KR102027100B1

KR102027100B1 - α-β형 타이타늄 합금

Info

Publication number: KR102027100B1
Application number: KR1020177029948A
Authority: KR
Inventors: 게이타로 다무라; 고이치 아카자와; 요시오 이쓰미; 히데토 오야마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2019-10-01
Also published as: US20180044763A1; CN107406918A; RU2017134565A3; EP3276016B1; JP2016183407A; EP3276016A4; EP3276016A1; KR20170125981A; RU2017134565A; JP6719216B2; RU2695852C2

Abstract

Ti-6Al-4V로 대표되는 α-β형 타이타늄 합금 레벨의 고강도와 우수한 열간 가공성을 갖고, 또한 상기 Ti-6Al-4V보다도 우수한 피삭성을 나타내는 α-β형 타이타늄 합금을 제공한다. 해당 α-β형 타이타늄 합금은, 질량%로, Cu: 0.1∼2.0% 및 Ni: 0.1∼2.0% 중 적어도 1종의 원소, Al: 2.0∼8.5%, C: 0.08∼0.25%, 및 Cr: 0∼4.5% 및 Fe: 0∼2.5% 중 적어도 1종의 원소를 합계로 1.0∼7.0%를 포함하고, 잔부가 Ti 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

α-β형 타이타늄 합금

본 발명은 α-β형 타이타늄 합금에 관한 것이다. 특히 피삭성이 우수한 α-β형 타이타늄 합금에 관한 것이다.

Ti-6Al-4V로 대표되는 고강도 α-β형 타이타늄 합금은 경량, 고강도, 고내식성인 것에 더하여, 열처리에 의해 용이하게 강도 레벨을 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 종래부터 항공기 산업을 중심으로 다용되어 왔다. 이들 특성을 더욱 활용하기 위해, 근년에는, 자동차나 자동 이륜차의 엔진 부재와 같은 자동차 부품, 골프 용품을 비롯한 스포츠 용품, 토목 건축용 소재, 각종 공구류, 안경 프레임 등의 민생품 분야나, 심해나 에너지 개발 용도 등으로의 적용 확대도 진행되고 있다.

상기 α-β형 타이타늄 합금으로서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 피로 강도가 우수한 α-β형 타이타늄 합금 압출재, 및 그 α-β형 타이타늄 합금 압출재의 제조 방법이 나타나 있다. 구체적으로 α-β형 타이타늄 합금 압출재로서, 규정량의 C, Al을 함유함과 더불어, V, Cr, Fe, Mo, Ni, Nb, Ta 중 어느 것을 합계로 2.0∼10.0% 함유하고, 일차 α상의 면적률이 일정 범위 내에 있고, 그 일차 α상 중 80% 이상의 일차 α립의 장경의 방향이 규정된 각도 범위 내에 들어가고, 또한 이차 α상의 평균 단경이 0.1μm 이상인 것이 나타나 있다.

또한, 단조성을 높인 α-β형 타이타늄 합금으로서, 특허문헌 2에는, Ti-6Al-4V 합금보다도 강도가 높고, 주조성이 우수한 주조용 α-β형 타이타늄 합금이 나타나 있다. 구체적으로는, 규정량의 Al, Fe+Cr+Ni, 및 C+N+O, 추가로는 필요에 따라서 규정량의 V를 포함하고, 잔부가 Ti 및 불가피적 불순물로 이루어지는 α-β형 타이타늄 합금이 나타나 있다.

그러나, α-β형 타이타늄 합금의 현저하게 높은 제조 비용에 더하여, 특히 피삭성이 나쁘다는 것이, α-β형 타이타늄 합금의 적용 확대의 방해가 되고 있어, 사용 범위는 한정되어 있는 것이 현 상황이다. 이와 같은 실정에 비추어, 근년에는, 피삭성을 개선한 여러 가지의 타이타늄 합금이 제안되고 있다.

