(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を合計で５重量％以上，５０重量％以下含有し，かつ酸素含有量が５０００ｐｐｍ以下，窒素含有量が８００ｐｐｍ以下，水素含有量が２００ｐｐｍ以下，炭素含有量が８００ｐｐｍ以下で，残部がＴｉからなり，
所定の断面上でのビッカース硬さの最大偏差ηｍａｘと平均値Ｈａｖとの比（ηｍａｘ／Ｈａｖ）が±０．３以下であることを特徴とするチタン合金線材または棒材。
【請求項２】
チタン合金部材であって，少なくとも一部が請求項１に記載のチタン合金線材または棒材からなることを特徴とするチタン合金部材。
【請求項３】
前記チタン合金部材が，眼鏡フレーム，生体材料，装飾品，電子部材のいずれかであることを特徴とする請求項２記載のチタン合金部材。
【請求項４】
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を合計で５重量％以上，５０重量％以下含有し，残部がＴｉからなる混合粉末を作製する工程と，
前記混合粉末を圧縮，成形する工程と，
前記成形された混合粉末に熱処理を施し，第１のチタン合金を作製する工程と，
前記作製されたチタン合金を溶解して，チタン合金溶湯を作製する工程と，
前記作製されたチタン合金溶湯を冷却して，第２のチタン合金を作製する工程と，を具備し，
前記第２のチタン合金が，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を合計で５重量％以上，５０重量％以下含有し，かつ酸素含有量が５０００ｐｐｍ以下，窒素含有量が８００ｐｐｍ以下，水素含有量が２００ｐｐｍ以下，炭素含有量が８００ｐｐｍ以下で，残部がＴｉからなり，所定の断面上でのビッカース硬さの最大偏差ηｍａｘと平均値Ｈａｖとの比（ηｍａｘ／Ｈａｖ）が±０．３以下の，チタン合金線材または棒材である
ことを特徴とするチタン合金線材または棒材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン合金、チタン合金部材、およびチタン合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金として、α相とβ相の２相構造、あるいはβ相単層構造のものが開発され、引張り強度で１１００ＭＰａ程度が得られている。また、チタン合金は、眼鏡フレーム、生体部材（例えば、人工骨、歯科用の人工歯根）、装飾品など様々な部材に使用されている。
これらの部材には様々なデザインのものがあり、塑性加工容易性、柔軟性が求められている。
なお、チタン合金の表層部と肉厚中央部でのビッカース硬度の差異を６０以下とすることで鍛造後の形状の乱れ、特性の不均一を招かないようにする技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１４６４９９号公報、段落番号００３８参照。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、チタン合金は、母材のＴｉ等の高融点金属を含むため溶け残りによる偏析が生じ易い、また添加元素の比重差により濃度揺らぎ偏析が生じ易い、さらに活性金属を多く含むため、酸素、窒素、炭素などの濃度偏析が生じ易い。
このような偏析は、塑性加工時の加エムラの原因となる。例えば、チタン合金をワイヤー形状に伸線した場合に、うねりを生じ、ワイヤーの直線性が低下する可能性がある。
上記に鑑み、本発明は塑性加工時の直線性の向上を図ったチタン合金、チタン合金部材、およびチタン合金の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
Ａ．上記目的を達成するために、本発明に係るチタン合金は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を５重量％以上、５０重量％以下含有し、残部が実質的にＴｉからなり、所定の断面上でのビッカース硬さの最大偏差ηｍａｘと平均値Ｈａｖとの比（ηｍａｘ／Ｈａｖ）が±０．３以下であることを特徴とする。
