JP2006341280A - インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ｔｉのような高融点の活性金属を含有する場合であっても、大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができるインゴットの製造方法を提供する。
【解決手段】
コールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯からインゴットを鋳造し、このインゴットを用いて消耗電極を形成した後、この消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯から大型のインゴットを鋳造した。
【選択図】 図１

Description

本発明はインゴットの製造方法に関し、更に詳しくは大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができるインゴットの製造方法に関する。例えばＴｉやＴｉ合金の展伸材を量産する場合、数トンレベルの大型で且つ均質なインゴットが必要である。本発明は、それが例えばＴｉのような高融点の活性金属を含有する場合であっても、大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができるインゴットの製造方法に関する。

従来、インゴットの製造方法として、なかでもＴｉのような高融点の活性金属を含有するインゴットの製造方法として、金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を鋳型内へ鋳込んでインゴットとする方法が知られている（例えば特許文献１参照）。また別の製造方法として、金属原料から作製した消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を鋳型内へ鋳込んでインゴットとする方法も知られている（例えば特許文献２参照）。

コールドクルーシブル誘導溶解法により金属原料を溶解する従来法は、溶湯が一括して混ざりあうため、溶湯全体が均質になるという利点がある。そのため、溶湯の一部をサンプリングし、分析を行なうことで、溶湯全体の成分を把握でき、成分が狙いどおりになっていない場合は、必要な原料を追加装入することで、成分調整を図ることも可能である。
しかし、コールドクルーシブル誘導溶解法により溶解する場合は、装置の構築上、特にるつぼの外周に配置したコイルへ所要量の高周波電流を流すための電源設備上、もともと大容量のるつぼを備える装置を構築するのが難しく、あえて大容量のるつぼを備える装置を構築して運転しようとすると、極めて大きな経済的負担を伴うため、結果として相応に小容量のるつぼを備える装置を構築して運転することになり、したがって得られるインゴットも相応に小型のものになってしまうという問題がある。小型のインゴットでは、それを加工して製品化するにあたり、歩留り悪化や生産性悪化を招くため、展伸材用途においては大型のインゴット（少なくとも１トン以上）が必要とされている。
一方、金属原料から作製した消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解し、インゴットを製造する従来法は、数トン程度の大型のインゴットを製造することができる。
しかし、真空アーク再溶解法に用いられる消耗電極は、金属原料を軸方向に積層して製造するため、軸方向の成分が不均質なものになってしまい、そのような消耗電極を用いて製造されたインゴットも軸方向の成分が不均質なものになってしまうという問題がある。
特開２００１−１３１６５１号公報 特開平９−３１５５８号公報

本発明が解決しようとする課題は、それが例えばＴｉのような高融点の活性金属を含有する場合であっても、大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができるインゴットの製造方法を提供する処にある。

前記の課題を解決する本発明は、コールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯からインゴットを鋳造し、このインゴットを用いて消耗電極を形成した後、この消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯から大型のインゴットを鋳造することを特徴とするインゴットの製造方法に係る。この方法によれば、コールドクルーシブル誘導溶解法により鋳造されるインゴットの成分を目標範囲内に調整でき、またそのインゴットは全体が均質な成分とすることができるため、消耗電極の軸方向の成分も均質となる。よって、その消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解すれば、大型で且つ全体が均質なインゴットを製造することができる。

本発明において、コールドクルーシブル誘導溶解法及び真空アーク再溶解法それ自体は公知の方法を適用できるが、本発明の製造方法としては、下記のＡ工程、Ｂ工程及びＣ工程を経る方法が有利である。
Ａ工程：金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を小型の鋳型内へ鋳込んで小型のインゴットを鋳造する工程。
Ｂ工程：Ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返した後、鋳造した複数の小型のインゴットを束ねる工程。
Ｃ工程：Ｂ工程で束ねたものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する工程。

また本発明の製造方法としては、下記のａ工程、ｂ工程及びｃ工程を経る方法が有利である。
ａ工程：金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を大型の鋳型内の一部分へ鋳込んで該一部分に相当する小型のインゴットを鋳造する工程。
ｂ工程：ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返し、大型の鋳型内にてインゴットを継ぎ足す工程。
ｃ工程：ｂ工程で継ぎ足したものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する工程。

