α+β型钛合金制部件及其制造方法

专利名称：α+β型钛合金制部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及螺栓、发动机气门、连杆(Connection rod)等的α+β型钛合金制部件及其制造方法。
背景技术：
钛合金由于密度为钢的约60%、重量轻，且比强度(=抗拉强度/密度)高，因此被应用于要求轻量化的螺栓、发动机气门、连杆所代表的机械部件。 作为这些机械部件所应用的代表性的α+β型钛合金，有Ti-6质量％A1_4质量％V(以下称为「Ti-6Al-4V」)、Ti-3质量％Α1-2·5质量％V (以下称为「Ti-3A1_2. 5V」)。这些机械部件的形状是具有纵轴的大致棒状(除了连杆的大端部和小端部以外)，由于沿纵轴方向施加力，因此特别是要求纵轴方向的刚性。作为机械部件为了提高刚性，增大该部分的截面积即可。但是，如果单单增大截面积，则机械部件的质量增加。为了不使机械部件的质量增加而提高刚性，需要提高坯料本身的杨氏模量。钛的杨氏模量(室温)是88 113GPa (900(Tll500kgf/mm2)，为钢铁材料的约二分之一、较小，因此其需求特别强。另外，除了上述的机械部件以外，一般在两轮和四轮车或者自行车等的机械部件的用途中优选杨氏模量高的金属材料。钛具有由密排六方晶(以下记为hep)构成的α相和由体心立方晶(以下记为bcc)构成的β相。杨氏模量，α相为IlOGPa左右，β相为90GPa左右，α相高约20%左右。因此，在如上述那样要求刚性的螺栓、连杆、和发动机气门等中可使用α相为主的α + β型钛合金。作为用于提高钛合金的杨氏模量的方法，例如，有通过向钛合金中添加B (硼)，使杨氏模量高的金属硼化物分散来进行高刚性化的方法(例如，专利文献I)。此外，有将杨氏模量高的SiC纤维和/或碳纤维、与钛合金进行复合化的方法(复合材料)。在钛合金制的螺栓、发动机气门和连杆的制造中，全都使用由热加工制造成的圆棒(棒线)作为还料。螺栓是将圆棒坯料在热态或冷态下锻造和/或滚压成形、或者切削加工来制造的。在发动机气门的制造方法中，有加热圆棒坯料的一部分成形出伞部的镦锻法、和在热态下挤压圆棒还料的热挤压法。连杆是将圆棒还料热锻来制造的。如上述那样,钛合金制的机械部件的制造主要是使用钛合金制圆棒作为还料的制造。已知钛α相的hep在杨氏模量上具有晶体取向各向异性，成为坯料的圆棒的纵向的晶体取向对杨氏模量影响很大。在作为由热轧制成的高强度钛合金制冷锻用还料的圆柱形(圆棒)中，hep的c轴与圆柱形的圆周方向或者径向一致的晶体取向集积。另外，在圆柱形的T截面测定的来自hep底面的(0002)面的X射线衍射强度极低,可知hep的c轴没有集积在圆柱形的纵向(专利文献2)。现有技术文献专利文献I :日本专利第2663802号公报专利文献2 :日本特开2008-208413号公报

发明内容
在专利文献I中公开的钛合金，室温拉伸的强度约为100(Tl300MPa，伸长率约为 3 14%，其杨氏模量约为140 160GPa，较高。但是，在合金中分散着的硬质的硼化钛由于延韧性低，因此有时成为疲劳断裂的起点。另外，螺栓和连杆等在加工成最终成品的阶段，实施切削加工的情况较多。由于硼化钛等的金属硼化物是硬质的，因此加工时对切削刀的刀尖的负荷高，有时使切削效率(机械加工效率)降低。另外，在使用添加有B的钛合金作为再熔化原料的情况下，由于B浓度变高、对机械特性产生影响，因此难以作为其他一般的钛合金的原料有效利用，从再循环的观点来看不优选。SiC纤维和碳纤维等与钛合金的复合材料，在为了再循环而分离钛和纤维的工序中花费成本。这样，复合材料化在再循环性上存在课题。在现有的螺栓、发动机气门和连杆的制造方法中，使用通过热轧或热锻制造出的圆棒作为螺栓、发动机气门和连杆的加工用坯料。该情况下，圆棒的纵向成为最终成品的长轴方向。S卩，为了提高最终制品的长轴方向的杨氏模量，成为坯料的圆棒的纵向需要处于杨氏模量高的状态。因此，需要使钛的杨氏模量高的晶体取向优先地发达。但是，在通过热轧或热锻制造的α+β型钛合金制圆棒中，纵向的杨氏模量为IlOGPa左右，以hep的c轴与圆柱形(圆棒)的圆周方向或者径向一致的晶体为主的织构发达，钛的α相的杨氏模量高的晶体取向未必发达。在使用钛的金属粉末烧结的材料中，钛的α相和β相的晶体取向，不会特定的取向成为支配性的，大致为无序。其结果，杨氏模量在哪个方向都为平均的大小，难以提高特定的取向的杨氏模量。在粉末冶金中，可以通过添加B，形成硼化钛等的杨氏模量高的物质来平均性地提高杨氏模量，但如上述那样，添加B等的复合材料化在再循环性上存在课题。本发明是鉴于上述的状况完成的，其课题是提供一种不使用复合材料，与以往的来自圆棒坯料的成品相比，成品轴向的杨氏模量(刚性)高的两轮·四轮车或自行车用的α+β型钛合金部件的制造方法以及α+β型钛合金制的螺栓、发动机气门、连杆的制造方法。此外，其课题是提供一种成品轴向的杨氏模量(刚性)高的α +β型钛合金制的螺栓、发动机气门和连杆。
