(57)【要約】【課題】ストリーク状のマクロ的成分偏析や異常なマクロ的金属組織等のない、高水準の内質特性を備えたＶＡＲインゴットを製造する方法を開発する。【解決手段】鋳造中における鋳型１内壁とインゴット３間に形成される空隙をなくす。その方法として、鋳型内の底部に低融点合金７からなる塊を設置し、その温度を加熱機構及び冷却機構により制御して、インゴットが熱収縮により鋳型内壁との間に空隙が発生するタイミング及び空隙の大きさを予測又は把握する。低融点合金融解時の体積膨張量を制御することにより、空隙の発生を防止するか、低融点合金の融解により空隙部を充填して、インゴットから鋳型への伝熱形態について、接触伝熱を保持し、輻射伝熱を抑止する。インゴットの鋳造長さに応じて低融点合金の温度を、低融点合金の固液共存層の液層分率に応じて定まる体積膨張量が、上記適切な体積膨張量と一致するように制御する。【選択図】        図１
2004237337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空アーク放電により電極を溶解し、得られた溶融金属を水冷銅鋳型を用いてインゴットを鋳造するＶＡＲインゴットの製造方法において、
当該インゴットが冷却し、凝固する過程で当該鋳型内壁と当該インゴットとの間に形成される空隙をなくして、当該鋳型による当該インゴットの強制冷却形態を、放射伝熱から接触伝熱に変化させて当該インゴットを冷却し、凝固させることを特徴とするＶＡＲインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記鋳型内壁と前記インゴットとの間に形成される空隙をなくすために、前記鋳型内の底部に低融点合金からなる塊を設置し、当該塊の温度を加熱機構及び冷却機構により制御することにより、当該塊の上部に形成される前記インゴットが熱収縮により前記鋳型内壁との間に空隙が発生するタイミング及び当該空隙の大きさを予測するか、又はそれらを把握し、前記低融点合金を融解させ、当該融解時における当該低融点合金全体の体積膨張量を制御することにより、前記空隙の発生を未然に防止するか、又は前記低融点合金の融解により前記空隙部を充填することを特徴とする、請求項１記載のＶＡＲインゴットの製造方法。
【請求項３】
前記低融点合金全体の体積膨張量の制御は、形成が予想される前記空隙量、又は形成した前記空隙量を充填するために適切な当該体積膨張量を得る方法であって、
当該適切な体積膨張量を得るための制御方法は、鋳造中インゴットの前記鋳型上下方向の鋳造長さに応じて当該低融点合金の温度を、当該低融点合金の固液共存層の液層分率に応じて定まる体積膨張量が、前記適切な体積膨張量と一致するように制御することを特徴とする、請求項２記載のＶＡＲインゴットの製造方法。
【請求項４】
前記低融点合金としてＳｎ−Ｐｂ系合金を用いることを特徴とする、請求項２又は請求項３記載のＶＡＲインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記低融点合金の融解時の体積膨張率（Ａ）と、前記インゴットが鋳造され、所定の温度に冷却される際の線収縮率（Ｂ）と、当該低融点合金の体積（Ｖａｌｌｏｙ）と、当該インゴットの体積（Ｖｉｎｇｏｔ）との間に、下記（１）式：
Ｖａｌｌｏｙ≦（３Ｂ／Ａ）×Ｖｉｎｇｏｔ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
但し、Ｖａｌｌｏｙ：低融点合金の体積（ｃｍ３）
Ｖｉｎｇｏｔ：インゴットの体積（ｃｍ３）
Ｂ：インゴットが鋳造温度から所定の温度まで冷却される際の当該インゴットの線収縮率（％）
Ａ：低融点合金の融解に伴なうの当該低融点合金の体積膨張率（％）
の関係が満たされるように調節することを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれかに記載のＶＡＲインゴットの製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５記載のいずれかの方法により製造されたことを特徴とする、優れた内質を有するＶＡＲインゴット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＶＡＲを用いて金属のインゴットを鋳造する技術に関するものであり、特に、Ｔｉ合金等のように内質が極めて高い水準に維持されたインゴットを鋳造する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔｉ合金のインゴットを真空アーク溶解、即ちＶａｃｕｍｅ  