(57)【要約】【課題】  時効処理によって高強度を達成しても延性が低下することなく、しかも高温で使用しても延性が低下することがないような高強度α−β型チタン合金を提供する。【解決手段】  本発明の高強度α−β型チタン合金は、α安定化元素としてＡｌ：３．０〜７．０％およびＣ：０．０８〜０．２５％、β安定化元素としてＣｒ：０．５〜３．５％およびＦｅ：０．３〜１．０％を夫々含有し、且つ（Ｍｏ＋０．６６Ｖ）：２．０〜３．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避不純物からなり、必要によってＳｎ：５％以下、Ｚｒ：５％以下およびＳｉ：０．８％以下よりなる群から選択される１種以上の元素を含み得るものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
α安定化元素としてＡｌ：３．０〜７．０％（化学成分の場合は質量％を表わす、以下同じ）およびＣ：０．０８〜０．２５％、β安定化元素としてＣｒ：０．５〜３．５％およびＦｅ：０．３〜１．０％を夫々含有し、且つ（Ｍｏ＋０．６６Ｖ）：２．０〜３．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避不純物からなるものであることを特徴とする高強度α−β型チタン合金。
【請求項２】
更に他の元素として、Ｓｎ：５％以下、Ｚｒ：５％以下およびＳｉ：０．８％以下よりなる群から選択される１種以上の元素を含むものである請求項１に記載の高強度α−β型チタン合金。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実用領域で高強度を示すと共に高温時の変形抵抗が小さくて熱間加工性（熱間圧延性や熱間鍛造性）に優れ、あるいは更に時効処理によって高強度化しても延性の低下がなく、且つ高温使用時においても延性の低下がない高強度α−β型チタン合金に関するものである。また、このチタン合金は、その特性を活かして、例えば航空機分野、自動車分野、船舶分野などに幅広く利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に代表されるα−β型合金は、軽量且つ高強度で優れた耐食性を有していることから、航空機や自動車、船舶分野を始めとする様々な分野で、鉄鋼材料に変わる構造材や外板材等として実用化が積極的に進められている。
【０００３】
しかしながら、高強度のチタン合金はα−β温度領域、即ち熱間加工温度域での変形抵抗が大きくて加工性や２次加工性が悪いため、汎用化を進める上で大きな障害となっている。こうしたことから、熱間加工時の加工回数と加熱回数を増やし、製品歩留まりを犠牲にして十分な余肉をつけた状態で熱間加工を行っているのが実状であり、熱間プレス加工を行うにしても、適用可能なプレス能力の限界サイズに甘んじている。また棒状や線状に熱間加工する場合でも、高速圧延を採用すると大きな変形抵抗に起因して大きな加工発熱を生じ組織不良を招くので低速で圧延せざるを得ず、生産性を高める上で大きな障害となっている。
【０００４】
一方、α−β型やβ型のチタン合金では、時効処理を行ってより高強度化を図ることも採用されているが、こうした処理を行った場合でも延性の劣化を招くことのないような特性が要求されることになる。また、チタン合金では、例えばチタン材を用いたインペラーの様に、高温環境下（例えば５００℃程度の温度範囲）で使用したいという要求があり、時効処置した後の高温使用によっても延性が劣化しないことが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、実用領域で高強度を示すと共に高温時の変形抵抗が小さくて熱間圧延性や熱間鍛造性等の熱間加工性に優れ、あるいは更に時効処理によって高強度を達成しても延性が低下することなく、しかも高温で使用しても延性が低下することがないような高強度α−β型チタン合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成し得た本発明の高強度α−β型チタン合金とは、α安定化元素としてＡｌ：３．０〜７．０％およびＣ：０．０８〜０．２５％、β安定化元素としてＣｒ：０．５〜３．５％およびＦｅ：０．３〜１．０％を夫々含有し、且つ（Ｍｏ＋０．６６Ｖ）：２．０〜３．５％を含み、残部がＴｉおよび不可避不純物からなるものである点に要旨を有するものである。
【０００７】
本発明のチタン合金においては、必要によって、Ｓｎ：５％以下、Ｚｒ：５％以下およびＳｉ：０．８％以下よりなる群から選択される１種以上の元素を含むものであっても良く、これらの元素の添加はチタン合金の耐熱性向上に寄与する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は以上の様に構成されており、α安定化元素としてＡｌとＣ、β安定化元素としてＣｒ、Ｆｅ、ＭｏおよびＶを適量含有させることにより、実用領域で高強度を示すと共に高温時の変形抵抗が小さくて熱間加工性に優れ、あるいは更に時効処理によって高強度を達成しても延性が低下することなく、しかも高温で使用しても延性が低下することがないような高強度α−β型チタン合金が提供し得ることとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために、特に合金組成を中心に研究を進めてきた。ところで、常温〜約５００℃程度の実用温度域ではＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に匹敵し、或はこれを上回る強度を有しつつ、卓越した熱間加工性を有するチタン合金が開発されており、その技術的意義が認められたので同一出願人によって先に出願している（特願２００２−２５７０５３号）。
