JP2963268B2 - Melting method of titanium alloy ingot by VAR method - Google Patents
Melting method of titanium alloy ingot by VAR methodInfo
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Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、チタン合金のVAR 法
による溶解方法、特に、Feの偏析が少ないチタン合金イ
ンゴットを鋳造することができる、チタン合金のVAR 法
による溶解方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for melting a titanium alloy by the VAR method, and more particularly to a method for melting a titanium alloy by the VAR method, which can cast a titanium alloy ingot with less segregation of Fe.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に、VAR 法によるチタン合金の鋳造
法は、前述した被溶解金属を消耗電極として使用し、高
真空下において消耗電極をその先端から直流アーク熱に
よって順次溶解し、このようにして溶解した電極を水冷
銅モールド内の溶融プール内に滴下させ、そして、凝固
させてインゴットを得る方法である。通常、この操作を
２から３回繰り返して内質の優れたチタン合金のインゴ
ットを得ている。2. Description of the Related Art In general, in the casting of titanium alloy by the VAR method, the above-mentioned metal to be melted is used as a consumable electrode, and the consumable electrode is sequentially melted from its tip by DC arc heat under a high vacuum. The molten electrode is dropped into a molten pool in a water-cooled copper mold and solidified to obtain an ingot. Normally, this operation is repeated two to three times to obtain an ingot of a titanium alloy having excellent quality.
【０００３】このようにして得られるチタン合金のイン
ゴットの内質を決定するのは、主に、最終のVAR 法によ
る溶解である。その最終のVAR 法による溶解において
は、モールド径によって、ほば一義的に溶解電流の範囲
が決まる。このことは、1989年に日本鉄鋼協会から発行
された刊行物「日本でチタン材料について何を研究して
いるか」第８頁に開示されている。[0003] The content of the titanium alloy ingot obtained in this manner is mainly determined by the final melting by the VAR method. In the final dissolution by the VAR method, the range of the dissolution current is almost uniquely determined by the mold diameter. This is disclosed on page 8 of the publication "What is researched on titanium materials in Japan" published by the Iron and Steel Institute of Japan in 1989.
【０００４】しかしながら、通常の方法によりチタン合
金のインゴットをVAR 法によって溶解すると、溶解電流
に対応して水冷銅モールド内の溶融プールの深さが深く
なる。この結果、Feを含有するα＋β型チタン合金の場
合には、インゴットトップ部においてFeの偏析が生じ
る。これは、Ti中におけるFeの平衡分配係数は１より小
さいために凝固時にFeが正偏析し易いためである。[0004] However, when the titanium alloy ingot is melted by the VAR method by a usual method, the depth of the molten pool in the water-cooled copper mold increases in accordance with the melting current. As a result, in the case of an α + β type titanium alloy containing Fe, Fe segregation occurs at the ingot top portion. This is because the equilibrium distribution coefficient of Fe in Ti is smaller than 1, so that Fe tends to positively segregate during solidification.
【０００５】Ti中にFeを添加する目的は、強度の向上さ
せ且つ超塑性発現温度を適正化することにあるが、一
方、Ti中のFeは、Tiのβ変態温度を下げるのに効果的な
元素として知られている。即ち、Feを１％含有させる
と、Tiのβ変態温度が約20℃下がると言われている。例
えば、チタン合金のインゴットから薄板を製造する場
合、インゴット中に著しいFeの偏析が生じていると、上
述した理由によって、板厚方向にTiのβ変態温度が異な
る部位が存在する。この結果、熱処理の際にα相とβ相
の分率が異なってしまい、均一な組織の板を作ることが
できない。[0005] The purpose of adding Fe to Ti is to improve the strength and to optimize the temperature at which superplasticity develops. On the other hand, Fe in Ti is effective in lowering the β transformation temperature of Ti. It is known as an element. In other words, it is said that the inclusion of 1% Fe lowers the β transformation temperature of Ti by about 20 ° C. For example, when a thin plate is manufactured from a titanium alloy ingot, if significant segregation of Fe occurs in the ingot, there are portions where the β transformation temperature of Ti differs in the plate thickness direction for the above-described reason. As a result, the fractions of the α phase and the β phase are different during the heat treatment, and a plate having a uniform structure cannot be produced.
