(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ底面に配設された出湯ノズルの上部がテーパ状に形成されたコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、種々の大きさを有するチタン又はチタン合金製スクラップを溶解する方法であって、
上記チタン又はチタン合金製スクラップは、切削工程に起因する高融点材料を異物として含み、
るつぼ内のスクラップ嵩密度がチタンの真密度の３割以上となる様に上記スクラップを装入すると共に、
溶解開始前及び溶解開始後に、球相当径がノズル内径の２倍以下である小型スクラップが、上記出湯ノズル上部のテーパ部空間に入らない様にスクラップを装入して誘導溶解させた後、１０分間以上溶湯のままるつぼ内に保持することで上記異物を溶解させることを特徴とするチタン又はチタン合金製スクラップの溶解方法。
【請求項２】
上記チタン又はチタン合金製スクラップを溶解させた後、スポンジチタンをるつぼ内に添加し誘導溶解を行う請求項１に記載の溶解方法。
【請求項３】
上記チタン又はチタン合金製スクラップと共に、チタン又はチタン合金製鋳塊を用いる請求項１または２に記載の溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン又はチタン合金製スクラップ（以下、Tiスクラップと総称する）の溶解方法、並びに該溶解方法で溶製された溶湯を鋳造して製造される真空アーク炉再溶解法用の電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、チタンやチタン合金材料の用途が様々に広がっており、特にチタンは鉄やアルミニウムに続き、第三の金属としての需要が見込める金属材料である。このチタンの製造方法については、これまで真空アーク溶解法，電子ビーム溶解法やプラズマ溶解法といった方法が採用されているが、いずれも大量のTiスクラップを一括で溶解できる方法ではなく、今後発生量が増大すると考えられるTiスクラップを一括して大量に溶解することのできる方法が要望されている。
【０００３】
例えば、真空アーク炉再溶解法（VAR法）によってチタンやチタン合金を製造する方法では、介在物のない均一な組成を有するVAR法用の電極が要望されている。しかしながら、従来の方法では、原料が種々の大きさであることから、電極を製造する際には原料のサイズを揃え、更にこれらを溶接しやすくするためにプレスを行う必要があったが、プレスをしても原料の大きさのバラツキが存在し、更に組成の不均一という問題が存在していた。また、原料をプレスし、更にそれを溶接するという工程は、どうしても手間がかかり、工程が複雑になることは避けられなかった。しかも、この様にして製造された電極内には、原料から混入する介在物が存在したり、電極自体が溶解中に溶接継ぎ手が外れるなどの問題があり、これらを解決することが非常に困難であった。更に、嵩密度が小さいために、どうしても電極が大型化する傾向があった。
【０００４】
また、上記の様に従来法でプレス・溶接して製造された電極を用いて、VAR法にて合金を製造した場合、均一な組成を有する合金を製造するためには、VAR法を2〜3回繰返して製造しなければならないという問題もある。
【０００５】
Tiスクラップを一括して溶融する方法としては、大型のコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いる方法が期待されてはいるが、実際にはその溶解方法について十分に検討されておらず、効率的にTiスクラップを溶解するには、次の様な、技術的に未解決の問題が残されていた。第1に、Tiスクラップには、ゴルフ用部品や時計用部品等の打ち抜き屑，圧延片端材（スラブのへた等），切削屑等、種々の大きさや形状のものがあり、これらのTiスクラップをむやみに炉内に装入しても溶け残りや出湯不良が起こり、所定の出湯量を得ることは非常に困難である。第2に、Tiスクラップ中には切削工程に起因する切削工具の破損片等が混入していることが多く、これらの異物をTiスクラップから完全に分離除去することは困難であり、更に従来の溶解方法では上記異物を完全に溶解させることができなかった。溶け残った上記異物は高密度介在物（HDI）や低密度介在物（LDI）等とも呼ばれ、Tiスクラップの利用が増やせない原因ともなっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、大量のTiスクラップを一括して効率的に溶解する方法の提供を第1の課題とするものであり、また上記介在物の問題のないTiスクラップの溶解方法の提供を第2の課題とするものである。