(57)【要約】【課題】  α＋β型チタン合金において、加工回数を減少させることができる製造方法を提供するを課題とする。【解決手段】  水素吸蔵処理工程では、α＋β型チタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる。  溶体化処理工程では、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する。  熱間塑性加工工程では、溶体化処理後のチタン合金を、熱間で１回の加工率を少なくとも１５％以上として割れが発生しないように複数回塑性加工して結晶を微細化する。  脱水素処理工程では、塑性加工後のチタン合金を直ちに高温、真空下に保持して水素を除去する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
前記準備するα＋β型チタン合金は、チタンに２．５〜３．５質量％のアルミニウムと２．０〜３．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金であり、
前記水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．２〜０．８質量％の水素を吸蔵させ、
前記熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−２２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも６０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とするα＋β型チタン合金の製造方法。
【請求項２】
α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
前記準備するα＋β型チタン合金は、チタンに２．７〜３．５質量％のアルミニウムと１．６〜３．４質量％のバナジウムと０．０５〜０．２０質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金であり、
前記水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．２〜０．６質量％の水素を吸蔵させ、
前記熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−１２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも７０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とするα＋β型チタン合金の製造方法。
【請求項３】
α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
前記準備するα＋β型チタン合金は、チタンに０．７〜２．３質量％の鉄と０．２〜０．７質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金であり、
前記水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．４〜０．８質量％の水素を吸蔵させ、
前記熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−２７５℃）以上（β変態点−７５℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも７０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とするα＋β型チタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、α＋β型チタン合金組織の微細化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の中で、チタン合金は機械的性質に優れ且つ軽量であることから種々の用途に供されている。ただし、通常の加工方法では結晶の粒径が大きくなり、機械強度が低下することから、その対策として水素処理技術が開発された（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−８８４５６公報（段落番号［００１０］、請求項１）
【０００３】
特許文献１は、その段落番号［００１０］「本発明法においては、水素の添加によりβ変態点が低下して、従来よりも低温域での熱間加工が可能となる。」の記載から明らかなように、熱間塑性加工をより低温域で実施することで、結晶の粗大化が抑制でき、結果として塑性加工後の結晶微細化が達成でき、結晶が微細であれば機械的性質を高めることができるというものである。
なお、塑性加工とは、圧延成形および鍛造成形を含む。
【０００４】
そして、特許文献１の請求項１に「α＋β型チタン合金に重量％にて水素を０．２〜１．０％添加した材料を、６５０〜８５０℃の温度にて加工率７０％超の加工を行い、その後真空中で５５０〜６８０℃にて水素を除去する・・・略・・・」と発明の要旨が記載されている。そして、実施例ではα＋β型チタン合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（段落番号［００１６］第２行）が明示されている。
【０００５】
本発明者らは、特許文献１の発明内容を確認するために実験を行った。その内容を次の表に示す。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
材料はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であって、この合金に水素を０．５質量％吸蔵させ、７５０℃で塑性加工を実施した。
【０００８】
試験番号１では、１回（段）あたりの加工率を５％に設定し、総加工率が７０％に到達するように熱間塑性加工を実施した。この総加工率を達成するための加工回数（段数）は２４段であった。塑性加工後、脱水素処理を施し、材料の断面を調べたところ割れは認められなかった。
【０００９】
