(57)【要約】【課題】弾性率の制御が可能なチタン合金を提供する。【解決手段】本発明のβ型チタン合金は、体心立方格子構造（ｂｃｃ）の結晶からなり、全体に対する質量割合で水素（Ｈ）を５００〜５０００ｐｐｍ含む、ことを特徴とする。このようなβ型チタン合金は、例えば、β相を主相とするβ型チタン合金素材を、雰囲気温度が１００〜５００℃で水素分圧が０．０１〜１００ＭＰａである水素雰囲気に曝して、β型チタン合金素材に水素を導入する水素導入工程を備える製造方法により得られる。本発明によれば、含有水素量を適切な範囲内で調整することにより、種々の製品に好適な弾性率に制御されたβ型チタン合金が得られる。特に、合金元素の成分等を調整するまでもなく、容易に、β型チタン合金の弾性率を非常に低くすることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体心立方格子構造（ｂｃｃ）の結晶からなるβ相で構成されたβ型チタン合金であって、
全体に対する質量割合で、水素（Ｈ）を５００〜５０００ｐｐｍ含む、
ことを特徴とするβ型チタン合金。
【請求項２】
ｂｃｃの結晶からなるβ相で構成されたβ型チタン合金素材を、雰囲気温度が１００〜５００℃で水素分圧が０．０１〜１００ＭＰａである水素雰囲気に曝して、該β型チタン合金素材に水素を導入する水素導入工程を備え、
請求項１に記載のβ型チタン合金が得られることを特徴とするβ型チタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性率の制御が可能なβ型チタン合金とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、比強度や耐食性等に優れるため、各種分野で使用されている。チタン合金は、その合金組成や温度によって結晶構造が変化し、基本的に、六方最密充填構造（ｈｃｐ）となるα相または体心立方格子構造（ｂｃｃ）となるβ相により構成される。そして常温域で、α相単相となるチタン合金をα型チタン合金、β相単相となるチタン合金をβ型チタン合金、α相とβ相が混在したチタン合金をα＋β型チタン合金という。ちなみに、純チタンはα相のみからなる。
【０００３】
このようにチタン合金には各種あり、使用環境や要求される強度、弾性率、加工性、耐熱性等に応じて使い分けられる。一般的に、α型チタン合金やα＋β型チタン合金は高強度で高弾性である。一方、β型チタン合金は低弾性で、溶体化処理や時効処理等の熱処理により高強度化も可能である。さらにβ型チタン合金は、高延性で加工性にも優れ、α型チタン合金等とは異なる優れた特性を多く有する。このため、最近では、医療用品、眼鏡フレーム等の日用品など、多様な分野で多種の製品にβ型チタン合金が利用されるようになってきている。
【０００４】
このようなβ型チタン合金の用途をさらに拡大するためには、その弾性率をより低くすることが求められており、例えば、下記の特許文献１〜４に関連した記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４２６５４号公報
【特許文献２】特開２００８−７５１７３号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１２５７号公報
【特許文献４】特開２０１１−２１６０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら特許文献では、β型チタン合金を構成する金属元素の組成を調整することにより、所望の弾性率を達成している。特許文献１には、水素量を２００ｐｐｍ以下にする旨の記載があるが、これはβ型チタン合金の加工歩留まりを向上させるために、不純物である水素量を低減することを意図しているに過ぎない。すなわち、β型チタン合金中の水素量を調整することにより、その弾性率を制御しようとするものでは全くない。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる手法により弾性率（縦弾性係数またはヤング率）を制御したβ型チタン合金およびそ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】
