JPH1136029A

JPH1136029A - 高強度チタン合金鋳造品

Info

Publication number: JPH1136029A
Application number: JP10136340A
Authority: JP
Inventors: Jun Shimotori; 潤霜鳥; Atsuhiko Kuroda; 篤彦黒田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】形状が複雑であっても、寸法精度に優れ、生産
性が高く、製造コストが安価で、しかも強度の高いチタ
ン合金鋳造品を提供する。【解決手段】化学組成が、重量％で、Ｆｅ：０．３〜
３．５％、Ｏ（酸素）：０．０５〜０．９５％、Ｃｒ：
０〜０．５％、Ａｌ：０〜３．５％、Ｖ：０〜３％、
Ｃ：０〜０．３％、Ｓｉ：０〜０．２％、Ｍｎ：０〜
０．１％、Ｎｉ：０〜０．３％およびＮ：０〜０．２％
を含有し、残部はＴｉおよび不可避的不純物からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ゴルフのクラブヘ
ッド等の精密鋳造品に代表される強度の高いチタン合金
鋳造品に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、軽量であるにもかかわら
ず強度や疲労強度に優れており、また耐食性にも優れて
いるという特長を持っている。そのために、航空機部
品、自動車部品、スポーツおよびレジャー用具、人工骨
などの医療用品、化学工業の設備用部品など多くの用途
に利用されている。

【０００３】これらの用途に用いられるチタン合金製品
は、通常鍛造法または鋳造法によって製造されている。
鍛造法によって製造された製品には、ひけ巣等の欠陥が
なく金属組織も微細なため、機械的性質等の特性に優れ
ているので、製品の信頼性が高いという特長がある。し
かし、チタン合金は成形性に劣るため、鍛造法では複雑
な形状の製品を造るのが難しい。また、製造工程が複雑
なため製造コストが高いという欠点もある。

【０００４】一方、鋳造法は、複雑な形状の製品の製造
が容易で、機械加工や組立等の工程を省略したり、簡略
化することが可能なため、製造コストが安いという特長
を持っている。鋳造法のなかでも特に精密鋳造法には、
鋳造品の寸法精度に優れているため、最終製品に近い形
状に鋳造することができるという長所がある。したがっ
て、精密鋳造法によれば、鋳造後わずかな加工で製品に
仕上げることが可能である。しかし、これらの鋳造法に
よる製品には、鋳造時に発生するひけ巣、ミクロポアな
どに起因する欠陥が存在すること、製品の強度が不十分
なことなどの欠点があり、寸法精度をさらに向上させる
ことも要求されている。

【０００５】最近、精密鋳造法によって製造されたチタ
ン合金製品は、その品質が改善され信頼性が向上してき
たため、多くの分野で利用されるようになった。その背
景には、精密鋳造技術の向上がある。特に鋳造品の肌荒
れ、ひけ巣、ミクロポア、割れなどの欠陥（以下、まと
めて鋳造欠陥と記す）を減らすことができる技術、複雑
な形状の製品が精度よく鋳造できる技術などの向上が挙
げられる。

【０００６】これらの最近の精密鋳造技術の向上は、お
もにつぎの技術の発展によっている。大別すると、溶解
技術、鋳型成形技術、鋳造技術、高温等方静水圧（以
下、ＨＩＰと記す）処理技術およびコンピューターシミ
ュレーション技術である。溶解技術では、例えば、電子
ビーム溶解法の利用技術が開発され、溶解中の精錬効果
が高まったので、製品の非金属介在物の量を減少させら
れるようになった。鋳型成形技術では、例えば、ロスト
ワックス法による鋳型成形技術が向上したので、複雑な
形状の鋳型の作製が容易になった。鋳造技術では、遠心
鋳造技術が向上したので、製品の鋳造欠陥の減少が図ら
れた。

【０００７】また、ＨＩＰ処理技術では、例えば、鋳造
後のＨＩＰ条件（加熱および加圧条件）が適正化された
ので、ＨＩＰ処理の際にひけ巣およびミクロポアを圧着
し消滅させることができるようになった。そのために、
製品に残留する欠陥が減少した。さらに、コンピュータ
シミュレーション技術の確立によって、鋳造時の欠陥発
生位置などを予測できるようになったので、この予測結
果を鋳型の設計に反映させることにより、鋳造欠陥の減
少が図られた。

