JP4476884B2 - 成形性に優れたチタン合金およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器・燃料電池のセパレータなどのプレス成形加工品、携帯電話・モバイルパソコン・カメラなどの筐体など高度な成形性が要求される部材に用いるチタン合金に関するものである。

チタン合金は、その他の汎用金属と比べ、低密度（軽量）・高強度であることから比強度に優れており、航空機材料や宇宙開発用材料を中心に需要が拡大している。加えて近年では自動車部品用材料、医療用材料、眼鏡用材料、ゴルフ用材料としても汎用されつつある。

ところでチタン合金は、常温で構成する組織の相によって、α型、β型、およびそれらが混在したα＋β型に分類することができる。α型やα＋β型のチタン合金は、六方晶からなるα型を有しており、室温での延性が低く、温間または熱間で加工されることが多い。一方、体心立方晶からなるβ型のチタン合金は、α型やα＋β型のチタン合金と比べ、溶体化処理状態での延性が優れていることから、室温で成形加工することができる。さらにβ型チタン合金は、時効熱処理を施すことでさらに強度を高めることができるため、今後、さらなる用途への適用が期待されている。

そこで特許文献１では、Ｖ：４．０〜１０％（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｎ：２．０〜５．０％、Ａｌ：２．０〜４．０％を含み、さらにＣｒ：６．０〜１０％またはＣｒ：５．０〜９．０％とＦｅ：０．３〜３．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる時効熱処理後の強度と延性が優れたβ型チタン合金を開示している。

上記以外に、Ｔｉ―１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｓｎ合金、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ合金などもβ型チタン合金として知られている。これら合金は、上述のように時効熱処理前（溶体化処理後）に室温で成形加工できるものの、耐力（例えば０．２％耐力）が高いため加工時にスプリングバック現象が起こり易く、また一層高度な成形加工を行なうには延性が不十分であり、適用できる形状に限りがあった。そのため、高度な成形性が要求される部材（例えば、プレート式熱交換器・燃料電池のセパレータなどのプレス成形加工品、携帯電話・モバイルパソコン・カメラなどの筐体など）に用いる場合や、新規な用途で上記βチタン合金を用いる場合には、溶体化処理後において耐力が低く、延性が高く、優れた冷間加工性を有する成形性に優れた新規なβ型チタン合金の開発が望まれている。

そこで特許文献２では、重量％で、Ｖ：１５〜２５％、Ａｌ：２．５〜５％、Ｓｎ：０．５〜４％、酸素０．１２％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなる冷間加工性に優れたβ型チタン合金を開示している。

特許文献３では、Ｍｏおよび／またはＮｂ：０．５〜１８重量％、Ｖ：１３〜１９重量％、Ａｌ：０．５〜６重量％、Ｓｎ：０．５〜６重量％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる冷間加工性と延性に優れたβ型チタン合金を開示している。
特開２００４−２７０００９号公報 特許第２６６９００４号公報 特許第２９３６７５４号公報

上記特許文献２および３のβ型チタン合金では、冷間加工性を向上させるために比較的高価なＶを多量に含有させなければならず、特許文献３のβ型チタン合金では、さらにＭｏやＮｂなどの比較的高価な原料も含有させなければならなかった。

そこで本発明は、溶体化処理後において耐力が低く、延性が高く、優れた冷間加工性を有する成形性に優れた安価なβ型チタン合金を提供することを課題とするものである。

本発明者は、上記課題を解決すべく、β型チタン合金に含有させる様々な元素の作用について鋭意研究を行なった。従来、Ｓｎはω相の生成を抑制する作用を有すると考えられており、また上記特許文献２や３でも認識されているように、多量に含有させると溶体化処理後において固溶硬化により素地の強度や変形抵抗を上昇させてしまうとされていた。しかし本発明のβ型チタン合金では、Ｓｎを含有させることで溶体化処理後の耐力を低下させることができ、延性も向上できることを見出した。

