(57)【要約】チタン合金は重量で８〜１８％のニオブ、重量で２〜１５％のジルコニウム、重量で０〜８％のスズ、重量で０．０〜０．３％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含む。このチタン合金は低いヤング率、高い降伏強さ、優れた冷間曲げ特性、および良好な冷間での打抜きと成形の性能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で８〜１８％のニオブ、
重量で２〜１５％のジルコニウム、
重量で０．５〜８％のスズ、
重量で０．０〜０．３％のイットリウム、および
本質的に残部のチタン、
を含むチタン合金。
【請求項２】
合金は重量で１１〜１７％のニオブ、重量で４〜１０％のジルコニウム、および重量で２〜７％のスズを含む、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項３】
合金は重量で１３〜１５％のニオブ、重量で６〜８％のジルコニウム、および重量で３〜５％のスズを含む、請求項２に記載のチタン合金。
【請求項４】
合金は重量で０．０５〜０．３％のイットリウムを含む、請求項２に記載のチタン合金。
【請求項５】
合金は重量で１１〜１７％のニオブを含む、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項６】
合金は重量で４〜１２％のジルコニウムを含む、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項７】
合金は重量で２〜８％のスズを含む、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項８】
合金は重量で３〜６％のスズを含む、請求項７に記載のチタン合金。
【請求項９】
合金は重量で０．０５〜０．３％のイットリウムを含む、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１０】
ジルコニウムとスズは合わせて合金の重量で６〜１６％を構成している、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１１】
ジルコニウムとスズは合わせて合金の重量で６〜１２％を構成している、請求項１０に記載のチタン合金。
【請求項１２】
合金は５２ＧＰａ以下のヤング率を有する、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１３】
合金は少なくとも６５０ＭＰａの降伏強さを有する、請求項１２に記載のチタン合金。
【請求項１４】
０．０４０インチの厚さの薄板の形状の合金は、７．５以下の曲げ試験による最小半径対厚さの比率を有する、請求項１３に記載のチタン合金。
【請求項１５】
合金は少なくとも６５０ＭＰａの降伏強さを有する、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１６】
０．０４０インチの厚さの薄板の形状の合金は、７．５以下の曲げ試験による最小半径対厚さの比率を有する、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１７】
０．００８インチの厚さの薄片の形状の合金は、７．５以下の曲げ試験による最小半径対厚さの比率を有する、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１８】
０．００６５インチの厚さの薄片の形状の合金は、７．５以下の曲げ試験による最小半径対厚さの比率を有する、請求項１に記載のチタン合金。
【請求項１９】
重量で８〜１８％のニオブ、
重量で２〜１５％のジルコニウム、
重量で０．０５〜０．３％のイットリウム、および
本質的に残部のチタン、
を含むチタン合金。
【請求項２０】
重量で８〜１８％のニオブ、２〜１５％のジルコニウム、０．５〜８％のスズ、０．０〜０．３％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含むチタン合金を用意する工程、および
この合金を３０〜９０％の加工率で冷間圧延し、それにより５２ＧＰａ以下のヤング率、少なくとも６５０ＭＰａの降伏強さ、および７．５以下の曲げ試験による最小半径対厚さの比率を有するチタン合金製品を形成する工程、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して言えば、チタンをベースとする合金に関し、特に低いヤング率、高い降伏強さ、さらには優れた冷間曲げ特性、打抜き特性および成形特性を有するチタンをベースとする合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