【０００８】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、β型チタン合金中の水素量を調整することにより、その弾性率の制御が可能となることを発見した。この発見を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【０００９】
《β型チタン合金》
（１）本発明のβ型チタン合金は、体心立方格子構造（ｂｃｃ）の結晶からなるβ相で構成されたβ型チタン合金であって、全体に対する質量割合で、水素（Ｈ）を５００〜５０００ｐｐｍ含む、ことを特徴とする。
【００１０】
（２）本発明のβ型チタン合金は、適切な範囲内で比較的多くのＨを含有することにより、弾性率がＨの含有量に応じて変化し得る。このため本発明によれば、種々の製品に適した弾性率を発現するチタン合金を提供できる。特に、従来のように合金元素の組成を種々変更等するまでもなく、含有水素量の調整により、十分に低い弾性率のβ型チタン合金を得ることができる。そして低弾性な本発明のβ型チタン合金は、高延性で常温域でも大きな塑性変形能を有し、非常に優れた冷間塑性加工性も発揮し得る。
【００１１】
（３）もっとも、本発明のβ型チタン合金がそのような特異な現象を発現するメカニズムは必ずしも定かではないが、現状では、次のように考えられる。水素は、低弾性なβ相の生成を安定化させるβ安定化元素であるが、少なくともβ相を主相とするチタン合金に上述した範囲内の水素を含有させたという報告例は、これまでになかった。水素は、チタン合金等の金属材料を脆化させると考えられていたためと推察される。しかし、本発明のようなβ型チタン合金において、水素は単なるβ安定化元素として機能するに留まらず、結晶に微視的な歪みを生じさせるようになり、β型チタン合金の弾性率の制御が可能になったと考えられる。
【００１２】
《β型チタン合金の製造方法》
（１）本発明は上述したβ型チタン合金としてのみならず、その製造方法としても把握できる。すなわち本発明は、ｂｃｃの結晶からなるβ相で構成されたβ型チタン合金素材を、雰囲気温度が１００〜５００℃で水素分圧が０．０１〜１００ＭＰａである水素雰囲気に曝して、該β型チタン合金素材に水素を導入する水素導入工程を備え、上述したβ型チタン合金が得られることを特徴とするβ型チタン合金の製造方法でもよい。
【００１３】
（２）本発明の製造方法によれば、前述したような合金元素の成分調整を行う必要が無く、比較的容易に低コストで、所望の弾性率を発揮するβ型チタン合金を得ることができる。
【００１４】
《その他》
（１）本発明でいう「β型チタン合金」には、常温域において、β単相となっているチタン合金以外に、主相であるβ相と共に六方最密充填構造（ｈｃｐ）の結晶からなるα相が少量共存するニアβ型チタン合金も含まれる。具体的にいうと、チタン合金全体に対するβ相の体積割合が８０体積％以上、９０体積％以上さらには９５体積％以上であればよい。なお、ここでいうβ相の割合は、金属顕微鏡観察、Ｘ線回折又は電子線回折などによりにより確定される。
【００１５】
（２）本発明のβ型チタン合金は、その形態を問わず、例えば、インゴット状、棒状、管状、板状等の素材であっても良いし、最終的な形状またはそれに近い構造部材自体であっても良い。また溶製材から得られたものでも、焼結材から得られたものでもよい。
【００１６】
（３）本明細書でいう「弾性率」は、含有水素量の他、チタン合金の組成、熱処理、加工履歴等により異なり、一概には特定されない。敢えていうならば、その弾性率は、９０ＧＰａ以下、８０ＧＰａ以下、７５ＧＰａ以下さらには７０ＧＰａ以下となり得る。
【００１７】
（４）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第一試料群に係る水素量と弾性率の関係を示すグラフである。
【図２】第二試料群に係る水素量と弾性率の関係を示すグラフである。
【図３】第三試料群に係る水素量と弾性率の関係を示すグラフである。
