(57)【要約】【課題】低合金であるが高強度で、引張り強さにして７５０ＭＰａ以上を実現したチタン合金を提供すること、およびそのようなチタン合金を、安価な低級スポンジチタンを原料として製造することが可能な製造方法を提供すること。【解決手段】Ｏを０．２〜０．８％、Ｃを０．０１〜０．１５％、Ｎを０．０１〜０．０７％およびＦｅを０．３〜１．０％含有し、残部が実質上Ｔｉである合金組成を有する高強度低合金チタン合金。製造に当り、原料の少なくとも一部として、Ｎ：０．０１％以上およびＦｅ：０．２％以上を含有する低級スポンジＴｉを使用して、上記のＮ成分およびＦｅ成分の源とする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｏを０．２〜０．８％，Ｃを０．０１〜０．１５％，Ｎを０．０１〜０．０７％およびＦｅを０．３〜１．０％含有し、残部が実質上Ｔｉからなる合金組成を有し、引張強さが７５０ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度低合金チタン合金。
【請求項２】
請求項１に規定した合金成分に加えて、ＣｒおよびＮｉの１種または２種を、Ｆｅの含有量との合計が、Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％：１．２％以下となるように含有し、かつ、Ｏ％＋２Ｎ％＋０．９Ｃ％＋０．１（Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％）：１．０％以下の関係を満足する合金組成を有することを特徴とする高強度低合金チタン合金。
【請求項３】
請求項１または２の高強度低合金チタン合金を製造する方法であって、原料の少なくとも一部に、Ｎ：０．０１％以上およびＦｅ：０．２％以上を含有する低級スポンジＴｉを使用して、上記のＮ成分およびＦｅ成分の源とすることを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１または２の高強度低合金チタン合金に、６００〜９００℃の温度域で、鍛錬比３以上の仕上げ成形を行なうことを特徴とする高延性の高強度低合金チタン合金の製造方法。
【請求項５】
請求項１または２の高強度低合金チタン合金に、鍛錬比３以上の仕上げ成形を行なったのち、６５０〜９００℃で焼鈍を施すことを特徴とする請求項４に記載した高延性の高強度低合金チタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い強度が要求される各種の構造材の材料とする高強度低合金チタン合金とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
めがねフレーム、ゴルフクラブのヘッド、あるいは自動車エンジン部品たとえばバルブリテーナなどの部品は、軽量であるとともに高い強度を有することが要求される。純Ｔｉは耐食性がよいため、これまで化学工業を中心に耐食性を要求される用途に向けられてきたが、Ｔｉに含有されるＯ量やＦｅ量を適切に制御することによって、強度を高めることができる。そこで、このような高強度Ｔｉに関し、ＪＩＳでは、引張強さのレベルに応じて１種ないし４種の規格が定められている。
【０００３】
最近では、純Ｔｉに近いものでも、Ｎ量を高めて高強度化をはかった、高強度低合金チタンが開発されている。しかし、Ｎの添加は、チタン中の代表的なＬＤＩ（低密度介在物）であるＴｉＮを生成する懸念があり、したがって添加技術に制約があって、Ｎ量制御の高強度チタンは、必ずしも安価に製造できる材料ではない。
【０００４】
既知の技術のうち代表的なものを挙げれば、対水素脆化性のよい高張力チタンとして、Ｆｅ：０．２５〜１．０％およびＯ：０．４５〜１．０％を含有し、Ｃ：０．１％以下、Ｈ：０．０１５％以下、Ｎ：０．０７％以下で残部が実質的にＴｉであるものが、知られている（特開昭５２−１１５７１３）。
【０００５】
磁気ディスク基板としてのチタン合金には、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＣｒおよびＦｅの１種または２種以上：０．２〜１．０％に加えて、Ｏ＋２Ｎ＋０．７５Ｃ：０．０３〜０．５％を含有し、残部が実質的にＴｉである合金組成が開示されている（特開平３−２６７３３４）。
