to Reference Example Sample a to Reference Example Sample e, no burr having a height of 100 μm or more was generated at all after shearing cutting as in the case of the Example sample.
この切削性評価試験の結果については、プレス成形性評価試験の結果で述べたと同様、比較例試料ｂ及び比較例試料ｃのチタン−ニッケル系合金に関しては、所謂α＋β型チタン合金材であって、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅ及び参考例試料ａ〜参考例試料ｅの主相がβ相であるβ型チタン合金のように、低ヤング率で超高強度であるという特性を備えていない点がその原因として挙げられる。また、比較例試料ｄ〜比較例試料ｇのチタン−タンタル系合金に関しては、β相安定化元素であるタンタルの含有量が少な過ぎて（代替元素も含んでおらず）β相のみの金属結晶組織とするのに十分でないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｅ）、スズの含有量が少な過ぎてヤング率を上昇させるω相の発生を十分に抑制出来ないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｆ）、スズの含有量が多過ぎてヤング率を上昇させるα相が多く析出し、更にタンタルの含有量が多過ぎて試料が軟化したことでそりが大きくなったこと（比較例試料ｇ）等が原因として考えられる。 About the result of this machinability evaluation test, as described in the result of the press formability evaluation test, the titanium-nickel alloy of the comparative sample b and the comparative sample c is a so-called α + β type titanium alloy material, Example sample A to example sample E and reference example sample a to reference example sample e do not have the characteristics of low Young's modulus and ultrahigh strength like the β-type titanium alloy whose main phase is β phase. The point is cited as the cause. Further, regarding the titanium-tantalum-based alloys of Comparative Sample d to Comparative Sample g, the content of tantalum, which is a β-phase stabilizing element, is too small (not including an alternative element) and only a β-phase metal crystal. It is not sufficient to form a structure (Comparative Sample d and Comparative Sample e), and the tin content is too small to sufficiently suppress the generation of an ω phase that increases the Young's modulus (Comparative Sample d and Comparative Example Sample f), the amount of tin was too much and a lot of α phase was deposited to increase the Young's modulus, and the tantalum content was too high and the sample was softened, resulting in increased warpage (Comparative Example) Sample g) and the like are considered as causes.
ろう付け性評価試験： また、ろう付け性は、眼鏡フレームの構成部材である「テンプル」と眼鏡のフロント両端と丁番との接合部分である「智」とを接続する場合に、ろう付けが行われていることを考慮したものであり、ろう付部を目視にて確認し、手で両端部をねじり、当該ろう付部の割れ発生の有無を確認した。なお、ろう付け性の評価は、「テンプル」用の金型を用いて、プレス加工を施した後のプレス成形品を各資料につき３０個用意し、それぞれの試料に「智」をろう付けした後、当該ろう付部について上述した方法で試験を行い、目視にて当該ろう付部に割れを全く確認出来なかった場合に「○」、目視にて当該ろう付部に割れを１個以上３個以内確認出来た場合に「△」、目視にて当該ろう付部に割れを４個以上確認出来た場合に「×」とした。
Brazing property evaluation test: Also, brazing property is determined when brazing is performed when “Temple”, which is a structural member of a spectacle frame, and “Ji”, which is a joint between the front ends of the spectacles and hinges. The brazing part was visually confirmed, both ends were twisted by hand, and the presence or absence of cracking of the brazing part was confirmed. The evaluation of brazing was performed using 30 “temple” molds, 30 press-formed products after pressing were prepared for each material, and “wisdom” was brazed to each sample. After that, the brazing part was tested by the method described above, and when no crack was visually confirmed in the brazed part, “◯”, and visually, one or more cracks were observed in the brazed
なお、ろう付け性評価試験において、アルゴンガス雰囲気中で、ろう材にはチタン−銅系成分のものを使い、スポットろう付け機で瞬時加熱することによりろう付けした。そして、ろう付け性評価試験を行うに際し、ろう付温度が１１５０〜１２００℃となるように制御してろう付けを行った。 In the brazing property evaluation test, a brazing material of titanium-copper was used in an argon gas atmosphere, and brazing was performed by instantaneous heating with a spot brazing machine. And when performing the brazing property evaluation test, brazing was performed while controlling the brazing temperature to be 1150 to 1200 ° C.
