(57)【要約】【課題】面方向において連続的に変化する硬度分布を付与し得るようなβ型チタン合金材の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】β型チタン合金素材に対して、該素材の圧下率が面方向に異なるように制御して冷間加工を施し、しかる後に、時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金材の製造方法による。好ましくは、冷間加工の前には溶体化処理を施すこととし、また、好ましくは冷間加工で付与される圧下率を、面方向において最低値が１０％未満から最高値が３５％以上にまで変動するように制御し、且つ、前記時効処理が、３００℃以上βトランザス温度以下の温度範囲であって、１〜６０分の処理時間とする。【選択図】          図１
2004360024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
β型チタン合金素材に対し、該素材の圧下率が面方向において異なるように制御して冷間加工を施し、しかる後に、時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金材の製造方法。
【請求項２】
前記冷間加工の前に、溶体化処理を施すことを特徴とする請求項１記載のβ型チタン合金材の製造方法。
【請求項３】
前記圧下率を、面方向において最小値が１０％未満から最大値が３５％以上にまで変動するように制御し、且つ、前記時効処理が、３００℃以上βトランザス温度以下の温度範囲であって、１〜６０分の処理時間であることを特徴とする請求項１又は２に記載のβ型チタン合金材の製造方法。
【請求項４】
β型チタン合金素材に対し、該素材の圧下率が面方向において異なるように制御して冷間加工を施し、しかる後に、昇温速度が２℃／秒以上の時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、設計者の意図に基づき、自在に面内に連続的に変化する硬度分布を付与することのできるβ型チタン合金材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギならびに環境保護の観点から、各種部材に対して、さらなる軽量化ならびに高硬度化の要求が高まっており、部材の中の一部に硬度分布勾配を付与した高機能部材として、各種部材硬度最適設計のための素材としての要求が高まっている。
とくに、板材では、部品設計者の思いのままに硬度と板厚を同時に適正に配分することができれば、曲げ剛性、制振性、ならびに、撓み性などを思いのままに設計できるので、その適用範囲が広がることは言うまでもない。
【０００３】
異なった機能を部材内部に与える方法としては、古くより、異種金属を組み合わせた、所謂、クラッド材の適用がある（以下、従来技術１）。例えば、クラッド鋼板は、通常、２枚〜３枚の異種金属板を重ね合わせて、熱間圧延等により接合することにより、複合した機能を１枚の板の中に付与することが実施されている。この場合の多くは、部材としての硬度分布付与というよりは、耐食性や磁性の有無、軽量化などの機能複合化を目的として実用化されたものである。
【０００４】
一方、同じ材料で硬度を変える方法としては、鉄鋼材料では、焼入れによる高硬度化や球状化焼鈍等の各種軟化熱処理による低硬度化があり、その使用目的に応じて、様々な熱処理条件が用いられている。とくに、高周波焼入によれば、表層部のみを高硬度化することが可能であり、表面の耐摩耗性向上を図ることができる（以下、従来技術２）。
【０００５】
また、β型チタン合金では、冷間加工と時効処理により硬度をコントロールし、かつ、高硬度化が図れることが知られている。特開２００１−５４５９５号公報（以下、従来技術３）には、冷間加工度を１５％以上とすること、および、それと時効処理とを組み合わせる方法が開示されている。そして、該従来技術３によれば、必要となる材料硬度を確保すべく、金属板全体の硬度を向上させ、材料の割れに対する耐久性の点で効果があることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５４５９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術１は、通常、２枚〜３枚の異種金属板を重ね合わせて熱間圧延等により接合することにより、複合した機能を１枚のクラッド鋼板中に付与するものであり、あくまで数種の別の板材を積層する方法であるため、面方向に数条件の硬度の違う材料を配置することしかできない。よって、面方向に連続的に変化するような硬度分布を付与することは、当然ながら不可能である。従って、この方法では、自在に面方向の硬度分布を与えることは不可能である。しかも、接合面の接合硬度保証や製造コストが嵩むなど様々な問題があり、適用できる範囲も限られる。