試験番号２では、１回（段）あたりの加工率を１０％に設定し、総加工率が７０％に到達するように熱間塑性加工を実施した。この総加工率を達成するための加工回数（段数）は１２段であった。塑性加工後、脱水素処理を施し、材料の断面を調べたところ割れは認められなかった。
【００１０】
試験番号３では、１回（段）あたりの加工率を１５％に設定し、総加工率が７０％に到達するように熱間塑性加工を実施した。この総加工率を達成するための加工回数（段数）は８段であった。塑性加工途中で目視で確認できる割れが発生し、不合格であった。
【００１１】
以上の実験から、１回の加工率は１０％が上限であり、この１０％で必要段数は１２段であった。
現在、常用されている多段熱間圧延機は１０段が上限である。加工率１０％では１２段、加工率５％であれば２４段が必要であるため、新規に専用設備を用意する必要がある。
【００１２】
１０段を超える超多段熱間圧延機に変えるとすれば設備費用が倍増する。また、一度圧延機を通った素材を、再び加熱して別の圧延機に通すためには、やはり新規な専用設備が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、α＋β型チタン合金において、加工回数を減少させることができる製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明者らは、種々の検討を行い、その過程で次の知見を得た。
そもそもチタン合金の水素処理は、チタン合金に水素を吸蔵させた後に熱間で塑性加工処理を行い、合金中に歪みを導入することによって水素化物を均一微細に析出させ、再結晶による微細組織形成の核とすることで、結晶粒の微細化を図ることを目的とする。
【００１５】
ところで、合金品質の向上を目的に添加したＡｌは、添加量が過大であるとチタン水素化物を生成しやすくする。このチタン水素化物は延性を低下させ、加工率を上げると割れを誘発する。このことが従来、１回の加工率を１０％に留めざるを得ない理由の一つである。
【００１６】
この知見から、割れの発生を抑え、加工率を高める手法としてＡｌの添加量を削減することが有効であることに想到した。
具体的には、Ａｌを半減し、Ｖをほぼ半減し、２．５〜３．５質量％のアルミニウムと２．０〜３．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金を出発材料とする。
【００１７】
出発材料の組成が変われば、この組成により適合した処理条件を見つける必要がある。そこで、処理条件を検討する。
次表は水素吸蔵と組織の関係を調べた試験の内容と結果を示す。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５８０℃）、１回の加工率は１５％、総加工率は８０％とした。
【００２０】
試験番号４では、比較対象のため水素を吸蔵させなかった。処理後の組織を調べたところ、粒径は３〜５μｍであり、微細化効果は無かった。なお、平均粒径が１μｍを超えると粗大、１μｍ未満を微細と判定する。
試験番号５は、水素を０．２質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
【００２１】
試験番号６〜８は、水素を０．４質量％、０．６質量％、０．８質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
試験番号９は、水素を１．０質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、微細化は得られたが均一性が得られなかった。
【００２２】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金で良好な微細化組織を得るには、水素吸蔵量は０．２〜０．８質量％に設定する必要がある。
【００２３】
次に塑性加工開始温度を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、水素吸蔵は０．５質量％、１回の加工率は１５％、総加工率は８０％とした。
【００２６】
試験番号１０では、塑性加工開始温度をβ−２９０（３９０℃）として塑性加工を実施した。低温であるため延性が低下する。この状態で塑性加工したため割れが発生した。
試験番号１１〜１３では、塑性加工開始温度を高めて、それぞれβ−２２５（４５５℃）、β−１００（５８０℃）、β−５０（６３０℃）として塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。その他の処理を施し組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
試験番号１４では、塑性加工開始温度をβ＋５０（７３０℃）として塑性加工を実施した。β変態点以上で塑性加工を開始したため異常な組織となった。
【００２７】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金で割れが無く、良好な微細化組織を得るには、塑性加工開始温度は、（β変態点−２２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定する必要がある。
【００２８】
次に１回の加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
なお、１回の加工率は、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する。例えば、直前（塑性加工前）の厚さが９０ｍｍ、塑性加工後の厚さが８１ｍｍであれば、塑性加工量は９ｍｍ（＝９０−８１）、加工率は１０％（＝９／９０）となる。直前の厚さは、一定値ではなく、回が進むに連れて小さくなる。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５８０℃）、総加工率は７０％とした。
【００３１】
試験番号１５では、１回の加工率を１０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかったが、加工回数は１２段になり、１０段を超えているので工業的な生産性の確保は困難である。
試験番号１６では、１回の加工率を１５％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は８段で１０段以下に収まった。
