JPH07278705A - 低融点チタン合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種工業用・民生用材料などに利用される低
融点で製造性・機械的特性・耐蝕性に優れたチタン合金
に関する。 【構成】 銅（Ｃｕ）が２０〜４０重量％残余がチタン
（Ｔｉ）及び不可避的に混入される不純物からなる低融
点チタン合金。又はこれに６重量％以下のアルミニュー
ム（Ａｌ）、５重量％以下のクローム（Ｃｒ）、０．５
重量％以下のシリコン（Ｓｉ）の１種または２種以上を
含む低融点チタン合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋳造により製造される工
業部品材料、歯科材料、整形外科インプラント材料、及
び展伸加工により製造される各種工業用・民生用材料な
どに利用される低融点で製造性・機械的特性・耐蝕性に
優れたチタン合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタン、チタン合金は密度が小さく、機
械的強度、耐蝕性などに優れた金属・合金であり、工業
用、民生用、医療用などにはなくてはならない材料とな
っている。しかし、チタンは高融点で活性な金属であ
り、大気中の酸素、窒素と反応しやすく、特に酸素との
反応部分は結晶粒が粗大化し、高硬度化して脆くなるの
で（アルファケースという），製造工程で種々の工夫・
改善がされている。即ち、展伸用インゴットは、真空ア
ーク溶解炉、プラズマアーク溶解炉、電子ビーム溶解炉
などの雰囲気制御の可能な溶解炉を用いて大気と遮断
し、かつ鋳型に水冷銅鋳型を使用するなどの対策の下で
製造されている。鋳造品では、雰囲気制御溶解法に加え
て、鋳型材料に種々の工夫・改善がなされている。即
ち、一般に工業的生産に使用されているシリカ系鋳型材
料では、チタンとの反応により著しいアルファケースの
生成が認められるので、これに代わる材料としてアルミ
ナ、マグネシア、カルシア、ジルコニア、イットリアな
どの特殊な材料が適用されている。また、生体医療用金
属材料のうち、歯科用補綴物の多くは鋳造法により製造
されている。この場合にも工業用鋳造品の場合と同様
に、鋳型材料とチタン・チタン合金との反応の抑制が課
題となっており、シリカ系材料からスピネル系材料へと
転換されつつある。このように、チタン・チタン合金の
製造には、溶解方法、鋳型材料などに種々の改善が施さ
れてきた。しかし、鋳造品については、未だアルファケ
ースの生成防止には不十分な状況にあり、完全にアルフ
ァケースの生成の無い材料を製造しようとすると極めて
高価なものとなってしまうという課題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はチタン・チタ
ン合金の持つ種々の優れた特性を損なうこと無く、かつ
低コストで製造性の良い実用的チタン合金の開発、具体
的には低融点で鋳型材料との反応性の小さいチタン合金
の開発に関するものである。

【０００４】

【発明が解決するための手段】チタンは高融点（１６６
８℃）で、大気中などの酸素・窒素と反応しやすい活性
な金属である。これを工業用鋳造材料の炭素鋼・ステン
レス鋼・耐熱鋼などと、また歯科用補綴物の貴金属合金
・コバルトークロム系合金などの従来材料と比較する
と、以下のような相違点がある。即ち、 （１）既存のチタン合金の融点は従来材料と比較して３
００〜７００℃高い。 （２）チタン酸化物（ＴｉＯ_２）の標準生成自由エネル
ギーΔＧ^０は３００Ｋで−８６２ＫＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２と
非常に小さい。これはＳｉＯ_２のΔＧ^０よりもかなり小
さく、鋳型材料にＳｉＯ_２を使用すると、次式（１）の
反応でＳｉＯ_２がチタン（Ｔｉ）によって還元されるこ
ととなり、チタン合金鋳造品表面に酸素の高い脆い層が
生成され、高品質のチタン合金鋳造品の製造を困難とし
ている。

【数１】 本発明が解決しようとする課題はこれらの２点である。
更に具体的に言えば、チタン合金の低融点化、或いは／
及び他の合金元素の添加によるチタン活性の希釈につい
てである。

