JP6351149B2 - チタン合金および同合金の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末法によるチタン合金部材の製造工程における熱処理方法および同熱処理を施したチタン合金部材に係るもので、特に、チタン合金部材の加工性を向上させる熱処理方法に関する。

チタン合金は、室温の平衡状態でｈｃｐのα相とｂｃｃのβ相の二相から成り、その割合によってα相からなるα合金、αとβの２相からなる（α＋β）合金、β相からなるβ合金に大別され、様々な機械特性を示す。

α相およびβ相の割合はチタン合金の組成及び加工熱処理によって決定される。チタン合金の熱処理の目的は、加工工程で導入された歪みの開放除去、再結晶化、再結晶化に伴い結晶粒径の粒度と分布の制御であり、より安定化した結晶状態を実現することが一般的である。

特定の条件を満たした場合は、いわゆる時効効果が出現し熱処理に伴う析出相の出現で、チタン合金の強度アップが図れることが期待される。このように、チタン合金では加工熱処理によって組織を変化させることにより性質を広範囲に制御することができると考えられている。

チタン合金の中でもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表される（α＋β）型合金は冷間加工性が乏しいため、通常高温での圧延、押出し、鍛造などの加工によって成形が行われている。

これに対して粉末法により成形された素材については、β変態点（Ｔβ）以下の（α＋β）高温域に加熱後急冷する溶体化処理によってα相をある程度残し大部分をβ相へ逆変態させた後、５００℃付近の（α＋β）低温域で５時間ほど維持する時効処理によって未変態β相からの微細なα相析出により、強度を上げつつ、延性、靱性にも優れた合金を得ることができるという報告がある（例えば、非特許文献１参照）。

このような熱処理されたチタン合金の機械特性は引っ張り強さ（ＴＳ）：約１０００ＭＰａ、耐力（ＹＳ）：約９００ＭＰａ（引っ張り強さ（ＴＳ）に対する耐力（ＹＳ）の比率は約９０％）、伸び：約１０％が一般的であり、その高比強度を活かした主要な用途は、宇宙、航空分野で使用される各種構造部材やエンジン部材、ゴルフクラブ等がある。

従来技術に記載された処理を行うことにより、加工歪の除去、再結晶化に伴う結晶粒径と粒度の制御が可能であり、材料の延性改善に効果がある。しかしながら、チタン合金の熱処理によってチタン合金の加工性を改善させる、という技術思想はなかった。

チタン合金の種類によっては、熱処理によって延性が退化する場合もあるが、延性低下防止のためには従来技術でも、加熱速度、温度、時間および冷却速度の検討の結果、β変態点（Ｔβ）以上β変態点（Ｔβ）℃＋１００℃未満に２℃／秒以上の加熱速度で加熱し、５分以内保持後、２℃／秒以上で冷却することによって高強度、高靱性、高延性の（α＋β）型チタン合金を得るという技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、質量％でＣが０．０８％超、０．２５％以下、Ａｌが２．０〜８．５％を含有し、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔａのいずれかを合計で２．０〜１０．０％含有することによって疲労強度に優れた（α＋β）型チタン合金を得るという技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

加工性の改善のためには、高い延性と加工硬化の程度が低いことが望ましいが、熱処理によってこのような状態を実現する技術は、あまり知られていない。

一般にチタン合金は冷間または温間での加工性が悪いために、熱間加工で加工された材料を切削加工によって最終形状に加工されるが、材料の製品率悪化、切削工具の寿命悪化等の問題があり、改善が求められている。

特開平５−５９５０９号公報 特開２０１２−５２２１９号公報

萩原益夫、海江田義也、海部義邦、三浦伸：鉄と鋼（１９９０）Ｖｏｌ.１２，ｐ２１８２；「素粉末混合Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の疲労特性に及ばす微視組織の影響」

本発明は、上記のような問題点の解決を図ったものであり、（α＋β）域において、適切な熱処理を行うことにより、従来に比べて高い伸び（ＥＬ）と引っ張り強さ（ＴＳ）を兼備しつつも耐力（ＹＳ）を低くすることによって従来よりも高い加工性を有するチタン合金の熱処理方法を提供することを目的とする。

かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めたところ、所定の熱処理を行ったβ相を主体とするチタン合金であって、該チタン合金中の母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲にあるチタン合金は、高い強度を示すのみならず、優れた延びを示すことを示すことを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係るチタン合金は、チタン合金粉末に対し添加金属成分の粉末を添加して成形する粉末法により製造されたチタン合金であって、β相を主体とし、該チタン合金中の母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲にあることを特徴とするものである。

