JP3426605B2

JP3426605B2 - 高強度・高延性チタン合金およびその製造方法

Info

Publication number: JP3426605B2
Application number: JP53162796A
Authority: JP
Inventors: 精一添田; 秀樹藤井; 宏之岡野; 道夫花木
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2003-07-14
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: EP0767245B1; EP0767245A1; WO1996033292A1; DE69610544D1; US6063211A; EP0767245A4; DE69610544T2; RU2117065C1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、高強度・高延性チタン合金およびその製造
方法に関し、より詳しくは、Al、Ｖ、Mo等の製造コスト
を増加させる合金元素を含有せず、引張強さ700MPa以
上、望ましくは850MPa以上、更に望ましくは900MPa以上
の高強度を有し、且つ伸び15％以上、望ましくは20％以
上の高延性を有する高強度・高延性チタン合金およびそ
の製造方法に関する。

背景技術従来、高強度チタン合金としては、Al、Ｖ、Zr、Sn、
Cr、Mo等を含有するα＋β型合金およびβ型合金が知ら
れている。これら従来の合金は一般に引張強さ900MPa以
上であり、純チタンとの間の700〜900MPa程度の強度レ
ベルの合金は少ない。

例えば、α＋β型合金の代表的な合金としてTi−6Al
−4V合金があり、焼鈍状態で引張強さ850〜1000MPa、伸
び10〜15％である。また、これよりも強度レベルの低い
合金としてTi−3Al−2.5Vがあり、引張強さ700〜800MPa
で延性も優れている。

しかし、これらの合金は高価な合金元素であるＶを含
有するためコストが高いという欠点があった。

そこで、高価な合金元素であるＶを安価なFeに代えた
Ti−5Al−2.5Fe合金（1984 Deutshce Gesellshaft fur
Metallkunde E.V.発行の“Titanium Science and Techn
ology",p1335）、Ti−6Al−1.7Fe−0.1Si合金、Ti−6.5
Al−1.3Fe合金（Advanced Material ＆ Processes,199
3,p43）等が提案されている。

しかし、上記提案された合金は多量のAlを含有してお
り、熱間で高強度・低延性であるため純Tiに比べて熱間
加工性が悪く、ＶをFeに代えたことにより原料コストは
低減されるものの、熱間加工コストは依然として高いと
いう問題がある。

そこで、AlもＶも含有せず、Ｏ（酸素）やＮ（窒素）
を侵入型強化元素として利用した合金が提案されてい
る。例えば、特開昭61−159563号公報には、酸素含有量
を0.4〜0.6重量％とし、高温での据え込み鍛造を含む粗
鍛練と仕上げ鍛練とを施し、その後500〜700℃×60分以
下の熱処理を施すことにより、引張強さ80kgf/mm²級の
強度レベルを有し、かつ伸びが20％以上である純チタン
鍛造材を製造することが記載されている。しかし、この
方法は、据え込み鍛造や強加工等の複雑な鍛造成形が必
要であり、一般的に採用することはできない。

このような特殊な成形法を必要とせず、通常の圧延に
よって板材や棒材等の種々の形状に成型できる延性に優
れた高強度チタン合金が、特開平１−252747号公報に開
示されている。ここに開示された合金は、強化元素とし
てＯ、Ｎ、およびFeを含有し、これら強化元素の含有量
を、Fe含有量が0.1〜0.8重量％、酸素等価量値Ｑ＝
〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕で定義されるＱ値が0.3
5〜1.0の関係を満たすように規定した上で、Ｎ含有量は
実施例に記載されているように実際上0.05重量％以上と
し、α＋β二相等軸相状またはラメラー相状の細粒組織
としたことにより、65kgf/mm²以上の引張強さを有す
る。

上記開示されたチタン合金は、ＯとＮによる固溶強化
と、純チタンより高めのFe含有量を利用した組織細粒化
効果とにより、引張強さ65kgf/mm²以上、伸び20％以上
を達成し、特にＱ≧0.6で85kgf/mm²以上が達成される。

しかし、同公報の図１および図２に示されているよう
に、Ｑ≦0.8では伸びが15％以上となるものの引張強さ
は95kgf/mm²以下であり、またＱ＝0.8〜1.0では引張強
さが95〜115kgf/mm²と高いが、伸びは15％以下と低い。

