JPH04272147A - チタンの製造方法 - 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、構造材あるいは機械部
品として用いられる熱間加工性の良好なチタンおよびチ
タン合金の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、チタンまたはチタン合金　（以下
「チタン」と総称する）　の溶解は、一般的には、原料
としてスポンジチタンを用い、真空中で消耗式電極を使
って行われていた。また、スリットを縦方向に設けかつ
水冷された銅製ルツボ（　以下「水冷銅製ルツボ」とい
う）　を使用して原料チタンを誘導溶解する方法も、従
来より、コールドクルーシブル溶解方法として知られて
いる　（Ｓｉｘｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　ｏｎ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　Ｐ５８３　参照）　。

【０００３】コールドクルーシブル溶解方法に用いる装
置は、筒型の縦長のスリットをもった水冷銅製ルツボと
、高周波誘導加熱装置とから構成されており、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
溶解される。得られた溶湯はルツボ下部で凝固して鋳片
となり、鋳片はルツボより下方に連続的に引き出される
場合と、バッチ溶解炉としてルツボを傾けて溶湯を鋳型
に排出される場合がある。

【０００４】このとき溶解時の雰囲気は、Ａｒ雰囲気を
用いるのが一般的である。

【０００５】一方、チタンに水素を積極的に添加して熱
間加工性を向上させる試みがなされており、水素吸蔵と
脱水素との組み合わせで金属組織を制御できることが知
られている　（日本金属学会春期大会講演概要、１９９
０、４　　ｐ．８０、８１参照）　。しかし、脱水素に
関しては９２３Ｋで真空焼鈍したとあるが、水素吸蔵に
関しては何ら具体的条件は開示されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】今日、チタンのもつ優
れた特性を利用して広範囲の用途に使用されることが期
待されているが、まだ現状では高価な材料であって、そ
の用途も限定されている。そこで、チタンを安価に大量
に製造する方式の確立が求められている。従来の真空中
での消耗式電極を使用した溶解方法では溶解工程がバッ
チ式となるため鋳片の連続的な製造ができない。

【０００７】この点、コールドクルーシブル溶解方法、
つまり水冷銅製ルツボによる高周波誘導溶解法では、チ
タン鋳片を連続的に製造することができる。一方、溶解
後に鋳造して得られる鋳片に熱間加工を行い半製品並び
に最終製品形状に成形する場合、チタンは加工性が乏し
いため製造過程で割れなどの問題を生じ製品の歩留りを
低下させるという問題点がある。

【０００８】なお、熱間加工に先立ってチタンに水素を
吸蔵させる方法は、組織制御が目的であって、適正な加
工と熱処理を加えることによって微細針状マルテンサイ
ト組織が得られることが知られているにすぎない。しか
も、熱間加工前に水素を吸蔵させる工程が付加されるた
め、工程数が増加し製造コストの上昇を招く。また水素
吸蔵したチタン製品では適切な条件で脱水素を行ってお
かなければ水素による製品の延性が低下し、製品の機械
的性質は保証されない。本発明の一般的目的は、チタン
成形品を安価に大量に製造する方法を提供することであ
る。本発明のより具体的目的は、加工性を改善したチタ
ンを連続的に製造する方法およびチタンの機械的特性を
改善するための熱処理方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる課題
を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得
て本発明を完成するに至った。 （１）　チタン製品の安価に製造するため水冷銅製ルツ
ボの高周波誘導溶解法に着目して研究を進めたところ、
水素を積極的に添加することで鋳片の熱間加工性を大幅
に改善される。水素はチタンの高温相であるβ相の温度
域を低温側へ低下させ、このβ相は熱間加工性に優れて
いることは知られているが、水素吸蔵がただちに熱間加
工性を改善するものとは知られていなかった。