예를 들면 특허문헌 3에는, 희토류 원소(REM, Rare Earth Metal)와 Ca, S, Se, Te, Pb, Bi를 적절히 함유시켜, 입상의 화합물을 형성하는 것에 의해 인성, 연성의 저하를 억제하면서, 피삭성을 향상시킨 커넥팅 로드용 타이타늄 합금이 기재되어 있다. 특허문헌 4에도, 희토류 원소를 함유시키는 것에 의해 피삭성을 향상시키고, B를 함유시키는 것에 의해 열간 가공성을 개선시킨 쾌삭 타이타늄 합금이 기재되어 있다.

특허문헌 5에는, 쾌삭 성분으로서, P와 S, P와 Ni, 또는 P와 S와 Ni, 추가로는 이들 원소에 더하여 REM을 첨가하는 것에 의해, 매트릭스의 연성 저하와 개재물의 미세화를 도모하여, 쾌삭성을 개선하면서, 열간 가공성을 확보함과 더불어 피로 강도의 저하를 억제한 쾌삭성 타이타늄 합금이 기재되어 있다.

또한 특허문헌 6에는, 피삭성 및 열간 가공성이 우수한 α-β형 타이타늄 합금으로서, 규정량의 C, Al과 함께, 각 규정량의 V, Cr, Fe, Mo, Ni, Nb, Ta의 β 안정화 원소군으로부터의 1종 또는 2종 이상을 합계로 2.0∼10% 포함하고, 잔부 Ti 및 불순물로 이루어지며, 조직 중의 TiC 석출물의 평균 면적률이 1% 이하이고, 또한 TiC 석출물의 평균 원 상당 직경의 평균치가 5μm 이하인 타이타늄 합금이 나타나 있다.

일본 특허공개 2012-52219호 공보 일본 특허공개 2010-7166호 공보 일본 특허공고 평6-99764호 공보 일본 특허공고 평6-53902호 공보 일본 특허 제2626344호 공보 일본 특허공개 2007-84865호 공보

그러나, 상기 특허문헌 3이나 특허문헌 4와 같이 REM을 이용하여 금속 개재물을 석출시키거나, 상기 특허문헌 5와 같이 P를 적극적으로 함유시켜 P 개재물을 형성시키거나, 또한 특허문헌 6대로 TiC 석출물의 사이즈를 제어하는 방법에서는, 이들 석출물이나 개재물의 석출이 용해-단조 공정에 있어서의 온도나 냉각 속도의 영향을 받기 쉬워, 해당 석출물 등의 사이즈의 제어가 어려운 것으로 생각된다. 또한 소재의 형상이나 사이즈에 따라, 상기 석출물이나 개재물의 사이즈 등의 격차도 생기기 쉽다. 따라서, 목적하는 개재물을 석출시켜 우수한 피삭성을 얻기 위해서는, 제조 공정상 엄밀한 관리가 필요한 것과 같은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 상기 제조 공정의 엄밀한 관리 등을 필요로 하지 않고도, 상기 Ti-6Al-4V로 대표되는 α-β형 타이타늄 합금 레벨의 고강도와 우수한 열간 가공성을 가짐과 더불어, 상기 Ti-6Al-4V보다도 우수한 피삭성을 나타내는 α-β형 타이타늄 합금을 실현하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 α-β형 타이타늄 합금은, 질량%로, Cu: 0.1∼2.0% 및 Ni: 0.1∼2.0% 중 적어도 1종의 원소, Al: 2.0∼8.5%, C: 0.08∼0.25%, 및 Cr: 0∼4.5% 및 Fe: 0∼2.5% 중 적어도 1종의 원소를 합계로 1.0∼7.0%를 포함하고, 잔부가 Ti 및 불가피 불순물로 이루어지는 데에 특징을 갖는다.

