JPS63192829A - Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金の製造方法 - 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］ この発明は、高強度であり、冷間加工性が優れた準安定
β型合金ノＴ　ｉ−１５Ｖ−３Ａ　Ｉ　−３Ｃｒ−３Ｓ
ｎ合金の製造方法に関する。

［従来の技術］ バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａ１）、クロム（Ｏ
ｒ）及びスズ（Ｓ　ｎ）を含有するチタン（Ｔｉ）合金
であるＴｉ−１５Ｖ−３Ａｌ　−３Ｃｒ−３Ｓｎ　（以
下、Ｔｉ−１５−３と略す）は、準安定β型合金であっ
て、軽く高強度であるのに加えて耐食性、冷間加工性及
び耐熱性が優れているという利点を有するため、成形加
工コストの低減等の観点から近時注目されている（　Ｊ
　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｓ　１９１ｉ３年１
１月号第３０乃至３４頁等）。

Ｔｉ合金は、通常、スポンジＴｉに合金成分を含有する
母合金の粉末を添加混合し、これをプレスして消耗電極
を製造し、真空アーク溶解炉（ＶＡＲ）にて溶解し、水
冷鋳型内にこの液滴を滴下して鋳塊にすることにより製
造している。このＶＡＲでＴｉ合金を溶製する場合には
、一般的に低融点及び低密度の母合金を使用してその合
金成分を添加する。例えば、代表的なＴｉ合金のＴ　１
−６Ａ　ｌ−４Ｖにおいては、金属単体のＶは融点及び
密度が夫々１９１７℃及び５．９５ｇ／ｃｍ３と高いの
で、融点及び密度が夫々１６７０℃及び４．０ｇ／ｃｍ
３の５０Ｖ−５０Ａｌ母合金を使用してこのＴｉ合金を
溶製している。

ところで、Ｔｉ−１５−３合金については、近年にいた
って開発された合金であるため、専用の母合金が未だ開
発されておらず、従来、スポンジＴｉに、８５Ｖ−１５
Ａｌ母合金、金属Ｃｒ及び金属Ｓｎを添加混合して溶製
している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、８５Ｖ−１５Ａｌ母合金、金属Ｃｒ及び
金属Ｓｎの融点は、夫々１８７０℃、１９００℃及び２
３２℃であり、高融点のものと、極低融点のものとが混
在しているのに加え、スポンジＴｉの融点１６６０℃と
の差も大きい。

また、８５Ｖ−１５Ａ　Ｉ母合金、金属Ｃｒ及び金属Ｓ
ｎの密度は、夫々５．　０５ｇ　／ｃｍ３．７、　１９
ｇ　／ｃｍ３及び７．　２９ｇ　／ｃｍ３であり、これ
らの合金成分単体の密度は、４．５１ｇ／ｅｆｆ１３の
密度を有するＴｉに比して極めて高い。

このように、スポンジＴｉ及び合金成分単体（母合金又
は金属単体）の密度が相互に大きく異なるので、これら
の粉末を混合したときに、偏析の発生を防止することが
困難であり、均一な消耗電極を製造することができない
。また、この消耗電極をＶＡＲで溶解する際に、低融点
の合金成分単体、特に、金属Ｓｎが優先的に溶解し、高
融点の金属Ｃｒが最後に溶解する。この融点差による溶
解時期の相違に加えて、各合金成分単体の密度差の影響
によって、鋳型内の融液中に成分の偏析が発生する。こ
のため、均一組成のＴｉ−１３−３合金鋳塊を得ること
が困難である。

この発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、
偏析等の品質欠陥がなく、均一な組成の鋳塊を得ること
ができるＴ　ｉ−１５Ｖ−３Ａ　１−３Ｃｒ−３Ｓｎ合
金の製造方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るＴｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３５ｎ
合金の製造方法は、Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａｌ−
Ｃｒ母合金及びＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金から選択さ
れた少なくとも１種の母合金をスポンジＴｉと共に混合
して消耗電極を製造し、この消耗電極を真空アーク溶解
することを特徴とする。

