JP2009113060A

JP2009113060A - ＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法

Info

Publication number: JP2009113060A
Application number: JP2007286622A
Authority: JP
Inventors: Seishi Furuta; 誠矢古田; Tatsuhiko Sodo; 龍彦草道; Masami Nohara; 正美野原; Moriyoshi Kanamaru; 守賀金丸
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP5064974B2

Abstract

【課題】酸素含有量が全領域で低く、室温延性が良好で、鋳造欠陥もなく、軽量・高強度なＴｉＡｌ基合金で成る大型鋳塊を製造できるＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法を提供する。
【解決手段】合金原料ａを溶解して形成した溶解母材ｂを供給しつつ、水冷銅製るつぼ１の底板３を下方に引き抜きＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造する方法において、合金原料ａのうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とし、他の合金成分がＣｒ、Ｖ、Ｎｂの場合はその酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下、他の合金成分がＭｎの場合はその酸素含有量を３０００ｐｐｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｔｉ、Ａｌ等の合金原料を溶解して合金化させた後に凝固させて一次鋳塊とした後、その一次鋳塊で成る溶解母材をもとに、ＴｉＡｌ基（金属間化合物系）合金で成る大型の長尺鋳塊を製造するＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法に関するものである。

ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金は、軽量・高強度であることから、航空宇宙用、自動車用のエンジン等に利用され始めているが、酸素含有量（酸素濃度）が高くなると延性が大幅に低下してしまうといった問題が残されている。また、酸素含有量を低値に制御した大型鋳塊へのニーズが高まっているものの、まだ、酸素含有量を低値に制御する製造技術自体が確立されるに至っていないのが現状である。

チタン(Ｔｉ)合金、ジルカロイなどの実用的に使用されている合金鋳塊は、現在、工業的には真空アーク溶解法、プラズマアーク溶解法、電子ビーム溶解法などにより製造されている。これらの溶解法は、いずれも水冷された銅材をるつぼ溶解容器として用いる溶解法である。これらの溶解法は、合金原料の全量を一括して溶解せずに、少量ずつ供給して溶解を行い、形成される溶融金属浴を下側から順次凝固させて鋳塊を製造することを特徴としている。現在、１〜１０ｔｏｎ程度の鋳塊がこれらの溶解法を用いて製造されている。

真空アーク溶解法は、Ｔｉ原料やＡｌ原料に、他の様々な合金成分を配合して、プレス成型や溶接などにより棒状の合金原料棒を作製し、この合金原料棒を消耗電極にして溶解を行い、合金化を行う方法である。この溶解法は、全ての合金原料を一括して溶解せずに、一部分ずつを順次溶解凝固させる溶解法である。そのため、合金原料棒に融点差の大きい元素成分が多量に含まれる場合は、低融点の元素成分が合金原料棒から先に溶解落下して、高融点の元素成分が遅れて溶解するなどの現象が起こり、製造される鋳塊の成分偏析が著しくなるという問題があった。

例えば、典型的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ４Ｖ（質量％）合金、Ｔｉ−１５Ｖ３Ａｌ３Ｃｒ３Ｓｎ（質量％）合金などの合金量であれば、Ａｌ(融点：６６０℃)やＳｎ(融点：２３２℃)などの低融点元素の含有量は僅かで、成分偏析などの問題は発生せず、均質な成分組成の合金鋳塊を製造することは可能である。

それに対して、ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金などのように多量のＡｌが含有される合金の場合は、高融点のＴｉ(融点：１６８０℃)と低融点のＡｌ(融点：６６０℃)を組み合わせて棒状の消耗電極を製作して、真空アーク溶解を行うと、低融点のＡｌから先に溶解落下して、合金原料棒にＴｉが残ってしまうことになる。この場合、残ったＴｉ原料の一部は強度不足となって溶解する前に落下したり、あるいはＡｌが全て溶解した後にＴｉが溶解したりするなどの状況となってしまい、合金化が不十分となって、成分偏析の大きな鋳塊が製造される可能性が高くなるといった問題がある。従って、真空アーク溶解法で、ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金を製造すること自体が容易ではない。

