JPH07136740A - チタン合金の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高Cr、高Mo含有Ti合金の鋳造方法を提供する。 【構成】複数の縦方向スリットを備えた水冷式の銅るつ
ぼを用いて、４％以上のCr及び／または４％以上のMoを
含むTi合金を連続的に溶解し鋳片を鋳造する際に、下記
式を満たす鋳片の引抜速度Ｖ(mm/min)で鋳造するTi合金
の鋳造方法。 0.30Ｄ≦Ｖ≦1.20Ｄ ただし、Ｄはるつぼ内径(mm) 【効果】成分の均質性に優れ、かつポロシティーのない
チタン合金鋳片を製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はチタン合金の連続的な鋳
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の工業的なチタン合金の溶解法であ
るＶＡＲ溶解では、原料（チタンスポンジおよびその他
の合金材料）を多数のコンパクトに押し固め、これを溶
接により繁ぎ合わせて電極を作製し、バッチ的にこの電
極をアークにより溶解し、インゴットを鋳造する。

【０００３】この場合、コンパクトの作製上、溶解原料
を均一に配合することが不可能であるため、合金材料は
コンパクトの内部にチタンスポンジで覆われた形で配合
されている。このため、電極の溶解にともなって溶解さ
れる成分が均一ではなく、この溶解成分の時間的な不均
一にともなう鋳片内の偏析が問題となっている。

【０００４】ＶＡＲ溶解では、溶解速度は電極に与えら
れる電力に依存するものの、アークを生じさせる必要
上、溶解電力にはある一定の下限値がある。このため、
溶解速度、すなわち、溶湯の凝固速度の制御に自由度が
少なく、偏析の改善も困難である。

【０００５】他の溶解および鋳造方法として、るつぼ壁
が複数の縦型のセグメントで区切られた水冷式銅るつぼ
による高周波誘導溶解法（コールドクルーシブル溶解法
ともいう。以下、銅るつぼ誘導溶解法という）がある。
この方法では、金属の溶解を、溶湯内に形成される誘導
電流とセグメント内の誘導電流により形成される磁場の
電磁気的相互作用とにより、溶湯をるつぼ壁から反発さ
せながら進行させ、るつぼの下部で連続的に鋳造を行
う。したがって、この銅るつぼ誘導溶解法では、Tiまた
はTi合金などの高融点活性金属の溶解が可能である。

【０００６】この溶解法の特徴は小径の鋳片を製造でき
る点にある。この特徴を活かして、チタン合金の一種で
あるTi−６Al−４Ｖ合金のスクラップを溶解した例が示
されている（文献１：Sixth World Conference on Tita
nium,1983,P.583 参照) 。

【０００７】銅るつぼ誘導誘導溶解法により製造したチ
タン合金 (Ti−６Al−２Sn−４Zr−２Mo) 棒材は、熱間
加工した後、良好な機械的性質を持つことが示されてい
る（文献２：ISIJ International vol.32,1992,p.575参
照) 。

【０００８】チタンは工業用純チタンおよびα、α＋
β、β型のチタン合金に分類される。

【０００９】チタン合金の特性はそれぞれの合金元素の
含有量に依存する。チタンに添加される合金元素は大き
く分けて、α安定化元素、β安定化元素および中立元素
に分類される。これらの元素のうち、CrとMoはβ安定化
元素に分類され、チタン合金の添加元素として重要な役
割を果している。これらの元素を多量に含むチタン合金
として、Ti−11.5Mo−６Zr− 4.5Sn、Ti−３Al−８Ｖ−
６Cr−４Mo−４Zr、Ti−６Al−２Sn−４Zr−６Moなどが
知られている。

【００１０】これらの合金を銅るつぼ誘導溶解法で溶解
し、鋳片を連続的に製造する場合、鋳片が凝固する際に
合金成分が偏析することが予測されるが、この問題に対
する解決策はまだ十分明らかにされていない。この偏析
に関し、前記文献２には、２％のMoを含むチタン合金で
は均質な成分分布を有する合金鋳片の製造が可能である
ことが示されている。しかし、Mo含有量がさらに多量の
場合に発生が予想される鋳片内の偏析とその改善策につ
いては言及されていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高C
r、高Mo含有Ti合金を銅るつぼ誘導溶解法で溶解、鋳造
する際に、鋳片の偏析を軽微にし、かつ有害なポロシテ
ィー欠陥をなくすことができる鋳造方法を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の鋳造
方法にある。

【００１３】複数の縦方向スリットを備えた水冷式の銅
るつぼを用いて、４％以上のCrおよび／または４％以上
のMoを含むチタン合金を連続的に溶解し鋳片を鋳造する
際に、下記式を満たす鋳片の引抜速度Ｖ(mm/min)で鋳造
することを特徴とするチタン合金の鋳造方法。