商業的に開発されたチタン合金は、合金組成、構成する相の体積分率およびミクロ組織を制御することによって強度、延性および靭性のような広範囲の機械的性質を提供することができる。高い比強度と耐食性の故に、チタン合金は航空機、航空宇宙、深海、自動車、および化学産業の分野において用いられている。チタン合金はまた、代わりのステンレス鋼やコバルト-クロム合金と比較して、その優れた耐食性、低い弾性率、高強度および生体適合性の故に、医療移植片およびその他の医療機器のためにも有用である。
【０００３】
幾つかのチタン合金は、それらの相とミクロ組織に基づいてα型、α＋β型、およびβ型に分類することができる。α型チタン合金（例えば、Ｔｉ-５Ａｌ-２．５Ｓｎ）は約１１５ＧＰａのヤング率を有するが、α＋β型合金（例えば、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ）は約１１０ＧＰａのヤング率を有し、そしてβ型合金（例えば、Ｔｉ-１５Ｖ-３Ｃｒ-３Ｓｎ-３Ａｌ）は溶体化処理の後に約８０ＧＰａで、時効処理の後に約１０５ＧＰａのヤング率を有する。
【０００４】
医療移植片およびその他の用途のものを製造するために、低弾性率で高強度のチタン合金を提供することにおいて様々な試みがなされてきた。米国特許４９５２２３６号は高強度、低弾性率、延性、かつ生体適合性のチタン基合金（典型的な組成はＴｉ-１１．５Ｍｏ-６Ｚｒ-２Ｆｅ）を製造する方法を開示していて、これは１００ＧＰａを超えない弾性率によって特徴づけられる。しかし、Ｔｉ-１１．５Ｍｏ-６Ｚｒ-２Ｆｅ合金の弾性率の値は約６２〜８８ＧＰａの範囲である。冷間曲げと成形性能のデータは何も公表されていない。
【０００５】
米国特許５１６９５９７号は低いヤング率を有する生体適合性チタン合金を開示している（典型的な組成はＴｉ-１３Ｚｒ-１３Ｎｂ）。この合金は、特に比較的低い弾性率が重要である場合の医療補綴移植片のための材料として用いるのに適している。やはり、Ｔｉ-１３Ｚｒ-１３Ｎｂ合金の弾性率の値は約６２〜８８ＧＰａの範囲にあり、この場合も、冷間曲げと成形性能のデータは何も示されていない。
【０００６】
米国特許６７５２８８２号は、低い弾性率と高い強度を有し、主要な相としてα”相を含む生体適合性の二元チタン-ニオブ（Ｔｉ-Ｎｂ）合金を教示している。この二元Ｔｉ-Ｎｂ合金は１０〜３０重量％のＮｂ（好ましくは１３〜２８重量％のＮｂ）と残部のチタンを含み、これは整形外科移植片または歯科移植片を製造するのに適している。このＴｉ-Ｎｂ二元合金の弾性率の値は６１〜７７ＧＰａの範囲にある。この特許は冷間曲げと成形についてのデータを何も示していない。
【０００７】
米国特許出願公開ＵＳ２００７／０１６３６８１号は、低いヤング率（５２〜６９ＧＰａ）および高強度（冷間圧延した後の降伏強さが９９０ＭＰａ）のチタン合金を開示している。このチタン合金は１０〜２０重量％のバナジウムと０．２〜１０重量％のアルミニウムを含み、そして残部は本質的にチタンである。この合金はマルテンサイト相を含むミクロ組織を有する。しかし、引張り延性は報告されていない。冷間圧延した後、この合金は極めて低い延性を示す。加えて、冷間曲げと成形性能については、この公報には何も示されていない。
【０００８】
米国特許６６０７６９３号は、７５ＧＰａ以下の平均のヤング率と７００ＭＰａ以上の引張り弾性限強さによって特徴づけられるチタン合金を教示している。この合金は３０〜６０重量％の量のＶ族（バナジウム族）の元素と残部のチタンを含み、低いヤング率と高い弾性変形能を必要とする様々な分野において用いることができる。しかし、特定の冷間曲げと成形性能のデータは何も報告されていない。その発明においては、低い「平均の」ヤング率が権利請求されているが、初期の引張りヤング率は報告された「平均の」ヤング率よりもずっと高い。
【０００９】
優れた成形特性（半径／厚さが２の最大曲げ延性）を有するチタン合金が米国特許２８６４６９７号において開示されている。この合金の典型的な組成はＴｉ-１５Ｖ-２．５Ａｌ（重量％）である。しかし、その優れた成形特性は、強度が極めて低い（降伏強さが２７５ＭＰａ）溶体状態においてのみ得ることができる。時効処理を用いることによって降伏強さが７００〜８００ＭＰａまで増大した場合、延性と成形特性は低下するが（半径／厚さが５〜１０）、しかしヤング率も増大する。
【００１０】
