JP2007332399A

JP2007332399A - チタン合金の製造方法

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Publication number: JP2007332399A
Application number: JP2006162888A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tada; 修多田; Kenji Suzuki; 謙史鈴木; Takeshi Shinraki; 健新良貴
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-12
Also published as: JP4889379B2

Abstract

【課題】金属の電子ビーム溶解において、酸化チタンや酸化鉄のような粉状の酸化物原料とスポンジチタンのような顆粒状原料を歩留まりよく、また再現性よく、電子ビーム溶解炉に供給する技術を提供する。
【解決手段】チタン材の中心部に合金成分を配置して合金ブリケットを成形し、上記合金ブリケットを溶解原料に用い、電子ビーム溶解によりチタン合金インゴットを溶製する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム溶解によるチタン合金の製造方法であって、とりわけ粉状の合金成分と顆粒状のチタン材を溶解原料とするチタン合金の製造方法に関するものである。

金属チタンは、従来、航空機に多く用いられてきたが、近年、用途開発が進み、建材や道路、あるいはスポーツ用品等に広く用いられている。このような金属チタンは、クロール法で製造されたスポンジチタンを破砕整粒後、加圧成形されたブリケットを組み合わせて電極とし、これを真空アーク溶解することにより製造されている。

しかしながら、近年では、精製効果が高く、また適用原料幅の広い電子ビーム溶解炉が脚光を浴びている。電子ビーム溶解炉の中でも、ハースを用いた電子ビーム溶解炉は、ＨＤＩやＬＤＩと呼ばれる介在物の分離性に優れているので、スクラップや戻り材を原料に使用して航空機グレードのチタンインゴットを製造する場合に特に好適に用いられている。

電子ビーム溶解炉には、スポンジチタンのような顆粒状原料、スポンジチタンをプレス成型して固めたブリケット、あるいは、これらのスポンジチタンとブリケットとを組み合わせて構成した棒状原料等、種々の形態の原料を用いることができる。また、上記の純チタン原料以外にも、合金インゴットを製造する場合には、予め顆粒状の母合金とスポンジチタンを混合した原料を電子ビーム溶解炉に供給する方法が知られている。

しかしながら、合金成分が酸素や鉄の場合には、粉状の酸化チタンや酸化鉄を顆粒状のスポンジチタンやスクラップと予め混合した原料が用いられるが、このような原料を電子ビーム溶解炉に供給する際には、原料供給装置に酸化チタンや酸化鉄の一部が残留し、設計値どおりの組成を有する合金を製造することが困難な場合がある。

この点についての歩留まりについては、予め歩留まりを考慮して設計値よりも多めの原料を配合しておくことで対応できるが、再現性や精度については制御が困難であり改善が求められていた。

このような課題に対しては、ソーダガラス中に懸濁させた粉状合金原料を表面に塗布した顆粒状のスポンジチタン原料を準備することで、歩留まりよく電子ビーム溶解炉に溶解原料を供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、上記した有機溶媒に懸濁させた粉状原料と顆粒状のスポンジチタンを混練してブリケットに成型することで、歩留まりよく電子ビーム溶解炉に供給することができる技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、これらの技術では、原料以外の第三成分を添加することになるので、純度の高い合金インゴットの製造には必ずしも有効な方法とは言い難い。

一方、表面に酸化チタン粉をまぶした顆粒状のスポンジチタンを真空中で高温に加熱して、表面の酸化チタンをスポンジチタンに焼結させることにより、粉状の合金成分をスポンジチタンに効率よく配合するという技術も知られている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、この方法は、設備と時間の点で自由度に制約があるために必ずしも有効ではない場合があり別の方法が望まれている。

この問題点に対しては、スポンジチタンのような顆粒状金属原料と合金金属粉を混合して構成したブリケットを電子ビーム溶解炉あるいはＶＡＲ溶解炉に供給する技術が知られている（例えば、特許文献４参照。）。しかしながら、上記したスポンジチタンのような顆粒状金属原料と酸化チタンあるいは酸化鉄のような粉状の酸化物原料を混合する場合には、ブリケットの成型性や強度の点で改善が求められていた。

また、合金金属粉の歩留まりの点からは、粉状の合金金属粉をペレットに加工し、これと顆粒状のスポンジチタンを混合して電子ビーム溶解炉に供給する方法が好ましい態様ではある。しかしながら、両者を真の意味で均一に混合することは困難であり、また、経時的に両者の比を精度よく一定に保持しつつ溶解炉に供給することもまた困難であり、これらの原料を用いて溶製されるインゴット中の合金組成のバラツキが厳しく規定されている場合には、この方法も十分ではない。

