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【発明の名称】 |
チタン合金製ボルト |
| 【発明者】 |
【氏名】斎藤 卓
【住所又は居所】愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道４１番地の１ 株式会社豊田中央研究所内
【氏名】古田 忠彦
【住所又は居所】愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道４１番地の１ 株式会社豊田中央研究所内
【氏名】西野 和影
【住所又は居所】愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道４１番地の１ 株式会社豊田中央研究所内
【氏名】高宮 博之
【住所又は居所】愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道４１番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 |
【課題】低ヤング率かつ高強度で高弾性変形能なチタン合金からなるチタン合金製ボルトを提供する。
【解決手段】本発明のチタン合金製ボルトは、少なくともＶａ族（バナジウム族）元素と主成分であるチタン（Ｔｉ）とを含み、加える応力が、０から引張試験で真に永久歪みが０．２％に到達したときの応力として定義される引張弾性限強度までの範囲にある弾性変形域内で、引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少する特性を示すことを特徴とするチタン合金からなる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】少なくともＶａ族（バナジウム族）元素と主成分であるチタン（Ｔｉ）とを含み、加える応力が、０から引張試験で真に永久歪みが０．２％に到達したときの応力として定義される引張弾性限強度までの範囲にある弾性変形域内で、該引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少する特性を示すことを特徴とするチタン合金からなるチタン合金製ボルト。
【請求項２】前記チタン合金は、前記引張弾性限強度が７００ＭＰａ以上である請求項１に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項３】前記チタン合金は、前記応力−歪み線図上の接線の傾きから求まるヤング率の代表値として、前記引張弾性限強度の１／２に相当する応力位置での接線の傾きから求めた平均ヤング率が７５ＧＰａ以下である請求項１または２に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項４】前記チタン合金は、１０％以上の冷間加工組織を有し、前記引張弾性限強度が７５０ＭＰａ以上である請求項２に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項５】前記チタン合金は、５０％以上の冷間加工組織を有し、前記引張弾性限強度が８００ＭＰａ以上である請求項４に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項６】前記チタン合金は、７０％以上の冷間加工組織を有し、前記引張弾性限強度が８５０ＭＰａ以上である請求項５に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項７】前記チタン合金は、９０％以上の冷間加工組織を有し、前記引張弾性限強度が９００ＭＰａ以上である請求項６に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項８】前記チタン合金は、１０％以上の冷間加工組織を有し、前記平均ヤング率が７０ＧＰａ以下である請求項３に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項９】前記チタン合金は、５０％以上の冷間加工組織を有し、前記平均ヤング率が６５ＧＰａ以下である請求項８に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項１０】前記チタン合金は、７０％以上の冷間加工組織を有し、前記平均ヤング率が６０ＧＰａ以下である請求項９に記載のチタン合金製ボルト。
【請求項１１】前記チタン合金は、９０％以上の冷間加工組織を有し、前記平均ヤング率が５５ＧＰａ以下である請求項１０に記載のチタン合金製ボルト。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタン合金からなるチタン合金製ボルトに関するものである。詳しくは、低ヤング率、高弾性変形能、高強度なチタン合金を用いたチタン合金製ボルトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】チタン合金は比強度に優れるため、航空、軍事、宇宙、深海探査等の分野で従来から使用されてきた。自動車分野でも、レーシングエンジンのバルブリテーナやコネクテング・ロッド等にチタン合金が使用されている。また、チタン合金は耐食性にも優れるため、腐食環境下で使用されることも多い。例えば、化学プラントや海洋建築物等の資材に、また、凍結防止剤による腐食防止等を目的として自動車のフロント・バンパ・ロウアーやリア・バンパ・ロウアー等に使用されている。さらに、その軽量性（比強度）と耐アレルギー性（耐食性）に着目して、腕時計等の装身具にチタン合金が使用されている。このように、多種多様な分野でチタン合金が使用されており、代表的なチタン合金として、例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ（α合金）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（α−β合金）、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ（β合金）等がある。
【０００３】ところで、従来のチタン合金は、主にその優れた比強度や耐食性が注目されて使用されることが多かったが、最近では、チタン合金（例えば、β合金）の低ヤング率が注目されて使用されることも多い。例えば、生体適合品（例えば、人工骨等）、装身具（例えば、眼鏡のフレーム等）、スポーツ用品（例えば、ゴルフクラブ等）、スプリングなどに低ヤング率のチタン合金が使用されている。具体例を挙げて説明すると、人工骨に低ヤング率のチタン合金を使用した場合、そのヤング率が人骨のヤング率（約３０ＧＰａ程度）に近づき、その人工骨は比強度、耐食性に加え生体適合性に優れたものとなる。また、低ヤング率のチタン合金からなる眼鏡フレームは、圧迫感を与えずに身体に柔軟にフィットし、また、衝撃吸収性にも優れる。また、ゴルフクラブのシャフトやヘッドに低ヤング率のチタン合金を使用すると、しなやかなシャフトや固有振動数の低いヘッドが得られ、ゴルフボールの飛距離が伸びると言われている。また、低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度のチタン合金からなるスプリングが得られれば、その巻数等を増加させずに低いバネ定数を達成でき、その軽量コンパクト化が可能となる。
【０００４】このような事情を下に、本発明者は、各種分野で利用拡大を一層図れる、従来レベルを超越した低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度のチタン合金を開発することを考えた。そして、先ず、低ヤング率のチタン合金に関する従来技術を調査したところ、次のような公報が発見された。
【０００５】■特開平１０−２１９３７５号公報この公報には、ＮｂとＴａとを合計で２０〜６０重量％含むチタン合金が開示されている。具体的には、先ず、その組成となるように原料を溶解し、ボタンインゴットを鋳造する。次に、そのボタンインゴットに冷間圧延、溶体化処理、時効処理を行う。これにより、７５ＧＰａ以下という低ヤング率をもつチタン合金を得ている。しかし、この公報に開示された実施例から解るように、低ヤング率と共に引張強度も低下しており、低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度のチタン合金は得られていない。また、チタン合金を製品に成形する際に必要となる冷間加工性については、何ら開示されていない。
【０００６】■特開平２−１６３３３４号公報この公報には、「Ｎｂ：１０〜４０重量％、Ｖ：１〜１０重量％、Ａｌ：２〜８重量％、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ：各１重量％以下、Ｚｒ：３重量％以下、Ｏ：０．０５〜０．３重量％、残部がＴｉからなる冷間加工性に優れたチタン合金」が開示されている。具体的には、その組成となる原料をプラズマ溶解、真空アーク溶解、熱間鍛造、固溶化処理することにより冷間加工性に優れたチタン合金を得ている。しかし、そのヤング率や弾性変形能ならびに引張強度については、公報に何ら記載されていない。また、そのチタン合金によれば、圧縮割れの発生しない最大の変形率として、ｌｎ（ｈ0／ｈ）：１．３５〜１．４５が得られるとあるが、これを後述の冷間加工率に換算すると、高々５０％程度に過ぎない。
【０００７】■特開平８−２９９４２８号公報この公報には、２０〜４０重量％のＮｂと４．５〜２５重量％のＴａと２．５〜１３重量％のＺｒと残部が実質的にＴｉとからなり、ヤング率が６５ＧＰａ以下のチタン合金で形成された医療器具が開示されている。
【０００８】■特開平６−７３４７５号公報、特開平６−２３３８１１号公報および特表平１０−５０１７１９号公報これらの公報には、低ヤング率で高強度のチタン合金が開示されているが、ヤング率が７５ＧＰａ以下で引張強度が７００ＭＰａ以上のチタン合金は、Ｔｉ−１３Ｎｂ−１３Ｚｒが開示されているのみである。しかも、弾性限強度や弾性変形能に関しては一切開示されていない。また、請求の範囲には、Ｎｂ：３５〜５０重量％とあるが、それに相当する具体的な実施例は何ら開示されていない。
【０００９】■特開昭６１−１５７６５２号公報この公報には、「Ｔｉを４０〜６０重量％を含有し、残部が実質上Ｎｂよりなる金属装飾品」が開示されている。具体的には、Ｔｉ−４５Ｎｂの組成原料をアーク溶解後、鋳造、鍛造圧延し、得られたＮｂ合金を冷間深絞加工することにより金属装飾品を得ている。しかし、その公報には、具体的な冷間加工性について何ら記載されていない。また、そのＮｂ合金のヤング率や引張強度等については何ら記載がない。