室温において複雑な形状の要素（例えば、電気ソケットやコネクターにおける用途）に成形するための冷間曲げ特性、打抜き特性および成形特性を改善し、また優れた弾性変形のための低いヤング率と高い降伏強さを付与するために、新しいチタン合金に対するかなりの必要性が存在する。望ましくは、そのチタン合金は、α型またはα＋β型のチタン合金のヤング率の約３０〜４５％のヤング率、α型またはα＋β型のチタン合金と同等の降伏強さ、β型のチタン合金よりもずっと良好な室温引張り延性、および高級な銅合金において見いだされるような優れた曲げ、打抜きおよび成形特性を有するべきである。加えて、そのチタン合金は様々な成形品（薄片、線材、薄板（シート）および棒材）に容易に製造することのできる優れた加工性を有するべきである。これらの用途のものの多くは高温への曝露と腐食環境に供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許４９５２２３６号
【特許文献２】米国特許５１６９５９７号
【特許文献３】米国特許６７５２８８２号
【特許文献４】米国特許出願公開ＵＳ２００７／０１６３６８１号
【特許文献５】米国特許６６０７６９３号
【特許文献６】米国特許２８６４６９７号
【発明の概要】
【００１２】
本発明は重量で８〜１８％のニオブ、重量で２〜１５％のジルコニウム、重量で０〜８％のスズ、重量で０．０〜０．３％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含むチタン合金を提供する。このチタン合金は低いヤング率、高い降伏強さ、優れた冷間曲げ特性、および良好な冷間での打抜きと成形の性能を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はベータ焼鈍とそれに続く水焼入れを行った後の本発明の一つの合金（Ｔｉ-１３Ｎｂ-６Ｚｒ-４Ｓｎ-０．１Ｙ）のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】図２は同様にベータ焼鈍とそれに続く水焼入れを行った後の図１の合金のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
【図３】図３は二重曲げ試験を実施するための概略的なダイを示す斜視図である。
【図４】図４は０．０４０インチの厚さの薄板からなる６枚の二重曲げ試験のサンプルを示す正面図であり、サンプルの一側端に沿って見たものである。
【図５】図５は曲げ試験のサンプルの二つの顕微鏡写真であり、それぞれ、本発明の合金から形成された０．００８インチの厚さの酸洗いおよび／または研磨した薄片を横断方向と縦方向に曲げた表面を含むものである。
【図６】図６は本発明の合金から形成された０．００６５インチの厚さの精密冷間圧延した薄片を横断方向と縦方向に曲げたものの斜視図であり、それぞれ横断方向と縦方向に曲げたものの表面を示す曲げ試験のサンプルの二つの顕微鏡写真と一緒に示している。
【図７】図７は本発明の合金の０．００６５インチの精密冷間圧延した薄片を打抜き成形したサンプルを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の合金は、重量で８〜１８％のニオブ、重量で２〜１５％のジルコニウム、重量で０．０〜８％のスズ、重量で０．０〜０．３％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含む。この合金の金属は上記の範囲内のいずれの量になってもよいが、この合金は典型的に、重量で８、９、１０、１１、１２または１３％から１５、１６、１７または１８％までのニオブ、重量で２、３、４、５または６％から８、９、１０、１１、１２、１３、１４または１５％までのジルコニウム、重量で０．５、１、２または３％から５、６、７または８％までのスズ、重量で０．０または０．０５％から０．２または０．３％までのイットリウム、および本質的に残部のチタンを含む。典型的に、本発明の好ましい合金は、重量で約１３〜１５％のニオブ、重量で約６〜８％のジルコニウム、重量で約３〜５％のスズ、重量で約０．０５〜０．２％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含む。本発明の一つの特定の好ましい合金は、重量で約１３〜１５％のニオブ、重量で約６〜８％のジルコニウム、重量で約４％のスズ、重量で約０．１％のイットリウム、および本質的に残部のチタンを含む。このＴｉ-(１３−１５)Ｎｂ-(６−８)Ｚｒ-４Ｓｎ-０．１Ｙ合金は望ましい機械的性質（低いヤング率と高い降伏強さ）と優れた冷間（常温）での曲げ、打抜きおよび成形の特性（複雑な形状の部品の成形性）の優れた組み合わせを発揮する。