先ず、Ａ工程、Ｂ工程及びＣ工程を経る方法（以下、前者の方法という）について更に詳細に説明する。前者の方法のＡ工程では、金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を小型の鋳型内へ鋳込んで小型のインゴットを鋳造する。ここで小型のインゴットというのは、Ｃ工程で得られる大型のインゴットに比べて小型のインゴットという相対的な意味で、その質量が特に制限されるというものではないが、通常は数百kg〜１トン程度のインゴットを意味する。金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解するとき、用いる装置の構築上、またその運転上、更に経済上、数百kg〜１トン程度のインゴットが得られるような処理容量のものが有利であるからである。

また前者の方法のＢ工程では、Ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返した後、鋳造した複数の小型のインゴットを束ねる。各小型のインゴットの形状は特に制限されず、Ｂ工程でそれらを束ねて、Ｃ工程で束ねたものを真空アーク再溶解法の消耗電極として用い得るものであればよい。また束ねる手段も特に制限されないが、通常は複数の小型のインゴットをその接合部で溶接し、Ｃ工程の真空アーク再溶解法に用いる消耗電極の形とする。そして前者の方法のＣ工程では、Ｂ工程で束ねたものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する。ここで大型のインゴットというのは、Ａ工程で得られる小型のインゴットに比べて大型のインゴットという相対的な意味で、その質量が特に制限されるというものではないが、通常は数トン程度のインゴットを意味する。

次に、ａ工程、ｂ工程及びｃ工程を経る方法（以下、後者の方法という）について更に詳細に説明する。後者の方法のａ工程では、金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を大型の鋳型内の一部分へ鋳込んで該一部分に相当する小型のインゴットを鋳造する。ここで大型又は小型というのは前記したことと同様に相対的な意味である。

また後者の方法のｂ工程では、ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返し、大型の鋳型内にてインゴットを継ぎ足す。大型の鋳型内にて継ぎ足す各インゴットの形状は特に制限されず、ｃ工程でそれらを継ぎ足したものを真空アーク再溶解法の消耗電極として用い得るものであればよい。継ぎ足す手段も特に制限されず、順次積層することもできるし、又はダミーの型枠や仕切板等を用いてこれらを順次取り除くこともできるが、いずれにしても大型の鋳型内にて先に凝固した小型のインゴットに後で凝固する小型のインゴットを一体化させるようにする。そして後者の方法のｃ工程では、ｂ工程で継ぎ足したものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する。ここで大型というのは前記したことと同様に相対的な意味である。

本発明では、Ｂ工程において、複数の小型のインゴットを、Ｃ工程で用いる消耗電極の軸方向に沿う面で接合するように束ねる前者の方法や、ｂ工程において、インゴットを、ｃ工程で用いる消耗電極の軸方向に沿う面で順次継ぎ足す後者の方法が有利である。これらの方法によれば、Ａ工程又はａ工程で鋳造されたインゴットの軸方向の成分は均一となるため、それらを消耗電極の軸方向に沿う面で接合するように束ねたり、順次継ぎ足すことにより、軸方向に均一な成分の消耗電極を製造することができるため、全体が均質な成分の大型のインゴットを容易に製造することができる。またこれらの方法によれば、Ａ工程又はａ工程で鋳造された各インゴットの成分が多少異なっても、それらをＢ工程において束ねたり、ｂ工程において順次継ぎ足して製造した消耗電極を再溶解するため、各インゴットの溶湯が混ざりあったときの成分が、大型のインゴットの目標とする成分の範囲内であればよい。したがって例えば、１個目に作製したインゴットの、ある元素が目標とする範囲よりも多くなった場合には、次に作製するインゴットのその元素を目標とする範囲よりも少なくするといった調整も可能である。

また本発明では、Ｂ工程において、複数の小型のインゴットを、Ｃ工程で用いる消耗電極の径方向に沿う面で接合するように束ねる前者の方法や、ｂ工程において、インゴットを、ｃ工程で用いる消耗電極の軸方向に順次積層するように継ぎ足す後者の方法も有利である。これらの方法によれば、特殊な形状の鋳型を用いなくても、軸方向の成分が均一な大型のインゴットを製造することができる。これらの方法で大型のインゴットを製造する場合は、軸方向の成分を均一にするため、Ａ工程又はａ工程で溶湯をサンプリング分析し、複数の小型のインゴット成分を均一に調整したもののみをＢ工程又はｂ工程で使用することが必要であるが、コールドクルーシブル誘導溶解法では、成分の把握、調整が可能であるという利点があるため、この方法を適用できる。