【００１０】■特開平６−２４０３９０号公報この公報には、「１０重量％から２５重量％未満のバナジウムを含み、酸素含有量を０．２５重量％以下とし、そしてが残部チタンおよび不可避的不純物からなるゴルフドライバーヘッド用材料」が開示されている。しかし、その使用合金のヤング率は、８０〜９０ＧＰａ程度に過ぎない。
【００１１】■特開平５−１１１５５４号公報この公報には、「超弾性を有するＮｉ−Ｔｉ合金のロストワックス精密鋳造法により製作したゴルフクラブのヘッド」が開示されている。この公報には、Ｎｂ、Ｖ等を若干添加しても良い旨が記載されているが、それらの具体的な組成に関しては何ら記載されておらず、また、ヤング率、弾性変形能ならびに引張強度に関しても何ら開示されていない。
【００１２】■参考までに、従来のチタン合金のヤング率について付言しておくと、α合金で１１５ＧＰａ程度であり、α＋β合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）で１１０ＧＰａ程度であり、β合金（例えば、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｌ−３Ｓｎ）の溶体化処理材で８０ＧＰａ程度、時効処理後では１１０ＧＰａ程度である。また、本発明者らが試験調査したところ、前記公報■のニッケル・チタン合金ではヤング率が９０ＧＰａ程度であった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。つまり、前述したように、従来レベルを超越した低ヤング率、高弾性変形能、高強度なチタン合金からなるチタン合金製ボルトを提供することを目的とする。また、低ヤング率、高弾性変形能、高強度であると共に、成形が容易な冷間加工性に優れたチタン合金を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し各種系統的実験を重ねた結果、Ｖａ族元素とチタンとからなる、低ヤング率かつ高弾性変形能で高強度のチタン合金を開発し、本発明を完成するに至たものである。
（１）すなわち、本発明のチタン合金製ボルトは、少なくともＶａ族（バナジウム族）元素と主成分であるチタン（Ｔｉ）とを含み、加える応力が、０から引張試験で真に永久歪みが０．２％に到達したときの応力として定義される引張弾性限強度までの範囲にある弾性変形域内で、該引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少する特性を示すことを特徴とするチタン合金からなる。チタンと適量のＶａ族元素との組合わせにより、従来になく低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度のチタン合金が得られた。本発明は、そのチタン合金をボルトに利用して、その機能性の向上や設計自由度の拡大を図ったものである。ここで、例えば、Ｖａ族元素を３０〜６０質量％とすると好適である。３０質量％未満では十分な平均ヤング率の低下を図れず、一方、６０質量％を超えると十分な弾性変形能や引張強度が得られず、チタン合金の密度が上昇して、比強度の低下を招くからである。また、６０質量％を越えると、材料偏析が生じ易くなり、材料の均質性が損われて、強度のみならず靱性や延性の低下も招き易くなるからである。
【００１５】そして、本発明者は、このチタン合金が優れた冷間加工性を備えることも確認している。その組成のチタン合金が何故、低ヤング率かつ高弾性変形能で高強度となり、また冷間加工性に優れるのか、未だ定かではない。もっとも、これまでに為された本発明者による懸命な調査研究から、それらの特性について、次のように考えることができる。つまり、本発明者が本発明のチタン合金に係る一試料を調査した結果、このチタン合金に冷間加工を施しても、転位がほとんど導入されず、一部の方向に（１１０）面が非常に強く配向した組織を呈していることが明らかになった。しかも、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察した１１１回折点を用いた暗視野像において、試料の傾斜と共に像のコントラストが移動していくのが観察された。これは観察している（１１１）面が湾曲していることを示唆しており、これは、高倍率の格子像直接観察によっても確認された。しかも、この（１１１）面の湾曲の曲率半径は５００〜６００ｎｍ程度と極めて小さなものであった。このことは、本発明のチタン合金は、転位の導入ではなく、結晶面の湾曲によって加工の影響を緩和すると言う、従来の金属材料では全く知られていない性質を有することを意味している。また、転位は、１１０回折点を強く励起した状態で、極一部に観察されたが、１１０回折点の励起をなくすとほとんど観察されなかった。これは、転位周辺の変位成分が著しく＜１１０＞方向に偏っていることを示しており、本発明のチタン合金は非常に強い弾性異方性を有することを示唆している。理由は定かではないが、この弾性異方性も、本発明に係るチタン合金の優れた冷間加工性、低ヤング率、高弾性変形能、高強度の発現、等と密接に関係していると考えられる。
【００１６】なお、Ｖａ族元素は、バナジウム、ニオブ、タンタルの一種でも複数種でも良い。これらの元素はいずれもβ相安定化元素であるが、必ずしも、本発明のチタン合金が従来のβ合金であることを意味するものではない。また、熱処理は必ずしも必要ではないが、熱処理を行なうことにより、一層の高強度化を図ることも可能である。
【００１７】本発明のチタン合金は、引張弾性限強度が７００ＭＰａ以上であると好適である。この引張弾性限強度は、順に、７５０ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以上、８５０ＭＰａ以上、９００ＭＰａ以上となるほど好ましい。「引張弾性限強度」とは、試験片への荷重の負荷と除荷とを徐々に繰り返して行う引張試験において、永久伸び（歪み）が０．２％に到達したときの負荷していた応力を言う。つまり、引張弾性限強度は、引張試験で真に永久歪みが０．２％に到達したときの応力として定義される。また、平均ヤング率が７５ＧＰａ以下であると好適である。この平均ヤング率は、順に、７０ＧＰａ以下、６５ＧＰａ以下、６０ＧＰａ以下および５５ＧＰａ以下となるほど好ましい。
【００１８】「平均ヤング率」とは、厳密な意味でのヤング率の「平均」を指すものではなく、本発明のチタン合金を代表するヤング率という意味である。具体的には、前記引張試験により得られた応力（荷重）−歪み（伸び）線図において、引張弾性限強度の１／２に相当する応力位置での曲線の傾き（接線の傾き）を平均ヤング率とした。従って、平均ヤング率は、引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きから求まるヤング率を代表するものであって、前記引張弾性限強度の１／２に相当する応力位置での接線の傾きとして定義される。そして、高い引張弾性限強度と、低い平均ヤング率と、前述した特異な応力−歪み関係との組合わせによって、本発明のチタン合金は優れた高弾性変形能を発現する。
【００１９】ちなみに、「引張強度」は、前記引張試験において、試験片の最終的な破断直前の荷重を、その試験片の平行部における試験前の断面積で除して求めた応力である。なお、本願でいう「高弾性変形能」は、前記引張弾性限強度内における試験片の伸びが大きいことを意味する。また、本願でいう「低ヤング率」とは、前記平均ヤング率が、従来の一般的なヤング率に対して小さいことを意味する。さらに、本願でいう「高強度」とは、前記引張弾性限強度または前記引張強度が大きいことを意味する。
【００２０】なお、本発明のチタン合金製ボルトは、種々の形態を含むチタン合金からなる。そのチタン合金の形態は、素材（例えば、鋳塊、スラブ、ビレット、焼結体、圧延品、鍛造品、線材、板材、棒材等）に限らず、それを加工したチタン合金部材（例えば、中間加工品、最終製品、それらの一部等）などでも良い（以下同様）。
【００２１】（２）また、本発明のチタン合金は、焼結合金であると好適である。本発明は、チタンと適量のＶａ族元素とからなる焼結合金（焼結チタン合金）が低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度という機械的性質をもつ、という発見に基づくものである。そして、本発明者は、このチタン合金が優れた冷間加工性を備えることも確認している。Ｖａ族元素が３０〜６０質量％であると好ましいのは、前述した通りである。その組成のチタン合金が何故、低ヤング率かつ高弾性変形能で高強度となり、また冷間加工性に優れるのか、未だ定かではないが、現状では、その理由を前述したように考えている。
【００２２】（３）本発明のチタン合金は、例えば、チタンとＶａ族元素とを含む少なくとも二種以上の原料粉末を混合する混合工程と、該混合工程により得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を加熱して焼結させる焼結工程とを経て得られる。
【００２３】この製造方法（以下、適宜、「焼結法」と称する。）は、前述のチタン合金の製造に適するものである。前述した特許公報等からも解るように、従来のチタン合金は、チタン原料（例えば、スポンジチタン）と合金原料とを溶解後、鋳造し、その後得られた鋳塊をさらに圧延して製造されることが多かった（以下、この方法を、適宜、「溶解法」と称する。）。しかし、チタンは融点が高く高温で非常に活性であるため、溶解自体難しく、溶解に特殊な装置を必要とする場合が多い。また、溶解中の組成コントロールが難しく、多重溶解等を行う必要もある。さらに、本発明のチタン合金のように、合金成分（特に、β安定化元素）を多量に含有するチタン合金は、溶解・鋳造時に成分のマクロ的な偏析が避け難く、安定した品質のチタン合金を得ることは難しい。
【００２４】これに対し、本発明の焼結法によれば、原材料を溶解させる必要がないため、溶解法のような欠点がなく、本発明に係るチタン合金を効率良く製造することができる。具体的には、混合工程により、原料粉末が均一に混合されるため、マクロ的に均一なチタン合金が容易に得られる。また、成形工程により、当初から所望の形状をもった成形体が成形されるため、その後の加工工数の低減が図られる。なお、成形体は、板材や棒材等の素材形状をしていても、最終製品の形状をしていても、また、それらに至る手前の中間品の形状をしていても良い。そして、焼結工程では、チタン合金の融点よりもかなり低い温度で成形体を焼結させることができ、溶解法のような特殊な装置を必要とせず、また、経済的で効率的な製造が可能となる。なお、本発明の製造方法は、混合工程を考慮して原料粉末を二種以上としたものであり、いわゆる素粉末（混合）法に基づくものである。
