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図面 (5)

課題

表面品質および内部品質が良好なチタン鋳塊を製造する。

解決手段

主成分がチタンである原料7に電子ビーム照射することにより溶解して溶湯を得る第1の工程と、溶湯をコールドハース5に供給し、溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を鋳型6に供給する第2の工程と、鋳型6内の溶湯の表面に電子ビームを照射する第3の工程と、溶湯を冷却して鋳塊0とする第4の工程とを備え、前記第3の工程において、電子ビーム11を線状の軌跡を描くように走査し、前記軌跡が、鋳型6内の溶湯の表面において、鋳型6内の任意の点を中心として回転するように電子ビーム11を走査して、鋳型6に供給された溶湯を攪拌する、チタン鋳塊の製造方法。

概要

背景

チタンは、その溶融温度では激しく空気酸化される活性な金属であるため、鉄鋼材料のように耐火物製るつぼを用いて大気雰囲気下で溶解することは難しい。このため、工業用純チタン鋳塊またはチタン合金鋳塊(以下、これらを総称して「チタン鋳塊」ともいう。)の製造では、水冷銅ハース(以下、単に「ハース」という。)を用い、高電圧加速した電子線を被溶解材の表面に照射することにより得られる衝撃熱を利用する電子ビーム溶解(EBM : Electron Beam Melting)が実用化されている。

電子ビーム溶解では、溶解が真空雰囲気下で行われ、またチタン合金の融点が高いことから、溶解温度が高く、かつ溶解時間も長い。電子ビーム溶解は、精錬効果が高いことから、高密度介在物(以下、HDI(High Density Inclusion)という。)や低密度介在物(以下、LDI(Low Density Inclusion)という。)の除去も期待され、これらの介在物の除去を高いレベルで要求される厳格材である航空機用素材の製造方法として採用されている。

近年、航空機の素材のさらなる厳格化に伴い、従来以上にHDIおよびLDIの低減が望まれている。WCなどのHDIは、チタンおよびチタン合金の密度より大きいため、ハース内で沈降してハース下部に形成されているスカル捕捉され、比較的除去し易い。一方、TiNなどのLDIは、チタンおよびチタン合金の密度よりも小さいことから、ハース内の溶融金属の表面に浮上し易い。このため、浮上したLDIは、ハースからハースへ、さらにはハースから鋳型へと流れ込み、除去し難いのが現状である。

また、航空機用の代表的なチタン合金であるTi−6Al−4V合金は、アルミニウムを約6質量%、Vを約4質量%含有する。このため、その凝固過程偏析が生じる。特に、チタン合金の鋳造時の凝固速度は小さいため、凝固組織が粗大化することにより偏析が顕著になる。このため、凝固組織の微細化により偏析を低減することが重要である。

溶質元素の偏析を低減するには、凝固組織を微細化することが有効であると考えられる。凝固組織の間隙に溶質元素が濃化するが、凝固組織が微細なほど偏析の程度も小さくなる。また、鋳造時間が長いため、凝固完了後の鋳塊は高温に長時間保持されることから、溶質元素の拡散が促進される。拡散は、拡散距離二乗反比例することが拡散の効果を表すフーリエ数から分かるからである。

ところで、チタン鋳塊は、半連続鋳造法により製造されるため、表面に湯皺が形成される。湯皺の深さや間隔が大きいと湯皺の窪みを起点として割れが生じることがあり、また窪みの近傍は冷却速度が小さいことから偏析も顕著になる。

特許文献1には、ハースを用いてチタンを電子ビーム溶解する際に、ハース内の溶湯の表面において鋳型への溶湯流れの方向とは逆方向へ電子ビーム走査するとともに、ハース内の溶湯排出口に隣接する領域における溶湯の平均温度不純物の融点以上とする電子ビーム溶解法が開示されている。

特許文献2には、電子ビーム溶解法により高融点の金属またはその合金の鋳塊を製造する際に、鋳型内の溶湯に超音波振動エネルギーを付与すること、あるいは、鋳型内で凝固させて凝固した金属または合金が再結晶温度域を通過するときに再結晶温度域内の金属または合金に超音波振動エネルギーを付与することにより、平均結晶粒径を微細化する方法が開示されている。

特許文献3には、工業用純チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面円形で無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引き抜くことにより、工業用純チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造装置が開示されている。

この連続鋳造装置は、鋳型の上方に設けられ、鋳型内の溶湯の湯面を加熱するプラズマトーチと、鋳型の側方に設けられ、交流電流による電磁撹拌によって溶湯の少なくとも湯面を撹拌する電磁撹拌装置とを有する。電磁撹拌装置は、溶湯の少なくとも湯面に、鋳型の内壁に沿って回転する流れを生じさせる。

