(57)【要約】【課題】  インゴットのボトム部における欠陥の発生を抑制することにより、切除部分を小さく抑制できる消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼを提供する。【解決手段】  るつぼ底部を構成する台盤２の表面の周辺部に、中央部より高さが低い凹部６を設ける。凹部６は、例えば円環状の溝であり、溝半径をｒ、るつぼの内半径をＲとして、ｒ／Ｒ≧０．６を満足するように設計されている。また、α＝凹部容積／るつぼ横断面積として、０．３ｃｍ≦α≦３．０ｃｍを満足するように設計されている。溶解操業開始直後に生じた溶融金属が凹部６に流入し、周辺部に集まることにより、引き続きりるつぼ内に形成される溶融金属の冷却が抑制され、インゴットのボトム部における欠陥の発生が抑制される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ底部を構成する台盤の表面の周辺部に、中央部より高さが低い凹部を有する消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ。
【請求項２】
前記凹部は円環状の溝である請求項１に記載の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ。
【請求項３】
前記円環状の溝の半径をｒ、るつぼの内半径をＲとして、ｒ／Ｒ≧０．６である請求項２に記載の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ。
【請求項４】
α＝凹部容積／るつぼ横断面積として、０．３ｃｍ≦α≦３．０ｃｍである請求項１に記載の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ。
【請求項５】
前記台盤の表面に、中央部から周辺部に向かって下り傾斜が付与されている請求項１に記載の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン又はチタン合金といった高融点金属のインゴット溶製に主に使用される消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属チタンは工業的には主に次の方法により製造されている。クロール法によりスポンジチタンを製造する。製造されたスポンジチタンをコンパクトと呼ばれる圧縮成形物に形成し、これを棒状に繋ぎ合わせる。棒状コンパクトを溶解し、インゴットとなす。棒状コンパクトの溶解法としては、例えば消耗電極式真空アーク溶解法があり、その溶解操作が必要に応じて複数回繰り返される。
【０００３】
消耗電極式真空アーク溶解法によるチタンインゴットの溶製では、エネルギービームの照射等により少量の溶融金属を水冷銅るつぼ内に初期形成する。その初期溶融金属と、当該るつぼ内に消耗電極として挿入された棒状コンパクトとの間にアークを発生させ、そのアーク熱により棒状コンパクトを下から順次溶融させて当該るつぼ内に鋳込むことにより、チタンインゴットが溶製される。
【０００４】
このような消耗電極式真空アーク溶解法では、溶製されるチタンインゴットの表面近傍に欠陥が発生するのを避け得ない。溶製されたチタンインゴットは、通常は鍛造加工を受けるが、チタンインゴットの表面近傍に欠陥が存在していると、鍛造工程で割れやしわの原因となるので、インゴット溶製工程と鍛造工程との間に、手入れ工程を含むインゴット成形工程を介在させるのが通例となっている。そして成形工程での負担を軽減し、また歩留りを向上させるために、表面近傍の欠陥が少ないインゴットが求められている。
【０００５】
チタンインゴットの表面近傍に発生する欠陥は、インゴットのボトム部に多く発生する。このため、ボトム部における欠陥発生部分を小さく抑制し、切除部分を小さくすることが、インゴット成形工程における手入れ作業の工数低減及び歩留り向上に有効となる。インゴットのボトム部に欠陥が多発する理由は以下のように考えられている。
【０００６】
