专利名称：高强度低合金钛合金及其制造方法
技术领域：
本发明涉及制成要求高强度的各种构造材的材料的高强度低合金钛合金及其制造方法。
背景技术：
眼镜框、高尔夫球棍的头部、或者汽车发动机部件例如气门盘(valve retainer)等部件要求轻量且具有高强度。纯Ti由于耐腐蚀性好，所以在此之前用于以化学工业为中心的要求耐腐性的用途，通过适当控制含在Ti中的O量和Fe量，可以提高强度。因此，对于这样的高强度的Ti，JIS中根据牵张强度标准规定了1种至4种的规格。
最近，在接近纯Ti的材料中开发了提高N量、谋求高强度化的高强度低合金钛。但是N的添加担心会生成作为钛中代表性的LDI(低密度夹在物)的TIN，因此，在添加技术上存在制约，控制N量的高强度钛不一定是能以便宜的价格制造的材料。
在已知的技术中，举出有代表性的合金的话，作为对氢脆化性好的高张力钛，已知含有Fe0.25-1.0％以及O0.45-1.0％，C0.1％以下，H0.015以下％，N0.07％以下，残余部分实质上是Ti(特开昭52-115713)。
特开平3-267334中公开了在作为磁盘基板的钛合金中，加入Mo、Ni、Co、Cr以及Fe中的1种或2种以上0.2-1.0％，含有O+2N+0.75C0.03-0.5％，残余部分实质上是Ti的合金组成。
作为铸造用的高强度钛合金，提案了含有Fe0.3-3.5％，O0.05-0.95％，Cr0-0.5％，Al0-3.5％，V0-3％，C0-0.3％，Si0-0.2％，Mn0-0.1％，Ni0-0.3％以及N0-0.2％，残余部分是Ti以及不可避免的杂质构成的合金(特开平11-36029)。
为了廉价地制造钛合金，作为原料，如果能使用低级海绵钛则有利。但是，低级海绵钛杂质多，迄今只是使用于铁钢添加用。但是，如果考察该杂质可知，可以利用在提高钛强度的成分多，其他的成分，只要其量不超过一定的限度，对钛合金的物性也没有实质上的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可以使用低价格的低级海绵钛作为原料，且利用低级海绵钛中的杂质，适当控制O、C、N以及Fe的含量，虽然是低合金却高强度，牵张强度实现750Mpa以上的钛合金及其制造方法。
本发明的高强度低合金钛合金，其特征在于，具有下述合金组成，含有O0.2-0.8％，C0.01-0.15％，N0.01-0.07％以及Fe0.3-1.0％，残余部分实质上是Ti，其牵张强度在750MPa以上。
本发明的高强度低合金钛合金的制造方法，其特征在于，原料的至少一部分中使用含有N0.01％以上以及Fe0.2％以上的低级海绵Ti，作为上述N成分和Fe成分的来源。
具体实施例方式
本发明的高强度低合金钛合金以加在作为基体金属的Ti中形态存在的上述合金成分，即不仅是O、C、N以及Fe，可以含有Cr以及Ni中的1种或2种，且与Fe的含量的总计Fe％+Cr％+Ni％在1.2％以下。此时，上述合金成分以及Cr和/或Ni成分必须满足0.5≤O％+2N％+0.9C％+0.1(Fe％+Cr％+Ni％)≤1.0％的关系。
以下说明构成本发明的高强度低合金钛合金的合金成分的作用和组成范围如上述规定的理由。Ti由于构成轻量且高强度的构造材，选择它作为基体金属是理所当然的。
O0.2-0.8％，优选0.4-0.7％O是为了使Ti高强度化的有效元素，为了确保强度，至少添加0.2％。随着添加量的增大，强度也增大，但是由于变脆，添加到0.85％以下为止。优选的添加量范围在0.4-0.7％。
C0.01-0.15％，优选0.05-0.10％。
C与O和N同样，是提高牵张强度的成分。为了获得该效果，添加在0.01％或其以上。但是，添加多量时，与Ti生成化合物TiC，使疲劳强度下降，所以从直到最大0.15％的添加量来选择。从确保C的添加效果，同时避免TiC的生成的方面看，优选的添加量为0.05-0.10％。
N0.01-0.07％，优选0.02-0.05％。
N是提高强度的成分，其作用比O显著，如前所述，与C同样，与Ti结合形成TiN，其在塑性加工时或者引发裂缝，或者降低疲劳强度，所以添加JIS规定的限度内的量，即在0.07％以下。如前所述，将低级海绵钛作为原料时，必须要含有N，使N低于0.01％时，实际上困难。合适的范围是0.02-0.05％。
Fe0.3-1.0％，优选0.5-1.0％。
Fe是提高强度、同时也形成β相，改善延展性的成分。特别是为了确保改善延展性的效果，添加0.3％以上是必要的。另一方面，Fe是容易偏析的元素，多量添加时由于担心产生特性的不平衡，所以选择添加量在1.0％以内。铁钢添加用的低级海绵钛通常含有Fe为0.2-2.0％，作为平均值含有0.5％的Fe，通过使用铁钢添加用的低级海绵钛，容易使Fe含量在0.3-1.0％。优选的添加量为0.5-1.0％。
