JP2023092454A - Titanium alloy, titanium alloy bar, titanium alloy plate, and engine valve - Google Patents
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Abstract
【課題】延性を維持し、疲労特性に優れたチタン合金、チタン合金棒、チタン合金板及びエンジンバルブを提供する。
【解決手段】Ti-5Al-2Fe-3Mo系あるいはTi-6Al-4V系のα+β型チタン合金において、α相とβ相からなる2相組織を有し、断面中のAl、Fe、Mo、Vの元素濃度の偏析異常部の最大面積が2000μm2以下である。断面中のAl、Fe、Mo、Vの元素濃度の偏析異常部とは、EPMA面分析において、AlおよびFeが平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%、Vが平均値±2質量%を外れた測定点が隣接する点の集合体を意味する。これにより、疲労特性と延性に優れたチタン合金、チタン合金棒、チタン合金板及びエンジンバルブを提供することができる。
【選択図】なし
A titanium alloy, a titanium alloy rod, a titanium alloy plate, and an engine valve that maintain ductility and have excellent fatigue properties are provided.
Kind Code: A1 A Ti-5Al-2Fe-3Mo or Ti-6Al-4V system α+β type titanium alloy has a two-phase structure consisting of an α phase and a β phase, and Al, Fe, Mo, and V in a cross section. The maximum area of the segregation abnormality part of the element concentration is 2000 μm 2 or less. The segregation abnormal part of the element concentration of Al, Fe, Mo, and V in the cross section is an EPMA surface analysis in which the average value of Al and Fe is ± 1% by mass, the average value of Mo is ± 1.5% by mass, and the average value of V is A set of adjacent measurement points outside the value ±2% by weight is meant. As a result, it is possible to provide a titanium alloy, a titanium alloy rod, a titanium alloy plate, and an engine valve that are excellent in fatigue properties and ductility.
[Selection figure] None
Description
本発明は、チタン合金、チタン合金棒、チタン合金板及びエンジンバルブに関するものである。 The present invention relates to titanium alloys, titanium alloy rods, titanium alloy plates and engine valves.
チタン合金は、軽量でありながら高強度で耐食性も良好であることから様々な分野に適用されている。中でもTi-6Al-4Vに代表されるα+β型チタン合金は、強度、延性、靭性などの機械的性質のバランスに優れ、以前から宇宙・航空分野で広く使われ、近年では自動車部品への適用も進んでいる。 Titanium alloys are used in various fields because they are lightweight, have high strength, and have good corrosion resistance. Among them, α + β type titanium alloy represented by Ti-6Al-4V has an excellent balance of mechanical properties such as strength, ductility and toughness, and has been widely used in the space and aviation fields for a long time, and in recent years it has also been applied to automobile parts. progressing.
一方、より優れた特性を有し、低コストのα+β型チタン合金が要請されていた。 On the other hand, there has been a demand for a low-cost α+β type titanium alloy with better properties.
特許文献1には、質量%で、4.4%以上5.5%未満のAl、1.4%以上2.1%未満のFe、1.5以上5.5%未満のMoを含有し、不純物として、Siが0.1%未満、Cが0.01%未満に抑制され、残部Tiおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高強度α+β型チタン合金が開示されている。Al、Feを含むα+β型チタン合金に、適量のMoを添加することによって高強度、高延性でかつ熱間加工性および冷間加工性に優れ、さらに第4元素を添加することにより耐食性に優れたα+β型チタン合金を見出したものである。 In Patent Document 1, in mass%, 4.4% or more and less than 5.5% of Al, 1.4% or more and less than 2.1% of Fe, and 1.5% or more and less than 5.5% of Mo , a high-strength α+β-type titanium alloy characterized by containing less than 0.1% of Si and less than 0.01% of C as impurities, with the remainder consisting of Ti and unavoidable impurities. By adding an appropriate amount of Mo to an α+β type titanium alloy containing Al and Fe, high strength, high ductility, and excellent hot workability and cold workability are obtained. We have found an α+β type titanium alloy.
特許文献2には、質量%で、4.4%以上5.5%未満のAl、1.4%以上2.1%未満のFe、2.5%以上5%未満のMoを含有し、不純物としてSiが0.1%未満、Cが0.01%未満に抑制され、残部Ti及び不可避的不純物からなるα+β型チタン合金部材であって、初析α相粒の面積率「A」が5%以上49%未満でヤング率が75GPa以上100GPa未満であることを特徴とする、引張強度が1000MPa級以上のα+β型チタン合金部材が開示されている。これにより、比較的安価な合金組成からなるα+β型チタン合金を用いて、β型チタン合金に匹敵する或いは通常のα+β型チタン合金よりも低い、75GPa以上100GPa未満のヤング率を有する引張強度が1000MPa級以上のα+β型チタン合金部材およびその製造方法を提供できるとともに、合金組成を変えることなく、ヤング率が75~125GPaとなるように、より広範囲にヤング率を調整できる引張強度が1000MPa級以上のα+β型チタン合金部材の製造方法を提供できる。 In Patent Document 2, by mass%, it contains 4.4% or more and less than 5.5% of Al, 1.4% or more and less than 2.1% of Fe, and 2.5% or more and less than 5% of Mo, An α+β-type titanium alloy member containing less than 0.1% Si and less than 0.01% C as impurities, the balance being Ti and unavoidable impurities, wherein the area ratio "A" of proeutectoid α-phase grains is An α+β type titanium alloy member having a tensile strength of 1000 MPa or more, characterized by a Young's modulus of 5% or more and less than 49% and a Young's modulus of 75 GPa or more and less than 100 GPa is disclosed. As a result, by using an α + β type titanium alloy having a relatively inexpensive alloy composition, it is possible to obtain a Young's modulus of 75 GPa or more and less than 100 GPa, which is comparable to a β type titanium alloy or lower than a normal α + β type titanium alloy, and a tensile strength of 1000 MPa It is possible to provide an α+β type titanium alloy member of grade or higher and a method for manufacturing the same, and to adjust the Young's modulus in a wider range so that the Young's modulus is 75 to 125 GPa without changing the alloy composition. A method for manufacturing an α+β type titanium alloy member can be provided.
特許文献3には、1.4%以上2.1%未満のFe、4.4%以上5.5%未満のAl、残部チタンおよび不純物からなるα+β型チタン合金、あるいは、Feの一部を0.15%未満のNi、0.25%未満のCr、0.25%未満のMnで代替したα+β型チタン合金、または、0.05%以上0.25%未満のSiをさらに含有したα+β型チタン合金が開示されている。従来と同等の疲労強度に加え、従来よりも優れた熱間あるいは冷間加工性を有するAl-Fe系α+β型チタン合金を提供できる。 In Patent Document 3, an α + β type titanium alloy composed of 1.4% or more and less than 2.1% Fe, 4.4% or more and less than 5.5% Al, and the balance titanium and impurities, or part of Fe α + β type titanium alloy substituted with less than 0.15% Ni, less than 0.25% Cr, less than 0.25% Mn, or α + β further containing 0.05% or more and less than 0.25% Si Type titanium alloys are disclosed. It is possible to provide an Al--Fe system α+β type titanium alloy having fatigue strength equivalent to that of the conventional one and superior hot or cold workability to the conventional one.
特許文献4には、0.5%以上1.4%未満のFe、4.4%以上5.5%未満のAl、残部チタンおよび不純物からなるα+β型チタン合金、あるいは、Feの一部を、0.15%未満のNi、0.25%未満のCr、0.25%未満のMnの1種以上で代替したα+β型チタン合金、あるいは、0.05%以上0.25%未満のSiをさらに含有したα+β型チタン合金が開示されている。この発明は、安定したばらつきの少ない疲労強度と、高い熱間加工性を有するチタン合金を提供できる。あるいはさらに高い耐クリープ特性をも具備したチタン合金を提供できる。 In Patent Document 4, an α + β type titanium alloy composed of 0.5% or more and less than 1.4% Fe, 4.4% or more and less than 5.5% Al, the balance titanium and impurities, or part of Fe , less than 0.15% Ni, less than 0.25% Cr, less than 0.25% Mn α + β type titanium alloy substituted with one or more, or 0.05% or more and less than 0.25% Si An α+β type titanium alloy is disclosed which further contains The present invention can provide a titanium alloy having stable and uniform fatigue strength and high hot workability. Alternatively, it is possible to provide a titanium alloy with even higher creep resistance.
特許文献5には、α相とβ相とによって形成されたα+β型チタン合金であって、組織中における平均円相当径が5μm以下かつ平均アスペクト比が3以上のα相の面積率が40%以下である、被削性に優れたα-β型チタン合金が開示されている。製造方法として、常法に従い、鋳片を熱間鍛造した後、加工熱処理を施して目的形状に加工した後、焼鈍を行う。 Patent Document 5 discloses an α+β type titanium alloy formed by an α phase and a β phase, in which the area ratio of the α phase having an average equivalent circle diameter of 5 μm or less and an average aspect ratio of 3 or more in the structure is 40%. The following α-β type titanium alloys with excellent machinability are disclosed. As a manufacturing method, according to a conventional method, a slab is hot forged, heat-mechanically processed into a desired shape, and then annealed.
特許文献6には、Feを0.1~2.5質量%含有し、針状あるいはラス状のミクロ組織(組織a)を有し、電子線マイクロアナライザ(EPMA)で分析した濃度分布においてFe濃度が平均濃度に対して1.5倍以上に濃化した部分の面積が5%以上であることを特徴とする、耐食性に優れたFe含有チタン材が開示されている。組織aを有するとともに上記Fe濃化部分を有することにより、チタン材の耐食性を高めることができる。 Patent document 6 contains 0.1 to 2.5% by mass of Fe, has a needle-like or lath-like microstructure (structure a), and has a concentration distribution of Fe An Fe-containing titanium material having excellent corrosion resistance is disclosed, characterized in that the area of the portion where the concentration is 1.5 times or more as high as the average concentration is 5% or more. By having the structure a and having the Fe-enriched portion, the corrosion resistance of the titanium material can be enhanced.
特許文献7には、所定の成分元素を有し、各元素の測定値の最大値CMAXと最小値CMINの差分ΔCが、0.2CMIN未満または0.04%未満であり、金属組織が、前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が10mm以下、かつ厚さの半分以下である、薄板や線材への加工が可能かつ容易なチタン塊が開示されている。しかし、元素濃度分析は通常の化学的分析手法を用いており、μm単位でのミクロ的な濃度ばらつきを評価するものではなく、疲労特性を含めた諸特性への影響についても言及していない。 Patent Document 7 has a predetermined component element, the difference ΔC between the maximum value C MAX and the minimum value C MIN of the measured value of each element is less than 0.2 C MIN or less than 0.04%, and the metal structure However, it discloses a titanium ingot that can be easily processed into a thin plate or a wire rod, and has a circle-equivalent average crystal grain size of 10 mm or less at the central portion in the thickness direction of the titanium ingot and less than half the thickness. . However, the elemental concentration analysis uses a normal chemical analysis method, does not evaluate microscopic concentration variations in units of μm, and does not refer to the effects on various characteristics including fatigue characteristics.
α+β型チタン合金において、さらなる疲労特性の向上が求められている。特に、棒材を素材として切削加工などにより製品を製造するエンジンバルブの疲労破壊において早期の破壊を抑制することが望まれている。また、疲労特性を向上させるために高強度化すると延性が低下し、素材に室温で変形が加わると破断、もしくは破断せずとも内部にボイドを形成するなどの懸念があり、扱いが難しくなる。そのため、室温で十分な延性を有することも求められる。 There is a demand for further improvement in fatigue properties of α+β type titanium alloys. In particular, it is desired to suppress early fracture in the fatigue fracture of engine valves, which are manufactured by cutting a bar as a raw material. In addition, if the strength is increased to improve fatigue properties, ductility will decrease, and if the material is deformed at room temperature, there is a concern that it will break, or even if it does not break, voids will form inside, making it difficult to handle. Therefore, it is also required to have sufficient ductility at room temperature.
本発明は、延性を維持し、疲労特性に優れたチタン合金、チタン合金棒、チタン合金板及びエンジンバルブを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a titanium alloy, a titanium alloy rod, a titanium alloy plate, and an engine valve that maintain ductility and have excellent fatigue properties.
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
[1]α相とβ相からなる2相組織を有し、2.5質量%以上のAlと、Al以外の1種類以上の主要元素を少なくとも0.8質量%以上含有し、断面中の主要元素濃度の偏析異常部の最大面積が2000μm2以下であるチタン合金。
ここで、主要元素とはAl、Fe、Mo、Vであり、断面中の主要元素濃度の偏析異常部とは、EPMA面分析において、Mo、V以外の主要元素が平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%、Vが平均値±2%を外れた測定点が隣接する点の集合体を意味する。
[2]質量%にて、Al:4.5~6.5%、Fe:1.4~2.3%、Mo:1.5~5.5%を含有し、OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、[1]に記載のチタン合金。
[3]質量%にて、Al:5.0~7.0%、V:3.5~5.0%、OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、[1]に記載のチタン合金。
[4]質量%にて、Al:4.5~6.5%、Fe:0.8~2.3%、Si:0.0~0.50%、OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、[1]に記載のチタン合金。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] It has a two-phase structure consisting of an α phase and a β phase, contains 2.5% by mass or more of Al and at least 0.8% by mass of one or more main elements other than Al, and has a cross section A titanium alloy in which the maximum area of the segregation anomaly in the main element concentration is 2000 μm 2 or less.
