(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
α＋β型チタン合金からなる鋳造材に対し、水素添加処理、β化処理、及び脱水素処理を施すと共に、
その後、７４０℃〜β変態点未満の一定の温度範囲に保持する球状化熱処理を施す、ことを特徴とするチタン合金製鋳造材の延性改善方法。
【請求項２】
前記脱水素処理の工程における前記鋳造材の加熱パターンを、中間で一定温度に保持する２段階以上にして行う、
ことを特徴とする請求項１に記載のチタン合金製鋳造材の延性改善方法。
【請求項３】
前記球状化熱処理工程における保持温度範囲の下限が８００℃である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のチタン合金製鋳造材の延性改善方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばゴルフヘッドに用いるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖのチタン合金や、人工骨材等に適用されるＴｉ−６％Ａｌ−７％Ｎｂのチタン合金のように、軽量で高強度を要求されるチタン合金製鋳造材の延(靱)性改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン合金製鋳造材は、軽量で高強度が得られ且つ所要の複雑な形状を安価に製造できるという利点を有する。しかし、チタン合金はその凝固冷却過程において粗大な針状α相組織が形成されるため、延性が低くなる欠点がある。
係る延性を改善するため、チタン合金のα相を微細化すべくチタン合金材に水素添加処理と脱水素処理を適用する方法(特公平７−２６１８３号公報等)が提案されている。これらの方法は、上記の各処理と圧延等の塑性加工とを組み合わせたものであり、係る塑性加工が困難なチタン合金製鋳造材には、適用できなかった。即ち、チタン合金製鋳造材のα相を微細化して、その靱性や延性を高めるための有効な方法は未だ提案されていないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、α＋β型チタン合金からなる鋳造材のα相を確実に微細化して、その靱性及び延性を高め得るチタン合金製鋳造材の延性改善方法を提案することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発明者が鋭意研究調査した結果、水素添加、β化処理、及び脱水素処理を施してβ変態点の移動を活用すると共に、α相を球状化処理することにより、上記課題を解決できることを見出したことに基づくものである。
即ち、本発明のチタン合金製鋳造材の延性改善方法は、α＋β型チタン合金からなる鋳造材に対し、水素添加処理、β化処理、及び脱水素処理を施すと共に、その後、７４０℃〜β変態点未満の一定の温度範囲に保持する球状化熱処理を施す、ことを特徴とする。
【０００５】
これによれば、チタン合金は水素の添加によりそのβ変態点（β相とα＋β相との境界温度）が下がるため、組織をβ相単相にするβ化処理を低い温度で行いβ相を安定化させ、β相の粒成長を生じさせずにα相を完全に固溶させることができる。また、脱水素処理で水素を除去し且つα相の析出を遅らせると共に、その後の球状化熱処理により上記α相を微細化し且つその縦横比を近似化することができる。従って、塑性加工が困難なチタン合金製鋳造材に対して、上記方法により確実にその靱・延性(強度や伸び)を向上させることが可能になる。
上記において、球状化熱処理の保持温度が７４０℃未満ではα相の微細化・球状化が不十分になり得、一方β変態点に達するとα相がβ相に変化し、その効果が失われるので、これらを阻止すべく上記の保持温度範囲としたものである。
【０００６】
尚、上記チタン合金には、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ、Ｔｉ−６％Ａｌ−７％Ｎｂ等の組成を有するα＋β型チタン合金が適用される。
また、上記水素添加処理は、α＋β領域温度の７００℃〜８００℃の間で水素を約０.５〜２wt％吸収させることにより、次工程でβ相を安定化させ、且つβ変態点を下げてα相の析出を抑制するものである。
更に、前記β化処理は、チタン合金を新たに下ったβ変態点よりも高い温度に加熱しβ相単相の組織にすると共に、水素濃度を均一化するものである。尚、この処理後は急速冷却して、脆化要因である粒界α相や水素化合物を極力形成させないことが肝要である。
また、脱水素処理は、新たなβ変態点未満の温度に加熱・保持して水素を除去すると共にα相を微細に析出させて、延性(靱性)を回復させるものである。