さらにＦｅやＣｒは、溶体化処理後の合金における素地の強度（耐力）を著しく高めてしまうことから、できるだけ少ない方が望ましいとされていた（例えば、特許文献２）。しかし本発明者らが研究を行なったところ、Ｖの一部をＦｅおよび／またはＣｒで代用しても合金の成形性が損なわれることはなく、Ｖの含有量を低減させることでかえってコストを削減できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明のチタン合金は、
Ｖ：６〜１３％（質量％を意味する、以下同じ）、
Ｓｎ：４〜２０％、
Ｆｅ：０．３〜３．０％、
Ｃｒ：０．３〜４．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなることを特徴としており、成形性に優れている。上記ＦｅおよびＣｒの含有量は、下記式で表されるＦｅ等量で１．５〜３．５％の範囲内にあることが好ましい。
Ｆｅ等量＝［Ｆｅ］＋［Ｃｒ］／１．５（［ ］内は当該元素の含有質量％を示す）

また、さらにＡｌを０．３〜５．０％、および／またはＣｕを０．１％以上、３．０％未満含むことが好ましい。

上記チタン合金は、Ｆｅの含有量が０．３〜３．０％であるため、Ｆｅを０．２〜２％含有するスポンジチタン（以下、低級スポンジチタンとも称す）と、その他の添加元素とを溶製して製造することができる。

本発明のチタン合金は、溶体化処理後における延性が高く、かつ耐力が低く、優れた冷間加工性を有しているため、成形性に優れている。さらに本発明のチタン合金は、低級スポンジチタンを用いた製造が可能であるため、製造コストを削減することができる。

本発明のβ型チタン合金における合金元素の作用について説明する。

Ｖは全率固溶型のβ相安定化元素であり、少なければ溶体化処理後の延性が著しく低下し、さらには冷間加工性も劣化する。そのため６％以上（好ましくは７％以上、さらに好ましくは８％以上）含有させる必要がある。しかし過剰に含有させても延性の向上はみられず、かえって原料コストが高くなる。そのためＶの含有量の上限は１３％（好ましくは１２．５％、さらに好ましくは１２％）に抑える必要がある。

Ｓｎは中性的元素であり、本発明のチタン合金では、溶体化処理後の延性を向上させる効果を有している。そのため４％以上（好ましくは５％より多く、さらに好ましくは６％よりも多く）含有させる必要がある。一方でＳｎはＴｉよりも高密度な元素であるため、多量に含有させるとＴｉ本来が有する低密度の特性が損なわれてしまい、また過剰に含有させても延性の向上が見込められず、さらにはＴｉ₃Ｓｎが析出して延性が低下してしまい、かえって原料コストが高くなってしまう。そのためＳｎの含有量の上限は２０％（好ましくは１５％、さらに好ましくは１２％）に抑える必要がある。

Ｆｅは共析型のβ相安定化元素であり、少なすぎれば冷間加工により応力誘起マルテンサイト変態が生じ、チタン合金中に不安定なβ相が形成され、冷間加工時に割れを引き起こし易くなる。そのため、Ｆｅの含有量は０．３％以上（好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは１．０％以上）とする必要がある。しかし、Ｆｅを多量に含有させると、固溶硬化により耐力が高くなりすぎ、冷間加工性が損なわれてしまう。そのため、Ｆｅの含有量の上限は３．０％（好ましくは２．５％、さらに好ましくは２．０％）に抑える必要がある。

Ｃｒは、Ｆｅと同様、共析型のβ相安定化元素であり、少量では冷間加工性が不十分となるため、０．３％以上（好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは１．０％以上）含有させる必要がある。しかし過剰に含有させると、溶体化処理後の耐力が高くなり、冷間加工性が損なわれてしまう。そのため、Ｃｒ含有量の上限は４．５％（好ましくは４．０％、さらに好ましくは３．５％）に抑える必要がある。

