(57)【要約】【課題】ＴｉまたはＴｉ合金の熱間塑性加工において、微細組織が生じる領域を制御することが困難である。【解決手段】一対の加工具を使用して、被加工材としてのＴｉまたはＴｉ合金を塑性変形させるための加工方法において、前記加工具の一方と前記被加工材との間の摩擦係数を、前記加工具の他方と前記被加工材との間の摩擦係数より小さくしたもの。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の加工具を使用して、被加工材としてのＴｉまたはＴｉ合金を塑性変形させるための加工方法において、前記加工具の一方と前記被加工材との間の摩擦係数を、前記加工具の他方と前記被加工材との間の摩擦係数より小さくしたことを特徴とするＴｉまたはＴｉ合金の加工方法。
【請求項２】
前記加工具が金型である請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記加工方法が熱間鍛造である請求項１または２記載の加工方法。
【請求項４】
前記加工具の少なくとも一方には、前記被加工材と接触する表面に潤滑層が形成されている請求項１〜３いずれか記載の加工方法。
【請求項５】
前記潤滑層が、潤滑剤の塗布により形成されたものである請求項４記載の加工方法。
【請求項６】
前記潤滑剤が二硫化モリブデンを含有するものである請求項５記載の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＴｉまたはＴｉ合金の加工方法に関し、さらに詳しくは、特に熱間鍛造などの熱間加工に好適に適用しうる加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉおよびＴｉ合金は、軽量で機械的強度が高く、また、耐食性に優れていることから、近年、航空機の機体、眼鏡フレーム、ゴルフ用ドライバーのフェイス材など各種の用途で重用されている。
ＴｉまたはＴｉ合金を使用して、板材を製造する場合、所定の大きさのブロックを熱間鍛造して所望の厚さの板材を得ることが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｔｉ金属単体およびＴｉを主成分とする合金類に特有の性質として、加工時の変形抵抗の温度依存性が非常に高いということがある。一般的に、熱間鍛造時には、被加工材の厚み方向（金型の移動方向）の中心部における温度が上昇するが、ＴｉおよびＴｉ合金の場合は、その中心部分の温度上昇により、その中心部は他の領域に比べて軟化するため、そこに集中的に歪みが導入される。
【０００４】
そして、その後の加工発熱により、中心部のみがさらに軟質化してしまい、それ以上加工を継続しても外表面近傍の加工が進行せず、その外表面近傍の組織を微細化することが困難であるという問題がある。
ＴｉおよびＴｉ合金の熱間鍛造の目的の一つに組織を微細化して材料の靱性を高めるということがあるが、上記のように、中心部に微細組織が集中して外表面近傍の組織が比較的大きいままであると、外表面近傍に高い靱性を要求される部材としての利用が制限されるなどの不具合が生じる。
【０００５】
従来、このようなＴｉおよびＴｉ合金の熱間鍛造時の組織を制御するためには、加工時の温度分布や金型形状を適切に選択するなどの対策が講じられていたが、これらの対策では製造コストが上昇するため現実的とは言えず、未だ根本的な解決策とはなっていない。
本発明は上記の問題を解決し、熱間鍛造などの塑性加工時に、簡便な手段でＴｉまたはＴｉ合金の組織を制御することができる加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を解決するために、ＴｉまたはＴｉ合金の塑性加工時に被加工物の組織に影響を与えると思われる因子、例えば、被加工材の外径、加熱温度、金型温度、被加工物と金型との摩擦係数などについて調べた結果、とくに被加工物と金型との摩擦係数が非常に大きな影響を及ぼすことを見出した。
【０００７】
具体的には、例えば、熱間鍛造工程において、上下の金型と被加工材との摩擦係数に差をつけて実験を行ったところ、被加工材の上下面のうち、金型との摩擦係数が小さい方の面近傍に歪みが集中し、この領域での組織が微細化することが確認された。
すなわち、本発明によれば、一対の加工具を使用して、被加工材としてのＴｉまたはＴｉ合金を塑性変形させるＴｉまたはＴｉ合金の加工方法において、前記加工具の一方と前記被加工材との間の摩擦係数を、前記加工具の他方と前記被加工材との間の摩擦係数より小さくしたものが提供される。
【０００８】
上記の構成において、前記加工具が金型であり、前記加工方法が熱間鍛造であることが好ましい。
さらに、前記加工具の少なくとも一方には、前記被加工材と接触する表面に潤滑層が形成されていることが好ましく、また、前記潤滑層は、潤滑剤の塗布により形成されたものであることが好ましい。また、前記潤滑剤としては二硫化モリブデンを含有するものが好適に使用される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＴｉまたはＴｉ合金の加工方法の実施形態を説明する。
まず、本発明の加工方法において、被加工材の対象となるのはＴｉ金属単体またはＴｉ合金である。Ｔｉ合金としては、とくに限定されるものではないが、例えば、α合金系であるＴｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ（数字は質量％を示す。以下同様），Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｎ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉなど、β合金系であるＴｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ，Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌなど、β合金であるＴｉ−２２Ｖ−４Ａｌ，Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ，Ｔｉ−１５Ｖ−６Ｃｒ−４Ａｌ，Ｔｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒなど、α＋β合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどをあげることができる。
【００１０】