Ａｒｃ  Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ（この明細書において「ＶＡＲ」という）法により鋳造を行なう際には、水冷銅鋳型の内部において、鋳造しようとするものと同種のＴｉ合金からなる電極を調製し、これを用いて、その鋳造初期においては鋳型下部に設置したスターティングブロックと上記電極との間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させて、また鋳造初期以降においては、既に鋳型内に形成されたインゴットの一部分との間にアーク放電を発生させて、上記電極を溶解する。こうして得られた溶融Ｔｉ合金の液滴を時間の経過と共に連続的に、鋳型内部に上部から順次蓄積させてメタルプールを形成させ、これを鋳型内で冷却し凝固させて所定サイズのインゴットを得る。その際、上記メタルプール及び凝固を開始したインゴットの冷却は、円筒状の水冷銅鋳型内で行なわれる。一方、インゴットは冷却されるに従って熱収縮し、鋳型内壁とインゴットの外周表面との間には空隙が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、このようなＶＡＲによるＴｉ合金等インゴットの鋳造において、インゴットを鋳造中インゴット自身の冷却速度を格段に上げることにより、インゴトットの内質を飛躍的に改善しようとするものである。
【０００４】
従来は、ＶＡＲによりインゴットを鋳造する際には、電極のアーク放電溶解により水冷銅鋳型内にＴｉ合金等の液滴を蓄積してメタルプールを形成させ、鋳型からの冷却により、メタルプールの外周表面に凝固シェルを形成させ、インゴットの芯部まで凝固させ、更にこれを冷却している。しかし、インゴットには凝固シェルが形成され、更に冷却が進行し、インゴットの芯部まで強固が進行し、更にインゴットの冷却が進行していく過程において、当該インゴットは熱収縮して、インゴット外周表面と鋳型内面との間に、空隙が形成される。この空隙の形成により、インゴットの冷却速度が低下していた。そのために、インゴット上部の凝固過程にあるメタルプール部分で、溶融メタルの流動が発生し易くなり、ストリーク状のマクロ的成分偏析を伴うマクロ的金属異常組織がインゴット内部に発生する傾向があった。この偏析は、凝固時に形成される金属の凝固組織の一形態であるデンドライトアームの隙間を、メタルプール中の液相が流動することが主要原因で、凝固中の固液共存層中のデンドライトアーム間隙を成分元素の濃化液が流動して発生すると考えられている。
【０００５】
そこで、その対策としてはメタルプール部分の冷却速度を大きくすることにより凝固組織を微細化することが重要である。しかし、上記の如く、鋳型内のインゴットは冷却・凝固過程においてその径方向に熱収縮するため、鋳型内壁との接触を保持することができなくなる。その結果、インゴット外周表面からのインゴット冷却は、鋳型表面への輻射伝熱により行なわれることとなり、インゴットの冷却速度の増大には限界があった。従って、上述したインゴット中に相対的に粗大なデンドライト組織が形成され、そのデンドライトのアーム間隙を流動する液相に起因して発生するストリーク状の成分偏析を伴うマクロ的金属異常組織の発生を抑制するのには限界があった。
【０００６】
このような問題を解決するため、この発明は、鋳型内におけるインゴットが径方向に熱収縮して、鋳型内壁との間に空隙が発生する際に、その空隙部を低融点合金で充填し、インゴット外周表面と鋳型内壁との間にその低融点合金を介在させた接触伝熱を行なわせて、鋳造中のインゴットの冷却速度を上げようとするものである。
【０００７】
かくして、この発明の目的は、ＶＡＲを用いて金属のインゴットを鋳造する操業において、ストリーク状のマクロ的成分偏析や異常なマクロ的金属組織等のない、極めて高い内質特性水準を備えたインゴット、特にＴｉ合金等のＶＡＲインゴットを製造する方法、及びこれにより製造される優れた内質を有するＶＡＲインゴットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意試験・研究を行ない、下記知見を得た。即ち、鋳型内の底部に低融点合金の塊を予め設置し、この塊の温度をヒーター等の加熱機構と、水冷コイル等の冷却機構とにより制御する。この制御は、上部のインゴットが熱収縮により鋳型内壁との間に空隙が形成される時点を予測し、あるいはそのような空隙の形成を把握し、速やかに上記鋳型内の底部に設置されている低融点合金を適切量だけ融解させ、この融解時の体積膨張現象を利用してこの融解部分を上記空隙部に充填せしめる。このようにして、インゴット外周表面と鋳型内壁との間の上記接触伝熱を行なわせることが可能であり、その結果、凝固中インゴットの冷却速度を格段に上昇させ得ることを知見した。
