(57)【要約】【課題】純チタンをベースに窒素含有率を意図的に高めたチタン合金の溶製方法であって、チタン合金中の窒素含有率のみを、安価な方法で、しかも効果的に上昇させることができるチタン合金の製造方法を提供する。【解決手段】チタン材と合金添加剤との混合原料を原料供給器に充填し、混合原料を電子ビーム溶解炉に供給するチタン合金の製造方法であって、混合原料を充填した原料供給器内を水の沸点以上に加熱保持し、さらに、減圧下に保持した後、混合原料を電子ビーム溶解炉に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン材と、窒化物からなる合金添加剤との混合原料を原料供給器に充填し、上記混合原料を電子ビーム溶解炉に供給するチタン合金の製造方法であって、上記混合原料を充填した原料供給器内を水の沸点以上に加熱保持し、さらに、減圧下に保持した後、上記混合原料を電子ビーム溶解炉に供給することを特徴とするチタン合金の製造方法。
【請求項２】
前記原料供給器内を水の沸点以上に加熱保持し、さらに減圧下に保持した後、次いで窒素ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の製造方法。
【請求項３】
前記窒化物が、窒化鉄、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の製造方法。
【請求項４】
前記合金添加剤が、顆粒状もしくは塊状であることを特徴とする請求項１に記載のチタン合金の製造方法。
【請求項５】
前記チタン材が、スポンジチタンまたはチタンスクラップであることを特徴とする請求  項１に記載のチタン合金の製造方法。
【請求項６】
前記合金添加剤のチタン材に対する嵩密度の比が、０．９〜１．１の範囲とすることを特徴とする請求項１記載のチタン合金の製造方法。
【請求項７】
前記ハース内に保持した溶融金属プールへ照射するエネルギー密度を、前記チタン材の  溶製時に比べて１５％〜３０％高いレベルに維持することを特徴とする請求項１に記載の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、チタン合金の製造方法に関し、とりわけ、純チタンをベースにした窒素を含むチタン合金を効率よく溶解する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、従来航空機に多く用いられてきたが、近年用途開発が進み、建材や道路といった構造材、あるいはスポーツ用品等に広く用いられている。
【０００３】
前記の金属チタンのうち、構造材に使用されるチタン材は、その強度を維持する意味から、アルミニウム、バナジウム、鉄あるいはモリブデン等の元素が純チタン材に添加されたチタン合金がその大半を占めている。しかしながら、チタン合金に添加される合金元素は高価であり、また、その溶製方法あるいは溶製されたインゴットの加工および熱処理工程に工夫が盛り込まれているため、必然的にその価格も高価にならざるを得ない状況にある。
【０００４】
このような観点において、強度や靭性の点では劣るものの純チタンをベースに鉄や窒素濃度を意図的に高めた安価なチタン合金が特開平１−２５２７４７号に開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、フェロ窒化クロムや窒化マンガンを添加した６Ａｌ−４Ｖ系の改良型チタン合金（例えば、特許文献２参照）や、窒化アルミニウムを添加したＴｉ−Ａｌ合金（例えば、特許文献３参照）が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されているチタン合金は、純チタンをベースに酸素、鉄および窒素の含有率を高めたチタン合金として規定されており、酸素や鉄の混入を嫌う合金の場合には、そのチタン合金の用途によっては対応できない場合があった。
【０００６】
このような観点から、純チタン材をベースに窒素含有量のみを高めた合金も検討されているが、窒素源に用いる窒化物の中には粉末状のものもある。前記粉末状窒化物は、大気中の水分と反応しやすく、溶製された合金の酸素含有率が意図せず上昇するという課題があり改善が求められていた。
【０００７】
また、上述のように窒素成分のみを高めることを目的としているにも拘わらず、窒化物の中には窒素を固定している金属と化合物を強固に形成していて窒素成分のみを利用することが困難なものもあり、そのような窒化物を利用した場合、窒素以外の金属元素も上昇してしまうという課題があり、改善が求められていた。