［作用］ この発明によれば、Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａ　１
−Ｃｒ母合金及びＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金から選択
された少なくとも１種の母合金を使用してＴｉ−１５−
３合金を製造する。つまり、スポンジＴｉに、例えば、
粉末状のこれらの母合金を混合し、プレス等して棒状の
消耗電極を製造する。そして、この消耗電極を真空アー
ク溶解することにより、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３０ｒ
　−３Ｓｎ合金が製造される。

これらのＶ−Ａｌ−Ｓｎ合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ合金又は
Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ合金等の母合金は、いずれも融点
及び密度がＴｉと同様の値を有しており、このため、こ
れらの母合金を使用してＶＡＲ法によりＴｉ−１５Ｖ−
３Ａｌ−３Ｃｒ−３６ｎ合金を製造すると、偏析がない
高品質の鋳塊を製造することができる。

［実施例コ 以下、添付の図面を参照してこの発明の実施例について
説明する。先ず、Ｔｉ−１５−３の製造に使用するＶ−
Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金の製造方法について説明する。

炉内底部に粒状の金属Ｓｎを敷設し、その上に、五酸化
バナジウム鉱石（ｖ２ｏ５　＞粉末、酸化クロム鉱石（
Ｃｒ２０３　）粉末、針状アルミニウム及び造滓剤を混
合したものを載置する。この五酸化バナジウム鉱石は、
例えば、粒径が２０ｍｍ以下であり、かつそのうち粒径
がｉｏｏｍ以下のものが５乃至５０重量％あるものを使
用する。酸化クロム鉱石の粒径は、例えば、０．０１ｍ
ｍ以下であり、金属Ｓｎの粒径は、例えば、５ｍｍ以下
である。

造滓剤は、例えば、スラグ組成において、ＣａＯが１０
乃至３０重量％、Ａｌ２Ｏ３が９０乃至７０重量％にな
り、ＣａＯ／（ＣａＯ＋Ａ１２０３）で定義される組成
比が０．１乃至０．３になるように、原料を配合する。

この造滓剤の粒径は５ｍｍ以下であることが好ましい。

このように、炉底に金属Ｓｎを敷設し、原料粉末及び造
滓剤の混合物をＳｎの上に装入した後、これらの装入物
に着火させてテルミット反応させる。これにより、五酸
化バナジウム及び酸化クロムがアルミニウムと爆発的に
反応し、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ合金が溶製され、その融液の熱
で炉底の金属Ｓｎが溶解し、このＳｎが融液と合金化さ
れてＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ合金が製造される。

なお、金属Ｓｎを五酸化バナジウム鉱石粉末及びアルミ
ニウム粉末等に混合して、テルミット反応させることも
考えられるが、金属Ｓｎの融点が低いので、成分歩留が
低い。しかしながら、この発明のように、金属Ｓｎを炉
底に敷設した場合には、テルミット反応における成分損
失が少なく、金属Ｓｎを混合させた場合に比して成分歩
留が約１０％高い。このような理由で、この実施例にお
いては、金属Ｓｎを炉底に配置する。

造滓剤は、テルミット反応における反応の進行を抑制す
ると共に、スラグの流動性を調整するために原料に添加
される。Ｖ２Ｏ３とＡｌのみでは反応熱が高く、反応が
急激に進行してしまい、金属成分歩留が低下する。この
ため、造滓剤を原料に添加することにより、反応の進行
を抑制する。

また、造滓剤の添加により、反応により精製するスラグ
の流動性を調整することができるので、これにより、金
属成分の歩留が向上する。

Ａｔテルミット反応後、炉内には、その下部に溶融金属
が存在し、上部にはスラグが存在する。

このＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ合金の融液は溶融スラグとの
分離性が良く、清浄な合金融液を得ることができる。こ
の状態で溶融金属及びスラグを凝固させ、スラグを分離
除去すると共に、合金鋳塊をクラッシャで１０ｍ＋ｎ以
下の小粒に破砕する。Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ合金は破砕
しやすいので、このような細粒に容易に破砕することが
できる。

