JPH01184239A - 高融点金属を含むチタン合金消耗電極 - 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】

この発明はタンタル、モリブデン、バナジウム等の高融
点で難溶性の元素を含むチタン合金をＭＡＲ（真空アー
ク溶解炉）、ＦＢ（エレクトロンビーム類）といった消
耗電極式の溶解炉で溶製する際のチタン合金のコンパク
トからなる消耗電極に関する。 ［従来の技術］ 一般にチタン合金のコンパクトからなる消耗電極は、チ
ャンバー内で溶解されると同時に、その下方に配した水
冷銅鋳型内に集積し下方から順次凝固し、最終的にチタ
ン合金鋳塊となる。しかし、タンタル、モリブデン、タ
ングステンのようにチタンより密度がかなり大きく融点
の高い元素は、消耗電極の溶解から銅鋳型での凝固に至
る間で十分に溶融されないまま溶は残りとなって鋳塊に
残存することがしばしば起る。チタン合金の鋳塊はプロ
セス上さらに二次、三次と溶解して偏析を防止するのが
一般的であるが、−次の鋳塊でこのような溶は残りを生
じると二次、三次の鋳塊においても解消されない場合が
多く、ひいては成品上ハイデンシティインクルージヨン
（高密度介在物）として問題となる。 このような問題に対処するため、従来より種々の手法が
実施されている。 一般的には■添加元素を含む低融点化した母合金を純成
分の代りに配合する方法、■スポンジチタンと合金添加
元素の粉末状のものを混合してコンパクトを作製する方
法等がある。■の方法としては、例えば８０〜４００メ
ツシユの添加元素の粉末体とチタンスポンジを均一に混
合して合金溶製用消耗電極を作製するする方法が知られ
ている（特公昭４Ｂ−１７４１３号公報〉。 ［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の方法には以下に示すような問題があった
。 従来の方法において、母合金を用いようとすると、β型
合金のように高融点元素を多量に含む場合、従来のよう
な市販のＭｌ　−Ｍｏ母合金等の利用が不可能となる。 また、特別にこれらの合金に適合するように母合金を作
製するには多大な工数と費用を要し、したがって添加元
素の純成分での配合を行なう方法が有利である。 また、純成分の配合方法としては、前記■に示すように
添加元素の金属粉末とスポンジチタンの混合による方法
が有効であると考えられるが、−般に純金属の粉末体は
粒度が小さくなるほど高価で、しかも酸素等の不純物が
混入し易くなる。−方、添加元素の配合量が多くなれば
、低濃度の合金系では比較的大きな粒径のものでも溶融
できたものが溶は残りを生じることがしばしば起る。ま
た、８０〜４００メツシユと一律に添加元素の粒度を決
めた場合、添加元素によっては溶は残りを生じることが
ある。 この発明は従来の前記課題を解決するためになされたも
ので、チタン合金の消耗電極を構成するチタンコンパク
トへの高融点成分元素を溶は残りが生じることがないよ
うに配合したチタン合金消耗電極を提案せんとするもの
である。 ［課題を解決するための手段］ この発明は添加元素の種類、濃度によってそれぞれ溶は
残りなく溶解できる最大の粒径を求め、これを配合する
のが最も効果的であるとの知見に基づいて、高融点添加
元素の純成分の粉末体の最大粒径を下記（１）式で求ま
る値以下とすることを特徴とするものである。 ｄ：添加元素の金属粉末の最大粒径（証）ρＡ：添加元
素の密度（ｇ禰） ρ。：チタンの密度（ｇ着） Ｃ父：鋳塊の合金成分の目標濃度（ｗｔ％）ベニチタン
と合金成分よりなる三元素系合金において液相線温度が
２０００’Ｃとなる合金成分の濃度（ｗｔ％） ＤＡ　：　２０００’Ｃのチタン溶湯中での合金成分の
拡散係数（ｃ＋Ｊ／５ｅｃ） Ｋ　：溶解炉により定まる係数 ＝　５− なお、（１）式の導出根拠は次のとおりである。 Ｔｉ溶湯と添加元素金属粒子の境界層において、■、と
添加元素の相互拡散量を添加元素の物質移動として求め
、これを添加元素粒子の溶解量に等しいとし、添加元素
金属粉末の粒子径をｄＡとあくと（２）式の関係が成り
立つ。 ρ、　ｄ（Ｔ″ｄＡ）＝−α、司（ＣＡ　ＣＡ）・・・
・・・（２）ｔ ここで、Ｔｉ中の添加元素の拡散係数をＤＡとすると理
論上、シャーウッド数ｓｈは（３）式で与えられる。 α°ｄＡ ３ｈ＝　−＝　２．０　　　　　　　　・・・・・・・
・・（３）ＤＡ （２）、　（３）式より粒子径の時間的変化は（４）式
で求まる。 ｄＡ　＝　ｄｈ、ｉ　　８Ｄ＊（Ｃ’：　ｃ父）　・ｉ
　・ρｏ／ｐ、　−（４１ｄＡ・１：初期粒子径 ｄｏ　：を時間後の粒子径 ｄＡ＝　０　で完全溶融であり、その時の時間をｔｅと
すると ｄＡ、１−８ＤＡ（ｃｚ−ｃ（Ａ）、ｔｅ、ρＯ／ρＡ
　　・・・＝・（５１（５）式において、８ｔｅ＝にと
おき、ｄｌ、Ａ＝ｄと書き変えると（１）式となる。