【００２５】（４）本発明のチタン合金は、チタンと少なくともＶａ族元素とを含む原料粉末を所定形状の容器に充填する充填工程と、該充填工程後に熱間静水圧法（ＨＩＰ法）を用いて該容器中の該原料粉末を焼結させる焼結工程とからなる製造方法によっても得られる。
【００２６】この製造方法によれば、前述の混合工程および／または成形工程を必ずしも必要としない。また、本発明の製造方法によれば、いわゆる合金粉末法を可能にする。このため、使用できる原料粉末の種類も広がり、二種以上の純金属粉末や合金粉末を混合した混合粉末のみならず、前述したまたは後述する、本発明のチタン合金の組成をもつ合金粉末を使用することができる。そして、ＨＩＰ法を用いることにより、緻密な焼結チタン合金を得ることもでき、製品形状が複雑であってもネットシェイプが可能となる。なお、前記各元素の組成範囲を「ｘ〜ｙ質量％」という形式で示したが、これは特に断らない限り、下限値（ｘ質量％）および上限値（ｙ質量％）も含む意味である。
【００２７】
【発明の実施の形態】（チタン合金）
（１）平均ヤング率と引張弾性限強度本発明のチタン合金に関する平均ヤング率と引張弾性限強度とについて、以下に図１Ａ、Ｂを用いて詳述する。図１Ａは、本発明に係るチタン合金の応力−伸び（歪み）線図を模式的に示した図であり、図１Ｂは、従来のチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）の応力−伸び（歪み）線図を模式的に示した図である。
【００２８】■図１Ｂに示すように、従来の金属材料では、先ず、引張応力の増加に比例して伸びが直線的に増加する（■’−■間）。そして、その直線の傾きによって従来の金属材料のヤング率は求められる。換言すれば、そのヤング率は、引張応力（公称応力）をそれと比例関係にある歪み（公称歪み）で除した値となる。このように応力と伸び（歪み）とが比例関係にある直線域（■’−■間）では、変形が弾性的であり、例えば、応力を除荷すれば、試験片の変形である伸びは０に戻る。しかし、さらにその直線域を超えて引張応力を加えると、従来の金属材料は塑性変形を始め、応力を除荷しても、試験片の伸びは０に戻らず、永久伸びを生じる。
【００２９】通常、永久伸びが０．２％となる応力σｐを０．２％耐力と称している（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）。この０．２％耐力は、応力−伸び（歪み）線図上で、弾性変形域の直線（■’−■：立ち上がり部の接線）を０．２％伸び（歪み）分だけ平行移動した直線（■’−■）と応力―伸び（歪み）曲線との交点（位置■）における応力でもある。従来の金属材料の場合、通常、「伸びが０．２％程度を超えると、永久伸びになる」という経験則に基づき、０．２％耐力≒引張弾性限強度と考えれられている。逆に、この０．２％耐力内であれば、応力と歪みとの関係は概ね直線的または弾性的であると考えられる。
【００３０】■ところが、図１Ａの応力−伸び（歪み）線図からも解るように、このような従来の概念は、本発明のチタン合金には当てはまらない。理由は定かではないが、本発明のチタン合金の場合、弾性変形域において応力―伸び（歪み）線図が直線とはならず、上に凸な曲線（■’−■）となり、除荷すると同曲線■−■’に沿って伸びが０に戻ったり、■−■’に沿って永久伸びを生じたりする。このように、本発明のチタン合金では、弾性変形域（■’−■）ですら、応力と伸び（歪み）とが直線的な関係になく、応力が増加すれば、急激に伸び（歪み）が増加する。また、除荷した場合も同様であり、応力と伸び（歪み）とが直線的な関係になく、応力が減少すれば、急激に伸び（歪み）が減少する。このような特徴が本発明のチタン合金の高弾性変形能として発現していると思われる。
【００３１】ところで、本発明のチタン合金の場合、図１Ａからも解るように、応力が増加するほど応力−伸び（歪み）線図上の接線の傾きが減少している。このように、弾性変形域において、応力と伸び（歪み）とが直線的に変化しないため、従来の方法で本発明のチタン合金のヤング率を定義することは適切ではない。また、本発明のチタン合金の場合、応力と伸び（歪み）とが直線的に変化しないため、従来と同様の方法で０．２％耐力（σｐ’）≒引張弾性限強度と評価することも適切ではない。つまり、従来の方法により求まる０．２％耐力では、本来の引張弾性限強度よりも著しく小さい値となってしまい、もはや、０．２％耐力≒引張弾性限強度と考えることはできない。
【００３２】そこで、本来の定義に戻って、本発明のチタン合金の引張弾性限強度（σｅ）を前述したように求めることとし（図１Ａ中の■位置）、また、本発明のチタン合金のヤング率として、前述の平均ヤング率を導入することとした。なお、図１Ａおよび図１Ｂ中、σｔは引張強度であり、εｅは本発明のチタン合金の引張弾性限強度（σｅ）における伸び（歪み）であり、εｐは従来の金属材料の０．２％耐力（σｐ）における伸び（歪み）である。
【００３３】（２）組成■本発明のチタン合金は、全体を１００質量％とした場合に、ジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で２０質量％以下含むと、好適である。ジルコニウムとハフニウムとは、チタン合金の低ヤング率化と高強度化に有効である。また、これらの元素は、チタンと同族（ＩＶａ族）元素であり、全率固溶型の中性的元素であるため、Ｖａ族元素によるチタン合金の低ヤング率化を妨げることもない。また、スカンジウムは、チタンに固溶した場合、Ｖａ族元素と共にチタン原子間の結合エネルギーを特異的に低下させ、ヤング率をさらに低下させる有効な元素である（参考資料：Ｐｒｏｃ．９ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｔｉｔａｎｉｕｍ、（１９９９）、ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）。
【００３４】それらの元素が合計で２０質量％を越えると、材料偏析による強度、靱性の低下やコスト上昇を招くため、好ましくない。ヤング率、強度、靱性等のバランスを図る上で、それらの元素を合計で、１質量％以上、さらには、５〜１５質量％とすると、より好ましい。また、これらの元素は、Ｖａ族元素と作用上、共通する部分が多いため、所定の範囲内で、Ｖａ族元素と置換することもできる。つまり、本発明のチタン合金は、合計で２０質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素と、該金属元素群中の１種以上の元素との合計が３０〜６０質量％となるＶａ族（バナジウム族）元素と、残部が実質的にチタンとからなり、平均ヤング率が７５ＧＰａ以下で引張弾性限強度が７００ＭＰａ以上であると、好適である。
【００３５】また、本発明のチタン合金は、合計で２０質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素と、該金属元素群中の１種以上の元素との合計が３０〜６０質量％となるＶａ族（バナジウム族）元素と、残部が実質的にチタンとからなる焼結合金であると、好適である。ジルコニウム等を合計で２０質量％以下としたのは、前述したとおりである。また、同様に、それらの元素を合計で１質量％以上、さらには、５〜１５質量％とすると、より好ましい。
【００３６】■本発明のチタン合金は、クロム（Ｃｒ）とモリブデン（Ｍｏ）とマンガン（Ｍｎ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）とからなる金属元素群中の１種類以上の元素を含むと、好適である。より具体的には、全体を１００質量％とした場合に、前記クロムと前記モリブデンとはそれぞれ２０質量％以下であり、前記マンガンと前記鉄と前記コバルトと前記ニッケルとはそれぞれ１０質量％以下であると、好適である。
【００３７】クロムとモリブデンとは、チタン合金の強度と熱間鍛造性とを向上させる上で有効な元素である。熱間鍛造性が向上すると、チタン合金の生産性や歩留まりの向上が図れる。ここで、クロムやモリブデンが、２０質量％を越えると、材料偏析が生じ易くなり、均質な材料を得ることが困難となる。それらの元素を１質量％以上とすると、固溶強化による強度等の向上を図る上で好ましく、さらに、３〜１５質量％とすると、より好ましい。
【００３８】マンガン、鉄、コバルト、ニッケルは、モリブデン等と同様、チタン合金の強度と熱間鍛造性を向上させる上で有効な元素である。従って、モリブデン、クロム等の代わりに、またはモリブデン、クロム等と共にそれらの元素を含有させても良い。但し、それらの元素が１０質量％を越えると、チタンとの間で金属間化合物を形成し、延性が低下してしまうため、好ましくない。それらの元素を１質量％以上とすると、固溶強化による強度等の向上を図る上で好ましく、さらに、２〜７質量％とすると、より好ましい。
【００３９】■本発明のチタン合金が焼結チタン合金である場合、前記金属元素群に錫を加えると、好適である。すなわち、本発明の焼結チタン合金は、クロム（Ｃｒ）とモリブデン（Ｍｏ）とマンガン（Ｍｎ）と鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）とからなる金属元素群中の１種類以上の元素を含むと好適である。具体的には、全体を１００質量％とした場合に、前記クロムと前記モリブデンとはそれぞれ２０質量％以下であり、前記マンガンと前記鉄と前記コバルトと前記ニッケルと前記錫とはそれぞれ１０質量％以下であると、より好適である。
【００４０】錫はα安定化元素であり、チタン合金の強度を向上させる上で有効な元素である。従って、１０質量％以下の錫を、モリブデン等の元素と共に含有させても良い。錫が１０質量％を越えると、チタン合金の延性が低下して加工性の低下を招く。錫を１質量％以上、さらには、２〜８質量％とすると、低ヤング率化と共に高強度化を図る上で、より好ましい。なお、モリブデン等の元素については、前述と同様である。