【０００６】一般的には、薄板製造プロセスにおいて、
温度制御の精度や加熱温度の均一性等を考慮すると、同
一インゴット内でのβ変態温度の差異は10℃以内に止め
ることが望ましい。従って、Feの偏析に置き換えると、
0.5wt.% 内の変動にすること必要である。これ以上のFe
の偏析が生じた場合には、成分元素の範囲が許容できる
位置までインゴットは使用できず、インゴットの歩留り
が著しく低下する。Generally, in a sheet manufacturing process,
In consideration of the accuracy of temperature control, the uniformity of the heating temperature, and the like, it is desirable that the difference in the β transformation temperature within the same ingot should be kept within 10 ° C. Therefore, if it is replaced with the segregation of Fe,
It is necessary to make the fluctuation within 0.5wt.%. No more Fe
When segregation occurs, the ingot cannot be used up to a position where the range of the component elements can be tolerated, and the yield of the ingot is significantly reduced.
【０００７】そこで、成分偏析を軽減する方法として、
従来から種々の方法が提案されている。例えば、特開昭
61-67724号には、VAR 法における消耗電極として、予め
成分調整したものを用いる方法（以下、先行技術とい
う）が開示されている。Therefore, as a method of reducing component segregation,
Conventionally, various methods have been proposed. For example,
No. 61-67724 discloses a method (hereinafter, referred to as prior art) using a consumable electrode in the VAR method in which components are adjusted in advance.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
行技術は、予め偏析の度合いが分かっていなければ、成
分調整が行えないといった問題を有していた。従って、
この発明の目的は、予め成分調整することなく、Feの偏
析が少ないチタン合金インゴットを歩留り良く得ること
ができる、チタン合金のVAR 法による溶解方法を提供す
ることにある。However, the above prior art has a problem that the component cannot be adjusted unless the degree of segregation is known in advance. Therefore,
An object of the present invention is to provide a method for melting a titanium alloy by the VAR method, which can obtain a titanium alloy ingot with less segregation of Fe with good yield without previously adjusting the components.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】この発明は、Feを１から
５wt.%含有するα＋β型チタン合金インゴットを、VAR
法によって溶解する方法において、前記チタン合金イン
ゴットの溶解速度を制御して、下記(1) 式、 Ｐ＝５（１−0.25Ｄ）Ｍ ---(1) 但し、Ｄ：モールドの内径(m) 、 Ｍ：前記チタン合金インゴットの溶解速度(kg/sec) によって表される、前記モールド内の溶融プールの深さ
Ｐ(m) が、下記(2) 式、 0.14≦Ｐ≦0.35 ---(2) を満足するように、前記チタン合金インゴットを溶解
し、かくして、Feの偏析を低減することに特徴を有する
ものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an α + β type titanium alloy ingot containing 1 to 5 wt.
In the melting method by the method, the melting rate of the titanium alloy ingot is controlled to obtain the following equation (1): P = 5 (1-0.25D) M --- (1) where D: inner diameter of the mold (m ), M: The depth P (m) of the molten pool in the mold, represented by the melting rate (kg / sec) of the titanium alloy ingot, is expressed by the following formula (2): 0.14 ≦ P ≦ 0.35 The present invention is characterized in that the titanium alloy ingot is melted so as to satisfy (2), and thus segregation of Fe is reduced.
【００１０】この発明を更に詳細に説明する。VAR 法に
おいて、水冷銅モールド内の溶融プールの深さＰ(m)
と、モールド径Ｄ(m) と、電極の溶融速度Ｍ(kg/sec)と
の間には、下記(1) 式が成り立つことが、1973年にPlen
um Pressから発行された刊行物「V.I.Dobakin and M.I.
Musatov,"Titanium Science and Technology" 」第319
から330 頁に開示されている。The present invention will be described in more detail. In the VAR method, the depth P (m) of the molten pool in the water-cooled copper mold
Between the mold diameter D (m) and the melting rate M (kg / sec) of the electrode, the following equation (1) holds.
um Press's publication “VIDobakin and MI
Musatov, "Titanium Science and Technology" 319
On page 330.