試験番号１７では、１回の加工率を２０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は６段で１０段以下に収まった。
試験番号１８では、１回の加工率を２５％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は５段で１０段以下に収まった。
試験番号１９では、１回の加工率を３０％に設定して塑性加工を実施したところ、割れが発生した。
【００３２】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金で割れが無く、加工回数を少なくするには、１回の加工率は１５％〜２５％に設定する必要がある。
【００３３】
次に総加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。なお、総加工率は、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する。例えば、最初の厚さが１００ｍｍ、複数回の塑性加工を実施した後の厚さが２６ｍｍであれば、塑性加工量は７４ｍｍ（＝１００−２６）、総加工率は７４％（＝７４／１００）となる。最初の厚さは塑性加工開始前の厚さであるから、一定である。
【００３４】
【表５】
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【００３５】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５８０℃）、１回の加工率は１５％とした。
【００３６】
試験番号２０では、総加工率を５０％に設定して塑性加工を実施した。塑性加工不十分のため十分な微細化が得られなかった。
試験番号２１では、総加工率を６０％に設定して塑性加工を実施した。良好な微細化が得られた。
試験番号２２、２３では、総加工率を７０％、８０％に設定して塑性加工を実施した。良好な微細化が得られた。
【００３７】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金で良好な微細化組織を得るには、総加工率は６０％以上にする必要がある。
【００３８】
以上をまとめると請求項１に係る発明は、α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
準備するα＋β型チタン合金は、チタンに２．５〜３．５質量％のアルミニウムと２．０〜３．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金であり、
水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．２〜０．８質量％の水素を吸蔵させ、
熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−２２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも６０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とする。
【００３９】
以上、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金を出発材料とした例を述べた。次に、出発材料をＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金とした場合の例を述べる。
【００４０】
すなわち、Ａｌを半減し、Ｖをほぼ半減し、２．７〜３．５質量％のアルミニウムと１．６〜３．４質量％のバナジウムを添加し、０．０５〜０．２０質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金を出発材料とする。
【００４１】
出発材料の組成が変われば、この組成により適合した処理条件を見つける必要がある。そこで、処理条件を検討する。
次表は水素吸蔵と組織の関係を調べた試験の内容と結果を示す。
【００４２】
【表６】
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【００４３】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝６００℃）、１回の加工率は１５％、総加工率は８０％とした。
【００４４】
試験番号２４では、比較対象のため水素を吸蔵させなかった。処理後の組織を調べたところ、粒径は３〜５μｍであり、微細化効果は無かった。なお、平均粒径が１μｍを超えると粗大、１μｍ未満を微細と判定する。
試験番号２５〜２７は、水素を０．２質量％、０．４質量％、０．６質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
【００４５】
試験番号２８は、水素を０．７質量％吸蔵させた。総加工率が４０％で、割れが発生した。処理後の組織を調べたところ、微細化は得られたが均一性が得られなかった。
試験番号２９は、水素を１．０質量％吸蔵させた。総加工率が２０％で、割れが発生した。処理後の組織を調べたところ、微細化は得られたが均一性が得られなかった。
【００４６】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金で良好な微細化組織を得るには、水素吸蔵量は０．２〜０．６質量％に設定する必要がある。
【００４７】
次に塑性加工開始温度を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
【００４８】
【表７】
2006052418.tif 000009
【００４９】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、水素吸蔵は０．５質量％、１回の加工率は１５％、総加工率は８０％とした。
【００５０】
試験番号３０では、塑性加工開始温度をβ−１５０（５５０℃）として塑性加工を実施した。低温であるため延性が低下する。この状態で塑性加工したため割れが発生した。