【０００９】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。
【００１０】
請求項１記載の発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法は、真空アーク放電により電極を溶解し、得られた溶融金属を水冷銅鋳型を用いてインゴットを鋳造するＶＡＲインゴットの製造方法において、当該インゴットが冷却し、凝固する過程で当該鋳型内壁と当該インゴットとの間に形成される空隙をなくして、当該鋳型による当該インゴットの強制冷却形態を、放射伝熱から接触伝熱に変化させて当該インゴットを冷却し、凝固させることに特徴を有するものである。
【００１１】
請求項２記載の発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法は、請求項１記載の発明において、上記鋳型内壁と上記インゴットとの間に形成される空隙をなくすために、上記鋳型内の底部に低融点合金からなる塊を設置し、当該塊の温度を加熱機構及び冷却機構により制御することにより、当該塊の上部に形成される上記インゴットが熱収縮により上記鋳型内壁との間に空隙が発生するタイミング及び当該空隙の大きさを予測するか、又はそれらを把握し、上記低融点合金を融解させる。この融解に際しては、その融解時における当該低融点合金全体の体積膨張量を制御することにより、上記空隙の発生を未然に防止するか、又は上記低融点合金の融解によりその空隙部を充填することに特徴を有するものである。
【００１２】
請求項３記載の発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法は、請求項２記載の発明において、上記低融点合金全体の体積膨張量の制御は、形成が予想される上記空隙量、又は形成したその空隙量を充填するために適切なその体積膨張量を得る方法であって、次のように行なう。即ち、その当該適切な体積膨張量を得るための制御方法は、鋳造中インゴットの前記鋳型上下方向の鋳造長さに応じて当該低融点合金の温度を、当該低融点合金の固液共存層の液層分率に応じて定まる体積膨張量が、前記適切な体積膨張量と一致するように制御することに特徴を有するものである。
【００１３】
請求項４記載の発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法は、請求項２又は請求項３記載の発明において、上記低融点合金としてＳｎ−Ｐｂ系合金を用いることに特徴を有するものである。
【００１４】
請求項５記載の発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法は、請求項２から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記低融点合金の融解時の体積膨張率（Ａ）と、前記インゴットが鋳造され、所定の温度に冷却される際の線収縮率（Ｂ）と、当該低融点合金の体積（Ｖａｌｌｏｙ）と、当該インゴットの体積（Ｖｉｎｇｏｔ）との間に、下記（１）式：
Ｖａｌｌｏｙ≦（３Ｂ／Ａ）×Ｖｉｎｇｏｔ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
但し、Ｖａｌｌｏｙ：低融点合金の体積（ｃｍ３）
Ｖｉｎｇｏｔ：インゴットの体積（ｃｍ３）
Ｂ：インゴットが鋳造温度から所定の温度まで冷却される際の当該インゴットの線収縮率（％）
Ａ：低融点合金の融解に伴なう当該低融点合金の体積膨張率（％）
の関係が満たされるように調節することに特徴を有するものである。
【００１５】