【００１１】 Ｐ＝５（１−0.25Ｄ）Ｍ ---(1)P = 5 (1-0.25D) M --- (1)
【００１２】図１は、上記(1) 式で表される溶融プール
の深さＰ(m) と、チタン合金インゴット中のFeの最大偏
析値との関係を示すグラフである。図１から明らかなよ
うに、Ｐ＜0.14(m) では、Feの偏析に関しては問題がな
いが、溶解速度が低速度となるので、チタン合金インゴ
ットの表面肌が著しく劣化する。一方、Ｐ＞0.35(m)で
は、Feの最大偏析値が0.5wt.% を超えるので、チタン合
金インゴットの一部が使用できない。これに対して、0.
14≦Ｐ≦0.35の範囲内では、Feの最大偏析値が0.5%以内
で且つチタン合金インゴットの表面肌も良好であるの
で、インゴットがその全長に亘って利用可能である。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the depth P (m) of the molten pool expressed by the above equation (1) and the maximum segregation value of Fe in the titanium alloy ingot. As is clear from FIG. 1, when P <0.14 (m), there is no problem regarding segregation of Fe, but since the dissolution rate is low, the surface skin of the titanium alloy ingot is significantly deteriorated. On the other hand, when P> 0.35 (m), since the maximum segregation value of Fe exceeds 0.5 wt.%, A part of the titanium alloy ingot cannot be used. On the other hand, 0.
Within the range of 14 ≦ P ≦ 0.35, the maximum segregation value of Fe is within 0.5% and the surface skin of the titanium alloy ingot is good, so that the ingot can be used over its entire length.
【００１３】図２に、0.14≦Ｐ≦0.35の場合のチタン合
金インゴットの径と溶解電流との関係を、一般的な操業
範囲と併せて示す。図３に、チタン合金インゴットの溶
解速度と溶融プールの深さとの関係の一例を示す。図３
から明らかなように、溶解速度が速くなるほど、溶融プ
ールの深さは深くなることがわかる。即ち、チタン合金
インゴットの溶解速度が速いということは、モールド径
が一定の場合、溶解電流が大きいことに対応している。
一方、溶融プールの深さが深いと、凝固に伴って、偏析
し易い元素が溶融プール中に排出され、結果として合金
元素の偏析が生じる。例えば、他の合金元素であるAl、
V 、Moの最大偏析値は、それぞれ目標値に対して、1.04
倍、1.03倍、0.99倍程度で、目標値との差異は実用上問
題ない。従って、この発明においては、溶融プールの深
さＰ(m) は、0.14≦Ｐ≦0.35の範囲内に限定すべきであ
る。FIG. 2 shows the relationship between the diameter of the titanium alloy ingot and the melting current when 0.14 ≦ P ≦ 0.35, together with the general operation range. FIG. 3 shows an example of the relationship between the melting rate of the titanium alloy ingot and the depth of the molten pool. FIG.
As is clear from FIG. 7, the higher the melting rate, the deeper the molten pool. That is, a high melting rate of the titanium alloy ingot corresponds to a large melting current when the mold diameter is constant.
On the other hand, when the depth of the molten pool is large, elements that are easily segregated are discharged into the molten pool with solidification, and as a result, segregation of alloy elements occurs. For example, other alloying elements Al,
The maximum segregation values of V and Mo are 1.04
The difference from the target value is about twice, 1.03 times and 0.99 times, and there is no practical problem. Therefore, in the present invention, the depth P (m) of the molten pool should be limited to the range of 0.14 ≦ P ≦ 0.35.
【００１４】[0014]
【実施例】次に、この発明を実施例によって更に説明す
る。 実施例１ Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Feからなる直径650mm のチタン合金
を消耗電極として使用し、VAR 法によって直径750mm の
チタン合金インゴットを溶解した。このときの溶解条件
は、次の通りであった。溶解電流：8000A 、溶解電圧：
30V ：真空度：２×10−２Torr、溶解時間：1000分（ホ
ットトップ時間は31分）、総合溶解速度：4.0kg/min 、
上記(1) 式によって表される溶融プールの深さＰは、0.