試験番号３１〜３３では、塑性加工開始温度を高めて、それぞれβ−１２５（５７５℃）、β−１００（６００℃）、β−５０（６５０℃）として塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。その他の処理を施し組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
試験番号３４では、塑性加工開始温度をβ＋５０（７５０℃）として塑性加工を実施した。β変態点以上で塑性加工を開始したため異常な組織となった。
【００５１】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金で割れが無く、良好な微細化組織を得るには、塑性加工開始温度は、（β変態点−１２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定する必要がある。
【００５２】
次に１回の加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
なお、１回の加工率は、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する。例えば、直前（塑性加工前）の厚さが９０ｍｍ、塑性加工後の厚さが８１ｍｍであれば、塑性加工量は９ｍｍ（＝９０−８１）、加工率は１０％（＝９／９０）となる。直前の厚さは、一定値ではなく、回が進むに連れて小さくなる。
【００５３】
【表８】
2006052418.tif 000010
【００５４】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝６００℃）、総加工率は７０％とした。
【００５５】
試験番号３５では、１回の加工率を１０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかったが、加工回数は１２段になり、１０段を超えているので工業的な生産性の確保は困難である。
試験番号３６では、１回の加工率を１５％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は８段で１０段以下に収まった。
試験番号３７では、１回の加工率を２０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は６段で１０段以下に収まった。
試験番号３８では、１回の加工率を２５％に設定して塑性加工を実施したところ、割れが発生した。
【００５６】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金で割れが無く、加工回数を少なくするには、１回の加工率は１５％〜２０％に設定する必要がある。
【００５７】
次に総加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。なお、総加工率は、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する。例えば、最初の厚さが１００ｍｍ、複数回の塑性加工を実施した後の厚さが２６ｍｍであれば、塑性加工量は７４ｍｍ（＝１００−２６）、総加工率は７４％（＝７４／１００）となる。最初の厚さは塑性加工開始前の厚さであるから、一定である。
【００５８】
【表９】
2006052418.tif 000011
【００５９】
何れも、材料はＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝６００℃）、１回の加工率は１５％とした。
【００６０】
試験番号３９では、総加工率を４０％に設定して塑性加工を実施した。塑性加工不十分のため十分な微細化が得られなかった。
試験番号４０では、総加工率を６０％に設定して塑性加工を実施した。塑性加工不十分のため十分な微細化が得られなかった。
試験番号４１、４２では、総加工率を７０％、８０％に設定して塑性加工を実施した。良好な微細化が得られた。
【００６１】
従って、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金で良好な微細化組織を得るには、総加工率は７０％以上にする必要がある。
【００６２】
以上をまとめると請求項２に係る発明は、α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
準備するα＋β型チタン合金は、チタンに２．７〜３．５質量％のアルミニウムと１．６〜３．４質量％のバナジウムと０．０５〜０．２０質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金であり、
水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．２〜０．６質量％の水素を吸蔵させ、
熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−１２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも７０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とする。
【００６３】
本発明では水素化物を形成しない元素であるＡｌの添加量を減ずることで、熱間塑性加工時のチタン水素化物の析出を抑制し、素材の脆化を防ぎ、結果として割れの発生を抑制した。一方で特に室温近傍の温度域においてＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金などを代替可能な廉価な合金としてＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系同じくＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系の合金が検討されている。これらの主な強化元素はＯ又はＯとＮであり、これらの元素は素材強化の寄与率が大きいので、添加量が少なくても十分な強度を達成できる。なお、ＮはＯと同様な効果を有するので、Ｔｉ−Ｆｅ−Ｏ系とＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系の合金は、同等のものである。
【００６４】