Here, the main elements are Al, Fe, Mo, and V, and the segregation abnormal portion of the main element concentration in the cross section is an EPMA surface analysis in which the main elements other than Mo and V have an average value of ± 1% by mass, Means a collection of adjacent measurement points where Mo is outside the average ±1.5% by mass and V is outside the average ±2%.
[2] In mass%, Al: 4.5 to 6.5%, Fe: 1.4 to 2.3%, Mo: 1.5 to 5.5%, O and N are total The titanium alloy according to [1], wherein the content is 0.25% or less, and the balance is Ti and impurities.
[3] In mass%, Al: 5.0 to 7.0%, V: 3.5 to 5.0%, the total of O and N is 0.25% or less, and the balance consists of Ti and impurities , the titanium alloy according to [1].
[4] In mass%, Al: 4.5 to 6.5%, Fe: 0.8 to 2.3%, Si: 0.0 to 0.50%, O and N total 0.25 % or less, the balance being Ti and impurities, the titanium alloy according to [1].
[5][1]~[4]のいずれか1つに記載のチタン合金からなるチタン合金棒。
[6]針状組織の割合が80面積%以下である[5]に記載のチタン合金棒。
ここで針状組織の割合は、チタン合金棒の軸に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。
[5] A titanium alloy rod made of the titanium alloy according to any one of [1] to [4].
[6] The titanium alloy rod according to [5], wherein the ratio of the needle-like structure is 80 area % or less.
Here, the ratio of the needle-like structure is obtained by performing EBSD evaluation on the cross section perpendicular to the axis of the titanium alloy rod, and obtaining the crystal grain size with the misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement result. If the ratio of the needle-like structure is 100% by area, and if the average crystal grain size is less than 100 μm, extract data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average, and extract the aspect ratio (length An α-grain having a ratio of axis/minor axis) of 3 or less is defined as an equiaxed α-grain, and the ratio of the area occupied by other than the equiaxed α-grain to the total measured area is defined as the acicular structure ratio.
[7][1]~[4]のいずれか1つに記載のチタン合金からなるチタン合金板。
[8]針状組織の割合が80面積%以下である[7]に記載のチタン合金板。
ここで針状組織の割合は、チタン合金板の圧延方向に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。
[7] A titanium alloy plate made of the titanium alloy according to any one of [1] to [4].
[8] The titanium alloy plate according to [7], wherein the ratio of the needle-like structure is 80 area % or less.
Here, the ratio of the needle-like structure is obtained by performing EBSD evaluation on a cross section perpendicular to the rolling direction of the titanium alloy plate, obtaining the crystal grain size with a misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement result, and obtaining an average crystal grain size of 100 μm or more. In the case of , the ratio of the acicular structure is set to 100% by area, and when the average grain size is less than 100 μm, data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average is extracted, and the aspect ratio ( α-grains having a long axis/minor axis) of 3 or less are defined as equiaxed α-grains, and the ratio of the area occupied by other than the equiaxed α-grains to the total measured area is defined as the acicular texture ratio.
[9][1]~[4]のいずれか1つに記載のチタン合金からなるエンジンバルブ。
[10]針状組織の割合が80面積%以下である[9]に記載のエンジンバルブ。
ここで針状組織の割合は、エンジンバルブの軸に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。
[9] An engine valve made of the titanium alloy according to any one of [1] to [4].
[10] The engine valve according to [9], wherein the acicular structure has a ratio of 80 area % or less.
Here, the ratio of the acicular structure is obtained by performing an EBSD evaluation on a cross section perpendicular to the axis of the engine valve, obtaining the crystal grain size with a misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement results, and when the average crystal grain size is 100 μm or more. is assumed to be 100% by area of the acicular structure, and when the average crystal grain size is less than 100 μm, data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average is extracted, and the aspect ratio (major axis /minor axis) is 3 or less, and the area ratio occupied by other than the equiaxed α grains to the total measured area is defined as the ratio of the acicular structure.
本発明は、α+β型チタン合金において、α相とβ相からなる2相組織を有し、断面中のAl、Fe、Mo、V等の主要元素濃度の偏析異常部の最大サイズが2000μm2以下であることにより、疲労特性に優れたチタン合金、チタン合金棒、チタン合金板及びエンジンバルブを提供することができる。 The present invention provides an α+β type titanium alloy having a two-phase structure consisting of an α phase and a β phase, and having a maximum size of segregation anomaly in the main element concentration of Al, Fe, Mo, V, etc. in the cross section of 2000 μm 2 or less. Therefore, it is possible to provide a titanium alloy, a titanium alloy rod, a titanium alloy plate, and an engine valve having excellent fatigue properties.
《チタン合金の組成》
本発明で規定する合金組成は、製品全体の平均的な分析値である。分析試料は表層1mmを除去し、残部全体から試料を均等に採取して分析することとする。分析方法は、金属元素では誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法、Oでは不活性ガス溶融赤外線吸収法、NおよびHでは不活性ガス溶融熱伝導度法、Cでは高周波燃焼赤外線吸収法を用いる。以下、合金組成についての%は質量%を意味する。
<<Composition of Titanium Alloy>>
The alloy composition specified in the present invention is an average analytical value for the entire product. 1 mm of the surface layer is removed from the sample for analysis, and the sample is evenly sampled from the entire remaining portion for analysis. The analysis methods are inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry for metal elements, inert gas fusion infrared absorption method for O, inert gas fusion thermal conductivity method for N and H, and high frequency combustion infrared absorption method for C. Hereinafter, % in the alloy composition means % by mass.
《α+β型チタン合金》
本発明が対象とするチタン合金は第1に、広くα+β型チタン合金である。α+β型チタン合金は、α相とβ相からなる2相組織を有し、合金中に2.5質量%以上のAl添加がなされ、さらにFe,V,Moの少なくとも1種類以上を0.8質量%以上含有するチタン合金である。具体的には、AMSの規格に記載されるTi-6Al-4V(ELI)、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-8Al-1V-1Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Moなどのチタン合金をはじめ、Ti-5Al-1Fe、Ti-5Al-1.5Fe-0.25Si、Ti-5Al-2Fe-3Mo、Ti-8Al-1Fe-1Nb-0.15Siなどのチタン合金が該当する。本発明はこれらのα+β型チタン合金をいずれも包含する。
《α+β type titanium alloy》
The titanium alloys targeted by the present invention are primarily α+β type titanium alloys. The α+β type titanium alloy has a two-phase structure consisting of an α phase and a β phase, and 2.5% by mass or more of Al is added to the alloy. It is a titanium alloy containing more than mass %. Specifically, Ti-6Al-4V (ELI), Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-8Al-1V-1Mo, Ti-6Al described in the AMS standard -2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo and other titanium alloys, as well as Ti-5Al-1Fe and Ti-5Al-1.5Fe-0.25Si , Ti-5Al-2Fe-3Mo and Ti-8Al-1Fe-1Nb-0.15Si. The present invention includes any of these α+β type titanium alloys.
《Ti-5Al-2Fe-3Mo系合金》
本発明が対象とするチタン合金組成は第2に、Al:4.5-6.5%、Fe:1.4-2.3%、Mo:1.5-5.5%を含有するα+β型チタン合金であり、以下「Ti-5Al-2Fe-3Mo系合金」と呼ぶ。Ti-5Al-2Fe-3Mo系合金は、溶体化状態において汎用のTi-6Al-4V以上の高強度を得ることができ、比較的安価な元素を利用できる成分系である。特許文献1、特許文献2に記載のチタン合金と近似する成分組成のチタン合金である。
<<Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy>>
The second titanium alloy composition targeted by the present invention is α+β containing Al: 4.5-6.5%, Fe: 1.4-2.3%, Mo: 1.5-5.5% type titanium alloy, hereinafter referred to as "Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy". A Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy is a component system that can obtain a strength higher than that of general-purpose Ti-6Al-4V in a solution state, and that can utilize relatively inexpensive elements. It is a titanium alloy having a composition similar to that of the titanium alloys described in Patent Documents 1 and 2.
(Al:4.5~6.5%)
Alは含有量が増えるほど高強度となる。また、α相とβ相の比率制御や、脆化の原因となるω相の析出を抑制するなどの効果を持つ。そのため、Alを4.5%以上添加することがよく、より好ましくは4.8%以上である。添加しすぎると、熱間加工性が低下するため、上限は6.5%とする。より好ましくは6.0%以下である。
(Al: 4.5-6.5%)
The higher the Al content, the higher the strength. It also has effects such as controlling the ratio of α phase and β phase and suppressing precipitation of ω phase that causes embrittlement. Therefore, the Al content is preferably 4.5% or more, more preferably 4.8% or more. The upper limit is made 6.5% because if too much is added, the hot workability deteriorates. More preferably, it is 6.0% or less.
(Fe:1.4~2.3%)
Feは含有量が増えるほど高強度となる。また、高温でのβ相率が大きくなり、熱間加工性が改善されるため、Feを1.4%以上添加する。より好ましくは1.8%以上である。一方、添加しすぎると、大型鋳塊では偏析が顕著となり、以降の工程で偏析を緩和する処置をしても偏析は解消されない。そのため、Feの添加量の上限は2.3%とする。より好ましくは2.1%以下である。
(Fe: 1.4-2.3%)
The higher the Fe content, the higher the strength. In addition, 1.4% or more of Fe is added because the β phase ratio at high temperatures is increased and the hot workability is improved. More preferably, it is 1.8% or more. On the other hand, if too much is added, segregation will become noticeable in large ingots, and the segregation will not be eliminated even if measures are taken to alleviate the segregation in subsequent steps. Therefore, the upper limit of the amount of Fe added is set to 2.3%. More preferably, it is 2.1% or less.
(Mo:1.5~5.5%)
Moは含有量が増えるほど高強度となる。また、高温でのβ相率が大きくなり、熱間加工性が改善されるため、Moを1.5%以上添加する。より好ましくは2.0%以上である。一方、添加しすぎると、大型鋳塊では偏析が顕著となり、以降の工程で偏析を緩和する処置をしても偏析は解消されない。そのため、Moの添加量の上限は5.5%とする。より好ましくは4.5%以下である。
(Mo: 1.5-5.5%)
The higher the Mo content, the higher the strength. In addition, 1.5% or more of Mo is added because the β phase ratio at high temperatures is increased and the hot workability is improved. More preferably, it is 2.0% or more. On the other hand, if too much is added, segregation will become noticeable in large ingots, and the segregation will not be eliminated even if measures are taken to alleviate the segregation in subsequent steps. Therefore, the upper limit of the amount of Mo added is set to 5.5%. More preferably, it is 4.5% or less.
(O、N、C、H)
O、N、C、Hは不純物元素としてチタン合金中に含まれる。
OとNは強度を増加させるが、延性を低下させる。そのため、OとNの合計で0.25%以下とする。実用的には含有されるN量は少なく、Oの方が多い。下限は特に制限されないが、強度確保のためには総和で0.05%以上とすると好ましい。
Cも含有量が増加すると強度が増加し、延性が低下するとともに、熱間加工性が低下する。そのため、好ましくは0.05%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.001%以上である。
Hは、含有量が多いと脆化を引き起こす元素であり、脆化を起こさないために好ましくは0.013%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.0001%以上である。
(O, N, C, H)
O, N, C, and H are contained in the titanium alloy as impurity elements.
O and N increase strength but decrease ductility. Therefore, the total content of O and N is set to 0.25% or less. Practically, the amount of N contained is small, and the amount of O is large. Although the lower limit is not particularly limited, it is preferable that the sum is 0.05% or more in order to secure the strength.
As the C content increases, the strength increases, the ductility decreases, and the hot workability decreases. Therefore, it is preferably 0.05% or less. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.001% or more.
H is an element that causes embrittlement when contained in a large amount, and is preferably 0.013% or less to prevent embrittlement. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.0001% or more.
《Ti-6Al-4V系合金》
本発明が対象とするチタン合金組成は第3に、Al:5.0~7.0%、V:3.5~5.0%を含有するα+β型チタン合金であり、以下「Ti-6Al-4V系合金」と呼ぶ。一般にTi-6Al-4Vと呼ばれる代表的なα+βチタン合金を包含する成分系である。
<<Ti-6Al-4V alloy>>
The third titanium alloy composition targeted by the present invention is an α+β type titanium alloy containing 5.0 to 7.0% Al and 3.5 to 5.0% V, hereinafter referred to as “Ti-6Al "-4V alloy". It is a component system that includes a representative α+β titanium alloy commonly referred to as Ti-6Al-4V.
(Al:5.0~7.0%)
Alは添加するほど高強度となる。また、α相とβ相の比率制御や、脆化の原因となるω相の析出を抑制するなどの効果を持つ。そのため、Alを5.0%以上添加することがよく、より好ましくは5.5%以上である。添加しすぎると、熱間加工性が低下するため、Al含有量の上限は7.0%とする。より好ましくは6.5%以下である。
(Al: 5.0-7.0%)
The more Al is added, the higher the strength. It also has effects such as controlling the ratio of α phase and β phase and suppressing precipitation of ω phase that causes embrittlement. Therefore, Al is preferably added in an amount of 5.0% or more, more preferably 5.5% or more. If too much is added, the hot workability deteriorates, so the upper limit of the Al content is made 7.0%. More preferably, it is 6.5% or less.
