(57)【要約】【課題】本発明の目的は、低融点合金成分を有するチタン合金の製造において、組成の均一なチタン合金インゴットの製造を可能とする消耗電極およびその製造方法を提供する。【解決手段】高融点金属３と低融点金属４ａからなる合金インゴット溶製用消耗電極１において、低融点金属４ａが一度に溶け落ちずに、高融点金属３の溶け落ちに合わせて高融点金属３の中に均一に溶融されるように配設する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極において、前記低融点金属が一度に溶け落ちずに、前記高融点金属の溶け落ちに合わせて前記高融点金属中に均一に溶融されるように配設されたことを特徴とする合金インゴット溶製用消耗電極。
【請求項２】
高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極において、前記低融点金属が前記高融点金属中に分散配置されたことを特徴とする合金インゴット溶製用消耗電極。
【請求項３】
前記低融点金属が前記高融点金属中に層状に分散配置されたことを特徴とする請求項２記載の合金インゴット溶製用消耗電極。
【請求項４】
前記低融点金属が前記高融点金属中に塊状に分散配置されたことを特徴とする請求項２記載の合金インゴット溶製用消耗電極。
【請求項５】
前記高融点金属が、チタン、ジルコニウム、ニオブ、クロム、バナジウムであり、前記低融点金属が、スズ、鉛、アルミニウムであることを特徴とする請求項２乃至４いずれか記載の合金インゴット溶製用消耗電極。
【請求項６】
高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極の製法において、前記低融点金属を一度に溶融させずに、前記高融点金属の溶け落ちに合わせて前記高融点金属中に均一に溶融するように配設することを特徴とする合金インゴット溶製用消耗電極の製造方法。
【請求項７】
高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極の製法において、前記低融点金属を前記高融点金属中に分散配置する工程を備えたことを特徴とする合金インゴット溶製用消耗電極の製造方法。
【請求項８】
前記低融点金属を前記高融点金属中に層状に分散配置することを特徴とする請求項７記載の合金インゴット溶製用消耗電極の製造方法。
【請求項９】
前記低融点金属を前記高融点金属中に塊状に分散配置することを特徴とする請求項７記載の合金インゴット溶製用消耗電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極とその製造方法に係り、特に、真空アーク溶解または電子ビーム溶解によりチタン合金インゴットを製造するための消耗電極およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン材は高い強度を有し、また高温下での使用が可能であるため、様々な用途に使用されるが、特に航空機用に用いられる場合は、高品質で十分な信頼性を備えた素材が提供されている。
【０００３】
このため、航空機用のチタン材として、クロール法により製造されたスポンジチタンのうち、酸素や鉄、あるいは窒素等の含有率が低いスポンジチタンを選別し、このスポンジチタンを原料とした純チタンインゴットが製造されていた。しかし、高い強度を有する合金を製造する場合には、純チタンに合金成分を添加することが必要になる。
【０００４】
このような合金を製造する際には、合金成分を溶融金属内に投入する方法、あるいは合金成分を母材金属の中心部に内包させる方法（例えば、特許文献１参照）が知られており、さらには母材の周囲に合金素材を巻きつける等の方法が開示されている。
【０００５】
また、板状の溶解原料を交互に配置したものを溶解する方法（例えば、特許文献２参照）により、合金成分を添加する等の技術が開示されているが、いずれも合金成分の分布に対する要請が厳しい場合には対応することが困難であった。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭４６−１７４１３号公報（第２頁）
【０００７】
【特許文献２】
