JPH02236232A - チタン及びチタン合金の溶解、鋳造方法 - 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〕 この発明は、チタンやチタン合金のインゴットを溶製す
るための溶解、鋳造方法に関する。

〔従来の技術］ チタンやチタン合金の溶解、鋳造に用いられている従来
法の概略とその特徴を下記する。

（１）消耗電極式真空アーク炉（　ＶＡＲ）《概略》；
予めスポンジチタン、チタンスクラップ、合金成分等か
らなる原料をプレス工程でプレスしてコンパクトと称す
る圧着成型物となし、その多数個を次の溶接工程で溶接
トーチによりつなぎ合わせて棒状の電極を作り、これを
用いて溶解を行う。次に、この電極を一次アーク炉にお
ける電極としてこれと鋳型との間にアークを発生させ、
そのアーク熱により電極を溶解して鋳型に鋳込み、イン
ゴットとする．次いで、このインゴットを二次真空アー
ク炉における電掻としてこの１ｉｌｔ極を同様にアーク
熱により溶解し、鋳型に鋳込んで完成されたインゴット
を得る． 《特徴》；溶解に先立ってコンパクト成型、ｔ掻の組立
て等の工程が必要であり、スクラップの使用割合が制限
される。又、一次溶解のみでは不純物の除去が不十分で
あるとともに、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回の溶解が必要であり、工程
が煩雑化してコスト高となる。

（２）プラズマ・アーク溶解炉（特公昭４９−１２６５
２５・同５３−３９２０２） 《概略》；常圧または加圧状態の不活性ガス雰囲気下で
プラズマアーク加熱により水冷鋼鋳型内に、チタン及び
チタン合金の溶湯プールを造る．その溶湯プールを水冷
鋼鋳型に流し入れて、冷却、凝固しながら鋳型下部より
引抜く一方で上部より溶湯プール内へ原料を投入するこ
とにより、プールを一定に保持しながらインゴットを連
続して製造する． 《特徴》；溶解に先立つコンパクト成型、電極の組立等
の工程が不要なことに加えてスクラップの使用割合も大
きくなる。反面、溶融→凝固時間が短く、不純物の除去
が不十分であるとともに、合金成分がインゴット内で均
一に分布しない．この為、ほとんどの場合、νＡＲ等と
の組み合せによる２回溶解を必要とし、工程が煩雑化し
てコストが上昇する．また、非消耗電極として用いられ
るＷ等による汚染が避けられない． （３）電子ビーム溶解炉（特公昭６１−２７０３．１３
、特公昭６３−１６５０４７、特公昭６２−７７４２７
）《概略）　ｉ　１０−”〜１０−’ｔｏｒｒの高真空
下で水冷鋼ハース及び水冷鋼鋳型内の原料に電子ビーム
を照射し、これを溶解し、溶湯プールを形成する．原料
は上部原料投入ホッパーよりまずハース内に連続的に投
入され、溶融した溶湯も連続的に鋳型内に注入される。

鋳型内では溶湯プールを一定に保持しながらインゴット
を連続して製造する。

《特徴》；溶接に先立つコンパクト成型、電極の組立等
の工程が不要であり、スクラップの使用割合も大きくな
る．また、溶融→凝固時間が十分長くとれ不純物の除去
効果がある。しかしながら、高真空下で溶解を行うため
薫発による歩留低下があるほか、特に合金成分の添加は
不可能である。

さらに、高真空発生設備及び電子ビーム発生装置が必要
なため、設備費等が膨大になる．（４）　　インダクト
スラグ溶解（　Ｔｒａｎｓ．　Ｖａｃｕｕｍ　Ｖａｃｕ
ｕｍ　　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　　Ａ．Ｖ．Ｓ　　Ｐ６７５〜６９４＋１９《概略》
　；円周上にスリットを設けて各々を絶縁した構造の水
冷鋼るつぼを使用し、誘導加熱コイルをるつぼの上部に
設置して原料を加熱溶解する．溶解は不活性ガス雰囲気
中で実施し、溶湯とるつぼとの短絡を防止するためにＣ
．Ｆ．系フラックスを使用する。溶融した溶湯は上部よ
り原料を投入しつつ、下部に引き下げることによって連
続的にインゴットを製造する． 《特徴》；溶解に先立つコンパクト成型、電極の組立等
の工程が不要でスクラνプの使用割合も大きい．また、
溶融→凝固時間が十分長くとれるため不純物の除去効果
がある．また、誘導電流による攪拌効果により合金成分
がインゴット内で均一に分布し、偏析等がない。しかし
ながら、水冷鋼るつぼの使用により冷却しながらの加熱
になるため加熱効率が悪い．また、溶融フラックスの使
用により溶湯表面の観察が不能となるため、冷却、凝固
の制御が困難である。さらに、溶融フランクスの巻き込
み等の為にインゴット中の介在物が多い． （５）石灰質耐火物るつぼによる誘導加熱溶解（特公昭
５８−１３３３３８　） 《概略》；内面に主として石灰質耐火物の内張りを存し
た誘導加熱溶解炉を用い、真空またはアルゴン雰囲気中
で溶解し、炉を傾動することによって溶湯を鋳型内に鋳
込み、インゴットを製造する。

