JP6933255B2 - チタン塊およびその製造方法、ならびに、チタンスラブ - Google Patents

Description

本発明は、チタン塊およびその製造方法と、ならびに、チタンスラブに関する。

チタン材は、耐食性に優れた金属材料であることから、海水を用いる熱交換器や各種の化学プラントなどに用いられている。また、チタン材は、密度が炭素鋼に比べて小さく、比強度（単位重量あたりの強度）に優れることから、航空機の機体にも多く使用されている。また、自動車などの陸上輸送機器にチタン材を使用することにより、機器自体が軽量となるため、燃費向上が期待される。

しかし、チタン材は、鋼材に比べて複雑で非常に多くの工程によって製造される。代表的な工程として以下のものがある。

（ａ）製錬工程：原料である酸化チタンを塩素化して四塩化チタンとした後、マグネシウムあるいはナトリウムで還元することにより、塊状でスポンジ状の金属チタン（以下、「スポンジチタン」という）を製造する工程。

（ｂ）溶解工程：スポンジチタンをプレス成形して電極とし、真空アーク溶解炉で溶解して鋳塊を製造する工程。

（ｃ）鍛造工程：鋳塊を熱間で鍛造してスラブ（熱間圧延素材）やビレット（熱間押出しや熱間圧延などの素材）などを製造する工程。

（ｄ）熱間加工工程：スラブやビレットを加熱して熱間で圧延や押出し加工して板や丸棒などを製造する工程。

（ｅ）冷間加工工程：板や丸棒をさらに冷間で圧延加工して薄板や丸棒、線などを製造する工程。

チタン材は、このように多くの工程により製造されるため、非常に高価である。このため、チタン材は自動車などの陸上輸送機器へは殆ど適用されていない。チタン材の利用を促進するためには、その製造プロセスの生産性を向上する必要がある。この課題に対処する技術として、チタン材の製造工程を省略する取り組みがなされている。

ＶＡＲ（真空アーク溶解）は、円柱形状のチタン鋳塊しか製造できないため、この後に熱間圧延を行って薄板にするためには、円柱状のチタン鋳塊を熱間で鍛造して、直方体形状のチタン、すなわちチタンスラブにしなければならない。

一方、電子ビーム溶解やプラズマ溶解では、溶解したチタンを容器（コールドハース）に保持した後に種々の形状の鋳型に注入する。このため、直方体の鋳型を使用することにより、直接スラブ形状のチタン鋳塊が得られ、鍛造工程を省略できる（直接スラブ鋳造方法）。溶解したチタンは、鋳型と接するチタン鋳塊表層から凝固が始まり、やがて厚さ中心部が凝固してチタン鋳塊が得られる。同時に、チタン鋳塊は上方から下方に引き抜かれ、下方から上方に向かって徐々に凝固する。

特許文献１には、溶解工程を省略してチタン鋳塊を製造する発明が開示されている。このチタン鋳塊（スラブ）は、多孔質チタン（スポンジチタン）を鋳塊状に圧縮成形し、その表面を真空下で溶解することにより製造され、内部が多孔質チタンであるとともにその全表面を稠密なチタンにより被覆されている。特許文献１により開示された発明によれば、スポンジチタンやその圧縮成形体を用いてスラブ形状のチタン鋳塊を製造するため、薄肉のスラブを作製することができる。

特許文献２には、チタン合金粉に銅粉、クロム粉または鉄粉を添加して炭素鋼製のカプセルに封入し、加熱して熱間で押出ししてチタン合金丸棒を製造する発明が開示されている。特許文献３には、水素を含むチタン粉末やチタン合金粉末をカプセルに充填し、減圧しながら加熱することにより脱水素してから、熱間で押出してチタン丸棒やチタン合金丸棒を製造する発明が開示されている。特許文献４には、純チタン材で形成された梱包材に、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される一種以上を充填したチタン材に関する発明が開示されている。

特開２０１５−４５０４０号公報 特開２０１４−０１９９４５号公報 特開２０１２−０４１５８３号公報 国際公開第２０１６／０５６６０７号

直接スラブ鋳造方法は、鍛造工程を省略できる優れた方法であるが、得られるスラブ厚さは１００ｍｍ以上であり、通常２００ｍｍから４００ｍｍ程度である。スラブの厚さは鋳型の厚さで決まるため、鋳型の厚さを薄くすればスラブの厚さを薄くできる。

しかし、鋳型の厚さが１００ｍｍより薄くなると、溶融チタンをコールドハースから鋳型に注入する際に、溶融チタンが鋳型の外に飛散したり、注入された部分から鋳型の幅方向に溶融チタンが均等に流れ込まないといった不具合が発生する。

また、１００ｍｍ以上の厚さのスラブから厚さ数ｍｍ以下のチタン薄板を得るためには、大きな加工を施さなければならないために巨大な熱間加工設備が必要であり、あるいは、熱間で何回も繰り返して加工しなければならず、非効率である。

さらに、１００ｍｍ以上の厚さのスラブは、その厚さゆえ内部の冷却速度が遅く、結晶粒が非常に大きく成長する。このため、製品に必要な引張特性等の機械特性を得るためには、大きな加工を施して粗大な結晶粒を破壊して細かくする必要がある。その厚さゆえ凝固偏析が大きくなり、スラブの表層と中心部の成分の差が大きい。また、チタン鋳塊の長さ（上下）方向では、最後に凝固するスラブ上方の厚さ中心部は、特に凝固偏析しやすく、正偏析しやすいＦｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｓｉ等が濃化する。

直接スラブ鋳造方法は、真空チャンバー内で溶解したチタンをコールドハースに保持するため、チタンや副原料（合金添加元素）の一部は揮発してチャンバーの壁面に多量に付着する。このため、鋳塊を得る際の歩留が悪くなる。また、チャンバー壁面に付着した揮発物の除去作業に時間を要するので、作業性が悪い。チタンより揮発しやすい元素（Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎ等）を含むチタン合金の場合、揮発しやすい元素のスラブでの含有量がチタン原料での含有量よりも少なくなる。このため、それぞれの元素の揮発量を予測して、それらに応じた量を多めにチタン原料に添加することが行われている。

しかし、この揮発量は、溶解速度やスラブの引抜き速度、ＥＢ照射条件等の操業条件によって大きく変化する。例えば、溶解速度は、チタン原料の大きさや形状により変動し、溶解速度が低下すると、コールドハースを流れる溶融チタン量が減り、揮発量は増加する。スラブの引抜き速度は、コールドハース内の溶融チタンが少なくなる、鋳造初期および末期において、低下する。この間、鋳型内の溶融チタンにＥＢ照射する時間が長くなり、揮発量が増加する。また、照射条件は、基本的には一定にできるが、操業のトラブルが発生した場合は、出力を下げるか停止する必要があるので、溶解速度が下がるか、溶解が止まる。出力を下げると、揮発量が減少する。これらの操業条件を予測して管理することは極めて難しく、このため、スラブの長手方向において、成分の変動は避けられなかった。

特許文献１により開示されたチタン鋳塊の内部は粒状のスポンジチタンであるため、基本的にはスポンジチタンと同じ化学組成のチタン鋳塊しか得られない。スポンジチタンの化学組成と異なる化学組成のチタン鋳塊を得るには、必要な元素を添加しなければならない。例えば、強度を上げるためにチタンの酸素を増やしたい場合は酸化チタン粉末を、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金にしたい場合はＡｌ−Ｖ合金粒やＡｌ粒をスポンジチタンに添加して混合する。

しかし、その後に溶解工程がないために、スポンジチタンと添加元素粉末や粒は、容易に均質にはならない。熱間加工後に溶体化熱処理を行って各元素の拡散により均質化を図るためには、膨大な時間の溶体化処理を行う必要があり、実用的ではない。このため、特許文献１により開示された発明では、スポンジチタンと同等の化学組成を有するチタン鋳塊しか製造できず、チタン合金鋳塊を製造することはできない。

さらに、鋳造ままの表面を熱間圧延すると、得られたチタン薄板の表面にはヘゲ状の表面欠陥が発生し易い。特許文献１に開示のチタン鋳塊は、その表面のみを溶解、凝固させたものであるため、その表面が粗い鋳造組織（粗大な結晶粒）になっている。次工程の熱間圧延時に、鋳塊の表層の粗大な鋳造組織（粗大な結晶粒）は、結晶方位の差異による強い塑性異方性により、鋳塊の表面に起伏を生じてヘゲ状の表面欠陥となるためである。

特許文献２，３に開示の発明によれば、原料に粉末を使用して種々の元素も粉末として添加して、種々のチタンやチタン合金の丸棒を製造できる。これは、スポンジチタンよりも細かい粉末を使用するため、熱間加工後の溶体化処理が比較的短時間であっても均質な丸棒を得られる。しかし、チタン粉末やチタン合金粉末、合金添加用粉末等の原料粉末を製造するために、手間とコストを要する。

特許文献４に開示の発明によれば、溶解工程および鍛造工程を省略することができるので、安価にチタン材を得ることができる。しかし、スポンジチタンなどをそのまま使用するため、特許文献１の発明と同様、スポンジチタンと同等の化学組成を有するチタン鋳塊しか製造できず、チタン合金鋳塊を製造することはできないという問題が発生する。

本発明は、このような実情に鑑み、チタン薄板やチタン線材の素材となる熱間加工用または冷間加工用のチタン塊、特に薄肉厚または小径の種々の化学組成を有するチタン塊を低コストで製造することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、鍛造工程を省略でき、さらに熱間加工工程を簡略化できるチタン塊を製造できることに想到した。

図１は、チタンブリケット１を模式的に示す説明図である。

使用する原料は、通常の工程で製造されている比較的安価に入手できるスポンジチタン１ａである。粒状のスポンジチタン１ａのままで電子ビーム溶解を行っても形状が整わないため、図１に示すように、スポンジチタン１ａは圧縮成形して直方体形状のチタンブリケット１にする。

この時、必要な化学組成のチタン塊を得るために必要な元素（酸素，Ｆｅ，Ａｌ，Ｖ等）を含む副原料１ｃをスポンジチタン１ａに添加して混合した後に、圧縮成形して、チタンブリケット１を得る。