またＦｅとＣｒの含有量は、上述のように各々独立して調節してもよいが、さらにＦｅとＣｒの含有量によって規定される前記Ｆｅ等量と合わせて調節することで、溶体化処理後の耐力を低下させ、かつ延性も向上させ、冷間加工性も向上させることができる。上記Ｆｅ等量の値としては、１．５％以上（好ましくは２．０％以上）、３．５％以下（好ましくは３．０％以下）とすることが望ましい。

本発明のチタン合金は、上記主成分以外に、目的に応じて、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎ、Ｃ、Ｓｉなどを含有させることができる。中でも溶体化処理後の延性を向上させる観点から、ＡｌやＣｕを含有させることが好ましい。

Ａｌは、Ｓｎと同様にω相の形成を抑制することができ、その効果はＳｎをよりも高く、さらに比較的安価で低密度（軽量）な元素である。そのためチタン合金に、０．３％以上（好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは１．０％以上）含有させることで、溶体化処理後の延性を向上させることができる。しかしＡｌを過度に含有させると、溶体化処理後の耐力が高くなりすぎ、延性も低下し、冷間加工性も損なわれてしまう。そのためＡｌ含有量の上限は５．０％（さらには４．５％、特に４．０％）に抑えることが好ましい。

Ｃｕも０．１％以上（好ましくは０．２％以上、さらに好ましくは０．３％以上）含有させることで、溶体化処理後の延性を向上させ、耐力を低下させることができる。しかし過度に含有させると、冷間加工性が損なわれるため、Ｃｕの添加量は３．０％未満（さらには２．５％未満）に抑えることが好ましい。

本発明のβ型チタン合金は、溶体化処理後における延性が高く、耐力が低く、かつ優れた冷間加工性を有しており、成形性に優れている。そのため該βチタン合金を用いた合金製品では、形状（例えば板状、棒状、線状、管状など）に関係なく高度な成形性や冷間加工性が要求される用途などで活用することができる。

上記β型チタン合金の製造は、特には限定されないが、好ましくはスポンジチタンを主原料とし、該スポンジチタンをその他の添加元素と共にアーク溶解法、電子ビーム溶解法、プラズマアーク溶解などの方法（好ましくはアーク溶解法）にて溶製させて製造することができる。通常Ｆｅは、溶体化後処理後のチタン合金の硬度が高くなるなどの理由から、少なく設定する必要があるため、Ｆｅ含有量を０．０５％以下程度に抑えた高純度なスポンジチタンを用いて製造している。それに対して本発明のチタン合金では、Ｆｅの含有量を高くすることで、その作用を積極的に活用することとしているので、Ｆｅを０．２〜２％含有する低級スポンジチタンを用いることができ、製造コストを削減することができる。

また得られた鋳塊物は、冷間加工・成形した後、時効熱処理（例えば４５０〜６００℃で４〜１２時間処理した後に空冷または水冷するなど）に付して強度を向上させてもよい。

表１に示す種類の元素を含み、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる原料をアーク溶融法にて溶製させてチタン合金の鋳塊物（直径５０ｍｍ×１５ｍｍ：重量約１２０ｇ）を得た。得られた鋳塊物を、厚みが１０ｍｍになるまで１２００℃で熱間圧延し、次いで１０００℃で再度熱間圧延した後、表面に形成されたスケールを除去し、厚みを４ｍｍに揃えた。その後、板厚が１．２ｍｍになるまで冷間加工を行い、大気炉にて８５０℃で１０分間保持して溶体化処理を施し、空冷した後、表面に形成されたスケールを除去して厚みを１．０ｍｍに揃えて供試材を製造した。得られた供試材の端部を一部切り出し、成分分析を行ない、得られた結果を表１に記載した。

（冷間加工性の評価）
供試材から幅２０ｍｍ×長さ１００ｍｍの板片を切り出し、切り出した板片の厚みが０．２ｍｍになるまで再度冷間加工（冷間加工率８０％）し、その際の耳割れの程度を目視にて確認し、下記する基準に従って冷間加工性を評価して結果を表１に記載した。
○：耳割れがみられなかったもの
△：１ｍｍ未満の耳割れがみられたもの
×：１ｍｍ以上の耳割れがみられたもの