特開平０１−１５６４３４号公報特開平０１−１５６４３６号公報特開２００１−２７９３４５号公報特開２００５−２９８８５５号公報

本発明は、金属の電子ビーム溶解において、酸化チタンや酸化鉄のような粉状の酸化物原料とスポンジチタンのような顆粒状原料を歩留まりよく、また再現性よく、電子ビーム溶解炉に供給する技術を提供することを目的としている。

かかる実情に鑑みて上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、顆粒状の合金成分をチタン材の中心部に配置したブリケットを合金原料とすることにより、歩留まりよく、また再現性よく溶解原料を電子ビーム溶解炉に供給できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のチタン合金の製造方法は、チタン材の中心部に合金成分を配置して合金ブリケットを成形し、上記合金ブリケットを溶解原料に用い、電子ビーム溶解により合金チタンインゴットを溶製することを特徴としている。

また、本発明においては、合金成分が粉体であることが好ましく、また、この粉体を塊状又はペレット状にした態様がさらに好ましい。さらに、本発明におけるチタン材は、顆粒状のスポンジチタン又はチタンスクラップであることが好ましい。

本発明のチタン合金の製造方法によれば、チタン材の中心部に合金成分を配置した合金ブリケットを用いることで、合金成分を歩留まりよく、また、再現性よく電子ビーム溶解炉に供給することができるという効果を奏する。その結果、目標組成に近い合金を再現性よく、また、組成の均一なチタン合金インゴットを溶製できるという効果を奏する。

本発明のチタン合金の製造方法は、チタン材の中心部に合金成分を配置して合金ブリケットを成形し、上記合金ブリケットを溶解原料に用い、電子ビーム溶解によりチタン合金インゴットを溶製するものであるが、まず、本発明のチタン合金の製造方法に用いられるチタン材及び合金成分について説明する。

本発明に用いられるチタン材は、顆粒状であることが好ましく、具体的には、スポンジチタンが好ましい。スポンジチタンは適度な気孔を有しているので、粉状の合金成分をスポンジチタンの中心部に保持したブリケットを構成するには好適である。なお、本発明においては、上記のスポンジチタンに代えて、切粉やチップ等のチタンスクラップを顆粒状に加工した原料を用いることもできる。

また、スポンジチタンのサイズは、上記したブリケットの大きさにもよるが、５〜２０ｍｍの範囲に破砕・整粒しておくことが好ましい。このような大きさに整粒しておくことで、粉状の合金成分を中心部に保持したブリケットの強度を適切に維持することができる。

さらに、スポンジチタンの品質は、溶製されるインゴットの要求特性に応じて適宜選択することができる。例えば、航空機用の合金インゴットを溶製する場合には、いわゆるＣＰグレードのスポンジチタンを用いることが好ましい。一方、ターゲット用のチタンインゴットを溶製する場合には、スポンジチタンの中でも純度の高い高純度スポンジチタンを用いることが好ましい。

ただし、ターゲット用のチタンインゴットを溶製する場合に用いる高純度スポンジチタンを上記した粒度範囲に破砕整粒する際には、その雰囲気中の水分の絶対量を制御しておくことが好ましく、具体的には、３〜５ｇ／ｍ^３の範囲に維持しておくことが好ましい。このような範囲に破砕整粒中の雰囲気の水分量を規定しておくことで、破砕・整粒後のスポンジチタンに吸着される水分量を抑制することができ、その結果、溶製されるインゴット中の酸素上昇を効果的に抑制できるという効果を奏する。

また、本発明に用いられる合金成分は、粉体であることが好ましく、この粉体を塊状又はペレット状に加工して用いることがさらに好ましい。本発明に用いられる合金成分としては、酸化チタン、酸化鉄又は鉄を好適に用いることができる。

前記酸化チタンを本発明に用いる場合には、酸化チタンの純度は、溶製するインゴットの純度に応じて適宜選択すればよい。酸化チタンの純度は、９９．９〜９９．９９９％の品種が準備されており、この中から目的に応じて適宜選択することができる。しかしながら、スポンジチタン中の酸素のバラツキも考慮するとできる限り純度の高いものを用いることが好ましく、９９．９９％以上の純度を有する酸化チタンを用いることが好ましい。

