JPH04301044A - 冷間加工可能な高靱性チタン合金 - Google Patents

冷間加工可能な高靱性チタン合金

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JPH04301044A
JPH04301044A JP6479191A JP6479191A JPH04301044A JP H04301044 A JPH04301044 A JP H04301044A JP 6479191 A JP6479191 A JP 6479191A JP 6479191 A JP6479191 A JP 6479191A JP H04301044 A JPH04301044 A JP H04301044A
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JP
Japan
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alloy
toughness
cold
cold working
strength
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP6479191A
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English (en)
Inventor
Atsuhiko Kuroda
篤彦 黒田
Minoru Okada
稔 岡田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化学工業およびエネル
ギー開発分野において用いられる、あるいは一般工業用
構造材として用いられるチタン合金、特にα+β型合金
に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的なチタン合金として現在使用され
ているTi合金では、工業用純Tiおよびα型、α+β
型、β型の各チタン合金が知られており、以下にあって
は、このうちα+β型のチタン合金について説明する。 α+β型のチタン合金としては、Ti−6Al−4V、
Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−6Al
−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−3Al−2.5V、
Ti−8Al−1Mo−1Vが知られている。
【0003】このようにα+β型チタン合金にあって各
種合金元素が知られているが、そのうちチタン合金に対
するNiの添加例には次のようなものがある。 a) α+β型チタン合金に白金族元素を0.02から
0.2 %または白金族元素を0.005 から0.1
2%並びにNi、Co、W、Moのうち1種以上を0.
05〜2.0 %添加し、苛酷な油井環境中での耐食性
を向上させたチタン合金( 特開昭63−114981
号) 。 b) Ti−6Al−4V合金の超塑性特性を改善させ
るため2%のCo、Fe、Ni、Crを添加させること
を特徴とした合金(METALLURGICAL TR
ANSACTION A, Vol.14A,Dec.
1983, pp.2535 〜2544) 。
【0004】その他、α+β型のチタン合金であるTi
−3Al−2.5V合金は、冷間加工可能な合金として
知られており、その基本的な成分はAlが2.5 〜3
.5 %、Vが2.0 〜3.0 %である。この合金
はAMS に規格化されており、特にAMS 4943
A には焼鈍材としての規格がある。これによると冷間
加工後、593〜788 ℃に15〜60分焼鈍するこ
とが規定されている。またAMS 4944には冷間加
工材の規格があり、これによると冷間加工後、370 
℃以上の温度で30分以上応力除去焼鈍することが規定
されている。しかしながら、上記の2つの規格には冷間
加工度に関する規定はない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】チタン合金はその高強
度、低比重の特性を活かし構造材として用いられている
。ところがチタン合金は靱性が低いため構造材として用
いた場合、亀裂に対する抵抗が弱くなる。従って、チタ