（破断伸びと０．２％耐力の試験方法）
供試材からゲージ長２５．０ｍｍ，厚さ１．０ｍｍの試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の試験法に準じて破断伸びと０．２％耐力を測定し、結果を表１に記した。

試験Ｎｏ．１〜１８は本発明で規定した要件を満たすチタン合金であり、Ｎｏ．１９〜２８は本発明で規定したいずれかの要件を欠く比較例である。

Ｖが本発明の規定量よりも多いチタン合金（試験Ｎｏ．１９）では、耳割れは認められないものの、耐力（０．２％耐力）が７５０ＭＰａ以上と本発明のチタン合金よりも高く、延性（破断伸び）も１９．０％程度であった。逆にＶの含有量が少ないものでは、本発明のチタン合金よりも耐力が高く、延性も低くて耳割れが生じていた（試験Ｎｏ．２０）。

Ｓｎについては、含有量が増加するにつれて耐力が低下し、延性も増大していた（試験Ｎｏ．２および４〜６）。しかしＳｎが、本発明の規定量以外の合金（試験Ｎｏ．２１および２８）では、耐力が高く、延性も低くて耳割れが生じていた。

ＦｅやＣｒの含有量については、本発明で規定した範囲外のものでは、耐力が高く、延性も低くかった（Ｆｅでは試験Ｎｏ．２２および２３、Ｃｒでは試験Ｎｏ．２４および２５）。中でもＣｒを過剰に含有させた合金（試験Ｎｏ．２５）以外は耳割れが生じていた（試験Ｎｏ．２２〜２４）。

またＦｅとＣｒの含有量が上記規定を満たし、Ｆｅ等量が３．５％以上の合金（試験Ｎｏ．８および１１）でも全ての比較例と比べ、耐力が低く、冷間加工性、延性においては、同等かそれ以上の特性を示しているが、Ｆｅ等量を１．５〜３．５％の範囲内に調節することで、耐力を低下させることができ、さらに延性も向上させることができた（試験Ｎｏ．１〜７、９、１０、１２〜１８）。

また上記基本となる元素以外にＡｌを含有させることで、耐力を低下させることができ、延性を向上させることができた（試験Ｎｏ．１２〜１５）。しかし過剰に含有させると、延性が損なわれ、耐力が向上してしまい、耳割れが生じていた（試験Ｎｏ．２６）。

またＣｕの含有も、耐力を低下させ、延性も向上させることができるものの（試験Ｎｏ．１６および１７）、過剰に含有させると、延性が損なわれ、耐力が向上してしまい、耳割れが生じていた（試験Ｎｏ．２７）。

さらにＡｌとＣｕを同時に含有させることで、いずれか単独で含有させるよりも、耐力を低下させることができ、延性も向上させることができた（試験Ｎｏ．１８）。

Claims (5)

1. Ｖ：６〜１３％（質量％を意味する、以下同じ）、
   Ｓｎ：４〜２０％、
   Ｆｅ：０．３〜３．０％、
   Ｃｒ：０．３〜４．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする成形性に優れたチタン合金。
2. 上記ＦｅおよびＣｒの含有量が、下記式で表されるＦｅ等量で１．５〜３．５％の範囲内にある請求項１に記載のチタン合金。
   Ｆｅ等量＝［Ｆｅ］＋［Ｃｒ］／１．５（［ ］内は当該元素の含有質量％を示す）。
3. さらにＡｌ：０．３〜５．０％を含む請求項１または２に記載のチタン合金。
4. さらにＣｕ：０．１％以上、３．０％未満を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のチタン合金。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のチタン合金を、
   Ｆｅを０．２〜２％含有するスポンジチタンと、その他の添加元素とを溶製して製造することを特徴とするチタン合金の製造方法。