【０００５】これらの課題を解決する手段について種々
研究を進めたところ、チタンの鋳型材料などとの反応性
の低減には、標準生成自由エネルギーの増大よりも、換
言すれば、合金化によるチタンの希釈よりも、チタン合
金の低融点化の方が鋳造品の品質に及ぼす効果の大きい
ことが判明した。即ち、チタン合金を低融点化すれば、
溶融チタンと鋳型材料とが接触する温度も当然ながら低
下し、かつ高温での両者の接触時間も短縮されることと
なり、チタン合金と鋳型材料との反応を著しく抑制出来
る。そこで、チタンに第２合金元素（以下Ｘ）を種々添
加して、チタン合金の機械的特性、耐蝕性などについて
研究をした。Ｔｉ−Ｘの２元系合金の状態図から、チタ
ン合金の低融点化の効果の著しいＸ元素として、共晶型
合金を形成するＡｇ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，
Ｎｉ，Ｐｄを選定して、それぞれ組成を変えて溶解・鋳
造した。その結果、鋳造品のビッカース硬さは、図１に
示すように、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄでは添加量に対して共晶
点組成近傍まで著しい増加は認められず、鋳造品も脆く
ならないことを見出だした。しかし、その他のＣｏ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ元素ではビッカース硬さは右上が
りの傾向を示し、添加量を増加すると共晶点組成のかな
り手前で合金は脆性となり、延性のある合金組成の領域
内では、融点はあまり低下できないことが判明した。

【０００６】なお、Ｔｉ−Ａｇ系については、Ｔｉ−１
０〜２０重量％Ａｇの組成のものに延性のあることは公
知であり（奥野ら：歯科材料・器械、４、（６），７０
８（１９８５）），Ｔｉ−５０重量％Ａｇの組成につい
ても研究されているが、引張強度試験の結果は報告され
ていない。Ｔｉ−Ｐｄ系については、Ｔｉ−１５〜４７
重量％Ｐｄの組成のものに延性のあることは公知である
（三浦：歯科材料・器械、５、（１），１２２（１９８
６））。一方、Ｔｉ−Ｃｕ系については、奥野ら（歯科
材料・器械、４、（６），７０８（１９８５））によっ
てＴｉ−５，１０，２０重量％Ｃｕ系の研究成果が報告
されているが、いずれも延性を示す指標である引張強度
試験での伸びの結果は報告されていない。しかし、引張
強度と０．２％耐力が報告されているので、わずかなが
ら延性はあると推察される。また、市販の歯科鋳造用合
金としては、Ｔｉ−１３重量％Ｃｕ，Ｔｉ−１３重量％
Ｃｕ−５重量％Ｎｉが知られており、この合金における
引張強度試験時の伸びは２％程度と言われている。これ
らの合金の融点は１５００℃であり、歯科用既存合金の
うちで融点の最も高いＣｏ−Ｃｒ系合金よりも５０℃以
上高く、既往の石膏、燐酸塩などからなる鋳型材料との
反応を大幅に抑制することは難しく、チタン合金専用の
鋳型材料の使用が必要となる。

【０００７】しかし、図１から明らかなように２０重量
％以上のＣｕを含有するＴｉ−Ｃｕ合金系は、ビッカー
ス硬さが更に低下する傾向を示しており、Ｃｕの高含有
領域でも延性である可能性が示唆される。また、Ｔｉ−
Ｃｕ，Ｔｉ−Ａｇ，Ｔｉ−Ｐｄ系では、共融点以下の組
成での析出物がそれぞれＴｉ_２Ｃｕ，Ｔｉ_２Ａｇ，Ｔｉ
_２Ｐｄであり、これらはいずれもＣ１１ｂ型の金属間化
合物である。従って、これらの系は金属組織的にはＢＣ
Ｃ（Ｔｉ）とＣ１１ｂ（金属間化合物析出物）が混在す
る組織となっており、種々の特性が類似していると期待
される。以上の予備研究における事実と合金融点とを考
慮して、Ｔｉ−Ｃｕ系の合金について更に詳しく研究を
した。図２にＴｉ−Ｃｕ系の状態図を示す。２０重量％
以上のＣｕを含む合金の融点は、歯科鋳造用のＣｏ−Ｃ
ｒ系合金とほぼ同等或いはそれ以下である。また、標準
生成自由エネルギーΔＧ^０は、Ｔｉでは−８６２ＫＪ／
ｍｏｌ−Ｏ_２、Ｃｒでは−７０１ＫＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２で
あり、鋳型材料と合金との反応性もＴｉ−Ｃｕ合金はＣ
ｏ−Ｃｒ系合金とほぼ同等程度と考えられる。