添加量が少ないことは、水素化状態での塑性加工を考えた場合、優れた素材となることが期待される。
しかしながら水素処理は、α相単相素材ではその効果は無く、α＋βの２相合金であることが必要である。Ｆｅは強力なβ安定化元素であるので、少量の添加で粒界にβ相を形成できる。
しかしながらＦｅはＡｌと同様に水素化物を形成しない元素であるので、過剰な添加はチタン水素化物の析出を促進するため好ましくない。適切な添加量を選べばＴｉ−Ｆｅ−Ｏ系同じくＴｉ−Ｆｅ−Ｏ−Ｎ系の合金は水素処理に好適な素材である可能性がある。
そこで、次に出発材料をＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金とした例を述べる。
【００６５】
すなわち、０．７〜２．３質量％の鉄と、０．２〜０．７質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金を出発材料とする。
【００６６】
出発材料の組成が変われば、この組成により適合した処理条件を見つける必要がある。そこで、処理条件を検討する。
次表は水素吸蔵と組織の関係を調べた試験の内容と結果を示す。
【００６７】
【表１０】
2006052418.tif 000012
【００６８】
何れも、材料はＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５９０℃）、１回の加工率は１５％、総加工率は８０％とした。
【００６９】
試験番号４３では、比較対象のため水素を吸蔵させなかった。処理後の組織を調べたところ、粒径は３〜５μｍであり、微細化効果は無かった。なお、平均粒径が１μｍを超えると粗大、１μｍ未満を微細と判定する。
試験番号４４では、水素を０．３質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、不均一な組織であった。
【００７０】
試験番号４５〜４７は、水素を０．４質量％、０．６質量％、０．８質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
試験番号４８は、水素を１．０質量％吸蔵させた。処理後の組織を調べたところ、微細化は得られたが均一性が得られなかった。
【００７１】
従って、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金で良好な微細化組織を得るには、水素吸蔵量は０．４〜０．８質量％に設定する必要がある。
【００７２】
次に塑性加工開始温度を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
【００７３】
【表１１】
2006052418.tif 000013
【００７４】
材料はＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、水素吸蔵は０．５質量％、１回の加工率は１５％、総加工率は４０、８０％とした。
【００７５】
試験番号４９では、塑性加工開始温度をβ−３００（３９０℃）として塑性加工を実施した。低温であるため延性が低下し、総加工率は４０％で、割れが発生した。
試験番号５０〜５２では、塑性加工開始温度を高めて、それぞれβ−２７５（４１５℃）、β−２００（４９０℃）、β−７５（６１５℃）として塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。その他の処理を施し組織を調べたところ、良好な微細化が確認できた。
試験番号５３では、塑性加工開始温度をβ−５０（６４０℃）として塑性加工を実施した。不均一な組織となった。
【００７６】
従って、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金で割れが無く、良好な微細化組織を得るには、塑性加工開始温度は、（β変態点−２７５℃）以上（β変態点−７５℃）以下に設定する必要がある。
【００７７】
次に１回の加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。
なお、１回の加工率は、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する。例えば、直前（塑性加工前）の厚さが９０ｍｍ、塑性加工後の厚さが８１ｍｍであれば、塑性加工量は９ｍｍ（＝９０−８１）、加工率は１０％（＝９／９０）となる。直前の厚さは、一定値ではなく、回が進むに連れて小さくなる。
【００７８】
【表１２】
2006052418.tif 000014
【００７９】
何れも、材料はＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５９０℃）、総加工率は７０％とした。
【００８０】
試験番号５４では、１回の加工率を１０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかったが、加工回数は１２段になり、１０段を超えているので工業的な生産性の確保は困難である。
試験番号５５では、１回の加工率を１５％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は８段で１０段以下に収まった。
試験番号５６では、１回の加工率を２０％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は６段で１０段以下に収まった。
試験番号５７では、１回の加工率を２５％に設定して塑性加工を実施した。割れは発生しなかった。加工回数は５段で１０段以下に収まった。
試験番号５８では、１回の加工率を３０％に設定して塑性加工を実施したところ、割れが発生した。
【００８１】
従って、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金で割れが無く、加工回数を少なくするには、１回の加工率は１５％〜２５％に設定する必要がある。
【００８２】
次に総加工率を検討したので、その内容と結果を次表に示す。なお、総加工率は、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する。例えば、最初の厚さが１００ｍｍ、複数回の塑性加工を実施した後の厚さが２６ｍｍであれば、塑性加工量は７４ｍｍ（＝１００−２６）、総加工率は７４％（＝７４／１００）となる。最初の厚さは塑性加工開始前の厚さであるから、一定である。