チタンブリケット１は、内部に空隙１ｄが存在するため、減圧下で空隙１ｄに存在する空気を除去した後、電子ビームにより、チタンブリケット１の厚さ方向の一部（例えばおよそ半分）２ａを溶解する。

図２は、チタン塊２を模式的に示す説明図である。

その後、チタンブリケット１を反転させて、まだ溶解していない厚さ方向の残りの一部（例えばおよそ半分）２ｂを同様に電子ビームにより溶解する。本発明者らは、空隙１ｄの真空引き及びチタンブリケット１の溶解によって、添加した副原料１ｃがスポンジチタン１ａとともに溶解して均質になり、図２に示すように、薄肉厚のチタン塊２を得られることを知見した。

この時、チタン塊２の内部に気泡が残存しないようにするには、スポンジチタン１ａ粒間の空隙１ｄに存在する空気を十分に除去しなければならず、本発明者らは、そのためには、電子ビーム溶解前のチタンブリケット１を極力減圧した雰囲気におくことが重要であることも知見した。

電子ビームによりチタンブリケット１の一部を溶解して凝固させるため、また、チタン塊２の厚さが薄いため、従来の溶解工程のように原料をすべて溶解後に鋳型に注入して凝固および冷却する厚さの大きいチタン材に比較して、凝固後の冷却速度が速く、チタン塊２の内部の結晶粒が粗大化しないことも本発明者らは知見した。

また、スポンジチタン１ａを円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状に圧縮成形してチタンブリケット１にして、同様に、電子ビーム溶解することにより、円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状の小径のチタン塊２を得られることも知見した。

図４は、チタンスラブ３を模式的に示す説明図である。

さらに、熱間加工時の表面欠陥を抑制するためには、上記で得られたチタン塊２を、同種の化学組成を有するチタン板材４ａにより作製した容器（梱包材）４に充填し、梱包材４のつなぎ目を全て溶接して溶接部５を形成して、図４に示すチタンスラブ３を得た。このチタンスラブ３は、熱間加工用チタン素材として用いることができることも本発明者らは知見した。

本発明は、これらの新規な知見に基づくものであり、以下に列記の通りである。

（１）厚さが７〜８０ｍｍ板状のチタン塊であって、
化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．０１〜０．５％、
Ｆｅ：０．０１〜５％、
Ａｌ：０〜８％、
Ｓｎ：０〜５％、
Ｚｒ：０〜１２％、
Ｍｏ：０〜１５％、
Ｔａ：０〜２％、
Ｖ：０〜２２％、
Ｎｂ：０〜２％、
Ｓｉ：０〜１％、
Ｃｒ：０〜１０％、
Ｃｕ：０〜０．１％、
Ｃｏ：０〜１％、
Ｎｉ：０〜１％、
白金族元素：０〜０．５％、
ＲＥＭ：０〜０．２％、
Ｂ：０〜３％、
Ｎ：０〜０．２％、
Ｃ：０〜２％、
Ｈ：０〜０．０１３％
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつ前記チタン塊の厚さの半分以下である、
チタン塊。

（２）長手方向に垂直な断面が直径１０〜８０ｍｍの円形である円柱形状、又は、円相当直径が１０〜８０ｍｍの五角形以上の多角形である柱形状を有するチタン塊であって、
化学組成が、質量％で、
Ｏ：０．０１〜０．５％
Ｆｅ：０．０１〜５％、
Ａｌ：０〜８％、
Ｓｎ：０〜５％、
Ｚｒ：０〜１２％、
Ｍｏ：０〜１５％、
Ｔａ：０〜２％、
Ｖ：０〜２２％、
Ｎｂ：０〜２％、
Ｓｉ：０〜１％、
Ｃｒ：０〜１０％、
Ｃｕ：０〜０．１％、
Ｃｏ：０〜１％、
Ｎｉ：０〜１％、
白金族元素：０〜０．５％、
ＲＥＭ：０〜０．２％、
Ｂ：０〜３％、
Ｎ：０〜０．２％、
Ｃ：０〜２％、
Ｈ：０〜０．０１３％、
残部がチタンおよび不純物であり、
各元素の測定値の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満であり、
金属組織が、
前記チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向に延びる柱状組織を有し、前記断面の中心位置の円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつ前記断面の直径の半分以下である、
チタン塊。

（３）上記（１）または（２）のチタン塊と同種の化学組成を有する梱包材と、
前記梱包材の内部に充填された、上記（１）または（２）のチタン塊とを備え、
前記梱包材の内圧が１０Ｐａ以下である、
チタンスラブ。

（４）スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上と、化学組成を調整するために必要な元素を含む副原料とを圧縮成形してチタンブリケットを得る圧縮成形工程、
１Ｐａ以下の減圧下で前記チタンブリケットの表面に電子ビームを照射して前記チタンブリケットの全てを溶解してチタン塊とする溶解工程を備える、
上記（１）または（２）のチタン塊の製造方法。

（５）前記溶解工程が、前記チタンブリケットの任意の表面に電子ビームを照射し、その表面から厚さ方向の一部を溶解する工程、および、任意の他の表面に電子ビームを照射し、少なくとも未溶解のチタンブリケットを溶解する工程を備える、
上記（４）のチタン塊の製造方法。

本発明によれば、熱間加工または冷間加工によってチタン薄板またはチタン線材を製造するのに用いることができる素材であって、種々の化学組成を有するチタン塊を低コストで製造できる。
本発明に係るチタン塊は、厚さの薄いまたは小径のスラブ（四角柱(例えば板状)、円柱、多角柱）であり、チタン薄板や棒を製造する際の加工率が少なくて済むため、チタン薄板や棒を効率よくかつ安価に製造できる。
本発明のチタン塊は、薄肉厚の板状または小径の柱状のチタン塊であるので、肉厚中心部（板状のチタン塊）または長手方向に垂直な断面における中心部（柱状のチタン塊）の結晶粒が小さく、凝固偏析が小さい。
本発明に係るチタン塊をチタン板材からなる梱包材に充填させたチタンスラブは、熱間加工時の表面欠陥の発生を抑制できる。
本発明に係る製造方法によれば、電子ビームの照射条件を一定に調整するだけで、安定して狙いの成分のチタン鋳塊を得ることができる。

図１は、チタンブリケットの一例を模式的に示す説明図である。 図２は、チタン塊の一例を模式的に示す説明図である。 図３は、チタン塊の他の例を模式的に示す説明図である。 図４は、チタンスラブの一例を模式的に示す説明図である。 図５は、チタンスラブの他の例を模式的に示す説明図である。 図６は、分析用試料を示す模式図である。

添付図面を参照しながら、本発明に用いる原料、チタンブリケット、チタン塊、チタンスラブを順次説明する。なお、以降の説明では、化学組成に関する「％」は特に断りがない限り「質量％」を意味する。

図１は、チタンブリケット１を模式的に示す説明図であり、図２は、チタン塊２を模式的に示す説明図であり、図４および図５は、チタンスラブ３、３０を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、チタンブリケット１は、スポンジチタン１ａおよびチタンスクラップ１ｂの一種以上と、最終製品としての機能達成のために必要な元素（例えば、酸素，Ｆｅ，Ａｌ，Ｖ等）を含む副原料１ｃを混合し、例えば、直方体形状に圧縮成形して得られる。

１．チタンブリケット１の原料
まず、チタンブリケット１の原料について説明する。チタンブリケット１の原料は、スポンジチタン１ａおよびチタンスクラップ１ｂの少なくとも一方を含み、選択的に各種の元素を含有する副原料１ｃを含む。

（１−１）スポンジチタンの大きさ
チタンブリケット１の原料としてスポンジチタン１ａを用いる場合には、従来のクロール法などの製錬工程で製造されたものを用いることができる。この製錬工程で得られたスポンジチタン１ａは、通常数トンもある大きな塊であるため、従来工程と同様に破砕して粒にしたものを用いることが望ましい。

スポンジチタン１ａの大きさは、平均粒径で１ｍｍ以上２５ｍｍ以下（ただし、板状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の厚さ以下、多角柱状または円柱状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の直径以下）であることが望ましい。平均粒径が１ｍｍ未満であると、破砕するのに時間を要し、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が低下する。一方、平均粒径が２５ｍｍより大きいと、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット１を溶解できる範囲に限りがあるため、副原料１ｃと均一に溶解できない可能性がある。

（１−２）スポンジチタンの化学組成
スポンジチタン１ａは、チタン塊２の原料であり、チタンの他に、酸素、鉄、窒素、炭素、水素、塩素、マグネシウム等が含まれている。具体的には、酸素０．４０％以下、鉄０．５０％以下、窒素０．０５％以下、炭素０．０８％以下、水素０．０１３％以下、塩素０．１０％以下、マグネシウム０．１０％以下が例示される。

これらの量は、チタン塊２に求められる量と同等かそれ以下であることが望ましい。スポンジチタン１ａに含まれるチタン以外の元素の量が、チタン塊２に求められる量と同等であれば、そのままスポンジチタン１ａを使用することができる。スポンジチタン１ａに含まれるチタン以外の元素の量がチタン塊２に求められるチタン以外の元素の量よりも少ない場合には、その化学組成の必要な量の副原料１ｃを添加することにより補えばよい。

スポンジチタン１ａに含まれるチタン以外の元素の量がチタン塊２に求められるチタン以外の元素の量よりも多く、そのスポンジチタン１ａの量がチタン塊２に求められる量よりも少なければ、チタン以外の元素の量が少ない他のスポンジチタンと適切に混合してチタン以外の元素を希釈する。これにより、目標とするチタン塊２を得ることができる。しかし、そのスポンジチタン１ａのチタン以外の元素の量が多過ぎる場合には、希釈することができないために使用できない。

次に、原料として用いることができるチタンスクラップ１ｂについて説明する。

チタンスクラップ１ｂとは、チタン材の製造工程で発生する製品にならない端材や、チタン素材を製品形状とするために切削，研削した際に発生するチタン切粉、製品として使用した後の不要になったチタン材等である。

（１−３）チタンスクラップの大きさ
チタンスクラップ１ｂの大きさは、スポンジチタン１ａと同様に、平均粒径で１ｍｍ以上２５ｍｍ以下（ただし、板状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の厚さ以下、多角柱状または円柱状のチタン塊に用いる場合にはチタン塊の直径以下）であることが望ましい。平均粒径が１ｍｍ未満であると、破砕するのに時間を要し、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が低下する。一方、平均粒径が２５ｍｍより大きいと、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット１を溶解できる範囲に限りがあるため、添加した副原料１ｃと均一溶解できない可能性がある。