このように上記合金は必ずしも高強度を高延性を同時
に具備することができず、更に高強度と高延性を兼備し
た合金の開発が望まれている。

また上記合金は、0.05重量％以上という高いＮ含有量
を必要とするが、このように多量の窒素添加は溶製上極
めて困難であり、添加量の制御も困難である。

すなわち、チタンの溶解は真空中または低圧不活性ガ
ス雰囲気中で行われるので、溶解中に窒素ガスによって
窒素を導入することはほとんど不可能であるため、窒素
含有固体によって窒素を導入せざるを得ない。その際、
チタンの特性を害するような不純物の混入を避けるため
に、窒素を含有するチタンの添加が望ましい。前記のよ
うに多量の窒素含有量を達成するには、添加するチタン
中の窒素含有量を多量にする等の工夫が必要になり、融
点が3290℃と非常に高く未溶解部となりやすいTiN等が
生成する恐れがある。未溶解のTiN等はチタン合金中に
Ｎ系介在物として残存し、疲労破壊の起点になる等の致
命的な欠陥となることがある。また、窒素はガス成分で
あるため、窒素含有固体により窒素導入をする場合であ
っても、導入された窒素が蒸発し易いため、含有量の制
御が困難である。

発明の開示本発明は、上記従来の合金に対して、添加の困難な窒
素の含有量を少なくしながら、更に高強度・高延性とし
たチタン合金を提供することを目的とする。

上記の目的は、本願第１発明によれば、強化元素とし
てＯ、Ｎ、およびFeを含有し、残部が実質的にTiから成
り、上記強化元素の含有量は下記の関係（１）〜
（３）：（１）Fe:0.9〜2.3重量％、（２）N:0.05重量％以下、（３）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金によって達成され
る。

上記の目的はまた、本願第２発明によれば、強化元素
としてＯ、Ｎ、およびFe、更にCrとNiのうちの少なくと
も１種を含有し、残部が実質的にTiから成り、上記強化
元素の含有量は下記の関係（１）〜（６）：（１）Fe、Cr、およびNiの合計量:0.9〜2.3重量％、（２）Fe:0.4重量％以上、（３）Cr:0.25重量％以下、（４）Ni:0.25重量％以下、（５）N:0.05重量％以下、（６）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ=〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1(〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔Ni〕) ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）〔Cr〕:Cr含有量（重量％）〔Ni〕:Ni含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金によっても達成さ
れる。

第１発明または第２発明の第１の観点によれば、前記
酸素等価量値Ｑが0.34〜0.68であり、引張強さ700〜900
MPa、伸び20％以上である高強度・高延性チタン合金が
提供される。

第１発明または第２発明の第２の観点によれば、前記
酸素等価量値Ｑが0.50〜1.00であり、引張強さ850MPa以
上、伸び15％以上である高強度・高延性チタン合金が提
供される。

第１発明または第２発明の第２の観点による望ましい
態様によれば、前記酸素等価量値Ｑが0.68超〜1.00であ
り、引張強さ900MPa超である高強度・高延性チタン合金
が提供される。

更に、本願第３発明によれば、第１発明または第２発
明による高強度・高延性チタン合金を製造する方法であ
って、上記チタン合金の溶製時に、炭素鋼およびステンレス
鋼の少なくとも１種を装入して溶解することにより、上
記強化元素としてのFeあるいはFe,Cr,Niの少なくとも一
部を上記鋼から導入する、高強度・高延性チタン合金の
製造方法が提供される。

また、本願第４発明によれば、第１発明または第２発
明による高強度・高延性チタン合金を製造する方法であ
って、スポンジチタン製造工程において、Feを含有する容器
あるいはFe,Cr,Niのうち少なくとも１種の元素を含有す
る容器を使用することにより、該容器から転移・侵入し
たFeあるいはFe,Cr,Niのうち少なくとも１種の元素を含
有したスポンジチタンを製造し、上記チタン合金の溶製時に、上記強化元素としてのFe
あるいはFe,Cr,Niのうち少なくとも１種の元素の供給原
料の少なくとも一部として上記スポンジチタンを用い
る、高強度・高延性チタン合金の製造方法が提供され
る。

