(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金の製造に用いる母合金中の酸素の分析方法であって、 
上記母合金にチタン材を添加した後、溶製して酸素が均一に分布した分析用チタン合金とし、上記分析用チタン合金中の酸素を定量することを特徴とする母合金中の酸素の分析方法。
【請求項２】
前記母合金に添加するチタン材の重量が２０〜８０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の母合金中の酸素の分析方法。
【請求項３】
前記チタン材を添加した母合金を不活性ガス雰囲気の大気圧下でアーク溶解して分析試料とすることを特徴とする請求項１に記載の母合金中の酸素の分析方法。
【請求項４】
前記チタン材が、切粉、チップまたは切粉とチップの混合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の母合金中の酸素の分析方法。 
【請求項５】
前記母合金中の合金成分が、アルミニウム、バナジウム、クロム、スズ、モリブデン、ジルコニウム、シリコン、マンガン、ハフニウム、ニオブまたはタンタルから選択された２種以上の元素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の母合金中の酸素の分析方法。
【請求項６】
チタン合金の製造に用いる母合金と上記母合金と異なる合金材料とを原料とするチタン合金の製造方法であって、
前記請求項１〜５のいずれかに記載の酸素の分析方法で母合金の酸素を分析し、この分析値を基準として、溶製される合金中の酸素濃度を目標範囲内になるように上記原料を配合した後、真空下、不活性ガス雰囲気の大気圧下または不活性ガス雰囲気の加圧下でアーク溶解またはプラズマ溶解することを特徴とするチタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母合金中の酸素を精度よく分析するために好適な分析試料を提供する方法に関する。また、この方法で分析された母合金を用いて溶製する合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、高温強度のみならず、耐食性に優れているために、航空機や化学装置等の用途で広く用いられている。例えばチタン合金の中でもＴｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金は、β合金であるために加工性に優れているのみならず、強度にも優れているために、メガネフレームやゴルフの部品にも多用されている。
【０００３】
Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金は、純チタンにアルミニウム、バナジウム、クロムおよびスズを所定の割合で適切に配合し、これを真空アーク溶解して製造される。しかしながら、アルミニウムの融点は６６０℃とチタンの１６７０℃に比べて低いために、合金の溶製中に溶湯からアルミニウムが揮発して合金組成を維持し難いという問題がある。一方、バナジウムの融点は１９００℃近傍にあり、チタンに比べて逆に融点が高く、溶湯を過熱しないとバナジウムの融け残りが発生するという問題がある。
【０００４】
このような状況下にあるため、アルミニウムやバナジウムをそれぞれ単体の原料として用いずに、両者を合金化したいわゆるＡｌ−Ｖ母合金の形で用いることが多い。このＡｌ−Ｖ合金は主に酸化バナジウムと金属アルミニウムのテルミット反応を利用して製造されている。
【０００５】
上述のようにして得られるＡｌ−Ｖ母合金とチタン、アルミニウム、クロム、スズを適切な割合で混合して溶解することにより、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金を精度良く製造することができている。
【０００６】
しかしながら、製品である合金インゴットのユーザーによっては、合金中の酸素含有率をきめ細かく規定している場合があり、前記したアルミニウムやバナジウムといった合金組成のみならず酸素含有率についても低いレベルに制御する必要がある。このような観点でまずはＡｌ−Ｖ合金中の酸素を分析し、それを基準値として最終合金中の酸素値を目標値に近づけるよう配慮しているが、供給されるＡｌ−Ｖ合金中の酸素含有率には変動があり、最終製品が目標値を大幅に上回ってしまう場合や、低いレベルに抑えられたとしてもバラツキが大きく規格を外れる場合があり、改善が求められていた。