本发明者们对提高螺栓、发动机气门和连杆等α+β型钛合金制部件的长轴方向的杨氏模量的制造方法专心研讨。其结果发现通过将α+β型钛合金在β相成为单相的温度区域进行加热后沿一个方向热轧而成的板，以与热轧方向和厚度方向两者垂直的方向(以下，也称为「横向」)成为在完成部件中要求高刚性的方向的方式进行加工，由此与以往的由圆棒坯料加工出的α+β型钛合金制部件相比，轴向的杨氏模量变高。更具体地讲，发现在制造螺栓、发动机气门和连杆的情况下，通过以板的横向成为螺栓、发动机气门和连杆的轴向的方式进行加工，由此与以往的由圆棒坯料加工的螺栓、发动机气门和连杆相比，轴向的杨氏模量变高。已知由上述的制造方法得到的螺栓、发动机气门和连杆等的α+β型钛合金制部件，在与纵轴方向垂直的截面测定的来自钛α相(hep)的各晶面的X射线衍射强度，不 同于以往的由圆棒坯料加工成的部件，来自(0002)面的X射线衍射强度，为来自(10-10)面和(10-11)面的X衍射强度之和以上。本发明是基于上述的见解、以及基于发现了可以利用更廉价的组成得到稳定的材质特性的适合于本发明的制造方法的α+β型钛合金的组成而完成的。本发明的要旨如以下。(I) 一种α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，将α+β型钛合金加热至β相单相区，接着，沿一个方向实施热轧形成为钛合金板，其后，以与热轧方向和厚度方向两者垂直的方向成为在完成部件中被要求高刚性的方向的方式加工上述钛合金板。(2)根据上述(I)所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，上述完成部件是螺栓，上述被要求高刚性的方向是螺栓的轴向。(3)根据上述(I)所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，上述完成部件是发动机气门，上述被要求高刚性的方向是发动机气门的轴向。(4)根据上述(I)所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，上述完成部件是连杆，上述被要求高刚性的方向是连杆的轴向。(5)根据上述(4)所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，上述钛合金板的加工是从垂直于与上述热轧方向一致的方向的截面侧进行压缩的锻造加工。(6)上述(I) (5)的任一项中记载的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α + β型钛合金，以质量％计，含有O. 5 5. 5%的Al，含有合计为O. 04 O. 35%的O和N，还含有合计为O. 5^2. 5%的Fe、Cr和Ni之中的I种或2种以上，并且，下述(I)式的值为-2. (Γ5. 3，其余量包含Ti和不可避免的杂质，[Al] +10 [O] +10 [N] - [Mo] -2. 5 [Fe] -I. 25 [Cr] -I. 25 [Ni] · · · (I)式在此，[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]分别是Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Ni 的浓
度(质量％)。(7)上述(6)所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，上述α+β型钛合金还含有I. 0 3. 5%的Mo。(8)—种α+β型钛合金制部件，其特征在于，在α+β型钛合金制部件中，在与其纵轴方向垂直的截面测定的来自钛α相的(0002)面的X射线衍射强度I (0002)、来自(10-10)面的X射线衍射强度I (10-10)、来自(10-11)面的X射线衍射强度I (10-11)满足I (0002) /[I (10-10) +I (10-11)]彡 I。
