α-β ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ
α-β TITANIUM ALLOY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к α-β титановому сплаву. Более конкретно, настоящее изобретение относится к α-β титановому сплаву с превосходной обрабатываемостью резанием.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Высокопрочный α-β титановый сплав, типичным примером которого служит сплав Ti-6Al-4V, в дополнение к тому, что он является легким и имеет высокую прочность и высокую коррозионную стойкость, может легко менять уровень своей прочности при термической обработке. По этой причине данный тип α-β титанового сплава до настоящего времени используется очень часто, особенно в авиационной промышленности. Благодаря таким характеристикам в последние годы этот α-β титановый сплав все чаще применяется в областях потребительских товаров, включая детали транспортных средств, таких как детали двигателей автомобилей или мотоциклов, спортивных товаров, таких как аксессуары для гольфа, материалов для строительства гражданских, промышленных и инженерных сооружений, различных рабочих инструментов, оправ для очков, в области глубоководных разработок, в области энергетики и т.п.
[0003] Например, в качестве такого α-β титанового сплава патентный документ 1 упоминает прессованный материал из α-β титанового сплава с превосходной усталостной прочностью и предлагает способ производства этого прессованного материала из α-β титанового сплава. В частности, такой прессованный материал из α-β титанового сплава имеет конкретные содержания C и Al, а также включает 2,0-10,0% в сумме одного или более из V, Cr, Fe, Mo, Ni, Nb и Ta, причем доля площади первичной α-фазы находится в определенном диапазоне, направление основной оси каждого из 80% или более первичных α-зерен первичной α-фазы расположено в пределах заданного углового диапазона, и средняя малая ось α-зерен вторичной α-фазы составляет 0,1 мкм или более.
[0004] В качестве α-β титанового сплава с улучшенной ковкостью патентный документ 2 упоминает литейный α-β титановый сплав, который имеет более высокую прочность и более превосходную жидкотекучесть, чем сплав Ti-6Al-4V. В частности, упомянутый α-β титановый сплав имеет конкретные содержания Al, Fe+Cr+Ni и C+N+O, и дополнительно конкретное содержание V, если необходимо, а остаток составляют Ti и неизбежные примеси.
[0005] Однако этот α-β титановый сплав имеет чрезвычайно высокую себестоимость производства и, в дополнение к этому, особенно плохую обрабатываемость резанием, что препятствует расширению сфер применения этого α-β титанового сплава. Диапазон использования на практике ограничен. С учетом таких обстоятельств в последнее время были предложены различные титановые сплавы с улучшенной обрабатываемостью резанием.
[0006] Например, патентный документ 3 упоминает титановый сплав для шатуна, который имеет улучшенную обрабатываемость резанием при одновременном подавлении уменьшения вязкости разрушения и пластичности за счет содержания редкоземельных элементов (РЗМ) и Ca, S, Se, Те, Pb и Bi сообразно обстоятельствам для формирования зернистых соединений. Патентный документ 4 упоминает легкорежущийся титановый сплав, который улучшен по обрабатываемости резанием за счет содержания редкоземельного элемента и улучшен по горячей обрабатываемости давлением за счет содержания B.
[0007] Патентный документ 5 упоминает легкорежущийся титановый сплав, который достигает уменьшения пластичности матрицы и измельчения включений для улучшения свойств обрабатываемости резанием при одновременном подавлении снижения предела усталости и обеспечении горячей обрабатываемости давлением за счет добавления P и S, P и Ni, или P, S и Ni, или дополнительно РЗМ в дополнение к этим элементам в качестве обеспечивающего легкость резания компонента.
[0008] Кроме того, патентный документ 6 упоминает α-β титановый сплав с превосходной обрабатываемостью резанием и давлением в горячем состоянии. Этот α-β титановый сплав имеет конкретные содержания C и Al, а также 2,0-10% в сумме одного или более элементов, выбираемых из группы β-стабилизирующих элементов, состоящей из соответствующих предписанных содержаний V, Cr, Fe, Mo, Ni, Nb и Ta, а остаток составляют Ti и примеси. В этом титановом сплаве средняя доля площади выделений TiC в микроструктуре составляет 1% или менее, а среднее значение диаметра эквивалентной окружности выделений TiC составляет 5 мкм или менее.
ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0009] ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Патентный документ 1: JP 2012-52219 A
Патентный документ 2: JP 2010-7166 A
Патентный документ 3: JP 06-99764 B
Патентный документ 4: JP 06-53902 B
Патентный документ 5: JP 2626344 B1
Патентный документ 6: JP 2007-84865 B
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0010] В способах по упомянутым выше патентным документам 3 и 4 металлические включения выделяются при использовании РЗМ. В способе по упомянутому выше патентному документу 5 фосфор (P) обязательно содержится для формирования включений P. В способе по патентному документу 6 контролируется размер выделений TiC. Однако в этих способах считается, что на осаждение этих выделений и включений с большей вероятностью влияют температуры и скорости охлаждения на стадиях плавки и ковки, затрудняя тем самым управление размером выделений или т.п. Кроме того, форма или размер сырья имеет тенденцию вызывать вариации в размере и т.п. выделений или включений. Таким образом, достижению превосходной обрабатываемости резанием за счет выделения интересующих включений препятствует проблема, заключающаяся в необходимости строгого контроля за производственным процессом.
[0011] Настоящее изобретение было создано с учетом вышеизложенных обстоятельств, и задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить α-β титановый сплав, который имел бы высокую прочность и превосходную горячую обрабатываемость давлением уровня α-β титанового сплава, типичным примером которого служит Ti-6Al-4V, демонстрируя при этом более превосходную обрабатываемость резанием, чем сплав Ti-6Al-4V, без необходимости в строгом контроль и т.п. за производственным процессом.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ
[0012] α-β титановый сплав в соответствии с настоящим изобретением, который может решить вышеупомянутую проблему, характеризуется тем, что он включает в себя, в массовых процентах: по меньшей мере один элемент из 0,1-2,0% Cu и 0,1-2,0% Ni; 2,0-8,5% Al; 0,08-0,25% C; и 1,0-7,0% в сумме по меньшей мере одного элемента из 0-4,5% Cr и 0-2,5% Fe, а остаток составляют Ti и неизбежные примеси.
[0013] α-β титановый сплав может дополнительно включать, в массовых процентах: более чем 0% и 10% или менее в сумме одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из более чем 0% и 5,0% или менее V; более чем 0% и 5,0% или менее Mo; более чем 0% и 5,0% или менее Nb; и более чем 0% и 5,0% или менее Ta.
[0014] α-β титановый сплав может дополнительно включать, в массовых процентах, более чем 0% и 0,8% или менее Si.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Соответственно, настоящее изобретение может предложить α-β титановый сплав, который имеет высокую прочность и превосходную горячую обрабатываемость давлением, такую как ковкость, уровня α-β титанового сплава, типичным примером которого служит Ti-6Al-4V, а также демонстрирует более превосходную обрабатываемость резанием, чем сплав Ti-6Al-4V, позволяя гарантировать удовлетворительный срок службы рабочих инструментов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Фиг. 1 представляет собой микрофотографию титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования по решению вышеописанных проблем. В результате было найдено в частности, что указанное содержание по меньшей мере одного из Cu и Ni в титановом сплаве значительно улучшает пластичность титанового сплава при высоких температурах. В частности, во время процесса резания на титановом сплаве образуется тонкая стружка из-за уменьшения сопротивления деформации, что приводит к уменьшению сопротивления резанию, то есть к улучшению его обрабатываемости резанием. Состав α-β титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением будет описан по порядку ниже, начиная с Cu и Ni, которые являются особенностями настоящего изобретения.
По меньшей мере один элемент из Cu 0,1-2,0% и Ni 0,1-2,0%
[0018] Эти элементы переходят в твердый раствор α-фазы и β-фазы в сплаве, увеличивая тем самым его пластичность при высокой температуре и улучшая горячую обрабатываемость давлением. Таким образом, в частности, сопротивление титанового сплава резанию становится более низким, а его обрабатываемость резанием улучшается. Эти элементы могут использоваться по отдельности или в комбинации. Если содержание каждого из этих элементов составляет менее чем 0,1%, эффект улучшения пластичности уменьшается. Таким образом, содержание каждого из этих элементов устанавливается равным 0,1% или более. Содержание каждого из этих элементов предпочтительно составляет 0,3% или более, а предпочтительнее 0,5% или более. С другой стороны, если содержание каждого из этих элементов превышает 2,0%, твердость титанового сплава увеличивается, тем самым повышая вероятность уменьшения обрабатываемости резанием и горячей обрабатываемости давлением, такой как ковкость. Таким образом, содержание каждого из этих элементов устанавливается равным 2,0% или менее. Содержание каждого из этих элементов предпочтительно составляет 1,5% или менее, а предпочтительнее 1,0% или менее.
