JPS62127442A

JPS62127442A - チタン合金およびその製造方法

Info

Publication number: JPS62127442A
Application number: JP26633585A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ichihashi; 市橋　弘行; Minoru Okada; 稔岡田; Takao Suzuki; 隆夫鈴木; Tomio Nishikawa; 西川　富雄
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-11-27
Filing date: 1985-11-27
Publication date: 1987-06-09

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、チタン合金およびその製造方法、特に高強度
チタン合金およびその製造方法に関する。

（従来の技術）チタン合金としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、最も一般
的に利用されている合金であるが、さらにその通用範囲
を拡大するためには、その強度の改善が望まれている。

ところで、従来のＴｉ−６Ａ（１−４Ｖ合金にあっても
不純物としての酸素が最大０．２０〜０．２５重量％含
有されている。しかし、その程度の量の酸素量は文字通
り不純物であり、何らその機械的特性改善には寄与しな
い０例えば、特公昭３１−９１０２号参照。

したがって、従来にあって、上述のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
合金の機械的特性、特に引張強度改善には、もっばらＡ
ｌ、　Ｓｎ、　Ｍｏ、　Ｖ　、　Ｚｒなどの高価な合金
元素を添加するか、あるいはＦｅ、　Ｃｒ、　Ｃなどの
元素を微量添加しているのが、実情である。

しかしながら、Ａｌ、Ｓｎなどのα安定化元素を合金元
素として添加すると、Ｔｉ３八Ｑを主体とする金属間化
合物をつくり易く、したがって、伸びが低下してしまう
。

一方、Ｍｏ、　Ｖなどのβ安定化元素を合金元素として
添加しても、それらは高価な元素であるばかりでなり、
熱処理を伴なわなければ、所定の強度が実現されないな
ど、結局高価な合金となってしまう。

なお、Ｚｒの添加は合金の材料コストを上昇させてしま
う。

さらに、Ｆｅは安価な合金元素であるが、強度向上の効
果は少なく、多量に添加する必要があるが、そのように
多量に添加すると今度は金属間化合物を生成してしまい
、むしろ延性が劣化する。

Ｃはｍｌでも強度改善に存効であるが、添加操作が難し
く、またＴｉＣを生成して延性劣化の原因となることが
ある。

ところで、酸素添加による高強度化について、ｒＰＲＯ
ｃＥｓｓ　ＩＮ　ＭＥＴＡＬ　ＰＨＹＳＩＣ３Ｊ　Ｂｒ
ｕｃｅ　Ｃｈａｌｍｅｒｓ　ｅｔａｌ　　ＩＱ集、ＰＥ
ＲＧＡＭＯＩＩ　ＰＲＥＳＳ　　発行、１９５８によれ
ば、純チタンでの例であるが、０．８０重四％にまで酸
素を増加させることにより引張強度を改善することは知
られているが、その場合、伸びの低下は免れない、その
他、Ｔｉ−５ｎ　＠金等についても同様な傾向がみられ
る。

また、特公昭３５−１７２０３号によれば、へＱ二０．
８〜１．８％、Ｖ　ニア、５〜８．５％、Ｆｅ　：　４
．５〜５．５％のチタン基合金に酸素を０．３０〜０．
５０％添加することにより、伸び、曲げ特性を損なうこ
となく強度が改善されることが開示されている。しかし
、これはβ型合金であり、Ｆｅを比較的多量に加えてい
る。しかも、熱処理を必要とするなど高価であるという
欠点もある。

さらに、等軸α＋β組織の熱処理法として、特公昭５０
−３７００４号には、βトランザスから１５０〜６０℃
低いα＋β温度領域から空冷より速い速度で冷却し、そ
の後安定化焼鈍を行い、切欠ラブチャ強度を向上させる
熱処理方法が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点）かくして、本発明の目的とするところは、機械的特性を
改善したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金およびその製造方法を
提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、低コストの高強度Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金およびその製造方法を提供することで
ある。