なお、上記母合金の製造方法は、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ
母合金についてのものであるが、酸化クロム鉱石の粉末
を原料に混合しない場合には、Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金を
製造することができる。

また、Ｓｎを炉底に敷設しない場合には、Ｖ−Ａ　ｌ−
Ｃｒ母合金を製造することができる。これらのＶ−Ａｌ
−Ｓｎ母合金及びＶ−Ａｌ−Ｃｒ母合金もスラグとの分
離性が良いので清浄な合金を得ることができると共に、
鋳塊における破砕性も良い。

このＡｔテルミット反応においては、発熱量が極めて大
きいＶ−Ａ　１合金の顕熱で金属Ｓｎが溶解する。一方
、Ｃｒのテルミット反応の場合には発熱量が不足するが
、この不足分がＶ−Ａ　１合金の発熱の過剰分により補
われる。従って、これらの母合金はＡｔテルミット反応
により高効率で製造することができる。

これらのＶ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａ　１−Ｃｒ母合
金及びＶ−Ａ　１−Ｃｒ−Ｓｎ母合金中の酸素濃度及び
窒素濃度は、Ｓｎ及びＣ「の濃度に拘らず、比［Ａ１重
量％／（Ｖ＋Ａ’１重量％）］に依存する。第１図は母
合金中の酸素濃度を縦軸にとり、この比を横軸にとって
両者の関係を示すグラフ図である。図中、黒丸はＶ−Ａ
ｌ−Ｓｎ母合金の場合、Ｘ印はＶ−Ａｌ−Ｏｒ母合金の
場合、白丸はＶ−Ａｌ−Ｏｒ−Ｓｎ母合金の場合であり
、実線はＶ−Ａ　Ｉ母合金における母合金中の酸素濃度
と前記比との関係を示す。この図から明らかなように、
Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ母合金及びＶ−
Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金のいずれの場合も、母合金中の
酸素濃度は、前記比に対して、Ｓｎ及びＣｒを含有しな
いＶ−Ａ　１合金の場合と同様の相関関係を有しており
、酸素濃度がＳｎ及びＣｒ濃度に依存しないことがわか
る。また、第２図は母合金中の窒素濃度を縦軸にとって
、窒素濃度と前記比との関係を示すグラフ図である。

