JP2004269982A

JP2004269982A - High-strength low-alloyed titanium alloy and its production method

Info

Publication number: JP2004269982A
Application number: JP2003063717A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Suzuki; 昭弘鈴木; Hisao Kamiya; 久夫神谷; Hiroyuki Horimura; 弘幸堀村; Kousuke Doi; 航介土居
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30
Also published as: CN1247807C; US20040244888A1; CN1530454A; ITTO20040144A1

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-strength low-alloyed titanium alloy having a tensile strength of ≥750 MPa, and a production method which can produce such a titanium alloy using an inexpensive, low-quality sponge titanium as a raw material. <P>SOLUTION: The high-strength low-alloyed titanium alloy has an alloy composition comprising 0.2-0.8% O, 0.01-0.15% C, 0.01-0.07% N, 0.3-1.0% Fe and the balance substantially being Ti. When producing this, the low-quality Ti sponge containing ≥0.01% N and ≥0.2% Fe is used as a part of the raw material as sources of N and Fe components. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い強度が要求される各種の構造材の材料とする高強度低合金チタン合金とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
めがねフレーム、ゴルフクラブのヘッド、あるいは自動車エンジン部品たとえばバルブリテーナなどの部品は、軽量であるとともに高い強度を有することが要求される。純Ｔｉは耐食性がよいため、これまで化学工業を中心に耐食性を要求される用途に向けられてきたが、Ｔｉに含有されるＯ量やＦｅ量を適切に制御することによって、強度を高めることができる。そこで、このような高強度Ｔｉに関し、ＪＩＳでは、引張強さのレベルに応じて１種ないし４種の規格が定められている。
【０００３】
最近では、純Ｔｉに近いものでも、Ｎ量を高めて高強度化をはかった、高強度低合金チタンが開発されている。しかし、Ｎの添加は、チタン中の代表的なＬＤＩ（低密度介在物）であるＴｉＮを生成する懸念があり、したがって添加技術に制約があって、Ｎ量制御の高強度チタンは、必ずしも安価に製造できる材料ではない。
【０００４】
既知の技術のうち代表的なものを挙げれば、対水素脆化性のよい高張力チタンとして、Ｆｅ：０．２５〜１．０％およびＯ：０．４５〜１．０％を含有し、Ｃ：０．１％以下、Ｈ：０．０１５％以下、Ｎ：０．０７％以下で残部が実質的にＴｉであるものが、知られている（特開昭５２−１１５７１３）。
【０００５】
磁気ディスク基板としてのチタン合金には、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＣｒおよびＦｅの１種または２種以上：０．２〜１．０％に加えて、Ｏ＋２Ｎ＋０．７５Ｃ：０．０３〜０．５％を含有し、残部が実質的にＴｉである合金組成が開示されている（特開平３−２６７３３４）。
【０００６】
鋳造用の高強度チタン合金としては、Ｆｅ：０．３〜３．５％，Ｏ：０．０５〜０．９５％，Ｃｒ：０〜０．５％，Ａｌ：０〜３．５％，Ｖ：０〜３％，Ｃ：０〜０．３％，Ｓｉ：０〜０．２％，Ｍｎ：０〜０．１％，Ｎｉ：０〜０．３％およびＮ：０〜０．２％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるものが提案されている（特開平１１−３６０２９）。
【０００７】
チタン合金を廉価に製造するためには、原料として低級スポンジチタンを使用することができれば有利である。ところが、低級スポンジチタンは不純物が多いとして、これまでは鉄鋼添加用にしか使用されていなかった。しかし、その不純物を調べてみると、チタンの強度を高めるのに利用できる成分が多く、その他の成分も、それらの量がある限度を超えない限り、チタン合金の物性に実質的な影響を与えないことがわかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、安価な低級スポンジチタンを原料として使用することが可能であって、かつ、むしろ低級スポンジチタン中の不純物を利用して、Ｏ、Ｃ、ＮおよびＦｅの含有量を適切に制御することにより、低合金であるが高強度で、引張り強さにして７５０ＭＰａ以上を実現したチタン合金と、その製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の高強度低合金チタン合金は、Ｏを０．２〜０．８％，Ｃを０．０１〜０．１５％，Ｎを０．０１〜０．０７％およびＦｅを０．３〜１．０％含有し、残部が実質上Ｔｉである合金組成を有し、引張強さが７５０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の高強度低合金チタン合金の製造方法は、原料の少なくとも一部に、Ｎ：０．０１％以上およびＦｅ：０．２％以上を含有する低級スポンジＴｉを使用して、上記のＮ成分およびＦｅ成分の源とすることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施形態】
