(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５〜２．３質量％のＡｌを含み、残部Ｔｉおよび不可避不純物からなることを特徴とするマフラー用チタン合金材。
【請求項２】
請求項１に記載のチタン合金材で構成されたマフラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車やバイクのマフラー用として使用されるチタン合金材に関し、より詳細には、チタン合金が本来有している軽量性や耐食性を活かし、且つ、特にコストや加工性を損なうことなく耐熱性や耐酸化性を高め、マフラー用素材として耐用寿命を高めると共に設計の自由度を高めたマフラー用のチタン合金と、該チタン合金を用いたマフラーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車やバイクにおける排気系は、エンジンの排ガス出口側から順にエキゾーストマニホールド→エキゾーストパイプ→触媒マフラー→プリマフラー→サイレンサー（メインマフラー）等によって構成されている（本明細書では、これら個々の部材および全体をマフラーと総称する）。これらマフラーの構成素材として古くは普通鋼が使用されていたが、近年では耐食性に優れたステンレス鋼が主流となっている。
【０００３】
一方、最近バイクを中心としてＴｉ製マフラーが注目されており、従来の普通鋼やステンレス鋼に比べて下記の様な特徴を有することから、レース用バイクを始めとして量産バイクにもＴｉ製マフラーを標準装備される例が増大してきている。
【０００４】
1)比重が鋼系材料の約６０％と非常に軽量であり、車輌の軽量化が可能となる、
2)塩分や排ガス成分を含む腐食性ガスや腐食性液に対する耐食性が極めて良好であり、腐食の問題が一掃される（一般に優れた耐食性を有するものとされているステンレス鋼でも、冬場に凍結防止用として路面に撒かれる塩により腐食を受ける）、
3)軽量であるため駆動時の振動による負荷応力が軽減され、振動疲労に対する耐久性が向上する、
4)鋼に比べて熱膨張率が小さい（普通鋼の約７０％、ステンレス鋼の約５０％）ため、熱膨張に伴う応力負荷も小さくて熱疲労に対する耐久性にも優れている。
【０００５】
現在実用化されているＴｉ製マフラーの殆どは、ＪＩＳ２種の工業用純チタンである。自動車やバイクエンジンなどからの排気ガス温度は通常７００℃程度以上になるものと予測されるが、バイクの如くマフラー外表面が大きく外気に開放されている場合は、該表面から熱が外気に放散されるためマフラー自体の温度はそれほど上昇せず、ＪＩＳ２種の純チタン材でも支障なく使用できる。ところが、外気に直接開放されていない自動車用マフラーのエキゾーストパイプ、あるいはバイク用マフラーでも複数のエキゾーストパイプが合流する部分に配置されるものは高温になり易いため、現状のＪＩＳ２種純チタン材よりも高耐熱性のチタン合金材が望まれる。また温間域（室温〜４００℃程度の低温域）に配置されるものであっても、高強度で高耐熱性のチタン合金を使用すればＪＩＳ２種純チタン材よりも薄肉化することができるので、更なる軽量化と設計自由度の向上が期待される。
【０００６】
こうした観点に立てば、現存するチタン合金のうちＴｉ−３Ａｌ−２．５ＶやＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金は有望なマフラー用素材になると考えられる。ところが、マフラーへの成形と組立てには素材を薄板化することが必要であり、また加工性にも優れたものでなければならないので、成形加工性に欠ける上記２種の既存チタン合金では要求を満たすことができない。
【０００７】
即ち、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は冷間圧延で薄板に加工することができないため、エキゾーストパイプやサイレンサーなどのマフラー用素材として適性を欠く。これに対し上記Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金は、ある程度の冷間加工が可能で薄板に加工することができることから、現存するチタン合金の中では最も有望なマフラー用素材と考えられる。ところがこのチタン合金は、冷間圧延工程で耳割れや内部欠陥を生じ易く、圧延と中間焼鈍を複数回繰り返す必要があるため、薄板化のための加工コストが非常に高くつく。しかも、現在汎用されているＪＩＳ２種純チタン材に比べると、マフラー状に二次加工する際の成形性もかなり劣る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは上記の様な事情に着目してなされたもので、下記の様な性能を備えたマフラー用チタン合金材を提供すると共に、該チタン合金を用いた耐熱・耐酸化性に優れたマフラーを提供することにある。