상기 α-β형 타이타늄 합금은, 추가로, 질량%로, V: 0% 초과 5.0% 이하, Mo: 0% 초과 5.0% 이하, Nb: 0% 초과 5.0% 이하 및 Ta: 0% 초과 5.0% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를, 합계로 0% 초과 10% 이하 포함하고 있어도 된다.

또한 상기 α-β형 타이타늄 합금은, 추가로, 질량%로, Si: 0% 초과 0.8% 이하를 포함하고 있어도 된다.

본 발명에 의하면, Ti-6Al-4V로 대표되는 α-β형 타이타늄 합금 레벨의 고강도와 우수한 단조성 등의 열간 가공성을 가짐과 더불어, 상기 Ti-6Al-4V보다도 우수한 피삭성을 나타내, 양호한 공구 수명의 확보가 가능한 α-β형 타이타늄 합금을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 타이타늄 합금의 현미경 사진이다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 특히 Cu와 Ni 중 적어도 1종을 규정량 함유시키는 것에 의해, 고온에서의 연성이 대폭으로 향상되고, 특히, 변형 저항의 저하에 의해 절삭 가공 시에 절분(切粉)이 얇게 형성되어 절삭 저항이 낮아지는, 즉 피삭성이 향상되는 것을 발견하였다. 이하, 본 발명의 α-β형 타이타늄 합금의 성분 조성에 대해, 본 발명의 특징인 Cu, Ni부터 순서대로 설명한다.

Cu: 0.1∼2.0% 및 Ni: 0.1∼2.0% 중 적어도 1종의 원소

이들 원소는 합금 중의 α상 및 β상에 고용되어, 고온에서의 연성을 증대시켜, 열간 가공성을 향상시킨다. 그에 의해 특히 절삭 저항이 낮아져, 피삭성이 향상된다. 이들 원소는 단독으로 이용해도 되고 2종을 병용해도 된다. 각 원소의 함유량이 0.1% 미만이면 상기 연성 향상의 효과가 작다. 따라서 각 원소의 함유량을 0.1% 이상으로 하였다. 각 원소의 함유량은 바람직하게는 각각 0.3% 이상, 보다 바람직하게는 각각 0.5% 이상이다. 한편, 각 원소의 함유량이 2.0%를 초과하면, 경도가 상승하는 것에 의한 피삭성의 저하나 단조성 등의 열간 가공성의 저하가 생기기 쉬워진다. 따라서 각 원소의 함유량을 2.0% 이하로 하였다. 각 원소의 함유량은 바람직하게는 각각 1.5% 이하이고, 보다 바람직하게는 각각 1.0% 이하이다.

Al: 2.0∼8.5%

Al은 α 안정화 원소이고, α상을 생성시키기 위해서 함유시킨다. Al량이 2.0% 미만이면 α상의 생성이 과소해져, 충분한 강도가 얻어지지 않는다. 따라서 Al량은 2.0% 이상으로 한다. Al량은 바람직하게는 2.2% 이상, 보다 바람직하게는 3.0% 이상이다. 한편, Al량이 8.5%를 초과하여 과잉이 되면, 연성이 열화된다. 따라서 Al량은 8.5% 이하로 한다. Al량은 바람직하게는 8.0% 이하, 보다 바람직하게는 7.0% 이하, 더 바람직하게는 6.0% 이하이다.

C: 0.08∼0.25%

C는 강도 향상 효과를 나타내는 원소이고, 이 효과를 발휘시키기 위해서는, C량을 0.08% 이상으로 할 필요가 있다. C량은 바람직하게는 0.10% 이상이다. 한편, C량이 0.25%를 초과하면, α상 중에 고용되지 않는 조대한 TiC가 잔류하여, 기계적 특성이 열화된다. 따라서 C량은 0.25% 이하로 한다. C량은 바람직하게는 0.20% 이하이다.