請求項６記載の発明に係る優れた内質を有するＶＡＲインゴットは、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法により製造されたものであることに特徴を有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、この発明を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に、この発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法の実施形態を説明する模式的縦断面図を示す。同図において、１は鋳造用の水冷銅鋳型、２は溶解用電極、３はインゴット、４はメタルプール、５はアーク、６はスターティングブロック、７は低融点合金であって塊状を呈したもの、８は加熱機構の一構成要素としての加熱・溶解用ヒーター、９は冷却機構の一構成要素としての冷却用水冷銅チューブ、１０は熱電対であり、そして１１は、低融点合金の温度を制御する温度制御盤である。
【００１８】
図１に示すように、ＶＡＲ用の水冷銅鋳型１内底部には、Ｓｎ−Ｐｂ合金等の低融点合金の塊７を予め設置する。そして、この低融点合金７の内部には、カンタル線ヒーターのような加熱・溶解用のヒーター８と、水冷銅チューブのような温度制御用の冷却コイル９とをあらかじめ設置しておく。一方、鋳造しようとするインゴットと同種成分を有する、溶解用電極２と、水冷銅鋳型１内の下部に設置されたスターティングブロック６との間にアーク５放電を発生させ、溶解用電極２が溶解した溶融金属の液滴を、水冷銅鋳型１の下部から順次溜めていく。ここに溜められた溶融金属は水冷銅鋳型１及び底部のスターティングブロック６により冷却され、凝固が進行し、インゴットが完全に凝固し、そして、更にはインゴット冷却される。
【００１９】
上記溶解用電極２の溶解、溶融メタルプール４の冷却・凝固、及びインゴット３の形成過程において、水冷銅鋳型（この明細書において単に「鋳型」という）１の底部に設置された低融点合金７の温度を熱電対１０を用いて測定すると共に、その温度を制御する。ここで、低融点合金７の温度制御は、インゴット３の冷却及び凝固の進行に伴なうインゴットの収縮により形成される、当該インゴット３の外周表面と鋳型１内壁との間の空隙を、低融点合金７の加熱・溶融による当該低融点合金の体積膨張により過不足なく充填することを目的とするものである。即ち、低融点合金がその固相線温度から液相線温度まで上昇する過程において、その時の温度により固相率がきまり、その固相率に応じてきまるそれまでの体積膨張量が、それまでにインゴット３の外周表面と鋳型１内壁との間に形成される空隙を過不足なく埋めるようにするのである。従って、低融点合金７の温度制御は、上記の所定固相率に対応する温度になるよう、時々刻々その低融点合金７の温度を変化させることである。そのために、低融点合金７の温度を熱電対１０で計測しながら、冷却コイル９へ流す冷却水量やヒーター８へのインプット電圧を制御する。
【００２０】
低融点合金の一例としてＳｎ−Ｐｂ合金をとりあげる。
【００２１】
図２に、Ｓｎ−Ｐｂ合金の平衡状態図を示す。これによれば、例えばＳｎ−５％Ｐｂ合金（但し、ｍａｓｓ％、以下同じ）の固相線温度Ｔｓ＝１８３℃、液相線温度Ｔｌ＝２２５℃である。そして、この間の温度区間においては固液共存相を呈するが、温度上昇に伴なう固液共存相中の固相率の減少状況を定量的に把握することができる。
【００２２】
図３に、Ｓｎ−５％Ｐｂ合金の上記固液共存相温度区間における温度上昇と固相率減少との関係、並びにその温度上昇及び固相率減少と当該固液共存相の密度減少との関係を定量的に示す。従って、同図より、Ｓｎ−５％Ｐｂ合金の固液共存相温度区間における温度上昇に伴なう当該固液共存相（但し、完全液相も含む）の体積膨張を定量的に把握することができる。例えば、完全固相状態（温度：１８３℃）から完全液相状態（温度ｌ：２２５℃）まで温度上昇したときには、約４％の体積膨張が得られる。
【００２３】
この発明は、インゴットの熱収縮によるインゴットと鋳型内面との空隙形成防止を、上述したような低融点合金の融解時における体積膨張を利用して行なおうとするものである。このように、低融点合金の温度制御によりその体積膨張を制御するためには、採用する低融点合金は、その固相線温度Ｔｓと液相線温度Ｔｌとの差ができるだけ大きい方が、温度制御の誤差による体積膨張の誤差を小さく抑えることができる。上述したＳｎ−５％Ｐｂ合金の固液共存相の温度範囲は約４２℃であり、この程度の温度範囲があれば、前述した加熱用のコイル（ヒーター８、図１参照）と水冷銅チューブのような冷却コイル９で十分に温度制御できる。また、Ｓｎ（沸点：２６２３℃）、Ｐｂ（沸点：１７４０℃）共に沸点が十分に高いので安定しており有利である。
