JP2009127083A - チタン合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】純チタンをベースに窒素あるいは酸素含有率を独立に高めたチタン合金の製造方法であって、チタン合金中の窒素および酸素の含有率を効率よく高めることができるチタン合金の製造方法を提供する。
【解決手段】真空アーク溶解によるチタン合金の製造方法であって、窒化物と酸化物の少なくとも一方からなる合金添加剤を焼成し、合金添加剤とチタン材とから構成された混合原料を成型してブリケットにし、ブリケットで構成した電極を真空アーク溶解することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン合金の製造方法に関し、とりわけ、純チタンをベースに窒素および酸素の含有率を高めたチタン合金を効率よく製造する方法に関する。

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、建材や道路といった構造材、あるいはスポーツ用品等に広く用いられている。

前記金属チタンのうち、構造材に使用されるチタン材は、その強度を維持する意味から、アルミニウム、バナジウム、鉄あるいはモリブデン等の元素が純チタン材に添加されたチタン合金がその大半を占めている。しかしながら、チタン合金に添加される合金元素は高価であり、また、その溶製方法あるいは溶製されたインゴットの加工および熱処理工程に工夫が盛り込まれているため、必然的にその価格も高価にならざるを得ない状況にある。

このような点に鑑み、強度や靭性を一定のレベルに維持しつつも、安価なチタン合金の製法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。前記チタン合金は、純チタンをベースに窒素、酸素および鉄を意図的に高めたものである。

前記の合金は、酸素あるいは窒素含有率の高いスポンジチタン（以降、「低級スポンジチタン」という場合がある。）を合金原料として利用されているが、窒素あるいは酸素を独立に制御する場合には、必ずしも有効ではなく改善が求められている。

さらに、最近では、チタンスクラップを原料として前記のような酸素や窒素を高めた合金の開発も進んでおり、これらのチタン合金の需要に見合った酸素源や窒素源を前記低級スポンジチタン以外から探索していくことが重要になってきている。

このような観点から、フェロ窒化クロムや窒化マンガンを窒素源に用いた６Ａｌ−４Ｖ系の改良型チタン合金（例えば、特許文献２参照）や、窒化アルミニウムを添加したＴｉ−Ａｌ合金（例えば、特許文献３参照）が開示されている。

しかしながら、窒化アルミニウムは粉末の形で提供されている場合が多く、粉末状の窒化アルミニウムは吸湿性が高いために、最終製品のチタン合金インゴットの酸素含有量が水分によって変動してしまうという問題があり、このような窒化アルミニウムは乾燥空気中あるいはアルゴンガス雰囲気下で迅速に取り扱う必要があり作業性の点で改善の余地が残されていた。

一方、チタン合金の酸素源として用いられる酸化チタンについても、微粉であることが多く、チタン材に添加する際の取り扱いを容易にするための工夫が求められており改善が求められていた。

このように、純チタンをベースに、他成分は変動させず、窒素あるいは酸素を独立に、に高めたチタン合金の効率的な製法が求められている。
特開平０１−２５２７４７号公報 特開平０６−１０８１８７号公報 特開平０５−１４０６７０号公報

本発明は、純チタンをベースに窒素あるいは酸素含有率を独立に高めたチタン合金の製造方法であって、前記チタン合金中の窒素および酸素の含有率を効率よく高めることができるチタン合金の製造方法の提供を目的としている。

かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、窒化アルミニウムと酸化チタンから構成された合金添加剤とチタン材を均一に混合した後、プレス成型して電極を構成した後、真空アーク溶解することで、酸素および窒素を高めたチタン合金を効率よく製造することができることを見出し、本願発明を完成するに至った。

即ち、本願発明は、真空アーク溶解によるチタン合金の製造方法であって、窒化物と酸化物の少なくとも一方からなる合金添加剤を焼成し、合金添加剤とチタン材とから構成された混合原料を成型してブリケットにし、ブリケットで構成した電極を真空アーク溶解することを特徴としている。

