特許 6052805 チタン鋳塊の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6052805

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】チタン鋳塊の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22B 34/12 20060101AFI20161219BHJP

   C22B 9/04 20060101ALI20161219BHJP

   C22B 9/22 20060101ALI20161219BHJP

   B22D 27/02 20060101ALI20161219BHJP

   C22C 1/08 20060101ALN20161219BHJP

【ＦＩ】

   C22B34/12 103

   C22B9/04

   C22B9/22

   B22D27/02 C

   !C22C1/08 F

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-175585(P2013-175585)

(22)【出願日】2013年8月27日

(65)【公開番号】特開2015-45040(P2015-45040A)

(43)【公開日】2015年3月12日

【審査請求日】2015年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100061745

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 敏雄

(74)【代理人】

【識別番号】100120341

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】金橋 秀豪

(72)【発明者】

【氏名】大山 英人

【審査官】 池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−１６５８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０４７４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１３１３３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｂ ３４／１２

Ｃ２２Ｂ ９／００−９／２２

Ｂ２２Ｄ ２１／００−２１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多孔質チタン原料を塊状にすることで多孔質部を成形する成形工程と、
前記成形工程で成形された前記多孔質部の表面を真空下で溶解することで前記稠密被覆部を成形する溶解工程と、を備えることを特徴とするチタン鋳塊の製造方法。

【請求項2】

前記成形工程が、前記多孔質チタン原料を電子ビーム熔解炉の鋳型に装入することで前記塊状の多孔質部を成形し、
前記溶解工程が、真空下において、前記鋳型内の多孔質部が該鋳型の内面と接触する縁部に対して鋳型中心部に対する電子ビームよりも高い密度の電子ビームを照射し、前記縁部のみを溶解しつつ連続的な引き抜きを行うことで、前記稠密被覆部を形成することを特徴とする請求項１に記載のチタン鋳塊の製造方法。

【請求項3】

前記成形工程が、前記多孔質チタン原料に加圧することで前記塊状の多孔質部を成形し、
前記溶解工程が、真空下において、前記多孔質部の表面に電子ビームを照射して該表面を溶解することで、前記稠密被覆部を形成することを特徴とする請求項１に記載のチタン鋳塊の製造方法。

【請求項4】

前記溶解工程の後、熱間および冷間加工を行うことで、稠密なチタン素材を製造することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチタン鋳塊の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チタン鋳塊を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

純チタンおよびチタン合金は、優れた軽量性、耐熱性、耐腐食性等を有することから、化学・電気プラントや、航空機、スポーツ用品など高付加価値製品に欠かせない金属素材である。このような純チタンやチタン合金で製造されるチタン金属製品は、チタン鋳塊に対する圧延や鍛造等の工程を経て製作されるが、チタン鋳塊の製造技術としては、以下に説明する消耗電極式真空アーク溶解ＶＡＲ（Vacuum Arc Remelting）法、電子ビームを用いたハース溶解ＥＢ（Electron Beam）法、及びプラズマアークを用いたハース溶解ＰＡＭ（Plasma Arc Melting）法などが存在する。

【0003】

消耗電極式真空アーク溶解ＶＡＲ法は、純チタンまたはチタン合金からなるチタン鋳塊の溶解方法として従来から多用される技術である。このＶＡＲ法は、高真空、あるいは不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ）雰囲気下の溶解炉内で、チタン鋳塊の原料によって予め製造された消耗電極と水冷銅るつぼ内の溶湯との間にアーク（直流アーク）を発生させ、熱源となるアーク熱により消耗電極を溶解し、溶解した消耗電極の溶湯からチタン鋳塊を得る方法である。