Fe％+Cr％+Ni％在1.2％以下Ni和Cr含在低级海绵钛中，将低级海绵钛作为原料时，具有不可避免的引入的可能性。Ni和Cr并不是特别提出的存在意义的成分，且由于大量存在损害韧延性，所以与Fe量一起进行限定。
O％+2N％+0.9C％+0.1(Fe％+Cr％+Ni％)在1.0％以下(O+N+C)发挥高强度化的作用，但多量存在与(Fe+Cr+Ni)同样，损害韧延性。因此，二者加和进行规定。赋予各成分的含量的系数根据对韧延性的影响的大小来决定。
本发明的高强度低合金钛合金，其各合金组成可以是上述那样的基本的方式，也可以是改变的方式，当将其作为材料制造部件时，优选在600-900℃的温度范围，进行锻造比3以上的精加工成型。由此，得到粒径30μm以下的微细粒状组织，实现高延展性。锻造比3以上使α相粒状化，得到延展性提高的效果，而且是必要的条件。精加工成型的温度在不达到600℃的低温下防止制品产生伤痕，另一方面，如果是超过900℃的高温，结晶粒粗大，不能期望提高延展性。
在上述条件下进行精加工成型，更优选在其后在650-900℃下进行退火。这样，促进组织的粒状化，提高延展性提高的效果。退火温度不足650℃时，不能得到充分的效果，超过900℃时，结晶粒粗大，还是不能期望提高延展性。
发明的效果本发明的高强度低合金钛合金通过选择上述的合金组成，显示牵张强度为750Mpa以上的高强度。这是超过了JIS规定的4种的钛棒强度的高标准，是扩大了钛合金的用途的合金。该钛合金可以以只在铁钢添加用中使用的便宜的低级海绵钛为原料，莫不如说是积极地利用其中含有的杂质(Fe0.2％以上，N0.01％以上)的合金，通过本发明可以大幅度地削减钛合金的制造成本。
实施例使用等离子体桶(プラズマスカル)炉，调制表1的钛合金。No.1，2，3-1，4，5和6-1是实施例，No.3-2*，6-2*以及7*是比较例。当熔制时，根据各合金的组成而不同，原料中的50-100％利用低级海绵钛。将各合金铸造成直径100mm、重量8kg的坯料。锻伸各坯料，在1000℃下制成直径50mm，进一步在表1显示的温度下制成直径20mm的圆棒。其后，在750℃实施2小时加热-空冷的退火。从这些样品中准备平行部分直径6.5mm，评价点间距25mm的试验片，考察牵张特性。结果合并在表1中示出。
表1 合金组成(重量％、残余部分Ti)与牵张强度
式1Fe％+Cr％+Ni％式2O％+2N％+0.9C％+0.1(Fe％+Cr％+Ni％)
权利要求
1.高强度低合金钛合金，其特征在于，具有下述合金组成，含有O0.2-0.8％，C0.01-0.15％，N0.01-0.07％，以及Fe0.3-1.0％，残余部分实质上是Ti，其牵张强度在750MPa以上。
2.高强度低合金钛合金，其特征在于，具有下述合金组成，除了含有权利要求1规定的合金成分以外，还含有Cr以及Ni中的1种或2种，使其与Fe的含量的总计Fe％+Cr％+Ni％在1.2％以下，且满足O％+2N％+0.9C％+0.1(Fe％+Cr％+Ni％)在1.0％以下的关系。
3.制造权利要求1或2的高强度低合金钛合金的方法，其特征在于，对于原料的至少一部分，使用含有N0.01％以上以及Fe0.2％以上的低级海绵Ti，作为上述N成分和Fe成分的来源。
4.高延展性的高强度低合金钛合金的制造方法，其特征在于，对权利要求1或2的高强度低合金钛合金在600-900℃的温度范围进行锻造比3以上的精加工成型。
5.权利要求4所述的高延展性的高强度低合金钛合金的制造方法，其特征在于，对权利要求1或2的高强度低合金钛合金进行锻造比3以上的精加工成型后，在650-900℃下实施退火。
全文摘要
本发明提供低合金、高强度，牵张强度实现750MPa以上的钛合金，以及提供一种可以用低价格的低级海绵钛作为原料制造所述钛合金的制造方法。本发明的高强度低合金钛合金具有下述合金组成，含有O0.2－0.8％，C0.01－0.15％，N0.01－0.07％，以及Fe0.3－1.0％，残余部分实质上是Ti，其牵张强度在750MPa以上。在制造时作为原料的至少一部分，使用含有N0.01％以上以及Fe0.2％以上的低级海绵Ti作为上述N成分和Fe成分的来源。
文档编号C22F1/18GK1530454SQ20041002825
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月10日 优先权日2003年3月10日
发明者堀村弘幸, 土居航介, 铃木昭弘, 神谷久夫, 介, 夫, 弘 申请人:本田技研工业株式会社