以上説明した前者及び後者の双方の方法において、Ａ工程又はａ工程で用いる金属原料の種類や組成は特に制限されないが、それがＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｚｒ又はＴａのような高融点の活性金属、又はその合金である場合に効果の発現が高く、なかでもそれがＴｉ又はＴｉ合金である場合に効果の発現がより高い。また双方の方法のＡ工程又はａ工程において、かかる金属原料を溶解するとき、溶湯の一部をサンプリングして分析し、その結果に基づいて溶解中の溶湯組成を再調整するのが好ましい。

本発明によると、それが例えばＴｉのような高融点の活性金属を含有する場合であっても、大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができるという効果がある。

図１は本発明の製造方法のうちで前者の方法において用いる消耗電極の接合形態を例示する斜視図である。円柱をその軸線部にて直交する二つの面で切断したような形を呈する合計４個の小型のインゴット１ａ〜１ｄが、その軸方向に沿う面で接合された状態で溶接により束ねられ、１本の消耗電極１を形成している。図２は本発明の製造方法のうちで前者の方法において用いる消耗電極の他の接合形態を例示する斜視図である。円柱をその軸方向に沿って平行する三つの面で切断したような形を呈する合計４個の小型のインゴット２ａ〜２ｄが、その軸方向に沿う面で接合された状態で溶接により束ねられ、１本の消耗電極２を形成している。図３は本発明の製造方法のうちで前者の方法において用いる消耗電極の更に他の接合形態を例示する斜視図である。円柱を径方向に沿って平行する三つの面で切断したような形を呈する合計４個の小型のインゴット３ａ〜３ｄが、その径方向に沿う面で接合された状態で溶接により束ねられ、１本の消耗電極３を形成している。

図４〜１３は本発明の製造方法のうちで後者の方法においてａ工程及びｂ工程の鋳込み作業の手順を例示する図（図４は斜視図、図５〜１３は横断面図）である。図４及び５において、円柱形の空間を有する大型の鋳型４内に同じ形のダミーの型枠４ａ〜４ｄが相互に密接して摺嵌されている。先ず図６及び７において、型枠４ａを取り除き、そこに形成された型枠４ａに相当する空間へコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯を鋳込んで小型のインゴット５ａを鋳造する。次に図８及び９において、型枠４ｂを取り除き、そこに形成された型枠４ｂに相当する空間へコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯を鋳込んで小型のインゴット５ｂを鋳造すると同時にインゴット５ａへ継ぎ足して一体化する。更に図１０及び１１において、型枠４ｃを取り除き、そこに形成された型枠４ｃに相当する空間へコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯を鋳込んで小型のインゴット５ｃを鋳造すると同時にインゴット５ａ，５ｂへ継ぎ足して一体化する。そして図１２及び１３において、型枠４ｄを取り除き、そこに形成された型枠４ｄに相当する空間へコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯を鋳込んで小型のインゴット５ｄを鋳造すると同時にインゴット５ａ、５ｂ、５ｃへ継ぎ足して一体化する。かくして一体化したものはｃ工程の真空アーク再溶解法における消耗電極として用いる。後者の方法は、前記のように、ダミーの型枠を用いる方法の他に、鋳型内に溶湯を順次積層することで行なうこともできる。順次積層する方法としては、鋳型の軸方向に溶湯を順次積層することもできるし、鋳型を寝かせた状態で溶湯を上部から順次積層することもできる。

実施例１
図４〜１３について前述した鋳込み作業の手順にしたがい、下記の条件下でａ工程及びｂ工程を行なった。
金属原料：Ｔｉ合金（６Ａｌ−４Ｖ−Ｔｉ）
コールドクルーシブル誘導溶解：投入電力３０００ｋＷ、周波数２５００Ｈｚ、るつぼ内径７００mm、１回の溶解量４５０kg、各インゴット５ａ〜５ｄの質量４００kg
次に、前記のａ工程及びｂ工程を経て継ぎ足した大型のインゴット５を消耗電極として用い、下記の条件下でｃ工程を行なった。
真空アーク再溶解：電流１５ｋＡ、電圧３５Ｖ、真空度１Ｐａ、るつぼ内径／消耗電極外径の比１／０．８５、鋳造した大型のインゴットの質量１．６ｔ
かくして製造した大型のインゴットについて、その頂部、中間部及び底部から削り出したもののＡｌ及びＶの含量（質量％）を分析した。分析は５回行ない、その平均値を表１に示した。