【0004】

ＶＡＲ法では、消耗電極の溶解によって得られたチタン鋳塊の成分の均一化を目的として成分偏析を抑制するために、通常は、１回の溶解で得られたチタン鋳塊を再度溶解するといった２回溶解を行うことが多い。特に、航空機用途のチタン合金では、成分偏析を抑制して均質化を図るため、３回溶解を行うことがある。
ハース溶解ＥＢ法は、スポンジチタンやスクラップなどの溶解原料を水冷銅ハースへ供給し、電子ビームＥＢ（Electron Beam）を熱源としてこれら溶解原料を加熱した上で連続的に水冷銅鋳型に流し込み、この鋳型からの引き抜きによってチタン鋳塊を製造する技術である。このハース溶解ＥＢ法では、高真空環境下において、水冷銅鋳型内の湯面温度の均一性の保持と凝固抑止のために、溶湯表面に電子ビームを照射しながら引き抜きを行う。このとき、高いエネルギー密度を有する電子ビームを高真空環境下で照射することによって溶湯が蒸発してしまうので、溶解原料の成分制御が難しく、主に純チタン鋳塊の製造に好適な技術であるといえる。

【0005】

ハース溶解ＰＡＭ法は、スポンジチタンやスクラップなどの溶解原料を水冷銅ハースへ供給し、プラズマアークを熱源としてこれら溶解原料を加熱した上で連続的に水冷銅鋳型に流し込み、この鋳型からの引き抜きによってチタン鋳塊を製造する技術である。このハース溶解ＰＡＭ法では、不活性ガス環境下において、プラズマアークを溶湯表面に照射しながら引き抜きを行う。ハース溶解ＰＡＭ法は、大気圧近傍の不活性ガス環境下で実施されるため溶湯の蒸発ロスが少なく、溶解原料の成分制御が比較的容易であるので、チタン合金の鋳塊製造に好適な技術であるといえる。

【0006】

ハース溶解ＥＢ法及びハース溶解ＰＡＭ法は共に、ＶＡＲ法のように消耗電極を作成する必要が無く、溶解原料から直接にチタン鋳塊を製造できるため、ＶＡＲ法より生産性の高い溶解方法として注目されている。
特許文献１は、ハース溶解ＥＢ法の一例であって、溶湯表面を電子ビームで照射しながら引き抜きを行う高融点金属インゴットの製造方法を開示している。

【0007】

特許文献１の高融点金属インゴットの製造方法は、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、上記鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴット部分を回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、上記鋳型プール面に照射する電子ビームのうち、鋳型プールの中心部に比べて、上記鋳型に隣接した鋳型プールの周縁部に沿った電子ビームのエネルギー密度を高めて照射することを特徴とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００９−１７２６６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述のＶＡＲ法は、チタン鋳塊を得るために消耗電極の溶解を複数回繰り返す工程を有するので、チタン鋳塊を得るための工程が多く時間がかかり、かつ消耗電極の溶解に多くのエネルギーを用いるという点が問題であり、生産性の高い方法であるとは言えない。
一方、上述の特許文献１で採用されるハース溶解ＥＢ法は、溶解した原料から直接にチタン鋳塊を製造できるためＶＡＲ法より生産性の高い溶解方法である。しかし、ハース溶解ＥＢ法は、完全に溶解された原料を水冷銅ハースへ供給しなくてはならず、原料を完全に溶解するために多くのエネルギーを必要とするという点が問題である。また、ハース溶解ＥＢ法は、高真空環境下で電子ビームを用いるが故に溶湯が蒸発してしまうという問題も有しており、溶解原料の成分制御が要求されるチタン合金の鋳塊製造に適しているとは言い難く、むしろ純チタンの鋳塊製造に適した技術であるといえる。

【0010】

このように、ＶＡＲ法より生産性の高いハース溶解ＥＢ法においても原料を一旦完全に溶解しなくてはならず、非常に多くのエネルギーを必要とする技術である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、非常に少ないエネルギーしか用いずに高い生産性でチタン鋳塊を製造するチタン鋳塊の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。