(9)根据上述(8)所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α+β型钛合金制部件是螺栓。
(10)根据上述(8)所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α+β型钛合金制部件是发动机气丨I。(11)根据上述(8)所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α+β型钛合金制部件是连杆。(12)根据上述(8广(11)所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α+β型钛合金，以质量％计，含有O. 5^5. 5%的Al，含有合计为O. 04、. 35%的O和N，还含有合计为O. 5 2. 5%的Fe、Cr和Ni之中的I种或2种以上，并且，上述(I)式的值为-2. 0 5· 3，其余量包含Ti和不可避免的杂质。(13)根据上述(12)所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，上述α+β型钛合金还含有I. 0 3. 5%的Mo。在此，所谓α+β型钛合金，是在室温下由α相和β相这两相构成，具有同时地添加有作为α相稳定化元素的Α1、0、Ν等和作为β相稳定化元素的Fe、Cr、Ni、V、Mo等的成分组成的钛合金。α+β型钛合金的代表例是Ti-6A1-4V (JIS的60种)、Τ -3Α1-2. 5V(JIS 的 61 种)。所谓β相单相区，是在该温度以上的高的温度下钛成为β相单相的温度区域。Ti-6A1-4V的β相单相区、Ti-3Al-2. 5V的β相单相区，虽然根据组成而有一些差异，但分别是约990°C以上、约935°C以上的温度区域。所谓一个方向的热轧，不是向90°交叉(cross)的方向进行热轧(交叉轧制)，而是利用串联轧机(tandem mill)、逆转轧机(reversing mill)、斯特克尔轧机(Steckel mill)等，单单沿一个方向实施轧制的热轧。也包含在轧制后再次加热，进而实施多次的单一方向的热轧的情况。作为α+β型钛合金的不可避免的杂质的例子，有O. 08质量％以下的C、0. 0150
质量％以下的H等。根据本发明，不使用复合材料，可以制造与以往的来自圆棒坯料的成品相比，成品轴向的杨氏模量(刚性)高的两轮和四轮车用或者自行车用的α+β型钛合金制部件、α+β型钛合金制的螺栓、连杆和发动机气门。


图I是表示沿一个方向热轧了的α + β型钛合金板和最终部件的方向的关系的图。图2是表示在加工后的部件中被要求高刚性的长轴方向的图，Ca)是螺栓、(b)是发动机气门、(C)是连杆。图3是表示在锻造连杆时，沿一个方向热轧了的α+β型钛合金板和锻造时进行压缩的方向的关系的图。图4是表示由本发明制造的钛合金制部件的在与长轴方向垂直的截面测定的来自钛α相的各晶面的X射线衍射强度的大小关系、和I (0002)/[I (10-10)+1 (10-11)]的值的图。
图5是表示采用现有技术制造的钛合金制部件的在与纵轴方向垂直的截面测定的来自钛α相的各晶面的X射线衍射强度的大小关系、和I(0002)/[I( 10-10)+1( 10-11)]的值的图。
具体实施例方式在α+β型钛合金制部件作为两轮和四轮车用或者自行车用的α+β型钛合金制部件使用的情况、钛合金制部件具有细长形状的情况下，被要求细长形状的纵向的高刚性的情况较多。在此，所谓细长形状，意指纵向长度比横向的宽度和厚度方向的厚度都大。在钛合金制部件是螺栓、发动机气门、连杆、轴类(凸轮轴、曲轴、驱动轴等)、臂类(摇臂、上臂、下臂等)、踏板类(两轮车的制动器踏板和齿轮踏板)、或者两轮车的框部件的任一种的情况下，完成部件的被要求高刚性的方向是各部件的长轴方向。