第3の課題として均一な組成を有する真空アーク炉再溶解法用に適した電極を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第1の課題を解決した本発明とは、るつぼ底面に配設された出湯ノズルの上部がテーパ状に形成されたコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、種々の大きさを有するチタン又はチタン合金製スクラップを溶解する方法であって、溶解開始前及び溶解開始後に、球相当径がノズル内径の2倍以下である小型スクラップが、上記出湯ノズル上部のテーパ部空間に入らない様にスクラップを装入して誘導溶解を行うことを要旨とするものであり、上記コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いてチタン又はチタン合金製スクラップを溶解するにあたっては、るつぼ内のスクラップ嵩密度がチタンの真密度の3割以上となる様にスクラップを装入して誘導溶解を行うことが推奨される。
【０００８】
また上記第2の課題を解決した本発明とは、切削工程に起因する高融点材料を異物として含むチタン又はチタン合金製スクラップをコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて溶解する方法であって、上記チタン又はチタン合金製スクラップを溶解させた後、10分間以上溶湯のままるつぼ内に保持することで上記異物を溶解させることを要旨とするものである。
【０００９】
更に、チタン又はチタン合金製スクラップとスポンジチタンをコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて溶解するにあたっては、上記スクラップを溶解させて下湯をるつぼ内に溶製した後、スポンジチタンをるつぼ内に添加し誘導溶解を行うことが望ましい。
【００１０】
尚、上記のいずれの方法においても、チタン又はチタン合金製スクラップと共に、チタン又はチタン合金製鋳塊を用いてもよい。
【００１１】
第3の課題を解決するためには、上記のいずれかの溶解方法において溶解された溶湯を鋳造して真空アーク炉再溶解法用の電極を製造すれば良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Tiスクラップ原料は、前述の通り、種々の大きさや形状であることから、真空アーク溶解法，電子ビーム溶解法やプラズマ溶解法などといった従来の方法では溶解対象のTiスクラップを細かく切断する必要がある。これに対して、水冷銅るつぼ等を用いたコールドクルーシブル誘導溶解においては、スクラップの切断等の作業が不要であることが大きな利点となる。しかしながら、るつぼ底面に配設された出湯ノズルの上部がテーパ状に形成されたコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、種々の大きさを有するチタン又はチタン合金製スクラップを溶解して出湯しようとしても、スムーズに溶湯を出湯できなかった。
【００１３】
本発明者らが出湯不良の原因を調査したところ、次の様な知見を得た。即ち、溶解処理の途中段階で、出湯ノズルの上部に形成されたテーパ部に、溶湯が小型（小径）のスクラップを巻き込んで入り込み、水冷されているテーパ部の銅セグメントにより冷却され一旦これが凝固してしまうと、出湯時にこの部分を溶解すべく誘導加熱を行っても、小型スクラップを巻き込んで固まった溶湯部分が先に溶解し、小型スクラップに誘導がかかりにくいことから溶け残り易く、この小型スクラップが完全に溶解しない状態で出湯が始まると、ノズル内に小型スクラップが入り込み、このスクラップが起点となって凝固が進行してノズルの閉塞等の出湯不良を引き起こしていたことが分かった。そこで本発明者らは出湯不良を防止するために、スクラップを装入する際に、このような溶解途中に出湯ノズルのテーパ部内へ溶湯が小型スクラップを巻き込んで流入することを防ぐ様にTiスクラップを装入することで、このような問題点を解決できることを見出し、本発明に想到した。具体的には、図1に示す様に、出湯ノズル2のテーパ上部（るつぼ1の底部1aと出湯ノズル2のテーパ面2aの境界部）において大型スクラップ3でテーパ部空間を覆い、上記空間内には全くスクラップのない状態にする方法を採用すれば、サイズの小さい（好ましくは球相当径に直してノズル内径の2倍以下の）小型スクラップ4が出湯ノズル2の直上に入り込むのを防ぐことができる。或いは、図2に示す様に、ノズル内径よりも大きい（好ましくはノズル内径の3倍以上の）中型スクラップ5でテーパ部に装入可能なものを置き、出湯ノズル2の上部を覆う方法を採用してもよい。
【００１４】
またTiスクラップには嵩高いものも多く、通常の方法で炉内に装入しても、必ずしも溶解ができないことが分かった。本発明者らが種々の検討を行った結果、図3のグラフに示す通り、最低でもるつぼに装入したスクラップの嵩密度がチタンの真密度の3割以上に相当する量を装入しなければ溶解しないことを突き止めた。溶解所要時間を短縮するという観点から、チタンの真密度に対するるつぼ装入原料の嵩密度の割合は、4割以上が望ましく、5割以上であればより望ましい。
