JPH04272146A - チタンおよびチタン合金製品の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンおよびチタン合
金製品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】スポンジチタンの溶解によるチタンおよ
びチタン合金（以下、チタンと総称する）製品の製造は
、従来は真空中での消耗式電極による溶解により一般に
行われてきた。しかし、この方法は、消耗式電極を用い
るため溶解がバッチ式となり、チタン製品の連続生産が
不可能である。また、電極の製造工程においてスポンジ
チタンを主成分とする原料をプレスし、溶接する等の電
極の組み立て工程が加わるため、製造コストの上昇が避
けられない。

【０００３】別の溶解法として、スリットを縦方向に設
けた水冷された銅製ルツボ（以下、水冷銅ルツボという
）で原料チタンを溶解することも知られている（特願平
１−１２７４９０号およびＳｉｘｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ，　ｐ．
　５８３参照）　。水冷銅ルツボは、縦長スリットを持
った水冷された銅製ルツボと高周波誘導溶解設備とを備
えた装置である。原料はルツボ上部から投入され、ルツ
ボ内で高周波誘導加熱により溶解され、溶湯下部で凝固
した鋳片は、ルツボより下方に連続的に引き出される。 従って、この方法はチタンの連続製造が可能であり、電
極の製造コストが不要であることから、チタンの製品を
安価に大量に製造するのに適していると考えられる。

【０００４】従来公知の水冷銅ルツボによる高周波誘導
加熱による溶解では、溶解原料として、チタン合金のス
クラップを切削して切り粉状として用い、これをルツボ
に投入して溶解していた。しかし、原料として切り粉に
したスクラップを用いると、製品内に切り粉製造時の切
削バイト屑の混入が避けられず、製品の機械的性質の低
下を招くとともに、切り粉製造に伴う製造コストの上昇
も伴う。また、スクラップを原料とすることから、原料
の安定供給にも難点がある。

【０００５】この水冷銅ルツボによる溶解法で、スポン
ジチタンを主原料として用いることはこれまで試みられ
たことはなかった。これは、高周波誘導溶解を行う場合
には、ルツボとコイルの間の放電を避けるために真空中
での溶解が不可能とされてきたためである。そのため、
アルゴンなどの不活性ガス中で溶解を行う必要がある。 スポンジチタンを用いて、不活性ガス雰囲気中において
大気圧下で溶解を実施した場合、スポンジチタンに含有
される塩素が放出されずに残留する。チタン製品中に塩
素が残留すると、製品の機械的性質、特に延性が大きく
低下し、実用製品として問題を生ずる。一方、この問題
を回避するために、雰囲気圧力を減圧にすると、スポン
ジチタンに含まれる塩素が溶湯内で圧力を高めることで
突沸現象を起こすと考えられる。これらの理由により、
スポンジチタンを用いて高周波誘導溶解することは検討
されてこなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、チタ
ンおよびチタン合金製品を安価に大量に連続製造するこ
とのできる方法を提供することである。より具体的な本
発明の目的は、スポンジチタンを主原料とする溶解材料
を用いて、水冷銅ルツボによる高周波誘導溶解により、
機械的性質に優れた残留塩素の少ない鋳片を製造するこ
とができるチタンおよびチタン合金製品の製造方法を提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、これまで
試みられてこなかったスポンジチタンを含む原料を用い
た水冷銅ルツボによる高周波誘導溶解について検討を重
ねた結果、大気圧で溶解を実施しても、溶解時の制御因
子を適切に設定すると、溶解後の製品である鋳片内に塩
素が残留せず、従って最終製品の機械的性質を劣化させ
る懸念がないことが判明した。この溶解時の制御因子と
しては、溶解時の溶湯の保持温度と、原料が投入されて
から溶湯下方で凝固するまでの原料の溶湯内での滞留時
間が重要である。さらに、溶解における雰囲気圧力の影
響について、雰囲気圧力が０．１　気圧以上であれば溶
解中の突沸現象は見られないこと、また１．５　気圧以
下であれば溶解によって塩素は充分に除去できることも
判った。

【０００８】本発明は、不活性ガス雰囲気下に水冷され
た銅製ルツボ内で原料を高周波誘導溶解することによる
チタンまたはチタン合金製品の製造方法に関する。本発
明の方法は、スポンジチタンを主原料とする溶解原料を
、ルツボ内の溶湯の最高温度が液相線温度＋２０℃以上
、ルツボ内における原料の溶湯状態での平均滞留時間が
３０秒以上となる条件で溶解を行うことを特徴とする。 溶解時の雰囲気の圧力が　０．１〜１．５　気圧の範囲
内であると、突沸を避けながら残留塩素を含まない良質
のチタン製品を得ることができる。