以下，对于本发明的各要素详细地说明。首先，对于在向螺栓、发动机气门和连杆等加工的坯料中，提高成为长轴方向的方向的杨氏模量的方法进行说明。<制造方法>已知钛的杨氏模量，α相比β相高，α相因hep的晶体取向在杨氏模量上存在各向异性，hep的c轴方向更高。因此,通过使α相hep的c轴在规定的方向较强地取向，可以提高长轴方向的杨氏模量。在将α+β型钛合金加热至β相为单相的温度区域后，在一个方向上热轧成板形状时，在与热轧方向和厚度方向这两者垂直的方向、也就是热轧的横向上使α相hep的c轴较强地取向，该方向的杨氏模量提高到125GPa以上。在向板的一个方向的热轧时没有加热到β相单相的温度区域的情况下，也就是加热到了作为低温侧的α+β双相区的情况下，横向和轧制方向的杨氏模量至高为120GPa左右。另外，在将钢坯在低温的α+β双相区或β相单相的高温区域加热，热轧成圆棒的情况下，其纵向的杨氏模量都为104 118GPa左右，基本上不能够提高杨氏模量。图I表示本发明的沿一个方向热轧了的α +β型钛合金板和最终部件的方向的关系O另外，图2的(a)、(b)、(C)分别表示螺栓、发动机气门、连杆的模式图和被要求高刚性的长轴方向。从以上来看，在本发明的两轮和四轮车用或者自行车用的α+β型钛合金制部件的制造方法中，在加工将α+β型钛合金加热至β相单相区后沿一个方向热轧得到的钛合金板时，如图I所示，将热轧的横向作为在完成部件中被要求高刚性的方向。另外，在本发明的螺栓、发动机气门和连杆的各自的制造方法中，加工将α+β型钛合金加热至β相单相区后沿一个方向热轧得到的钛合金板时，将热轧的横向(参照图I)作为各自的部件的长轴方向(参照图2)进行加工。成为坯料的沿一个方向热轧成的钛合金板，横向的杨氏模量高(125GPa以上)，因此使用该板制造的两轮和四轮车或者自行车用的部件、以及螺栓、发动机气门和连杆，其长轴方向的杨氏模量(刚性)变高。从螺栓、发动机气门、连杆的形状来看，成为加工用坯料的在加热至β相单相区后沿一个方向热轧了的α + β型钛合金板，厚度优选为5mm以上,进一步优选为IOmm以上。板厚的下限由制造的汽车部件的形状确定。从减小板的在切断工序中的负荷的观点出发，板厚的上限优选为70mm以下。加热至β相单相区后沿一个方向热轧时，优选在β相单相区开始热轧(在β相 单相区沿一个方向热轧)，其后，也可以与热轧的进行相伴，在温度低的α+β双相区进行热车L。为了尽量抑制加热时的氧化，优选的加热温度是从成为β相单相的温度(β相变点)+10 +100°C。热轧后，根据需要，在α+β双相区实施退火。退火温度从除去应变促进再结晶出发优选为65(T850°C。在热轧后热锻钛合金板成形为部件的情况下，热锻时的加热工序根据加热温度带来与退火同等的作用。所谓一个方向的热轧，不是在90°交叉的方向进行热轧(交叉轧制)，而是单单沿一个方向延伸的热轧。再者，鉴于使用的热轧机的能力等，也可以在实施一次轧制后再次加热钛合金，进而实施多次的一个方向的热轧。热轧机的种类不需要特别限定。从容易抑制被轧制材料的温度降低的观点出发，优选使用串联轧机、逆转轧机、它们串联而成的热轧磨机、或者斯特克尔轧机。连杆，最一般的是将坯料锻造加工进行制造，为了降低锻造加工时的对模具的负荷，要求锻造载荷低、以及锻造后的形状精度高。将加热至β相单相区后沿一个方向热轧出的α+β型钛合金板，以其热轧方向的横向作为连杆的轴向，锻造加工成连杆时，与从热轧板的上下面侧(厚度方向)压缩的情况相比，如图3所示，在从垂直于与热轧方向一致的方向的截面侧(Τ截面侧)压缩的情况下，锻造载荷降低约10%左右，锻造后的形状精度变高，因此锻造后的角R部的形状变得更尖锐。认为这是由于除了 α相hep的C轴的方向沿板横向取向的主要的晶体取向以外，混杂了接近于板的厚度方向的晶体取向，因此从T截面侧压缩时，混杂取向的α相hep容易滑移变形。从这样的观点出发，在本发明的连杆的制造方法中，优选将α+β型钛合金加热至β相单相区后沿一个方向热轧形成为钛合金板后，将钛合金板的热轧方向的横向作为连杆的轴向锻造加工连杆时，从钛合金板的T截面侧进行压缩。此时，锻造加工需要在比β相变点低的温度下实施，为了将锻造载荷抑制为较低，优选在20(T850°C的温度区域实施锻造加工。在将α+β型钛合金板的杨氏模量高的热轧的横向作为在部件中被要求高刚性的方向的情况下，如果将该板进行切削加工，则可维持原来的高杨氏模量。此外，在锻造等的赋予塑性变形的情况下，长轴方向的高杨氏模量也维持高的状态。认为这是因为在锻造时，无论从热轧板的上下面侧(厚度方向)或者T截面侧的哪一侧进行压缩，该压缩方向都与板的横向正交，与α相hep的c轴的方向在板的横向取向的晶体的容易滑移方向一致，因此可以基本上C轴的方向不变化地变形，其结果，在锻造加工后，α相hep的c轴的在板横向上的集积程度基本不降低地被维持，可维持杨氏模量高的状态。