Al: 2,0-8,5%
[0019] Al является α-стабилизирующим элементом и поэтому содержится в титановом сплаве для образования α-фазы. Если содержание Al составляет менее 2,0%, образование α-фазы уменьшается, что не позволяет получить достаточную прочность. Таким образом, содержание Al устанавливается равным 2,0% или более. Содержание Al предпочтительно составляет 2,2% или более, а предпочтительнее 3,0% или более. В то же время, если содержание Al превышает 8,5% и становится чрезмерным, пластичность титанового сплава ухудшается. Таким образом, содержание Al устанавливается равным 8,5% или менее. Содержание Al предпочтительно составляет 8,0% или менее, предпочтительнее 7,0% или менее, а еще более предпочтительно 6,0% или менее.
C: 0,08-0,25%
[0020] C является элементом, который проявляет эффект улучшения прочности титанового сплава. Для проявления такого эффекта содержание C должно составлять 0,08% или более. Содержание C предпочтительно составляет 0,10% или более. В то же время, если содержание C превышает 0,25%, остаются крупные частицы TiC, не перешедшие в твердый раствор α-фазы, что ухудшает механические свойства титанового сплава. Следовательно, содержание углерода устанавливается равным 0,25% или менее. Содержание C предпочтительно составляет 0,20% или менее.
1,0-7,0% в сумме по меньшей мере одного элемента из Cr 0-4,5% и Fe 0-2,5%
[0021] Эти элементы являются β-стабилизирующими элементами. Эти элементы могут использоваться по отдельности или в комбинации. Для проявления вышеупомянутых эффектов суммарное содержание этих элементов должно составлять 1,0% или более. Суммарное содержание этих элементов предпочтительно составляет 2,0% или более, а предпочтительнее 3,0% или более. Нижний предел суммарного содержания этих элементов должен составлять 1,0% или более, как упомянуто выше, а нижний предел содержания каждого из этих элементов особо не ограничен. Что касается нижнего предела содержания отдельного элемента, например, то когда в титановом сплаве содержится Cr, нижний предел содержания Cr может быть установлен равным 0,5% или более, и даже 1,0% или более. Когда в титановом сплаве содержится Fe, нижний предел содержания Fe может быть установлен равным 0,5% или более, и даже 1,0% или более.
[0022] С другой стороны, когда суммарное содержание этих элементов является чрезмерным, пластичность титанового сплава ухудшается. Таким образом, суммарное содержание этих элементов устанавливается равным 7,0% или менее. Суммарное содержание этих элементов предпочтительно составляет 5,0% или менее, а предпочтительнее 4,0% или менее. Даже когда суммарное содержание этих элементов находится внутри вышеупомянутого диапазона суммарного содержания, если содержание Fe является чрезмерным, ухудшение пластичности становится значительным. Таким образом, содержание Fe должно быть ограничено до 2,5% или менее. Содержание Fe предпочтительно составляет 2,0% или менее. В то же время, если содержание Cr является чрезмерным, обрабатываемость титанового сплава резанием ухудшается. Таким образом, содержание Cr устанавливается равным 4,5% или менее. Содержание Cr предпочтительно составляет 4,0% или менее, а предпочтительнее 3,0% или менее.
[0023] α-β титановый сплав в соответствии с настоящим изобретением содержит вышеупомянутые компоненты, а остаток составляют Ti и неизбежные примеси. Неизбежные примеси могут включать P, N, S, O и т.п. В α-β титановом сплаве по настоящему изобретению содержание P ограничено до 0,005% или менее; содержание N ограничено до 0,05% или менее; содержание S ограничено до 0,05% или менее; и содержание O ограничено до 0,25% или менее. α-β титановый сплав в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно содержать следующие элементы.
Более 0% и 10% или менее в сумме одного или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из V: более чем 0% и 5,0% или менее, Mo: более чем 0% и 5,0% или менее, Nb: более чем 0% и 5,0% или менее, и Ta: более чем 0% и 5,0% или менее.