黒丸、Ｘ印、白丸及び実線は前記第１図の場合と同様で
ある。この窒素濃度も、酸素濃度と同様に、Ｃｒ及びＳ
ｎの濃度に拘らず、■及びＡｌの濃度比によって決まる
。

第３図は、横軸に下記数式にて示されるＱ値（Ｑｌ値又
はＱｚ値）をとり、縦軸に金属成分の歩留をとって、両
者の関係を示すグラフ図である。

Ｑ１値−（テルミット反応熱ｋｃａｌ）　／（アルミニ
ウム粉末、五酸化バナジウム粉末及び造滓剤の合計重量
ｋｇ）　　　　　　　　　・・・（１）Ｑｚ値−（テル
ミット反応熱ｋｃａｌ）　／（アルミニウム粉末、五酸
化バナジウム粉末、酸化クロム粉末及び造滓剤の合計重
量ｋｇ）　　・・・（２）Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金につい
ては前記（１）式を使用し、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ母合金及び
Ｖ−Ａ　ｌ　−Ｃｒ−Ｓｎ合金については前記（２）式
を使用してＱ値（Ｑｚ又はＱ２）を算出する。第３図中
、実線は６２．５Ｖ−１２，５Ａｌ−１２，５Ｃｒ−１
２，５Ｓｎ合金の場合であり、破線は７２Ｖ−１４Ａ　
１−１４Ｓｎ合金の場合であり、一点鎖線は７２Ｖ−１
４Ａ　１−１４ｃ　ｒ合金の場合である。この図から明
らかなように、７２ｖ−１４Ａｌ−１４Ｓｎ母合金の場
合には、Ｑ値が７２０乃至８２０　ｋｃａｌ　ｋｇにお
いて、また、７２Ｖ−１４Ａｌ−１４Ｃｒ母合金及び６
２．５Ｖ−１２，５Ａ１−１２．５Ｃｒ−１２，５８ｎ
母合金の場合には、Ｑ値が７００乃至８００　ｋｃａｌ
　ｋｇにおいて、金属成分の歩留まりが９５％以上にな
る。このＱ値の範囲を超えると、原料の飛散損失が多く
なり、Ｑ値が小さいと、熱量が不足する。

いずれにしても、Ｑ値が前記範囲から外れると、歩留ま
りが低下する。従って、テルミット反応においては、前
記Ｑ値が各母合金によって決まる最適の範囲に入るよう
に、反応条件を設定することが好ましい。

このようにして、テルミット反応により製造され、クラ
ッシャにより微細粒に破砕された母合金を、所定の配合
比でスポンジＴｉと混合した後、プレスすることにより
消耗電極を製造する。そして、この消耗電極を使用して
真空アーク溶解し、その液滴を、例えば、水冷銅鋳型に
鋳込んでＴｉ−１５−３合金の鋳塊を製造する。

次に、上記実施例方法によりＶ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ
−Ａｌ−Ｃｒ母合金及びＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金を
製造した試験結果並びに融点及び密度の測定結果につい
て説明する。

試験例１ この試験例は、７２Ｖ−１４Ａｌ−１４Ｓｎ母合金につ
いてのものである。原料（造滓剤を含む）の配合条件及
びその粒度を下記第１表に示す。

第１表 この原料からテルミット反応により下記第２表に示す溶
融金属及びスラグを得ることができた。

第２表 但し、塩基度は、Ｃａ　Ｏ／　（Ｃａ　Ｏ＋Ａ　Ｉ　２
０３　）で現される。また、Ｑ値は、７８０　ｋｃａｌ
／　ｋｇである。この第２表から明らかなように、■及
びＳｎの金属成分の歩留は、いずれも９５％以上であり
、極めて高い。

試験例２ この試験例は、７２Ｖ−１４Ａｌ−１４Ｃｒ母合金につ
いてのものである。原料（造滓剤を含む）の配合条件及
びその粒度を下記第３表に示す。

第３表 この原料からテルミット反応により下記第４表に示す溶
融金属及びスラグを得ることができた。

但し、Ｑ値は、７５０　ｋｃａｌ／　ｋｇである。この
第４表から明らかなように、■及びＣｒの金属成分の歩
留は、いずれも９５％以上であり、極めて高い。

試験例３ この試験例は、６２．５Ｖ−１２，５Ａｌ−１２，５Ｃ
ｒ−１２，５Ｓｎ母合金についてのものである。原料（
造滓剤を含む）の配合条件及びその粒度を下記第５表に
示す。

第５表 この原料からテルミット反応により下記第５表に示す溶
融金属及びスラグを得ることができた。

第６表 但し、Ｑ値は、７６０　ｋｃａｌ／　ｋｇである。この
第６表から明らかなように、Ｖ、Ｃｒ及びＳｎの金属成
分の歩留は、いずれも９５％以上であり、極めて高い。

このようにこの実施例においては、金属成分の歩留が極
めて高い。そして、このように製造された各母合金は、
下記第７表に示すように、その融点及び密度がスポンジ
Ｔｉと同様の値を示している。

