JPH0867921A - 高融点活性金属の消耗電極式真空アーク溶解法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】消耗電極式真空アーク溶解法において、成分組
成が均一で、かつ表面欠陥のないインゴットを安定して
製造することのできる方法を提供することである。 【構成】消耗電極式真空アーク溶解法により高融点活性
金属のインゴットを溶解する方法であって、電極とする
高融点活性金属のインゴットと同じ成分組成からなる円
筒体を、モールド内にモールドと同心的に、かつモール
ド内壁と前記円筒体間に間隙を設けて配置してインゴッ
トを溶解する高融点活性金属の消耗電極式真空アーク溶
解法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、成分組成が均一で、
表面欠陥のないチタン、ジルコニウム等の高融点活性金
属のインゴットを溶解する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、工業用チタンおよびチタン合金
などの高融点活性金属のインゴットは、消耗電極式真空
アーク溶解法によって溶製される。

【０００３】この溶解法は、図２示すように高融点活性
金属のインゴットを電極1 として水冷モールド10内に配
置し、電圧を印加してインゴット下端からアークを発生
させ溶解して、溶融プール3 を形成して、それを冷却、
凝固させてインゴットを溶製する方法である。

【０００４】製品の品質面および製造コスト低減といっ
た観点から、インゴットは「成分組成が均一」であるこ
と、及び「表面欠陥がない」ことが要求される。

【０００５】「成分組成が均一」とは、溶製したインゴ
ットの成分濃度の最高部と最低部との差が小さいことで
あり、インゴットの上端部で濃度が最高になり、下端部
で濃度が最低になることが多い。

【０００６】インゴットの濃度が規定した範囲から外れ
た場合、あるいはマクロ的な偏析によって内部欠陥とな
った場合のいずれにおいても成分組成の均一性がなくな
り、その場合は製品とすることができなくなるので歩留
りが低下する。

【０００７】また、表面欠陥とは、溶製したインゴット
をスラブとする粗鍛造および分塊圧延工程において、割
れやしわの原因となるインゴット表面の鋭利で深い溝や
くぼみ、表層に内在する空隙をいう。

【０００８】表面欠陥は、粗鍛造および分塊圧延工程の
前にこれらを切削除去しなければならず、歩留りの低下
および工程数の増加により、コスト上昇の要因となる。

【０００９】従来の溶解工程では、一度溶製したインゴ
ットを再度電極として溶解する工程を多数回繰り返すこ
とによって、インゴットの成分組成を均一とし、かつ表
面欠陥をなくしている。

【００１０】しかし、溶解を多数回繰り返す方法はコス
ト上昇を招くと共にインゴットの成分組成の均一化及び
表面欠陥の改善にも限界があることから、次に示す対策
がとられてきた。

【００１１】成分組成を均一にする方法としては、１）
電磁撹拌を使用することなしに、溶融プールの回転の小
さい、鎮静な状態でインゴットを溶製する方法、２）特
開昭６０−７７９３９号公報に開示されているように、
電磁撹拌（スターリング）を自然な溶融プールの回転を
抑止するアンチスターラーとして働かせることにより、
電磁撹拌を実施しない場合よりもさらに鎮静な状態でイ
ンゴットを溶製する方法である。

【００１２】表面欠陥を防止する方法としては、Ａ）電
磁撹拌により溶融プールの回転をより速くして、モール
ド近傍への熱の供給を多くすることによって、表面欠陥
を再溶解する方法、Ｂ）特開昭６２−１８２２２７号公
報に開示されている、アルカリ金属またはアルカリ土類
金属のハロゲン化物を予め電極に塗布しておき、ハロゲ
ン化物蒸気の電離作用によってアーク発生範囲を広げ、
モールド近傍への熱の供給を多くする方法である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの方法
には、以下のような欠点がある。

