JPH06200341A

JPH06200341A - 快削高剛性Ｔｉ合金

Info

Publication number: JPH06200341A
Application number: JP70293A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Nagata; 辰夫永田; Wataru Takahashi; 渉高橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-01-06
Filing date: 1993-01-06
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】比強度、高剛性および切削性を要求される機
械部品用Ti合金を提供する。【構成】 Al：5.5 〜10％、B ：0.5 〜3.0 ％、O ：0.
25％以下、S ：0.01〜1.0 ％、REM ：0.01〜5.0 ％、残
部Tiおよび不可避不純物からなるとともに、金属ホウ化
物が晶出および／または析出してなる快削高剛性Ti合
金。ヤング率向上元素と切削性向上元素とが互いに反応
することなく、Ti合金に共存して、高剛性および快削性
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量かつ高剛性が要求
される機械部品、例えば自動車のエンジン部品 (例えば
コンロッド、ピストンピン、カムシャフトさらにはクラ
ンクシャフト) や航空機の脚部品等に適用するのに好適
な高剛性Ti合金であって、さらに前述の機械部品を低コ
ストで量産加工すべく、切削性にも優れた快削高剛性Ti
合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ti合金は、鉄鋼材料に比較すると比強度
が極めて高く、同程度の強度の場合には比重で40％近く
軽量である。しかし、Ti合金は、鉄鋼材料に比較する
と、切削性が非常に悪いという問題があり、機械部品に
加工すると極めて高価になってしまうという問題があっ
た。したがって、Ti合金はコスト高がある程度容認され
得る特定の機械部品にしか適用されていなかった。

【０００３】かかる問題を解決するため、例えば特開昭
60−251239号公報においては、Ｓ：0.001 〜10％ (以
下、本明細書においては特にことわりがない限り「％」
は「重量％」を意味するものとする) 、REM ：0.005 〜
10％および／またはCa：0.001〜10％を含有する快削Ti
合金が提案されている。この提案は、微量のREM および
Caのいずれか一方または双方をTi合金に添加すると、Ｓ
を含有するTi合金中の硫化物が粒状になり、靭性および
延性の低下を伴わずに、切削性が顕著に改善されるとし
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この提案のようにREM
さらにはS をTi合金に添加すると、Ti合金の切削性は確
かに改善される。しかし、切削性以外のTi合金の特性、
特に剛性は改善されない。したがって、前述の提案にか
かるTi合金を剛性が必要とされる機械部品に適用すると
剛性が不足し、この剛性の不足を、機械部品の肉厚を増
加することにより補う必要があり、軽量というTi合金の
長所を阻害するとともに機械部品の設計の自由度を著し
く損なう結果になってしまう。

【０００５】したがって、この提案にかかるTi合金を、
剛性および切削性が要求される部品、例えばコンロッ
ド、ピストンピン、カムシャフトさらにはクランクシャ
フト等の自動車エンジン部品や航空機脚部品等に適用す
ることはできず、結局軽量というTi合金の長所を利用す
ることはできなかった。

【０００６】ここに、本発明の目的は、軽量かつ高剛性
が要求される部品に適用するのに好適な高剛性Ti合金で
あって、前述の機械部品を低コストで量産加工すべく、
さらに切削性を改善した快削高剛性Ti合金を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ところで、本発明者等
は、先に特願平４−212880号により、Al：5.5 〜10％、
B ：0.5 〜3.0 ％、Ｏ：0.07〜0.25％、必要に応じてS
n、ZrおよびHfの一種または二種以上：20％以下、およ
び／またはV 当量＝V ＋(15/10)Mo ＋(15/6.3)Cr＋(15/
4.0)Fe＋(15/36)Nb ＋(15/9)Ni＋(15/25) Ｗを15％以下
にするβ相安定化元素の一種または二種以上、残部Tiお
よび不可避不純物からなり、そのTi合金マトリックス中
に金属ホウ化物が晶出および／または析出してなる高剛
性Ti合金を提案した。