本发明的效果只要是α+β型钛合金则哪种合金都可以得到。例如，利用作为α+β型钛合金的代表例的Ti-6A1-4V、Ti_3Al_2· 5V可得到本发明的效果。另一方面，在两轮和四轮车用或者自行车用的结构部件、具体地讲是螺栓、发动机气门、连杆中，希望以更廉价的组成得到稳定的材质特性。因此，本发明的α+β型钛合金的优选的成分组成如下。以下，「％」意指「质量％」。< α+β型钛合金的成分组成I >本发明的α+β型钛合金的成分组成1，含有O. 5 5. 5%的Al，含有合计为O. 04 O. 35%的O和N,还含有合计为O. 5 2. 5%的Fe、Cr和Ni之中的包含Fe的I种或2种以上，并且，下述(I)式的值为-2. O 5. 3，[Al] +10 [O] +10 [N] - [Mo] -2. 5 [Fe] -I. 25 [Cr] -I. 25 [Ni] · · · (I)式在此，[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]分别是Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Ni 的浓
度(质量％)。通过设为这样的组成，即使不添加作为高价的β相稳定化元素的V，也可以将热轧板的横向的杨氏模量提高到130GPa以上。上述成分组成I的α+β型钛合金，即使在相同的热轧条件下，也可以得到比Ti-6A1-4V和Ti-3Al-2. 5V高的杨氏模量。认为这是因为与V的添加相比，通过Fe、Cr、Ni的添加，α相hep的c轴方向的杨氏模量变高、热轧时c轴容易在横向上取向、或者β相的杨氏模量变高等的原因。Al :0. 5 5. 5% Al是使与钛的β相相比杨氏模量高的α相稳定化的兀素，如果Al的含量低于0.5%，则变得不能够通过热轧容易地提高横向的杨氏模量。如果Al的含量大于5.5%，则有时热变形阻力增加，热轧时产生边裂等的裂纹。因此，Al的含量设为O. 5 5. 5%。O 和 N 的合计0. 04 O. 35% 如果O和N的含量合计超过O. 35%，则与Al等的元素带来的固溶强化相辅相成，材料硬质化，开孔、车床等的切削加工性降低，生产率降低。为了使O和N的含量按合计计降低到低于O. 04%,需要提高使用的原料的纯度，制造成本变高。因此，O和N的含量设为合计O. 04、. 35%。再者，即使在O和N都未主动地添加的情况下，通常在不可避免的杂质的水平下也满足该浓度范围。O和N，与Al同样地是使α相稳定化的元素，但不像Al那样使热加工性大大降低，可以将α相稳定化、提高杨氏模量。从杨氏模量和可切削性的观点出发，O和N的含量的合计优选为O. 12、. 30%。通过将O和N的浓度设在该优选的范围，变得可以使用某种程度地含有O和N的比较廉价的原料，因此在成本方面变得有利。Fe、Cr 和 Ni 的合计0. 5 2. 5%这些元素与V同样是β相稳定化元素，与V相比较廉价。但是，Fe、Cr、Ni都是在凝固时容易向液相侧(锭的中心)偏析的元素。如果这些元素的含量的合计超过2. 5%,则有时因凝固偏析对机械特性的均匀性造成影响。因此，Fe、Cr、Ni的含量的合计设为2. 5%以下。
如上述那样，在较多地存在β相的温度区域，沿一个方向热轧时，横向的杨氏模量变高。在加热到β相为单相的温度区域后实施一个方向的热轧时，被轧材料的温度随着轧制的进行逐渐降低，在α+β双相区也被实施热轧。如果作为β相稳定化元素的Fe、Cr、Ni的合计浓度超过O. 5%，则在热轧中的α+β双相区中较多地存在β相的温度区域变宽，更加提高杨氏模量，因此有利。认为本发明的要点是沿一个方向热轧β相，从被热轧了的β相(bcc)相变出的α相(hep)在横向赋予高的杨氏模量。为了得到更高的杨氏模量，优选将杨氏模量低的β相的比率抑制为较低，因此Fe、Cr、Ni的含量的合计优选为I. 7%以下。再者，在Fe、Cr、Ni之中，Fe的β稳定化能力最高，并且Fe也最廉价，因此优选添加Fe或者包括Fe的两种以上。