消耗電極式真空アーク溶解に使用される水冷銅モールドは、図１（ｂ）に示すように、円筒形状の本体部１と、本体部１の下部内に挿入されてるつぼ底部を構成する、スツールと呼ばれる円盤形状の円形の台盤２とからなる。台盤２は水平な平坦面を表面にもち、その表面は流水によって下方から冷却されている。溶解初期にエネルギービームの照射等により台盤２上に形成された溶融金属は急冷され瞬時に凝固するが、アークによる熱及び上方から落下する溶融金属により一部が再溶融する。初期凝固金属の再溶融における溶け込み深さは浅く、この不十分な溶け込みによりインゴット３のボトム部では欠陥４が多く発生する。ボトム部における欠陥発生部分５は溶製後、旋盤により切削除去されるが、この切除部分が小さいほど、インゴット成形工程における手入れ工数が低減し歩留りが向上することは前述したとおりである。
【０００７】
そして、消耗電極式真空アーク溶解により溶製されるインゴットの欠陥防止に関しては、カルシア（ＣａＯ）を主成分とする内張り材を、モールドの本体部内周面に流し込みや吹き付けによって１０ｍｍ程度の厚みにライニングすることにより、インゴットの外周面に発生する欠陥を抑制する技術は、特許文献１により提示されている。また、インゴットのボトム部に関連する技術として、台盤の表面を下方へ凸のパラボラ形状とすることにより、そのボトム部における粗大鋳造組織の成長を抑制する技術は、特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１３２３４５号公報
【０００９】
【特許文献２】特開平８−１２０３５８号公報
【００１０】
特許文献１に記載された技術は、インゴットの外周面に発生する欠陥を抑制するものであり、インゴットのボトム部に発生する欠陥を抑制する技術ではない。その技術は、分厚いカルシア層をるつぼの内面に形成する必要があるが、そのような分厚いカルシア層をるつぼの底面である台盤表面に形成することは事実上不可能である。なぜなら、分厚いカルシア層は絶縁層であるため、これを台盤表面に形成すると、初期のアークが不安定になり、安定な操業を行えなくなるからである。加えて、カルシア層は吸湿性があるため、大気雰囲気にさらすと大気中の水分を吸収して脆くなり、剥離しやすくなる上、吸収された水分によってインゴットの酸素濃度を上昇させる危険性がある点からも、採用し難い。
【００１１】
一方、特許文献２に記載された技術は、インゴットのボトム部における粗大鋳造組織の成長を抑制するのには有効であるが、ボトム部における欠陥の発生を抑制する目的に対しては無力どころか、むしろ逆効果となり、その欠陥の発生による切除部分を増大させる結果になることが本発明者らによる調査から判明した。その理由は後で説明する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、インゴットのボトム部における欠陥の発生を抑制することにより、切除部分を小さく抑制できる消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明者らは、モールドの底部を構成するスツールと呼ばれる円盤状の台盤の表面形状に着目した。この形状は前述したとおり一部の例外を除いて水平な平坦面である。平坦面の場合、溶解操業開始直後に生じた初期溶融金属は急冷凝固するが、その凝固金属が再溶融する際の溶け込みが不十分であること、即ち初期溶融金属の急冷が進み、凝固後の再溶融が不十分になることが、欠陥の発生原因と考えられる〔図１（ｂ）参照〕。
【００１４】
このような事実から、本発明者らは台盤表面の外周部分に円環状の溝を設けて、溶解操業開始直後に生じた初期溶融金属を切除部分として意図的に台盤の外周部上に集中させるのが、結局のところ、その切除部分を小さくできると考えた。そして、種々の実験を繰り返し、その着想の正しいことを確認した。
【００１５】
溶解操業開始直後に生じた初期溶融金属を意図的に台盤の外周部上に集中させると、後から生じる溶融金属の冷却が効果的に抑制され、ここにおける欠陥の発生が抑制される結果、全体として欠陥発生部分が小さく抑制されるのである。一方、特許文献２に記載された技術では、台盤表面の中央部分が窪んでおり、初期溶融金属が台盤の外周部ではなく中央部上に集中することから逆効果になる。これらの詳細なメカニズムは後で説明する。
