JP2008127667A

JP2008127667A - 冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金および該合金からなる装飾・装身具

Info

Publication number: JP2008127667A
Application number: JP2006316860A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takashima; 昌樹高島; Takeshi Isono; 武礒野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】冷間加工性に優れたＧｅ含有高強度チタン合金の提供。
【解決手段】質量％でＮｂ：２０〜４０％、Ｇｅ：０．２〜４．０％を含有し、さらに必要によりＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で１５％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる組成とし、Ｇｅと添加・含有させたことによって生じる冷間加工性の劣化は、Ｎｂを主とするβ相形成・安定化元素を含有させてβ型チタン合金にすることによって軽減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、優れた冷間加工性と装飾・装身機能を有するゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する高強度チタン合金および該合金を用いた装飾・装身具に関する。

チタン合金からなる装飾・装身具の素材となる薄板や線材を製造する場合には、冷間圧延や冷間引き抜きなどの冷間（塑性）加工を必要とするが、多くのチタン合金は冷間加工性が悪いという欠点を有している。また、チタンまたはチタン合金にＧｅを含有させると、Ｇｅ含有量の増加に伴い強度は上昇するが、冷間加工性の指標である絞りは低下する。このことはチタン合金にＧｅを含有させることによって、冷間加工性を劣化させることを示唆するものである。
因みに、特許文献１には、１〜３０質量％のＧｅを含有させたチタン合金の試材を用いた塑性加工性（冷間加工性）確認の実施例において、冷間加工率５０％を付与した圧延で、Ｇｅ含有量１０質量％を超えると冷間圧延が困難であることが開示されている。

また、特許文献２には、その特許請求の範囲において、
請求項１に、Ｔｉ−１〜１５質量％Ｇｅ
請求項２に、Ｔｉ−２〜１５質量％Ｓｎ−１〜１５質量％Ｇｅ
請求項３に、Ｔｉ−３〜２０質量％Ｎｂ−１〜１５質量％Ｇｅ
Ｔｉ−２〜１５質量％Ｓｎ−３〜２０質量％Ｎｂ−1〜15質量％Ｇｅ
請求項４に、Ｔｉ−１〜５質量％Ｚｒ−１〜１５質量％Ｇｅ
Ｔｉ−２〜１５質量％Ｓｎ−１〜５質量％Ｚｒ−１〜１５質量％Ｇｅ
Ｔｉ−３〜２０質量％Ｎｂ−１〜５質量％Ｚｒ−１〜１５質量％Ｇｅ
Ｔｉ−２〜１５質量％Ｓｎ−３〜２０質量％Ｎｂ−１〜５質量％Ｚｒ−１〜１５質量％Ｇｅ
の組成からなる装身具用のチタン合金が開示されている。そして、このように１〜１５質量％のＧｅを含有させることにより、装飾機能に優れるとともに、遠赤外線にもとづく健康増進あるいは治療・治癒効果（装身機能）が期待できるとしている。

なお、たとえば、上記の装身機能を備えた従来のＧｅ含有チタン合金を用いて製作されている眼鏡フレームでは、使用中に容易に折損したり、変形を生じたりして、極めて、使い勝手がよくないという問題を抱えている。
こうした問題の解消や軽量化のために、単にチタン合金のＧｅ含有量を増して強度アップを図ろうとすれば、上述したように冷間加工性が劣化して眼鏡フレームの圧延加工が困難になる。つまり、Ｇｅ含有のチタン合金において、強度と冷間加工性という互いに相反する機械的性質を同時に向上させていくことが当面の課題として提起される。
特開２００５−２００７６０号公報特開２００５−２４０１６９号公報

本発明は、上述した背景技術に鑑みてなされたものである。すなわちチタン合金において、強度アップおよび装飾機能と健康増進あるいは治療・治癒の機能（装身機能）を付与するために添加されたＧｅによって、冷間加工性が劣化するという課題を解消して、従来のＧｅ含有チタン合金よりも高強度で優れた冷間加工性を有し、かつ装飾・装身具に適した新規なＧｅ含有の高強度チタン合金を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために為されたもので、その基本的な技術思想は、Ｇｅ添加によって冷間加工性が劣化したチタン合金にβ相形成・安定化元素を添加することによって高強度でかつ良好な冷間加工性を有するβ相からなるβ型チタン合金にすることにある。

しかるに、請求項１記載の発明は、質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項２記載の発明は、質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらに、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で１５％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項３記載の発明は、質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＺｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項４記載の発明は、質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で１５％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項５記載の発明は、質量％でＮｂ２０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項６記載の発明は、質量％でＮｂ２０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項７記載の発明は、質量％でＧｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金ある。

請求項８記載の発明は、質量％でＧｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなる冷間加工性に優れたことを特徴とするＧｅ含有の高強度チタン合金である。

請求項９記載の発明は、請求項１〜８記載のＧｅ含有の高強度チタン合金で構成された装飾・装身具である。

そして、請求項１０記載の発明は、装飾・装身具としての眼鏡フレームまたは腕時計外装部品が請求項１〜８記載のＧｅ含有の高強度チタン合金で構成されていることを特徴とする。