本発明の高強度低合金チタン合金は、ベース金属であるＴｉに加わった形で存在する上記の合金成分、すなわちＯ、Ｃ、ＮおよびＦｅだけでなく、ＣｒおよびＮｉの１種または２種を、Ｆｅの含有量との合計が、Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％：１．２％以下となるように含有することができる。この場合は、上記の合金成分およびＣｒおよび（または）Ｎｉ成分が、０．５≦Ｏ％＋２Ｎ％＋０．９Ｃ％＋０．１（Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％）≦１．０％の関係を満足することが必要である。
【００１２】
本発明の高強度低合金チタン合金を構成する合金成分のはたらきと、組成範囲を上記のように定めた理由を以下に説明する。Ｔｉは、軽量で高強度の構造材を構成するために、ベース金属として選択したことはもちろんである。
【００１３】
Ｏ：０．２〜０．８％、好ましくは０．４％〜０．７％
ＯはＴｉを高強度化するのに有効な元素であり、強度を確保するため、少なくとも０．２％を添加する。添加量の増大に伴って強度も増大するが、脆くなるため、０．８％以下の添加に止める。好ましい添加量範囲は、０．４％〜０．７％である。
【００１４】
Ｃ：０．０１〜０．１５％、好ましくは０．０５〜０．１０％
Ｃは、ＯおよびＮと同様に、引張強さを高める成分であり、この効果を得るために、０．０１％またはそれ以上を添加する。しかし、多量に添加すると、Ｔｉとの化合物ＴｉＣを生成し、疲労強度を低下させるから、最大０．１５％までの添加量から選択する。Ｃの添加効果を確保するとともに、ＴｉＣの生成は避けるという点から好ましい添加量は、０．０５〜０．１０％である。
【００１５】
Ｎ：０．０１〜０．０７％、好ましくは０．０２〜０．０５％
Ｎは強度を高める成分であり、その作用はＯ以上に顕著であるが、前述したように、Ｃと同様にＴｉと結合してＴｉＮを形成し、これが塑性加工の際にワレを誘発したり、疲労強度を低下させたりするため、ＪＩＳの定める限度内の量、すなわち０．０７％以下を添加する。前記のように、低級スポンジチタンを原料にすると、Ｎは必ず含有されており、０．０１％より低くすることは、実際上困難である。好適な範囲は、０．０２〜０．０５％である。
【００１６】
Ｆｅ：０．３〜１．０％、好ましくは０．５％〜１．０％
Ｆｅは、強度を高めるとともにβ相を形成して延性の改善にも寄与する成分である。とくに、延性を改善する効果を確実にするため、０．３％以上の添加が必要である。一方、Ｆｅは偏析しやすい元素であり、多量に添加すると特性のバラツキが生じる懸念があるため、１．０％以内の添加量を選ぶ。鉄鋼添加用の低級スポンジチタンは、通常０．２〜２．０％、平均値としては０．５％のＦｅを含有しており、これを使用することによって、０．３〜１．０％のＦｅを存在させることが容易である。好ましい添加量は、０．５％〜１．０％である。
【００１７】
Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％：１．２％以下
ＮｉとＣｒとは、低級スポンジチタン中に含まれていて、これを原料にすると不可避的に入ってくる可能性がある。とりたてて存在意義のある成分ではなく、かつ、多量の存在は靱延性を損なうから、Ｆｅ量とあわせて規制する。
【００１８】
Ｏ％＋２Ｎ％＋０．９Ｃ％＋０．１（Ｆｅ％＋Ｃｒ％＋Ｎｉ％）：１．０％以下（Ｏ＋Ｎ＋Ｃ）は、高強度化に役立つが、多量の存在は（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）とともに、靱延性にとって有害である。そこで、両者をあわせて規制する。各成分の含有量に付した係数は、靱延性に対する影響の大小に従って決定した。
【００１９】
本発明の高強度低合金チタン合金は、合金組成が上記の基本的態様のものであれ、変更態様のものであれ、それを材料とする部品の製造に当たって、６００〜９００℃の温度域で、鍛錬比３以上の仕上げ成形を行なうことが好ましい。それにより、粒子サイズが３０μｍ以下の微細粒状組織が得られ、高い延性が実現する。鍛錬比３以上は、α相を粒状化して延性向上の効果を得る上で、必要な条件である。仕上げ成形の温度は、６００℃に達しない低温では製品にキズが生じることが防げず、一方、９００℃を超える高温になると、結晶粒が粗大化して、延性向上を望めなくなる。
【００２０】
上記の条件で行なう仕上げ成形には、それに続いて、６５０〜９００℃で焼鈍を施すことが、いっそう好ましい。それにより、組織の粒状化が促進されて、延性向上の効果が高まる。焼鈍温度が６５０℃未満では十分な効果が得られず、９００℃超過では結晶粒が粗大化して、やはり延性向上を期待できなくなる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の高強度低合金チタン合金は、上記の合金組成を選択したことにより、引張強さが７５０ＭＰａ以上の高い強度を示す。これはＪＩＳに定められた４種のチタン棒の強度を超える高いレベルであって、チタン合金の用途を拡大する物である。このチタン合金は、鉄鋼添加用にしか使用されていなかった安価な低級スポンジチタンを原料とすることができ、むしろその中に含まれる不純物（Ｆｅ：０．２％以上、Ｎ：０．０１％以上）を積極的に利用するものであって、チタン合金の製造コストが、本発明により大幅に低減可能になった。
【００２２】
【実施例】
プラズマスカル炉を使用して表１のチタン合金を溶製した。Ｎｏ．１，２，３−１，４，５および６−１が実施例であり、Ｎｏ．３−２^＊，６−２^＊および７^＊が比較例である。溶製に当り、各合金の組成によって異なるが、原料のうち５０〜１００％に低級スポンジチタンを利用した。それぞれのチタン合金を、直径１００ｍｍ、重量８ｋｇのインゴットに鋳造した。各インゴットを鍛伸し、１０００℃で直径５０ｍｍとし、さらに表１に示した温度で、直径２０ｍｍの丸棒とした。その後、７５０℃に２時間加熱−空冷の焼鈍を施した。これらのサンプルから、平行部直径６．５ｍｍ、評点間距離２５ｍｍの試験片を用意し、引張特性を調べた。結果を、表１にあわせて示す。
【００２３】