【００１５】
更に、Tiスクラップでは、スクラップ中に含まれる切削工具屑等の異物を除去することは非常に困難であり、Tiスクラップを溶解して鋳造した場合、上記異物に起因する欠陥の発生が問題となっている。Tiスクラップとして代表的な切削工具屑である炭化タングステン（WC）を例にとると、溶湯中では以下の反応により溶解が進行するが、この溶解速度は非常に遅く、通常の真空アーク溶解法や電子ビーム溶解法等の従来法では溶解しきることができなかった。
【００１６】
ＷＣ→Ｗ＋Ｃ
これに対して、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いる本発明方法では、切削工具屑等の融点が、溶解チタン及びチタン合金の融点より高い温度（融点＋100℃以内）であっても、溶湯の撹拌力が非常に強いため、十分に溶解することが可能であることを本発明者らは見出した。WCの様に、異物の融点が溶解するチタン及びチタン合金の融点＋100℃以内であれば、図4に示す通り、溶湯中に10分間以上保持することで、切削工程に起因して混入すると考えられる最大の異物（切削工具屑等）であっても、溶湯中にほぼ完全に溶解することが可能であり、より確実に溶解するには15分以上保持することが望ましい。
【００１７】
尚、Tiスクラップ以外に、原料としてスポンジチタンを併用する場合には、溶解効率が著しく低下する。その原因は、スポンジチタンとTiスクラップを同時にルツボ内に装入するとスポンジチタン内に含まれているMgCl2が溶解初期に発生してるつぼ壁に付着し、更には凝固スカルに付着して抜熱量が多くなり冷却が強化されることに起因して、溶解効率及び出湯効率が非常に悪くなっているものである。本発明者らが、これを防ぐため様々な検討を行った結果、スポンジチタンを併用するときは、先にスクラップ及び／又は鋳塊を溶解し、るつぼ内に下湯を溶製してからスポンジチタンを添加することで、MgCl2がるつぼ壁に付着することを防ぐことが可能となり、溶解効率及び出湯効率良く溶解・鋳造することが可能になることを見出した。また、下湯は一旦炉内で凝固させ、スポンジチタンをその上に装入してから再度加熱して溶解・鋳造することも同様の理由からMgCl2を防ぐことができるので好ましい。
【００１８】
更に、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いる本発明方法では、大量のTiスクラップを一括して効率的に溶解ができ、介在物の問題のない溶湯を得ることができる。よって、該方法を用いて溶解された溶湯を鋳造して製造されたVAR法用電極は、従来の溶接継ぎ足し物ではない一体物とすることができ、その電極を一度で介在物のない均一な組成とすることができる。溶湯を鋳造する方法には重力鋳造や差圧鋳造、底注ぎ鋳造、横注ぎ鋳造等が適用でき、鋳造条件は溶解金属の融点以上、具体的には融点＋100℃程度の溶湯を鋳型に流し込み、上述の鋳造方法を用いることにより、VAR法に適した電極を得ることができる。また、本発明の溶解方法で電極を製造すると、溶湯を保持している間に合金成分を調整できるので、どのような合金化も容易となり、また希望重量の電極を一回の溶解で製造することが可能となり、原料が含んでいる可能性のある介在物を完全に溶解し、成分が均一で電極中に介在物が全く存在しない電極とすることができる。そして、該電極を使用してVAR法による溶解、鋳造を行うことによって、一度で介在物など欠陥のない高品質なチタンやチタン合金製品を製造することができ、従来の様に均一な組成の合金を得るためにVAR法を何度も繰り返す必要は無く、効率良く合金を製造することができる。
【００１９】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
【００２０】
【実施例】
実施例1
るつぼ内径400mmのコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、チタン200kg相当の炉体容積に対し、Tiの切削屑120kgと板状のスクラップを50kgを無作為に装入して15分間保持して溶解を行い、出湯を行った。その結果、約50kgの溶湯が出湯した時点でノズルが閉塞し、残りの溶湯は出湯できなかった。
【００２１】
次にノズル直上とテーパ部に小さなスクラップが入らない様に、先に大きな板スクラップで上記テーパ部を覆い、その後Tiの切削屑を装入して溶解を行い、出湯を行った。その結果、170kgの全ての溶湯が出湯できた（本発明例1）。
【００２２】
実施例2
前記コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、本発明例1と同様にして、チタン200kg相当の炉体容積に対し、板状のスクラップ50kgを装入して15分間誘導溶解を試みたが溶解しなかった。
【００２３】
