JP5792124B2 - チタン鋳塊の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、純チタン又はチタン合金で構成された消耗電極を溶解してチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法に関し、特に、鋳肌の表面性状が優れたチタン鋳塊を製造する方法に関する。

従来より、チタン鋳塊を製造するには、まず、チタンの原料となるスポンジチタンをプレスしてコンパクト材を製作し、複数のコンパクト材を繋げて消耗電極を形成する。そして、この消耗電極を溶解炉（鋳型内）にセットして、消耗電極と鋳型内との間にアークを発生させて当該消耗電極を溶解して冷却することにより、チタン鋳塊を製造している。
このチタン鋳塊の製造は、真空雰囲気中や不活性ガス雰囲気中で消耗電極の溶解を行う真空アーク溶解装置[VAR(Vacuum Arc Remelting)]が主に用いられており、真空アーク溶解装置（方法）として、特許文献１〜特許文献４に示すものがある。

特許文献１では、電子ビーム溶解炉を用いた金属インゴットの溶製方法において、酸化物を焼成して得られた焼塊（酸化物焼塊）と顆粒状金属原料との混合物を溶解原料として用いている。
特許文献２では、セラミックルツボ内において、溶解原料であるＴｉ及びＡｌを高周波誘導溶解によって溶解させて得た溶湯を鋳型に鋳湯することにより、直径２００ｍｍ以上のＴｉＡｌ合金インゴットを製造している。

特許文献３では、金属インゴットの溶製装置の技術を開示しており、この溶製装置は、真空チャンバーと、金属原料の供給手段と、上記金属原料を溶解する電子ビーム照射手段と、溶湯を保持する溶解ハースと、上記溶湯を注ぎ込む鋳型と、上記鋳型内に形成されるインゴットの引き抜き手段とを備えたハース式電子ビーム溶解炉において、上記溶解ハースから上記鋳型への排出口であるハースリップを複数設けたことを特徴としている。

特許文献４では、アークを４．０〜２０．０ｓｅｃ／回転の回転速度で回転することで、溶融プールを攪拌させつつチタンインゴットを製造している。

特開２０１１−１２７１４８号公報 特開２０１１−０３６８７７号公報 特開２０１０−２４７２０２号公報 特開２０１０−０３７６５１号公報

特許文献１〜特許文献４に示された真空アーク溶解装置（真空アーク溶解法）を用いることによってチタン鋳塊を製造することができるものの、チタン鋳塊の製造過程で鋳塊物の表面に肌荒れ（鋳肌不良）が生じて、この鋳肌不良によって歩留が低下するという問題が発生している。なお、ここでいう歩留とは、投入原料と、鋳塊表面から凸凹やボイド等の欠陥部を除去した後のクリーン鋳塊との比である。

上記した鋳塊物の表面に発生する鋳肌不良は、消耗電極の溶解時に、スプラッシュにより溶湯等が鋳型（るつぼ）の内壁に付着して未溶解の付着物（スプラッシュ未溶解部）となり、そのスプラッシュ未溶解部が再溶解されずに残存することが原因と考えられる。
そこで、鋳肌不良を解決するためには、消耗電極と溶湯間に発生するアークが安定的にる鋳型内（つぼ内壁）を移動するように回転させ、アーク熱でスプラッシュ未溶解部の溶解を促進させることが考えられる。しかしながら、アークの挙動はスターラ攪拌や自然磁場、装置特性などの様々な要因が複雑に絡んでおり、安定的にアーク回転を実現させることは困難であり、確実に鋳肌不良を防止することは難しいのが実情である。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、アークの発生の回転を促進して効率よく消耗電極を溶解することにより鋳肌不良を防止することができるチタン鋳塊の製造方法を提供す
ることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、チタンを含有する消耗電極と鋳型との間にアークを発生させて前記消耗電極を溶解するアーク溶解処理を２回行うことによってチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法において、１回目のアーク溶解処理後の１次鋳塊にＣｌが０．０２質量％以上残存するように、１回目のアーク溶解処理時にＣｌを含有する原料をサイドチャージにより供給することを特徴とする。