【０００９】
1)ＪＩＳ２種純チタン材よりも耐熱性、耐酸化性に優れたチタン合金を開発し、マフラーの高温部にも適用可能にすること。従来のＪＩＳ２種純チタン材で支障なく使用し得る部位に適用する場合であっても、耐熱性や耐酸化性を更に改善すれば一層の薄肉化が可能となり、ひいては更なる軽量化と設計自由度の向上が期待できる、
2)耐熱性に優れた従来のチタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−２．５ＶやＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなど）に欠ける冷間加工性を改善し、薄板への冷間加工性やマフラーへの成形加工性をＪＩＳ２種純チタン材並みに高める、
3)マフラー加工に当たっては溶接接合が必須とされるので、優れた溶接性を保障できる材料であること。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係るマフラー用チタン合金材は、０．５〜２．３質量％のＡｌを含むチタン合金、および０．５〜２．３質量％のＡｌを含み、金属組織がα相：９０体積％以上、β相：１０体積％以下であるチタン合金からなるところに要旨を有している。また本発明のマフラーは、上記チタン合金を構成素材として作製されたもので、該マフラーとは、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒マフラー、プリマフラー、サイレンサー（メインマフラー）などの個々のマフラー部品およびそれらを含めた全体を総称する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは上記課題を掲げてその目的を達成すべく、チタン材に対して耐熱性向上効果を有する合金元素であるＡｌに着目して研究を行なった。Ａｌがチタン材の耐熱性向上に有効な合金元素であることは周知のことであるが、本発明者らが実験によって確認したところによると、チタンに合金元素としてＡｌを添加していくと、特に圧延性が大幅に低下してくることが分かった。
【００１２】
ちなみに図１は、Ｔｉ−Ａｌの２元系合金におけるＡｌ含有量が冷間圧延性に及ぼす影響を示したもので、冷間圧延で耳割れが発生するまでの限界圧下率を調べた結果を示したグラフである。この図からも明らかな様に、Ａｌ含有量が２〜２．３％（元素含有量の場合は質量％を意味する、以下同じ）以下の領域では、７５％の冷間圧延を行なっても耳割れは発生せず、十分な圧延性が保障される。ところが、Ａｌ含有量が２．３％を超えると明らかに限界圧下率の低下が認められる様になり、５％以上になると耳割ればかりでなく板幅全体に亘ってクラックが発生する。そして冷間加工率で７５％を確保できれば、現在マフラー用として汎用されているＪＩＳ２種純チタンと同様の工程で薄板化することができ、製造コストの実質的な上昇も避けられることから、加工性の面からするとＡｌ含有量を２．３％以下に抑えることが必須となる。
【００１３】
一方、チタン合金の耐熱性に及ぼすＡｌ添加量の影響を確認するため、ＪＩＳ２種純チタン材とＴｉに０．５〜４％のＡｌを添加したチタン合金について室温引張試験を行ない、０．２％耐力および引張強さに及ぼすＡｌ添加量の影響を調べた。結果は図２に示す通りであり、Ａｌ含有量の増大に伴って室温強度はほぼ比例的に増大していくことが分かる。
【００１４】
また図３,４は、Ａｌ添加による耐熱性に及ぼす効果を確認するため、ＪＩＳ２種純チタンおよびＡｌ含有量の異なるＴｉ−Ａｌ合金について、温度と０．２％耐力及び引張強さの関係を調べた結果を示したグラフである。
【００１５】
