(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマアーク溶解により、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合金の長尺鋳塊を製造するさいに、成分偏析や中心部に引け巣およびボイド欠陥が発生するのを確実に阻止すること。【解決手段】アルゴン雰囲気下で活性高融点金属を含有する合金をプラズマアーク溶解する方法において、３０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒのアルゴンヘリウム雰囲気を保持した状態のもとで、あらかじめ調製しておいた所定合金組成の原料棒をプラズマアークにより溶解し、その溶湯プールを水冷銅るつぼ内に保持しつつ冷却凝固させながら、銅るつぼの可動底盤を毎分２ｍｍ〜５０ｍｍの速度で下方へ引き抜くことを特徴とするプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
あらかじめ溶解調製しておいた活性高融点金属含有合金からなる原料棒を、３０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中において、プラズマアークにより溶解し、その溶湯プールを水冷銅るつぼ内に保持しつつ冷却凝固させながら、銅るつぼの可動底盤を毎分５０ｍｍ以下の速度で下方へ引き抜くことを特徴とするプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。
【請求項２】
活性高融点金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙまたは希土類元素である請求項１に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。
【請求項３】
活性高融点金属含有合金からなる原料棒があらかじめコールドクルーシブル誘導溶解法、真空アーク溶解法、電子ビーム溶解法またはプラズマアーク溶解法により溶解調製されたものである請求項１または２に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。
【請求項４】
直径または一辺の長さに対する高さの比が１．５以上の長尺鋳塊を製造対象とする請求項１、２または３に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。
【請求項５】
原料棒をその長軸のまわりに回転させながらプラズマアークに向けて前進供給する請求項１、２、３または４に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンやジルコニウム等の活性高融点金属を含有する合金の長尺鋳塊を、アルゴン雰囲気下でプラズマアーク溶解法により製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チタンやジルコニウム等の活性高融点金属を含有する各種チタン合金やジルカロイ等の実用性にすぐれた合金は、真空アーク溶解、コールドクルーシブル誘導溶解、電子ビーム溶解あるいはプラズマアーク溶解等により造塊して製造されている。
【０００３】
上記真空アーク溶解法は、所定成分の合金棒状体を消耗電極にして真空中で少しずつアーク溶解し凝固させる方法であるが、合金成分間の融点差が大きい合金を溶製する場合、低融点成分の溶落が高融点成分の溶落に先行して成分偏析のある鋳塊になりやすい。たとえば、アルミニウム含有量の多いＴｉＡｌ系金属間化合物の溶製時には、低融点のアルミニウムが先行して溶落するために、消耗電極自体がチタン過剰により機械的強度が不足し未溶解で落下する。その結果、両金属成分が混じり合わないまま溶解し、合金化が不十分のまま成分偏析の大きな鋳塊しか得られないという致命的な問題がある。
【０００４】
上記コールドクルーシブル誘導溶解は、高周波コイルを装備した水冷銅るつぼを使用し、真空または不活性ガス雰囲気中において、るつぼ内で原料を一括して溶解する方法である。本法は、高融点差の金属成分でもるつぼ内に均質の溶融金属浴を形成できるが、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ等のような、高融点高比重の金属元素を含む合金の場合は、その成分元素が製品インゴット中に未溶解物のまま残存するリスクがある。
【０００５】
