(57)【要約】【課題】高い強度を維持しつつ安定して高い加工性が得られるように、加工硬化を抑制したチタン合金を提供する。【解決手段】Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｏのうち少なくともＮｂおよびＯを含有し、下記式（１）：  Ｎｂ当量（at％）＝Ｎｂ含有量（at％）＋０．８７５×Ｚｒ含有量（at％）＋０．７５×Ｔａ含有量（at％）＋４×Ｏ含有量（at％）・・・（１）で定義されるＮｂ当量が３２〜３９at％であり、Ｏ含有量は０．５〜１．５at％、Ｚｒ含有量は４at％以下であり、残部がＴｉおよび不可避的不純物から成る化学組成を有し、  溶体化処理材の硬さが２００Ｈｖ以上、９５％冷間加工材の硬さが３００Ｈｖ以下であって、下記式（２）：  加工硬化率（％）＝｛９５％冷間加工材の硬さ（Ｈｖ）−溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝／｛溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝×１００・・・（２）で定義される加工硬化率が２０％以下であることを特徴とするチタン合金。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｏのうち少なくともＮｂおよびＯを含有し、下記式（１）：
Ｎｂ当量（at％）＝Ｎｂ含有量（at％）＋０．８７５×Ｚｒ含有量（at％）＋０．７５×Ｔａ含有量（at％）＋４×Ｏ含有量（at％）・・・（１）
で定義されるＮｂ当量が３２〜３９at％であり、Ｏ含有量は０．５〜１．５at％、Ｚｒ含有量は４at％以下であり、残部がＴｉおよび不可避的不純物から成る化学組成を有し、
溶体化処理材の硬さが２００Ｈｖ以上、９５％冷間加工材の硬さが３００Ｈｖ以下であって、下記式（２）：
加工硬化率（％）＝｛９５％冷間加工材の硬さ（Ｈｖ）−溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝／｛溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝×１００・・・（２）
で定義される加工硬化率が２０％以下であることを特徴とするチタン合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン合金、特に、加工硬化率が低く加工性の優れたβ型チタン合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、比強度や耐食性に優れるため、航空、宇宙、深海、化学プラントなどの特殊分野で広く用いられている。特にβ型チタン合金は、高い耐食性と低い弾性率を特徴とし、腐食環境下で用いられるネジのような締結部材等への適用が期待される。
【０００３】
β型チタン合金は、α型およびα＋β型チタン合金に比べて加工性に優れるが、合金組成によっては焼入れ時や加工時にω相が生じて脆化したり、α”マルテンサイト変態が起きたりして、著しい加工硬化を生じ加工性が劣化することが多い。
【０００４】
特許文献１には、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｌの各含有量の線形式で定義されるＭｏ当量を３〜１１質量％とする範囲でこれらの合金元素を１種以上含有し、０．３〜３質量％の、Ｏ、ＮまたはＣの１種以上から成る侵入型固溶元素を含有し、Ａｌ含有量は１．８質量％以下であり、少なくとも室温でβ単相であることを特徴とする加工性に優れ、低ヤング率のチタン合金が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、質量比で、Ｍｏ：１３．５〜１６．９％、Ｎｂ：０．５〜５．５％、Ｚｒ：０．５〜５．０％、Ｏ：０．２０以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物から成るとともに、β変態点が７００〜７５０℃の範囲であることを特徴とする生体用β型チタン合金が開示されている。
【０００６】
しかし、高い強度を維持しつつ安定して高い加工性を確保するためには、加工硬化を抑制する視点からの合金設計が更に必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１６２１７１号公報
【特許文献２】特開２００３−７３７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高い強度を維持しつつ安定して高い加工性が得られるように、加工硬化を抑制したチタン合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｏのうち少なくともＮｂおよびＯを含有し、下記式（１）：
Ｎｂ当量（at％）＝Ｎｂ含有量（at％）＋０．８７５×Ｚｒ含有量（at％）＋０．７５×Ｔａ含有量（at％）＋４×Ｏ含有量（at％）・・・（１）
で定義されるＮｂ当量が３２〜３９at％であり、Ｏ含有量は０．５〜１．５at％、Ｚｒ含有量は４at％以下であり、残部がＴｉおよび不可避的不純物から成る化学組成を有し、
溶体化処理材の硬さが２００Ｈｖ以上、９５％冷間加工材の硬さが３００Ｈｖ以下であって、下記式（２）：
加工硬化率（％）＝｛９５％冷間加工材の硬さ（Ｈｖ）−溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝／｛溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝×１００・・・（２）