27m であった。このインゴットを厚さ190mm のスラブ形
状に鍛造し、次いで、インゴットトップ15% 、24% 、32
% に相当する位置の中心部の成分を分析した。この結果
を表１に示す。表１から明らかなように、インゴットの
Al、Moは勿論、Feの成分偏析は小さいことがわかった。Next, the present invention will be further described with reference to examples. Example 1 Ti-4.5Al -3V -2Mo-2Fe consists diameter 650mm titanium alloy used as a consumable electrode, to dissolve the titanium alloy ingot diameter 750mm by VAR method. The dissolution conditions at this time were as follows. Melting current: 8000A, melting voltage:
30V: degree of vacuum: 2 × 10-2 Torr, dissolution time: 1000 minutes (hot top time: 31 minutes), total dissolution rate: 4.0 kg / min,
The depth P of the molten pool represented by the above equation (1) is 0.
It was 27m. This ingot was forged into a slab shape with a thickness of 190 mm, and then the ingot top 15%, 24%, 32%
The component at the center of the position corresponding to% was analyzed. Table 1 shows the results. As is evident from Table 1, the ingot
It was found that the segregation of Fe as well as Al and Mo was small.
【００１５】実施例２ Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Feからなる直径460mm のチタン合金
を消耗電極として使用し、VAR 法によって直径535mm の
チタン合金インゴットを溶解した。このときの溶解条件
は、次の通りであった。溶解電流：6000A 、溶解電圧：
29V ：真空度：２×10−２Torr、溶解時間：510 分（ホ
ットトップ時間は41分）、総合溶解速度：4.8kg/min 、
上記(1) 式によって表される溶融プールの深さＰは、0.
35m であった。このインゴットを厚さ160mm のスラブ形
状に鍛造し、次いで、インゴットトップ20% 、29% に相
当する位置の中心部の成分を分析した。この結果を表１
に示す。表１から明らかなように、インゴットのAl、Mo
は勿論、Feの成分偏析は小さいことがわかった。[0015] Using the Example 2 Ti-4.5Al -3V -2Mo-2Fe consists diameter 460mm titanium alloy as a consumable electrode, to dissolve the titanium alloy ingot diameter 535mm by VAR method. The dissolution conditions at this time were as follows. Melting current: 6000A, melting voltage:
29V: degree of vacuum: 2 × 10-2 Torr, dissolution time: 510 minutes (hot top time: 41 minutes), total dissolution rate: 4.8 kg / min,
The depth P of the molten pool represented by the above equation (1) is 0.
35m. The ingot was forged into a slab shape having a thickness of 160 mm, and the components at the center corresponding to the ingot tops of 20% and 29% were analyzed. Table 1 shows the results.
Shown in As is clear from Table 1, the ingots of Al and Mo
Of course, it was found that the component segregation of Fe was small.
【００１６】比較例 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Feからなる直径650mm のチタン合金
を消耗電極として使用し、VAR 法によって直径750mm の
チタン合金インゴットを溶解した。このときの溶解条件
は、次の通りであった。溶解電流：20000A、溶解電圧：
32V ：真空度：２×10−２Torr、溶解時間：413 分（ホ
ットトップ時間は133 分）、総合溶解速度：8.9kg/min
、上記(1) 式によって表される溶融プールの深さＰ
は、0.60m であった。このインゴットを断面径が350mm
のブルーム形状に鍛造し、次いで、インゴットトップ20
% 、40% に相当する位置の中心部の成分分析を行った。
この結果を表１に示す。表１から明らかなように、Ｐ値
が本発明範囲を外れて大きいので、Feの成分偏析が大き
く、インゴットをその全長に亘って使用することができ
ず、歩留りは60% であった。[0016] The titanium alloy of Comparative Example Ti-4.5Al -3V -2Mo-2Fe consists diameter 650mm was used as a consumable electrode, to dissolve the titanium alloy ingot diameter 750mm by VAR method. The dissolution conditions at this time were as follows. Dissolution current: 20000A, dissolution voltage:
32V: degree of vacuum: 2 × 10-2 Torr, dissolution time: 413 minutes (hot top time: 133 minutes), total dissolution rate: 8.9 kg / min
, The depth P of the molten pool represented by the above equation (1)
Was 0.60 m. The cross section diameter of this ingot is 350mm
Forging into a bloom shape, then ingot top 20
%, The component analysis of the central part of the position corresponding to 40% was performed.