比較例１
実施例１と同じＴｉ合金用の金属原料からプレス成形したものを消耗電極として用いて実施例１と同じ条件下で一次の真空アーク溶解を行ない、その溶湯から実施例１と同じ大きさの再溶解用消耗電極を鋳造した。この再溶解用消耗電極を用いて実施例１と同じ条件下で二次の真空アーク溶解（真空アーク再溶解）を行ない、その溶湯から実施例１と同じ大きさのインゴットを鋳造した。このインゴットについて、実施例１と同様の分析を行ない、その平均値を表１に示した。

実施例１、比較例１及びこれらの結果を示す表１からも明らかなように、本発明によると、それが例えばＴｉのような高融点の活性金属を含有する場合であっても、大型で且つ均質なインゴットを経済的に得ることができる。尚、表１は本発明の製造方法のうちで後者の方法による場合についての結果であるが、ここでの例示を省略する前者の方法による場合もほぼ同様の結果が得られている。

本発明において用いる消耗電極の接合形態を例示する斜視図。 本発明において用いる消耗電極の他の接合形態を例示する斜視図。 本発明において用いる消耗電極の更に他の接合形態を例示する斜視図。 本発明において最初の鋳込み作業の状態を例示する斜視図。 図４と同じ状態を例示する横断面図。 本発明において図５の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図６の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図７の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図８の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図９の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図１０の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図１１の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。 本発明において図１２の次の鋳込み作業の状態を例示する横断面図。

符号の説明

１ａ〜１ｄ，２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄ，５ａ〜５ｄ 小型のインゴット
１〜３ 消耗電極
４ 鋳型
４ａ〜４ｄ 型枠

Claims (9)

1. コールドクルーシブル誘導溶解法により溶解した溶湯からインゴットを鋳造し、このインゴットを用いて消耗電極を形成した後、この消耗電極を真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯から大型のインゴットを鋳造することを特徴とするインゴットの製造方法。
2. 下記のＡ工程、Ｂ工程及びＣ工程を経る請求項１記載のインゴットの製造方法。
   Ａ工程：金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を小型の鋳型内へ鋳込んで小型のインゴットを鋳造する工程。
   Ｂ工程：Ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返した後、鋳造した複数の小型のインゴットを束ねる工程。
   Ｃ工程：Ｂ工程で束ねたものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する工程。
3. 下記のａ工程、ｂ工程及びｃ工程を経る請求項１記載のインゴットの製造方法。
   ａ工程：金属原料をコールドクルーシブル誘導溶解法により溶解し、その溶湯を大型の鋳型内の一部分へ鋳込んで該一部分に相当する小型のインゴットを鋳造する工程。
   ｂ工程：ａ工程と同様の操作を更に１回又は２回以上繰り返し、大型の鋳型内にてインゴットを継ぎ足す工程。
   ｃ工程：ｂ工程で継ぎ足したものを消耗電極として用いて真空アーク再溶解法により再溶解し、その溶湯を大型の鋳型内へ鋳込んで大型のインゴットを鋳造する工程。
4. Ｂ工程において、複数の小型のインゴットを、Ｃ工程で用いる消耗電極の軸方向に沿う面で接合するように束ねる請求項２記載のインゴットの製造方法。
5. ｂ工程において、インゴットを、ｃ工程で用いる消耗電極の軸方向に沿う面で順次継ぎ足す請求項３記載のインゴットの製造方法。
6. Ｂ工程において、複数の小型のインゴットを、Ｃ工程で用いる消耗電極の径方向に沿う面で接合するように束ねる請求項２記載のインゴットの製造方法。
7. ｂ工程において、インゴットを、ｃ工程で用いる消耗電極の径方向に沿う面で順次継ぎ足す請求項３記載のインゴットの製造方法。
8. 金属原料が高融点の活性金属又はその合金である請求項１〜７のいずれか一つの項記載のインゴットの製造方法。
9. 金属原料がＴｉ又はＴｉ合金である請求項１〜７のいずれか一つの項記載のインゴットの製造方法。
   

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