《特徴》；溶解に先立つコンパクト成型、電極の組立等
の工程が不要であり、スクラップの使用割合も大きい．
また、溶融→凝固時間が十分長くとれ、不純物の除去効
果がある。さらにまた、誘導電流による攪拌効果により
合金成分がインゴット内で均一に分布し、偏析等がない
．しかしながら大型のインゴットを得るためには、設備
が大型化し、設備費が大幅に増加する．又、バッチ処理
であるため生産性が悪く、加えて、石灰質耐火物は熱衝
撃に弱いことから出湯後に冷却によって破損しやすいな
ど、ランニングコストも高くつく。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来法のうち、（３）、（４）、（５）の方法
は、原料の加工工程を必要とせず、不純物の除去効果も
あるため、（１）、（２）の方法よりも有利である．ま
た、この３つの方法の中でも（５）の方法は、（３）の
方法に見られる高真空に起因した歩留低下、合金成分の
添加規制、（４）の方法に見られる加熱効率の悪化、冷
却、凝固の制御性悪化、インゴットへの介在物混入が無
く更に有利である。しかしながら、この（５）の方法は
、前述した通り、設備費増、生産性低下、耐火物の取替
え等に起因するランニングコスト増の問題を有している
． そこで、この発明は、誘導加熱溶解の特長を活かしなが
ら不純物除去効果等をより一層向上させ、なおかつ、（
５）の方法の欠点も無《したチタン及びチタン合金の溶
解、鋳造法を提供しようとするものである． （課題を解決するための手段） この発明の方法では、誘導加熱溶解炉としてＣ．Ｏ系、
ｃ．Ｆ．系、Ｙｔｏｓ系耐火物の１種又は２種以上の組
合せ材料で内張りしたものを用いる．そして、その炉の
チャンバ内を真空排気後不活性ガスで充填し、しかる後
、原料の溶解を開始すると共に溶解中は不活性ガス導入
と真空排気の併用によりチャンバ内圧力をｌ　ｔｏｒｒ
〜大気圧に維持し、さらに、原料の溶解が充分に進んだ
ら、所要の撹拌力を生じさせた溶湯ブールをチャンバに
通じる水冷鋼モールド内に流し入れ、このモールド内で
引抜き速度等の制御により一定形状を保持しつ〜冷却、
凝固させてチタン或いはチタン合金のインゴットを連続
的に製造する。

なお、かーる方法において、インゴットを所定速度で回
転させながら水冷鋼モールドから引抜くことは極めて存
意義なことである。

（作用） チタン或いはチタン合金の溶湯に対して安定なＣ．Ｏ、
Ｃ．Ｆ！、ｙｔ　Ｏゴ系耐火物で炉を内張リすると、内
張り材による溶湯の汚染が防止され、インゴット中の不
純物が減少する． また、真空排気と不活性ガス導入を平行させて溶解中に
チャンバ内の不活性ガス雰囲気を１　ｔｏｒｒ〜大気圧
に保つと、溶解雰囲気中の酸素分圧が充分に低く抑えら
れて溶湯の酸化汚染が防止され、なおかつ、排気が同時
進行するため、脱ガスが促進され、不純物残留量がより
少なくなる．加えて、かーる範囲の圧力であれば真空源
等の設備も小型のもので済み、また、金属の蒸発が生じ
ないため、歩留低下や合金成分の添加規制の問題も起こ
らない。

さらに、溶湯プールを一定形状に保持しながら攪拌する
と、脱ガス等の不純物除去、合金成分の均一分散が充分
に行われる。また、熔湯プールは、るつぼに通じた水冷
鋼モールドに連続的に鋳込むため、鋳込み時の酸化汚染
もなく、生産性も向上する． （実施例） 第１図に、この発明の方法に用いる誘導加熱溶解炉の一
例を示す． 図の１はＣ．Ｏ系、Ｃ−Ｆｉ系、Ｙ！０，系の耐火内張
り材で形成されたるつぼ、２は１に取付けた誘導加熱用
コイル、３は１によって保持されつ＼２によって加熱攪
拌されるチタンやチタン合金の溶湯、４はチャンバ、５
は原料投入用ホッパ、６は放射温度計、７は監視用テレ
ビカメラ、８は真空ポンプ、９は１の下部に連なる水冷
鋼モールド、１０はチタン又はチタン合金製のダミーイ
ンゴット、１１は１０と一体の引抜き棒、１２はガス導
入口、１３は９に埋設した熱電対、１４は１３からの測
温データを信号化する信号変換器、１５は１４からのフ
ィードバック信号を基に引抜きロール１６の駆動速度を
制１′ｎする引抜き制御装置である． この例示の溶解炉を用いてチタン及びチタン合金のイン
ゴットを製造する場合の一例を下記する。