（前記サイドチャージにより供給する原料に含有するＣｌ含有量）÷（消耗電極に含有するＣｌ含有量）で算出されるＣｌ含有比を０．７３以上としていることが好ましい。
次式で求められるＣｌ量を含むスポンジチタンを、Ｃｌを供給するための前記原料としてサイドチャージにより供給することが好ましい。

前記サイドチャージにより供給する原料は、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２のうちの１種或いは２種以上を含んでいることが好ましい。
本発明の他の技術的手段は、チタンを含有する消耗電極と鋳型との間にアークを発生させて前記消耗電極を溶解するアーク溶解処理を複数回行うことによってチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法において、最終回のアーク溶解処理における消耗電極の表面に、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２のうちの１種或いは２種以上を塗布して、最終回のアーク溶解処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、アーク溶解処理時において、アークの発生の回転が促進され、効率的に消耗電極を溶解することができるようになり、鋳肌不良を防止することができる。

チタン鋳塊の製造方法の手順を示した図である。 鋳型内におけるアークの回転を説明するための平面図である。 １次鋳塊のＣｌ量と、歩留との関係図である。 チャージ原料に含有されるＣｌ量と１次消耗電極に含まれるＣｌ量との含有比と、歩留との関係図である。 消耗電極の表面にＭｇＣｌ_２を塗布した場合の歩留とチャージ数との関係図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
チタン鋳塊の製造は、真空アーク溶解装置によりスポンジチタン等から構成された原料を鋳型内（るつぼ内）で溶解し、溶解した溶湯を冷却することによって行う。
図１は、チタン鋳塊の製造方法の手順を示したものである。
図１を用いて、まず、真空アーク溶解装置について説明する。

真空アーク溶解装置１は、鋳型２内を真空雰囲気状態又は不活性ガスの雰囲気状態にして、鋳型２内にセットされた消耗電極をアーク放電によって溶解するＶＡＲ装置（Vacuum
Arc Remelting装置）であって、鋳型２と、この鋳型２内にセットされる消耗電極３を取り付ける電極支持体４と、鋳型２内に原料を供給する供給装置５とを備えている。
鋳型２には、当該鋳型２を冷却する冷却装置（図示省略）が備えられると共に、消耗電極３と鋳型２との間で発生したアーク放電（単にアークと呼ぶこともある）が当該鋳型２の内壁全体に行き渡るように、アークを磁場によって回転させるアーク誘導装置（図示省略）が設けられている。また、鋳型２の上部には、真空引きした排気を外部に放出したり、不活性ガスを鋳型２内に供給する開口６が設けられている。

電極支持体４は昇降自在になっていると共に、当該電極支持体４（消耗電極３）と鋳型
２との間に所定の電圧が印加されるようになっている。供給装置５は、例えば、スポンジチタンや再生スクラップ等の原料７（チャージ原料７、又は単に原料７ということもある）を鋳型２内に供給するもので、原料７を貯留するホッパ８と、ホッパ８内の原料７を鋳型２に供給する搬送シュート９とを備えている。この供給装置５により鋳型２内にチャージ原料７を追加装入することを「サイドチャージ」と呼ぶ。

このような真空アーク溶解装置１では、電極支持体４に消耗電極３を取り付け、電極支持体４と鋳型２との間に電圧を印加することにより、消耗電極３と鋳型２との間でアーク放電を発生させてアークによって消耗電極３を溶解するアーク溶解処理（ＶＡＲ溶解という）を行う。
ＶＡＲ溶解では、図２に示すように、アーク誘導装置によって当該アークを消耗電極３を中心として回転させる。また、ＶＡＲ溶解中は、鋳型２内を真空状態又は不活性ガスの雰囲気状態にすると共にサイドチャージを行いながら、消耗電極３やホッパ８から供給された原料７を溶解し、溶解した溶湯を鋳型２の冷却装置によって冷却することにより、チタン鋳塊を製造する。

