JPS62287028A - 高強度チタン系合金及びその製造方法 - Google Patents

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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐食性、引張り強さ、耐摩耗性、靭性、加工
性等の諸性質に優れたチタン系合金及びその製造方法に
関する。

〔従来の技術〕

チタン−モリブデン系の合金は、耐食性、耐摩耗性に優
れた材料として使用されている。しかしこの合金系を溶
解法で製造しようとすると、偏析が生し易く、また機械
加工性に劣る材ｆ１となる。

この点から、チタン−モリブデン系合金は、１５１末冶
金により製造されていた。

この粉末冶金によるチタン−モリブデン系合金の製造方
法は、特公昭５１−１９４０３号公頼、特公昭５６−１
９３６２号公報等で紹介されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の粉末冶金により得られたヂタンーモリブ
デン系合金は、その製造方法に起因して多数の空隙があ
る組織となっていた。このため、該合金が木来備えてい
る優れた性質を充分に発揮することができなかった。た
とえば、そのＭｉ織のために強度、靭性が劣り、複雑形
状や薄肉の部品に成形することが困難であった。また、
空隙を起点とした応力集中が起こり、信輔性に優れたも
のとして使用することができなかった。

そこで、本発明は、このような従来のチタン−モリブデ
ン系合金がもつ欠点を解消すべく、組織の改善を図るこ
とにより、耐食性、引張り強さ。

耐摩耗性、靭性、加工性等の諸性質に優れたチタン系合
金を提供することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明のチタン系合金は、その目的を達成するため、チ
タンと、該チタンに対して固溶体を形成するモリブデン
１５〜４０重量％、タンタル１０〜３０重量％、ニオブ
２５〜４５重量％、バナヂウム５〜４０重量％から選ば
れた一種又は２種以上のβ相形成元素からなり、且つ空
隙率が３％以下であり、層状組織を有することを特徴と
する。

なお、このチタン系合金は、その合金に本質的な影響を
与えない程度の量、具体的には６重量％以下でパラチウ
ム。アルミニうム、鉄、クロム。

マンガン、コバルト、ニッケル等の元素を合金改善成分
として又は微量の不純物元素を含んでいても良い。

また、このチタン系合金の製造方法は、チタンに対し、
モリブデン１５〜４０重量％、タンタル１０〜３０重量
％、ニオブ２５〜４５重量％、ハナヂウム５〜４０重量
％から選ばれた一種又は２種以上のβ相形成元素を混合
し、この混合物を成形した後予備焼結するか或いは予備
ホットプレスし、得られた焼結体にスウェージング次い
で線引き加工を施す或いは圧延することを特徴とする。

〔作用〕

チタン−モリブデン合金は、その状態図を第３図に示す
ように、モリブデン１２重量％以上の範囲で、室温で安
定なβ相固溶体が生成される。すなわち、この範囲では
チタン−モリブデン二元合金が単相となり、合金内部に
局部的に電位差が生じることがない。そのため、該チタ
ン−モリブデン二元合金は、雰囲気に対して一様な性質
を呈し、局部腐食等の欠陥の発生が抑制される。そして
、このβ単相の合金は、α型のチタン合金に比較して強
度及び加工性に優れている。

また、モリブデン添加により、機械的強度、耐食性等が
向上する。特に、希塩酸、希硫酸等に対する耐食性は、
モリブデン添加により大幅に向上する。このような性質
の改善は、第４図に示すように、Ｍｏ１５重量％以上の
範囲で顕著である。これは、合金表面に生成している酸
化被膜が、モリブデンの添加により緻密で強固なものと
なり、容易には溶出しなくなることに起因するものと推
察される。

しかし、Ｍｏ含有量があまり多くなりすぎると、チタン
に対するモリブデンを合金化することが困難になる。こ
の点から、Ｍｏ含有量の上限を４０重量％とした。

また、このチタン−モリブデン二元合金に対して、６重
量％以下でパラチウム。アルミニウム。

鉄、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル等の元素を
合金改善成分として添加するとき、合金の強度、耐摩耗
性、硬度等の改善が図られる。