【０００５】
チタン合金の断面上でのビッカース硬さのバラツキを所定範囲以下とすることで、断面の垂直方向にチタン合金を伸張したときに伸張が一様に行われ易くなり、線材、棒材等に加工したときの直線性の確保が容易になる。
【０００６】
（１）ここで、チタン合金での酸素含有量が５０００ｐｐｍ以下、窒素含有量が８００ｐｐｍ以下、水素含有量が２００ｐｐｍ以下、炭素含有量が８００ｐｐｍ以下であってもよい。
これら酸素等は侵入型元素であり、これらの濃度とチタン合金の硬さに密接な関係があるからである。これらの濃度の増大に伴い、濃度偏析により硬さのバラツキが拡大して、塑性加工時の直線性が低下し易くなる。
【０００７】
（２）チタン合金からチタン合金部材を構成できる。
・チタン合金部材の例として、眼鏡フレーム、生体材料、装飾品、電子部材を挙げることができる。
・チタン合金部材が、形状が棒状または線状の部位を有してもよい。棒状または線状の部位ではその直線性が問われる可能性が大きい。この場合、ビッカース硬さのバラツキを判定するための断面は、棒状、線状の長さ方向に対して垂直な断面とすることが好ましい。
【０００８】
Ｂ．本発明に係るチタン合金の製造方法は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を５重量％以上、５０重量％以下含有し、残部が実質的にＴｉからなる混合粉末を作製する工程と、前記混合粉末を圧縮、成形する工程と、前記成形された混合粉末に熱処理を施し、第１のチタン合金を作製する工程と、前記作製されたチタン合金を溶解して、チタン合金溶湯を作製する工程と、前記作製されたチタン合金溶湯を冷却して、第２のチタン合金を作製する工程と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
圧縮、成形した混合粉末を熱処理して第１のチタン合金を作製した後に、この合金を溶解して冷却することで第２のチタン合金を作製する。第２のチタン合金は、成形粉体を加熱処理してなるチタン合金を溶かして冷却して作製されるため、その内部での均一性、ひいては加工時の直線性が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば塑性加工時の直線性の向上を図ったチタン合金、チタン合金部材、およびチタン合金の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．チタン合金
本発明の実施形態に係るチタン合金は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類の金属元素を５重量％以上、５０重量％以下含有し、残部が実質的にＴｉからなる。さらに、このチタン合金は、合金を切断したときの断面上でのビッカース硬さのバラツキの最大値が±０．３以下であることが好ましい。
ビッカース硬さのバラツキの最大値を±０．３以下とした理由は、バラツキの範囲がこれを超えると断面上での硬さの相違による塑性変形の不均一性のために直線性が著しく悪化するためである。ビッカース硬さのバラツキの最大値を±０．２以下、さらには±０．１以下とすることがより好ましい。
【００１２】
ビッカース硬さＨは、測定荷重５００ｇで１５秒加圧したときを基準とすることができる。
ビッカース硬さＨｖのバラツキＣｉは、以下の式（１）で定義することができる。
Ｃｉ＝（Ｈｉ−Ｈａｖ）／Ｈａｖ                        ……式（１）
ここで、
Ｈｉ：測定点（ｉ＝１〜ｎ）それぞれでのビッカース硬さＨｖ
Ｈａｖ：複数の測定点（ｉ＝１〜ｎ）のビッカース硬さＨｖの平均値（Ｈａｖ＝（Ｈ１＋…＋Ｈｎ）／ｎ）
（Ｈａｖ−Ｈｉ）：平均値Ｈａｖからの各測定点ｉのビッカース硬さＨｖの偏差ηｉ
である。
【００１３】
ビッカース硬さＨｖのバラツキＣｉの最大値Ｃｍａｘは、このように複数の測定点でのバラツキＣｉの内の最大のものをいい、式（２）で表される。
Ｃｍａｘ＝ＭＡＸ（Ｃｉ）
