JPH06108187A - 窒素添加高強度チタン合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】Ｎ、Ａｌ、Ｏを含有し、これらが重量％で、
０．０６≦Ｎ≦０．２０、２．０≦Ａｌ≦６．０、８．
２≦Ａｌ＋２０×Ｏ＋４０×Ｎ≦１４．６の関係を満足
し、さらに、Ｖ，Ｍｏのうち１種以上、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍ
ｎのうち１種以上含有し、これらが重量％で、６．２≦
Ｖ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）≦１２．１、１．
０≦Ｍｏの関係を満足し、残部がＴｉ及び不可避的不純
物からなる窒素添加高強度チタン合金。 【効果】複雑な熱処理を用いず１回の熱処理により高強
度を維持しつつ高い延性を得ることができ、かつ熱間変
形抵抗が低く優れた熱間加工性を有する窒素添加高強度
チタン合金が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱間鍛造時の製造性
に優れた窒素添加高強度チタン合金に関する。

【０００２】

【従来技術】チタン材料の高強度化は、Ｏ（酸素），Ａ
ｌ，Ｖ等の元素を添加することによってなされ、現在種
々の組成の高強度チタン合金が存在する。日本において
はチタン合金は規格化されていないが、工業用純チタン
はＪＩＳによりＯ，Ｆｅ含有量によって規定されてい
る。そして、これらの含有量が多い程高強度化すること
が知られている。一方、米国においては、チタン合金を
含めた多数のチタン材料がＡＳＴＭ等に規格化されてい
る。しかし、Ｎ（窒素）は不可避不純物として規定され
ただけである。例えば、代表的チタン合金であるＴｉ−
６Ａｌ−４ＶにおいてＮは０．０５ｗｔ％以下であり、
他の大部分のチタン合金も同様であり、Ｔｉ−５Ａｌ−
２．５Ｓｎ合金においてＮが０．０７ｗｔ％以下と若干
高く規定されているのみである。このようにＮを積極的
に添加して高強度化を図った規格化されたチタン合金は
未だ存在しない。

【０００３】特開平１−２５２７４７には、純チタンに
Ｎ，Ｏ，Ｃ等を積極的に添加して高強度化を試みている
が、強度の絶対値が高くない割には延性の低下が大き
く、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金
に比べて機械的性質上の有利な点があるとは考えられな
い。

【０００４】特開平２−１７３２３４や特開平３−２７
４２３８１には、Ａｌ，Ｖ，Ｍｏ，Ｆｅ等の合金元素を
添加した高強度チタン合金が提案されているが、Ｎは不
可避不純物と考えられ、その量はＡＳＴＭ規格等で規格
されている０．０５ｗｔ％以下であると考えられる。従
ってＮを積極的に添加して高強度化したチタン合金では
ない。また、これらの合金の特徴は、８００℃以下の温
度で変形抵抗が小さく加工性（超塑性伸び）が優れてい
ることであり、最適な熱間加工温度は８００℃以下であ
ると考えられる。しかし加工時の歪速度が非常に小さい
超塑性加工とは異なり、歪速度の大きい熱間鍛造では、
８００℃以下の加工温度においてチタン材料自体の弾性
率が大きく反発力が高くなりハネ等が発生するため、製
造性が良いとは言えない。

【０００５】一方、文献 Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａ Ｔｅ
ｃｈｎｉｃａｌ Ｇｕｉｄｅ（ＡＳＭ ＩＮＴＥＲＮＡ
ＴＩＯＮＡＬ，Ｍｅｔａｌｓ Ｐａｒｋ，１９８８ Ｐ
６２〜Ｐ６８に述べられているように、チタン合金を高
強度化する方法として、熱処理（溶体化時効処理）によ
る方法がある。しかし、溶体化時効処理は、熱処理を２
回しなければならないこと、また溶体化後の冷却速度に
よって得られる強度が変化するため大型部材では高強度
が得にくいこと等の欠点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明はかかる事情
に鑑みてなされたものであって、複雑な熱処理を用い
ず、一回の熱処理（焼鈍）で高強度を維持しつつ優れた
延性を得ることができ、かつ熱間変形抵抗が低く優れた
熱間加工性を有する窒素添加高強度チタン合金を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】この発明は、
Ｎ、Ａｌ、Ｏを含有し、これらが重量％で、 ０．０６≦Ｎ≦０．２０ ２．０≦Ａｌ≦６．０ ８．２≦Ａｌ＋２０×Ｏ＋４０×Ｎ≦１４．６ の関係を満足し、さらに、Ｖ，Ｍｏのうち１種以上、Ｆ
ｅ，Ｃｒ，Ｍｎのうち１種以上含有し、これらが重量％
で、 ６．２≦Ｖ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）≦１２．１ １．０≦Ｍｏ の関係を満足し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からな
ることを特徴とする窒素添加高強度チタン合金を提供す
る。