チタンに対するモリブデン添加によるこのような効果は
、タンタル、ニオブ、バナヂウムによっても同様に得ら
れる。その添加効果が顕著となる量を、それぞれの元素
の添加量の下限とした。また、これら元素の添加量の上
限についても、モリブデンの場合と同様に製造上の容易
性を考慮して定めた。

しかし、このようなチタン系合金であっても、普通に焼
結したものは空隙率が高く、前述したような性質が充分
に発揮されない。

たとえば、チタン−モリブデン系合金を例にとり説明す
る。

通常の粉末冶金法により製造されたチタン−モリブデン
系合金は、第５図で示すような組織をもち、空隙率１０
〜１５％で多数の空隙が存在したものとなっている。こ
の空隙率のため、強度、靭性。

耐食性等の性質が充分に発揮されない。

この空隙率を下げる手段としては、ホットプレス、ＨＩ
Ｐ等による焼結も考えられる。しかし、これらの方法に
よるとき、層状組織の焼結体を得ることば困デ「であり
、また細線薄肉の製品を得ることノ）困難である。更に
、この場合に空隙率を充分に下げるためには、高温で焼
結を行う必要がある。しかし、チタン−モリブデン系等
の本発明合金は酸化されやすく、焼結温度が高くなるほ
ど酸化傾向が顕著となる。この点、ホットプレス、　　
Ｉ（ｒｐ等による焼結の場合には、焼結時の雰囲気を調
整することが必要となり、作業が困難なものとなる。

そこで、本発明においてはこの空隙率を下げ、ＨｌつＡ
：ｒｌ　織を層状とすることにより、これらの性質を改
善した。第１Ｍは空隙率が強度にどのような形容を与え
るかを表したものである。なお、ここで強度は、引張り
強さとして表している。同図の合金は、モリブデンを３
０％含有するチタン−モリブデン二元合金である。

同図から明らかなように、空隙率３％を境として、強度
の変化が顕著である。これは空隙率の低下に伴い、合金
の組織が層状で且つ緻密なものとなり、金属的性質が発
揮されることによる。たとえば、空隙率が０．３％のチ
タン−モリブデン系合金は、第２図に示す緻密な層状組
織をもつ。

この空隙率の低下及び組織の層状化は、強度の改善に留
まらず、耐食性、耐摩耗性、靭性等の性質の改善も図ら
れる。たとえば、応力腐食割れの改善についてみると、
空隙率の低下に伴い、空隙を起点とした応力集中が少な
くなることに起因するものと考えられる。

また、本発明においては、このような空隙率の低下を、
チタン−モリブデン粉末成形体を予備焼結した後、これ
をスウェージング次いで線引きするか、或いは焼結後に
圧延することにより達成している。ここでいう予備焼結
とは、理論密度に近い状態まで粉末成形体を焼結するの
でばなく、焼結を途中の段階で中止することをいう。具
体的には、焼結体が理論密度の７０〜９０％程度に焼結
される段階で焼結を中止することが次の理由から好まし
い。すなわち、７０％未満の焼結であるとき、焼結体が
跪く加工できない。他方、９０％を越える焼結であると
き、焼結温度がトがるために酸化が激しくなり、また後
続する加工による効果が発揮されない。

なお、この予備焼結は、成形と焼結とを別々の工程で行
う方法、或いは同じ工程で行うホットプレスのいずれで
あっても良い。

この予備焼結された状態の焼結体に対してスウェージン
グ、線引き、圧延等の加工を施す。これにより、加工の
効果がより顕著に表れる。たとえば、完全焼結したもの
ではその組織が焼き締り、これを所定形状に加工するこ
とは容易でない。また、予備焼結であることから、焼結
温度が比較的低くてすむ。このため、焼結時における酸
化、炭化等が防がれる。この点からしても、スウェージ
ング、線引き、圧延等により線材又は板材に加工する際
の加工性が改善される。