[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a high-strength low-alloy titanium alloy used as a material for various structural materials requiring high strength and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Parts such as eyeglass frames, golf club heads, or automobile engine parts such as valve retainers are required to be lightweight and have high strength. Since pure Ti has good corrosion resistance, it has been used for applications requiring corrosion resistance mainly in the chemical industry, but it is necessary to increase the strength by appropriately controlling the amount of O and Fe contained in Ti. Can be. Therefore, regarding such high-strength Ti, JIS defines one to four types of standards according to the level of tensile strength.
[0003]
Recently, high-strength, low-alloy titanium has been developed, which is high in strength by increasing the amount of N even for pure Ti. However, there is a concern that the addition of N may generate TiN, which is a typical LDI (low-density inclusion) in titanium. Therefore, the addition technology is restricted, and high-strength titanium with N content control is not necessarily inexpensive. It is not a material that can be manufactured.
[0004]
Typical examples of the known techniques include Fe: 0.25 to 1.0% and O: 0.45 to 1.0% as high-tensile titanium having good hydrogen embrittlement resistance. It is known that C: 0.1% or less, H: 0.015% or less, N: 0.07% or less, and the balance is substantially Ti (JP-A-52-115713).
[0005]
Titanium alloys as magnetic disk substrates include one or more of Mo, Ni, Co, Cr and Fe: 0.2 to 1.0%, and O + 2N + 0.75C: 0.03 to 0.5%. %, With the balance being substantially Ti (JP-A-3-267334).
[0006]
As a high-strength titanium alloy for casting, Fe: 0.3 to 3.5%, O: 0.05 to 0.95%, Cr: 0 to 0.5%, Al: 0 to 3.5%, V: 0 to 3%, C: 0 to 0.3%, Si: 0 to 0.2%, Mn: 0 to 0.1%, Ni: 0 to 0.3%, and N: 0 to 0.2% %, With the balance being composed of Ti and unavoidable impurities (JP-A-11-36029).
[0007]
In order to produce a titanium alloy at low cost, it is advantageous if low-grade sponge titanium can be used as a raw material. However, since low-grade titanium sponge has many impurities, it has been used only for adding steel. However, when examining the impurities, there are many components that can be used to increase the strength of titanium, and other components have a substantial effect on the physical properties of titanium alloys unless their amounts exceed a certain limit. I knew it wasn't.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to make it possible to use inexpensive low-grade titanium sponge as a raw material, and to appropriately adjust the contents of O, C, N and Fe by utilizing impurities in the low-grade titanium sponge. It is an object of the present invention to provide a titanium alloy which is a low alloy but has a high strength and a tensile strength of 750 MPa or more by controlling, and a method for producing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The high-strength, low-alloy titanium alloy of the present invention contains 0.2 to 0.8% O, 0.01 to 0.15% C, 0.01 to 0.07% N, and 0.3 to 0.3% Fe. It has an alloy composition containing 1.0% and the balance substantially Ti, and has a tensile strength of 750 MPa or more.
[0010]
The method for producing a high-strength low-alloy titanium alloy according to the present invention uses the low-grade sponge Ti containing at least 0.01% of N and at least 0.2% of Fe as at least a part of the raw material. And a source of the Fe component.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The high-strength low-alloy titanium alloy of the present invention contains one or two of Cr and Ni as well as the above-mentioned alloy components existing in a form added to the base metal Ti, that is, O, C, N and Fe. , Fe, and the total content of Fe% + Cr% + Ni%: 1.2% or less. In this case, the above alloy component and Cr and / or Ni component satisfy the relationship of 0.5 ≦ O% + 2N% + 0.9C% + 0.1 (Fe% + Cr% + Ni%) ≦ 1.0%. It is necessary to.
[0012]
The function of the alloy components constituting the high-strength low-alloy titanium alloy of the present invention and the reason why the composition range is determined as described above will be described below. Of course, Ti was selected as a base metal in order to constitute a lightweight and high-strength structural material.
[0013]
O: 0.2-0.8%, preferably 0.4% -0.7%
O is an element effective for increasing the strength of Ti, and at least 0.2% is added to secure the strength. Although the strength increases as the amount of addition increases, it becomes brittle, so the addition is limited to 0.8% or less. A preferable addition amount range is 0.4% to 0.7%.
[0014]
C: 0.01 to 0.15%, preferably 0.05 to 0.10%
C, like O and N, is a component that increases the tensile strength. To obtain this effect, 0.01% or more is added. However, if a large amount is added, a compound TiC with Ti is generated and the fatigue strength is reduced. Therefore, the addition amount is selected from a maximum of 0.15%. The preferable addition amount is 0.05 to 0.10% from the viewpoint of securing the effect of adding C and avoiding the generation of TiC.
