JPH03166330A - 強靭チタン合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、チタン合金、より詳しくはチタン、バナジウ
ム、およびクロムを含有する合金、並びにその製造方法
に関する。

［従来の技術］ 強靭チタン合金として、約５０重量％のチタン、約３５
重量％以下のバナジウム、および約１５重量％以下のク
ロムを含有するものが製造されている。

これらの合金には、痕跡量または微量の添加物、例えば
ケイ素、炭素、またはその他の元素を含有させることが
ある。この種の合金は、微細構造が一種の安定な第２相
を示し、かつ優れた高温強度を発揮するという特徴を有
している。

慣用的には、これらの強靭合金の製造には、チタン、並
びに予め選定された量のバナジウム、クロム、およびそ
の他の添加物を混ぜ合わせた、電子ビーム溶接による成
形体からなる電極に対する真空アーク融解法が用いられ
ている。

この真空アーク融解なる方法は、一般的に容認されるこ
とが可能ではあるものの、完成インゴット中に、時おり
未溶解バナジウムからなる包有物を認めることがあると
いう、大きな欠点がある。

このような状態は、融解炉に攪拌式コイルを用いても、
あるいは連続的に３〜４回もの真空アーク再融解をイン
ゴットに施しても、首尾よく排除することができない。

著しく低い温度で融解するチタン・クロム合金中に存在
する、比較的高融点のバナジウムが溶解の障害となるこ
とが原因となって、この問題が存続するのであると考え
られている。

この問題を回避しようとする従来の試みとじては、バナ
ジウムを薄い細片の形態で加えることによる溶解の促進
がある。この方法は、バナジウム包有物の出現頻度を多
少は減少させるものの、依然として未溶解バナジウムが
出現する。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、チタン、バナジウム、およびクロムを
含有する強靭合金において、完成インゴット中のバナジ
ウム包有物の形成を阻害し、あるいはバナジウム包有物
の出現を実質的に減少させることにある。

更に、チタン・バナジウム・クロム合金の製造の際に、
低融点のチタン・クロム合金の形成を阻害することも、
本発明の目的である。

［課題を解決するための手段コ 本発明の前記の、並びにその他の目的および利点は、所
望の比率のバナジウムおよびクロム（例えばバナジウム
約７０％、およびクロム約３０％）を真空アーク炉中で
互いに溶解させることによっ１、これらを予め合金化す
ることで実現される。これは、温度を約１，８００〜約
１，９００℃とし、バナジウムとクロムのすべてが安定
な合金相として溶解しているバナジウム・クロム合金が
実質的完全に形成されるのに充分な時間および条件の下
で行われる。

次いで、上記によって形成された合金の粒子径を所定の
粒子径にまで減少させ、更に、予め選定された量の一定
の粒子径のチタン粒子と混合し、成形して電極を形成さ
せ、これを真空アーク炉中で融解させて、いかなる顕著
な低融点チタン・クロム合金も形成されることなく、か
つ、高融点の未溶解バナジウムの存在の結果として生じ
る、この種の合金中に通常存在する包有物も含まれない
、所望のチタン・バナジウム・クロム合金を形成させる
のである。

上記の通り、本発明は、バナジウムよりも融点が低いバ
ナジウム・クロム合金を形成させることによって、バナ
ジウムの融解温度を効果的に低下させる。更に、形戒さ
れたバナジウム・クロム合金中には未合金化クロムが存
在しないから、未合金化バナジウムによって溶解が妨げ
られる低融点チタン・クロム合金の形成も実質的に排除
される。

本発明により、予めなされる合金化処理によって、未合
金化かつ未溶解のバナジウムの出現に現在は傾きがちな
条件が回避され、完成した強靭チタン・バナジウム・ク
ロム合金におけるバナジウム包有物の形成が実質的に排
除される。

本発明に従って製造されたチタン・バナジウム・クロム
合金においては、単純に、金属単体の混合物からなる成
形体を融解するのではなく、バナジウム・クロムの母合
金をチタンに加えることによって、包有物が比較的皆無
に近い構造が得られる。

