專利名稱：：Ti合金以及Ti合金構件和其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種Ti合金以及采用該Ti合金的Ti合金構件和其制造方法。
背景技術：
：與鐵及其合金等金屬材料相比，Ti合金不僅輕量、強度高，還具有優良的耐腐蝕性。因此，Ti合金被作成管材、板材、線材或者對它們進行二次加工而成的Ti合金構件，該Ti合金構件又被廣泛應用于運動及休閑器械、醫療器具、各種名牌產品用構件、航空及宇航相關設備等。可是，已知金屬材料在酸溶液中會產生腐蝕，或者在吸收氫的電位下，當周圍存在氫時吸收氫而發生脆化，出現被稱為氫脆化的現象。另外，已知的還有鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金等與Ti合金一起，是容易發生氫脆化的金屬。這樣的氫脆化不僅會縮短所述Ti合金的用途中的Ti合金構件的壽命，有時還會導致發生應力腐蝕裂紋等現象。作為其對策，至今為止采用的是通過表面處理等，即改變Ti合金構件的成形加工條件對構件內部氫吸收進行抑制的方法，或通過改變Ti合金的組成對氫吸收進行抑制的方法。作為前面的方法，在特許文獻1中記載有對Ti合金構件的表面進行研磨后形成氧化膜的方法。或者在特許文獻2中記載有在形成Ti合金構件時，在其表面上形成碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦而抑制氫吸收的方法。再者，在特許文獻3中，還記載有通過形成具有規定縱橫比的針狀a組織而制成Ti合金構件的方法。另外，作為后面的方法，在特許文獻4及特許文獻5中，記載有通過使Ti中含有規定量的Al對Ti合金的氫吸收進行抑制的方法。但是，從抑制Ti合金的氫吸收的效果來看，這些方法的效果都不充分，因此，在現有的Ti合金中，容易出現氫吸收而產生氫脆化。特許文獻l特開昭53-12737號公報特許文獻2特開平6-2175號公報特許文獻3特開平10-88258號公報特許文獻4特開2003-129152號公報特許文獻5特開2005-36314號公報
發明內容本發明的目的在于，提供一種具有優良的氫吸收抑制效果的Ti合金，及使用該Ti合金的Ti合金構件和其制造方法。本發明的發明人員，對Ti合金的氫吸收特性進行了深入研究，結果發現通過使Ti中含有規定量的Zr及Hf，可以使Ti合金具備優良的氫吸收抑制效果，從而完成本發明。艮口，為了達到所述目的，第一發明所述的Ti合金，其特征在于，以合計質量計含有0.1~5.0%的Zr及Hf中的至少一種，余量為Ti及雜質。另外，第二發明的特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有5.0n/。以下的Nb及Ta中的至少一種，余量為Ti及雜質。第三發明的特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有0.12%以下的鉬族元素的至少一種，余量為Ti及雜質。第四發明的特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有5.0%以下的Nb及Ta中的至少一種，以合計質量計還含有0.12%以下的鉑族元素的至少一種，余量為Ti及雜質。另外，第五發明所述的鈦合金構件，其特征在于，使用第一第四發明中任一項所述的Ti合金形成，第六發明的特征在于，在a單相區進行退火制造而成。另外，第七發明的Ti合金構件的制造方法，其特征在于，使用第一第四發明中任一項所述的Ti合金制造鑄塊，通過熱加工及冷加工的至少一種方法對該鑄塊進行成形加工，然后在a單相區對該成型加工品進行退火。根據本發明，因為Ti合金中含有合計質量為0.10.5%的Zr及Hf的至少一種，所以可以抑制Ti合金的氫吸收，從而使Ti合金及采用該Ti合金制成的Ti合金構件具有優良的氫吸收抑制效果。具體實施方式以下，對本發明的優選實施方式進行說明，首先說明的是本實施方式的Ti合金。本實施方式中的Ti合金，以合計質量計含有0.1~5.0%的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有5.0%以下的Nb及Ta中的至少一種，以合計質量計還含有0.12M以下的鉑族元素的至少一種，余量為Ti及雜質。所述Zr及Hf的至少一種是本發明的鈦合金的必須成分，將其在Ti合金中的含量設為以合計質量計0.15.0%，是因為當含量小于以合計質量計0.1%時，不能獲得充分的氫吸收抑制效果。另外，其含量超過5.0%時，并不能獲得更大的氫吸收抑制效果。再者，其含量超過以合計質量計5.0%時，鈦合金的輕量性(低比重)會受到損害。