(V:3.5~5.0%)
Vは添加するほど高強度となる。また、高温でのβ相率が大きくなり、熱間加工性が改善されるため、Vを3.0%以上添加する。より好ましくは3.5%以上である。一方、添加量が多くなるとコストアップするため、V添加量の上限は5.0%とする。より好ましくは4.5%以下である。
(V: 3.5-5.0%)
The more V is added, the higher the strength. Also, 3.0% or more of V is added because the β phase ratio at high temperatures increases and the hot workability is improved. More preferably, it is 3.5% or more. On the other hand, if the added amount increases, the cost increases, so the upper limit of the added amount of V is set to 5.0%. More preferably, it is 4.5% or less.
(O、N、C、H)
OとNは強度を増加させるが、延性を低下させる。そのため、総和で0.25%以下とする。実用的には含有されるN量は少なく、Oの方が多い。強度確保のためには総和で0.05%以上が必要である。
Cも添加量が増加すると強度が増加し、延性が低下するとともに、熱間加工性が低下する。そのため、0.05%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.001%以上である。
Hは、添加量が多いと脆化を引き起こす元素であり、脆化を起こさないために0.013%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.0001%以上である。
(O, N, C, H)
O and N increase strength but decrease ductility. Therefore, the sum is set to 0.25% or less. Practically, the amount of N contained is small, and the amount of O is large. In order to secure the strength, the sum total must be 0.05% or more.
When the amount of C added increases, the strength increases, the ductility decreases, and the hot workability decreases. Therefore, it is made 0.05% or less. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.001% or more.
H is an element that causes embrittlement when added in a large amount. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.0001% or more.
《Ti-5Al-1.5Fe―Si系合金》
本発明が対象とするチタン合金組成は第4に、Al:4.5~6.5%、Fe:0.8~2.3%、Si:0.0~0.50%を含有するα+β型チタン合金であり、以下「Ti-5Al-1.5Fe―Si系合金」と呼ぶ。特許文献3、4に記載のα+β型チタン合金を包含する成分系である。
<<Ti-5Al-1.5Fe-Si alloy>>
Fourth, the titanium alloy composition targeted by the present invention is α+β containing Al: 4.5 to 6.5%, Fe: 0.8 to 2.3%, Si: 0.0 to 0.50%. type titanium alloy, hereinafter referred to as "Ti-5Al-1.5Fe-Si alloy". It is a component system including the α+β type titanium alloy described in Patent Documents 3 and 4.
(Al:4.5~6.5%)
Alは含有量が増えるほど高強度となる。また、α相とβ相の比率制御や、脆化の原因となるω相の析出を抑制するなどの効果を持つ。そのため、Alを4.5%以上添加することがよく、より好ましくは4.8%以上である。添加しすぎると、熱間加工性が低下するため、上限は6.5%とする。より好ましくは6.0%以下である。
(Al: 4.5-6.5%)
The higher the Al content, the higher the strength. It also has effects such as controlling the ratio of α phase and β phase and suppressing precipitation of ω phase that causes embrittlement. Therefore, the Al content is preferably 4.5% or more, more preferably 4.8% or more. The upper limit is made 6.5% because if too much is added, the hot workability deteriorates. More preferably, it is 6.0% or less.
(Fe:0.8~2.3%)
Feは含有量が増えるほど高強度となる。また、高温でのβ相率が大きくなり、熱間加工性が改善されるため、Feを0.8%以上添加する。より好ましくは1.0%以上である。一方、添加しすぎると、大型鋳塊では偏析が顕著となり、以降の工程で偏析を緩和する処置をしても偏析は解消されない。そのため、Feの添加量の上限は2.3%とする。より好ましくは2.1%以下である。
(Fe: 0.8-2.3%)
The higher the Fe content, the higher the strength. In addition, 0.8% or more of Fe is added because the β phase ratio at high temperatures is increased and the hot workability is improved. More preferably, it is 1.0% or more. On the other hand, if too much is added, segregation will become noticeable in large ingots, and the segregation will not be eliminated even if measures are taken to alleviate the segregation in subsequent steps. Therefore, the upper limit of the amount of Fe added is set to 2.3%. More preferably, it is 2.1% or less.
(Si:0.0~0.50%)
Siは含有量が増えるほど高強度となる。また、高温での酸化が抑制されるため、必要に応じて添加される。一方、添加しすぎると、大型鋳塊では粗大な析出物を生じることで疲労破壊の起点となる。そのため、Siの添加量の上限は0.5%とする。より好ましくは0.4%以下である。Siは含有しなくても良い。
(Si: 0.0 to 0.50%)
The higher the Si content, the higher the strength. In addition, it is added as necessary because it suppresses oxidation at high temperatures. On the other hand, if too much is added, coarse precipitates are generated in large ingots, which become starting points of fatigue fracture. Therefore, the upper limit of the amount of Si added is set to 0.5%. More preferably, it is 0.4% or less. Si does not have to be contained.
(O、N、C、H)
O、N、C、Hは不純物元素としてチタン合金中に含まれる。
OとNは強度を増加させるが、延性を低下させる。そのため、OとNの合計で0.25%以下とする。実用的には含有されるN量は少なく、Oの方が多い。下限は特に制限されないが、強度確保のためには総和で0.05%以上とすると好ましい。
Cも含有量が増加すると強度が増加し、延性が低下するとともに、熱間加工性が低下する。そのため、好ましくは0.05%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.001%以上である。
Hは、含有量が多いと脆化を引き起こす元素であり、脆化を起こさないために好ましくは0.013%以下とする。下限は特に制限されないが、実質的には0.0001%以上である。
(O, N, C, H)
O, N, C, and H are contained in the titanium alloy as impurity elements.
O and N increase strength but decrease ductility. Therefore, the total content of O and N is set to 0.25% or less. Practically, the amount of N contained is small, and the amount of O is large. Although the lower limit is not particularly limited, it is preferable that the sum is 0.05% or more in order to secure the strength.
As the C content increases, the strength increases, the ductility decreases, and the hot workability decreases. Therefore, it is preferably 0.05% or less. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.001% or more.
H is an element that causes embrittlement when contained in a large amount, and is preferably 0.013% or less to prevent embrittlement. Although the lower limit is not particularly limited, it is substantially 0.0001% or more.
《その他の元素含有量:0.5%未満》
上記第2~第4のチタン合金いずれも、上記記載した元素以外の不純物として混入する可能性が高い元素は、Sn、Ni、Cr、Mn、Zr、Nb、Cu、(Si、V、Mo)がある。これらは原料からの混入の可能性があり、特にスクラップや低級のスポンジチタンなどの原料を使用した場合に混入する。これらは含有量が多くなる懸念があることから管理することが望ましい元素である。これら元素含有量を合計で0.5%未満(好ましくは0.3%未満)、各元素個別では0.1%以下とすると好ましい。また、そのほかにも、耐食合金に含有される他の白金族などの元素もあるが、これらは機械的特性への影響が小さいため、混入しても問題がないため管理する必要はない。その他の元素は、汎用合金にはほとんど含有されていないため、スクラップからの混入の可能性は低く、スポンジチタンなどからの混入も可能性として低い。
<<Other element content: less than 0.5%>>
In any of the second to fourth titanium alloys, elements that are likely to be mixed as impurities other than the elements described above are Sn, Ni, Cr, Mn, Zr, Nb, Cu, (Si, V, Mo) There is There is a possibility of contamination from raw materials, especially when raw materials such as scrap or low-grade sponge titanium are used. These are elements that should be controlled because there is a concern that their contents will increase. The total content of these elements is preferably less than 0.5% (preferably less than 0.3%), and the individual content of each element is preferably 0.1% or less. In addition, there are elements such as other platinum group elements contained in corrosion resistant alloys, but since these have little effect on mechanical properties, there is no problem even if they are mixed, so there is no need to control them. Since other elements are hardly contained in general-purpose alloys, the possibility of contamination from scrap is low, and the possibility of contamination from sponge titanium or the like is also low.
《チタン合金の結晶組織(1)》
本発明の成分組成を有するチタン合金はα+β型チタン合金であり、チタン合金中にα相とβ相を有する。
α+β型チタン合金の成分範囲では、高温では、α相とβ相の二相となり、高温ほどβ相が増えるため、合金元素の分配はα相とβ相の間で生じ、室温では不安定なβ相となる。そのため、500℃以下の低温に保持される場合や、急冷されると、ω相やα’相やα’’相が形成される場合がある。これらは、形成されることでより硬質化し、室温での延性・靭性が低下する。そのため、室温での取り扱いには、過度な変形が加わらないようにするなどの注意が必要となる。特にω相の影響が大きい。α’相やα’’相はβ相が多い状態となる高温から急冷や、低温保持によって形成されるため、通常用いられる製法では、ほとんど形成されることはない。そのため、α’相やα’’相は仮に形成されても0.1%程度にもならず、影響することはない。したがって、ω相のみを確認すればよく、X線回折によってピークが確認されなければよい。X線回折は、Cu―KαもしくはCo-Kα線を用いて行う。2θは30~90°、スキャンのステップは0.01°で行う。
以上のとおり、X線回折によってω相が確認されない本発明のチタン合金は、α相とβ相からなる2相組織を有する。
<<Crystal structure of titanium alloy (1)>>
The titanium alloy having the chemical composition of the present invention is an α+β type titanium alloy, and has an α phase and a β phase in the titanium alloy.
In the composition range of α+β type titanium alloys, at high temperatures, there are two phases, the α and β phases, and the higher the temperature, the more the β phase. β phase. Therefore, when kept at a low temperature of 500° C. or less, or when rapidly cooled, ω phase, α′ phase, or α″ phase may be formed. As they are formed, they become harder and their ductility and toughness at room temperature decrease. Therefore, when handling at room temperature, care must be taken such as avoiding excessive deformation. In particular, the influence of the ω phase is large. Since the α' phase and α'' phase are formed by rapid cooling from a high temperature at which the β phase is abundant, or by holding at a low temperature, they are hardly formed by the usual production methods. Therefore, even if the α' phase and α'' phase are formed, they do not reach about 0.1% and have no effect. Therefore, only the ω phase should be confirmed, and no peak should be confirmed by X-ray diffraction. X-ray diffraction is performed using Cu-Kα or Co-Kα radiation. 2θ is 30 to 90°, and the scanning step is 0.01°.
As described above, the titanium alloy of the present invention, in which no ω phase is confirmed by X-ray diffraction, has a two-phase structure consisting of α phase and β phase.
《チタン合金の成分組成の均一性》
チタン合金が疲労破壊する原因は様々あるが、一例として、材料内部に強度差がある場合、同部が破壊起点となりやすい。また、その起点が大きいほど破壊に至りやすい。破壊起点が結晶粒単位である場合も多いが、それよりも大きな起点を生じることとなる。これにはいくつか原因があるが、その1つが合金の凝固時に生じる偏析である。特に、高強度化を目的とした合金では添加元素の量が多いため、偏析を生じやすい。製品の疲労破壊を防止するためには、製品における偏析が小さいことが望ましい。また、延性を維持するためにも、同様である。更に、生産性を向上させ、安価に提供するために大型鋳塊が一般的であるが、大型鋳塊は偏析を生じやすい。そこで、大型鋳塊を用いて製造した製品であっても合金元素の偏析を小さくすることにより、疲労特性が改善でき、延性も維持できるものと着想した。また、強度差に起因した現象であるため、強度差で確認することが望ましいが、チタンは異方性を有するため、硬さなどで評価しても、評価して得られた値が疲労負荷方向に対して有用な数値であるとは限らない。そこで、異方性に関係なく強度差を与える根源となる元素量を評価することが重要である。疲労破壊の起点となり、強度差を与える根源となる元素は、Al、Fe、Mo、Vという置換型強化元素であり、成分組成の均一性による疲労特性の改善の効果が確認された。本発明では、これらをチタン合金中の主要元素と呼称する。なお、拡散が容易であり、偏析を生じない侵入型強化元素は対象外と考えるが、他の置換型強化の合金元素を排除するものではない。
《Homogeneity of composition of titanium alloy》
There are various causes of fatigue fracture in titanium alloys, but as an example, if there is a difference in strength inside the material, the same portion is likely to become the starting point of fracture. Also, the larger the starting point, the more likely it is to break. In many cases, the starting point of fracture is the grain unit, but the starting point larger than that is generated. There are several causes for this, one of which is segregation that occurs during solidification of the alloy. In particular, alloys intended for high strength tend to have segregation because they contain a large amount of additive elements. In order to prevent fatigue failure of the product, it is desirable that the segregation in the product is small. The same is true for maintaining ductility. Furthermore, large ingots are generally used to improve productivity and provide low cost, but large ingots tend to cause segregation. Therefore, it was conceived that fatigue characteristics can be improved and ductility can be maintained by reducing the segregation of alloying elements even in products manufactured using large ingots. In addition, since it is a phenomenon caused by the difference in strength, it is desirable to confirm it by the difference in strength, but since titanium has anisotropy, even if it is evaluated by hardness etc., the value obtained by evaluation is the fatigue load. Not necessarily a useful number for the direction. Therefore, it is important to evaluate the amount of the element that is the source of the difference in strength regardless of the anisotropy. Elements that initiate fatigue fractures and cause differences in strength are substitution-type strengthening elements such as Al, Fe, Mo, and V, and the effect of improving fatigue characteristics due to the uniformity of the composition was confirmed. In the present invention, these are called main elements in the titanium alloy. Interstitial strengthening elements that diffuse easily and do not cause segregation are considered to be out of scope, but other alloying elements for substitution strengthening are not excluded.