【００２４】
次に、その低融点合金の必要な体積について述べる。
【００２５】
鋳造を行なうＴｉ合金インゴットの径方向の熱収縮は凝固完了温度を１６２０℃、型抜き直前のインゴットの表面温度を６００℃とすると、その温度差は約１０００℃である。そして、Ｔｉ合金の線熱膨張係数Ｄ０は１０×１０−６／℃程度であるから、その熱収縮量は、約１％程度である。即ち、径の１％程度のインゴットの熱収縮を補うために、上記低融点合金を融解させ、その時の体積膨張によりインゴットと鋳型間の空隙部を充填する。インゴットと鋳型間の空隙の体積はインゴットの径に依存する。また、鋳型下部に設置する低融点合金の融解時の体積膨張は、Ｓｎ−５％Ｐｂ合金の場合には前述した通り、完全固相状態から完全液相状態へ変化することにより、約４％の体積膨張が得られる（図３参照）。
【００２６】
従って、１％のＴｉ合金インゴットの線熱収縮量（ΔＬｉｎｇｏｔ）に対応する約３％の体積熱収縮量（ΔＶｉｎｇｏｔ≒ΔＬｉｎｇｏｔ×３）を、４％の低融点合金の融解に伴なう体積膨張量（ΔＶａｌｌｏｙ）で補うために必要な、低融点合金の体積（Ｖａｌｌｏｙ）は、Ｔｉ合金インゴットの体積（Ｖｉｎｇｏｔ）の（ΔＶｉｎｇｏｔ）／（ΔＶａｌｌｏｙ）≒（ΔＬｉｎｇｏｔ×３）／（ΔＶａｌｌｏｙ）倍あれば可能であることがわかる。実際には鋳型とインゴット間の空隙部を完全に低融点合金で充填しなくても一定の効果は期待できるので、必要な低融点合金の体積（Ｖａｌｌｏｙ）は、Ｖａｌｌｏｙ≦（ΔＬｉｎｇｏｔ×３）／（ΔＶａｌｌｏｙ）となる。
【００２７】
一般的には、インゴットが所定の温度まで冷却される場合、凝固完了直後のインゴトの外径に対する線収縮率がＢ％であり、低融点合金の融解時の体積膨張率がＡ％である場合には、低融点合金の体積を最大インゴット体積の３Ｂ／Ａ倍にする。かくして、低融点合金の融解に伴なう体積膨張により、インゴットと鋳型との間の空隙部を一部または完全に充填することが可能となる。そして、凝固後インゴットの冷却速度を格段に高めることが可能となり、内質が改善されたＶＡＲインゴットを鋳造することができる。
【００２８】
【実施例】
この発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００２９】
図１に示したＶＡＲインゴットの鋳造装置概念図に準じた実機ＶＡＲ装置を用い、この発明の範囲内に属する実施例及びその範囲外にある比較例について、Ｔｉ合金インゴットの鋳造試験を行なった。実施例及び比較例のいずれにおいても、低融点合金としてＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金を用い、これを鋳型底部へ設置した。
【００３０】
実施例においては、低融点合金の温度制御として、鋳造開始後のインゴット凝固開始時に、低融点合金の温度を固相線温度である１８３℃に到達するように昇温タイミングを調節し、それ以降の昇温速度を０．０２０〜０．０４０℃／ｍｉｎの範囲内で、鋳造インゴット毎に変化させた。
【００３１】
比較例においても、低融点合金の温度制御として、鋳造開始後のインゴット凝固開始時に、低融点合金の温度を固相線温度である１８３℃に到達するように昇温タイミングを調節した。但し、それ以降の昇温速度を０．００５〜０．０１０℃／ｍｉｎの範囲内で、鋳造インゴット毎に変化させた場合、及び０．０４０〜０．０４５℃／ｍｉｎの範囲内で、鋳造インゴット毎に変化させた場合を行なった。
【００３２】
表１に、実施例における主要操業試験条件を示す。なお、低融点合金の鋳型底部への設置をせず、その他の操業条件は実施例と同じにして行なった場合には、本発明者等の経験によれば、鋳造されたＴｉ合金インゴットの内質に関し、そのインゴットの下端から３００ｍｍ以上の上部側に、凝固後インゴットの冷却不足による凝固組織粗大化のため、ストリーク状のマクロ偏析が発生することがわかっている。
【００３３】
【表１】
2004237337.tif 000003
【００３４】