侵入型固溶元素である窒素はα相に侵入して固溶強化
するが、強化に必要な量をVAR（真空アーク溶解）等で
の溶解時に制御することは困難であり、また含有量が多
すぎると延性を低下させるので好ましくない。そこで本
発明では、Ｎ含有量を少なくすることにより、添加と含
有量制御を容易にした。Ｎ添加量が少なくてよいので、
溶解原料中のＮ系介在物もVARで解消できる程度に少な
くなる。

しかし、Ｎ添加量を少なくすれば、Ｎによる強化も少
なくなる。強度を確保するには、Ｎ量の減少を強化元素
であるＯあるいはFeで補えばよい。しかし、Ｏの増量は
延性を低下させ、Feの増量も同様に延性を低下させる。
後者は例えば特開平１−252747号公報の第３表試験番号
９および10に示されている。

本発明者は強度と共に延性も向上させるために種々の
実験を行った結果、Feの増量が延性を低下させるのは、
Ｎ含有量が0.055重量％以上の場合であり、したがって
Ｎ含有量を0.055重量％未満、特に0.050重量％以下とす
れば、Feの増量により延性が低下せずに強度が向上する
ことを見出した。すなわち、Ｎ含有量を0.05重量％以下
とし、Fe含有量を0.9重量％以上とすることにより、強
度および延性が同時に向上する。

その理由は以下のとおりである。

Feはβ相安定化元素であるため、Feを増量するとβ相
の量が増え、それに伴ってα相の量は減少する。その結
果、α相安定化元素であるＮが、量の減少したα相中に
濃化する。Ｎ含有量が0.05重量％より多いと、この濃化
によりTi₂N規則相がα相中に析出し易くなり、この析出
物により延性が低下する。Ｎ含有量を0.05重量％に限定
することにより、このような析出相は生成しにくくな
り、Feの増量による強度向上ができる。

Ｏも余り多量に存在するとTi₃OやTi₂Oの規則相が生成
する。しかし、これら規則相を生成するのに必要なＯ量
は、Ｎに比べると格段に多量であり、本発明の範囲では
全く問題とならない。

本発明によれば、引張強さ700MPa以上、伸び15％以上
が達成される。単純にＯおよびＮを増量して固溶強化す
るのでは、強度は向上するが延性が下がる。本発明にお
いては、Ｎ含有量を0.05重量％以下に減量した上で、Fe
を0.9重量％以上に増量することにより、展延性に富む
β相の量を増加させて良好な延性を確保すると同時に、
酸素等価量値Ｑ＝0.34〜1.00という関係を満たすように
強化元素である。Ｏ、Ｎ、およびFeの含有量を調整する
ことにより、引張強さ700MPa以上、伸び15％以上を達成
する。ここで、酸素等価量値Ｑは下記式で定義される。

Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）特に、本発明の第１の観点によれば、Ｑ値を0.34〜0.
68とすることにより、引張強さ700〜900MPa、伸び20％
以上の高強度で特に延性に優れたチタン合金が得られ
る。700MPa以上の引張強さを確保するためにＱ値は0.34
以上でなければならず、20％以上の伸びを確保するため
にＱ値は0.68以下でなければならない。

また、本発明の第２の観点によれば、Ｑ値を0.50〜1.
00とすることにより、引張強さ850MPa以上、伸び15％地
上の強度が更に高く良好な延性を確保したチタン合金が
得られる。850MPa以上の引張強さを確保するためにＱ値
は0.50以上でなければならず、15％以上の伸びを確保す
るためにＱ値は1.00以下でなければならない。

本発明の第２の観点による望しい態様においては、Ｑ
値を0.68超〜1.00とすることにより、引張強さ900MPa
超、伸び15％以上の、最も高い強度で良好な延性を確保
したチタン合金が得られる。900MPa超の引張強さを確保
するためにＱ値は0.68以上でなければならず、15％以上
の伸びを確保するためにＱ値は1.00以下でなければなら
ない。