また、本発明に係るチタン合金においては、前記チタン合金の降伏強度が引っ張り強度の６０％以下であることを特徴とするものである。

更には、本発明に係るチタン合金においては、前記チタン合金の引っ張り強度が１２００ＭＰａ以上で、伸びが１５％以上であることを特徴とするものである。

また、本発明に係るチタン合金においては、前記チタン合金のビッカース硬さが３９０Ｈｖ以下であることを特徴とするものである。

更には、本発明に係るチタン合金においては、前記チタン合金粉末はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、前記添加金属成分の粉末はＣｕ、Ｆｅ、Ｃｒから選択された少なくとも１種であり、前記Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれか１種類以上の元素を０．５〜４．０％含有することを好ましい態様とするものである。

本発明に係るチタン合金の熱処理方法は、加工度が３．５以上であり、かつ（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲にて熱間加工したチタン合金を、大気中（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲で６０〜３６０分保持後、急冷することを好ましい態様とするものである。

本発明は前記したような特徴を有するチタン合金に上記熱処理を施すことによって、伸び（ＥＬ）が１５％以上かつ、引っ張り強さ（ＴＳ）が１２００〜１４００ＭＰａと高いが、耐力（ＹＳ）が５００〜７００ＭＰａと低い材料が得られるという効果を奏するものである。

本発明の最良の実施形態について以下に詳細に説明する。
本発明に係るチタン合金は、まず、チタン合金粉に必要に応じて添加元素粉末を添加し、熱間押し出し、真空プレスまたはＨＩＰ処理等の緻密化処理によって形成したものであり、続いて、Ｔβをβ変態点とした場合に３．５以上の加工度かつ（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲にて熱間加工したチタン合金を、大気中（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲で６０〜３６０分保持後、急冷するという熱処理を施したβ相を主体とするチタン合金とし、該チタン合金中の母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲にあることを特徴とするものである。ここで、母相とは、α相とβ相の全体を意味する。ここで本発明における急冷とは、水または油を用いて冷却することを意味する。

ここでβ相を主体とするとは、α相とβ相の混合相からなるチタン合金において結晶組織において面積比率で母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲に存在していることを好ましい態様とするものである。

β相が５０％未満ではα相の増加によるＹＳの上昇によって、ＹＳ／ＴＳ％が高くなり加工が難しくなるという課題が生じる。一方、β相が８０％超では組織の大半をβ相が占めることによりＹＳは低下するが、それ以上にＴＳが大きく低下し、強度が著しく低下するという課題が生じる。よって、本発明に係るチタン合金は、β相を主体とするチタン合金であって、該チタン合金中の母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲に存在していることを好ましい態様とするものである。

前記したような結晶構造をとるような合金とすることにより、従来に比べて高い伸びと引っ張り強さを兼備しつつも降伏強度が低く、従来よりも高い加工性を示す、という効果を奏するものである。

また、本発明に係るチタン合金においては、降伏強度が引っ張り強度の６０％以下である、という効果を奏するものである。前記した性質は、最大の引っ張り強度に対して降伏強度が６０％以下であり、これは、チタン合金の延性に優れていることを意味するものである。

具体的には、チタン合金の引っ張り強度が１２００ＭＰａ以上で、伸びが１５％以上であるという、伸びおよび強度を兼備した優れた特性を有するという、効果を奏するものである。

本発明に係るチタン合金においては、ビッカース硬さが３９０Ｈｖ以下であることを好ましい態様とするものであり、一般的に言われているチタン合金に比べて硬度が低く、切削加工性という点で、優れた特性を有するものである。

上記機械特性を満たすことにより、切削工程の生産性が大幅に改善されるとともに、副次的効果として切削作業を行う際のチップの寿命が大幅に延びるという効果を奏するものである。

本発明に係るチタン合金においては、ＡｌとＶを含有し、さらにＣｕ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれか１種類以上の元素を０．５〜４．０％含有することを好ましい態様とするものである。

即ち、本発明に係るチタン合金は、いわゆる６Ａｌ４Ｖ合金であって、前記合金中に、更に、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒのうち少なくとも１種以上の元素を含んでいることを好ましい態様とするものである。

具体的には、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒを０．５〜４．０ｗｔ％含むことによってβ相の比率を５０〜８０％に制御することができ、本発明に係る好ましい特性を得ることができる、という効果を奏するものである。