【０００８】
また、従来技術２に示す高周波焼入によって面方向の硬度分布を付与しようとすれば、高周波コイルのあたるところとそうでないところを作って硬度分布を与える必要がある。しかし、設計者の狙い通りに位置、硬度ともに正確にコントロールしつつ高周波焼入を施すのは至難の業であるため、面方向の硬度分布を付与する方法としては適さない。
【０００９】
また、従来技術３には、β型チタン合金に対して冷間加工と時効処理とを施し金属板全体の硬度を向上させ、材料の割れに対する耐久性を改善する点については開示されているものの、面方向において硬度分布を付与する方法については、何ら開示されていない。
【００１０】
本発明は、面方向において連続的に変化する硬度分布を付与し得るようなβ型チタン合金材の製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、β型チタン合金素材に対して、該素材の圧下率が面方向に異なるように制御して冷間加工を施し、しかる後に、時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金材の製造方法である。素材の圧下率が面方向に異なるように、即ち、面内において圧下率が様々に異なった分布を有するように冷間加工を施すことにより、面方向には所定のひずみ分布が構成されることとなるため、その後に時効処理を施すことによって、設計者の狙い通りの硬度分布を精度良く付与することが可能となる。また、前記冷間加工が、例えば、プレス成形によって行われる場合には、プレス金型の形状を変更することによって圧下率分布と併せて板厚分布をも付与することが可能となる。
尚、本発明において面方向とは、冷間加工によって素材が加圧変形される方向と直交する方向をいい、例えば、板状の素材を厚み方向に加圧する場合には、その板厚方向と直交する方向（即ち、板材の平面方向）をいう。
【００１２】
請求項２にかかる発明は、請求項１の方法において、冷間加工の前に、溶体化処理を施すことを特徴とするものである。冷間加工による残留ひずみを付与するに先立って溶体化処理を施せば、前加工履歴での残留ひずみを完全に除去でき、前記冷間加工において、精度良く制御された残留ひずみを付与し得るものとなり、より一層精度良く面内の硬度分布を付与することができる。
【００１３】
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のβ型チタン合金板の製造方法において、さらに、冷間加工で付与される圧下率を、面方向において最低値が１０％未満から最高値が３５％以上にまで変動するように制御し、且つ、前記時効処理が、３００℃以上βトランザス温度以下の温度範囲であって、１〜６０分の処理時間であることを特徴とするものである。
斯かる製造方法によれば、β型チタン合金材に対し、金属板製品として求められる滑らかな表面品質を確保するための適切な圧下量を付与し、しかも、高硬度を付与すべき部分には十分に必要な硬度を付与することが可能となる。
【００１４】
請求項４にかかる発明は、β型チタン合金素材に対し、該素材の圧下率が面方向において異なるように制御して冷間加工を施し、しかる後に、昇温速度が２℃／秒以上の時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金板の製造方法である。
斯かる製造方法によれば、β型チタン合金材の面方向に所望のひずみ分布を形成することができ、しかも、そのひずみ分布に基づく硬度分布を精度良く付与することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明は、β型チタン合金素材に対して、圧下率が面内に様々に異なった分布を有する冷間加工を施した後に、時効処理を施すことによって、所期の硬度分布を有するβ型チタン合金材を製造するものである。