(I)式的值-2.0 5.3 :为了提高横向的杨氏模量，沿一个方向热轧的β相和杨氏模量高的Ct相的平衡变得重要。作为β相和α相的平衡的指标，使用(I)式。(I)式是将α相稳定化元素(Al、O、N)的各浓度设为Al当量(=[Al] +10 [O] +10 [N] )、β 相稳定化元素(Fe、Cr、Ni)的各浓度设为 Mo 当量([Mo] +2. 5 [Fe] +1.25[Cr]+l. 25 [Ni])，分别进行标准化和合计，从Al当量减去Mo当量的式子。为了在热轧时使β相存在、得到所希望的特性(横向的高杨氏模量)，Fe、Cr、Ni的合计浓度至少需要O. 5%，并且，需要将该(I)式的值设为-2. O 5. 3的范围。如果(I)式的值过低，则杨氏模量低的β相的比率变得过高，得不到高的杨氏模量，如果(I)式的值为-2. O以上则可以得到充分高的杨氏模量。另一方面，如果(I)式的值大于5. 3，则在所热轧的高温的α+β双相区β相的存在比率降低，不能充分地得到提高横向的杨氏模量的效果。为了提高杨氏模量，优选(I)式的值为O. 5以上。再者，在不主动地添加Mo的组成中，有时也不可避免地包含O. 002%左右的Mo。但是，这是可以忽视的量，因此可以作为Mo = O使用(I)式。< α+β型钛合金的充分组成2 >接着，对于本发明的α+β型钛合金的成分组成2进行说明。成分组成2是为了更加缓和凝固偏析的影响使熔化操作更加容易，进一步添加与Fe、Cr和Ni相反倾向地偏析的作为β相稳定化元素的Mo，指向高强度化的发明。Fe、Cr 和 Ni :0· 5 2. 5% :根据与成分组成I同样的理由，含有合计为O. 5^2. 5%的Fe、Cr、Ni之中的至少包含Fe的I种或2种以上。Mo 1. 0^3. 5% Fe、Cr、Ni和Mo都是β相稳定化元素。在凝固时，在Fe、Cr和Ni的浓度高的部位，Mo浓度变低，相反地，在Fe、Cr和Ni的浓度低的部位，Mo浓度变高。S卩，可以通过Mo的添加，使α相和β相的平衡((I)式的值的分布)在钛合金内更加均质。此时，与作为Fe、Cr和Ni的合计浓度的下限的O. 5%的范围呼应的、适当的Mo浓度为I. 0%，因此以其作为Mo添加量的下限。另外，与作为Fe、Cr和Ni的合计浓度的上限的2. 5%呼应的适当的Mo浓度为3. 5%，因此以其作为Mo添加量的上限。Al :2. 5 5. 5% 为了得到超过Ti-3A1_2. 5V的抗拉强度的900MPa以上的抗拉强度，Al浓度设为
2.5 5. 5%的范围。优选为作为与Ti-6A1-4V同等及其以上的强度特性可得到980MPa以上的抗拉强度的4. 0^5. 5%。 此外，由于与成分组成I同样的理由，0和N的含量的合计设为0. 04、. 35%, (I)式的值设为-2.0 5. 3的范围。即使在0和N全都不主动地添加的情况下，通常也以不可避免的杂质的水平满足该浓度范围。由于与成分组成I同样的理由，优选的范围是0和N的含量的合计为0. 12 0. 30%, (I)式的值为 0. 5 5. 3。<部件成品的晶体取向>由采用本发明的制造方法制造的a+P型钛合金构成的螺栓、连杆和发动机气门，由于成为坯料的沿一个方向热轧了的a+P型钛合金板的横向的杨氏模量高(125GPa以上，优选为130GPa以上)，以及使该钛合金板的横向和部件的长轴方向一致，因此部件的长轴方向的杨氏模量(刚性)变高。另外，由本发明的制造方法制造的两轮和四轮车或自行车用的a+P型钛合金部件，由于使成为坯料的沿一个方向热轧了的a+0型钛合金板的横向与完成部件中被要求高刚性的方向一致，因此完成部件的被要求高刚性的方向的杨氏模量(刚性)也变高。图4表示在本发明的A、B、C和D中，在与纵轴方向(被要求高刚性的方向)垂直的截面(图2的虚线位置的截面)测定的、来自钛a相的各晶面的X射线衍射强度的大小关系。一并在图中的标记的旁边表示下述(2)式的值。I (0002) /[I (10-10) +I (10-11) ] ⑵式成品A、B、C和D全都是来自hep的(0002)面的X射线衍射强度I (0002)强，t匕来自hep的(10-10)面和(10-11)面的X射线衍射强度之和(I (10-10)+1 (10-11))大，即 I (0002)/[I (10-10) +I (10-11)]彡 I。成品A、B、C和 D 的(2)式的值分别为 I. 2,1. 1、4.0、3.3。钛a相hep的(0002)面是c轴的垂面，通过将来自(0002)面的X射线衍射强度和来自其他晶面的X射线衍射强度比较，可以定量地比较杨氏模量高的a相hep的c轴的集积程度。在与成品的长轴方向垂直的截面中，I (0002)/[I (10-10)+1 (10-11)]彡I的本发明的特征，意指在成品的长轴方向hep的c轴强烈地集积。