チタンスクラップ１ｂは、そのままの状態で金型に充填してもよいが、かさ比重の小さいチタン切粉等は、より効率的に、またはより多く充填するために、予め圧縮してかさ比重を大きくしたり、スポンジチタン１ａと混合した後で充填してもよい。

（１−４）チタンスクラップの化学組成
チタンスクラップ１ｂは、スポンジチタン１ａと混合する場合、当該スポンジチタン１ａと同種のＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種またはＪＩＳ４種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条）に相当する化学組成とすることが好ましい。チタンスクラップ１ｂは、チタン塊２の目標とする化学組成と同種であってもよい。ここで、同種の化学組成であるとは、具体的には、ＪＩＳの同じ規格に属することを意味する。例えば、スポンジチタン１ａの化学組成がＪＩＳ１種に属する場合には、混合するチタンスクラップ１ｂもＪＩＳ１種に属する化学組成としてもよい。あるいは、ＪＩＳ２種に属する化学組成のチタン塊２を得たい場合には、スポンジチタン１ａがＪＩＳ１種に属する化学組成であっても、チタンスクラップ１ｂをＪＩＳ２種に属する化学組成にしてもよいし、これ以外の化学組成とし、不足する酸素や鉄は副原料１ｃを添加することにより調整してもよい。

次に、原料として用いることができる副原料１ｃを説明する。

副原料１ｃは、目標とする化学組成のチタン塊２を得るために、スポンジチタン１ａおよびチタンスクラップ１ｂの１種以上に添加する。例えば、酸素を添加する場合は酸化チタンを、鉄を添加する場合は電解鉄粒を、Ａｌを添加したい場合はＡｌ粒を、ＡｌとＶを増加したい場合はＡｌ−Ｖ合金粒を、ＦｅとＭｏを増加したい場合はＦｅ−Ｍｏ合金を、それぞれ副原料１ｃとして添加する。副原料１ｃは、１種類のみを添加しても良いし、複数種類を同時に添加してもよい。

（１−５）副原料の大きさ
副原料１ｃの大きさは、平均粒径で０．１μｍ以上１０ｍｍ以下の粉末あるいは粒状であることが望ましい。平均粒径が０．１μｍ未満の粉末では、このような微粉を搬送したり混合する際に、容易に舞い上がり周囲に飛散するために、所定の質量を添加できなくなる。

一方、平均粒径が１０ｍｍより大きい粒であると、後工程の電子ビームを照射してチタンブリケット１を溶解できる範囲に限りがあるため、スポンジチタン１ａおよびチタンスクラップ１ｂと均一に溶解できないため望ましくない。

２．チタン塊
図２に示すように、チタン塊２は、スポンジチタン１ａを円柱状、角柱状や多角柱状の棒形状に圧縮成形してチタンブリケット１にした後、その表面を溶解したものであり、その表面に柱状組織２ａ，２ｂを備えている。チタン塊２は、後述するように、チタン板材により作製した容器（梱包材）に充填されることで、チタンスラブ３を形成する材料となる。あるいは、チタン塊２は、熱間加工用素材（中間製品）として利用され得る。この場合、チタン塊２は、その大きさや形状により、チタンスラブ、チタンビレット、またはチタンブルームとも称す。

（２−１）チタン塊の化学組成
チタン塊２の化学組成は、チタンブリケット１の原料として利用されるスポンジチタン１ａおよび／またはチタンスクラップ１ｂの化学組成やその重量割合、添加する副原料１ｃの化学組成とその重量割合によって決まる。このため、目標となるチタン塊２の化学組成が得られるように、予め、スポンジチタン１ａおよびチタンスクラップ１ｂ、副原料１ｃの化学組成を化学分析等により把握しておき、その化学組成に応じて、必要な各々の原料の重量を求める。なお、電子ビーム溶解により、揮発除去される元素（例えば塩素やマグネシウム）は、チタンブリケット１に含まれていたとしても、チタン塊２には含まれない。

本発明のチタン塊の化学組成は、質量％で、Ｏ：０．０１〜０．５％、Ｆｅ：０．０１〜５％、Ａｌ：０〜８％、Ｓｎ：０〜５％、Ｚｒ：０〜１２％、Ｍｏ：０〜１５％、Ｔａ：０〜２％、Ｖ：０〜２２％、Ｎｂ：０〜２％、Ｓｉ：０〜１％、Ｃｒ：０〜１０％、Ｃｕ：０〜０．１％、Ｃｏ：０〜１％、Ｎｉ：０〜１％、白金族元素：０〜０．５％、ＲＥＭ：０〜０．２％、Ｂ：０〜３％、Ｎ：０〜０．２％、Ｃ：０〜２％、Ｈ：０〜０．０１３％、残部がチタンおよび不純物である。

白金族元素は、具体的には、Ｒｕ，Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔから選択される一種以上であり、白金族元素の含有量は上記元素の合計含有量を意味する。また、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。

チタン塊における残部チタンの含有量は７０％以上であることが好ましい。必要に応じて、７５％以上、８０％以上、８５％以上としてもよい。Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、白金族元素、ＲＥＭ、及びＢの含有は必須ではなく、それぞれの含有量の下限は、０％である。必要に応じて、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、白金族元素、ＲＥＭ、及びＢのそれぞれの含有量の下限は、いずれも、０．０１％、０．０５％、０．１％、０．２％、又は０．５％としてもよい。

Ｏの上限は、０．４％、０．３％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｆｅの上限は、３％、２％、１％、又は０．５％としてもよい。Ａｌの含有量の上限は、５％、３％、２％、又は１％としてもよい。Ｓｎの含有量の上限は、３％、２％、１％、又は０．５％としてもよい。Ｚｒの含有量の上限は、１０％、８％、５％、又は２％としてもよい。Ｍｏの含有量の上限は、１２％、９％、４％、又は２％としてもよい。Ｔａの含有量の上限は、１％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｖの含有量の上限は、１８％、１５％、１０％、又は５％としてもよい。Ｎｂの含有量の上限は、１％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｓｉの含有量の上限は、０．８％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｃｒの含有量の上限は、８％、５％、２％、又は１％としてもよい。Ｃｏの含有量の上限は、０．８％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｎｉの含有量の上限は、０．８％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。白金族元素の含有量の上限は、０．４％、０．３％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｎの上限は、０．１％、０．０５％、０．０３％、又は０．０２％としてもよい。Ｃｕの上限は、０．８％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。Ｃの上限は、１％、０．５％、０．２％、又は０．１％としてもよい。ＲＥＭの含有量の上限は、０．１％、０．０５％、０．０３％、又は０．０２％としてもよい。Ｂの含有量の上限は、２％、１％、０．５％、又は０．３％としてもよい。
それぞれの元素の添加目的を表１に示す。

チタン塊２は、各種の規格に定められた化学組成範囲に満足するように製造されることが好ましい。ＡＳＴＭ規格やＡＭＳ規格もあるが、以下、代表的な規格として主にＪＩＳ規格を中心に例示する。本発明は、これらの規格のチタン又はチタン合金の製造に用いることができる。

（２−１−１）工業用純チタン
工業用純チタンは、酸素とＦｅを調整したＪＩＳ１種〜ＪＩＳ４種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条）に属する工業用純チタンに例示される。工業用純チタンは、酸素とＦｅが少ないほど加工性が良好であり、酸素とＦｅが多いほど高強度である。ＪＩＳ１種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．１５％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｆｅ：０．２０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有するチタンである。ＪＩＳ２種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．２０％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｆｅ：０．２５％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有するチタンである。ＪＩＳ３種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１４％以下、Ｏ：０．３０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．３０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有するチタンである。ＪＩＳ４種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１５％以下、Ｏ：０．４０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有するチタンである。

（２−１−２）耐食チタン合金
耐食チタン合金は、Ｐｄ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｃｏ等を含むＪＩＳ１１種〜ＪＩＳ２３種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条）に属するチタン合金に例示される。耐食チタン合金は、耐食性および耐隙間腐食性に優れる。

（２−１−３）チタン合金
チタン合金は、Ｔｉ−１．５Ａｌ（（ＪＩＳ５０種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条））、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＪＩＳ６０種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条））、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ（ＪＩＳ６１種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条））、Ｔｉ−４Ａｌ−２２Ｖ（ＪＩＳ８０種（ＪＩＳ Ｈ ４６００（２０１２年）チタン及びチタン合金−板及び条））などが例示される。

Ｔｉ−１．５Ａｌは、耐食性に優れ、耐水素吸収性および耐熱性に優れる。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖは、高強度で汎用性が高い。

Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖは、溶接性、成形性が良好で、切削性が良好である。

Ｔｉ−４Ａｌ−２２Ｖは、高強度で冷間加工性に優れる。

本発明によれば、上記以外にＪＩＳに規定されていない化学組成を有するチタン塊２を製造することもできる。例えば、以下に列記の通りである。

耐熱性を有するＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．０８Ｓｉ，Ｔｉ−６Ａｌ−５Ｚｒ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ，Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ等と、
低合金で高強度のＴｉ−１〜１．５Ｆｅ−０．３〜０．５Ｏ−０．０１〜０．０４Ｎ等と、 耐クリープ性に優れるＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ等と、
高強度で冷間加工性の良いＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ，Ｔｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎ等と、
高強度高靭性のＴｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ等と、
耐摩耗性Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１０Ｃｒ−１．３Ｃ等が例示される。

（２−２）チタン塊の形状
チタン塊２の形状は、板状又は柱状が好適である。板状のチタン塊２の厚さは７〜８０ｍｍである。厚さの上限は、７０ｍｍ、６０ｍｍ、５０ｍｍ又は４０ｍｍでもよい。柱状のチタン塊２は、長手方向に垂直な断面における形状が円形の場合と五角形以上の多角形の場合がある。断面形状が円形の場合、断面の直径を１０〜８０ｍｍとする。断面の直径の上限は、７０ｍｍ、６０ｍｍ、５０ｍｍ又は４０ｍｍでもよい。多角形の場合、その円相当直径を１０〜８０ｍｍとする。円相当直径の上限は、７０ｍｍ、６０ｍｍ、５０ｍｍ又は４０ｍｍでもよい。なお、円相当直径とは、断面の面積に相当する円の直径とする。