【０００８】この高剛性Ti合金は、ヤング率を向上させ
るためにAl、Ｏを適量添加し、高温強度および耐クリー
プ性を向上させるためにSn、ZrおよびHfの一種または二
種以上を添加し、さらにβ相安定化元素を添加するとと
もに、高ヤング率のホウ化チタンの粒子をマトリックス
に分散させることにより、熱間加工が可能であって、引
張強さ：90kgf/mm²以上、ヤング率：13000kgf/mm²以上
の高剛性Ti合金を提供するものである。

【０００９】本発明者らは、この特願平４−212880号に
より提案した高剛性Ti合金の切削性を向上することによ
り、上記の目的を達成できる快削高剛性Ti合金を提供で
きるのではないかと考え、さらに鋭意検討を重ねた結
果、以下に列記する内容の知見を得た。

【００１０】α相安定化元素 (Al、O)、必要に応じ
て、固溶強化元素 (Sn、Hf、Zr) およびβ相安定化元素
(Ｖ、Mo、Cr、Fe等) を含むTi合金にＳ、REM を添加す
ると、切削性が改善される。上記の固溶強化元素やα相安定化元素およびβ相安定
化元素を含むTi合金にS、REM を添加しても、剛性の低
下は殆ど発生しない。

【００１１】Ｂは、Tiとの化合物 (TiB)の硬質分散粒
子を形成することによりマトリックスに晶出あるいは析
出し、Ti合金の剛性の向上を図ることができるが、Ｓ、
REM を添加してもその晶出あるいは析出の形態が変わる
ことはなく、TiB の硬質分散粒子が形成される。したが
って、Ｓ、REM を添加してもＢ添加による剛性向上効果
を維持できる。

【００１２】このようにS 、REM の添加によりTi合金
におけるB の反応に変化がないことと同様に、S 、REM
のTi合金中での反応がB 添加により変わることもない。
したがって、B を含むTi合金に対してS 、REM を添加す
ることにより、剛性を維持したまま切削性を改善するこ
とができる。本発明者らは、これらの知見に基づいてさ
らに鋭意検討を重ねて、本発明を完成した。

【００１３】ここに、本発明の要旨とするところは、A
l：5.5 〜10％、Ｂ：0.5 〜3.0 ％、O ：0.25％以下、
Ｓ：0.01〜1.0 ％、REM ：0.01〜5.0 ％、残部Tiおよび
不可避不純物からなる合金組成を有するとともに金属ホ
ウ化物が晶出および／または析出してなることを特徴と
する快削高剛性Ti合金である。

【００１４】上記の本発明にかかる快削高剛性Ti合金に
おいては、Sn、ZrおよびHfからなる群から選ばれた一種
または二種以上を合計で20％以下含有することにより高
温強度を増加することができる。また、少なくとも一種
のβ相安定化元素を、下記式

【００１５】

【数２】Ｖ当量＝Ｖ＋(15/10)Mo ＋(15/6.3)Cr＋(15/4)Fe ・・・・・で示されるＶ当量で15％以下含有することにより熱間加
工性や熱処理性を向上するのに加え、Ti₃Al の生成を抑
制する作用があるため、Alをより多く含有させることが
でき、剛性をより向上できる。

【００１６】

【作用】以下、本発明を作用効果とともに詳述する。本
発明は、前述のように、Al：5.5 〜10％、B ：0.5 〜3.
0 ％、Ｏ：0.25％以下、残部Tiおよび不可避不純物から
なり、そのTi合金マトリックス中に金属ホウ化物が晶出
および／または析出してなる、特願平４−212880号によ
り提案した高剛性Ti合金に、さらに、S およびREM を適
量添加することにより、切削性を向上させた快削高剛性
Ti合金である。

【００１７】本発明にかかる快削高剛性Ti合金における
全ての必須添加元素および任意添加元素は、大別する
と、(1) 快削性発現成分元素と(2) 高剛性発現成分元素
と(3)高温強度発現成分元素と(4) 高熱間加工性発現成
分元素になる。したがって、それぞれについて分説す
る。なお、本発明にかかる快削高剛性Ti合金では、快削
性発現成分元素と高剛性発現成分元素とはお互いに反応
せず、それぞれ独立して特性向上を果たすものである。