なお、スウェージングは、９００’Ｃ以下の温度で各ス
タンド毎に５〜２０％の加工率で行うことが好適である
。また、線引きは、５００°Ｃ以下の温度で各スタンド
毎に８〜２５％の加工率で行うことが好適である。また
、圧延は、スウェージングと同様に各スタンド毎に５〜
２０％の加工率で行うことが好適である。このときの圧
延は冷間又は熱間のいずれであっζも良い。

空隙率を更に低下さゼる手段として、スウエージング、
圧延等の後に、真空又は不活性雰囲気中における１００
０〜１３００℃の再焼結の工程を必要に応じで導入する
ことが、より効果的である。

なお、各加工工程の間に、材ｆｉｔの表面にある硬質層
を必要に応じて切削等により除去したり、アニールによ
り加工歪みを除去することによって、スウェージング、
線引き、圧延等の作業性が改善され、且・つ加工時にお
いて材料が破断することもなくなる。

第２図は、焼結体をスカエージングし線引きした後のＭ
ｌ　織を２００倍の倍率で示したものである。

同図は、線材に加工しているものであるから、その層状
組織は繊維状となっている。しかし、圧延された板材の
場合には、偏平な結晶粒子が層状に重なった組織を呈す
る。これらの組織を総称して本明細書において層状組織
という。いずれの場合においても、この層状組織は、偏
平又は釘状で長い結晶粒が重なったものであり、その層
間距離が短くなっている。このため、本発明により得ら
れた焼結体は、粒状組織の焼結体に比較して強度。

靭性が飛躍的に向上する。

これを、第５図の組織と比較すると、組織の微細化２層
状化が行われており、第５図にみられるような大きな空
隙も存在しない。また、この加工によって、合金の基地
が加工硬化されたものとなる。その結果、引張り強度、
耐摩耗性、靭性等が更に改善される。

以上は、チタン−モリブデン系合金について説明したも
のであるが、タンタル、ニオブ、バナヂウム等を含む合
金に関しても同様である。これらについては、以下に説
明する実施例で具体的に説明する。

このようにして得られたチタン系合金は、種々の細物、
薄肉材、複雑形状をもつ部材等に加工して、溶射用ワイ
ヤ、耐食性メソシュ、バネ、肉盛り材、ボルト、ナツト
眼鏡フレーム、自転車用スポーク、生体用インブラント
材料、熱交換機部品、パイプ等として幅広い分野で使用
することができる。たとえば、溶射用ワイヤとして使用
するとき、第２成分であるモリブデン、タンタル、ニオ
ブ、バナジウム等が優れた耐高温酸化性を発揮し、チタ
ンの酸化、窒化を防止するので、高い歩留りで溶射層を
形成することができる。また、得られた溶射層も、酸化
物、窒化物が少なく、前記のチタン−（モリブデン、タ
ンタル、ニオブ、バナジウム）合金の優れた特性を発揮
するものとなる。

〔実施例〕

次いで、実施例により本発明の特徴を具体的に説明する
。

チタン−モリブデン合金 粒度３５０メソシユ以下のチタン粉末に対して、粒度４
μｍのモリブデン粉末３０重量％を混合し、加圧力１０
００　ｋｇ　／　ｃ艷で成形して径２２龍、長さ６００
−■の成形体を得た。次いで、この成形体を所定温度で
焼結した後、１０％の加工率でスウエージングして、減
径率１２％で線引きした。得られた線材の性質を、焼結
温度及び焼結後の空隙率と共に第１表に示す。

第　　　１　　　表 なお、耐食性は、浴温５０℃における１０％塩酸水溶液
及び１０％硫酸水溶液中における腐食量（龍／年）で表
している。また、硬度及び引張り強さは、それぞれビッ
カース硬度及びｋｇ／ｍｍ”の単位で表している。