＝ηｍａｘ／Ｈａｖ                                ……式（２）
ここで、ηｍａｘ：最大偏差（偏差ηｉの最大値）である。
なお、測定点の個数ｎは、例えば、１７であり、測定箇所は図１に示されるように線材の断面Ｓの中心、および中心から０．４・ｒ、０．８・ｒの点Ａ１〜Ａ１７とすることができる（ｒ：線材Ｗの半径）。このときの断面Ｓは、線材Ｗの長さ方向（伸線方向）に対して垂直な断面とすることが好ましい。
【００１４】
このチタン合金では、酸素含有量が５０００ｐｐｍ以下、窒素含有量が８００ｐｐｍ以下、水素含有量が２００ｐｐｍ以下、炭素含有量が８００ｐｐｍ以下することが好ましい。
これらの濃度を限定した理由は、これら酸素、窒素、水素、炭素は、チタン合金の格子間に侵入する侵入型元素であり、これらの濃度とチタン合金の硬さに密接な関係があるからである。即ち、これらの侵入型元素の濃度がこれ以上入ると硬さが大きくなり、塑性加工が困難になる。さらに、濃度の増大に伴い、濃度のムラが生じ、硬さのバラツキが拡大して、塑性加工時の直線性が低下する。
なお、酸素量は４０００ｐｐｍ以下、窒素量は５００ｐｐｍ以下（より好ましくは２５０ｐｐｍ以下）、水素量は１００ｐｐｍ以下、炭素量は５００ｐｐｍ以下（より好ましくは２００ｐｐｍ以下）であることが、直線性を向上する上でより好ましい。
【００１５】
Ｂ．チタン合金の製造方法
直線性が向上されたチタン合金の製造は次のようにして行える。
（１）所定重量に配合された金属粉末をボールミル等により不活性ガス中で混合し、この混合粉末をＣＩＰ（冷間等方加工プレス：Cold Isostatic Press）や金型プレス等で加圧、成形する。
（２）成形された粉末を真空中あるいは不活性ガス中で焼結して、合金化する。なお、この焼結工程は合金組成により高融点金属の割合が少なければ省略することも可能である。
（３）焼結体を加熱して均一に溶解して、チタン合金インゴットを作成する。
この溶解には電子ビーム溶解、アーク溶解、コールドクルーシブル溶解（水冷された銅製の坩堝を用い原料を高周波誘導加熱で加熱する）、カルシア溶解（カルシア（ＣａＯ）坩堝を用いた溶解）などの坩堝による汚染が少ない溶解方法が適する。
なお、場合によりこの溶解工程を省略することも可能である。
（３）作成されたチタン合金インゴットは、必要に応じて、熱間加工（熱間鍛造、熱間圧延等）で目的の形状に成形される。
【実施例１】
【００１６】
本発明の具体的な実施例を説明する。
Ａ．試料の製法
（１）原料粉末としてそれぞれの平均粒径が１５０μｍのＴｉ粉末、ｌ００μｍのＮｂ粉末、１００μｍのＴａ粉末を所定の重量比で配合し、不活性ガスで置換したナイロンポットにて１６時間ボールミルで混合した。なお、このときの混合比は後に表１で示す。
（２）混合後の原料粉末をＣＩＰにて直径１００ｍｍの棒状に成形後、真空度５×１０−３Ｐａの真空中にて１０００℃で１０時間、焼結と合金化を行った。
【００１７】
（３）焼結体からインゴットを作製する。
後に表１で示すように、インゴットの製法として、焼結法、溶解法、コールドクルーシブル法の３通りを採用している。
１）焼結法では、混合後に真空中で焼結した焼結体を溶解することなくそのままインゴットとして用いた。
２）溶解法では、焼結体を電子ビーム溶解炉にて溶解し、直径１３０ｍｍの棒状のインゴットを得た。
３）コールドクルーシブル法では、焼結体をコールドクルーシブル溶解し、直径１３０ｍｍの棒状のインゴットを得た。
（４）インゴットを、熱間鍛造、熱間圧延により直径９ｍｍの線材Ｗに加工した。
（５）加工された線材Ｗに５０ｋｇ／ｃｍ２の張力をかけたまま６００℃、１時間の熱処理を行い、直線性の向上を図った（直線化熱処理）。
【００１８】
Ｂ．試料の測定
作製した試料の不純物量、直線性、ビッカース硬さＨのバラツキの最大値を測定する。
（１）不純物量の測定
不純物量は、例えば、ＩＣＰ法（誘導結合高周波プラズマ分光分析：Inductively Coupled Plasma Spectrometry）で測定できる。なお、測定結果は、後に表２で示す。