図４に、実施例において、鋳型底部に配置した低融点合金の設置方法、低融点合金の加熱用ヒーター及び冷却用水冷銅コイルのセット状態、並びにスターティングブロックの配置状態を説明する概念図を示す。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、水冷銅鋳型１内の下部にセットされたスターティングブロック６の下側に、低融点合金の貯蔵室１２を設け、この貯蔵室１２には、できる限りその上部に形成されるＴｉ合金インゴット３’からの伝熱により、低融点合金７の温度が影響を受けて、その温度制御がし難くならないようにするために、その周囲に耐火製の断熱壁１３を設けた。更に、貯蔵室１２の内部には、この室内に配置される低融点合金７の温度を所望する任意の温度に制御するために、低融点合金冷却用の水冷銅コイル９’と、加熱用のヒーター８とを配設した。
【００３６】
上記において、貯蔵室１２の形状は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、円柱状部材の４箇所に中心軸を対称軸とした円筒状空隙１４により貫通された形態を呈している。なお、この円筒状空隙１４は、スターティングブロック６を水平姿勢に支持する支持台１５（同図、（ａ）及び（ｃ）参照）を支える脚（図示せず）が貫通する孔である。
【００３７】
貯蔵室１２に収納される低融点合金７はその合金の種類によって、融解時の体積膨張量が異なるが、Ｔｉインゴット３’と鋳型１との間に形成される空隙を、効率的且つ容易に当該低融点合金７で充填するために、できるだけ体積膨張量の大きな合金を選択すべきである。しかもその低融点合金７は、比較的低温で融解し、且つＴｉ合金インゴットの高温表面と接触しても沸騰し難いように、高沸点の金属材料を選択すべきである。また、前述したように、低融点合金の温度制御によりその体積膨張を制御しようとするのであるから、採用する低融点合金としては、その固相線温度Ｔｓと液相線温度Ｔｌとの差ができるだけ大きい方が、温度制御の誤差による体積膨張の誤差を小さく抑えることができるので望ましい。
【００３８】
そこで、実施例ではＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂを選択した。この合金では、図３に示したように完全固相と完全液相との密度差は約４％であり、所望する任意の温度における液相率に従って、温度上昇につれて体積膨張する。
【００３９】
一方、鋳造されるＴｉ合金インゴットの凝固後の熱収縮量に関しては、凝固直後の温度が１６２０℃であって、Ｔｉ合金の鋳造完了時（ここでは、インゴットの最終未凝固部の凝固が完了した時点とする）のインゴット全体の平均温度が６００℃であると条件設定すると、上記温度差は１０００℃であるから、インゴット全体の熱収縮量としては、熱膨張係数（１０×１０−６／℃）からの見積もりでは、約１％の熱収縮量が径方向に発生することになる。従って、体積熱収縮量に換算すると、約３％になる。そこで、上記低融点合金の設置体積はインゴットの体積の３／４以下とすることとした。
【００４０】
以上により、実施例においては、表１に示したサイズのＴｉ合金インゴットの鋳造に対して、低融点合金としてＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂを用い、４．８ｍ３の体積を有するものを鋳型底部の貯蔵室１２に設置した。
【００４１】
図４（ａ）及び（ｃ）に示す低融点合金の上昇孔１７を通して、上述したようにして融解し、体積膨張した低融点合金７であるＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金は、Ｔｉ合金インゴットと、鋳型との間の空隙を充填するように上昇する。
【００４２】
図５は、比較例におけるＴｉインゴットのＶＡＲ鋳造条件の場合に、伝熱解析により求めた、Ｔｉ合金インゴットの鋳造の進行につれて形成されるＴｉ合金インゴットと鋳型との間の空隙部の体積を示すものであり、鋳造の進行をＴｉ合金インゴットの鋳造高さで評価し、インゴットの鋳造高さと空隙部体積との関係を示すグラフである。なお、この関係は、インゴットサイズ、鋳造速度、鋳型からの冷却状況などによって変化するものである。従って、上記の主要な鋳造条件が変更された場合には、その都度伝熱解析を行ない、形成されるべき空隙部の体積変化を求めておく。
【００４３】