特許文献3により開示された連続鋳造装置は、溶湯の流動を、電磁撹拌装置を用いて制御することにより、湯面に付与されたプラズマトーチからの熱を拡散する。特に溶湯の周縁部が均熱化され、溶湯プールの中心深さを浅くできる。このため、成分偏析を低減でき、結果的に鋳肌の状態が良好な鋳塊を得られるとしている。

特許文献4には、工業用純チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を無底の鋳型に注入して凝固させながら下方に引き抜くことにより、工業用純チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造方法が開示されている。

特許文献4により開示された方法は、鋳型と鋳塊との接触領域における鋳塊の表面部の温度、および、この接触領域における鋳塊の表面部から鋳型への通過熱流束の少なくとも一方を制御することにより、溶湯が凝固した凝固シェルの接触領域における厚みを所定の範囲内に収める。

概要

表面品質および内部品質が良好なチタン鋳塊を製造する。主成分がチタンである原料7に電子ビームを照射することにより溶解して溶湯を得る第1の工程と、溶湯をコールドハース5に供給し、溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を鋳型6に供給する第2の工程と、鋳型6内の溶湯の表面に電子ビームを照射する第3の工程と、溶湯を冷却して鋳塊0とする第4の工程とを備え、前記第3の工程において、電子ビーム11を線状の軌跡を描くように走査し、前記軌跡が、鋳型6内の溶湯の表面において、鋳型6内の任意の点を中心として回転するように電子ビーム11を走査して、鋳型6に供給された溶湯を攪拌する、チタン鋳塊の製造方法。

目的

近年、航空機の素材のさらなる厳格化に伴い、従来以上にHDIおよびLDIの低減が望まれている

効果

実績

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請求項1

工業用純チタン鋳塊またはチタン合金鋳塊からなるチタン鋳塊の製造方法であって、主成分がチタンである原料電子ビーム照射することにより溶解して溶湯を得る第1の工程と、前記溶湯をコールドハースに供給し、前記溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を鋳型に供給する第2の工程と、前記鋳型内の溶湯の表面に電子ビームを照射する第3の工程と、前記溶湯を冷却して鋳塊とする第4の工程とを備え、前記第3の工程において、前記電子ビームを線状の軌跡を描くように走査し、前記軌跡は、前記鋳型内の前記溶湯の表面において、前記鋳型内の任意の点を中心として回転するように前記電子ビームを走査して、前記鋳型内の溶湯を攪拌する、チタン鋳塊の製造方法。

請求項2

前記鋳型が、円筒形の鋳型であり、前記任意の点が、前記溶湯の表面と前記鋳型の軸中心との交点であり、前記軌跡は、前記溶湯の表面において、前記鋳型の軸中心から、前記鋳型の内壁に向かって延びる線状の軌跡である、請求項1に記載のチタン鋳塊の製造方法。

請求項3

前記軌跡は、前記鋳型の軸中心からの距離が前記鋳型の半径の20%以下の位置と、前記半径の80%以上の位置とを結んだ線状の軌跡である、請求項2に記載のチタン鋳塊の製造方法。

請求項4

前記軌跡は、0.05〜100Hzの回転周波数で前記鋳型内の任意の点を中心として回転する、請求項1から3までのいずれかに記載のチタン鋳塊の製造方法。

請求項5

前記軌跡は、前記鋳型内の任意の点を中心として一方向に回転する、請求項1から4までのいずれかに記載のチタン鋳塊の製造方法。

請求項6

前記軌跡は、前記鋳型内の任意の点を中心として1回転以上一方向に回転した後、1回転以上逆方向に回転する操作を1回以上繰り返した軌跡である、請求項1から5までのいずれかに記載のチタン鋳塊の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、チタン鋳塊の製造方法に関し、具体的には、表面品質および内部品質が良好なチタン鋳塊の製造方法に関する。

背景技術

0002

チタンは、その溶融温度では激しく空気酸化される活性な金属であるため、鉄鋼材料のように耐火物製るつぼを用いて大気雰囲気下で溶解することは難しい。このため、工業用純チタン鋳塊またはチタン合金鋳塊(以下、これらを総称して「チタン鋳塊」ともいう。)の製造では、水冷銅ハース(以下、単に「ハース」という。)を用い、高電圧加速した電子線を被溶解材の表面に照射することにより得られる衝撃熱を利用する電子ビーム溶解(EBM : Electron Beam Melting)が実用化されている。