【０００８】そこで、各種組成のＴｉ−Ｃｕ系合金を溶
解・鋳造し、ビッカース硬さ試験、引張強度試験、耐蝕
性試験を行った。その結果、銅（Ｃｕ）が２０〜４０重
量％，残余がチタン（Ｔｉ）及び不可避的に混入される
不純物からなるチタン合金が低融点で硬度が小さく、機
械的特性、耐蝕性などに優れていることを見出だした。
図２の状態図によれば、Ｃｕ含有量の増加に伴いＴｉ_２
Ｃｕの析出が認められが、ビッカース硬さは図１に示す
ように、Ｃｕ含有量の増加に伴って逆に小さくなってお
り、引張強度、伸びにも顕著な変化は認められ無かっ
た。

【０００９】ついで、Ｔｉ−Ｃｕ合金にアルミニウム
（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），シリコン（Ｓｉ）を第３元
素として添加した合金について研究した。Ａｌ，Ｓｉは
αＴｉ領域を拡張して更に機械的強度の向上を図るため
に添加するものであり、その上限はアルミニウムが６重
量％，シリコンが０．５％、望ましくはＡｌ≦３重量
％，Ｓｉ≦０．３重量％であった。これ以上添加する
と、強度は大きくなるが延性が低下して実用には適さな
くなる。

【００１０】一方、ＣｒはβＴｉ安定化元素であり、種
々研究の結果５重量％以下が望ましいことが判明した。
これ以上添加すると、Ａｌ，Ｓｉと同様に延性に支障が
出てくる。なお、以上の検討元素の他に、他の合金元素
を添加することも可能である。例えば、αＴｉ安定化元
素としては、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｎ，一方、βＴｉ安
定化元素としてはＶ，Ｍｏなどが知られている。これら
元素のうち、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｖは若干融点を低くする効果
があるが、Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏは融点を高くする。なお、
上記では鋳造材料を主体に記述したが、本発明合金は常
温にて延性があるので、当然のことながら、インゴット
製造し、熱間或いは温間にて鍛造、圧延などの工程を経
て板、棒、線などに加工して使用することも可能であ
る。

【００１１】

【作用】チタンは低密度、高強度、高耐蝕性の金属であ
るが、高融点・高活性な金属であり、製造工程での種々
の改善が必要である。このような優れた特性を有するチ
タン合金を低融点化・低活性化できれば、その工業的利
用価値は更に拡大出来る可能性がある。チタンに共晶型
合金元素である銅（Ｃｕ）を添加して低融点化を図り、
かつ銅添加の効果でチタンの活性を希釈し、チタン合金
のもつ課題を克服した。特定した組成範囲は、合金融
点、硬度、引張強度、伸び、耐蝕性を考慮して選定し
た。

【００１２】

【実施例１】種々の組成の合金を真空誘導溶解炉で溶解
し、ロストワックス法により製造した燐酸塩系の鋳型に
鋳造して得られた鋳造品の機械的特性の測定結果を表１
に示す。本発明合金は、いずれも優れた機械的特性を有
していることがわかる。

【００１３】

【実施例２】耐蝕性試験の一例として、ＪＩＳＧ０５７
７（ステンレス鋼の孔食電位測定試験）に準拠して、ポ
テンショスタット、中性３．５％塩化ナトリウム水溶液
を用いて、Ｔｉ−Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ系の孔食電位
Ｖ′Ｃ１０，Ｖ′Ｃ１００を測定した。結果を表２に示
す。Ｔｉ−Ｃｕ系は実用上問題のない耐蝕性を示してい
る。

【００１４】

【本発明の効果】本発明合金は、従来合金と比較して低
融点・低活性で機械的強度、室温延性、耐蝕性などは殆
ど同等である。従って、耐火物系の鋳型材を使用する工
業用鋳造材料、歯科用鋳造材料、生体医療用鋳造インプ
ラント材料には、鋳型材料との反応を著しく低減できる
ので最適である。更に、本合金は低融点・低活性である
ので、真空誘導炉などによる溶解が可能であり、これに
より製造したインゴットを熱間、温間での鍛造・圧延に
より板、棒、線に加工すれば、チタン合金として幅広い
適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｔｉ−Ｘ系合金（Ｘ＝Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃ
ｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｐｄ）鋳造品のビッカース硬さ
とＸ元素含有量との関係図

【図２】Ｔｉ−Ｃｕ系状態図

【表１】

【表２】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅（Ｃｕ）が２０〜４０重量％，残余が
   チタン（Ｔｉ），及び不可避的に混入される不純物から
   なる低融点チタン合金。
2. 【請求項２】 ６重量％以下のアルミニウム（Ａｌ），
   ５重量％以下のクロム（Ｃｒ），０．５重量％以下のシ
   リコン（Ｓｉ）のうちの一種または二種以上を含む特許
   請求の範囲第１項記載のチタン合金。