【００８３】
【表１３】
2006052418.tif 000015
【００８４】
何れも、材料はＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、水素吸蔵は０．５質量％、塑性加工開始温度は（β変態−１００＝５９０℃）、１回の加工率は１５％とした。
【００８５】
試験番号５９では、総加工率を４０％に設定して塑性加工を実施した。塑性加工不十分のため十分な微細化が得られなく不均一組織となった。
試験番号６０では、総加工率を６０％に設定して塑性加工を実施した。塑性加工不十分のため十分な微細化が得られなく不均一組織となった。
試験番号６１、６２では、総加工率を７０％、８０％に設定して塑性加工を実施した。良好な微細化が得られた。
【００８６】
従って、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金で良好な微細化組織を得るには、総加工率は７０％以上にする必要がある。
【００８７】
以上をまとめると請求項３に係る発明は、α＋β型チタン合金を準備し、このチタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる水素吸蔵処理工程と、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する溶体化処理工程と、この処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する熱間塑性加工工程と、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する脱水素処理工程とからなるα＋β型チタン合金の製造方法において、
準備するα＋β型チタン合金は、チタンに０．７〜２．３質量％の鉄と０．２〜０．７質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金であり、
水素吸蔵処理工程では、チタン合金に０．４〜０．８質量％の水素を吸蔵させ、
熱間塑性加工工程では、塑性加工開始温度は（β変態点−２７５℃）以上（β変態点−７５℃）以下に設定し、（塑性加工量／直前の厚さ）で定義する１回の加工率は少なくとも１５％に設定し、（総塑性加工量／最初の厚さ）で定義する総加工率は少なくとも７０％に設定して複数回の塑性加工を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００８８】
請求項１に係る発明では、Ａｌの添加量を従来のほぼ半分にしたので、吸蔵した水素が水素化物として析出することを抑制し、１回の加工率を１５％以上に高めることができ、この結果、加工回数を減少し、加工時間の短縮化を達成し、生産性の向上を図ることができる。
水素吸蔵量は、０．２質量％未満では水素化の効果が期待できずに結晶粒が微細化できない。また、０．８質量％を超えると均一な組織が得られなかった。そこで、水素吸蔵量を０．２〜０．８質量％に設定することで、良好な微細化組織を得る。
【００８９】
塑性加工開始温度を（β変態点−２２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定することで、割れが無く、良好な微細化組織を得ることができる。
１回の加工率を、１５％以上にすることで、加工回数を少なくし、生産性を高めることができる。
総加工率を、６０％以上にすることで、良好な微細化組織を得ることができる。
【００９０】
従って、請求項１によれば、α＋β型チタン合金において、割れが発生する心配が無く、良好な微細化組織を得ることができる上に、加工回数を減少させることができる製造方法を提供することができる。
【００９１】
請求項２に係る発明では、Ａｌの添加量を従来のほぼ半分にしたので、吸蔵した水素が水素化物として析出することを抑制し、１回の加工率を１５％以上に高めることができ、この結果、加工回数を減少し、加工時間の短縮化を達成し、生産性の向上を図ることができる。
水素吸蔵量は、０．２質量％未満では水素化の効果が期待できずに結晶粒が微細化できない。また、０．６質量％を超えると均一な組織が得られなかった。そこで、水素吸蔵量を０．２〜０．６質量％に設定することで、良好な微細化組織を得る。
【００９２】
塑性加工開始温度を（β変態点−１２５℃）以上（β変態点−５０℃）以下に設定することで、割れが無く、良好な微細化組織を得ることができる。
１回の加工率を、１５％以上にすることで、加工回数を少なくし、生産性を高めることができる。
総加工率を、７０％以上にすることで、良好な微細化組織を得ることができる。
【００９３】
従って、請求項２によれば、α＋β型チタン合金において、割れが発生する心配が無く、良好な微細化組織を得ることができる上に、加工回数を減少させることができる製造方法を提供することができる。
【００９４】
請求項３に係る発明では、鉄がβ変態点を低下させるが、酸素がβ変態点を上昇させるために、これらの元素の添加量を適量に調整し、各処理条件を設定することで、１回の加工率を１５％以上に高めることができ、この結果、加工回数を減少し、加工時間の短縮化を達成し、生産性の向上を図ることができる。
水素吸蔵量は、０．４質量％未満では水素化の効果が期待できずに結晶粒が微細化できない。また、０．８質量％を超えると均一な組織が得られなかった。そこで、水素吸蔵量を０．４〜０．８質量％に設定することで、良好な微細化組織を得る。
【００９５】
塑性加工開始温度を（β変態点−２７５℃）以上（β変態点−７５℃）以下に設定することで、割れが無く、良好な微細化組織を得ることができる。
１回の加工率を、１５％以上にすることで、加工回数を少なくし、生産性を高めることができる。
総加工率を、７０％以上にすることで、良好な微細化組織を得ることができる。
【００９６】