【００１８】(1) 快削性発現成分元素Ｓ：0.01〜1.0 ％Ｓは、介在物を形成してTi合金の切削性を改善するが、
S 含有量が0.01％未満では切削性を改善するのに充分な
量の介在物が形成されず、一方1.0 ％超では介在物が粗
大化し一部は粒界に沿って形成されるために熱間加工性
や疲労強度が低下する。そこで、本発明では、S 含有量
は0.01％以上1.0 ％以下と限定する。望ましくは、0.02
％以上0.6 ％以下である。

【００１９】REM ：0.01〜5.0 ％ La、Ce、Y 等のREM(希土類元素) は、S と結合し易い元
素であり、S 化合物を粒状化することにより、マトリッ
クスの延性低下を軽減して熱間加工性や疲労強度の低下
を抑制する元素である。REM 含有量が0.01％未満ではマ
トリックスの延性低下を低減する効果が少なく、熱間加
工性や疲労強度の低下抑制に寄与しない。一方、REM 含
有量が5.0 ％超では、Ti合金に配合・溶解する際にTi溶
湯の粘性が上昇し、偏析が生じ易くなる。そこで、本発
明では、REM 含有量は、0.01％以上5.0 ％以下と限定す
る。望ましくは、0.05％以上4.0 ％以下である。なお、
REM の添加は、La、Ceを主成分とする市販のMm (ミッシ
ュメタル) を用いると安価に行うことができ、望まし
い。

【００２０】(2) 高剛性発現成分元素 Al： 5.5〜10％本発明においては、Alは必須添加元素である。Alはα相
安定化元素であり、固溶硬化により、ヤング率を極めて
向上させる。かかるヤング率向上効果は、5.5％未満の
含有量では発現されず、一方10％超になるとTi₃Al(α₂
相) が多量に生成して、熱間および冷間の双方における
延性をともに劣化させる。そこで、本発明では、Al含有
量は、5.5 ％以上10％以下に限定する。望ましくは6.5
％以上8.5 ％以下である。

【００２１】Ｂ： 0.5〜3.0 ％本発明においては、Ｂは必須添加元素である。Ｂは、凝
固および冷却時にホウ化チタン (TiＢ) として晶出およ
び／または析出し、Ti合金のヤング率を向上させる効果
を奏する。TiＢはヤング率が50000 kgf/mm²以上であっ
てTiと比較すると極めて高ヤング率であるため、Ti合金
中に分散すると、Ti合金における粒子体積量に比例する
複合則にしたがって、Ti合金のヤング率を向上させるこ
とができる。Ｂ含有量が0.5 ％未満ではTiＢの晶出およ
び／または析出量が少なくなってヤング率向上が発現し
ない。一方、Ｂ含有量が3.0 ％超ではTiＢ分散量が多く
なるためにヤング率向上量は大きくなるが、熱間または
冷間の双方における延性が著しく低下する。したがっ
て、本発明では、Ｂ含有量は0.5 ％以上3.0 ％以下に限
定する。望ましくは、0.7 〜2.0 ％である。

【００２２】なお、本発明者らの確認結果によれば、Ｂ
含有量が1.0 ％であると約５体積％のホウ化チタンがマ
トリックス中に晶出および／または析出して分散し、Ｂ
含有量が3.0 ％では約15体積％のホウ化チタンが分散す
る。

【００２３】本発明によれば、後述するように、中性型
元素および／またはβ相安定化元素を配合する場合もあ
るが、そのような場合には各添加元素はマトリックス中
に固溶する。ただ、Zr、Hfについては、大部分はマトリ
ックス中に固溶するものの、微量ながら金属ホウ化物と
して晶出および／または析出する。そのときの金属ホウ
化物はホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウムとなる。
ただし、その量が微量であること、およびホウ化チタン
に比べるとホウ化物自体のヤング率が低いことにより、
これらはヤング率向上には寄与することはない。

【００２４】Ｏ： 0.25 ％以下本発明においては、Ｏは必須添加元素であり、Alと同様
にα相を安定化させてヤング率を向上させる。微量であ
ってもかかる効果を奏するため含有量の下限を設ける必
要はないが、0.25％超含有するとTi合金の冷間延性を著
しく低下させる。そこで、本発明ではＯ含有量は0.25％
以下に限定する。望ましくは、0.1 ％以上0.2 ％以下で
ある。