Cr: 0∼4.5% 및 Fe: 0∼2.5% 중 적어도 1종의 원소를 합계로 1.0∼7.0%

이들 원소는 β 안정화 원소이다. 이들 원소는 단독으로 이용해도 되고 2종을 병용해도 된다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, 이들 원소를 합계로 1.0% 이상으로 할 필요가 있다. 이들 원소의 함유량은 바람직하게는 합계로 2.0% 이상, 보다 바람직하게는 합계로 3.0% 이상이다. 이들 원소의 함유량의 하한은 상기와 같이 합계량이 1.0% 이상이면 되고, 개개의 원소의 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 개개의 원소의 함유량의 하한은 예를 들면, Cr을 함유시키는 경우, 0.5% 이상으로 할 수 있고, 나아가 1.0% 이상으로 할 수 있다. Fe를 함유시키는 경우는, 0.5% 이상으로 할 수 있고, 나아가 1.0% 이상으로 할 수 있다.

한편, 이들 원소의 합계량이 과잉인 경우도 연성은 열화된다. 따라서 이들 원소는 합계로 7.0% 이하로 한다. 바람직하게는 합계로 5.0% 이하, 보다 바람직하게는 합계로 4.0% 이하이다. 상기 합계량의 범위 내이더라도, Fe량이 과잉인 경우는 연성의 저하가 현저해진다. 따라서 Fe량은 2.5% 이하로 억제한다. Fe량은 바람직하게는 2.0% 이하이다. 또한 Cr량이 과잉인 경우는 피삭성이 저하된다. 따라서 Cr량은 4.5% 이하로 한다. Cr량은 바람직하게는 4.0% 이하, 보다 바람직하게는 3.0% 이하이다.

본 발명의 α-β형 타이타늄 합금은 상기 성분을 포함하고, 잔부가 Ti 및 불가피 불순물로 이루어진다. 불가피 불순물로서 P, N, S, O 등을 들 수 있다. 본 발명의 α-β형 타이타늄 합금은 P량이 0.005% 이하, N량이 0.05% 이하, S량이 0.05% 이하, O량이 0.25% 이하로 각각 억제되어 있다. 본 발명의 α-β형 타이타늄 합금은 추가로 하기의 원소를 포함하고 있어도 된다.

V: 0% 초과 5.0% 이하, Mo: 0% 초과 5.0% 이하, Nb: 0% 초과 5.0% 이하 및 Ta: 0% 초과 5.0% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를, 합계로 0% 초과 10% 이하

이들 원소는 β 안정화 원소이다. 이들 원소는 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 병용해도 된다. β상을 생성시키기 위해서는, 이들 원소를 합계로 2.0% 이상 함유시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 합계로 3.0% 이상이다. 합계량이 0% 초과이면 되고, 개개의 원소의 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 개개의 원소의 함유량의 하한은 예를 들면, V를 함유시키는 경우, 0.5% 이상, 나아가 2.0% 이상으로 할 수 있다. Mo를 함유시키는 경우, 0.1% 이상, 나아가 1.0% 이상으로 할 수 있다. Nb를 함유시키는 경우, 0.1% 이상, 나아가 1.0% 이상으로 할 수 있다. Ta를 함유시키는 경우, 0.1% 이상, 나아가 1.0% 이상으로 할 수 있다.

한편, 이들 원소의 합계량이 과잉이면 연성이 열화된다. 따라서, 이들 원소의 합계량을 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5.0% 이하이다. 또한 해당 합계량의 범위 내이더라도, 적어도 어느 하나의 원소가 과잉인 경우는 연성이 열화된다. 따라서, 어느 원소도 상한을 5.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. 어느 원소도 보다 바람직하게는 4.0% 이하이다.

Si: 0% 초과 0.8% 이하

Si는 타이타늄 합금 중에 Ti₅Si₃을 석출시킨다. 절삭 시, 이 Ti₅Si₃에 응력이 집중되어, 이 Ti₅Si₃을 기점으로 보이드가 발생함으로써, 절분이 분단되기 쉬워진다. 그 결과, 절삭 저항이 저하된다고 생각된다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Si를 0.1% 이상 함유시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3% 이상이다.

