JPH04218626A - 高純度高融点材料インゴットの製造法 - 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、Ｍｏ、Ｗ等のような高融点金属材料（単一
金属又はこれらを主成分とする合金）の高純度インゴッ
トを製造する方法に関する。

（従来技術とその課題） 近年、電子機器、原子力関係機器、航空宇宙産業機器類
等を始めとした目覚ましい技術革新の時代を迎え、それ
らを支える材料として従来は実用されることのなかった
様々な特殊素材が広い分野から求められるようになって
きた。例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖと言った高融点材
料も今や極く一般的に使用されており、更に融点が２０
００℃を超えるＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等についても工業
材料として主体的な役割を担う状況となっている。

ところで、融点が２５００℃に近いＮｂやそれ以上の融
点を有する金属或いは合金では、溶解法による大型イン
ゴットは“電子ビーム溶解法”による以外に工業的な製
造手段が無いとされており、従来、上記高融点金属又は
合金の大型インゴットの製造には、第３図で示されるよ
うな、電子ビームを用いたトリップメルト法が採用され
てきた。

この、トリップメルト法は、第３図に示す如く、溶解電
極（原料）１をメルトチャンバー２内へ水平又は垂直に
装入し、電子ビーム銃３からの電子ビーム４で溶解後、
水冷式銅クルーシブル（鋳型）５内に滴下（ドリップ）
させて連続的に凝固せしめ、インゴット６として取り出
す方法である。なお、図面において、符号７は原料水平
収納装置、８は原料垂直収納装置、９は真空ポンプ、１
０はインゴット収納チャンバーをそれぞれ示している。

しかし、このドリツプメルト法は、真空中溶解ではある
が材料の精製機能が十分ではなく、不純物を所望レベル
にまで完全に除去するためには２〜４回のドリップメル
トを繰り返さなければならないと言う問題を有していた
。このため、高融点金属材料（高融点金属又はこれらを
主成分とする合金）の高純度インゴットを製造するには
高いコストがかかるのを余儀無くされていた。

ところが、最近、第１図で示すように、メルトチャンバ
ー内の水冷式銅クルーシブル（鋳型）５の前に銅製で水
冷式のコールドハース１１を設置し、電子ビーム４で溶
解された原料溶湯を一旦コールドハース１１内に保持し
た後、これからオーバーフローさせて水冷式銅クルーシ
ブル（鋳型）５内に鋳込んでインゴット５を得ると言う
“電子ビームコールドハースリメルティング法”が開発
され、高純度高融点金属材料インゴットの製造に好適な
手段として注目を浴びている。

つまり、上記“電子ビームコールドハースリメルティン
グ法”では、電子ビーム溶解された溶湯を適宜の時間コ
ールドハース内に滞留させてから鋳型に鋳込むため、コ
ールドハース内滞留時に概して目的の高融点金属材料よ
りも揮発し易い不純物が真空中へ十分に揮散・除去され
てしまい、１回の操作で高い純度のインゴットが得られ
る訳である。

しかしながら、この“電子ビームコールドハースリメル
ティング法”においても、Ｔｉ、Ｚｒと言った中でも比
較的融点の低い材料の場合には概ね円滑な操業が可能で
あったが、ＭｏやＷ等の如き特に融点の高い材料の場合
には、十分な不純物除去を図るために溶湯温度を高める
と銅製水冷式のコールドハースが耐え切れずに操業トラ
ブルを生じたり、コールドハースの侵食のためにかえっ
て不純物が増加する等の事態を招き、一方、溶湯温度を
低くすると溶湯中不純物の揮散・除去が不十分になると
言った問題点が指摘されていた。しかも、十分な不純物
除去を心掛けると目的成分のロスが多くなったり、合金
成分の調整が困難になると問題もあった。従って、電子
ビームコールドハースリメルティング法は、高融点金属
材料全般を対象とした場合には未だ工業的に十分確立さ
れた手段であるとは言えなかった。

