JP2011173172A - 活性高融点金属合金の長尺鋳塊製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｙ、希土類、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＭｎまたはＲｅ等の活性高融点金属元素を合金成分として含有する長尺の鋳塊を、成分偏析を発生させることなく、ＣＣＭＩ法により製造する。
【解決手段】るつぼ底が上下方向に駆動できる水冷式銅るつぼ２および同るつぼの外周を取り巻く高周波誘導加熱コイル１を使用し、ＣＣＭＩ方式により、真空または不活性ガス雰囲気下において、上記銅るつぼの直径または短辺長さに対し１．５倍以上の長さを有する活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊を製造する方法であって、溶解原料を溶融した状態で銅るつぼ２内へ供給するとともに、銅るつぼ底部の上側に位置する前記加熱コイル１の領域において溶湯プール６を形成保持しながら、るつぼ底を溶湯プールとともに引き下げ、下方から溶湯を逐次凝固させて連続的に鋳造することを特徴とする活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊製造法。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば、ＴｉＡｌ基合金、ＮｂＴｉ基合金、Ｚｒ基合金、Ｖ基合金あるいはＣｒ基合金等に代表される、希土類、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂあるいはCｒ等の活性高融
点金属合金の長尺鋳塊を、高周波誘導加熱によるいわゆるコールドクルーシブル誘導溶解により連続的に製造する方法に関する。

広く実用されているチタン合金やジルカロイなどの活性高融点金属合金の鋳塊は、現在、真空アーク溶解、プラズマアーク溶解あるいは電子ビーム溶解等により製造されている。これらの溶解法は、いずれも水冷銅るつぼを溶解容器に用い、溶解原料の全量を一括して溶解せずに、少しずつ供給しつつ溶解し、形成される溶融金属浴を下方から逐次凝固させて鋳塊を製造するのが主流である。そして、工業的には１〜１０トンの鋳塊をこれらの方法で製造している。

上記真空アーク溶解法は、所定の合金組成に調合した溶解原料をプレス成形や溶接等により棒状に成形したものを消耗電極にして溶解し合金化する。この方法は、溶解原料を少しずつ逐次溶解し凝固させるので、融点差の大きい元素を多量に配合した合金成分の場合は、低融点の成分が先に、おくれて高融点の成分が溶解していくために、鋳塊に著しい成分偏析をもたらす問題がある。

この方法によれば、典型的なＴｉ・６Ａｌ４ＶやＴｉ・１５Ｖ３Ａｌ３Ｃｒ３Ｓｎ等のように、Ａｌ（融点６６０℃）やＳｎ（融点２３２℃）のごとき低融点の合金元素の含有量が少ない合金の場合は、上記した成分偏析が発生せずに均質の合金鋳塊が製造できる。しかし、多量のＡｌを含有するＴｉＡｌ系金属間化合物の場合は、高融点のＴｉ（融点１６８０℃）と低融点のＡｌとの組み合わせで作った消耗電極を真空溶解すると、Ａｌが先行溶解する。そして、Ｔｉは溶解不足になって、消耗中に未溶解のまま残存し、同電極が強度不足になって未溶解のままで落下し、あるいはＡｌ溶解後はＴｉだけの溶解になるおそれがある。その結果、合金化が不十分となり、成分偏析の大きい鋳塊になりやすい。

また、プラズマアーク溶解法および電子ビーム溶解法の場合は、水冷銅製のハースすなわち皿状の溶解容器を使用することにより、ハース内で溶融金属浴での均質な合金化はできる。しかし、この溶融金属浴部の体積は、目的とする鋳塊全体の体積に比しあまりにも小さいため、原料配合工程で微小サイズに調整した原料を必要とし、工業上の制約を受ける。一方、高真空を必要とする電子ビーム溶解は、ＡｌやＳｎ等の合金成分の蒸発ロスによる鋳塊の成分変動が起こりやすい難点がある。

これらの方法に対して、高周波コイルを装備した水冷銅るつぼを使用するコールドクルーシブル誘導溶解法（ＣＣＩＭ法。）は、溶解原料を一括で全量溶解し、合金化してから凝固させて鋳塊を製造する。この方法は、融点差が大きい元素間の合金化溶解が容易で、合金成分の均質な溶湯が得られる。下記特許文献１は、水冷銅るつぼ内で原料を溶解し、そのまま凝固させるＣＣＩＭ法を開示するが、直径に対し長尺の鋳塊をこの方式で製造するには、長尺の高周波コイルを必要とし現実的でない。たとえば、長さ／直径比が１．５以上にもなるような長尺鋳塊の製造には設備上の問題を残す。このＣＣＩＭ法において、水冷銅るつぼ内の溶湯を鋳型に注入して長尺鋳塊を得ることができるが、溶融金属の凝固時に鋳塊の中心部に引け巣欠陥を発生する危険がある。

