JP7406073B2 - チタン鋳塊の製造方法 - Google Patents
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Description
鋳込み時に、上部に溶融部を、下部に凝固部(凝固シェル)を備える半鋳塊の下部を鉛直下方に移動させ、その後、半鋳塊の下部を鉛直上方に移動させることにより、均一な凝固シェルの形成が可能となる。これは、凝固シェルに作用している静圧に逆らって、凝固シェルを上昇させるため、静圧よりも大きな圧力が凝固シェル、特に湯面下近傍の厚みの薄い凝固シェルに作用することになる。そして、その凝固シェルは、鋳型内壁に押し付けられるので、凝固シェルの変形が解消されて、表面性状の良好な鋳塊となると考えられる。よって、局所的に引張応力や圧縮応力が負荷されることがなくなって、表面品質が優れたチタン鋳塊が得られやすい。
上部に溶融部を、下部に凝固部を備える半鋳塊の下部を鉛直下方に、100~2000mm/時の平均速度で、1~20mm移動させ、その移動を停止する第1の工程、
前記半鋳塊の下部を、鉛直上方に0.05d~0.80d(ただし、d:前記第1の工程における鉛直下方の移動距離)移動させ、その移動を停止する第2の工程、を備え、
前記第1の工程および前記第2の工程を複数回行う、チタン鋳塊の製造方法。
前記半鋳塊の下部を前記鋳型の軸周りに一方向に正回転させ、その回転を停止する第3の工程、および
前記半鋳塊の下部を前記鋳型の軸周りに、前記一方向とは逆方向に0.05θ~0.80θ(ただし、θ:前記正回転の回転角度)の回転角度で逆回転させ、その回転を停止する第4の工程を実施する、前記(1)のチタン鋳塊の製造方法。
前記(2)のチタン鋳塊の製造方法。
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。
図2に示すように、本実施形態に係るチタン鋳塊の製造方法においては、鋳型6内の溶湯を冷却して、上部に溶融部を、下部に凝固部を備える半鋳塊(図示省略)とし、その下部を鉛直下方に引抜くことにより、チタン鋳塊0を連続的に製造するものである。図2(a)に示すように、支持台13を鉛直下方に移動させることにより、チタン鋳塊0を鉛直下方に所定距離(d)移動させて、半鋳塊(図示省略)の下部を鉛直下方に移動させ、その移動を停止する(引抜工程)。続いて、図2(b)に示すように、支持台13を鉛直上方に移動させることにより、チタン鋳塊0を鉛直上方に所定距離(0.05d~0.80d)移動させて、半鋳塊(図示省略)の下部を鉛直上方に移動させ、その移動を停止する(押込工程)。この作業を複数回行う。すなわち、図2(c)に示すように、支持台13を鉛直下方に移動させることにより、引抜工程を実施し、続いて、図2(d)に示すように、支持台13を鉛直上方に移動させることにより、押込工程を実施する。
この工程において、鋳塊の引抜きは、間欠的に行われるため平均引抜速度で評価され、平均引抜速度は引抜いている時間と停止している時間の合計で引抜き長さを割った値で求められる。平均引抜速度は、100~2000mm/時であることが望ましい。平均引抜速度が、100mm/時未満であると、引抜き中に鋳型内の湯面の温度が低下して湯面が凝固してしまう可能性がある。これを防止するために、湯面に電子ビームあるいはプラズマを照射すると、純チタンの場合はチタンが蒸発し、チタン合金の場合は、チタンのほかにアルミニウムなどの合金成分が蒸発して、その蒸発量が多くなるため真空チャンバー内に多量の蒸着物が付着し、操業上のトラブルを引き起こす場合がある。平均引抜速度が2000mm/時を超えると、鋳型内の湯面直下で形成される凝固シェルの成長が十分でなくなり、鋳塊を引抜いた際にブレークアウトを発生させてしまうおそれがある。このため、平均引抜速度は100~2000mm/時とすることが望ましい。
上記(1)の工程の後に、正回転工程を実施してもよい。この工程は、上記第1の工程で得られた半鋳塊の下部を鋳型の軸周りに一方向に正回転させ、その回転を停止する工程である。この工程により、溶融プール深さを回転対称とし、均一な凝固シェルを形成しやすくする。
上記第1の工程の後に、上記第3の工程を実施し、さらに逆回転工程を実施してもよい。この工程は、上記第3の工程で得られた半鋳塊の下部を鋳型の軸周りに、上記第3の工程の正回転とは逆方向に、0.05θ~0.80θ(ただし、θ:正回転の回転角度)の回転角度で逆回転させ、その回転を停止する工程である。上記第3の工程にこの工程を追加することにより、溶融プール深さの回転対称性は高まり、その結果、鋳塊表面の皺が著しく軽減される。
