(57)【要約】【課題】熱間加工性に優れたうえで、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金を提供することを課題とする。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１３％、Ａｌ：３．０〜８．５％を含有し、Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｆｅ：２．５％未満、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：５．０％以下の１種以上を合計で２．０〜１０．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金であって、チタン合金素地中のＴｉＣ析出物の平均面積率が０．５％以下、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値が１μｍ以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１３％、Ａｌ：３．０〜８．５％を含有すると共に、Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｆｅ：２．５％未満、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：５．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金であって、
チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率が０．５％以下、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値が１μｍ以下であることを特徴とする断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金。
【請求項２】
更に、質量％で、Ｓｉ：１．０％以下を含有する請求項１記載の断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金。
【請求項３】
更に、質量％で、Ｚｒ：５．０％以下、Ｓｎ：５．０％以下の１種または２種を合計で７．０％以下含有する請求項１または２記載の断続切削性に優れた高強度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、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに代表される高強度α−β型チタン合金は、軽量、高強度、高耐食性であることに加え、熱処理によって容易に強度レベルを変化させることができることから、従来から航空機産業を中心に多用されてきた。これらの特性を更に活用すべく、近年では、自動車や２輪のエンジン部材といった自動車部品、ゴルフ用品をはじめとしたスポーツ用品、土木建築用素材、各種工具類、眼鏡フレームなどの民生品分野や、深海やエネルギー開発用途などへの適用拡大も進んでいる。
【０００３】
しかしながら、α−β型チタン合金の著しく高い製造コスト、また加工性、特に切削加工性が悪いことが、その適用拡大の妨げとなっており、使用範囲は限定されているのが現状である。このような実情が勘案され、近年、切削性を改善したチタン合金についての種々の提案がなされている。
【０００４】
特許文献１には、希土類元素（ＲＥＭ）とＣａ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ｂｉを適宜含有させて、粒状の化合物を形成することによって靭性、延性の低下を抑制しつつ、被削性（切削性）を向上させたコンロッド用チタン合金が記載されている。また、特許文献２には、希土類元素（ＲＥＭ）を含有させることにより被削性（切削性）を向上させ、Ｂを含有させることにより熱間加工性を改善させた快削チタン合金が記載されている。更には、特許文献３には、快削成分として、ＰおよびＳ、ＰおよびＮｉ、或いはＰとＳおよびＮｉ、更にはこれら元素に加えてＲＥＭを添加することにより、マトリックスの延性低下と介在物の微細化を行い、快削性を改善しつつ、熱間加工性や疲労強度の低下を抑制した快削性チタン合金が記載されている。
【０００５】
また、特許文献４には、Ｃを積極添加することによって、常温から５００℃までの実用温度域での強度を低下させることなく、より高温の鍛造温度域での強度を低下させることによって、汎用合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金より熱間加工性を向上させると共に、チタン合金素地中に析出するＴｉＣの面積率を３％以下に抑制することで、疲労特性を改善したα−β型チタン合金が記載されている。
【０００６】
更には、特許文献５には、Ｃを積極添加したα−β型チタン合金において、併せて添加するＣｒ含有量とＦｅ含有量との比［Ｃｒ］／［Ｆｅ］をコントロールし、Ｃｒ量に対してＦｅ量を増やすことで、Ｃの固溶限を増大させ、ＴｉＣ析出量を抑制することにより、被削性（切削性）および熱間加工性を改善したα−β型チタン合金が記載されている。
【０００７】
また、特許文献６には、Ｃを積極添加することによって、鍛造性を含む熱間加工性を確保しつつ、ＴｉＣ析出物量を低減、微細化し、更にＣｒ濃度の上限を制限することによって、優れた被削性（切削性）と熱間加工性とを兼備させたα−β型チタン合金が記載されている。