ここで、本発明について、さらに詳細に説明する。まず、本発明合金の組成を上記のように成分限定した理由について説明する
本発明合金において、Ｇｅの含有量が０.２質量％未満では、強度アップはほとんど期待できず、また、装飾機能と遠赤外線にもとづく健康増進あるいは治療・治癒の機能は発揮されない。一方、図１に示すようにＧｅの含有量が４.０質量％を超えると、冷間加工性の指標である絞りが急激に低下することから、冷間加工性が劣化することが想定される。したがって、Ｇｅの含有量を０.２〜４.０質量％に限定した。

Ｔｉに４０質量％を超えてＮｂを添加すると、両元素の比重、融点などの相違により溶解に難点を生じ、成分組成の均一な鋳塊が極めて得難いことから本発明のチタン合金の
Ｎｂ含有量の上限を４０質量％とした。なお、Ｎｂ自体、β相形成・安定化元素であって、チタンあるいはチタン合金へのＮｂ含有量が増すに伴い、より安定なβ相からなるβ型チタン合金を得ることができる。しかし、Ｎｂは極めて高価な合金元素であることから本発明では、Ｎｂに代替するβ相形成・安定化元素としてＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉなどを選定し、上記のようにこれらの合金元素を組み合わせ、適量含有させることによって、冷間加工性にすぐれたＧｅ含有の高強度β型チタン合金を得ようとするものである。

具体的には、Ｎｂ含有量が４０質量％以下で本発明のチタン合金の組織をより安定なβ相とするためには、２０質量％＜Ｎｂ含有量≦４０質量％の範囲では、β相形成・安定化元素であるＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉを単味または複合で、１５質量％以下含有させる必要がある。またＮｂ含有量が０〜２０質量％の範囲では、前記β相形成・安定化元素を単味または複合で３０質量％以下含有させる必要がある。さらに好ましくは、Ｎｂ含有量０〜４０質量％の全範囲において、β相形成・安定化元素の機能を示す指標であるモリブデン当量(Ｍｏｅｑ＝Ｍｏ＋Ｎｂ/３.５＋Ｔａ／５＋Ｖ／１.５＋１.２５Ｃｒ＋１.２５Ｎｉ＋１.７Ｍｎ＋１.７Ｃｏ＋２.５Ｆｅ)を９質量％以上とすることが望ましい。ただし、請求項１および３では、β相形成・安定化元素のＮｂを単味添加し、その含有量を２０を超え４０質量％に限定しているが、この場合もモリブデン当量は９質量％以上にすることが望ましく、モリブデン当量から逆算したＮｂ含有量の下限値はＮｂ＝３.５×Ｍｏｅｑ＝３.５×９質量％＝３１.５質量％となる。したがって、請求項１および３における好ましいＮｂ含有量の範囲は、３０〜４０質量％となる。
さらに、必要に応じて、マトリックス強化元素であるＺｒ、Ａｌ、Ｓｎを単味または複合で含有させることにより、素地が強化され高強度化を図ることができる。しかし、これら成分を単味または複合で１０質量％を超えて含有させると延性が低下して、冷間加工性も劣化することから１０質量％をその上限とした。

本発明によれば、チタン合金にＧｅを含有させることによって、強度アップによる本発明合金からなる製品の軽量化が図られるとともに装飾機能と健康増進あるいは治療・治癒の機能（装身機能）が付与され、さらに、β相形成・安定化元素を含有させてβ型チタン合金とすることによって、冷間加工性が改善されるため、装飾・装身具に適し、かつ優れた冷間加工性を有するＧｅ含有の高強度β型チタン合金を提供することが可能となる。

ついで、本発明合金の製造方法について説明する。
まず、本発明のチタン合金に限らず、純チタンあるいはチタン合金は、真空高周波溶解炉、真空プラズマ溶解炉、電子ビーム溶解炉（ＥＢ炉）、真空アーク溶解炉（ＶＡ炉）、スカル溶解炉などにより溶解され、所望の合金組成に成分調整した後、鋳塊（インゴット）とする。必要に応じて、このインゴットに溶体化処理を施して内部組織の均一化を図る。
ついで、熱間加工により、所望形状のビレットとする。さらに、このビレットを熱間加工あるいは冷間加工により、板材や線材に成形して、装飾・装身具などの素材として提供される。たとえば、図２に示すような眼鏡フレーム１を製作する場合、前記線材を用いて眼鏡フレーム１を構成するリム２、ブリッジ３およびテンプル４が冷間加工によって最終形状に成形される。

本発明合金の装飾・装身機能について詳述するならば、本発明のチタン合金にＧｅを含有させることにより、その地肌の色調である白色の鮮やかさが一段と増すといった装飾機能が発揮されるとともに、半導体元素であるＧｅから放射される遠赤外線の人体への熱作用と非熱作用により、本発明合金に接触することで、健康増進あるいは治癒の効果がもたらされるといった装身機能が発揮される。