板状のチタン塊２の幅は、特に規定する必要はない。ただし、その下限は、厚さと同等、又は１００ｍｍとしてもよい。その上限は、１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、２０００ｍｍとしても良い。チタン塊２の長さは、特に規定する必要はない。ただし、その下限は、板幅、直径、又は円相当直径と同等、又は１００ｍｍとしてもよい。その上限は、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、３０００ｍｍ、５０００ｍｍ、１００００ｍｍとしても良い。

チタンブリケット１には空隙１ｄがあるため、チタンブリケット１から作製したチタン塊２の体積は、チタンブリケット１のそれより小さくなる。このため、所望の寸法のチタン塊２を得るためには、チタンブリケット１のかさ比重を考慮してチタンブリケット１の寸法を決める必要がある。

例えば、厚さ５０ｍｍの直方体形状のチタン塊２（かさ比重４．５）を得るためには、厚さ７０ｍｍの直方体形状のチタンブリケット１（かさ比重３．２）を用意すればよい。また、直径５０ｍｍの円柱形状のチタン塊２（かさ比重４．５）を得るためには、直径は６０ｍｍの円柱状のチタンブリケット１（かさ比重３．１）を用意すればよい。

チタン塊２が、板状の場合、その厚さが７ｍｍ未満ではチタンブリケット１の厚さも薄く、強度が小さくなる。この場合、移動や反転等、チタンブリケット１を扱う際に割れたり、角が欠けたりする。一方、その厚さが８０ｍｍより大きいと、後述するチタン塊の製造工程において、チタンブリケット１の溶解深さを大きくする必要がある。この場合、溶解後の冷却速度が遅くなって、結晶粒が粗大になってしまう。また、従来の溶解工程と同様に、巨大な出力の電子ビームが必要となる。

チタン塊２が、柱形状の場合、その直径（多角柱形状の場合は、円相当直径）が、１０ｍｍ未満では、チタンブリケット１の直径も小さく、強度が小さくなる。この場合、移動や回転等、チタンブリケット１を扱う際に割れたり、折れたりする。一方、その直径（多角柱形状の場合は、円相当直径）が８０ｍｍより大きくなると、後述するチタン塊の製造工程において、チタンブリケット１の溶解深さを大きくする必要がある。この場合、その後の冷却速度が遅くなり、結晶粒が粗大になってしまう。また、従来の溶解工程と同様に、巨大な出力の電子ビームが必要となる。

（２−３）チタン塊の結晶粒の大きさ
チタン塊２が板状であり、厚さが７〜８０ｍｍである場合、図２に示すように、チタン塊２の金属組織は、チタン塊２の表面から厚さ方向に延びる柱状組織２ａ，２ｂとなる。チタン塊２の板幅方向及び長手方向の中央部かつ厚さ方向の中央部（図２中の符号Ａで示す領域、以下、中央領域と称す。なお、中央領域は、板厚方向の中央部にある。）における円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつチタン塊２の厚さの半分以下である。チタン塊２が直径１０〜８０ｍｍの円形である円柱形状、または、五角形以上の多角形であり、かつ円相当直径（断面積が同多角形の断面積と同じになる円の直径）が１０〜８０ｍｍの多角柱形状を有する場合には、図３に示すように、チタン塊２の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向（径方向）に延びる柱状組織３０ａとなる。長手方向の中央部で、かつ前記断面の中心位置の（図中の符号Ｃで示す領域、以下中心領域と称す）の円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつチタン塊２の断面直径の半分以下である。これにより、チタン塊２を熱間加工する場合に少ない加工率であっても容易に結晶粒を分断でき、製品に必要な細粒にすることができる。

なお、チタンブリケット表面に電子ビームを照射して溶解したチタン塊は、照射がなくなると速やかに凝固して、急速に表面から冷却される。このため、チタン塊２の長手方向に垂直な断面において、表面から、当該表面の面直方向に向かって柱状に伸びた結晶粒となる。チタン塊（板状）の厚さは、従来の鋳塊（通常２００〜４００ｍｍ）に比べ、７〜８０ｍｍと薄いため、チタン塊の中央領域も速やかに冷却する。このため、中央領域の平均結晶粒は、円相当直径で１０ｍｍ以下、かつ厚さの半分以下となる。同様に、チタン塊（柱状）の直径は、従来の鋳塊に比べ、７〜８０ｍｍと短いため、チタン塊の中心領域も速やかに冷却する。これにより、チタン塊２を熱間加工する場合に小さい加工率であっても容易に結晶粒を分断でき、製品に必要な細粒にすることができる。

図２では、表面側と裏面側から延びる柱状組織の長さは、ほぼ同じである。換言すると、表面側と裏面から柱状に伸びた結晶の長さは、ほぼ同じである。しかし、表面側と裏面側からの照射する電子ビームの出力を大きく変えることにより、表面側からの柱状組織の長さと裏面側からの柱状組織の長さを、変えても差し支えない。この場合においても、板厚中央付近の冷却速度が速いので、中央領域の平均結晶粒が円相当直径で１０ｍｍ以下、かつ厚さの半分以下とする。図３では、円柱表面から延びる柱状組織の長さは同じであるが、必ずしも長さが同じでなくてもよい。この場合も、中心領域付近の冷却速度が速いので、円柱の中心領域の平均結晶粒が円相当直径で１０ｍｍ以下、かつ直径の半分以下とする。また、図２では、側面に対し板幅方向へ電子ビームを照射した結果、側面から短い長さの柱状組織が、板幅方向に延びている。このような側面に対する電子ビームの照射が好ましいが、全てのチタンブリケット１が溶解さえできるのであれば、側面に対する電子ビームの照射は必須ではない。

平均結晶粒の円相当直径の下限は、特に定めないが、チタン塊２で結晶粒径を小さくするためには、チタン塊２の厚さを極端に薄くすることが必要である。しかし、製造可能なチタン塊２の厚さに限られることから、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。

ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンやα型チタン合金の場合はα相の結晶粒であり、α＋β二相チタン合金やβ型チタン合金の場合はβ相の結晶粒である。結晶粒は、チタン塊２の長手方向に垂直な断面を研磨した後、ふっ硝酸でエッチングすると目視であるいはルーペ（拡大鏡）で拡大して観察できる。チタン塊の中央領域（表面から厚さの１／２に位置する領域）の結晶を観察して結晶粒数を求め、観察面積をその結晶粒数で除して、結晶１個当たりの平均の面積を算出して、円相当直径を求めることにより、平均結晶粒を算出する。１００〜２００個の結晶粒が観察される領域に円を描き、その円の面積を「観察面積」とし、その円内に観察される結晶粒の数を「結晶粒数」とする。平均結晶粒径が小さく、目視で観察し難い場合は、光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、同様にして平均結晶粒を求めてもよい。

なお、チタン塊２においては、電子ビームでチタンブリケットの一部を溶解して順次凝固させることにより、最終的にチタンブリケット全体を溶解して凝固させる。溶解する範囲は、電子ビームが照射されている部分に限定されるため、溶解しているチタン塊（チタンブリケット）の量はわずかである。このため、凝固時にチタン以外の元素の濃化が少なく、すなわち凝固偏析も小さい。このため、添加されたチタン以外の元素の成分の場所による変動も小さく抑えられる。また、予め均一に混合したチタンブリケットを部分的に順次溶解するため、チタン原料の溶解むらはなく、電子ビーム照射が万が一停止するトラブルがあっても、その位置から再度、溶解すれば何ら問題は生じない。このように、直接スラブ鋳造方法のようなスラブの長手方向の成分の変動も抑えられる。すなわち、チタン塊２の長手方向における成分変動は少なく、その化学組成は均一である。

チタン塊２の成分分析は、チタン塊２の所定の位置から分析用の試料を必要量採取し、以下に列記のいずれかの分析方法により行った。
JIS H 1612(1993年) チタン及びチタン合金中の窒素定量方法
JIS H 1614(1995年) チタン及びチタン合金中の鉄定量方法
JIS H 1617(1995年) チタン及びチタン合金中の炭素定量方法
JIS H 1619(2012年) チタン及びチタン合金−水素定量方法
JIS H 1620(1995年) チタン及びチタン合金中の酸素定量方法
JIS H 1621(1992年) チタン合金中のパラジウム定量方法
JIS H 1622(1998年) チタン合金−アルミニウム定量方法
JIS H 1624(2005年) チタン合金−バナジウム定量方法
JIS H 1625(2005年) チタン合金−ランタン,セリウム,プラセオジム及びネオジム定量方法
JIS H 1630(1995年) チタンの発光分光分析方法
JIS H 1631(2008年) チタン合金−蛍光X線分析方法
JIS H 1632(2014年) チタンのICP発光分光分析方法

図６は、分析用試料を示す模式図である。図６に示すように、分析用の試料として、チタン塊２の長手方向の先端および後端から各５０ｍｍの位置（端部領域）の２か所と、その間を３等分して各等分の長さの中央位置の３か所の合計５ヶ所から採取した。チタン塊２の断面では、直方体形状（スラブ）のチタン塊２の場合、幅方向中心での表面と裏面の表層２か所で、円柱形状（インゴット）のチタン塊の場合、断面中心対称となる表層２か所から採取した。さらに、長手方向先端および後端から各５０ｍｍの位置では、厚さ中心／直径方向の中心からも採取した。このようにして、合計１２か所（図６中の●の位置）から分析用試料を採取して分析を行い、化学組成の均一性は、下記のようにして評価した。

各元素の含有量の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満の場合、均一であると評価する。例えば、Ｏの測定値の最小値が０．０４％、最大値が０．０５％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０１％）は、０．０４％未満であるため、均一であると評価される。また、Ｏの測定値の最小値が０．３０％、最大値が０．３２％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０２％）は、０．２Ｃ_ＭＩＮ（＝０．０６０％）未満であるため、均一であると評価される。例えば、Ｏの測定値の最小値が０．０３％、最大値が０．０５％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０２％）は、０．０４％未満であるため、均一であると評価される。また、Ｏの測定値の最小値が０．３０％、最大値が０．３５％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０５％）は、０．２Ｃ_ＭＩＮ（＝０．０６０％）未満であるため、均一であると評価される。