【０００８】このような技術の進歩によって、精密鋳造
法には飛躍的な技術の向上がもたらされた。現在、精密
鋳造法が適用されているチタン合金は、おもにチタン合
金の中で最も一般的な”Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金”であ
る。チタン鋳造品に占めるこの合金の鋳造品の割合は、
約９０％を占めると言われている。この合金を用いた鋳
造品が普及している理由は、鋳造用としての合金および
合金を用いた鋳造品が、ＡＳＴＭ規格Ｂ３６７に規定さ
れているためである。航空機用などの重要部品において
は、この規格を満足することが品質保証上有利である。

【０００９】しかし、”Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金”は、
鍛造品の製造用として開発され、発展してきた合金であ
る。したがって、鋳造品製造用の合金としては、必ずし
も適しているとはいえない。そのために、たとえ最近の
向上した精密鋳造技術を駆使したとしても、上記の合金
によって製造された製品には、さらに解決を要するつぎ
のような問題点がある。

【００１０】まず、鋳造可能な製品の形状に制限がある
ことである。鋳造性に劣るため、前述の遠心鋳造法、Ｈ
ＩＰ処理技術などを利用しても鋳造欠陥の残留を完全に
防止することができない。その対策として、鋳造品には
鋳造欠陥が発生しにくい形状を選ばなければならない。
また、ＨＩＰ処理技術などを採用した場合、その処理に
要するコストの上昇がある。さらに、ＨＩＰ処理の際、
ひけ巣などが圧着されると、鋳造品の表面に陥没が生じ
やすい。その場合には、表面の陥没部を補修するための
肉盛りおよび肉盛り部の手入れ加工が必要となる。これ
らの処理によって製造コストが大幅に上昇する。

【００１１】このほか、鋳造品は鍛造品に比べて、強度
をはじめとする機械的性質に劣っている。その原因は、
鋳造品の金属組織が粗大なためである。一般的に鋳造時
に形成される金属組織は粗大なため、鋳造後の熱処理な
どでは、金属組織を鍛造品並みに微細化することが困難
である。そのために、鋳造品の機械的性質の向上には限
界がある。

【００１２】”Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金”の鋳造欠陥の
発生を防止する対策として、合金を溶解する際にＡｌの
添加方法を工夫すること、遠心鋳造の際の回転条件など
を適正化することなどの方法が提案されている（川崎製
鉄技報、２４（１９９２）２、Ｐ．１１７−１２３）。
この方法によれば、鋳造品の健全性が向上するとされて
いるが、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の短所である鋳造性に
劣ること、鋳造品の強度が低いことなどの欠点を補うま
でには至っていない。また、上記の方法では、ＨＩＰ処
理は、品質を確保する上で欠かせないとされている。

【００１３】このような理由で、複雑な形状であっても
寸法精度に優れ、生産性が高くて製造コストが安いチタ
ン合金鋳造品の製造技術の確立が望まれている。しか
し、現状のチタン合金および鋳造技術では、この要求に
応えることが難しいというのが実状である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、形状が複雑
であっても、寸法精度に優れ、生産性が高く、製造コス
トが安価で、しかも強度の高いチタン合金鋳造品を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記（１）〜
（４）のチタン合金鋳造品をその要旨とする。

【００１６】（１）重量％で、Ｆｅ：０．５〜３．５％、Ｏ（酸素）：０．０５〜０．９５％、Ａｌ：０〜３．５％、Ｖ：０〜３％、Ｃｒ：０〜０．５％、Ｃ：０〜０．３％、Ｓｉ：０〜０．２％、Ｍｎ：０〜０．１％、Ｎｉ：０〜０．３％、Ｎ：０〜０．２％残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を備
えるチタン合金鋳造品。特に、Ｃｒ含有率は、０．１〜
０．５％であることが望ましい。

【００１７】（２）ＪＩＳＧ０５５１に規定されて
いる方法で求められる結晶粒の粒度番号が−１以上であ
る上記（１）のチタン合金鋳造品。

【００１８】（３）ＪＩＳＧ０５５５に規定されて
いる方法で求められるＦｅ−Ｔｉ相の面積割合が、０．
１〜１．２％である上記（１）または（２）のチタン合
金鋳造品。

【００１９】（４）鋳造品がゴルフ用のクラブヘッドで
ある上記（１）から（３）のいずれかのチタン合金鋳造
品。

【００２０】本発明のチタン合金鋳造品は、下記の化学
組成を備えており、鋳造性に優れているので、形状が複
雑であっても、寸法精度の良好な鋳造品が得られる。ま
た、生産性が高く、製造コストが安価なことに加えて、
鋳造品の強度が高いという優れた特長を持っている。

【００２１】特に、Ｃｒ含有率が０．１〜０．５％の場
合には合金の延性に優れ、Ｎ含有率が０．０１〜０．２
％の場合にはさらに強度を高くすることが可能で、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＶの含有率の和が６％以下の場合
には鋳造性がさらに向上する。