ところで、原料費の高価なチタン合金ではスクラップを
利用できるようにすることが材料コストの低下に大きく
寄与する。したがって、従来の合金組成の範囲を大きく
逸脱しない組成のもの、つまりいわゆる合金元素の添加
を権力抑えた合金が望ましいのである。この点、合金元
素としての酸素は従来の合金体系をなんら変更すること
がないため、好ましい添加元素といえる。

そこで、上述のような目的を達成すべく、まず、Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ系において酸素を合金成分として添加する
ことに着目して、種々検討したところ、純チタンでの経
験から酸素を添加することにより強度の改善が予想され
るが、同時に伸びの低下も考えられるため、さらにこの
点について検討を重ねたところ、Ｔｉ−６Ａｌ〜４■系
においてはＣａを微量添加することにより、意外にもそ
のような伸びの劣化は見られないことを知見した。もち
ろん、Ｃａ添加量はｉｔということであって、本来のＴ
ｉ−６Ａｌ−４Ｖの合金組成を大幅に変更する程の量で
はない。

本発明は、かかる知見に基づくものであり、その要旨と
するところは、重量％で、Ａｌ：２〜８％、　ｖ：２〜６％、酸素：０．３〜１．０％、Ｃａ：１０〜５００ｐｐ１１１残部：Ｔｉおよび不可避不純物から成り、不純物として
のＦｅ、　Ｃ、およびＮをそれぞれ０．５％以下、０．
１０％以下そして０．０５％以下に制限したことを特徴
とする、高強度チタン合金である。

さらに、本発明者らが、上述の新規なＴｉ−６Ａｌ−４
Ｖ系合金についてその製造法について検討した結果、Ｍ
１織的にはむしろ微細球状α相とプレート状α相との混
在相が適度な強度を保ちながら靭性を向上させるのに有
効であることを見い出して本発明を完成した。

したがって、本発明はその別の要旨とするところは、重
量％で、Ａｌ：２〜８％、　Ｖ　：　２〜６％、酸素＝０．３〜
１．０％、Ｃａ　：　１０〜５００ｐｐｍ。

残部：Ｔｉおよび不可避不純物から成り、不純物として
のＦｅ、　Ｃ、およびＮをそれぞれ０．５％以下、０．
１０％以下そして０．０５％以下に制限したチタン合金
をβトランザス点以下２０〜６０℃の温度範囲に加熱保
持後、０．５〜ｂ ℃以下にまで冷却することを特徴とする、強度、延性、
および靭性にすぐれたチタン合金の製造方法である。

ここに、「βトランザス」はβ−α＋β変態点であり、
例えばＴｉ　　＆ＡｌｄＶ系のチタン合金では一般に９
７０〜１１００℃の範囲内である。

かくして得られる組織は初析α粒とプレート状のα相か
ら成り、旧β粒界にプレート状にα相が析出し、初析α
粒をそれによってつないでいる組織になっている。Ｂｉ
−ｍｏｄａｌ＆［ｉ織と類似するが、本発明の組織はマ
ルテンサイトが焼戻された部分が存在しない点で異なる
。

加熱温度は初析α粒の球状化とα、β相の量比に大きく
影響する。そして冷却速度のコントロールにより、初析
αの寸法、粒界α粒の生成、プレート状α相の成長が影
響をうける。ここでは初析αを粗大化させないように冷
却速度をコントロールする。

（作用）次に、本発明において合金組成を上述のように制限した
理由を述べる。

Ａｌ：Ａｌはα相に固溶しα相を強化する効果が大きい。

しかし、２％未満では強化が十分でなく、一方、８％を
超えると金属間化合物を析出し、脆化する。

本発明では、したがって、Ａｌを２〜８重量％に制限す
る。好ましくは、４〜７％である。

Ｖ　ニジはβ相を安定化する元素であり、加工性を向上させる
。２％未満ではβ相の安定効果が十分でなく、６％を超
えると、β相の量が多くなりすぎて強度が低下する。

酸素：本発明が目的とする強度改善を行うには酸素濃度は０．
３％以上必要とし、酸素量の増加に伴って強度が増加す
る。しかし、一方、酸素が１．０％を超えるとＡｌの存
在下では金属間化合物が生成してしまい、むしろ脆化す
るため、本発明においては、酸素量を０．３〜１．０％
に制限する。好ましくは、０．５〜１．０％である。