チタン−タンタル合金 粒度３５０メソシユ以下のチタン粉末に対して、粒度４
μｍのタンタル粉末２０重量％を混合し、加圧力１００
０　ｋｇ　／　ｃＪで成形して径２２ｍｍ、長さ６００
ｍｍの成形体を得た。次いで、この成形体を所定温度で
焼結した後、１０％の加工率でスウェージングし、減径
率１２％で線引きした。得られた線材の性質を、焼結温
度及び焼結後の空隙率と共に第２表に示す。

なお、耐食性、硬度及び引張り強さに関する評価は、第
１表の場合と同様である。

第　　　２　　　表 チタン−ニオブ合金 粒度３５０メツシユ以下のチタン粉末に対して、粒度４
μｍのニオブ粉末３０重量％を混合し、加圧力１０００
ｋｇ／ｃｄで成形して径２２ｍｍ、長さ６００ｍｍの成
形体を得た。次いで、この成形体を所定温度で焼結した
後、１０％の加工率でスウェージングし、減径率Ｉ２％
で線引きした。得られた綿材の性質を、焼結温度及び焼
結後の空隙率と共に第３表に示す。

なお、耐食ｆノ１．硬度及び引張り強さに関する評価は
、第１表の場合と同様である。

第　　　３　　　表 チタン−バナヂウム合金 粒度３５０メソシユ以下のチタン粉末に対して、粒度４
μｍのハナヂウム粉末２０重量％を混合し、加圧力１０
００ｋｇ／ｃｆで成形して径２２ｍ１．長さ６００ｍｍ
の成形体を得た。次いで、この成形体を所定温度で焼結
した後、１０％の加工率でスウエージングして、減径率
１２％で線引きした。得られた綿材の性質を、焼結温度
及び焼結後の空隙率と共に第４表に示す。なお、耐食性
、硬度及び引張り強さに関する評価は、第１表の場合と
同様である。

第　　　４　　　表 〔発明の効果〕 以」−に説明したように、本発明Ｃごおいては、モリブ
デン、タンタル、ニオブ、バナヂウム等をチタンに合金
化させてβ単相の材料とし、目つ焼結後の加工によって
空隙率を低下させ、目、つ層状組織としている。これに
よって、耐食性、引張り強さ、耐摩耗性、靭性、加工性
等の諸性質に優れたチタン系合金が得られる。このよう
にして得られたチタン系合金は、種々の絹物、薄肉材、
複雑形状をもつ部材等に加工することができる。たとえ
ば、前記の種々の面で優れた特性を活かし、溶射用材Ｆ
ｌ　、耐食性メソシュ、ハネ、肉盛り利、ボルト、ナン
ド、眼鏡フレーム、自転車用スポーク。

生体用インブラント材料、熱交換機部品、バイブ等の種
々の用途で使用される。

【図面の簡単な説明】

第１図はチタン−モリブデン系合金における空隙率と引
張り強さとの関係を示し、第２図は本発明実施例で得ら
れたチタン−モリブデン系合金の金属組織を示す写真で
あり、第３図はチクンーモリブデン系の状態図であり、
第４図はモリブデンの添加効果を示す図表である。また
、第５図は、従来のチタン−モリブデン系合金の金属組
織を示す写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チタンと、該チタンに対して固溶体を形成するモリ
   ブデン１５〜４０重量％、タンタル１０〜３０重量％、
   ニオブ２５〜４５重量％、バナヂウム５〜４０重量％か
   ら選ばれた一種又は２種以上のβ相形成元素からなり、
   且つ空隙率が３％以下であり、層状組織を有することを
   特徴とする高強度チタン系合金。 ２、チタンに対し、モリブデン１５〜４０重量％、タン
   タル１０〜３０重量％、ニオブ２５〜４５重量％、バナ
   ヂウム５〜４０重量％から選ばれた一種又は２種以上の
   β相形成元素を混合し、この混合物を成形した後予備焼
   結するか或いは予備ホットプレスし、得られた焼結体に
   スウェージング次いで線引き加工を施す或いは圧延する
   ことを特徴とする高強度チタン系合金の製造方法。