【０００６】
鋳造用の高強度チタン合金としては、Ｆｅ：０．３〜３．５％，Ｏ：０．０５〜０．９５％，Ｃｒ：０〜０．５％，Ａｌ：０〜３．５％，Ｖ：０〜３％，Ｃ：０〜０．３％，Ｓｉ：０〜０．２％，Ｍｎ：０〜０．１％，Ｎｉ：０〜０．３％およびＮ：０〜０．２％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるものが提案されている（特開平１１−３６０２９）。
【０００７】
チタン合金を廉価に製造するためには、原料として低級スポンジチタンを使用することができれば有利である。ところが、低級スポンジチタンは不純物が多いとして、これまでは鉄鋼添加用にしか使用されていなかった。しかし、その不純物を調べてみると、チタンの強度を高めるのに利用できる成分が多く、その他の成分も、それらの量がある限度を超えない限り、チタン合金の物性に実質的な影響を与えないことがわかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、安価な低級スポンジチタンを原料として使用することが可能であって、かつ、むしろ低級スポンジチタン中の不純物を利用して、Ｏ、Ｃ、ＮおよびＦｅの含有量を適切に制御することにより、低合金であるが高強度で、引張り強さにして７５０ＭＰａ以上を実現したチタン合金と、その製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の高強度低合金チタン合金は、Ｏを０．２〜０．８％，Ｃを０．０１〜０．１５％，Ｎを０．０１〜０．０７％およびＦｅを０．３〜１．０％含有し、残部が実質上Ｔｉである合金組成を有し、引張強さが７５０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の高強度低合金チタン合金の製造方法は、原料の少なくとも一部に、Ｎ：０．０１％以上およびＦｅ：０．２％以上を含有する低級スポンジＴｉを使用して、上記のＮ成分およびＦｅ成分の源とすることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施形態】
本発明の高強度低合金チタン合金は、ベース金属であるＴｉに加わった形で存在する上記の合金成分、すなわちＯ、Ｃ、ＮおよびＦｅだけでなく、ＣｒおよびＮｉの１種または２種を、Ｆｅの含有量との合計が、Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％：１．２％以下となるように含有することができる。この場合は、上記の合金成分およびＣｒおよび（または）Ｎｉ成分が、０．５≦Ｏ％＋２Ｎ％＋０．９Ｃ％＋０．１（Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％）≦１．０％の関係を満足することが必要である。
【００１２】
本発明の高強度低合金チタン合金を構成する合金成分のはたらきと、組成範囲を上記のように定めた理由を以下に説明する。Ｔｉは、軽量で高強度の構造材を構成するために、ベース金属として選択したことはもちろんである。
【００１３】
Ｏ：０．２〜０．８％、好ましくは０．４％〜０．７％
ＯはＴｉを高強度化するのに有効な元素であり、強度を確保するため、少なくとも０．２％を添加する。添加量の増大に伴って強度も増大するが、脆くなるため、０．８％以下の添加に止める。好ましい添加量範囲は、０．４％〜０．７％である。
【００１４】
Ｃ：０．０１〜０．１５％、好ましくは０．０５〜０．１０％
Ｃは、ＯおよびＮと同様に、引張強さを高める成分であり、この効果を得るために、０．０１％またはそれ以上を添加する。しかし、多量に添加すると、Ｔｉとの化合物ＴｉＣを生成し、疲労強度を低下させるから、最大０．１５％までの添加量から選択する。Ｃの添加効果を確保するとともに、ＴｉＣの生成は避けるという点から好ましい添加量は、０．０５〜０．１０％である。
【００１５】
Ｎ：０．０１〜０．０７％、好ましくは０．０２〜０．０５％