なお、酸素のＴｉ溶湯への添加はＴｉＯｘなどの化合物
の形態であってもあるいは単に大気圧下に溶湯を保持す
るだけでも添加することもできる。

Ｃａ：本発明にあっては、酸素を添加することにより、強度の
改善をはかるが、酸素の添加にともなって、延性が低下
するので、これを防止するためにＣａを添加するのであ
る。

このようなＣａの効果はｔｏｐｐｍ以上で表れるが、Ｃ
ａの添加量が５００ｐｐｍを超えると化合物を形成し延
性が劣化するので、Ｃａの添加量は１０〜５００　ｐｐ
ｍに制限する。好ましくは、５０〜１００　ｐｐ−であ
る。

なお、Ｃａの添加方法は特に制限はされず、例えば、金
属Ｃａの形態で溶湯に直接添加することもでき、あるい
はＣａＯライニング炉の場合、合金を溶解する際にＣａ
Ｏから還元溶解してくるＣａを利用しても、いずれであ
ってもよい。

その他、本発明にかかるチタン合金にあっては、Ｆｅ、
　Ｃ、およびＮが不純物として含存される。Ｃ１Ｎは侵
入型固溶元素であり、通常チタン中に不純物として０．
０１％程度含有されている。特に、Ｃは０．１０％超、
Ｎは０．０５％超含まれる場合には、それぞれチタンと
の化合物を析出し、脆化する。　Ｆｅも不純物として通
常０．０５％程度含有されるが、０．５％超含有される
場合にはチタンとの金属間化合物を析出し、脆化する。

したがって、本発明にあっては、Ｆｅ、　Ｃ、およびＮ
をそれぞれ０．５％以下、０、ＩＯ？’６以下、および
０．０５９４１メトに制限する。

次に、本発明の製造方法における各処理条件の限定理由
を述べる。

本発明にかかる（τ手βチクン合金の切欠靭性は等軸７
品とその間を埋める微細な針状晶の混合組織のときに最
も高くなり、最も一般的な組織である等軸α＋β組織に
比ペソヤルピー衝撃値は２〜４倍の高い値になることが
わかった。

添付図面のｔａｌは本発明によるチタン合金のＭｉ織を
模式的に示すもので、１次α晶である等軸品とその間に
存在する２次α品である針状晶との混合Ｍｉ織から成る
ことが分かる。添付図面のＣｂ）およびｆｃｌはそれぞ
れ等軸晶、粗大針状晶のみから成る場合を示すもので、
靭性の低下は免れない。

本発明において、加ＤＡ度をβトランザス以下２０〜６
０℃としたのは、βトランザス以上ではβ粒の成長が著
しく、それにともなって、冷却中に粗大な針状αが析出
し、βトランザス以下２０℃以上の温度範囲においても
、残存するα相が極端に少なくなり、冷却途中で生じる
二次α晶が粗大になり、望ましいミクロ組織が得られな
いことおよびβトランザス以下６０℃より低い温度では
一次α品が残存する量が多くなり、冷却中に生じる微細
な針状の二次１品が少なくなるためである。

ごのため、加ハ保持される温度はβトランザス以下２０
〜６０℃に限定される。より好ましくは、βトランザス
以下３０〜５０℃である。

保持時間については特に制限はないが、結晶粒の櫓端な
成長を防ぐために望ましくは０．５〜５時間の範囲とす
るのが適当である。

冷却速度については本発明では０．５〜ｂであり、０．
５℃／Ｓ未満の冷却速度では冷却中に生じる針状の二次
１品が成長し、目的の微細な針状α組織が得られない。

したがって、本発明にあっては、α晶の成長を促すため
に冷却速度を０．５℃／Ｓ以ととする。一方、５℃／Ｓ
超の冷却速度ではマルテンサイト変態が起こり、靭性を
低下させる。このため、冷却速度は０．５〜ｂ定される
。好ましくは、２〜ｂなお、冷却速度を制限するのは５００℃以上の温度範囲
であるが、それより低い温度範囲では元素の拡散速度が
極端に小さくなり、この温度を超えた範囲では冷却速度
を制御しなくてもミクロ組織に変化は起こらない。