また、プラズマアーク溶解法や電子ビーム溶解法では、水冷銅製のハース(皿状溶解容器)を用いる方法であれば、ハース内において溶融金属浴を合金化することは可能ではある。しかしながら、通常は溶融金属浴部の体積は、鋳塊全体の体積と比べてかなり小さいため、合金製造には原料配合の段階で、微小なサイズに調整した合金原料を配合しなければならない等の制約があり、均質な合金組成の鋳塊の製造には課題が残る。更には、高真空を用いる電子ビーム溶解法では、Ａｌなどの蒸発ロスによる鋳塊の成分変動が起こりやすいという問題もあって、成分変動の少ないＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金の鋳塊を製造するのは容易ではない。

一方、コールドクルーシブル誘導溶解（ＣＣＩＭ）法のように、合金原料を一括で全量溶解して合金化した後に、凝固させて鋳塊を製造する方法もある。この溶解方法であれば、融点差の大きな合金でも比較的溶解することが容易であり、成分の均質な溶湯を容易に製造することができると考えられるが、ＣＣＩＭ法によって大型の鋳塊を製造する技術は、現状ではまだ開発途上である。また、通常実施されている重力鋳造法により作製した鋳塊は、鋳塊中心部に凝固収縮による空孔状欠陥(引け巣)が発生しやすく、この欠陥部に合金成分が濃化偏析するなどの問題が発生しやすいという課題も残っている。

ＣＣＩＭ法により比較的大型で長尺の鋳塊を製造する方法として、非特許文献１に記載の製造方法が知られている。この製造方法は、水冷銅るつぼを用いて、その外周部に設置した高周波コイルに高周波電流を通電して、水冷銅るつぼ内に供給した合金原料を誘導溶解し、水冷銅るつぼの底部を下方に引き抜いて大型で長尺の鋳塊を製造する方法である。この製造方法は、水冷銅るつぼと溶湯プールの間にフッ化カルシウム(ＣａＦ_２)などのフッ化物系スラグを、精錬効果、電気的絶縁効果、或いは引き抜き時の潤滑効果などを狙って添加することを特徴としている。この方法により、溶解原料としてスポンジＴｉを用いて、直径５インチの長尺鋳塊が製造できることが示されているが、Ｔｉ溶湯に溶融フッ化カルシウム(ＣａＦ_２)が接触することとなるため、鋳塊中にフッ素（Ｆ）が数十ｐｐｍほど混入する結果となっており、高清浄な鋳塊を製造するには問題がある。よって、ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金の鋳塊製造にそのまま適用することは不可能である。

また、ＣＣＩＭ法で長尺の鋳塊を製造する方法として、フッ化カルシウム(ＣａＦ_２)などの精錬材を添加せずに、コイルからの電磁気力により溶融金属浴を保持して、水冷銅るつぼの底部を引き抜くことにより、長尺鋳塊を製造する方法も考えることはできる。この製造方法であれば、フッ素（Ｆ）による汚染の問題もなく、複雑な成分組成の鋳塊を製造することが可能になると考えられる。しかしながら、この方法においても、不適切な操業条件を用いると、著しく酸素含有量（酸素濃度）の高い鋳塊が製造される結果となり、高酸素濃度による材料の機械的特性(室温での延性など)の大幅な劣化などの問題が発生し、健全な鋳塊を製造することは困難である。

発明者らは、ＣＣＩＭ法で塊状の合金原料を供給しつつ、水冷銅製るつぼの底板を下方に引き抜くことで、溶解鋳造の操業条件を最適化することにより、合金原料などの解け残りのない健全な鋳塊を製造する方法について特許を出願している(特許文献１，２)。しかしながら、これらの製造方法においても、ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金の鋳塊中の酸素含有量を低酸素に制御するという課題が残されていた。

