JPH01279736A - β型チタン合金材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はβ型チタン合金材であるＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ
−３Ｓｎ−３Ａ、２合金材の製造方法に係り、特に冷間
加工後、二段時効を直接行うことにより優れた強度、及
び延性をもつ材料を得る熱処理方法に関する。

〔従来の技術〕

チタン、チタン合金は、その優れた比強度、耐食性、及
び耐熱性を有しており、宇宙航空機材料。

各種化学プラント、海水淡水化装置等広範な用途に利用
されている。

チタン合金としては従来Ｔｉ−６Ａｆｌ−４Ｖに代表さ
れるα＋β型合金が広く用いられてきたが、α＋β型合
金は成形性に乏しく、加工の多くを切削に頼るため、最
終製品に至るまでの歩どまりが非常に低いという欠点を
有している。

そこで、α＋β型合金に比較して、冷開成形性に優れし
かも同等の強度レベルが得られることから、β型チタン
合金のＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａρの利用が
近年床がりつつある。

β型合金は、厳密にいえば準安定β型合金であり、β域
からの急冷によって、常温でもβ単一組となり、時効硬
化性をもつ。

このＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３ＡＵ合金はβ相
が安定な合金であり、比較的均一なα相の析出をするた
めα＋βφβ変態点（７５０℃近傍）以上の温度より空
冷し溶体化処理とし、４５０〜５５０℃の温度で時効処
理を施し実用に供せられることが多い。

このような加工熱処理方法で得られる材料は、ある一定
の範囲の強度−延性関係を有し、実用上必要とされる破
断のび５％以上という条件をみたすものでは、１４０ｋ
ｇｆ／ｍｍ”級の引張強さで限界となる。これ以上の強
度を得るには、延性を犠牲としなければならなく、また
低温でかなりの長時間時効処理を施さねばならないため
経済面からいっても問題が生じてくる。

これ以上の強度を短時間で得るには、冷間加工から直接
時効に供するというプロセスがある。これを用いれば、
上記のＳＴＡ工程よりかなり短い時間で容易に１５０ｋ
ｇｆ　／ｎｍ＋２以上の引張強さが得られるが、このよ
うな材料では、５％以上の破断のびを得ることはほとん
ど不可能である。

このため、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｆｌの
強度−延性関係には、一種の壁といえる線が存在してお
り、これを芯える特性を得ることは困難とされていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の冷間加工からβ域での溶体化処理、時効処理と続
くもの（以下ＳＴＡプロセスと呼ぶ）では延性を実用可
能の範囲内に保ったままでは、高強度が得られず、冷間
加工から直接時効処理へと続くもの（以下ＤＡプロセス
と呼ぶ）ではかなりの高強度が得られるが、大きな延性
低下を招き。

ある一定の強度−延性関係の壁をこえることができなか
った。

本発明者は代表的β型チタン合金であるＴｉ−１５Ｖ−
３Ｃｒ−３Ｓ　ｎ−３Ａｕ合金の機械的性質を従来のレ
ベルより一段と高いものにする製造プロセスを追求した
結果、冷間加工のひずみのある範囲内の開放と、その後
の時効処理により高強度と高延性を併わせもつことを可
能とするプロセスを見いだした。

従来のＳＴＡプロセスは冷間加工でのひずみを開放しす
ぎ、ＤＡプロセスでは開放が不足しているとの見地に立
ち冷間加工と最終時効処理の間に冷間加工のひずみを適
度に開放する一段目の時効処理をはさむことの可否につ
いて鋭意研究を行った結果、高強度、高延性を同時に達
成できる微妙な第一段時効処理の範囲を得るに至った。

本発明は上記の事情に鑑みて完成されたものであり、β
型チタン合金ＴＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ合
金の強度−延性関係を大幅に向上させる一冷間加工から
の直接２段時効処理を行うことにより優れた強度、延性
をもつβ型チタン合金材を得る熱処理方法を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するための、主要成分として
Ｖ１４〜１６ｗｔ％、Ｃｒ　２．５〜３．５ｗｔ％、Ｓ
　ｎ　２．５〜３．５ｗｔ％、　Ａ　１１２．５〜３．
５ｗｔ％、残部Ｔｉ及び不可避的不純物から成るβ型チ
タン合金材の加工、熱処理方法において、冷間加工を加
工度１０％以上で施した後、５００℃以上、７００℃未
満の温度に加熱、２分以上、１時間以下保持することに
より一段目の直接時効処理を施し、さらにこの一段目の
時効処理にひきつづき、３５０℃以上５５０℃以下の温
度で２時間以上保持することにより、二段目の時効処理
を施することを特徴とするβ型チタン合金材の製造方法
である。