0003

電子ビーム溶解では、溶解が真空雰囲気下で行われ、またチタン合金の融点が高いことから、溶解温度が高く、かつ溶解時間も長い。電子ビーム溶解は、精錬効果が高いことから、高密度介在物(以下、HDI(High Density Inclusion)という。)や低密度介在物(以下、LDI(Low Density Inclusion)という。)の除去も期待され、これらの介在物の除去を高いレベルで要求される厳格材である航空機用素材の製造方法として採用されている。

0004

近年、航空機の素材のさらなる厳格化に伴い、従来以上にHDIおよびLDIの低減が望まれている。WCなどのHDIは、チタンおよびチタン合金の密度より大きいため、ハース内で沈降してハース下部に形成されているスカル捕捉され、比較的除去し易い。一方、TiNなどのLDIは、チタンおよびチタン合金の密度よりも小さいことから、ハース内の溶融金属の表面に浮上し易い。このため、浮上したLDIは、ハースからハースへ、さらにはハースから鋳型へと流れ込み、除去し難いのが現状である。

0005

また、航空機用の代表的なチタン合金であるTi−6Al−4V合金は、アルミニウムを約6質量%、Vを約4質量%含有する。このため、その凝固過程偏析が生じる。特に、チタン合金の鋳造時の凝固速度は小さいため、凝固組織が粗大化することにより偏析が顕著になる。このため、凝固組織の微細化により偏析を低減することが重要である。

0006

溶質元素の偏析を低減するには、凝固組織を微細化することが有効であると考えられる。凝固組織の間隙に溶質元素が濃化するが、凝固組織が微細なほど偏析の程度も小さくなる。また、鋳造時間が長いため、凝固完了後の鋳塊は高温に長時間保持されることから、溶質元素の拡散が促進される。拡散は、拡散距離二乗反比例することが拡散の効果を表すフーリエ数から分かるからである。

0007

ところで、チタン鋳塊は、半連続鋳造法により製造されるため、表面に湯皺が形成される。湯皺の深さや間隔が大きいと湯皺の窪みを起点として割れが生じることがあり、また窪みの近傍は冷却速度が小さいことから偏析も顕著になる。

0008

特許文献1には、ハースを用いてチタンを電子ビーム溶解する際に、ハース内の溶湯の表面において鋳型への溶湯流れの方向とは逆方向へ電子ビーム走査するとともに、ハース内の溶湯排出口に隣接する領域における溶湯の平均温度不純物の融点以上とする電子ビーム溶解法が開示されている。

0009

特許文献2には、電子ビーム溶解法により高融点の金属またはその合金の鋳塊を製造する際に、鋳型内の溶湯に超音波振動エネルギーを付与すること、あるいは、鋳型内で凝固させて凝固した金属または合金が再結晶温度域を通過するときに再結晶温度域内の金属または合金に超音波振動エネルギーを付与することにより、平均結晶粒径を微細化する方法が開示されている。

0010

特許文献3には、工業用純チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面円形で無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引き抜くことにより、工業用純チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造装置が開示されている。

0011

この連続鋳造装置は、鋳型の上方に設けられ、鋳型内の溶湯の湯面を加熱するプラズマトーチと、鋳型の側方に設けられ、交流電流による電磁撹拌によって溶湯の少なくとも湯面を撹拌する電磁撹拌装置とを有する。電磁撹拌装置は、溶湯の少なくとも湯面に、鋳型の内壁に沿って回転する流れを生じさせる。

0012

特許文献3により開示された連続鋳造装置は、溶湯の流動を、電磁撹拌装置を用いて制御することにより、湯面に付与されたプラズマトーチからの熱を拡散する。特に溶湯の周縁部が均熱化され、溶湯プールの中心深さを浅くできる。このため、成分偏析を低減でき、結果的に鋳肌の状態が良好な鋳塊を得られるとしている。

0013

特許文献4には、工業用純チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を無底の鋳型に注入して凝固させながら下方に引き抜くことにより、工業用純チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造方法が開示されている。

0014

特許文献4により開示された方法は、鋳型と鋳塊との接触領域における鋳塊の表面部の温度、および、この接触領域における鋳塊の表面部から鋳型への通過熱流束の少なくとも一方を制御することにより、溶湯が凝固した凝固シェルの接触領域における厚みを所定の範囲内に収める。

