(57)【要約】【課題】現在製造されているＴｉ合金の８０％を占めるＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金と同等以上の引張強さを有する高強度Ｔｉ合金およびこの合金をＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金よりはるかに安価に製造する方法を提供すること。【解決手段】質量％で、Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更に必要に応じてＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする高強度Ｔｉ合金。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下同じ）、Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする高強度Ｔｉ合金。
【請求項２】
Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更にＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする高強度Ｔｉ合金。
【請求項３】
Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更に必要に応じてＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．４０％以上含有するスポンジチタンを用いることを特徴とする高強度Ｔｉ合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度チタン合金およびその製造方法、詳細には低廉な高強度チタン合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン合金は、軽く、比強度が高く、耐食性および耐熱性も優れていることから、航空機等の輸送機器の部材、ゴルフクラブヘッド、二輪車のコンロッド、自動車、小型船舶等に使用するボルト、ナット、継手部品等に使用されているが、高価であるためその用途が限定されていた。
しかし、このチタン合金は、比強度が高く、耐食性も優れていることから、安価になれば、低燃比化が要望されている自動車等の輸送機の部品および構造材料としての大きな需要があるため、低廉化が要求されていた。
【０００３】
従来、高強度チタン合金としては、Ｔｉー６Ａｌー４Ｖ合金が知られており、その生産量はＴｉ合金全体の生産量の約８０％を占めている。しかし、このＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金は、価格が高く、また強度の点でも十分でないという欠点がある。
【０００４】
また、Ｆｅを含有するチタン合金としては、Ｖ：２．０〜８．０重量％、Ｆｅ：０．５〜５．０重量％、Ａｌ：２．０〜７．０重量％およびＯ：０．１〜０．３重量％を含み、残部が実質的にＴｉからなる耐エロージョン性に優れたＴｉ合金が知られている（特開平３─１３４１２４号）。
しかし、このチタン合金は、耐エロージョン性に優れたものであるが、Ｖ当量（Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が実質的に５．５０重量％以上のものであるため、β相が多く、高強度化を図るために熱処理が必要であるという欠点があった。また、Ｆｅ含有量が０．０６％以下のスポンジチタンを使用して製造しているため、高価であるという欠点があった。
【０００５】
また、Ｖの代わりにＦｅを含有させて低廉にしたチタン合金として、Ａｌ：５．５〜７．０重量％およびＦｅ：０．５〜４．０重量％を含有し、必要に応じてＣｒ，ＮｉおよびＯのうちの１種若しくは２種以上をＣｒ：２．０重量％以下、Ｎｉ：２．０重量％以下、Ｏ：０．５重量％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなるα＋β型の高強度Ｔｉ合金が知られている（特開平４─３５８０３６号）。
しかし、このチタン合金は、Ｎが通常の不純物の範囲内の０．０１重量％以下であるため、Ｎによる強度の向上が十分でなく、またＦｅ含有量が０．０６％以下のスポンジチタンを使用して製造しているため、高価であるという欠点があった。
【０００６】
一方、低廉な低品位のスポンジチタンを使用したＴｉ合金を製造する方法として、Ａｌ：５．００〜７．００重量％、Ｖ：１．００〜３．５０重量％、Ｆｅ：０．４０超え〜１．００重量％、Ｏ：０．２０〜０．４０重量％、Ｃ：０．０５重量％以下、Ｎ：０．０５重量％以下を含有し、Ｖ当量（Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が３．００〜５．５０重量％であり、残部が実質的にＴｉからなる高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．１０重量％以上含有するスポンジチタンを用いる低廉な高強度Ｔｉ合金の製造方法が知られている（特開２００１─１１５２２１号。
しかし、このＴｉ合金は、Ｖを１．００〜３．５０重量％含有しており、またＦｅの含有量が多くないため、余り低廉にすることができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、現在製造されているＴｉ合金の８０％を占めるＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金と同等以上の引張強さを有する高強度Ｔｉ合金及びこの合金をＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金よりはるかに安価に製造する方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明者達は、高強度Ｔｉ合金及びその製造方法について成分組成、原料等について種々研究していたところ、上記公知のＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金のＶをＦｅに置換し、Ｎを適量含有させることにより強度を従来のＴｉー６Ａｌー４Ｖ合金と同等以上にすることができること、Ｔｉ合金の原料であるスポンジチタンを製造する際、Ｆｅを約０．