その結果、前記したような延性および強度の優れた特性を有するチタン合金を選択することができる、という効果を奏するものである。

本発明に係るチタン合金の熱処理方法は、加工度が３．５で、かつ（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲にて熱間加工したチタン合金を、大気中（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲で６０〜３６０分保持後、急冷することを好ましい態様とするものである。ここでいうところの加工度とは、（加工前試料の断面積）／（加工後試料の断面積）で定義される。

前記熱間加工温度が、（Ｔβ−１２０）℃未満では変形抵抗が設備能力を上回り加工不可となる場合がある。また、材料に過大な負荷がかかるために加工時のクラック発生の原因ともなりうる。一方、Ｔβ℃超では粗大なβ粒子の発生によって延性が低下する。よって、本発明に係る熱間加工温度は、（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の範囲が好ましい、とされる。

前記熱間加工後の大気中での保持温度が、（Ｔβ−１２０）℃未満では母相に対するβ相の存在比が５０％未満となり、延性が低下する。一方、Ｔβ℃超では粗大なβ粒子の発生によって延性が低下する。よって、本発明に係る大気中での保持温度は、（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の範囲が好ましい、とされる。本実施例においてＴβは、９２０℃のものを使用した。

また、本発明においては、前記大気中での保持でのチタン合金の保持時間は６０〜３６０分が好ましいとされる。

前記保持時間が６０分未満では、チタン合金の均熱がとれず、チタン合金中のα相とβ相の存在比に偏りが発生し、α相の存在比が高い部分を起点として破断を起こしやすくなる。一方、前記保持時間が、３６０分超では、長時間の加熱により粒子が粗大化し延性が低下する。よって、本発明に係るチタン合金の熱処理時間は、６０〜３６０分が、好ましい、とされる。

本発明においては、前記熱処理後、急冷することを好ましい態様とするものである。急冷によって、熱間でのβリッチな状態を常温まで持ち来たすことで、優れた伸びを得ることができる、という効果を奏するものである。

ここで、急冷による材料表面での冷却速度は、１０〜３００℃／秒が好ましく、 ２０〜２００℃／秒をより好ましい態様とするものである。材料の内部温度は材料表面の冷却媒体からの徐熱と材料内部の熱伝導に従う。

前記したような加工度を有するチタン合金を前記した温度範囲で熱処理し、その後、水冷処理することにより、高い強度を示すのみならず、延性にも優れたチタン合金を製造することができる、という効果を奏するものである。

ここで、本発明に係るチタン合金は、チタン合金粉に対して、目的とする合金組成になるように各種金属粉末をブレンドした後、緻密化処理して焼結体を得た後、次いで、同焼結体に塑性加工を加えてから熱処理することを好ましい態様とするものである。

前記したような塑性加工の塑性歪みは、３．５〜２５の範囲とすることが好ましい。前記した範囲に塑性歪を付与させることにより、その後行う熱処理により効率よく結晶粒の微細化を進めることができる、という効果を奏するものである。

以上、前記したように、本発明に係るチタン合金は、引っ張り強度のみならず、すぐれた延性を示す、という効果を奏するものである。

以下、実施例および比較例によって本発明をさらに具体的に説明する。
実施例で使用した設備および条件を以下に列記する。
１．チタン合金粉
１）原料：チタン６４合金の切削切粉
２）チタン合金粉：ＨＤＨ法により製造
３）粒度：１０μｍ〜２５０μｍ
２．添加元素粉末
１）添加元素：銅
２）平均粒径：約６μｍ
３）添加量：０．５〜４．０ｗｔ％
３．緻密化処理
１）手段：熱間押し出し、真空プレスまたはＨＩＰ処理
２）緻密化温度：９００℃〜９３０℃
４．塑性加工
１）手段
熱間圧延 圧延比：３．５〜２５
熱間鍛造 鍛造比：３．５〜２８
２）加工温度：８５０Ｃ°〜８９０Ｃ°
５．熱処理
前記塑性加工処理を施したチタン材に対して焼鈍処理を進めた。
１）温度：８５０Ｃ°〜９００Ｃ°
２）雰囲気：大気雰囲気
３）昇温速度：１５℃／分
４）保持時間：６０〜３６０分
５）冷却方法：水冷または油冷