ン合金を構造材として用いる場合、強度の向上のみを主
眼とするのではなく靱性値の向上にも注意を注ぐ必要が
ある。しかしながら、現在までのところ、強度を確保し
つつ靱性値を向上させる方法が不明である。
【0006】そこで冷間加工により加工強化することが
一つの手段として考えられるが、従来知られている冷間
加工可能な合金である前述のTi−3Al−2.5V合
金では冷間加工後の靱性が著しく低下し、強度目標は満
足されるものの、靱性の点から不十分な結果となる。こ
こに、本発明の一般的目的は、冷間加工可能であって、
強度および靱性値のバランスに優れたチタン合金を提供
することである。
【0007】本発明のより具体的目的は、室温における
0.2 %耐力が70.0kgf/mm2 以上で、か
つ靱性値をシャルピーにて評価し室温(25 ℃) で
のシャルピー衝撃値が5.0 kgf/mm2 以上で
ある強度および靱性に優れたチタン合金を提供すること
である。
【0008】さらに、本発明の目的は、チタン合金の成
分割合と冷間での加工条件と熱処理条件とを最適に組合
わせることにより、強度および靱性値のバランスに優れ
たチタン合金を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる課
題を解決するために種々検討を重ね、次のような知見を
得た。 (a) 冷間加工可能な合金として知られているTi−
3Al−2.5V合金に冷間加工を行ったところ、冷間
加工により強度が向上するが、しかし、冷間加工度の上
昇によって強化すると強度の上昇に伴い靱性が低下する
。 (b) 上記のチタン合金の靱性を評価するとともに、
その破壊形態を観察した結果、破壊の際に伝播している
主亀裂の前方に微細な割れが発生しこの割れが連結して
亀裂に発展する。さらに微細な割れの発生場所はα相と
β相の界面である。従って、破壊の亀裂発生に対する抵
抗を増加させることが可能ならばα+β型のチタン合金
の靱性向上が可能である。すなわち、α相とβ相の界面
を強化すれば微少な亀裂発生に対する抵抗を高めること
が可能となり、靱性の向上が可能である。
【0010】(c) 一方、Niはチタン合金にとって
β相に固溶するいわゆるβ安定化元素として知られてい
る。前記のα相とβ相の界面を強化するためには、Ni
を微量添加して、かつ必要により熱処理を適切に行うこ
とでα相とβ相の界面を強化することが有効であり、従
って亀裂の伝播抵抗すなわち靱性値を高めることができ
る。 (d) また加工強化の目的で冷間加工する場合、冷間
加工後の熱処理条件を適切に制御すれば靱性の低下はな
く、前記の強度・靱性の目標に到達可能である。
【0011】ここに、本発明は、重量%にて、Alが2
.0 〜4.0 %、Vが1.5 〜3.0 %、Ni
が0.1 〜1.5 %を含み、残部がTiおよび不可
避的な不純物から成る、高い靱性値と良好な冷間加工性
を有するチタン合金である。また本発明にかかる合金の
製造条件については前記目標を達成するために冷間で2
0%以上の加工を加えた後、350 ℃以上800 ℃
以下の温度で15分以上焼鈍することが望ましい。
【0012】
【作用】次に本発明における合金組成の限定理由および
好適加工条件の限定理由についてそれぞれ記載する。 (1) Al、V Alはチタン合金にはα相安定化元素であり最も一般的
に用いられる添加元素である。一方、Vはβ相安定化元
素である。これらの元素は固溶強化の目的でチタン合金
に添加されている。まず強化するためにはAlが2.0
 %以上、またVが1.5 %以上添加することが必要
である。しかし、Alの濃度が4.0 %超になると固
溶強化が著しくなり、冷間加工性が低下するため冷間加
工時に割れが生じる。またVが3.0 %超含まれると
強度が著しく上昇するが、これに伴って靱性の低下が大
きく、強度・靱性の前述の目標値を満足することができ
なくなる。
【0013】(2) Ni Niの濃度が0.1 %未満であると靱性値の向上効果
が発揮されない。また1.5 %超含有するとTi2N
i の金属間化合物を析出し、脆化を招くため靱性値の
向上は不可能となる。その他、不可避な不純物としては
Fe、C、H、O、N、Y等が包含され、これらは通常
以下の範囲内で含まれることが許容される。 Fe:0.3%以下、C:0.10 %以下、H:0.