【００１０】（２）　しかし、チタン製品中に水素が残
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起こすことから、一旦添加した水素
は加工終了後には追い出さなければならないが、そのと
きの熱処理条件に一定の臨界性がある。 （３）　水冷銅製ルツボによる高周波誘導溶解法では放
電発生防止の観点から真空中で溶解を行うことができな
いためＡｒ等の不活性ガス中で溶解を行う必要がある。 この場合、雰囲気として純粋のＡｒに適量の水素を混合
すると溶解凝固後の鋳片内に水素が均一に分布する。

【００１１】（４）　水冷銅製ルツボでチタンを溶解す
る場合、雰囲気中に積極的に水素を添加し、得られた鋳
片内には均一に水素が残留し、鋳片の熱間での加工性を
著しく向上させる。 （５）　しかも、このようにして均一に添加された水素
は熱間での加工後に適切な条件下で熱処理を施して最終
製品中から追い出すことで製品の機械的性質を確保でき
る。

【００１２】ここに、本発明の要旨とするところは、容
積百分率で０．０１％以上５％以下の水素を含む不活性
ガス雰囲気下で、チタンまたはチタン合金を水冷金属製
ルツボ内で、例えば縦方向にスリットを設けた水冷銅製
ルツボ内で誘導溶解し、鋳片とすることを特徴とする熱
間加工性良好なチタンまたはチタン合金の製造方法であ
る。 このようにして製造された鋳片は適宜加工した後、５×
１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空下で５００　℃以上βｔｒ
ａｎｓｕｓ　以下の温度範囲で３０分以上１４時間以下
の間保持する工程を含む熱処理を行い、一旦添加された
水素を追い出すことによってチタンまたはチタン合金の
機械的性質を確保することができる。

【００１３】

【作用】次に、添付図面を参照しながら本発明をさらに
具体的に説明する。図１は、本発明を実施するチタン溶
解・鋳造装置の略式説明図であって、図中、縦長のスリ
ットを設けた水冷銅製ルツボ１０の周囲には誘導加熱装
置１２が設けられており、ホッパー１４の先端はルツボ
１０の上方において開いた投入口１５となっている。こ
れらの装置全体はチャンバー２０内に配置され、チャン
バー２０内は真空吸引されてからその雰囲気が例えばア
ルゴンガス雰囲気のように不活性ガス雰囲気に調整され
る。チャンバー２０内の雰囲気はガス流入口２１からの
ガス流量を調整することで制御する。なお、ルツボ１０
は水供給路２２、２３によって絶えず水冷されている。

【００１４】本発明によってチタンを溶解・鋳造する場
合、ホッパー１４から投入口１５を経てルツボ内に溶解
原料が供給され、次いで誘導加熱装置１２によってルツ
ボ１０内において加熱溶融される。このようにして用意
された溶湯２６は鋳型を兼ねる底無しの筒型ルツボ１０
内を降下しながら凝固し、インゴット２８となってルツ
ボ１０の下から引き出される。図中、符号３０で示すの
は操業開始時にルツボ１０の底部を構成するダミーバー
である。このときチャンバー２０内の不活性ガス雰囲気
には容積百分率で０．０１〜５．０　％の水素が含有さ
れる。一般にはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気に上
記範囲内の量の水素が配合される。

【００１５】このとき雰囲気中の水素量が０．０１容積
％未満では鋳片内に充分な水素を添加することができず
、従って熱間での加工性を向上することは期待できない
。一方、雰囲気中の水素量が５．０容積％超であると、
溶解雰囲気中に酸素が混入した場合、例えば溶解装置の
雰囲気を制御するために設置されているチャンバーに割
れなどの欠陥が生じて外部の酸素が大気と共に雰囲気内
に侵入した場合、爆発を起こす危険性があるため、安全
上の観点から水素量は５．０　容積％以下に制限される
。なお、ここで示す水素の含有量は室温における水素の
容積百分率である。

【００１６】このようにして鋳造して得た鋳片はほぼ０
．０１〜０．１％（重量）の水素を含有しており、その
まま熱間加工を行って目的形状に成形しても、割れなど
はほとんど見られない。このようにして目的製品の形状
に成形してから、特に機械的特性を確保する必要がある
場合には、溶解によってチタンに添加された水素が製品
内に残留して製品の機械的性質に悪影響を及ぼすことか
ら、水素除去処理のための熱処理を行う必要がある。す
なわち、５×１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空下で５００　
℃以上βｔｒａｎｓｕｓ以下の温度範囲で３０分以上１
４時間以下の間保持する工程を含む熱処理を行う。