【００１４】0.30Ｄ≦Ｖ≦1.20Ｄ ただし、Ｄはるつぼ内径(mm) ここで、％は重量％を意味する。

【００１５】

【作用】銅るつぼ溶解法では、誘導溶解によりいったん
均一成分の溶湯が形成されるため、前記のＶＡＲ溶解に
おける偏析、すなわち溶解成分の時間的不均一にともな
う偏析問題は回避できる。しかし、銅るつぼ溶解法では
連続鋳造を行うため、溶湯の凝固速度は鋳片の引抜速度
に依存する。したがって、銅るつぼ溶解法でチタン合金
を溶解、鋳造する場合、凝固速度の制御が不適切である
と、凝固にともなう偏析が鋳片内に生じる。

【００１６】また、溶湯は引き抜きにともなって凝固す
るが、このとき引抜速度が不適切であると凝固時の鋳片
内に溶湯の湯回りが不足し、この不足部が鋳片内にミク
ロポロシティーとして残存する。例えば、引抜速度が過
大であると、凝固中に鋳片が急速に凝固するため凝固過
程で溶湯の湯回りが不足して、ミクロポロシティーの増
加を招く。ミクロポロシティーが鋳片内に残存すると鋳
片内部欠陥となり、製品の機械的性質を悪化させる。こ
のため、良好な機械的性質を持つ鋳片を製造するために
は、この凝固速度を適切に制御する必要がある。

【００１７】一方、引抜速度が遅いと溶湯の凝固速度は
低下するが、この凝固速度の低下にともない合金成分の
偏析が大きくなる。この偏析は鋳片の上部−下部間の長
手方向分布差として発生し、例えばMoを含む溶湯が凝固
する際、Moは凝固界面から固相側へ取り込まれ、溶湯側
へ排出される溶湯のMo濃度が減少する。この結果、引抜
速度が遅いと、最終凝固位置である鋳片上部は初期凝固
位置である鋳片下部に比べてMo濃度が低くなり、鋳片内
部の成分均質性の観点から好ましくない。

【００１８】引抜速度は、外部から機械的に制御するこ
とができる。したがって、引抜速度を制御することで、
溶湯の凝固速度を制御することが可能である。

【００１９】次に、鋳片内の偏析を軽減し、かつミクロ
ポロシティーの生成をなくすための条件を説明する。

【００２０】鋳片の引抜速度Ｖを下記の(1) 式で定義す
る。

【００２１】Ｖ＝ｋＤ ・・・(1) ただし、Ｖの単位はmm／min 、Ｄはるつぼ内径 (mm) 、
ｋはその単位を min^-とする係数である。このｋは、る
つぼ径と引抜速度との比を示し、種々のるつぼ径に対す
る引抜速度に係わるものである。

【００２２】このｋＤが1.20Ｄを超える引抜速度条件で
は、鋳造が高速で行われるため、鋳片内の外周部に湯回
りの不良を引き起こし、鋳片内にミクロポロシティーが
発生する。一方、ｋＤが0.30Ｄ未満の引抜速度条件で
は、凝固速度が遅いため、凝固時に添加合金成分の再分
配が進行して偏析が増大し、鋳片内の成分の均質性が保
証されなくなる。

【００２３】偏析は溶解する合金の成分に大きく影響を
受ける。特に、CrやMoは前記のように、偏析が問題とな
る元素である。しかし、４％未満のCr含有量および／ま
たは４％未満のMo含有量であれば、偏析の問題は実質的
に生じない。これは、Crおよび／またはMo含有量が４％
未満であれば、溶湯中の含有量として低いため、実際の
鋳造では偏析が生じても偏析幅が小さくなり、ほとんど
問題とならないからである。よって、本発明方法の対象
となるチタン合金のCrおよび／またはMo含有量は４％以
上とした。

【００２４】なお、この種のチタン合金では、Crおよび
Mo含有量が増加しすぎると溶け残りや品質特性の悪化が
生ずるため、それらの上限は、Crで約15％程度、Moで約
20％程度とするのが通常である。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）銅るつぼ誘導溶解法を用いて、Ti−11.5Mo
−６Zr−4.5Sn(βIII)のスクラップ原料を溶解し、外径
φ70mm、長さ300mm の鋳片を鋳造する試験を行った。溶
解装置の構成は次のとおりとした。

【００２６】るつぼ：内径φ70mm、壁厚さ15mm、全長25
0mm の銅製 セグメント長さ：るつぼ上端から150mm セグメント数：12（るつぼ上部で縦方向、かつ円周方向
に分割） セグメント間隔：幅0.5mm 、長さ150mm のスリット（る
つぼ上端から） コイル：内径105mm 、長さ70mm、４巻の銅製 冷却：水冷（るつぼ下部およびセグメント内） この装置は、るつぼとコイルが雰囲気調整可能なチャン
バー内に設置されているものである。高周波電源は 20k
Ｈz 、最高出力は180kＷ、溶解母材の外径はφ68mm、母
材の材質はβIII とした。