ろう付け評価試験の結果、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、全て目視にて当該ろう付部に割れを全く確認出来なかった。一方、比較例試料ｂ及び比較例試料ｃは、共に目視にて当該ろう付部に割れを４個以上確認出来た。また、比較例試料ｄ〜比較例試料ｇは、全て目視にて当該ろう付部に割れを３個確認出来た。また、参考例試料ａ〜参考例試料ｅに関しては、実施例試料と同様に全て目視にて当該ろう付部に割れを全く確認出来なかった。 As a result of the brazing evaluation test, all of Example Sample A to Example Sample E could not confirm any cracks in the brazed part visually. On the other hand, both the comparative sample b and the comparative sample c were confirmed to have four or more cracks in the brazed part by visual observation. Moreover, all the comparative example sample d-the comparative example sample g have confirmed three cracks to the said brazing part visually. Further, regarding Reference Example Sample a to Reference Example Sample e, no cracks could be visually confirmed at all in the same manner as in the Example Sample.
このろう付け評価試験の結果より、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅ及び参考例試料ａ〜参考例試料ｅにおいては、高融点金属であるタンタルの含有がろう付け性の向上に寄与しているとも考えられる。なお、比較例試料ｂ及び比較例試料ｃのチタン−ニッケル系合金は、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｊのような安定型β型チタン合金とは異なる所謂α＋β型チタン合金材であり、ろう付け温度がα−β変態点以上であるため、結晶粒が粗大化し機械的性質の劣化を招いたことが考えられる。また、比較例試料ｄ〜比較例試料ｇのチタン−タンタル系合金に関しては、β相安定化元素であるタンタルの含有量が少な過ぎて（代替元素も含んでおらず）β相のみの金属結晶組織とするのに十分でないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｅ）、スズの含有量が少な過ぎてヤング率を上昇させるω相の発生を十分に抑制出来ないこと（比較例試料ｄ及び比較例試料ｆ）、低融点金属であるスズの含有量が多過ぎてろう付け性の向上を図ることが出来なかったこと（比較例試料ｅ及び比較例試料ｇ）がそれぞれ原因として考えられる。 From the results of this brazing evaluation test, in Example Sample A to Example Sample E and Reference Example Sample a to Reference Example Sample e, the inclusion of tantalum, which is a refractory metal, contributes to the improvement of brazing properties. You might also say that. The titanium-nickel alloys of the comparative sample b and the comparative sample c are so-called α + β type titanium alloy materials different from the stable β type titanium alloys such as the example sample A to the example sample J. It can be considered that since the attaching temperature is higher than the α-β transformation point, the crystal grains are coarsened and the mechanical properties are deteriorated. Further, regarding the titanium-tantalum-based alloys of Comparative Sample d to Comparative Sample g, the content of tantalum, which is a β-phase stabilizing element, is too small (not including an alternative element) and only a β-phase metal crystal. It is not sufficient to form a structure (Comparative Sample d and Comparative Sample e), and the tin content is too small to sufficiently suppress the generation of an ω phase that increases the Young's modulus (Comparative Sample d and The comparative sample f) and the content of tin, which is a low-melting-point metal, are too much to improve brazing properties (comparative sample e and comparative sample g).
以上より、実施例試料Ａ〜実施例試料Ｅは、ヤング率、引張強度、冷間加工性、プレス成形性、切削性、ろう付け性の全てにおいて優れた特性が得られた。この結果より、本件発明の主相がβ相である金属結晶組織を備えるチタン−タンタル系合金材は、眼鏡フレーム用構成部品に適したものであることが分かった。 From the above, Example Sample A to Example Sample E obtained excellent characteristics in all of Young's modulus, tensile strength, cold workability, press formability, machinability, and brazeability. From this result, it was found that the titanium-tantalum-based alloy material having a metal crystal structure in which the main phase of the present invention is a β phase is suitable for a spectacle frame component.
（眼鏡フレーム用チタン合金材における、熱処理条件と硬度との関係についての確認）
次に、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材について、熱処理条件の変更によって硬度にどのような変化が生じるかの確認を行う。具体的には、眼鏡フレーム用チタン合金材について、熱処理条件を変更するだけで、眼鏡フレーム構成品として要求される硬さを得ることが出来るか否かの確認を行う。
(Confirmation of the relationship between heat treatment conditions and hardness in eyeglass frame titanium alloy materials)
Next, with respect to the titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention, it is confirmed what kind of change occurs in the hardness by changing the heat treatment conditions. Specifically, it is confirmed whether or not the hardness required for the spectacle frame component can be obtained only by changing the heat treatment conditions for the titanium alloy material for the spectacle frame.