特開２００６−１２２９２０号公報特開２００６−２８１２９１号公報 P.G.Clites，「Inductslag Melting Process」，US，Bureau of Mines Bulletin 673，1982

本発明は、上記従来の問題を解消せんとしてなされたもので、酸素含有量（酸素濃度）が全ての領域で低く、室温延性が良好で、しかも鋳造欠陥がなく、軽量・高強度なＴｉＡｌ基合金で成る大型鋳塊を製造することができるＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、合金原料を溶解した後、凝固させて事前に成分調整した一次鋳塊で成る溶解母材を、水冷銅製るつぼ内に供給し、その水冷銅製るつぼの周囲を取り巻く高周波コイルによる誘導加熱で前記溶解母材を溶解して溶湯プールとし、前記水冷銅製るつぼを構成する上下方向に移動自在に形成された底板を下方に移動させて、その底板上の前記溶湯プールを下方に引き抜き凝固させることによって、ＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊を製造するＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法において、前記合金原料のうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分がＣｒ、Ｖ、Ｎｂの場合はそれらの酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下、他の合金成分がＭｎの場合はその酸素含有量を３０００ｐｐｍ以下とすることを特徴とするＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法である。

請求項２記載の発明は、前記合金原料のうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を７００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を５０ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分の酸素含有量を１０００ｐｐｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法である。

請求項３記載の発明は、前記合金原料は、予め溶解して脱酸処理した材料であることを特徴とする請求項１または２記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法である。

本発明の請求項１記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法によると、製造される鋳塊の全ての領域での酸素含有量（酸素濃度）を、室温延性が大幅に低下することが懸念される１０００ｐｐｍ超とせず、確実に１０００ｐｐｍ以下とすることができ、室温延性が良好で、しかも鋳造欠陥がなく、軽量・高強度なＴｉＡｌ基合金で成る大型鋳塊を製造することができる。

本発明の請求項２記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法によると、製造される鋳塊の全ての領域での酸素含有量（酸素濃度）を、室温延性を確実に確保できる８００ｐｐｍ以下とすることができ、室温延性が極めて良好で、しかも鋳造欠陥がなく、軽量・高強度なＴｉＡｌ基合金で成る大型鋳塊を製造することができる。

本発明の請求項３記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法によると、合金原料を予め脱酸処理することで、より確実に、製造される鋳塊の全ての領域での酸素含有量（酸素濃度）を低下させることができ、室温延性が良好で、しかも鋳造欠陥がなく、軽量・高強度なＴｉＡｌ基合金で成る大型鋳塊を製造することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法は、まず、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ等の合金原料ａを、コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａ等を用いて溶解（一次溶解）した後、凝固させて事前に成分調整した一次鋳塊を製造して、二次溶解に用いる溶解母材ｂとする。

一次溶解に用いるコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、図２に示すように、水冷銅製るつぼ１と、その水冷銅製るつぼ１の周囲を取り巻くように配置された高周波コイル２より構成されている。水冷銅製るつぼ１は、複数本の銅製セグメント４を円筒状に組み合わせて構成されており、底部には円形で銅製の底板３が配置されている。水冷銅製るつぼ１の内径は、例えば２２０ｍｍである。複数本の銅製セグメント４、４、…の間には、０．０５〜２ｍｍのスリットが設けられており、それらスリットには、電気的絶縁のため、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）系セメント、あるいはアルミナ系（Ａｌ_２Ｏ_３）系セメント等の絶縁材が埋め込まれている。高周波コイル２は、水冷銅製るつぼ１の周囲をその上下端をある程度残し、螺旋状に取り巻くように水冷銅製るつぼ１の表面より僅かに離れて設けられており、大出力の高周波電源５に接続されている。銅製セグメント４、底板３、高周波コイル２は中空状であり、中空内部には冷却水が注入されている。この一次溶解に用いるコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、図３〜５に示すように、真空チャンバーＢ内に設けられている。