【００１５】
典型的に、本発明の合金は本質的に上記の金属または元素から成る。通常、他の元素は意図的には添加されない。この合金はさらに、炭素、酸素および窒素からなる群から選択される１種以上の元素（これらは一般に不可避的または付随的な不純物とみなされている）を含んでいてもよく、１種以上のこれらの元素または付随的不純物の総量は重量で１％以下、そして通常は重量で０．５、０．４、０．３または０．２％以下である。この合金は典型的に重量で０．５％以下の炭素、そして通常は重量で０．１、０．０５または０．０３％以下の炭素を含む。典型的な態様において、この合金は重量で約０．０２％の炭素を含む。この合金は典型的に重量で０．５％以下の酸素、そして通常は重量で０．４、０．３または０．２％以下の酸素を含む。典型的な態様において、この合金は重量で約０．１０％の酸素を含む。この合金は典型的に重量で０．５％以下の窒素、そして通常は重量で０．１、０．０５または０．０３％以下の窒素を含む。典型的な態様において、この合金は重量で約０．０１％の窒素を含む。同様に、ニオブ、ジルコニウム、スズ、イットリウムおよびチタン以外の合金中の何らかの元素の総量は重量で１％以下、そして通常は重量で０．５、０．４、０．３または０．２％以下である。
【００１６】
上述したように、合金に添加されるニオブの量は重量で８〜１８％、そして好ましくは重量で１３〜１５％である。このニオブの含有量は低いヤング率を与えるのを大いに促進する。というのは、同形結晶のベータ安定剤であるニオブのこの量は、ベータ転移温度（beta transus temperature）を低下させるとともに冷却する間にアルファ相の析出を減速することによって、ベータ相の領域から急冷した後にアルファプライム（α’）マルテンサイト相（六方晶構造）の形成を促進するのに十分な量だからである。ニオブの添加によって強度も改善する。
【００１７】
やはり上述したように、本発明の合金は重量で２〜１５％のジルコニウム、そして好ましくは重量で６〜８％のジルコニウムを含む。ジルコニウムは延性と曲げ特性を低下させないが、しかしそれは主として合金を強化するために添加される。ジルコニウムは通常は（アルファ相とベータ相の両方を安定化させる）中立的な安定剤であると考えられていたが、しかし本発明の合金においては、ジルコニウムを（典型的には重量で約４〜８％）添加すると、実際にはベータ転移温度を低下させ、それにより（低いヤング率をもたらすための）アルファプライムマルテンサイト相の形成を促進する。
【００１８】
この合金中のスズは合金を強化し、そして曲げ特性と成形特性を改善する。スズは通常は中立的な安定剤であると考えられていたが、しかしスズを（典型的には重量で約４〜８％）添加すると、ベータ転移温度を低下させるだけでなく、斜方晶構造であるアルファダブルプライム（α”）マルテンサイト相の形成を増進し、これがさらにヤング率を低下させ、そして延性と曲げ特性を増大させる。重量で約４％を超えるスズの量が重量で約８％まで増大すると、合金の降伏強度は典型的に増大し、そして合金の曲げ特性は典型的に低下する。代表的な態様において、この合金は典型的に重量で５、６、７または８％以下含有する。
【００１９】
ジルコニウムとスズの合計量、すなわち、ジルコニウムとスズを一緒にした量は、好ましくは、重量で約６、７、８または９％から約１１、１２、１３、１４、１５または１６％までの範囲内である。ジルコニウムとスズの合計量が重量で１０％よりも低いと降伏強さが低下するかもしれないが、しかし曲げ特性が改善する。ジルコニウムとスズの合計量が重量で１４％よりも高いと降伏強さが高くなるかもしれないが、しかし曲げ特性が低下する。良好な曲げ特性を有する本合金の幾つかのものはジルコニウムとスズの合計量を重量で約８〜１１％の範囲で有するが、最良の打抜き特性と成形特性が観察された量は重量で約１０％であった。
【００２０】
合金にイットリウムを添加するとＹ２Ｏ３粒子が形成し、これはインゴットの鋳造ミクロ組織を微細にするだけでなく、ベータ相焼鈍を行った後の薄板または薄片の再結晶ミクロ組織も微細にする。前のベータ結晶粒のサイズが低下するので、それは曲げ特性を高める。
【００２１】
本発明の合金は、商業上純粋なチタン、ジルコニウム、ニオブ、スズおよびイットリウムから、これらを適当な割合として製造することができる。融点を低下させるとともにインゴットにおける均質な化学組成を得るために、母合金を用いてもよい。実際には、このチタン合金は好ましくは、ヘリウムなどの雰囲気中でプラズマアーク溶解（ＰＡＭ）のプロセスによって溶解され、そしてその融液に、均質な化学組成を得る目的で、商業上純粋な成分要素として、あるいは純粋な母合金の形で合金元素が添加される。ＰＡＭ法が好ましい方法であるが、本合金は例えば、電子ビーム（ＥＢ）法または真空アーク再溶解（ＶＡＲ）の方法によって溶解してもよい。