特開昭４９−１２０８１１号公報（第２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、高融点金属材中に合金元素を種々の手段で添加して合金インゴットが溶製されてきているが、金属の融点の温度差が大きい等の理由からインゴット中の合金成分に偏りが生じる場合があった。
【０００９】
とりわけ、前記した合金成分の融点が母材の融点に比べて極端に低い場合には、低融点合金成分が溶解中に優先して溶解するため、組成の均一な合金インゴットの製造が難しいという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、低融点合金成分を有するチタン合金の製造において、組成の均一なチタン合金インゴットの製造を可能とする消耗電極およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明に係る合金インゴット溶製用消耗電極によれば、高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極において、前記低融点金属が一度に溶け落ちずに、前記高融点金属の溶け落ちに合わせて前記高融点金属中に均一に溶融されるように配設することで解決される。すなわち、前記低融点金属が前記高融点金属中に分散配置するように構成する。
【００１２】
本発明に係る合金製造用消耗電極によれば、母材に比べて融点が極端に低い合金成分を含有する場合にも、分散配置された低融点金属が少しずつ溶融して高融点金属に混ざり合うので、効果的に均一な組成のチタン合金を製造することができる。
【００１３】
前記低融点金属は、例えば前記高融点金属中に層状に分散配置される。或いは、前記低融点金属は、前記高融点金属中に塊状に分散配置される。
なお、前記高融点金属は、例えば、チタン、ジルコニウム、ニオブ、クロム、バナジウムであり、前記低融点金属は、例えば、スズ、鉛、アルミニウムである。
【００１４】
本発明の合金インゴット溶製用消耗電極の製造方法は、高融点金属と低融点金属からなる合金インゴット溶製用消耗電極の製法において、前記低融点金属を一度に溶融させずに、前記高融点金属の溶け落ちに合わせて前記高融点金属中に均一に溶融するように配設するものである。
【００１５】
本発明では、前記低融点金属を前記高融点金属中に分散配置する工程を経て、合金インゴット溶製用電極を製造する。このとき、例えば前記低融点金属を前記高融点金属中に層状に分散配置するか、或いは、前記低融点金属を前記高融点金属中に塊状に分散配置すると好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【００１７】
図１乃至図４は本発明の一実施例を示すものであり、図１および図２は合金インゴット溶製用消耗電極を構成するブリケットの断面図であり、図３および図４は、ブリケットを組み込んだ電極の全体構成を示す断面図である。なお、ブリケットとは、電極構成の最小単位をなすものであり、直方体形状あるいはかまぼこ型に形成されている。
【００１８】
本発明における合金インゴット溶製用消耗電極（以下、「電極１」という。）は、真空アーク溶解することによりチタン合金インゴットを得るためのものである。電極１は、複数のブリケット２を接合して形成される。
【００１９】
電極１を構成するブリケットの一例を図１に示す。図１は、ブリケット２の断面を示すものである。本例のブリケット２は、高融点金属材３中に、この高融点金属材３よりも融点の低い低融点金属材４が、ブリケット内部に分散して配置されている。本例では、低融点金属材４は水平方向に層状に分散配置されている。
【００２０】
ブリケット２を構成する高融点金属材３は、金属チタンやジルコニウムあるいはニオブ、クロム、バナジウムが該当するがこれに限るものではなく、それ以外の金属でも適用できる。また、これらの金属を適宜配合して用いても良い。
【００２１】
ブリケット２を構成する低融点金属材４は、高融点金属材３よりも融点の低い合金材料を選択することができる。たとえば、スズや鉛あるいはアルミニウム等の金属材料を選択することができる。また、これらの金属を適宜配合して用いても良い。
【００２２】
尚、ブリケット２を構成する高融点金属材３と低融点金属材４は、融点の差がそれほど大きくなくても適用できるが、融点の差異が大きい場合には、本願発明の効果を効率よく発揮することができるものである。