【０００７】
これに対して、バナジウム含有の母合金を電子ビーム溶解して前記合金中の酸素含有率を低減させる技術が知られている（特許文献１）。しかしながら、電子ビームを用いる方法では新たなコストが発生するのでこれに代わる技術が求められていた。
【特許文献１】特開平１０−２６５８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高Ｖ含有β合金の溶解原料に用いるＡｌ−Ｖ母合金中の酸素含有率を精度良く評価できる分析方法を提供することを目的とし、さらには、この分析方法を用いて母合金中の不純物を推定することにより、溶製される合金の組成を精度よく目標範囲内に維持できる方法の提供も目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、チタン合金の合金成分として用いる母合金にチタン材を添加した後、溶製して不純物である酸素が均一に分布した分析用チタン合金とすることにより、前記母合金中の酸素成分を精度よく分析することができることを見出した。また、この分析値を用いて合金設計して溶製された合金インゴット中の酸素成分組成を目標範囲内に精度よく維持できることができることも見出し本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、チタン合金の製造に用いる母合金中の酸素の分析方法であって、上記母合金にチタン材を添加した後、溶製して酸素が均一に分布した分析用チタン合金とし、上記分析用チタン合金中の酸素を定量することを特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明のチタン合金の製造方法は、チタン合金の製造に用いる母合金と上記母合金と異なる合金材料とを原料とするチタン合金の製造方法であって、前記本発明の酸素の分析方法によって母合金の酸素を分析し、この分析値を基準として、溶製される合金中の酸素濃度を目標範囲内になるように上記原料を配合した後、真空下、不活性ガス雰囲気の大気圧下または不活性ガス雰囲気の加圧下でアーク溶解またはプラズマ溶解することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、チタン合金中の不純物である酸素成分組成を目標範囲内に精度よく維持できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の最良の実施形態について以下に説明する。当実施態様においては、母合金としてＡｌ−Ｖ合金を例にとって以下に説明する。
本発明の母合金として用いるＡｌ−Ｖ合金の組成は、目的とするチタン合金に対応して種々の組成を選択することができる。たとえば、１５Ａｌ−８５Ｖ、３５Ａｌ−６５Ｖ、５０Ａｌ−５０Ｖ、あるいは８５Ａｌ−１５Ｖといった合金を用いることができる。これらの合金を適宜目的に応じて選択することができる。
【００１４】
Ａｌ−Ｖ合金中には原料に由来する酸素が含まれており、この値をできる限り正確に分析することが本発明の目的である。
前記したＡｌ−Ｖ合金のうち母合金としてたとえば１５Ａｌ−８５Ｖを選択し、母合金に対して所定量のチタン材を配合した後、溶解して分析試料とする。前記母合金とチタン材の総量に対するチタン材の配合比は、３０〜７０％の範囲で選択することが好ましい。このような範囲に選択することで、精度よく前記合金中の酸素含有率を分析することができる。なお、前記母合金に対するチタン材の添加比率が前記範囲よりも多く、あるいは少なくても、精度よく酸素含有率を検知することができない。その理由は今のところ明らかになっていない。
【００１５】
前記母合金に配合するチタン材はできる限り酸素含有率の低い材料を使用することが好ましい。具体的には、１０００ｐｐｍ以下のチタン材を用いることが好ましい。チタン材の酸素含有率が高いと、検出されるチタン合金の酸素含有率が増大してしまい、元の母合金中の酸素含有率を精度良く分析することができないからである。
【００１６】