【００２２】上記の本発明の鋳造品は、ＪＩＳＧ０
５５１に規定されている方法で求められる結晶粒の粒度
番号が−１以上（結晶粒径の平均値で表すと、約０．５
ｍｍ以下に相当）の場合、またはＴｉ−Ｆｅ相の面積割
合が０．１〜１．２％の場合には、強度等の機械的性質
がとくによい。

【００２３】また、これらの好適な条件の組み合わせに
よれば、さらに優れた特性がえられる。

【００２４】したがって、本発明の鋳造品は、ゴルフ用
のクラブヘッド等の寸法精度と強度が要求される製品と
して好適である。

【００２５】上述のように、本発明の鋳造品は、Ｆｅが
０．５〜３．５％、Ｏ（酸素）が０．０５〜０．９５％
といずれも従来のチタン合金鋳造品にはない高い含有率
である。また、添加される場合のＡｌおよびＶ含有率が
低く制限されているところに特徴がある。このようなＦ
ｅとＯの含有率の組み合わせおよびＡｌとＶの含有率の
制限によって、下記の（ａ）〜（ｃ）の効果を得てい
る。本発明者らは、これらの効果を発揮させることによ
って、前述の課題を解決した。

【００２６】（ａ）合金の凝固温度範囲が狭い液相線と固相線との間の温度差、すなわち固体と液体が
共存する温度の範囲（以下、凝固温度範囲と記す）が狭
い。凝固温度範囲が狭いので、鋳造品のひけ巣、ミクロ
ポア等の鋳造欠陥の発生を防止することができる。

【００２７】本発明者らは、チタン合金の凝固温度範囲
が広い場合に、鋳造欠陥が発生しやすいことを知見し
た。合金の凝固温度範囲が広い場合には、凝固の進行と
ともに溶湯の温度が低下し、それに伴って溶湯の流動性
が低下する。その結果、凝固末期に存在する空隙部への
溶湯の充填性が悪くなり、鋳造欠陥が発生する。

【００２８】本発明の鋳造品では、ＡｌおよびＶの含有
率が上記のように制限されているので、凝固温度範囲が
狭い。したがって、溶湯の流動性が高い間に凝固が完了
するので、鋳造欠陥が発生しにくい。

【００２９】なお、通常のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、
Ａｌ含有率が５．５〜６．７５重量％、Ｖ含有率が３．
５〜４．５重量％程度であるので、その凝固温度範囲は
約６０℃（液相線温度：約１６６０℃、固相線温度：約
１６００℃）である。これに対して、本発明の場合は合
金の凝固温度範囲が小さく最大でも５０℃程度である。

【００３０】（ｂ）鋳造品の金属組織が細かい本発明の鋳造品は、その結晶粒径が小さい。したがっ
て、鋳造品の常温引張強度および常温疲労強度（以下、
まとめて強度と記す）および延性などの機械的性質に優
れている。

【００３１】本発明の鋳造品はＦｅ含有率が高いので、
凝固後の冷却過程で微細なＴｉ−Ｆｅ相が全体に均一に
析出する。この微細なＴｉ−Ｆｅ相が、β相がα相に変
態する際の核となるので、結晶粒径の小さいα相が生成
する。すなわち、鋳造品の金属組織が細かい。その結
果、強度の上昇（析出強化）および延性の向上等の機械
的性質の向上がもたらされる。

【００３２】通常のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、純チタン
などの場合には、上記のようにＦｅ含有率が低いので、
凝固後の冷却過程でＴｉ−Ｆｅ相はほとんど生成しな
い。そのために、冷却過程での金属組織の微細化がほと
んど起こらない。

【００３３】（ｃ）固溶強化が起こる本発明の鋳造品の場合には、凝固過程でＦｅおよびＯが
マトリックスに固溶するので、これらの元素の固溶に起
因する強度上昇（固溶強化）が起こる。したがって、鋳
造品の強度が高い。

【００３４】通常のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、Ａｌお
よびＶを含有させることによって強度を得ている。本発
明の鋳造品の場合には、（ｂ）および（ｃ）に記したよ
うに、金属組織の微細化および固溶強化の２つの効果に
より、ＡｌやＶを含まない場合でも、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ合金と同等の強度を得ることができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の鋳造品について具体的に
説明する。なお、化学組成の％表示は重量％を意味す
る。