４重量％程度含有するスポンジチタンが約２０％製造され、このスポンジチタンは、価格が不純物の少ないスポンジチタンの１／２程度であること、Ｆｅを多く含有するＴｉ合金では、この安価なスポンジチタンを多く使用することができるとともに、合金原料としてステンレス鋼等の鉄合金スクラップを使用することができること等の知見を得た。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の高強度Ｔｉ合金においては、成分組成をＡｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更に必要に応じてＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなるものとすることである。
なお、％は、重量％と記載されているもの以外上記のとおり質量％である。
【００１０】
また、本発明の高強度Ｔｉ合金の製造方法においては、Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更に必要に応じてＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．４０％以上含有するスポンジチタン（低品位スポンジチタン）、更に必要に応じて合金元素（必要な場合にはＦｅ，Ｏを含む）、通常のスポンジチタン、ステンレス鋼等の鉄合金スクラップ、チタン合金スクラップ等の１種または２種以上を用いることである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高強度Ｔｉ合金およびその製造方法において、成分組成を上記のように特定している理由を説明する。
Ａｌ：５．５０〜７．００％
Ａｌは、主としてα相に固溶してα相を強化するので、そのために含有させる元素である。その効果を得るためには５．５０％以上含有させる必要があり、また５．５０％より低くなるとβ変態点が低くなるため、熱間加工により当軸状α＋β組織を得ることが困難になるので、５．５０％以上含有させる必要がある。しかし、７．００％を超えるとα２相（Ｔｉ３Ａｌ）が析出して延性を低下する場合があり、またα相の量が増加して熱間加工性を低下するので、その含有量を５．５０〜７．００％とする。
【００１２】
Ｆｅ：０．５０〜４．００％
Ｆｅは、Ｖと同様にβ相を安定化し、かつコストも低下させるので、そのために含有させる元素である。それらの効果を得るためには０．５０％以上含有させる必要があるが、４．００％を超えるとＦｅが偏析して製造性を害し、また熱処理により金属間化合物（ＴｉＦｅ）を形成して靱延性を低下させる場合があるので、その含有量を０．５０〜４．００％とする。
【００１３】
Ｎ：０．０２〜０．１０％
Ｎは、後述のＯと同様にα相に固溶してα相を強化するので、そのために含有させる元素である。その効果を得るためには０．０２％以上含有させる必要があるが、０．１０％より多くなるとＴｉＮのような介在物をつくり、低密度介在物として疲労破壊の起点となることで、疲労強度を低下させる場合があるので、その含有量を０．０２〜０．１０％とする。
【００１４】
Ｏ：０．０５〜０．５０％
Ｏは、主としてα相に固溶してα相を強化するので、そのために含有させる元素である。その効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要があるが、０．５０％を超えて含有させるとα相が増加して延性を低下するので、その含有量を０．０５〜０．５０％とする。
【００１５】
Ｃ：０．４０％以下
Ｃは、ＯおよびＮと同様にα相を強化し、また後述のＳと同時に含有させると切削性も改善するので、それらのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎると炭化物を形成して熱間成形性を低下するので、上限を０．４０％とする。
Ｓ：０．２０％以下
Ｓは、切削性を改善するので、そのために添加させる元素であるが、多くなり過ぎると形成される介在物により熱間成形性を低下するので、上限を０．２０％とする。
【００１６】
ＲＥＭ：０．５０％以下
ＲＥＭは、切削性を改善する元素としてＳと同時に含有させる元素であるが、多くなり過ぎると介在物により熱間成形性を低下させるので、上限を０．５０％とする。
【００１７】
Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下
ＮｉおよびＣｒは、Ｆｅと同様にβ相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善するので、Ｆｅの一部を置換してそれぞれ１．０％以下含有させることができるが、積極的に含有させる必要はない。ただ、Ｆｅ原料としてステンレス鋼スクラップを使用する場合に添加されることになる。
【００１８】
Ｖ：１．０％未満
Ｖは、Ｆｅ、Ｃｒ等と同様にβ相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善するので、Ｆｅの一部を置換して１．０％未満含有させることができるが、積極的に含有させる必要はない。ただ、Ｔｉ合金の主要な構成元素であるので、Ｔｉ合金スクラップを使用する場合に添加されることになる。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ等と同様にβ相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善するので、Ｆｅの一部を置換して１．０％以下含有させることができるが、積極的に含有させる必要はない。ただ、Ｔｉ合金の主要な構成元素であるので、Ｔｉ合金スクラップを使用する場合に添加されることになる。
【００１９】
Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下
ＳｎおよびＺｒは、α相およびβ相の両方を強化するので、Ｆｅの一部を置換してそれぞれ１．０％以下含有させることができるが、積極的に含有させる必要はない。ただ、Ｔｉ合金の主要な構成元素であるので、Ｔｉ合金スクラップを使用する場合に添加されることになる。