このようなことから、本発明が目的としたのは、電子ビ
ームコールドハースリメルティング法に指摘される上述
した問題点を払拭し、ＭｏやＷ等の高融点金属材料を対
象とした場合でも工業的に安定して高純度インゴットを
溶製し得る手段を提供することであった。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、上記目的を達成すべく様々な観点から鋭
意研究を重ねたところ、次のような知見を得るに至った
のである。

（ａ）電子ビームコールドハースリメルティング法にお
いてはコールドハース内の溶湯の表面積、深さ及び鋳造
速度が不純物の揮散・除去効果に大きな影響を与えてお
り、溶解材料の種類に係わりなく、コールドハース内に
おける溶湯の表面積を所定値以上に、かつ該溶湯の深さ
を所定範囲内に、しかも鋳造速度を所定値以下にそれぞ
れ規制することで上記効果が顕著に向上する、 （ｂ）従って、溶湯の温度を低めに抑えたとしても実際
上十分に満足できる不純物の揮散・除去効果を確保する
ことが可能となり、本発明者等の研究によって判明した
“目的成分ロスや合金組成調整の点で有利な〔高融点金
属材料の融点＋３００℃〕以下の温度領域”にコールド
ハース内溶湯の温度を保った場合にも安定して所望の効
果が達成できる、 （ｃ）しかも、コールドハース内の溶湯の表面積、深さ
及び鋳造速度を上述のように調整することと、溶湯温度
を上記の如くに規制することで、融点が３０００℃を超
えるＷ等の如き高融点材料を対象材とした操業の場合で
も銅製水冷式のコールドハース自体の熱的トラブルが効
果的に回避されることとなって、コールドハースの損傷
に起因した操業不安定やインゴット純度への悪影響が実
際上問題にならない程度に払拭されてしまう。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、 「電子ビームコールドハースリメルティング法によって
高融点金属材料インゴットを製造するに際し、コールド
ハース内の溶湯の表面積を４００〜１８００ｃｍ２に、
溶湯の深さを５ｃｍ以下に、鋳造速度を５００ｋｇ／ｈ
ｒ以下に、そして溶湯の温度を〔高融点金属材料の融点
＋３００℃〕の温度以下にそれぞれ維持しつつ溶解・鋳
造を行うことにより、極めて純度の高い高融点金属材料
インゴットを工業的に安定して製造し得るようにした点
」に特徴を有している。

ここで、前記「高融点金属材料」とは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ
、Ｖ等の高融点金属やこれらを主成分とする高融点合金
を指すことは言うまでもない。勿論、高融点金属材料の
中でも比較的融点の低いＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ或いはこれら
の合金等に通用した場合でも従来に比して顕著な効果が
得られることは言うまでもない。

コールドハースとしては公知の水冷式銅製のものが使用
されるが、操業に際して該コールドハース内の溶湯の表
面積、深さ及び鋳造速度を前記の如き数値によって限定
したのは次の理由による。

即ち、コールドハース内溶湯の表面積が４００ｃｍ２未
満で鋳造速度が５００ｋｇ／ｈｒを超えると、不純物揮
発による溶湯の精製効果が不十分で再溶解が必要となる
。また、表面積が小さいとコールドハース内での必要滞
留時間確保のために必然的に溶湯深さを深くしなければ
ならず、そのため熱量が蓄積し易くなってコールドハー
スの熱的損壊を引き起こし易くなる。そして、コールド
ハース内溶湯の深さが５ｃｍを上回った場合も、やはり
溶湯の精製効果が不十分となるほか、コールドハースの
熱的損壊を引き起こし易くなる。