[0015]
N: 0.01 to 0.07%, preferably 0.02 to 0.05%
N is a component that increases the strength, and its effect is more remarkable than O, but as described above, it combines with Ti to form TiN similarly to C, and this induces cracking during plastic working. In order to reduce the fatigue strength, an amount within the limit specified by JIS, that is, 0.07% or less is added. As described above, when low-grade sponge titanium is used as a raw material, N is always contained, and it is practically difficult to lower the content to less than 0.01%. A preferred range is from 0.02 to 0.05%.
[0016]
Fe: 0.3 to 1.0%, preferably 0.5% to 1.0%
Fe is a component that increases the strength and also forms a β phase and contributes to the improvement of ductility. In particular, in order to ensure the effect of improving ductility, it is necessary to add 0.3% or more. On the other hand, Fe is an element that is easily segregated, and there is a concern that characteristics may vary when added in a large amount. Therefore, an addition amount of 1.0% or less is selected. Low-grade sponge titanium for steel addition usually contains 0.2 to 2.0% of Fe, and an average value of 0.5% of Fe. By using this, 0.3 to 1.0% of Fe is used. Is easy to be present. A preferable addition amount is 0.5% to 1.0%.
[0017]
Fe% + Cr% + Ni%: 1.2% or less Ni and Cr are contained in low-grade titanium sponge, and if they are used as raw materials, they may inevitably enter. Since it is not a component having a significant presence, and the presence of a large amount impairs toughness and ductility, it is regulated together with the amount of Fe.
[0018]
O% + 2N% + 0.9C% + 0.1 (Fe% + Cr% + Ni%): 1.0% or less (O + N + C) is useful for strengthening, but a large amount is harmful to ductility together with (Fe + Cr + Ni). It is. Therefore, both are regulated together. The coefficient assigned to the content of each component was determined according to the magnitude of the effect on toughness and ductility.
[0019]
Regarding the high-strength low-alloy titanium alloy of the present invention, regardless of whether the alloy composition is of the above-described basic mode or a modified mode, in manufacturing a part using the same, in a temperature range of 600 to 900 ° C, It is preferable to perform finish forming with a forging ratio of 3 or more. Thereby, a fine granular structure having a particle size of 30 μm or less is obtained, and high ductility is realized. A forging ratio of 3 or more is a necessary condition for granulating the α phase to obtain an effect of improving ductility. If the temperature of the finish molding does not reach 600 ° C., the product cannot be prevented from being flawed. On the other hand, if the temperature is higher than 900 ° C., the crystal grains become coarse and improvement in ductility cannot be expected.
[0020]
It is more preferable to perform annealing at 650 to 900 ° C. subsequently to the finish forming performed under the above conditions. Thereby, the granulation of the structure is promoted, and the effect of improving the ductility is enhanced. If the annealing temperature is lower than 650 ° C., a sufficient effect cannot be obtained. If the annealing temperature is higher than 900 ° C., the crystal grains become coarse, so that improvement in ductility cannot be expected.
[0021]
【The invention's effect】
The high-strength low-alloy titanium alloy of the present invention exhibits high tensile strength of 750 MPa or more by selecting the above alloy composition. This is a high level exceeding the strength of the four types of titanium bars specified in JIS, and expands the use of titanium alloys. This titanium alloy can be made of inexpensive low-grade sponge titanium, which has been used only for the addition of steel, but rather contains impurities (Fe: 0.2% or more, N: 0.01%). ) Is positively utilized, and the present invention has made it possible to significantly reduce the production cost of a titanium alloy.
[0022]
【Example】
The titanium alloys shown in Table 1 were melted using a plasma skull furnace. No. Nos. 1, 2, 3-1, 4, 5, and 6-1 are Examples, and 3-2 ^* , 6-2 ^* and 7 ^* are comparative examples. In melting, lower sponge titanium was used for 50 to 100% of the raw materials, depending on the composition of each alloy. Each titanium alloy was cast into an ingot having a diameter of 100 mm and a weight of 8 kg. Each ingot was forged and drawn to a diameter of 50 mm at 1000 ° C., and was further made into a round bar having a diameter of 20 mm at the temperature shown in Table 1. Thereafter, annealing for heating and air cooling at 750 ° C. for 2 hours was performed. From these samples, test pieces having a parallel portion diameter of 6.5 mm and a distance between evaluation points of 25 mm were prepared, and the tensile properties were examined. The results are shown in Table 1.
[0023]