【００３６】（Ａ）鋳造品の化学組成Ｆｅ：Ｆｅは、本発明の鋳造品では欠くことのできない
重要な合金元素である。Ｆｅは、前述のようにＴｉとの
間でＴｉ−Ｆｅ相を形成する。この析出物が金属組織
（結晶粒径）を微細化するので、鋳造品の強度および延
性が向上する。また、Ｆｅはマトリックスに固溶し、固
溶強化作用も発揮するので、鋳造品の強度が高くなる。
このＦｅの２つの効果によって、鋳造品の機械的性質が
著しく向上する。

【００３７】これらの効果を発揮させるためには、Ｆｅ
を０．５％以上含有させる必要がある。一方、Ｆｅ含有
率が３．５％を超えると、凝固温度範囲が広くなり鋳造
欠陥が発生しやすくなる。したがって、Ｆｅ含有率は、
０．５〜３．５％とした。好ましくは、１〜３％であ
る。

【００３８】Ｏ（酸素）：ＯもＦｅと同様に、本発明の
鋳造品では欠くことのできない重要な元素である。ま
た、本発明の鋳造品にとって、極めて好都合な元素であ
る。すなわち、Ｏはマトリックスに固溶し、固溶強化作
用によって鋳造品の強度を向上させる働きを持ってい
る。そのような働きがあるにもかかわらず、Ｏには凝固
温度範囲を広くする作用がほとんどない。そのために、
本発明鋳造品の場合には、Ｏは比較的高い含有率まで許
容される。

【００３９】上記のＯの効果を得るためには、Ｏ含有率
を０．０５％以上とする必要がある。ただし、Ｏ含有率
が０．９５％を超えると、マトリックスへのＯの固溶量
が過剰となり、延性が低下する。したがって、Ｏ含有率
は０．０５〜０．９５％とした。好ましくは、０．１〜
０．７５％である。

【００４０】Ｃｒ：Ｃｒは必要に応じて添加する元素で
ある。特に、本発明の鋳造品にＣｒが添加された場合に
は、Ｃｒは重要な作用を発揮する。

【００４１】本発明の鋳造品は、Ｔｉ合金としてはＦｅ
が高めである。したがって、鋳造品の凝固後の冷却過程
で微細なＴｉ−Ｆｅ相が均一に分散して析出する際に、
結晶粒界にも析出することがある。このＴｉ−Ｆｅ相と
マトリックスとはその境界部での整合性に劣るため、鋳
造品の延性が低下することがある。

【００４２】Ｃｒを含む場合には、Ｃｒはおもに結晶粒
界に濃化する性質があるので、Ｔｉ−Ｆｅ相とマトリッ
クスとの間にＣｒの濃化層（β相）が形成されることに
なる。このＣｒの濃化層の存在が、Ｔｉ−Ｆｅ相とマト
リックスとの整合性を向上させるので、Ｃｒを含有させ
ることによって延性の低下を防止することができる。

【００４３】Ｃｒの添加は、特にＦｅの含有率が高い場
合に有効である。

【００４４】上記のＣｒの効果を発揮させるためには、
Ｃｒを０．１％以上含有させることが望ましい。ただ
し、Ｃｒ含有率が０．５％を超えると結晶粒界へのＣｒ
の濃化が過剰となり、結晶粒界に軟質な上記β相が増加
し過ぎるので結晶粒界の強度が低下する。そのために、
鋳造品の強度が低下することがある。したがって、Ｃｒ
の含有率は０〜０．５％、添加する場合の好ましい範囲
は０．１〜０．５％、さらに好ましくは０．１〜０．４
％である。

【００４５】Ａｌ：Ａｌは必要に応じて添加する元素で
ある。Ａｌにはマトリックスに固溶し鋳造品の強度を向
上させる作用があるので、鋳造品の強度をさらに向上さ
せる必要が場合にＡｌを添加するのがよい。

【００４６】Ａｌの強度向上効果を得るためには、Ａｌ
含有率を０．０１％以上とするのが好ましい。ただし、
Ａｌ含有率が３．５％を超えると、合金の凝固温度範囲
が広くなり鋳造欠陥が発生しやすくなるとともに、合金
の融点が上昇し溶解作業性が悪くなる。また、Ａｌのマ
トリックスへの固溶量が過剰になるので、鋳造品の延性
が低下する。

【００４７】したがって、Ａｌ含有率は０〜３．５％、
添加する場合の好ましい範囲は０．０１〜３．５％、さ
らに好ましくは０．０１〜３．０％とした。

【００４８】Ｖ：Ｖは必要に応じて添加する元素であ
る。Ｖには、Ａｌと同様にマトリックスに固溶し鋳造品
の強度を向上させる作用があるので、鋳造品の強度をさ
らに向上させる必要がある場合にＶを添加する。