另外，從這樣的觀點來看，Ti合金中所含的Zr及Hf的至少一種的量優選為以合計質量計為0.53.0%。再者，由于Zr是與Ti完全固溶的元素，因此增加其含量可以防止顯微組織中生成e相，加工性也良好。另外，Zr—般較Hf廉價，因此鈦合金中含有Zr與含有Hf相比，具有成本優勢。從這一點來看，與Hf相比，Ti合金中優選含有Zr。所述Nb及Ta的至少一種是本發明的鈦合金的任意成分，但在上述的Zr、Hf之外，再使Ti合金中含有這些元素時，與Ti合金中僅含有Zr、Hf的情況相比，Ti合金不僅具有更優的氫吸收抑制效果，還可以提高其耐腐蝕性。將本實施方式的Ti合金設為含有Nb及Ta的至少一種，其合計質量為05.0%，這是因為即使以合計質量計超過5%，也難以獲得更好的氫吸收抑制效果及提高耐腐蝕性的效果，此外，另外，形成這樣的兩相組織時，組織容易不均質，Nb、Ta的分布狀態也變得不均質，有可能損壞表面的均質性。此外，這些Nb、Ta是熔點高于Ti的金屬，因此其含量越多，越容易在對鈦合金的鑄塊進行熔制時出現偏析和形成第二相。從這一點來看，Ti合金中含有的Nb及Ta的至少一種的量，優選為以合計質量計為0.53.0%。此外，Nb—般較Ta廉價，因此鈦合金中含有Nb與含有Ta相比，可使鈦合金降低成本。從這一點來看，與Ta相比，Ti合金中優選含有Nb。所述鉑族元素為本發明的鈦合金的任意成分，但在上述的Zr、Hf之外，再使Ti合金中含有這些鉑族元素時，與Ti合金中僅含有Zr、Hf的情況相比，不僅可以使Ti合金具有更優的氫吸收抑制效果，還可以提高其耐腐蝕性。作為本實施方式的鉑族元素，可以使用Ru、Rh、Pd、Os、Ir及Pt，它們可以單獨或多個組合含有在Ti合金中。將該Ti合金中含有的鉑族元素的合計質量定為00.12%，是因為即使含量超過0.12%，也難以獲得更好的氫吸收抑制效果及提高耐腐蝕性的效果。另外，由于這些鉑族元素比Zr、Hf、Nb、Ta等都要昂貴，因此雖然其可以使Ti合金具有優良的的氫吸收抑制效果和耐腐蝕性，但考慮到Ti合金的成本提高的問題，優選將其在Ti合金中的含量定為以合計質量計為0.020.1%。另外，作為所述雜質，可以舉出O、H、N、Fe等工業用Ti中通常含有的雜質，它們的含量被定為相當于JISH4600的純鈦4種、更優的是2種。另外，只要在不損害本發明的效果的范圍內，作為其他的雜質，也可以含有一些微量元素，這些微量元素的種類可以例舉出V、Mo、W、Cr、Ni、Co、Cu、Sn、Al等，這些微量元素的含量通常分別被定為以重量計0.5°/。以下。其次，對采用上述的Ti合金制造Ti合金構件的制造方法進行說明。首先，通過熔解法制成Ti合金的鑄塊，對該鑄塊進行成形加工后，在a單相域進行退火而制造Ti合金構件。作為制作鑄塊的熔解法，可以采用消耗電極式電弧熔解法和電子束熔解法等。另外，作為對該鑄塊進行成形加工的方法，可以采用通過熱或冷進行鍛造、擠壓、壓延等方法。在該成形加工后，再在a單相域進行退火，從而能夠抑制Ti合金構件形成兩相組織，從而防止Ti合金構件的氫吸收抑制效果的下降。另外，在該Ti合金構件的制造方法中，可以將Ti合金構件制成管材、板材、線材，或者再對它們進行二次加工而制成其它各種形態。再者，由于該Ti合金構件具有優良的耐腐蝕性和氫吸收抑制效果(氫脆化防止效果)，因此可以優選應用于石油精煉設備、金屬精煉設備等化學工廠設備或電鍍、蘇打電解、電析箔等的電解裝置的陰極材料等。(實施例)以下，通過實施例對本發明進行更詳細的說明，但本發明并不限定于這些實施例。(實施例118;比較例13)(試樣制作)實施例118、比較例12所用的Ti合金，含有表1所示組成的各種成分，比較例3采用的是JISl種的純鈦，通過Ar電弧瑢解制成500g的鑄塊。將該鑄塊加熱到110(TC，熱軋到5mm厚度，接著進行冷軋使其厚度達到2mm為止，再在70(TC溫度下進行退火而制成板材。從該板材上切出厚2mmX寬20mmX長40mm的板片，對該板片的一面進行#600研磨精加工后，用硅酮密封膠對該研磨面以外的部分進行絕緣處理，制成吸氫量測量用的試樣。另夕卜，從同樣的板材上切出厚2mmX寬20mmX長40mm的板片，對其整面進行#600研磨精加工(不用硅酮密封膠進行絕緣處理)后制成耐腐蝕性的試樣。再者，切出厚2mmX寬15mmX長15mm的板片用作結構觀察用的試樣，對其進行#1000研磨精加工后制成鏡面研磨用的試樣。此外，對這些實施例、比較例的試樣中的雜質含量進行測量，所有試樣中的雜質含量均相等。艮卩，以質量計Fe約占0.02。/。；0約占0.05%;H占0.0002%;C占0,005%;N占0.002%。[表1]<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(評估)(吸氫量)向各實施例、比較例的試樣施加-500A/n^的電荷，在4(TC的1N硫酸水溶液中進行4小時的陰極電解。