まず、図３に示すように、この水冷銅製るつぼ１内に、Ｔｉ、Ａｌのほか、適宜Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ等の合金原料ａを、所定の分量だけ装入する。次に、図４に示すように、高周波コイル２に高周波電流を通電することにより、合金原料ａに誘導電流を発生させ、その誘導電流の抵抗発熱により合金原料ａを溶解して溶湯プールｃとする。合金原料ａが溶湯プールｃとなった状態で一定時間保持した後、十分に攪拌する。その後、図５に示すように、水冷銅製るつぼ１を傾け、水冷銅製るつぼ１内の溶湯を出湯させ、予め設置した鋳型６内に溶湯を注入して凝固させることにより一次鋳塊を作製する。一次鋳塊は、配合する合金原料ａの量により成分調整されており、次工程の二次溶解で用いる溶解母材ｂとなる。

二次溶解は、図１に示すコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いて行われる。この二次溶解で用いられるコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、真空チャンバーＢ内に設けられている。このコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、一次溶解に用いられるコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａとは異なり、底部の円形で銅製の底板３が、上下方向に移動自在に形成されている。底板３はシリンダ等に連結されており、水冷銅製るつぼ１の銅製セグメント４で成る円筒状の本体から引き出すように下方に移動させることができる。

尚、真空チャンバーＢ内の空気は、溶解母材ｂの溶解前に、拡散ポンプ７（図３に示す）により１．３×１０^−２Ｐａ程度の圧力になるまで排気しておくことが、酸素ピックアップ防止のためには望ましい。ＴｉＡｌ基(金属間化合物系)合金の溶解では、合金元素の蒸発ロスを抑制するため、その後、不活性ガス（Ａｒなど）を真空チャンバーＢ内に導入し、圧力は２７〜８０ＫＰａ程度にしておく。また、二次溶解を示す図１では、拡散ポンプ７の図示を省略しているが、一次溶解を示す図３と同様に、真空チャンバーＢには拡散ポンプ７が設けられている。

水冷銅製るつぼ１内に供給した溶解母材ｂを溶解することで、二次溶解が行われるが、水冷銅製るつぼ１内に供給する溶解母材ｂは、鋳型内で一次鋳塊とした時点で棒状に形成されており、例えば、その複数本を束ねた状態で、下端側から水冷銅製るつぼ１内に装入される。この水冷銅製るつぼ１内に装入された溶解母材ｂには、水冷銅製るつぼ１を取り巻く高周波コイル２に高周波電流を通電することにより、誘導電流が発生され、その誘導電流の抵抗発熱で溶解母材ｂは溶解されて溶湯プールｃとなる。その際、高周波加熱により供給される電力（入熱速度）と、溶湯プールｃから水冷銅製るつぼ１に伝熱される熱量（出熱速度）との収支により、形成される溶湯プールｃの容積、温度などが決定する。

次に底板３を下方に引き下げれば、底板３上の溶湯プールｃは、高周波コイル２による誘導発熱領域から徐々に下方に抜き出されることとなり、その下方から凝固を開始する。尚、溶湯プールｃのうち水冷銅製るつぼ１の内壁面に接触している外表面は、水冷により事前に凝固を開始して凝固スカルとなっているため、流れ出すことはない。溶湯プールｃを徐々に下方に引き抜くにつれて、水冷銅製るつぼ１内の溶湯プールｃの量が減少するため、その引き抜き量と見合う溶解母材ｂを上方より供給することにより、溶湯プールｃ量を常に一定に保つことができる。この引き抜きによって凝固した部位が目的の大型の長尺鋳塊ｄとなる。

この引き抜き法によって作製される長尺鋳塊ｄには、一般に行われている重力鋳造法で作製する鋳塊のように中心部に引け巣欠陥が発生することはなく、健全な鋳塊となる。ＴｉＡｌ基合金のように特に割れやすい合金材料で成る鋳塊の製造方法として、この引き抜き法は適したものということができる。