（２）直線化熱処理後の試料（線材Ｗ）の直線性を測定した。
図２は、直線性測定方法を表す模式図である。
直線距離で間隔Ｌ０の点Ｐ１，Ｐ２を線材Ｗが通過するときに、線材Ｗが曲がっていることから点Ｐ１とＰ２を結んだ直線Ｌと線材Ｗとで不一致が生じる。このとき、直線Ｌと線材Ｗの内側面との距離の最大値をＬ１ｍａｘとする。
このとき、線材Ｗの直線性を次の式（３）の直線度Ｚによって表す。
Ｚ＝Ｌ１ｍａｘ／Ｌ０×１００                        ……  式（３）
（３）直線化熱処理後の試料（線材Ｗ）のビッカース硬さＨｖを測定し、式（２）に基づきそのバラツキの最大値を算出した。
【００１９】
Ｃ．測定結果のまとめ
以下、試料の作成条件等と測定結果との対応につき説明する。
【表１】
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表１は、作製した線材Ｗの組成、製法を表す。本発明の実施例１〜６として、金属元素Ｍを（１）Ｎｂ４０％、（２）Ｔａ１０％、Ｎｂ３０％の２種類に区分した。また、製法は（１）溶解法、（２）コールドクルーシブ、（３）焼結法の３種類を適用した。
【００２０】
以下、比較例１〜４を説明する。
比較例１、２では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結したものをインゴットとして用いている。
比較例３では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結し、さらに電子ビーム溶解したものをインゴットとして用いている。
比較例４では、大気中でボールミル混合した原料粉末を焼結し、さらにコールドクルーシブル溶解したものをインゴットとして用いている。
以上の比較例１〜４では、原料粉末の混合が大気中で行われていることから、次の表２に示すように、実施例１〜６と比べて不純物量が多くなっている。
【００２１】
【表２】
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表２は、試料酸素、窒素、水素、炭素、およびその合計含有量としての不純物量を試料１〜６，および比較例１〜４で測定した結果を表す。
【００２２】
【表３】
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表３は、線材Ｗの断面でのビッカース硬さＨｖの最大バラツキおよび直線度の測定結果を示す。
【００２３】
表１〜３から分かるように、ビッカース硬さの最大バラツキが０．０６以下の範囲では直線度が０．２以下であるが、最大バラツキが０．２を越えると直線度が２よりも大きくなっていることが判る。
また、この最大バラツキの大きさには、不純物量との関連性が認められる。即ち、不純物量が５０００ｐｐｍ以下（酸素量４３００ｐｐｍ以下、窒素量３００ｐｐｍ以下、水素量６０ｐｐｍ以下、炭素量３００ｐｐｍ以下）の場合には、ビッカース硬さの最大バラツキが０．１以下（０．０６）となっている。これに対して、不純物量が６０００ｐｐｍ以上（酸素量４５００ｐｐｍ以上、窒素量８５０ｐｐｍ以上、水素量９０ｐｐｍ以上、炭素量３３０ｐｐｍ以上）の場合には、ビッカース硬さの最大バラツキが０．２以上となっている。
以上のように、不純物量が多くなるとビッカース硬さの最大バラツキが大きくなり、その結果、直線性の低下を招くことが判る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ビッカース硬さを測定する測定点を表す模式図である。
【図２】直線性の測定方法を表す模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
Ｗ     線材
【図１】
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【図２】
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