【００１０】
このチタン合金は、α安定化元素としてＡｌを３〜７％、Ｃを０．０８〜０．２５％含有し、且つβ安定化元素としてＣｒを２．０〜６．０％、Ｆｅを０．３〜１．０％含有するものであるが、この合金では高温強度や熱間加工性の点では優れているものの、時効処理したときの延性劣化や高温使用時における延性劣化が生じることがあるという問題があった。
【００１１】
本発明者らは、先に開発された上記チタン合金を基本とし、この合金のおける時効特性や延性を改善するべく、更に検討を進めた。その結果、上記の化学成分組成のうちβ安定化元素であるＣｒをできるだけ低減すると共に、ＭｏとＶを適量含有させれば、上記目的に適うチタン合金が実現できることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
本発明のチタン合金において、上記各元素の含有量の範囲を定めた理由は下記の通りである。まずＡｌ含有量は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ相当の強度を確保するためにその下限値を定め、その上限値については、熱間加工条件下において変形抵抗の上昇と熱間加工性の低下を抑えることのできる許容限として定めた。即ち、Ａｌ含有量が３．０％未満ではＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ相当の強度を確保することができず、７．０％を超えると熱間加工性が劣化する。またＣ量についても、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ相当の強度を確保するために下限値を規定し、また上限値については、ＴｉＣの多量析出により熱間加工性や疲労特性を劣化することのない許容限として定めている。
【００１３】
一方、ＣｒとＦｅは、β安定化元素であり、このβ安定化元素は一般的に強度および変形抵抗を上昇させるが、遷移元素であるＣｒとＦｅは、Ｔｉ中で高速拡散するため高温での強化にはあまり寄与しない。従って、これらの元素の添加量を適切に制御すれば、常温〜５００℃レベルの実用温度域では高強度を確保しつつ、高温の加工条件下での変形抵抗は少なく、優れた熱間加工性を与えるものと考えられる。即ち、ＣｒとＦｅの下限を定めたのは、同様にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ相当の強度を確保するためであり、上限値については、熱間加工時の変形抵抗を上昇させず且つβ変態点を下げ過ぎないための要件として定めている。但し、Ｃｒについては、その含有量が多くなると時効処理後の延性の劣化および高温使用時における延性劣化を招くので、その上限を３．５％と定めた。
【００１４】
本発明のチタン合金では、ＭｏやＶを必須成分として含むものである。これらの元素は上記Ｃｒと同じくβ安定化元素であるが、Ｃｒと異なり、時効硬化現象の発現および時効硬化後の良好な延性の確保、並びに高温使用時の延性劣化抑制に寄与する。こうした効果を発揮させるためには、（Ｍｏ＋０．６６Ｖ）で２．０％含有させる必要があるが、過剰に含有されると変態点が下がるため、３．５％以下とすべきである。尚、「０．６６」の数値は、Ｍｏ当量と呼ぶべきものであり、ＭｏとＶとの作用の程度を均一化させるための係数である。
【００１５】
本発明のチタン合金における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的にＴｉからなるものであるが、必要により所定量のＳｎ，Ｚｒ，Ｓｉ等を含有させることも有効である。これらの元素は、チタン合金の耐熱性を更に向上するのに有効であるが、常温〜５００℃レベルの温度域での高強度と熱間加工性を阻害しないように、Ｓｎ，Ｚｒは各々５％程度以下、Ｓｉについては０．８％程度以下に抑えるのがよい。
【００１６】
本発明のチタン合金の製造条件も特に限定されないが、好ましい条件としては、前記成分組成の好ましい要件を満たすチタン合金を、常法に従って溶製した後、該鋳造塊を常法よりやや低い温度域、好ましくは当該チタン合金のβ変態点（Ｔβ）を基準にしてＴβ〜（Ｔβ＋２００℃）、より好ましくはＴβ〜（Ｔβ＋１００℃）に加熱してから、７０〜８０％程度の加工率で荒加工し、次いで、好ましくは（Ｔβ−５０℃）〜８００℃程度の温度域で、６０％以上の加工率で仕上げ圧延加工を施す方法である。該仕上げ加工の後は、必要により７００〜８００℃×１２０分程度で焼鈍することも有効である。また、本発明のチタン合金は、その後時効処理して使用されることを想定したものであるが、この時効処理条件は、通常の条件で行えばよく、例えば４５０〜６００℃で２〜１０時間程度である。
【００１７】
尚、チタン合金の変態点については、熱間加工途中で被加工材が降温した場合でも、熱間加工を安定して継続可能にするための特性として、最低でも８５０℃以上の加熱温度を確保して熱間加工を行うには、β変態点は８５０℃よりも高いことが好ましく、より好ましくは９００℃以上である。ちなみにβ変態点が８５０℃以下のものでは、等軸組織を得るのに加熱温度を８５０℃（β変態点）以下の比較的低温にしなければならず、如何なる組織であれ加工性が著しく劣化し、加工時に割れなどを引き起こし易くなる。