【００２５】なお、Al、Ｏ以外にもα相安定化元素とし
てＣ、Ｎが知られており、これらの元素にもAl、Ｏのよ
うなヤング率向上効果が認められるが、Ｃは0.3 ％以
上、Ｎは0.1 ％以上という微量添加により、Ti合金の冷
間延性が著しく低下してしまう。したがって、本発明で
は、ＣおよびＮはいずれも添加しないほうが望ましい。 (3) 高温強度発現成分元素 Sn、Zr、Hf：一種または二種以上を20％以下本発明においては、これらの元素は任意添加元素であ
り、必要に応じて少なくとも一種含有される。好ましい
組合せとしては、SnとZr (および／またはHf) である。
Sn、Zr、Hfはいずれも中性型元素であり、Ti合金に対し
ては固溶強化の作用を奏する。ヤング率向上効果は小さ
いものの、高温強度を高めTi合金の適用範囲を拡大でき
る。したがって、高耐熱性および高ヤング率の双方の特
性を向上させるために添加することが望ましい。これら
の元素の添加量が少ない場合は熱間、冷間の双方におけ
る延性を劣化する効果は小さく問題はないが、20％を超
えると冷間・熱間加工性を低下させるとともにコスト増
が著しくなる。そこで、本発明では、Sn、Zr、Hfの一種
または二種以上は合計で20％以下とすることが望まし
い。さらに望ましくは１〜12％である。

【００２６】中性型元素であるこれらの添加元素は、本
発明にかかるチタン合金マトリックス中では大部分は固
溶した形態で存在する。ただし、Zr、Hfについてはわず
かではあるが、一部はホウ素と結びつき金属ホウ化物生
成に寄与する。Zrの場合、その含有量は約7/8 が固溶
し、約1/8 が金属ホウ化物生成に寄与する。同じくHfの
場合、3/4 が固溶し、約1/4 が金属ホウ化物生成に寄与
すると考えられる。

【００２７】(4) 高熱間加工性発現成分元素 β相安定化元素：Ｖ当量で15％以下 β相安定化元素としては、例えば、Ｖ、Mo、Cr、Fe等が
知られているが、本発明では、これらのβ相安定化元素
は任意添加元素であり、少なくとも一種または二種以上
が必要に応じて添加される。これらのβ相安定化元素
は、ヤング率を低下させるものの、Ti₃Al の生成を抑制
する作用を奏するため、本発明においてヤング率向上効
果を奏するAlをより多く含有させ得る。また、熱処理性
を向上させたり、βトランザス（β相からα＋β相に変
態する温度）を低下し、熱間加工性を改善する効果をも
奏する。

【００２８】β相安定化元素のうち、全率固溶型のＶ、
Moはヤング率低下効果が大きく、一方共析型のCr、Feは
ヤング率低下効果が小さい。しかし、どのβ相安定化元
素も、β相単相になるほど多量に添加するとヤング率低
下が著しくなり好ましくない。したがって、ヤング率を
極端に低下させない範囲、つまりβ相安定化元素を少な
くとも一種以上の合計で、前述の式によるＶ当量が15
％以下になる範囲で添加することが望ましい。望ましく
は、１〜10％である。なお、Ｖ当量：15％に対応する各
元素の単独添加量は、Mo：10％、Cr：6.3 ％、Fe：４％
である。

【００２９】上記以外の組成は、Tiおよび不可避不純物
である。なお、不可避不純物として、Ｎ、Ｈ等があり、
例えば合計量として１％以下であれば許容される。特
に、常温延性の理由からＨ:0.05 ％以下、Ｎ:0.1％以下
に制限するのが好ましい。

【００３０】以上の組成を有する本発明にかかる快削高
剛性Ti合金は、特願平４−212880号により提案した高剛
性Ti合金の特徴である高剛性を維持したまま、その切削
性をさらに改善・向上することができる。したがって、
軽量であってかつ高剛性が要求される機械部品に適用す
るのに好適な高剛性Ti合金であって、さらにその切削性
が優れるため、前述の機械部品を低コストで量産加工で
きる。

