(57)【要約】【課題】本発明は、材料特性の変化を伴う熱機械的処理によって、β（ベータ）型チタン合金から、半製品や部材を製造するためにさまざまな機械工学の領域で利用可能である。本発明は、β型チタン合金の強度や疲労特性を向上させたうえで、工学的に利用することを目的とする。【解決手段】本発明に係るβ型チタン合金は、微細粒組織を有し、β粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、球状α相析出物の平均粒径が０．５μｍ以下で、かつ、組織における体積分率が４０％以上である点に特徴を有する。また、本発明に係るβ型チタン合金の熱機械的処理方法は、強ひずみ加工及び熱処理工程を含み、加工前に、ビレット径１ｍｍ当り１分間以上継続して、（βトランザス＋５〜βトランザス＋１５）℃に加熱し、水焼入れ後、等チャネル角押し出し工法により、各加工段後の変形方向の変化９０°で、（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃の温度下で、累積ひずみが３．５以上になるまで強ひずみ加工を施し、続けて水焼入れする点に特徴を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細粒組織を有するβ型チタン合金であって、
β粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、
球状α相析出物の平均粒径が０．５μｍ以下で、かつ、組織における体積分率が４０％以上であることを特徴とする、β型チタン合金。
【請求項２】
β型チタン合金の熱機械的処理方法であって、
強ひずみ加工及び熱処理工程を含み、加工前に、ビレット径１ｍｍ当り１分間以上継続して、（βトランザス＋５〜βトランザス＋１５）℃に加熱し、水焼入れ後、等チャネル角押し出し工法により、各加工段後の変形方向の変化９０°で、（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃の温度下で、累積ひずみが３．５以上になるまで強ひずみ加工を施し、続けて水焼入れすることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、β型チタン合金およびその熱機械的処理方法に関し、材料の機械的性質を改善し、合金化されたチタン合金から半製品や部材を製造するための機械工学の分野において利用可能である。
【背景技術】
【０００２】
高合金（高強度）β合金は、室温下でβ相が安定しており、加熱によってのみ変態するチタン合金のクラスに属する。したがって、焼入れおよび時効化の結果、強度が格段に増加する（U. Zwicker, Titan und Titanlegierungen / Berlin: Springer Verlag. - 1974. 717 с.; Boyer R., Welsch G., Collings E. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. ASM  International. 1998. 1048 p.）。また、マトリクスβ相の粒径、さらには二次的（副次的）なα相の析出物の形態が、時効処理後の合金の強度や延性に大きな影響を及ぼすことも知られている。特に、β相の粒径が１０μｍまで減少すると十分な延性を持ち高強度が得られることが証明されている（O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, S.L. Semiatin, C.H. Ward Aging response of coarse- and fine-grained  titanium alloys // Materials Science Engeneering A Vol. 405 (2005), p. 296-305 ISSN 0921-5093）。
【０００３】
商業的に入手可能な金属や合金に対し、物理的機械的特性を向上させる方法として、強塑性変形・強ひずみ加工（ＳＰＤ；Severe Plastic Deformation）により微細粒（ＵＦＧ；UltraFine Grain）組織を生成させることが知られている。これによれば比較的低温（通常、０．３〜０．４Ｔｍ,Ｋ）かつ高負荷圧力のもとで非常に高い塑性ひずみが得られることが実証されている（R.Z. Valiev, Y. Estrin, Z. Horita, T.G. Langdon, M.J. Zehetbauer, Y.T. Zhu Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation. // JOM-2006. 