さて、本発明では、真空アーク溶解装置１によるＶＡＲ溶解を複数回行うことによって、チタン鋳塊を製造する。なお、この実施形態では、２回のＶＡＲ溶解を行うこととしており、２回目のＶＡＲ溶解は、複数回での鋳造における「最終回」に対応している。
図１に示すように、まず、１回目のＶＡＲ溶解（最終回の１つ前）では、不活性ガスの雰囲気下でチャージ原料７を、鋳型２に供給するサイドチャージを行いながら溶解を行う。２回目のＶＡＲ溶解（最終回）では、まず、１回目のＶＡＲ溶解によって製造された１次鋳塊１０を消耗電極３として鋳型２内にセットし、鋳型２内を真空雰囲気下にしてサイドチャージを行わずに溶解を行う。なお、２回目のＶＡＲ溶解では、サイドチャージを行わないが、１回目のＶＡＲ溶解と２回目のＶＡＲ溶解は同じ真空アーク溶解装置１を用いる。

さて、２回目のＶＡＲ溶解（最終回）において、十分にアークが鋳型２の内壁に到達しない場合、アークによって鋳型２の内壁に付着したスプラッシュ未溶解部を溶解することができず、２回目のＶＡＲ溶解後のインゴットの表面には、凸凹やボイド等の欠陥部が存在し、鋳肌不良状態となるため、最終的には、チタン鋳塊の歩留が低下することになる。
そこで、発明者らは、２回目のＶＡＲ溶解（最終回）においてアークが十分に鋳型２に到達して、アーク熱でスプラッシュ未溶解部を溶解させる方法について様々な角度から検証を行った。

その結果、２回目のＶＡＲ溶解時（最終回時）に用いた消耗電極３に含まれるＣｌ量が多い場合、図２に示すように、当該ＶＡＲ溶解時では、アークが鋳型２の内壁を安定して通過しながらアークが鋳型２の内壁に沿って効率よく回転し、アーク熱でスプラッシュ未溶解部を溶解することができることを見出した。即ち、２回目のＶＡＲ溶解（最終回）における消耗電極３や１回目のＶＡＲ溶解（最終回の１つ前）における１次鋳塊１０にＣｌが含有されていると、アークの回転が良くなる傾向があることを見出した。

発明者らは、さらに検証を進め、１次鋳塊１０におけるＣｌ含有量を調査した。具体的には、鋳造中においてアークの回転が良くなるとスプラッシュ未溶解部が減少しチタン鋳塊の歩留も向上させることができると考えられることから、この調査では、１次鋳塊１０のＣｌの含有量と、当該１次鋳塊１０を消耗電極３として用いて２回目のＶＡＲ溶解を行ったときのチタン鋳塊の歩留との関係についてまとめた。

図３は、１次鋳塊のＣｌ量（残存Ｃｌ量）と、歩留との関係をまとめたものである。
図３に示すように、１次鋳塊のＣｌ量（残存Ｃｌ量）が０．０２質量％未満のとき、歩留が９８％と高歩留となるケースがあるものの、歩留にバラツキがあり、歩留が低い場合では９１％となる。一方、１次鋳塊のＣｌ量が０．０２質量％以上になると、歩留を９８％以上とすることができ、高歩留を確実に維持することができる。また、１次鋳塊のＣｌ量が０．０２質量％以上の場合、１００％に近い高い歩留まり達成できることが分かった。

