JP5639548B2 - チタン鋳塊の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば航空機等の材料に用いられる高い品質及び信頼性を有するチタン鋳塊を製造する方法に関するものである。

近年、チタン合金（純チタンを含む、以下本件において「チタン合金」は純チタンを含むものである）は、航空機用を初め様々な分野に用いられるようになってきた。このような状況の中でチタン合金メーカーにおいては、例えば、形状・組成ばらつきが大きい低廉なチタン原料やチタンスクラップ原料を活用し、低コストかつ高い品質及び信頼性を有するチタン鋳塊を製造する技術について、注目が集まっている。

しかし、チタン合金として、上述したような形状・組成ばらつきが大きい低廉なチタン原料やチタンスクラップ原料を溶解し、製造されるチタン鋳塊は、チタンと同程度、あるいはそれ以下の比重、具体的には５ｇ/ｃｍ^３以下の比重を有する介在物（Ｌｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ、以下、「ＬＤＩ」という）やチタンよりも比重の大きな（比重：５ｇ/ｃｍ^３超）介在物（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ、以下、「ＨＤＩ」という）が残存し、機械的性質に悪影響をもたらす。一般に、原料としての上記チタン合金に残存する介在物としてのＬＤＩの個数に対する上記チタン鋳塊に残存する介在物としてのＬＤＩの個数の割合は、５〜６％と言われる。特に、航空機用材料として用いる場合には、この割合を一層低減することが求められている。このような問題を解消する技術として、下記のような方法が提案されている。

例えば、ハースを用いた電子ビーム溶解方法において、ハース内で溶解されたチタン合金（以下、「溶融チタン」という）が鋳型へ向かって流れる方向とは逆方向に電子ビームを走査し、かつハース内の溶融チタンの出口付近の溶融チタンの平均温度をＬＤＩの融点以上にする技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術を用いると、ＨＤＩとともに粒径がφ０．２〜１．０ｍｍのＬＤＩを含有した原料としてのスポンジチタンを溶解し、溶融チタンからＨＤＩを沈降分離し、かつ溶融チタン内のＬＤＩを溶解することで、ＬＤＩを５％から１％未満にまで低減したチタン鋳塊を製造することができる。

また、ハース内の溶融チタンの流れを鉛直方向の上昇流の後に下降流を形成させることで、滞留時間を長くしてＬＤＩを溶解させ、かつ、ハース底にＨＤＩをトラップさせる技術が開示されている（特許文献２参照）。この技術を用いると、ＨＤＩとともに粒径がφ１．０〜３．０ｍｍのＬＤＩを含有した原料としてのスポンジチタンを溶解し、溶融チタンからＨＤＩを沈降分離し、かつ溶融チタン内のＬＤＩを溶解することで、ＬＤＩを６％から１％未満にまで低減したチタン鋳塊を製造することができる。

特開２００４−２３２０６６号公報 特開２００９−１６１８５５号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に開示された技術には、以下のような問題点が存在する。

すなわち、特許文献１に記載の技術は、ＬＤＩの粒径がφ０．２〜１．０ｍｍ程度であれば、溶融チタン内のＬＤＩを十分に溶解させることが可能である。しかし、ＬＤＩの粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度まで大きくなると、溶融チタン内の温度の低い箇所を通過するようになり、ＬＤＩを十分に溶解できなくなり、未溶解のＬＤＩのまま溶融チタンとともに鋳型に流れ込んでしまうという虞がある。

また、特許文献２に記載の技術は、ＬＤＩの粒径がφ１．０〜３．０ｍｍ程度であれば、溶融チタンの流れを鉛直方向の上昇流の後に下降流を形成させるようなパスでも、ＬＤＩを溶解させるための滞在時間を確保することが可能である。しかし、ＬＤＩの粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度まで大きくなると、前記パス程度では、ＬＤＩを溶解させるための滞在時間を確保することができず、溶融チタン内のＬＤＩを完全に溶解出来なくなる虞がある。

発明の目的は、チタン合金からＨＤＩを除去するとともに、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩも１％以下程度にまで低減させ、低コストかつ高い品質及び信頼性を有するチタン鋳塊を得ることが可能なチタン鋳塊の製造方法を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、
チタン合金（純チタンを含む）を溶解し、チタン鋳塊を製造する方法において、
（ａ）下記式（１）を満足するように、コールドクルーシブル誘導溶解法（Ｃｏｌｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｌｔｉｎｇ、以下、「ＣＣＩＭ」という）によりチタン合金を溶解する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程の後に、溶解したチタン合金（以下、「溶融チタン」という）をコールドハースに供給し、当該溶融チタンの浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース内で５ｇ/ｃｍ^３超の比重の大きな介在物(ＨＤＩ)を沈降分離する工程と、
を有したことを特徴とするチタン鋳塊の製造方法である。
ｙ≧７００×Ａ^−１．２ --- （１）
ここで、Ａ＝Ｐ／（Ｖ／Ｓ）
ｙ：溶解時間［ｍｉｎ］
Ａ：熱バランスパラメータ
Ｐ：ＣＣＩＭにおける投入電力［ｋＷ］
Ｖ：溶湯チタンの体積［ｍ^３］
Ｓ：溶湯チタンの全表面積［ｍ^２］