【００２２】
一般に、本発明の合金は、完成した製品（薄片、線材または薄板）において所望の特性を得るために加工熱処理に供するべきである。特に、溶解して鋳造した後、合金は典型的には通常のやり方で加工熱処理に供され、そして鍛造または圧延されて所望の加工された半製品にされる。例えば、合金のインゴットを鍛造または分塊圧延してスラブ状にし、そして１４５０°Ｆにおいて熱間圧延して厚板、薄板または棒材にしてもよい。これらの熱間圧延した製品は典型的には、ベータ転移温度よりも上で溶体化処理によって処理され、続いて、後述するように室温まで急冷される。
【００２３】
本合金の完成した製品（薄片または薄板）において低いヤング率と高い降伏強さを達成するために、これらの合金は典型的に（ベータ転移温度よりも高い）焼鈍温度からの急冷に供され、次いで冷間変形を受ける。高温からの急冷によって、図２に示すように、主要な相としてのアルファプライム（α’）相とアルファダブルプライム（α”）相の混合物（マルテンサイト相）を含むミクロ組織が生じ、それにより低いヤング率と高い延性を有する材料となる。その後の冷間変形（例えば、５０〜７０％の加工率の冷間圧延）によってその降伏強さは増大し、そのヤング率はさらに低下し、そして良好な延性、曲げ、打抜き、および変形の性能が維持される。過剰な冷間変形（例えば、７５〜９０％の加工率の冷間圧延）は降伏強さをさらに増大させるかもしれないが、しかしまた、曲げ、打抜き、および成形の性能を望ましくないレベルまで低下させもする。一般に、上記の望ましい特性を達成するための冷間圧延の加工率は３０〜９０％の範囲であり、そして典型的には７０〜７５％以下である。この範囲は通常、約３０、３５、４０、４５または５０％から約６０、６５または７０％までである。この冷間圧延の加工率は通常は少なくとも３０、３５、４０、４５または５０％であり、そして通常約６５、７０または７５％以下である。
【００２４】
本発明のチタン合金は高強度、低いヤング率、優れているかまたは並はずれた冷間曲げと成形の性能を発揮し、電子製品（コネクターやソケット）、医療移植片、ばね、およびその他の分野などの様々な産業においてチタン合金のための広範囲の用途を提供する。好ましくは、本発明の合金は６５０、６７５または７００ＭＰａから８００、８２５、８５０、８７５または９００ＭＰａまでの範囲の降伏強さと４０、４１または４２ＧＰａから５０、５１または５２ＧＰａまでのヤング率を有する。本合金の一つの態様の形成された合金製品（薄片）は、冷間圧延した（薄片の）状態で約３．５または４．０以下の（薄片の）半径／厚さ曲げ比を有する（従って、優れた曲げ特性を提供する）。このような合金製品（薄片）は良好な打抜きと成形の性能、すなわち、冷間圧延した（薄片の）状態で複雑な形状で冷間成形する能力を提供する。さらに大まかに言えば、冷間圧延した状態での本発明の合金についての（薄片の）上記の半径／厚さ曲げ比率は典型的に、約７．５、７．０、６．５、６．０、５．５、５．０、４．５、４．０、３．５または３．０以下である。
【００２５】
従って、本発明のチタン合金は低いヤング率（例えば、α型またはα＋β型のチタン合金の約３０〜４５％のヤング率）、高い降伏強さ（α型またはα＋β型のチタン合金と同等の降伏強さ）および良好な室温引張り延性（β型のチタン合金よりも良好な室温引張り延性）を有するだけでなく、冷間圧延した材料（薄片）の縦方向と横断方向の両方において優れた曲げ、打抜き、および成形の特性（高級な銅合金と同等の特性）を有する。後者の比類のない性質は、複雑な部品に曲げて成形するための実行可能性を提供する。
【００２６】
下の表１は本発明の合金の幾つかのものと比較のための他の合金についての機械的性質と曲げ試験の結果を示し、本発明の合金の有利な特性を強調している。そこに挙げたチタン合金の中で、本発明の合金は最も低いヤング率、最良の曲げ特性、および良好な引張り降伏強さを示している。本発明の合金のヤング率（Ｅ）は高級な銅合金であるＣｕ-３．２Ｎｉ-０．７Ｓｉのヤング率のわずか約３３％であり、一方、本発明の合金の降伏強さ（ＹＳ）はＣｕ-３．２Ｎｉ-０．７Ｓｉの降伏強さと同等である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