先行技術

0015

特開2004−232066号公報
特開平6−287661号公報
特開2015−157296号公報
特開2014−133257号公報

発明が解決しようとする課題

0016

特許文献1により開示された方法は、電子ビームを走査することにより、LDIをハースの上流方向に押し戻すとともに、LDIをハース内で溶解させる。しかし、ハースの上流方向へ押し戻されたLDIは、時間とともに増大するために押し戻されずに鋳型の中へ流入する確率が増えるとともに、仮にハース内でLDIを溶解しても鋳型内で溶湯の温度が低下することによりLDIが晶出するため、所望の効果を得ることは困難である。

0017

特許文献2により開示された方法は、鋳型を振動させることにより溶湯へ超音波振動エネルギーを間接的に付与する。このため、溶湯への振動付与効率が低く、効果が小さいだけでなく、超音波であるため鋳型自体を破損するおそれがあり、工業的規模で実施することは難しい。また、凝固が完了した鋳塊を再結晶温度域で超音波振動させるため、凝固組織の微細化を図ることはできない。

0018

特許文献3により開示された発明は、鋳塊の表面性状が電磁撹拌による流動のみに支配されているとの考えに基づく。しかし、工業用純チタンあるいはチタン合金の実際の鋳造では、凝固シェルの生成位置や厚み等の違いにより周縁部の溶湯の流れが変化する。

0019

このため、電磁撹拌による溶湯の流動を制御するだけでは、鋳塊の表面性状を向上させることはできない。また、電磁撹拌装置により鋳型内の溶湯に印加される電磁気力は、表層側が強く、厚み中心へ向かうにつれて小さくなる。このため、表層側は大きく、かつ中心へ向かうにつれて小さくなる流速勾配が生じる。このため、鋳型内に混入したLDIは流速の小さな中央部に集まることになり、凝集して粗大なLDIになり、鋳塊に取り込まれて欠陥となり易い。

0020

さらに、凝固シェルの形成は鋳型との接触による冷却のみでは決定されず、溶湯の温度や流動の状況にも大きく依存する。特許文献4により開示された方法は、溶湯の温度や流動を考慮しないため、表面性状が良好な工業用純チタンあるいはチタン合金の鋳塊を製造することは難しい。

0021

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、表面品質および内部品質が良好なチタン鋳塊を製造することを目的とする。

課題を解決するための手段

0022

これまで、ハースを用いる工業用純チタンまたはチタン合金の電子ビーム溶解では、ハース内でのLDIの溶解促進や、ハースから鋳型へのLDIの流出の抑制に着目していた。

0023

しかし、例えば航空機用素材のような厳格材の場合には、LDIが万一鋳型内に流入しても、流入したLDIを凝集させずに溶解する技術を確立することが必要である。また、上述したTi−6Al−4V合金では、特に凝固組織の微細化による偏析の低減対策も重要である。さらに、上述したように、チタン鋳塊では、湯皺に起因した割れや偏析を無くして表面品質の良好な鋳塊を製造することも求められる。

0024

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下に列記の知見a〜dを得て、本発明を完成した。

0025

(a)鋳型内(特に円筒形の鋳型内)の溶湯の表面に、電子ビームを照射する。このとき、電子ビームを線状の軌跡を描くように走査し、その軌跡が溶湯の表面上の任意の点を中心として回転するようにする。これによって、鋳型内の溶湯を十分に撹拌することができる。

0026

(b)電子ビームの走査によって鋳型内の溶湯を十分に撹拌することにより、溶湯とLDIの界面の濃度境界層が薄くなる。このため、LDIの溶解を促進できる。

0027

(c)電子ビームの走査によって鋳型内の溶湯に流動を発生させる。これにより、湯面下に存在する固液界面に流動の影響を及ぼし、形成されつつある凝固組織の先端を溶断して凝固核の発生を促進できる。このため、凝固組織を微細化できる。

0028

(d)電子ビームの走査によって鋳型内の湯面に流動を発生させることにより、溶湯が鋳型の壁面に密着する。このため、鋳型の壁面で形成された薄くて強度が低い凝固シェルを鋳型の壁面に押し付けることができ、特に湯面近傍で形成される凝固シェルの変形を抑制できる。

0029

本発明は、以下に列記の通りである。

0030

(1)工業用純チタン鋳塊またはチタン合金鋳塊からなるチタン鋳塊の製造方法であって、
主成分がチタンである原料に電子ビームを照射することにより溶解して溶湯を得る第1の工程と、
前記溶湯をコールドハースに供給し、前記溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を鋳型に供給する第2の工程と、
前記鋳型内の溶湯の表面に電子ビームを照射する第3の工程と、
前記溶湯を冷却して鋳塊とする第4の工程とを備え、
前記第3の工程において、前記電子ビームを線状の軌跡を描くように走査し、
前記軌跡は、前記鋳型内の前記溶湯の表面において、前記鋳型内の任意の点を中心として回転するように前記電子ビームを走査して、前記鋳型内の溶湯を攪拌する、
チタン鋳塊の製造方法