另一方面，在以利用热轧制造的圆棒作为坯料的情况下，由于热轧的轧制方向与圆棒的纵向一致，因此圆棒的纵向的杨氏模量成为10ril7GPa的较低的值。将由该圆棒加工出的成品E、F、G和H的、来自与纵轴方向垂直的截面的各晶面的X射线衍射强度示于图5。成品E、F、G和H，来自hep的(0002)面的X射线衍射强度I (0002)弱，比来自hep 的(10-10)面和(10-11)面的 X 衍射强度之和(I (10-10)+1 (10-11))小，I (0002)/[I (10-10)+1 (10-11) ]< 0. 2，与本发明的特征完全不同。将成品E、F、G和H的(2)式的值示于图中的标记的旁边。图4、图5示出的X射线衍射强度的测定，首先利用机械加工切取与螺栓、发动机气门、连杆的纵轴方向垂直的截面(图2的虚线位置的截面)，其后，使用Cu管球，测定来自该截面的X射线衍射。(2)式的值，c轴的集积变得更强时杨氏模量提高，因此优选为1.2以上，更优选为
3.0以上。此外，通过将本发明的a + 0型钛合金的成分组成设为上述成分组成I或成分组成2的范围，hep的c轴在板横向的集积提高，与其相伴，板横向的杨氏模量变得更高实施例I对于本发明的a+P型钛合金制部件及其制造方法，使用以下的实施例更加详细地说明。作为加工用坯料，将表I所示的5种a+0型钛合金制锭在100(Tll5(rC下加热，进行热锻，制作热轧用的钢还(直径为100mm)、或者板还(厚度为150mm),其后，在表2(AriO)和表3 (Bf 35)所示的各种条件下热轧，制成圆棒或板。此外，对热轧后的圆棒和板，在表2和表3所不的条件下实施退火。再者,一部分是无退火的状态。表2示出的坯料是与以往同样地向圆棒在热态下进行了孔型轧制的加工用坯料，表3示出的坯料是向板进行了热轧的加工用坯料。向使用了厚度为150mm的板坯的板的热轧，表3所示的压下率为60 90%，热轧后的厚度为6(Tl5mm。表3中的下划线表示从本发明的范围脱离。在表4及其以后也是同样的。在表I 中，用 Cr :0. 03% 以下、Ni :0. 03% 以下、Mo :0. 002% 以下、N :0. 07% 以下、和
「_」表示的组成表示没有主动地添加这些元素，为不可避免的杂质的水平。在表6、表8中也是同样的。再者，不可避免地含有的Fe的浓度为0. 03 0. 07%左右。使用表2和表3的加工用坯料，制作切削加工出的圆棒、和对其滚压成形了螺纹牙的工件、实施了仅利用平板从上下压缩的热锻的工件、和利用模拟了连杆的模具热锻出的工件，将它们的长轴方向的杨氏模量和在与长轴方向垂直的截面测定的(2)式的值不于表4和表5。此外,表4和表5也表不来自加工用还料的规取方向(与长轴方向平行的加工用还料的方向)、切削加工出的圆棒的抗拉强度。制成模拟发动机气门的轴部的切削加工出的圆棒原样、模拟了螺栓的螺纹牙滚压成形品、和使用模拟了连杆的模具的热锻造品。再者，在切削加工出的圆棒原样和对其滚压成形了螺纹牙后，抗拉强度、杨氏模量、(2)式的值基本上没有变化，因此作为「圆棒和螺纹牙滚压成形后」记载了一个值。螺纹牙的滚压成形在冷态下实施。
利用平板从上下压缩的热锻，在700°C的加热温度下进行挤压直到圆棒的直径或板的厚度减少50%的位置。使用模拟了连杆的模具的热锻，为了容易进行金属流动，加热到稍高的800°C，板从其厚度方向、圆棒从其径向挤压。此外，在表5所示的实施例中，利用平板从上下压缩的热锻，实施从板的厚度方向挤压的情况(简记T)和从板的纵向挤压的情况(简记L)的两者，比较热锻时的最大载荷的大小关系。抗拉强度，加工成平行部为直径6. 25mm且长度为32mm的拉伸试件，在室温实施拉伸试验进行测定。杨氏模量，切取宽度为10mm、厚度为I. 5mm、长度为60mm的试件进行加工，在室温
下使用自由保持式杨氏模量测定装置采用共振法测定。(2)式的值，利用机械加工切取与长轴方向垂直的截面，使用Cu管球在该截面实 施X射线衍射，使用来自钛a相hep的(0002)面、(10-10)面、(10_11)面的X射线衍射峰的相对强度进行计算。
权利要求
1.一种α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，将α+β型钛合金加热至β相单相区，接着，沿一个方向实施热轧形成为钛合金板，其后，以与热轧方向和厚度方向两者垂直的方向成为在完成部件中被要求高刚性的方向的方式加工所述钛合金板。