加えて、前記球状化熱処理は、脱水素処理で析出したα相の縦横比を、１対１に近似値化することにより、微細化するものである。
【０００７】
また、前記脱水素処理の工程における前記鋳造材の加熱パターンを、中間で一定温度に保持する２段階以上にして行う、チタン合金製鋳造材の延性改善方法も含まれる。これによれば、水素添加により脆化されたチタン合金製鋳造材を加熱して脱水素処理する際、例えば４００〜５００℃で数１０分程度保持することにより、加熱の過程における内部の熱応力を解放して、その割れを確実に阻止することが可能となる。
【０００８】
更に、前記球状化熱処理工程における保持温度範囲の下限が８００℃である、チタン合金製鋳造材の延性改善方法も含まれる。
これによれば、α相の均一な微細化及び球状化を一層確実に行え、チタン合金製鋳造材の靱・延性(強度や伸び)を更に向上させることが可能となり、高強度と優れた靱性を有する鋳造材にし得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明方法によるチタン合金製鋳造材の温度履歴を示す。図示のように、本発明方法は、α＋β型チタン合金からなる鋳造材を水素添加処理(Ｓ１)、β化処理(Ｓ２)、及び脱水素処理(Ｓ３)した後、球状化熱処理(Ｓ４)を行う。
水素添加処理(Ｓ１)は、図１に示すように、上記鋳造材を一点鎖線で示すβ変態点(１０２０℃)以下の７００℃〜８００℃に加熱(Ｈ１,Ｈ２)し、且つ数１０分間保持(Ｐ１)する間に水素を約０.５〜２wt％吸収させる。これにより、次工程でβ相を安定化させ、且つ上記鋳造材自体のβ変態点を図１中の波線で示す約８００℃に下げてα相の析出を抑制する。本処理後は、一旦常温まで空冷(ＡＣ)する。
【００１０】
また、β化処理(Ｓ２)は、図１に示すように、水素を添加された上記鋳造材を図１中の波線で示す新たなβ変態点(約８００℃)よりも数１０℃高い温度に加熱(Ｈ３)し、且つ数１０分間保持(Ｐ２)することにより、当該鋳造材の組織をβ相単相にすると共に、内部の水素濃度の分布を均一化する。処理後は水冷(ＷＱ)により急冷する。この急冷により、有害な粒界α相や水素化合物の生成を極力阻止することができる。
更に、脱水素処理(Ｓ３)は、図１に示すように、β相単相になった上記鋳造材を真空中で図１中の波線で示す新たなβ変態点(約８００℃)よりも低い温度に加熱(Ｈ４,Ｈ５)し、１０数時間程度保持(Ｐ３)する。これにより水素を除去すると共にβ相の生地中に多数のα相を遅らせて細かく析出し、その延性(靱性)を回復させる。その後は炉風(炉冷)冷却(ＦＣ)、又は風冷により常温まで冷却する。
【００１１】
尚、上記加熱(Ｈ４,Ｈ５)を図１に示すように、例えば２段階のパターンとし、途中で同じ温度に数１０分間保持(ｐ２)することにより、吸収した水素による組織脆化に関連して、熱応力による割れを確実に防止することができる。
最後に施す球状化熱処理(Ｓ４)は、図１に示すように、脱水素処理された上記鋳造材を７４０℃から図１中で一点鎖線で示す元のβ変態点(１０２０℃)未満の温度範囲に加熱(Ｈ６)し、且つ数１０分間保持(Ｐ４,Ｐ５,Ｐ６)する。その後、常温まで水冷(ＷＱ)或いは空冷(ＡＣ)により冷却する。これにより、脱水素処理で析出した各α相について、その縦横比を１対１に近付ける(球状化)ことが可能になり、数μｍ程度の微細なα相が得られる。従って、α＋β型チタン合金からなる鋳造材の靱・延性(強度や伸び)を確実に向上させることが可能となる。
【００１２】
【実施例】
以下において本発明の具体的な実施例を比較例と共に説明する。
先ず、Ｔｉ−６％Ａｌ−７％Ｎｂのα＋β型チタン合金を精密鋳造することにより、直径１３ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱形の鋳造材を６本得た。次に、これらの鋳造材に対し、９００℃及び１２００気圧で３時間に渉るＨＩＰ処理を施し、その組織を緻密化した。ＨＩＰ処理したままの１本の鋳造材を比較例とした。
【００１３】
残り５本の鋳造材について前記図１に示した４つの処理(Ｓ１〜Ｓ４)を施して実施例１〜５とした。その際、水素添加処理(Ｓ１)は、図１に示したように、鋳造材をβ変態点(１０２０℃)以下の７５０℃に加熱(Ｈ１,Ｈ２)した。尚、加熱途中の３００℃で４５分間保持(ｐ１)した。且つ、６０分間保持(Ｐ１)する間において水素対アルゴンの供給量を３対１の雰囲気中に置くことにより、５本の鋳造材に水素を個別に約１wt％吸収させた後、常温まで空冷(ＡＣ)した。
また、β化処理(Ｓ２)は、図１に示したように、水素を添加された実施例の各鋳造材を真空中で、前記図１中の波線で示す新たなβ変態点(約８００℃)よりも高い８５０℃に加熱(Ｈ３)し、且つ６０分間保持(Ｐ２)した後、水冷(ＷＱ)により急冷した。