表３には、実施例試料Ａ（加工率５３％で冷間伸線した結果得られる直径１１ｍｍの棒材）に対し、それぞれ異なる条件（温度、保持時間）で熱処理を施した後の硬度を平均値（１０回測定して算出）により示す。また、表４には、実施例試料Ａ（加工率９８％で冷間伸線した結果得られる直径０．５ｍｍの線材）に対し、それぞれ異なる条件（温度、保持時間）で熱処理を施した後の硬度を平均値（１０回測定して算出）により示す。そして、図２には、表３及び表４に示す結果をグラフにより示す。なお、図２において、グラフにおけるＩ型の線は、１０回測定を行ったデータのばらつき（誤差範囲）を示したものである。 Table 3 shows the hardness after heat treatment under different conditions (temperature, holding time) for Example Sample A (bar material 11 mm in diameter obtained as a result of cold drawing at a processing rate of 53%). Shown by average value (calculated after 10 measurements). Table 4 shows that after heat treatment was performed on Example Sample A (a wire rod having a diameter of 0.5 mm obtained as a result of cold drawing at a processing rate of 98%) under different conditions (temperature, holding time). Is shown by an average value (calculated after 10 measurements). FIG. 2 is a graph showing the results shown in Tables 3 and 4. In FIG. 2, an I-type line in the graph indicates variation (error range) of data obtained by 10 measurements.
表３及び表４、図２に示す結果より、熱処理温度が３５０℃〜５５０℃までの間では、棒材と線材との硬さに若干の差（最大で５０ＨＶ０．１程度）が生じたものの、熱処理を施さないものに対して保持時間の経過と共に硬度が高くなる傾向、及び熱処理温度の上昇に伴い硬度が高くなる傾向が確認出来た。また、熱処理温度が６５０℃〜７５０℃では、熱処理温度が５５０℃のものに対して保持時間に関係なく急激に硬度が低くなる傾向（３５０ＨＶ０．１程度から２１０ＨＶ０．１程度へ）が確認出来た。また、熱処理温度が８５０℃以上では、熱処理を施さないものに対して僅かに硬度が高くなる（最大で５０ＨＶ０．１程度）にとどまった。 From the results shown in Table 3 and Table 4 and FIG. 2, when the heat treatment temperature is between 350 ° C. and 550 ° C., there is a slight difference in the hardness between the bar and the wire (up to about 50 HV0.1). As a result, it was confirmed that the hardness increased with the lapse of the holding time and the hardness increased with the increase of the heat treatment temperature for those not subjected to the heat treatment. In addition, when the heat treatment temperature was 650 ° C. to 750 ° C., it was confirmed that the hardness rapidly decreased (from about 350 HV0.1 to about 210 HV0.1), regardless of the holding time, compared with the heat treatment temperature of 550 ° C. . In addition, when the heat treatment temperature was 850 ° C. or higher, the hardness was slightly higher than that not subjected to the heat treatment (up to about 50 HV0.1).
以上の結果から、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、ビッカース硬度で２５０ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１の硬さにする場合に熱処理温度３５０℃〜５５０℃で３０分〜１２０分保持すれば良く、また、ビッカース硬度で２００ＨＶ０．１〜３００ＨＶ０．１の硬さにする場合に熱処理温度６５０℃〜８５０℃で３０分〜１２０分保持すれば良いことが分かった。また、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、熱処理条件（温度、保持時間）を変更するだけで、ビッカース硬度で２００ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１の範囲内で任意に硬度調整可能であり、眼鏡フレームを構成する全ての部品に採用出来ることが分かった。なお、本確認試験は、実施例試料Ａの組成のみを採用して行ったが、本件発明に規定する条件を満たす組成であれば全て同様の傾向及び結果が得られると考えられる。 From the above results, the titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention can be kept at a heat treatment temperature of 350 ° C. to 550 ° C. for 30 minutes to 120 minutes when the Vickers hardness is 250 HV 0.1 to 400 HV 0.1. well, also it was found that may be 30 to 120 minutes held at the heat treatment temperature 650 ° C. to 850 ° C. when the hardness of 200HV0.1~300HV0.1 in Vickers hardness. In addition, the titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention can be arbitrarily adjusted in hardness within the range of 200HV0.1 to 400HV0.1 in terms of Vickers hardness only by changing the heat treatment conditions (temperature, holding time), It was found that it can be used for all the parts that make up the spectacle frame. In addition, although this confirmation test was conducted by adopting only the composition of Example Sample A, it is considered that the same tendency and result can be obtained as long as the composition satisfies the conditions specified in the present invention.