【００３１】次に、本発明にかかる快削高剛性Ti合金の
製造法について説明する。本発明にかかる快削高剛性Ti
合金の製造は、従来のTi合金と同様であればよく特定の
方法には限定されない。例えばVAR 法およびアーク溶解
法等のTi合金の公知の製造法を適用できる。

【００３２】具体的には、溶解材料であるTiスポンジ、
純Al、電解Sn、Zrスポンジ、純Hf、Al−Ｖ母合金、そし
てCr、Ｖ、Moの各単体、さらにはＳ源としてのFe−Ｓ合
金、Al−Ｓ合金、Ti−Ｓ合金、REM 源としてのMm等を適
宜選択してから所定量配合し、さらに、ヤング率向上の
ための金属ホウ化物をマトリックスに晶出／析出させて
分散させるために、原料中のＢ源として未溶解が起こり
難い低融点のAlホウ化物 (溶融点1720℃) および／また
はFeホウ化物 (溶融点1650℃) を混合し、次いでアーク
溶解等の非消耗電極溶解またはVAR 溶解により、溶融体
として合金化すればよい。酸素量については、Tiスポン
ジの種類によって調整できるが、大量に添加する場合に
はTiO₂を用いればよい。

【００３３】なお、B 源としてTiB₂を用いると融点が32
25℃であるため、VAR 溶解では未溶解となり、サイドア
ーク発生等溶解上極めて問題がある。また、非消耗電極
溶解においても、TiB₂が未溶解となる場合があり、金属
ホウ化物の晶出物および／または析出物が分散された良
好な品質のインゴットができない。また、B 単体も融点
が2100℃であり、同様の問題が生じるおそれがある。し
たがって、これらを用いる場合には、エレクトロンビー
ム溶解のようなさらに高いエネルギーを有する溶解法を
使用する必要がある。

【００３４】したがって、少なくともB 源の溶解原料と
してAlホウ化物および／またはFeホウ化物を用いること
により、溶解後、凝固・冷却中に金属ホウ化物がマトリ
ックス中に均一に晶出および／または析出する。この分
散粒子はマトリックスの密度(約4.5)とほぼ等しいため
に偏析等は発生せず、極めて均一に分散する。さらに、
そのような金属ホウ化物は晶出および／または析出した
分散粒子であるため、生成した粒子は極めて安定であ
り、熱間加工、熱処理等の加熱処理によってもマトリッ
クスと金属ホウ化物との間に反応層を生じず、Ti合金の
機械的特性を劣化させない。

【００３５】このようにして製造されたTi合金インゴッ
トを、例えば1000〜1200℃の温度で熱間加工し、鍛伸、
圧延材とすることができる。さらに焼鈍等の熱処理によ
り機械的性質を所望の値に調整することも可能である。
さらに、本発明を実施例を参照しながら詳述するが、こ
れは本発明の例示であり、これにより本発明が限定され
るものではない。

【００３６】

【実施例】表１−１および表１−２に示す組成を有する
合金 (本発明例：No.1〜No.21 、比較例：No.22 〜No.3
0 、従来例：No.31 〜No.36 であって快削Ti合金、工業
用純TiまたはTi合金) それぞれをスカル溶解炉で溶製
し、直径60mm、長さ100mm のインゴットとした。

【００３７】これらのインゴットに、1150℃×8hr →空
冷の均質化処理を行なった後に、1150℃に再加熱して、
直径20mm、長さ約300mm の棒材と、20mm×60mm×約300m
m の板材とに鍛伸した。表１−３では、この熱間鍛伸の
際に割れの認められたものを熱間加工性の欄に「×」で
示した。

【００３８】そして、800 ℃×1hr →空冷の溶体化処理
を行なった後、引張試験片 (平行部直径６mm、標点間距
離30mm) 、熱間据込試験片 (直径８mm、長さ12mm) 、ヤ
ング率測定用試験片およびドリル穿孔試験片 (20mm×50
mm×250mm)をそれぞれ切り出し、それぞれ試験に供する
ことにより、引張強さ（常温) 、伸び (常温および700
℃) 、ヤング率および切削性を測定するとともに熱間加
工性を評価した。