尚、本発明が対象とする大型の長尺鋳塊ｄについては、特にその大きさを限定しないが、例えば、その寸法は、直径２００ｍｍ以上、その直径に対する高さ寸法が１．５倍以上、即ち３００ｍｍ以上とすることが好ましい。前記した寸法に達しない小型の鋳塊であれば、特にコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いなくても比較的容易に製造することができると共に、３０ｋｇ以下の小型であって特に実用性もないからである。また、長尺鋳塊ｄの直径は１０００ｍｍ以下、直径に対する高さ寸法の倍率は５倍以下とすることが好ましい。

以上の説明では、一次溶解、二次溶解ともに、コールドクルーシブル誘導溶解（ＣＣＩＭ）装置Ａを用いて行われる実施形態について説明したが、一次溶解については、必ずしもコールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いて実施されなくても良く、真空アーク溶解法、プラズマアーク溶解法、電子ビーム溶解法のほか、従来から行われている種々の溶解法で実施されても良い。尚、一次溶解、二次溶解ともにコールドクルーシブル誘導溶解法で行えば、コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａ、真空チャンバーＢ等を共用することも可能であるという利点がある。

次に、本発明の要点である酸素含有量について説明する。

ＴｉＡｌ基合金では、酸素含有量が１０００ｐｐｍを超えると室温延性（伸び）が大幅に低下する。酸素含有量は低いほど室温延性が良好となり、確実に高い室温延性を確保するためには酸素含有量を８００ｐｐｍ以下とすることが必要である。例えば、ＴｉＡｌ（５０／５０）合金では、酸素含有量が１０００ｐｐｍを超えると伸びは０．５％未満となってしまい、非常に取り扱いにくい合金材料となる。酸素含有量が８００ｐｐｍ以下であれば０．５％以上の伸びを確実に確保することができる。

コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いた二次溶解で、溶解母材ｂからＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造する際には、１度の溶解で、酸素含有量は５０〜１５０ｐｐｍ増加する。酸素含有量が最も多く増加することを想定した場合、酸素含有量が１０００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造しようとすると、溶解母材ｂ中の酸素含有量は８５０ｐｐｍ以下であることが条件となる。

また、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ等の合金原料ａから溶解母材ｂを一次溶解で溶解製造する際にも、１度の溶解で、酸素含有量は５０〜１００ｐｐｍ増加する。溶解母材ｂを作製する合金原料ａのうち、主原料となるＴｉ原料の酸素含有量は８００ｐｐｍ以下であることが条件となる。その理由については別途説明する。（図６に示す。）

Ａｌ原料については、金属Ａｌ原料中の酸素含有量は５０ｐｐｍより高くなることは非常に稀であると想定することができるが、通常の原料保管であっても条件によっては、表面酸化などで酸素含有量（酸素濃度）が高くなることも考えることができるので、酸素含有量の上限値は１００ｐｐｍとする。

また、他の合金成分については、主原料のＴｉやＡｌほど酸素含有量を低くする必要はないが、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎは市販の原料購入時に１０００ｐｐｍ以下であっても、原料保管時に表面酸化などが起こり、酸素含有量（酸素濃度）が高くなっていることが懸念される。通常の原料保管であっても条件によっては、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂでは２０００ｐｐｍ、Ｍｎでは３０００ｐｐｍになっている可能性がある。これらの合金成分は、主原料のＴｉやＡｌと比べてその含有量は僅かであるので、これらの酸素含有量を上限値とする。