【００４９】Ｖの強度向上効果を得るためには、Ｖ含有
率を０．０１％以上とするのが好ましい。ただし、Ｖの
含有率が３％を超えると、合金の凝固温度範囲が広くな
り鋳造欠陥が発生しやすくなる。また、β相が高温で安
定化し、凝固後の冷却過程でＦｅがこのβ相に固溶す
る。そのために、Ｆｅ−Ｔｉ相の析出量が減り、析出強
化および結晶粒の微細化効果が小さくなるので、機械的
性質の向上効果が低下する。

【００５０】したがって、Ｖ含有率は０〜３％、添加す
る場合の好ましい範囲は０．０１〜３％、さらに好まし
くは０．０１〜２．５％である。

【００５１】Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ａｌ＋Ｖ：本発明の鋳造品で
は、凝固温度範囲を５０℃以下程度に抑える必要があ
る。しかし、Ｆｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＶをすべて含み、
それぞれの含有率が上限値のような場合には、凝固温度
範囲が広くなるので、鋳造欠陥の発生を防止できないこ
とがある。これらの元素の含有率の合計値は６％以下と
するのが好ましい。

【００５２】Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＮｉおよびＮ：これらの
元素は必要に応じて添加する元素である。これらの元素
には、いずれも鋳造品のマトリックスに固溶し鋳造品の
強度を向上させる作用がある。また、Ｃ、ＳｉおよびＮ
は、それぞれの元素の一部が溶湯中で融点の高いＴｉＣ
（融点：３１５０℃）、Ｔｉ₅Ｓｉ₃（融点：２１２０
℃）、ＴｉＮ（融点：２９５０℃）の析出物を形成す
る。これらの析出物は凝固過程で凝固核の役割を果たす
ので、鋳造組織が微細化し、その結果機械的性質が向上
する。これらの効果を得る必要がある場合に、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｍｎ、ＮｉおよびＮのうちの少なくとも１つの元素
を添加する。

【００５３】上記の効果を発揮させる必要がある場合に
は、Ｃは０．０５％以上、Ｓｉは０．０３％以上、Ｍｎ
は０．０３％以上、Ｎｉは０．０３％以上、Ｎは０．０
１％以上含有させるのが好ましい。Ｎは０．０５％以上
含有させるのがさらに好ましい。ただし、Ｃが０．３
％、Ｓｉが０．２％、Ｍｎが０．１％、Ｎｉが０．３
％、Ｎが０．２％を超えると、マトリックスへのこれら
の元素の固溶量が過剰になる。また、ＴｉＣ、Ｔｉ₅Ｓ
ｉ₃、ＴｉＮの析出量も過剰になるので、鋳造品の延性
が低下しやすい。

【００５４】上述の点を考慮して、それぞれの元素の含
有率は、Ｃ：０〜０．３％、Ｓｉ：０〜０．２％、Ｍ
ｎ：０〜０．１％、Ｎｉ：０〜０．３％、Ｎ：０〜０．
２％とした。添加する場合のそれぞれの元素の含有率の
下限値は上記のとおりである。

【００５５】なお、上記の各元素は含有率が低いので、
凝固温度範囲への影響は小さい。しかし、上記の５つの
元素の含有率の合計が高すぎる場合には、凝固温度への
影響を無視することができない。したがって、上記の５
つの元素の含有率の合計値は１％以下とするのが好まし
い。

【００５６】（Ｂ）鋳造品の結晶粒径常温における鋳造品の強度、疲労強度、延性などの機械
的性質の観点から、結晶粒径は小さい方がよい。ＪＩＳ
Ｇ０５５１に規定されている測定法によって求めら
れる結晶粒度番号で−１以上、すなわち結晶粒径の平均
値で表すと約０．５ｍｍ以下とするのが望ましい。

【００５７】本発明の鋳造品の場合には、Ｆｅ含有率が
高いのでＦｅ以外の元素を添加しなくても結晶粒は微細
であり、上記の結晶粒度番号−１以上を満足する。ただ
し、さらに結晶粒を微細化する必要がある場合には、前
述のようにＣ、Ｓｉ、Ｎなどを添加すればよい。

【００５８】（Ｃ）鋳造品のＦｅ−Ｔｉ相本発明の鋳造品の場合には、凝固後の冷却過程でＦｅ−
Ｔｉ相が析出する。この相が鋳造品の強度等の機械的性
質を向上させる働きを持っている。鋳造品におけるＦｅ
−Ｔｉ相の量（面積割合）は、０．１〜１．２面積％で
あるのが望ましい。Ｆｅ−Ｔｉ相の面積割合が０．１％
未満の場合には、機械的性質の向上効果が小さく、１．
２％を超えると延性が低下する場合があるからである。