さらに、上記ＣＣＩＭ方式に類似のインダクトスラグメルティング法と呼ばれる方法で、長尺の鋳塊を製造する方式が下記非特許文献１に紹介されている。この方法は、水冷銅るつぼ内にできている溶湯を、るつぼ底を下方に引き抜くことにより連続鋳造する。この場合、るつぼと溶湯との間にフッ化カルシウム等のフッ化物系スラグを添加し、精錬効果、電気絶縁効果あるいは引き抜き時の潤滑効果を図っている。この方法により、スポンジチタンから長尺の鋳塊を製造できることを示すが、溶湯に上記フッ化物が接触して鋳塊中に数ｐｐｍものフッ化物が混入し、活性高融点金属元素を含有する合金材の高清浄鋳塊を製造するのに問題がある。

なお、このようなスラグを使用しないで、高周波コイルからの電磁気力により、溶湯を保持した状態でるつぼ底を引き下げるようにして、ＣＣＭＩ方式により上記インダクトスラグメルテイング法と同様に、長尺鋳塊をつくることが考えられる。このようにすれば、上述したようなスラグ汚染は回避できるが、複雑な合金組成の鋳塊を製造する場合、余程適切な操業条件にしないと、添加した溶解原料が溶け残ったままで鋳塊中に残留し、均質健全な長尺鋳塊を得るのに困難をともなう。
特開２００３−２９３０５１号公報 US Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ６７３、１９８２.Ｐ.Ｇ.Ｃｌｉｔｅｓｒ 「ＩｎｄｕｃｔｓｌａｇＭｅｌｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ.」

本発明は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙまたは希土類等の活性高融点金属元素を合金成分として含有する長尺の鋳塊、すなわち直径あるいは短辺長さに対する長さが１．５以上の鋳塊を、ＣＣＩＭ法の利用により連続的に製造するにあたって、既述したような成分偏析を鋳塊中に発生させないようにすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために完成されたのであって、
（１）るつぼ底が上下方向に駆動でき、その全長に亘り同じ内径を有する単一の水冷式銅るつぼおよび同るつぼの外周を取り巻く高周波誘導加熱コイルを使用し、真空または不活性ガス雰囲気下において、高周波誘導加熱により、上記銅るつぼの直径または短辺長さに対し１．５倍以上の長さを有する活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊を製造する方法であって、支持体に取り付けられた棒状の溶解原料を、銅るつぼの内部に、加熱コイルの上端の高さ位置よりも下側にまで、支持体により上方から装入し、その先端部を凝固界面に接触させないように支持体により上方から保持して溶湯プールに浸漬させて、同プールからの伝熱により逐次溶解し、溶解原料を溶融状態で銅るつぼ内へ供給するとともに、銅るつぼ底部の上側に位置する加熱コイルの領域において溶湯プールを形成保持し、且つ溶湯プールの凝固界面のレベルが加熱コイルの下端と上端の間に位置した状態のもとで、るつぼ底を溶湯プールとともに引き下げ、鋳塊を毎分５０ｍｍ以下の速度で引き抜いて、下方から溶湯を逐次凝固させて連続的に鋳造することを特徴とする活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊製造法、
（２）Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙおよび希土類元素から選ばれる１種または２種以上の金属元素を含有する鋳塊を溶製することを特徴とする請求項１に記載の活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊製造法、
である。

本発明は、上述したように、ＣＣＩＭ法により、連続的に活性高融点金属合金の長尺鋳塊を溶製するに際し、溶解原料を常に溶解した状態のもとで銅るつぼ内に添加することにしたので、固形上の原料を供給する場合に見られる上述のような問題を生じない。すなわち、ＴｉＡｌ基合金、ＮｂＴｉ基合金やＺｒ、Ｖ、Ｃｒ基各合金等の活性高融点合金の長尺鋳塊が、成分偏析や中心部における凝固欠陥のない状態で製造できる。したがって、この種合金系のさまざまの新組成の長尺高級合金鋳塊の製造に途を開くことができる

本発明は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙおよび希土類から選ばれる１種または２種以上の金属元素を含有する活性高融点金属合金鋳塊の製造が目的である。たとえば、ＴｉＡｌ基合金、ＮｂＴｉ基合金、Ｚｒ基合金、Ｖ基合金、Ｃｒ基合金等であって、直径あるいは短辺長さに対し、１．５倍以上の長さを持つ円柱あるいは角柱状の長尺鋳塊を製造する。