ＴｉＡｌ基合金の成分組成については、米国、日本などから多数の報告がでているが、ここでは合金成分を１０質量％含有する以下の２種類のＴｉＡｌ基合金について、Ｔｉ原料の酸素含有量が、合金原料ａ配合後の酸素含有量に及ぼす影響について確認した。確認に用いたＴｉＡｌ基合金は、Ｔｉ−３０Ａｌ−２Ｃｒ−２Ｖ−６Ｎｂ（質量％）合金（以下、合金Ａと記載）と、Ｔｉ−３０Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｖ−４Ｍｎ（質量％）合金（以下、合金Ｂと記載）である。図６がその確認結果である。尚、Ｔｉ原料以外の合金原料ａの酸素含有量は、通常の原料保管で、表面酸化の影響を受け最も酸化が進んだ状態と考えられる材料を用いた。即ち、Ａｌ原料の酸素含有量は１００ｐｐｍ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ原料の酸素含有量は２０００ｐｐｍ、Ｍｎ原料の酸素含有量は３０００ｐｐｍとした。

図６によると、合金Ａと合金Ｂともに、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下とすることにより、たとえ他の合金原料ａが通常の酸素含有量（酸素濃度）を超えてしまった場合であっても、合金原料ａ配合後の酸素含有量を７５０ｐｐｍ以下とすることができることを示している。（合金原料ａ配合後の酸素含有量を７５０ｐｐｍ以下とすれば、一次溶解の溶解製造で最大の１００ｐｐｍ増加したとしても確実に溶解母材ｂ中の酸素含有量を８５０ｐｐｍ以下とすることができる。）

実際の溶解操作に使用するＡｌ原料の酸素含有量は１０〜５０ｐｐｍであり、１００ｐｐｍとなることは極めて稀であり、また、Ｃｒ、Ｖ、ＮｂやＭｎについても酸素含有量が２０００ｐｐｍや３０００ｐｐｍとなることも極めて稀であるので、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下とすることにより、合金原料ａ配合後の酸素含有量を確実に７５０ｐｐｍ以下とすることができる。

以上により、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分がＣｒ、Ｖ、Ｎｂの場合はそれらの酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下、他の合金成分がＭｎの場合はその酸素含有量を３０００ｐｐｍ以下とすることで、酸素含有量が１０００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造することができることを確認できた。

上記の説明と同様に、酸素含有量が８００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造する場合の酸素含有量について説明する。コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いた二次溶解で、溶解母材ｂからＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造する際には、１度の溶解で、酸素含有量は５０〜１５０ｐｐｍ増加する。酸素含有量が最大の１５０ｐｐｍ増加すると仮定すると、酸素含有量が８００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造する場合には、溶解母材ｂ中の酸素含有量は６５０ｐｐｍ以下とする必要がある。

また、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ等の合金原料ａから溶解母材ｂを溶解製造する際にも、１度の溶解で、酸素含有量は５０〜１００ｐｐｍ増加する。従って、酸素含有量が最大の１００ｐｐｍ増加すると仮定すると、合金原料ａ配合後の酸素含有量は５５０ｐｐｍ以下としなければならない。

酸素含有量が８００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造する際には、Ｔｉ原料以外については、酸素含有量が１０００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造する場合よりも合金原料ａの酸素含有量をより厳格に管理する必要がある。従って、合金原料ａ配合後の酸素含有量を５５０ｐｐｍ以下とするためには、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎについては、原料購入時の酸素含有量を維持することを条件とする必要がある。Ａｌ原料については５０ｐｐｍ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ等の他の合金成分については１０００ｐｐｍを上限とする。この条件を満足するためには、これら合金原料ａが表面酸化などの影響を受けないように、不活性ガス雰囲気中で保管すること等を行えば良い。

そこで、以下の典型的な２種類のＴｉＡｌ基合金について、Ｔｉ原料の酸素含有量が、合金原料ａ配合後の酸素含有量に及ぼす影響について確認した。確認に用いたＴｉＡｌ基合金は、前記した酸素含有量が１０００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを溶解製造する際の確認と同様に、合金Ａと合金Ｂである。図７がその確認結果である。尚、合金原料ａのうちＡｌ原料の酸素含有量は５０ｐｐｍ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ原料の酸素含有量は１０００ｐｐｍとした。