【０００９】

【作用】以下に本発明の作用をその構成と共に詳述する
。

【００１０】本発明の方法で用いる溶解原料は、スポン
ジチタンを主原料とするものである。即ち、純チタン製
品を製造する場合には、溶解原料は、実質的にスポンジ
チタンのみからなるか、あるいはこれに少量の他の形態
のチタンまたはチタン合金　（例、スクラップの切削に
より得た切り粉）　を配合したチタン原料からなる。切
り粉の使用量が増大すると製品の機械的性質の低下や製
造コストの上昇を招くので、スポンジチタンの割合はチ
タン原料の少なくとも１５重量％以上とする。これは後
記する塩素の含有限界　（＜１００　ｐｐｍ）および原
料スポンジの塩素量（７００ｐｐｍ）からくる制約であ
る。すなわち、原料の塩素が溶解により減少しない場合
でもチタン原料に対するスポンジの割合が１５％以下で
あれば製品中では１００　ｐｐｍ　以下に希釈され本発
明の効果が明らかにされないことによる。成分調整のた
めに他の金属成分（例、鉄、アルミニウム、バナジウム
など）を溶解原料に添加することもできる。

【００１１】チタン合金製品の製造の場合には、上記の
スポンジチタンを主成分とするチタン原料に加えて、目
的とする組成となる割合で他の金属を原料に配合する。 例えば、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
（ＡＳＴＭグレード５）　は、チタン原料に、アルミニ
ウム、バナジウムおよび／またはＡｌ−Ｖ合金を配合す
ることにより製造することができる。使用する他の金属
成分は、少量づつの投入に適した形態、例えば、粒状、
粉末状、フレーク状、スポンジ状などでよい。

【００１２】使用する水冷銅ルツボ型の溶解装置の構成
例を図１に示す。密閉チャンバー１内に、縦長スリット
を有する銅製ルツボ２が配置されている。チャンバー内
のルツボは、その周囲のコイル３により誘導加熱される
。原料は振動フィーダー４からルツボ２に投入され、ル
ツボ内で誘導加熱により溶解して溶湯となった後、ルツ
ボ下部では抜熱により凝固し、鋳片が生成する。鋳片は
鋳片引き抜き手段５により徐々に下方に引き抜かれる。 図中、６および７はそれぞれ水冷用の注水管および排水
管、８は原料、９は鋳片（製品）、１０は溶湯、１１は
電源への導線、１２は雰囲気調整用の開口部である。

【００１３】本発明によれば、不活性ガス雰囲気下にお
いて、ルツボ内の溶湯の最高温度が液相線温度＋２０℃
以上、ルツボ内における原料の溶湯状態での滞留時間が
３０秒以上となる条件で溶解を行う。溶湯の保持温度は
、凝固した鋳片中の塩素残留量に大きく影響する。具体
的には、溶湯の最高温度が液相線温度より２０℃高い温
度（液相線温度＋２０℃）未満であると、溶解による塩
素の除去が充分でなく、鋳片内にはかなりの量の塩素が
残留し、製品の機械的性質に悪影響を与える。

【００１４】この場合の液相線温度とは、スポンジチタ
ンの液相線温度ではなく、溶解している製品の化学成分
に対応する液相線温度である。溶湯の最高温度の測定は
面倒であるので、通常は、溶湯表面の温度を測定し、こ
れが液相線温度＋２０℃以上の温度となっていればよい
。溶湯温度が高いほど残留塩素量は低下するので、溶湯
温度の上限は特に制限されない。但し、極端に高温にす
るのは、熱エネルギーの消費量が多く、経済的に不利と
なる。好ましい溶湯最高温度は、純チタン製品の製造の
場合で約１８００〜１８５０℃である。溶湯温度は、誘
導加熱装置への電力の投入量の変化により調整できる。

【００１５】ルツボ内における原料の溶湯状態での平均
滞留時間も鋳片の残留塩素量に大きく影響を及ぼす。こ
の滞留時間が３０秒未満では、鋳片内に塩素が多く残留
する。この滞留時間とは、原料が溶湯表面に触れてから
下方で凝固するまでの時間である。滞留時間が長くなる
ほど残留塩素量は低下するので、滞留時間の上限は特に
ない。但し、滞留時間が長くなると生産効率が低下する
ので、生産効率が許容できる範囲内で滞留時間を設定す
ることが好ましい。一般に好ましい平均滞留時間は３０
〜２４０　秒である。溶湯状態での滞留時間は、鋳片の
引き抜き速度、水冷の強さ、溶湯温度などにより変化さ
せることができる。