【００２３】
図１に示したブリケット２の内部に分散配置された低融点金属材４は、層状に配置されており、低融点金属層４ａが構成されている。本例では、低融点金属層４ａは、４層に配置されている。尚、これに限るものではなく、４層以上または４層より少なく配置してもよい。層数が増加するに伴い、溶製されるインゴット中の合金組成の均一性も向上する。しかし、層の数が増えるとブリケット２の生産性が低下するので、現実的には１０層程度を上限とすることが好ましい。
【００２４】
一方、ブリケット２の内部に分散配置した低融点金属層４ａの層数は、少ないほど生産性は向上するが、溶製後のインゴットの均一性を維持するには３層以上が好ましい。
【００２５】
ブリケット２を構成する低融点金属層４ａは、ブリケット２の断面方向全体に分散しても良いが、複数のブリケットを組み合わせて溶接することにより図３に示すような電極を構成するため、溶接強度を確保するために、低融点金属層４ａはブリケット２の表面に現れないように配置することが好ましい。
【００２６】
具体的には、低融点金属層４ａは、ブリケット断面全体の８０％程度を上限として現れるように配置することが好ましい。尚、下限については適宜選択すれば良いが、均一な組成のインゴットを溶製するためには、ブリケット断面の５０％以上を占めるように低融点金属層４ａを配置するのが好ましい。
【００２７】
ブリケット２に低融点金属層４ａを配置する際は、粒状にした低融点金属材料を高融点金属材３中に層状に組み込んでいくこともできるが、低融点金属材４を予め板状に成型してコンパクトを形成しておき、このコンパクトを高融点金属材３中に配置した構成としてもよい。このようにコンパクトを配置することで、低融点金属材４を高融点金属材３中に精度良く配置していくことができる。
【００２８】
ブリケット２を構成する高融点金属材３は、チタンを例にとると、スポンジチタン、切粉（鍛造したスラブ表面の研削時に発生する研削屑、あるいは切削屑をいう。）、あるいはチップ（ここでは、圧延板、棒、線を加工する際に発生する切断片をいう。）を使用することができる。
【００２９】
高融点金属材３を構成するチタン材は、ブリケット２にする際の成形性を考慮すると、スポンジチタン、切粉、あるいはチップは、４ｍｍ〜３０ｍｍ、あるいは３０ｍｍ角以下の切片としておくことが好ましい。また、２種類以上の材料を使用する場合は、ミキサーで十分混合しておくことが好ましい。
【００３０】
尚、高融点金属材３としてスクラップ材を使用する場合には、切削油や水分が付着している場合が多いので、ブリケット２に成型する前に十分除去しておくことが好ましい。
【００３１】
切削油については、有機溶剤等による洗浄により除去することが可能である。洗浄後のチタン材中の油分は０．０２重量％以下、水分は０．０１重量％以下にしておくことが好ましい。
【００３２】
図２は、高融点金属材３中に塊状の低融点金属材４ｂを分散配置した例を表している。このように配置することによっても、低融点金属材４の全量が一度に溶け落ちすることなく、組成の均一なインゴットを溶製することができる。
【００３３】
図２に示した塊状の低融点金属材４ｂの重量は、少ないほど溶製後のインゴット中の組成は均一になり好ましいが、生産性を考慮すると１個のブリケット２に内装すべき低融点金属重量の５％から１０％程度に分割して配置することが現実的である。
【００３４】
図２に示すような、塊状の低融点金属材４ｂを分散配置したブリケット２は、ブリケット成型に先立って、塊状の低融点金属材４ｂを高融点金属材３と混合しておくことで構成できるが、その他の方法で製造しても良い。
【００３５】
図１あるいは図２に示した低融点金属材４の配置は２成分系に対する好適な配置例であるが、２成分系以上の合金を製造する場合にも適用できる。例えば３成分系の合金を製造する場合には、低融点金属層４ａを第１成分層と第２成分層に分離して交互に配置することができる。このように配置することで、組成の均一な多成分系の合金を溶製することができる。
【００３６】
図１あるいは図２に配置した低融点金属層４ａまたは塊状の低融点金属材４ｂは、低融点金属材４のみから構成しても良いが、高融点金属材３と混合したものを配置しても良い。このように配置することで、溶製後のインゴット中の組成をさらに均一にすることができる。