【００１７】熱処理雰囲気の圧力が５×１０−２Ｔｏｒ
ｒ超であると、水素除去効果が十分でなく、機械的特性
の回復が十分でない。また加熱温度が５００　℃未満で
は水素が放出されず脱水素処理が行われない。チタンは
低温で安定なα相と高温で安定なβ相が存在することが
知られており、α相とβ相の変態温度をβｔｒａｎｓｕ
ｓ　という。前記熱処理温度がβｔｒａｎｓｕｓ　超で
あると製品の結晶粒径が著しく粗大化し、製品の延性が
大きく低下する。一方、熱処理時間が３０分未満では脱
水素が充分行われず製品の延性が回復しない。熱処理の
時間が長時間側では製品の結晶粒が粗大化するが前記の
温度条件内では特に問題はない。しかし、余り長時間の
熱処理は経済的ではなく、また製品内に残留する水素量
を考慮すると１４時間超の熱処理は意味をもたないため
上限を１４時間とする。このような脱水素熱処理によっ
てチタン製品の水素量は５０ｐｐｍ　前後、機械的特性
は十分に回復する。

【００１８】

【実施例】実施例１ 本例では図１の装置を使用して純チタンを溶解原料とし
て本発明を実施した。対象とした成分はＡＳＴＭのグレ
ード１に相当する純チタンであり、その製品の化学成分
の規格値を表１に示す。本材料のβｔｒａｎｓｕｓ　は
９１５　℃である。

【００１９】図１に示すように高周波誘導溶解は、縦方
向に幅０．５　ｍｍのスリットを設けた水冷銅製の筒形
ルツボを用いて１気圧のＡｒ雰囲気中で行った。溶解に
用いたルツボは内径１００　ｍｍで、溶解原料として直
径２０ｍｍから０．２　ｍｍの大きさを持つ純チタンの
ＡＳＴＭのグレード−１材の切り粉を使用した。

【００２０】このようにして直径１００　×長さ２００
　ｍｍの鋳片を作成した。鋳片の引抜速度は５０ｍｍ／
ｍｉｎと一定であった。この引抜速度とバランスするよ
うにホッパーから投入口を経て原料をルツボ内に逐次投
入し、ルツボ内溶湯の体積が一定となるように制御した
。さらに溶解の雰囲気は高純度のＡｒガスに水素を一定
の割合で混合することによって制御した。この場合、水
素の割合はＡｒおよび水素の流量を調節することで制御
した。

【００２１】溶解で得られた鋳片の上部より１００　ｍ
ｍの位置から平行部直径８ｍｍ×ＧＬ＝３０ｍｍ捻り試
験片を採取し熱間での加工性を調査した。捻り試験は９
００　℃で１５分間加熱保持した後、回転数３００ｒｐ
ｍで行った。このとき捻りトルクを試験片固定端側で測
定し、トルク値が零になる点までの試験片の回転数を測
定することで鋳片の熱間での加工性を評価した。この溶
解雰囲気条件と捻回値つまり熱間加工性との関係をまと
めて表２に示す。表２には熱間加工性の評価結果を併せ
て示す。この場合、破断までの捻り回数　（捻回値）　
が８０を超えたものについて熱間加工性が良好と判定し
、評価○とした。

【００２２】この結果、本発明の製造条件内で溶解され
た鋳片は破断までの捻り値がいずれも１００　回を超え
ており良好な熱間加工性を示すことが分かる。次に、上
記の加工性評価が良好であった３容積％水素含有不活性
ガス雰囲気下での溶解材を用いてそれに対する最適な脱
水素熱処理条件の検討を行った。