【００１６】溶解雰囲気は不活性ガス雰囲気であれば特
に制限されない。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリ
ウム、などが使用できる。不活性ガス雰囲気の圧力は　
０．１〜１．５　気圧の範囲内とする。圧力が　０．１
気圧より低いと、溶解中に突沸現象を起こして安定が溶
解が不可能となる。一方、圧力が１．５　気圧を超える
と、溶解中の塩素の放出が充分に行われず、製品の鋳片
に多くの塩素分が残留する。好ましい雰囲気圧力は０．
１　〜１気圧である。

【００１７】本発明の方法で得られたチタンまたはチタ
ン合金の鋳片は、残留塩素が少なく、また切り粉を使用
する必要がないため夾雑物も少なく、機械的性質に優れ
ている。従って、得られた製品は、機械構造用部材、化
学工業用配管材などの用途に有用である。

【００１８】

【実施例】次に実施例により本発明をさらに説明する。

【００１９】実施例１ 本実施例では、本発明の方法によりＡＳＴＭグレード１
に相当する純チタンを製造する例を示す。この製品の化
学成分の規格値は表１の通りである。また、この製品の
化学成分に対応する材料の液相線温度は１６８０℃であ
る。高周波誘導溶解は、図１に示すような装置を用いて
行った。使用した銅製ルツボは内径１００ｍｍ　の円筒
状で、その縦方向に幅０．５　ｍｍのスリットを有して
いた。溶解雰囲気は１気圧のアルゴン雰囲気とした。使
用した溶解原料は粒径　０．２〜２０　ｍｍ　のスポン
ジチタンである。このスポンジチタンの塩素含有量は７
００　ｐｐｍ　であった。成分調整のためにＦｅの添加
を行った。上記の装置および原料を用いて、直径１００
ｍｍ　、長さ５００　ｍｍの鋳片を作成した。 溶解時の鋳片の引き抜き速度を１０　ｍｍ／ｍｉｎ　か
ら１００　ｍｍ／ｍｉｎまで変化させ、ルツボ内におけ
る原料の溶湯状態での平均滞留時間を調整した。この引
き抜き速度とバランスするような量で上部から原料を逐
次投入し、溶湯の体積が一定となるように制御した。溶
湯温度は、高周波誘導加熱装置への電力の投入量を変化
させることで制御した。こうして調整した溶解条件を表
２に示す。

【００２０】溶湯最高温度として、溶湯表面の中央部の
温度を輻射温度計を用いて測定した。この輻射温度計で
の測定値を純鉄の溶解温度で補正した。補正後の測定温
度の精度は±５℃であった。溶解の終了時に上部から溶
湯中にタングステン粉を投入し、溶解状態における凝固
面を調査した。即ち、溶解後の鋳片を縦方向に２分割し
、縦断面上でタングステン粉の認められた位置から凝固
面を検出した。鋳片の半径方向中心部における凝固面の
位置から溶湯の表面までの距離を鋳片の引き抜き速度で
割ることによって、原料の溶湯状態における平均滞留時
間を算出した。本実施例で用いた条件では、凝固面から
溶湯表面までの距離は平均５０　ｍｍ　であった。溶解
により得られたチタン鋳片については、前記の横断面上
での凝固面の検出を行うと共に、定常溶解部である鋳片
長手方向中央部の半径方向中心部から塩素分析用試料を
採取し、残留塩素量の測定を行った。

【００２１】次にこの方法で製造された鋳片から熱間で
加工された後の製品の機械的性質を調査した。

【００２２】この場合、鋳片を１１００℃に加熱し、直
径５０ｍｍまで圧延加工したのち、８５０　℃に再加熱
し、直径２０ｍｍの棒材を製造した。この棒材を７００
　℃で１時間焼鈍後にφ６．２５×ＧＬ＝２５ｍｍの丸
棒試験片を採取し室温での引張性質を調査した。引張性
質はＡＳＴＭに準拠して調査した。併せて従来溶解法で
あるＶＡＲ溶解材についても同様の工程で熱間加工を行
い、比較のため室温での引張性質を調査した。表２に塩
素量の分析結果を併せて示す。 この表では、塩素量の分析結果が１００ｐｐｍ　以上で
あったものを、塩素の除去効果が充分でないとして×と
評価した。

