JP4280539B2

JP4280539B2 - チタン合金の製造方法

Info

Publication number: JP4280539B2
Application number: JP2003119860A
Authority: JP
Inventors: 好弘八太; 敏彦坂井; 健新良貴; 武三戸; 修多田
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: US20030226624A1; US6918942B2; JP2005002356A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、チタン合金の製造方法に係り、特に、チタン−アルミニウムの金属間化合物を用いたＴｉ−Ａｌ合金の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年は、チタン材の用途が航空機のみならず一般用途にまでその応用分野が広がりつつある。とりわけ、チタン合金は、耐食性や軽量化が要求される分野に最近では広く利用されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４-１５８９５５号公報（要約書）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかながら、チタン合金は、他の材料に比べて高価なため、広く普及するまでに至ってはいない。中でも、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金は、強度や耐食性の点で優れているにも拘わらず、やはり高価であるため民生用の用途まで広がるには至っていない。
【０００５】
ところで、Ａｌ含有チタン合金スクラップに目標組成よりも過剰の純Ａｌを添加してＥＢ溶解することにより、不純物の低いＴｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金を安価に製造する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この提案に係る技術では、ＥＢ溶解の際にＡｌが揮発することを前提に過剰のＡｌを添加するものであるため、Ａｌの揮発量がばらついて合金組成の制御が難しいという問題があった。また、Ａｌ成分を調整しながら添加するために、原料としての純Ａｌを秤量してブリケットに加工する必要があり、製造コストが割高になるという問題もあった。
【０００６】
また、近年、電子材料の普及に伴いターゲット用チタン材の需要も順調な伸びを示しているが、その使用済みターゲット材の有効なリサイクル方法が見出されておらず効果的なリサイクル手段も望まれている。
【０００７】
したがって、本発明は、前記したような従来の事情に鑑みてなされたもので、安価でしかも品質の安定したＴｉ−Ａｌ合金の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討してきたところ、チタン−アルミニウム合金をアルミニウム成分の母合金として利用し、しかもＥＢ炉を用いて溶解することで、合金成分のばらつきが小さくしかも安価なＴｉ−Ａｌ合金が得られることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のチタン合金の製造方法は、チタン−アルミニウム合金を母合金とし、このアルミニウム母合金と純チタン材とを電子ビーム溶解にて溶製してチタン合金を得るチタン合金の製造方法であって、チタン−アルミニウム合金が一般式Ｔｉ _ｘＡｌ（ｘ：１／３〜３で表される実数）で表されることを特徴としている。
また、本発明のチタン合金の製造方法は、チタン−アルミニウム合金を母合金とし、このアルミニウム母合金と純チタン材とを電子ビーム溶解にて溶製してチタン合金を得るチタン合金の製造方法であって、チタン−アルミニウム合金がＴｉ _３Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ _２またはＴｉＡｌ _３で表されるチタン−アルミニウム金属間化合物であることを特徴としている。
【００１０】
上記製造方法によれば、アルミニウム成分の母合金として蒸気圧の低いチタン−アルミニウム合金またはチタン−アルミニウム金属間化合物を用いるために、電子ビーム溶解して得られたチタン合金のアルミニウム成分のばらつきが少なく、しかも成分を安定させることができる。また、チタン−アルミニウム合金またはチタン−アルミニウム金属間化合物は、高Ａｌチタン合金のスクラップとして入手が比較的容易であるから、製造コストを低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。チタン−アルミニウム合金は一般式Ｔｉ_ｘＡｌで表され、本発明においては、ｘが１／３〜３の範囲において良好な効果を発揮する。当該組成範囲を越えてアルミニウムが過剰に含まれる場合には溶解中のアルミニウムロスが激しく組成制御や歩留りの点で好ましくない。一方、当該組成範囲に満たない量しかアルミニウムが含まれていない場合には、目的とする６Ａｌ−４Ｖ合金組成を維持できないので金属アルミニウムを補充併用する必要があるがこの際にも溶解中のアルミニウムの蒸発ロスが大きく組成制御の点で問題がある。
したがって、当該組成範囲のチタン−アルミニウム合金をアルミニウム源として使用することが望ましい。
【００１２】
本発明においては、また、チタン−アルミニウム合金の中でも、チタン−アルミニウムの金属間化合物を用いることもできる。金属間化合物としては、Ｔｉ_３Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ_２、ＴｉＡｌ_３等を用いることができる。これらの金属間化合物の中でもＴｉ_３ＡｌやＴｉＡｌは、蒸気圧が高いため、溶解中の揮発ロスを抑えることができる。
なお、これらの金属間化合物形態のみならずこれらの混合物をアルミニウム源として用いてもよい。
また、Ｔｉ_３ＡｌやＴｉＡｌ、あるいはＴｉＡｌ_２やＴｉＡｌ_３等以外の組成を有する金属間化合物を用いてもよい。
【００１３】
本発明のチタン合金の好適な例としては、Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ合金、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖがある。また、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金や、（Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−２Ｓｎ）合金、あるいは、（Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ）合金等のＡｌやＶを主成分とする合金にも広く適用することができる。