３．チタンブリケットの製造方法
チタンブリケット１は、図１に示すように、上記の原料１ａ，１ｂおよび副原料１ｃを圧縮成形して作製された成形体である。

スポンジチタン１ａやチタンスクラップ１ｂは不定形であるため、このままでは所定の形状（直方体、角柱や円柱等）にすることができない。まず、必要なスポンジチタン１ａ、チタンスクラップ１ｂおよび副原料１ｃを容器に入れて混合する。チタンに比べて揮発しやすい元素は、後段の電子ビーム照射により揮発して減少するため、予めその揮発量を考慮した量の元素を添加しておくのがよい。

混合した原料は、所望の大きさのチタンブリケット１の断面と同じ形状の金型に投入して、所定の圧力で圧縮加工して、チタンブリケット１が得られる。圧縮成形する際の雰囲気は通常、常温の大気（空気）である。

混合手段は、特に問わないが、生産性等の観点から、以下に説明する手段を採ることが望ましい。

（ａ）混合容器に所定量のスポンジチタン１ａ、チタンスクラップ１ｂと副原料１ｃを投入する。

（ｂ）混合容器内でスポンジチタン１ａ、チタンスクラップ１ｂと副原料１ｃが均一に混合するように撹拌する。撹拌する方法は、混合容器を上下方向に回転させたり、水平から２０〜７０°傾けて斜め方向に回転させたり、混合容器を上下方向や水平方向等に振動させたり、混合容器内に撹拌子を挿入して撹拌子を回転させたりする等である。

（ｃ）撹拌時間は、混合容器の大きさや混合するスポンジチタン１ａ、チタンスクラップ１ｂと副原料１ｃの量によるが、１〜３０分間である。生産性を考慮すると、数分間で均一に混合できるように、混合容器の大きさや処理量を決めることが望ましい。

（ｄ）混合したスポンジチタン１ａ、チタンスクラップ１ｂと副原料１ｃは、混合容器から圧縮成形用のプレス金型へ投入して、圧縮成形を行う。これにより、副原料１ｃが均一に分散したスポンジチタンブリケット１が得られる。

チタンブリケット１の大きさは、チタン塊２の大きさや、圧縮加工装置から制約される金型の大きさに応じて適宜決めればよい。

４．チタン塊２の製造方法
本発明に係るチタン塊２は、図２に示すように、上記で製作したチタンブリケット１から得られる。

（４−１）雰囲気
チタンブリケット１は、チャンバー内に格納されて、チャンバー内を１Ｐａ以下になるように減圧にする。チタンブリケット１の内部には空気（酸素や窒素）の入った空隙１ｄが多数あり、このまま溶解すると、チタン塊２が酸化、窒化したり、気泡が残ったりして、熱間加工後に割れや表面疵の原因になる。このため、１Ｐａ以下になるように減圧して、チタンブリケット１の内部の空隙１ｄから空気を排除する。

圧力の下限は特に限定されないが、チャンバー内の圧力を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強させたりするなどにより製造コストが上昇するため、チャンバー内の圧力の下限は１×１０^−３Ｐａとすることが望ましい。

（４−２）溶解
減圧されたチャンバー内に設置されたチタンブリケット１は、まず上面に電子ビームが照射され、順次、溶解及び凝固される。詳細には、チタンブリケット１の厚さ方向の一部（例えばおよそ半分）２ａに対し、電子ビームを照射して順次溶解し、凝固させる。電子ビームにより溶解できる範囲には限りがあるため、電子ビームの照射方向を動かしたり、チタンブリケット１を動かしたりして、チタンブリケット１の上面全体に電子ビームを照射して、チタンブリケット１の厚さ方向の一部２ａを溶解し、凝固させる。

その後、チタンブリケット１を反転させて、他の面（側面、端面や裏面）を上側にして、まだ溶解及び凝固していない厚さ方向の残りの一部（例えばおよそ半分）２ｂを、同様に電子ビームを照射し、チタンブリケット１の厚さ方向の全域を順次溶解及び凝固させてチタン塊とする。これにより、表面から厚さ方向に延びる柱状組織が得られる。図３に示す円柱状のチタンブリケット１の場合は、円周面を溶解する際には、円柱の軸周りに回転させながら、電子ビームを照射し、チタン塊とてもよい。これにより、チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向（径方向）に延びる柱状組織が得られる。このように、溶解時にチタンブリケットを転回（板状ブリケットの反転、円柱状ブリケットの回転）することにより、チタンブリケットの全てを溶解及び凝固させてチタン塊とすることが可能となる。

チタンブリケット１の厚さ方向の一部２ａを溶解する際には、チタンブリケット１の厚さ方向全体や径方向全体を溶解しないように電子ビームを調整する。厚さ全体や径方向全体を溶解すると（いわゆる電子ビームが突き抜けて）、溶融したチタンがチタンブリケット１の下方から流れ出して、所望の形状を維持できなくなる。

このため、チタンブリケット１の溶解深さはチタンブリケット１の板厚未満または直径未満になるようにする。通常は、厚さや直径の半分程度を溶解して、反転あるいは回転させて残りの半分程度を溶解することによって、チタンブリケッ１の全体を溶解することが望ましい。

なお、チタンブリケット１の大きさ（幅や長さ）には制約があるため、大きなチタン塊２を得る際は、複数個のチタンブリケット１を並べて電子ビームにより溶解接合すればよい。又、空隙１ｄからの空気除去処理、及び電子ビームによるチタンブリケット１の溶解処理(反転後の溶解も含む)は、減圧下において連続的に行われることが好ましい。

５．チタンスラブ３
次に、本発明に係るチタン塊２を用いたチタンスラブ３とチタン板材４ａを説明する。

図４または図５に示すように、チタンスラブ３は、上記で得られたチタン塊２、２０を、同種の化学組成を有するチタン板材４ａ、４０ａにより作製した容器（梱包材）４、４０に充填し、梱包材４、４０のつなぎ目を全て溶接して溶接部５、５０を形成したものである。チタンスラブ３は、その大きさや形状により、チタンビレットやチタンブルームとも称し、熱間加工用素材(中間製品)を示す。

本発明に係るチタンスラブ３は、チタン板材４ａにより覆われた内部が真空であり、本発明に係るチタン塊２を格納したものである。

図４に示すように、本発明に係るチタンスラブ３は、チタン板材４ａにより形成された梱包材４と、梱包材４の内部に充填されたチタン塊２とを備えるチタンスラブであって、梱包材４の内圧が、絶対圧で１０Ｐａ以下であり、チタン板材４ａはチタン塊２と同種の化学組成を有する、加工用素材である。前述のように、チタン塊２は、各種の規格に定められた化学組成範囲に満足するように製造されることが多い。梱包材４の化学組成は、チタン塊２に求められる規格と同じ化学組成範囲となることが好ましい。すなわち、同種とは、梱包材４とチタン塊２が同じ規格の化学組成範囲内となることを意味する。

梱包材４を形成するチタン板材４ａを説明する。

チタン板材４ａは、圧延，押出し，引抜き，鍛造などの熱間または冷間での塑性加工によって造られたチタン板やチタン管である。チタン板材４ａは、塑性加工されているため、表面が平滑で組織が細かい（結晶粒が小さい）という利点がある。

（５−１）厚さ
梱包材４が直方体である場合、チタン板材４ａの厚さは、作製する梱包材４の大きさによって異なるが、０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが望ましい。梱包材４が大きいほど、強度や剛性が必要であるため、より厚いチタン板材４ａを用いる。

０．５ｍｍ未満では熱間加工前の加熱時に梱包材４が変形したり、熱間加工初期に破断したりする可能性があるので好ましくない。３０ｍｍより厚いと、チタンスラブ３の厚さに占めるチタン板材４ａの割合が大きくなり、チタン塊２の充填量が少なくなるため、チタン塊２を加工する量が少なく、製造効率が劣り望ましくない。チタン板材４ａの厚さはコスト低減のためには薄いことが好ましく、２０ｍｍ以下、１０ｍｍ又は５ｍｍ以下としてもよい。熱間加工初期の破断を確実に防止するため、厚さを１ｍｍ以上、２ｍｍ以上又は３ｍｍ以上としてもよい。

さらに、チタン板材４ａの厚さは、チタンスラブ３の厚さの３％以上２５％以下であることが望ましい。チタン板材４ａの厚さが、チタンスラブ３の厚さの３％より薄いと、チタン塊２を保持し難くなり、熱間加工前の加熱時に大きく変形したり、梱包材４の溶接部５が破断したりする。

一方、チタン板材４ａの厚さが、チタンスラブ３の厚さの２５％より厚いと、製造上の問題は特にないものの、チタンスラブ３の厚さに占めるチタン板材４ａの割合が大きくなり、チタン塊２の充填量が少なくなるため、チタン塊２を加工する量が少なく、製造効率が劣り好ましくない。

梱包材４が管である場合も同様で、作製する梱包材４の大きさによってチタン板材４ａの厚さは異なるが、管の肉厚は０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが望ましい。さらに、直方体の場合と同様に、チタン板材４ａの厚さは、チタンスラブ３の直径の３％以上２５％以下であることが望ましい。また、図５に示すように、チタン板材４０ａを中空管状に曲げて作製した梱包材４０の内部にチタン塊２を充填し、チタン板材４０ａの端部を溶接して溶接部５０を形成することによりチタンスラブ３０としてもよい。

（５−２）化学組成
梱包材４は、チタン塊２と同種の化学組成であることが必要である。ここで、同種の化学組成であることとは、具体的には、ＪＩＳの同じ規格に属することを意味する。例えば、チタン塊２の化学組成がＪＩＳ１種に属する場合には、梱包材４もＪＩＳ１種に属する化学組成とする。ここで、チタン塊２に求められる規格は、売買時又は製造時の書類により確認することができる。また、この規格は、チタン塊２の表面の表示からも確認できる場合もある。必要に応じて、チタン塊２の化学組成（実績値）から±３０％以内、±２０％以内、±１５％以内、±１０％以内、±８％以内、±５％以内、又は±３％以内としてもよい。

このように、梱包材４の化学組成を、チタン塊２と同種の化学組成とすることにより、加工後のチタンスラブの表層と内部とを同等の化学組成とすることができ、そのままチタン塊として扱うことができる。