第１図によれば、約７０重量％のバナジウム、および約
３０重量％のクロムを含有する、予め合金化されたバナ
ジウム・クロム合金の融点は１，８００℃である。第２
図からは、単体の添加が行われた場合に存在し得るチタ
ン・クロム合金は、バナジウム・クロム合金よりも実質
的に低温度で融解し、最も重要なこととして、単体バナ
ジウムよりもはるかに低温度で融解することが理解でき
る。前記の通り、低融点チタン・クロム合金の形成は、
それよりはるかに高温度で融解するバナジウムの充分ま
たは完全な溶解を阻害する原因になるものと考えられる
。

［実施例］ 以下、実施例を用いて、本発明の実施および利点におけ
る特徴を更に詳細に説明する。

友胤■よ 厚さ約０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）に切削したバ
ナジウムの細片、および約１，０００ｐｐｍの炭素を含
有する約６．３５ｍｍ（１７４インチ）大のクロムナゲ
ットを用いて、直径約２７．９ｃｍ（１１インチ）の成
形体を作成する。

慣用の方式で電子ビーム溶接を施し、この成形体同士を
溶接して、通常の真空アーク融解法を行うためのアーク
融解炉用電極を形成する。

完全真空にて１０，０００アンペアで融解させ、それぞ
れバナジウム７０重量％、クロム３０重量％の組成で重
量が約９０７．２ｋｇ（２，０００ボンド）の、直径約
３５．６ｃｍ（１４インチ）のインゴット２個を第１融
解物として作成する。第１融解物は、いずれも外側にス
カルを伴うインゴットを形成したが、その約９５％はク
ロムであることが判明した。このスカルは除去しないで
おく。２個の第１融解物に１５，０００アンペアで仕上
げ融解を施し、直径約４３．２ｃｍ（１７インチ）のイ
ンゴット２個を作成する。

同様の組或物を同一方法に従って成形、かつ完全な真空
下で真空アーク融解させて、インゴット２個を形成する
。やはり高濃度のクロムのスカルが発生する。インゴッ
ト表面を切削して、この高濃度クロム層を除去する。全
長の中程から約１２．７ｍｍ（１７２インチ）の厚さの
薄片を切り取り、分析する。切削面の試料を放射状に採
取する。インゴットのその直径沿いの組戊は均一であっ
て、バナジウム約７２％、およびクロム約２８％が含ま
れていた。

第１融解物のインゴットの場合と同一の組或の第２融解
物２個を同一の条件下で成形、かつ真空アーク融解させ
るが，ヘリウム１／３、アルゴン２／３の混合気体から
なる不活性雰囲気中で約５３３．４ｍｍＨｇ（水銀柱２
１インチ）の真空を用いて、アーク融解の際のクロムの
蒸発を抑える点が異なる。第２融解物の表面にはスカル
は認められず、全長の中間での放射状の試料採取によれ
ば、この合金はバナジウム約７０％、およびクロム約３
０％からなることが確認された。

後者の第２融解物のインゴットは、いずれもクラックを
生じているのが聴取され、いずれもアーク炉から引き出
した際に、上端表面にクラックを生じた。

バナジウム約７０重量％、およびクロム約３０重量％を
含有する後者の第２融解物のインゴットを、旋盤を用い
て乾燥切削し、工具鋼製ビットを用いて、約０．６４ｍ
ｍ（０．０２５インチ）の送りで細片とし、直径約３３
．０ｃｍ（１３インチ）のインゴット核を取り出す。

ロールクラッシャを用いて、これらの細片を約１２．７
ｍｍ（１／２インチ）の方形の削り屑に粉砕し、ふるい
分けは行わない。

次いで、直径約３３．０ｃｍ（１３インチ）のインゴッ
ト核２個を破砕して、約１２．７ｍｍ（１／２インチ）
の塊状にする。２個のインゴットの内側の核は、充分な
切削が不可能となるまで破砕されたため、切削ではなく
打撃を試みた。破砕された核を包含する合金塊をハンマ
ーミルで粉砕した。粉砕された試料の約７０％は、６番
メッシュのふるいを通過する。