按照下述吸氫量的計算方法對該試驗前后試樣的吸氫量(質量％)進行測量，將其差值定為吸氫量。結果如表2所示。(吸氫量的計算方法)(1)測量試樣的調整從試樣的氫吸收面起切出厚l.Omm、寬3.0mmX長30mm的片材，再將其重量調整到0.30g。(2)吸氫量的測量通過JISH1619《鈦及鈦合金的氫分析方法》所述的惰性氣體熔解-氣相色譜法對吸氫量進行測量。(耐腐蝕性l:硫酸腐蝕試驗)將各實施例、比較例的試樣保持在60'C的1%硫酸水溶液中24小時，對初期質量和試驗后的質量的質量變化進行了測量，用試樣的表面面積和硫酸浸漬時間(24)除以該質量變化量，求出腐蝕速度(耐腐蝕性)。其結果如表2所示。[表2]_<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從表2的結果可知，通過使Ti合金中含有以合計質量計為0.15.0%的Zr及Hf的至少一種，可以抑制Ti合金的氫吸收，可以使Ti合金及采用該Ti合金的Ti合金構件具有優良的氫吸收抑制效果。另外，可知在Zr及Hf的至少一種之外，再使Ti合金中含有Nb及Ta的至少一種，可以抑制Ti合金的氫吸收，并提高其耐腐蝕性。再者，可知在Zr及Hf的至少一種之外，再使Ti合金中含有鉑族元素，可以抑制Ti合金的氫吸收，并提高其耐腐蝕性。(耐腐蝕性2:鹽酸腐蝕試驗)使用實施例14和比較例3的耐腐蝕性試樣，將其分別在6(TC的1%鹽酸、3%鹽酸、5%鹽酸中浸漬24小時，對初期質量和試驗后的質量之間的變化進行了測量，用該質量變化量除以試樣的表面面積和鹽酸浸漬時間(24)，求出腐蝕速度(耐腐蝕性)。其結果如表3所示。[表3]<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表3的結果可知，與比較例3的純鈦相比，實施例14的Ti合金對于鹽酸耐腐蝕性也得到了提高。(實用模擬試驗硫化氫進行的氫吸收試驗)通過硫化氫氣體對模擬用于石油精煉設備的Ti合金的吸氫量進行了測量。此時將該實施例14的試樣和比較例3的試樣，和由水、H2S、cr組成的試驗液收納到試驗容器中，該試驗液被調整為H2S在水中占到5%;Cl—濃度達到1000ppm。相對于試樣的表面積，試驗液的相對液量達到50cc/cm2。通過蒸汽滅菌裝置進行20(TCX8760小時的暴露試驗，結果如表4所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表4可知，實施例14的Ti合金的硫化氫引起的吸氫量較比較例3的純鈦要低，可以優選用于石油精煉設備等。(組織觀察)用硝氟酸類的蝕刻液對各實施例的組織觀察用試樣的研磨面進行蝕刻，然后用光學顯微鏡進行組織觀察。結果各實施例均觀察到a相單相組織，從該觀察結果可知，通過在a單相域進行退火制成Ti合金構件，可以抑制Ti合金構件中產生P相，從而可以抑制Ti合金構件的氫吸收效果的下降。權利要求1.一種Ti合金，其特征在于，以合計質量計含有0.1～5.0％的Zr及Hf中的至少一種，余量為Ti及雜質。2.—種Ti合金，其特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有5.0%以下的Nb及Ta中的至少一種，余量為Ti及雜質。3.—種Ti合金，其特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有0.12%以下的鉑族元素的至少一種，余量為Ti及雜質。4.一種Ti合金，其特征在于，以合計質量計含有0.15.0。/。的Zr及Hf中的至少一種，以合計質量計還含有5.0%以下的Nb及Ta中的至少一種，以合計質量計還含有0.12%以下的鉑族元素的至少一種，余量為Ti及雜質。5.—種Ti合金構件，其特征在于，使用權利要求1~4中任一項所述的Ti合金形成。6.根據權利要求5所述的Ti合金構件，其特征在于，在ci單相區進行退火制造而成。7.—種Ti合金構件的制造方法，其特征在于，使用權利要求14中任一項所述的Ti合金制造鑄塊，通過熱加工及冷加工的至少一種方法對該鑄塊進行成形加工，然后在a單相區對該成型加工品進行退火。全文摘要本發明的目的在于，提供一種具有優良的氫吸收抑制效果的Ti合金，以及使用該Ti合金的Ti合金構件和其制造方法。該Ti合金的特征在于，含有合計質量為0.1～5.0％的Zr及Hf中的至少一種，剩余部分為Ti及雜質。文檔編號C22C14/00GK101155936SQ200680011208公開日2008年4月2日申請日期2006年4月7日優先權日2005年4月8日發明者前田尚志,水口政明,高橋正憲申請人:住友金屬工業株式會社