【0012】

本発明に係るチタン鋳塊の製造方法は、多孔質チタン原料を塊状にすることで多孔質部を成形する成形工程と、前記成形工程で成形された前記多孔質部の表面を真空下で溶解することで前記稠密被覆部を成形する溶解工程と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記成形工程が、前記多孔質チタン原料を電子ビーム熔解炉の鋳型に装入することで前記塊状の多孔質部を成形し、前記溶解工程が、真空下において、前記鋳型内の多孔質部が該鋳型の内面と接触する縁部に対して鋳型中心部に対する電子ビームよりも高い密度の電子ビームを照射し、前記縁部のみを溶解しつつ連続的な引き抜きを行うことで、前記稠密被覆部を形成するとよい。

【0013】

また、前記成形工程が、前記多孔質チタン原料に加圧することで前記塊状の多孔質部を成形し、前記溶解工程が、真空下において、前記多孔質部の表面に電子ビームを照射して該表面を溶解することで、前記稠密被覆部を形成するとよい。
なお、前記溶解工程の後、熱間および冷間加工を行うことで、稠密なチタン素材を製造するとよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明のチタン鋳塊の製造方法によれば、非常に少ないエネルギーしか用いず高い生産性でチタン鋳塊を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態によるチタン鋳塊の概略構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるチタン鋳塊の製造方法を実施する電子ビーム溶解炉の概略構成を示す図である。

【図3】第１実施形態による電子ビーム溶解炉の鋳型湯面への入熱量と鋳型内面と接する凝固シェルの厚みとの関係を示す図である。

【図4】本発明の第２実施形態によるチタン鋳塊の製造方法を実施する電子ビーム照射装置の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
なお、以下に説明する各実施形態は、本発明を具体化した例示であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、以下の実施形態に開示内容だけに限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１〜図３を参照しながら、本発明の第１実施形態によるチタン鋳塊及びチタン鋳塊の製造方法について説明する。以下の説明では、重力方向を下方といい、その反対方向を上方という。

【0017】

まず、図１を参照して、本実施形態によるチタン鋳塊１ａの構成を説明する。図１は、本実施形態によるチタン鋳塊１ａの概略構成を示す図であり、チタン鋳塊１ａを切断して切断面を示すと共に、切断した部分を２点鎖線で表す仮想線で示している。
図１に示すように、チタン鋳塊１ａは、例えば直方体形状の鋳塊であって、直方体形状の内部に多孔質チタン原料が鋳塊状に成形された多孔質部２ａを備えると共に、該直方体形状の外部に稠密なチタンで構成され、多孔質部２ａの全表面を被覆する稠密被覆部３ａを備える。

【0018】

チタン鋳塊１ａは、多孔質チタン原料としてクロール法で製造された塊状のスポンジチタン４を原料として用いて製造されるが、合金添加元素を内包してプレスした成形ブリケットや、純チタン／チタン合金スクラップなどを用いても製造することができ、純チタン鋳塊やチタン合金鋳塊となる。特に、スポンジチタン４は、周知のとおり、粒径が数ミリメートル（ｍｍ）〜数十ｍｍの多孔質のチタン塊である。尚、本実施形態では、純チタン及びチタン合金を、単にチタンと表記して特に区別はしない。

【0019】

以下の説明では、多孔質チタン原料として上述の塊状のスポンジチタン４を用いた場合を説明する。
チタン鋳塊１ａの多孔質部２ａは、数多くの塊状のスポンジチタン４が、ほとんど溶解することなく又は完全には溶解することなく、鋳塊状に集められて成形されている。従って、スポンジチタン４が内部に元々有している孔や、隣り合うスポンジチタン４間に存在する隙間などは、完全には無くなることなく空間として存在している。そして、この多孔質部２ａにおける空間は、後述する稠密被覆部３ａを備えたチタン鋳塊１ａにおいて真空状態に保持される。