【００１８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例１】
【００１９】
下記表１に示す各種化学成分組成のチタン合金を、アーク溶解法により溶製して直径：５０ｍｍ×長さ：１５ｍｍの棒状の鋳塊（１２０ｇ）を製造し、その後の処理に供した。
【００２０】
上記各試験片に対して、１２００℃に加熱した後、厚さ１０ｍｍまで熱延した。そして９００℃で６０％の熱延を行い、４×５０×８０（ｍｍ）の形状にした。次いで、７００×２時間加熱→空冷で焼鈍を施した後、８８０℃で１時間加熱後水焼入れ（ＷＱ）する溶体化処理し、引き続き５００℃×８時間→空冷（ＡＣ）の時効処理を施した。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
上記各種時効処理材を用いて、室温での機械的適性（降伏応力ＹＳ、引張強度ＴＳ、伸びＥｌおよび絞りＲＡ）をＡＳＴＭ  Ｅ８に準拠して測定した。その結果を、下記表２に示す。またこのうち、チタン合金中の［Ｍｏ＋０．６６Ｖ］含有量がチタン合金の引張強度ＴＳおよび伸びＥｌに与える影響を図１に示す。これらの結果から明らかなように、ＭｏとＶを所定の割合で含有することによって、時効処理後における良好な伸びＥｌが確保できていることが分かる。
【００２３】
【表２】
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【実施例２】
【００２４】
上記表１に示したチタン合金Ｄの他、Ｔｉ−４．５Ａｌ−４Ｃｒ−０．５Ｆｅ−０．２Ｃ合金（チタン合金Ｉ）および従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金について、実施例１と同様にして得られた熱延材（時効処理せず）を用い、室温〜５００℃までの引張特性（ＡＳＴＭ  Ｅ８に準拠）を測定した。このときの歪速度は０．２％／ｍｉｎである。また、各鍛造材を大気雰囲気に７００〜１０００℃で５分間加熱し、その直後に、高速引張試験（富士電波工機社：商品名「サーメックマスターＺ」）を用いて、歪速度：２０％／ｍｉｎで高速引張試験を行い、引張特性を測定した。
【００２５】
その結果を、図２に示す。尚、図２には、高速引張試験の例として純チタン（ＪＩＳ  ２種）を用いた場合の結果についても示した。
【００２６】
この結果から明らかなように、代表的な高強度チタンであるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、常温〜５００℃の実用温度域で高強度を有している反面、熱間加工温度である７００〜１０００℃の高温でもかなりの高強度を維持しており、変形抵抗が大きいために熱間加工性に欠ける。
【００２７】
これに対して、本発明のチタン合金Ｄおよびさきに開発されたチタン合金Ｉでは、常温〜５００℃での実用温度域では従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を上回る高強度を有しており、しかも熱間加工が想定される８００〜１０００℃の高温域での変形抵抗は、易加工性の純チタンと同程度に低く、熱間加工性において非常に優れたものであることが分かる。
【実施例３】
【００２８】
実施例２におけるチタン合金Ｄ（本発明材）およびチタン合金Ｉを用い、実施例１と同様にして熱延、焼鈍および溶体化処理した試験片を得、引き続き５００℃×８時間→空冷（ＡＣ）の時効処理を施したときの引張特性（降伏応力ＹＳ、伸びＥｌ、絞りＲＡ）について調査した。
【００２９】
その結果を、図３に示す。この結果から明らかなように、ＭｏやＶを含まないチタン合金Ｉ（Ｔｉ−４．５Ａｌ−４Ｃｒ−０．５Ｆｅ−０．２Ｃ合金）では、５００℃の時効処理によって延性（伸びＥｌおよび絞りＲＡ）が極端に低下するが、本発明のチタン合金Ｄでは延性が低下していないことが分かる。
【実施例４】
【００３０】
実施例２におけるチタン合金Ｄ（本発明材）を用い、実施例１と同様にして圧延、焼鈍および溶体化処理した試験片を得、引き続き４８０〜５７０℃の温度範囲で８時間→空冷（ＡＣ）の時効処理を施したときの引張特性（引張強度ＴＳ、降伏応力ＹＳ、伸びＥｌ、絞りＲＡ）について調査した。
【００３１】
その結果を、図４に示す。この結果から明らかなように、所定量のＭｏやＶを含む本発明のチタン合金Ｄでは、時効処理によって良好な強度−延性バランスが得られていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】チタン合金中の［Ｍｏ＋０．６６Ｖ］含有量がチタン合金の引張強度ＴＳおよび伸びＥｌに与える影響を示したグラフである。
【図２】各種チタン合金における室温〜高温での引張特性を示すグラフである。
【図３】各チタン合金について時効処理による延性に与える影響を示すグラフである。
【図４】時効処理温度は引張特性（引張強度ＴＳ、降伏応力ＹＳ、伸びＥｌ、絞りＲＡ）に与える影響を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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