【図４】第四試料群に係る水素量と弾性率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書で説明する内容は、本発明のβ型チタン合金のみならず、その製造方法にも該当し得る。製造方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得る。そして上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２０】
《β型チタン合金》
（１）水素
β型チタン合金に含有される水素量は、β型チタン合金全体に対する質量割合で、５００〜５０００ｐｐｍ、１０００〜４５００ｐｐｍさらには１５００〜４０００ｐｐｍであると好ましい。含有水素量が過少では弾性率の制御が困難となり、過多では逆に弾性率が急増し、また一般的に知られている脆化も生じるため好ましくない。
【００２１】
なお、本明細書でいうβ型チタン合金中の水素量（含有水素量）は、例えば加熱により放出される水素を定量分析する方法により確定される。
【００２２】
ところで、β型チタン合金中の水素は、他の合金元素と水素化物を形成していたり、侵入型固溶状態にあり、水素原子（Ｈ）として存在していると考えられる。なお、チタン合金の場合、水素は結晶中に比較的安定に存在しているために、含有水素はチタン合金から容易に離脱することはない。
【００２３】
もっとも、所望の加工等を行った後に、水素が自然にチタン合金から多少離脱してもよい。逆に、水素をチタン合金中により安定的に保持させておくには、水素を含有するチタン合金の表面に酸水溶液を使用して不働態被膜形成等の処理を施すとよい。
【００２４】
ちなみに、本発明のβ型チタン合金は、水素を内部に含有させたまま冷間加工されることにより、優れた加工性を発揮する。当然、加工前の脱水素も加工後の脱水素も行う必要はない。
【００２５】
（２）β型チタン合金の組成
本発明のβ型チタン合金は、β相が形成される限り、具体的な成分組成は問わない。但し、常温域でβ相が主相となるために、本発明のβ型チタン合金は相当量のβ安定化元素を含有している必要がある。このようなβ安定化元素としてＮｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒなどがある。このようなβ安定化元素を十分に含むことを前提に、Ａｌ、Ｏ、Ｃ、Ｎ等のα安定化元素やＺｒ、Ｓｎ等の中間元素などを少量含んでもよい。さらに、これら元素以外にも、本発明のβ型チタン合金は、上述した組織に影響が及ばない範囲で、任意の改質元素または不可避不純物を含んでもよい。
【００２６】
《製造方法》
本発明のβ型チタン合金は、β型チタン合金素材に、水素を導入することにより得られる。β型チタン合金素材へ水素を導入する方法は問わない。例えば、Ｔｉ合金試料を陰極として電解液中で電気分解する電気化学的方法や水素ガス雰囲気中で加熱する物理的方法などある。
【００２７】
もっとも、β型チタン合金素材に高温または高圧の水素ガスを接触させて、水素をβ型チタン合金素材へ含有させる方法が簡便であり、水素濃度（含有水素量）の制御も容易である。チタン合金素材が曝される水素雰囲気の温度は、１００〜５００℃さらには１３５〜３５０℃であると好ましい。また、その雰囲気中の水素分圧は０．０１〜１００ＭＰａ、０．１〜１０ＭＰａさらには０．３〜３ＭＰａであると好ましい。その温度や水素分圧が過小では、水素の導入が不十分となったり処理に長時間を要したりする。その温度や水素分圧が過大では、水素量が過剰に導入されて、チタン合金の脆化が生じる。
【００２８】
《用途》
本発明のβ型チタン合金は、使用部材に適した弾性率を発現し得る。またβ相が主相であるから、延性や加工性に優れ、熱処理等を行うことにより高強度化も可能であり、耐食性にも優れる。このため本発明のβ型チタン合金は種々の製品に利用可能である。例えば、眼鏡フレームなどの日用品や医療用品などに本発明のβ型チタン合金を利用すると好適である。
【実施例】
【００２９】
《試料の製造》
（１）第一試料群（試料Ｎｏ．１１〜１５）