한편, Si량이 과잉이면, 타이타늄 합금의 강도가 지나치게 높아져, 공구가 현저하게 마모 또는 결손되어, 절삭이 곤란해진다. 따라서, Si량은 0.8% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.7% 이하, 더 바람직하게는 0.6% 이하이다.

본 발명의 타이타늄 합금으로서, 그 조직이 실온에서, α상 및 β상으로 이루어지거나, 또는 α상, β상, 및 예를 들면 Ti₂Cu나 Ti₂Ni 등의 제3상으로 이루어지는 것을 들 수 있다. 또한, Si를 포함하는 경우에는, 전술한 대로 타이타늄 합금 중에 Ti₅Si₃이 석출된다.

이 α-β형 타이타늄 합금의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 다음의 방법으로 제조할 수 있다. 즉, 상기 성분의 타이타늄 합금을 용제하고, 그 주괴에 대해서 열간 가공, 즉 열간 단조 또는 열간 압연을 행한 후, 필요에 따라 소둔을 실시하는 것에 의해 제조된다. 상기 열간 가공은, 주괴를 β 변태 온도 T_β∼(T_β+250)℃ 정도의 온도역으로 가열하고, 「원래의 단면적/열간 가공 후의 단면적」으로 표시되는 가공비로 1.2∼4.0 정도의 조(粗)단조 또는 조압연을 행하고, 이어서 (T_β-50)∼800℃ 정도의 온도역에서, 가공비 1.7 이상의 마무리 가공을 행한다. 상기 마무리 가공 후, 필요에 따라서 700∼800℃에서 소둔을 실시해도 된다. 소둔은 예를 들면 2∼24시간 행하는 것을 들 수 있다. 또한 그 후, 필요에 따라서 시효 처리를 실시해도 된다.

한편, 상기 T_β는 하기 식(1)로부터 구해진다. 하기 식(1)은 모리나가 등, 「d 전자론을 응용한 타이타늄 합금의 설계」, 경금속, Vol. 42, No. 11(1992), p. 614-621에 있어서의 식(1)∼(3)에 상당하는 것이다.

Boave=0.326Mdave-1.95×10^-4T_β+2.217···(1)

식(1)에 있어서,

Boave=ΣXi·(Bo)i···(2)

Mdave=ΣXi·(Md)i···(3)

T_β는 β 변태 온도(K)

를 의미한다.

식(2)에 있어서, 각 원소를 원소 i로 표현하였을 때,

Boave는 원소 i의 결합 차수 Bo의 평균치, Xi는 원소 i의 원자 비율, (Bo)i는 원소 i의 결합 차수 Bo의 값을 나타낸다.

식(3)에 있어서, 각 원소를 원소 i로 표현하였을 때,

Mdave는 원소 i의 d 궤도 에너지 파라미터 Md의 평균치, Xi는 원소 i의 원자 비율, (Md)i는 원소 i의 d 궤도 에너지 파라미터 Md의 값을 나타낸다.

각 원소의 결합 차수 Bo와 d 궤도 에너지 파라미터 Md는 상기 문헌의 p. 616의 표 1에 기재되어 있다. 또한 Xi는 성분 조성으로부터 구해진다. 이들 데이터로부터, Ti를 포함하는 각 원소의 Boave와 Mdave를 구하고, 상기 식(1)에 대입하여, T_β를 산출할 수 있다. 한편, 이 문헌에는 C의 Bo나 Md의 데이터는 없지만, 본 발명에 있어서 C량은 적기 때문에, C는 무시하고 T_β를 산출하였다.