【００５９】Ｔｉ−Ｆｅ相の析出量は、本発明で規定す
るＦｅの含有率を満足させることによって上記の範囲に
収めることができる。このほか、適正な冷却速度が得ら
れる鋳型の使用、言い換えれば鋳型設計によってＴｉ−
Ｆｅ相の析出量を適正化することもできる。

【００６０】なお、Ｆｅ−Ｔｉ相の面積割合は、ＪＩＳ
Ｇ０５５５に規定されている鋼の清浄度の測定方法
を利用することによって求めることができる。また、Ｆ
ｅ−Ｔｉ相の面積率の測定条件は、ＪＩＳＧ０５５
１に規定されている条件、すなわち試験片の測定面の大
きさは幅１５ｍｍで高さ２０ｍｍ、光学顕微鏡の倍率は
４００倍、観察する視野数は６０視野とするのがよい。

【００６１】（Ｄ）鋳造品の製造方法鋳造を行うための合金の溶解には、電子ビーム溶解法が
もっとも適している。まず、電子ビーム溶解法でチタン
原料を溶解し、合金元素を添加して成分調整し、目標の
化学組成のインゴットを作製する。鋳造品を製造する際
には、このインゴットを再度電子ビーム溶解法で溶解
し、溶湯とするのがよい。溶解には、電子ビーム溶解法
のほかに、高周波誘導溶解法、非消耗電極式アーク溶解
法（ボタン溶解法）などを利用することもできる。

【００６２】本発明の鋳造品の鋳造には、工業的に用い
られているチタン合金の鋳造法であれば、どのような鋳
造法でも適用できる。本発明の鋳造品は、特に複雑な形
状の鋳造品の製造法である精密鋳造法に適用した場合
に、もっとも特長が発揮される。

【００６３】精密鋳造に用いる鋳型の造型には、ロスト
ワックス法を適用するのがよい。このほか、シェル法、
フルモールド法などの鋳型の製造法を用いることができ
る。

【００６４】溶湯の鋳型による鋳造には、遠心鋳造法、
加圧鋳造法などの方法を適用するのがよい。通常、本発
明の鋳造品を鋳造する場合には、ＨＩＰ処理を施す必要
はない。前述のように、本発明の鋳造品は、ＨＩＰ処理
を施さなくても鋳造欠陥が発生しないように、合金設計
がなされているからである。ただし、形状が極めて複雑
で、ＨＩＰ処理を施す方がよい場合には、そのような処
理を採用することができる。

【００６５】また、鋳造後の鋳造品の熱処理は必要に応
じて行えばよい。用途によっては、高い強度および延性
が必要とされることがあるので、そのような場合には、
要求される性質に応じた条件の熱処理を実施するのがよ
い。もちろん、鋳造のまま、すなわち熱処理なしでも使
用することができる。

【００６６】

【実施例】

（実施例１）長さ２２０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚さ１０ｍ
ｍの試験片を鋳造し、鋳造品の鋳造欠陥、機械的性質お
よび金属組織を調査することにより、鋳造品の評価を行
った。合金の溶解には、電子ビーム溶解法を利用し
た。予め非消耗電極式アーク溶解法（ボタンメルト法）
によって目標の化学組成に調整したインゴットを作製
し、このインゴットを電子ビーム溶解法によって溶解
し、鋳造用の溶湯を得た。つぎに、ロストワックス法に
よって作製した鋳型に溶湯を注入し、遠心鋳造法によっ
て鋳造した。得られた鋳造品について、化学組成ならび
に前述の鋳造欠陥、機械的性質および金属組織を調査し
た。

【００６７】表１および表２に、各鋳造品の化学組成を
示す。表１の試料Ｎｏ．１〜２６は、本発明で規定する
化学組成を満足する本発明の鋳造品（以下、本発明例と
記す）である。表２の試料Ｎｏ．ａ〜ｅは一部の合金元
素の含有率が本発明で規定する範囲を外れている鋳造品
（以下、比較例と記す）である。なお、試料Ｎｏ．ｅ
は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。