【０００８】本願発明者らが、上記課題を解決するため
検討を重ねた結果、室温において大きな強度上昇をもた
らし実質的に熱間加工時の変形抵抗を低下させる元素と
してＮが有効であることを見出した。Ｎはβ変態点を大
きく上昇させる効果があり、このためＮ添加チタン合金
のα＋β域の上限温度が上昇する。α＋β型チタン合金
の熱間加工は通常α＋β域で行なわれるため、上限温度
すなわちβ変態点の上昇は実質的に加工温度の上昇を意
味し、温度上昇分だけ材料は軟化し熱間変形抵抗は低下
する。

【０００９】この発明は、本願発明者らのこのような知
見に基づき、Ｎを一定量添加すると共に、以下の点を考
慮しつつ上記Ｎ添加の効果を損なわない他の合金元素の
組成を選定し、完成されたものである。

【００１０】１）焼鈍熱処理後にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金以上の強度が得られること。このためには、Ｎ単独添
加では強度不足のため、他の強化元素であるＡｌ，Ｏ，
Ｖ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎを複合添加する。

【００１１】２）強度上昇による極端な延性劣化が起こ
らないこと。このために、α相とβ相の混合組織となる
ように、α安定化元素（Ｎ，Ａｌ，Ｏ）だけでなく、こ
れらと共に適量β安定化元素（Ｖ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｒ，
Ｍｎ）を添加する。さらに、これにより結晶粒の微細化
を図り延性を向上させる。 ３）β変態点を９００℃以上にすること。このために、
α安定化元素とβ安定化元素のバランスを考慮する。

【００１２】なお、Ｎを添加する場合にＴｉＮのような
高融点の化合物を用いると、溶解時に溶け残りが生じる
恐れがある。従って、Ｎ添加用の溶解原料として低融点
のフェロ窒化クロム、窒化マンガンを使用することが好
ましい。以下、本発明について詳細に説明する。先ず各
元素添加量の限定理由について述べる。

【００１３】Ｎは強度上昇やβ変態点上昇に非常に有効
な元素であるが、過度に添加した場合には延性や靱性の
極端な低下をもたらす。そして、Ｎ量が０．０６重量％
よりも少ないとその効果が現われず、延性や靱性の低下
は０．２０重量％を超えると大きくなる。このためＮの
含有量を０．０６重量％以上０．２０重量％以下に規定
する。

【００１４】ＡｌはＮと同様にα安定化元素であり強度
上昇やβ変態点上昇に有効な元素であり、ＮやＯと共に
添加することにより大きな強度上昇を得ることができ
る。さらにα＋β二相混合組織の形成にも重要な役割を
はたす。しかし、Ａｌ量が２．０重量％より少ないと高
強度が得られず、６．０重量％を超えると延性、靱性の
劣化が著しくなる。このためＡｌ量を２．０重量％以
上、６．０重量％以下に規定する。

【００１５】さらにα安定化元素量と強度・延性との関
係について様々な実験結果をまとめることにより、Ａｌ
＋２０×Ｏ＋４０×Ｎで表わされるα安定化元素量（α
ｓ）が８．２より小さいと強度が十分に高くなく、１
４．６を超えると延性の低下が顕著になることが判明し
た。従って、Ａｌ＋２０×Ｏ＋４０×Ｎの値を８．２以
上、１４．６以下に限定した。