次に、板スクラップ50kgに加えてTiの切削屑120kgを装入して誘導溶解を行ったところ溶解し、溶湯を5分間保持して出湯し鋳造を行った。但し、圧延後にJIS
Z3107に準拠してX線検査を行ったところ、介在物が確認された。
【００２４】
更に、板スクラップ50kgに加えてTiの切削屑120kgを装入して誘導溶解を行ったところ溶解し、溶湯を15分間保持して出湯し鋳造を行った。圧延後にJIS  Z3107に準拠してX線検査を行ったところ、介在物は全く確認されなかった（本発明例2）。
【００２５】
実施例3
溶解原料として、スラブへたのスクラップを50kg、Tiの切削屑を50kg、スポンジチタンを80kgを用いたこと以外は、実施例2と同様にして溶湯保持時間を5分間と15分間の2通り行い、出湯量を調べると共に、圧延後にX線検査を行った。次に、スラブへたのスクラップを50kgとTiの切削屑を50kgを5分間または15分間の溶湯保持を行って出湯量を調べると共に、圧延後にX線検査を行った。X線検査はJIS規格Z3107に準拠して行い、検出限界0.4mmφの介在物と欠陥がある場合を×、介在物は無いが欠陥が存在する場合を△、介在物も欠陥もない場合を○として評価した。結果を表1に示す。
【００２６】
【表１】
0004652537.tif 000002
【００２７】
スポンジチタンをスクラップと共に溶解させる際には、スクラップと同時に装入するのではなく、スクラップを溶解後にスポンジチタンを追加投入して溶解する方が溶解し易いことが分かる。
【００２８】
実施例4
本発明例として、るつぼ内径600mmのコールドクルーシブル誘導溶解装置を用いて、Ti-6Al-4V合金の塊状スクラップ150kgをるつぼ底に挿入・溶解し、更にスポンジチタン、Al-V母合金及び粒状AlをTi-6Al-4V合金組成となるように配合して、合計原料挿入量が550kgとなるようにした。原料が完全に溶解してから30分間溶湯を保持し、その後溶湯出湯を行って鋳造し、VAR用電極を製造した。また、該電極を用いてVAR法による溶解鋳造を行い、VAR一次鋳塊を得た。
【００２９】
また、比較例として、スポンジチタン、Al-V母合金、粒状AlをTi-6Al-4V合金組成となるように配合し、プレス成形後溶接してVAR用電極を製造した。該電極を用いてVAR法による溶解鋳造を行い、VAR一次鋳塊を得た。更に、該VAR一次鋳塊をVAR用電極として再びVAR法による溶解鋳造を行い、VAR二次鋳塊を得た。
【００３０】
上記の様に得られたVAR用電極、VAR一次鋳塊、VAR二次鋳塊の中央部からサンプルを採取し、湿式分析（金属元素はICP発光分光分析、ガスは不活性ガス融解法）を行った。結果を下記表2に示す。
【００３１】
【表２】
0004652537.tif 000003
【００３２】
上記表2から考察すると、コールドクルーシブル誘導溶解装置を用いる本発明の溶解方法では、ほぼ均一な成分組成を有するVAR用電極を製造することができた。また、該電極の組成はTi-6Al-4V合金製品としても十分別使用できるものであり、再度のVARを施すまでもない様な良好な成分組成（±0.1質量%の精度）を有する電極であった。
【００３３】
一方、従来のようにプレス後溶接して製造されたVAR用電極は、成分組成がかなり不均一であり、該電極を用いてVARを一度施して得られるVAR一次鋳塊でもまだバラツキがある。この様な中間段階のものから成分組成が均一な製品を得る為には、該一次鋳塊を電極とし、再びVARを行いVAR二次鋳塊を得なければならない。この様に、従来の方法で得られるVAR法用電極を用いると、最終製品を得るまでに多くの工程が必要となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、大量のTiスクラップを一括して効率的に溶解する方法が提供できることとなり、また上記介在物の問題のないスクラップの溶解方法が提供できることとなった。更に、本発明の溶解方法により溶解された溶湯を鋳造すると真空アーク炉再溶解法に適した電極を提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るTiスクラップの装入方法の一例を示す説明図である。
【図２】本発明に係るTiスクラップの装入方法の他の例を示す説明図である。
【図３】装入条件と溶解所要時間の関係を示すグラフである。
【図４】切削工具屑（WC）の溶湯中における保持時間と、溶湯中の元素濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1  るつぼ
2  出湯ノズル
3  大型スクラップ
4  小型スクラップ
5  中型スクラップ
【図１】
0004652537.tif 000004
【図２】
0004652537.tif 000005
【図３】
0004652537.tif 000006
【図４】
0004652537.tif 000007