Ｏ、Ｎ、およびFeは、本発明において強化元素として
必須の成分であり、前記Ｑ値についての関係を満たす範
囲の含有量で本発明の合金中に先ず存在する。前記の理
由により、Ｎ含有量は0.05重量％以下でなければなら
ず、これに対応してFe含有量は0.9重量％以上が必要で
ある。ただし、Fe含有量が過剰になると凝固偏析が著し
くなり、特性が劣化するため、Fe含有量は2.3重量％以
下とする。

本発明において、Feの一部をCrおよびNiのうちの少な
くとも１種で代替することができる。CrおよびNiはFeと
同様にβ相安定化元素であり、結晶粒を微細化して高強
度化に寄与する。その場合、前記Ｑの式において〔Fe〕
の項を〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔Ni〕の項に代えた下記式でＱ
を定義する。

Ｑ=〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1(〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔Ni〕) ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）〔Cr〕:Cr含有量（重量％）〔Ni〕:Ni含有量（重量％）この場合においても、本発明によるＱの範囲は0.9〜
2.3である。強度および延性を同時に向上させるために
Ｑ値は0.9以上でなければならず、Ｑ値が2.3を越えると
凝固偏析が著しくなり特性が劣化することは、Crおよび
Niを添加せずFeのみを添加した場合と同様である。

ただし、CrおよびNiの少なくとも１種を添加する場合
には、CrまたはNiが多量になると、脆い化合物であるTi
Cr₂またはTi₂Niが生成して延性が低下する。この現象を
防止するために、CrおよびNiの含有量は各々0.25重量％
以下とし、Fe含有量を0.4重量％以上、望ましくは0.5重
量％以上とすることが必要である。

本発明の合金は通常、従来の純チタンまたはチタン合
金と同様に、不純物としてＣ、Ｈ、Mo、Mn、Si、Ｓ等を
含有するが、その含有量は各々0.05重量％未満である。

本発明のチタン合金は通常、融解炉中にチタンを入
れ、真空中またはアルゴン雰囲気中でアーク溶解（VAR
溶解）される。本発明においては、この溶解時に炭素鋼
および／またはステンレス鋼を供給して、チタン中にFe
と、CrおよびNiのうちの少なくとも１種とを添加するこ
とができる。チタン中に添加するこれらの元素は、上記
の方法でFe、Cr、およびNiの合計量が0.9〜2.3重量％の
範囲内になるように添加しても良いし、また、他の添加
手段と併用して上記範囲内となるように添加しても良
い。好ましくは、より安価なスクラップ等の屑を添加原
料として用いることもできる。

添加原料は特に限定しないが、例えばJIS−SS400、JI
S−SUS430（Fe−17Cr）、JIS−SUS304（Fe−18Cr−8N
i）、JIS−SUS316（Fe−18Cr−8Ni−2Mo）等の炭素鋼お
よびステンレス鋼を用いることができる。これらの添加
原料中にはＣ、Mo等が含有されているが、Fe、Cr、およ
びNiの含有量に比較していずれも微量であり、チタン合
金中では0.05重量％未満の不純物に属する。

本発明においては、Fe、Cr、およびNiは更に下記のよ
うに別の手段で添加することができる。

すなわち、チタンの精錬においては、クロール法でマ
グネシウム還元を行ってスポンジチタンを製造する際
に、炭素鋼またはステンレス鋼の容器を用いる。この容
器からFeと、CrおよびNiのうちの少なくとも１種がスポ
ンジチタンに侵入し、これらの元素を含んだスポンジチ
タンが容器の壁および底部の近傍に生成する。このよう
に生成したスポンジチタンは、通常は別に採取され他の
用途に向けられるが、本発明のおいてはFe、CrおよびNi
の添加原料の一部または全部として用いる。これによ
り、低コスト化が可能になる。

このように、本発明はＯ、Ｎ、Fe（および、Cr、Ni）
を規定量添加することにより高強度・高延性のチタン合
金を提供することができるだけでなく、安価な添加原料
の使用により低コスト化が可能であるため工業的に極め
て有利である。

更に、本発明の合金は合金元素としてAlを含有しない
ので、従来のAlを含有する合金のように熱間加工性が低
下することがなく、製造上有利である。

図面の簡単な説明図１は、Ｑ値と引張強さの関係を示すグラフであり、図２は、Ｑ値と伸びの関係を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