図７から、合金Ａと合金Ｂ共に、合金原料ａ配合後の酸素含有量を５５０ｐｐｍ以下とするためには、Ｔｉ原料の酸素含有量を７００ｐｐｍ以下とすれば良いことが解る。尚、合金Ａと合金Ｂは、共に同じデータが得られたため、グラフ上での斜線は重なっている。

以上により、Ｔｉ原料の酸素含有量を７００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を５０ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分の酸素含有量を１０００ｐｐｍ以下とすれば、合金原料ａ配合後の酸素含有量を５５０ｐｐｍ以下とすることができ、その結果、酸素含有量が８００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造することができることが確認できた。

以上のように、本発明のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法においては、合金原料ａの酸素含有量を調整することで、目的のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造することができるが、より確実に目的のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊ｄを製造するためには、合金原料ａを予め溶解して脱酸処理しておけば良い。例えば、Ａｌとその他の合金成分元素（Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ）とを事前に混合溶解した母合金（Ａｌ−Ｃｒ合金、Ａｌ−Ｖ合金、Ａｌ−Ｎｂ合金、Ａｌ−Ｍｎ合金）として合金原料ａとすることで、合金原料ａを予め低酸素化することが可能である。

一次溶解、二次溶解ともに、コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａを用いることで、実際に合金Ａ（表１に記載）で成る長尺鋳塊ｄと、合金Ｂ（表２記載）で成る長尺鋳塊ｄを製造した。

コールドクルーシブル誘導溶解装置Ａは、周波数：３０００Ｈｚ、出力：４００ｋＷ（Ｍａｘ）の高周波電源５を有しており、製合盤を介して、水冷ケーブルにより水冷銅製コイルと接続されている。一次溶解に用いた水冷銅製るつぼ１の内径は２２０ｍｍであり、この水冷銅製るつぼ１に、前記ＴｉＡｌ基合金を製造するために必要な合金原料ａを合計２５ｋｇ装入して溶湯プールｃを形成させる。その状態で、３０分間保持して十分に溶湯を攪拌して溶湯プールｃの成分均一化を図った後、水冷銅製るつぼ１を傾けて内部の溶湯を出湯し、下方に設けた鋳型６に注入して凝固させる。これにより、約２０ｋｇの一次鋳塊が作製できる。因みに、残りの約５ｋｇは凝固シェル（スカル）として水冷銅製るつぼ１の内壁面に付着した状態で残る。この一次溶解を複数回繰り返して行い、複数個の一次鋳塊を作製する。これらを集めて二次溶解用の溶解母材ｂとする。尚、この実施例では、１個の２０ｋｇの一次鋳塊と、６個の１５ｋｇで棒状の一次鋳塊を作製した。

二次溶解に用いた水冷銅製るつぼ１の内径は２５０ｍｍであり、この水冷銅製るつぼ１は高周波コイル２等と共に、真空チャンバーＢ内に設けられている。この水冷銅製るつぼ１に前記した７個の一次鋳塊で成る溶解母材ｂを装入し、一次溶解と同様のコールドクルーシブル誘導溶解と、下方への引き抜きを行うことで、長尺鋳塊ｄを製造する。この方法で製造できる長尺鋳塊ｄは、直径２５０ｍｍ、長さ５５０ｍｍほどの略円柱状のものであり、その重量は約１１０ｋｇである。

以上の製造方法で製造した長尺鋳塊ｄについて、合金原料ａ、溶解母材ｂ（一次鋳塊）、長尺鋳塊ｄの、夫々の状態での酸素含有量（表には酸素値、酸素分析値、酸素濃度と記載）を、合金Ａについては表１に、合金Ｂについては表２に示す。Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎについては、ＩＰＣ発光分析法で、Ｏについては、不活性ガス融解法で夫々分析した。尚、長尺鋳塊ｄの酸素含有量（酸素濃度）については、トップ部、ボトム部の酸素含有量（酸素濃度）を夫々示している。