【００１４】
更に、脱水素処理(Ｓ３)は、β相単相になった上記鋳造材を前記図１中の波線で示す新たなβ変態点(約８００℃)よりも低い７００℃に加熱(Ｈ４,Ｈ５)して、１５時間保持(Ｐ３)した後、炉風冷却(ＦＣ)により常温まで冷却した。
尚、上記加熱(Ｈ４,Ｈ５)のパターンは図１に示すように、例えば２段階とし、途中の４５０℃に３０分間保持(ｐ２)することにより、吸収した水素による組織脆化に関連して、熱応力による鋳造材の割れを確実に防止することができた。
最後に施す球状化熱処理(Ｓ４)は、図１に示したように、脱水素処理された実施例の各鋳造材を７５５℃、８４０℃、又は９２５℃に加熱(Ｈ６)し且つ６０分間ずつ保持(Ｐ４,Ｐ５,Ｐ６)した後、水冷(ＷＱ)又は空冷(ＡＣ)により冷却した。
【００１５】
このうち、７５５℃に加熱保持(Ｐ６)し且つ水冷(ＷＱ)したものを実施例１、８４０℃に加熱保持(Ｐ５)し且つ水冷(ＷＱ)したものを実施例２、８４０℃に加熱保持(Ｐ５)し且つ空冷(ＡＣ)したものを実施例３とした。また、９２５℃に加熱保持(Ｐ４)し且つ水冷(ＷＱ)したものを実施例４、９２５℃に加熱保持(Ｐ４)し且つ空冷(ＡＣ)したものを実施例５とした。
これら実施例１〜５と前記比較例の各鋳造材に対し、引張強度試験、０.２％耐力試験をそれぞれ行って、引張強さ、０.２％耐力、及び伸び率を測定した。
それらの結果を図２(Ａ),(Ｂ)のグラフに示した。
【００１６】
実施例１〜５の鋳造材は、図２(Ａ)のグラフによれば、引張強さ、及び０.２％耐力において比較例の鋳造材より少なくとも約１００ＭＰａ程度高い強度を有していると共に、図２(Ｂ)のグラフによれば、伸び率が約１％〜５％高くなっていることが判る。この結果は、実施例１〜５の鋳造材では、本発明方法により処理されたため、α相が球状に微細化され且つβ相の生地中に均一に分布していることにより、靱性及び延性が向上し改善されたものと推定される。特に、実施例３〜５の鋳造材は、高い伸びを有しており、本発明方法において８００℃以上の温度で球状化熱処理する場合の優位性を示している。
【００１７】
因みに、実施例３と比較例の鋳造材の組織を金属顕微鏡で撮影したものを、それぞれ図３(Ａ)，(Ｂ)に模式的に示した。図３(Ａ)の実施例３では、粒径が数μｍの短く微細な白いα相の結晶粒が多数均一に分布しているのに対し、図３(Ｂ)の比較例では長さ５０〜７０μｍで幅約４〜５μｍの長大(粗大)な針状結晶粒のα相が凝固時の形態で並列状に分布しているのが認められた。係る実施例３の組織パターンにより、本発明方法による作用が裏付けられると共に、前記図２(Ａ)，(Ｂ)のグラフで示した各特性が裏付けられたことも容易に理解されよう。
【００１８】
本発明は、以上に説明した実施例に限定されるものではない。
本発明が適用される合金には、前記Ｔｉ−６％Ａｌ−７％Ｎｂ、又はＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ以外のα＋β型チタン合金も含まれる。
また、脱水素処理のための前記加熱(Ｈ４,５)操作を、３段階以上にして行うことも可能である。
更に、球状化熱処理は、同一の温度に保つだけでなく、前記保持温度範囲内において２以上の温度に保持するような複数段階にして行うことも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上において説明した本発明の延性改善方法によれば、チタン合金は水素の添加によりそのβ変態点が下がるため、組織をβ相化するβ化処理を低い温度で行ってβ相を安定化し、且つ脱水素処理で水素を除去し多数のα相を細かく析出すると共に、その後の球状化熱処理により上記α相を微細にし且つその縦横比を近似化することができる。従って、塑性加工が困難なチタン合金製鋳造材に対して、確実にその靱・延性(強度や伸び)を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の各処理を施されるチタン合金製鋳造材の温度履歴を示す概略図。
【図２】  (Ａ)は実施例１〜５と比較例の引張強さ等を示すグラフ、(Ｂ)は実施例１〜５と比較例の伸び率を示すグラフ。
【図３】  (Ａ)は実施例３の鋳造材の金属組織を示す模式的図面、(Ｂ)は比較例の鋳造材の金属組織を示す模式的図面。
【符号の説明】
Ｓ１……水素添加処理
Ｓ２……β化処理
Ｓ３……脱水素処理
Ｓ４……球状化熱処理
【図１】
0004302265.tif 000002
【図２】
0004302265.tif 000003
【図３】
0004302265.tif 000004