この工程は、上記第1の工程で得られた半鋳塊の下部を、0.05d~0.80d(ただし、d:前記第1の工程における鉛直下方の移動距離)鉛直上方に移動させ、その移動を停止する工程である。この工程により、前工程で成長した凝固シェルが押し上げられ、その後に成長した凝固シェルと一体化し、湯面の下方で形成された凝固シェルの厚みを増大させることができる。これにより、凝固シェルの強度を上昇させることができる。また、この工程により、凝固シェルに作用している静圧に逆らって、凝固シェルを上昇させるため、静圧よりも大きな圧力が凝固シェル、特に湯面下近傍の厚みの薄い凝固シェルに作用することになる。そして、その凝固シェルは、鋳型内壁に押し付けられるので、凝固シェルの変形が解消されて、表面性状の良好な鋳塊となる。
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。
(1)溶解および鋳造条件
本発明の効果を確認するため、図1に示す製造装置1(鋳型6は円環形)を用いて、以下に示す試験を実施してその結果を評価した。
(1-1)溶湯成分:Ti-6.4%Al-4.2%V
(1-2)溶湯温度:1700℃(精錬ハース5内の溶湯温度)
(1-3)鋳型6の内径:650mm
(1-4)溶解量:8000kg
(1-5)溶解速度:800kg/時
(1-6)照射方法:電子ビーム
(1-7)ハース:以下の2種類(溶解ハース4および精錬ハース5)
(i)溶解ハース4
溶解ハース4は、原料7を電子ビームで溶解し、この溶湯を溜め、精錬ハース5に供給するためのハースである。寸法は、幅500mm×長1500mm×深100mmである。
(ii)精錬ハース5
精錬ハース5は、溶解ハース4からの溶湯を一旦溜めて、鋳型6に供給するためのハースである。寸法は、幅500mm×長1000mm×深150mmである。
(1-8)溶解ハース4および精錬ハース5の連結角度:直角
(1-9)溶解原料7: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
(1-10)溶解原料7の溶解方法:溶解原料7を溶解速度に合わせて連続供給するか、または、溶解原料7を1000kgずつ8回に分けて溶解ハース4内に一括添加する。
(1-11)電子ビーム照射手段:原料7の溶解用照射手段3を2基、溶解ハース4用照射手段9を2基、精錬ハース5用照射手段9を2基、鋳型6用照射手段(図示省略)を1基の合計7基を用意した。
(1-12)移動制御装置(図示省略)
移動制御装置は、支持台13の鉛直方向の移動を制御する機構を備え、さらに、シャフト14の軸周りの回転(正回転、逆回転)を制御する機構(サーボモータ)を備えている。移動および回転は、支持台13に形成したダミーブロック(図示省略)を介して行う。
鋳塊の引抜条件、回転条件および押込条件を種々変更して、各工程を鋳造開始から終了までの間、継続して行って、半連続鋳造を行い、鋳塊の表面性状の向上について検討した。
Claims (2)
- 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得た溶湯をハースに供給し、前記溶湯の一部を冷却凝固して分離しつつ、残部の溶湯を円環形の鋳型に供給し、前記鋳型内の溶湯を冷却しながら鉛直下方に引抜くことにより、工業用純チタンまたはチタン合金からなるチタン鋳塊を製造する方法であって、
上部に溶融部を、下部に凝固部を備える半鋳塊の下部を、100~2000mm/時の平均速度で、鉛直下方に1~20mm移動させ、その移動を停止する第1の工程、
前記半鋳塊の下部を、鉛直上方に0.05d~0.80d(ただし、d:前記第1の工程における鉛直下方の移動距離)移動させ、その移動を停止する第2の工程、を備え、
前記第1の工程および前記第2の工程を複数回行い、
前記第1の工程後、前記第2の工程前に、
前記半鋳塊の下部を前記鋳型の軸周りに一方向に正回転させ、その回転を停止する第3の工程、および
前記半鋳塊の下部を前記鋳型の軸周りに、前記一方向とは逆方向に0.05θ~0.80θ(ただし、θ:前記正回転の回転角度)の回転角度で逆回転させ、その回転を停止する第4の工程を実施する、チタン鋳塊の製造方法。 - 前記正回転または前記逆回転の回転速度は、1~120回/時である、
請求項1に記載のチタン鋳塊の製造方法。
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