58, No4, p33.）。このような、高圧下ねじり加工（ＨＰＴ；High Pressure Torsion）、等チャネル角押し出し（ECAP；Equal Channel Angular Pressing）、多方向多段階鍛造、およびこれらの変形例といったＳＰＤ技術が活発な発展を遂げて来た。とりわけ、バルク試料を単純せん断により変形させるＥＣＡＰ技術は、特殊なダイセット中で行う多段階の押し出し工程からなり、同じ断面積で、通常９０°で交差する２つのチャネル中を押し出す工法である（Patent RF No.2181314. Published. B.I. 2002, No.16）。しかしながら、微細粒を有するβ型合金、即ち、１μｍ未満の粒径はいまだ文献では知られていない。そのような組織においては、加熱中のβ相の分解プロセスが粗粒組織の場合とは異なって起こり、分解挙動・ダイナミクスは結晶格子欠陥の存在に依存して決定される。さらに微細粒の存在は、β相の拡散分解の均一化に寄与するが、このようなことは粗粒組織にあってはほとんど不可能である。
【０００４】
チタン合金からなる部材の加工方法であって、熱機械的処理が１１の段階(ステージ)に亘って行われる技術が知られている（Russian Patent No. 2384647 MPK (МПК) C22F1/18 (2006.01), Published: 20.03.2010）。第１ステージではβトランザス（Ｔβ）以上、Ｔβ＋１５０〜Tβ＋２５０℃まで加熱し、変形方向を９０°変えて、据え込みおよび引き伸ばし（ｕｐｓｅｔ  ａｎｄ  ｄｒａｗｉｎｇ）、各ステップでのひずみを２０〜５０％にして、交互に４回変形させる。
【０００５】
第２ステージでは、Tβ＋１４０〜Tβ＋２３０℃まで加熱し、変形方向を９０°変えて、据え込みおよび引き伸ばし（ｕｐｓｅｔ  ａｎｄ  ｄｒａｗｉｎｇ）、各ステップでのひずみを２５〜５０％にして、交互に４回変形させる。
【０００６】
第３ステージでは、Tβ−２０〜Tβ−４０℃まで加熱し、ひずみを２０〜６０％にする。
【０００７】
第４ステージでは、Tβ＋６０〜Tβ＋１２０℃まで加熱し、ひずみを２０〜６０％にする。
【０００８】
第５ステージでは、Tβ−２０〜Tβ−４０℃まで加熱し、ひずみを２０〜６０％にする。
【０００９】
第６ステージでは、Tβ＋３０〜Tβ＋９０℃まで加熱し、ひずみを２０〜６０％にする。
【００１０】
第７ステージでは、Tβ−２０〜Tβ−４０℃まで加熱し、ひずみを２０〜６０％にする。
【００１１】
第８ステージでは、Tβ＋３０〜Tβ＋８０℃まで加熱し、ひずみを２０〜７０％にする。
【００１２】
第９ステージでは、Tβ−２０〜Tβ−４０℃まで加熱し、ひずみを２０〜５０％にする。
【００１３】
第１０ステージでは、Tβ−２０〜Tβ−２００℃まで加熱し、空冷する。
【００１４】
第１１ステージでは、Tβ−２７０〜Tβ−５５０℃まで加熱し、浸漬時間（均熱保持時間）５〜２０時間とする。このケースでは、第３ステージから第９ステージで実施される少なくとも３段の変形プロセスは、変形方向の変更角９０°で行われる。
【００１５】
この方法は加工材の強度向上に資するものではあるが、非常に手間がかかり、電力消費も大きく、さらには、要求強度や疲労特性を達成できない。
【００１６】
また、βチタン合金の熱機械的処理方法が存在する（O.M. Ivasishin P.E. Markovsky, Yu.V. Matviychuk, S.L. Semiatin, C.H. Ward, S. Fox. A comparative study of the mechanical properties of  high-strength titanium alloys // Journal of Alloys and Compounds, 2007 ISSN: 0925-8388）。この方法は、（Ｔβ＋６０〜Ｔβ＋１００）℃から水焼入れし、冷間圧延および／または引き抜き後に再結晶プロセス発生温度に相当する温度まで急速に加熱し、続けて、急冷して、β相平均サイズが約１０μｍの組織を可能にする工程を含む。これにより高強度（約１５００ＭＰａ）と十分な延性が得られる。
【００１７】
この方法の欠点は、再結晶プロセス発生温度に相当する温度までの加熱プロセスであり、加熱速度、所定温度での浸漬・保持時間、冷却速度を含むすべてのプロセスパラメータのきわめて正確な測定と制御を前提とする。これらのパラメータの組み合わせから考え、これらパラメータの許容値範囲は非常に狭く、期待する機械的性質レベルを獲得できる可能性は低いものと予想される。
【００１８】