大型鋳塊(ここでは少なくとも1ton以上)では特に凝固偏析が生じやすい。原料の配合などの偏りも偏析が発生する一因になると考えられる。これらは、数mmもしくはそれ以上の比較的大きく、長い距離にわたって(長距離)で形成されているため、熱処理による合金元素の拡散現象のみで均一化することは難しい。加工によるメタルフローと熱処理による拡散を共に活用する必要がある。 Solidification segregation is particularly likely to occur in large ingots (here, at least 1 ton or more). Unevenness in the blending of raw materials is also considered to be one of the causes of segregation. Since these are relatively large, several millimeters or more, and are formed over a long distance (long distance), it is difficult to homogenize them only by the diffusion phenomenon of the alloying elements due to heat treatment. It is necessary to utilize both the metal flow due to processing and the diffusion due to heat treatment.
特に、加工による断面積の減少は、熱処理での拡散距離を大幅に小さく、短くすることより、均一な元素分布を短時間の熱処理により得られやすくなる。 In particular, the reduction in the cross-sectional area due to processing significantly reduces and shortens the diffusion distance in heat treatment, making it easier to obtain a uniform element distribution by heat treatment for a short period of time.
一方、棒材については、板に比べて断面減少率が小さいので、前記の合金元素の偏析が顕著となり、これに起因した破壊がより顕在化する。更に具体的には、棒材を素材として製品を製造するエンジンバルブでは、高い疲労強度が要求されており、偏析に起因した早期の破壊が問題となることがあり、これを抑制することが期待される。 On the other hand, since the bar has a smaller cross-sectional reduction rate than the plate, the segregation of the alloying elements is remarkable, and the resulting breakage becomes more conspicuous. More specifically, high fatigue strength is required for engine valves, which are manufactured from bar material, and premature failure due to segregation can be a problem, and it is expected that this will be suppressed. be done.
そこで、チタン合金(熱間加工後製品)における成分の材料中におけるばらつき(偏析異常部)が疲労特性に及ぼす影響を明らかにするとともに、十分な延性を得ることのできる製造方法の実現を図った。特に、チタン合金の棒材、具体的には丸棒について、疲労強度の向上を実現した。 Therefore, we clarified the effect of variations in the composition (segregation abnormalities) in titanium alloys (products after hot working) on fatigue characteristics, and attempted to realize a manufacturing method that can obtain sufficient ductility. . In particular, the fatigue strength of titanium alloy bars, specifically round bars, has been improved.
(断面中の主要元素の濃度の偏析異常部の最大サイズが2000μm2以下)
以下、主要元素とはAl,Fe,Mo,Vを意味する。本発明のα+β型チタン合金中には、Alと、それに加えて少なくとも1種類以上の主要元素を1質量%以上含有している。
後述の実施例で明らかにするように、合金中の主要元素の偏析が1×107回疲労限度(以降では、単に疲労限度と記載)に影響することがわかった。
(The maximum size of the segregation anomaly in the concentration of the main element in the cross section is 2000 μm 2 or less)
Hereafter, the major elements mean Al, Fe, Mo and V. The α+β type titanium alloy of the present invention contains Al and, in addition, at least one major element in an amount of 1% by mass or more.
As will be clarified in Examples described later, it was found that the segregation of the main elements in the alloy affects the 1×10 7 cycle fatigue limit (hereinafter simply referred to as the fatigue limit).
まず、Ti-5Al-2Fe-3Mo系合金について例示する。疲労限度が約650MPaの試料において、600MPaでも破断する試験片がいくつか存在した。この試験片の疲労起点周辺を鏡面研磨し、EPMAでの面分析を行った。EPMA分析では、加速電圧10kV、角3mmの領域を10μmステップで測定した。疲労寿命に関係なく、おおよそ正規分布で合金元素が分布しているが、低寿命の場合には、疲労起点近傍にAl、Fe、Moの濃化もしくは減少した領域が大きく形成されていた。この領域は、Al、Fe、Moに関して、AlおよびFeが平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%を外れた領域を偏析領域として図示した場合、600MPaで破断した試験片では、何れかの元素の偏析領域の大きさ(面積)が3000μm2相当であり、疲労試験に対応する結果となった。 First, a Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy will be exemplified. In the specimen with a fatigue limit of about 650 MPa, there were some specimens that fractured even at 600 MPa. The periphery of the fatigue starting point of this test piece was mirror-polished and subjected to surface analysis by EPMA. In the EPMA analysis, an acceleration voltage of 10 kV and a 3 mm square area were measured in steps of 10 μm. Regardless of the fatigue life, the alloying elements are distributed in a roughly normal distribution, but in the case of a short life, a large region in which Al, Fe, and Mo are concentrated or reduced is formed near the fatigue starting point. With respect to Al, Fe, and Mo, this region is a segregation region where Al and Fe are outside the average value ± 1% by mass and Mo is outside the average value ± 1.5% by mass. A test piece fractured at 600 MPa In , the size (area) of the segregation region of any element was equivalent to 3000 μm 2 , and the results corresponded to the fatigue test.
次に、Ti-6Al-4V系合金について例示する。この合金の場合は、疲労限度が約630MPaの試料において、600MPaでも破断する試験片がいくつか存在した。上記Ti-5Al-2Fe-3Mo系チタン合金と同様の調査を行うと、Alが平均値±1質量%、Vが平均値±2%を外れた領域を偏析領域として図示した場合、600MPaで破断した試験片では、何れかの元素の偏析領域の大きさ(面積)が3500μm2相当であり、疲労試験に対応する結果となった。 Next, a Ti-6Al-4V alloy will be exemplified. For this alloy, some specimens with a fatigue limit of about 630 MPa failed even at 600 MPa. When the same investigation as the above Ti-5Al-2Fe-3Mo titanium alloy is performed, when the region where Al is outside the average value ± 1% by mass and V is outside the average value ± 2% is shown as a segregation region, fracture at 600 MPa The size (area) of the segregation region of any element in the test piece obtained was equivalent to 3500 μm 2 , and the results corresponded to the fatigue test.
このように合金元素が濃化もしくは減少した偏析領域を偏析異常部と呼ぶ。偏析異常部は、所定の元素のEPMAの面分析における平均値に対して元素毎に異なる値以上に変動した領域として評価ができる。本発明のTi-5Al-2Fe-3Mo系合金の場合、強化元素を対象とし、AlおよびFeが±1質量%、Moが±1.5質量%であり、+で表示される濃化と-で表示される減少ともに同じであり、いずれも偏析異常部を構成する偏析領域として見なすことができる。疲労起点は最弱部であり、最大の偏析異常部の大きさ(面積)が重要である。高寿命であった試験片では、偏析異常部のサイズは最大で2000μm2以下であった。したがって、断面中のAl、Fe、Moの元素濃度の偏析異常部の最大面積が2000μm2以下を満たしていれば、偏析に起因した破断は回避できると判明した。Ti-6Al-4V系合金の場合、強化元素を対象とし、Alが平均値±1質量%、Vが平均値±2%であり、+で表示される濃化と-で表示される減少ともに同じであり、いずれも偏析異常部を構成する偏析領域として見なすことができる。
また、高寿命であった試験片では、偏析異常部の最大面積が2000μm2以下であった。更に、それらの結果(各元素の偏析と偏析異常部の最大面積)は、Ti-5Al-1.5Fe―Si系合金でも同様であった。
A segregation region in which the alloying elements are concentrated or reduced in this way is called a segregation anomaly. The segregation anomaly can be evaluated as a region in which the average value in the EPMA surface analysis of a predetermined element fluctuates by a value different for each element or more. In the case of the Ti-5Al-2Fe-3Mo alloy of the present invention, the strengthening elements are targeted, Al and Fe are ±1% by mass, Mo is ±1.5% by mass, and enrichment indicated by + and - Both decreases indicated by are the same, and both can be regarded as segregation regions that constitute segregation anomalies. The fatigue starting point is the weakest part, and the size (area) of the largest segregation abnormality is important. The maximum size of the abnormal segregation part was 2000 μm 2 or less in the test pieces that had a long life. Therefore, it was found that breakage due to segregation can be avoided if the maximum area of the segregation anomaly in the element concentration of Al, Fe, and Mo in the cross section satisfies 2000 μm 2 or less. In the case of Ti-6Al-4V alloy, the strengthening element is targeted, Al is the average value ± 1 mass%, V is the average value ± 2%, and both the enrichment indicated by + and the decrease indicated by - They are the same, and both can be regarded as segregation regions constituting segregation anomalies.
Moreover, the maximum area of the abnormal segregation part was 2000 μm 2 or less in the test piece with a long life. Furthermore, the results (segregation of each element and the maximum area of segregation anomaly) were the same for the Ti-5Al-1.5Fe-Si alloy.
以上の結果より、EPMA面分析において、Mo、V以外の主要元素が平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%、Vが平均値±2%を外れた測定点が隣接する点の集合体を偏析領域と呼ぶことができる。 From the above results, in the EPMA surface analysis, the measurement points where the main elements other than Mo and V are outside the average value ± 1% by mass, the average value for Mo is ± 1.5% by mass, and the average value for V is ± 2% are adjacent. A cluster of points where
偏析異常部は、EPMA面分析でのマッピングにおいて、隣接する点の集合体として評価したものであり、上記偏析領域としての基準を満たす測定点が隣接した測定点数にステップサイズの2乗をかけることで求めることができる。測定点が隣接するとは、各測定点を正方形とし、何れかの辺が接している場合をいう。 The segregation abnormal part is evaluated as a collection of adjacent points in mapping by EPMA surface analysis, and the number of measurement points where the measurement points that satisfy the criteria for the segregation area are adjacent is multiplied by the square of the step size. can be found at Adjacent measurement points refer to the case where each measurement point is a square and one side is in contact with the other.
評価対象が棒材の場合、測定面は棒材の軸に垂直な断面もしくは軸を含む断面のいずれかとする。板材の場合、圧延方向に垂直な断面とする。測定領域は、広い方が望ましく、角3mm以上の領域に対して行う。また、測定断面サイズに対して、正方形もしくは長方形領域を可能な限り大きくとる。長方形形状では長辺と短辺の比(長辺/短辺)が1.5以下とする。1視野で角3mm以上が確保できない場合は、複数の視野で角4mm以上の視野での測定を行う必要がある。これは、視野の端部に偏析異常部が位置していると正確な測定が難しくなるため、1視野よりも広い領域を評価するものである。測定に際して、表面近傍はコンタミの影響があることや、表面のようなエッジ部分では正確な測定が難しいことから、表層0.1mmは測定範囲に含めない。 If the object to be evaluated is a bar, the measurement plane shall be either a cross section perpendicular to the axis of the bar or a cross section including the axis. In the case of plate material, the cross section shall be perpendicular to the rolling direction. A wide measurement area is desirable, and the measurement is performed on an area with a corner of 3 mm or more. Also, the square or rectangular area should be as large as possible with respect to the measurement cross-sectional size. In the case of a rectangular shape, the ratio of the long side to the short side (long side/short side) should be 1.5 or less. If it is not possible to secure an angle of 3 mm or more in one field of view, it is necessary to perform measurement in a plurality of fields of view with an angle of 4 mm or more. In this method, an area wider than one field of view is evaluated because accurate measurement becomes difficult if the segregation abnormality is located at the edge of the field of view. In the measurement, the 0.1 mm surface layer is not included in the measurement range because the vicinity of the surface is affected by contamination and accurate measurement is difficult at the edge portion such as the surface.
EPMAの加速電圧は10~15kVとし、ステップサイズは0.01~0.05mmであり、測定する際のビーム径はステップサイズの0.5~1倍の大きさとして行う。 The EPMA acceleration voltage is 10 to 15 kV, the step size is 0.01 to 0.05 mm, and the beam diameter for measurement is 0.5 to 1 times the step size.
測定結果の定量化は、純チタンの測定結果を各元素が0%の強度とし、対象とするα+β合金の化学組成、例えばTi-5Al-2Fe-3Mo、Ti-6Al-4V系合金あるいはTi-5Al-1.5Fe―Si系合金の化学組成のモデル合金の測定結果とを用いて検量線を作成して行う。例えば、Ti-5Al-2Fe-3Moの化学組成のモデル合金は、例えば小型のアーク溶解鋳塊(100g程度)を作製し、凝固欠陥を消失させるために1100℃に加熱して断面減少率20%以上の加工を行い、断面積が100mm2以上となるように成形する。これに1100℃で10~60minの焼鈍を行い、空冷することで作製できる。これの表層1mmを除去したのちに、ICP発光分析法によって各元素の分析を行い、これをモデル合金の組成とする。そのため、検量線の作成でも、表層1mmは測定範囲に含めないようにして、可能な限り広い領域で測定を行う。このときの測定は、面分析が望ましく、平均値を測定結果とすればよい。他の合金組成においても同様である。 For quantification of the measurement results, the measurement result of pure titanium is assumed to be 0% strength for each element, and the chemical composition of the target α + β alloy, such as Ti-5Al-2Fe-3Mo, Ti-6Al-4V alloy or Ti- A calibration curve is created using the measurement results of a model alloy of the chemical composition of the 5Al-1.5Fe-Si alloy. For example, for a model alloy with a chemical composition of Ti-5Al-2Fe-3Mo, a small arc-melted ingot (approximately 100 g) is produced and heated to 1100 ° C. to eliminate solidification defects. The above processing is performed to form a cross-sectional area of 100 mm 2 or more. It can be produced by annealing this at 1100° C. for 10 to 60 minutes and air cooling. After removing 1 mm of the surface layer of this, each element is analyzed by ICP emission spectrometry, and this is used as the composition of the model alloy. Therefore, even when creating a calibration curve, the surface layer of 1 mm is not included in the measurement range, and the measurement is performed in the widest possible area. The measurement at this time is desirably surface analysis, and the average value may be used as the measurement result. The same applies to other alloy compositions.