Table 1 shows the results. As is apparent from Table 1, since the P value was large outside the range of the present invention, the segregation of Fe was large, and the ingot could not be used over its entire length, and the yield was 60%.
【００１７】なお、上述した比較例のインゴットのホッ
トトップ時間は、実施例１、２の約４倍である。一般
に、ホットトップ時間を長くするとFeの偏析を抑制する
ことができるといわれているが、このチタン合金インゴ
ットのようにFeを多量に含むチタン合金においては、ホ
ットトップ時間を長くしてもFeの偏析を小さくすること
ができなかった。The hot top time of the ingot of the comparative example is about four times that of the first and second embodiments. Generally, it is said that increasing the hot top time can suppress the segregation of Fe.However, in a titanium alloy containing a large amount of Fe such as this titanium alloy ingot, even if the hot top time is increased, Segregation could not be reduced.
【００１８】 [0018]
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、予め成分調整することなく、Feの偏析が少ないチタ
ン合金インゴットを歩留り良く得ることができるといっ
た有用な効果がもたらされる。As described above, according to the present invention, a useful effect that a titanium alloy ingot with less segregation of Fe can be obtained with good yield without adjusting the components in advance is provided.
【図１】溶融プール深さとインゴット中のFeの最大偏析
値との関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing a relationship between a molten pool depth and a maximum segregation value of Fe in an ingot.
【図２】インゴット径と溶解電流との関係を示すグラフ
である。FIG. 2 is a graph showing a relationship between an ingot diameter and a melting current.
【図３】溶解速度と溶融プール深さとの関係を示すグラ
フである。FIG. 3 is a graph showing a relationship between a dissolution rate and a molten pool depth.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 勝彦 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 小泉 昌明 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東 邦チタニウム株式会社内 (72)発明者 岡野 宏之 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東 邦チタニウム株式会社内 (72)発明者 深田 伸男 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎３−３−５ 東 邦チタニウム株式会社内 (56)参考文献 特開 昭48−71713（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−155332（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−124238（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22B 9/20 C22B 9/04 C22C 1/02 503 C22C 14/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Katsuhiko Murakami, Inventor Nippon Kokan Co., Ltd. 1-2-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo (72) Inventor Masaaki Koizumi 3-3-5 Chigasaki, Chigasaki-shi, Kanagawa Pref. (72) Inventor Hiroyuki Okano 3-3-5 Chigasaki, Chigasaki-shi, Kanagawa Prefecture Toho Titanium Co., Ltd. (72) Inventor Nobuo Fukada 3-3-5 Chigasaki, Chigasaki-shi, Kanagawa Prefecture, Toho Kuni Titanium Co., Ltd. ( 56) References JP-A-48-71713 (JP, A) JP-A-57-155332 (JP, A) JP-A-62-124238 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , (DB name) C22B 9/20 C22B 9/04 C22C 1/02 503 C22C 14/00
Claims (1)
ン合金インゴットを、VAR 法によって溶解する方法にお
いて、前記チタン合金インゴットの溶解速度を制御し
て、下記(1) 式、 Ｐ＝５（１−0.25Ｄ）Ｍ ---(1) 但し、Ｄ：モールドの内径(m) 、 Ｍ：前記チタン合金インゴットの溶解速度(kg/sec) によって表される、前記モールド内の溶融プールの深さ
Ｐ(m) が、下記(2) 式、 0.14≦Ｐ≦0.35 ---(2) を満足するように、前記チタン合金インゴットを溶解
し、かくして、Feの偏析を低減することを特徴とする、
チタン合金インゴットのVAR 法による溶解方法。1. A method for melting an α + β type titanium alloy ingot containing 1 to 5 wt.% Fe by the VAR method, wherein the melting rate of the titanium alloy ingot is controlled to obtain the following equation (1): P = 5 (1-0.25D) M --- (1) where D is the inner diameter (m) of the mold, and M is the melting pool (kg / sec) of the titanium alloy ingot. Dissolving the titanium alloy ingot so that the depth P (m) satisfies the following expression (2): 0.14 ≦ P ≦ 0.35 --- (2), thus reducing segregation of Fe. And
Dissolution method of titanium alloy ingot by VAR method.
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