【００１６】
本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅モールドは、かかる知見に基づいて開発されたものであり、るつぼ底部を構成する台盤の表面の周辺部に、中央部より高さが低い凹部を設けたものである。
【００１７】
なお、中央部とは、るつぼの内半径をＲとして中心からＲ／２未満の領域であり、周辺部とは中心からＲ／２以上の領域である。
【００１８】
本発明の水冷銅モールドにおいてはインゴットのボトム部における欠陥の発生が抑制される。その理由は以下のように考えられる。
【００１９】
モールドの本体部内面と台盤の表面が交差するコーナー部は、溶融金属乃至凝固金属が特に強く冷却される部分である。このため、台盤の表面が平坦な従来のモールドでは、コーナー部近傍で特に欠陥が多く、インゴットを深く切削する必要があった〔図１（ｂ）参照〕。このような状況下で、図１（ａ）に示すように、台盤２の表面の周辺部に中央部より高さが低い凹部６を設ける。そうすると、溶解操業開始直後に生じた初期溶融金属が凹部６に流入し、周辺部に集中する。これによりコーナー部近傍の温度が上昇し、引き続きるつぼ内に形成される溶融金属の冷却が抑制される。
【００２０】
加えて、台盤２の表面の周辺部に中央部より高さが低い凹部６を設けることにより、初期溶融金属が台盤２の表面上を中央部から周辺部へ移動する。このため、溶解初期の一定期間は中央部における溶融金属量が少なくなり、アークが中央部へ比較的集中していることが考えられる。即ち、詳細は不明であるが、初期溶融金属が周辺部の凹部６へ流れ込み、アークが中央部へ集中することによって台盤２の表面温度が上昇することが本発明の効果の一助となっていることも考えられる。これらにより、凹部６の凝固金属には欠陥４が集中するが、その上の凝固金属からは欠陥４が効果的に排除され、全体として欠陥発生部分５の体積が減少する。
【００２１】
インゴット３のボトム部に欠陥４が少しでも残っていると、その後の鍛造時などに問題が生じるため、その欠陥４は完全に取り除く必要がある。従来の平坦な表面をもつ台盤の場合、図１（ｂ）に示すように、インゴット３の底面から深い領域に欠陥４が点在し、ボトム部の切除量が多くなる。本発明の水冷銅モールドを用いると、凹部６内の凝固金属には欠陥が集中するが、凹部６内以外の部分においては欠陥４の発生領域が劇的に浅くなる。このため、全体としての欠陥発生部分５は小さくなって切除量は減少し、その結果として切り捨てにおける作業工数の低減、及び歩留り向上が実現される。
【００２２】
前記凹部は円環状の溝が好ましい。この溝は円周方向の一部で途切れていてもよく、概ね円環状であれば本発明の効果を得ることができる。
【００２３】
前記凹部の設計仕様としては、台盤径方向における位置及び容積が重要である。前者の位置は、初期溶融金属をできるだけコーナー部に偏在させるために、中心から離れる（台盤の外縁に近づく）ほど好ましく、この観点から、前記溝の半径ｒはるつぼの内半径（台盤の半径）をＲとして、ｒ≧０．６Ｒが好ましく、ｒ≧０．８Ｒが特に好ましい。凹部が中心部に近づくと、コーナー部の加熱が不十分となる。また、初期溶融金属が中央部から十分に排除されなくなる。なお、溝の半径とは、台盤の中心から溝の中央（外周縁と内周縁の中間）までの平均距離である。台盤の中心部から周辺部に向かって全面的に下り傾斜のテーパーが付与され、明確な溝が存在しない場合も、低くなった周辺部が凹部の役目を果たすので、本発明の範疇である。その場合は、台盤の中心から凹部の最も低い部分までの平均距離が、溝の半径に対応する寸法となる。
【００２４】
前記凹部の容積は、例えばるつぼの底部に水を張ったときに周辺部の凹部に貯水される容積である。この容積は、α＝凹部容積／るつぼ横断面積として、０．３ｃｍ≦α≦３．０ｃｍが好ましい。αは言うならば、凹部をるつぼ全体に広げた場合の厚さである。これが０．３ｃｍ未満の場合は、欠陥を集中させる効果が低減することにより、欠陥が凹部外の部分へ広く広がり、欠陥発生部分が十分に小さくならない。３．０ｃｍを超えると、凹部内の部分に欠陥が集中するものの、その凹部内の部分が大きくなることにより、欠陥発生部分が十分に小さくならない。台盤の中心部から周辺部に向けて全面的にテーパーが付与され、明確な溝が存在しない場合の凹部容積は、周辺部（中心からＲ／２以上の部分）に貯水できる容積となる。