エンジンバルブなどの製品に加工されている場合、測定領域を確保できるように切断して得られた切断面において行うことで評価が可能である。 When processed into a product such as an engine valve, evaluation is possible by performing the evaluation on a cut surface obtained by cutting so as to secure a measurement area.
《チタン合金の結晶組織(2)》
(針状組織の割合が80%以下)
α+β型チタン合金中の結晶組織として、等軸組織と針状組織が出現する。針状組織に比較し、等軸組織である方が室温での延性が高く、室温での取り扱い性に優れる。また、針状組織は室温での延性が低いため、針状組織が少ない方が室温での取り扱い性は良好となる。
針状組織の延性が低い原因として、粒界α粒の存在がある。しかし、本発明のような高合金では、針状組織割合が高い場合、粒界α粒が存在せずとも室温での延性が低い。したがって、好ましくは針状組織の割合を低くする必要がある。針状組織の割合は面積率で、好ましくは80%以下である。より好ましくは75%以下、さらに好ましくは70%以下である。
<<Crystal structure of titanium alloy (2)>>
(Percentage of acicular tissue is 80% or less)
An equiaxed structure and an acicular structure appear as crystal structures in the α+β type titanium alloy. Compared to the acicular structure, the equiaxed structure has higher ductility at room temperature and is superior in handleability at room temperature. In addition, since the acicular structure has low ductility at room temperature, the less the acicular structure, the better the handleability at room temperature.
One of the reasons for the low ductility of the acicular structure is the existence of grain boundary α-grains. However, in a high alloy such as that of the present invention, when the needle-like structure ratio is high, the ductility at room temperature is low even if grain boundary α-grains do not exist. Therefore, the ratio of acicular tissue should preferably be low. The ratio of needle-like structures is an area ratio, preferably 80% or less. More preferably 75% or less, still more preferably 70% or less.
ここでの針状組織は、β相中に微細に細長いα相が析出した領域である。針状組織におけるα相は微細であるために、個々の結晶粒として認識することがむずかしい。そこで、EBSD法によって得られた結果を用いて、後述する方法で解析を行い判定する。
EBSD測定は、チタン合金棒、例えば丸棒の場合、軸に垂直な断面で行う。測定条件は、500倍で200μm以上の領域を、ステップサイズ0.2μmで行う。この条件で丸棒中央1視野、R/2で2視野の合計3視野以上を測定する。R/2での測定は、任意の1点と、その点から丸棒軸に対して90°回転させた位置で行う。板材の場合、圧延方向に垂直な断面で行う。上記丸棒と同じ条件で、板材厚み中央位置において幅中央1視野、1/4幅、3/4幅2視野の合計3視野以上を測定する。
The acicular texture here is a region in which finely elongated α-phase precipitates in the β-phase. Since the α-phase in the needle-like structure is fine, it is difficult to recognize individual crystal grains. Therefore, using the results obtained by the EBSD method, analysis is performed by a method described later.
EBSD measurements are made on cross-sections perpendicular to the axis in the case of titanium alloy bars, for example round bars. The measurement conditions are 500 times, a region of 200 μm or more, and a step size of 0.2 μm. Under these conditions, a total of 3 or more fields of view, ie, 1 field of view at the center of the round bar and 2 fields of view at R/2, are measured. Measurement at R/2 is performed at an arbitrary point and a position rotated 90° from that point with respect to the axis of the round bar. In the case of sheet material, the cross section is perpendicular to the rolling direction. Under the same conditions as for the round bar, measurements are made for a total of 3 or more fields of view at the central position of the thickness of the plate material: 1 field of view at the center of the width, 2 fields of 1/4 width, and 2 fields of 3/4 width.
まず、測定結果において、方位差5°以上を粒界として、個々の結晶の結晶粒径を求め、その値に基づいて視野の平均結晶粒径を求める。 First, in the measurement results, the crystal grain size of each crystal is obtained with a grain boundary having a misorientation of 5° or more, and the average crystal grain size in the field of view is obtained based on the obtained value.
平均結晶粒径が100μm以上の場合は、針状組織の割合が100%とする。針状組織はβ相が冷却によってα相に変態して形成されるものである。また、形成されたα粒はほぼ同一結晶方位を有するものが非常に薄いβ粒と交互に存在しているコロニーと呼ばれる領域を形成する。ただし、β相は非常に薄いため測定での検出が難しく、本来は異なるα粒と認識されるべきα粒が隣接していると識別される。その結果、平均粒径を算出するための解析では、各々と判断すべきα粒を同一粒と判定し、コロニーを1つの結晶粒と判定する。この場合のα粒の結晶粒径は小さくともβ粒径の30%程度までにしかならない。β相率100%の状態でのβ粒径は容易に500μm以上となる。しかし、等軸組織のα粒が存在する状態で長時間の加熱保持をしてもα粒の平均粒径は100μmを超えることが難しい。そのため、平均結晶粒径100μm以上の場合は100%針状組織となっていると判断することができる。一方、β相率が100%未満の状態ではα粒によるピン止め効果によってβ粒は粗大にならず、冷却後のα粒の平均粒径が100μm以上となることは難しい。そのため、α粒の平均粒径が100μmに満たない場合は針状組織と等軸組織の混合状態となる。 When the average crystal grain size is 100 μm or more, the ratio of the acicular structure is 100%. The acicular structure is formed by transforming the β phase into the α phase by cooling. In addition, the formed α-grains form regions called colonies in which those having substantially the same crystal orientation are alternately present with very thin β-grains. However, since the β-phase is very thin, it is difficult to detect by measurement, and it is identified that α-grains that should be recognized as different α-grains are adjacent to each other. As a result, in the analysis for calculating the average grain size, the α-grains to be judged as each are judged to be the same grain, and the colony is judged to be one crystal grain. In this case, the crystal grain size of the α grains is only about 30% of the β grain size at the smallest. The β grain size is easily 500 μm or more when the β phase rate is 100%. However, it is difficult for the average grain size of the α grains to exceed 100 μm even if the heat is maintained for a long time in the presence of the α grains having an equiaxed structure. Therefore, when the average crystal grain size is 100 μm or more, it can be determined that 100% of the grains have an acicular structure. On the other hand, when the β phase ratio is less than 100%, the β grains do not become coarse due to the pinning effect of the α grains, and it is difficult for the average grain size of the α grains after cooling to be 100 μm or more. Therefore, when the average grain size of α grains is less than 100 μm, a mixture of acicular and equiaxed structures is obtained.
平均結晶粒径100μm未満の場合は、まずImage Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出する。抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒(等軸α粒)を求め、視野内に占める等軸α粒の面積率を求め、等軸α粒率(面積%)とする。結晶組織は、等軸α粒と針状組織が混在する組織であり、針状組織においては、β相中に微細な針状のα粒が析出している。等軸α粒率(面積%)と、針状組織の割合(面積%)の和が100%として、針状組織の割合(面積%)(表3で「針状組織率」と記載)を求めた。なお、針状組織の割合は、測定面積に対する面積割合として求めた。 When the average crystal grain size is less than 100 μm, data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average is first extracted. Among the extracted data, α-grains (equiaxed α-grains) with an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or less are determined, the area ratio of equiaxed α-grains in the field of view is determined, and the equiaxed α-grain ratio ( area %). The crystal structure is a structure in which equiaxed α-grains and needle-like structures are mixed. In the needle-like structure, fine needle-like α-grains are precipitated in the β-phase. Assuming that the sum of the equiaxed α grain ratio (area%) and the needle-like structure ratio (area%) is 100%, the needle-like structure ratio (area%) (described as “needle-like structure ratio” in Table 3) is asked. In addition, the ratio of the acicular structure was determined as the ratio of the area to the measured area.
即ち、針状組織の割合は、合金棒の場合は軸に垂直な断面、板材の場合は圧延方向に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合(面積%)とする。 That is, the ratio of the needle-like structure is evaluated by EBSD evaluation in the cross section perpendicular to the axis in the case of alloy rods and in the cross section perpendicular to the rolling direction in the case of plate materials, and the measurement results show that the crystal grains have a misorientation of 5 ° or more as a grain boundary. If the average crystal grain size is 100 μm or more, the ratio of the needle-like structure is set to 100% by area, and if the average crystal grain size is less than 100 μm, the image quality (IQ) is 20% or more of the average. Among the extracted data, α grains with an aspect ratio (major axis/minor axis) of 3 or less are defined as equiaxed α grains, and the area ratio occupied by other than the equiaxed α grains to the total measured area is the ratio of the acicular structure. (area %).
《チタン合金の製造方法》
(β変態点温度)
以下の製造方法において用いられるβ変態点温度Tβ(℃)は、チタン合金中の主要元素およびO、N、Cの含有量の式として表すことができる。Ti-5Al-2Fe-3Mo系合金においては(1)式を基に計算によって求めればよい。Ti-6Al-4V系合金においては(2)式を基に計算によって求めればよい。
Tβ(℃)=880+23×Al+170×(O+N)+100×C-20×Mo-8×Fe (1)
Tβ(℃)=875+23×Al+170×(O+N)+100×C-12×V (2)
元素記号は、合金元素の質量%の値である。
上記2つの合金系以外のα+β型チタン合金については、(3)式からとしてTβ(℃)を求めることができる。
Tβ(℃)=905+20×Al+170×(O+N)+100×C-20×Mo-15×Fe―12V (3)
<<Manufacturing method of titanium alloy>>
(β transformation point temperature)
The β-transformation temperature Tβ (°C) used in the manufacturing method below can be expressed as an expression of the main elements and the contents of O, N, and C in the titanium alloy. For Ti-5Al-2Fe-3Mo alloys, it can be obtained by calculation based on the formula (1). For Ti-6Al-4V alloys, it can be obtained by calculation based on the formula (2).
Tβ (°C) = 880 + 23 x Al + 170 x (O + N) + 100 x C-20 x Mo-8 x Fe (1)
Tβ (°C) = 875 + 23 x Al + 170 x (O + N) + 100 x C-12 x V (2)
The element symbol is the mass % value of the alloying element.
For α+β type titanium alloys other than the above two alloy systems, Tβ (° C.) can be obtained from the equation (3).
Tβ (°C) = 905 + 20 x Al + 170 x (O + N) + 100 x C-20 x Mo-15 x Fe-12V (3)
(鋳塊)
鋳塊として、一般的な手法で製造された鋳塊を用いる。例えば、VARやEB溶解、プラズマ溶解である。鋳塊は矩形でも円柱型でもよく、必要に応じて鋳塊の切削などの表面加工を行う。鋳塊として1ton以上の鋳塊を用いるとき、本発明の効果を特に発揮することができる。
(ingot)
An ingot manufactured by a general method is used as the ingot. For example, VAR, EB melting, and plasma melting. The ingot may be rectangular or cylindrical, and surface processing such as cutting of the ingot is performed as necessary. When using an ingot of 1 ton or more as the ingot, the effect of the present invention can be particularly exhibited.
(ビレット鍛造)
鋳塊は、鍛造によって圧延棒材、例えば丸棒の素材となるビレットとする。ビレットの形状は、丸断面、正方形や長方形、八角形など、圧延丸棒あるいは板材を製造可能な形状であればよい。鍛造工程は粗鍛造と、ビレット仕上げ鍛造の2つの工程で構成される。いずれの鍛造工程もβ変態点よりも高い温度で行う必要がある。
(billet forging)
The ingot is forged into a rolled bar, for example, a billet that serves as a raw material for a round bar. The shape of the billet may be any shape such as a round cross-section, square, rectangle, octagon, etc., as long as it is possible to manufacture a rolled round bar or plate material. The forging process consists of two processes: rough forging and billet finish forging. Any forging process must be performed at a temperature higher than the β transformation temperature.
粗鍛造は、鋳塊に存在する凝固収縮によって形成された内部欠陥を解消するとともに、粗大な凝固組織を解消するために行う。さらに、加工によるメタルフローを利用して偏析している組織の分散も兼ねている。 Rough forging is performed to eliminate internal defects formed by solidification shrinkage existing in the ingot and to eliminate coarse solidified structures. Furthermore, it also serves to disperse the segregated structure using the metal flow due to processing.
鋳塊をβ変態点以上1200℃以下の温度に加熱し、φ200~250mmの丸型断面形状や、200~250mm角の正方形断面の角型断面形状とする。また、正方形断面ではなくとも、これらの断面積相当の八角形断面などでもよい。板材の場合は長方形断面でも良い。加熱温度は、β変態点よりも+50℃、より好ましくは+100℃以上高い温度に加熱することがよい。上限温度はこれ以上あげても酸化による歩留まり低下が大きいため、1200℃とする。 The ingot is heated to a temperature above the β transformation point and below 1200° C. to form a round cross section of φ200 to 250 mm or a square cross section of 200 to 250 mm square. Further, instead of the square cross section, an octagonal cross section corresponding to these cross sections may be used. In the case of a plate, it may have a rectangular cross section. The heating temperature is preferably +50°C, more preferably +100°C or higher than the β transformation point. The upper limit temperature is set to 1200° C. because the yield is greatly reduced due to oxidation even if the temperature is raised above this value.