また、前記チタン材は、スポンジチタンあるいはインゴットから切り出したブロックを用いることが好ましいが、試料内の組成が均一であるという点から後者のインゴットから切り出したブロックまたは純チタン展伸材を用いることがより好ましい。
【００１７】
前記チタン材と前記母合金を混合した試料の総重量は、３０〜１１０ｇの範囲に準備しておくこと好ましい。また、前記試料は、溶解して組成の均一な分析試料を作製することが好ましい。前記試料の溶解は、大気圧下で行うことが好ましく、例えば、アルゴンアーク溶解装置（いわゆる、ボタン溶解装置）を用いることができる。
【００１８】
また、雰囲気は大気圧よりもやや加圧状態で行うことが好ましく、０．０１〜０．０３ＭＰａの範囲に保持することが好ましい。このような微加圧下で溶解作業を行うことで、溶解試料から揮発分離される酸素ガス量を効果的に抑制でき、その結果、溶解試料中の酸素含有率を精度よく分析することができる。圧力が上記範囲よりも低い場合は溶解試料から揮発する酸素ガス量が増加し好ましくない。逆に圧力が上記範囲よりも高い場合にはコストが増大して好ましくない。
【００１９】
前記のアルゴンアーク溶解装置の他に、電子ビーム溶解炉を用いた試料の溶解操作を選択することもできるが、この場合には、試料中の酸素量が減少して試料中の酸素含有率の検出精度が低下する。この要因は明らかになっていないが、試料中のアルミニウムと酸素とが結合してＡｌ２Ｏの化合物を形成しているものと思われる。この化合物は蒸気圧が高いため、溶解中に揮発しやすいことが知られている。よって、試料中の酸素ガスを問題にする本願発明の場合には、減圧下ではなく大気圧または加圧下での試料のアルゴンアーク溶解炉もしくはプラズマ溶解炉を用いることが好ましい。
【００２０】
溶解時間は、前記試料を溶解装置にセットし炉内にアルゴンガスを送気して不活性ガス雰囲気に保持した後、溶解試料と電極との間にアークを発生させて試料の溶解を開始する。前記試料の溶解終了後、０．５〜１０分程度溶融状態を保持しておくことが好ましい。このような操作を行うことで、溶解試料中の酸素含有率を均一に保持することができる。
【００２１】
なお、本願発明においてはガス成分、特に酸素ガスの分析を目的としているために溶解炉の不活性ガス雰囲気保持に用いるアルゴンガス中の酸素ガスもできる限り少ない方が好ましい。このため、前記アルゴンガスを溶解炉に供給するに先立って、高温に加熱したチタン材と接触させておくことが好ましい。このような予備処理を行うことでアルゴンガス中の酸素や窒素あるいはその他のガス成分を効果的に分離除去することができ、その結果、前記溶解試料中への酸素ガスの汚染を効果的に抑制することができるという効果を奏する。
【００２２】
前記溶解操作が完了後、室温まで冷却して分析作業に好適な大きさに切り出して、分析試料にしておくことが好ましい。前記分析試料であるチタン材中の酸素は、ＪＩＳ  Ｈ１６２０に規定されている一般的な方法で分析することができる。
【００２３】
前記分析方法により検出された酸素含有率Ｘａ、元の母合金中の酸素含有率をＸｍｏ、前記母合金に添加するチタン材中の酸素含有率をＸｔｏ、とし、更に、溶解試料中のチタン材の配合比率をαとすると、酸素バランスから、（１）式が成立する。
（１−α）・Ｘｍｏ  ＋  α・Ｘｔｏ  ＝  Ｘａ          …（１）
上記（１）式に溶解試料中の酸素分析値をＸａに、また、チタン材中の酸素含有率をＸｔｏおよびチタン材の配合比αを代入することにより、もとの母合金中の酸素含有率Ｘｍｏを推算することができる。
【００２４】
以上説明した本発明の手順で測定された母合金中の酸素は、母合金を直接分析して得られた酸素分析値に比べて５０〜７０％程度高めに分析される場合がある。この原因として、母合金中には母合金を製造する原料であるＡｌ２Ｏ３が一部母合金中に偏析残留していることが疑われており、この残留Ａｌ２Ｏ３が酸素分析の精度を低下させているのではないかと推察している。本発明においては、チタン材との溶解を通じてこの残留Ａｌ２Ｏ３が均一に分散し、酸素分析値が高めに検出されるものと思われる。
【００２５】
前記の方法で検出された母合金中の酸素含有率を用いて、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金を溶製する方法の好ましい態様につき以下に述べる。
【００２６】