本発明に用いる酸化チタンの粒度は、５〜３０ｍ^２／ｇの範囲にあることが好ましい。このような粒度範囲にある酸化チタンを用いることで、電子ビーム溶解炉内のハースに供給された場合の溶湯外への飛散ロス効果的に抑制することができる。

また、本発明においては、上記の酸化チタンをペレット状にして上記のスポンジチタンの中心部に配置することが好ましい。この際には粉状の酸化チタンを造粒装置を用いることでペレット状に加工することができる。そのため、このような場合の酸化チタンの粒度は、ペレットの構成に好適な粒度範囲であることが好ましく、具体的には、１０〜２０ｍ^２／ｇであることが好ましい。

成型後のペレットの大きさは、ブリケットの大きさと溶製される合金組成によって決まってくるが、少なくとも、ハース内に供給された際に、速やかに溶湯中に沈降するような大きさに加工しておくことが好ましく、具体的には、１０〜５０ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくは２０〜３０ｍｍの範囲がよい。

また、本発明においては、溶製されるインゴット中の鉄と酸素が規定されている場合には、酸化鉄を合金成分として用いることができる。酸化鉄は、周知のように、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、あるいはＦｅＯのような化合物形態が存在するので、溶解原料に用いる前に、予め酸化鉄中の化合物成分を分析しておくことが好ましい。原料中の酸化鉄に、Ｆｅ_２Ｏ_３以外の酸化鉄が多量に含まれている場合には、上記酸化鉄を大気中あるいは酸化性雰囲気中にて、５００〜６００℃程度で大気中にて焙焼することにより、酸化物の形態をＦｅ_２Ｏ_３に統一することができる。その結果、溶製される合金中の酸素および鉄の組成を精度よく制御することができる。

本発明に用いる酸化鉄の粒度は、１〜５ｍｍの範囲に整粒しておくことが好ましい。このような範囲に調整しておくことで、ハース内に供給された場合の飛散ロスを効果的に抑制することができる。

一方、粉状の酸化鉄を上記したようなペレット状に加工して用いる場合には、５０〜１５０μｍの範囲に予め調整しておくことが好ましい。このような粒度範囲に調整しておくことで、上記したペレットへの加工が容易でしかも成型されたペレットの強度を適切に維持することができる。また、ペレットの大きさは、上記したようにハース内の溶湯に沈降しやすい２０〜５０ｍｍの大きさに構成しておくことが好ましい。

なお、溶製される合金組成によっては、酸化チタン粉と酸化鉄を一緒に用いることもできる。その際には、両者の原料粉を予め混合してき、上記混合粉あるいは混合粉をペレットあるいは塊状に成型して、スポンジチタンの中心部に配置してもよい。

次に、本発明のチタン合金の製造方法について図面を用いて説明する。図１は、本発明における合金ブリケットの製造方法を示した模式図である。まず、（Ａ）に示すように、プレス型１の中に、顆粒状のスポンジチタン２を、ブリケット重量の約半分を装入する。次いで、（Ｂ）に示すように、所定の密度になるまでプレス成型する。プレス成型されたブリケット３の密度は、１．０〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲に維持することが好ましい。ブリケットの密度が上記の下限未満では、原料供給中あるいは原料供給装置内で型崩れを起こし好ましくない。一方、上記した上限を超えた場合には、スポンジチタン中に微量に残留する塩化マグネシウムやマグネシウムの揮発分離が妨げられて好ましくない。

次に、（Ｃ）に示すように、上記の約半分のスポンジチタンで構成されたブリケットの中心部に、合金原料配置用の凹部４を設ける。このような凹部を設けることで粉状の合金原料粉を確実に装入することができる。その後、（Ｄ）に示すように、粉状の合金原料粉５を上記の凹部４に挿入し、次いで、その上から残りの半分のスポンジチタン６を装入する。続いて、（Ｅ）に示すように、所定の密度までプレス成型することにより、中心部に合金粉を配置したブリケット７を構成することができる。

上記したように、構成されたブリケットの大きさは、５０〜１００ｍｍの範囲に規定しておくことが好ましい。このような大きさに構成しておくことでアルキメデス缶のような回転式原料供給装置から電子ビーム溶解炉内に円滑に上記ブリケット原料を供給することができる。