本提案による方法に最も近い方法は、β型チタン合金の熱機械的処理方法であって、８８０℃で、９８％レダクションを施す押出成形による熱間成形を含み、続けて素材サンプルを（Ｔβ−４０〜Tβ−６０）℃から不完全焼入れし、５００℃で１０００時間、時効処理を行うものである（T. Nishimura, M.Nishigaki, Y.Moriguchi, Characteristics of Beta Titanium alloy Ti-15Mo-5Zr-3Al // R&D. Vol.32 No.1）。
【００１９】
上記方法プロセスにしたがって処理されたβ型チタン合金は高強度と延性を有するものの、必要な耐力を提供するものではない。さらに、この処理方法は時間がかかり、生産性が低い。
【００２０】
さらに、特許文献１には、生体適合性高強度チタン材料の製造方法に係る発明が開示されている。この方法は、回転式ＥＣＡＰ装置により、３００℃から７００℃の温度条件下、４回以上強加工して、チタン、又はバナジウムを含まないチタン合金からなる生体適合性チタン材料を、平均粒径が１０μｍ以下に微細化された金属組織を有する生体適合性チタン材料とすることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００５−１０５３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献１に記載された技術では、依然としてβ粒の十分な微細化が達成できておらず、その結果、十分に高い疲労強度を得ることが困難であるという問題があった。
【００２３】
本発明は微細粒組織を有するβ型チタン合金とβ型チタン合金の熱機械的処理方法であって、素材の強度と疲労耐性に優れ、従来のβ型合金の特性を越えるものを開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題は、以下の手段により解決される。
【００２５】
微細粒組織を有するβ型チタン合金であって、β粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、球状α相析出物の平均粒径が０．５μｍ以下で、かつ、組織における体積分率が４０％以上であることを特徴とする、β型チタン合金。
【００２６】
β型チタン合金の熱機械的処理方法であって、強ひずみ加工及び熱処理工程を含み、加工前に、ビレット径１ｍｍ当り１分間以上継続して、（βトランザス＋５〜βトランザス＋１５）℃に加熱し、水焼入れ後、等チャネル角押出し工法により、各加工段後の変形方向の変化９０°で、（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃の温度下で、累積ひずみが３．５以上になるまで強ひずみ加工を施し、続けて水焼入れすることを特徴とする、方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、０．５μｍ以下の平均粒径を有する球状α相が粒界／サブ粒界状と組織欠陥に分散析出することに伴ってβ粒が微細化される。その結果、従来のβ型合金の特性を越えるほどの素材の強度と疲労耐性に優れる、微細粒組織を有するβ型チタン合金及びβ型チタン合金の熱機械的処理方法が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の一形態は、β型チタン合金に関する。具体的には、微細粒組織を有するβ型チタン合金であって、β粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、球状α相析出物の平均粒径が０．５μｍ以下で、かつ、組織における体積分率が４０％以上であることを特徴とする、β型チタン合金に関する。ここで、β粒の平均粒径は、好ましくは０．３〜０．５μｍであり、より好ましくは０．３〜０．４μｍである。また、球状α相析出物の平均粒径は、好ましくは０．１〜０．５μｍであり、より好ましくは０．１〜０．３μｍである。さらに、組織における球状α相析出物の体積分率は、好ましくは０．５〜２０％であり、より好ましくは１．０〜１０％である。なお、本形態に係るβ型チタン合金の具体的な組成について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、一例としては、Ｔｉ−１５ｍａｓｓ％Ｍｏ−５ｍａｓｓ％Ｚｒ−３ｍａｓｓ％Ａｌなどが挙げられる。
【００２９】
