JP2001089821A

JP2001089821A - 耐高温大気酸化性に優れた高強度、高延性チタン合金

Info

Publication number: JP2001089821A
Application number: JP26795499A
Authority: JP
Inventors: Jun Shimotori; 潤霜鳥
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】耐高温大気酸化性に優れたＦｅを含有する高強
度、高延性チタン合金の提供。【解決手段】重量％で、Ｆｅ：１％超え、５％以下、
Ｏ（酸素）：０．０５〜０．７５％を含み、さらにＳｉ
を下記の範囲内で含有しているチタン合金。Ｓｉ（重量％）：０．０１・ｅ^0.5[Fe]〜５・ｅ
^-0.5[Fe]、ここで、［Ｆｅ］は合金中の含有率（重量％）を示し、
ｅは自然対数の底数を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の大気中にお
ける耐酸化性（以下、耐高温大気酸化性と記す）に優れ
た高強度、高延性チタン合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、軽量であるにもかかわら
ず高強度で、耐疲労特性や耐食性に優れているという特
長を有している。そのため、航空機部品、自動車部品、
スポーツやレジャー用具、人工骨などの医療用品および
化学工業の設備用部品など種々の用途に利用されてい
る。

【０００３】高強度で延性に優れたチタン合金として
は、「α＋β型」および「β型」があり、いずれもチタ
ンにＶ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＳｎおよびＦｅなどの成分
を添加することによって機械特性を改善した合金であ
る。

【０００４】Ｔｉ−５％Ａｌ−２．５％Ｆｅ合金は、高
価で生体毒性があるといわれている成分元素であるＶ
を、比較的安価で人体に無毒な元素であるＦｅで代替す
ることによって製造コストを低減した合金として知られ
ている。

【０００５】特開平１−２５２７４７号公報に、多量の
合金成分を含有させることなく強度と延性を改善した、
０．１〜０．８％のＦｅとＯ（酸素）、Ｎを含有するチ
タン合金が開示されている。

【０００６】国際公開ＷＯ９６／３３２９２号公報に、
Ａｌ、ＶおよびＭｏ等の製造コストを高める合金元素を
含有させないで強度と延性を改善した、０．９〜２．３
％のＦｅとＯ（酸素）、Ｎさらに必要によりＣｒ、Ｎｉ
を含有させたチタン合金が開示されている。

【０００７】しかし、これらの新しく開発された合金
は、高温での大気中で酸化し易いＦｅを多量に含んでい
る。そのため、耐高温大気酸化性に欠けている。

【０００８】ここでいう「高温」とは、「４００〜１１
００℃」のことであり、熱間加工および熱処理のための
加熱温度に相当している。

【０００９】耐高温大気酸化性が劣る場合、熱間圧延あ
るいは熱間鍛造などの熱間加工工程、または焼鈍や再結
晶を目的とした熱処理工程において、酸化スケールの生
成による歩留りの低下、加工製品の寸法精度の低下、加
工中の酸化スケールの巻き込みによる表面キズの発生等
の問題が生じる。

【００１０】大気酸化を抑制するための対策としては、
加熱前の合金表面への酸化抑制剤の塗布や、Ａｒガスな
どの不活性雰囲気中での加熱等があるが、いずれも労力
や設備を必要とし、製造コストを増大させるため実用的
ではない。

【００１１】TITANIUM '80,Proceedings of the Fourth
International Conference on Titanium,P.2755には、
チタンへのＺｒおよびＳｉの添加は大気酸化の抑制に有
効であることが報告されている。しかし、Ｆｅを含有さ
せた酸化し易いＴｉ合金の場合のＳｉの酸化抑制効果は
知られていなかった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、耐高
温大気酸化性に優れたＦｅを含有する高強度、高延性チ
タン合金を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】耐高温大気酸化性に優れ
た高強度、高延性チタン合金に係わる本発明の要旨は以
下の通りである。

【００１４】重量％で、Ｆｅ：１％超え５％以下、Ｏ
（酸素）：０．０５〜０．７５％を含み、さらにＳｉを
下記の範囲内で含有している高温の大気中における耐酸
化性に優れた高強度、高延性チタン合金。