本発明においては、合金添加剤をブリケットの中心に配置することもでき、また、合金添加剤とチタン材を均一混合してブリケットを構成することもできる。合金添加剤は、窒化アルミニウムと酸化チタンから構成された顆粒状原料であることを好ましい態様とするものである。

また、本発明では、上記顆粒状原料は、粉末状窒化アルミニウムと粉末状酸化チタンを混合した後、大気中にて焼結し、次いで、破砕・整粒されて製造されたものであることを好ましい態様としている。

また、顆粒状合金添加剤の粒度を０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍ、前記チタン材の粒度を２０メッシュ〜１／２インチの範囲とすることを好ましい態様としている。

さらに、本願発明は、前記の方法で製造されたチタン合金中の窒素含有率が、０．００５％〜０．２％の範囲にあることを好ましい態様としている。

本発明によれば、窒素源として窒化物、特に窒化アルミニウムを、また、酸素源として酸化物、特に酸化チタンを適宜用いて、合金添加剤を構成した後、前記合金添加剤とチタン材を混合して溶解原料とし、これを真空アーク溶解することで、組成の均一なチタン合金を効率よく製造することができるという効果を奏するものである。

本発明の最良の実施形態について以下に説明する。本実施態様では、合金添加剤が、窒化物として窒化アルミニウム、酸化物として酸化チタンを使用する場合を例にとり以下に説明するが、窒化鉄を窒素源に用いた場合にも本願発明を好適に適用することができる。

図１に、本発明で実施する真空アーク溶解装置Ｍの模式図を示す。符号１は、真空アーク溶解装置の鋳型であり、鋳型１内底部には、インゴット２およびインゴット２が溶融してなる溶融プール８が形成されている。一方、天井部には、電極昇降装置３に接続されたスタブ４によって電極５が保持され、この電極５とインゴット２間に電圧を印加して電極５を溶解し、鋳型１下方に落下させて溶融プール８とする。この溶融プール８が冷却凝固して、目的のインゴット２を得る。

電極５は、目的のインゴット組成となるように選択した原料を固めたブリケットから構成されるが、本発明では、上述のようにこのブリケットとして窒化アルミニウムまたは酸化チタンの少なくとも一方からなる合金添加剤とチタン材を配合した混合原料を用いてブリケットを構成し、目的のチタン合金を得ることができる。以下、この原料についてさらに詳細に説明する。

本願発明に用いるチタン材は、いわゆるＣＰグレードチタンの製造に好適なスポンジチタンを用いることが好ましいが、前記スポンジチタンのみならず、純チタンであればその形態に制限はなく、チタン切粉や切断片等の純チタンスクラップを用いることもできる。

前記チタン材がスポンジチタンの場合には、その粒度を２０メッシュｍｍ〜１／２インチの粒度範囲に整粒しておくことが好ましい。ただし、市販のスポンジチタンを本願発明に用いる場合には、すでに前記の粒度範囲に調整されているので特別な粒度調整は不要である。

これに対して、チタン切粉や切断片等のチタンスクラップを用いる場合には、形状やサイズが様々であることが多いために、予め破砕整粒して、前記の粒度範囲に調整しておくことが好ましい。

本願発明で用いる合金添加剤は、窒化アルミニウムや窒化鉄を窒素源として、また、酸化チタンを酸素源として好適に用いることができる。また、チタン合金の酸素源としては酸化チタンを好適に用いることができる。

窒素源として用いる窒化鉄は、市販品として容易に入手することができ粉末状あるいは顆粒状の形態で入手することができる。市販で入手できる窒化鉄は、数μｍ程度の大きさであるので、粉末状の窒化鉄を用いる場合には、スポンジチタンと混合しやすいような大きさに造粒または焼結により顆粒状または塊状に加工しておくことが好ましい。その粒度は、０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲が好ましい。

造粒または塊状化には、有機系あるいは無機系のバインダーを配合して高温で加熱焼成した後、所定の大きさに破砕・整粒することにより製造することにより実現することができる。バインダーとしてはポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略称）等の有機物を好適に用いることができる。