【作　　用】

高融点添加元素の最大粒径を求めるのに前記（１）式を
用いたのは、チタン溶湯内における添加元素の拡散によ
る理論的なモデルを背景として、合金添加元素の種類、
粒度、配合量を種々変えて実験を繰返した結果、鋳塊に
おいて溶は残りを生ずることなく添加できる高融点金属
粉末の最大粒径はこの（１）式に集約されることが判明
したことによる。 高融点添加元素の違いは、チタンと添加元素の密度の比
（ρ０／ρｐ、　）　、２０００’ＣのＴ、溶湯内の添
加元素の拡散係数ＤＡＮチタンと合金成分よりなる三元
素系金属において液相線温度が２０００’Ｃとなる合金
成分の濃度Ｃスに集約され、鋳塊の合金成分の目標濃度
Ｃスとの差として意味を持つことが判明した。ここで、
＝Ｔｉの溶湯温度を２０００’Ｃとしたのは溶解中の測
温結果に基づくもので、アークによる過熱でＴＬの融点
よりも高くなっていると考えられる。 この（１）式において、添加元素の密度が大きく、拡散
係数が小さな元素はど溶は残りを生じないように配合す
るには、粒径を小さくとる必要がある。 また、添加元素が同じでも配合量が多くなればなる程、
溶は残りなく溶解できる最大粒径は小さくなる。一般に
難溶性と言われている元素（モリブデン、タンタル等）
はど密度は大きく、拡散係数は小さくなり、かっ２００
０’Ｃで融点となるような三元素系合金の濃度は低くな
るため、（１）式より求まる添加し得る最大の粒径は小
さくなることになる。 したがって、高融点添加元素の最大粒径を（１）式で求
まる値以下とすれば、その添加元素の溶は残りを生ずる
ことなくチタン合金の鋳塊を溶製できることになる。も
し、（１）式で求まる値を超える粒径のものを配合した
場合、それらの添加元素は鋳塊内に未溶融のまま残存す
ることとなる。 また、係数には合金添加元素によらない係数で必り、Ｖ
ＡＲ炉の場合３．６Ｘ１０８を用いるのが適切であり、
これより大きな値を用いると（１）式で求まる最大粒径
が大きくなり、この値に基づいて元素の添加を行なうと
溶は残りを生ずる。他方、この値より小さい値を用いた
場合、溶は残りの問題は生じないが、コストおよび純度
の面で不利となる。 なお、ＣＡはＴＬと合金成分の三元素系の状態図より知
ることが可能であり、ＤＡはモリブデンでは２．１３　
Ｘ１Ｏ−１ｌｌ（ａｊ／５ｅｃ）　、タンタルでは１．
１４　Ｘ１０−’　　（ｃａｒ／５ｅｃ）を用いるのが
適切である。 第１図（Ａ＞はチタン合金コンパクト、同図（Ｂ）はＶ
ＡＲ用−次電極を示し、（１）はチタンスポンジと添加
元素を混合した圧縮成形体からなるコンパクト、（２）
はこのコンパクト（１）を溶接により連結した一次電極
本体、（３）は−次電極のスタブ、（４）は溶解電源と
の接続部をそれぞれ示す。