【０００８】
このように、純チタンをベースにして主として窒素成分のみを高めた合金の効率的な製法が求められている。
【特許文献１】特開平０１−２５２７４７号
【特許文献２】特開平０６−１０８１８７号
【特許文献３】特開平０５−１４０６７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、純チタンをベースに窒素含有率を意図的に高めたチタン合金の溶製方法であって、チタン合金中の窒素含有率のみを、安価な方法で、しかも効果的に上昇させることができるチタン合金の製造方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、電子ビーム溶解炉を用いたチタン合金の製造方法において、チタン材と合金添加剤との混合物（以下、単に「溶解原料」と呼ぶ場合がある。）をハースに供給するに先立て、水の沸点以上に加熱し、更に、前記混合物を減圧雰囲気に保持することにより、溶製されるインゴット中の酸素含有率の上昇を効果的に抑制できることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、チタン材と、窒化物からなる合金添加剤との混合原料を原料供給器に充填し、混合原料を電子ビーム溶解炉に供給するチタン合金の製造方法であって、混合原料を充填した原料供給器内を水の沸点以上に加熱保持し、さらに、減圧下に保持した後、混合原料を電子ビーム溶解炉に供給することを特徴としている。
【００１２】
本発明においては、前記減圧下にて、水の沸点以上に加熱した後、次いで窒素ガス雰囲気とすることを好ましい態様としている。
【００１３】
本発明においては、前記合金添加剤のチタン材に対する嵩密度の比が、０．９〜１．１の範囲とすることを好ましい態様としている。
【００１４】
また、本発明では、前記溶解原料を電子ビーム溶解炉のハースに供給する際に、純チタン材の溶製時に比べて、前記ハースに照射する電子ビームの照射密度を高め、また前記ハース内での溶湯の平均滞留時間を長くとることにより、合金添加剤中に含まれる目的成分以外の成分金属（以降、「目的外金属成分」と呼ぶ場合がある。）の揮発分離を促進し、その結果、窒素のみを主体的に高めたチタン合金を溶製することができることを見出した。ここで、「主体的に高めた」とは、窒素含有率は、確実に高めることができるが、目的外金属製分を１００％分離除去することは困難であり、若干の目的外金属成分が溶製されたインゴット中に残留することは許容することを意味する。
【００１５】
具体的には、チタン材のみをハースへ供給して純チタンを溶製する場合と比べて、原料を溶解するハースへの電子ビームの照射密度を１５％以上高い状態に保持することを好ましい態様としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、原料供給器内を水の沸点以上に加熱保持し、かつ減圧下に保持することによって溶解原料を予め脱水処理した後、電子ビーム溶解炉内のハースに供給することにより、合金添加剤中の目的成分である窒素成分のみを優先的にチタン材に移行させることができ、また、溶製されたインゴット中の酸素含有率の上昇を効果的に抑制させることができるという効果を奏するものである。更に、前記ハース内での平均滞留時間と電子ビーム照射密度を純チタン材の溶解時に比べて高めることにより、更にその効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の最良の実施形態について以下に説明する。本実施態様では、窒化物からなる合金添加剤が、窒化アルミニウムである場合を例にとり以下に説明するが、窒化鉄を合金添加剤として用いた場合にも本願発明に対して好適に用いることができる。
【００１８】
本願発明に用いるチタン材は、スポンジチタンのみならず、チタン切粉や切断片等の純チタンスクラップを効果的に用いることができる。前記スポンジチタンは２０メッシュ  〜１／２インチの製品粒度範囲をそのまま使用することができる。これに対して、チタン切粉や切断片等のチタンスクラップを用いる場合には、切削油が付着している場合があり、また、サイズも様々であることが多いために、予め破砕整粒後、脱脂しておくことが好ましい。
【００１９】