本発明の加工方法は、ＴｉまたはＴｉ合金を被加工材とする塑性加工全般に適用することが可能であるが、とくに、熱間鍛造工程に適用するとこれらの被加工材に特有の問題、すなわち、中心部の組織が微細化して軟質化するという問題を解消することができるため有用である。
図１は、ＭＳＣ．Ａｕｔｏｆｏｒｇｅを使用してこの熱間鍛造工程を模擬試行し、加工後の被加工材の断面に対し、数値シミュレーションにより歪みが集中する位置に及ぼす摩擦係数の影響を調査した結果である。この鍛造工程の条件は以下のように設定した。
【００１１】
製造工程：９００℃加熱→粗鍛造→仕上げ鍛造
計算条件：二次元一般化平面歪み、微細組織が形成される粗鍛造工程をシミュ
レート
摩擦係数：上金型と被加工材の摩擦係数→０．３
下金型と被加工材の摩擦係数→０．５
図１の結果からも明らかなように、ほぼ中央の加工部では図中流線状に描かれた歪みは被加工材の上面近傍、すなわち、被加工材との間の摩擦係数が小さい上金型と接触する領域に集中することが確認された。したがって、この領域で微細組織が形成されることが分かる。
【００１２】
このように、上下の金型と被加工材との間の摩擦係数に差を付ける手段としては、上下の金型の材質を変える、いずれか一方の金型の非接触面の表面粗度を大きくする、あるいは、いずれか一方の金型の接触面に潤滑層を形成する、あるいは、被加工材が板状体である場合には、被加工材のいずれかの面に潤滑層を形成するなど、種々の手段が考えられるが、なかでも、潤滑層の形成は従来の金型がそのまま使用できるため、コストの低減という観点から有利である。
【００１３】
この潤滑層は、例えば、金型の少なくとも一方に潤滑剤を塗布することにより容易に形成することができる。使用される潤滑剤としては、鉱油、植物油、剛性潤滑油などの液体潤滑剤、あるいは、黒鉛、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、ワックス、グリースなどの固体潤滑剤があげられるが、とくに、二硫化モリブデンは、を含有する潤滑剤は、摩擦係数が小さくなり、金型に焼き付きにくくなるという点で好適なものである。
【００１４】
なお、必要に応じて、両方の金型に潤滑剤を塗布することもできるが、その場合は両者の摩擦係数に大小が発生するように、潤滑剤の種類、塗布条件などを適切に選択することが必要である。
このような金型を使用して、ＴｉまたはＴｉ合金に対して通常の熱間鍛造を行うことにより、加工歪みを摩擦係数が小さい金型と接触する表面近傍に集中させることができ、結果として、その表面近傍の組織を微細化することが可能となる。このような現象が生じるメカニズムは未だ明らかではないが、摩擦係数が小さくなっている金型と接触している被加工材表面では、面方向へのメタルフローすなわち金属組織の流動が促進され、本来板厚中心に集中していた微細組織が、上記被加工材表面に移動しやすくなるためであると推察される。
【００１５】
【実施例】
実施例１
被加工材としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの丸棒（１７ｍｍφ）を用意し、６００ｔｏｎプレス機を使用して、９００℃にて熱間鍛造を実施し、２．７ｍｍ厚さの板状体を作製した。
この工程において、被加工材との間の摩擦係数０．４７の金型を用い、上金型のみにＭｏＳ２を塗布することにより被加工材との間の摩擦係数を０．３２とした。
【００１６】
以上の工程により得られた板状体の厚み方向の断面の組織を光学顕微鏡を用いて観察し、その結果を図２に示した。なお、図中、点で示した部分が微細組織が生じている部分である。
実施例２
下型のみにＭｏＳ２を塗布して被加工材との間の摩擦係数を０．３２としたことを除いては上記実施例と同様の条件で熱間鍛造を行い、得られた板状体の厚み方向の断面の組織を図３に示した。
【００１７】
比較例
上下金型共に潤滑剤の塗布を行わなかったことを除いては、上記実施例１と同様の条件で熱間鍛造を行い、得られた板状体の厚み方向の断面の組織を図４に示した。
以上の結果から明らかなように、被加工材との間の摩擦係数を小さくした金型と接触する被加工材表面近傍に、微細組織が集中していることが確認された。この微細組織の集中領域は高い靱性を有するため、疲労強度が高く、様々な用途への応用が可能である。
【００１８】
それに対して、潤滑層を形成せずに従来の金型をそのまま使用した場合は、被加工材の上下面ともに粗大組織となり、板状体の一面もしくは両面に高い靱性を要求される用途への適用は困難となる。
なお、上記実施例においては、本発明のＴｉまたはＴｉ合金の加工方法を熱間鍛造工程に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、熱間ロール圧延など各種の熱間塑性加工に適用することが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非常に簡便かつ低コストな手段によりＴｉまたはＴｉ合金の塑性加工時に生じる微細組織を制御することができるため、高い靱性を要求される用途への適用が容易であり、その工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工方法の一実施形態であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱間鍛造工程のシミュレーションしたときの板厚方向の歪み分布の解析結果を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例１において、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱間鍛造時の被加工材の厚み方向の断面の組織を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例２において、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱間鍛造時の被加工材の厚み方向の断面の組織を示す模式図である。
【図４】本発明の比較例において、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱間鍛造時の被加工材の厚み方向の断面の組織を示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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