[0024] Эти элементы являются β-стабилизирующими элементами. Эти элементы могут использоваться по отдельности или в комбинации. Чтобы образовалась β-фаза, суммарное содержание этих элементов предпочтительно составляет 2,0% или более, а предпочтительнее 3,0% или более. Если суммарное содержание этих элементов составляет более чем 0%, нижний предел содержания отдельного элемента особо не ограничен. Что касается нижнего предела содержания отдельного элемента, например, то когда в титановом сплаве содержится V, нижний предел содержания V может быть установлен равным 0,5% или более, и даже 2,0% или более. Когда в титановом сплаве содержится Mo, нижний предел содержания Mo может быть установлен равным 0,1% или более, и даже 1,0% или более. Когда в титановом сплаве содержится Nb, нижний предел содержания Nb может быть установлен равным 0,1% или более, и даже 1,0% или более. Когда в титановом сплаве содержится Ta, нижний предел содержания Ta может быть установлен равным 0,1% или более, и даже 1,0% или более.
[0025] С другой стороны, если суммарное содержание этих элементов является чрезмерным, пластичность титанового сплава ухудшается. Таким образом, суммарное содержание этих элементов предпочтительно составляет 10% или менее, а предпочтительнее 5,0% или менее. Даже когда суммарное содержание этих элементов находится в пределах вышеупомянутого диапазона, если содержание по меньшей мере одного из них является чрезмерным, пластичность титанового сплава ухудшается. Таким образом, верхний предел содержания любого из этих элементов предпочтительно составляет 5,0% или менее. Содержание любого из этих элементов предпочтительнее составляет 4,0% или менее.
Si: более чем 0% и 0,8% или менее
5
3
5
3
5
3
[0026] Si служит выделению TiSi в титановом сплаве. Во время резания напряжение концентрируется на TiSi, вызывая образование трещин от TiSi в качестве исходной точки, что облегчает отделение стружки. Следовательно, сопротивление резанию предположительно уменьшается. Для того, чтобы эффективно проявить этот эффект, содержание Si предпочтительно составляет 0,1% или более, а предпочтительнее 0,3% или более.
[0027] В то же время, если содержание Si является чрезмерным, прочность титанового сплава становится чрезвычайно высокой, в результате чего рабочий инструмент может сильно изнашиваться или ломаться, что затрудняет резание титанового сплава. Соответственно, содержание Si устанавливается равным 0,8% или менее. Содержание Si предпочтительнее составляет 0,7% или менее, а еще более предпочтительно 0,6% или менее.
2
2
5
3
[0028] Титановый сплав в соответствии с настоящим изобретением имеет при комнатной температуре микроструктуру, которая состоит из α-фазы и β-фазы, или из α-фазы, β-фазы и третьей фазы, такой как TiCu или TiNi. Когда в титановом сплаве содержится Si, выделяется TiSi в титановом сплаве, как было упомянуто выше.
β
β
β
[0029] Способ производства α-β титанового сплава особо не ограничен. Однако α-β титановый сплав может быть произведен, например, следующим способом. А именно, α-β титановый сплав получают выплавкой материала титанового сплава с вышеупомянутыми компонентами, литьем с получением слитка, а затем выполнением горячей обработки давлением, то есть горячей ковки или горячей прокатки слитка, с последующим отжигом при необходимости. Вышеупомянутая горячая обработка давлением включает в себя: нагревание слитка в диапазоне температур от температуры T β-превращения до приблизительно (T+250)°C, с последующей черновой ковкой или черновой прокаткой с коэффициентом обжатия приблизительно 1,2-4,0, который представлен отношением «начальная площадь поперечного сечения/площадь поперечного сечения после горячей обработки давлением», а затем выполнение конечной обработки с коэффициентом обжатия 1,7 или более в диапазоне температур приблизительно от (T - 50) до 800°C. После вышеупомянутой конечной обработки может быть выполнен отжиг при температуре 700-800°C при необходимости. Отжиг выполняется, например, в течение 2-24 часов. Затем может быть выполнена обработка старением при необходимости.
β
[0030] Следует отметить, что вышеупомянутая температура T определяется по нижеприведенной формуле (1). Нижеприведенная формула (1) соответствует формулам (1) - (3), упомянутым в публикации Morinaga и др., «Titanium alloy design using d electron theory», Light metal, Vol. 42, No. 11 (1992), p. 614-621.