従って、請求項３によれば、α＋β型チタン合金において、割れが発生する心配が無く、良好な微細化組織を得ることができる上に、加工回数を減少させることができる製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９７】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明のα＋β型チタン合金の製造方法のための温度曲線図であり、横軸は時間、横軸の下に工程、縦軸は温度を示す。
水素吸蔵処理工程では、α＋β型チタン合金を高温の水素ガス中に保持することで水素を吸蔵させる。
【００９８】
溶体化処理工程では、水素を吸蔵させたチタン合金をβ変態点以上に加熱し、次に急冷することで溶体化処理する。
熱間塑性加工工程では、溶体化処理後のチタン合金を熱間で塑性加工して結晶を微細化する。
脱水素処理工程では、塑性加工後のチタン合金を高温、真空下に保持して水素を除去する。
【００９９】
水素処理を伴わない通常の製造方法では、溶体化処理工程及び熱間塑性加工工程の２工程からなる。これでは、結晶の微細化が望めないので、本発明では水素処理を行う。このままでは残留水素が合金を脆化させるため、塑性加工後に速やかに水素を除去し、その不都合を解消する。そのために、本発明方法は４工程からなる。
【０１００】
図２は水素吸蔵量とβ変態点との相関グラフであり、横軸はα＋β型チタン合金に吸蔵させる水素吸蔵量、縦軸はβ変態点温度、曲線は比較例としてのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、実施例としてのＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金を示す。
【０１０１】
α＋β型チタン合金に水素を吸蔵させると、水素の作用でβ変態点が低温側に変化することは知られていた。本発明者らは合金組成によってどの程度変化するかを知るために詳細に調べグラフ化した。
【０１０２】
すると、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は緩やかに変化するが、実施例としてのＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金は、何れも水素吸蔵量に比例して急激に変化することが分かった。
【０１０３】
そして、このグラフから次のことが言える。
先ず、横軸の０．５から直線を立ち上げると、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のβ変態点は８５０℃、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金のβ変態点は６８０℃である。
【０１０４】
同じ水素吸蔵量０．５質量％で、両合金のβ変態点に１７０℃の差があり、且つ後者のＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金のβ変態点が６８０℃と低温である。β変態点に対応して塑性加工開始温度を決定するから、β変態点が低ければ、塑性加工開始温度を低温側に設定する。塑性加工開始温度が高い場合には、合金の表面に硬い酸化皮膜が多く発生し、塑性加工の際に塑性加工ロールに傷をつけるとともに、素材にも傷が入る虞が高くなる。この点、塑性加工温度を下げることができれば、酸化皮膜の発生を抑制することができ、素材の傷発生及び塑性加工ロールの傷発生を抑えることができる。
【０１０５】
この結果、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも、本発明のＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金は、塑性加工ロールのロール研磨までの時間を延ばすことができ、塑性加工作業を中断する必要が少なくなるため、熱間塑性加工の生産性を大いに高めることができる。さらに加工後、製品とするために表面の酸化膜及び酸素拡散層を除去するが、この取り代を削除できるため、素材の歩留まりを大幅に向上することができる。
【０１０６】
また、縦軸の８００℃から横線を引くと、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金の水素吸蔵量は０．２５質量％、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の水素吸蔵量は、１．０質量％になる。すなわち、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で１．０質量％もの水素を吸蔵させる効果が、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金では０．２５質量％の水素吸蔵で得ることができる。
【０１０７】
合金に水素を吸蔵させ、熱間塑性加工で塑性加工することで、合金を歪ませて水素化物を均一微細に析出させ、再結晶による微細組織形成の核とすることが、吸蔵水素の作用である。しかし、水素吸蔵量を増やすと合金が脆くなり、延性が低下する。
そこで、微細化作用が確保できるのであれば、水素吸蔵量は少量であることが望ましい。
この点、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金は吸蔵水素を少量化することができるので、好ましい合金であると言える。Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金も同様である。
【０１０８】
加えて、図１の水素吸蔵処理工程において、水素吸蔵量が少なければ、処理時間を短縮することができ、生産性を高めることができる。併せて、原料としての水素ガスの消費量を抑えることができるので、製造コストを下げることができる。
【０１０９】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
なお、実験条件は次の通りである。
【０１１０】
・出発材料：
出発材料の成分：
チタンに３．１質量％のアルミニウムと２．４質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、
チタンに３．１質量％のアルミニウムと１．９質量％のバナジウムと０．１２質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、