そのため、本発明では、最終回の１つ前、即ち、１回目のＶＡＲ溶解（アーク溶解処理
）後の１次鋳塊１０に、Ｃｌが０．０２質量％以上残存するように、１回目のＶＡＲ溶解時にＣｌを含有する原料７を供給することとした。
具体的には、まず、１回目のＶＡＲ溶解を行う前に、Ｃｌを含有するスポンジチタンや再生スクラップをホッパ８に入れる。そして、１回目のＶＡＲ溶解時には、鋳型２内を不活性ガスの雰囲気にした上で、ホッパ８からＣｌを含有するスポンジチタン及び再生スクラップ（チャージ原料７）をサイドチャージにより鋳型２内に供給しつつアーク放電し、当該チャージ原料７及び消耗電極３を溶解することにより、１次鋳塊１０にＣｌが０．０２質量％以上残存するようにしている。

ここで、Ｃｌを含有するスポンジチタンを鋳型２内に供給するに際し、鋳型２内を真空状態にすることも考えられるが、真空状態でＶＡＲ溶解を実施すると、１次鋳塊中にＣｌが残らないため、本発明では、鋳型２内を真空状態ではなく不活性雰囲気下でＣｌの供給を行うこととしている。
１次鋳塊のＣｌ濃度が０．０２質量％以上にすることによって歩留を向上させることができるが、１次鋳塊のＣｌ濃度が０．１０質量％を超えてしまうと、多くのＣｌが製品中に不純物として残ったり、機械的性質が低下する可能性がある。また、１次鋳塊のＣｌ濃度が０．１０質量％を超えるサイドチャージを行ってしまうと、真空アーク溶解装置１の排気系統の配管が腐食され易くなり、メンテナンスの頻度が増えたり、設備寿命が低下する虞がある。このようなことから、１次鋳塊のＣｌ濃度は０．０２質量％以上０．１０質量％以下にすることが好ましい。

１次鋳塊のＣｌ濃度（残存Ｃｌ量）Ａは、式（１）及び式（２）にて求めることができる。

式（１）に示すように、１次鋳塊の鋳塊体積Ｖ、１次鋳塊の質量Ｗの関係は、１次鋳塊の密度（純チタンの密度ρ_１、スポンジチタンの密度ρ_２）により表すことができる。また、式（２）に示すように、１次鋳塊のＣｌ濃度（残存Ｃｌ濃度）Ａは、１次鋳塊に残存する未溶解スポンジチタンの割合ｘと、チャージ原料７のスポンジチタンに配合されているＣｌ量の配合値（チャージ原料のＣｌ量）Ｂにより表される。このようなことから、１回目のＶＡＲ溶解において、１次鋳塊の鋳塊体積Ｖ、１次鋳塊の質量Ｗ、純チタンの密度ρ_１、スポンジチタンの密度ρ_２、チャージ原料のＣｌ量Ｂを式（１）及び式（２）に適用することにより、１次鋳塊のＣｌ濃度（残存Ｃｌ濃度）Ａを算出することができる。

さて、上述した１回目のＶＡＲ溶解では、式（１）及び式（２）を用いて、１次鋳塊のＣｌ濃度を求めて、求めた１次鋳塊のＣｌ濃度が０．０２質量％以上となるように、サイドチャージを行うこととしているが、チャージ原料７に含まれるＣｌ量と、真空アーク溶解装置１（鋳型２）内にセットした消耗電極３Ａ（１次消耗電極という）に含まれるＣｌ量とのＣｌ含有比を元に１回目のＶＡＲ溶解を行っても良い。

具体的には、チャージ原料７に含有するＣｌ含有量を１次消耗電極に含有するＣｌ含有量で割ったＣｌ含有比［Ｃｌ含有比＝チャージ原料に含有するＣｌ含有量÷１次消耗電極に含有するＣｌ含有量］の値が０．７３以上となるようにする。
図４は、チャージ原料に含有されるＣｌ量（チャージ原料Ｃｌ量）と１次消耗電極に含まれるＣｌ量（電極配合Ｃｌ量）との含有比と、歩留との関係をまとめたものである。
図４に示すように、Ｃｌ含有比が０．７３％未満では歩留の高いものが散見されるもののバラツキが大きい。一方、Ｃｌ含有比を０．７３％以上とすると、歩留を９８％付近の高歩留で安定させることができる。