１０種の合金のバッチ（一群）（以下の表における１〜１０の合金）を製造して加工した。本発明の各々の合金の組成を表２に示し、表３にはそれらのベータ転移温度を示す。特に、プラズマアーク溶解（ＰＡＭ）炉を用いて合金を約１２ポンドのスラブ状の（扁平な）ボタン（１．１×４．２×１０インチ）に溶解した。化学的な均一性を確保するために、各々のスラブ状のボタンを４〜６回再溶解した。スラブ状のボタンを１８５０°Ｆで２時間にわたって均質化処理して、１６００°Ｆで熱間圧延して０．４５インチの厚さの板材にして、次いで、熱間圧延して０．０８〜０．２３インチの厚さを有する薄板にした。薄板を１４２５〜１５５０°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで水焼入れし、そして表面調整（surface conditioning）を行った。水焼入れした後のミクロ組織は、図１および図２に示すように、アルファプライムマルテンサイト相とアルファダブルプライムマルテンサイト相の混合物である。０．０８０〜０．１２０インチの厚さを有する薄板を冷間圧延して０．０４０インチの薄板にして、このとき冷間加工率をそれぞれ５０、６０、６５、７０、７５および８０％にした。
【００２９】
これらの冷間圧延した薄板を、それらの機械的性質と二重曲げ特性について試験した。二重曲げ試験のためのダイの概略図を図３に示し、合金番号６の二重曲げ試験サンプルを図４に示す。機械的性質を表４に示し、二重曲げ試験の結果を表５に示す。表４は、４．０重量％のスズを含む合金は６．０〜８．０重量％のスズを含む合金よりも低いヤング率を示すことを表している。表４における合金のうちで、合金Ｔｉ-１５Ｎｂ-６Ｚｒ-４Ｓｎ-０．１Ｙは最も低いヤング率を示している。降伏強さ（ＹＳ）と最高引張り強さ（ＵＴＳ）は組成とともに変化する。概して言えば、これらの強さは合金中のジルコニウムとスズの合計量が増加するのに伴って増大する。
【００３０】
表５に示すように、二重曲げ試験の特性は、組成だけでなく薄板の冷間圧延条件にも依存する。最小の半径／厚さ比率は一般に、薄板の冷間圧延変形の量が増加するのに伴って増大する。合金１〜４は比較的小さな半径／厚さ比率を有し、それらの比率は合金５〜１０の比率よりも冷間圧延変形への依存度が小さい。合金１〜４はより良好な曲げ特性と比較的広い加工範囲を提供する。何故ならば、完成した製品（薄片、線材および薄板）は、所望の機械的性質を達成するためには冷間変形する必要があるからである。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
【表３】
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【００３３】
【表４】
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【００３４】
【表５】
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【００３５】
上述の冷間圧延した薄板の幾つかのものを焼鈍し、次いで、追加の冷間重ね圧延を行って０．０１５インチの厚さの薄片にして、次いで、酸洗および／または研磨を行って０．００８インチの厚さの薄片にした。これらの酸洗および／または研磨を行った薄片について縦方向（良いやり方の曲げ）と横断方向（悪いやり方の曲げ）の両方で曲げ試験を行い、その結果を下の表６に示す。二つの曲げサンプルを図５に示す。意外なことに、曲げ試験によって横断方向よりも縦方向においてより小さな最小の半径／厚さ比率を示す。図５に示す結果によって例証されるように、縦方向における最小の半径／厚さ比率は２．５０以下程度と小さいだろう。この原因は、冷間変形したアルファプライムマルテンサイト相とアルファダブルプライムマルテンサイト相からなる薄片の集合組織によるものかもしれない。しかし、詳しい原因は依然として不明確である。この結果は従来のチタン合金とは全く異なる。本発明の合金の独特な曲げ特性は、複雑な形状の部品を曲げたり成形したりするのに有効であろう。
【００３６】
【表６】
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【００３７】
精密冷間圧延機を用いて本発明の合金から０．００６５インチの厚さ、３インチの幅および２０インチの長さのサイズを有する薄片からなる１０枚の断片を成形した。表７と図６に示すように、縦方向と横断方向の両方で曲げ試験を行った。打抜きと成形の試行を表８と図７に示すように実施した。これらの曲げ試験の結果により、縦方向における最小の半径／厚さ比率は横断方向における比率よりも小さい（または同等である）という上記の意外な結果が確認される。合金１〜４は合金５〜１０よりも小さな半径／厚さの比率を示し、これは酸洗いした薄片についての前の曲げ試験の結果と一致する。合金４は両方向において最良の曲げ特性を示す。打抜きと成形の性能は曲げ特性に依存する。合金３と４は最良の打抜きと成形の特性を示す。合金３と４の冷間で打抜きと成形を行った部品については、ミカン肌またはき裂は観察されなかった。