本願発明で製造するチタン合金の窒素源として用いる合金添加剤は、窒化アルミニウムや窒化鉄を好適に用いることができる。
【００２０】
前記の合金添加剤は、粉末状である場合が多く、よって、スポンジチタンと混合しやすいような大きさに造粒または焼結により顆粒状または塊状に加工しておくことが好ましい。前記顆粒状または塊状の場合には、その粒度を、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に揃えておくことが好ましい。造粒または塊状化は、有機系あるいは無機系のバインダーを配合して高温で加熱焼成した後、所定の大きさに破砕・整粒することにより製造することにより実現することができる。一方、前記粉状の窒化アルミニウムや窒化鉄にＰＶＡ等の有機物中に分散させてスラリーとした後噴霧乾燥し、次いで、脱灰・焼成することにより製造することができる。
【００２１】
本願発明で用いる合金添加剤の嵩密度は、チタン材に比べて、０．９〜１．１の範囲に調整しておくことが好ましい。このような範囲にチタン材と合金添加剤の嵩密度を調整しておくことにより、次に述べるような回転式混合器から排出されるチタン材と合金添加剤との成分比率を一定に維持することができるという効果を奏するものである。
【００２２】
本願発明においては、前記した脱灰あるいは焼結の雰囲気は、いずれも窒素ガス雰囲気で行うことが好ましい。特に、前記した窒化物が窒化アルミニウムの場合には、前記窒素ガス雰囲気の圧力は、前記加熱または焼成温度において発生する窒素ガスの蒸気圧以上の圧力に維持しておくことが好ましい。前記した圧力に焼成雰囲気を維持しておくことにより、加熱焼成中における窒化アルミニウムの熱分解あるいは大気中からの水分吸収を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。
【００２３】
前記のような方法によって調整されたチタン材と合金添加剤を均一に混合した後、図１に示す電子ビーム溶解装置において符号１で示した原料供給器に充填する。本願発明においては、アルキメデス缶と呼ばれる混合回転式の原料供給器を用いることが好ましい。前記したアルキメデス缶は、内壁に螺旋状のリブを配設した円筒状の原料供給器であって、水平方向に対して若干傾斜させつつ、回転させることにより、前記した原料を均一にしかも定量的に電子ビーム溶解炉に供給することができる。
【００２４】
アルキメデス缶１から排出された混合原料３は、原料フィーダ２によって移送され、ハース４に供給される。ハース４では、電子ビーム照射手段１０によって電子ビームを照射され、混合原料３は、溶湯５として保持される。ハース４の下流側には、鋳型７が設けられており、溶湯５は、鋳型７内に保持され、さらに、電子ビーム照射装置１０によって電子ビームを照射され、溶融プール６を形成する。鋳型７の下方では溶融プール６が冷却されて凝固してインゴットを形成しているので、これをインゴット引き抜き手段９によって下方に引き抜き、チタン合金インゴット８を得る。
【００２５】
本願発明においては、前記アルキメデス缶１に溶解原料を充填した後、電子ビーム溶解炉に原料の供給を開始するに先立って、アルキメデス缶１内を、水の沸点以上に加熱し、また、大気圧よりも減圧に維持することが好ましい。前記したような減圧乾燥処理を行うことにより、スポンジチタンや顆粒状あるいは塊状に加工された合金添加剤の表面に吸着している大気中の水分を効果的に分離除去することができる。その結果、チタン材と合金添加剤を原料として溶製されたインゴット中の成分変動を効果的に抑制することができ、最終製品であるチタン合金インゴット中の酸素含有量を低いレベルに抑制するという効果を奏するものである。
【００２６】
また、本願発明においては、ハース４内に保持した溶湯５へ照射するエネルギー密度を、純チタン材を供給して純チタンインゴットを溶製する場合に比べて１５％以上に保持することが好ましい。このような範囲に電子ビームの照射密度を維持することにより、合金成分中の目的外成分金属の揮発分離を効果的に抑制することができる。特に合金添加剤が、窒化アルミニウムの場合においては、前記窒化アルミニウムを構成する目的外金属成分であるアルミニウムを効果的に蒸発分離することができるという効果を奏するものである。
【００２７】