【００１６】
本発明においてβ型チタン合金の組成は特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、Ｖ：１５〜２５質量％、Ａｌ：２．５〜５質量％、Ｓｎ：０．５〜４質量％、Ｏ：０．１２質量％以下含有し、残部Ｔｉおよび不可避不純物の組成からなるβ型チタン合金（日本特許第２６６９００４号開示のもの）や、Ｖ：１０〜２５質量％、Ａｌ：２〜５質量％、Ｃｒ：２〜５質量％、Ｓｎ：２〜４質量％、Ｏ：０．２５質量％以下含有し、残部Ｔｉおよび不可避不純物の組成からなるβ型チタン合金（日本特許第２６４０４１５号開示のもの）などが例示される。
中でも、製品硬度に優れ且つ塑性加工性も良好なＶ：１５〜２５質量％、Ａｌ：２．５〜５質量％、Ｓｎ：０．５〜４質量％、Ｏ：０．１２質量％以下含有し、残部Ｔｉおよび不可避不純物の組成からなるβ型チタン合金が望ましい。
【００１７】
冷間加工手段としては、面方向において圧下率が異なるようにひずみを付与し得るものであれば特に限定されず、例えば、冷間圧延、冷間鍛造などを採用することができる。一例としては、機械加工により凹凸形状を与えたβ型チタン合金素材を作製し、該β型チタン合金素材の凹凸面を所望の形状にプレス加工する方法を挙げることができる。
【００１８】
次に、本発明の実施例を示すことにより、本発明についてさらに詳細に説明する。
図１は、該実施例の製造工程を示したフロー図である。β型チタン合金としては、Ｔｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎ合金を用いた。また、冷間加工方法としては、該合金を機械加工して凹凸形状のあるβ型チタン合金素材を作製し、該素材を平坦にプレス加工する方法を採用した。図２は、試験片、プレス加工前のβ型チタン合金素材の形状を示したものである。また、時効処理としては、溶融塩炉にて１５分という短時間の時効処理を実施した。また、該時効処理において、昇温時間を約２０秒とし、且つ冷却時間は、試材取り出しと同時に冷却される方法により、約５秒とした。
【００１９】
図３に、実施例によって作製したチタン合金からなる板材の硬度分布を示す。硬度測定は、サンプルの１枚を切断し、肉厚方向５点（表裏両面からそれぞれ０．１ｍｍの位置、表裏両面から肉厚方向にそれぞれ１／４ｔの位置、肉厚中央部）についてそれぞれビッカース硬さを計測し、その平均値を面方向におけるその点の値とした。
尚、比較例としては、同じ組成のチタン合金を用い、面内のひずみがほぼ均一（圧下率＝２０％）となるように冷間圧延して作製されたものを用いた。
【００２０】
図３に示すように、比較例では、多少のばらつきはあるものの時効後の面内硬度が３６０〜４２０（Ｈｖ）と略一定値となっているのに対し、本発明の実施例では、２４０（Ｈｖ）から４１０（Ｈｖ）にまで変化するような硬度分布となっていることが判る。
【００２１】
次に、冷間加工と時効処理について、種々の条件で行った結果を表１に示す。
尚、冷間加工における面方向の圧下率は、前記図１に示す素材の板厚（ｔ１、ｔ２）を種々に変えることによって表１に示す範囲で変化させた。
【００２２】
【表１】
2004360024.tif 000003
【００２３】
表１に示すように、冷間加工における圧下率を面方向において種々の値に制御することにより、面方向における所望の硬度の分布を有するβ型チタン合金板を製造することが可能となる。
特に、圧下率を、面方向において最小値１０％未満から最大値３５％以上にまで変動するように制御すれば、面内において硬度の差の大きいβ型チタン合金板を得ることができる。
但し、冷間加工における圧下率の最大値が９０％を超えると、ひずみが過大となって次工程の時効処理で素材が割れる場合がある。従って、圧下率の最大値は９０％以下が好ましい。
【００２４】
また、時効処理温度が３００℃を下回ると、冷間加工での残留ひずみがあっても、時効がすすみ難い。一方、βトランザス温度を超えた温度では、材料が溶体化してしまう虞があり、ひずみ付与とその後の加熱による時効が困難となる。よって、時効処理温度は、３００℃以上であってβトランザス温度未満の温度範囲とすることが好ましい。