例えば、チャージ原料７や１次消耗電極３に用いられるスポンジチタンのうち高濃度のＣｌ量が含まれるスポンジチタンは１回目のＶＡＲ溶解におけるチャージ原料７とし、比較的低濃度のＣｌ量が含まれるスポンジチタンは１回目のＶＡＲ溶解における１次消耗電極３Ａとしておく。そのうえで、１回目のＶＡＲ溶解に用いる１次消耗電極３Ａと、チャージ原料７との関係、即ち、Ｃｌ含有比が０．７３以上となるように、１次消耗電極３Ａ及びチャージ原料７の配合量を決め、１回目のＶＡＲ溶解を行う。

なお、Ｃｌ含有比が１０を超えてしまうと、上述したように、多くのＣｌが製品中に不純物として残ったり、機械的性質が低下したり、真空アーク溶解装置１のメンテナンスが増加したり、設備寿命が低下する可能性がある。このようなことから、Ｃｌ含有比が０．７３以上１０以下にすることが好ましい。
さて、スポンジチタンに含有されるＣｌ量が０．０２質量％〜０．１質量％であり、再生スクラップにはＣｌが含有されていないことから、式（３）で求められるＣｌ量以上を含むスポンジチタンを、サイドチャージからのＣｌ供給源とすることが好ましい。

ここで、チャージ原料７中のスポンジチタンの含有比率とは、チャージ原料７に対するスポンジチタンの割合のことで、スポンジチタンの量（質量％）÷チャージ原料の量（質量％）により求めることができる。
例えば、スポンジチタンの含有比率を１００％にする場合（チャージ原料の全てがスポンジチタン）、Ｃｌ含有率が０．０２質量％のスポンジチタンをＣｌ供給源として用いればよい。また、スポンジチタンの含有比率を４０％にする場合（例えば、チャージ原料７のうち再生スクラップが６０％、スポンジチタンが４０％）、Ｃｌ含有率が０．０５質量％のスポンジチタンをＣｌ供給源として用いればよい。

上述したように、この実施形態では、Ｃｌの供給源として、Ｃｌを含有するスポンジチタンを用いているが、Ｃｌの供給源は、Ｃｌを含有するスポンジチタンに限定されない。例えば、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２のうちの１種或いは２種以上を含む原料７を、Ｃｌの供給源としてもよい。
以上、本発明によれば、Ｃｌを含有するスポンジチタンなどの原料７を、最終回の１つ前であるＶＡＲ溶解時（１回目のＶＡＲ溶解時）にサイドチャージにより供給しているため、１回目のＶＡＲ溶解後の１次鋳塊１０には、０．０２質量％以上のＣｌが含有されることになる。特に、サイドチャージ式によってＣｌの供給を行っているため、Ｃｌを含む原料７は鋳塊の外側に位置しながら溶解するため、１次鋳塊１０の表面側にＣｌが存在しやすくなる。

そのうえで、Ｃｌを含む１次鋳塊１０を最終回であるＶＡＲ溶解時（２回目のＶＡＲ溶解）における消耗電極３としているため、消耗電極３（１次鋳塊１０）に含まれるＣｌの作用によって、２回目のＶＡＲ溶解時におけるアーク放電が安定的に鋳型２の内壁を通過することになる。即ち、図２に示すように、２回目のＶＡＲ溶解時において、アークが鋳型２の内壁を効率よく回転して、鋳型２の内壁のスプラッシュ未溶解部を溶解することから、二次鋳塊であるインゴットの鋳肌不良を防止することができる。