0031

(2)前記鋳型が、円筒形の鋳型であり、
前記任意の点が、前記溶湯の表面と前記鋳型の軸中心との交点であり、
前記軌跡は、前記溶湯の表面において、前記鋳型の軸中心から、前記鋳型の内壁に向かって延びる線状の軌跡である、
上記(1)のチタン鋳塊の製造方法。

0032

(3)前記軌跡は、前記鋳型の軸中心からの距離が前記鋳型の半径の20%以下の位置と、前記半径の80%以上の位置とを結んだ線状の軌跡である、
上記(2)のチタン鋳塊の製造方法。

0033

(4)前記軌跡は、0.05〜100Hzの回転周波数で前記鋳型内の任意の点を中心として回転する、
上記(1)〜(3)のいずれかのチタン鋳塊の製造方法。

0034

(5)前記軌跡は、前記鋳型内の任意の点を中心として一方向に回転する、
上記(1)〜(4)のいずれかのチタン鋳塊の製造方法。

0035

(6)前記軌跡は、前記鋳型内の任意の点を中心として1回転以上一方向に回転した後、1回転以上逆方向に回転する操作を1回以上繰り返した軌跡である、
上記(1)〜(5)のいずれかのチタン鋳塊の製造方法。

発明の効果

0036

本発明により、表面品質および内部品質が良好なチタン鋳塊を製造できるようになる。

図面の簡単な説明

0037

図1は、本発明で用いるチタン合金鋳塊の製造装置の一例を模式的に示す斜視図である。
図2は、矩形の鋳型を用いて断面形状が矩形の鋳塊を得る場合、直線状の軌跡20を描くように電子ビームを走査する例を示す斜視図である。
図3は、円形の鋳型を用いて断面形状が円形の鋳塊を得る場合、直線状の軌跡20を描くように電子ビームを走査する例を示す斜視図である。
図4は、円形の鋳型を用いて断面形状が円形の鋳塊を得る場合、曲線状の軌跡20を描くように電子ビームを走査する例を示す斜視図である。

0038

本発明を説明する。以降の説明では、化学組成に関する「%」は特に断りがない限り「質量%」を意味する。また、以降の説明では、チタン合金鋳塊を製造する場合を例にとるが、工業用純チタン鋳塊を製造する場合でも事情は同じである。

0039

1.製造装置
図1は、本発明で用いるチタン合金鋳塊0の製造装置1の一例を模式的に示す斜視図である。

0040

製造装置1は、原料供給手段2と、電子ビーム照射手段(以下、単に「照射手段」という。)3と、ハース4,5と、鋳型6とを有する。

0041

原料供給手段2は、主成分がチタンである原料7を供給する。原料7はチタンブリケットであることが望ましいが、チタンのスクラップ等を混在させてもよい。なお、チタンブリケットとは、スポンジチタン等のチタン原料プレス加工して、特定の形状に成型したものである。

0042

溶解する原料7を後述する溶解ハース4の上方に連続的に供給しながら電子ビームで溶解し、溶解ハース4へ溶湯を供給することにより、溶解ハース4に供給する溶湯温度を安定に保持することができ、これにより、精錬ハース5に供給される溶湯の温度も安定に保つことができる。なお、原料7の化学成分は、主成分がチタンであればよく、純チタンのほか、アルミニウムなどの合金元素を含んだチタン合金であってもよい。

0043

また、原料供給手段2は、原料7を、照射手段3による原料7の溶解速度に応じた供給速度で、供給することが好ましい。

0044

照射手段3は、供給された原料7に電子ビームを照射することにより原料7を溶解する。さらに、後述する溶解ハース4、精錬ハース5を流れる溶湯の表面に、電子ビームを走査しながら照射することにより、溶湯の温度を調整する照射手段9を備えることが望ましい。

0045

製造装置1は、原料7を溶解するための照射手段3を2基有し、溶解ハース4用の照射手段9を2基有し、精錬ハース5用の照射手段9を2基有するが、照射手段3、9の設置数は、この形態に限定されるものではなく、製造装置1に要求する能力等を案して適宜決定すればよい。

0046

原料供給手段2は、原料7を連続して供給し、照射手段3は供給された原料7を連続して溶解することが望ましい。

0047

製造装置1では、溶解ハース4は、溶解されて流下する原料の溶湯を収容し、精錬ハース5は、溶解ハース4から流入する溶湯の一部を冷却し、底部5aにスカルを形成しながら、残部の溶湯を鋳型6に向けて流すことが望ましい。