본원은 2015년 3월 26일에 출원된 일본 특허출원 제2015-064275호 및 2016년 1월 21일에 출원된 일본 특허출원 제2016-009417호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2015년 3월 26일에 출원된 일본 특허출원 제2015-064275호의 명세서의 전체 내용 및 2016년 1월 21일에 출원된 일본 특허출원 제2016-009417호의 명세서의 전체 내용이 본원의 참고를 위해 원용된다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 원래 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[실시예 1]

공시재를 이하의 요령으로 제작하였다. 버튼 아크 용해에 의해, 하기 표 1에 나타내는 각 성분 조성의 타이타늄 합금으로서 사이즈가 직경 약 40mm×높이 20mm인 주괴를 제조하였다. 한편, 어느 예도, P량은 0.005% 이하, N량은 0.05% 이하, S량은 0.05% 이하, 또한 O량은 0.25% 이하로 각각 억제되어 있었다. 또한, 표 1에 있어서 「-」은 그 원소를 첨가하고 있지 않는 것을 의미한다. 이 주괴를 1200℃로 가열하고, 「원래의 단면적/열간 가공 후의 단면적」으로 표시되는 가공비 2.4로 조단조하고, 이어서 870℃에서, 가공비를 4.4로 하여 단조로 마무리 가공하였다. 그 후, 750℃에서 12시간 유지하는 소둔을 실시하여 공시재를 얻었다. 한편, 하기 표 1의 비교예 7에 나타내는 대로, 조단조로 균열이 생긴 것은 마무리 단조를 행하지 않았다.

단조성의 평가

열간 가공성의 평가를, 본 실시예에서는 열간에서의 단조성으로 평가하였다. 상세하게는, 상기 조단조와 마무리 단조의 각 단조 시에서의 균열의 유무로 평가하였다. 즉, 각 단조 후에 상기 공시재의 표면을 육안으로 관찰하여, 균열이 생겨 있는 경우를 NG, 균열이 생겨 있지 않은 경우를 OK라고 판단하였다. 그리고, 조단조와 마무리 단조 모두에 있어서 OK인 경우를 단조성이 우수하다고 평가하였다.

피삭성의 평가

상기 단조성이 양호하였던 것을 대상으로, 피삭성의 평가를 하기와 같이 행하였다. 즉, 상기 공시재로부터 하기 사이즈의 시험편을 채취하여, 하기의 절삭 조건에서 절삭 시험을 행하였다. 그리고 피삭성은, 키슬러사제의 절삭 동력계, 형식: 9257B를 이용하여 절삭 개시부터 절삭 종료까지의 절입 방향의 절삭 저항을 측정하고, 이 절삭 개시부터 절삭 종료까지의 절삭 저항의 평균치를 평균 절삭 저항으로서 구하였다. 그리고, 일반적인 α-β형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V를 동 조건에서 절삭 시험한 경우, 평균 절삭 저항은 180N이기 때문에, 이 실시예 1에서는, 평균 절삭 저항이 180N보다도 낮은 경우를 피삭성이 우수하다고 평가하고, 평균 절삭 저항이 180N 이상인 경우를 피삭성이 뒤떨어진다고 평가하였다.

절삭 조건

시험편: 높이 10mm×폭 10mm×길이 150mm

공구: 샌드빅사제 초경 팁 S30T(노즈 0.4mm)

샌드빅사제 엔드 밀 R390(직경 20mm, 1매 날)

절삭 속도 Vc: 100m/min

축 방향 절입량: 1.2mm

지름 방향 절입량: 1mm

이송 속도: 0.08mm/날

절삭 길이: 150mm

절삭유: 없음

인장 강도의 측정

참고로 본 발명의 α-β형 타이타늄 합금의 인장 강도도 측정하였다. 상세하게는, 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 타이타늄 합금을 이용하여, 하기 시험편 형상 및 하기 시험 속도의 조건에서 인장 시험을 행하였다. 그 결과, 실시예 1에서는 948MPa, 실시예 3에서는 1125MPa, 비교예 1에서는 948MPa로, 강도에 대해서는 모두 약간 높아, 일반적인 α-β형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V의 소둔재의 강도: 896MPa보다도 높은 강도를 나타내었다.

