JPH03285034A - 炭化物分散型チタン基合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、特に摺動摩耗や高速液滴エロージヨンに対す
る高い抵抗性が要求される耐摩耗部材、例えばエンジン
バルブのような機械部品や蒸気タービン翼材として好適
な炭化物分散型チタン基合金、詳しくは、βチタン合金
素地中に炭化チタンが晶出または析出して分散したチタ
ン基合金の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 近年、製造技術の著しい進展に伴って工業規模での量産
が比較的容易となったチタン合金は、比強度が高く耐食
性や耐熱性にも優れることから種々の機械部品用材料と
して用途が拡大している。

チタンまたはチタン合金の溶解法としては、ｌ）消耗式
電極アーク溶解法、２）非消耗式電極アーク溶解法、３
）電子ビーム溶解法、４）プラズマビーム溶解法、等が
代表的である。この中でも、ｌ）の消耗式電極アーク溶
解法は大型のインゴットを製造することができるので、
工業的に最も普及している。

ところで、チタン合金は上記するような特性を有してい
るが、一方ではドライな環境中での耐摩耗性が十分でな
（、そのままでは機械部品の摺動部に使用することが困
難である。そのため、耐摩耗性を要求される部材にチタ
ン合金を適用する場合には、その表面に耐摩耗を付与す
る処理を施すことが欠かせなかった。

チタン合金の耐摩耗処理方法としては、窒化処理、めっ
き処理（旧めっきやＣ「めっき等）、蒸着法（ＰＶＤ法
やＣＶＤ法）などによって合金部材表面に耐摩耗性液Ｉ
Ｎを形成させる方法が採用されている。また、一種の硬
化肉盛法によるチタン製品表面の耐摩耗性向上方法も従
業されている。

しかしながら、従来の窒化処理では、被処理材が高温に
曝されるために熱歪が生じやすく、めっき処理や蒸着処
理等で得られる硬質被覆膜は剥離しやすいという欠点が
ある。また硬化肉盛法では肉感部の硬度は高くなるもの
の、必ずしも相手材（例えば鉄系材料）とのマツチング
性は良くなく、肉盛材および相手材に摩耗が認められる
ことがある。

一方、ウェットな環境中では、チタン合金の摩耗はドラ
イな環境中におけるほど問題になることはないが、それ
でも厳しい摩耗条件（例えば発電用蒸気タービンにおけ
るような高流速下での液滴エロージョンをうける条件）
の下では十分な抵抗性を保持することはできず、やはり
適当な摩耗対策が不可欠である。

従来、このような条件下で使用される鉄系材料製タービ
ン属等の場合には、エロージョンシールド材としてステ
ライト　（商品名）を肉盛または接合する方法がとられ
ているが、ステライトはチタン合金に肉盛または接合す
ることができず、そのため、例えばＴｉ　−６Ａｊ！　
−４Ｖ合金製蒸気タービン翼のエロージョンシールド材
としては、チタン合金の中でも比較的硬度の高いβ相チ
タン合金（Ｔｉ−１５Ｎｏ−５Ｚｒ合金やＴｉ−１５Ｎ
ｏ　−５Ｚｒ　−３Ａ　ｊ！金合金）の時効材が使用さ
れている。

しかし、β型チタン合金の時効材では液滴エロージョン
に対してステライトと同程度の高い耐エロージヨン性を
期待することができず、耐エロージヨン性の面からもチ
タン合金に一段と優れた耐摩耗性を付与し得る手段の開
発が強く求められていた。

本発明者らは、上記のような現状に対処すべく、下記に
示すような炭化物分散型チタン合金を開発して、先に特
許出願をした（特願昭６３−２８２４３５号）。

（ａ）β相チタン素地に炭化チタンが晶出または析出し
て分散したチタン合金材。

（ハ）β相チタン素地に炭化チタンとα相チタンが晶出
または析出して分散したチタン合金材。

（Ｃ）β相チタン素地に炭化チタンの晶出物または析出
物と硬質セラミックスとが分散したチタン合金材。

（ロ）β相チタン素地に炭化チタンの晶出物または析出
１１１とαチタン析出相と硬質セラミックスとが分散し
たチタン合金材。

上記（ａ）〜（ｄ）の先願発明のチタン合金材は、特に
面倒な表面処理を要することなく、ドライな環境下およ
びウェットな環境下においても、優れた耐摩耗性を発揮
するので、前記のような用途に最適である。そして、こ
れらのチタン合金材は非消耗式電極のボタン溶解法によ
り製造される。