以上のように、本発明は、
チタン鋳塊を製造するにあたって、下記式（１）を満足するように、ＣＣＩＭでチタン合金を溶解することにより、溶融チタン内のＬＤＩを溶解し、
次工程にて、このＬＤＩが溶解された溶融チタンをコールドハースに供給し、当該溶融チタンの浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース内でＨＤＩを沈降分離することを特徴とする。
ｙ≧７００×Ａ^−１．２ --- （１）
ここで、Ａ＝Ｐ／（Ｖ／Ｓ）
ｙ：溶解時間［ｍｉｎ］
Ａ：熱バランスパラメータ
Ｐ：ＣＣＩＭにおける投入電力［ｋＷ］
Ｖ：溶湯チタンの体積［ｍ^３］
Ｓ：溶湯チタンの全表面積［ｍ^２］

これにより、特に粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩを含有したチタン合金（例えば、形状・組成ばらつきが大きい低廉なチタン原料やチタンスクラップ原料）を溶解した場合でも、その溶融チタン内の前記ＬＤＩを十分に溶解することが可能であるため、チタン合金からＨＤＩを除去するとともに、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩも１％以下程度にまで低減した、低コストかつ高い品質及び信頼性を有するチタン鋳塊を製造することができる。

本発明の一実施例のチタン鋳塊の製造方法のプロセスを時系列的に説明するための模式図である。 本発明の一実施例のチタン鋳塊の製造方法における「ＣＣＩＭ時の投入電力Ｐをパラメータとした場合の“各種粒径のＬＤＩ（ＬＤＩ半径）”と“溶解時間（ｙ）”」 の関係を示す特性図である。 図１（ａ）に示すＣＣＩＭを用いる工程における溶融チタンへの入熱量と溶融チタンからの抜熱量の関係を模式的に示す模式断面図である。 本発明のチタン鋳塊の製造方法における「“熱バランスパラメータ（Ａ）”と“ＬＤＩを完全に溶解するために最低必要な溶解時間（ｙ）”」の関係を示す特性図である。

以下、本発明について、実施形態を例示しつつ、詳細に説明する。

本発明者達は、如何にすれば粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩを含有したチタン合金を溶解した場合でも、チタン合金からＨＤＩを除去するとともに、ＬＤＩも１％以下程度にまで低減することができるのか鋭意研究を行った。

最初に、チタン鋳塊を製造するラボ実験として、上述したようなＣＣＩＭを用いる工程を設け、３５０ｋＷの高周波電源出力でＣＣＩＭ（水冷銅るつぼの内径：φ２００ｍｍ）を実施した結果、６０分かけてチタン合金を溶解しさえすれば、溶融チタン内に添加した粒径φ１５ｍｍのＬＤＩ５個を完全に溶解することが可能であることを見出したことに本発明の端緒がある（後記実施例１参照）。

また、チタン鋳塊を製造するラボ実験として、上述したようなＣＣＩＭを用いる工程を設け、ＣＣＩＭ（上記寸法の水冷銅るつぼ使用）時の高周波電源出力（ＣＣＩＭにおける投入電力Ｐ、以下「投入電力Ｐ」ともいう）をパラメータとし、φ１０〜１５ｍｍ程度までの各種粒径のＬＤＩを溶融チタン内にそれぞれ完全に溶解するために最低必要な溶解時間（ｙ）を見出した（後記実施例２および図２参照）。