0048

溶解ハース4は、原料7に電子ビームを照射して溶解した原料の溶融プールを形成し、精錬ハース5へ供給する機能を有する。精錬ハース5は、溶解ハース4からの溶湯を受けて一旦溜め、電子ビームを照射して鋳型6に溶湯を供給する機能を有する。溶解ハース4と精錬ハース5は、湯道8からの流れの方向に対して、精錬ハース5の流れの方向がほぼ直角となるように、湯道8を介して連結されている。

0049

溶解ハース4において、電子ビームを照射された原料7が溶解され、溶解ハース4内を満たすと、精錬ハース5への供給口を通して溶湯が精錬ハース5に注がれる。

0050

溶解ハース4の供給口からの溶湯は、精錬ハース5の壁面に向かって流れ、この壁面と衝突して流れの向きが変わる。流れの向きが変わった溶湯は、精錬ハース5の出口5b、すなわち鋳型6への供給口へ向かって流れる。

0051

なお、製造装置1は、溶解ハース4および精錬ハース5を有するが、本発明はこの形態には限定されず、溶解ハースおよび精錬ハースが一体になった一つのハースを用いることもできる。

0052

鋳型6は、精錬ハース5から供給される溶湯を冷却して鋳塊(インゴット)0とする。 鋳型6に供給された溶湯に電子ビーム11を照射する照射手段10が設けられる。鋳型6に供給された溶湯には、鋳型6の上方に配置された照射手段10から電子ビーム11が照射される。

0053

2.製造方法
本実施形態に係るチタン鋳塊の製造方法において、主成分がチタンである原料に電子ビームを照射することにより溶解して溶湯を得る第1の工程と、前記溶湯をコールドハースに供給し、前記溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を鋳型に供給する第2の工程と、前記鋳型内の溶湯の表面に電子ビームを照射する第3の工程と、前記溶湯を冷却して鋳塊とする第4の工程とを備える。

0054

第1の工程においては、原料供給手段2から供給された、主成分がチタンである原料7が、照射手段3からのビームの照射により溶解され、溶湯とされる。第2の工程においては、溶湯が溶解ハース4、さらには、精錬ハース5に供給され、溶湯の一部が冷却凝固され、介在物とともに分離され、残部の溶湯が鋳型6に供給される。第3の工程においては、鋳型6の上方に配置された照射手段10から電子ビーム11が照射される。そして、第4の工程では、溶湯を冷却して、上部に溶融部を、下部に凝固部(凝固シェル)を備える半鋳塊とし、これを鉛直下方に引き抜くことにより鋳塊0とする。

0055

第3の工程においては、電子ビーム11は、鋳型6内の溶湯の表面上で所定の軌跡を描くように走査され、溶湯に照射される。電子ビーム11の線状の軌跡は、鋳型6内の任意の点を中心、特に円形の鋳型6を用いる場合には、鋳型6内の溶湯の表面と鋳型6の軸中心との交点(中心)12から、鋳型6の内壁に向かって延びる(鋳型6の半径方向に延びる)線状の軌跡となる。線状とは、直線状のほか、曲線状である。この線状の軌跡が、鋳型6内の任意の点を中心として回転するように電子ビーム11を走査すると、溶湯が鋳型6内を旋回(少なくとも溶湯表面が、一方向に回転)して、鋳型6内の溶湯を攪拌することが可能となる。

0056

図2に示すように、矩形の鋳型を用いて断面形状が矩形の鋳塊を得る場合には、電子ビーム11は、鋳型内の溶湯の表面上で、鋳型内の任意の点12を中心として、その中心から、鋳型の内壁に向かって延びる直線状の軌跡20を描くように走査され、溶湯に照射される。図3および図4に示すように、円形の鋳型を用いて断面形状が円形の鋳塊を得る場合には、電子ビーム11は、鋳型内の溶湯の表面上で、鋳型内の任意の点(特に鋳型内の溶湯の表面と鋳型の軸中心との交点)12を中心として、その中心から、鋳型の内壁に向かって延びる線状の軌跡(図3に示す例は直線状の軌跡21、図4に示す例は曲線状の軌跡22)を描くように走査され、溶湯に照射される。