（５−３）梱包材４の結晶粒の大きさ
チタン板材４ａは、適度な塑性加工を施して熱処理することにより、その結晶粒を調整することができる。梱包材４に用いるチタン板材４ａの平均結晶粒は、円相当直径で５００μｍ以下にすることが望ましい。これにより、チタンスラブ３を熱間加工した場合に、粗大な結晶の結晶方位の違いによって発生する表面疵を抑制することができる。

平均結晶粒の円相当直径の下限は、特に定めないが、チタン板材４ａで結晶粒径を極端に小さくするためには、塑性加工時の加工割合を大きくすることが必要であり、梱包材４として使用できるチタン板材４ａの厚さが限られるため、１０μｍ以上であることが望ましく、１５μｍより大きいことがさらに望ましい。

ここで対象とする結晶粒は、工業用純チタンやα型チタン合金の場合はα相の結晶粒であり、β型チタン合金の場合はβ相の結晶粒である。α＋β二相チタン合金の場合はα相の集合組織体（αコロニー）である。αコロニーは、同じ結晶方位のα結晶粒の集合体である。

工業用純チタンやα型チタン合金、β型チタン合金の平均結晶粒は、梱包材４を構成するチタン板材４ａの板厚方向を含む断面の組織を光学顕微鏡で観察して写真撮影を行い、その組織写真から、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２００５）に準拠した切断法により、チタン板材４ａの表層（表面から深さ０．３ｍｍまでの領域）の平均結晶粒を求める。

α＋β二相チタン合金の平均結晶粒径（αコロニーの大きさ）は、ＥＢＳＤ（電子線後方散乱回折；Electron Backscatter Diffraction）を用いて、以下に示す方法により求める。

まず、チタン板材４ａからなる梱包材４の板厚方向を含む断面を観察面とする試験片を採取し、次に、試験片の観察面の表層（表面から深さ０．３ｍｍまでの領域）について、縦２．４ｍｍ横１．８ｍｍの矩形の領域を視野とし、測定間隔は２．３μｍ、加速電圧１５ｋＶで、ＥＢＳＤを用いて測定する。得られた測定結果から、菊池パターン解析よりＰＱ（パターンクオリティ）マップと相マップを作成し、α相を抽出する。なお、菊池パターン解析は、β相を排除してα相のみを対象として行う。次に、隣り合うＥＢＳＤ測定点の結晶方位の角度差を１５°以下としてαコロニーを決定し、そのαコロニーの測定点数から各αコロニーの面積を求め、円相当直径を算出する。

次に、チタンスラブ３を説明する。

（５−４）形状
チタンスラブ３の形状は、制限されるものではないが、製造されるチタン塊の形状によって決められる。チタン薄板を製造する場合は、チタンスラブ３は直方体形状（スラブ）とする。チタンスラブ３の厚さ、幅および長さは、製品の厚さ、幅および長さ、製造量（重量）などにより決められる。

チタン丸棒、線材または押出し形材を製造する場合は、チタンスラブ３は円柱形や八角柱などの多角柱形状（ビレット）である。その大きさ（直径、長さ）は、製品の大きさ厚さ、幅および長さ、製造量（重量）などにより決められる。

（５−５）内部
チタンスラブ３の内部には、チタン塊２が充填されている。チタン塊２は１個あるいは複数個充填可能である。チタン塊２と梱包材４の間やチタン塊２同士の間には空隙６がある。この空隙６に空気があると、熱間加工前の加熱した際に、充填されたチタン塊２が酸化または窒化してしまい、その後に加工し得られたチタン材が脆くなって、必要な材料特性が得られなくなる。

また、Ａｒガスなどの不活性ガスを充填すると、チタン塊２や梱包体６の酸化または窒化を抑制することができるものの、加熱時にＡｒガスが熱膨張して梱包材４を押し広げ、チタンスラブ３が変形してしまい、熱間加工できなくなる。

以上の理由により、チタン塊２と梱包材４の間やチタン塊２同士の間の空隙は、極力減圧にしなければならない。具体的には、絶対圧で１０Ｐａ以下とすることが望ましく、さらに望ましくは１Ｐａ以下である。

梱包材４の内圧が１０Ｐａより大きいと、残留している空気により、チタン塊２や梱包材４が酸化または窒化してしまう。下限は、特に限定されないが、内圧を極端に小さくするためには、装置の気密性を向上させたり、真空排気機器を増強させたりするなどにより製造コストが上がるため、内圧の下限は１×１０^−３Ｐａとすることが望ましい。

なお、作製されたチタンスラブ３の内圧は、以下のように測定することができる。すなわち、水中または真空チャンバー内で、チタンスラブ３に穴をあけて、内部に残存しているガス（空気）を全量回収してその体積を測定するか、真空度の変化に基づいてその体積を計算することができる。又、チタンスラブ３内の空隙の体積は、内部に侵入した水を回収してその体積を求めることでも把握できる。本方法により、少なくとも、チタンスラブ３の内圧が、１０Ｐａ以下であることを確認することができる。

（５−６）減圧方法
次に、梱包材４の内部を減圧して真空に保つ方法を説明する。

梱包材４は、チタン塊２を充填した後、所定の内圧以下になるように減圧して密閉されたものである。あるいは、チタン板材４ａ同士を部分的に接合してから、減圧し、密閉してもよい。密閉することにより、空気が侵入することなく、熱間加工前の加熱時に内部のチタン塊２や梱包材４が酸化されることがない。

密閉方法は、特に限定されないが、チタン板材４ａ同士を溶接して密閉するのが好ましい。この場合、溶接部５は、チタン板材４ａの継ぎ目の全てを溶接して形成する、すなわち全周溶接を行う。チタン板材４ａを溶接する方法は、ティグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接、電子ビーム溶接やレーザー溶接など、特に限定はされない。

溶接する雰囲気は、チタン塊２および梱包材４の内面が、酸化または窒化されないように、減圧下でまたは不活性ガス雰囲気で溶接を行う。チタン板材４ａのつなぎ目を最後に溶接する場合は、梱包材４を減圧下の容器（チャンバー）に入れて溶接を行い、梱包材４の内部を減圧状態に保つことが望ましい。

その他、予め、梱包材４の一部に配管を設けて、不活性ガス雰囲気で全周を溶接した後、その配管を通じて所定の内圧にまで減圧にして、配管を圧着などにより封じることにより、梱包材４の内部を減圧状態にしてもよい。なお、この場合、配管は、後工程の熱間加工の際に不具合にならない位置、例えば、後端面に施工すればよい。

（５−７）加工
以上のようにして得られた、従来よりも薄肉あるいは細径のチタン塊２やチタンスラブ３は、熱間加工や冷間加工して所望の形状にする。加工の方法は、チタンスラブの形状によって異なるが、いずれも薄肉あるいは細径であるため、所望の大きさまで容易に加工することができる。

チタン板を製造する場合は、直方体形状（スラブ）のチタン塊２あるいはチタンスラブ３を加熱して、熱間圧延を行いチタン板とする。必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。

チタン丸棒や線材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン塊２あるいはチタンスラブ３を加熱して、熱間鍛造、熱間圧延や熱間押出しを行い、チタン丸棒や線材とする。また、必要に応じて、従来工程と同様に、酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延等を行い、さらに細く加工してもよい。チタン押出し型材を製造する場合は、円柱や多角柱形状のチタン塊２あるいはチタンスラブ３を加熱して、熱間押出しを行い、種々の断面形状のチタン形材とする。

チタン塊２を用いた場合は、熱間加工後の板や丸棒、形材の表面にヘゲ状の欠陥が発生する場合がある。この場合は、表面を切削、酸洗等により表面欠陥を除去する。

チタンスラブ３を用いた場合は、熱間加工後の板や丸棒、形材の表面は良好であり、表面を手入れする必要はない。

次に、本発明の実施例について説明する。

原料のチタン源としては、クロール法により製造したスポンジチタン（粒度＝０．２５ｍｍ以上１９ｍｍ以下）で、酸素含有量０．０３％、鉄含有量０．０２％、窒素含有量０．００２％、炭素含有量０．００１％、水素含有量０．００１％を用いた。また、チタンスクラップとして、ＪＩＳ１種（酸素含有量０．０４％、鉄含有量０．０３％、窒素含有量０．００１％、炭素含有量０．００３％、水素含有量０．００７％）の薄板を２０〜３０ｍｍ角に切断したものを一部（表１のＮｏ．１１，１２参照）で使用した。

副原料としては、酸化チタン粉、電解鉄、Ｐｄ粉粒、Ａｌ粒、Ａｌ−Ｖ合金粒、Ｓｎ粒、Ｚｒ粒、Ｍｏ粉、Ｔａ粉、Ｎｂ粉、Ｓｉ粉、Ｃｒ粒、Ｃｏ粒、Ｎｉ粒、Ｒｕ粉、Ｍｍ（ミッシュメタル）粉、ＦｅＮ粉、Ｃ粉、ＴｉＢ_２粉をチタン塊の目標化学組成に応じて適宜使用した。なお、Ａｌ−Ｖ合金粒はＡｌ含有量３０％，Ｖ含有量７０％の合金である。Ｍｍは、主にＬａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｎｄ（ネオジウム）からなる混合物を用いた。

スポンジチタン、チタンスクラップや副原料は、ステンレス鋼製の混合容器に投入し、その混合容器を上下方向に回転することにより原料の混合を行った。混合された原料は、角状の金型に所定の量を投入し、圧縮成形することにより直方体形状のチタンブリケットを製作した。この時、チタンブリケットの大きさと重量から求めた空隙率は２８〜４５％であった。

得られたチタンブリケットは、真空チャンバーに入れて、チタンブリケットの上面を電子ビームによりチタンブリケットの厚さの半分より２〜３ｍｍ多く溶解した。この溶解する量（厚さ）は、予め、電子ビームの出力と溶解できる厚さの関係を求めて、その結果より必要な厚さから電子ビームの出力を求めた。チタンブリケットの上面を凝固および冷却させた後、チタンブリケットを反転させて、裏面を同様に溶解した。