また、上記電子ビーム溶解法は、通常皿状の溶解容器（ハース）を使用し、その内部で溶融金属を十分に合金化することはできる。しかし、ハースを使用する限り、溶融金属域の体積が目的とする鋳塊全体に比して小さいため、それに応じた細かいサイズに配合原料を調製しなければならない制約があって、合金成分が均質な鋳塊の製造に難点がある。また、本法は、高真空下で実施するので、アルミニウムやすず等の合金成分が蒸発しやすく、鋳塊の成分組成が変動しやすい問題もある。
これに対し、プラズマアーク溶解法は、ハース内で溶融金属を十分に合金化し、ハース内の浅い溶融プールで偏析が少ない鋳塊が製造できるが、前記電子ビーム溶解法と同様に配合原料サイズの制約を受ける。しかも、ハースを用いる以上、直径に対する高さが１．５以上となるような長尺鋳塊の製造が至難である。もっとも、細粒状に調製した原料を溶湯プールに供給しつつ、凝固部分を下方へ引き抜く連続鋳造により、プラズマアーク溶解法で長尺鋳塊を製造することはすでに実用化されている。しかし、この方法では、高融点高比重の金属元素が未溶解のままでインゴット中に残存して巻き込まれるおそれがあって、製造が不安定である。
また、このプラズマアーク溶解法の場合、チャンバー内の高圧雰囲気を構成するアルゴンガスが鋳塊中に巻き込まれると、数μｍのボイドを含んで均質の機械的特性を有する鋳塊の製造を困難にするので、チャンバー内圧力を低くする必要がある。下記特許文献１は、プラズマアーク溶解により、チタン基合金を溶製する方法およびそれを常圧ないし減圧下で実施する方法を開示し、２回にわたるプラズマアーク溶解を実施することで、原料調達の便宜をはかっている。しかし、この方法は、不純物レベルの低いチタン基合金の鋳塊の製造を意図するものの、鋳塊内部の数μレベルの微細な空孔を排除し、高度に安定した機械的特性が要求されるチタン合金の長尺鋳塊の製造法として満足できるものではない。
なお、下記特許文献２および３は、プラズマアーク溶解を０.３〜１０気圧あるいは０．５〜１０気圧のような低圧から高圧にわたる広範囲の雰囲気圧力下で実施する方法を開示する。しかし、特許文献２は、ガス成分含有量の少ない真空メッキ用蒸着源の製造を企図したもので、長尺の鋳塊に適した技術ではない。また、特許文献３は、連続鋳造により希土類元素含有合金の製造ができることを開示するが、原料を粒状で供給する方法であって、必ずしもボイド欠陥のない高品質の鋳塊が製造できるものではない。
【特許文献１】昭５７−１４５９４６号公報
【特許文献２】昭５６−１３４７７号公報
【特許文献３】昭５５−２８３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、プラズマアーク溶解により、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙまたは希土類元素等の活性高融点金属元素を合金成分として含有する合金の長尺鋳塊を製造する方法であって、成分偏析や中心部に引け巣およびボイド欠陥が発生するのを確実に阻止して溶製することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、
（１）あらかじめ溶解調製しておいた活性高融点金属含有合金からなる原料棒を、３０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中において、プラズマアークにより溶解し、その溶湯プールを水冷銅るつぼ内に保持しつつ冷却凝固させながら、銅るつぼの可動底盤を毎分５０ｍｍ以下の速度で下方へ引き抜くことを特徴とするプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法、
（２）活性高融点金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙまたは希土類元素である請求項１に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法、
（３）活性高融点金属含有合金からなる原料棒があらかじめコールドクルーシブル誘導溶解法、真空アーク溶解法、電子ビーム溶解法またはプラズマアーク溶解法により溶解調製されたものである請求項１または２に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法、
（４）直径または一辺の長さに対する高さの比が１．５以上の長尺鋳塊を製造対象とする請求項１、２または３に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法、