【００３８】
【表７】
2015508847.tif 000009
【００３９】
【表８】
2015508847.tif 000010
【実施例】
【００４０】
本発明の合金の幾つかの実施例を以下に示す。これらの実施例は、本発明の範囲をいかなるやり方でも限定することを意図していない。
実施例１
重量で１３％のニオブ、４％のジルコニウム、４％のスズ、および０．１％のイットリウムを含むチタン合金（合金番号２）を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１３５０°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１５５０°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１４２８°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表９に示す。この合金は良好な曲げ特性を示している。
【００４１】
【表９】
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【００４２】
実施例２
実施例１と比較して、実施例２はスズの含有量の高いチタン合金を示し、これは重量で１３％のニオブ、４％のジルコニウム、８％のスズ、および０．１％のイットリウムを含み（合金番号１０）、この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１４７５°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４７５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１４０３°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１０に示す。この合金の曲げ特性は、スズを８％までさらに添加することによって低下した。
【００４３】
【表１０】
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【００４４】
実施例３
実施例３は重量で１３％のニオブ、６％のジルコニウム、４％のスズ、および０．１％のイットリウムを含むチタン合金である（合金番号３）。この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１３５０〜１４５０°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４２５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１４００°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１１に示す。この合金は低いヤング率と良好な曲げ特性を示している。
【００４５】
【表１１】
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【００４６】
実施例４
実施例３と比較して、実施例４はニオブの含有量の高いチタン合金であり、これは重量で１５％のニオブ、６％のジルコニウム、４％のスズ、および０．１％のイットリウムを含み（合金番号４）、この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１３５０〜１４５０°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４２５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１３５１°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１２に示す。この合金は最も低いヤング率と良好な曲げ特性を示している。
【００４７】
【表１２】
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【００４８】
実施例５