（発明が解決しようとするｖ４ｍ＞ ところが、前記非消耗式電極のボタン溶解法のような特
殊な溶解法では小型のインゴットしか得られず、生産能
率が著しく低い。

本発明の課題は、このような実情に鑑みてなされたもの
であり、βチタン合金素地に、度化チタン、炭化チタン
と硬質セラミックス、炭化チタンと析出α相、あるいは
炭化チタンと析出α相と硬質セラミックのいずれかが分
散してなる炭化物分散型チタン基合金を能率よく、且つ
安価に製造することができる方法を提供することを目的
とする。

（ｉ！！題を解決するための手段） チタンおよびチタン合金の溶解法としては、前記の１）
〜４）の溶解法が代表的であるが、１）の消耗式電極ア
ーク溶解法の場合、消耗式電極を作製するのにスポンジ
チタンや合金元素等の原料をコンバクｔプレスして成形
体を作成し、その多数個を電子ビーム溶接でつなぐとい
う複雑な工程を峰なければならず、また、成形体の強度
を保つうえからチタンおよびチタン合金のスクラップ使
用割合を制限しなければならないという欠点がある。さ
らには、１次溶解のみでは合金成分がインゴット内で均
一に分布しないために、少なくとも２回の溶解が必要と
なり、工程的、経済的に不利である。

また、２）の非消耗式電極アーク溶解法、３）の電子ビ
ーム溶解法および４）のプラズマビーム溶解法の場合、
消耗式電極を作成する必要はないものの、水冷銅坩堝で
の溶液プール量の増大は望み得す、大型インゴットは成
分の不均一性の問題がある。

さ６に、これらの特殊溶解法では専用の設備が必要であ
る。

他方、安価で生産性のよい溶解法として、耐火物系や黒
鉛系の坩堝を用いる誘導加熱溶解法がある。この溶解法
は鉄鋼材料やＮｌ基合金、Ｃｏ基合金の溶製に使用され
ているが、耐火物系や黒鉛系の坩堝から酸素や炭素が溶
湯へ侵入し、溶湯が汚染されるため、汚染を嫌うチタン
およびチタン合金の溶解では、その採用は極力避けられ
ている。特に、大きな需要分野である航空機用に使用さ
れるチタン合金には、この溶解法の採用は許されておら
ず、前記の水冷銅坩堝を用いる特殊溶解法によって溶解
が行われている。

ところが、本発明者らは先願発明のチタン炭化物分散型
チタン基合金の場合には、炭化チタンを生成させるうえ
で溶湯中に炭素を積極的に溶は込ませる必要があるので
、溶湯に炭素が侵入する黒鉛系の坩堝を用いる誘導加熱
溶解法で溶解する方が有利ではないかと考え、実際にこ
の方法で溶解したところ品質的に全く問題がないことを
確認した。

ここに本発明は下記の（１）〜（３）を要旨とする。

（１）溶解原料を真空中または不活性ガス雰囲気下にお
いて、黒鉛系坩堝を使用する誘導加熱溶解法で溶解する
ことを特徴とする素地がβ相である炭化物分散型チタン
基合金の製造方法。

（２）硬質セラミックスを除く熔解原料を真空中または
不活性ガス雰囲気下において、黒鉛系坩堝を使用する誘
導加熱溶解法で溶解した後、硬質セラミックスを坩堝内
の溶湯に投入することを特徴とする素地がβ相である炭
化物分散型チタン基合金の製造方法。