【００１５】Ｓｉ（重量％）：０．０１・ｅ^0.5[Fe]〜
５・ｅ^-0.5[Fe] ここで、［Ｆｅ］は合金中の含有率（重量％）を示し、
ｅは自然対数の底数を示す。

【００１６】本発明者らは、Ｆｅを含有する酸化し易い
チタン合金の耐高温大気酸化性を改善するために種々実
験検討を行った結果、下記の知見を得た。

【００１７】ａ）Ｆｅ含有チタン合金にＳｉを含有させ
た場合、Ｓｉの耐高温大気酸化性向上効果は、Ｆｅ含有
率に影響される。

【００１８】ｂ）耐高温大気酸化性を改善する効果を得
るに必要なＳｉの含有率の下限は、Ｆｅ含有率が増加す
るにしたがって増加する。しかし、Ｓｉの含有率の上限
は、Ｆｅ含有率が増加するにしたがい低減させなければ
延性が劣化する。

【００１９】ｃ）すなわち、Ｓｉの含有率を０．０１・
ｅ0.5[Fe]〜５・ｅ-0.5[Fe]の範囲とすることにより耐
高温大気酸化性が得られ、かつ延性も確保できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のチタン合金について化学
組成を限定した理由について以下に説明する。なお、化
学組成の％表示は重量％を示す。

【００２１】Ｆｅ：Ｆｅは、欠くことのできない重要な
合金元素である。Ｆｅは、チタンの母相であるα相中に
β相あるいはＴｉＦｅ相を形成する作用があり、合金の
組織を多相化することによって強度を高める。

【００２２】この効果を発揮させるためには、１％を超
える量のＦｅを含有させる必要がある。一方、Ｆｅ含有
率が５％を超えると延性が著しく低下する。したがっ
て、Ｆｅ含有率は、１％を超え、５％以下とした。強度
と延性のバランスを考慮すれば、好ましくは３．５％以
下である。

【００２３】Ｏ（酸素）：ＯもＦｅと同様に欠くことの
できない重要な元素である。Ｏは、固溶強化によって合
金の強度を向上させる作用がある。その効果を得るため
には、Ｏ含有率を０．０５％以上とする必要がある。し
かし、０．７５％を超えると、Ｏの固溶が過剰となり延
性が低下する。したがって、Ｏ含有率は０．０５〜０．
７５％とした。強度と延性のバランスを考慮すれば、好
ましくは０．１〜０．６％である。

【００２４】Ｓｉ：Ｓｉは、本発明の合金において重要
な元素であり、緻密なＳｉ酸化物層を合金表面に形成
し、酸素の合金への侵入を抑制して耐高温大気酸化性の
向上に寄与する。また、合金に固溶して強度を向上させ
る作用がある。

【００２５】高温大気酸化を抑制するためには、強固な
Ｓｉ酸化物層を合金表面に生成させて、酸素が合金に侵
入するのを防止しなければならない。Ｆｅ含有率の増加
にあわせてＦｅ酸化物の生成も活発となるため、Ｆｅ含
有率の増加に伴ってＳｉ含有率の下限を増加させる必要
がある。Ｓｉの耐高温大気酸化性および強度の向上効果
を得るためには、Ｓｉ含有率を０．０１・ｅ^0.5[Fe]％
以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有率が５・ｅ
^-0.5[Fe]％を超えると合金の延性が低下する。したがっ
て、Ｓｉ含有率は０．０１・ｅ^0.5[Fe]〜５・ｅ-
^0.5[Fe]とした。

【００２６】図１は、本発明で規定するＳｉとＦｅの含
有量の上記の関係を示す図である。なお、図中の符号
は、後述する実施例で用いたチタン合金の符号を示す。

【００２７】その他の元素：Ｆｅ、Ｏ（酸素）およびＳ
ｉ以外に、必要によりＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃおよ
びＮ等を含有させることができ、これらの作用および好
適な含有率は以下の通りである。

【００２８】Ａｌ：Ａｌは、固溶強化によって合金の強
度を向上させる作用があるので、合金の強度をさらに向
上させる必要がある場合にＡｌを添加するのがよい。

【００２９】この強度向上効果を得るためには、Ａｌ含
有率を０．０１％以上とするのが好ましい。ただし、Ａ
ｌ含有率が６．５％を超えると合金の延性が低下する。
したがって、Ａｌを含有させる場合は、０．０１〜６．
５％、好ましくは０．０１〜５％、さらに好ましくは
０．０１〜３．５％とする。