本発明は、鍛造において1回以上の据えこみを行うことにより、合金成分のばらつき減少を実現している。丸棒形状の製品を通常の鍛造と熱間圧延で製造する場合、丸棒の径方向からの圧下は行われるが、長さ方向に圧下されないため、偏析を緩和するためのメタルフローが不十分となる。これに対して、1回以上の据えこみを行うことにより、偏析が緩和され、合金成分のばらつきが減少する。据えこみは、断面の短辺および短軸長さLsと長さLの比(L/Ls)が1~4以下の形状の段階で行うことが望ましい。L/Lsが大きいほど、座屈する可能性があるため、L/Lsが4を超えて行う場合は注意が必要である。据えこみは圧下率20%以上60%以下とする。より望ましくは25%以上、より好ましくは30%以上である。また、据えこみだけで1ヒートとしてもよく、鍛造の同一ヒートで行ってもよい。板材の場合も同様である。 The present invention achieves a reduction in variation in the alloy composition by performing one or more upsets in the forging. When a round bar-shaped product is manufactured by normal forging and hot rolling, the round bar is rolled down in the radial direction, but not in the length direction, so metal flow is insufficient to alleviate segregation. becomes. On the other hand, by performing upsetting one or more times, the segregation is relaxed and the dispersion of the alloying elements is reduced. It is desirable that the upsetting is performed at a stage where the ratio (L/Ls) of the length Ls of the short side and short axis of the cross section to the length L is 1 to 4 or less. Care must be taken when L/Ls exceeds 4, because the greater the L/Ls, the more likely it is to buckle. The upsetting is performed at a rolling reduction rate of 20% or more and 60% or less. It is more desirably 25% or more, more preferably 30% or more. In addition, one heat may be used only for the upsetting, or the same heat for forging may be used. The same applies to plate materials.
鋳塊サイズや鍛造速度によっては、全長を鍛造する前に温度が低下したことで割れを発生するようになる場合がある。この場合は、リヒートを行うことになる。この時のリヒートも1ヒートとして扱う。 Depending on the ingot size and forging speed, cracking may occur due to the temperature drop before the full length is forged. In this case, a reheat will be performed. The reheat at this time is also treated as one heat.
また、粗鍛造は複数のヒート数で行う。これは、量産における大型鋳塊では、途中で表面の温度が低下し、割れを発生すること、また、β変態点以上の高温を長く維持することでより均一な元素分布が得られるためである。望ましくは4ヒート以上であり、さらに望ましくは6ヒート以上である。なお、1ヒートで断面減少率20%以上の加工を行う必要がある。ただし、据えこみを同一ヒートで行っている場合は、断面減少率は20%未満でもよい。断面減少率20%以上とするのは、大型鋳塊において20%に満たない加工を繰り返すと、生産性が著しく低下するためである。 Rough forging is performed with a plurality of heats. This is because the temperature of the surface of large ingots in mass production drops during the process and cracks occur, and by maintaining a high temperature above the β transformation point for a long time, a more uniform element distribution can be obtained. . The number of heats is preferably 4 or more, more preferably 6 or more. In addition, it is necessary to carry out processing with a cross-sectional reduction rate of 20% or more in one heat. However, if the upsetting is performed in the same heat, the cross-sectional reduction rate may be less than 20%. The reason why the cross-section reduction rate is set to 20% or more is that if a large ingot is repeatedly processed to a reduction of less than 20%, the productivity drops significantly.
次いで、仕上げ鍛造を行う。粗鍛造後に、室温付近まで冷却してもよく、すぐにリヒートして仕上げ鍛造を行ってもよい。また、仕上げ鍛造の前に表面のスケールやしわを除去する工程を入れてもよい。 Finish forging is then performed. After the rough forging, the steel may be cooled to around room temperature, or may be immediately reheated for finish forging. A step of removing surface scales and wrinkles may be added before finish forging.
仕上げ鍛造は熱間圧延用の素材形状にする工程であり、仕上げサイズは製造製品のサイズによって異なる。棒材の場合には酸化による歩留まり低下を考えると断面積が2000mm2以上である。また、上限は特に制限しないが、断面積は18000mm2以下が好ましい。また、形状はこれらに相当する断面積の八角形や正方形など圧延できる形状であればよい。板形状の場合には、矩形形状とし、その板厚は50mm以上である。望ましくは70mm以上、さらに望ましくは100mm以上である。板厚の上限および幅サイズは圧延できるサイズであればよく、特に制限されない。 Finish forging is the process of shaping the material for hot rolling, and the finished size varies depending on the size of the manufactured product. In the case of a bar material, the cross-sectional area is 2000 mm 2 or more considering the reduction in yield due to oxidation. Although the upper limit is not particularly limited, the cross-sectional area is preferably 18000 mm 2 or less. Also, the shape may be any shape that can be rolled, such as an octagonal or square cross-sectional area corresponding to these. In the case of a plate shape, it is rectangular and has a thickness of 50 mm or more. It is desirably 70 mm or more, and more desirably 100 mm or more. The upper limit of the plate thickness and the width size are not particularly limited as long as they are sizes that can be rolled.
仕上げ鍛造の加熱温度は粗鍛造と同じであり、β変態点よりも+50℃、より好ましくは+100℃以上高い温度が好ましい。ヒート回数は4ヒート以上が必要であり、6ヒート以上が好ましい。ただし、ヒートごとの断面減少率に下限の限定はなく、加熱のみを行って圧下を行わないヒートであっても良い。仕上げ鍛造工程では、据えこみは行わずに、側面からの圧下によって断面積を小さくする鍛造のみを行う。 The heating temperature for finish forging is the same as that for rough forging, and is preferably +50°C higher than the β transformation point, more preferably +100°C or higher. The number of heats should be 4 or more, preferably 6 or more. However, there is no lower limit to the cross-sectional reduction rate for each heat, and heats that only heat and do not reduce may also be used. In the finish forging process, only forging to reduce the cross-sectional area by pressing from the side is performed without upsetting.
(熱間圧延)
仕上げ鍛造後、熱間圧延によってチタン合金、特にチタン合金棒、チタン合金板を形成する。仕上げ鍛造後に、室温付近まで冷却してもよく、すぐにリヒートして熱間圧延を行ってもよい。また、熱間圧延の前に表面のスケールやしわなどを除去する工程を入れてもよい。
(hot rolling)
After finish forging, hot rolling is performed to form titanium alloys, particularly titanium alloy rods and titanium alloy plates. After the finish forging, it may be cooled to around room temperature, or immediately reheated and hot rolled. A step of removing surface scales and wrinkles may be added before hot rolling.
熱間圧延は、β変態点以上1200℃以下に加熱とする。望ましくはβ変態点よりも+50℃、より好ましくは+100℃以上高い温度が好ましい。上限温度は鍛造と同じく歩留まりの点から制限される。好ましい上限は1150℃である。 Hot rolling is performed by heating to a temperature higher than the β transformation point and lower than or equal to 1200°C. Desirably, the temperature is +50°C higher than the β transformation point, more preferably +100°C or higher. As with forging, the upper limit temperature is limited in terms of yield. A preferred upper limit is 1150°C.
熱間圧延は1ヒートで70%以上の断面減少率であれば、偏析異常部の最大面積を低減できるとともに、針状組織の割合を低減できるので好ましい。望ましくは80%以上、より望ましくは85%以上である。上限は特に制限されないが、製品径との関係でおおよそ、99%となる。熱間圧延での製造では細い製品を製造すると、その後の脱スケールなどで歩留まり低下が大きくなる。そのため、棒材の場合は熱間圧延材の製品径の下限はφ10mmとする。板材の場合は熱間圧延材の製品板厚の下限は3mmとする。 Hot rolling is preferable if the area reduction rate is 70% or more in one heat, since the maximum area of the segregation abnormal part can be reduced and the ratio of the acicular structure can be reduced. It is preferably 80% or more, more preferably 85% or more. Although the upper limit is not particularly limited, it is approximately 99% in relation to the product diameter. In manufacturing by hot rolling, if thin products are manufactured, the subsequent descaling, etc., will greatly reduce the yield. Therefore, in the case of bars, the lower limit of the product diameter of the hot-rolled material is φ10 mm. In the case of plate material, the lower limit of the product plate thickness of hot rolled material is 3 mm.
製造時に、β相が不安定な状態で300℃付近に保持されると顕著にω相が形成される可能性があるが、大型鋳塊での製造においては、熱間圧延中にα相とβ相での合金元素の分配が発生しており、β相が安定化するため、ほとんど形成されない。それでもω相の存在を懸念する場合は、熱間圧延後に焼鈍を行うことで解消することができる。 During production, if the β phase is kept at around 300°C in an unstable state, the ω phase may be significantly formed. The partitioning of alloying elements in the β phase occurs, and the β phase is stabilized, so it is rarely formed. If the presence of the ω phase is still a concern, it can be resolved by annealing after hot rolling.
(焼鈍および脱スケール)
熱延後のチタン合金棒、チタン合金板の焼鈍は前述のとおり、ω相の析出が懸念される場合や確認された場合に行う必要のある工程であるが、それ以外に残留応力の除去などや歪除去を目的に行ってもよい。また、使用環境が200~400℃となるような用途では、使用中にω相の析出によって脆化するため、焼鈍を行うことで使用中のω相の析出を抑制することができる。焼鈍する場合は750℃以上、β変態点未満で行う。高温の方が元素の均一性の点で望ましい。より望ましくは780℃以上、更に望ましくは800℃以上である。針状組織の割合を80%以下とするためには、焼鈍を行わないか、焼鈍を行う場合はβ変態点未満の温度で行うと好ましい。
(annealing and descaling)
As mentioned above, the annealing of hot-rolled titanium alloy rods and titanium alloy sheets is a process that must be carried out when the precipitation of the ω phase is suspected or confirmed. or strain removal. Further, in applications where the use environment is 200 to 400° C., precipitation of the ω phase during use causes embrittlement, so annealing can suppress the precipitation of the ω phase during use. Annealing is performed at a temperature of 750° C. or more and less than the β transformation point. A higher temperature is desirable in terms of uniformity of elements. It is more preferably 780° C. or higher, still more preferably 800° C. or higher. In order to make the ratio of the acicular structure 80% or less, it is preferable not to perform annealing, or to perform annealing at a temperature lower than the β transformation point when annealing is performed.
焼鈍や熱延で形成されたスケールは、ショットブラスト、酸洗、研磨などの機械的および化学的方法によって除去すればよい。 Scales formed by annealing or hot rolling may be removed by mechanical and chemical methods such as shot blasting, pickling and polishing.
《チタン合金棒およびチタン合金板》
前述のように、チタン合金が棒材、例えば丸棒の場合、板材に比較して熱間加工での断面減少率が小さいので、合金元素の偏析に起因した破壊が顕在化する。それに対して本発明のチタン合金棒材、チタン合金丸棒は、偏析異常部の最大面積が小さく、優れた疲労特性を実現することができる。チタン合金棒として、断面積が80mm2~8000mm2の範囲のものを好適に用いることができる。他方、板材の場合、厚さが3mm~50mmである。好ましくは30mm以下、更に好ましくは10mm以下である。
《Titanium alloy rod and titanium alloy plate》
As described above, when the titanium alloy is a bar material, for example, a round bar, the area reduction rate during hot working is smaller than that of a plate material, so fracture due to segregation of alloying elements becomes apparent. In contrast, the titanium alloy bar and titanium alloy round bar of the present invention have a small maximum area of abnormal segregation and can achieve excellent fatigue properties. A titanium alloy rod having a cross-sectional area of 80 mm 2 to 8000 mm 2 can be suitably used. On the other hand, the plate material has a thickness of 3 mm to 50 mm. It is preferably 30 mm or less, more preferably 10 mm or less.
《エンジンバルブ》
チタン合金を用いたエンジンバルブは、前述のようにチタン合金丸棒を素材として製造される。従来のチタン合金を用いたエンジンバルブは偏析異常部の最大面積が大きかったが、本発明のエンジンバルブは本発明のチタン合金を用いているので、偏析異常部の最大面積が小さく、優れた疲労特性を実現することができる。
《Engine valve》
An engine valve using a titanium alloy is manufactured using a titanium alloy round bar as a material, as described above. Conventional engine valves using titanium alloys have a large maximum area of abnormal segregation, but the engine valve of the present invention uses the titanium alloy of the present invention, so the maximum area of abnormal segregation is small and excellent fatigue properties can be realized.
表1に示す成分組成を有する品種No.A~Fについて、φ720×1000mmのVAR鋳塊(1.8ton)を製造した。一例(表3のNo.31)については、0.2tonとした。表2には製法No.1~15の製造条件を記載している。表3に示すように、品種No.A~Fの成分を有し、表3の「鋳塊/ton」に示す重さの鋳塊を用い、表2の製法No.1~15に記載の条件で粗鍛造、仕上げ鍛造、熱間圧延を行い、表2の「熱間圧延/直径/圧延後」に示す直径の丸棒とした。表2において、本発明の好適範囲から外れる数値、項目に下線を付している。 Variety No. having the component composition shown in Table 1. For A to F, VAR ingots (1.8 tons) of φ720×1000 mm were produced. For one example (No. 31 in Table 3), it was 0.2 tons. Table 2 shows manufacturing method numbers. 1 to 15 are described. As shown in Table 3, variety No. Using an ingot having the components A to F and having the weight shown in "ingot/ton" in Table 3, manufacturing method No. 2 in Table 2 was used. Rough forging, finish forging, and hot rolling were performed under the conditions described in 1 to 15 to obtain round bars having diameters shown in Table 2, “hot rolling/diameter/after rolling”. In Table 2, numerical values and items outside the preferred range of the present invention are underlined.