【0020】

チタン鋳塊１ａの稠密被覆部３ａは、多孔質部２ａのスポンジチタン４と同じ材質で構成され、多孔質部２ａの外表面全体を覆うと共に、チタン鋳塊１ａの外形状を直方体形状に整えるものである。稠密被覆部３ａは、例えばスポンジチタン４を溶解することで得られるチタンなど、完全に溶解したチタンで多孔質部２ａの外表面を覆って冷却することで形成される殻（シェル）であり、亀裂、開口及び孔などが無く大気等の気体を通さない緻密で非多孔質の稠密なシェルである。稠密被覆部３ａは、完全に溶解したチタンで多孔質部２ａの外表面を覆うことによって形成されるので、多孔質部２ａと一体化してチタン鋳塊１ａを構成する。

【0021】

真空下において成形された多孔質部２ａの外表面を上述の稠密被覆部３ａによって覆えば、真空状態の多孔質部２ａを内部に有するチタン鋳塊１ａが得られる。
次に、図２を参照しながら、上述のチタン鋳塊１ａを製造する方法について説明する。図２は、本実施形態によるチタン鋳塊１ａの製造方法を実施する電子ビーム溶解炉５の概略構成を示す図である。

【0022】

図２に示す電子ビーム溶解炉５は、上方からスポンジチタン４が装入されて下方からチタン鋳塊１ａが引き抜かれる鋳型６、鋳型６に装入されたスポンジチタン４を鋳型６の上方から加熱する電子ビーム（ＥＢ）ガン７、及び鋳型６と電子ビーム（ＥＢ）ガン７を真空の内部に配置する真空チャンバ８を有している。
鋳型６は、チタン鋳塊１ａが引き抜かれる下方の開口（図示せず）の寸法が、例えば２５０ｍｍ×１３００ｍｍであり、上方の開口寸法もほぼ同様である。上方の開口から下方の開口までの距離に相当する鋳型６の深さは、これら開口寸法に応じた値となっている。

【0023】

電子ビーム（ＥＢ）ガン７は、鋳型６の上方の開口内に向かって電子ビームを照射するものであり、鋳型６の上方に設けられる。ＥＢガン７は、鋳型６内に装入されたスポンジチタン４を鋳型６の上方から電子ビームで走査（スキャン）することによって、スポンジチタン４を加熱するものである。ＥＢガン７は、走査速度及び走査中における電子ビームの出力（密度）を任意に変更することができるので、鋳型６内のスポンジチタン４に対する入熱量を任意に調整することができる。

【0024】

真空チャンバ８は、その内部に鋳型６及びＥＢガン７を配置する直方体形状の容器又は部屋であり、内部を密閉して排気することで真空状態に保持することができる。
このような構成の電子ビーム溶解炉５を用いたチタン鋳塊１ａの製造方法を説明する。
本実施形態によるチタン鋳塊１ａの製造方法は、多孔質チタン原料であるスポンジチタン４を鋳塊状に集めることで多孔質部２ａを成形する成形工程と、成形工程で成形された多孔質部２ａの表面を真空下で溶解することで稠密被覆部３ａを成形する溶解工程とを備える。

【0025】

まず、成形工程として、真空状態に保持された真空チャンバ８内（真空下）において、多孔質チタン原料であるスポンジチタン４を電子ビーム熔解炉５の鋳型６に装入することで、装入されたスポンジチタン４を鋳型６の形状に沿った鋳塊状の多孔質部２ａとして成形する。
続いて、溶解工程として、真空チャンバ８の真空状態を保持したまま、ＥＢガン７が、鋳型６内で多孔質部２ａとして成形されたスポンジチタン４を電子ビームで走査し、該スポンジチタン４を加熱する。この溶解工程においてＥＢガン７は、鋳型６内の多孔質部２ａが該鋳型６の内面と接触する縁部９に対して、鋳型６の中心部（鋳型中心部）における多孔質部２ａに対する電子ビームよりも高い密度の電子ビームを照射する。このようにスポンジチタン４に対する入熱量をスポンジチタン４の場所によって変化させて多孔質部２ａの縁部９のみを溶解しつつ、縁部９が溶解した多孔質部２ａを鋳型６から連続的に引き抜く（連続的な引き抜きを行う）。その後、溶解した縁部９は冷却されるにつれて多孔質部２ａと一体化しつつ凝固（硬化）し、凝固シェルである稠密被覆部３ａとして形成される。