（３）上記（１）または（２）記載の方法で熔解し、鋳
造した後に、時効熱処理を行うことを特徴とする素地が
β相である炭化物分散型チタン基合金の製造方法。

本発明において、炭化物分散型チタン基合金とは、βチ
タン合金素地中に少なくともチタン炭化物が晶出または
析出して分散してなるチタン基合金をいう。

（作用） 以下、添付図面を参照して本発明について説明する。

第１図は、本発明方法を実施する溶解−鋳造装置の一例
を示した概略説明図である。

図中１は２！ｉ構造をした坩堝であり、この坩堝ｌは、
内側の黒鉛系坩堝２と外側のカルシア系坩堝３とからな
る。４は高周波誘導コイル、５は溶解原料装入室、６は
鋳型である。なお、内側の黒鉛系坩堝は熱伝導が良すぎ
るので、保温のために外側にカルシア系坩堝を配した２
重構造の坩堝を図示したが、外側のカルシア系坩堝は必
ずしも必要ではなく、黒鉛系坩堝のみとしてもよい。

前記（１）のβチタン合金素地に炭化チタンが分散して
なるチタン基合金を製造する場合は、スポンジチタンま
たはチタンスクラップやチタン合金スクラップなどの主
原料と、Ａｌ１−Ｍｏ母合金、へｌ■母合金、純Ｍｏ、
純■、純＾！、純Ｃ「、純Ｆｅ、純Ｗ、純Ｓｎ、スポン
ジＺｒなどの副原料とをそれぞれ原料装入室５から内側
の黒鉛系坩堝２に装入し、高周波誘導コイル４でこれら
の原ｔ：ｌ　７を溶解する。

一方、前記（２）のβチタン合金素地に炭化チタンと例
えば、Ｚ「００、＾１２０３等の硬質セラミックスとが
分散してなるチタン基合金を製造する場合は、硬質セラ
ミックスを除く前記の原料７を同様に内側の黒鉛系坩堝
２に装入し、高周波誘導コイル４でこれらの原料７を熔
解した後、溶湯中に硬質セラミックス８を投入する。熔
解後に硬質セラミックスを投入するのは、他の原料と一
緒に投入すると、硬質セラミックスが溶解することがあ
り、鋳造後のβチタン合金素地中に硬質セラミックスの
粒子が分散されなくなるためである。

なお、前記副原料のＮｏ、　Ｗ、　Ｃｒ、　ＶおよびＦ
ｅの総合有量が下記式を満たすように添加すれば、素地
はβ相になる。

Ｍｏ十０．６Ｗ＋０．８Ｖ　＋１．５Ｃｒ＋３．ＯＦｅ
≧１２（ｗｔ％）このように黒鉛系坩堝を使用して原料
を誘導加熱溶解すれば坩堝からの炭素が溶湯中に侵入し
、良好な耐摩耗性を有するチタン度化物が分散したβ相
チタン基合金を安価に且つ生産性よく製造することがで
きる。そして、溶解中に黒鉛系坩堝から炭素が侵入する
ので、逆に炭素源の投入量が削減できて、カルシアやマ
グネシアの坩堝のような酸素汚染の問題もないので、得
られる炭化物分散型チタン基合金は均質な品質のものと
なる。

本発明において、黒鉛系坩堝を使用して原料を溶解する
に際しては、真空中またはＡｒ、Ｉｌｅ等の不活性ガス
雰囲気中で行うのがよい、大気中で溶解するとチタン合
金の著しい酸化のため粘性が高くなりすぎ溶解ができな
くなる。真空下で行う場合は、１０−”ｔｏｒｒ以下の
真空度とすれば問題なく溶解することができる。また不
活性ガス雰囲気下で溶解する場合は、不活性ガス雰囲気
の圧力としては減圧、常圧、加圧のいずれの状態であっ
てもよい。

熔解後は、第１図に示すように坩堝と同じ雰囲気下に置
かれた鋳型でインゴットに鋳造すれば、βチタン合金素
地に炭化チタンまたは炭化チタンと硬質セラミックスと
が分散した均質な度化物分散型チタン基合金のインゴッ
トとなる。