このようにして、チタンブリケット全体を溶解・凝固させて、幅３００ｍｍ、長さ１２００ｍｍで種々の厚さの直方体のチタン塊を製作した。

比較例として、チタン塊の表層付近のみを溶解して内部は原料を溶解しないチタン塊も製作した（表１のＮｏ．２５，２６参照）。いずれの例においても、溶解した表層の厚さは、それぞれの面で４〜８ｍｍであった。

得られたチタン塊は、一部を切断して成分分析を行い、その均質性を評価した。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、厚さ３．５〜８．０ｍｍの圧延板とした。

従来例として、コールドハースを有するＥＢ溶解炉でチタン鋳塊を得た。すなわち、スポンジチタンと酸化チタン、電解鉄、Al粒を原料としてコールドハースに投入して、原料に電子ビームを照射して溶融したチタンを厚さ２５０ｍｍの鋳型に注入したチタン鋳塊を得た。溶解初期は０．３５ｔｏｎ／ｈの溶解速度で開始し、徐々に溶解速度を増して定常部では０．７５ｔｏｎ／ｈで溶解した。その後、徐々に溶解速度を下げて、溶解末期には０．２ｔｏｎ／ｈまで下げた後、溶解を終了し、長さ１２００ｍｍのチタン鋳塊を得た。

チタン塊の中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定した。また、チタン塊の成分分析は、チタン塊の所定の位置から分析用の試料を必要量採取し、以下に列記のいずれかの分析方法により行った。
JIS H 1612(1993年) チタン及びチタン合金中の窒素定量方法
JIS H 1614(1995年) チタン及びチタン合金中の鉄定量方法
JIS H 1617(1995年) チタン及びチタン合金中の炭素定量方法
JIS H 1619(2012年) チタン及びチタン合金−水素定量方法
JIS H 1620(1995年) チタン及びチタン合金中の酸素定量方法
JIS H 1621(1992年) チタン合金中のパラジウム定量方法
JIS H 1622(1998年) チタン合金−アルミニウム定量方法
JIS H 1624(2005年) チタン合金−バナジウム定量方法
JIS H 1625(2005年) チタン合金−ランタン,セリウム,プラセオジム及びネオジム定量方法
JIS H 1630(1995年) チタンの発光分光分析方法
JIS H 1631(2008年) チタン合金−蛍光X線分析方法
JIS H 1632(2014年) チタンのICP発光分光分析方法

分析用の試料として、チタン塊２の長手方向の先端および後端から各５０ｍｍの位置（端部領域）の２か所と、その間を３等分して各等分の長さの中央位置の３か所の合計５ヶ所から採取した。チタン塊２の断面では、直方体形状（スラブ）のチタン塊２の場合、幅方向中心での表面と裏面の表層２か所で、円柱形状（インゴット）のチタン塊の場合、断面中心対称となる表層２か所から採取した。さらに、長手方向先端および後端から各５０ｍｍの位置では、厚さ中心／直径方向の中心からも採取した。このようにして、合計１２か所（図６中の●の位置）から分析用試料を採取して分析を行い、化学組成の均一性は、下記のようにして評価した。

各元素の含有量の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満の場合、均一性が良好であると評価した。例えば、Ｏの測定値の最小値が０．０４％、最大値が０．０５％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０１％）は、０．０４％未満であるため、均一性が良好であると評価した。また、Ｏの測定値の最小値が０．３０％、最大値が０．３２％の場合、その差分ΔＣ（＝０．０２％）は、０．２Ｃ_ＭＩＮ（＝０．０６０％）未満であるため、均一性が良好であると評価した。

また、長手方向先端および後端から各５０ｍｍの位置では、厚さ中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定し、その平均値を求めた。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、厚さが３．５ｍｍから８ｍｍの板とした。

実施例１における、チタン塊の製作条件を表２、製作されたチタン塊を表３、チタン塊を圧延して製作されたチタン材（圧延板）を表４にまとめて示す。

表２〜表４に示すように、Ｎｏ．１〜８は、チタンブリケットの厚さと空隙率を変えて、様々の厚さでチタン塊を製作したものである。

Ｎｏ．１は、チタンブリケットの厚さが８ｍｍと薄い場合は厚さ５．７ｍｍの薄いチタン塊が得られたものの、チタンブリケットの一部の角が欠損したため、圧延できなかった。

これ以外の厚さのＮｏ．２〜８は、化学組成が均質であり、チタン塊の厚さ中心の結晶粒径は０．８〜７．８ｍｍと小さく、圧延も問題なく行うことができ、圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。一部に発生した表面疵は部分的に手入れして除去可能であった。

Ｎｏ．８〜１０は、それぞれＪＩＳ１種，ＪＩＳ３種，ＪＩＳ４種の圧延板を製作した場合であり、Ｎｏ．１１，１２は、一部あるいは全てＪＩＳ１種のチタンスクラップを使用し、ＪＩＳ２種，ＪＩＳ３種の圧延板を製作した場合である。

これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができた。圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。

Ｎｏ．１３〜２４は、ＦｅおよびＦｅ以外の種々の金属元素を副原料として添加した場合である。これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができ、圧延板の表面の一部に表面疵が発生したものの、概ね良好であった。

比較例であるＮｏ．２５，２６では、チタンブリケットの表層付近を溶解して内部は原料（スポンジチタン、副原料）を溶解しないでそのまま残したチタン塊を製作した。これらのチタン塊の厚さ中心部は、溶解していないため、長手方向の先端および後端から各５０ｍｍの位置（端部領域）の２か所の中心部はチタンブリケットのままである。このため、中心部の分析および結晶粒径の測定ができないため省略した。すなわち、分析は溶解したチタン塊表層部から採取した１０か所から化学組成の均一性を評価した。

これらのチタン塊は、酸素やＦｅ等のチタン以外の添加元素がチタン塊の位置によって大きく変動しており、不均質な鋳塊となった。さらに、この鋳塊を圧延したところ、この成分の不均質に伴って、高温での変形抵抗が大きく異なるため、大きな表面割れが多数発生した。このため、製品としては使うことができなかった。

なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２６の全ての比較例及び本発明例においてチタンの含有量は、７０％以上であった。また、スポンジチタンやチタンスクラップに不純物として含まれている炭素、窒素や水素が、全ての比較例及び本発明例において含まれている。

従来例である、Ｎｏ．２７は工業用純チタン（ＪＩＳ２種）を従来法で溶解した結果であり、スラブが２５０ｍｍと大きいため、凝固偏析によりＦｅの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も１３ｍｍと大きくなった。また、圧延後の薄板にはヘゲ状の表面疵が多発した。Ｎｏ．２８はＴｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ合金を溶解した結果であり、スラブが２５０ｍｍと大きいため、凝固偏析によりＦｅの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も１２ｍｍと大きくなった。また、Ａｌの揮発量のばらつきにより、Ａｌの成分の変動も大きい。さらに、圧延後の薄板にはヘゲ状の表面疵が多発した。

実施例１のＮｏ．４と同様に製作した厚さ３５ｍｍ，幅３００ｍｍ，長さ４００ｍｍのチタン塊を用いて、チタンスラブを製作した。

チタン梱包材は、厚さ１〜２０ｍｍのチタン塊と同じＪＩＳ２種材を用いた。
チタンスラブを圧延する際に圧延ロールと接触しない容器の側面となるチタン梱包材の１枚にバルブのある配管をティグ溶接して固定した。配管のバルブは閉じておく。その配管を溶接したチタン梱包材を含むチタン梱包材の５枚を仮組み立てて容器とした後、ここにチタン塊を格納して残りのチタン梱包材で蓋をした。仮組みされた梱包体を、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧（真空）した後、梱包材の継ぎ目を全周電子ビームで溶接してチタンスラブを製作した（表５のＮｏ．２，３，５参照）。製作したチタンスラブの側面にある配管に真空計を設置して、バルブを開けて内圧を測定した。測定後は、この配管をチタンスラブとバルブの間で密閉して、バルブを切断除去した。

また、ティグ溶接でチタンスラブを組み立てた後、チタン梱包材に設けた排気用配管から、チタンスラブの内部が所定の圧力になるまで減圧（真空）した後、排気用配管を密閉することにより、チタンスラブの内圧を調整した。

これらの厚さ３７〜７５ｍｍのチタンスラブを圧延して、厚さ４．０〜５．５ｍｍの圧延板を製作した。

実施例２の結果を試験条件とともに表５にまとめて示す。

表５に示すように、チタンスラブの内圧を１０Ｐａ以下としたＮｏ．１〜３では、問題なく圧延ができ、得られた圧延板の表面も良好であった。

チタンスラブの内圧を１２ＰａとしたＮｏ．４では、問題なく圧延ができたものの、得られた圧延板は一部で二枚割れとなり剥離が生じた。剥離が生じた部分を観察すると、チタン塊とチタン梱包材の表面が酸化しており、両材が圧着されなかったことが分かった。

同様に、実施例１のＮｏ．１４と同様にして製作したチタン塊を用いて、チタンスラブを製作した。

チタン梱包材は、厚さ１０ｍｍのチタン塊と同じＴｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ材（数字は質量％）を用いた。チタン梱包材の５枚を仮組み立てて容器とした後、ここにチタン塊を格納して残りのチタン梱包材で蓋をした。

仮組みされた梱包体を、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧（真空）した後、梱包材の継ぎ目を全周電子ビームで溶接してチタンスラブを製作した（Ｎｏ．５）。

このチタンスラブを圧延して、厚さ５．０ｍｍの圧延板を製作した。圧延は問題なくでき、得られた圧延板の表面も良好であった。

原料のチタン源としては、クロール法により製造したスポンジチタン（粒度＝０．２５ｍｍ以上１９ｍｍ以下）で、酸素含有量０．０４％、鉄含有量０．０３％、窒素含有量０．００３％、炭素含有量０．００３％、水素含有量０．００１％を用いた。また、チタンスクラップとして、ＪＩＳ１種（酸素含有量０．０４％、鉄含有量０．０３％、窒素含有量０．００３％、炭素含有量０．００４％、水素含有量０．００３％）の薄板を２０〜３０ｍｍ角に切断したものを一部（表３のＮｏ．１０，１１参照）で使用した。