-4
β
Boave=0,326Mdave - 1,95×10T+ 2,217 (1)
В формуле (1) соответствующие символы означают следующее:
Boave= ⋅ (Bo)i (2)
Mdave= ⋅ (Md)i (3)
β
где T - температура β-превращения (K).
Когда каждый элемент представлен как элемент i в формуле (2), Boave означает среднее значение порядка связи Bo элемента i, Xi - атомную долю элемента i, а (Bo)i - значение порядка связи Bo элемента i.
Когда каждый элемент представлен как элемент i в формуле (3), Mdave означает среднее значение параметра Md энергии d-орбитали элемента i, Xi - атомную долю элемента i, а (Md)i - значение параметра Md энергии d-орбитали элемента i.
β
β
[0031] Порядок связи Bo и параметр Md энергии d-орбитали каждого элемента приведены в Таблице 1 на с.616 вышеупомянутой публикации. Значение Xi определяется из состава. Из этих данных определяют значения Boave и Mdave каждого элемента, включая Ti, и подставляют в вышеупомянутую формулу (1), что позволяет вычислить значение T. Следует отметить, что эта публикация не содержит данных о Bo и Md для C. Однако поскольку содержание C в настоящем изобретении мало, им можно пренебречь при вычислении T.
[0032] Данная заявка испрашивает приоритет на основе японской патентной заявки № 2015-064275, поданной 26 марта 2015 г., и японской патентной заявки № 2016-009417, поданной 21 января 2016 г., раскрытие которых включено сюда посредством ссылки.
Примеры
[0033] Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью примеров, но оно не ограничено нижеследующими примерами. Очевидно, что могут быть проделаны различные модификации этих примеров, при условии, что они соответствуют упомянутым выше и ниже концепциям и не выходят за объем настоящего изобретения.
[Первый пример]
[0034] Опытные материалы изготовили следующим образом. Титановый сплав с каждым составом, показанным в нижеприведенной Таблице 1, подвергали луночной дуговой плавке для получения слитка с размером примерно 40 мм диаметром на 20 мм высотой. В каждом примере содержание P было ограничено до 0,005% или менее; содержание N было ограничено до 0,05% или менее; содержание S было ограничено до 0,05% или менее; и содержание O было ограничено до 0,25% или менее. В Таблице 1 знак «-» означает, что соответствующий элемент не содержался. Слиток нагревали до 1200°C и подвергали черновой ковке с коэффициентом обжатия 2,4, определяемым как «начальная площадь поперечного сечения/площадь поперечного сечения после горячей обработки давлением», с последующей ковкой с коэффициентом обжатия 4,4 при 870°C для выполнения конечной обработки. После этого выполняли отжиг кованого материала путем его выдержки при 750°C в течение 12 часов, в результате чего получался опытный материал. Следует отметить, что, как показано в Сравнительном примере 7 нижеприведенной Таблицы 1, опытный материал, в котором появилась трещина при черновой ковке, не подвергался ковке в размер.
Оценка ковкости
[0035] В этом примере горячую обрабатываемость давлением оценивали по ковкости в горячем состоянии. Более подробно, оценивали наличие или отсутствие трещин на каждой из стадий ковки, а именно, упомянутых выше черновой ковки и ковки в размер. Таким образом, поверхность вышеупомянутого опытного материала визуально изучали после каждой стадии ковки. Опытные материалы с какой-либо трещиной оценивали как NG, в то время как не имеющие трещин опытные материалы оценивали как OK. Затем опытные материалы, оцененные как OK и при черновой ковке, и при ковке в размер, оценивали как имеющие превосходную ковкость.
Оценка обрабатываемости резанием
[0036] Опытные материалы с хорошей ковкостью оценивали на обрабатываемость резанием следующим образом. Из вышеупомянутого опытного материала брали тестовый образец с указанным ниже размером и на нем выполняли испытание резанием при указанных ниже условиях резания. Обрабатываемость резанием оценивалась как среднее сопротивление резанию путем измерения сопротивления резанию в направлении резания с помощью динамометра резания Кесслера, модель 9257 B, от начала до конца резания, а затем определения среднего значения сопротивления резанию от начала до конца резания. При выполнении испытания резанием на сплаве Ti-6Al-4V в качестве обычного α-β титанового сплава при тех же самых условиях среднее сопротивление резанию составило 180 Н. Из-за этого в первом примере тестовые материалы с более низким средним сопротивлением резанию, чем 180 Н, оценивались как отличные по обрабатываемости резанием, в то время как тестовые материалы со средним сопротивлением резанию в 180 Н или выше, оценивались как плохие по обрабатываемости резанием.