その後、必要に応じてて３５０〜６５０°Ｃの間で２〜
ＩＱＯｈｒ程度保持する時効熱処理を行いα相チタンを
析出させてもよい。

なお、特開昭６２−６３６２６号公報にはチタン合金を
黒鉛坩堝による誘導加熱溶解法により製造する方法が開
示されているが、この発明は変化チタンを含まない一般
的なチタン合金を対象としたものであって、坩堝からの
炭素侵入を積極的に利用するという考えはない、また、
特開平１−２２２０２６号公報にはグラフファイト坩堝
を使用してチタンおよびチタン合金を溶解する方法が開
示されているが、その発明はαチタン相中或いはαチタ
ンを素地とする合金中に丁ＩＣを分散させたチタンおよ
びチタン合金を対象とするものである。

以下、実施例により本発明を更に説明する。

（実施例１） 容量１７ｋｇの高周波誘導加熱炉中に第１図に示すごと
く黒鉛坩堝をセットし、同じく黒鉛の鋳型を準備した。

原料にはスポンジチタン、スポンジジルコニウム、Ｖ−
Ａｆｆｉ母合金、Ｍｏ−Ａｌ！母合金、純＾Ｐ、純ＭＯ
粉末、純■フレーク、純Ｗ粉末、電解Ｐｅ、電解Ｃｒ、
電解Ｓｎ、Ｔｉ−６＾１−４　ＶスクラップおよびＴｉ
−１５Ｖ−３＾１−３Ｓｎ−３Ｃｒスクラツプを準備し
、これらを第１表に示す配合量に秤量した後、黒鉛坩堝
の中に装入し、下記の工程で溶解して鋳造した。

（ａ）真空排気、Ａｒ置換を１回行い、再度真空排気し
た後、５００ｔｏｒｒまでＡｒガスを導入し、通電を開
始する。

（ｂ）　最大出力２５ｋｗ、周波数４　ｋ　ｌ（ｚで溶
解する。

（Ｃ）溶は落ちを確認した後、３０分保持し、Ｆ８場を
黒鉛鋳型に鋳造し、　１２０１径Ｘ２９０ｓ＋ｍ長さの
インゴットにする。

比較例として、それぞれの原料および炭化チタンをプレ
スで成形し、その成形体を繋ぎ合わせた消耗式電極によ
る１回のアーク溶解法と炭化チタンを含む原事４を銅坩
堝に投入し°ζ非消耗式電極によるアーク溶解法により
熔製し、それぞれ１２０ｓａ径Ｘ　２９０ａｍ長さのイ
ンゴットに鋳造した。

鋳造後のこれらインゴットの中央部（全長の１／２、半
径の１／２表面から入ったところ）から試験片を採取し
、成分分析を行った。また、同し位置から２０−ｍ角Ｘ
３ａｍ厚のブロックを切り出し、構成相を訓ぺるととも
に、インゴットの長手方向の中央の表層部と中心部から
１０−径Ｘ４ｋｍ長さの試験片をそれぞれ２本づつ採取
し、摺動摩耗試験を行った。

これらの結果を第２表に示す。

前記構成相はＸ線回折により、鋳造後のままの構成相と
真空炉で５００°Ｃで２時間時効熱処理した後の構成相
とを調べ、摺動摩耗試験は第２図に示すようなピンオン
ディスク方式により下記の条件で実施した。

試験片の押圧荷重：２ｋｇ 試験片と相手材（ディスク）との摺動速度：６２．８ｍ
／ｓｉｎ 摺動距離：　　２．５Ｘ１０’ｍ 相手材（ディスク）：６０キロ級高張力鋼摩耗面の潤滑
：なし 第２表において、Ｎ１１ｌ−Ｎａ８は本発明例であり、
構成相はいずれも熔解後のインゴットのままではβ相の
素地にＴｉＣが析出しており、熱処理後にはβ相の素地
にα相およびＴｉＣが析出しており、耐摩耗性に優れる
。これに対して、Ｎａ９のβ安定化元素であるＮｏ、　
Ｗ、　Ｃｒ、　Ｖ、Ｆｅ等が少ない、素地がα＋βチタ
ン相であるものは耐摩耗性に著しく劣る。なお、階１０
の消耗式アーク溶解法および階１１の非消耗式アーク溶
解法で溶製したものは、素地のβ相にＴｉＣが析出して
おり、良好な耐摩耗性を有しているが、バラツキが大き
い。

