(57)【要約】【課題】  耐酸化性に優れた排気系部品用チタン合金材およびその合金材を用いた排気装置を提供する。【解決手段】  本発明のチタン合金材は、Ａｌ：０．４〜２．５％、Ｎｂ：０．３〜１．１％、Ｆｅ：０．０６％以下、酸素：０．１％以下を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。また、本発明の排気装置は、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、上記チタン合金材で構成されていることを特徴とする。これにより、軽量かつ高温で十分な強度があり、耐酸化性に優れ、かつ室温における加工性の良好なチタン合金を、溶解・圧延により製造、提供することが可能になる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ａｌ：０．４〜２．５％、
Ｎｂ：０．３〜１．１％
Ｆｅ：０．０６％以下、
酸素：０．１％以下
を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐酸化性に優れた排気系部品用チタン合金材。
【請求項２】
エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、請求項１に記載のチタン合金材で構成されていることを特徴とする排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四輪車、二輪車等自動車用の排気装置として使用されるチタン材料に関するものであり、メインマフラー部はもとより、６００℃以上の高温に曝され、特に耐熱性、耐酸化性が要求されるエキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の部位に使用可能な軽量かつ耐食性、加工性、耐熱性・耐酸化性に優れたチタン合金材と本チタン合金材を用いた排気装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チタン材料は、軽量でありながら高強度で耐食性も良好であることから自動車の排気装置にも使用されている。自動車やバイクのエンジンから排出される燃焼ガスは、エキゾーストマニホールドにより一つにまとめられ、エキゾーストパイプにより車両後方の排気口から排出される。エキゾーストパイプは、途中に触媒やマフラー（消音器）を入れるためいくつかに分割されて構成される。本明細書では、エキゾーストマニホールドからエキゾーストパイプ、排気口までの全体を通して排気装置と称する。
【０００３】
こうした排気装置の素材は現在、耐食性に優れたステンレス鋼が主に使われているが、車輌軽量化の観点から最近バイクを中心としてチタンも使われるようになってきた。現在使用されているチタン製マフラーの材料は、大部分がＪＩＳ２種の工業用純チタンである。排気ガスの温度は、およそ７００℃以上と言われており、純チタンは、６００℃以上の温度では通常強度が大きく低下するが、マフラー部分はエンジンの排気ガス出口からは遠い上、外気に触れているため、６００℃以上となることは少なく、６００℃以上になっても長時間その温度にさらされることはないため、純チタンでも十分に使用が可能であった。
【０００４】
しかし、近年、よりエンジンの排気口に近い部分まで軽量化したいニーズが出てきており、より高温強度の高いチタン合金が求められている。
【０００５】
６００℃以上の高温において強度が高いという観点では、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金やＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が適している。
【０００６】
また、特許文献１では、冷間加工性と室温での成形加工性と高温強度を併せ持つチタン合金が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２３４２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金は室温における強度が強すぎ、成形加工性に乏しいこと、また、７００℃付近の温度における酸化増量が大きいこと、冷間加工は可能であるが、耳割れを生じ易く中間焼鈍を何度も入れる必要があり加工コストがかかること等の問題があった。また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、冷間加工が困難で薄板にすることができないため、排気装置用素材として不適当である。
【０００９】
一方、特許文献１に記載の発明は、０．５〜２．３質量％のＡｌを含むチタン合金であるが、７００℃付近の酸化増量が大きくスケール剥離が顕著であるため、よりエンジンに近い高温となる部位での使用は難しいのが現状である。
【００１０】