粗鍛造は、表2の「粗鍛造/ヒートNo.」に記載のように、ヒート1~ヒート4について、「粗鍛造/減面率(%)」に記載の減面率で粗鍛造を行った。「粗鍛造/据えこみ」欄に「有り」と記載の例においては、粗鍛造のヒート1において、圧下率20%の据えこみを行っている。No.10、13~15は据えこみを行っていない。粗鍛造のヒート1に記載した圧下率は、据えこみの影響を考慮した圧下率である。 Rough forging is carried out at the rate of area reduction described in "rough forging/area reduction rate (%)" for heats 1 to 4, as described in "rough forging/heat No." in Table 2. rice field. In the example described as "yes" in the "rough forging/upsetting" column, in heat 1 of rough forging, the upsetting was performed with a rolling reduction of 20%. No. 10, 13 to 15 are not indented. The rolling reduction described in heat 1 of rough forging is a rolling reduction in consideration of the effect of upsetting.
粗鍛造後には、室温まで冷却し、5mm/面の切削加工を行い、240mm角断面とした。粗鍛造後、長さ方向に分割し、種々の条件で仕上げ鍛造以降の工程を行った。 After the rough forging, it was cooled to room temperature and cut at 5 mm/face to form a 240 mm square cross section. After the rough forging, it was divided in the length direction and subjected to finish forging and subsequent processes under various conditions.
仕上げ鍛造は、表2の「仕上げ鍛造/加熱温度」欄に記載の温度に加熱し、表2の「仕上げ鍛造/ヒートNo.」に記載のように、ヒート1~ヒート4について、「仕上げ鍛造/減面率(%)」に記載の減面率で仕上げ鍛造を行った。
No.1~7、11~15は、半分の長さを鍛造し、リヒート後に残りを鍛造した。したがって、2ヒートで全長が均一な断面形状となった。例えばNo.1において、第1ヒートで前半分を断面減少率65%で鍛造し、後ろ半分は鍛造しなかった。第2ヒートで前半分は鍛造せず、後ろ半分を断面減少率65%で鍛造した。さらに第3ヒートで前半分を断面減少率44%で鍛造し、後ろ半分は鍛造しなかった。第4ヒートで前半分は鍛造せず、後ろ半分を断面減少率44%で鍛造した。
No.8~10は1ヒートで全長すべてを鍛造した。No.8は第1ヒートで全長を断面減少率65%で鍛造し、第2ヒートで全長を断面減少率44%で鍛造した。No.9は、第1~第4ヒートでそれぞれ、断面減少率45、36、23、27%で鍛造を行った。
For finish forging, heat to the temperature described in the "finish forging/heating temperature" column in Table 2, and as described in "finish forging/heat No." Finish forging was performed at the area reduction rate described in "/area reduction rate (%)".
No. For 1 to 7 and 11 to 15, half the length was forged and the rest was forged after reheating. Therefore, the cross-sectional shape was uniform over the entire length in two heats. For example, No. In 1, the front half was forged in the first heat with a cross-sectional reduction rate of 65%, and the rear half was not forged. In the second heat, the front half was not forged, and the rear half was forged with a cross-sectional reduction rate of 65%. Furthermore, in the third heat, the front half was forged at a cross-sectional reduction rate of 44%, and the rear half was not forged. In the fourth heat, the front half was not forged, and the rear half was forged with an area reduction rate of 44%.
No. For 8 to 10, the entire length was forged in one heat. No. 8 was forged in the first heat with a cross-sectional reduction rate of 65% over the entire length, and in the second heat with a cross-sectional reduction rate of 44%. No. No. 9 was forged at a cross-sectional reduction rate of 45, 36, 23, and 27% in the first to fourth heats, respectively.
仕上げ鍛造後は、室温まで冷却し、表層5mmを切削除去し、表2の「熱間圧延」欄に記載の条件で熱間圧延を行った。熱延後の丸棒には表2の「焼鈍」欄に記載の熱処理条件で熱処理を行った。「焼鈍」欄に「-」と記載した例は焼鈍を行っていない。 After the finish forging, it was cooled to room temperature, 5 mm of the surface layer was removed by cutting, and hot rolling was performed under the conditions described in Table 2, "Hot Rolling" column. The hot-rolled round bars were heat-treated under the heat treatment conditions described in the "annealing" column of Table 2. Examples with "-" in the "annealing" column were not annealed.
上記で製造した丸棒は、EPMA分析、X線回折、EBSD測定、引張試験、疲労試験を行った。品質評価結果を表3に示す。表3において、本発明範囲から外れる数値に下線を付している。 EPMA analysis, X-ray diffraction, EBSD measurement, tensile test, and fatigue test were performed on the round bar manufactured above. Table 3 shows the quality evaluation results. In Table 3, numerical values outside the scope of the present invention are underlined.
偏析異常部評価のための元素分布は、丸棒の軸に垂直な断面を鏡面研磨し、EPMAによって測定した。EPMA測定は、加速電圧10kVとし、5mm角の領域について、断面中央で、ステップサイズ0.02mm、ビーム径0.02mmとして行った。
Ti-5Al-2Fe-3Mo系チタン合金においては、EPMA面分析において、AlおよびFeが平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%を外れた測定点が隣接する点の集合体を、それぞれ断面中のAl、Fe、Moの元素濃度の偏析異常部とした。Al、Fe、Moの元素濃度の偏析異常部の最大面積を表3に記載している。
Ti-6Al-4V系チタン合金においては、EPMA面分析において、Alが平均値±1質量%、Vが平均値±2質量%を外れた測定点が隣接する点の集合体を、それぞれ断面中のAl、Vの元素濃度の偏析異常部とした。Al、Vの元素濃度の偏析異常部の最大面積を表3に記載している。
上記2成分系以外のα+β型チタン合金については、含有する主要元素であるAlとFeについて平均値±1質量%を外れた測定点が隣接する点の集合体を、それぞれ断面中のAl、Feの元素濃度の偏析異常部とした。
The elemental distribution for evaluation of segregation anomalies was measured by EPMA after mirror-polishing a cross section perpendicular to the axis of the round bar. The EPMA measurement was performed at an accelerating voltage of 10 kV, a step size of 0.02 mm, and a beam diameter of 0.02 mm at the center of a 5 mm square region.
In the Ti-5Al-2Fe-3Mo titanium alloy, in the EPMA surface analysis, a set of adjacent measurement points where Al and Fe are outside the average value of ±1% by mass and Mo is outside the average value of ±1.5% by mass. The body was used as the segregation anomaly of the element concentrations of Al, Fe, and Mo in the cross section. Table 3 shows the maximum areas of segregation anomalies in the element concentrations of Al, Fe, and Mo.
In the Ti-6Al-4V titanium alloy, in the EPMA surface analysis, a set of points where the measurement points where the Al is outside the average value ± 1% by mass and the V is outside the average value ± 2% by mass are adjacent to each other in the cross section. was defined as the segregation anomaly of the element concentrations of Al and V. Table 3 shows the maximum areas of segregation anomalies in the element concentrations of Al and V.
For α+β-type titanium alloys other than the above two-component system, aggregates of adjacent measurement points that deviate from the average value ± 1% by mass for Al and Fe, which are the main elements contained, are measured in the cross section for Al and Fe, respectively. was regarded as the segregation anomaly of element concentration.
X線回折では、Cu-Kα線で2θが30~90°の範囲をスキャンステップ0.01°で測定し、ω相の有無を確認し、結果を表3に示した。 In the X-ray diffraction, the range of 2θ from 30 to 90° was measured with a Cu—Kα ray at a scan step of 0.01° to confirm the presence or absence of the ω phase.
EBSD測定は、丸棒軸に垂直な断面をコロイダルシリカ研磨仕上げとし、加速電圧15kVとし、断面中央、半径方向の表面と中央を結ぶ線分の中央に対応する位置(R/2位置)、R/2位置を丸棒軸中心に対して円周方向に時計回りに90°回転させた位置の3視野で行った。測定条件は、倍率500倍、200μm角の領域、ステップサイズ0.2μmとした。測定後、方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とした。平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とし、表3に「針状組織率」として記載した。 In the EBSD measurement, the cross section perpendicular to the axis of the round bar is colloidal silica polished, the acceleration voltage is 15 kV, the center of the cross section, the position corresponding to the center of the line segment connecting the surface and the center in the radial direction (R / 2 position), R The measurement was performed in three fields of view at positions where the /2 position was rotated clockwise by 90° in the circumferential direction with respect to the center of the axis of the round bar. The measurement conditions were a magnification of 500 times, a 200 μm square area, and a step size of 0.2 μm. After the measurement, the crystal grain size was determined with a misorientation of 5° or more as the grain boundary, and when the average crystal grain size was 100 μm or more, the ratio of the needle-like structure was set to 100 area %. If the average grain size is less than 100 μm, extract data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average, and select α grains with an aspect ratio (long axis/short axis) of 3 or less from the extracted data. The ratio of acicular texture to the total measured area occupied by other than the equiaxed α grains is shown in Table 3 as "ratio of acicular texture".
引張試験は、丸棒の軸中心から平行部径φ6.25mm、平行部長さ28mmの試験片を用いて、標点間距離を25mmとして、ひずみ2%までを0.4%/min、それ以降を破断まで25%/minで行い、突合せ法によって破断伸びを測定した。 In the tensile test, using a test piece with a parallel part diameter of φ6.25 mm and a parallel part length of 28 mm from the axis center of the round bar, the distance between the gauge points is 25 mm, and the strain is 0.4% / min up to 2%, and thereafter. was performed at 25%/min until breakage, and the breaking elongation was measured by the butt method.
疲労試験は、平行部φ6mmの回転曲げ疲労試験片を作製し、平行部の表面を平行部の円周方向にエメリー紙#1000仕上げとする。この試験片を用いて、応力振幅を560~640MPaのいずれかとして回転曲げ疲労試験を行う。応力振幅は引張強度の0.54~0.56倍の範囲となる値を採用する。また、応力振幅は20MPaずつ変化させて所定の応力振幅となるように設定した。この時に複数の応力が引張強度の0.54~0.56倍となる場合には高い方の応力振幅で試験を行う。この範囲であれば疲労限度よりもやや低い応力レベルとなっており、良否の判定が可能である。繰り返し速度は50-60Hzで行う。この試験条件にて破断せずに、1×107回に到達した場合を合格とし、〇にて表記し、未達の場合を不合格の×にして、表3の「疲労特性」欄に記載した。 In the fatigue test, a rotating bending fatigue test piece with a parallel portion of φ6 mm is prepared, and the surface of the parallel portion is finished with #1000 emery paper in the circumferential direction of the parallel portion. Using this test piece, a rotating bending fatigue test is performed with a stress amplitude of 560 to 640 MPa. The stress amplitude adopts a value within the range of 0.54 to 0.56 times the tensile strength. Moreover, the stress amplitude was changed by 20 MPa and set to a predetermined stress amplitude. At this time, when multiple stresses are 0.54 to 0.56 times the tensile strength, the test is performed at the higher stress amplitude. Within this range, the stress level is slightly lower than the fatigue limit, and it is possible to judge the quality. The repetition rate is 50-60 Hz. If it reaches 1 × 10 7 times without breaking under these test conditions, it is marked as a pass, and if it is not reached, it is marked as a failure, and it is indicated in the "fatigue characteristics" column of Table 3. Described.
本発明例No.1~14は、表1に示す本発明の成分組成を有し、表2に示すように本発明の好適な製造条件で製造を行った結果として、表3に示すようにいずれの合金元素も偏析異常部の最大面積が本発明の範囲内であり、疲労特性が良好であった。本発明例No.4(製法No.4)は、熱間圧延後の焼鈍温度が好適範囲の上限(β変態点温度)を外れたため針状組織の割合(針状組織率)が本発明の好適範囲から外れているものの、疲労特性は良好であった。 Inventive Example No. 1 to 14 have the chemical composition of the present invention shown in Table 1, and as a result of manufacturing under the suitable manufacturing conditions of the present invention as shown in Table 2, as shown in Table 3, any alloy element The maximum area of the segregation abnormality was within the range of the present invention, and the fatigue properties were good. Inventive Example No. In No. 4 (manufacturing method No. 4), the annealing temperature after hot rolling was outside the upper limit of the preferred range (β transformation point temperature), so the needle-like structure ratio (acicular structure ratio) was outside the preferred range of the present invention. However, the fatigue property was good.
比較例No.15~31が比較例である。
比較例No.15、23(製法No.8)は仕上げ鍛造のヒート数が2ヒートであり、加工回数および高温に保持している回数が少なくなったため、元素の拡散が不十分となり、偏析異常部の最大面積が本発明範囲を外れた。
比較例No.16、24(製法No.9)は仕上げ鍛造の加熱温度が好適範囲下限を外れ、比較例No.17、25(製法No.10)およびNo.20~22、28~31(製法13~15)は粗圧延で据えこみを行っておらず、比較例No.18、26(製法No.11)は熱間圧延の加熱温度が好適範囲下限(β変態点+50℃)を外れ、比較例No.19、27(製法No.12)は熱間圧延の圧下率が好適範囲下限(70%)を外れている。そのため、No.16~22、24~31(製法No.9~15)のいずれも、いずれかの合金元素の偏析異常部の最大面積が本発明範囲を外れた。
その結果として、比較例No.15~31(製法No.8~15)はいずれも、疲労特性が不良であった。
Comparative example no. 15 to 31 are comparative examples.
Comparative example no. In 15 and 23 (manufacturing method No. 8), the number of heats for finish forging was two, and the number of times of processing and the number of times of holding at high temperature were reduced, so the diffusion of elements was insufficient, and the maximum area of segregation abnormality was obtained. is outside the scope of the present invention.