【００６８】

【表１】

【００６９】

【表２】

【００７０】本試験における具体的な鋳造条件および試
験方法はつぎのとおりである。

【００７１】（鋳造条件）鋳型の材質：ムライト系耐火材料鋳型内面コーティング材：イットリアインゴットの電子ビーム溶解溶解室内の真空度：約０．０１Ｐａるつぼ：水冷銅るつぼ遠心鋳造時の回転数：３００ｒｐｍ（調査方法）鋳造品内部の鋳造欠陥の調査欠陥検出法：Ｘ線透過法検出欠陥：鋳造品に存在する径が０．１ｍｍ以上のミク
ロポアの全数を測定機械的性質の調査試験法：常温引張試験（ＪＩＳＺ２２４１に従って
試験）試験片：板状試験片（ＪＩＳＺ２２０１に規定され
ている１３号Ｂの１／２サイズ）測定項目：引張強度、伸び金属組織の調査測定面：鋳造品の断面（測定部の大きさは縦横各２ｍｍ）測定項目：結晶粒の粒度番号（ＪＩＳＧ０５５１に従って測定）Ｔｉ−Ｆｅ相の面積率（ＪＩＳＧ０５５５に従って測定）試験結果を表３（本発明例）および表４（比較例）にま
とめて示す。

【００７２】

【表３】

【００７３】

【表４】

【００７４】本発明例の試料Ｎｏ．１〜２６について
は、径が０．１ｍｍ以上のミクロポアがまったく観察さ
れなかった。もちろん、ひけ巣もなく鋳造欠陥のない鋳
造品であることが確認された。

【００７５】また、引張試験における引張強度は９００
〜１０９０ＭＰａ、伸びは８〜１８％で、いずれも実用
上十分な性能であった。

【００７６】本発明例のなかで、試料Ｎｏ．１９〜２３
および２５〜２６は、Ａｌ、Ｖ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ
ｉ、Ｎのいずれかの含有率が高めの例である。この場合
には、本発明例のなかでも強度が比較的高く、伸びがや
や低めの傾向があった。したがって、強度が要求される
場合に適していることが裏付けられた。また、試料Ｎ
ｏ．２４は強度および伸びが低めの傾向があった。その
理由は、Ｃｒ含有率が０．４７％で本発明で規定する上
限値に近いためであり、Ｃｒを添加する場合の上限は
０．５％程度であることが確認された。

【００７７】また、試料Ｎｏ．１〜２６は、いずれも本
発明で規定する化学組成を満足しているので、鋳造品の
結晶粒の粒度番号は−１．０以上で結晶粒が細かく、Ｔ
ｉ−Ｆｅ相の面積率は０．１〜１．１％で適度であっ
た。

【００７８】比較例の試料Ｎｏ．ａ〜ｅは、ミクロポ
ア、引張強度および伸びのうちの少なくともひとつの点
で劣っていた。

【００７９】試料Ｎｏ．ａはＦｅが低すぎ、試料Ｎｏ．
ｃはＯ（酸素）が低すぎるので、いずれも強度が低く、
試料Ｎｏ．ｂはＦｅが高すぎるのでミクロポアが多いと
ともに伸びが低く、試料Ｎｏ．ｄはＯが高すぎるので伸
びがゼロであった。また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の試
料Ｎｏ．ｃは、ミクロポアが多くて、強度が低く、鋳造
品としては不良であった。

【００８０】これらの比較例の場合には、上記の成績か
らも分かるように、鋳造品の結晶粒度番号が小さすぎる
（結晶粒の大きさが大きすぎる）か、Ｔｉ−Ｆｅ相の面
積率が低すぎまたは高すぎのものが多く、金属組織もよ
くなかった。

【００８１】上述のように、本発明の鋳造品は、鋳造時
にＨＩＰ処理を施さなくても、鋳造欠陥がなく機械的性
質にも優れている。また、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金のように、高価なＶを用いなくても、それ以上の強度
が得られることから分かるように、特に強度特性に優れ
ている。

【００８２】（実施例２）ゴルフ用のクラブヘッドを鋳
造し、鋳造品の品質を調査した。用いたチタン合金は、
本発明で規定する化学組成を満足する表１に示した本発
明例の試料Ｎｏ．８、１２および１８の３種類、化学成
分のいずれかが本発明で規定する範囲を外れる表２に示
した比較例の試料Ｎｏ．ａおよびｂの２種類、計５種類
である。

【００８３】鋳造に用いた溶湯は、実施例１の溶解の際
に得られた溶湯である。クラブヘッド鋳造用の鋳型は、
ロストワックス法によって作製した。遠心鋳造法によ
り、５種類の合金について、それぞれ２個ずつのクラブ
ヘッドを鋳造し、サンドブラストにより、表面の汚染層
を除去した。