こうして求められた空隙部の体積を、低融点合金のＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の融解による体積膨張で充填する。ここで、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の融解操作は次のように行なう。図３に示したＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の温度と固相率を介した密度との関係に基づき、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の温度と体積膨張率との関係を予め求め、これより算出される鋳型の底部に設置されたＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の温度と体積膨張量との関係を求めておく。そして、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の体積膨張量が、鋳型内インゴットの鋳造高さに応じてきまる上記空隙部体積に見合うようにＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の温度を調節する。このように、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の温度制御を行なうことにより、Ｔｉ合金インゴットと鋳型との間の空隙部にＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金を膨張・充填させる。
【００４４】
こうして、実施例においては、凝固後のＴｉ合金インゴットの外周表面から水冷銅鋳型への伝熱形態は、接触伝熱から輻射伝熱へ移行することが防止される。即ち、インゴットから鋳型への伝熱形態は、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金を介した接触伝熱が維持される。
【００４５】
図６及び表１に示した実施例及び比較例におけるＶＡＲの主要操業試験条件で鋳造されたＴｉ合金インゴット内部のストリーク欠陥の生成本数に及ぼす、低融点合金（Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金）の昇温速度の影響を示す。ここで、ストリーク欠陥の生成本数は、インゴットの中心縦断面当たりに観察された本数であり、昇温速度は、前述した通りＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の固相線温度：１８３℃以上の固液共存温度範囲内における値である。
【００４６】
同図によれば、ＶＡＲ投入電力が一定条件の場合、貯蔵室内に設置されたＳｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金の昇温速度を大きくするほど、ストリーク欠陥の生成本数は減少し、その昇温速度が一定値以上になると、その減少傾向は飽和状態を呈する。
【００４７】
図７に、ＶＡＲインゴットを鋳造中の装置要部及び鋳造中インゴットの凝固途中におけるメタルプール内の現象を説明する模式的縦断面図を示す。図５に示したインゴットの鋳造と空隙部体積との関係からわかるように、インゴットの鋳造速度の増大につれて空隙部形成速度が増大するので、貯蔵室（図４、符号１２参照）における低融点合金７の昇温速度が小さい場合、インゴットの鋳造速度に応じてきまる円筒状空隙１４部体積の増加速度に対して、低融点合金の融解膨張速度が小さいため、水冷銅鋳型１とインゴット３との円筒状空隙１４部に十分量の低融点合金が充填されない。図８に、低融点合金の融解膨張による円筒状空隙部への上昇高さの水準と低融点合金の昇温速度との関係の模式的説明図を示す。低融点合金７の昇温速度が小さい場合は、同図（ａ）で、円筒状空隙１４部に上昇した高融点合金７’の高さ水準が低い。そのため、インゴットの上部の冷却は放射伝熱となり、冷却速度が不十分となって、固液共存相１８中に相対的に粗大なデンドライト組織１９が形成される。そして、デンドライトのアーム間隙を液相２０が流動し、これに起因してストリーク状欠陥２１が発生する。
【００４８】
これに対して、低融点合金の昇温速度を適切に大きくした場合は、融解膨張速度が大きくなるために、同図（ｂ）に示すように、インゴット３と鋳型１間の円筒状空隙１４部が低融点合金７’で充満されていくので、インゴットの冷却が輻射伝熱から接触伝熱に変化するので、インゴット３の冷却速度が上昇する。このため、溶融メタルプール４内の凝固時の冷却も速くなるので、インゴット３の凝固組織が緻密になる。これにより、溶融メタルプール４内の固液共存相１８中残液（液相２０）の流動も抑制されるため、ストリーク状欠陥２１は減少することとなる。