[0037] Условия резания
Тестовый образец: 10 мм в высоту × 10 мм в ширину × 150 мм в длину
Инструмент: Карбидный наконечник S30T (режущая кромка 0,4 мм) производства компании Sandvik Corporation
Торцевая фреза R390 производства компании Sandvik Corporation (диаметр 20 мм, одно лезвие)
Скорость резания Vc: 100 м/мин
Глубина резания в осевом направлении: 1,2 мм
Глубина резания в радиальном направлении: 1 мм
Скорость подачи: 0,08 мм/лезвие
Длина резания: 150 мм
Смазочно-охлаждающая жидкость: нет
Измерение прочности при растяжении
[0038] Прочность при растяжении α-β титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением также измеряли для сравнения. Более подробно, использовали титановые сплавы Примеров 1 и 3 и Сравнительного примера 1, которые подвергали испытанию на растяжение при следующих условиях по форме и скорости тестирования образца. В результате тестовые материалы имели предел прочности 948 МПа в Примере 1, 1125 МПа в Примере 3 и 948 МПа в Сравнительном примере 1, то есть все эти пределы прочности были относительно высокими. В частности, пределы прочности этих тестовых материалов были более высокими, чем предел прочности в 896 МПа у отожженного материала Ti-6Al-4V в качестве обычного α-β титанового сплава.
Форма испытываемого образца: ASTM E8/E8M Фиг. 8 Образец 3
Скорость теста: 4,5 мм/мин
[0039] Результат оценки вышеупомянутой ковкости и среднего сопротивления резанию также показаны в Таблице 1.
[0040]
[Таблица 1]
Состав (мас.%),остаток - Ti и неизбежные примеси
T<sub>β</sub>
Ковкость
Среднее сопротивление резанию
Cu
Ni
Si
Al
C
Cr
Fe
(°C)
Черновая ковка
Ковка в размер
(Н)
Пример 1
0,5
0,5
-
4,5
0,10
2,5
1,2
976
OK
OK
148
Пример 2
1,0
1,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
974
OK
OK
170
Пример 3
2,0
2,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
969
OK
OK
167
Пример 4
-
0,5
-
4,5
0,10
-
1,2
1010
OK
OK
129
Пример 5
0,5
0,5
-
4,5
0,10
-
1,2
1011
OK
OK
148
Пример 6
-
1,0
-
4,5
0,10
-
1,2
1006
OK
OK
140
Пример 7
1,0
1,0
-
4,5
0,10
-
1,2
1009
OK
OK
146
Пример 8
2,0
2,0
-
4,5
0,10
-
1,2
1004
OK
OK
155
Сравнительный пример 1
-
-
-
4,5
0,10
2,5
1,2
979
OK
OK
199
Сравнительный пример 2
-
3,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
957
OK
OK
229
Сравнительный пример 3
3,0
3,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
965
OK
OK
241
Сравнительный пример 4
4,0
-
-
4,5
0,10
2,5
1,2
989
OK
NG
-
Сравнительный пример 5
6,0
-
-
4,5
0,10
2,5
1,2
994
OK
OK
234
Сравнительный пример 6
4,0
4,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
960
OK
OK
261
Сравнительный пример 7
6,0
6,0
-
4,5
0,10
2,5
1,2
950
NG
-
-
[0041] Таблица 1 показывает следующее. Все Примеры 1-8 удовлетворяли составу, определяемому настоящим изобретением, и оказались хорошо пригодными для ковки и имеющими превосходную ковкость. Кроме того, было найдено, что эти примеры имеют более низкое среднее сопротивление резанию, чем материал Ti-6Al-4V в качестве обычного α-β титанового сплава, а также имеют хорошую обрабатываемость резанием.