【００４１】■本発明のチタン合金は、アルミニウム（Ａｌ）を含むと好適である。具体的には、前記アルミニウムが、全体を１００質量％とした場合に０．３〜５質量％であると、一層好適である。アルミニウムは、チタン合金の強度を向上させる上で有効な元素である。従って、０．３〜５質量％のアルミニウムを、モリブデンや鉄等の代りに、またはそれらの元素と共に含有させても良い。アルミニウムが０．３質量％未満では固溶強化作用が不十分で、十分な強度の向上が図れない。また、５質量％を越えると、チタン合金の延性を低下させる。アルミニウムを０．５〜３質量％とすると、安定した強度の向上を図る上で、より好ましい。なお、アルミニウムを錫と共に添加すると、チタン合金の靱性を低下させることなく、強度を向上させることができるため、より好ましい。
【００４２】■本発明のチタン合金は、全体を１００質量％とした場合に、０．０８〜０．６質量％の酸素（Ｏ）を含むと、好適である。また、全体を１００質量％とした場合に、０．０５〜１．０質量％の炭素（Ｃ）を含むと、好適である。また、全体を１００質量％とした場合に、０．０５〜０．８質量％の窒素（Ｎ）を含むと、好適である。まとめると、全体を１００質量％とした場合に、０．０８〜０．６質量％の酸素（Ｏ）と０．０５〜１．０質量％の炭素（Ｃ）と０．０５〜０．８質量％の窒素（Ｎ）とからなる元素群中の１種類以上の元素を含むと、好適である。
【００４３】酸素、炭素および窒素は、いずれも侵入型の固溶強化元素であり、チタン合金のα相を安定にし、強度を向上させる上で有効な元素である。酸素が０．０８質量％未満、炭素または窒素が０．０５質量％未満では、チタン合金の強度向上が十分ではない。また、酸素が０．６質量％を超え、炭素が１．０質量％を超え、または窒素が０．８質量％を超えると、チタン合金の脆化を招き好ましくない。酸素を０．１質量％以上、さらには０．１５〜０．４５質量％とすると、チタン合金の強度と延性とのバランスにおいて、より好ましい。同様に、炭素を０．１〜０．８質量％、窒素を０．１〜０．６質量％とすると、その強度と延性とのバランスにおいて、より好ましい。
【００４４】■本発明のチタン合金は、全体を１００質量％とした場合に、０．０１〜１．０質量％のホウ素（Ｂ）を含むと、好適である。ホウ素は、チタン合金の機械的な材料特性と熱間加工性とを向上させる上で有効な元素である。ホウ素は、チタン合金に殆ど固溶せず、そのほぼ全量がチタン化合物粒子（ＴｉＢ粒子等）として析出する。この析出粒子が、チタン合金の結晶粒成長を著しく抑制して、チタン合金の組織を微細に維持するからである。ホウ素が０．０１質量％未満では、その効果が十分ではなく、１．０質量％を超えると、高剛性の析出粒子が増えることにより、チタン合金の全体的なヤング率の上昇と冷間加工性の低下を招いてしまうからである。
【００４５】なお、０．０１質量％のホウ素を添加した場合、ＴｉＢ粒子で換算すると、０．０５５体積％となり、一方、１質量％のホウ素を添加した場合は、ＴｉＢ粒子で換算すると、５．５体積％となる。従って、言換えると、本発明のチタン合金は、ホウ化チタン粒子が０．０５５体積％から５．５体積％の範囲にあると好ましい。ところで、上述の各組成元素は、所定の範囲内で、任意に組合わせることができる。具体的には、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｏ、Ｃ、Ｎ、Ｂを、前記範囲内で、適宜選択的に組合わせて、本発明のチタン合金とすることもできる。もっとも、このことは、本発明のチタン合金の趣旨を逸脱しない範囲内で、さらに別の元素を配合することを排除するものではない。
【００４６】（２）冷間加工組織冷間加工組織とは、チタン合金を冷間加工したときに得られる組織である。本発明者は、上述のチタン合金が冷間加工性に非常に優れる共に、冷間加工が施こされたチタン合金が著しく低ヤング率で高弾性変形能、かつ高強度となることを発見した。「冷間」とは、チタン合金の再結晶温度（再結晶を起す最低の温度）よりも十分低温であることを意味する。再結晶温度は、組成により変化するが、概ね６００℃程度であり、本発明のチタン合金は、通常、常温〜３００℃の範囲で冷間加工されると良い。
【００４７】また、Ｘ％以上の冷間加工組織とは、次式により定義される冷間加工率がＸ％以上の場合にできる冷間加工組織をいう。
冷間加工率 Ｘ＝（Ｓ0−Ｓ）／Ｓ0 ｘ１００（％）
（Ｓ0：冷間加工前の断面積、Ｓ：冷間加工後の断面積）
このような冷間加工によってチタン合金内に加工歪みが付与される。この加工歪みが、原子レベルでのミクロ的な構造変化を構成組織内にもたらし、本発明のチタン合金のヤング率の低減に寄与すると考えられる。また、その冷間加工による原子レベルでのミクロ的な構造変化に伴う弾性歪みの蓄積が、チタン合金の強度の向上に寄与していると考えられる。
【００４８】具体的には、１０％以上の冷間加工組織を有し、平均ヤング率が７０ＧＰａ以下で引張弾性限強度が７５０ＭＰａ以上であると、好適である。冷間加工を付与することにより、チタン合金の低ヤング率化と高弾性変形能化と高強度化とをより進行させることができる。さらに、本発明のチタン合金は、５０％以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が６５ＧＰａ以下で引張弾性限強度が８００ＭＰａ以上であると、好適である。さらに、本発明のチタン合金が、７０％以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が６０ＧＰａ以下で引張弾性限強度が８５０ＭＰａ以上であると、一層好適である。さらに、本発明のチタン合金は、９０％以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が５５ＧＰａ以下で引張弾性限強度が９００ＭＰａ以上であると、格別に好適である。
【００４９】本発明のチタン合金は、冷間加工率を９９％以上とすることもでき、詳細は定かではないものの、従来のチタン合金とは明らかに異なるものである。従来の冷間加工性に優れるチタン合金（例えば、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｌ：通称ＤＡＴ５１等）と比較しても、本発明に係るチタン合金の冷間加工率は、まさに驚異的な値である。このように、本発明のチタン合金は、極めて冷間加工性に優れ、しかも冷間加工によりその材料物性や機械的特性が一層改善される傾向にあるため、低ヤング率で高弾性変形能および高強度が求められる、各種の冷間加工成形品に最適な材料である。
【００５０】（３）焼結合金（焼結チタン合金）
焼結合金は、原料粉末を焼結させて得られる合金である。本発明のチタン合金が焼結チタン合金である場合、低ヤング率、高弾性変形能、高強度および優れた冷間加工性を発揮する。例えば、その焼結チタン合金は、平均ヤング率が７５ＧＰａ以下で引張弾性限強度が７００ＭＰａ以上となり得る。さらに、本発明の焼結チタン合金は、その組織中の空孔量を調整して、ヤング率、強度、密度等を調整することができる。例えば、その焼結合金が３０体積％以下の空孔を含むと、好適である。空孔を３０体積％以下とすることにより、同一合金組成であっても、その平均ヤング率を大幅に低下させることが可能となるからである。
【００５１】一方、その焼結合金は、熱間加工により空孔が５体積％以下に緻密化された組織であると、新たな特長が付与され、好適である。すなわち、焼結合金を熱間加工により緻密化すると、低ヤング率や、高弾性変形能、高強度に加え、チタン合金に優れた冷間加工性を持たせることができる。そして、空孔を１体積％以下に減少させると、より好適である。なお、熱間加工とは、再結晶温度以上での塑性加工を意味し、例えば、熱間鍛造、熱間圧延、熱間スエージ、ＨＩＰ等がある。
【００５２】また、空孔とは、焼結合金内に残留する空隙を意味し、相対密度で評価される。相対密度とは、真密度ρ0（残留空孔０％の場合）で焼結体の密度ρを割った値の百分率（ρ／ρ0 ）ｘ１００（％）で表され、空孔の体積％は次式で表される。
空孔の体積％ ＝｛１−（ρ／ρ0）｝ｘ１００ （％）
例えば、金属粉末をＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）する場合、その静水圧（例えば、２〜４ｔｏｎ／ｃｍ２）を調整することで容易に空孔の体積量を調整できる。空孔の大きさは、特に、限定されるものではないが、例えば、その平均径が５０μｍ以下であると、焼結合金の均一性が保持され、強度低下も抑えられ、チタン合金は適度の延性をもつ。ここで、平均径とは、２次元画像処理で測定された空孔を断面積の等価な円に置換して算出した、その円の平均径を意味する。
【００５３】（チタン合金の製造方法）
（１）原料粉末焼結法の場合に必要となる原料粉末は、少なくともチタンとＶａ族元素とを含んでいる。もっとも、それらは多種多様な形態をとり得る。例えば、原料粉末が、さらに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｏ、Ｃ、Ｎ、Ｂを含んでも良い。具体的には、例えば、原料粉末が、全体を１００質量％とした場合に、ジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で２０質量％以下含むと、好適である。
【００５４】そして、本発明の製造方法は、チタンと、合計で２０質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素と、該金属元素群中の１種以上の元素との合計が３０〜６０質量％となるＶａ族（バナジウム族）元素とを含む少なくとも二種以上の原料粉末を混合する混合工程と、該混合工程により得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を加熱して焼結させる焼結工程と、からなると好適である。
【００５５】また、本発明の製造方法は、チタンと、合計で２０質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）とスカンジウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群中の１種以上の元素と、該金属元素群中の１種以上の元素との合計が３０〜６０質量％となるＶａ族（バナジウム族）元素とを少なくとも含む原料粉末を所定形状の容器に充填する充填工程と、該充填工程後に熱間静水圧法（ＨＩＰ法）を用いて該容器中の該原料粉末を焼結させる焼結工程とからなると、好適である。原料粉末が、さらに、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、鉄、錫、アルミニウム、酸素、炭素、窒素およびホウ素の少なくとも一種以上の元素を含むと、好適である。