【０００８】
これらの特許文献には、被削性（切削性）を改善させた効果の記載はあるものの、これら特許文献に記載の技術、特に特許文献５並びに特許文献６に記載された技術は、ドリルでの連続切削性を対象とした技術であり、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性の検討がなされた技術ではない。特に、鍛造性などの熱間加工性を改善するためにＣを積極添加することによって析出するＴｉＣの影響は、連続切削性よりも断続切削性に対する影響が顕著であり、連続切削性だけではなく断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金が開発されることが待ち望まれていた。
【０００９】
【特許文献１】特公平６−９９７６４号公報
【特許文献２】特公平６−５３９０２号公報
【特許文献３】特許第２６２６３４４号公報
【特許文献４】特開２００４−９１８９３号公報
【特許文献５】特開２００７−８４８６４号公報
【特許文献６】特開２００７−８４８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、熱間加工性に優れたうえで、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１３％、Ａｌ：３．０〜８．５％を含有すると共に、Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｆｅ：２．５％未満、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：５．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金であって、チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率が０．５％以下、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値が１μｍ以下であることを特徴とする断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金である。
【００１２】
請求項２記載の発明は、更に、質量％で、Ｓｉ：１．０％以下を含有する請求項１記載の断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、更に、質量％で、Ｚｒ：５．０％以下、Ｓｎ：５．０％以下の１種または２種を合計で７．０％以下含有する請求項１または２記載の断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のα−β型チタン合金は、高強度で熱間加工性に優れるうえに、連続切削性は当然のこと、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性にも優れているという効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは、Ｃを添加したα−β型チタン合金について、切削時に工具寿命が低下する原因を追究したところ、ＴｉＣ析出物の生成量が少ない場合であっても、粗大なＴｉＣ析出物が存在した場合は、工具寿命が低下することを見出した。特にドリルによる連続切削時より、エンドミルやフライス加工などによる断続切削時の方が、ＴｉＣ析出物を原因とする工具寿命の低下の影響がより顕著であることが分かった。
【００１６】
本発明者らは、これらを前提に実験、研究を重ねた結果、Ｃの積極添加により鍛造性などの熱間加工性を改善したうえで、ＴｉＣ析出物量を低減し、更に微細化することで、断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金を得ることに成功した。
【００１７】
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１８】
本発明の断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金は、質量％で、Ｃ：０．０６〜０．１３％、Ａｌ：３．０〜８．５％を含有すると共に、Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｆｅ：２．５％未満、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：５．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０．０％含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物であるチタン合金であって、チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率が０．５％以下、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値が１μｍ以下としたものである。
【００１９】
尚、α−β型チタン合金とは、稠密六方晶（ＨＣＰ）であるα相と体心立方晶（ＢＣＣ）であるβ相が、組織中に混在するチタン合金のことをいう。
【００２０】
まず、本発明の断続切削性に優れた高強度α−β型チタン合金の成分限定理由について説明する。以下、各元素の比率については単に％と記載するが、全て質量％を示す。