これを越える粒子径の試料を繰り返しハンマーミルで粉
砕し、すべての試料が６番メッシュを通過するようにす
る。ロールクラッシャの平滑な表面は、この合金を許容
可能な速度で破砕できないことが明らかとなった。

次いで、６番メッシュのバナジウム・クロム合金、およ
び細片化された合金を用いて、２個のチタン合金成形体
を作戊する。用いたチタンの形態は、約１９．１＋ｎｍ
（３／４インチ）大のチタン海綿の断片である。

これらの或分を混合し、次いで圧縮して、それぞれ、重
さ約１１．３４ｋｇ（２５ポンド）、直径約１２．７ｍ
ｍ（１／２インチ）の成形体６個を作成する。チタン海
綿の比率は、７０対３０のバナジウム・クロム合金約５
０重量％に対して約５０重量％である。単体クロムを更
に追加することも可能であって、第１融解物であるバナ
ジウム・クロム合金の作成の際の蒸発による損失を補う
ために、これを第１融解物の試料に添加した。チタンの
体積は、バナジウム・クロム合金のそれの約２倍であっ
た。細片化された合金の方が、粉砕された６番メッシュ
の合金よりも成形が良好であり、かつ偏析が少ない。

６番メッシュを通過した第２融解物のバナジウム・クロ
ム合金、並びに細片化された形態のそれを用い、約１９
．１ｍｍ（３７４インチ）のチタン海綿を用いて、第１
融解物のインゴットを用いて作或したのとほぼ同じ組戊
のチタン合金威形体を更に２個作戊する。この場合は、
クロムの蒸発による損失を防ぐように注意した結果、成
形前に単体の金属クロムを混合試料に追加的に加える必
要性が排除された。

Ｘ鑑倒ユ アーク融解炉を用い、異なる形態の単体バナジウム、お
よび予め合金化したバナジウム・クロム合金を用いて、
チタン・バナジウム・クロム合金の一連のインゴット４
個を三重アーク融解によって作威し、次いで、実施例１
の第１および第２融解物を作威する。その第１の目的は
、未溶解包有物の形成を回避するためのバナジウム添加
に代わる手段を定量的に探究することにある。２，００
０〜２，４００アンペアの電流を用いて、すべてのイン
ゴットを直径約７．６ｃｍ（３インチ）のなべ炉内で融
解させる。溶接して接合した直径約５．１ｃｍ（２イン
チ）の機械的成形体から電極を作成する。下記の構成の
インゴット４個を製造する。

（１）慣用の実施形態に従い、チタン５５重量％、バナ
ジウム３０重量％、およびクロム１５重量％の合金とな
るように、予め適切に選定した比率のチタン海綿［約１
９．１ｍｍ（３７４インチ）］、並びにクロム［約６．
３５ｍｍ（１７４インチ）］および厚みのあるバナジウ
ムの細片を用いる。

（２）厚さ約０．２５　〜０．５１ｍｍ（０．０１〜０
．０２インチ）、幅約１２．７ｍｍ（１／２インチ）の
バナジウム細片を用いる以外は、（１）と同一のものを
用いる。

（３）１０番メッシュのバナジウム粉を用いる以外は、
（１）と同一のものを用いる。

（４）実施例１で作成したと同じ細片または破砕産物の
形態のバナジウム・クロム合金を、５５重量％のチタン
海綿とともに用いる。

バナジウム・クロム合金をボタンの形状に融解させる。

約１９．　１ｍｍ（３７４インチ）メッシュのチタン海
綿とともに好都合に成形されることから、この合金は約
１２．７ｍｍ（１７２インチ）メッシュとなるまで容易
に破砕される。