【００１４】
＜純チタン材＞
溶解原料としての純チタン材としては、クロール法により製造されたスポンジチタン塊を主原料とすることができるが、本願発明ではこれに制限することなく、市場に出回っている純チタンスクラップを用いることもできる。
【００１５】
スクラップとしては、例えば、Ａ級スポンジチタンから製造されたインゴットを圧延加工してスラブを作成する工程で表面部位を研削する際に発生する黒皮、スラブを鍛造した後に表面研削を行う際に発生する白皮（これらを「切粉」という場合がある）、圧延板、棒、線を加工する際に発生する切断片（これを「チップ」という場合がある）を使用することができる。
【００１６】
溶解原料としての純チタン材は、Ｆｅが０．０１〜０．３ｗｔ％、Ｎが０．００３〜０．０３ｗｔ％、Ｏが０．０１〜０．４０ｗｔ％、その他不可避成分を含有し、残部がＴｉであるチタン材であることが好ましい。ここでいう不可避成分としては、ＣｒおよびＮｉ：それぞれ０．０５ｗｔ％以下、炭素：０．０２０ｗｔ％以下、水素：１００ｐｐｍ以下などが挙げられる。
【００１７】
前記の純チタン材の形態は、板、棒、線などのほか、前記の組成範囲にある材料であれば特に限定はない。ただし、原材料の形態はブリケットにしやすい形態が望ましく、具体的には、長さで数ｃｍ以内のものに粉砕もしくは切断して使用することが好ましい。
【００１８】
＜アルミニウム母合金＞
前述の特開平４−１５８９５５号公報に開示されているように、アルミニウム合金成分として、従来、金属アルミニウムを単独でＥＢ溶解炉に供給していたが、金属アルミニウムの蒸気圧が高いたため揮発ロスが大きかった。この点、本発明では、チタンとの金属間化合物の形でアルミニウム成分を添加する。アルミニウム成分は、チタンとアルミニウムの金属間化合物の市販品を購入しても良いが、チタン−アルミニウム金属間化合物のスクラップ材を利用することもできる。
【００１９】
市場に出回っているスクラップ材としては、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ‐４ｗｔ％Ｖ系の材料が主となる。近年では、ターゲット用チタン材のスクラップとしてＴｉ−１７ｗｔ％ＡｌやＴｉ−３６ｗｔ％Ａｌ合金といった高アルミニウム合金系スクラップを利用することができる。これらの合金は、溶融したときのアルミニウム成分の蒸気圧が低くＥＢ溶解に好適である。また、アルミニウム含有量が高いため硬度が高く脆いという特徴があるため、溶解に適した大きさに調整するための粉砕・整粒作業を比較的容易に行えるという利点もある。
【００２０】
また、これらの合金の蒸気圧は金属アルミニウムに比べてかなり低いため、アルミニウムの揮発ロスを大幅に抑えることができる。これにより、インゴット内のアルミニウム成分のばらつきや各インゴット間のアルミニウム成分のばらつきを抑えることもできる。
【００２１】
＜Ｖ溶解原料＞
合金成分であるＶは、Ａｌに比べて蒸気圧が低いため、ＥＢ溶解における揮発ロスは、それほど問題になることは少ない。しかしながら、融点が１８９０℃とチタンの融点よりも高いため、母合金の形で添加することが有効である。
【００２２】
Ｖの母合金としては、３５ｗｔ％Ａｌ−６５ｗｔ％Ｖ合金や、５０ｗｔ％Ａｌ−５０ｗｔ％Ｖ合金を利用することができ、このようなＶ母合金を所定量添加することで目標組成の合金を製造することができる。ただし、Ｖの揮発ロスはゼロではないため目標値に対してやや多めに添加しておくことが好ましい。
【００２３】
＜チタンインゴットの溶製＞
前記の原材料を所定の成分に調整した後、ＥＢ溶解炉を用いて溶解することができる。溶解原料は、予めブリケット成形してから溶解することもでき、また、そのまま溶解炉に供給することもできる。ただし、Ｔｉ−Ａｌの金属間化合物を使用する場合には、ブリケットにすることなくチップの状態で投入する方が好ましい。
【００２４】
一方、チタン−アルミニウム金属間化合物として、市場に出回っているスクラップを処理する場合には、所定の大きさに破砕・整粒して供給することが好ましい。このような予備処理を行うことで溶解後のインゴット成分を均一にし、また、溶解後の結晶粒を均一にすることができる。具体的には、４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲に整粒することが好ましい。
【００２５】
ＥＢ溶解には、ドリップ溶解方式とハース溶解方式と呼ばれるものがある。ドリップ溶解方式とは、溶解原料を所定サイズに粉砕・整粒した後ブリケット成形し、その先端部に電子ビームを照射して溶融させて、水冷鋳型に滴下・凝固してチタンインゴットを得るものである。ただしこの方法では、溶解原料を予めブリケット成形する工程が必要となる。
【００２６】
一方、ハース溶解方式では、前記の水冷鋳型の手前にハースと呼ばれる平型の水冷銅鋳型が具備されており、この上方空間部に溶解原料を供給しつつ電子ビームを照射して溶融させて、前記のハースに滴下させる。ハースには、溶融したチタン浴が形成されておりこの浴は水冷鋳型に向かった流れを形成している。溶融した原料がチタン浴を流れている間に原料中に含まれているＨＤＩ（高密度介在物）はハースの底部に沈降分離され、清浄なチタン浴のみが水冷鋳型に流れ込むという構成をとっている。
【００２７】
このように、ハースと鋳型の両方に溶融プールを維持しておくことが必要なため、ドリップ溶解方式に比べて電力コストは高まる傾向にあるが、ブリケット成型等の前処理が不要であるとともに粒状の原料が利用でき、品質の高いインゴットを溶製できる。
【００２８】
本願発明においては、いずれの方式でも溶解できるが、これは製造するインゴットの用途に応じて使い分ければ良い。例えば、製造されるインゴットがあまり厳格な品質特性を要求されない場合には、ドリップ溶解もしくはハース溶解のいずれの溶解方式も採用できる。しかしながら、製造されたインゴットに対する要求が厳しい場合には、例えば、ＨＤＩといった介在物を嫌う場合には、ハース溶解を用いることでこれらの介在物を効果的に除去することができる。
【００２９】
【実施例】
次に、下記の実施例により本発明の効果を明らかにする。
＜実施例１＞
ＪＩＳ１種相当スポンジチタン（９６５ｋｇ）とＴｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金スクラップ（２８００ｋｇ）および３５ｗｔ％Ａｌ−６５ｗｔ％Ｖ合金（７５ｋｇ）を準備し、Ｔｉ−３６ｗｔ％Ａｌ合金スクラップをアルミニウムの母合金として用いた。
その後、以下の条件にてハース式のＥＢ炉に供給して原料を溶解し、Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金を得た。溶解前の各原料の成分を下記表１〜４に示す。
【００３０】
１）原料組成
▲１▼ チタン原料：ＪＩＳ１種相当スポンジチタン
【表１】