〔実施例１〕本発明の第１の観点により引張強さ700MPa〜900MPa、
伸び20％以上の高強度・高延性チタン合金を製造した。
なお、本実施例中において「比較例」とは上記第１の観
点の範囲外であることを意味し、第２の観点の範囲外で
あることは必ずしも意味しない。

（１）430mmφの円柱鋳塊をVAR溶解して造塊した後、10
00℃に加熱し鍛造で100mmφのビレットとした。次い
で、850℃に加熱後圧延で12mmφの棒材にし、さらに、7
00℃×1hの焼鈍を施した。本製造例を“棒”と表示す
る。

（２）430mmφの円柱鋳塊をVAR溶解して造塊した後、10
00℃に加熱し鍛造で150mm厚さにし、次いで850℃に加熱
後熱間圧延で厚さ4mmの板材にし、さらに、700℃×1hの
焼鈍を施した。本製造例を“熱延板”と表示する。

（３）上記熱延板を脱スケール後、厚さ1.5mmに冷間圧
延した。本製造例を“冷延板”と表示する。

上記方法で製造した棒、熱延板及び冷延板を引張り試
験（棒は12.5mmφ、ゲージ長さ50mmの試験片、熱延板及
び冷延板は12.5mm幅、ゲージ長さ50mm平板の試験片を採
用）及び一部に回転曲げ疲労試験（10⁷回での未破断強
度を疲労強度と定義）を実施した。結果を表１〜表３に
示した。

表１に示した試料は本願第１発明の第１の観点に関連
する成分を含有した試料であり、Feの添加は純金属或い
はFeTi,Fe₂O₃（酸化鉄）を用いた。

表２に示した試料は本願第２発明の第１の観点に関連
する成分を含有した試料であり、Fe,Ni,Crの添加は純金
属或いはFeCr,FeNi,FeTi,Fe₂O₃を用いた。

表３は本発明の製造方法に関する棒及び熱延板の実施
例である。

表１において、試験番号１〜5,7,9,10（以上は棒）,1
4〜17（以上は熱・冷延板）は第１発明第１観点の実施
例であり、備考欄に各例の特徴を付記している。同欄に
記載されている「典型」の表示は、規定範囲内の典型例
を意味している。

試験番号６は窒素含有量を高くしたため伸び及び疲労
強度が低く規定範囲に達しない棒の比較例、同８はＱ
（酸素等価量値〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕）が少
ない棒の比較例であり、試験番号７と比較すれば明らか
なように規定範囲の下限を僅かに外したために引張強度
が700MPaに達しない。試験番号11は酸素含有量を多くし
たためＱが高い棒の比較例であり、試験番号10の比較す
れば明らかなようにＱの規定範囲上限を僅かに外したた
めに引張強度が高く、伸びが低くなっている。試験番号
12はFeが低く、引張強度が規定範囲に達しない棒の比較
例であり、また、試験番号13はFeを高くしたため、凝固
偏析が起こり、引張強度が大きく、伸びが著しく低くな
っている棒の比較例である。

このように第１発明第１観点の範囲内のチタン合金が
700〜900MPaの引張強さと20％以上の伸びを有している
ことが分かる。

表２において、試験番号18〜21,23,24は第２発明第１
観点の熱延板及び冷延板に関する実施例であり、備考欄
に各例の特徴を付記している。

試験番号22はFe＋Ni＋Crの含有量が少なく、従って引
張強度が規定範囲に達していない熱延板の比較例、同25
はFe＋Ni＋Crの含有量が多く、凝固偏析のため引張強度
が規定範囲を超え、かつ伸びが著しく低下している冷延
板の比較例、同26はNiが過剰に含有されており伸びが不
足している熱延板の比較例、同27はFeが不足し、かつNi
が過剰に含有され、伸びが低下している熱延板の比較例
である。同28はCrが過剰に含有され、伸びが低下してい
る熱延板の比較例である。これらにより第２発明第１観
点の範囲内のチタン合金が700〜900MPaの引張強さと20
％以上の伸びを有していることが分かる。