【００２５】
前述した下り傾斜のテーパーは、初期溶融金属を中央部から周辺部へ積極的に移動させる効果があり、凹部より内側の部分に設けるのも有効である。凹部より内側の部分にテーパーを設けると凹部への初期溶融金属の流入が促進される。
【００２６】
なお、本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼ、チタン又はチタン合金の消耗電極式真空アーク溶解に特に有効であり、溶解を複数回行う場合は最終の溶解に特に有効である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼは、るつぼ底部を構成する台盤の表面の周辺部に、中央部より高さが低い凹部を設けることにより、ライニングなどによらずにその表面を露出させたままで、インゴットのボトム部における欠陥の発生を抑制することができる。これにより、溶解操業に支障をきたすることなく欠陥発生部分を小さくでき、インゴット成形工程における手入れ作業の工数低減及び歩留り向上を図ることができ、その経済的効果は多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明の実施形態を説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼの主要部の構造を例示する断面図である。
【００２９】
図示のように、本実施形態の水冷銅るつぼは、円筒形状の本体部１と、本体部１の下部内に挿入されて当該るつぼの底部を構成する円盤形状の台盤２とを備えている。本体部１及び台盤２は、何れも内部を流通する冷却水により強制冷却される水冷銅からなる。
【００３０】
本実施形態の水冷銅るつぼでは、スツールと呼ばれる台盤２の表面形状が従来のるつぼと相違しており、その形状は、図２（ａ）では台盤２の表面の周辺部に円環状の凹溝からなる凹部６を全周にわたって設けたものになっている。凹部６は、ここでは台盤２の外周縁に接して形成されることにより外周側へ開放している。凹溝の半径ｒは、当該るつぼの内半径Ｒ（台盤２の半径）の０．６倍以上に設計されている。凹部６以外の表面は水平な平坦面である。
【００３１】
図２（ｂ）では、円環状の凹溝からなる凹部６が台盤２の外周縁から離れた位置に設けられている。凹溝の半径ｒはここでも当該るつぼの内半径Ｒの０．６倍以上に設計されており、凹部６以外の表面は水平な平坦面である。
【００３２】
図２（ｃ）では、凹部６より内側部分の表面が、中心部から周辺部に向かって下り傾斜のテーパー面７とされている。凹部６は、ここでは円環状の凹溝からなり、台盤２の外周縁に接して設けられているが、図２（ｂ）のように、台盤２の外周縁から離れた位置に設けられていてもよい。
【００３３】
操業では、消耗電極式真空アーク溶解法により、これらの水冷銅るつぼを使用して高純度のチタンインゴットが溶製される。
【００３４】
具体的に説明すると、クロール法によって製造された高純度のスポンジチタンから棒状コンパクトを作製する。水冷銅るつぼ上に棒状コンパクトを消耗電極として吊り下げ、その下部をるつぼ内に挿入する。エネルギービームの照射等により棒状コンパクトの下部を溶かして、水冷銅るつぼ内に少量の高純度チタンの溶融金属を初期形成する。その初期溶融金属と棒状コンパクトとの間にアークを発生させ、そのアーク熱により棒状コンパクトを下から順次溶融させて当該るつぼ内に鋳込む。
【００３５】
初期溶融金属は台盤２の周辺部表面に形成されたる凹部６内に流入し、凝固する。その後からアーク熱により溶融して消耗電極から落下する溶融金属がるつぼ内に溜まっていく。初期溶融金属は台盤２の周辺部表面に形成されたる凹部６内に流入する。これにより、インゴットのボトム部における欠陥発生部分が小さくなることは前述したとおりである（図１参照）。
【００３６】