시험편 형상: ASTM E8/E8M Fig. 8 Specimen 3

시험 속도: 4.5mm/min

상기 단조성의 평가 결과와 평균 절삭 저항의 값을 표 1에 병기한다.

표 1로부터 다음의 것을 알 수 있다. 실시예 1∼8은 모두 본 발명에서 규정된 성분 조성을 만족시키고 있어, 모두 양호하게 단조할 수 있어 우수한 단조성을 갖는 것을 알 수 있다. 더욱이 이들 예에서는, 일반적인 α-β형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V보다도 평균 절삭 저항이 작아, 양호한 피삭성도 겸비하는 것을 알 수 있다.

이에 비해서, 비교예 1∼7은 모두 본 발명에서 규정된 성분 조성을 만족시키고 있지 않기 때문에, 단조성이 뒤떨어지거나 피삭성이 뒤떨어지는 결과가 되었다. 상세하게는, 비교예 1은 Cu와 Ni 중 어느 것도 포함하지 않기 때문에 평균 절삭 저항이 커졌다. 이 비교예 1은 특허문헌 6과 마찬가지의 성분 조성이다. 상기 실시예 1∼3과, Cu와 Ni 이외의 함유 원소 및 그 양이 해당 실시예 1∼3과 동일한 비교예 1을 대비하면, 평균 절삭 저항을 충분히 저감시켜 양호한 피삭성을 확실히 얻기 위해서는, 본 발명과 같이, Cu, Ni 중 적어도 어느 하나를 규정량 함유시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다.

비교예 2는 Ni를 포함하는 예이지만 Ni량이 과잉이기 때문에, 또한 비교예 5는 Cu를 포함하는 예이지만 Cu량이 과잉이기 때문에, 모두 평균 절삭 저항이 180N보다 높아져, 피삭성이 나빠졌다. 비교예 3과 비교예 6은 Cu와 Ni의 각 양이 과잉이기 때문에, 모두 평균 절삭 저항이 180N보다 높아져, 피삭성이 나빠졌다.

비교예 4는 Cu량이 과잉이기 때문에 단조성이 저하되었다. 비교예 7은 Cu와 Ni의 각 양이 현저하게 과잉이기 때문에, 조단조의 단계에서 균열이 생겨, 단조성이 뒤떨어지는 결과가 되었다.

[실시예 2]

본 실시예에서는, Si를 포함하는 경우의, 특히 피삭성에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 표 2에 나타내는 대로, Si량이 여러 가지인 주괴를 제조하고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 공시재를 얻었다. 한편, 어느 예도, P량은 0.005% 이하, N량은 0.05% 이하, S량은 0.05% 이하, 또한 O량은 0.25% 이하로 각각 억제되어 있었다. 또한, 표 2에 있어서 「-」은 그 원소를 첨가하고 있지 않는 것을 의미한다.

상기 공시재를 이용하여, 하기와 같이 석출상의 유무를 확인함과 더불어, 실시예 2에서는 강도의 지표로서 비커스 경도를 측정하였다. 또, 실시예 1과 마찬가지로 단조성에 대해 평가함과 더불어, 하기와 같이 피삭성의 평가를 행하였다. 한편, 참고로, 표 2의 No. 3에 대해, 실시예 1과 마찬가지로 인장 강도를 측정한 바, 968MPa로, 일반적인 α-β형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V의 소둔재의 강도: 896MPa보다도 높은 강도를 나타내었다.

석출상의 유무의 평가

단면을 경면 연마하고, 초불산을 이용하여 입계가 보일 정도의 산처리를 행한 후, FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscope, 전계 방사형 주사 전자 현미경)에 의해, 배율 4000배로, 시야 사이즈 40μm×40μm를 합계 10시야 관찰하였다. 그리고, 원 상당 직경 2μm 이상의 석출상이, 상기 10 시야의 합계로 5개 이상 확인되었던 경우를 석출상 「있음」이라고 평가하고, 상기 10시야의 합계로 4개 이하인 경우를 석출상 「없음」이라고 평가하였다. 한편, 상기 석출상은 Ti₅Si₃인 것을 XRD(X-Ray Diffraction, X선 회절)로 별도 확인하고 있다.