なお、上述した実施形態では、１回目のＶＡＲ溶解後の１次鋳塊１０に、Ｃｌが０．０
２質量％以上残存するように１回目のＶＡＲ溶解時にＣｌを供給して、当該Ｃｌを含む１次鋳塊１０を２回目のＶＡＲ溶解に用いる消耗電極３としていたが、これに代え、１回目のＶＡＲ溶解はＣｌを意図的に供給せずに溶解を行い、２回目のＶＡＲ溶解に用いる消耗電極３の表面にＣｌを塗布してもよい。

具体的には、１回目のＶＡＲ溶解では、スポンジチタンや再生スクラップをサイドチャージしながら消耗電極３の溶解を行う。この場合、スポンジチタンは上述した実施形態とは異なり、どのようなものであってもよい。即ち、１回目のＶＡＲ溶解に用いるスポンジチタンには全くＣｌが含有されてなくても、微量のＣｌが含有されていてもよい。
次に、１回目のＶＡＲ溶解が終了すると、当該ＶＡＲ溶解で製造した１次鋳塊１０を２回目のＶＡＲ溶解における消耗電極３として使用することとし、この消耗電極３の表面に、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２のうちの１種或いは２種以上を塗布する。そして、Ｃｌが塗布された消耗電極３を鋳型２内にセットして、鋳型２内を真空状態にしながら２回目のＶＡＲ溶解を行う。

図５は、２回目のＶＡＲ溶解に用いる消耗電極の表面にＭｇＣｌ_２を塗布してＶＡＲ溶解を行ったときの歩留と、チャージ数との関係を示したものである。
図５に示すように、消耗電極３の表面にＭｇＣｌ_２を塗布しないで２回目のＶＡＲ溶解を行った場合、歩留は９３〜９９％未満でバラツキが大きく、特に、全チャージ数に対する９８％以上歩留のチャージ数は３０％以下であった。一方、消耗電極３の表面にＭｇＣｌ_２を塗布塗布して２回目のＶＡＲ溶解を行った場合、歩留が９８％以上となるチャージが最も多く、消耗電極３の表面にＭｇＣｌ_２を塗布しない場合に比べて非常に歩留を向上させることができた。なお、ＭｇＣｌ_２以外のＬｉＣｌ、ＮａＣｌを２回目のＶＡＲ溶解に用いる消耗電極３の表面に塗布しても同様の効果を得ることができる。

以上述べた如く、チタンを含有する消耗電極と鋳型との間にアークを発生させて消耗電極を溶解するアーク溶解処理を複数回行うことによってチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法においては、最終回であるＶＡＲ溶解（２回目のアーク溶解処理）の消耗電極の表面にＣｌを塗布することによって所定量のＣｌが存在するようにしている。そのため、最終回のＶＡＲ溶解では、アークの発生の回転が促進されることから、鋳造後の鋳肌不良を防止することができる。

なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ 真空アーク溶解装置
２ 鋳型
３ 消耗電極
４ 電極支持体
５ 供給装置
６ 開口
７ 原料（チャージ原料）
８ ホッパ
９ 搬送シュート
１０ チャージ原料

Claims (4)

1. チタンを含有する消耗電極と鋳型との間にアークを発生させて前記消耗電極を溶解するアーク溶解処理を２回行うことによってチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法において、
   １回目のアーク溶解処理後の１次鋳塊にＣｌが０．０２質量％以上残存するように、１回目のアーク溶解処理時にＣｌを含有する原料をサイドチャージにより供給することを特徴とするチタン鋳塊の製造方法。
2. （前記サイドチャージにより供給する原料に含有するＣｌ含有量）÷（消耗電極に含有するＣｌ含有量）で算出されるＣｌ含有比を０．７３以上としていることを特徴とする請求項１に記載のチタン鋳塊の製造方法。
3. 次式で求められるＣｌ量を含むスポンジチタンを、Ｃｌを供給するための前記原料としてサイドチャージにより供給することを特徴とする請求項２に記載のチタン鋳塊の製造方法。
   
4. 前記サイドチャージにより供給する原料は、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２のうちの１種或いは２種以上を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタン鋳塊の製造方法。