【００１６】微細なα＋β二相組織を得るためには、β
安定化元素を適量添加する必要がある。この場合に、Ｎ
添加による高強度化を効果的に達成するためには、β安
定化元素としてβ全率固溶型のＶ，Ｍｏのうち少なくと
も１種及び共析型のＦｅ，Ｃｒ，Ｍｎのうち少なくとも
１種を添加することが必要である。共析型β安定化元素
は加工性の良好なβ相を安定化させる効果が大きいた
め、高強度化したときの延性、靱性の低下防止に重要な
役割をはたす。しかし、共析型元素はＴｉとの間で脆い
金属間化合物をつくりやすいため多量には添加できな
い。このため、Ｔｉとの間で脆い金属間化合物を形成し
にくいＶ，Ｍｏと複合添加してβ相の安定化をはかるこ
とが必要となる。このようなβ安定化元素添加の効果を
実験結果からまとめるとＶ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃｒ＋
Ｍｎ）の値が６．２より小さいと延性が劣化してしま
い、１２．１より大きいとβ変態点が低下しすぎてしま
うことが判明した。従って、Ｖ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃ
ｒ＋Ｍｎ）の値を６．２以上１２．１以下に規定する。

【００１７】Ｍｏはα＋β二相組織の微細化に大きな効
果がある元素である。従って、高強度を維持しつつ十分
な延性を得るためにはＭｏを添加して合金のミクロ組織
を微細化することが効果的である。しかし、Ｍｏ量が
１．０重量％より少ないとその効果を実質に得ることが
できない。従ってＭｏ量を１．０重量％以上に規定す
る。

【００１８】チタン合金中へのＮの添加にはＴｉＮのよ
うな高融点の化合物を使用することが考えられるが、こ
のような高融点化合物を添加すると溶け残ってチタン合
金中に介在物として残留する可能性がある。この可能性
を低減させるためには、より低融点の窒素化合物を使用
することが考えられる。この際に同時にＦｅやＣｒ，Ｍ
ｎ等も添加できれば極めて効率的である。これらのこと
を考慮すると、窒素の添加原料としてフェロ窒化クロム
や窒化マンガンを用いることが好ましい。実際に用いた
窒素化合物の組成はそれぞれ３４．９重量％Ｆｅ，５
７．７重量％Ｃｒ，７．２重量％Ｎ及び９３．４重量％
Ｍｎ，６．６重量％Ｎであるが、組成が多少変化しても
効果を失うものではない。

【００１９】以上のように本発明によれば、高強度化に
非常に有効なＮを積極的に添加し、さらにα安定化元素
量、β安定化元素量を最適化することにより、（１）高
強度かつ高延性であり、かつ（２）β変態点が９００℃
以上で熱間鍛造し易いチタン合金が提供される。

【００２０】従って、複雑な熱処理を用いず、一回の焼
鈍熱処理によっても高強度と十分な延性が得られる。ま
た熱間鍛造時にはβ変態点が９００℃以上のため高温で
熱間加工ができ、低変形応力、高延性であるため製造性
に優れている。

【００２１】

【実施例】表１に示した種々のチタン合金を非消耗型ア
ルゴンアーク炉にて溶解し、β域（１１００℃加熱）で
鍛造後、α＋β域（８５０℃加熱）で１０ｍｍ厚に熱間
圧延した。この圧延板に対し、７２０℃に加熱して１時
間保持後空冷するという条件の焼鈍処理を施こし、添加
元素が強度、延性、熱間加工性に及ぼす影響を試験する
ための供試材とした。表１中合金番号１〜１４は本発明
の範囲に含まれる実施例であり、合金番号１５〜２４は
その範囲から外れる比較例である。また、合金番号２，
３，５〜７，９〜１４，２１，２２，２４はフェロ窒化
クロム又は窒化マンガンを溶解原料として使用した。な
お、表１のαｓはＡｌ＋２０×Ｏ＋４０×Ｎを示し、β
ｓはＶ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）を示す。