先ず、溶解開始前に、真空ボンプ８でチャンバ４内を真
空引きし、その後１２から不活性ガス、例えばＡ，ガス
を導入してこのガス圧を一気圧（　７６０ｔｏｒｒ）に
保つ。また、るつぼ１の出口はＳ内にダミーインゴット
１０を挿入して塞いでおく．次に、コイル２に通電して
るつぼ内の原料を溶解し、溶解中は８による真空引きと
１２からのＡ，ガス注入を平行させてチャンバ内雰囲気
をｌ　ｔｏｒｒ〜大気圧に保持する．これにより、溶解
雰囲気の酸素分圧Ｐ０は１０”’ａｔｎとなり、酸化汚
染が防止されると共に排気による脱ガスが進む．この後
、誘導加熱により原料が充分に溶けたことをテレビカメ
ラ７等で確認し、さらに、溶湯温度が溶製しようとする
チタン合金の液相温度直上＋５０゜Ｃに達したことを放
射温度計６で確認したら、ダミーインゴット１０の引抜
きを開始する．例示の方法では、このとき、１０を所定
の回転角速度ω（θ／ｓｉｎ）で回転させながら所定速
度Ｖ（ｃｍ／　ｗｉｎ）で引抜きを行う． この操作により、溶湯３はるつぼに連なる水冷鋼モール
ドＳ内に流入し、これを通過する間に冷却されて凝固す
る．なお、溶湯ブールには、そのプールの形状保持のた
めに溶湯の引抜き量に見台う原料をホッパ５から連続的
に投入する。

ここで、溶湯プールの形成については、るつぼ１の内半
径ａ（ｃｍ）、コイル２の内径ｂ（ａｍ）、コイル高さ
ｌ（ｃｍ）に対して、最適な誘導加熱電源の周波数ｆ　
（Ｈｚ）を選定しなければならない。

つまり、誘導炉に投入される原料を効率よく溶解、加熱
する為には、又合金成分を全体にまんべんな《分散させ
る為にはある程度の撹拌力が必要となってくる．その撹
拌力Ｆと溶湯の発生電力Ｐは次式によって表わされる． ρｆ　　πｂｌ 発生電力Ｐ＝４ｔｔＨ．”ａ　　ｐｒｐ×ＩＯ−ｑ−Ｆ
−−−−＜２）この式から判るように、周波数ｆが高い
と、溶湯の発生電力は増加するがＰｊＩ．拌力は減少し
、ｆが低いと逆の現象が生じる．そこで、チタンの場合
、最適周波数として、ａ　＝　３　〜ｌｏｃｍ，　ｂ　
＝　８　〜３０ｃ＋ｗ、１　＝１５　〜４０ｃｍの場合
、ｆは３０００〜２００００ｔｌｚを選択する。

また、溶湯の冷却、凝固制御については、水冷鋼モール
ド９からのインゴットの引抜き速度とこれを制御するた
めの温度測定が重要になる．第４図は、インゴットを回
転させずに引抜いた場合と回転させつ一引抜いた場合の
水冷鋼モールド内における測温値のバラツキを示したも
ので、回転させた場合、測定値のバラツキが少なく凝固
状態が安定している． そこで、例示の方法においては、冷却、凝固の安定化、
制御の容易化のために、縦方向及び水平方向に分割され
たブロック型の水冷鋼モールドを使用してブロック毎に
モールド内面部の同位置に熱電対１３を埋設しておき、
インゴットを下方に引抜く時にロール１６の公転により
回転させながら各熱電対で連続測温を実施するようにし
ている．？のようにして得られる誤差の少ない測定値を
バラメータとして引抜き速度を制御すると、溶湯ブール
を一定形状に安定に保持できる。なお、この場合、回転
速度が速過ぎるとモールドとの摩擦等によりインゴット
の表面鋳肌が荒れる．このため、最適回転角速度ωをる
つぼサイズや引抜き速度■等と照らして決定しなければ
ならない。