そして１本発明の対象とするものはＴｉ−１５Ｖ−３Ｃ
ｒ　−３Ｓ　ｎ　−３Ａ　Ａ系β型チタン合金であり、
前記主要成分以外に酸素が０．３ｗｔ％以下含有するこ
とが好ましい、酸素は０．３ｗｔ％までは脆化を招くこ
となく強度を上昇させる働きを有する。しかし０．３ｗ
ｔ％以上の酸素は材量の延性の大幅な低下を招くので好
ましくない。

チタン合金は、一般に鋳造されたインゴットをその鋳造
組織を破壊するとともに、その後の工程に適した中間素
材を得るためのインゴットプレイクダウン工程を出発工
程とする。これについで熱間での加工、焼鈍を経て、そ
の後冷間での加工が行われる。本発明を特徴づけるのは
、最終での冷間加工、及びそれに続く熱処理であり、そ
の前歴は一切問わない。本発明の出発材料は、上記工程
を経由した熱間加工材、冷間加工材等である。

そしてＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｆｆ系β型
チタン合金の強度−延性関係はＳＴＡ材では、最終時効
処理の前にα＋βφβ変態点以上から溶体化処理を施す
ため最終加工により蓄積されたひずみが開放されすぎて
しまっており、ＤＡ材では最終加工のひずみが全く開放
されていないところに、析出硬化が重畳されたためであ
ると考え、この両プロセスの中間の強度も得られ、延性
も確保できるプロセスを求めて多くの実験を行い、冷間
加ニー２段直接時効というプロセスを確立した。

したがって本発明では、均一なひずみの導入が重要な要
素となる。

Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３ＡＪ系β型チタン合
金の場合は、他のチタン合金と較べ、冷間で容易に加工
ができるという利点を有する。冷間での加工は回復を全
くともなわないので均一なひずみの導入には有効な手段
である。

本発明では、この均一なひずみの導入に必要な下限の加
工度が１０％であることを見出した。冷間加工は回復を
ともなわないため、ひずみ速度は残留するひずみ量に影
響を与えない、そのためこの冷間加工はいかなる方法で
もよく、例えば冷間圧延、冷間伸線、冷間スウェージン
グ、冷間鍛造等が手法として存圧する。

これにひきつづき、ひずみ量を適度に回復させる第一段
の時効処理を行う。温度は、５００　’Ｃ以上、７００
℃未満が適切である。５００℃未満の温度ではひずみの
開放が不足で破断のびが低く。

７００”Ｃ以上の温度では、たとえα＋β域であっても
、ひずみの開放が大きすぎ、この後の２段目の時効処理
での強度の上昇量が小さくなる０時間は２分以上、１時
間以下とする。直接時効処理は析出物の核生成が冷間加
工により導入された格子欠陥の消滅するときのエネルギ
ーの助けをかりるため容易であり、２分という短時間で
、かなりの量の析出物が生成され、それと同時に格子欠
陥、すなわちひずみの開放がおこなわれる。ただし、１
時間を越える時効処理を行なうと、析出が多く生じすぎ
、過密な析出物が生成され、これから述べる第２段の時
効処理を施してもその効果はなく、単なる直接時効と同
じ結果しか得られない。

これにひき続き第２段の時効処理をおこなうが温度は第
１段の時効処理よりは低いことが望ましく、３５０℃以
上５５０℃以下の温度とする。

３５０℃以下で生ずる析出物はサイズが微細すぎるため
延性を大幅に低下させる。５５０℃以上では達成しうる
強度が低い０時間は２時間以上とする。これも直接時効
のためかなり短時間で満足すべきレベルに達する０以上
の本発明の熱処理はすべて、バッチ炉でも連続炉でも実
現しうる。