本実施形態の水冷銅るつぼによる効果を確認するために、台盤の表面に様々な形状の凹部を様々な位置に形成し、それらの欠陥発生部分の大きさに及ぼす影響を調査した。各調査では、純チタンからなる消耗電極の再溶融（２次溶解）を実施した。消耗電極は重量９０００ｋｇ、直径８８０ｍｍの１次溶解インゴットである。るつぼの内半径Ｒ（台盤の半径）は５００ｍｍであり、横断面積は７８５４ｃｍ2 （計算値）である。凹部は円環状の凹溝であり、その大きさは幅ａ、深さｂ及び容積で表し、位置はるつぼ内周面（台盤の外周縁）から凹部の外周縁までの距離ｃ及び溝半径ｒで表した。
【００３７】
得られた２次溶解インゴットのボトム部を大型旋盤により切削し、鍛造工程で割れやしわの原因となる可能性のある欠陥を除去した。各インゴットについて切削重量γを調査した結果を、他の条件と共に表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表中のαは凹部容積／るつぼ横断面積であり、０．３ｃｍ≦α≦３．０ｃｍが望ましい範囲である。βはｒ／Ｒであり、β≧０．６が望ましく、β≧０．８が特に望ましい。切削重量γは軽いほどよく、１４０ｋｇ以下が望ましく、１００ｋｇ以下が特に望ましい範囲とした。チタンの比重は４．５ｋｇ／ｃｍ3 であり、凹部の容積にこれを乗算して凹部内のインゴット重量とした。
【００４０】
Ｎｏ．１５は、台盤の表面に凹部を設けない（表面が水平な平坦面である）従来例である。切削重量は１５０ｋｇを超えている。Ｎｏ．１４は、中央部（Ｒ／２未満）を周辺部（Ｒ／２以上）に比して低くした比較例である。切削重量は従来例のときより更に重たい１７１ｋｇである。特許文献２に記載された台盤の表面形状（パラボラ凹面）は、切削重量低減の点からは逆効果であることが理解される。
【００４１】
これらに対し、Ｎｏ．１〜８は、図１（ａ）に対応する本発明の実施例である。Ｎｏ．９〜１２は、図１（ｂ）に対応する本発明の実施例である。Ｎｏ．１３は、図１（ｃ）に対応する本発明の実施例であり、凹部より内側の部分の表面にテーパーを付与してある。いずれの例でも切削重量は１４０ｋｇ以下である。この切削重量にはα、β（ｒ／Ｒ）が影響し、αについては０．３ｃｍ≦α≦３．０ｃｍの範囲が好ましいことが分かる。βについては小さいほどよく、β≧０．８の範囲が特に好ましいことが分かる。また、凹部より内側の部分の表面にテーパーを付与することの有効性もＮｏ．３とＮｏ．１３との比較から明らかである。
【００４２】
なお上記実施形態では、凹部は断面形状が矩形の凹溝としたが、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように凹溝に限定されないことは言うまでもない。即ち、図３（ａ）では台盤２の中央部から外周縁まで全表面にわたって下向き傾斜のテーパー面７が形成されている。ここでは、周辺部（Ｒ／２以上）が凹部６に相当することは前述したとおりである。図３（ｂ）では凹部６は円環状の溝であるが、その内側の側面が内側へ傾斜している。図３（ｃ）では凹部６からその内側の部分にかけて全体が曲面で形成されている。図３（ｄ）では凹部６は円環状の溝であるが、その底面は半円形に湾曲している。いずれの凹部６も台盤２の外周縁に接しているが、台盤２の外周縁から離れていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明のるつぼ及び従来のるつぼにおける欠陥の発生状況を示すイメージ図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼの主要部の構造を例示する断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の消耗電極式真空アーク溶解用水冷銅るつぼの主要部の他の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  本体部
２  台盤
３  インゴット
４  欠陥
５  欠陥発生部分
６  凹部
７  テーパー面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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