【実　施　例】

Ｔａを５ｗｔ％、　Ｍｏを５ｗｔ％含むチタン合金と、
Ｔａを−〇　− ５ｗｔ％、　Ｍｏを２０ｗｔ％含むチタン合金をそれぞ
れ溶解電圧３０Ｖ　、溶解電流５ＫＡのＶＡＲ溶解炉に
よって溶製した。 本実施例では、チタンスポンジと前記添加元素の粉末を
均一混合し、第１図に示すような一次電極を作製し、溶
解を行なった。 チタン合金コンパクトを作製する際のスポンジチタンは
いずれも市販のもので、粒度１／２インチ〜２００メツ
シュのものを使用した。一方、添加元素の粒度は本発明
の（１）式から第１表に示すように添加し得る最大粒径
を求め、この最大粒径より小さな粒径のものを選定して
用いた。すなわち、Ｔａは７１〜６０．ｃ（ｍ、　Ｍｏ
は５ｗｔ％のものは１１３〜１０５１１１Ｔ１１同じ（
２０ｗｔ％のものは８８〜６０〃ｍのものを使用した。 また、比較例として、Ｔａ　１１０１１ｍ以下、出は５
ｗｔ％のものは１７７〜３７１１ｍ　１同じ＜２０ｗｔ
％のものは１１３〜１０５μｍのものを用いてコンパク
トを作製し、溶解を行なった。 ＶＡＲ溶解によって得られた鋳塊は中央部で縦に切断し
研摩した後、顕微鏡観察により溶は残りの有無を判定し
た。その結果を第２表に示す。 第２表より明らかなごとく、本発明の消耗電極はいずれ
も溶は残りが全く生じなかったのに対し、比較例はいず
れも溶は残りを生じた。 すなわち、比は５ｗｔ％の場合１１３．以下とすれば問
題なく、Ｔａは５ｗｔ％の場合７１μｍ以下でよいこと
がわかる。また、Ｍｏは１１３．以下で溶解できている
のに対し、比較例のＴａは１１０μｍ以下で溶は残りを
生じており、元素によって粒径を変える必要があること
がわかる。また、同じ元素でもＭｏの例のように濃度が
５ｗｔ％の場合は１１３ｍ以下で問題なかったものが２
０ｗｔ％では溶は残りを生じることから、粒径は８８μ
ｍにする必要があることが明らかで必る。 第　　１　　表 第　　２　　表 ［発明の効果］ 以上の説明から明らかなごとく、この発明の高融点金属
を含むチタン合金消耗電極は、添加元素の溶は残りを生
じることなく鋳塊を製造することができる効果を有する
。また、添加し得る最大の粒径が決まれば、安全を考慮
して極微粉のものを選定する必要もないので、経済的に
も無駄を生じなくて済む効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明におけるチタン合金コンパクト
を示す概略図、同図（Ｂ）は同じ＜ＶＡＲ用−次電極を
示す概略図である。 １・・・コンパクト　　　　　２・・・−次電極本体３
・・・−次電極のスタブ　　４・・・溶解電源接続部出
願人　　住友金属工業株式会社 （Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高融点金属を含有するチタン合金溶製用消耗電極で
   あって、高融点添加元素の金属粉末の粒径を下記（１）
   式で求まる値以下とすることを特徴とする高融点金属を
   含むチタン合金消耗電極。 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・・・・・・・
   （１） ｄ：添加元素の金属粉末の最大粒径（μｍ）ρ＿Ａ：添
   加元素の密度（ｇ／ｃｍ＾３） ρ＿Ｏ：チタンの密度（ｇ／ｃｍ＾３） Ｃ＾Ｏ＿Ａ：鋳塊の合金成分の目標濃度（ｗｔ％）Ｃ＾
   ※＿Ａ：チタンと合金成分よりなる二元素系合金におい
   て液相線温度が２０００℃となる 合金成分の濃度（ｗｔ％） Ｄ＿Ａ：２０００℃のチタン溶湯中での合金成分の拡散
   係数（ｃｍ＾２／ｓｅｃ） Ｋ：溶解炉により定まる係数