一方、コールドハース内の溶湯温度を〔高融点金属材料
の融点＋３００℃〕の温度以下に調整するのは、コール
ドハース内の溶湯温度が〔高融点金属材料の融点＋３０
０℃〕の温度を超えると目的成分のロスが実用上無視で
きなくなる上、合金組成の調整が困難となり、しかも特
に融点の高い材料の場合にはコールドハースの熱的損壊
を引き起こし易くなるためである。なお、この場合でも
、溶湯温度が高融点金属材料の融点以上に保たれなけれ
ばならないことは言うまでもない。

なお、鋳造速度に関しては生成効果の面から下限を規制
されることはないが、実際には歩留りや生産効率を考え
３０ｋｇ／ｈｒ以上とすることが多い。

以下、具体例を示しながら、本発明をその作用と共に説
明する。

第２図は、本発明法の実施に際して使用される電子ビー
ム溶解装置の１例である。

この装置は、原料水平装入装置７によって溶解電極（原
料）１がメルトチャンバー２内へ水平に装入され、水冷
式銅製のコールドハース１１後方直上で電子ビーム銃３
からの電子ビームにより溶解し、コールドハース１１内
に滴下するタイプのものであり、コールドハース前方の
オーバーフロー位置直下に水冷式銅製のクルーシブル（
鋳型）５が設置されている。

そして、コールドハース１１は、その内部に滞留する溶
湯の表面積が１５００ｃｍ２以上となるように設計され
ている。

さて、第２図において、溶解電極（原料）１は原料水平
装入装置７により真空（減圧）状態に保たれているメル
トチャンバー２内へ真空状態を破ることなく連続して送
られ、コールドハース１１後端で電子ビームによって溶
解され、該コールドハース１１内に滴下する。そして、
滴下した溶湯はオーバーフローするまでの間コールドハ
ース１１内に滞留し、真空に暴露される。なお、溶解原
料はバージン材であってもスクラップであっても差し支
えない。

ここで、コールドハース内の溶湯温度は〔融点〕〜〔融
点＋３００℃〕の温度域に保持されるように調整される
が、それと同時にコールドハース内における溶湯の深さ
を５ｃｍ以下に、そして鋳造速度を５００ｋｇ／ｈｒ以
下に保つように調整される。

しかも、前述したように、コールドハースは、内部に滞
留する溶湯の表面積が４００〜１８００ｃｍ２となるよ
うに設計されている。

コールドハース内の溶湯温度が上記範囲に調整されるこ
とによって、目的成分のロスが防止され、かつ合金組成
の調整が極めて容易・確実に実施できることとなる。そ
して、コールドハース内における溶湯の深さ、表面積及
び鋳造速度が上記範囲に規制されていることにより、上
述の如く溶湯温度が低目に調整されているにもかかわら
ず十分に満足できる溶湯中不純物（Ｏ、Ｎ、Ｓ、Ｃ、Ｈ
のガス成分や電極包被材成分等）の揮発・除去効果が確
保される。その上、溶湯温度、溶湯深さ及び溶湯表面積
の規制、鋳造速度の制御による作用が絡み合った結果と
考えられるが、ＭｏやＷ等のように極めて融点の高い材
料の処理においても水冷式銅製コールドハースの損壊が
十分に防止され、高い精製能を維持したままで工業的に
安定した操業性を確保することができる。そのため、従
来のドリップメルト法では所望高純度化を２〜４回の再
熔融を繰り返して達成していたのに対して、本発明法で
は１回の溶解で同様レベルの高純度化が達成できるよう
になる。更に、操業性や高純度化達成が不安定であった
これまでの電子ビームコールドハースリメルティング法
の問題点も十分に解消される。

続いて、不純物が揮発・除去されてコールドハース１１
からオーバーフローした溶湯はクルーシブル（鋳型）５
に鋳造され、高純度インゴット６となる。

この場合、電子ビームコールドハースリメルティングの
条件は メルトチャンバー内圧力：１０−２〜１０−６ミリバー
ル、電子ビーム出力：５００〜２０００ｋＷ、鋳造速度
：５００ｋｇ／ｈｒ以下、 に調整するのが良い。