一方、酸化チタンについてもその形状は粉末であることが多いので、前記したような方法で顆粒状に造粒しておくことが好ましい。

造粒としては、前記したＰＶＡ中に窒化アルミニウムあるいは酸化チタンの粉末を分散させてスラリーとした後噴霧乾燥し、次いで、脱灰・焼成することにより製造することができる。

前記の方法で製造された顆粒状の窒化アルミニウムあるいは酸化チタンを所定量ずつ配合して焼結させて塊状とした後、破砕整粒して塊状の合金添加剤に加工しておいてもよい。前記塊状のチタン合金添加剤の大きさは、０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲に整粒しておくことが好ましい。このような範囲に粒度を調整した合金添加剤とチタン材を用いることにより、組成の均一なチタン合金インゴットを製造することができるという効果を奏するものである。

本願発明に用いる合金添加剤の別の好ましい態様について述べる。
前記したように窒化アルミニウムおよび酸化チタンはμｍオーダーの粉末状である。よって、まずは両者を所定の比率で混合した後、ＰＶＡ等に分散させてスラリーとした後、噴霧乾燥して顆粒状の合金添加剤を製造することができる。

次いで得られた顆粒状の合金添加剤を脱灰後、焼結して、窒化アルミニウムおよび酸化チタンからなる顆粒状合金原料とすることができる。

一方、前記合金添加剤は、窒化アルミニウムが吸湿性を有している点を利用して、ＰＶＡなどの有機バインダーを用いることなく、吸収した水分をバインダーとして代用することによって造粒することもできる。即ち、粉末状窒化アルミニウムを大気中に放置して湿気を帯びたことを見計らって、所定量の酸化チタン粉末を添加した後、均一混練した後、ペレタイーザーにて造粒して、球状の合金添加剤を直接製造することができる。

造粒された球状の合金添加剤の大きさは、スポンジチタンの空隙と同じもしくはそれ以下の粒度に揃えてこくことが好ましく、具体的には、０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲に整粒しておくことが好ましい。

インゴットの溶製工程において合金添加剤中に水分が残留することは好ましくないので、上記のように吸湿した状態で造粒された球状の合金添加剤を脱水可能な温度域まで加熱することで、水分を含まない球状の合金添加剤を製造することができる。本願発明においては、前記脱水温度は、１００℃〜２５０℃の範囲から選択することが好ましい。

本願発明においては、前記した脱灰あるいは脱水雰囲気は、いずれも窒素ガス雰囲気で行うことが好ましい。特に、前記した窒化物が窒化アルミニウムの場合には、前記窒素ガス雰囲気の圧力は、前記加熱または焼成温度において発生する窒素ガスの蒸気圧以上の圧力に維持しておくことが好ましい。前記した圧力に焼成雰囲気を維持しておくことにより、加熱焼成中における窒化アルミニウムの熱分解による窒素分の減少、および、大気中からの水分吸収を効果的に抑制することができるという効果を奏する。

前記のような方法によって調整されたチタン材と合金添加剤を均一混合させた後、所定の大きさのブリケットに成型することが好ましい。また、その際、前記合金添加剤をブリケットの中心部に配置し、その周囲をチタン材で覆うようにブリケットを構成しても良い。このように、合金添加剤をブリケットの中心部に配置して周囲をチタン材で覆って大気から遮蔽することで、前記合金添加剤を構成する窒化チタンの吸湿を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。

前記した方法に従って製造されたブリケットを複数組み合わせて電極を構成した後、真空アーク溶解にて溶解することで、均一な組成のチタン合金を溶製することができる。また、前記の電極は、電子ビーム溶解炉にて溶解しても良い。

前記の方法で溶製された純チタンベースのチタン合金中の窒素は、０．００５％〜０．２％の範囲になるように原料の段階で調整しておくことが好ましい。前記の範囲に窒素および酸素含有率を調整しておくことで、靭性があり、かつ高い強度を有するチタン合金を溶製することができるという効果を奏するものである。

なお、本発明では、窒素源として窒化アルミニウム、酸素源として酸化チタンを用いることが好ましい態様とするものであるが、溶製される合金成分として鉄が許容される場合には、窒素源として窒化鉄、酸素源として酸化鉄を用いても良い。