第３図に、第２表における本発明例の隘５と漱８および
比較例のｋｌＯとｔ４ａｌｌについて＾Ｉｌ濃度分布を
調べた結果を示す、　　Ａｆｆｉ濃度分布はインゴット
の全長の１７２のところから試験片を採取し、半径方向
のＡＮ濃度分布を調査した。

第３図から、比較例のＨａｌｏの合金およびＨａｌｌの
合金はＡｆｆｉ濃度が中心部で低くなっているのに対し
、本発明例の階５および隘８の合金は極めて均質である
ことがわかる。

（実施例２） 実施例１と同じく容量１７ｋｇの高周波誘導加熱炉中に
黒鉛坩堝をセットし、同じく黒鉛の鋳型を準備した。

原料はスポンジチタン、チタンスクラップ、Ｖ−へｌ母
合金、純Ａｆｆｉ、電解Ｃｒの各原料に加え、Ｚｒ０１
の硬質セラミックスを準備した。

硬質セラミックスを除く他の原料を黒鉛坩堝の中に装入
し、実施例１と同じ工程で溶解した。溶は落ち後は１０
分間そのまま保持し、ＺｒＯｘ　（平均粒径９８μ−）
を溶湯内に投入し、５秒後に黒鉛鋳型内径９８　ＩＩ　
Ｍ）を溶湯内に投入し、５秒後に黒鉛鋳型内に鋳込んだ
、なお、溶解および鋳込み雰囲気はｌＯ’Ｌｏｒｒの真
空中とした。

比較例として、溶解前からＺｒ０ｔを他の原料と同時に
装入し、１時間を要して溶解した後に鋳造を試みたが、
ＺｒＯ２と溶湯が反応することによって粘性が高くなり
、鋳造することができなかった。

第３表に各原料の配合量と、鋳造後のインゴットおよび
真空炉で５００℃で２時間時効熱処理した後のインゴッ
トにおける構成相を調べた結果を示す。

鋳造することができた本発明例の？＆１１２の合金は、
インゴットのままでは素地のβ相にＴｉＣとＺｒＯ，が
分散しており、時効処理後は素地のβ相にα相、ＴｉＣ
およびＺｒＯ，が分散している。また、ミクロ組織観察
の結果、Ｚｒ０１の粒径は９２μ−とほとんど変化して
いなかった。

（以下、余白） （発明の効果） 実施例に示した如く、黒鉛坩堝を使用する誘導加熱法で
も均質に炭化チタンが分散し、耐摩耗性に優れる炭化物
分散型チタン基合金を製造することができる。この溶解
法はスクラップ比率も高くすることができ、しかも非消
耗電極を作製する手間もな（大型のインゴットを鋳造す
ることができ、また、特殊な設備を用意する必要もなく
鉄鋼材料の溶解と同じ炉を使用することができるのて、
安価に且つ能率よく炭化物分散型チタン合金を製造する
ことができる。さらには複館な形状の部材にも縫込める
ので、そめ後の切削、研削等の機械加工の工程も省略で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法を実施する溶解炉の一例を示した
概略説明図、 第２図は、ピンオンディスク方式による耐摩耗試験を示
す説明図、 第３図は、インゴットの半径方向における＾ｌ濃度分布
を調査した結果を示すグラフ、である。 第２　口 荷９Ｃ２に５’ｌ１１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶解原料を真空中または不活性ガス雰囲気下にお
   いて、黒鉛系坩堝を使用する誘導加熱溶解法で溶解する
   ことを特徴とする素地がβ相である炭化物分散型チタン
   基合金の製造方法。
2. （２）硬質セラミックスを除く溶解原料を真空中または
   不活性ガス雰囲気下において、黒鉛系坩堝を使用する誘
   導加熱溶解法で溶解した後、硬質セラミックスを坩堝内
   の溶湯に投入することを特徴とする素地がβ相である炭
   化物分散型チタン基合金の製造方法。
3. （３）請求項（１）または（２）記載の方法で溶解し、
   鋳造した後に、時効熱処理を行うことを特徴とする素地
   がβ相である炭化物分散型チタン基合金の製造方法。