これらのグラフからも明らかな様に、純チタンでは温間域での強度低下が著しく、２００℃程度でも室温強度の約半分に低下し、３００℃を超えると強度低下は更に顕著になる。これに対しＴｉ−Ａｌ合金では、温度の上昇に伴なう強度低下は避けられないものの、その低下傾向は純チタンに比べて小さく、またＡｌ含有量を多くするにつれて強度の絶対値および低下傾向は小さくなる。そして特にＡｌ含有量を１．０％以上に高めた合金では、５００℃近傍でも室温強度の約半分の強度を保っており、特に２００〜５００℃の温間域での強度を比較すると、純チタンに対して２倍〜３倍の強度を示すことが分かる。そしてこうしたＡｌ添加による高温強度向上効果は、Ａｌ含有量を０．５％以上、更に好ましくは１．０％以上とすることによって有効に発揮されることを確認できる。
【００１６】
これらの実験結果から本発明では、特に２００〜５００℃における温間域の耐熱性を確保するための要件として、Ａｌ含有量を０．５％以上と規定した。耐熱性確保の観点からより好ましいＡｌ含有量の下限は１．０％以上である。尚チタンに適量のＡｌを添加すると耐酸化性も向上することが知られており、上記の様に０．５％以上のＡｌを含有させると該耐酸化性向上効果も有効に発揮され、これもマフラー用素材としての適性向上に寄与する。Ａｌ含有量の上限については、先に述べた様に成形加工性の観点からＡｌ含有量を２．３％と定めたが、より好ましい上限は２．０％である。
【００１７】
上記の様に本発明では、マフラー用素材として求められる成形加工性と耐熱・耐酸化性を確保するための要件としてＴｉに０．５〜２．３％のＡｌを含有させたところに特徴を有しており、その最も単純で原料コストや量産性も加味した好ましい合金組成はＴｉ−（０．５〜２．３％）Ａｌからなる２元系のチタン合金であるが、上記本発明の特徴を損なわない範囲で、あるいはそれらの効果の更なる向上もしくは他の性能向上を期して、Ａｌ以外の合金元素を含有させることも有効である。
【００１８】
それら他の合金元素の具体例としては、室温〜温間域での強度向上効果を発揮する固溶強化元素（Ｍｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ｚｒなど）；温間〜熱間域での耐熱強度向上効果を有するＷ，Ｔａ，Ｎｂ，希土類元素など；耐熱性向上効果を有するＢ，Ｃなどが例示され、これらの合金元素を適量含有させて３元系〜４元系以上の多元系合金とすることも可能である。
【００１９】
これら多元系Ｔｉ合金であっても、主たる合金元素がＡｌで、且つ他の合金元素を添加した合金全体としての金属組織が、上記規定範囲のＡｌを含むＴｉ−Ａｌ合金の基本構造であるα相を９０体積％以上含むものであれば、本発明で意図する前述した成形加工性や溶接性、耐熱・耐酸化性を十分に確保することができる。よって、金属組織として９０体積％以上のα相を確保し得る限度で前記他の合金元素を添加することも可能である。ちなみに、純チタンの結晶構造はα相であり、Ａｌはα相安定化元素として作用するため、Ｔｉ−Ａｌ２元系合金は実質的に全てがα相の合金となる。またＭｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅなどはβ相安定化元素であって、それらの元素含有量が多くなるとβ相が増大し、特に耐熱性や溶接性に悪影響が現われてくるので、それら合金元素の添加量は、添加量そのもので上限を規定するのではなく、それらの影響が殆ど現われないβ相：１０体積％以下の金属組織を確保できる範囲内に抑えることが必要となる。
【００２０】
尚本発明のチタン合金は、前述の如く従来の純チタンに匹敵する冷間圧延性と成形加工性、更には溶接性を有しているので、該合金を用いたマフラー用素材やマフラーの製法は純チタンに準じた方法を採用すればよく、例えば、所定の合金組成となる様に原料成分を調整して溶製した後、常法に従って鋳造し、鍛造および熱間圧延の後焼鈍してから表面を脱スケールし、次いで所定厚さまで冷間圧延してから焼鈍し、得られる薄板を湾曲加工してからシーム溶接することにより管状に加工し、最後にマフラー形状に成形加工する方法が一般的に採用される。この間の熱延条件や冷延条件、焼鈍条件、シーム溶接条件などは、用いるチタン合金の成分組成などに応じてその都度適正に調整すればよい。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効果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訳ではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２２】