また、本発明の他の形態は、β型チタン合金の熱機械的処理方法に関する。具体的には、強ひずみ加工及び熱処理工程を含み、加工前に、ビレット径１ｍｍ当り１分間以上継続して、（βトランザス＋５〜βトランザス＋１５）℃に加熱し、水焼入れ後、等チャネル角押し出し工法により、各加工段後の変形方向の変化９０°で、（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃の温度下で、累積ひずみが３．５以上になるまで強ひずみ加工を施し、続けて水焼入れすることを特徴とする、方法に関する。
【００３０】
ここで、チタンの結晶構造は、変態点温度以下の低温域では稠密六方晶（ｈｃｐ）構造を持ち、変態点温度以上の高温域では体心立方晶（ｂｃｃ）構造へと同素変態する。この変態温度がβトランザス（β変態点）である。チタン合金においては、種々の合金元素が添加されることでβトランザスが変化しうる。
【００３１】
本明細書において、β粒及び球状α相析出物の平均粒径は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により従来の手法で算出される。即ち、粒子の長径と短径の和の半分であるとして計算される。β粒の著しい微細化は、０．５μｍ以下の径の、もっぱら球状（粒子の長短に比が２以下）の副次的α相が粒界／サブ粒界状と組織欠陥に分散析出することに伴ったものである。副次的α相粒子の均一分散度合いは、任意の二つの断面上のランダムな切断線上の粒子数を計算することで予測され、これによると当該相は５０％以上であることが必要である。合金の強度上昇に寄与するのはいわゆるホール・ペッチ則に基づいたβ粒径減少による粒界硬化メカニズムと、α相副次的粒子の析出に関連した析出硬化のメカニズムである（Cocks Yu.V., Physics of strength and ductility. Translated from English. М.: Metallurgy, 1972. 304 p.）。微細粒合金の十分な延性は分解温度の上昇時に起こる回復処理の結果としての相対的な平衡β相粒界の形成と、引張りによる変形中に境界間での応力集中の緩和に寄与する副次的α相の球状形状とによって得られる。
【００３２】
疲労耐性限界（疲労強度）が粒径に依存する点はしばしば降伏応力（耐力）に対するホール・ペッチ則に類似の式により記述される。その式によるとたいていのケースでは、粒径が微細範囲（１μｍ未満）まで減少すると金属材料の疲労特性は上昇する（A. Vinogradov, S. Hashimoto, Multiscale phenomena in fatigue of ultra-fine grain materials - an overview.// Materials Transactions. 2001. V. 42(1). pp.74-84）。しかしながら、金属および合金において微細構造の形成が必ずしも疲労耐性の増加につながらないことがあり、それは延性に限界があるためと考えられており、この延性は、粒径のみならず境界条件、形態、副次的相の分布などの組織の個別性にも依存するからである（Semenova I.P., Yakushina E. B., Nurgaleeva V.V., Valiev R.Z. Nanostructuring of Ti-alloys by SPD processing to achieve superior fatigue properties // International Joint Materials Research (formerly Z. Metallk.), Vol. 100 (2009), 12, P.1691-1696.）。
【００３３】
本発明により提案されたβ型チタン合金処理を適用することにより微細粒組織を形成することができ、β相粒径が０．５μｍ未満で、体積分率が４５％程度であることが特徴である。このような微細組織（ＵＦＧ）を形成することで高強度のみならず延性も改善し、結果的に疲労耐性も向上する（Research (formerly Z. Metallk.), Vol. 100 (2009), 12, P.1691-1696.）。
【００３４】
したがって、既述した範囲で熱処理と強ひずみ加工を組み合わせることで、β相マトリクス中での微細粒の形成、副次的α相粒子の分散析出により、粒界と分散との硬化メカニズムの組み合わせにより、高強度（ＵＴＳ＞１５００ＭＰa）、および、疲労耐性限界（Ｓ−１＞７００ＭＰa）を得ることが可能になる。
【００３５】