第５図は、ａ　＝　５　ｃｍ，　ｂ　＝１５ｃｍ、！＝
２５ｃｍの炉においての溶解、鋳造可能範囲を、実施デ
ータから求めて示したものであって、この場合、生産性
等も加味した上でのＶとωの最適値は、Ｖ＝１．５ｃｍ
／　ｗｉｎ、ω一■π／ｍ程度になる，以下に、この発
明の効果の確認実験結果を記す。

この実験は、第１図の誘導加熱溶解炉を用いて下記の条
件で純チタンインゴット溶製した．一製造条件一 ・るつぼ及びコイルサイズ：　ａ　＝　５　ｃｔａ，　
　ｂ　＝１５ｃ＋ａ，］−２５ｃｍ ・引抜き速度Ｖ　七１　．４ｃｍ／　ｍｉｎ・回転速度
　（Ｌ）　＝　−　ｔｔ　　ｒｏｕｎｄ／　ｓｉｎｌ６ 溶解、鋳造時間は約１時間であり、これによって約３０
ｋｇの円筒状の純チタンインゴットが得られた．そのイ
ンゴットの成分分析値を下表に示す。

分析表 このように、得られたインゴットの不純物含有量は非常
に少い。

（効果〕 以上説明したように、この発明の方法によれば、加熱溶
解炉の構造面（内張り材の選択、るつぼの直接鋳込み）
と操作面（溶解中のチャンバ内圧力の限定、引抜き速度
の制御による溶湯プールの十分な保持）の両面において
不純物除去効果が得られ、かつ合金成分の添加規制も生
じないので、表面、内質とも健全な高純度チタン及びチ
タン合金のインゴットを得ることが可能になる．また、
高価な加熱装置や高真空源を必要とせず、内張り材の耐
久性も優れているため、設備費、ランニングコストが低
減する。

さらに、加熱源の周波数調整によって溶湯プールに充分
な撹拌力を生じさせるので、合金成分の偏折も防止され
る． このほか、原料の選択が自由で無駄な下処理が不要なこ
と、歩留低下がないことにより製造コストが更に下がる
． なお、引抜き中にインゴットを回転させる場合には、測
温値のバラツキが少なくなって、制御の安定性が更に高
まる． このように、この発明は、高純度インゴットを効率良《
安価に製造できるので、チタン及びチタン合金インゴッ
トの工業的生産分野やチタン合金の研究開発分野に利用
すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の方法に利用する誘導加熱溶解炉の
一例を示す縦断正面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線部に
おけるるつぼの断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ線部の
断面図、第４図は第１図の装置の水冷鋼モールド内温度
を、インゴットの回転無し、回転有りの各状況下で調べ
た計測値ヒストグラム、第５図は実施例の方法でのイン
ゴットの引抜き速度、回転速度範囲を示す図である．１
・・・・・・耐火内張り材で形成されたるつぼ、２・・
・・・・誘導加熱用コイル、 ３・・・・・・チタン及びチタン合金熔場、４・・・・
・・チャンバ、　　　５・・・・・・原料投入用ホッパ
、６・・・・・・放射温度計、　　７・・・・・・テレ
ビカメラ、８・・・・・・真空ボンブ、　　９・・・・
・・水冷鋼モールド、１０・・・・・・ダミーインゴッ
ト、 １１・・・・・刊１抜き棒、　　１２・・・・・・導入
口、１３・・・・・・熱電対、　　　　１４・・・・・
・信号変換器、１５・・・・・・引抜き制御装置、 １６・・・・・・引抜きロール． 特許出願人　住友電気工業株式会社 第５図 ０，５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　２．０引抜き速度Ｖ　（ｚ／ｒｒｕ　ｎ） 同　代理人　　鎌　　　田　　　文 第１図 第３図 第４図 し り

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ＿ａＯ系、Ｃ＿ａＦ＿２系、Ｙ＿２Ｏ＿３系耐
   火物の１種又は２種以上の組合せ材料で内張りした誘導
   加熱溶解炉を用いてその炉のチャンバ内を真空排気後不
   活性ガスで充填し、しかる後、原料の溶解を開始すると
   共に溶解中は不活性ガス導入と真空排気の併用によりチ
   ャンバ内圧力を１ｔｏｒｒ〜大気圧に維持し、さらに、
   原料の溶解が充分に進んだら、所要の撹拌力を生じさせ
   た溶湯プールをチャンバに通じる水冷鋼モールド内に流
   し入れ、このモールド内で引抜き速度等の制御により一
   定形状を保持しつゝ冷却、凝固させてチタン或いはチタ
   ン合金のインゴットを連続的に製造することを特徴とす
   るチタン及びチタン合金の溶解、鋳造方法。
2. （２）上記インゴットを水冷鋼モールドからの引抜き中
   に所定速度で回転させる請求項（１）記載のチタン及び
   チタン合金の溶解、鋳造方法。