実施例
(1)Ｔｉ−Ａｌ二元系合金薄板の製造
真空アーク溶解炉を用いて、純チタンおよびＡｌ含有量が０〜６％のＴｉ−Ａｌ合金を溶製し、２５０ｇのなまこ型インゴットを製造し、各インゴットを用いて図５に示す工程を経て厚さ１ｍｍの薄板に加工した。冷間圧延は板厚４ｍｍから開始し、最終１ｍｍ厚さ（圧下率：７５％）まで圧延することとし、途中で耳割れが発生した合金についてはその時点で圧延を中断した。尚、冷間圧延前に行なわれる熱間圧延の温度や焼鈍温度については、予備実験で確認した最適条件を採用した。この実験で得た限界圧下率に及ぼすＡｌ含有量の影響を示したのが前記図１である。なお、同様の製法で既存合金であるＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金薄板も試作したが、このものは、冷間圧延圧下率が約４５％で内部割れを起こし、５５％で耳割れを起こすことが確認された。
【００２３】
(2)Ｔｉ−１．５Ａｌ合金薄板の製造
代表的なＡｌ添加合金として、Ｔｉ−１．５Ａｌ合金薄板の製造を行なった。製法は、高周波スカル溶解法により溶製してから鋳造した２５ｋｇのインゴットを使用し、鍛造→熱間圧延→焼鈍→脱スケール→冷間圧延→真空焼鈍の工程を経て、板厚１ｍｍのコイル状に加工した。この時、熱間圧延以降の条件は前記図５に示した条件に準じた。この実験により、Ｔｉ−１．５Ａｌ合金も、ＪＩＳ２種純チタンと実質的に同じ工程および条件で薄板状に加工できることが確認された。
【００２４】
前記図３，４に示したＴｉ−１．５％Ａｌ合金のデータは、このコイルを供試材として温間域の引張試験を行なった結果を示したものである。該図のＴｉ−１．５Ａｌ合金をみれば明らかである様に、この合金の室温での耐力は、従来のＴｉ系マフラー材であるＪＩＳ２種純チタンの約１．２５倍、３００〜５００℃の温間域では２．５〜３．５倍となり、こうした強度特性を活かせば、大幅な薄肉化と軽量化を達成し得ることが分かる。
【００２５】
また、図３，４に示したＴｉ−０．５Ａｌ，Ｔｉ−１．０Ａｌ，Ｔｉ−２．０Ａｌ合金のデータは、前記(1)で作製した板材を使用し、室温、２００℃、４００℃での引張試験を行なった結果を示している。
【００２６】
(3)Ｔｉ−１．５Ａｌ合金溶接管の製造
上記薄板コイルから幅１２０ｍｍの帯板を切り出し、これを幅方向に湾曲加工してからシーム溶接することにより、厚さ１ｍｍ，直径３８ｍｍの溶接管を製造した。なお造管に当たっては、コイル長さが短かかったため、ダミーとしてＪＩＳ２種純チタン帯板を溶接して予め該純チタンで形状を安定化させた後、連続してＴｉ−１．５Ａｌ合金部をシーム溶接する方法を採用した。
【００２７】
該溶接管を得る際の湾曲加工性およびシーム溶接性は共に全く支障がなく、純チタン薄板を用いた場合と実質的に変わらない条件で健全なシーム溶接管を得ることができた。該溶接管の代表的な機械的特性は下記の通りであり、マフラー用チタン合金材として十分な特性を有していることを確認できた。
【００２８】
▲１▼該溶接管の引張試験を行なったところ、０．２％耐力は４４０ＭＰａ、引張強さは５１０ＭＰａ、伸び率は３５％であり、成形加工性に関係する伸び率は純チタンに匹敵する値であった。
【００２９】
▲２▼溶接管端面に６０度の円錐形コーンを押し込んで行なう押し広げ試験で得られた限界押し広げ率は１．４であり、この値は純チタン溶接管並みであって溶接部の延性劣化も殆ど生じていないことが確認された。
【００３０】
▲３▼直径３８ｍｍの溶接管を、曲げ半径９０ｍｍで曲げ加工を行なったところ、割れや皺などの問題は全く生じることがなく、従ってこの溶接管は、エキゾーストパイプ、その他のマフラー部材への成形加工に十分耐える曲げ加工性を有していることが確認された。
【００３１】
(4)マフラーへの成形加工
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のスクラップ３３０Ｋｇと、スポンジチタン７０Ｋｇを使用し、純チタン薄板コイルの量産工程で採用される溶製法と同様に消耗電極式アーク溶解炉を用いてＴｉ−２Ａｌ−１．３Ｖ合金を溶製し、１トンのインゴットを製造した。これを常法に従って分塊鍛造→熱間加工→焼鈍→脱スケール→冷間圧延→真空焼鈍の工程を経て板厚０．７５ｍｍのコイルを製造した。この実験で、Ｔｉ−２Ａｌ−１．３Ｖ合金も、純チタンの製造工程を実質的にそのまま適用して薄板状に加工し得ることを確認した。