2.根据权利要求I所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，所述完成部件是螺栓，所述被要求高刚性的方向是螺栓的轴向。
3.根据权利要求I所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，所述完成部件是发动机气门，所述被要求高刚性的方向是发动机气门的轴向。
4.根据权利要求I所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，所述完成部件是连杆，所述被要求高刚性的方向是连杆的轴向。
5.根据权利要求4所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，所述钛合金板的加工是从垂直于与所述热轧方向一致的方向的截面侧进行压缩的锻造加工。
6.权利要求I 5的任一项中记载的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金，以质量％计，含有O. 5^5. 5%的Al，含有合计为O. 04、. 35%的O和N，还含有合计为O. 5 2. 5%的Fe、Cr和Ni之中的I种或2种以上，并且，下述(I)式的值为-2. 0 5. 3，其余量包含Ti和不可避免的杂质， [Al] +10 [O] +10 [N] - [Mo] -2. 5 [Fe] -I. 25 [Cr] -I. 25 [Ni] · · .(I)式 在此，[Al]、[O]、[N]、[Mo]、[Fe]、[Cr]、[Ni]分别是 Al、O、N、Mo、Fe、Cr、Ni 的浓度(质量％χ
7.权利要求6所述的α+β型钛合金制部件的制造方法，其特征在于，所述α+β型钛合金还含有I. 0 3. 5%的Mo。
8.一种α+β型钛合金制部件，其特征在于，在α+β型钛合金制部件中，在与其纵轴方向垂直的截面测定的来自钛α相的(0002)面的X射线衍射强度I (0002)、来自(10-10)面的X射线衍射强度I (10-10)、来自(10-11)面的X射线衍射强度I (10-11)满足I (0002)/[I (10-10) +I (10-11)]彡 I。
9.根据权利要求8所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金制部件是螺栓。
10.根据权利要求8所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金制部件是发动机气丨 。
11.根据权利要求8所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金制部件是连杆。
12.根据权利要求8 11的任一项所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金以质量％计，含有O. 5 5. 5%的Al，含有合计为O. 04、. 35%的O和N，还含有合计为O. 5 2. 5%的Fe、Cr和Ni之中的I种或2种以上，并且，所述(I)式的值为-2. 0 5· 3，其余量包含Ti和不可避免的杂质。
13.根据权利要求12所述的α+β型钛合金制部件，其特征在于，所述α+β型钛合金还含有I. 0 3· 5%的Mo。
全文摘要
本发明涉及成品轴向的杨氏模量(刚性)高的两轮车和四轮车用或者自行车用的α+β型钛合金制部件的制造方法、和α+β型钛合金制的螺栓、发动机气门、连杆及其制造方法。使用将α+β型钛合金加热至β相为单相的温度区域后沿一个方向热轧出的板，将与其热轧方向和厚度方向这两者垂直的方向(横向)作为在完成部件中被要求高刚性的方向即螺栓、发动机气门、连杆的轴向，加工该板，在与部件的纵轴方向垂直的截面测定的来自钛α相的(0002)面、(10-10)面、(10-11)面的X射线衍射强度I(0002)、I(10-10)、I(10-11)满足I(0002)/[I(10-10)+I(10-11)]≥1。
文档编号C22F1/18GK102639743SQ20108005467
公开日2012年8月15日 申请日期2010年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者国枝知德, 川上哲, 正木基身, 高桥一浩 申请人:新日本制铁株式会社