なお、本発明において適用されるチタン合金は上記に示
したＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａρ系β型チタ
ン合金であり、下記を主要成分としている。

ｖ：　１４〜１６ｗｔ％ Ｃｒ　　：　　２．　５〜３．　５ｗｔ％Ｓｎ　　：　
　２，５〜３．　５ｗｔ％Ａｆｌ　：　　２．　５〜３
．　５ｗｔ％残部Ｔｉ及び不可避的不純物 さらにＦｅ：０．３ｔｇｔ％ｒ　Ｏ：　０　、３ｗｔ％
以下を含有するものも本発明に包含される。不純物は０
．４ｗｔ％以下である。

〔作用〕

上記本発明を実施する方法としてはまず、冷間加工によ
るひずみの導入が必要であり、この下限は１０％である
。

これにひきつづき５００℃以上７００’Ｃ未満で２分以
上、１時間以下の第１段の時効処理を行い、さらにひき
つづき３５０℃以上、５５０℃以下の温度での２時間以
上の時効処理を行い１３０〜１７０ｋｇｆ／ａｎ”台の
強度と５％以上の破断のびを同時に達成させることがで
きる。

〔実施例〕

次に、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する、実
験にもちいたＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａρ系
チタン合金の化学成分を第１表に示す。

第１表　（ｗｔ％） 使用したインゴットは直径５５０＋ｎであり、これを１
１００ｎ＋厚みに熱間で鍛造し、スラブとした後、９５
０℃に加熱し、１０ｍ＋厚みに熱間圧延した。

この熱間圧延板を８００’Ｃで３０分空冷という溶体化
処理に供し、β相のみとしたものを供試材として実験を
おこなった。引張試験は、板幅１２．５ｍ＋＋＋、ゲー
ジ長さ５０ａ＋＋のＪＩＳ１３号Ｂ試験片を用いた。

実験は冷間加工度及び熱処理条件を種々変えてそれぞれ
の引張強さ、０．２％耐力及び破断のびについて測定し
た。

この実験結果は第２表に示すとおりである。

第２表においてＮα１〜１０は、冷間加工度の影響を調
べた結果で、冷間加工度１０％未満のＮ（１１，，２は
強度が低いことが判明した。

また、Ｎα９〜１８は１段目の直接時効処理の条件を求
めるために行った実験結果であり、熱処理の温度が低す
ぎるＮα９，１０はのびが低く、高すぎるＮα１５，１
６は強度が低く、また時間が短すぎるＮα１７長すぎる
＆１８はのびが低いという欠点を示している。

次に、Ｎｏ１７〜２６は、２段目の時効処理の条件を求
めたもので、時効温度が低すぎるＮａ　１９　。

２０はのびが低く、高すぎるＮｌ１２３，２４は強度が
低い、また時効時間の短いＮα２５は強度が低い結果と
なった。

さらに、従来のＳＴＡ及びＤＡによる処理材の機械的性
質をＮα２１〜４１に示したがいずれも本発明品に較べ
ると劣っている。

したがって、以上の実験結果より本発明品はいずれも延
性をそこなわずに強度レベルが向上していることが明確
となった。

〔発明の効果〕

上記の本発明によれば、二段階の時効処理を行うことに
より近年利用度の高まりつつあるＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ
−３Ｓｎ−３Ａｕ系β型チタン合金の延性をそこなわず
に強度レベルを向上させることが可能である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）主要成分としてＶ１４〜１６ｗｔ％、Ｃｒ２．５
   〜３．５ｗｔ％、Ｓｎ２．５〜３．５ｗｔ％、Ａｌ２．
   ５〜３．５ｗｔ％、残部Ｔｉ及び不可避的不純物から成
   るβ型チタン合金材の加工、熱処理方法において、冷間
   加工を加工度１０％以上で施した後、５００℃以上、７
   ００℃未満の温度に加熱、２分以上、１時間以下保持す
   ることにより一段目の直接時効処理を施し、さらにこの
   一段目の時効処理にひきつづき、３５０℃以上、５５０
   ℃以下の温度で２時間以上保持することにより二段目の
   時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金材の製
   造方法。
2. （２）チタン合金材の酸素含有量が０．３ｗｔ％以下で
   あることを特徴とする請求項第１記載のβ型チタン合金
   材の製造方法。