実施例５は重量で１３％のニオブ、８％のジルコニウム、６％のスズ、および０．１％のイットリウムを含むチタン合金であり（合金番号７）、この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１４７５°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４７５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１３６１°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１３に示す。この合金中のジルコニウムとスズの合計量（合計で１４％）が増加すると降伏強さと最高引張り強さも増大するが、しかし曲げ特性は低下する。
【００４９】
【表１３】
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【００５０】
実施例６
実施例６はスズの含有量が高いチタン合金を示し、これは重量で１３％のニオブ、６％のジルコニウム、８％のスズ、および０．１％のイットリウムを含む（合金番号８）。この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１４７５°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４７５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１３８３°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１４に示す。スズの含有量が高く、ジルコニウムとスズの合計量（合計で１４％）が高いこの合金は、高い強度を示すが、しかし曲げ特性は低い。
【００５１】
【表１４】
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【００５２】
実施例７
実施例７はジルコニウムとスズの含有量が高いチタン合金を示し、これは重量で１３％のニオブ、８％のジルコニウム、８％のスズ、および０．１％のイットリウムを含む（合金番号９）。この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１４７５°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１５２５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１３５６°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１５に示す。ジルコニウムとスズの合計量（合計で１６％）が最も高いこの合金は、最も高い降伏強さと最高引張り強さを示すが、しかし曲げ特性は低い。
【００５３】
【表１５】
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【００５４】
実施例８
実施例８はジルコニウムの含有量が高いチタン合金を示し、これは重量で１３％のニオブ、１０％のジルコニウム、４％のスズ、および０．１％のイットリウムを含み（合金番号５）、この合金を溶解して１６００°Ｆで熱間圧延し、次いで１４７５°Ｆで圧延して、０．０８０〜０．２００インチの厚さを有する薄板にした。これらの薄板を１４７５°Ｆで１時間にわたって焼鈍し、次いで室温になるまで水焼入れした。この合金についてのベータ転移温度は約１３６１°Ｆであった。次いで、これらの薄板を０．０４０インチの厚さになるまで冷間圧延し、このとき加工率をそれぞれ５０、６０、７０および８０％にした。冷間圧延したままの状態での機械的性質と二重曲げ試験の結果を表１６に示す。ジルコニウムとスズの合計量（合計で１４％）が高いこの合金は、高い降伏強さと最高引張り強さを示し、そして良好な曲げ特性を示す。
【００５５】
【表１６】
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【００５６】
以上の説明において、簡潔さ、明快さ、および理解を目的として特定の用語が用いられた。それらには、先行技術が要求していること以外の不必要な限定は含まれるべきではない。何故ならば、そのような用語は説明の目的で用いられているのであって、広く解釈されるべきであることが意図されているからである。
【００５７】
さらに、本発明の記述と例示は例としてのものであり、本発明は例示または記述された細目そのものには限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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