さらに、時効時間についても、１分未満では時効硬化が進みにくく、一方、６０分を超えると、時効が全面的に進展するために、所望の面内硬度差の付与が実現し難くなる。よって、時効処理時間は、１分〜６０分の範囲が好ましい。
【００２５】
次に、時効処理における昇温速度の影響について述べる。
β型チタン合金であるＴｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎ（β変態点７４０℃）の板材（板厚５ｍｍ）を５０×１００（ｍｍ）に切断したものを用意した。さらに、それを溶体化処理後、切削により板厚を部位により変化させ、これを冷間で鍛造（圧下率の最大値は約３０％、最小値は約５％）したものを試験片とした。
【００２６】
加熱手法としては、急速加熱が可能な溶融塩（硝酸塩）炉の他、徐加熱の手法として真空炉、大気炉を用意し、上述の試験片を用いて時効処理を施した。溶融塩炉は周りをヒーターで囲んだ純チタン製ポットからなる加熱炉で構成されたものを用いた。温度は炉内と板材の両方を測定した。試験片となる板材を炉内に挿入し、炉挿入後の温度上昇状況を調査した。温度はチャートに自動的に表示させた。溶融塩を用いた方法では、攪拌のためにポットの底に空気を吹き込みながら行う方法と、そうでない方法とを実施した。
【００２７】
試験片の昇温速度（℃／秒）は、次式に基づいて測定した。
昇温速度（℃／秒）＝（Ｔ１−１０−Ｔ０）／ｔ
（ここで、Ｔ１は炉の設定温度、Ｔ０は挿入前の試験片の温度（即ち、室温）、ｔは試験片を炉内に挿入した後、試験片の温度が炉の設定温度よりも１０℃低い温度に到達するまでの時間（秒）を示す。）尚、室温は２０℃であった。
さらに、時効時間は、試験片の前記最低温度が設定温度の±１０℃の領域に入ってからの時間とした。
【００２８】
各々の加熱方法において、所定の時間（２０分）時効させた後、表面の観察と断面ビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度は、押しつけ荷重４９Ｎで測定し、試験片の高ひずみ部と低ひずみ部について複数点測定した。結果を表２に示す。
【００２９】
【表２】
2004360024.tif 000004
【００３０】
表２に示したように、急速加熱手段として溶融塩炉を採用し昇温時間を２℃／秒以上とした場合には、低ひずみ部の時効をあまり進行させることなく、十分に硬度差を付与することができる。
【００３１】
しかしながら、大気炉や真空炉のような徐加熱手段の如く、昇温速度が２℃／Ｓ未満である場合には、昇温時から時効が開始されるため、高ひずみ部が飽和した後も低ひずみ部の硬度上昇が進行し、硬度差の小さいものとなりやすい。よって、面方向における硬度差を大きくするためには、例えば溶融塩炉等を用いて昇温速度を２℃／秒以上とすることが有効である。
尚、昇温速度を２℃／秒以上とする加熱手段として、本実施例では溶融塩炉を例示したが、これに限定されるものではない。よって、加熱対象となるβ型チタン合金の形状や炉の条件設定により、大気炉や真空炉、或いはその他の加熱手段を、昇温速度が２℃／秒以上である加熱手段として用いることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、冷間加工での圧下率を制御することによって、自在にβ型チタン合金材内の硬度分布をコントロールできる。また、冷間加工として、例えばプレス成形を行う場合には、金型形状によって硬度分布のみならず、厚み分布をも付与できるので、設計者の狙い通りの硬度、厚み分布をβ型チタン合金材内に精度良く分布せしめることが可能となり、最適な部材設計が可能となる。以上のごとく本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示したフロー図。
【図２】（ａ）実施例に於いて使用したプレス加工前の素材形状を示した平面図。
（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図３】実施例および比較例によって作製したチタン合金材の硬度分布を示したグラフ。
【図１】
2004360024.tif 000005
【図２】
2004360024.tif 000006
【図３】
2004360024.tif 000007