本発明は、図１に示したように、高周波誘導加熱コイル（１）を外装した銅るつぼ（２）を使用して溶解原料を溶解そして凝固させるいわゆるCCIM法を基本とする。本発明では、銅るつぼの底盤（３）を適当な引き抜き機構により、上下方向に駆動できるようにし、また溶解原料は別に製造しておいた固形の棒状原料（４）を支持体（５）に取り付け、銅るつぼ（２）の内部中心に垂下させる。なお、この装置全体は、操業に際し真空もしくは不活性ガス雰囲気下におく。

棒状原料（４）は、成分調整した所定の合金材を事前に溶解して棒状に鋳造する方法、あるいはスクラップや原料等を機械的にプレス成形する方法により製作する。

そして、上記装置および原料を用いて本発明の方法を実施するには、装入すべき溶解原料を溶融状態にて銅るつぼ内に供給し、溶湯プール（６）の体積をほぼ一定に保持しつつ、下方からの冷却にて凝固する鋳塊（８）を下方へ引きおろす。
この場合必要なことは、溶湯プールの体積を一定に維持すると同時に、その凝固界面（７）の進行速度も一定に維持することである。そのために、冷却能力によって定まる凝固界面の進行速度に応じて鋳塊（８）を引き抜くと同時に、その引き抜き量に応じた量の溶解原料を供給する。

この方法では、同るつぼに内接して形成される溶湯プール（６）の凝固界面（７）のレベルは、図１のように、加熱用コイル（１）の下端と上端との間に位置した状態のもとで、液状の溶解原料を上方から供給することが重要である。

なお、液状の溶解原料を得るには、別に準備されたＣＣＩＭ設備による溶解法、プラズマアーク溶解法あるいはアーク溶解法等によるのもよいが、このような専用設備は大掛かりで経済的でもない。したがって、図１に例示した手段および方法によるのがもっとも実用的であるが、本発明はこの方法に限定されない。

図１の方法について説明すると、下記する初装原料が溶解して定常状態になってからは、棒状の溶解原料（４）を、その先端部分が凝固界面（７）に直接に接触することがないように、支持体（５）により上方から保持する。そして、溶湯プール（６）の上端付近のレベルで溶解原料を溶解させる。このためには、棒状の溶解原料（４）を加熱用コイルからの誘導加熱により溶融してもよいし、溶湯プール自身に棒状の溶解原料の先端部分を浸漬し、溶湯プールからの伝熱にて溶融させてもよい。いずれの方法によるも、溶解原料（４）を図１のように、加熱コイル（１）の上端レベルよりも下方へ下がったレベルで溶解して供給することが不可欠である。もし、このレベルより上方位置で棒状の溶解原料が早めに溶融すると、液滴になって落下するか、あるいは直接溶湯に吸収されて溶湯プールの量が増加し、前述した速度制御が困難となって成分偏析等の欠陥の原因になる。

以上の操作を行なうとき、鋳塊の引き抜き速度は、直接水冷が困難なため、毎分５０ｍｍ以下、よいのは３０ｍｍ以下、より好ましいのは２〜２５ｍｍである。
（実施例）
下記仕様のＣＣＩＭ法による鋳塊引き抜き鋳造法により、ＴｉＡｌ系（５０／５０ａｔ％）の金属間化合物の長尺鋳塊を製造した。

・高周波電源出力：最大４００ｋＷ
・周波数：約３０００Ｈｚ
・水冷銅るつぼ：内径φ２１０ｍｍ、使用冷却水量４００L／ｍｉｎ
側面部：２４本の水冷銅製セグメントで構成
底部：引き抜き機構に取り付けた水冷銅底盤
・ 高周波加熱コイル：７ターンを側面水冷銅るつぼの外周部に設置
・ 真空チャンバー：１０ｍ³
まず、工業用純チタン材で製作した引き抜きスタート盤を底部引き抜き機構に連結した水冷銅底盤（３）に取り付けて銅るつぼ（２）内に装入し、その上面が加熱用コイル（１）の下端部より１０ｍｍ上方のレベルに設定した。その上に、初装原料として、ＴｉＡｌ組成の溶解原料１５ｋｇを塊状の形で装入した。また、追加装入すべき溶解原料は、上記組成のＴｉＡｌを直径φ１５０〜１８０ｍｍの範囲で、長さ６００ｍｍほどの円柱状棒材を、真空チャンバー（図示しない）の上部に設置した原料吊り下げ機構の支持体（５）にとりつけた。なお、この棒状原料（４）は、複数の鋳塊を接合して重量約４０ｋｇの棒状に製作したものを使用した。