【００３７】
ブリケット２は、例えば、縦２０〜４０ｃｍ、横３０〜５０ｃｍ、高さ２０〜３０ｃｍ、質量は３０〜１００ｋｇになるように形成されるが、これに限るものではない。ブリケット２は、原料金属材を型枠に入れ、およそ３０００トンの圧力で圧縮成形して作成される。
【００３８】
図３は、図１に示したブリケット２を溶接接合して構成した電極１の構成例を表している。電極１は、例えば前記の方法で製造したブリケット２の複数個を溶接接合して、一体化して形成される。
【００３９】
なお、ブリケット２について、二つ割りのブリケットを組合せて溶接接合して１個のブリケット２を構成するようにしても良い。ブリケットを組合せることにより、１個のブリケット内に異なる成分を含ませることができる。したがって、組合せによって複数の成分を電極中に分散させることが可能となる。
このように、二つ割りのブリケットを組合せる方法は、３成分系以上の合金インゴットを製造する際に合金成分を均一に配置できる有効な方法である。
【００４０】
電極１を構成するブリケット２の成型密度は、３ｇ／ｃｍ３〜４ｇ／ｃｍ３の範囲とすることが好ましいが、低融点金属材４を中心部に内包させる場合には前記の範囲で高い方に設定しておくことが好ましい。上記成型密度でブリケット２を成型することで、溶解中の低融点金属材４の優先的な溶け落ちを防止するのに効果的である。
【００４１】
尚、ブリケット２の嵩密度が上記範囲の上限値以上になると、ブリケット２中に含まれる塩化マグネシウム等の揮発成分が散逸しにくく、溶製後のインゴット中で、塩素や酸素等の不純物濃度が下がりにくくなる場合があり好ましくない。
【００４２】
本発明で使用するブリケット２は、図１乃至図６に示すように、ブリケット２の内部において、低融点金属材４が、高融点金属材３中に分散配置するように構成されている。
【００４３】
図７に示すブリケット２´は参考例である。図７に示すブリケット２´では、高融点金属材３´の中央部に、低融点金属材４´が集中して配置されている。このため、ＶＡＲ溶解中に、低融点金属材４´の部位が優先的に溶け落ちて、溶製後のインゴット中の合金成分が長手方向に不均一になるという問題が発生する。
【００４４】
次に、電極１の形成方法の一例について説明する。図３に示すように、電極１は、２〜８個程度のブリケット２を垂直方向に複数段積み上げ、プラズマアーク溶接手段により接合部で溶接加工して柱状に形成される。
【００４５】
本例の電極１を構成するブリケット２は、低融点金属材４がブリケット表面に存在せず、ブリケット２に内包されているため、高い溶接強度が保持できる。よって、図３に示すように、多数のブリケット２を接合した電極１を形成することができ、結果として、大型のインゴットの製造が可能となる。
【００４６】
なお、電極１の大きさは、目的とする合金チタンインゴットの大きさに基づき選択される。例えば、５〜１５トン程度のチタン合金インゴットを製造する場合は、ブリケットユニットの構成にもよるが、通常ブリケットを５〜３０段積層して電極１が形成される。
【００４７】
電極１を溶解する際には、電極頂部にスタブが溶接により接合され、ＶＡＲ溶解炉内に装着される。なお、スタブを確実に接合するために電極１の頂部には、高融点金属材３のみで構成されたブリケット２を接合しておくと、耐荷重性の面で好ましい。
【００４８】
図４は、電極１の他の構成例を示す。図４の例は、電極１を構成するブリケット２中の低融点金属層４ａが、水平方向と垂直方向に交互になるように配置したものである。このように配置することでインゴットの断面方向のみならず長手方向に対しても合金成分を均一に分布させることができる。
【００４９】
なお、電極１およびブリケット２については、図１乃至図４に図示した以外に、次の構成であっても良い。
図５は、ブリケット２の他の構成例を示すものである。図５のブリケット２では、高融点金属材３中に、低融点金属層４ａと塊状の低融点金属材４ｂとが混在した構成とされている。
【００５０】