【００３９】(ヤング率)共振法により測定した。 (切削性)ドリル穴あけ試験にて評価した。以下にその条
件を示す。ドリル材質：超硬 (Ｋ20相当) ドリル径：6 mm 送り：0.1 mm/rev. 回転数：980rpm 潤滑：水溶性潤滑剤、41/min. 穴の深さ：15mm (不貫通孔) 表１−３に示す切削性は、純Tiでの穿孔可能距離を基準
として下式で計算した。ここで、穿孔可能距離とはド
リルの寿命までに穿孔できた穴の個数と穴の深さとの積
である。

【００４０】

【数３】

【００４１】(熱間加工性)据込試験片を用いて800 ℃に
て１S ^-1の歪速度で70％、85％の圧縮試験をそれぞれ行
うことにより評価し、表１−３では70％圧縮で割れの無
いものを「○」、85％圧縮で割れの無いものを「◎」と
して示した。

【００４２】

【表１−１】

【００４３】

【表１−２】

【００４４】

【表１−３】

【００４５】本発明例は、ヤング率の目標値：13500kgf
/mm²を全て上回るとともに従来例(No.31〜No.36)を大き
く上回り、高剛性が確保されている。また、切削性 (ド
リル穿孔性) は100 ％程度と従来例 (快削Ti合金) と比
較しても大差なく、切削性も大幅に改善された。

【００４６】これに対し、No.22 はAl含有量が本発明の
範囲の下限を下回っているため、ヤング率が不足した。
No.23 はAl含有量が本発明の範囲の上限を上回っている
ため、熱間加工性が劣下した。

【００４７】No.24 は、Ｂ含有量が本発明の範囲の下限
を下回っているため、ヤング率が不足した。No.25 は、
Ｂ含有量が本発明の範囲の上限を上回っているため、熱
間加工性が低下した。

【００４８】No.26 は、Ｏ含有量が本発明の範囲の上限
を上回っているため、常温における延性が低下した。N
o.27 は、Sn、ZrおよびHfの合計量が本発明の範囲の上
限を上回っているため、熱間加工性が低下した。

【００４９】No.28 は、β相安定化元素の含有量が本発
明の範囲の上限を上回っているため、ヤング率が低下し
た。No.29 は、Ｓ含有量が本発明の範囲の上限を上回っ
ているため、熱間加工性が低下した。

【００５０】No.30 は、Ｓ含有量が本発明の範囲の上限
を上回っているとともにREM 含有量が本発明の範囲の上
限を上回っているため、ヤング率が低下した。No.31 は
従来のTi−６Al−４V ベースの快削Ti合金(No.1)であ
り、No.32 は従来のTi−６Al−４V ベースの快削Ti合金
(No.2)であり、No.33 は従来のTi−３Al−2.5Vベースの
快削Ti合金であり、No.34 は従来の純Tiベースの快削Ti
合金であり、No.35 は工業用純Tiであり、さらにNo.36
は従来のTi−６Al−４V であるが、いずれもヤング率が
不足していることがわかる。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
例えばコンロッド、ピストンピン、カムシャフトさらに
はクランクシャフト等の自動車のエンジン部品や、航空
機の脚部品等といった、比強度、高剛性および切削性を
要求される機械部品用Ti合金を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Al：5.5 〜10％、B ：0.5 〜
3.0 ％、O ：0.25％以下、S ：0.01〜1.0 ％、REM ：0.
01〜5.0 ％、残部Tiおよび不可避不純物からなる合金組
成を有するとともに金属ホウ化物が晶出および／または
析出してなることを特徴とする快削高剛性Ti合金。
【請求項２】さらに、前記合金組成はSn、ZrおよびHf
からなる群から選ばれた一種または二種以上を合計で20
重量％以下含有することを特徴とする請求項１記載の快
削高剛性Ti合金。
【請求項３】さらに、少なくとも一種のβ相安定化元
素を、下記式で示されるＶ当量で15重量％以下含有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の快削高
剛性Ti合金。【数１】Ｖ当量＝Ｖ＋ (15/10)Mo＋(15/6.3)Cr＋(15/4)Fe