【００５６】本発明の製造方法が、混合工程を伴う場合には、原料粉末が、純金属粉末および／または合金粉末の２種以上からなると、好適である。具体的な使用粉末として、例えばスポンジ粉末、水素化脱水素粉末、水素化粉末、アトマイズ粉末などを使用できる。粉末の粒子形状や粒径（粒径分布）などは、特に限定されるものではなく、市販の粉末をそのまま用いることができる。もっとも、使用粉末は、コストや焼結体の緻密性の観点から、平均粒径が１００μｍ以下であると、好ましい。さらに、粉末の粒径が４５μｍ（＃３２５）以下であれば、より緻密な焼結体を得やすい。
【００５７】本発明の製造方法が、ＨＩＰ法を用いる場合には、原料粉末が、チタンと少なくともＶａ族元素とを含む合金粉末からなると、好適である。この合金粉末は、本発明に係るチタン合金の組成を備えた粉末であり、例えば、ガスアトマイズ法や、ＲＥＰ法（回転電極法）、ＰＲＥＰ法（プラズマ回転電極法）、あるいは溶解法により製造されたインゴットを水素化した後粉砕する方法、さらにはＭＡ法（機械的合金化法）等により、製造される。
【００５８】（２）混合工程混合工程は、原料粉末を混合する工程である。それらの混合には、Ｖ型混合機、ボールミル及び振動ミル、高エネルギーボールミル（例えば、アトライター）等を使用できる。
【００５９】（３）成形工程成形工程は、混合工程で得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する工程である。成形体の形状は、製品の最終的な形状でも良いし、焼結工程後にさらに加工を施す場合はビレット形状等でもよい。成形工程には、例えば、金型成形、ＣＩＰ成形（冷間静水圧プレス成形）、ＲＩＰ成形（ゴム静水圧プレス成形）等を用いることができる。
【００６０】（４）充填工程充填工程は、チタンと少なくともＶａ族元素とを含む、前述の原料粉末を所定形状の容器に充填する工程であり、熱間静水圧法（ＨＩＰ法）を用いるために必要となる。原料粉末を充填する容器の内側形状は、所望の製品形状に対応している。また、容器は、例えば、金属製でも、セラミック製でも、ガラス製でもよい。また、真空脱気して、原料粉末を容器に充填、封入するとよい。
【００６１】（５）焼結工程焼結工程は、前記成形工程で得られた成形体を加熱して焼結させ焼結体を得る工程、または、前記充填工程後に熱間静水圧法（ＨＩＰ）を用いて前記容器中の該粉末を加圧固化させる工程である。成形体を焼結させる場合は、真空又は不活性ガスの雰囲気でなされることが好ましい。また、焼結温度は、該合金の融点以下で、しかも成分元素が十分に拡散する温度域で行われることが好ましく、例えば、その温度範囲は１２００℃〜１４００℃である。また、その焼結時間は２〜１６時間であることが好ましい。従って、チタン合金の緻密化と生産性の効率化を図る上で、１２００℃〜１４００℃かつ２〜１６時間の条件で焼結工程を行うと良い。
【００６２】ＨＩＰ法による場合、拡散が容易で粉末の変形抵抗が小さく、しかも、前記容器と反応しにくい温度領域で行われることが好ましい。例えば、その温度範囲は９００℃〜１３００℃である。また、成形圧力は、充填粉末が十分にクリープ変形できる圧力であることが好ましく、例えば、その圧力範囲は５０〜２００ＭＰａ（５００〜２０００気圧）である。ＨＩＰの処理時間は、粉末が十分にクリープ変形して緻密化し、かつ、合金成分が粉末間で拡散できる時間が好ましく、例えば、その時間は１時間〜１０時間である。
【００６３】（６）加工工程■熱間加工を行うことにより、焼結合金の空孔等を低減して組織を緻密化させることができる。従って、本発明の製造方法は、さらに、前記焼結工程後に得られた焼結体を熱間加工して該焼結体の組織を緻密化させる熱間加工工程を有すると、好適である。この熱間加工は、概略的な製品の形状を形成するために行っても良い。
【００６４】■本発明の製造方法により得られたチタン合金は、冷間加工性に優れるため、得られた焼結体を冷間加工して種々の製品を製造することができる。従って、本発明の製造方法は、さらに、前記焼結工程後に得られた焼結体を冷間加工して素材または製品に成形する冷間加工工程を有すると、好適である。そして、前記熱間加工により粗加工を行った後、冷間加工により仕上加工を行っても良い。
【００６５】（チタン合金製ボルト）本発明のチタン合金は、低ヤング率、高弾性変形能、高強度であるため、その特性にマッチするボルトに幅広く利用できる。また、優れた冷間加工性も備えるため、冷間加工ボルトに本発明のチタン合金を利用すると、加工割れ等が著しく低減され、歩留りが向上する。また、従来のチタン合金では、形状的に切削加工を必要とする製品でも、本発明のチタン合金によれば、冷間鍛造等により成形可能となり、チタン合金製ボルトの量産化、低コスト化を図る上でも非常に有効である。例えば、本発明のチタン合金製ボルトは、産業機械、自動車、バイク、自転車、家電品、航空宇宙機器、船舶、装身具、スポーツ・レジャ用品、生体関連品、医療器材、玩具等に利用できる。
【００６６】また、医療分野では、骨の固定具等の生体内に配設されるものや医療器械の機能部材（カテーテル、鉗子、弁等）等に本発明のチタン合金製ボルトを利用できる。そして、本発明に係るチタン合金製ボルトは、鋳造、鍛造、超塑性成形、熱間加工、冷間加工、焼結等、種々の製造方法により製造され得る。
【００６７】
【実施例】以下に、本発明のチタン合金製ボルトを構成するチタン合金の組成や冷間加工率等を変更した種々の具体的な実施例を例示し、そのチタン合金およびその製造方法についてさらに詳細に説明する。
Ａ．供試材１〜８４先ず、本発明に係るチタン合金の製造方法等を用いて、供試材１〜８４を製造した。
【００６８】（１）供試材１〜１３供試材１〜１３は、３０〜６０質量％のＶａ族元素とチタンとからなるチタン合金に関するものである。
a.供試材１原料粉末として、本発明でいうチタン粉末に相当する市販の水素化・脱水素Ｔｉ粉末（−＃３２５、−＃１００）とニオブ（Ｎｂ）粉末（−＃３２５）、バナジウム（Ｖ）粉末（−＃３２５）、タンタル（Ｔａ）粉末（−＃３２５）とを用意した。なお、以降では、既述の同一粉末については、単に「チタン粉末」、「ニオブ粉末」、「バナジウム粉末」、「タンタル粉末」等と称する。なお、この時の含有酸素量はチタン粉末に含まれる酸素で調整した。また、表１の組成は質量％で表示されており、残部であるチタンの記載は省略した。これらの各粉末を表１の組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ４０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とした（焼結工程）。さらに、この焼結体を７００〜１１５０℃の大気中で熱間鍛造して（熱間加工工程）、φ１０ｍｍの丸棒とし、これを供試材１とした。
【００６９】b.供試材２原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、バナジウムブリケットを準備した。これらの原料を表１の組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。この原料を、インダクションスカルを用いて溶解し（溶解工程）、金型に鋳造後（鋳造工程）、φ６０ｘ６０ｍｍの溶解材を得た。なお、溶解は、均質化を図るため５回の再溶解処理を行った。この溶解材を７００〜１１５０℃の大気中で熱間鍛造して（熱間加工工程）、φ１０ｍｍの丸棒とし、これを供試材２とした。
c.供試材３、４および供試材８〜１１原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とを用いて、表１の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして各供試材を製造した。
【００７０】d.供試材７原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、タンタルブリケットを準備した。これらの原料を表１の組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。これ以降は、供試材２と同様にして供試材７を製造した。
e.供試材５、６、１２、１３原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、バナジウム粉末とを用いて、表１の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして各供試材を製造した。
【００７１】（２）供試材１４〜２４供試材１４〜２４は、供試材６〜１０、１２のＶａ族元素の一部を、ジルコニウム、ハフニウム、スカンジウムで表２に示すように置換したものである。
a.供試材１４供試材１４は、供試材９のタンタルの一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム（Ｚｒ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材１４を製造した。
【００７２】b.供試材１５供試材１５は、供試材７のニオブの一部をジルコニウムで置換したものである。原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、タンタルブリケットを準備した。これらの原料を表２の組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。これ以降は、供試材２と同様にして供試材１５を製造した。
c.供試材１６供試材１６は、供試材８のニオブの一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材１６を製造した。
【００７３】d.供試材１７供試材１７は、供試材１０のタンタル一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材１７を製造した。
e.供試材１８供試材１８は、供試材１０のタンタルをジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材１８を製造した。
【００７４】f.供試材１９供試材１９は、供試材９のニオブとタンタルの一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材１９を製造した。