まず、８５Ａｌ−１５Ｖをアルミニウムとバナジウム原料、金属クロムをクロム原料、金属スズをスズ原料、それに酸化チタンを酸素原料として用い、前記組成になるようにそれぞれの原料を秤量配合する。次いで、前記配合原料をプレス成形してブリケットを形成構成した後、前記ブリケットを組み合わせて棒状の電極を構成する。前記に構成された電極を真空アーク溶解して金属チタン合金インゴットを得ることができる。
【００２７】
バナジウム原料は、また、前記の８５Ａｌ−１５Ｖ母合金以外に、１５Ａｌ−８５Ｖという母合金を用いることもできる。この場合にも前記した本願発明にしたがって分析した酸素含有量を用いることが好ましい。
【００２８】
このように製造されたチタン合金は、ＡｌおよびＶは勿論のこと酸素含有率も目標値に精度よく近接した値を得ることが可能である。
なお、本発明では、前記したアルミニウムおよびバナジウム以外のクロム、スズ、モリブデン、ジルコニウム、シリコン、マンガン、ハフニウム、ニオブまたはタンタルから選択された２種以上の元素を含む母合金中の不純物についても前記した方法に従って好適に定量することができる。
【実施例】
【００２９】
［実施例１］
メーカーより購入したＡｌ−Ｖ合金にチタン材を配合して溶解後、前記溶解試料中の酸素含有率を分析した。
１）分析試料
Ａｌ−Ｖ合金  組成：１５Ａｌ−８５Ｖ、重量：２５ｇ
配合チタン材  純チタン、重量：２５ｇ
２）溶解装置
アルゴンアーク溶解炉  出力：３０ＫＷ、溶解重量：５０ｇ、
雰囲気：アルゴンガス、圧力：４０．０ＭＰａ
３）分析方法
ＪＩＳ  Ｈ１６２０に記載の方法に従いチタン合金中の酸素を分析した。
【００３０】
前記操作にしたがって分析された試料中の酸素含有率とＡｌ−Ｖ合金購入時の仕様書に添付されていた酸素含有率データを表１に示した。今回定量された分析値は、メーカー仕様書の記載に比べて高めの値を示した。
【００３１】
【表１】
0004574562.tif 000002
【００３２】
［実施例２］
実施例１の方法で定量された合金元素中の酸素を基準として、以下の溶解原料を用いて、表２〜４に示す製造例１〜３の３種類のチタン合金を溶製した。
１）溶解原料
アルミニウム源：Ａｌショット、粒度１０〜０．８ｍｍ、酸素含有率０．０１ｗｔ％
バナジウム源：１５Ａｌ−８５Ｖ合金、粒度６．３〜０．８ｍｍ、酸素含有率０．２３ｗｔ％
酸素源：ＴｉＯ２、粒度０．２５〜０．０１ｍｍ、純度９９．９９ｗｔ％
クロム源：電解Ｃｒ、粒度６〜０．８ｍｍ、酸素含有率０．０１ｗｔ％
スズ源：Ｓｎショット、粒度８〜 ０．８ｍｍ、酸素含有率０．０１ｗｔ％
モリブデン源：Ａｌ−Ｍｏ、粒度６〜０．８ｍｍ、酸素含有率０．０１ｗｔ％
ジルコニウム源：Ｚｒスポンジ、粒度１２〜０．８ｍｍ、酸素含有率０．０４ｗｔ％
チタン源：スポンジチタン、粒度１２〜０．８ｍｍ、純度９９．７ｗｔ％
２）溶解装置
前記溶解原料を均一混合してブリケット成形後電極を構成し、真空アーク溶解して合金インゴットを得た。
真空アーク溶解装置：出力８００ｋＶＡ、鋳型径７５０ｍｍ
溶製されたインゴット：径７３０ｍｍ、長さ２０００ｍｍ
【００３３】
前記溶解された合金インゴット中の各元素および酸素を分析し、その結果を表２〜４に示した。表２〜４に示すように、各元素は勿論のこと、問題となっていた酸素含有率も設計値に対して±１０％の範囲内にあり製品規格の要件を充足した。
【００３４】
【表２】
0004574562.tif 000003
【００３５】
【表３】
0004574562.tif 000004
【００３６】
【表４】
0004574562.tif 000005
【００３７】
［比較例１］
実施例２において、実施例１で示した分析値を用いずに、原料に添付されている仕様書に記載の分析値を用いた以外は同じ条件で実施例２の１５−３−３−３合金インゴット（製造例１に相当）を溶製した。次いで前記インゴット中の組成を分析し、その結果を表５に示した。
【００３８】
【表５】
0004574562.tif 000006
【００３９】
表５に示すように、Ｖ、Ａｌ、ＣｒおよびＳｎの分析値は設計値に近い値を示したが、Ｏについては設計値に比べて３０％程度高めに評価されて規格から外れた。このように、本発明で開示した方法に母合金中の不純物を分析し、前記分析値を元に合金設計することにより、設計値に極めて近い合金組成を有するインゴットを効率よく製造することができるという効果を奏する。