表３において、試験番号29は、VAR溶解時にCr源とし
てSUS430屑を使用し、またFe源としてはさらにFeTiを用
い、所定の成分になるように調整した棒の例である。同
30はNi,Cr源としてSUS304屑、Fe源としてさらにFeTiを
使用し、所定の成分になるように調整した熱延板の例で
あり、同31はNi,Cr源としてSUS316屑、Fe源としてさら
にFeTiを使用し、所定の成分になるように調整した熱延
板の例である。

同32はFe源としてSS400屑を使用し、所定の成分にな
るように調整した棒の例である。

また、試験番号33はスポンジチタン製造過程で、ステ
ンレス製容器から侵入したFe,Ni,Crを含有したスポンジ
チタン材を切り出して用い、所定の成分になるように調
整した熱延板の例である。

各成分の含有量は表３に示す通りである。また各試料
の引張強度は700MPa以上、伸び20％以上の第１および第
２発明の第１観点の範囲内にあり、優れた特性を示して
いる。

〔実施例２〕本発明の第２の観点により引張強さ850MPa以上、伸び
15％以上の高強度・高延性チタン合金を製造した。な
お、本実施例中において「比較例」とは上記第２の観点
の範囲外であることを意味し、第１の観点の範囲外であ
ることは必ずしも意味しない。

（２）430mmφの円柱鋳塊をVAR溶解して造塊した後、10
00℃に加熱し鍛造で150mm厚さにし、次いで、850℃に加
熱後熱間圧延で厚さ4mmの板材にし、さらに、700℃×1h
の焼鈍を施した。本製造例を“熱延板”と表示する。

上記方法で製造した棒、熱延板及び冷延板を引張り試
験（棒は12.5mmφ、ゲージ長さ50mmの試験片、熱延板及
び冷延板は12.5mm幅、ゲージ長さ50mm平板の試験片を採
用）及び一部に回転曲げ疲労試験（10⁷回での未破断強
度を疲労強度と定義）を実施した。結果を表４〜表６に
示した。

表４に示した試料は本願第１発明に関連する成分を含
有した試料であり、Feの添加は純金属或いはFeTi,Fe₂O₃
（酸化鉄）を用いた。

表５に示した試料は本願第２発明に関連する成分を含
有した試料であり、Fe,Ni,Crの添加は純金属或いはFeC
r,FeNi,FeTi,Fe₂O₃を用いた。

表６は本発明の製造方法に関する棒及び熱延板の実施
例である。

表４において、試験番号1,2,4,5（以上は熱延板）8,
9,12,13（以上は棒）、15,16（以上は冷延板）は第１発
明第２観点の実施例であり、備考欄に各例の特徴を付記
している。

試験番号３はFeが低い従来例であって伸びが低く規定
範囲に達しない熱延板の例、同６はＱ（酸素等価量値
〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕）が少なく引張強度が
不足している熱延板の比較例であり、試験番号１と比較
すれば明らかのように規定範囲の下限を僅かに外したた
めに引張強度が850MPaに達しない。試験番号７は酸素含
有量を多くしたためＱが高い熱延板の比較例であり、引
張強度は高いが、伸びが著しく低くなっている。

試験番号10は窒素が高く、伸び及び疲労強度が低い棒
の比較例、試験番号11はFeが低く、伸び及び疲労強度が
低い棒の比較例であり、また、試験番号14はFeを高くし
たため、凝固偏析が起こり、伸び及び疲労強度が低くな
っている棒の比較例である。

このように第１発明第２観点の範囲内のチタン合金が
850MPa以上の引張強さと15％以上の伸びを有しているこ
とが分かる。

表５において、試験番号17〜19,21,22,24は第２発明
第２観点の熱延板及び冷延板に関する実施例であり、備
考欄に各例の特徴を付記している。

試験番号20はFe＋Ni＋Crの総含有量が少なく、従って
伸びが規定範囲に達していない熱延板の比較例、同23は
Fe＋Ni＋Crの含有量が多く、凝固偏析のため伸びが著し
く低下している熱延板の比較例、同25はNiが過剰に含有
されており伸びが不足している冷延板の比較例である。
同26はCrが過剰に添加され伸びが不足いている冷延板の
例である。これらにより第２発明第２観点の範囲内のチ
タン合金が850MPa以上の引張強さと15％以上の伸びを有
していることが分かる。