g.供試材２０供試材２０は、供試材１２のニオブ、バナジウムの一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、バナジウム粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２０を製造した。
【００７５】h.供試材２１供試材２１は、供試材６のバナジウムの一部をジルコニウムとハフニウムとで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、バナジウム粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、ハフニウム（Ｈｆ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２１を製造した。
i.供試材２２供試材２２は、供試材１０のニオブ、タンタルの一部をハフニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ハフニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２２を製造した。
【００７６】j.供試材２３供試材２３は、供試材１２のニオブの一部をジルコニウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、バナジウム粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２３を製造した。
k.供試材２４供試材２４は、供試材９のニオブ、タンタルの一部スカンジウムで置換したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、スカンジウム（Ｓｃ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表２の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２４を製造した。
【００７７】（３）供試材２５〜３１供試材２５〜３１は、供試材１１、１４、１６、１７、１８、２３に、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、鉄をさらに配合したものである。
a.供試材２５供試材２５は、供試材２３にクロムを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、バナジウム粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、クロム（Ｃｒ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２５を製造した。
b.供試材２６供試材２６は、供試材１４にモリブデンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、モリブデン（Ｍｏ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２６を製造した。
【００７８】c.供試材２７供試材２７は、供試材１１にモリブデンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、モリブデン粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２７を製造した。
d.供試材２８供試材２８は、供試材１８にコバルトを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末、コバルト（Ｃｏ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２８を製造した。
【００７９】e.供試材２９供試材２９は、供試材１６にニッケルを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材２９を製造した。
f.供試材３０供試材３０は、供試材１７にマンガンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、マンガン（Ｍｏ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３０を製造した。
【００８０】g.供試材３１供試材３１は、供試材１４に鉄を添加したものである。 原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、鉄（Fe）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３１を製造した。
【００８１】（４）供試材３２〜３８供試材３２〜３４は、供試材１４、１６、１８に、アルミニウムをさらに配合したものである。供試材３５〜３８は、供試材８、１６、１８に、錫（およびアルミニウム）をさらに配合したものである。
a.供試材３２供試材３２は、供試材１６にアルミニウムを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、アルミニウム（Ａｌ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３２を製造した。
b.供試材３３供試材３３は、供試材１８にアルミニウムを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末、アルミニウム粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３３を製造した。
【００８２】c.供試材３４供試材３４は、供試材１４にアルミニウムを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、アルミニウム粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３４を製造した。
d.供試材３５供試材３５は、供試材７に錫を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、錫（Ｓｎ）粉末（−＃３２５）とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３５を製造した。
【００８３】e.供試材３６供試材３６は、供試材１６に錫を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、錫粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３６を製造した。
f.供試材３７供試材３７は、供試材１８に錫を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末、錫粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３７を製造した。
【００８４】g.供試材３８供試材３８は、供試材１６に錫とアルミニウムを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、錫粉末、アルミニウム粉末とを用いて、表３の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３８を製造した。
【００８５】（５）供試材３９〜４６供試材３９〜４６は、供試材４、１０、１４、１７、１８に含まれる酸素量を積極的に変化させたものである。
a.供試材３９、４０供試材３９、４０は、供試材４の酸素量を増加させたものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とを用いて、表４の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材３９、４０を製造した。
b.供試材４１、４２供試材４１、４２は、供試材１０の酸素量を増加させたものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とを用いて、表４の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４１、４２を製造した。
【００８６】c.供試材４３、４４供試材４３、４４は、供試材１４の酸素量を増加させたものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表４の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４３、４４を製造した。
d.供試材４５供試材４５は、供試材１８の酸素量を増加させたものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表４の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４５を製造した。
【００８７】e.供試材４６供試材４６は、供試材１７の酸素量を増加させたものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表４の組成割合となるようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４６を製造した。
【００８８】（６）供試材４７〜５４供試材４７〜５４は、供試材１０、１６、１７、１８に炭素、窒素、ホウ素をさらに配合したものである。
a.供試材４７、４８供試材４７、４８は、供試材１８に炭素を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末とＴｉＣ粉末（−＃３２５）を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４７、４８を製造した。
b.供試材４９供試材４９は、供試材１６に炭素を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とＴｉＣ粉末を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材４９を製造した。
【００８９】c.供試材５０、５１供試材５０、５１は、供試材１７に窒素を添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とＴｉN粉末（−＃３２５）を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材５０、５１を製造した。