このように、本願発明に係る条件にて溶解原料を電子ビーム溶解炉にて溶解することによりチタン材への目的外金属成分の移行を抑制しつつ、合金添加剤中の窒素をチタン材中に効果的に移行することができるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００２８】
チタン材としてスポンジチタンを、また、合金添加剤として窒化アルミニウムを用いた場合における本発明に係る効果について以下に説明する。
［実施例１］
１．試験条件
１）溶解原料
スポンジチタン（粒度：２０メッシュ〜１／２インチ）
窒化アルミニウム（粒度：３〜１０ｍｍ）
窒化アルミニウム粉末にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を添加してスラリーとした後、噴霧乾燥により、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍの粒度の顆粒状に加工した。次いで、前記顆粒状の窒化アルミニウムを、１０００℃にて焼成した後、粉砕して前記粒度範囲の窒化アルミニウム塊とした。
【００２９】
２）アルキメデス缶内での乾燥
前記溶解原料を電子ビーム溶解炉に設置したアルキメデス缶内に充填した後、温度１１０℃で、また、１０００Ｐａの減圧下にて水分の発生がなくなるまで、減圧乾燥した。前記乾燥処理を終えた溶解原料を前記ハース溶解炉に供給した。
【００３０】
３）ハース内溶湯への電子ビーム照射密度
前記ハース内での溶解原料に対するハース内で電子ビーム照射密度は、純チタン材に比べて、１５％にて溶解した。
【００３１】
２．試験結果
前記試験条件にて窒素含有チタン合金を溶製した。本実施例に係る溶製前のスポンジチタンと前記スポンジチタンに窒化アルミニウムを添加して溶製されたチタンインゴット中の、窒素、およびアルミニウム濃度を分析し、その結果を表１に整理した。いずれも溶解前のスポンジチタン中の各元素を１００とした。
【００３２】
表１に示すように、溶製前後において窒素含有率の顕著な上昇がみられる。アルミニウム含有率の上昇（約５倍）および酸素含有率の上昇（約１．３倍）も認められるものの、窒素含有率の上昇（約５８倍）に比べると、その比は１０％以下（５００／５７５０）であり実用上、支障のない程度のものであった。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
［実施例２］
実施例１において用いたハースへの電子ビーム照射密度を、純チタンの溶製の際の照射密度を１００％とし、前記電子ビームの照射密度を変更した場合に溶製されたインゴット中のアルミニウム濃度に及ばす影響を調査した。その結果、電子ビーム照射密度を１１０％以上保持することにより、溶製されるインゴット中の残留アルミニウム濃度を要求特性を満足できるレベル以下まで抑制できることを確認された。また、１１５％以上では特に好ましくアルミニウム濃度を抑制することができた。一方１３０％を超えると、アルミニウム濃度は抑制できるものの、他成分の揮発も著しくなり、チタン合金の歩留まりが低下した。なお、評価は、「◎：極めて良好、○：合格、△：不合格になる場合あり、×：不合格」の４段階で行った。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
［比較例１］
実施例１において、溶解原料を充填したアルキメデス缶内の減圧乾燥を実施せずに、チタン材と合金添加元素の混合物を溶解して窒素含有率の高いチタン合金を溶製した。その結果、窒素含有率が上昇しているものの、酸素も同時に上昇しており、要求特性を満足させることができなかった。
【００３７】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、アルミニウムおよび酸素の上昇を抑制しつつ、窒素含有率のみを効果的に上昇させたチタン合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のチタン合金の製造に用いる電子ビーム溶解装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    原料供給器（アルキメデス缶）
２    原料フィーダ
３    混合原料
４    ハース
５    溶湯
６    溶融プール
７    鋳型
８    チタン合金インゴット
９    インゴット引き抜き手段
１０  電子ビーム照射手段
【図１】
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