第６において、試験番号27はVAR溶解時にFe,Cr源とし
てSUS430屑を使用し、またFe源としてはさらにFeTiを用
い、所定の成分になるように調整した棒の例である。同
28はFe,Ni,Cr源としてSUS304屑を、Fe源としてさらにFe
Tiを使用し、所定の成分になるように調整した熱延板の
例であり、同29はFe,Ni,Cr源としてSUS316屑、Fe源とし
てさらにFeTiを使用し、所定の成分になるように調整し
た熱延板の例である。

同30はFe源としてSUS400屑を使用し、所定の成分にな
るように調整した棒の例である。

また、試験番号31はスポンジチタン製造過程で、ステ
ンレス製の容器から侵入したFe,Ni,Crを含有したスポン
ジチタン材を切り出して用い、所定の成分になるように
調整した熱延板の例である。

各成分の含有量は表６に示す通りである。また各試料
の引張強度は850MPa以上、伸び15％以上の第１および第
２発明の第２観点の範囲内にあり、それぞれ優れた特性
を示している。

〔実施例３〕本発明の第２の観点により引張強さ850MPa以上、伸び
15％以上の高強度・高延性チタン合金を製造した。な
お、本実施例中において「比較例」とは上記第２の観点
の範囲外であることを意味し、第１の観点の範囲外であ
ることは必ずしも意味しない。

Fe:1.5重量％（本発明例）、及び0.7重量％（従来
例）含有し、かつ表７に示すＱ値を有する試料を、100m
mφの円柱鋳塊をプラズマアーク溶解して造塊した後、1
000℃に加熱し鍛造で80mm厚さのスラブにし、次いで、8
50℃に加熱後熱間圧延で厚さ4mmの熱延板にし、さら
に、700℃×1hの焼鈍を施して作成した。これらの試料
に実施例１に記載した引張試験を実施し、その結果をプ
ロットして図１、図２に示した。

図から明らかのように、従来法（0.7％Fe,○印）に比
して、1.5％Feを含有する本発明（●印）はＱ＝0.5を境
にして引張強度及び伸び共に向上していることが分か
る。特に、Ｑ＝0.68〜1.00の範囲で、その向上が著し
い。