各インゴットをそれぞれの融解後に縦方向に切断して、
実行された合金化の度合を検分した。それぞれの融解後
の写真を第３図乃至第５図に示す。

明らかに、最初の融解後のすべてのインゴットに、大量
の未溶解のバナジウム、あるいはバナジウム・クロムの
母合金が含まれている。これらの包有物は、チタンより
は高密度であって、インゴットの下部および中心部に向
かって漏斗状に集中する傾向がある。アーク融解の際に
は攪拌式コイルが全く用いられていないことに注目のこ
と。第３回目の融解後であってさえ、すべてのインゴッ
トに多少の未溶解材料が含まれている。より薄いバナジ
ウム細片、あるいは粉末バナジウムの使用によって、バ
ナジウム包有物が更に少数かつ小形となることは明白で
ある。また、バナジウム７０％とクロム３０％の合金は
、合金の粒子径がはるかに大である（１／２メッシュ）
にも拘わらず、純バナジウム細片と同程度に溶解するら
しいことも示される。

バナジウム７０％とクロム３０％の合金は、より細分さ
れた形態で加えた場合、形成される未溶解粒子が著しく
少数となることが結論され、かつ引き続いて確認される
。また、バナジウム・クロムのボタンは、破砕可能であ
って、かつ切削可能である。

前記の、およびその後の実験によって、約７０重量％の
バナジウム、および約３０重量％のクロムを含有する母
合金は、容易に融解し合って、未溶解包有物をわずかし
か含まない合金を形成することが確認された。更に、こ
の合金は、慣用の装置を用いて室温で容易に破砕するこ
とが可能である。

典型的には、鍛造プレス、ジョークラッシャ、ハンマー
ミル、円板微粉砕機、あるいはその類似物を用いること
ができる。

バナジウム、クロム、およびチタンの粒子径、並びに形
状は、用いられる融解法に左右され、最終的合金におい
て包有物の存在しない所望の微細構造を実現する上で重
要である。

バナジウムおよびクロムからなる母合金の組成は、バナ
ジウム約６０〜約８０重量％、およびクロム約４０〜約
２０重量％の範囲とすることができるが、クロムの重量
比の増大は、母合金の融解温度を降下させ、バナジウム
の比率の増大は、母合金の融解温度を上昇させることが
認められる。バナジウムとクロムとの比率のわずかな変
動は許容可能であって、最終的なチタン・バナジウム・
クロム合金を製造した際の、本明細書記載の利点は依然
として得られる。

本発明実施に際して非常に重要なことは、選定された比
率との組み合わせにおける粒子径および融解方法の選定
である。融解の速度とその方法とは、融解の際に溶解さ
れようとする材料の粒子径を選定するのに重要である。

その意味で、母合金をチタンに合体させて成形体または
融解物とするために予め選定した粒子径へと、その粒子
径を容易に減少させ得るように母合金を処方することが
重要である。したがって、その比率を、バナジウム７０
重量％、およびクロム３０重量％という最適値に一層近
付けるように選定するのが好ましい。この好適な母合金
は、慣用の手段を用いて容易にこれを破砕することがで
きる。

比較のために述べると、バ六ジウム８０％、およびクロ
ム２０％の母合金は、これを低速度でひずませた場合、
クラックを生じ、可塑的に変形する。

この母合金は破砕が困難であるとも考えられるが、温度
の低下、あるいはひずみ率の増大を利用して一層脆弱な
破壊特性が得られる可能性もあり、所望の最終的粒子径
は、用いられる融解方法と、予め選定されたチタンの粒
子径とに左右されることになる。

この記述を例証するため、本明細書記載の真空アーク再
融解法を用いて、チタン粒子、並びにバナジウムとクロ
ムの母合金の粒子を結合させて、大型のインゴットに対
する数分間から小型のインゴットに対する数秒間に至る
までの比較的短時間の間、非常な高温度（すなわち１，
５００〜２，０００℃）の下に置く。このような熱的条
件下では、バナジウム・クロム母合金の溶解に利用でき
る時間は制約され、母合金およびチタン・バナジウム・
クロム合金の両者の製造には、微小な粒子径（すなわち
マイナス１０番メッシュ）が好ましい。したがって、こ
のような条件には、バナジウム・クロム合金が容易に破
砕可能であることが必要とされる。