Comparative example no. In No. 16 and 24 (manufacturing method No. 9), the heating temperature of the finish forging is outside the lower limit of the preferred range, and comparative example No. 17, 25 (manufacturing method No. 10) and No. Comparative Example Nos. 20 to 22 and 28 to 31 (manufacturing methods 13 to 15) were not subjected to upsetting in rough rolling. In No. 18 and 26 (manufacturing method No. 11), the heating temperature in hot rolling was outside the lower limit of the preferred range (β transformation point + 50°C), and comparative example No. In Nos. 19 and 27 (manufacturing method No. 12), the rolling reduction in hot rolling is off the lower limit (70%) of the preferred range. Therefore, No. In all of Nos. 16 to 22 and 24 to 31 (manufacturing method Nos. 9 to 15), the maximum area of the abnormal segregation part of any alloy element was outside the scope of the present invention.
As a result, Comparative Example No. All of Nos. 15 to 31 (manufacturing method Nos. 8 to 15) had poor fatigue properties.
比較例No.19(製法No.12)は熱延後の直径が大きく、熱間圧延の減面率が低かったため、熱延後の冷却状況が影響を受け、針状組織の割合も本発明の好適範囲から外れていた。 Comparative example no. No. 19 (manufacturing method No. 12) had a large diameter after hot rolling and a low area reduction rate after hot rolling. was off.
比較例No.15、23(製法No.8)は焼鈍によって形成された不安定なβ相が冷却中にα相に変態したため、針状組織の割合が増加し、本発明の好適範囲から外れていた。 Comparative example no. In Nos. 15 and 23 (manufacturing method No. 8), the unstable β phase formed by annealing transformed into the α phase during cooling, resulting in an increase in the ratio of needle-like structures, which was out of the preferred range of the present invention.
比較例No.31は、鋳塊の重さが0.2tonであって1ton未満であったが、製造方法が製法No.14であって本発明の好適範囲から外れていたため、偏析異常部の最大面積が本発明範囲を外れ、疲労特性も不良であった。 Comparative example no. In No. 31, the weight of the ingot was 0.2 tons and less than 1 ton, but the manufacturing method was the manufacturing method No. 31. 14, which is out of the preferred range of the present invention, the maximum area of the abnormal segregation portion is out of the range of the present invention, and the fatigue properties are also poor.
表4に示す成分組成を有する品種No.G,Hについて、φ720×1000mmのVAR鋳塊(1.8ton)を製造した。表5には製法No.16、17の製造条件を記載している。鋳塊は表5の製法No.16、17に記載の条件で粗鍛造、仕上げ鍛造、熱間圧延を行い、表5の「熱間圧延/板厚/圧延後」に示す板材とした。表5において、本発明の好適範囲から外れる数値、項目に下線を付している。 Variety No. having the component composition shown in Table 4. For G and H, VAR ingots (1.8 tons) of φ720×1000 mm were produced. Table 5 shows manufacturing method No. 16 and 17 manufacturing conditions are described. The ingot was produced by the manufacturing method No. in Table 5. Rough forging, finish forging, and hot rolling were performed under the conditions described in 16 and 17, and the plate material shown in Table 5, "hot rolling/plate thickness/after rolling" was obtained. In Table 5, numerical values and items outside the preferred range of the present invention are underlined.
粗鍛造は、表5の「粗鍛造/ヒートNo.」に記載のように、ヒート1~ヒート4について、「粗鍛造/減面率(%)」に記載の減面率で粗鍛造を行った。「粗鍛造/据えこみ」欄に「有り」と記載の例においては、粗鍛造のヒート1において、圧下率20%の据えこみを行っている。No.17は据えこみを行っていない。粗鍛造のヒート1に記載した圧下率は、据えこみの影響を考慮した圧下率である。
粗鍛造後には、室温まで冷却し、5mm/面の切削加工を行い、290mm×490mm断面とした。粗鍛造後、長さ方向に分割した。
Rough forging is carried out at the rate of area reduction described in "rough forging/area reduction rate (%)" for heats 1 to 4, as described in "rough forging/heat No." in Table 5. rice field. In the example described as "yes" in the "rough forging/upsetting" column, in heat 1 of rough forging, the upsetting was performed with a rolling reduction of 20%. No. 17 has not been set. The rolling reduction described in heat 1 of rough forging is a rolling reduction in consideration of the effect of upsetting.
After the rough forging, it was cooled to room temperature and cut at 5 mm/face to obtain a cross section of 290 mm×490 mm. After rough forging, it was split lengthwise.
仕上げ鍛造は、表5の「仕上げ鍛造/加熱温度」欄に記載の温度に加熱し、表5の「仕上げ鍛造/ヒートNo.」に記載のように、ヒート1~ヒート4について、「仕上げ鍛造/減面率(%)」に記載の減面率で幅500mmとした仕上げ鍛造を行った。
実施例1の製法No.1~7と同様、半分の長さを鍛造し、リヒート後に残りを鍛造した。したがって、2ヒートで全長が均一な断面形状となった。
For finish forging, heat to the temperature described in the "finish forging/heating temperature" column of Table 5, and as described in "finish forging/heat No." /Reduction of area (%)” was performed to achieve a width of 500 mm.
Production method No. of Example 1; As with 1-7, half the length was forged and the rest was forged after reheating. Therefore, the cross-sectional shape was uniform over the entire length in two heats.
仕上げ鍛造後は、室温まで冷却し、表層5mmを切削除去し、表5の「熱間圧延」欄に記載の条件で熱間圧延を行った。熱延後の板材には焼鈍を行っていない。 After finish forging, it was cooled to room temperature, 5 mm of the surface layer was removed by cutting, and hot rolling was performed under the conditions described in Table 5, "Hot Rolling" column. The plate material after hot rolling was not annealed.
各種評価は、実施例1と同様の方法で行った。X線回折では幅中央の板厚中央部について圧延方向に垂直な断面で測定した。引張試験と疲労試験では幅中央の板厚中央部から圧延方向が長手となるように角材を切り出して、同様の試験片に加工して試験を行った。偏析異常部評価のEPMA面分析試料は、圧延方向に垂直な断面とした。EBSD測定は、圧延方向に垂直な断面において、板材厚み中央位置の幅中央1視野、1/4幅、3/4幅2視野の合計3視野を測定した。 Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. In the X-ray diffraction, the cross section perpendicular to the rolling direction was measured at the center of the plate thickness at the center of the width. In the tensile test and the fatigue test, a rectangular bar was cut from the center of the plate thickness at the center of the width so that the longitudinal direction was the rolling direction, and the same test piece was processed and tested. The EPMA surface analysis sample for segregation abnormality evaluation was a cross section perpendicular to the rolling direction. In the EBSD measurement, in a cross section perpendicular to the rolling direction, a total of 3 fields of view, 1 field of width center, 2 fields of 1/4 width, and 3/4 width, were measured at the thickness center position of the plate material.
上記で製造した丸棒は、実施例1と同様にEPMA分析、X線回折、EBSD測定、引張試験、疲労試験を行った。品質評価結果を表6に示す。表6において、本発明範囲から外れる数値に下線を付している。
本発明例No.32は、表4の品種No.Gに示す本発明の成分組成を有し、表5の製法No.16に示すように本発明の好適な製造条件で製造を行った結果として、表6のNo.32に示すようにいずれの合金元素も偏析異常部の最大面積が本発明の範囲内であり、疲労特性が良好であった。
比較例No.33(製法No.17)は粗鍛造で据えこみを行っておらず、Fe、Moの偏析異常部の最大面積が本発明範囲を外れており、その結果として、疲労特性が不良であった。
EPMA analysis, X-ray diffraction, EBSD measurement, tensile test, and fatigue test were performed on the round bar manufactured above in the same manner as in Example 1. Table 6 shows the quality evaluation results. In Table 6, numerical values outside the scope of the present invention are underlined.
Inventive Example No. 32 is the variety No. in Table 4; It has the component composition of the present invention shown in Table 5, and the manufacturing method No. in Table 5. No. 16 in Table 6 was produced under the preferred production conditions of the present invention as shown in Table 6. As shown in No. 32, the maximum area of the segregation abnormality was within the range of the present invention for all alloying elements, and the fatigue properties were good.
Comparative example no. No. 33 (manufacturing method No. 17) was rough forged without upsetting, and the maximum area of abnormal segregation of Fe and Mo was outside the range of the present invention, resulting in poor fatigue properties.
Claims (10)
ここで、主要元素とはAl、Fe、Mo、Vであり、断面中の主要元素濃度の偏析異常部とは、EPMA面分析において、Mo、V以外の主要元素が平均値±1質量%、Moが平均値±1.5質量%、Vが平均値±2%を外れた測定点が隣接する点の集合体を意味する。 It has a two-phase structure consisting of an α phase and a β phase, contains 2.5% by mass or more of Al and at least 0.8% by mass or more of one or more major elements other than Al, and has a concentration of the major elements in the cross section. A titanium alloy with a maximum area of segregation anomalies of 2000 μm 2 or less.
Here, the main elements are Al, Fe, Mo, and V, and the segregation abnormal portion of the main element concentration in the cross section is an EPMA surface analysis in which the main elements other than Mo and V have an average value of ± 1% by mass, Means a collection of adjacent measurement points where Mo is outside the average ±1.5% by mass and V is outside the average ±2%.
Al:4.5~6.5%、
Fe:1.4~2.3%、
Mo:1.5~5.5%を含有し、
OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 In % by mass,
Al: 4.5-6.5%,
Fe: 1.4-2.3%,
Mo: contains 1.5 to 5.5%,
2. The titanium alloy according to claim 1, wherein the total content of O and N is 0.25% or less, the balance being Ti and impurities.
Al:5.0~7.0%、
V:3.5~5.0%、
OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 In % by mass,
Al: 5.0 to 7.0%,
V: 3.5-5.0%,
2. The titanium alloy according to claim 1, wherein the total content of O and N is 0.25% or less, the balance being Ti and impurities.
Al:4.5~6.5%、
Fe:0.8~2.3%、
Si:0.0~0.50%、
OとNが合計で0.25%以下であり、残部Ti及び不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 In % by mass,
Al: 4.5-6.5%,
Fe: 0.8-2.3%,
Si: 0.0 to 0.50%,
2. The titanium alloy according to claim 1, wherein the total content of O and N is 0.25% or less, the balance being Ti and impurities.
ここで針状組織の割合は、チタン合金棒の軸に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。 6. The titanium alloy rod according to claim 5, wherein the ratio of needle-like structures is 80 area % or less.
Here, the ratio of the needle-like structure is obtained by performing EBSD evaluation on the cross section perpendicular to the axis of the titanium alloy rod, and obtaining the crystal grain size with the misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement result. If the ratio of the needle-like structure is 100% by area, and if the average crystal grain size is less than 100 μm, extract data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average, and extract the aspect ratio (length An α-grain having a ratio of axis/minor axis) of 3 or less is defined as an equiaxed α-grain, and the ratio of the area occupied by other than the equiaxed α-grain to the total measured area is defined as the acicular structure ratio.
ここで針状組織の割合は、チタン合金板の圧延方向に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。 8. The titanium alloy plate according to claim 7, wherein the acicular structure has a ratio of 80 area % or less.
Here, the ratio of the needle-like structure is obtained by performing EBSD evaluation on a cross section perpendicular to the rolling direction of the titanium alloy plate, obtaining the crystal grain size with a misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement result, and obtaining an average crystal grain size of 100 μm or more. In the case of , the ratio of the acicular structure is set to 100% by area, and when the average grain size is less than 100 μm, data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average is extracted, and the aspect ratio ( α-grains having a long axis/minor axis) of 3 or less are defined as equiaxed α-grains, and the ratio of the area occupied by other than the equiaxed α-grains to the total measured area is defined as the acicular texture ratio.
ここで針状組織の割合は、エンジンバルブの軸に垂直な断面においてEBSD評価を行い、測定結果において方位差5°以上を粒界として結晶粒径を求め、平均結晶粒径が100μm以上の場合は針状組織の割合を100面積%とし、平均結晶粒径100μm未満の場合は、Image Quality(IQ)が平均の20%以上のデータを抽出し、抽出したデータの中からアスペクト比(長軸/短軸)が3以下のα粒を等軸α粒とし、全測定面積に対する前記等軸α粒以外が占める面積率を針状組織の割合とする。 10. The engine valve according to claim 9, wherein the acicular structure has a ratio of 80 area % or less.
Here, the ratio of the acicular structure is obtained by performing an EBSD evaluation on a cross section perpendicular to the axis of the engine valve, obtaining the crystal grain size with a misorientation of 5° or more as the grain boundary in the measurement results, and when the average crystal grain size is 100 μm or more. is assumed to be 100% by area of the acicular structure, and when the average crystal grain size is less than 100 μm, data with an image quality (IQ) of 20% or more of the average is extracted, and the aspect ratio (major axis /minor axis) is 3 or less, and the area ratio occupied by other than the equiaxed α grains to the total measured area is defined as the ratio of the acicular structure.
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| CN116970841A (en) * | 2023-08-07 | 2023-10-31 | 宁夏中色金航钛业有限公司 | TC4 alloy for aviation and its large size rods of Ф350~450mm and its preparation method |
| WO2025216280A1 (en) * | 2024-04-12 | 2025-10-16 | 日本製鉄株式会社 | α+β TYPE TITANIUM ALLOY, TITANIUM ALLOY ROD, COMPONENT, AND METHOD FOR PRODUCING α+β TYPE TITANIUM ALLOY |
-
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