【００２１】
Ｃ：０．０６〜０．１３％
Ｃは強度を向上させるという作用があり、また、β温度域でＴｉＣとして微細析出するため、β相結晶粒を微細化し、その微細化によって熱間加工性を向上させるという作用もある。その含有量が０．０６％未満であるとその作用が不足する。一方、その含有量が０．１３％を超えると、室温でα相中に固溶されない平均円相当径が１μｍ超の粗大なＴｉＣが残留するようになり、機械的特性が劣化して断続切削性に悪影響を及ぼすようになる。従って、Ｃの含有量は、その下限を０．０６％、好ましくは０.０７％、更に好ましくは０．０８％とし、その上限を０．１３％、好ましくは０．１２％、更に好ましくは０．１１％とする。
【００２２】
Ａｌ：３．０〜８．５％
Ａｌは、α安定化元素であり、α相を生成するために添加される元素である。その含有量が３．０％未満であればα相の生成が過少になり、また、十分な強度が発現せず、９００ＭＰａ以上の引張強度（ＴＳ）が得られないようになる。一方、その含有量が８．５％を超えて過多になると、延性が劣化し、伸び（ＥＬ）が１０％未満に低下する。従って、Ａｌの含有量は、その下限を３．０％、好ましくは３．２％とし、その上限を８．５％、好ましくは８．０％とする。
【００２３】
Ｖ：５．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｆｅ：２．５％未満、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｎｂ：５．０％以下、Ｔａ：５．０％以下の１種または２種以上を合計で２．０〜１０．０％
これらの元素は全てβ安定化元素であり、β相を生成するために添加される元素である。これらの元素の合計の含有量が２．０％未満であればβ相の生成量が過少になる。従って、２．０％以上、好ましくは３．０％以上とすれば良い。これらの元素も強度を向上させる作用があるが、夫々の元素の含有量の上限を超えて添加すると、また、合計の含有量が１０．０％を超えて添加すると、伸び（ＥＬ）の劣化を招くことになる。特に、Ｆｅの含有量が過多になると伸び（ＥＬ）の低下が顕著になる。また、Ｃｒの含有量が過多になると被削性が低下する。従って、これら各元素の含有量の上限を上記のように規定し、これら元素の合計の含有量の上限を１０．０％とする。
【００２４】
本発明のα−β型チタン合金は、以上の元素のほかは、Ｔｉと不可避的不純物で構成されるが、以下の元素を単独で、或いは複合して含有しても良い。
【００２５】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉを添加することで更に強度が向上するが、１．０％を超えて添加すると、延性が劣化し、必要な伸び（ＥＬ）が得られないようになる。従って、Ｓｉを添加する場合は、その含有量の上限は１．０％とする。
【００２６】
Ｚｒ：５．０％以下、Ｓｎ：５．０％以下の１種または２種を合計で７．０％以下
ＺｒやＳｎを添加することでも更に強度が向上するが、Ｚｒ、Ｓｎを夫々単独で５．０％超、合計で７．０％超添加すると、延性が劣化し、必要な伸び（ＥＬ）が得られないようになる。従って、ＺｒやＳｎを添加する場合は、Ｚｒの含有量、Ｓｎの含有量は、夫々単独で５．０％以下、合計で７．０％以下とする。
【００２７】
以上の化学成分において、更にＣｒ含有量とＦｅ含有量の比［Ｃｒ］／［Ｆｅ］を３．０以下とすることが好ましい。前記したように、ＣｒとＦｅは共にβ安定化元素であるが、Ｃｒに比してＦｅはＣの固溶限を拡大する作用を有する。Ｃｒ含有量とＦｅ含有量の比［Ｃｒ］／［Ｆｅ］が３．０を超えると、ＦｅによるＣの固溶限の拡大作用が失われ、ＴｉＣの析出の抑制効果が発揮できなってしまう。従って、Ｆｅを含有する場合、Ｃｒ含有量とＦｅ含有量の比［Ｃｒ］／［Ｆｅ］の上限は３．０、好ましくは２．５とする。
【００２８】
本発明のチタン合金は、その組織が室温でα相とβ相よりなるα−β型チタン合金である。Ｃの添加によりα−β型チタン合金の組織中、すなわちチタン合金素地中にＴｉＣが析出するが、チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率は０．５％以下で、ＴｉＣ析出物が存在する場合、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値は１μｍ以下である。
【００２９】
このＣの添加によりＴｉＣを生成させることになり、そのＴｉＣを核として組織はα相に変態し、結果的にα−β組織が微細化することで、鍛造性をはじめとする熱間加工性が向上する。一方、ＴｉＣは被削性（切削性）に大きな影響を及ぼし、ＴｉＣの析出量が多い場合、或いはＴｉＣ析出物のサイズが大きい場合には著しく工具磨耗が促進される。特に、エンドミルやフライス加工などによる断続切削性への影響は大きくなる。従って、チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率の上限は０．５％、好ましくは０．２５％とし、ＴｉＣ析出物が存在する場合、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値の上限は１μｍ、好ましくは０．８μｍとする。
【００３０】
上記した成分組成のα−β型チタン合金を、以下の実施例に例示するような製造条件で、圧延や鍛造などの熱間加工工程で加工すれば、チタン合金素地中の０．２５ｍｍ２以上の任意断面におけるＴｉＣ析出物の平均面積率を０．５％以下、そのＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値を１μｍ以下とすることができる。