続いて、本発明の効果を実施例によって更に具体的に説
明する。

＜実施例＞ 実施例１ まず、溶解原料（電極）として第１表に示される化学成
分組成の粗ニオブ（Ｎｂ）材（融点：２４６０℃）を用
い、これを第３図に示した如き“電子ビームトリップメ
ルト法”と第２図で示す装置を適用した本発明に係る“
電子ビームコールドハースリメルティング法”とで溶解
処理し、クルーシブルに鋳造してＮｂインゴットを製造
した。なお、各処理における諸条件は次の通りであった
。

電子ビームドリップメルト法（比較例）メルトチャンバ
ー内圧力：１０−３〜１０−４ミリバール、電子ビーム
出力：１２００ｋＷ、 鋳造速度：３００ｋｇ／ｈｒ、 処理回数：２回。

電子ビームコールドハースリメルティ ング法（本発明例） メルトチャンバー内圧力：１０−３〜１０−４ミリバー
ル、電子ビーム出力：１２００ｋＷ、 コールドハース内溶湯の表面積：１５６０ｃｍ２、コー
ルドハース内溶湯の深さ：３．２ｃｍ、コールドハース
内溶湯の温度：２６００℃、鋳造速度：３００ｋｇ／ｈ
ｒ、 処理回数：１回。

このようにして得られた各Ｎｂインゴットについて成分
分析を行い、その測定値を第１表に併せて示した。

第１表に示される結果を比較すると明らかなように、本
発明によれば、１回の処理によっても極めて純度の高い
Ｎｂインゴットを得られることが分かる。

実施例２ 溶解原料（電極）として第２表に示される化学成分組成
の粗モリブデン（Ｍｏ）材（融点：２６２０℃）、粗タ
ングステン（Ｗ）材（融点：３４１０℃）、粗バナジウ
ム（Ｖ）材（融点：１９００℃）及び粗ジルコニウム（
Ｚｒ）材（融点：１９００℃）を用い、これを第２図で
示す装置を通用した本発明に係る“電子ビームコールド
ハースリメルティング法”で溶解処理し、クルーシブル
に鋳造して、それぞれＭｏインゴット、Ｗインゴット、
Ｖインゴット及びＺｒインゴットを製造した。なお、何
れも溶解処理は１回のみであり、その他の処理条件は第
２表に併記した通りであった。

このようにして得られた各インゴットについて成分分析
を行い、その測定値を第２表に併せて示した。

第２表に示される結果からも、本発明によると１回の処
理によって高純度の高融点金属インゴットを得られるこ
とが確認できる。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、極めて純度の
高い高融点金属又は合金のインゴットを工程数少なく低
コストで、しかも工業的に安定して製造することが可能
となるなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電子ビームコールドハースリメルティング法
の説明図である。 第２図は、本発明法に適用し得る電子ビーム溶解装置例
の概略説明図である。 第３図は、従来のトリップメルト法の説明図である。 図面において、 １…溶解電極（原料）、 ２…メルトチャンバー、３…電子ビーム銃、４…電子ビ
ーム、５…クルーシブル（鋳型）、６…インゴット、７
…原料水平装入装置、８…原料垂直装入装置、９…真空
ポンプ、１０…インゴット収納チャンバー、 １１…コールドハース。 出願人　日本鉱業株式会社 代理人　弁理士　今井毅

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電子ビームコールドハースリメルティング法によって高
   融点金属材料インゴットを製造するに際し、コールドハ
   ース内の溶湯の表面積を４００〜１８００ｃｍ２に、溶
   湯の深さを５ｃｍ以下に、鋳造速度を５００ｋｇ／ｈｒ
   以下に、そして溶湯の温度を〔高融点金属材料の融点＋
   ３００℃〕の温度以下にそれぞれ維持しつつ溶解・鋳造
   を行うことを特徴とする、高融点金属材料の高純度イン
   ゴットを製造する方法。