Claims

0.2-0.8% of O, 0.01-0.15% of C, 0.01-0.07% of N and 0.3-1.0% of Fe, with the balance being substantially A high-strength low-alloy titanium alloy having an alloy composition of Ti and having a tensile strength of 750 MPa or more.

In addition to the alloy components defined in claim 1, one or two types of Cr and Ni are contained such that the sum of the content of Fe and the content of Fe becomes 1.2% or less: Fe% + Cr% + Ni%. A high-strength, low-alloy titanium alloy characterized by having an alloy composition satisfying a relationship of O% + 2N% + 0.9C% + 0.1 (Fe% + Cr% + Ni%): 1.0% or less.

3. The method for producing a high-strength low-alloy titanium alloy according to claim 1 or 2, wherein a low-grade sponge Ti containing at least 0.01% of N and at least 0.2% of Fe is used as at least a part of the raw material. And a source of the N component and the Fe component.

A method of producing a high-strength, low-strength, low-alloy titanium alloy, comprising subjecting the high-strength, low-alloy titanium alloy of claim 1 or 2 to finish forming with a forging ratio of 3 or more in a temperature range of 600 to 900 ° C.

The high-strength, high-strength steel according to claim 4, wherein the high-strength low-alloy titanium alloy according to claim 1 or 2 is subjected to finish forming at a forging ratio of 3 or more and then annealed at 650 to 900 ° C. Manufacturing method of low alloy titanium alloy.