また、特許文献１、段落１８では、温間〜熱間域での耐熱強度向上効果を有する元素としてＷ，Ｔａ，Ｎｂ，希土類元素などを添加することも可能であることが記載されているが、これは一般的な耐熱強度向上元素としての添加を意図したものであり、耐熱性を向上させる元素として必要な添加量の記載は一切なく、これらの元素を添加した合金の実施例もない。また、Ａｌ以外に耐酸化性を向上させる元素の記載はない。
【００１１】
そこで、本発明は、６００℃以上の高温に曝されるエキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の部位に使用可能な、耐酸化性に優れた排気系部品用チタン合金材およびその合金材を用いた排気装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、Ｔｉ−Ａｌ二元系チタン合金に様々な元素を添加し高温酸化増量に対する効果を調査した。その結果、適量のＮｂを添加することにより、７００℃以上の高温における酸化増量が著しく減少すること、６００℃以上の高温強度が上昇すること、および室温における０．２％耐力はＮｂを添加しないものに比べ、同等かやや高い程度であること、伸びは、Ｎｂを添加しないものと同等かやや小さい程度であり、室温における加工性にほとんど影響を与えないことを見出した。
【００１３】
本発明はこのような知見に基づくものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）  質量％で、Ａｌ：０．４〜２．５％、Ｎｂ：０．３〜１．１％、Ｆｅ：０．０６％以下、酸素：０．１％以下を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐酸化性に優れた排気系部品用チタン合金材。
（２）  エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒、マフラーのいずれか１または２以上の部品が、上記（１）に記載のチタン合金材で構成されていることを特徴とする排気装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、軽量かつ高温で十分な強度があり、耐酸化性に優れ、かつ室温における加工性の良好なチタン合金を、溶解・圧延により製造、提供することが可能になり、四輪者、二輪車等自動車の排気装置の軽量化が大きく進み、産業上の貢献が極めて顕著である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明におけるチタン合金では、酸化を抑制する元素として周期律表で言えばＶａ属のＮｂを選ぶことにより、特に６００℃〜７００℃における耐酸化性向上を目指したものである。Ｎｂはチタンの酸化膜中に固溶し、チタンが４価であるのに対し、５価であるため、酸化膜中の酸素の空孔濃度が低下し、酸化膜中の酸素の拡散が抑制される。チタンの酸化は、酸化膜中を酸素が拡散して表面のチタンと結びつくことにより起こるいわゆる内方拡散と呼ばれる酸化形態をとるため、酸素の拡散が抑制されれば酸化が抑制される。しかし、理由は不明であるが、同じＶａ属の元素であっても、Ｖは耐酸化性には特に有効性はなかった。一方、Ｎｂの適量添加は高温での強度上昇に効果があるものの室温における加工性には影響を与えない。すなわち、Ｔｉ−Ａｌ合金にＮｂを適量添加すると、室温における加工性にほとんど影響を与えず、高温強度が高く、耐酸化性に優れたチタン合金が得られる。
【００１６】
本発明のチタン合金は、高温、特に７００℃における強度と室温における加工性が良好であること、および７００℃以上における耐酸化性を第一の要件としている。高温強度および室温強度の目安は、ＪＩＳ２種の工業用チタンの７００℃における０．２％耐力の１．５倍、すなわち３０Ｎ／ｍｍ2以上、室温における０．２％耐力は３２０Ｎ／ｍｍ2以下、かつ室温における伸びが２５％以上であることである。耐酸化性の目安は、７００℃における２００時間の加熱で酸化増量が２５ｇ／ｍ2以下、８００℃における酸化増量が６０ｇ／ｍ2以下であることである。
【００１７】
請求項１に記載の本発明では、質量％で、Ａｌ：０．４〜２．５％、Ｎｂ：０．３〜１．１％、Ｆｅ：０．０６％以下、酸素：０．１％以下を含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする排気系部品用チタン合金材とした。Ａｌ、Ｎｂ、Ｆｅ、酸素の添加量を限定した理由は、以下の通りである。
【００１８】
Ａｌの添加量が０．４％よりも少ないと７００℃における０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ2以上とならないためであり、２．５％よりも多いと室温における０．２％耐力が３２０Ｎ／ｍｍ2を超えてしまうためである。
【００１９】