第７表 この第７表から明らかなように、Ｖ−Ａ　Ｉ　−Ｓｎ母
合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ母合金及びＶ−Ａ　ｌ−Ｃｒ−Ｓ
ｎ母合金の融点はＶ−Ａ　１母合金及び金属Ｃｒに比し
て低く、Ｔｉの融点に近い値を有している。また、密度
についても、Ｖ−Ａ　１−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ
母合金及びＶ−Ａ　１−Ｃｒ−Ｓｎ母合金の場合は、金
属Ｃｒ及びＳｎに比して極めて低く、Ｔｉと同様の密度
を有している。従って、このＶ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ
−Ａｌ−Ｃｒ母合金又はＶ−Ａ　ｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金
をスポンジＴｉに混合して消耗電極を製造し、Ｔｉ−１
５−３をＶＡＲ法により製造すると、偏析がない高品質
の鋳塊を得ることができる。

なお、このＶ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ母合
金及びＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金は、テルミット法に
より製造する場合に限らず、他の方法により製造するこ
とができることは勿論である。また、スポンジＴｉと融
点及び密度を可及的に一致させるために、Ｖ−Ａｌ−Ｓ
ｎ合金の場合には、その組成を、７１．５±２％ｖ１１
４．３±２％Ａｌ及び１４．３±２％Ｓｎに制御するの
が好ましい。このような組成の母合金は、五酸化バナジ
ウム、アルミニウム及びスズを、重量％で夫々５８±２
％、３６±２％及び６．１±０．６％だけ配合してテル
ミット反応させることにより得ることができる。また、
Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ合金の場合には、その組成を、７１．５
±２％Ｖ、１４．３±２％Ａｌ及び１４．３±２％Ｃｒ
に制御するのが好ましい。このような組成の母合金は、
五酸化バナジウム、アルミニウム及び酸化クロムを、重
量％で夫々５４±２％、３７±２％及び８．８±０．６
％だけ配合してテルミット反応させることにより得るこ
とができる。更に、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金をＴｉ
−１５−３の製造に使用する場合には、五酸化バナジウ
ム、アルミニウム、酸化クロム及びスズを、重量％で夫
々５１±２％、３５±２％、８．３±０．６９６及び５
．５±０．６％だけ配合してテルミット反応させ、その
組成を６２．５±２％Ｖ、１２．５±２％Ａｌ．１２．
５±２％Ｃｒ及び１２．５±２％Ｓｎに制御することが
好ましい。

［発明の効果］ この発明によれば、Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａ　Ｉ
−Ｃｒ母合金又はＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金を使用し
てＴｉ−１５−３を製造する。これらの母合金は、スポ
ンジＴｉと同様の融点及び密度を有するから、この母合
金を使用することにより、偏析等の欠陥がなく高品質で
あり、均一組成のＴｉ−１５−３合金鋳塊を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第３図は金属成分歩留とＱ値との関係を示すグラフ図で
ある。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ＯＩｏ　　　　２０’３０ 第１１！１ ０イ直（にｃａｌ／に９） 第　３　図 本　２　図 手続補正書６２．７．−了 昭和　　年　　月　　日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金、Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ母合金及
   びＶ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金から選択された少なくと
   も１種の母合金をスポンジＴｉと共に混合して消耗電極
   を製造し、この消耗電極を真空アーク溶解することを特
   徴とするＴｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金の
   製造方法。 （２）前記Ｖ−Ａｌ−Ｓｎ母合金は、７１．５±２重量
   ％Ｖ、１４．３±２重量％Ａｌ及び １４．３±２重量％Ｓｎの組成を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （３）前記Ｖ−Ａｌ−Ｃに母合金は、７１．５±２重量
   ％Ｖ、１４．３±２重量％Ａｌ及び １４．３±２重量％Ｃｒの組成を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （４）前記Ｖ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｓｎ母合金は、６２．５±
   ２重量％Ｖ、１２．５±２重量％Ａｌ、１２．５±２重
   量％Ｃｒ及び１２．５±２重量％Ｓｎの組成を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。