本発明により奏される技術的効果は次のとおりである。（Ｔβ＋５〜Ｔβ＋１５）℃からの水焼入れにより単相のβ組織が得られ、サイズが４０〜６０μｍの体心立方結晶（ｂｃｃ）格子を備えた同軸晶のβ粒からなる。ビレット合金の得られた単相β組織は良好な加工性・変形能を示す（E.W. Collings, The physical metallurgy of titanium alloys, Moscow: Metallurgy, 1988. - 224pp.; Boyer R., Welsch G., Collings E. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. ASM  International. 1998. 1048 p.）。（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃の温度での強ひずみ加工中、β粒の分断と相間の再結晶が起こり、０．５μｍ以下の粒径の新たな粒や細粒が形成される。特定範囲以下の温度での加工変形は、熱的に活性化した回復と再結晶プロセスの抑制により素材の変形能は大きく減少する。本発明による特定範囲以上での加工変形は、粒子成長が制御不能になり、結果的に不均一の組織細粒化に繋がる。
【００３６】
本発明の技術的効果はβ型チタン合金の強度と疲労特性を微細粒組織を形成することにより改良することにあり、０．５μｍ以下の大きさのβ粒と、組織中の体積分率（容積率）が４０％以上で均一に分散された平均粒径０．５μｍ以下の球状α相からなる。なお、微細粒（ＵＦＧ）合金の回転曲げ試験により測定された疲れ耐久限界（疲労強度）は、従来の硬化熱機械的処理により得られた疲労強度を４０〜８０ＭＰａ上回るものであり、本発明が従来技術に対して高い優位性を有するものであることは明らかである。
【実施例】
【００３７】
本方法は以下のように実施される。
【００３８】
まず、βチタン合金からなるビレットを（Ｔβ＋５〜Ｔβ＋１５）℃の温度まで、ビレット径１ｍｍあたり、１分間以上継続して加熱し、その後、水焼入れを行う。結果として素材の組織は単相のβマトリクスを呈する。得られたｂｃｃ格子構造は、αチタンのｈｃｐ組織に比べ、高い延性と変形能を有し、この状態では素材はより高いひずみ度を累積することができる。その後ビレットを、強ひずみ加工として、（βトランザス−２００〜βトランザス−１５０）℃にて、等チャネル角押し出し工法により変形方向の変化をすべての加工段において９０°で加工する。実施サイクル数は、累積ひずみで規定すると３．５以上となるまで行う。その後、ビレットを常温の水で急冷し強ひずみ加工によってもたらされた状態をセット・固定する。この処理後、当初の幾何学的形状不変のままで、ビレット中に微細粒組織が形成される。この組織は主として０．５μｍを超えないβ粒と、平均粒径０．５μｍ以下で組織中における体積分率が４０％以上でかつ微細粒マトリクス中に均一に分散された粒状α相析出物とからなる。これは以下のような諸特性を有する。即ち高強度と、良好な延性を備えた疲労特性である。処理終了後、室温での引っ張り試験による機械的性質測定とミクロ組織の観察が実施される。
【００３９】
利用例
ニアβ型チタン合金（Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ）であって、径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの棒を用いた。βトランザス温度は７８５℃とした。棒材は８００℃から水焼入した（約２０分間の加熱後）。その後、この棒材を上記の方法に従い強度ひずみ変形を施した。加工・変形温度は６００℃であった。段数はｎ＝５で、累積ひずみはｅ＝３．５が得られた。
【００４０】
その後にビレットの断面に亘って微細組織の均一化制御を実施した。処理の結果、微細構造が得られ、その特徴は、主相としての平均粒径０．３〜０．５μｍのβ粒と、径が０．１〜０．５μｍで均一に分散した副次的α相の析出物であり、α相、β相の体積分率がそれぞれ４５％、５５％の容積率を占める。室温での引っ張り試験により得られた機械的性質について、表１に値を示す。比較のため、本発明に係る熱機械的処理前で、かつ従来技術による機械的性質についても表１に示す（T. Nishimura, M.Nishigaki, Y.Moriguchi, Characteristics of Beta Titanium alloy Ti-15Mo-5Zr-3Al // R&D. Vol.32 No.1]）。
【００４１】
【表１】
2014080669.tif 000002
【００４２】
表１のデータから言えることは、本発明に係る実施例による処理により、従来品による処理に比べ、より高い引張り強度（ＵＴＳ）と疲労強度とを十分なレベルの延性を維持しつつ得られることである。これにより低弾性率も保持できる。
【００４３】
したがって、本発明に係るβ型チタン合金の熱機械的処理方法により、加工された素材の強度と疲労特性のレベルと均一性を、延性を保持したまま向上させることが可能となる。