上述結果を踏まえて、後記図１（ａ）に示すＣＣＩＭを用いる工程において、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩ７を含有したチタン合金を様々な容積（ラボ実験用の内径約φ１５０ｍｍ〜量産設備用の内径約φ１０００ｍｍ）の水冷銅るつぼ５に供給した場合における溶融チタン６への入熱量（投入電力Ｐ）と溶融チタン６からの抜熱量（溶融チタンの体積Ｖ、全表面積Ｓ）の関係（図３を参照）を考察するために、新たに下記のような熱バランスパラメータ（Ａ）を導入した。この熱バランスパラメータ（Ａ）を導入したことにより、当業者においても想到し得ない、図４に示すような「“熱バランスパラメータ（Ａ）”と“溶融チタン６内の上記ＬＤＩ７を完全に溶解するために最低必要な溶解時間（ｙ）”」の関係を示す下記近似式（１）を試行錯誤の上、見出したことに本発明の中核をなすポイントがある。すなわち、ＣＣＩＭを用いる工程において、各熱バランスパラメータ（Ａ）に対して、図４に示す近似式（１）の溶解時間（ｙ）以上をかけてチタン合金を溶解すればよいことを示す。
ｙ≧７００×Ａ^−１．２ --- （１）
ここで、Ａ＝Ｐ／（Ｖ／Ｓ）
ｙ：溶解時間［ｍｉｎ］
Ａ：熱バランスパラメータ
Ｐ：ＣＣＩＭにおける投入電力［ｋＷ］
Ｖ：溶湯チタン６の体積［ｍ^３］
Ｓ：溶湯チタン６の全表面積［ｍ^２］

また、後記図１（ｂ）に示す「ＬＤＩ７が溶解された溶融チタン６をコールドハース１０に供給し、この溶融チタン６の浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース１０内でＨＤＩ８を沈降分離する工程」において、溶融チタン６中のＨＤＩ８の終末沈降速度u_t｛下記式（２）参照｝は約０．８ｍ／ｓと推定されるため、例えば下記式（３）を満足するように、溶融チタン６の浴面にプラズマジェットを吹き付ければよい。

以上より、本発明に係るチタン鋳塊の製造方法においては、上記式（１）を満足するように、ＣＣＩＭでチタン合金を溶解することにより、溶融チタン内のＬＤＩを溶解し、
次工程にて、このＬＤＩが溶解された溶融チタンをコールドハースに供給し、当該溶融チタンの浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース内でＨＤＩを沈降分離することで、チタン合金からＨＤＩを除去するとともに、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩも１％以下程度にまで低減できる。

ここで、溶解時間（ｙ）は、下記式（４）を満足するようにすると、ＬＤＩの溶解がより進むのでより好ましい。
ｙ≧９００×Ａ^−１．２ --- （４）

以下、本発明のチタン鋳塊の製造方法の一実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施例のチタン鋳塊の製造方法のプロセスを時系列的に説明するための模式図であって、（ａ）は水冷銅るつぼ５に供給されたチタン合金としてのチタンスクラップ原料をＣＣＩＭで溶解し、この溶解したチタン合金（溶融チタン６）内のＬＤＩ７を完全に溶解する工程を示す図、（ｂ）は（ａ）に示す工程でＬＤＩ７が完全に溶解された溶融チタン６をコールドハース１０に供給し、当該溶融チタン６の浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース１０内でＨＤＩ８を沈降分離する工程を示す図、（ｃ）は（ｂ）に示す工程でＨＤＩ８を沈降分離した溶融チタン６を鋳型２０に供給し、チタン鋳塊３０を得る工程を示す図である。

図１（ａ）に示すＣＣＩＭにおいて、高周波電源１に接続され、かつ冷却水２により冷却された高周波コイル３の内側にスリット４によって分割された水冷銅るつぼ５（内径：φ２００ｍｍ）を設置し、高周波コイル３で発生した高周波磁場をスリット４から通過させて、ＬＤＩ７とＨＤＩ８を含有したチタン合金としてのチタンスクラップ原料を溶解し、溶融チタン６を得る。このＣＣＩＭを用い、上記式（１）を満足するようにチタンスクラップ原料を溶解することにより、溶融チタン６が強攪拌され、湯温が均一かつ高温に保たれるため、少なくとも溶融チタン６内のＬＤＩ７は完全に溶解し、かつＨＤＩ８も溶融チタン６内に溶解する（ただし、ＨＤＩ８の粒径によっては、水冷銅るつぼ５の底部にある凝固スカル９にトラップされる。）。

図１（ｂ）において、上記図１（ａ）に示す工程でＬＤＩ７が完全に溶解された溶融チタン６をコールドハース１０に供給し、この溶融チタン６の浴面にプラズマトーチ１１からプラズマジェットを吹き付けながら、溶融チタン６内に一部残存したままのＨＤＩ８もコールドハース１０の底部に沈降分離する。この工程を経ることにより、特に水冷銅るつぼ５から溶融チタン６を引抜き出湯したような場合にも、溶融チタン６内からＨＤＩ８を除去するとともに、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩ７も１％以下にまで低減することが可能になる。