（５）原料棒をその長軸のまわりに回転させながらプラズマアークに向けて前進供給する請求項１、２、３または４に記載のプラズマアーク溶解による活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊の製造方法、である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、プラズマアーク溶解により、活性高融点金属含有合金の長尺鋳塊を溶製するにあたって、アルゴンガス雰囲気の圧力を３０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒの範囲とし、かつ冷却により凝固してできる鋳塊の引き下げ速度を毎分５０ｍｍ以下の条件下で制御するようにしたので、凝固偏析や成分偏析がなく、中心部にボイドのない健全良質の長尺鋳塊が容易に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｙあるいは希土類などの活性高融点金属元素を合金成分として含有する合金類の長尺鋳塊を製造する方法である。もっとも具体的な対象合金は、金属間化合物系合金であるＴｉＡｌ基合金のほか、ＮｂＴｉ系、ＮｉＴｉ系、ＶＴｉＣｒ系、Ｃｒ系あるいはＺｒＡｌＣｕＮｉ系合金のような活性高融点金属含有合金である。
【００１０】
そして、本発明は、鋳塊の直径または一辺の長さに対し、鋳塊の高さが１．５倍以上の円柱状もしくは角柱状をした上記合金の長尺鋳塊の製造を目的とする。
【００１１】
本発明を実施するには、まず目的とする製品鋳塊の合金成分組成に調合された原料を溶解して丸棒状に調製する。この原料棒は任意の溶解法で製造すればよいが、コールドクルーシブル誘導溶解、真空アーク溶解、電子ビーム溶解あるいはプラズマアーク溶解のいずれかの方法で溶製するのがよい。
【００１２】
本発明では、上記原料棒をプラズマアーク溶解により長尺の鋳塊に溶製するが、そのために図１、２に例示したプラズマアーク溶解装置を使用する。本装置は、外周に高周波コイルを装備した水冷式の銅るつぼ（１）を使用し、とくにその底盤（２）が上下方向に駆動できるように設計したものを用いる。また、原料棒（３）を水平方向に装着できるようにした原料フイーダ（４）は、水平方向に原料棒（３）を駆動できるように設計し、そして、これらの装置は、図示しない真空チャンバ内に設置してある。一方、銅るつぼ（１）の直上に位置してプラズマトーチ（５）を設け、上方から供給されるアルゴンヘリウム混合ガスをプラズマ化することにより、これを熱源として原料棒（３）を溶融する。
【００１３】
上記の設備により、原料棒を用いてプラズマアーク溶解を実施するには、はじめに同原料棒（３）と同一の組成を有する盤状のスタート盤（６）を銅るつぼ（１）内の底盤（２）の上に定置しておく。そして、チャンバ内を真空にしたのち、アルゴンガスを導入してチャンバ内を常に３０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒに保持した状態のもとで、プラズマトーチ（５）に供給されるアルゴンヘリウム混合ガスをプラズマ化して溶解熱源のプラズマアークを保持する。
【００１４】
本発明がチャンバ内の雰囲気を３０Ｔｏｒｒ以上に制御するのは、溶解作業中にプラズマアークが不安定化して途切れ、溶解が中断するのを防止するためである。そのために３０Ｔｏｒｒ以上にする必要があるが、２００Ｔｏｒｒ以上の雰囲気になると、アルゴンガスが鋳塊中に巻き込まれて数μｍのボイドが多数残存することになり、鋳塊の均質な機械的性質を損なうおそれがあるため好ましくない。
【００１５】
上記の雰囲気を維持した状態で、原料フイーダ（４）を駆動して原料棒（３）を水平移動させ、その先端部をプラズマアーク中に挿入することにより、その表層部が溶融し液滴となって落下し、銅るつぼ内に溶湯プールをつくる。原料フイーダ（４）は水平駆動すると同時に、原料棒（３）をその中心軸のまわりに自転できるように設計しておくと、両方の動作で原料棒（３）が全体的に均一かつ確実に溶解できる。
【００１６】
原料棒（３）を溶解しながら、その溶湯を載せた状態のままで銅るつぼ（１）の底盤（２）を引き下げることにより、長尺の鋳塊が連続的に製造できる。すなわち、この引き下げ操作により、銅るつぼ（１）の内部に保持された溶湯は、水冷銅るつぼの冷却作用を受けて徐々に凝固しながらるつぼ内を下降すると同時に、固体状に変化して鋳塊になった部分は確実にるつぼから下方へ引き抜かれ、製品鋳塊へと成長していく。
【００１７】