このように、本願発明に係る条件にて溶解原料を電子ビーム溶解炉にて溶解することによりチタン材への目的外金属成分の移行を抑制しつつ、合金添加剤中の窒素および酸素をチタン材中に効果的に移行することができるという効果を奏するものである。

チタン材としてスポンジチタンを、また、合金添加剤として窒化アルミニウムおよび酸化チタンを用いてチタン合金を製造した例を以下に示す。

１．試験条件
１）溶解原料：
スポンジチタン（粒度：２０メッシュ〜１／２インチ）
窒化アルミニウム（粒度：０．００５〜０．０５ｍｍ）
酸化チタン（粒度：０．００５〜０．０５ｍｍ）
２）真空アーク溶解炉
出力：６００ｋＷ
鋳型径：７５０ｍｍ

２．試験結果
粉末状の窒化アルミニウムと酸化チタンを、重量比１：１にてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）に配合してスラリーとした後、噴霧乾燥により、粒度が０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの顆粒に加工した。次いで、前記顆粒状の窒化アルミニウムと酸化チタンを、窒素ガス雰囲気下にて、５００℃にて加熱して脱灰処理し顆粒状合金原料とした。

前記顆粒状原料を更に１０００℃に加熱して焼結させて破砕・整粒した後、粒度範囲が ０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍの塊状合金原料とした。

前記塊原料とスポンジチタンを均一に混合した後、加圧成型してブリケットに加工した後、溶接接合して溶解用電極を構成した。前記電極を、真空アーク溶解して、純チタンに対して窒素および酸素を高めたチタン合金を溶製することができた。溶製された窒素および酸素の含有率の一例は、０．０４％、０．２％であり、また、その組成は均一であった。

以上、本願発明に従って溶製されたチタン合金は、金属元素で強度を高めた合金に比べて安価であるにも拘わらず、前記の合金に匹敵する強度を有しているという効果を奏するものである。

本発明によれば、窒化アルミニウム等の窒化物を窒素源に、また、酸化チタン等の酸化物を酸素源として用いることにより、安価でしかも強度のある窒素および酸素含有チタン合金を溶製することができ、民生用のチタン材の用途に好適である。

本発明における真空アーク溶解装置の模式断面図である。

符号の説明

Ｍ 真空アーク溶解炉
１ 鋳型
２ インゴット
３ 電極昇降装置
４ スタブ
５ 電極
６ 給気バルブ
７ 排気バルブ
８ 溶融プール

Claims (11)

1. 真空アーク溶解によるチタン合金の製造方法であって、窒化物と酸化物の少なくとも一方からなる合金添加剤とチタン材とから構成された混合原料を成型してブリケットにし、上記ブリケットで構成した電極を真空アーク溶解することを特徴とするチタン合金の製造方法。
2. 前記窒化物は、窒化アルミニウム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。
3. 前記酸化物は、酸化チタン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。
4. 前記合金添加剤を中心部に配置し、その周囲にチタン材を配置して前記ブリケットを構成す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。
5. 前記合金添加剤と前記チタン材を均一混合してブリケットを構成す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。
6. 前記合金添加剤が顆粒状原料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のチタン合金の製造方法。
7. 前記合金添加剤が、粉末状の前記窒化物を吸湿させた後、前記酸化物を添加して均一混合して造粒された顆粒状合金添加剤であることを特徴とする請求項６に記載のチタン合金の製造方法。
8. 前記顆粒状原料は、粉末状窒化物と粉末状酸化物を混合した後、大気中にて焼結し、次いで、粉砕・整粒されて製造されたものであることを特徴とする請求項６に記載のチタン合金の製造方法。
9. 前記顆粒状合金原料の粒度を０．００５ｍｍ〜０．０５ｍｍ、前記チタン材の粒度を２０メッシュ〜１／２インチとすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のチタン合金の製造方法。
10. 前記チタン材がスポンジチタンまたは、チタンスクラップであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のチタン合金の製造方法。
11. 前記方法で製造されたチタン合金中の窒素含有率が、０．００５％〜０．２％であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のチタン合金の製造方法。

Images