0057

鋳型6内の溶湯に旋回流を形成することにより、鋳型6内に流入したLDIの溶解を促進して消失させることができ、凝固した鋳塊0にLDIが残存することを防止できる。

0058

鋳型6内の溶湯の表面に照射された電子ビーム11により形成される溶湯の旋回流は、湯面下の溶湯も撹拌する。これにより、鋳塊0の凝固界面にも撹拌流の影響を及ぼすことができ、凝固を開始した直後の結晶成長を抑制できる。このため、凝固核を多量に生成することができ、結果的に微細な凝固組織が得られる。

0059

旋回流を形成することにより、鋳型6内の湯面近傍の温度を均一化することもでき、鋳塊0の表面から中心までの凝固組織の大きさのバラツキを軽減することもできる。

0060

また、旋回流を形成することにより、鋳型6の内壁面の近傍へ溶湯を十分に供給でき、生成した直後の凝固シェルを鋳型6の内壁面に強く押し付けることができ、鋳塊0の表面性状が良好になる。

0061

照射手段10からの電子ビーム11の走査は、直線状でもよく、曲線状でもよい。電子ビームが鋳型6の中心12を回転中心として回転し、電子ビーム11の前方の溶湯が回転方向に押し出され、溶湯が有する粘性のために、溶湯全体が引き摺られながら回転する。

0062

電子ビーム11は、その軌跡が、鋳型6の軸中心からの距離が鋳型6の半径の20%以下の位置と、同半径の80%以上の位置とを結んだ線状の軌跡となるように照射することが好ましい。均一に撹拌するためである。この条件を満たさない場合には、鋳型6の軸中心近傍の溶湯、または鋳型6の内壁面近傍の溶湯に淀みが生じ、LDIが堆積するおそれがある。

0063

電子ビーム11が回転中心12の周りに回転する回転周波数が0.05Hz未満であると、LDIの溶解の促進には効果があるものの、鋳塊0は半連続鋳造法により鋳造されることから、電子ビーム11が1回転する前に湯面が間欠的に下方へ移動するために凝固核の生成を促進できず、鋳型6の壁面近傍で形成される凝固シェルに押し付け力を全周に亘って作用することができないおそれがある。

0064

一方、電子ビーム11の回転周波数が100Hzを超えると、鋳型6の内壁面近傍の湯面が乱れ、鋳塊0の表面で形成される湯皺の深さが増加するおそれがある。

0065

したがって、照射手段10からの電子ビーム11の回転周波数は0.05Hz以上100Hz以下であることが望ましい。

0066

回転方向は、一方向でもよいし、回転方向を周期的あるいは非周期的反転させてもよい。ただし、反転させる場合は、少なくとも1回転させた後に反転させることが望ましい。1回転未満で反転させると、鋳型6内の溶湯の湯面近傍で形成された凝固シェルを鋳型6の内壁面に押し付ける作用が全周に亘らず、作用しなかった範囲と作用した範囲での凝固シェルの応力状態が異なり、逆に応力差から鋳塊0の表面に皺が発生するおそれがある。

0067

3.チタン鋳塊
本実施形態に係る製造方法によって製造可能なチタン鋳塊の化学成分を以下に列記する。

0068

チタン合金の場合、Al:4.1〜7.5%、Fe:0.1〜2.1%、V:2.8〜5.0%、O:0.03〜0.5%、N:0.005〜0.2%、C:0.005〜0.2%、残部Tiおよび不純物からなるものが例示される。

0069

Alは、α安定化元素であり、ヤング率を向上させ、密度を小さくする作用がある。しかし、その含有量が4.1%未満であると強度を確保することができず、密度を十分に小さくすることができず、軽量化することができない。また、その含有量が7.5%超える場合、Ti3Alが生成しやすくなり脆くなる。このため、Al含有量は、4.1〜7.5%とした。

0070

Feは、β安定化元素であり、添加量に従って強度が上昇し疲労強度が向上する。しかし、その含有量が0.1%未満であると強度の上昇は小さくその効果が認められない。また、その含有量が2.1%超える場合は凝固時の偏析が顕著になり、加工熱処理工程で偏析を解消することが困難になる。このため、Fe含有量は、0.1〜2.1%とした。

0071

Vは、β安定化元素であり、冷間加工性を向上させる。しかし、その含有量が2.8%未満であると冷間加工性の改善効果が小さい。また、その含有量が5.0%超える場合は、Vが比較的高価な元素であるためコストが上昇する。このため、、V含有量は、2.8〜5.0%とした。

0072

O、N、Cは、α安定化元素であり、不純物として含有される量は、Oが0.03〜0.5%、Nが0.005〜0.2%、Cが0.005〜0.2%である。これらの元素の含有量を増大させることで強度を向上させる傾向があるが、上記の範囲を超えると製品延性が低下してしまう。一方、上記の範囲未満になるように含有量を低下させても延性の改善に繋がらず、製造コストが上昇してしまう。そこで、Oは0.03〜0.5%、Nは0.005〜0.2%、Cは0.005〜0.2%とした。