で定義される加工硬化率が２０％以下であることを特徴とするチタン合金が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、Ｎｂ当量、Ｏ含有量、Ｚｒ含有量を規定範囲内に制限すると共に、硬さおよび加工硬化率を規定したことにより、高い強度を維持しつつ高い加工性を確保することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明においては、冷間加工性を高めるために、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点を室温より十分に低い温度に維持する。ここで本発明者は、Ｎｂ当量を式（１）で定義すると、Ｍｓ点はＮｂ当量によって式（１Ａ）で表わせることを新規に見出した。
【００１２】
Ｎｂ当量（at％）＝Ｎｂ含有量（at％）＋０．８７５×Ｚｒ含有量（at％）＋０．７５×Ｔａ含有量（at％）＋４×Ｏ含有量（at％）・・・（１）
Ｍｓ点（Ｋ）＝１３８０−４３×Ｎｂ当量（at％）・・・（１Ａ）
式（１）で定義されるＮｂ当量とは、Ｎｂを１at％増加したときのＭｓ点の低下量に対して、Ｎｂに代えて式（１）中の他の各元素を１at％増加したときのＭｓ点の低下量の比率を各元素の係数として線形式として表わした数量である。
【００１３】
本発明において、チタン合金の化学組成を限定した理由は下記のとおりである。
【００１４】
〔Ｎｂ当量が３２〜３９at％〕
Ｎｂ当量が３２at％未満であると、加工硬化率が２０％を超える。Ｎｂ当量を３２at％以上とすることによりマルテンサイト変態を完全に抑止でき、加工硬化率を容易に２０％以下に低減できる。一方、Ｎｂ当量が３９at％を超えると、融点が高くなり過ぎ製造上不利となる上、材料コストも上昇する。したがってＮｂ等量は３２〜３９at％に限定する。
【００１５】
〔Ｏ含有量は０．５〜１．５at％〕
Ｎｂ当量が規定範囲の３２〜３９at％であっても、Ｏが０．５at％未満であると、加工硬化率が２０％を超える。Ｏが１．５at％を超えると、溶体化硬さが３００Ｈｖを超えてしまい、延性が低下する。したがってＯ含有量は０．５〜１．５at％に限定する。
【００１６】
〔Ｚｒ含有量は４at％以下〕
Ｎｂ当量が３２〜３９at％、Ｏ含有量が０．５〜１．５at％であっても、Ｚｒ含有量が４at％を超えると、加工中に硬さが３００Ｈｖを超え、加工が困難になる。
【００１７】
また、硬さおよび加工硬化率を限定した理由は下記のとおりである。
【００１８】
〔硬さ：溶体化状態で２００Ｈｖ以上、９５％加工状態で３００Ｈｖ以下〕
溶体化状態の硬さが２００Ｈｖ未満であると、強度が低すぎて圧延等の諸加工にむしろ支承をきたす。一方、９５％加工状態での硬さが３００Ｈｖを超えると、延性が不足する。したがって、硬さは、溶体化状態で２００Ｈｖ以上、９５％加工状態で３００Ｈｖ以下とする。
【００１９】
〔加工硬化率：２０％以下〕
本発明において、加工硬化率は下記式（２）で定義する。
【００２０】
加工硬化率（％）＝｛９５％冷間圧延材の硬さ（Ｈｖ）−溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝／｛溶体化処理材の硬さ（Ｈｖ）｝×１００
加工硬化率が２０％を越えると、安定して高い加工性を確保できる。したがって、溶体化状態に対する９５％加工状態での加工硬化率は２０％以下とする。
【実施例】
【００２１】
表１に示す種々の化学組成のチタン合金を作製した。合金番号１〜８は本発明例、合金番号９〜１８は比較例である。作製の手順および条件は下記のとおりであった。
【００２２】
＜インゴット作製＞
合金原料としてスポンジＴｉ（純度９９．９９％）、塊状Ｎｂ（純度９９．９％）、塊状Ｔａ（純度９９．９％）、塊状Ｚｒ（純度９９．９％）、ＴｉＯ２粉末を用い、非消耗タングステン電極型Ａｒアーク溶解法により、ボタン状合金インゴットを作製した。均質な合金インゴットを得るために、一旦凝固したインゴットを裏返して再溶解する操作を繰返し、合計６回の溶解を行なった。
【００２３】
＜均質化処理（溶体化処理を兼ねる）＞
更に偏析を少なくするために、下記条件で均質化処理を行った。この処理は溶体化処理を兼ねている。
【００２４】
インゴットを石英管に真空封入し、大気炉内で１２７３Ｋに７．２ｋｓ保持した後、室温まで空冷した。インゴットを石英管から取り出し、インゴット表面に生成した酸化膜をエッチングにより取り除いた。エッチング液としてＨ２Ｏ：ＨＮＯ３：ＨＦ＝５：４：１の体積比で混合した溶液を使用し、３４３Ｋのウォーターバス中でエッチングした。
【００２５】
＜冷間加工＞
４段ロールを用いた冷間圧延により、インゴットに加工率９５％の冷間加工を施し、厚さ約０．５ｍｍの薄板にした。
【００２６】
冷間圧延前のインゴットおよび冷間圧延後の薄板のビッカース硬さを測定した。結果を表1に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
本発明例の合金番号１〜８は、硬さ（溶体化処理材、９５％冷間加工材）および加工硬化率が全て本発明の規定範囲を満たしている。
【００２９】
これに対して比較例の合金番号９〜１８は、化学組成の少なくとも一部が本発明の規定範囲外にあるため、硬さおよび加工硬化率の少なくともいずれかが本発明の規定範囲を満たしていない。
【００３０】
すなわち、比較例の合金番号９〜１０、１３〜１５は、Ｎｂ当量が本発明の規定下限値３２at％より少ないため、加工硬化率が本発明の規定上限値２０％を超えている。
【００３１】
比較例の合金番号１１、１２は、Ｎｂ等量は本発明の規定範囲内であるが、Ｏ含有量が本発明の規定下限値０．５at％より少ないため、加工硬化率が本発明の規定上限値２０％を超えている。一方、比較例の合金番号１６、１７は、Ｎｂ等量は本発明の規定範囲内であるが、Ｏ含有量が本発明の規定上限値１．５at％を超えるため、溶体化処理材の硬さがＨｖ３００を超えている。
【００３２】
比較例の合金番号１８は、Ｎｂ等量が本発明の規定範囲内であり、Ｏ含有量も本発明の規定範囲内であるが、Ｚｒ含有量が本発明の規定上限値４at％を超えるため、９５％冷間加工材の硬さが３００Ｈｖを超えている。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、高い強度を維持しつつ安定して高い加工性が得られるように、加工硬化を抑制したチタン合金が提供される。