【００２３】すなわち、鋳片の表面肌を改善する目的で
直径９８ｍｍまで機械加工した後、１１００℃に加熱し
直径５０ｍｍまで粗鍛造を行った。さらに８５０　℃に
加熱した後、直径１５ｍｍまで孔型圧延を行い線材製品
を得た。この工程で得られた製品より長さ２００　ｍｍ
の熱処理用素材を採取し、各種の条件下で熱処理を行っ
た。熱処理後の素材中心部から平行部直径６．２５ｍｍ
×ＧＬ＝２５ｍｍの引張試験片を採取し室温でＡＳＴＭ
に準拠して引張性質を調査した。

【００２４】表３に熱処理条件および引張性質のうち破
断時の伸びの値を併せて示す。この表で伸びの値が２０
％以下の場合について延性が低いものと判断して評価Ｘ
とした。表３の結果から本発明の製造条件下で熱処理を
行った場合、延性が良好であることが判る。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】実施例２ 代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（Ａ
ＳＴＭ　グレード５）について本発明によって処理した
。使用した合金の成分を表１に示す。この合金のβｔｒ
ａｎｓｕｓ　は９９５　℃である。溶解方法は実施例１
と同様の方法で行い、溶解原料としてはＴｉ−６Ａｌ−
４Ｖ合金の切り粉を用いた。鋳片の長さは実施例１と同
じであった。溶解条件を表４に示す。得られた鋳片の熱
間加工性は実施例１と同じ方法で調査した。但しこの場
合、捻り試験の加熱温度は９５０　℃とした。

【００２９】表４に評価結果を併せて示す。この結果か
ら本発明の製造条件範囲内で溶解された鋳片では捻回値
が８０以上で良好な熱間加工性を有することが判る。次
に脱水素加熱処理を行った。すなわち、上記の評価で熱
間加工性が良好であった３容積％水素含有不活性ガス雰
囲気下で溶解された鋳片を用いて試験を行った。鋳片は
直径９７ｍｍまで機械加工して表面の性状を良好とした
後、１１５０℃に加熱して直径６０ｍｍまで粗鍛造を行
った。さらに９５０　℃に加熱して６０ｍｍ幅×１０ｍ
ｍ厚さの板に熱間圧延した。

【００３０】圧延後の素材から１００　ｍｍ長さの熱処
理用素材を切り出し、表５に示す条件で熱処理を行った
。熱処理後の素材の長手方向に厚さ２ｍｍでＧＬ＝２５
ｍｍの板状の引張試験片を採取し室温で引っ張り性質を
調査した。この場合も破断後の伸びが１０％以下の場合
、延性が低いものと判断して評価Ｘとした。表５の結果
から本発明条件内で熱処理されたものは良好な室温破断
延性を有することが判る。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているから、水冷銅製ルツボを用いた高周波誘導溶解法
によるチタンの溶解法を活用して、溶解時の不活性ガス
雰囲気中の水素含有量を制御することで熱間加工性の良
好な鋳片を作成し、さらに必要により加工後に適切な条
件下で熱処理を行うことで機械的性質に優れたチタン製
品の製造が可能となり、産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において使用する高周波誘導溶解・鋳造
装置の概略説明図である。 〔符号の説明〕１０　ルツボ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　１２　誘導加熱装置 １４　ホッパー　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１５　投入口２０　チャンバー　　　　　　　　　　
　　　　　　　２１　流入口２２　水供給路　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　２３　水供給路２６　溶
湯　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２
８　インゴット３０　ダミーバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　容積百分率で０．０１％以上５％以下
   の水素を含む不活性ガス雰囲気下で、チタンまたはチタ
   ン合金を水冷の金属製ルツボ内で誘導溶解し、鋳片とす
   ることを特徴とする熱間加工性良好なチタンまたはチタ
   ン合金の製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１の製造方法で得られた鋳片を
   加工した後、５×１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空下で５０
   ０　℃以上βｔｒａｎｓｕｓ　以下の温度範囲で３０分
   以上１４時間以下の間保持する工程を含む熱処理を行っ
   て機械的性質を改善することを特徴とするチタンまたは
   チタン合金の製造方法。