【００３１】
▲２▼６Ａｌ４Ｖ合金原料：Ｔｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金スクラップ
【表２】

【００３２】
▲３▼Ａｌ原料：Ｔｉ−３６ｗｔ％Ａｌ合金スクラップ
【表３】

【００３３】
▲４▼Ｖ原料：３５ｗｔ％Ａｌ−６５ｗｔ％Ｖ合金
【表４】

【００３４】
２）溶解条件
▲１▼ 真空度：１×１０^‐３〜５×１０^−４Ｔｏｒｒ
【００３５】
３）溶解結果
上記の方法で得られたチタン合金中を表５に示す。表５から判るように、各チタン合金のＡｌ成分はほぼ目標値に近く、また、それぞれのインゴット間のバラツキも小さいことが判明した。
【００３６】
【表５】

【００３７】
＜比較例１＞
実施例１と同様の装置および溶解条件により実施例１で用いたＪＩＳ１種相当のスポンジチタン（１０６８ｋｇ）とＴｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金スクラップ（２８００ｋｇ）と、および３５ｗｔ％Ａｌ−６５ｗｔ％Ｖ合金スクラップ（７５ｋｇ）および金属Ａｌショット（５７ｋｇ）をそれぞれ準備してこれらの原料をハース式のＥＢ溶解炉に供給してＴｉ−６ｗｔ％Ａｌ−４ｗｔ％Ｖ合金を製造した。溶解して得られたチタン合金インゴットの分析値を表６に示す。
【００３８】
【表６】

【００３９】
表６から判るように、比較例ではアルミニウム原料として金属Ａｌショットを用いているから、溶解中のアルミニウムの揮発損失が大きく、そのため、目標とするアルミニウム含有量が得られなかった。また、各チタン合金のアルミニウム含有量のばらつきも大きくなった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、チタン‐アルミニウム合金を母合金とし、このアルミニウム母合金と純チタン材とを電子ビーム溶解にて溶製してチタン合金を得るから、安価でしかも品質の安定したＴｉ−Ａｌ合金を製造することができる。

Claims

チタン−アルミニウム合金を母合金とし、このアルミニウム母合金と純チタン材とを電子ビーム溶解にて溶製してチタン合金を得るチタン合金の製造方法であって、
上記チタン−アルミニウム合金が一般式Ｔｉ _ｘＡｌ（ｘ：１／３〜３で表される実数）で表されることを特徴とするチタン合金の製造方法。
前記チタン‐アルミニウム合金がターゲット材のスクラップから得られたもの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−アルミニウム合金がＴｉ−１７％ＡｌまたはＴｉ−３６％Ａｌで表されることを特徴とする請求項１または２に記載のチタン合金の製造方法。
チタン−アルミニウム合金を母合金とし、このアルミニウム母合金と純チタン材とを電子ビーム溶解にて溶製してチタン合金を得るチタン合金の製造方法であって、
上記チタン−アルミニウム合金がＴｉ_３Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ_２またはＴｉＡｌ_３で表されるチタン−アルミニウム金属間化合物であることを特徴とするチタン合金の製造方法。
前記チタン−アルミニウム金属間化合物がターゲット材のスクラップから得られ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。