図６は、電極１の他の構成例を示すものである。図６の電極１は、低融点金属層４ａが分散配置されたブリケット２と、塊状の低融点金属材材４ｂが分散配置されたブリケット２が交互に配置されている。尚、一つずつ交互にするのではなく、同じ種類のブリケットを二つ以上連続させてから、他の種類のブリケットを配置するようにしても良い。
【００５１】
また、低融点金属層４ａが、水平方向と鉛直方向になるように交互に配設してから、塊状の低融点金属材材４ｂが分散配置されたブリケット２を配設するようにしても良い。また、図５に示すブリケット２を組み合わせても良い。このように、ブリケット２の配置については、自由に組合せることが可能である。
【００５２】
以下、本例において作成されたブリケットの具体例を示す。
（具体的実施例）
具体的な実施例として、高融点金属材がスポンジチタンで低融点金属材がスズである場合のＶＡＲ溶解用電極の構成例を表す。
【００５３】
使用した素材は、具体的には、
Ａ級スポンジチタン；
平均粒径６ｍｍの粒子、（成分）Ｏ含有量；０．０８５重量％、
Ｎ含有量；０．００３重量％、Ｆｅ含有量；０．０４重量％、
Ｔｉ純度；９９．８％以上。
スズショット；
平均粒径２ｍｍの粒子、（成分）
である。
【００５４】
ブリケットの形状は角型であり、高さ１８５ｍｍ×横幅２６５ｍｍ×奥行３２０ｍｍの大きさに形成されている。
【００５５】
材料の配置（ブリケットのタイプ）および原料チタン材の割合を表１に示す。
ここでは、ブリケット１（実施例１）、ブリケット２（実施例２）およびブリケット３（参考例）を作成した。
【００５６】
（実施例１）
ブリケット１は、図１に示すようにスズショットを層状に分散配置したブリケットであり、Ａ級スポンジチタン７６％、スズショット３％、その他合金成分２１％の割合で形成されている。
【００５７】
（実施例２）
ブリケット２は、図２に示すような塊状の低融点金属材を分散配置したブリケットであり、原料配合は実施例１と同じである。
【００５８】
（参考例）
ブリケット３は、図７に示すような低融点金属集中配置型のブリケットであり、原料配合は実施例１と同じである。
【００５９】
上記原料チタン材を型枠に充填したのち、圧搾機によりプレス圧３２００トンで圧縮成形し、ブリケット１，ブリケット２，ブリケット３を作成し、各々のブリケットをアルゴンシールプラズマアーク溶接した。ついでこれらの電極を用いてＶＡＲ溶解を行った。そのときの結果を表１に示した。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
実施例１および実施例２に示したブリケット１とブリケット２について、ハンマーにより衝撃を加えたが、ブリケットの崩壊はなかった。また、溶接したブリケットの溶接部と母材との結合状況も良好であった。また、ＶＡＲ溶製後に得られた合金チタンインゴット中のスズ組成も比較的均一であった。
【００６２】
しかしながら、参考例に示した例では、溶解途中で低融点金属が優先して一機に解け落ちてしまったので溶製後のインゴット中の合金成分のばらつきは大きかった。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、合金インゴットを製造するための電極において、低融点金属が高融点金属中に分散配置されており、低融点金属が一度に溶け落ちずに少しずつ高融点金属の溶け落ちに合わせて溶融するので、溶製されるインゴット中の合金組成の均一性が向上され、組成の均一な合金インゴットを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブリケットの断面説明図である。
【図２】本発明に係るブリケットの断面説明図である。
【図３】ブリケットを組み込んだ電極の全体構成を示す断面図である。
【図４】ブリケットを組み込んだ電極の全体構成を示す断面図である。
【図５】ブリケットの他の例を示す断面図である。
【図６】電極の他の例を示す断面図である。
【図７】参考例に係るブリケットの断面図である。
【符号の説明】
１  電極
２  ブリケット
３  高融点金属材
４  低融点金属材
４ａ  低融点金属層
４ｂ  塊状の低融点金属材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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