【００２３】表２の結果から、本発明の範囲内の条件で
溶解を実施した場合、鋳片内の残留塩素量が少なく、問
題がないことが分かる。引張性質の調査結果を表２に示
す。本発明条件内で製造された、鋳片内の残留塩素量の
少ない場合の製品の機械的性質のうち伸びが従来の一般
工程材であるＶＡＲ溶解材と比べても遜色なく良好であ
るといえる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】実施例２ 本実施例は、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−
４Ｖ（ＡＳＴＭグレード５）　の製造例を示す。この合
金の化学成分の規格値は表１の通りであり、その液相線
温度は１６３５℃である。溶解方法および使用装置は実
施例１と同様であった。但し、原料として、合金化のた
めの成分調整の目的で、５０％Ａｌ−５０％Ｖ合金　（
溶解温度１９００℃）　とＡｌ粒　（溶解温度６６０　
℃）　をスポンジチタンと同時に添加した。鋳片の長さ
および評価方法も実施例１と同じであった。ここで実施
例１と同じく合金の場合について製品の機械的性質を調
査した。この場合鋳片を１１００℃に加熱し直径５０ｍ
ｍまで熱間圧延した後、９５０　℃に再加熱し直径２０
ｍｍまで仕上げ圧延を行った。この棒材を７５０　℃で
１時間焼鈍した後、機械的性質を調査した。調査方法は
実施例１と同じである。また実施例１と同じく、比較の
ため一般工程であるＶＡＲ溶解材についても同一の条件
で加工および調査を行った。

【００２７】溶解条件および評価結果を表３に示す。こ
の結果から、チタン合金の製造にあっても、本発明の範
囲内の溶解条件で製造された鋳片は、残留塩素量が充分
に低く、品質上問題がないことが分かる。引張性質の調
査結果を表３に併せて示す。本発明条件内で製造された
残留塩素の少ない鋳片の加工後の機械的性質のうち伸び
が、従来のＶＡＲ溶解材と同等の機械的性質が得られる
ことが判る。

【００２８】

【表３】

【００２９】実施例３ 本実施例では溶解時の雰囲気圧力の影響について調査し
た。使用した溶解原料は実施例１と同じ純チタン製造用
のものであった。溶解方法および使用装置も、雰囲気圧
力を除いて実施例１と同様であった。雰囲気圧力は、装
置内に導入するアルゴン量を変化させることにより制御
した。溶解条件を表４に示す。溶解時の鋳片の引き抜き
速度は５０ｍｍ／ｍｉｎで一定とした。溶解後の鋳片に
ついて実施例１と同様に化学成分分析を行い、鋳片内の
残留塩素量を測定し、同様に評価した。結果を表４に併
せて示す。また製品の機械的性質の調査条件は実施例１
と同じである。

【００３０】

【表４】

【００３１】表４の結果から、雰囲気圧力が０．１　気
圧以上、１．５　気圧以下であれば突沸現象を伴わずに
安定した溶解が可能であり、しかも塩素の残留が少なく
、良好な品質の製品が製造できることが分かる。またこ
の場合も本発明条件内で製造された鋳片の機械的性質は
良好である。

【００３２】

【発明の効果】本発明に従って水冷銅ルツボを用いた高
周波誘導溶解によりスポンジチタン原料を特定の条件下
で溶解すると、塩素の残留が少なく、良好な品質の製品
を突沸現象を伴わずに安定して製造することができる。 その結果、従来の消耗式電極を用いたスポンジチタンの
真空溶解では不可能であったチタンの連続製造が可能と
なり、また電極の組み立て工程が不要となるため、この
従来法に比べて著しく安価に効率よくチタンおよびチタ
ン合金製品を安定して製造することができる。しかも、
得られた製品は、スポンジチタン中の塩素分が充分に除
去され、真空溶解法に匹敵する優れた品質を有し、機械
的性質も良好である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法に用いることのできる水冷銅ルツ
ボを備えた高周波誘導溶解装置の説明図である。

【符号の説明】

１　　チャンバー ２　　銅製ルツボ ３　　コイル ４　　フィーダー ５　　引き抜き手段 ６，７　　水冷管 ８　　原料 ９　　鋳片 １０　　溶湯

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　不活性ガス雰囲気下に水冷された銅製
   ルツボ内で原料を高周波誘導溶解することによるチタン
   およびチタン合金製品の製造方法であって、スポンジチ
   タンを主原料とする溶解原料を、ルツボ内の溶湯の最高
   温度が液相線温度＋２０℃以上、ルツボ内における原料
   の溶湯状態での平均滞留時間が３０秒以上、雰囲気圧力
   が　０．１〜１．５　気圧の範囲内の条件で溶解を行う
   ことを特徴とする、チタンおよびチタン合金製品の製造
   方法。