【００４９】
しかし、低融点合金７’の昇温速度を大きくし過ぎた場合には、インゴット３と鋳型１との間の円筒状空隙１４部の体積以上の、融解膨張量が得られるため、低融点合金７”が円筒状空隙１４部頂部からオーバーフロー２２して、インゴット３頭部のＴｉ合金金属の融解部に進入し、これは混入異物となってしまう（同図（ｃ）参照）。
【００５０】
このような現象の発生を防止するために、実操業においては、精度の高い熱解析に基づいた昇温速度を慎重に選択する必要がある。また、ストリーク状欠陥を完全に消滅させる必要がなく、ストリーク状欠陥を軽減するのみで良い場合には、低融点合金の体積膨張量を、鋳型とインゴットの間の空隙部の体積以下とすることで、より安全に目的とする効果を得ることができる。
【００５１】
上述したストリーク状欠陥には、成分元素がマクロ的に偏析している。このマクロ偏析には、Ｔｉ合金成分中のＭｏ及びＦｅが濃縮されているため、このようなインゴットは、その圧延ないし鍛造後においてもそれらの成分偏析が残留し、その部分の機械的性質が周辺に比べて劣化する。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によればＶＡＲによるインゴットの鋳造において、当該インゴットの冷却速度を増加させることが可能となった。その結果、特に、例えば表１に示した代表組成を有するＴｉ合金等インゴットについても、従来問題となっていた直径３０インチ（７６２ｍｍ）以上の大径インゴットの鋳造においても、インゴットのストリーク状欠陥の発生をなくし、最終製品の品質もストリーク状欠陥の存在による材質のばらつきは完全に解消された。これにより、これまで達成できなかった、特にＴｉ合金の大型圧延製品の製造が可能となり、しかも、大径インゴットの製造が可能となったので、ＶＡＲにおける鋳造能率に関しても、多額の設備投資をすることなく、大幅な向上を図ることが可能となった。この発明により、このようなＶＡＲインゴットの製造方法及び優れた内質を有するＶＡＲインゴットを提供することができ、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るＶＡＲインゴットの製造方法の実施形態を説明する模式的縦断面図である。
【図２】Ｓｎ−Ｐｂ合金の平衡状態図である。
【図３】Ｓｎ−５％Ｐｂ合金の固液共存相温度区間における温度上昇と固相率減少とその固液共存相の密度減少との関係を示すグラフである。
【図４】実施例におけるＶＡＲ装置の鋳型底部に装備された低融点合金の設置方法、低融点合金の加熱用ヒーター及び冷却用水冷銅コイルのセット状態、並びにスターティングブロックの配置状態を説明する概念図である。
【図５】比較例におけるＶＡＲＴｉ合金インゴットの鋳造条件の場合に、伝熱解析により求めたインゴット鋳造の進行につれて形成されるインゴットと鋳型との間の空隙部の体積の変化を示すグラフである。
【図６】実施例及び比較例におけるＴｉ合金インゴットのストリーク欠陥の生成本数に及ぼす低融点合金（Ｓｎ−５ｗｔ％Ｐｂ合金）の昇温速度の影響を示すグラフである。
【図７】ＶＡＲインゴットを鋳造中の装置要部及び凝固途中のメタルプール内の現象を説明する模式的縦断面図である。
【図８】低融点合金の融解膨張に伴なう円筒状空隙部への上昇高さの水準と低融点合金の昇温速度との関係の模式的説明図である。
【符号の説明】
１  水冷銅鋳型
２  電極
２’  電極金属の液滴
３  インゴット
３’  Ｔｉ合金インゴット
４  溶融メタルプール
５  アーク
６  スターティングブロック
７  低融点合金
７’  空隙部に上昇・充填された低融点合金
７”  空隙１４部からオーバーフローした低融点合金
８  ヒーター
９  冷却コイル
９’  水冷銅コイル
１０  熱電対
１１  温度制御盤
１２  貯蔵室
１３  断熱壁
１４  円筒状空隙
１５  支持台
１６  脚部空隙
１７  上昇孔
１８  固液共存相
１９  デンドライト組織
２０  デンドライトアーム間隙の液相流動
２１  ストリーク状欠陥
２２  低融点合金のオーバーフロー
【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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【図８】
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