【００２２】

【表１】 これらの供試材を室温引張試験に供して室温での機械的
特性を評価し、さらにこれらのβ変態点及び熱間加工性
を把握した。

【００２３】室温引張試験は、平行部直径６．２５ｍ
ｍ、ゲージ長２５ｍｍの引張試験片を用いて行なった。
熱間加工性の調査は、平行部直径６．０ｍｍ、長さ３２
ｍｍの引張試験片を用い、８７５℃に真空中で加熱して
歪速度１０ｓ^-1で熱間引張試験を行ない減面率（ＲＡ）
で評価した。チタン合金のβ変態点は、圧延板から丸棒
状（直径３ｍｍ）の電気抵抗試験片を採取して、連続加
熱時の電気抵抗の変化からβ単相になる温度を求めて測
定した。これらの結果を表２に示す。なお、合金番号２
０及び２４はβ変態点が９００℃以下のため熱間加工性
を測定しなかった。

【００２４】

【表２】

【００２５】この表から明らかなように、合金番号１〜
１４の実施例では、延性の劣化を伴わずにＮ添加による
高強度化が達成されており、さらに熱間加工性の低下も
ないことが確認された。

【００２６】これに対し、合金番号１５はＴｉ−６Ａｌ
−４Ｖ合金であり、本願発明例よりも低強度で熱間加工
性も劣っている。また、合金番号１６は、Ｔｉ−６Ａｌ
−４Ｖ合金にＮを０．１０重量％添加した例であり、Ｎ
添加による強度上昇は認められるが、β安定化元素量
（βｓ）が不足していることやＭｏが添加されていない
ことによりミクロ組織が粗大なため、延性（Ｅｌ，Ｒ
Ａ）や熱間加工性が劣化していることがわかる。合金番
号１７，１８はＮ量やα安定化元素量（αｓ）が不足し
ている例であり、いずれもＮ量が０．０５重量％以下で
あるため強度が低く、また合金番号１７ではαｓが少な
いためβ変態点は９００℃よりも低くなっている。合金
番号１９はＮ量やαｓ量が多すぎる場合であり、Ｎ量が
０．２５重量％であるため延性の低下が著しい。合金番
号２０及び２１は、Ａｌ量が不足している場合と多すぎ
る場合とを夫々示しており、Ａｌ量が１．５重量％の番
号２０では強度が低く、β変態点も９００℃以下になっ
ているのに対し、Ａｌ量が７．０重量％の番号２１で
は、高強度だが低延性であることが確認される。合金番
号２２はＭｏ量が不足した例であり、Ｍｏが０．５重量
％ではミクロ組織の微細化がなされず延性が低い。番号
２３と２４はそれぞれβｓ量が不足している場合と多す
ぎる場合とを示している。βｓが６．０の番号２３では
十分な延性が得られず、βｓ量が１４．０の番号２４で
はβ変態点が９００℃より低いことが確認される。

【００２７】図１は、引張強さ（ＴＳ）と伸び（Ｅｌ）
に及ぼすＮ量の影響を示している。この図から明らかな
ように、Ｎ量が０．０６重量％以上、０．２０重量％以
下の範囲において、優れた強度と延性とが同時に得られ
ることが確認された。

【００２８】

【発明の効果】本願発明によれば、Ｎ添加により高強度
化をはかり、さらにα安定化元素量及びβ安定化元素量
を最適化したため、複雑な熱処理を用いず１回の熱処理
により高強度を維持しつつ高い延性を得ることができ、
かつ熱間変形抵抗が低く優れた熱間加工性を有する窒素
添加高強度チタン合金が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎ量と強度（ＴＳ）及び延性（Ｅｌ）との関係
を実施例及び比較例について示した図。

フロントページの続き (72)発明者 大内 千秋 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎ、Ａｌ、Ｏを含有し、これらが重量％
   で、 ０．０６≦Ｎ≦０．２０ ２．０≦Ａｌ≦６．０ ８．２≦Ａｌ＋２０×Ｏ＋４０×Ｎ≦１４．６ の関係を満足し、 さらに、Ｖ，Ｍｏのうち１種以上、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎの
   うち１種以上含有し、これらが重量％で、 ６．２≦Ｖ＋Ｍｏ＋２×（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）≦１２．１ １．０≦Ｍｏ の関係を満足し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からな
   ることを特徴とする窒素添加高強度チタン合金。
2. 【請求項２】 前記Ｎは、溶解原料としてフェロ窒化ク
   ロム、窒化マンガンを使用することにより添加されたも
   のであることを特徴とする請求項１に記載の窒素添加高
   強度チタン合金。