Ｎｂの添加量が０．３％よりも少ないと７００℃、２００時間連続酸化における酸化増量が２５ｇ／ｍ2以下、８００℃、２００時間連続酸化における酸化増量が６０ｇ／ｍ2以下とならないためであり、１．１％よりも多いと酸化増量抑制効果は飽和するだけでなく、室温における０．２％耐力が３２０Ｎ／ｍｍ2を超えてしまうためである。
【００２０】
Ｆｅと酸素の含有量をそれぞれ０．０６％以下、０．１％以下と規定したのは、これらの含有量を超えると、室温における成形性に悪影響を及ぼすためである。
【００２１】
請求項２に記載の本発明では、請求項１に記載のチタン合金材を用いて排気装置を製作したものである。本発明のチタン合金材は、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた加工性、溶接性を有しているので、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた方法により、溶解、圧延、成形が可能であり、冷延焼鈍された薄板を管状に湾曲してＴＩＧ溶接し、各パーツを溶接することにより排気装置とすることができる。
【実施例１】
【００２２】
以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効果をより具体的に説明する。
【００２３】
表１に示す成分のチタン合金を電子ビーム溶解し、鋳造して約１０ｋｇの鋳塊とした。これらを８５０〜９００℃に加熱して、熱間圧延し、厚さ約３．５ｍｍの板とした。ショットブラストおよび酸洗後、さらにこれを冷間圧延して、厚さ１ｍｍの板とした。得られた板を真空中で７５０℃、１時間焼鈍した。これらの供試材からＪＩＳ１３号Ｂの試験片を切出し、室温引張試験を行った。また、６００℃、７００℃においてＪＩＳＧ０５６７に準拠の高温引張試験を行った。高温の酸化試験は２０ｍｍ×２０ｍｍの試験片を表面と端部を＃４００のサンドペーパーで研磨した後、６００、７００、８００℃の各温度に大気中に２００時間暴露し、試験前後の重量の変化を測定し、単位断面積あたりの酸化増量を求めた。
【００２４】
【表１】
2006291268.tif 000002
【００２５】
測定結果を表１にまとめて示す。表１において、Ｎｏ．１からＮｏ．２１は、請求項１に記載の本発明の実施例である。いずれも７００℃における０．２％耐力は、ＪＩＳ２種の工業用チタンの１．５倍、すなわち３０Ｎ／ｍｍ2以上であり、室温における０．２％耐力は３２０Ｎ／ｍｍ2以下、かつ室温における伸びは２５％以上であった。耐酸化性では、７００℃における２００時間の加熱での酸化増量は２５ｇ／ｍ2以下、８００℃における酸化増量は６０ｇ／ｍ2以下であり、室温における十分な加工性と高温における十分な耐力、かつ高温における優れた耐酸化性を示している。
【００２６】
一方、Ｎｂ添加のないＮｏ．２２からＮｏ．２６は、室温の０．２％耐力や７００℃における耐力が目標値を超えるものもあるが、いずれも７００℃２００時間加熱での酸化増量が２６ｇ／ｍ2を超え、また、８００℃２００時間加熱での酸化増量も２３０ｇ／ｍ2を超え、十分な耐酸化性を有していない。
【００２７】
また、Ｖを１．３質量％、または２．５質量％含むＮｏ．２７およびＮｏ．２８の合金は６００℃および７００℃における耐力が高く、高温強度の観点で優れているが、室温における延性が不十分であり、かつ７００℃および８００℃における酸化増量もそれぞれ、４０ｇ／ｍ2、２７０ｇ／ｍ2を超え、十分な耐酸化性を有していない。
【実施例２】
【００２８】
表１のＮｏ．１０に示す成分のチタン合金を真空アーク溶解炉で２００ｋｇ溶製し、１０００℃で粗鍛造して３００ｍｍ角とした後、さらに９００℃で鍛造した後、厚さ１００ｍｍのスラブを製造した。次に８５０℃で熱間圧延して、厚さ４ｍｍの板とした後、厚さ１ｍｍまで冷間圧延し、７５０℃、１時間の熱処理を施した。
【００２９】
上記薄板を幅１２０ｍｍで切り出し、外径３８ｍｍの溶接管を製造した。湾曲加工後、ＴＩＧ溶接で溶接管を製造した。溶接管の製造工程は、ＪＩＳ２種の工業用チタンに準じた薄板を用いて製造する場合と同様とした。
【００３０】
溶接管端部に６０°の円錐形コーンを押し込み、初期直径の１．３倍まで押し広げたところ、溶接部に割れは生じず、良好な押し広げ特性を有していた。また、本溶接管を半径９０ｍｍで９０°曲げ加工したしたところ、割れや皺などは生じなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のチタン合金材は、高温強度が高く、かつ耐酸化性に優れ、室温における延性も良好で、溶接管の製造が従来の純チタン材並に容易であり、四輪者や二輪車等自動車のメインマフラー部はもとより、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプや触媒マフラー等の排気装置用部材に利用することが可能である。