0073

純チタンの場合、O:0.15%以下、Fe:0.20%以下、N:0.03%以下、C:0.08%以下、H:0.013%以下であり、残部Tiであるものが例示される。上記の範囲を超えると製品の延性が低下してしまう。そこで、各元素の成分は上述の範囲とした。

0074

図1に示す製造装置1(鋳型6は、円筒形)を用いて、本発明に係る製造方法の効果を確認するため、以下に示す試験を行い、その結果を評価した。

0075

(1)溶解および鋳造条件
(1−1)溶湯成分
Ti−6.4%Al−4.2%V−0.6%Fe−0.1%O−0.05%N−0.1%C
(1−2)溶湯温度
1700℃(精錬ハース5内の溶湯温度)
(1−3)鋳型6の寸法
直径650mm
(1−4)溶解量
10000kg
(1−5)溶解速度
1000kg/時間
(1−6)照射方法
電子ビーム11
(1−7)電子ビーム11の走査の形状
直線状
(1−8)電子ビーム11の走査の範囲
円形の鋳型6の中心12から鋳型6の壁面までの範囲
(1−9)電子ビーム11の回転周波数
0.01〜150Hz
(1−10)電子ビーム11の回転方向
一方向、あるいは正転逆転の組み合わせ
(1−11)ハース
溶解ハース4および精錬ハース5の2種類
(1−12)溶解ハース4の寸法
幅500mm×長さ1500mm×深さ100mm
(1−13)精錬ハース5の寸法
幅500mm×長さ1000mm×深さ100mm
(1−14)溶解原料
スポンジチタン、合金成分を混合した直径100mm×長200mmのブリケット
(1−15)溶解原料7の溶解方法
ブリケット7を溶解速度に合わせて連続供給して溶解する。
(1−16)電子ビーム発生装置3,9,10
原料7溶解用3を2基、溶解ハース用9を2基、精錬ハース用9を2基、鋳型用10を1機の合計7基
(1−17)模擬LDI
TiN(直径10mmの球状TiNを各ブリケット7に100個添加した)

0076

(2)評価方法
(2−1)湯皺
鋳塊0の表面で形成される湯皺は、鋳造に伴って引き抜かれる際に形成され、鋳塊0の表面に沿った凹凸状の形態を呈している。この湯皺の山と谷の距離を測定し、湯皺の深さを求めた。この深さが1mmを超える場合を湯皺が「有」、1mm未満の場合を「無」とした。

0077

(2−2)EPMA分析によるLDIの求め方
全長が約8000mmの鋳塊0のボトムから500mm間隔で横断面15枚を切り出し、この横断面の中心を含む幅100mm×長100mm×厚10mm分析用のサンプルを採取して、EPMAで分析を行い、大きさが5mmを超えるTiNの個数を測定し、各横断面の個数を合計した。この合計したTiNの個数を、鋳塊0の全長で割った値をLDIの存在比とした。

0078

(2−3)結晶粒径比の求め方
全長が約8000mmのチタン鋳塊0のボトムから500mm間隔で横断面(円柱の軸に垂直な断面)15枚を切り出し、この横断面の円の中心を図心とする30mm角(厚さ10mm)の正方形の範囲内(中央部)、および、上記の横断面の円の輪郭線円弧)から円の中心への垂線上において、前記輪郭線からの距離が15mm位置を図心とする30mm角(厚さ10mm)の正方形の範囲内(表層部)から、観察用サンプルを採取して、観察面鏡面研磨した。その後、弗硝酸溶液を用いて組織顕出し、光学顕微鏡を用いて結晶粒径を測定し、平均値を求めた。中心部の平均結晶粒径GSCと表層部の平均結晶粒径GSSとの比(GSC/GSS)を、結晶粒径比として求めた。

0079

試験条件および試験結果を表1にまとめて示す。表1における「電子ビーム11の反転周期」とは、電子ビーム11を途中で反転する場合、正転から反転、反転から正転する間の周期を意味する。また、「軌跡」の「直線」は図3に示すような直線状の軌跡を意味し、「曲線」は図4に示すような曲線状の軌跡を意味する。

0080

実施例

0081

表1に示すように、本発明の方法により、鋳塊の表面に湯皺がなく、鋳塊の単位長さ当たりのLDIの値が小さく、結晶粒径比が小さなチタン合金鋳塊0を製造できた。

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