他の融解法、例えばるつぼ融解法、あるいはスカル融解
法を選択した場合は、破砕可能性の必要条件は緩和され
、より大きな粒子径を用いることも可能なことが期待さ
れる。チタン・バナジウム・クロム合金の組成を様々に
変化させるための、融解法、および母合金における比率
の選択は相互に関連するのであって、不当な実験手段に
よらなくともこれを選択することができる。したがって
、可能な融解手段または方法は、るつぼ融解法や真空ア
ーク再融解法はもとより、直接アーク、ブラズマ、誘導
、電子ビーム、あるいはレーザによる融解法などからこ
れを選択することが可能である。

本明細書の教唆するところによれば、約６０〜約８０重
量％のバナジウム、および約２０〜約４０重量％のクロ
ムを含有する母合金を用いて、約４５〜約５５重量％の
チタンを含有するチタン合金を製造し、チタンの含量が
４５〜５５重量％の範囲の最終的なチタン合金が、約２
５〜約４５重量％のバナジウム、および約１０〜約２０
重量％のクロムを含有し得るようにすることができる。

前述の通り、融解方法として真空アーク融解法を用いた
場合、融解の際のクロムの蒸発が最小限に抑えられる条
件を選定することが非常に重要である。本明細書に記載
の方法によれば、不活性気体、例えばヘリウムおよびア
ルゴンの絶対分圧は、Ｃ萬２ 約０　．　３６ｋｇ／舖赫（約５ｐｓｉ）、すなわち５
３３．４ｍｍＨｇ（水銀柱２１インチ）前後である。す
べての条件、すなわち、融解方法、合金の組成、融解条
件、並びに、融解前および破砕後のバナジウム・クロム
合金の破砕可能性と粒子径とは、すべてが組み合わされ
て、相対的に包有物が皆無であると形容し得る、記載の
最終的なチタン・バナジウム・クロム合金の製造に用い
た場合の母合金の利点を生起させるのである。