【００１４】上記１）の電磁撹拌を用いないで、溶融プ
ールの回転が小さい状態で溶解する方法は、電磁撹拌は
アークを電極と同心的に安定に保持する役目もあること
から、電磁撹拌を用いないとアークが偏向し、表面欠陥
を増加させることになるので好ましくない。すなわち、
アークが偏向してアークから遠くなったモールドの内壁
部は、熱の供給が不足し、モールド内壁に付着したスプ
ラッシュが再溶解されにくくなる。

【００１５】また、電磁撹拌を用いる上記２）の方法
は、成分組成の均一性を改善するためには電磁撹拌によ
り溶融プールの回転を抑制する必要があるのに対し、上
記Ａ）の方法では、表面欠陥改善のために電磁撹拌によ
り溶融プールの回転を強化する必要があり、電磁撹拌の
使用方法が相反するため、成分組成の均一化と表面欠陥
の防止の両立を図ることはできない。

【００１６】表面欠陥の発生を抑制する上記Ｂ）の方法
は、表面欠陥の発生抑制の効果を高めるために、ハロゲ
ン化物の塗布量を多くし、被覆層の厚さが2mm を超えた
場合、ハロゲン化物の蒸発の安定性の低下およびアーク
の安定性の低下により、かえって表面欠陥が増加するこ
とになる。

【００１７】また、粉末状であるハロゲン化物の取り扱
いにおいて、吸湿防止、不純物混入防止などに多大の労
力が必要となる。加えて、溶解中のハロゲン化物の蒸発
によって溶解状況の監視が困難となり、アークの安定性
などをモニターできず操業に支障をきたす恐れがある。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題に鑑み従来の溶解工程に対してはもちろんのこ
と、成分組成の均一性を重視し、電磁撹拌により溶融プ
ールの回転を小さくした溶解法に対しても、表面欠陥の
ないインゴットを安定して製造することのできる方法を
提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明者等は消耗電極式真空アーク溶解による高融
点活性金属インゴットの溶製について種々検討した結
果、下記の知見を得た。

【００２０】ａ）溶解中の溶融プールの表面がモールド
と接する部分（以下メニスカスという）の近傍の溶解現
象は、図２に示すようにモールド内壁にスプラシュ4
（溶融金属の飛沫）が付着、凝固し、それが再溶解して
いること。

【００２１】すなわち、まず、アーク溶解にともなう液
滴の落下とアーク圧によって、スプラッシュ4 がメニス
カス上部のモールド10に付着する。続いて、湯面が上昇
するに従い湯面の溶融金属の熱とアークの輻射熱によっ
て、モールド上で凝固したスプラッシュが溶解する。イ
ンゴットの溶製においては、これらの繰り返しによって
インゴットの表面が形成されている。

【００２２】ｂ）モールド内壁上で凝固したスプラッシ
ュが溶解されず、そのまま残存した場合に表面欠陥とな
ること。よって、凝固したスプラッシュの再溶解を促進
することによって、表面欠陥が減少すること。

【００２３】ｃ）凝固したスプラッシュの再溶解促進の
ためには、モールド上のスプラッシュの温度低下を抑制
する（モールド内壁における冷却を緩和する）と効果が
あること。

【００２４】この発明は上記の知見に基づきなされたも
ので、その要旨とするところは、「消耗電極式真空アー
ク溶解法により高融点活性金属のインゴットを溶解する
方法であって、電極とする高融点活性金属のインゴット
と同じ成分組成からなる円筒体を、モールド内にモール
ドと同心的に、かつモールド内壁と前記円筒体間に間隙
を設けて配置してインゴットを溶解することを特徴とす
る高融点活性金属の消耗電極式真空アーク溶解法」であ
る。