チタンに１．１質量％の鉄と０．３１質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、
出発材料のサイズ：厚さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍに機械加工してなるテストピース
【０１１１】
・水素吸蔵処理工程：
真空熱処理炉にテストピースを収納し、真空排気したのち、加熱し、８００℃水素ガス雰囲気で水素を吸蔵させる。水素吸蔵量は時間で管理し、時間が経過したら、加熱を止め、真空排気して炉から取り出す。
【０１１２】
・溶体化処理工程：
水素を吸蔵させたテストピースを炉に入れ、大気雰囲気でβ変態点＋１００℃まで加熱し、３６００秒（１時間）保持してから、水槽へ移して急冷することで、溶体化処理を行う。
【０１１３】
・中間材料：溶体化処理済みのテストピースから、厚さ７ｍｍ×幅７ｍｍ×長さ５０ｍｍの第２次テストピースを切り出す。
【０１１４】
・熱間塑性加工工程：
第２次テストピースを炉に入れて、塑性加工開始温度まで加熱する。そして、１回の加工率を１５％として複数回の塑性加工を行う。塑性加工後の第３次テストピースから表面の酸化皮膜を除去する。
【０１１５】
・脱水素処理工程：
真空熱処理炉に第３次テストピースを収め、８７３℃の真空中で３６００秒（１時間）保持することで、水素を除去する。保持時間が経過したら炉に入れたまま冷却する。
【０１１６】
・顕微鏡観察：
以上の処理を終えたテストピースを切断し、切断面を金属顕微鏡で観察し、割れの有無、結晶粒が微細化しているか否か、結晶粒が均一に整列しているか否かを観察する。
【０１１７】
結果は、［課題を解決するための手段］に表形式で記載したので省略する。
【０１１８】
なお、詳細は記載しないが、２．５質量％のアルミニウムと２．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、３．５質量％のアルミニウムと３．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金についても同等の結果が得られた。
従って、本発明は、チタンに２．５〜３．５質量％のアルミニウムと２．０〜３．０質量％のバナジウムを添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金に適用できる。
【０１１９】
また、２．７質量％のアルミニウムと１．６質量％のバナジウムと０．０５質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金、３．５質量％のアルミニウムと３．４質量％のバナジウムと０．２０質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金についても同等の結果が得られた。
従って、本発明は、チタンに２．７〜３．５質量％のアルミニウムと１．６〜３．４質量％のバナジウムと０．０５〜０．２０質量％の硫黄を添加してなるＴｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金に適用できる。
【０１２０】
さらに、０．７質量％の鉄と０．２質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金、２．３質量％の鉄と０．７質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金についても同等の結果が得られた。
従って、本発明は、チタンに０．７〜２．３質量％の鉄と０．２〜０．７質量％の酸素を添加してなるＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ合金に適用できる。
【０１２１】
次に、機械的性質についての実験結果を以下に述べる。
Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金及びＴｉ−１Ｆｅ−３Ｏ合金について水素処理を行った素材と、水素処理のみ行わず、他の処理工程を行った素材について室温にて引張り試験を行った。
水素処理条件は、各合金とも同じ水素添加量：０．５％、溶体化温度：β変態点＋１００℃、塑性加工温度：β変態点−１００℃、１回の塑性加工率：１５％、総塑性加工率：８０％、脱水素温度：６００℃である。また、供試材の結晶粒径は、何れも水素処理材で０．５〜１μｍ、水素処理を行わなかった素材で３〜５μｍである。
【０１２２】
Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金は、水素処理により０．２％耐力は６２６ＭＰａから７４６ＭＰａに約１９％の向上が確認された。また伸びは両素材とも約２０％であり高強度化による伸びの低下は見られなかった。
Ｔｉ−３Ａｌ−２Ｖ−０．１Ｓ合金は、水素処理により０．２％耐力は７０６ＭＰａから８６３ＭＰａに約２２％の向上が確認された。また伸びは両素材とも約１８％であり高強度化による伸びの低下は見られなかった。
【０１２３】
Ｔｉ−１Ｆｅ−３Ｏ合金は、水素処理により０．２％耐力は５７５ＭＰａから６２７ＭＰａに約９％の向上が確認された。また伸びは両素材とも約２３％であり高強度化による伸びの低下は見られなかった。
本発明により高い生産性で微細化組織が得られ、その結果伸びの低下を伴わずに９〜２２％という大幅な高強度化が達成された。
【０１２４】
尚、本発明の製造方法で製造されたα＋β型チタン合金は、主に高強度、高靱性、高耐食性などを重視した用途に適用することに適している。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明のα＋β型チタン合金の製造方法は、自動車部品などの構造部品の素材として用いるチタン合金の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明のα＋β型チタン合金の製造方法のための温度曲線図である。
【図２】水素吸蔵量とβ変態点との相関グラフである。
【図１】
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【図２】
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