【００３２】
得られたコイルを使用し、直径３８ｍｍおよび５０ｍｍの溶接管を製造すると共に、該溶接管を、エキゾーストパイプ、サイレンサーパイプの外筒および内装の一部に用いたバイクマフラーを製造したところ、マフラー組み立てに際して何らの問題も生じなかった。またこのマフラーは、ＪＩＳ２種純チタンを用いた同サイズ・寸法のマフラーに比べて約２０％の軽量化が図られ、実車評価試験でも何らのトラブルも生じなかった。
【００３３】
(5)Ｔｉ−Ａｌ系合金の溶接性確認試験
ＪＩＳ２種純Ｔｉ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の各工場量産材（板厚１ｍｍ）および前記(2)、(4)と同様にして作製した板材（それぞれ板厚は１ｍｍ、０，７５ｍｍ）を供試材として使用し、溶接性の確認試験を行なった。なお各供試材はいずれも焼鈍仕上げ状態のものである。
【００３４】
この試験では、供試材の板面を圧延方向にＴＩＧ溶接によって板の裏面まで貫通するビード（約２ｍｍ幅）を形成し、溶接継手と類似したサンプルを作製した。これらのサンプルについて、引張方向がビードと直角になる様に試験片を加工して溶接継手引張試験を行なった。
【００３５】
結果を母材部の強度特性と共に表１に示す。また表１には、夫々の供試材についてα相量（体積％）をＸ線回折強度から同定した結果も示した。ここに取り上げた合金は、何れもα単相またはα＋β２相合金であるため、β相量＝１００−α相(体積％）の関係が成立する。
【００３６】
【表１】
0003967515.tif 000002
【００３７】
表１からも明らかな様に、α相量の減少に伴って母材および溶接継手部の伸びは低下し、特にα相量が９０体積％未満になると延性が急激に低下することが分かる。
【００３８】
(6)Ｔｉ−Ａｌ合金の耐酸化性の調査
前記(1)で作製したＴｉ−Ａｌ２元系合金よりなる板材を使用し、耐酸化性の調査を行なった。加熱は大気中７００℃×２０時間および４０時間とし、得られた結果を表２に示した。この表からも明らかな様に、Ａｌ添加によって耐酸化性が向上し、従来の純Ｔｉに比べてマフラー材として好ましい素材であることが分かる。
【００３９】
【表２】
0003967515.tif 000003
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、Ｔｉに特定量のＡｌを含有させ、或いは更に他の合金元素を含むものでは９０体積％以上のα相を有する金属組織を確保することにより、従来の普通鋼やステンレス鋼に比べて極めて軽量であり、しかも純チタン材に匹敵する優れた冷間圧延性と成形加工性を有すると共に、耐熱性や耐酸化性、溶接性などにも優れたマフラー素材を提供すると共に、軽量で設計自由度の高いマフラーを提供し得ることになった。従ってこのチタン合金は、マフラー材、特に自動車やバイクへの装着状態で熱放散が起こり難く高温になり易い部位に配置されるエキゾーストパイプやプリマフラー、サイレンサー内外装部品などとして極めて有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＴｉへのＡｌ添加量と冷間圧延時の限界圧下率の関係を示すグラフである。
【図２】ＴｉへのＡｌ添加量が、室温での０．２％耐力および引張強さに与える影響を示したグラフである。
【図３】温度による０．２％耐力の変化を純チタン合金とＴｉ−Ａｌ合金で対比して示すグラフである。
【図４】温度による引張強さの変化を純チタン合金とＴｉ−Ａｌ合金で対比して示すグラフである。
【図５】実験で採用したＴｉ−Ａｌ合金薄板の製造工程説明図である。
【図１】
0003967515.tif 000004
【図２】
0003967515.tif 000005
【図３】
0003967515.tif 000006
【図４】
0003967515.tif 000007
【図５】
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