d.供試材５２供試材５２は、供試材１７にボロンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とＴｉＢ２粉末（−＃３２５）を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材５２を製造した。
【００９０】e.供試材５３供試材５３は、供試材１６にボロンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とＴｉＢ２粉末を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材５３を製造した。
f.供試材５４供試材５４は、供試材１０にボロンを添加したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とＴｉＢ２粉末を用いて、表４の組成割合となうようにした。これ以降は、供試材１と同様にして供試材５４を製造した。
【００９１】（７）供試材５５〜７６供試材５５〜７４は、供試材２、７、１４、１５、１６、１７、１８、２２、２６、３２、５３にさらに冷間加工を施したものである。
a.供試材５５供試材５５は、供試材２に冷間加工を施したものである。原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、バナジウムブリケットを準備した。これらの原料を表５Ａの組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。この原料を、インダクションスカルを用いて溶解し（溶解工程）、金型に鋳造後（鋳造工程）、φ６０ｘ６０の溶解材を得た。なお、溶解は、均質化を図るため５回の再溶解処理を行った。この溶解材を７００〜１１５０℃の大気中で熱間鍛造して（熱間加工工程）、φ２０ｍｍの丸棒とした。このφ２０ｍｍの丸棒を冷間スウエージ機にて冷間加工して、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材５５を製造した。
【００９２】b.供試材５６供試材５６は、供試材７に冷間加工を施したものである。原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、タンタルブリケットを準備した。これらの原料を表５Ａの組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。これ以降は、供試材５５と同様にして、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材５６を製造した。
c.供試材５７、５８供試材５７、５８は、供試材１５に冷間加工を施したものである。原料として、スポンジチタン、高純度のニオブ、タンタル、、ジルコニウムブリケットを準備した。これらの原料を表５Ａの組成割合となるように１ｋｇ配合した（配合工程）。これ以降は、供試材５５と同様にして、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材５７、５８を製造した。
【００９３】d.供試材５９〜６２供試材５９〜６２は、供試材１４に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表５Ａの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ４０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とした（焼結工程）。さらに、この焼結体を７００〜１１５０℃の大気中で熱間鍛造して（熱間加工工程）、φ２０ｍｍの丸棒とした。このφ２０ｍｍの丸棒を冷間スウエージ機にて冷間加工して、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材５９〜６２を製造した。
【００９４】e.供試材６３〜６６供試材６３〜６６は、供試材１６に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表５Ａの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材を製造した。
f.供試材６７〜７０供試材６７〜７０は、供試材１８に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表５Ａの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ａに示す冷間加工率をもつ供試材を製造した。
【００９５】g.供試材７１〜７３供試材７１は、供試材５３に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とＴｉＢ２粉末を用いて、表５Ｂの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ｂに示す冷間加工率をもつ供試材を製造した。
h.供試材７４供試材７４は、供試材１７に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用いて、表５Ｂの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ｂに示す冷間加工率をもつ供試材７４を製造した。
【００９６】i.供試材７５供試材７５は、供試材２２冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ハフニウム粉末とを用いて、表５Ｂの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ｂに示す冷間加工率をもつ供試材７５を製造した。
j.供試材７６供試材７６は、供試材２６に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、マンガン粉末とを用いて、表５Ｂの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ｂに示す冷間加工率をもつ供試材７６を製造した。
【００９７】k.供試材７７供試材７７は、供試材３２に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末、アルミニウム粉末とを用いて、表５Ｂの組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。これ以降は、供試材５９と同様にして、表５Ｂに示す冷間加工率をもつ供試材を製造した。
【００９８】（８）供試材７８〜８１供試材７８〜８１は、ＣＩＰ成形の成形圧力を前述の各供試材よりも低減して焼結体中の空孔率を上昇させたものである。
a.供試材７８、７９供試材７８、７９は、供試材８と同組成を有するものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とを用意した。なお、この時の含有酸素量はチタン粉末に含まれる酸素で調整した。 これらの各粉末を表６の組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を供試材７８は圧力３．８ｔｏｎ／ｃｍ２で、供試材７９は圧力３．５ｔｏｎ／ｃｍ２ＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ１０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5 ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とし（焼結工程）、これを供試材７８、７９とした。なお、この時の空孔率を算出すると、供試材７８は２％、供試材７９では５％であった。
【００９９】b.供試材８０供試材８０は、供試材１８と同組成を有するものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ジルコニウム粉末とを用意した。 これらの各粉末を表６の組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を圧力３．０ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ１０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とし（焼結工程）、これを供試材８０とした。なお、この時の空孔率を算出すると１０％であった。
【０１００】c.供試材８１供試材８１は、供試材１６と同組成を有するものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末とを用意した。なお、この時の含有酸素量はチタン粉末に含まれる酸素で調整した。 これらの各粉末を表６の組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を圧力２．５ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ１０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させて焼結体とし（焼結工程）、これを供試材８１とした。なお、この時の空孔率を算出すると２５％であった。
【０１０１】（９）供試材８２〜８４供試材８２〜８３は、ＨＩＰ法を用いてチタン合金を製造したものである。
a.供試材８２原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末と、タンタル粉末とを用いて、表６の組成割合となるように配合した混合粉末を、純チタン製容器に充填し、１．３Ｐａ（１ｘ１０-2ｔｏｒｒ）で脱気後封入した（充填工程）。混合粉末を封入した容器を１０００℃ｘ２００ＭＰａの条件で２時間保持して、ＨＩＰ法により焼結させた（焼結工程）。こうして得られたφ２０ｘ８０ｍｍを供試材８２とした。
【０１０２】b.供試材８３供試材８２として得られたφ２０ｍｍの丸棒を冷間スウエージ機にて冷間加工して、表６に示す冷間加工率をもつ供試材８３を製造した。