상기 현미경으로 관찰한 일례를 도 1에 나타낸다. 도 1은 표 2의 No. 3에 대해 측정한 것이고, 화살표가 석출상 중 하나이다.

비커스 경도 HV의 측정

하중 10kgf의 조건에서 비커스 경도 HV를 5점 측정하고, 그 평균치를 구하였다.

피삭성의 평가

실시예 1과 마찬가지로 평가한 단조성이 양호하였던 것, 즉 표 2의 모든 예를 대상으로, 피삭성의 평가를 하기와 같이 행하였다. 즉, 상기 공시재로부터 하기 사이즈의 시험편을 채취하여, 하기의 절삭 조건에서 절삭 시험을 행하였다. 그리고 피삭성은, 키슬러사제의 절삭 동력계, 형식: 9257B를 이용하여 절삭 개시부터 절삭 종료까지의 절입 방향의 절삭 저항을 측정하고, 이 절삭 개시부터 절삭 종료까지의 절삭 저항의 평균치를 평균 절삭 저항으로서 구하였다. 그리고, 일반적인 α-β형 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V를 동 조건에서 절삭 시험한 경우, 평균 절삭 저항은 122N이기 때문에, 이 실시예 2에서는, 평균 절삭 저항이 122N보다도 낮은 경우를 피삭성이 우수하다고 평가하고, 평균 절삭 저항이 122N 이상인 경우를 피삭성이 뒤떨어진다고 평가하였다.

절삭 조건

시험편: 높이 10mm×폭 10mm×길이 60mm

공구: 샌드빅사제 초경 팁 S30T(노즈 0.4mm)

샌드빅사제 엔드 밀 R390(직경 20mm, 1매 날)

절삭 속도 Vc: 100m/min

축 방향 절입량: 1.2mm

지름 방향 절입량: 1mm

이송 속도: 0.08mm/날

절삭 길이: 15mm

절삭유: 없음

이들 결과를 표 2에 병기한다.

표 2로부터 다음의 것을 알 수 있다. 즉, 표 1의 실시예 1과 동일한 성분 조성의 No. 1과, No. 2∼6, 특히 Si 이외의 함유량이 상기 표 1의 실시예 1과 동일한 No. 2∼4의 대비로부터 분명한 바와 같이, Si를 함유시키는 것에 의해, Si를 포함하지 않는 경우보다도 평균 절삭 저항을 더 저감할 수 있어, 충분히 높은 피삭성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 한편, No. 7이나 No. 8과 같이 Si 함유량이 과잉인 경우는, 경도가 지나치게 높아져, 오히려 평균 절삭 저항이 높아지거나, 공구가 손상되는 등의 문제가 생겼다.

Claims

질량%로,
Cu: 0.1∼2.0%,
Ni: 0.1∼2.0%,
Al: 2.0∼8.5%,
C: 0.08∼0.25%, 및
Cr: 0∼4.5% 및 Fe: 0∼2.5% 중 적어도 1종의 원소를 합계로 1.0∼7.0%
를 포함하고, 잔부가 Ti 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 α-β형 타이타늄 합금.
제 1 항에 있어서,
추가로, 질량%로,
V: 0% 초과 5.0% 이하, Mo: 0% 초과 5.0% 이하, Nb: 0% 초과 5.0% 이하 및 Ta: 0% 초과 5.0% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를, 합계로 0% 초과 10% 이하 포함하는 α-β형 타이타늄 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
추가로, 질량%로, Si: 0% 초과 0.8% 이하를 포함하는 α-β형 타이타늄 합금.