次に、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。

実施例１雰囲気調整できる２０ｋｇ高周波誘導加熱炉（５ＫＨｚ
、７０に−）により、カルシアルツボ（１４ｏＩＩ１１
頂部直径Ｘ１３０ｍ−底部直径×２５０端蒙高さ）を用
いて、第１表に各組成を示すＴ　ｉ　−６Ａｌ〜４ｖ系
合金を１０Ｋｇ溶解した。

雰囲気は、真空引き（１０−”ｍ＋ｌＩｇ）を行った後
、Ａｒガスを導入して１気圧とし、水封により若干のプ
ラス圧に調整した。

次いで、このようにして製造したインゴットを１２００
℃〜１０５０℃の範囲の温度でβ鍛造した後、１０００
〜８００℃の範囲の温度でα＋β鍛造し、直径２゜１Ｉ
ＷＡの棒材を得た。熱処理は、７０５℃で１時間加熱後
、炉冷する焼鈍を行った。

熱処理終了後、各棒材から試験片を採取して、機械的性
質を調べた。結果を同しく第１表にまとめて示す。

第１表に示す結果からも明らかなように、本発明にかか
る合金は、比較例隘６の従来の焼鈍材と比較して強度が
約２０〜３０　ｋｇｆ／ｍｓ”高く、延性も良好である
。一方、比較例−７，８に示すように、酸素が高い場合
、またはＣａが添加されていない場合には、延性が低い
、また、比較例１１ｈ９．１１に示すように、Ｃａ　５
００ｐｐｍ超の場合にも延性は低い。

比較例磁１０は不純物のＦｅが高い例を示すものである
。

実施例２本例では、実施例１を繰り返した。ただし、熱処理条件
を種々変えて行った。

使用した合金組成および機械的性質を第２表にまとめて
示す。

第２表においてｌ’ｈｌ−Ｎｌ１５は本発明例であり、
１２０　＝　１２８ｋｇｆ／＋＋ｍ”の掻めて高い強度
と２．０〜２．３ｋｇｆ／ａｖ＋”　という、Ｎａ　１
１　ニ示す従来（７）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の焼鈍材
と比べてもあまり差のない良好なシャルピー値が得られ
る。

菫６は、加熱温度が低すぎるため、針状の２次α品の世
が少なく、鳩７は逆に高すぎるため針状の２次α晶が粗
大となり、いずれも十分なシャルピー値が得られていな
い。

ｔ８および９は、冷却速度が小さすぎるため針状の２次
α品が成長してしまい、Ｎｌｌ０は逆に冷却速度が大き
すぎるためマルテンサイトが生成し、いずれもンヤルピ
ー値が低い。

−１１は従来材のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼鈍材である
。

（発明の効果）以上詳細に説明したように本発明により、製造コストが
低い高強度、高靭性を有するチタン合金が供せられ、産
業用機械部品等への用途拡大が期待できるのであって、
本発明の斯界の発展への寄与には大きなものがあるのが
分かる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明により得られたチタン合金のミクロ
＆１１織を比較例のそれとともに示す模式図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ａｌ：２〜８％、Ｖ：２〜６％、酸素：０．３〜１．０％、Ｃａ：１０〜５００ｐｐｍ、残部：Ｔｉおよび不可避不純物から成り、不純物としてのＦｅ、Ｃ、およびＮをそれぞれ０．５％
以下、０．１０％以下そして０．０５％以下に制限した
ことを特徴とする、高強度チタン合金。
（２）重量％で、Ａｌ：２〜８％、Ｖ：２〜６％、酸素：０．３〜１．０％、Ｃａ：１０〜５００ｐｐｍ、残部：Ｔｉおよび不可避不純物から成り、不純物としてのＦｅ、Ｃ、およびＮをそれぞれ０．５％
以下、０．１０％以下そして０．０５％以下に制限した
チタン合金をβトランザス点以下２０〜６０℃の温度範
囲に加熱保持後、０．５〜５℃／Ｓの速度で５００℃以
下にまで冷却することを特徴とする、強度、延性、およ
び靭性にすぐれたチタン合金の製造方法。