表１及び表２の実施例と比較例には、○で囲んだ１〜７の数字を記載しているが、夫々溶解母材ｂを構成する個々の一次鋳塊を示している。図８に示すように、１〜６は、束ねて一端部から水冷銅製るつぼに装入する溶解母材ｂを構成する棒状の一次鋳塊、７は、１〜６に先立ち水冷銅製るつぼ内に装入する溶解母材ｂを構成する一次鋳塊である。

合金Ａ、合金Ｂの両合金とも、各合金原料ａの酸素含有量を請求項１記載の条件で製造した発明例１、発明例３では、製造された長尺鋳塊ｄの酸素含有量（酸素濃度）は、そのトップ部、ボトム部ともに、１０００ｐｐｍ以下である（評価：○）。また、各合金原料ａの酸素含有量を請求項２記載の条件で製造した発明例２、発明例４では、製造された長尺鋳塊ｄの酸素含有量（酸素濃度）は、そのトップ部、ボトム部ともに、８００ｐｐｍ以下である（評価：◎）。これに対し、請求項記載の条件を外す比較例１、比較例２では、製造された長尺鋳塊ｄの酸素含有量（酸素濃度）は、そのトップ部、ボトム部ともに、室温延性（伸び）が大幅に低下する１０００ｐｐｍ超となっている（評価：×）。

本発明の一実施例において、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いた二次溶解を示す縦断面図である。同実施例において、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いた一次溶解を示す縦断面斜視図である。同実施例の一次溶解で、水冷銅製るつぼ内に合金原料を供給した状態を示す縦断面図である。同実施例の一次溶解で、水冷銅製るつぼ内の合金原料を溶解して溶湯プールとした状態を示す縦断面図である。同実施例の一次溶解で、水冷銅製るつぼを傾け溶湯プールを鋳型内に注入した状態を示す縦断面図である。酸素含有量が１０００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊を溶解製造する際の、Ｔｉ原料中の酸素含有量と合金原料配合後の酸素含有量の関係を示す説明図である。酸素含有量が８００ｐｐｍ以下のＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊を溶解製造する際の、Ｔｉ原料中の酸素含有量と合金原料配合後の酸素含有量の関係を示す説明図である。本発明の一実施例において、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いた二次溶解での溶解母材の供給時の詳細を示す縦断面図である。

符号の説明

１…水冷銅製るつぼ
２…高周波コイル
３…底板
４…銅製セグメント
５…高周波電源
６…鋳型
７…拡散ポンプ
ａ…合金原料
ｂ…溶解母材
ｃ…溶湯プール
ｄ…長尺鋳塊
Ａ…コールドクルーシブル誘導溶解装置
Ｂ…真空チャンバー

Claims

合金原料を溶解した後、凝固させて事前に成分調整した一次鋳塊で成る溶解母材を、水冷銅製るつぼ内に供給し、その水冷銅製るつぼの周囲を取り巻く高周波コイルによる誘導加熱で前記溶解母材を溶解して溶湯プールとし、前記水冷銅製るつぼを構成する上下方向に移動自在に形成された底板を下方に移動させて、その底板上の前記溶湯プールを下方に引き抜き凝固させることによって、ＴｉＡｌ基合金で成る長尺鋳塊を製造するＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法において、
前記合金原料のうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を８００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分がＣｒ、Ｖ、Ｎｂの場合はそれらの酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下、他の合金成分がＭｎの場合はその酸素含有量を３０００ｐｐｍ以下とすることを特徴とするＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法。
前記合金原料のうち、Ｔｉ原料の酸素含有量を７００ｐｐｍ以下、Ａｌ原料の酸素含有量を５０ｐｐｍ以下とすると共に、他の合金成分の酸素含有量を１０００ｐｐｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法。
前記合金原料は、予め溶解して脱酸処理した材料であることを特徴とする請求項１または２記載のＴｉＡｌ基合金の鋳塊製造方法。