全体を１００質量％（適宜、単に「％」という。）としたときに、Ｎｂ：３６％、Ｔａ：２％、Ｚｒ：３％、Ｏ：０．３％および残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するβ型チタン合金を、ダンベル状に加工した薄板状のβ型チタン合金素材（両端部：φ８×長さ２５ｍｍ、平行部：幅４×長さ２０ｍｍ）を用意した（素材準備工程）。
【００３０】
このβ型チタン合金素材を有機溶媒（アセトン）で洗浄して、表面の油汚れ等を除去した（洗浄工程）。
【００３１】
洗浄後のβ型チタン合金素材を、内容積２０ｍｌのステンレス鋼製容器に入れ、容器に真空排気が可能な水素ガス供給装置を接続した。その容器を１５０℃に加熱して、容器内の真空排気を行った。これによりβ型チタン合金素材の表面に付着していた不純物ガスなどが除去される（真空排気工程）。次に、１５０℃に保持した容器内へ、水素分圧が０．５ＭＰａとなるまで水素を導入した。この密閉状態の容器を、さらに３５０℃まで加熱した（水素導入工程）。
【００３２】
その容器内にβ型チタン合金素材を保持する時間を調整して、β型チタン合金素材へ導入される水素量を制御した。こうして表１に示すように、含有水素量が異なる複数の試料を得た。
【００３３】
（２）第二試料群（試料Ｎｏ．２１〜２４）
第一試料群で用いたものと同じβ型チタン合金を、ダンベル状に加工した棒状のβ型チタン合金素材（両端部：φ４×１１ｍｍ、平行部：φ２．４×２０ｍｍ）を用意した。このβ型チタン合金素材に、第一試料群の場合と同様な処理を施して、表１に示すように、含有水素量が異なる複数の試料を得た。
【００３４】
（３）第三試料群（試料Ｎｏ．３１〜３５）
全体を１００質量％としたときに、Ｍｏ：１１．５％、Ｚｒ：６％、Ｓｎ：４．５％および残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するβ型チタン合金を、第二試料群の場合と同様に加工した棒状のβ型チタン合金素材を用意した。これに第一試料群の場合と同様な処理を施して、表１に示すように、含有水素量が異なる複数の試料を得た。
【００３５】
（４）第四試料群（試料Ｎｏ．４１〜４３）
全体を１００質量％としたときに、Ｖ：１５％、Ｃｒ：３％、Ｓｎ：３％、Ａｌ：３％および残部がＴｉおよび不可避不純物からなる成分組成を有するα＋β型チタン合金を、第一試料群の場合と同様に加工した薄板状のα＋β型チタン合金素材を用意した。これに第一試料群の場合と同様な処理を施して、表１に示すように、含有水素量が異なる複数の試料を得た。
【００３６】
《測定》
（１）水素量
表１に示した各試料の含有水素量は、金属中水素分析装置（堀場製作所社製ＥＭＧＡ−６２１Ｗ）を用いて測定して確定した。
【００３７】
（２）弾性率
各試料を用いて引張試験を行い、各試料の弾性率（ヤング率）を求めた。それらの結果を表１に併せて示した。なお、弾性率は、引張試験により得られた応力−歪み線図上の原点を通る直線部分の傾きとした。
【００３８】
また、第一試料群〜第四試料群に属する各試料について得られた含有水素量（ｐｐｍ）と弾性率（ＧＰａ）の関係を、図１〜４にそれぞれプロットして示した。
【００３９】
なお、各試料の製造に用いたβ型チタン合金は、いずれも常温域でβ相を単相とするチタン合金であった。これはＸ線回折装置（理学電機株式会社製ＲＩＮＴ-ＴＴＲ）によりＣｕＫα線を用いてＸ線回折法で測定することにより確認した。
【００４０】
《評価》
図１〜図３から明らかなように、β型チタン合金の弾性率が、含有水素量に応じて変化することがわかる。特に、含有水素量を特定範囲内とすることにより、β型チタン合金の弾性率をより低く制御できることがわかった。弾性率を低下させる好適な含有水素量は、チタン合金の組成や形態により多少異なるが、概ね５００〜５０００ｐｐｍの範囲内にあることが明らかとなった。
【００４１】
一方、図４から明らかなように、α＋β型チタン合金の弾性率は、含有水素量が変化しても、ほぼ一定で実質的に変化しないことがわかる。
【００４２】
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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