次いで、真空チャンバーを拡散ポンプで５×１０^-4Ｔｏｒｒまで真空排気後、高純度アルゴンを２００Ｔｏｒｒまで充填し、不活性雰囲気に置換した。次に、高周波電源の出力を入れ、１００ｋＷ（１０分間）→２００ｋＷ（１０分間）→３００ｋＷ（１０分間）保持した。この操作により、初装原料のＴｉＡｌ合金は溶解して銅るつぼ内に溶湯プールを形成した。そこで、棒状の溶解原料（４）を、溶湯プール上部の加熱コイル（１）の上端部よりも下側のレベルに装入されるように押し下げた。このように操作することにより、溶解原料の先端部が誘導発熱して溶解し、液滴となって落下して下方の溶湯プールに吸収され、溶解原料が溶融状態で溶湯プールに供給できることが確認できる。

さらに、溶湯プールの量が増加すると、やがて棒状の溶解原料の先端部は、溶湯プールの液面と接触し、さらに溶湯プール内に浸漬した状態となり、ここからは溶湯プールからの伝熱によっても溶解できるようになる。そして、溶湯プールの量が２０ｋｇほどに増加した時点で、すでに凝固してできつつある鋳塊を引き下げ機構を操作して下方に引き抜く。本実施例では、溶湯プールの液面レベルが一定に維持できるように、引き抜き速度を毎分５ｍｍとし、連続的に引き抜き鋳造した。

このようにして製造したφ２１０×（４００〜５００）Ｌｍｍの円柱状の鋳塊を縦方向に切断し、鋳塊の内部品質およびマクロ組織を検査に供した。

なお、比較例として、５０×５０×２０ｍｍサイズの塊状をした溶解原料を使用し、基本的には上記と同じような設備で溶解する二種の方法を実施した。すなわち、フイーダーを使用して塊状の溶解原料を１回に２ｋｇずつ間欠的に溶湯へ添加し、毎分２ｍｍの速度で連続的に鋳塊を引き抜く方法（Ａ）および溶解原料の添加中に鋳塊の引き抜き操作を中断して溶湯プールを３分間保持したのち、添加量に相当する分量の鋳塊を引き抜く操作を2０回継続する方法（Ｂ）とした。

以上各例の試験結果は表１に示す通りで、添加原料の溶け残りによる内部品質が、本発明の実施例では明らかに良好であり、またマクロ偏析についてみると、比較例では、凝固界面に沿って偏析をみとめるのに、本発明によるものはそれがない。

ところで、ＣＣＩＭ法を利用して引き抜き操作により、活性高融点金属合金の長尺鋳塊を製造しようとする場合、溶解原料の溶け残りができるのを抑制するためには、操作条件の最適化をはかることが肝要である。すなわち、成分偏析の発生は、凝固界面の進行速度のはやさに反比例する傾向があって、塊状つまり固体の溶解原料を供給するとき、そのサイズの大小によって溶湯中での溶融差を生じ、そのときの溶け残りが成分偏析をもたらす。このような問題を解決しようとするひとつの手段として、凝固鋳塊の引き抜きの間欠的な停止を組み合わせたのが上記比較法Ｂであるが、本発明は、同法よりもこの種活性高融点金属合金の成分組成の如何を問わず、成分偏析のない高品質の長尺鋳塊を安定的に製造できる点で安定していることがわかる。

本発明を実施するさいに使用するコールドクルーシブル誘導溶解設備および溶解状況の概要を示す模式図である。

１： 高周波誘導加熱コイル ５： 原料の支持体
２： 水冷銅るつぼ ６： 溶湯プール
３： 銅るつぼ底盤 ７： 溶湯の凝固界面
４： 棒状の溶解原料 ８： 引き抜き鋳塊

Claims (2)

1. るつぼ底が上下方向に駆動でき、その全長に亘り同じ内径を有する単一の水冷式銅るつぼおよび同るつぼの外周を取り巻く高周波誘導加熱コイルを使用し、真空または不活性ガス雰囲気下において、高周波誘導加熱により、上記銅るつぼの直径または短辺長さに対し１．５倍以上の長さを有する活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊を製造する方法であって、支持体に取り付けられた棒状の溶解原料を、銅るつぼの内部に、加熱コイルの上端の高さ位置よりも下側にまで、支持体により上方から装入し、その先端部を凝固界面に接触させないように支持体により上方から保持して溶湯プールに浸漬させて、同プールからの伝熱により逐次溶解し、溶解原料を溶融状態で銅るつぼ内へ供給するとともに、銅るつぼ底部の上側に位置する加熱コイルの領域において溶湯プールを形成保持し、且つ溶湯プールの凝固界面のレベルが加熱コイルの下端と上端の間に位置した状態のもとで、るつぼ底を溶湯プールとともに引き下げ、鋳塊を毎分５０ｍｍ以下の速度で引き抜いて、下方から溶湯を逐次凝固させて連続的に鋳造することを特徴とする活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊製造法。
2. Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙおよび希土類元素から選ばれる１種または２種以上の金属元素を含有する鋳塊を溶製することを特徴とする請求項１に記載の活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊製造法。