なお、上記した合金原料をブリケットの中心部に配置する場合に、図２に示すように予め合金粉８をペレット状に加工しておいてもよい。このような塊状の合金粉を中心部に装入しておくことにより、電子ビーム溶解炉内のハースに供給された上記ブリケットが溶解されて中心部の合金粉が露出した場合にも、そこに照射される電子ビームあるいは熱対流により上方に飛散・散逸する現象を効果的に抑制することができる。

以下の実施例によって、本発明をさらに詳細に説明する。
＜実施例１＞
プレス型の中に、ブリケット重量の約半分の、純度：９９．９％、粒度：１／２インチ〜２０メッシュ、嵩密度：１．１〜１．３ｇ／ｃｍ^３のスポンジチタンを装入し、嵩密度：３〜３．５ｇ／ｃｍ^３になるまでプレス成型し、このプレス成型されたブリケットの中心部に、合金原料配置用の凹部を設けた。

次に、純度：９９．９９％、粒度：１〜３μｍ、嵩密度：０．３ｇ／ｃｍ^３の酸化チタン（東邦チタニウム（株）製）と、純度：９７．５％、粒度：７５μｍ、嵩密度：１．４ｇ／ｃｍ^３の酸化鉄とを９：５の割合で混合した合金原料を、製造する球状ブリケットにおける酸化チタン、酸化鉄及びスポンジチタンの重量比が、０．０９：０．０５：９９．８６となるように、この合金原料を上記の凹部に挿入し、次いで、その上から残りの半分のスポンジチタンを装入し、嵩密度：３〜３．５ｇ／ｃｍ^３になるまでプレス成型し、サイズ：７０ｍｍの、中心部に合金粉を配置した直径７０ｍｍの球状ブリケットを製造した。

そして、原料供給装置：アルキメデス缶（横型回転式供給装置）を備えた、鋳型サイズ：６７５×１３７０ｍｍの溶解装置の溶解炉：ハース式電子ビーム溶解炉内に、上記のようにして得られた球状のブリケットを供給し、溶解電力：１５５０〜１６２０ＫＷ及び真空度：２×１０^−３〜４×１０^−３Ｔｏｒｒ（０．２７〜０．５４Ｐａ）の溶解条件により、長さ２ｍのチタン合金インゴットを溶製した。なお、このチタン合金インゴットについては、同条件において２回溶製し、１回目のインゴットをＡ、２回目のインゴットをＢとした。

その後、このようにして溶製されたチタン合金インゴット中の酸素及び鉄の分布を測定し、その結果をそれぞれ表１及び２に示した。

＜実施例２＞
ブリケットの中心部に内包する合金成分を、ペレットに加工して合金ブリケットの中心部に配置した以外は、実施例１と同じ条件でチタン合金インゴットを溶製した。このチタン合金インゴットにおける酸素及び鉄の分布についても測定し、その結果を表１及び２に示した。

＜比較例１＞
実施例１において、酸化チタンと酸化鉄を混合した粉とスポンジチタンを溶解原料とした以外は、実施例１と同じ条件でチタン合金インゴットを溶製した。このチタン合金インゴットにおける酸素及び鉄の分布についても測定し、その結果を表１及び２に示した。

表１及び２から明らかなように、実施例１及び２の条件で溶製されたチタン合金インゴット中の鉄および酸素の長手方向の標準偏差は、０〜０．００４％の範囲にあり組成が均一なチタンインゴットを溶製できることが確認された。また、鉄および酸素の目標値からのずれは、２％以内にあり合金元素が歩留まりよく供給されていることも確認された。

本発明における合金ブリケットの製造方法の一例を示した模式図である。本発明における合金ブリケットの製造方法の他の一例を示した模式図である。

符号の説明

１…プレス型、２，６…顆粒状のスポンジチタン、
３，７…プレス成型されたブリケット、４…合金原料配置用凹部、５…合金原料、
８…ペレット状の合金原料。

Claims

チタン材の中心部に合金成分を配置して合金ブリケットを成形し、上記合金ブリケットを溶解原料に用い、電子ビーム溶解によりチタン合金インゴットを溶製することを特徴とするチタン合金の製造方法。
前記チタン材の中心部に配置した合金成分が、粉体であることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の製造方法。
前記チタン材の中心部に配置した合金成分が、塊状又はペレット状であることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の製造方法。
前記チタン材の中心部に配置した合金成分が、酸化チタン、酸化鉄又は鉄であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタン合金の製造方法。
前記チタン材が、顆粒状のスポンジチタン又はチタンスクラップであることを特徴とする請求項４に記載のチタン合金の製造方法。