[0042] В противоположность этому, все Сравнительные примеры 1-7 не соответствовали составу, определяемому настоящим изобретением, и в результате обладали худшей ковкостью или обрабатываемостью резанием. Более подробно, в Сравнительном примере 1 не содержалось ни Cu, ни Ni, что привело к высокому среднему сопротивлению резанию. Сравнительный пример 1 имел тот же самый состав, что и в патентном документе 6. Сравнение вышеупомянутых Примеров 1-3 со Сравнительным примером 1, в котором составляющие элементы, отличающиеся от Cu и Ni, и их содержания являются теми же самыми, что и в Примерах 1-3, показывает, что для того, чтобы гарантированно получить хорошую обрабатываемость резанием за счет существенного уменьшения среднего сопротивления резанию, сплав должен содержать указанное количество по меньшей мере одного из Cu и Ni, как упомянуто в настоящем изобретении.
[0043] В Сравнительном примере 2, который содержал Ni, содержание Ni было чрезмерным. В Сравнительном примере 5, который содержал Cu, содержание Cu было чрезмерным. В обоих примерах среднее сопротивление резанию было более высоким, чем 180 Н, что означает плохую обрабатываемость резанием. В Сравнительных примерах 3 и 6 соответствующие содержания Cu и Ni были чрезмерными. В обоих Сравнительных примерах среднее сопротивление резанию было более высоким, чем 180 Н, что означает плохую обрабатываемость резанием.
[0044] Поскольку в Сравнительном примере 4 содержание Cu было чрезмерным, ковкость была ухудшена. Поскольку в Сравнительном примере 7 соответствующие содержания Cu и Ni были сильно избыточными, произошло растрескивание на стадии черновой ковки, что означает плохую ковкость.
[Второй пример]
[0045] Во втором примере было изучено влияние содержания Si, в частности на обрабатываемость резанием. Как показано в Таблице 2, изготовили различные слитки металла с различными содержаниями Si с получением тестовых материалов таким же образом, что и в первом примере. В каждом примере содержание P было ограничено до 0,005% или менее; содержание N было ограничено до 0,05% или менее; содержание S было ограничено до 0,05% или менее; и содержание O было ограничено до 0,25% или менее. В Таблице 2 знак «-» означает, что соответствующий элемент не содержался.
[0046] Каждый из вышеупомянутых тестовых материалов использовали для того, чтобы подтвердить наличие или отсутствие выделившейся фазы, как упомянуто ниже, и измеряли твердость по Виккерсу тестового материала в качестве показателя прочности во втором примере. Кроме того, ковкость тестового материала оценивали таким же образом, как и в первом примере, а его обрабатываемость резанием оценивали так, как упомянуто ниже. Для сравнения прочность при растяжении тестового материала № 3 в Таблице 2 измеряли таким же образом, что и в первом примере. Этот тестовый материал № 3 имел предел прочности 968 МПа, то есть более высокий, чем предел прочности, то есть 896 МПа, у отожженного материала Ti-6Al-4V в качестве обычного α-β титанового сплава.
Оценка присутствия или отсутствия выделившейся фазы
5
3
[0047] Разрез тестового материала полировали до зеркального состояния, после чего обрабатывали фтористоводородной кислотой до такой степени, чтобы стало видно границы кристаллических зерен, а затем визуально наблюдали в десяти полях зрения, каждое из которых имело размер 40 мкм × 40 мкм, с помощью сканирующего электронного микроскопа с автоэлектронной эмиссией (FE-SEM) при 4000-кратном увеличении. Тестовые материалы, в которых выделившаяся фаза с эквивалентным диаметром окружности в 2 мкм или более была найдена в сумме в пяти или более из вышеупомянутых десяти полей зрения, оценивались как имеющие выделившуюся фазу. Тестовые материалы, в которых выделившаяся фаза была найдена в сумме в четырех или менее из вышеупомянутых десяти полей зрения, оценивались как не имеющие выделившейся фазы. Следует отметить, что вышеупомянутую выделившуюся фазу отдельно признали как TiSi с помощью рентгеновской дифракции (XRD).
[0048] Фиг. 1 показывает один пример микрофотографии, полученной с помощью вышеупомянутого микроскопа. Эта микрофотография получена путем измерения тестового материала № 3, показанного в Таблице 2, со стрелкой, указывающей одну выделившуюся фазу.