【００８４】クラブヘッドの形状は、フェイス部の肉厚
が３ｍｍ、それ以外の部分の肉厚が約１．２ｍｍ、重量
が約６００ｇ、体積が２６０ｃｍ³ である。

【００８５】得られた５種類の合金のクラブヘッドのそ
れぞれ１個ずつを鋳造品の品質調査に、他の１個ずつを
クラブヘッドとしての性能調査に当てた。

【００８６】鋳造品の品質としては、内部の鋳造欠陥を
調査した。調査方法は、クラブヘッドの上面（肉厚約
１．２ｍｍ）から、縦横３０ｍｍの試験片を切り出し、
実施例１の場合と同様に、試験片中に存在する径が０．
１ｍｍ以上のミクロポアの全数を測定した。

【００８７】クラブヘッドとしての性能は、クラブヘッ
ドを同一の仕様のカーボン製のシャフトに取り付け、試
験用ロボットを用いてゴルフボールを打たせ、クラブヘ
ッドの耐久性によって評価した。耐久性は、ロボットで
ゴルフボールを１０００球打たせた後、ヘッドのフェイ
スを調査し、塑性変形と亀裂の有無を調べることを繰り
返す方法によって判定した。この際、塑性変形は、フェ
イスの曲率（半径４００ｍｍ）に合わせたゲージを用い
て、ゲージとフェイスの間に生じる隙間を測定し、１ｍ
ｍ以上の場合を「変形あり」とした。亀裂は肉眼観察に
よって調査した。

【００８８】クラブヘッドとしての耐久性は、「変形あ
り」と「亀裂あり」のいずれかまでの打球数で評価し
た。打球回数が４０００回未満を不良「×」、４０００
回以上９０００回未満を普通「△」、９０００回以上１
５０００回未満を良好「○」、１５０００回以上を特に
良好「◎」と評価した。

【００８９】表５に、鋳造品のミクロポアおよびクラブ
ヘッドの耐久性を調査した結果をまとめて示す。なお、
表５には、クラブヘッドの耐久性試験の際の変形と亀裂
のいずれかが発生したときまでの打球回数も合わせて示
した。

【００９０】

【表５】

【００９１】本発明例の試験Ｎｏ．１から３について
は、ミクロポアが観察されず、鋳造性が良好であったこ
とが確認された。また、クラブヘッドの耐久性も、本発
明例の場合には良好で、打球数１００００回以下で変形
および亀裂が生じたクラブヘッドはなかった。特に、試
験Ｎｏ．３の場合には、打球数１５０００回まで変形も
亀裂も生じなかった。

【００９２】これに対して、比較例の試験Ｎｏ．４につ
いては、ミクロポアは観察されなかったものの、打球数
６０００回で変形が生じた。その原因は強度が不足して
いたためである。また、試験Ｎｏ．２−５については、
打球数３０００回で亀裂が発生した。その原因は、表５
に示されているように、ミクロポアが存在するためであ
る。

【００９３】

【発明の効果】本発明の鋳造品は、鋳造欠陥が極めて少
なく機械的性質にも優れている。また、高価な合金元素
であるＶを添加しなくても、十分な強度を備えている。
さらに、鋳造の際にはＨＩＰ処理を施す必要がない。し
たがって、本発明の鋳造品は、高い生産性で製造可能
で、製造コストが安価である。

【００９４】本発明の鋳造品の製造には、精密鋳造法が
もっとも適している。溶湯の流動性がよいので複雑な形
状の鋳造品の製造が可能であり、また、鋳造品の強度が
高いので鋳造品の薄肉化も可能である。さらに、鋳造品
の信頼性が高いので、従来鍛造法によって製造されてい
た製品を鋳造品に置き換えることも可能である。

【００９５】このように本発明の鋳造品は、チタン合金
の精密鋳造分野に対する寄与が極めて大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｆｅ：０．５〜３．５％、Ｏ（酸素）：０．０５〜０．９５％、Ａｌ：０〜３．５％、Ｖ：０〜３％、Ｃｒ：０〜０．５％、Ｃ：０〜０．３％、Ｓｉ：０〜０．２％、Ｍｎ：０〜０．１％、Ｎｉ：０〜０．３％、Ｎ：０〜０．２％残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなる化学組成を備
えることを特徴とするチタン合金鋳造品。
【請求項２】Ｃｒ含有率が、重量％で０．１〜０．５％
であることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金鋳
造品。
【請求項３】ＪＩＳＧ０５５１に規定されている方
法で求められる結晶粒の粒度番号が−１以上であること
を特徴とする請求項１または２に記載のチタン合金鋳造
品。
【請求項４】ＪＩＳＧ０５５５に規定されている方
法で求められるＦｅ−Ｔｉ相の面積割合が、０．１〜
１．２％であることを特徴とする請求項１から３のいず
れかに記載のチタン合金鋳造品。
【請求項５】鋳造品がゴルフ用のクラブヘッドであるこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のチタ
ン合金鋳造品。