【００３０】Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣおよびＮ：これらの
元素も、いずれも合金に固溶し合金の強度を向上させる
作用がある。

【００３１】上記の効果を発揮させる必要がある場合に
は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣおよびＮはいずれも０．０１
％以上含有させるのが好ましい。ただし、Ｃｒ、Ｍｎお
よびＮｉの含有率が０．５％、ＣおよびＮの含有率が
０．２％をそれぞれ超えると、これらの元素の固溶が過
剰になるので、合金の延性が低下する。

【００３２】

【実施例】非消耗電極式アーク溶解法によって、表１に
示す化学組成の長さ８５ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ１５ｍ
ｍの鋳塊を溶製した。

【００３３】

【表１】

【００３４】これら１６種の鋳塊を９５０℃に加熱した
後、熱間圧延して厚さ３ｍｍの板とした。次いで、熱間
圧延した板を８５０℃に加熱し、３０分間保持する大気
中での焼鈍を施した。板表面を切削加工してチタン合金
板の表面に生成した酸化スケールを除去して厚さ２ｍｍ
の板とし、下記する常温引張試験および耐高温大気酸化
性の評価試験を実施した。

【００３５】表１に示す符合１〜１０は本発明例で、符
合Ａ〜Ｆは比較例である。表１に示した合金のＦｅとＳ
ｉとの含有率の関係は、図１に示した通りである。

【００３６】各試験条件および測定項目は以下の通りと
した。

【００３７】（１）常温引張試験試験法：ＪＩＳＺ２２４１の規定による試験片：板状試験片（ＪＩＳＺ２２０１に規定されて
いる１３号Ｂの１／２サイズ、厚さ２ｍｍ）測定：引張強さ、伸び（２）耐高温大気酸化性の評価試験試験片：板状試験片（長さ２５ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚
さ２ｍｍ）加熱条件：９００℃、１時間、大気中（アルミナ製容器
に試験片を入れ、発熱体式電気炉内で加熱保持）測定：酸化増量（電子天秤による加熱前後の重量変化
の測定）測定結果を表１にまとめて示す。表中の各評価の基準は
以下の通りとした。

【００３８】引張強さ ○：８００ＭＰａ以上伸び ○：５％以下、▲：：５％未満耐酸化性 ◎：１０ｇ／ｍ²、○：２０ｇ／ｍ²、▲：１００ｇ／ｍ
²以上表１より明らかなように、本発明例の符合１〜１０につ
いては、酸化増量が１０ｇ／ｍ²以下であり、耐高温大
気酸化性に優れている。

【００３９】また、引張試験における引張強さは８００
ＭＰａ以上、伸びは６％以上で、いずれも実用上十分な
性能である。

【００４０】一方、比較例の試料Ａ〜Ｆは、酸化増量お
よび伸びのどちらか劣っている。

【００４１】試料Ａ〜ＣはＳｉ含有率が低すぎるので、
いずれも酸化増量が１００ｇ／ｍ²以上と大きい。ま
た、試料Ｄ〜ＦはＳｉ含有率が高すぎるので、伸びが３
％以下と低くなっている。

【００４２】

【発明の効果】本発明の合金は、Ｆｅを含有しており酸
化し易いにもかかわらず、耐高温大気酸化性に優れてお
り、また強度、延性にも優れている。したがって、酸化
による歩留まり低下が激減し、加熱中に発生したスケー
ルに起因する圧延中の押し込み表面キズの発生もないの
で、品質のよいチタン合金製品を安価に製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で規定するＳｉとＦｅの含有率の関係を
示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｆｅ：１％超え５％以下、Ｏ
（酸素）：０．０５〜０．７５％を含み、さらにＳｉを
下記の範囲内で含有していることを特徴とする高温の大
気中における耐酸化性に優れた高強度、高延性チタン合
金。Ｓｉ（重量％）：０．０１・ｅ^0.5[Fe]〜５・ｅ
^-0.5[Fe] ここで、［Ｆｅ］は合金中の含有率（重量％）を示し、
ｅは自然対数の底数を示す。