［実施例１］
上記のチタン合金粉を原料とし、これをカプセルに入れて熱間押出しにより緻密化を行なった。緻密化処理された前記チタン焼結体を熱間圧延して、径９．５ｍｍの棒材を得た。得られた棒材に８７０℃で６０分保持後水冷という熱処理を行った同棒材の結晶組織を調査したところ、母相に対するβ相の結晶組織の比率は６０％であった。当該チタン合金の機械特性は、ＥＬ：２１．４％、ＴＳ：１２８６ＭＰａ、ＹＳ：５２６ＭＰａであり、ＹＳがＴＳの４１％であった。また、ビッカース硬さは３７５Ｈｖであった。

［実施例２］
実施例１で使用したチタン合金材の加工温度や加工度および焼鈍温度を種々変更して、母相に対するβを種々変更して、それぞれの際に得られたチタン合金材のＹＳ／ＴＳ及びビッカース硬さに及ぼす影響を調査し、その結果を表１に示した。表１の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る母相に対するβ相の結晶組織の比率は５０〜８０％が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例３］
実施例１で使用したチタン合金材に添加する銅粉末の添加量を種々変更して、それぞれの際に得られた母相に対するβ相の結晶組織の比率を調査し、その結果を表２に示した。表２の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る添加する銅粉末の添加量は０．５〜４．０ｗｔ％が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例４］
実施例１で使用したチタン合金材に添加する鉄粉末の添加量を種々変更して、それぞれの際に得られた母相に対するβ相の結晶組織の比率を調査し、その結果を表３に示した。表３の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る添加する鉄粉末の添加量は０．５〜４．０ｗｔ％が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例５］
実施例１で使用したチタン合金材に添加するクロム粉末の添加量を種々変更して、それぞれの際に得られた母相に対するβ相の結晶組織の比率を調査し、その結果を表４に示した。表４の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る添加する銅粉末の添加量は０．５〜４．０ｗｔ％が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例６］
実施例１で使用したチタン合金材の加工温度や加工度および焼鈍温度を種々変更し、熱処理温度を種々変更して、それぞれの際に得られたチタン合金材のＹＳ／ＴＳ及びビッカース硬さを調査し、その結果を表５に示した。表５の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る熱処理温度は（Ｔβ−１２０）〜Ｔβ℃が好ましい範囲であることが確認された。

［実施例７］
実施例１において冷却方法を水冷から油冷に変更した以外は同じ条件でチタン合金材のＹＳ／ＴＳ及びビッカース硬さに及ぼす影響を調査し、その結果を表６に示した。表６の結果より、本発明に係るチタン合金の製造方法に係る母相に対するβ相の結晶組織の比率は５０〜８０％が好ましい範囲であることが確認された。

［比較例１］
実施例１において、冷却方法が空冷であることを除き、母相に対するβ相の結晶組織の比率が、６０％であるチタン合金を製造し、これに対する引っ張り強度および伸びを調べた。当該チタン合金の機械特性は、ＴＳ：１３３４ＭＰａ、ＹＳ：１２０２ＭＰａ、ＥＬ：９．４％であり、ＹＳがＴＳの９０％であった。また、ビッカース硬さは４５２Ｈｖであった。実施例１と比較すると、ＹＳ／ＴＳは９０％と高く、伸びについては劣っていた。

本発明に係るα＋β型チタン合金は、ＹＳが低く、機械的強度を要求される用途には適さないが、人工骨、人工歯根等のインプラント材料やゴルフヘッドや野球用バットに代表されるスポーツ用品、更には、輸送機器用のばねに代表されるサスペンションへの応用が期待される。

Claims (3)

1. チタン合金粉末に対し添加金属成分の粉末を添加して成形する粉末法により製造されたチタン合金であって、
   前記チタン合金は、β相を主体とし、
   引っ張り強度が１２００ＭＰａ以上、伸びが１５％以上、かつ降伏強度が引っ張り強度の６０％以下、ビッカース硬さが３９０Ｈｖ以下で、
   該チタン合金中の母相に対するβ相の存在比が５０％〜８０％の範囲にあることを特徴とするチタン合金。
2. 前記チタン合金粉末はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、前記添加金属成分の粉末はＣｕ、Ｆｅ、Ｃｒから選択された少なくとも１種であり、前記Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒのいずれか１種類以上の元素を０．５〜４．０％含有することを特徴とする請求項１に記載のチタン合金。
3. 請求項１または２に記載のチタン合金の熱処理方法であって、Ｔβをβ変態点とした場合、３．５以上の加工度かつ（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲にて熱間加工したチタン合金を、大気中（Ｔβ−１２０）℃〜Ｔβ℃の温度範囲で６０〜３６０分保持後、急冷することを特徴とするチタン合金の熱処理方法。