【0026】

この溶解工程において、鋳型６に装入されて多孔質部２ａとして形成されたスポンジチタン４が鋳型６の深さ方向に深ければ、深さ方向全体にわたって縁部９だけを溶解するのが困難となる。つまり、ＥＢガン７は鋳型６の上方からスポンジチタン４を走査するので、装入されたスポンジチタン４が深ければ、鋳型６の下方における縁部９が溶解する前に、鋳型６の上方におけるスポンジチタン４の全面が溶解して湯面となってしまう。

【0027】

そこで、縁部９だけを溶解するのに適切な深さとなるようにスポンジチタン４を鋳型６に装入し、縁部９が溶解した分だけ引き抜きを行って、この引き抜きとほぼ同時に、新たに適切な深さとなるまでスポンジチタン４を装入する。このスポンジチタン４の装入、縁部９の溶解、引き抜きの循環を繰り返すことで、引き抜き方向における側面が稠密被覆部３ａで覆われたチタン鋳塊１ａが製造される。

【0028】

多孔質部２ａの外表面全体を稠密被覆部３ａで覆ったチタン鋳塊１ａを得るには、引き抜きの開始端であって引き抜き方向における一方の端面と、引き抜きの終了端であって引き抜き方向における他方の端面も稠密被覆部３ａで構成しなくてはならない。そこで、まず最初に、引き抜きの開始端における稠密被覆部３ａを形成するためのスポンジチタン４を鋳型６内に装入し、その装入されたスポンジチタン４をＥＢガン７を用いて全て溶解する。その後、スポンジチタン４の装入、縁部９の溶解、引き抜きの循環を繰り返し、引き抜きの終了端における稠密被覆部３ａを形成するためのスポンジチタン４を鋳型６内に装入して、その装入されたスポンジチタン４をＥＢガン７を用いて全て溶解し、成形されたチタン鋳塊１ａを鋳型６から引き抜く。この手順を経て、多孔質部２ａの外表面全体が稠密被覆部３ａで覆われたチタン鋳塊１ａを製造することができる。

【0029】

図３を参照しながら、ＥＢガン７が照射する電子ビームの密度について説明する。図３は、本実施形態による電子ビーム溶解炉５の鋳型湯面への入熱量と鋳型内面と接する凝固シェルの厚みとの関係を示す図である。
上述したように、本実施形態によるチタン鋳塊１ａの製造方法によれば、高真空環境下にある電子ビーム溶解炉５の鋳型６内に投入されたスポンジチタン４に電子ビームを照射して、特に、鋳型６の内面とスポンジチタン４が接触する縁部９に対して、鋳型６の中心部よりも高密度な電子ビームを照射して溶解しながら、連続的な引き抜きを行う。

【0030】

このとき、上述の電子ビーム溶解炉５の鋳型６の寸法として例示する、直接熱延が可能なスラブ断面寸法２５０ｍｍ×１３００ｍｍを対象に、電子ビーム溶解法による伝熱凝固計算を行った。その結果は図３のグラフに示す通りである。
図３に示すように、鋳型６内のスポンジチタン４の表面である湯面全体に対して、均一に１.６ＭＷ/ｍ^２の熱量を与えたところ、スポンジチタン４と鋳型６の内面（鋳型内面）が接する部分である縁部９から凝固シェルである稠密被覆部３ａが成長していく。そこで、鋳型内面から鋳型中心部に向かって３０ｍｍの範囲に対して、局所的に電子ビームのエネルギー密度を上昇させたところ、約２.５倍にあたる４.０ＭＷ/ｍ^２で湯面全体、つまり鋳型６内で上方に露出したスポンジチタン４の全体が溶融するという結果を得た。