産業上の利用可能性以上説明したように、本発明は、強化元素としてＮを
減量し代わりにFeを増量し、かつ強化元素であるＯ、
Ｎ、およびFeの含有量、あるいは更にFeの一部を代替す
るCr、Niの含有量を、酸素等価量値Ｑにより調整するこ
とにより高強度と高延性とを有するチタン合金を提供す
る。更に、本発明によれば、上記の強化元素を低廉な添
加原料から供給できるので、低コスト化が可能となり、
工業的に極めて有利である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡野宏之神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３丁目３番３号東邦チタニウム株式会社内 (72)発明者花木道夫神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３丁目３番３号東邦チタニウム株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 1/00 - 49/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFeを含有
し、残部が実質的にTiから成り、上記強化元素の含有量
は下記の関係（１）〜（３）：（１）Fe:0.9〜2.3重量％、（２）N:0.05重量％以下、（３）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金。
【請求項２】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFe、更にCr
とNiのうちの少なくとも１種を含有し、残部が実質的に
Tiから成り、上記強化元素の含有量は下記の関係（１）
〜（６）：（１）Fe、Cr、およびNiの合計量:0.9〜2.3重量％、（２）Fe:0.4重量％以上、（３）Cr:0.25重量％以下、（４）Ni:0.25重量％以下、（５）N:0.05重量％以下、（６）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1（〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔N
i〕）ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）〔Cr〕:Cr含有量（重量％）〔Ni〕:Ni含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金。
【請求項３】前記酸素等価量値Ｑが0.34〜0.68であり、
引張強さ700〜900MPa、伸び20％以上である請求項１記
載の高強度・高延性チタン合金。
【請求項４】前記酸素等価量値Ｑが0.50〜1.00であり、
引張強さ850MPa以上、伸び15％以上である請求項１記載
の高強度・高延性チタン合金。
【請求項５】前記酸素等価量値Ｑが0.68超〜1.00であ
り、引張強さ900MPa超である請求項４記載の高強度・高
延性チタン合金。
【請求項６】前記酸素等価量値Ｑが0.34〜0.68であり、
引張強さ700〜900MPa、伸び20％以上である請求項２記
載の高強度・高延性チタン合金。
【請求項７】前記酸素等価量値Ｑが0.50〜1.00であり、
引張強さ850MPa以上、伸び15％以上である請求項２記載
の高強度・高延性チタン合金。
【請求項８】前記酸素等価量値Ｑが0.68超〜1.00であ
り、引張強さ900MPa超である請求項７記載の高強度・高
延性チタン合金。
【請求項９】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFeを含有
し、残部が実質的にTiから成り、上記強化元素の含有量
は下記の関係（１）〜（３）：（１）Fe:0.9〜2.3重量％、（２）N:0.05重量％以下、（３）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金を製造する方法で
あって、上記チタン合金の溶製時に、炭素鋼およびステンレス鋼
の少なくとも１種を装入して溶解することにより、上記
強化元素としてのFeの少なくとも一部を上記鋼から導入
する、高強度・高延性チタン合金の製造方法。
【請求項１０】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFe、更に
CrとNiのうちの少なくとも１種を含有し、残部が実質的
にTiから成り、上記強化元素の含有量は下記の関係
（１）〜（６）：（１）FeとCrとNiの総量:0.9〜2.3重量％、（２）Fe:0.4重量％以上、（３）Cr:0.25重量％以下、（４）Ni:0.25重量％以下、（５）N:0.05重量％以下、（６）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ=〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1(〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔Ni〕) ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）〔Cr〕:Cr含有量（重量％）〔Ni〕:Ni含有量（重量％）を満たす範囲にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％以
上である高強度・高延性チタン合金を製造する方法であ
って、上記チタン合金の溶製時に、炭素鋼およびステンレス鋼
のうち少なくとも１種の鋼を装入して溶解することによ
り、上記強化元素としてのFe、Cr、およびNiの少なくと
も一部を上記少なくとも１種の鋼から導入する高強度・
高延性チタン合金の製造方法。
【請求項１１】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFeを含有
し、残部が実質的にTiから成り、上記強化元祖の含有量
は下記の関係（１）〜（３）：（１）Fe:0.9〜2.3重量％、（２）N:0.05重量％以下、（３）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ＝〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1〔Fe〕ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金を製造する方法で
あって、スポンジチタン製造工程において、Feを含有する容器を
使用することにより、該容器から転移・侵入したFeを含
有したスポンジチタンを製造し、上記チタン合金の溶製時に、上記強化元素としてのFeの
供給原料の少なくとも一部として上記スポンジチタンを
用いる、高強度・高延性チタン合金の製造方法。
【請求項１２】強化元素としてＯ、Ｎ、およびFe、更に
CrとNiのうちの少なくとも１種を含有し、残部が実質的
にTiから成り、上記強化元素の含有量は下記の関係
（１）〜（６）：（１）FeとCrとNiの総量:0.9〜2.3重量％、（２）Fe:0.4重量％以上、（３）Cr:0.25重量％以下、（４）Ni:0.25重量％以下、（５）N:0.05重量％以下、（６）下記式で定義される酸素等価量値Q:0.34〜1.00、Ｑ=〔Ｏ〕＋2.77〔Ｎ〕＋0.1(〔Fe〕＋〔Cr〕＋〔Ni〕) ただし、〔Ｏ〕:O含有量（重量％）〔Ｎ〕:N含有量（重量％）〔Fe〕:Fe含有量（重量％）〔Cr〕:Cr含有量（重量％）〔Ni〕:Ni含有量（重量％）を満たす範囲内にあり、引張強さ700MPa以上、伸び15％
以上である高強度・高延性チタン合金の製造方法であっ
て、スポンジチタン製造工程において、Fe、Cr、およびNiの
うち少なくとも１種の元素を含有する容器を使用するこ
とにより、該容器から転移・侵入した上記少なくとも１
種の元素を含有したスポンジチタンを製造し、上記チタン合金の溶製時に、上記強化元素としてのFe、
Cr、およびNiの少なくとも１種の供給原料の少なくとも
一部として上記スポンジチタンを用いる、高強度・高延
性チタン合金の製造方法。