以上、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、主相がβ相である金属結晶組織を備えることで、従来のチタン材に比べ、強度、弾性、冷間加工性、ろう付け性の全てにおいて優れたものである。また、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材によれば、熱処理の条件を変更することでその硬度を変更することが可能であるため、金属の質感を変えることなく眼鏡フレーム構成品全ての部品に採用することが出来る。従って、本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材によれば、製品コストの低減を図りつつもフィッティング性及びファッション性に優れた眼鏡フレーム用構成部品を提供することが出来る。 As described above, the titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention has a metal crystal structure whose main phase is a β phase, and thus has all of strength, elasticity, cold workability, and brazing properties as compared with conventional titanium materials. Is excellent. Moreover, according to the titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention, the hardness can be changed by changing the conditions of heat treatment, so all the components of the spectacle frame components without changing the metal texture Can be adopted. Therefore, according to the titanium alloy material for spectacle frames according to the present invention, it is possible to provide a spectacle frame component excellent in fitting property and fashionability while reducing the product cost.
本件発明に係る眼鏡フレーム用チタン合金材は、低ヤング率、高強度のチタン合金材であって、生体に有害なニッケルやコバルトを含まない成分範囲において合金設計したろう付け性及び加工性に優れ、また、生体適合性が高く、且つフィッティング性に優れたものである。従って、当該眼鏡フレーム用チタン合金材は、眼鏡以外の人工骨や人工関節等の医療分野や腕時計等の様々な部分にも好適に用いることが出来、また、当該眼鏡フレーム用チタン合金材を用いることで、製品を高品質、低価格で提供することが可能となる。 The titanium alloy material for eyeglass frames according to the present invention is a titanium alloy material having a low Young's modulus and a high strength, and is excellent in brazing and workability designed by alloying in a component range that does not contain nickel or cobalt harmful to a living body. In addition, the biocompatibility is high and the fitting property is excellent. Therefore, the titanium alloy material for eyeglass frames can be suitably used for various parts of medical fields such as artificial bones and artificial joints other than eyeglasses and wristwatches, and the titanium alloy material for eyeglass frames is used. This makes it possible to provide products with high quality and low price.
１ 眼鏡フレーム
２ リム部
３ ブリッジ部
４ テンプル部
５ パッド部
６ 丁番部
７ モダン部
８ 智部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
組成式がＴｉ１００−ａ−ｂ−Ｔａａ−Ｓｎ ｂ で表わされ、
ａ、ｂが原子％（ａｔ％）で、１２≦ａ≦２５、１≦ｂ≦７の関係を満足し、
３５０℃〜５５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２５０ＨＶ０．１〜４００ＨＶ０．１であることを特徴とする眼鏡フレーム用チタン合金材。 A titanium alloy material for a spectacle frame comprising a metal crystal structure whose main phase is a β phase,
Composition formula Ti 100-a-b -Ta a - is represented by Sn b,
a and b are atomic% (at%) and satisfy the relationship of 12 ≦ a ≦ 25, 1 ≦ b ≦ 7,
Titanium alloy material for a spectacle frame Vickers hardness after temper heat treatment of holding 30 to 120 minutes at 350 ° C. to 550 ° C. is characterized 250HV0.1~400HV0.1 der Rukoto.
組成式がＴｉ The composition formula is Ti １００−ａ−ｂ100-ab −Ｔａ-Ta ａa −Ｓｎ-Sn ｂb で表わされ、Represented by
ａ、ｂが原子％（ａｔ％）で、１２≦ａ≦２５、１≦ｂ≦７の関係を満足し、 a and b are atomic% (at%) and satisfy the relationship of 12 ≦ a ≦ 25, 1 ≦ b ≦ 7,
６５０℃〜８５０℃で３０分〜１２０分保持した熱処理により硬度調整した後のビッカース硬度が２００ＨＶ０．１〜３００ＨＶ０．１であることを特徴とする眼鏡フレーム用チタン合金材。A titanium alloy material for spectacle frames, characterized in that the Vickers hardness after adjusting the hardness by heat treatment held at 650 ° C to 850 ° C for 30 minutes to 120 minutes is 200HV0.1 to 300HV0.1.
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