【0031】

この図３に示す解析の結果より、凝固シェルである稠密被覆部３ａの厚みを５ｍｍ以下にするには、スポンジチタン４と鋳型内面が接する部分である縁部９に対して、少なくとも２.０ＭＷ/ｍ^２の局所入熱があればよいことがわかり、多孔質部２ａの全表面を稠密なチタンで被覆したチタン鋳塊１ａを製造することが可能となる。
加えて、チタン原料としてスポンジチタン４を用いる本実施形態の場合、鋳型中央部にあるスポンジチタン４にも電子ビームを照射することで、スポンジチタン４に含まれる不純物ＭｇＣｌ_２を揮発除去することができ、チタン鋳塊１ａの品質を高位にすることができる。スポンジチタン４に含まれる不純物ＭｇＣｌ_２は、スポンジチタン４が、ＴｉＣｌ_４を反応容器の中でＭｇにて還元・精製するクロール法によって工業生産されるが故に不可避的に含まれるものである。このように、真空下で多孔質のスポンジチタン４に電子ビームが照射されると、スポンジチタン４内の空孔に存在する液体の物質はほぼ全て気化してしまいスポンジチタン４から除去される。従って、製造されたチタン鋳塊１ａにおいて、稠密なチタンで被覆された多孔質部２ａの内部に存在する空間はほぼ真空の状態であり、チタン鋳塊１ａは、多孔質部２ａが稠密被覆部３ａによって真空にパックされた構成となる。

【0032】

多孔質部２ａが稠密被覆部３ａによって真空にパックされたチタン鋳塊１ａは、分塊圧延後又は直接に熱間圧延を行なえば、一般的なチタン製造条件であっても、多孔質部２ａに内在する真空の空間（空孔）を圧着することができ、内部まで稠密なチタン厚板材を製造することができる。さらに、一般的なチタン材の製造条件にて冷間圧延をおこなうことで、チタン薄板材の製造も可能となる。尚、スポンジチタン４の嵩密度は１〜２ｇ/ｃｍ^３程度とされている。純チタンの嵩密度４.５ｇ/ｃｍ^３を考慮すると、少なくとも圧下率を７０％以上かけて熱間圧延することが望ましい。その上で、圧延後に超音波探傷などのＵＴ検査を行って空間（空孔）の圧着の状態を評価すればさらに望ましい。

【0033】

ここで、稠密被覆部３ａは、熱間圧延時に破断してしまうと、多孔質部２ａに内在する真空の空間が大気置換されてしまい好ましくない。従って、稠密被覆部３ａの厚みはチタン鋳塊１ａの表面のいずれの位置においても５ｍｍ以上であることが好ましい。
上述のチタン鋳塊１ａは、直方体形状であったが、鋳型６として内面が円柱形状である鋳型を用いて鋳型内面に沿った円周の縁部９を溶解すれば、ほぼ円柱形状の多孔質部２ａが稠密被覆部３ａによって真空にパックされた円柱形状のチタン鋳塊１ａを得ることができる。チタン鋳塊１ａが円柱形状であっても、直方体形状（矩形状）に成型し、分塊圧延後又は直接に熱間圧延を行なえば、多孔質部２ａに内在する真空の空間（空孔）を圧着することができ、内部まで稠密なチタン材を製造することができる。円柱形状のチタン鋳塊１ａであれば、連続高温押出／引抜を行うことで、線材の製造も可能になることは容易に想像できる。