【００２７】るつぼ、コイル、母材をセットした後、チ
ャンバー内を真空ポンプで排気し、さらにアルゴンガス
を導入して雰囲気調整をしながら、この状態で電力を投
入して母材を溶解し、溶湯を形成した後、溶湯上部から
βIII のスクラップを投入して溶解した。このスクラッ
プは、旋盤で発生した切り屑を洗浄した後、20mm程度の
長さに粉砕したものである。

【００２８】上記及び表１に示す引抜速度を変えた条件
で、母材をるつぼの下方向に引抜き、引抜きにともない
溶湯の湯面レベルを一定に保つために、溶湯上部からβ
IIIスクラップを投入しながら、前記寸法の鋳片を連続
的に鋳造した。

【００２９】得られた鋳片の上部から150mm の位置で、
厚さ10mmの円盤状の試験片を採取し、ミクロポロシティ
ーの発生状況を調査した。調査方法は、採取した素材の
片面を鏡面に研磨した後、研磨面上を50倍の倍率で顕微
鏡観察する方法を用いた。ミクロポロシティーの存在が
一個でも認められた場合をポロシティー発生ありと判断
し、評価を×とした。

【００３０】成分偏析の評価は、鋳片の上端と下端から
それぞれ30mmの位置の鋳片中心部から分析試料を採取
し、Moの濃度分析を行う方法で行った。上部と下部の分
析値の差が目標Mo濃度（11.5％）の10％、すなわち1.15
％を超える場合を、成分の均質性不良と判断し、評価を
×とした。

【００３１】さらに、ミクロポロシティの存在と上記濃
度差から、総合評価を○、×で行った。これらの結果を
表１に併せて示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１の結果から、本発明で定める条件で製
造された鋳片は、ミクロポロシティーの発生がなく、か
つ成分の均質性に優れていることが明らかである。

【００３４】（実施例２）実施例１と同様の方法で、Ti
−３Al−８Ｖ−６Cr−４Mo−４Zr（βＣ）合金を対象と
する試験を行った。このときの鋳造条件と評価結果を表
２に示す。ただし、成分の均質性はCrの濃度差で評価し
た。すなわち、鋳片の上部と下部のCr濃度の差が目標Cr
濃度（６％）の10％、すなわち0.6 ％を超える場合を、
成分の均質性不良と判断し、評価を×とした。

【００３５】

【表２】

【００３６】表２からわかるように、実施例１のβIII
合金と同様に、本発明で定める条件で製造されたβＣ合
金は、ミクロポロシティーの存在と成分の均質性の両面
で優れている。

【００３７】（実施例３）鋳片内の偏析が問題となるMo
およびCr含有量の限界値を求める目的で、引抜速度を変
化させて組成の異なる外径φ70mm、長さ300mm の鋳片を
鋳造する試験を行った。母材として表３および表４に示
す目標成分の合金材を用いた。溶解原料は、鋳片の組成
がそれぞれの母材と同一になるように、純チタン(JIS１
種）のスクラップと純Mo粉末または純Cr (大きさ１mmの
塊) を、予め配合したものとした。

【００３８】実施例１と同じ方法で、目標成分と同一の
母材を溶解した後、溶湯上部から予め配合した原料を投
入しながら溶解、鋳造した。鋳片の引抜速度は実施例
１、２の結果を踏まえ毎分20mmおよび25mmとした。この
ときの引抜速度条件を表３、表４に示す。

【００３９】得られた鋳片の上部および下部から、それ
ぞれ30mm離れた位置の中心部のCrまたはMoの濃度を分析
した。偏析の評価は、上部および下部での濃度差率が目
標成分の10％を超える場合を成分偏析ありと判断し、評
価を×とした。これらの結果を表３、表４に併せて示
す。ここで、濃度差率とは次の式で定義されるものであ
る。

【００４０】

【００４１】

【表３】

【００４２】

【表４】

【００４３】表３、表４の結果から明らかなように、Mo
および／またはCrの含有量が４％未満では、引抜速度Ｖ
が0.30Ｄ未満の条件でも、鋳片内の成分偏析は問題とな
らない。一方、Moおよび／またはCr含有量が４％以上の
場合では、成分偏析を考慮しなければならないことがわ
かる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の方法によれば、成分の均質性に
優れ、かつポロシティーのないチタン合金鋳片を製造す
ることができる。

【００４５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の縦方向スリットを備えた水冷式の銅
   るつぼを用いて、４％以上のCrおよび／または４％以上
   のMoを含むチタン合金を連続的に溶解し鋳片を鋳造する
   際に、下記式を満たす鋳片の引抜速度Ｖ(mm/min)で鋳造
   することを特徴とするチタン合金の鋳造方法。 0.30Ｄ≦Ｖ≦1.20Ｄ ただし、Ｄはるつぼ内径(mm)