Измерение твердости по Виккерсу HV
[0049] Твердость по Виккерсу HV измеряли в пяти местах каждого тестового материала при условии нагрузки в 10 кгс, и измеренные значения усредняли. Таким образом определяли среднее значение твердости по Виккерсу.
Оценка обрабатываемости резанием
[0050] Тестовые материалы, оцененные как имеющие хорошую ковкость таким же образом, как и в первом примере, то есть все примеры, показанные в Таблице 2, оценивали на их обрабатываемость резанием следующим образом. Из вышеупомянутого тестового материала брали тестовый образец с указанным ниже размером и на нем выполняли испытание резанием при указанных ниже условиях резания. Обрабатываемость резанием оценивали как среднее сопротивление резанию путем измерения сопротивления резанию в направлении резания с помощью динамометра резания Кесслера, модель 9257 B, от начала до конца резания, а затем определения среднего значения сопротивления резанию от начала до конца резания. При выполнении испытания резанием на сплаве Ti-6Al-4V в качестве обычного α-β титанового сплава при тех же самых условиях среднее сопротивление резанию составило 122 Н. Из-за этого во втором примере тестовые материалы с более низким средним сопротивлением резанию, чем 122 Н, оценивали как имеющие превосходную обрабатываемость резанием, в то время как тестовые материалы со средним сопротивлением резанию в 122 Н или выше, оценивались как имеющие плохую обрабатываемость резанием.
[0051] Условия резания
Тестовый образец: 10 мм в высоту × 10 мм в ширину × 60 мм в длину
Инструмент: Карбидный наконечник S30T (режущая кромка 0,4 мм) производства компании Sandvik Corporation
Торцевая фреза R390 производства компании Sandvik Corporation (диаметр 20 мм, одно лезвие)
Скорость резания Vc: 100 м/мин
Глубина резания в осевом направлении: 1,2 мм
Глубина резания в радиальном направлении: 1 мм
Скорость подачи: 0,08 мм/лезвие
Длина резания: 15 мм
Смазочно-охлаждающая жидкость: нет
[0052] Эти результаты также показаны в Таблице 2.
[0053] [Таблица 2]
№
Состав (мас.%),остаток - Ti и неизбежные примеси
T<sub>β</sub>
Выделившаяся фаза
HV
Ковкость
Среднее сопротивление резанию
Cu
Ni
Si
Al
C
Cr
Fe
(°C)
Черновая ковка
Ковка в размер
(Н)
1
0,5
0,5
-
4,5
0,10
2,5
1,2
976
Отсутствует
298
OK
OK
111
2
0,5
0,5
0,1
4,5
0,10
2,5
1,2
993
Присутствует
316
OK
OK
99
3
0,5
0,5
0,3
4,5
0,10
2,5
1,2
1027
Присутствует
320
OK
OK
105
4
0,5
0,5
0,8
4,5
0,10
2,5
1,2
1110
Присутствует
335
OK
OK
112
5
0,3
0,3
0,3
4,5
0,10
2,5
1,2
1028
Присутствует
316
OK
OK
106
6
2,0
2,0
0,5
4,5
0,10
2,5
1,2
1054
Присутствует
365
OK
OK
120
7
2,0
2,0
1,0
4,5
0,10
2,5
1,2
1137
Присутствует
380
OK
OK
134
8
2,0
2,0
2,0
4,5
0,10
2,5
1,2
1303
Присутствует
397
OK
OK
Измерение невозможно из-за повреждения инструмента
[0054] Таблица 2 показывает следующее. А именно, как это ясно показано, тестовый материал № 1, имеющий тот же самый состав, что и в Примере 1 из Таблицы 1, сравнивался с тестовыми материалами № 2-6, в частности тестовыми материалами № 2-4, в которых содержания элементов, отличающихся от Si, были теми же самыми, что и в Примере 1 из Таблицы 1. Из результатов этого сравнения видно, что вариант, который содержит Si в титановом сплаве, позволил дополнительно уменьшить среднее сопротивление резанию и обеспечить достаточно высокую обрабатываемость резанием по сравнению со случаем, в котором Si не содержался. В отличие от этого, когда содержание Si было чрезмерным, как в тестовых материалах № 7 и № 8, твердость титанового сплава становилась чрезвычайно высокой, увеличивая среднее сопротивление резанию, а также вызывая такие неудобства, как повреждение рабочего инструмента.