本発明を、業界の技術の習熟者がこれを実施できるよう
、充分詳細に記載した。不当な実験手段によることなく
、ここに考察の諸元のいずれかに変更を加えて、バナジ
ウム・クロム母合金、および最終的なチタン・バナジウ
ム・クロム合金における、記載の特性および利点を実現
することが可能であると予測される。また、特定の加工
または冶金学的目的を企図して、総量で最終合金の約５
重量％以下の添加材料、例えば炭素あるいはケイ素を用
いて、本発明の精神および対象範囲から逸脱することな
く、特定の物理的特性上の目的を達戊することができる
ことも予期される。直接的に関係する従来の技術に鑑み
、本発明の対象範囲は、特許請求の範囲の記載によって
のみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、クロム・バナジウム合金において、合金の組
成を変化させた場合の融解温度を示す状態図である。 第２図は、チタン・クロム合金組成物の各種合金相、お
よびそれらの融解温度を示す状態図である。 第３図は、チタン・バナジウム・クロム合金中に存在す
る典型的なバナジウム包有物の金属組織を示す５０倍の
顕微鏡写真である。 第４図は、バナジウム７０重量％およびクロム３０重量
％の母合金の金属組織の微細構造を示す１００倍の顕微
鏡写真である。 第５図は、本発明に従って製造したチタン・バナジウム
・クロム合金の粒子構造を示す５００倍の顕微鏡写真で
ある。黄金色の粒子はカーバイドに富む相であって、合
金の炭素含量によってその濃度が変化することに注目の
こと。これを、融解しなかったバナジウム、あるいはそ
の他の合金中の未溶解戊分と混同してはならない。 図面の浄書（内容に変更なし） バｔジ１２４の重量ル グロＡＦ’ｌ皇＋九 図１の浄３（内容に変更なし） ＦＩＧ．５ 手続補正書 （方式） 平底２年１１月３０日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）チタン、バナジウム、およびクロムからなる強靭
   チタン合金であって、チタンへの添加以前にバナジウム
   とクロムの合金を形成し、これによって、完成合金に含
   まれるバナジウム包有物を減量してあることを特徴とす
   る強靭チタン合金。 （２）基本的に約４５〜約５５重量％のチタンと、約２
   ５〜約４５重量％のバナジウムと、約１０〜約２０重量
   ％のクロムとからなる合金であることを特徴とする請求
   項（１）記載の強靭チタン合金。 （３）バナジウムとクロムを所定の粒子径の単体の形態
   で混合し、これを突き固めて予備的成形体とし、更に、
   前記予備的成形体を、電子ビーム溶接法を用いて電極と
   し、これを、不活性気体雰囲気中で真空アーク融解法を
   用いて完全に溶解させることによって、未合金化クロム
   および未合金化バナジウムが実質的に存在しない、安定
   なバナジウム・クロム合金相を形成させたことを特徴と
   する請求項（１）または（２）に記載の強靭チタン合金
   。 （４）バナジウム・クロム合金が約６０〜約８０重量％
   のバナジウムと、約２０〜約４０重量％のクロムとを含
   有していることを特徴とする請求項（３）記載の強靭チ
   タン合金。（５）予め選定された量のバナジウムとクロ
   ムとから、真空アーク融解法を用いて形成されたバナジ
   ウム・クロム合金が、安定相の合金を更に分割すること
   によって一定の粒子径にされ、所定の適切な比率でチタ
   ン、バナジウム、およびクロムを含有する真空アーク融
   解用の電極を形成するための、容易に成形が可能なチタ
   ンとの混合物が製造されていることを特徴とする請求項
   （３）または（４）に記載の強靭チタン合金。 （６）総量で約５重量％以下のケイ素および炭素が存在
   する請求項（１）乃至（５）のいずれかに記載の強靭チ
   タン合金。 （７）強靭チタン・バナジウム・クロム合金の製造方法
   であって、 （ａ）バナジウムとクロムとの成形可能な混合物を形成
   させる段階と、 （ｂ）前記バナジウムとクロムとの混合物を合金化させ
   て、未合金化クロムまたは未合金化バナジウムが実質的
   に存在しない、基本的にバナジウムとクロムとで構成さ
   れる安定相の合金を形成させる段階と、 （ｃ）前記バナジウム・クロム合金を更に分割する段階
   と、 （ｄ）予め選定された比率の再分割されたバナジウム・
   クロム合金を予め選定された量の再分割された金属チタ
   ンと混合する段階と、 （ｅ）前記チタンとバナジウム・クロム合金との混合物
   を融解させて、チタン・クロム相をも、未溶解バナジウ
   ム包有物をも実質的に含まない強靭チタン・バナジウム
   ・クロム合金を形成させる段階 とからなることを特徴とする強靭チタン・バナジウム・
   クロム合金の製造方法。 （８）チタン、バナジウム、およびクロムを含有する強
   靭合金の製造方法であって、 （ａ）粒子径が約１９．０５ｍｍ（０．７５インチ）〜
   約０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の範囲にある金
   属チタン粒子を、粒子径が約１２．７ｍｍ（０．５０イ
   ンチ）〜約２．５４ｍｍ（０．１０インチ）の範囲にあ
   るバナジウム・クロム合金粒子とともに、完成した成形
   体の形状が自立的に存在するのに充分な圧力下で成形す
   る段階と、 （ｂ）前記チタンとバナジウム・クロム合金との成形体
   を、これらが溶け合って一体的な融解物となるのに充分
   な条件下で真空アーク融解させる段階と、 （ｃ）前記融解物を冷却して、未溶解かつ未合金化の金
   属バナジウム包有物を実質的に含まないチタン・バナジ
   ウム・クロム合金のインゴットを形成させる段階 とからなることを特徴とする強靭チタン・バナジウム・
   クロム合金の製造方法。 （９）成形体中に存在する金属チタンの量が約５０〜約
   ６０重量％であり、残量が、バナジウム・クロム合金、
   および５重量％以下のケイ素および炭素で占められてい
   ることを特徴とする請求項（８）記載の強靭チタン・バ
   ナジウム・クロム合金の製造方法。 （１０）バナジウム・クロム合金が、基本的に約６０〜
   約８０重量％のバナジウムと約２０〜約４０重量％のク
   ロムとからなることを特徴とする請求項（９）記載の強
   靭チタン・バナジウム・クロム合金の製造方法。