図１（ｃ）において、上記図１（ｂ）に示す工程でＨＤＩ８を沈降分離した溶融チタン６を鋳型２０に供給し、この溶融チタン６の浴面にプラズマトーチ１１からプラズマジェットを吹き付けながら、下方に引き抜きチタン鋳塊３０を得る。これにより、出発原料（チタン合金）としてのチタンスクラップ原料からＨＤＩ８が除去されるとともに、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までのＬＤＩ７も１％以下にまで低減した、低コストかつ高い品質及び信頼性を有するチタン鋳塊を製造することができる。さらに、図１（ｃ）に示す工程で得られたチタン鋳塊を電極としてＶＡＲ溶解することで、ＶＡＲ溶解終了後には最終製品としてのチタン鋳塊が得られる（図示せず）。

（実施例１）
上述したような内径φ２００ｍｍの水冷銅るつぼ５内にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金２０ｋｇとＬＤＩ７に見立てた粒径φ１５ｍｍのＴｉＮ５個を供給し、ＣＣＩＭによる溶解実験を実施した。
＜溶解条件＞
高周波電源１の出力（投入電力Ｐ）： ３５０ｋＷ
溶融チタン６の温度： １，７００℃
溶融チタン６の表面速度： ０．３ｍ／ｓ
溶解時間（ｙ）： ６０ｍｉｎ

以上の溶解実験を実施後の鋳塊を調べた結果、鋳塊からはＬＤＩ７が検出されなかった。これにより、ＣＣＩＭを採用することで粒径φ１５ｍｍのような大きなＬＤＩ７でも完全に溶解することが可能であることが判明した。

（実施例２）
実施例１と同様の内径φ２００ｍｍの水冷銅るつぼ５内にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金２０ｋｇとＬＤＩ７に見立てたφ１５ｍｍ程度までの各種粒径のＴｉＮを適宜供給し、ＣＣＩＭによる溶解実験を実施し、投入電力Ｐをパラメータとした場合の前記ＬＤＩ７の粒径サイズ毎にそれぞれ完全に溶解することが可能な溶解時間（ｙ）を調べた。

以上の溶解実験の結果、図２に示すように、例えば粒径φ１０ｍｍのＬＤＩ７（ＬＤＩ半径５ｍｍ）において、２５０ｋＷ、３００ｋＷ、３５０ｋＷの３水準の投入電力Ｐをそれぞれ加えた場合、溶解時間（ｙ）として１０８ｍｉｎ、８１ｍｉｎ、６２ｍｉｎの時間をかけて溶解しさえすれば、完全に溶解することが可能であることが判明した。また、例えば粒径φ１５ｍｍのＬＤＩ７（ＬＤＩ半径７．５ｍｍ）においても、２５０ｋＷ、３００ｋＷ、３５０ｋＷの３水準の投入電力Ｐをそれぞれ加えた場合、溶解時間（ｙ）として１６１ｍｉｎ、１２１ｍｉｎ、９２ｍｉｎの時間をかけて溶解しさえすれば、完全に溶解することが可能であることが判明した。すなわち、粒径がφ１０〜１５ｍｍ程度までの各種粒径のＬＤＩ７を含有した所定量のチタン合金でも、投入電力Ｐに応じて、適切な溶解時間（ｙ）を与えてやりさえすれば、ＬＤＩ７を完全に溶解することが可能であることを示唆している。

１ 高周波電源
２ 冷却水
３ 高周波コイル
４ スリット
５ 水冷銅るつぼ
６ 溶融チタン
７ ＬＤＩ
８ ＨＤＩ
９ 凝固スカル
１０ コールドハース
１１ プラズマトーチ
２０ 鋳型
３０ チタン鋳塊

Claims (1)

1. チタン合金（純チタンを含む）を溶解し、チタン鋳塊を製造する方法において、
   （ａ）下記式（１）を満足するように、コールドクルーシブル誘導溶解法（Ｃｏｌｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｌｔｉｎｇ、以下、「ＣＣＩＭ」という）によりチタン合金を溶解する工程と、
   （ｂ）前記（ａ）工程の後に、溶解したチタン合金（以下、「溶融チタン」という）をコールドハースに供給し、当該溶融チタンの浴面にプラズマジェットを吹き付けながらコールドハース内で５ｇ/ｃｍ^３超の比重の大きな介在物を沈降分離する工程と、
   を有したことを特徴とするチタン鋳塊の製造方法。
   ｙ≧７００×Ａ^−１．２ --- （１）
   ここで、Ａ＝Ｐ／（Ｖ／Ｓ）
   ｙ：溶解時間［ｍｉｎ］
   Ａ：熱バランスパラメータ
   Ｐ：ＣＣＩＭにおける投入電力［ｋＷ］
   Ｖ：溶湯チタンの体積［ｍ^３］
   Ｓ：溶湯チタンの全表面積［ｍ^２］