【0034】

本実施形態で説明したように、未溶解あるいは半溶融状態のスポンジチタン４である多孔質部２ａを真空状態で稠密被覆部３ａでパッキングしてチタン鋳塊１ａを製造し、製造したチタン鋳塊１ａを熱間圧延に供して内在する真空の空間（空孔）である空洞（ボイド）を圧着する。これによって、従来のハース溶解ＥＢ法のようにスポンジチタン４を完全に溶解する必要がなく、溶解に必要な電力を抑制することができ、さらに、チタン鋳塊１ａを得るまでのリードタイムを短縮することができるため、チタン薄板などの製造において、高い生産性、電力代高騰に対応した地球環境にやさしい省エネルギー素材の製造を実現することができる。
（第２実施形態）
図４を参照しながら、本発明の第２実施形態によるチタン鋳塊及びチタン鋳塊の製造方法について説明する。図４は、本実施形態によるチタン鋳塊の製造方法を実施する電子ビーム照射装置の概略構成を示す図である。以下の説明では、重力方向を下方といい、その反対方向を上方という。

【0035】

本実施形態によるチタン鋳塊１ｂは、第１実施形態によるチタン鋳塊１ａと同様の構成を有し、第１実施形態の多孔質部２ａ及び稠密被覆部３ａと同様の多孔質部２ｂ及び稠密被覆部３ｂで構成される。本実施形態では、このチタン鋳塊１ｂを製造するに際して、図４に示す電子ビーム照射装置１０を用いる。
図４に示す電子ビーム照射装置１０は、直方体の鋳塊状に押し固められたスポンジチタン（多孔質鋳塊１１）を載置するテーブル（図示せず）、直方体形状の多孔質鋳塊１１を上方から加熱する電子ビーム（ＥＢ）ガン１２、及びテーブルと電子ビーム（ＥＢ）ガン１２を真空の内部に配置する真空チャンバ１３を有している。

【0036】

電子ビーム（ＥＢ）ガン１２は、第１実施形態によるＥＢガン７と同様の構成を有し、テーブル上に載置された直方体形状の多孔質鋳塊１１に向かって電子ビームを照射するものであり、テーブルの上方に設けられる。ＥＢガン１２は、テーブルに載置された直方体形状の多孔質鋳塊１１の表面を該多孔質鋳塊１１の上方から電子ビームで走査（スキャン）することによって、多孔質鋳塊１１の表面を加熱し溶解するものである。

【0037】

真空チャンバ１３は、その内部にテーブル及びＥＢガン１２を配置する直方体形状の容器又は部屋であり、内部を密閉して排気することで真空状態に保持することができる。
このような構成の電子ビーム照射装置１０を用いたチタン鋳塊１ｂの製造方法を説明する。
本実施形態によるチタン鋳塊１ｂの製造方法は、多孔質チタン原料であるスポンジチタン４を型に装入して加圧し押し固めることで、鋳塊状の多孔質部２ｂである多孔質鋳塊１１を成形する成形工程と、成形工程で成形された多孔質鋳塊１１の表面に真空下で電子ビームを照射して該表面を溶解することで、稠密被覆部３ｂを形成する溶解工程とを備える。

【0038】

まず、成形工程として、真空状態に保持された真空チャンバ１３内（真空下）において、製造しようとするチタン鋳塊１ｂとほぼ同形状同寸法の直方体形状の型にスポンジチタン４を装入する。その上で、型内に装入されたスポンジチタン４に加圧（プレス）して該スポンジチタン４を押し固め、製造しようとするチタン鋳塊１ｂとほぼ同形状同寸法の鋳塊状の多孔質鋳塊１１を成形する。

【0039】

続いて、溶解工程として、真空チャンバ１３の真空状態を保持したまま、成形工程で成形された多孔質鋳塊１１がテーブルに載置され、ＥＢガン１２が、該多孔質鋳塊１１の表面を電子ビームで走査し溶解する。この多孔質鋳塊１１は直方体形状であるためその表面は６つの面で構成されるが、１つの面の走査が終わる度にテーブル上で多孔質鋳塊１１を回転させて、６つの面全てを順に走査する。