【００２５】

【作用】高融点活性金属の溶解法において、前記した本
発明の条件に特定した理由を、その作用とともにより具
体的に説明する。

【００２６】１）モールド内への円筒体の配置 モールド内へ円筒体を配置するのは、スプラシュが冷却
されたモールドに直接付着して凝固するのを防止するた
めである。

【００２７】図２に示すように、従来の溶解方法ではス
プラッシュ4 は冷却されたモールドに直接付着するた
め、熱を奪われ急激に温度が低下する。よって、温度の
低いスプラッシュは再溶解が困難となり、一部がそのま
ま残存し表面欠陥6 、7 となる。

【００２８】そこで、図１にしめすように円筒体8 をモ
ールド内にモールドと同心的に、かつモールドと円筒体
との間に間隙9 を設けて配置することにより、スプラッ
シュは円筒体の内面に付着するが、円筒体はモールドに
密着していないので冷却されていなく、むしろアークの
輻射熱で加熱された状態となっているので付着したスプ
ラシュは熱を奪われず、温度が低下しない。よって、温
度の高いスプラッシュは再溶解が容易となり表面欠陥と
ならないのである。

【００２９】この円筒体を配置することにより、組成の
均一性を重視し、電磁撹拌を使用しない場合、あるいは
電磁撹拌を使用し溶融プールの回転を抑止し鎮静した状
態で溶解する場合のいずれにおいても効果がある。

【００３０】円筒体の板厚は限定するものではないが、
0.1〜3mm 程度が好ましい。 0.1mm未満と薄くした場
合、スプラッシュの熱によって円筒体の破れた部分や、
アークの輻射熱によって変形した部分が表面欠陥となる
場合がある。また、3mm を上回る場合、板の溶解が不十
分となった場合に、板とインゴットの融合が不完全とな
り表層部に空隙が発生する場合がある。

【００３１】なお、円筒体に用いる板は 2枚以上重ねて
用いても問題はない。

【００３２】円筒体とモールド間に設ける間隙は、15mm
以内にするのが好ましい。あまり間隙を大きくすると、
円筒体を溶解した溶融金属がモールドへ到達するまでに
温度が低下してしまうために、円筒体とモールドの間隙
に相当する部分に表面欠陥となる空隙が発生する場合が
ある。

【００３３】次に、円筒体の作成方法であるが、スポン
ジチタンを溶解して得られた電極となるインゴットの一
部から鍛造、圧延により板材とし、モールドの内壁に沿
って円筒状に加工する。

【００３４】図３、４は円筒体の作成方法を示す例であ
る。図３の様に板を螺旋状に加工してもよい。また、板
幅が狭く円筒状に加工した円筒体の高さが、溶製するイ
ンゴットの高さに満たない場合は、図３に示す様に上下
方向に複数枚の高さの低い円筒体を積み重ねることがで
きる。

【００３５】なお、高融点活性金属とは、融点が約1500
℃以上と高く、化学反応性が強い活性な金属で、主な例
としてチタン、チタン合金、ジルコニウム、やジルカロ
イ等を挙げることができる。

【００３６】また、モールド内に円筒体を同心的に配置
するのは、円周のどの点においてもモールドと円筒体と
の間隙をできるだけ一定にするためである。間隙に大き
な差が生じると、インゴットの表面性状が均一にならな
いので間隙はできるだけ周方向で均一になるようにする
のが好ましい。

【００３７】2 ）円筒体の成分 円筒体は、溶解によってインゴットと一体となるため溶
製するインゴットと同じ成分元素を含有する必要があ
る。同じ材質の板材の製造が常時行われている場合は、
これを利用すればよいので経済的負担は小さい。

【００３８】

【実施例】次に、本発明の効果を実施例によって更に具
体的に説明する。

【００３９】スポンジチタンを主原料とし、消耗電極式
真空アーク溶解法により表１に示す各々の表面欠陥低減
対策法を用いて直径1000mm、重量8000kgのＪＩＳ３種相
当の純チタンインゴットを溶製した。本発明例では各条
件毎に12本、従来例では各条件毎に10本のインゴットを
溶製、それらについて表面欠陥および組成均一性を調査
した。