Ｎは強度を高める成分であり、その作用はＯ以上に顕著であるが、前述したように、Ｃと同様にＴｉと結合してＴｉＮを形成し、これが塑性加工の際にワレを誘発したり、疲労強度を低下させたりするため、ＪＩＳの定める限度内の量、すなわち０．０７％以下を添加する。前記のように、低級スポンジチタンを原料にすると、Ｎは必ず含有されており、０．０１％より低くすることは、実際上困難である。好適な範囲は、０．０２〜０．０５％である。
【００１６】
Ｆｅ：０．３〜１．０％、好ましくは０．５％〜１．０％
Ｆｅは、強度を高めるとともにβ相を形成して延性の改善にも寄与する成分である。とくに、延性を改善する効果を確実にするため、０．３％以上の添加が必要である。一方、Ｆｅは偏析しやすい元素であり、多量に添加すると特性のバラツキが生じる懸念があるため、１．０％以内の添加量を選ぶ。鉄鋼添加用の低級スポンジチタンは、通常０．２〜２．０％、平均値としては０．５％のＦｅを含有しており、これを使用することによって、０．３〜１．０％のＦｅを存在させることが容易である。好ましい添加量は、０．５％〜１．０％である。
【００１７】
Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％：１．２％以下
ＮｉとＣｒとは、低級スポンジチタン中に含まれていて、これを原料にすると不可避的に入ってくる可能性がある。とりたてて存在意義のある成分ではなく、かつ、多量の存在は靱延性を損なうから、Ｆｅ量とあわせて規制する。
【００１８】
Ｏ％＋２Ｎ％＋０．９Ｃ％＋０．１（Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％）：１．０％以下（Ｏ＋Ｎ＋Ｃ）は、高強度化に役立つが、多量の存在は（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）とともに、靱延性にとって有害である。そこで、両者をあわせて規制する。各成分の含有量に付した係数は、靱延性に対する影響の大小に従って決定した。
【００１９】
本発明の高強度低合金チタン合金は、合金組成が上記の基本的態様のものであれ、変更態様のものであれ、それを材料とする部品の製造に当たって、６００〜９００℃の温度域で、鍛錬比３以上の仕上げ成形を行なうことが好ましい。それにより、粒子サイズが３０μｍ以下の微細粒状組織が得られ、高い延性が実現する。鍛錬比３以上は、α相を粒状化して延性向上の効果を得る上で、必要な条件である。仕上げ成形の温度は、６００℃に達しない低温では製品にキズが生じることが防げず、一方、９００℃を超える高温になると、結晶粒が粗大化して、延性向上を望めなくなる。
【００２０】
上記の条件で行なう仕上げ成形には、それに続いて、６５０〜９００℃で焼鈍を施すことが、いっそう好ましい。それにより、組織の粒状化が促進されて、延性向上の効果が高まる。焼鈍温度が６５０℃未満では十分な効果が得られず、９００℃超過では結晶粒が粗大化して、やはり延性向上を期待できなくなる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の高強度低合金チタン合金は、上記の合金組成を選択したことにより、引張強さが７５０ＭＰａ以上の高い強度を示す。これはＪＩＳに定められた４種のチタン棒の強度を超える高いレベルであって、チタン合金の用途を拡大する物である。このチタン合金は、鉄鋼添加用にしか使用されていなかった安価な低級スポンジチタンを原料とすることができ、むしろその中に含まれる不純物（Ｆｅ：０．２％以上、Ｎ：０．０１％以上）を積極的に利用するものであって、チタン合金の製造コストが、本発明により大幅に低減可能になった。
【００２２】
【実施例】
プラズマスカル炉を使用して表１のチタン合金を溶製した。Ｎｏ．１，２，３−１，４，５および６−１が実施例であり、Ｎｏ．３−２＊，６−２＊および７＊が比較例である。溶製に当り、各合金の組成によって異なるが、原料のうち５０〜１００％に低級スポンジチタンを利用した。それぞれのチタン合金を、直径１００ｍｍ、重量８ｋｇのインゴットに鋳造した。各インゴットを鍛伸し、１０００℃で直径５０ｍｍとし、さらに表１に示した温度で、直径２０ｍｍの丸棒とした。その後、７５０℃に２時間加熱−空冷の焼鈍を施した。これらのサンプルから、平行部直径６．５ｍｍ、評点間距離２５ｍｍの試験片を用意し、引張特性を調べた。結果を、表１にあわせて示す。
【００２３】
2004269982.tif 000002