c.供試材８４供試材８４は、供試材７８に冷間加工を施したものである。原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、タンタル粉末とを用いて、表６の組成割合となるように配合および混合した（混合工程）。この混合粉末を圧力３．８ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ２０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た（成形工程）。成形工程により得られた成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とした（焼結工程）。このφ２０ｍｍの焼結体を冷間スウエージ機にて冷間加工して、表６に示す冷間加工率をもつ供試材８４を製造した。
【０１０３】Ｂ．供試材Ｃ１〜Ｃ５と供試材Ｄ１〜Ｄ３次に、前述の組成範囲に属さない組成を有するか又は前述の製造方法と異なる方法によって得られた、供試材Ｃ１〜Ｃ５と供試材Ｄ１〜Ｄ３を製造した。
（１）供試材Ｃ１〜Ｃ５a.供試材Ｃ１は、Ｖａ族元素が３０質量％未満であるチタン合金に関するものである。原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末とを用意した。この時の含有酸素量はチタン粉末に含まれる酸素で調整した。 これらの各粉末を表７の組成割合となるように配合および混合した。こうして得られた混合粉末を圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２でＣＩＰ成形（冷間静水圧成形）して、φ４０ｘ８０ｍｍの円柱形状の成形体を得た。この成形体を１．３ｘ１０-3Ｐａ（１ｘ１０-5ｔｏｒｒ）の真空中で１３００℃ｘ１６時間加熱して焼結させ、焼結体とした。さらに、この焼結体を７００〜１１５０℃の大気中で熱間鍛造してφ１０ｍｍの丸棒とし、これを供試材Ｃ１とした。
【０１０４】b.供試材Ｃ２供試材Ｃ２は、Ｖａ族元素が６０質量％を超えるチタン合金に関するものである。原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末と、バナジウム粉末と、タンタル粉末とを用いて、表７の組成割合となるように配合した。これ以降は、供試材Ｃ１と同様にして供試材Ｃ２を製造した。
c.供試材Ｃ３供試材Ｃ３は、アルミニウムが５質量％を超えるチタン合金に関するものである。原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末、タンタル粉末、ジルコニウム粉末およびアルミニウム粉末とを用いて、表７の組成割合となるように配合した。これ以降は、供試材Ｃ１と同様にして供試材Ｃ３を製造した。
【０１０５】d.供試材Ｃ４供試材Ｃ４は、酸素が０．６質量％を超えるチタン合金に関するものである。原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末と、タンタル粉末とを用いて、表７の組成割合となるように配合した。なお、含有酸素量はチタン粉末に含まれる酸素量で調整した。これ以降は、供試材Ｃ１と同様にして供試材Ｃ４を製造した。
e.供試材Ｃ５供試材Ｃ５は、ホウ素が１．０質量％を超えるチタン合金に関するものである。原料粉末として、チタン粉末と、ニオブ粉末と、タンタル粉末と、ＴｉＢ２粉末とを用いて、表７の組成割合となるように配合した。これ以降は、供試材Ｃ１と同様にして供試材Ｃ５を製造した。
【０１０６】（２）供試材Ｄ１〜Ｄ３供試材Ｄ１〜Ｄ３は、いわゆる溶解法により製造したものである。
a.供試材Ｄ１原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末、ハフニウム粉末、錫粉末とを用意し、表７に示す成分組成のチタン合金をボタン溶解で溶製した。これにより得られたインゴットを９５０〜１０５０℃の大気中で熱間鍛造し、φ１０ｘ５０ｍｍの丸棒とした。
b.供試材Ｄ２原料粉末として、チタン粉末とバナジウム粉末およびアルミニウム粉末とを用いて、表７の組成割合になるように配合した。これ以降は、供試材Ｄ１と同様にして供試材Ｄ２を製造した。
【０１０７】c.供試材Ｄ３原料粉末として、チタン粉末とニオブ粉末およびジルコニウム粉末とを用いて、表７の組成割合になるように配合した。これ以降は、供試材Ｄ１と同様にして供試材Ｄ３を製造した。
【０１０８】（各供試材の特性）上述した各供試材について、種々の特性値を以下に示す方法で求めた。
a.平均ヤング率、引張弾性限強度、弾性変形能及び引張強度各供試材について、インストロン試験機を用いて引張試験を行い、荷重と伸びとを測定して、応力−伸び（歪み）線図を求めた。インストロン試験機とは、インストロン（メーカ名）製の万能引張試験機であり、駆動方式は電気モータ制御式である。伸びは試験片の側面に貼り付けたひずみゲージの出力から測定した。平均ヤング率と引張弾性限強度と引張強度とは、その応力−伸び（歪み）線図に基づいて、前述した方法により求めた。また、弾性変形能は、引張弾性限強度に対応する伸びを応力−伸び（歪み）線図から求めた。
【０１０９】b.その他空孔率は前述した空孔の体積％を意味し、冷間加工率は前述の式から求めた冷間加工率を意味する。これらの結果を表１〜表７に併せて示した。
【０１１０】
【表１】
【０１１１】
【表２】
【０１１２】
【表３】
【０１１３】
【表４】
【０１１４】
【表５】
【０１１５】
【表６】
【０１１６】
【表７】
【０１１７】（各供試材の評価）
a.平均ヤング率と引張弾性限強度について供試材１〜１３は、全て、３０〜６０質量％のＶａ族元素を含有し、平均ヤング率が７５ＧＰａ以下で引張弾性限強度が７００ＭＰａ以上である。従って、十分な低ヤング率と高強度（高弾性）とが達成されていることが解る。一方、Ｖａ族元素の含有量が３０質量％未満の供試材Ｃ１および供試材Ｄ１〜Ｄ３またはＶａ族元素の含有量が６０％を超える供試材Ｃ２では、いずれも、平均ヤング率が７５ＧＰａを超え、低ヤング率が達成されていない。次に、所定量のＶａ族元素にＺｒ、Ｈｆ、またはＳｃを含有させた供試材１４〜２４は、供試材６〜１２と比較すれば明らかなように、いずれの場合もより低ヤング率化と高強度（高弾性）化とが図られている。
【０１１８】さらにＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎを含有させた供試材２５〜３８は、これらの元素を含有しない他の供試材に比べて、低ヤング率を達成しつつ、引張弾性限強度が向上している。従って、これらの元素は、本発明に係るチタン合金の高強度（高弾性）化に有効であることが解る。ただし、供試材Ｃ３等からも解るように、Ａｌの含有量が５質量％超えると、引張弾性限強度が向上するものの、平均ヤング率の上昇も招いている。低ヤング率で高強度（高弾性）であるためには、Ａｌの含有量が５％以下であることが好ましいことが解る。また、酸素が比較的多く含有される供試材３９〜４６から、酸素は低ヤング率と高強度（高弾性）を図る上で有効な元素であることが解る。また、供試材４７〜５１から、炭素、窒素についても同様に、低ヤング率と高強度（高弾性）を図る上で有効な元素であることが解る。また、供試材５２〜５４から、ホウ素も、低ヤング率と高強度（高弾性）を図る上で有効な元素であることが解る。しかも、供試材７１〜７３から、適量のホウ素の添加により、冷間加工性が害されることもない。
【０１１９】b.弾性変形能供試材１〜８４は、いずれも弾性変形能が１．３以上であり、供試材Ｃ１〜Ｃ５およびＤ１〜Ｄ３（弾性変形能は１．０以下）に対して、優れた高弾性変形能を有することが解る。
c.冷間加工率について冷間加工を施してた供試材５５〜７７から、概して、冷間加工率が高くなる程、平均ヤング率が低下し、引張弾性限強度が上昇する傾向にあることが解る。チタン合金の低ヤング率化と高弾性変形能化、かつ高強度（高弾性）化とを両立する上で、冷間加工が有効であることが解る。
【０１２０】d.空孔率について供試材７８〜８１から、３０質量％以下の空孔が存在しても、低ヤング率と共に高強度（高弾性）が得られていることが解る。そして、空孔率がより大きい供試材８０、８１では、密度の低下により、比強度の向上が図られる。
e.焼結法と溶解法について供試材１〜８４の中で焼結法により製造した供試材と、溶解法で製造した供試材Ｄ１〜Ｄ３とを比較すると、焼結法により、低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度（高弾性）のチタン合金を得やすいことが解る。一方、供試材Ｄ１〜Ｄ３のように、溶解法により得られたチタン合金では、低ヤング率と高強度（高弾性）とを両立させることは難しい。但し、このことは、供試材２、７等からも解るように、溶解法にて製造されたチタン合金を本発明から除外することを意味するものではない。
【０１２１】
【発明の効果】以上、述べてきたように、本発明のチタン合金製ボルトは、低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度（高弾性）を必要とするボルトに幅広く利用でき、また、冷間加工性にも優れるため、その生産性の向上をも図れる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３６０９
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【住所又は居所】愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道４１番地の１
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| 【出願日】 |
平成１２年６月９日（２０００．６．９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８１７７６
【弁理士】
【氏名又は名称】大川 宏
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| 【公開番号】 |
特開２００３−３２２５（Ｐ２００３−３２２５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年１月８日（２００３．１．８） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１８１０２２（Ｐ２００２−１８１０２２） |
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