副原料としては、酸化チタン粉、電解鉄、Ｐｄ粉粒、Ａｌ粒、Ａｌ−Ｖ合金粒、Ｓｎ粒、Ｚｒ粒、Ｍｏ粉、Ｔａ粉、Ｎｂ粉、Ｓｉ粉、Ｃｒ粒、Ｃｏ粒、Ｎｉ粒、Ｒｕ粉、Ｍｍ（ミッシュメタル）粉、ＦｅＮ粉、Ｃ粉、ＴｉＢ_２粉をチタン塊の目標成分に応じて適宜使用した。なお、Ａｌ−Ｖ合金粒はＡｌ含有量３０％，Ｖ含有量７０％の合金である。

スポンジチタン、チタンスクラップや副原料は、ステンレス鋼製の混合容器に投入し、その混合容器を上下方向に回転することにより原料の混合を行った。混合された原料は、円柱状の金型に所定の量を投入し、圧縮成形することにより円柱形状のチタンブリケット（長さ３００ｍｍ）を３個製作した。この時、チタンブリケットの大きさと重量から求めた空隙率は２８〜４０％であった。

得られたチタンブリケットは、３個を長手方向に並べて真空チャンバーに入れてチタンブリケットの周面を電子ビームによりチタンブリケットの直径の半分より２〜３ｍｍ多く溶解した。この溶解する量（直径）は、予め、電子ビームの出力と溶解できる厚さの関係を求めて、その結果より必要な厚さから電子ビームの出力を求めた。チタンブリケットを回転させながら、周面全体を溶解および凝固させた。

このようにして、チタンブリケット全体を溶解および凝固させて、長さ９００ｍｍで直径が９〜７８ｍｍの円柱状のチタン塊を製作した。化学組成の均一性および結晶粒径は、（実施例１）と同様にして評価した。

従来例として、コールドハースを有するＥＢ溶解炉でチタン鋳塊を得た。すなわち、スポンジチタンと酸化チタン、電解鉄、Ａｌ粒を原料としてコールドハースに投入して、原料に電子ビームを照射して溶融したチタン直径６００ｍｍの鋳型に注入した。溶解初期は０．５ｔｏｎ／ｈの溶解速度で開始し、徐々に溶解速度を増して定常部では０．８５ｔｏｎ／ｈで溶解した。その後、徐々に溶解速度を下げて、溶解末期には０．３ｔｏｎ／ｈまで下げた後、溶解を終了し、長さ９００ｍｍのチタン鋳塊を得た。このチタン鋳塊は、分析用試料および組織観察用試料を採取した後、φ１００ｍｍまで鍛造し、さらに圧延してφ３０ｍｍの丸棒とした。

実施例３における、チタン塊の製作条件を表６、製作されたチタン塊を表７、チタン塊を圧延して製作されたチタン材（丸棒）を表８にまとめて示す。

表６〜表８に示すように、比較例として、Ｎｏ．２２では、チタン塊の表層付近のみを溶解して内部は原料を溶解しないチタン塊も製作した。

得られたチタン塊は、実施例１と同様に分析用試料を採取して化学組成分析を行い、その均質性を実施例１と同様の手法により評価した。また、長手方向中央部で、長手方向に垂直な断面の中心部の結晶粒径を目視あるいは金属顕微鏡を使って測定した。残りのチタン塊は、熱間圧延を行い、直径が８ｍｍから１８ｍｍの丸棒とした。

表６〜表８におけるＮｏ．１〜６は、チタンブリケットの直径と空隙率を変えて、様々の直径のチタン塊を製作した場合である。チタンブリケットの直径が１１ｍｍと細い場合は直径９ｍｍの細いチタン塊が得られたものの、チタンブリケットの一部で折損したため、圧延できなかった（Ｎｏ．１）。これ以外の直径のチタン塊は問題なく圧延ができ、良質な丸棒が得られた（Ｎｏ．２〜６）。

Ｎｏ．７〜９は、ＪＩＳ１種，ＪＩＳ３種，ＪＩＳ４種のチタン塊を製作した場合であり、Ｎｏ．１０，１１は一部あるいは全てＪＩＳ１種のチタンスクラップを使用し、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種の圧延板を製作した場合である。これらはいずれの場合も、化学組成の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく、良質な丸棒が得られた。

Ｎｏ．１２〜２１は、ＦｅおよびＦｅ以外の種々の金属元素を副原料として添加した場合である。これらはいずれの場合も、成分の変動が少ない均質で、中心の結晶粒径の小さいチタン塊が得られ、その後の圧延も問題なく行うことができ、良質な丸棒が製造できた。

比較例であるＮｏ．２２では、チタンブリケットの表層付近を溶解して内部は原料（スポンジチタン、副原料）を溶解しないでそのまま残した直径４４ｍｍのチタン塊を製作した。このチタン塊の厚さ中心部は、溶解していないため、長手方向の先端および後端から各５０ｍｍの位置（端部領域）の２か所の中心部はチタンブリケットのままである。このため、中心部の分析および結晶粒径の測定ができないため省略した。すなわち、分析は溶解したチタン塊表層部から採取した１０か所から化学組成の均一性を評価した。

このチタン塊の化学組成を分析したところ、副原料として添加した酸素やＦｅがチタン塊の位置によって大きく変動しており、不均質な鋳塊となった。さらに、この鋳塊を圧延したところ、この化学組成の不均質に伴って、高温での変形抵抗が大きく異なるため、大きな表面割れが多数発生した。このため、製品としては使うことができなかった。

なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２２の全ての比較例及び本発明例においてチタンの含有量は、７０％以上であった。また、スポンジチタンやチタンスクラップに不純物として含まれている炭素、窒素や水素が、全ての比較例及び本発明例において含まれている。

従来例である、Ｎｏ．２３は工業用純チタン（ＪＩＳ２種）を従来法で溶解した結果であり、インゴット径が６００ｍｍと大きいため、凝固偏析によりＦｅの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も１４ｍｍと大きくなった。また、鍛造時には表面割れが多発したため、その部分を切削除去しなければならず、製造歩留が大きく低下した。Ｎｏ．２４はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を従来法で溶解した結果であり、インゴット径が６００ｍｍと大きいため、凝固偏析によりＦｅの成分のばらつきが大きく、厚さ中心の結晶粒も１３ｍｍと大きくなった。また、Ａｌの揮発量のばらつきにより、Ａｌの成分の変動も大きい。また、鍛造時には表面割れが多発したため、その部分を切削除去しなければならず、製造歩留が大きく低下した。

本発明によれば、従来の溶解工程と鍛造工程を省略して、種々の化学組成の薄肉あるいは細径のチタン塊を製造することができ、次工程の熱間加工での加工量も削減してチタン塊を製造することができる。このため、製造に要するエネルギーを削減できる。さらに、チタンスラブにすることにより、チタン塊の表面に発生する欠陥の切削除去を省略することができ、製造歩留が大幅に向上し、製造コストを大幅に低減することができる。

Claims (5)

1. 厚さが７〜８０ｍｍ板状の熱間加工用チタン塊であって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｏ：０．０１〜０．５％、
   Ｆｅ：０．０１〜５％、
   Ａｌ：０〜８％、
   Ｓｎ：０〜５％、
   Ｚｒ：０〜１２％、
   Ｍｏ：０〜１５％、
   Ｔａ：０〜２％、
   Ｖ：０〜２２％、
   Ｎｂ：０〜２％、
   Ｓｉ：０〜１％、
   Ｃｒ：０〜１０％、
   Ｃｕ：０〜０．１％、
   Ｃｏ：０〜１％、
   Ｎｉ：０〜１％、
   白金族元素：０〜０．５％、
   ＲＥＭ：０〜０．２％、
   Ｎ：０〜０．２％、
   Ｃ：０〜２％、
   Ｈ：０〜０．０１３％、
   残部がチタンおよび不純物であり、
   各元素の測定値の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満であり、
   金属組織が、
   前記チタン塊の厚さ方向の中央部における円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつ前記チタン塊の厚さの半分以下である、
   チタン塊。
2. 長手方向に垂直な断面が直径１０〜８０ｍｍの円形である円柱形状、又は、円相当直径が１０〜８０ｍｍの五角形以上の多角形である柱形状を有する熱間加工用チタン塊であって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｏ：０．０１〜０．５％
   Ｆｅ：０．０１〜５％、
   Ａｌ：０〜８％、
   Ｓｎ：０〜５％、
   Ｚｒ：０〜１２％、
   Ｍｏ：０〜１５％、
   Ｔａ：０〜２％、
   Ｖ：０〜２２％、
   Ｎｂ：０〜２％、
   Ｓｉ：０〜１％、
   Ｃｒ：０〜１０％、
   Ｃｕ：０〜０．１％、
   Ｃｏ：０〜１％、
   Ｎｉ：０〜１％、
   白金族元素：０〜０．５％、
   ＲＥＭ：０〜０．２％、
   Ｎ：０〜０．２％、
   Ｃ：０〜２％、
   Ｈ：０〜０．０１３％
   残部がチタンおよび不純物であり、
   各元素の測定値の最大値Ｃ_ＭＡＸと最小値Ｃ_ＭＩＮの差分ΔＣが、０．２Ｃ_ＭＩＮ未満または０．０４％未満であり、
   金属組織が、
   前記チタン塊の長手方向に垂直な断面において、表面から中心に向かう方向に延びる柱状組織を有し、前記断面の中心位置の円相当平均結晶粒径が１０ｍｍ以下、かつ前記断面の直径の半分以下である、
   チタン塊。
3. 請求項１または２に記載のチタン塊と同種の化学組成を有する梱包材と、
   前記梱包材の内部に充填された、請求項１または２に記載のチタン塊とを備え、
   前記梱包材の内圧が１０Ｐａ以下である、
   チタンスラブ。
4. スポンジチタンおよびチタンスクラップから選択される一種以上と、化学組成を調整するために必要な元素を含む副原料とを圧縮成形してチタンブリケットを得る圧縮成形工程、
   １Ｐａ以下の減圧下で前記チタンブリケットの表面に電子ビームを照射して前記チタンブリケットの全てを溶解してチタン塊とする溶解工程を備える、
   請求項１または２に記載のチタン塊の製造方法。
5. 前記溶解工程が、前記チタンブリケットの任意の表面に電子ビームを照射し、その表面から厚さ方向の一部を溶解する工程、および、任意の他の表面に電子ビームを照射し、少なくとも未溶解のチタンブリケットを溶解する工程を備える、
   請求項４に記載のチタン塊の製造方法。

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