Ｓｉ：０．４０％以下
Ｓｉは、耐熱性改善するので、そのために含有させる元素であるが、多くなり過ぎるとシリサイドの析出によりクリープ強度を低下させるようになるので、上限を０．４０％とする。
【００２０】
Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ≦４．０％
上記のようにＮｉ，Ｃｒ，ＭｏおよびＶは、Ｆｅと同様にβ相を安定化し、熱間成形性、熱処理性を改善する元素であるが、これらの元素の合計が多くなり過ぎると金属間化合物（ＴｉＦｅ，ＴｉＣｒ２等）が形成し、脆化する場合があるので、その上限を４．０％とする。
【００２１】
次に、本発明の製造方法について説明する。
本発明の高強度Ｔｉ合金の製造方法は、Ａｌ：５．５０〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％およびＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、更に必要に応じてＣ：０．４０％以下、Ｓ：０．２０％以下、ＲＥＭ：０．５０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：１．０％未満、Ｓｎ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下およびＳｉ：０．４０％以下のうちの１種または２種以上を含有し、かつＦｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖが４．０％以下を満足し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．４０％以上含有するスポンジチタン（低品位スポンジチタン）を用いる方法であるが、原料として必要に応じて合金元素（必要な場合にはＦｅ，Ｏを含む）、通常のスポンジチタン、ステンレス鋼等の鉄合金スクラップ、チタン合金スクラップ等の１種または２種以上を用いることができる。
【００２２】
本発明の高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．４０％以上含有するスポンジチタンを用いるのは、本発明のＴｉ合金がＦｅを０．５０〜４．００％含有するものであるため、Ｆｅを０．４０％以上含有するスポンジチタンを使用することができ、更にＦｅがスポンジチタンに分散しているため合金にする場合に偏析が少なくなるからである。また、Ｆｅを０．４０％以上含有するスポンジチタンの価格がＴｉ合金の製造に通常用いられているＦｅを０．０６％程度含有するスポンジチタンの価格の１／２程度であって、安価であるからである。
【００２３】
さらに、本発明の高強度Ｔｉ合金の製造方法において、原料としてＦｅを０．０２４％、Ｏを０．０２８％を含有する通常のスポンジチタンを使用する場合があるが、これは成分調整を適正にするためである。
また、ステンレス鋼等の鉄合金スクラップを使用する場合があるが、これはＦｅ原料、必要な場合にはＮｉ原料および／またはＣｒ原料とするためである。
また、チタン合金スクラップを使用する場合があるが、これは主としてチタン原料とするためである。
【００２４】
本発明の高強度Ｔｉ合金の原料を除く他の製造方法は、上記Ｔｉー６Ａｌー４Ｖ合金の製造方法と同じでもよく、さらに下記実施例に記載した方法と同じでもよく、また他の公知の方法でもよい。
【００２５】
本発明の高強度Ｔｉ合金の用途は、吸気バルブ、コンロッド、排気系集合間等の自動車部品、ブレード、ディスク等の航空機部品、ゴルフクラブヘッド、時計および眼鏡フレーム等の各種民生品、生体用部材、軽量かつ高強度を必要とする各種部材等である。
【００２６】
【実施例】
Ｆｅを０．５８０％、Ｏを０．０７６％を含有するスポンジチタン（低品位スポンジチタン）、合金原料（Ａｌペレット）、ＴｉＯ２（酸素含有量調整用）、電解鉄（Ｆｅ含有量を調整するため））、Ｆｅを０．０２４％、Ｏを０．０２８％を含有する少量のスポンジチタン（通常のスポンジチタン）、ステンレス鋼スクラップおよびＴｉ合金スクラップを下記表１に示すように用い、また炉内のＮ２濃度を調整することでＮ含有量を調整して下記表１に示すような本発明例及び比較例の成分組成になるようにし、プラズマスカル炉で溶解・鋳造し、直径１００ｍｍの５ｋｇのインゴットを製造した。このインゴットを分塊鍛造し、ビレットを手入れ後α＋β域の９４０℃での鍛伸により直径２０ｍｍの棒材を製造した。
【００２７】
これらの棒材を７５０℃×２時間の焼鈍をした後平均直径６ｍｍのＪＩＳ１４Ａ号の引張試験片を採取し、引張試験をし、その結果を下記表２に示す。
これらの実施例における原料費は、スポンジチタンの全量をＦｅを０、０２４％、Ｏを０．０２８％を含有する通常のスポンジチタンを用いた比較例のものの約６０％であった。
【００２８】
【表１】
2004010963.tif 000002
【００２９】
【表２】
2004010963.tif 000003
【００３０】
これらの結果によると、６Ａｌー４ＶーＴｉ合金に相当する比較例は、引張強さが９７０ＭＰａ、０．２％耐力が８７０ＭＰａ、伸びが１８％および絞りが３７％であった。
これに対して、本発明例は、引張強さが１０４２〜１２６２ＭＰａ、０．２％耐力が９３８〜１１４０ＭＰａ、伸びが１１〜２０％および絞りが２６〜４５％であった。また、本発明例のうち伸びが比較例のもの（１８％）と同等以上のものでは、引張強さが１０４２〜１１３２ＭＰａ、０．２％耐力が９３８〜１０２１ＭＰａで、比較例のものの１．０７倍以上、１．０８倍以上であった。
【００３１】
【効果】
本発明の高強度Ｔｉ合金およびその製造方法は、上記構成にしたことにより次のような優れた効果を奏する。
高強度Ｔｉ合金においては、従来から多く製造されている６Ａｌー４ＶーＴｉ合金より優れた引張強さを有するものとなる。
また、その製造方法においては、原料の価格が従来から多く製造されている６Ａｌー４ＶーＴｉ合金のものと比較して約６０％になるため、引張強さが同等以上の高強度Ｔｉ合金を安価に製造することができる。