0125 %以下、O:0.20 %以下、N:0.0
5 %以下、Y:0.005%以下本発明にかかるチタ
ン合金の製造条件は以下の範囲内であることが望ましい
【0014】すなわち、冷間で20%以上の加工を行い
、その後350 ℃以上800 ℃以下の温度範囲で1
5分以上保持した後空冷する熱処理を加える。上記の内
、冷間加工での加工度は以下の式で与えられる。 R=100 × (Ao −Af ) /AoR : 
 冷間加工度 (%) Ao:  加工前断面積 Af : 加工後の製品断面積 なお、冷間での加工度が20%未満であれば強度目標が
達成されない。また熱処理温度が350 ℃未満では冷
間加工の影響が残存し靱性の目標が達成されず、一方、
800 ℃超の温度では完全に再結晶を起こし強度の目
標が達成されなくなる。更に熱処理時の保持時間が15
分未満では熱処理の効果が発揮されず靱性目標が達成で
きなくなる。 熱処理時間の上限側では経済的な理由から8時間程度を
限定とするのが適当である。
【0015】
【実施例1】本例では、表1に示す組成割合の各チタン
合金を溶解し機械的性質を調査した。供試材は各1kg
のインゴット (外径φ50mm×高さ110mm)を
アルゴン雰囲気下でスカル溶解により溶製した。インゴ
ットは1100℃に加熱後、幅50mm×厚さ30mm
まで鍛造によって加工してから、900 ℃に再加熱し
て幅50mm×厚さ7mmまで熱間圧延を行った。熱間
での圧延後の素材は熱間加工で発生したスケールを除去
する目的で厚さ6mmまで機械加工した後、厚さ3mm
まで冷間で50%の圧延を加えた。
【0016】添加した成分系によってはこの冷間加工で
割れが発生する場合があった。この場合、冷間加工後に
製品端部から1mm以上の割れが発生したものは冷間加
工性が乏しいものとして機械的性質の評価対象から除外
した。冷間圧延後の素材は550 ℃に加熱後、30分
間保持し空冷を行った。熱処理後の素材より圧延長手方
向に平行部の肉厚3mm、幅6.25mm、標点間距離
=25mmの板状試験片を採取し、ASTMに準拠して
室温で引張性質を調査した。また靱性値を評価する目的
で圧延長手方向に幅2.5 mm JIS4号 1/4
サイズのシャルピー衝撃試験片(Vノッチ) を採取し
25℃にて試験を行った。この場合、シャルピー衝撃試
験片の採取方向は圧延方向に平行で亀裂の進展方向は圧
延方向と直角とした。
【0017】表1に試験結果を示す。試験結果の評価は
、0.2 %耐力とシャルピー衝撃値に注目して行い、
0.2 %耐力が70.0 kgf/mm2以上、かつ
シャルピー値が5.0  kgf/mm2以上を達成し
た場合に評価○とした。表1の結果より本発明の規定す
る範囲内の成分において強度・靱性値の目標が達成され
ていることが判る。
【0018】
【実施例2】本例では、Ti−3.2 Al−2.6 
V−0.6Ni の合金150 kgを真空アーク溶解
し、得られたインゴット (φ300mm)を1150
℃に加熱後、鍛造にて幅50mm×厚さ30mmとした
。さらに900 ℃に加熱後、熱間圧延にて幅50mm
厚さ12mmに仕上げた。圧延後の素材より厚さ10m
mの冷間圧延素材を採取し冷間加工度を70%まで変化
させ冷間加工度の影響を調べた。冷間加工後の熱処理は
、500 ℃で30分間の焼鈍を行った。表2に加工お
よび処理条件を示す。熱処理後の機械的性質の調査方法
は実施例1の場合と同じであった。ただし、引張試験片
の厚みは2mmとした。
【0019】機械的性質の調査結果を表2に併せて示す
。評価方法は実施例1と同じであった。これより前記の
望ましい製造条件下で加工が実施された場合、強度・靱
性はそれぞれ目標値を満足していることが判る。また熱
処理条件の検討は厚さ5mmまで50%冷間加工した素
材について行った。表3に検討した条件を示す。結果の
評価方法は実施例1と同じであった。この結果を表3に
併せて示す。これより前記の望ましい製造条件下で熱処
理された場合に強度・靱性の目標が満足していることが
判る。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、構造材として用いられ
る高強度で高靱性を有する冷間加工可能なチタン合金と
その製造方法が提供され、チタン合金、特にα+β型チ
タン合金の利用分野が大きく拡大される。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  重量%にて、Alが2.0 〜4.0
     %、Vが1.5 〜3.0 %、Niが0.1 〜1
    .5 %を含み、残部がTiおよび不可避的な不純物か
    ら成る、高い靱性値と良好な冷間加工性を有するチタン
    合金。
JP6479191A 1991-03-28 1991-03-28 冷間加工可能な高靱性チタン合金 Withdrawn JPH04301044A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005118898A1 (ja) * 2004-06-02 2005-12-15 Sumitomo Metal Industries, Ltd. チタン合金およびチタン合金材の製造方法
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