したがって、本発明のＧｅ含有の高強度チタン合金で構成される装飾・装身具としては、使用者の肌に常時接触して用いられるものであることが望ましく、たとえば、ネックレス、
ネックチェーン、ペンダンット、アンクレット、イヤリング、ピアスなどの装飾・装身具；時計側ケース、時計裏蓋、バンド駒、バックルなどの腕時計外装部品；眼鏡フレーム等々が挙げられる。好ましくは、これらの中でも、過酷な冷間加工の伴う眼鏡フレーム、腕時計外装部品に本発明のＧｅ含有の高強度チタン合金を適用することが望ましい。
なお、本発明のチタン合金の用途としては、上記のような装飾・装身具に限定されるものではなく、たとえば、Ｇｅを含有する本発明のチタン合金は、従来のチタン合金よりも高い強度（硬度）と延性を有することからゴルフクラブのヘッドなどにも利用可能である。

（実施例１）
Ｔｉ−２８Ｎｂ−４ＦｅのＧｅ含有量を変えた本発明のチタン合金と純チタンのＧｅ含有量を変えた比較材を３０ｍｍφインゴットにそれぞれ真空アーク溶解炉を用いて溶製し、これらのインゴットを熱間鍛造後スェージング加工にて３ｍｍφの丸棒に成形し、引き続き溶体化処理を施した後、引張り試験に供試した。これらの引張り試験結果を図１に図示する。同図から明らかなように、本発明のチタン合金は、いずれのＧｅ含有量においても比較材より高強度・高延性である。しかし、Ｇｅ含有量が４質量％を超えると本発明のチタン合金の絞り（延性）が急激に低下していることから、同様に冷間加工性も劣化することが想定される。

（実施例２）
表１に示す２２種類（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２２）の本発明のチタン合金と３種類（Ｎｏ．２３〜Ｎｏ．２５）のチタン合金からなる比較材を３０ｍｍφインゴットにそれぞれ真空アーク溶解炉を用いて溶製し、これ等のインゴットを熱間鍛造して１８ｍｍφの丸棒に成形した。その一部を機削りして１５ｍｍφのテストピースとし、引き続き溶体化処理を施した後、冷間圧延テストに供試した。試された１５ｍｍφのテストピースにＶ溝冷間圧延機を用いて加工率７８％の冷間加工を付加して７ｍｍ×７ｍｍ断面に圧延加工した後、冷間圧延加工後の表面肌の状態と割れ発生の有無を確認した。そのテスト結果は表１に示すように、本発明材にはいずれも割れの発生は認められず、良好な表面肌を呈していた。

（実施例３）
実施例２に供試したＮｏ．１、７、１２、１６、１７、１９、２０、２１の本発明のチタン合金を用いて、図２示す眼鏡フレーム１の構成部材であるリム（線）２、ブリッジ３、テンプル４を試作した。
実施例２で熱間鍛造によって鍛伸成形された１８ｍｍφ丸棒を一部流用し、これら１８ｍｍφ丸棒に冷間スェージング加工を施して３ｍｍφのコイルに加工し、さらに、これらコイルの一部にプレス加工を付加してブリッジ３またはテンプル４に成形した。また、残りの前記３ｍｍφのコイルをＶ溝冷間圧延機によって図３に示す断面形状のＶ溝リム線２に成形した。試作品は、いずれも精度よく成形加工され、良好な地肌を呈していた。

（実施例４）
実施例３と同様にして、実施例２に供試したＮｏ．１、７、１２、１６、１７、１９、２０、２１の本発明チタン合金の１８ｍｍφ鍛造丸棒を一部流用して、腕時計外装部品である時計側ケースを試作した。
前記１８ｍｍφ鍛造丸棒をセンタレスグラインダーにて１６ｍｍφ丸棒に加工し、これを輪切りにして６ｍｍ厚×１６ｍｍφのビレットを製作した。ついで、このビレットを冷間プレスにて所定形状に成形後、切削および研磨による仕上げ加工を施して所望の時計側ケースを試作した。試作品はいずれも軽く、しかも鮮やかな白色の色調を呈し、優れた装飾・装身機能を発揮していた。

引張り強さおよび絞りに及ぼすＧｅ含有量の影響を示す図である。眼鏡フレームの概観斜視図である。リム線の断面図である。

符号の説明

１眼鏡フレーム
２リム
３ブリッジ
４テンプル

Claims

質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で１５％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＺｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＮｂ２０％を超え４０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で１５％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＮｂ２０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＮｂ２０％以下、Ｇｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＧｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
質量％でＧｅ０.２％〜４.０％を含有し、さらにＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉの１種以上を合計で３０％以下と、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｎの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする冷間加工性に優れたゲルマニウム含有高強度チタン合金。
請求項１〜８記載のゲルマニウム含有高強度チタン合金で構成されたことを特徴とする装飾・装身具。
装飾・装身具が眼鏡フレームまたは腕時計外装部品であることを特徴とする請求項９記載の装飾・装身具。