本発明は、銅るつぼの底盤（２）の引き下げによる鋳塊の引き抜き速度を毎分５０ｍｍ以下に制御することが特徴である。本操作により、溶解金属は冷却され凝固しながら下方へ引き抜かれるので、あまり高速になると、溶湯の一部が冷却不足のため未凝固のままるつぼ外へ漏れ出るおそれがあり、従って、毎分５０ｍｍ以下、望ましくは毎分２０ｍｍ以下の範囲で制御する。但し、この引き抜き速度があまり小さい条件では生産性を阻害することになるため、１ｍｍ以上に維持することが好ましい。なお、アルミニウムや銅の連続鋳造のように、直接に鋳塊を水冷することが考えられるが、本発明が対象とする活性高融点金属を含有する合金は、酸化されるのを回避しなければならないから、冷却状況にあわせた引き抜き速度を適切に制御することが不可欠である。
【００１８】
一方、銅るつぼの外周には誘導加熱用のコイルを装備してあり、これに直流電流を通電することにより、溶湯プールに回転方向の撹拌流れが生じて鋳型内に均等に熱供給でき、引き抜き鋳塊の表面品質が一定になる効果が期待できる。
【００１９】
このようにして溶解および引き抜き操作を継続し、やがて図２のように、原料フイーダ（４）により供給される原料棒（３）が所定の位置に到達した時点で、鋳塊の引き抜き操作を停止するが、この鋳造終了過程においては、プラズマアークの熱量を段階的に低減させる操作をおこなう。そうすることにより、鋳塊の最終部分がゆるやかに凝固し、鋳塊に引け巣が発生するのが防止でき、最終的に凝固欠陥および成分偏析がない健全な長尺鋳塊が連続的に製造できる。
（実施例）
本発明の実施例として、図１の設備を使用し、直径１６０ｍｍおよび長さ６００ｍｍ〜７００ｍｍのＴｉＡｌ系（５０／５０ａｔ％）金属間化合物合金の鋳塊を製造した。このときの設備の仕様および操作条件は下記のとおりである。
【００２０】
・電源出力：最大１００ｋＷ
・操業電流：７００〜９５０Ａ
・水冷銅るつぼの内径：１６０ｍｍ
・水冷銅るつぼの冷却水量：１００Ｌ／ｍｉｎ
・銅るつぼの底盤：引き抜き機構付きの水冷式銅底盤
・プラズマガス：Ａｒ１−Ｈｅ５の混合ガス（流量約６０Ｌ／ｍｉｎ）
・真空チャンバ：２ｍ3
まず、ＴｉＡｌ系金属の原料をコールドクルーシブル溶解法により溶解して、直径１２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの丸棒状の鋳塊に製作し原料棒とし、これを原料フイーダに水平方向に装着した。また、この原料棒と同一組成のＴｉＡｌ材で引き抜きスタート盤を製作し、るつぼ底部の引き抜き機構に装着した。
そして、真空チャンバをブースターポンプにて１Ｔｏｒｒまで真空排気後、高純度アルゴンを、実施例１では２００Ｔｏｒｒまで、また実施例２では１５０Ｔｏｒｒまで、実施例３では８０Ｔｏｒｒまで、実施例４では３０Ｔｏｒｒまで、それぞれ充填して不活性ガス雰囲気に置換した。
つぎに、プラズマトーチを起動してアルゴンヘリウム混合ガスによりプラズマアークをを発生させ、その中へ原料棒を回転させながら、その先端部分を原料フイーダの駆動により挿入した。この操作により、原料棒先端の表層部は溶融し、液滴となって落下し、銅るつぼ内にプールを形成した。この操作と同時に、銅るつぼ外周のコイルに通電してプールに回転方向の撹拌流れを起こし、鋳型内に均等な熱供給を行い、鋳塊の表面品質が一定となるように制御した。
そして、各実施例とも表１に示すように、溶湯プールを毎分２〜５０ｍｍの速度で下方へ引き下げる操作を実施し、φ１６０ｍｍ×７００Ｌｍｍの長尺鋳塊を得た。
一方、上記実施例１〜４とは別に、比較のため、真空チャンバ内の圧力を９００Ｔｏｒｒ、引き抜き速度を毎分７０ｍｍとした場合（比較例１）、同圧力を２５０Ｔｏｒｒ、引き抜き速度を毎分２ｍｍとした場合（比較例２）、また同圧力を８０Ｔｏｒｒ、引き抜き速度を毎分２ｍｍとした場合（比較例３）についても同様の溶製をおこなった。
以上７例の各鋳塊の品質を表１に示す。これによって、本発明による溶製効果の優れている事実がよく理解できる。
【００２１】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】プラズマアーク溶解設備の概略を示す。
【図２】上記設備による鋳造時の状況を示す概略図。
【００２３】
（１）水冷銅るつぼ    （４）原料フイーダ
（２）るつぼ底盤      （５）プラズマトーチ
（３）原料棒          （６）スタート盤
【図１】
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【図２】
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