【実施例】
【００３１】
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、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜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。
【００３２】
本実施例では、まず、ＣＣＩＭ（コールドクルーシブル誘導加熱法）溶解により表１に示す各成分組成のチタン合金でなる約２０ｋｇの鋳塊を鋳造した。その鋳塊の形状は、直径１５０ｍｍ×高さ１５０ｍｍの円柱状である。
【００３３】
【表１】
2009299110.tif 000002
【００３４】
この鋳塊を用いて以下に示す製造条件で熱間鍛造を行った。その熱間鍛造は、鋳塊を１２００℃で加熱した後、鍛錬比約１．５で鍛造し、水冷した後に９００℃まで加熱して、更に鍛錬比約３．２以上で鍛造することで実施した。この熱間鍛造により、厚さ２０ｍｍ×幅１９０ｍｍの断面形状で長尺板状のチタン合金板を得た。次に室温まで空冷した後に８００℃で２時間の焼鈍を行い、試験に用いる最終的なチタン合金板とした。そのチタン合金板から組織観察試験片、エンドミル切削試験片、並びに引張試験片を採取し、以下に示す各試験を実施した。
【００３５】
＜組織観察試験＞
組織観察では、ＴｉＣ析出物の平均面積率、並びにＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値を以下に示す要領で調査して求め出した。
【００３６】
チタン合金板の定常部（四周の外周縁から５０ｍｍを除く部位で、且つ表裏面から２ｍｍを除く部位）から採取した組織観察試験片を、合成樹脂ホルダに埋め込み、その試験片が露出するように研磨し、更にバフ研磨を施した。この研磨した試験片の表面の４視野を４００倍の倍率で写真撮影し（４視野合計で観察面積は０．２５ｍｍ２）、その画像データから画像解析ソフト（ナノシステム株式会社製、Ｎａｎｏ  Ｈｕｎｔｅｒ  ＮＳ２Ｋ−Ｌｔ）を用いて、各写真のＴｉＣ析出物の面積率、並びにその平均円相当径を求め、全体の平均値としてＴｉＣ析出物の平均面積率、並びにＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値を計算により求め出した。この試験で求められた各試料のＴｉＣ析出物の平均面積率とＴｉＣ析出物の平均円相当径の平均値を夫々表２に示す。尚、実施例における各試料には、ＴｉＣ析出物以外の析出物、介在物は存在しなかった。
【００３７】
＜断続切削試験（エンドミル切削試験）＞
前記したチタン合金板から、厚さ１５ｍｍ×幅１８０ｍｍ×長さ１４５ｍｍのエンドミル切削試験片を採取した。この試験片を用いて断続切削試験（エンドミル切削試験）を行い、工具摩耗量（逃げ面）を確認した。試験結果から、工具摩耗量が６０μｍ以下のものを合格とし、断続切削性に優れたチタン合金であると判断した。以下にこの断続切削試験条件を示す。また、この試験で求められた各試料の工具摩耗量（逃げ面）を表２に示す。
【００３８】
・工具：Ｈ１３Ａチップ
・切削速度：２５ｍ／ｍｍ
・切削送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み量：半径方向０．５ｍｍ、軸方向１．０ｍｍ
・切削長さ：７．２５ｍ（１カット１４５ｍｍ）
・切削油：水溶性潤滑油
【００３９】
＜室温引張試験＞
前記したチタン合金板から引張試験片を採取した。引張試験はＡＳＴＭ規格のＥ８に準拠して実施した。引張試験片の形状、寸法については図１に示す。試験温度は室温（２５℃）であり、歪速度は１００／ｓｅｃである。試験結果から、引張強度（ＴＳ）が９００ＭＰａ以上で、伸び（ＥＬ）が１０％以上のものを合格とし、高強度のチタン合金であると判断した。この試験で求められた各試料の引張強度（ＴＳ）と伸び（ＥＬ）を、前記した他の試験結果と共に表２に示す。
【００４０】
【表２】
2009299110.tif 000003
【００４１】
表１に記載の試料Ｎｏ．と表２に記載の試料Ｎｏ．は一致している。表１に記載の成分組成と、表２に記載のＴｉＣ析出物の平均面積率並びに平均円相当径の平均値が、共に本発明の条件を満足する試料Ｎｏ．４と６〜１１が発明例、その他は全て比較例である。
【００４２】
発明例の試料Ｎｏ．４と６〜１１は、断続切削試験で求められた工具摩耗量、室温引張試験で求められた引張強度（ＴＳ）と伸び（ＥＬ）が全て合格判定基準を満たした。その結果から、試料Ｎｏ．４と６〜１１は、断続切削性に優れた高強度チタン合金であると判断することができる。
【００４３】
これに対し、本発明の条件の何れか１項目でも満足しない比較例（試料Ｎｏ．１〜３、５、１２〜１９）の場合は、断続切削試験で求められた工具摩耗量、室温引張試験で求められた引張強度（ＴＳ）と伸び（ＥＬ）のうち少なくとも１項目で合格判定基準を満足することができなかった。すなわち、試料Ｎｏ．１〜３、５、１２〜１９は、断続切削性に優れたチタン合金および／または高強度のチタン合金であると判断することはできない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例の室温引張試験で用いた引張試験片の形状および寸法を示す説明図である。
【図１】
2009299110.tif 000004