【００４０】本発明例では、インゴットの組成の均一性
を重視し、電磁撹拌は用いなかった。従来例の表面欠陥
低減対策法での電磁撹拌の電流は４０Ａであり、溶融プ
ールの回転を加速した。電極被覆は塩化マグネシウムを
1mmの厚さに塗布した。

【００４１】調査結果を表１に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】インゴットの表面欠陥の評価は、粗鍛造お
よび分塊圧延工程で割れやしわとなると判断した欠陥に
ついて切削除去し、その面積の合計が全側表面積の５％
以上となったインゴット数を計上した。

【００４４】また、インゴットの組成の均一性の評価
は、全てのインゴットについて、溶解初期（下端部）、
中期、終期（上端部）に相当するインゴットの側表面下
5−10mmの位置から試料を採取し、Ｆｅ濃度を分析し
た。

【００４５】全てのインゴットのＦｅ濃度は、溶解初期
で低く溶解終期で高くなり、溶解終期の濃度と溶解初期
の濃度の差を各インゴットについて求め、同じ条件で溶
製したインゴットについて本発明例では12本、比較例で
は10本の各々のＦｅ濃度の差を求めそれを平均した値
を、表１の「Ｆｅ濃度差」とした。

【００４６】試験番号1-8 は、本発明例であり、本発明
が規定する条件を満たす例である。

【００４７】試験番号9-11は従来の技術を適用した例で
ある。

【００４８】さて、表１に示される結果から明らかなよ
うに、試験番号1-8 の本発明例では、その全てにおいて
欠陥の切削除去面積の合計が全側表面積の５％以上とな
ったインゴットの発生率が８％以下となっている。

【００４９】さらに、試験番号5-8 の本発明例では、全
てのインゴットにおいて，欠陥の切削除去面積の合計が
全側表面積の５％未満となっており、表面欠陥の切削除
去による工程数が低減し歩留りが極めてよい。

【００５０】また、試験番号1-8 の本発明例では、その
全てにおいて「Ｆｅ濃度差」が0.006 ％以下となってお
り、このインゴットより得られた製品の全てにおいて規
定された成分の範囲を保証することができた。

【００５１】これに対して、試験番号9-11の比較例で
は、溶製したインゴットの２０％以上において、欠陥の
切削除去面積の合計が全側表面積の５％以上となってお
り、表面欠陥のないインゴットの溶製にとって不利な条
件であることがわかる。

【００５２】さらに、試験番号9 、11の比較例では電磁
撹拌を使用していることから「Ｆｅ濃度差」が0.02％で
あったため、製品（板材）の一部において、品質を保証
することができなかった。

【００５３】

【発明の効果】本発明方法によれば、消耗電極式真空ア
ーク溶解によって溶製した高融点活性金属のインゴット
の表面欠陥をなくすることができるので、欠陥の切削除
去にかかる工程数の削減、および歩留りの大幅な向上に
加えて、組成の均一性に優れた高品質のインゴットを安
定製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法による消耗電極式真空アーク溶解法の
概要説明図である。

【図２】インゴットの表面形成メカニズム及び表面欠陥
についての概要説明図である。

【図３】円筒体の製法を示す説明図である。

【図４】円筒体の他の製法を示す説明図である。

【符号の説明】

1 電極 2 インゴット 3 溶融プール 6 表面欠陥 7 空隙 8 円筒体 9 間隙 10 モールド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】消耗電極式真空アーク溶解法により高融点
   活性金属のインゴットを溶解する方法であって、電極と
   する高融点活性金属のインゴットと同じ成分組成からな
   る円筒体を、モールド内にモールドと同心的に、かつモ
   ールド内壁と前記円筒体間に間隙を設けて配置してイン
   ゴットを溶解することを特徴とする高融点活性金属の消
   耗電極式真空アーク溶解法。