【0040】

ＥＢガン１２によって走査された多孔質鋳塊１１の表面を構成する６つの面において溶解したチタンは、冷却されるにつれて多孔質部２ｂ及び隣接する面と一体化しつつ凝固（硬化）し、凝固シェルである稠密被覆部３ｂとして形成される。この手順を経て、多孔質部２ｂの外表面全体が稠密被覆部３ｂで覆われたチタン鋳塊１ｂを製造することができる。

【0041】

ここで、上述のとおり多孔質鋳塊１１の表面は６つの面で構成されるが、各面の平坦度を確保できれば、どの面からでも電子ビームを照射して、順次稠密被覆部３ｂで被覆することができる。
本実施形態では、真空状態の真空チャンバ１３内で多孔質鋳塊１１の表面に電子ビームを照射することにより稠密被覆部３ｂを形成するが、この電子ビームの照射による入熱によって、第１実施形態と同様にスポンジチタン４に含まれる不純物ＭｇＣｌ_２を揮発除去することができるだけでなく、多孔質鋳塊１１の内部にまで熱が伝達されることで半溶融化でき、多孔質鋳塊１１を成形するときに内部に封じ込められた大気成分も真空置換することができる。このように、本実施形態によるチタン鋳塊の製造方法によっても、チタン鋳塊１ｂの品質を高位にすることができる。

【0042】

本実施形態における稠密被覆部３ｂも、チタン鋳塊１ｂの表面のいずれの位置においても５ｍｍ以上の厚みであることが好ましく、ＥＢガン１２が照射する電子ビームの密度として、５ｍｍ以上の厚みの稠密被覆部３ｂが形成される程度に多孔質鋳塊１１の表面を溶解する密度が選択される。
本実施形態によるチタン鋳塊の製造方法においても、未溶解あるいは半溶融状態のスポンジチタン４である多孔質部２ｂ（多孔質鋳塊１１）を真空状態でパッキング（稠密被覆部３ｂ）して、第１実施形態によるチタン鋳塊１ａと同様のチタン鋳塊１ｂを製造し、製造したチタン鋳塊１ｂを熱間圧延に供して内在する真空の空間（空孔）である空洞（ボイド）を圧着する。これによって、従来のハース溶解ＥＢ法のようにスポンジチタン４を完全に溶解する必要がなく、溶解に必要な電力を抑制することができ、さらに、チタン鋳塊１ｂを得るまでのリードタイムを短縮することができるため、チタン薄板などの製造において、高い生産性、及び省エネルギー化を実現することができる。

【0043】

特に、本実施形態によるチタン鋳塊の製造方法によれば、第１実施形態のように鋳型６を用いないので、直方体形状や円柱形状に限らず様々な形状の多孔質鋳塊１１の表面に対して電子ビームを照射することで様々な形状のチタン鋳塊１ｂを製造することができるという利点がある。
上述の第１実施形態及び第２実施形態によるチタン鋳塊及びチタン鋳塊の製造方法であれば、未溶解あるいは半溶融状態のスポンジチタン４（多孔質部２ａ，２ｂ）を真空状態でパッキング（稠密被覆部３ａ，３ｂ）できるので、熱間圧延において多孔質部２ａ，２ｂに内在する空洞（ボイド）を真空圧着し、生産性の高い純チタンおよびチタン合金を製造することができる。従って、真空アーク溶解法や、加熱源として電子ビーム又はプラズマアークを用いるハース溶解法によって稠密なチタンインゴットを溶製しなくてもよく、また稠密なチタンインゴットを熱間で分塊鍛造する必要もなくなる。

【0044】

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

【符号の説明】

【0045】

１ａ，１ｂ チタン鋳塊
２ａ，２ｂ 多孔質部
３ａ，３ｂ 稠密被覆部
４ スポンジチタン
５ 電子ビーム溶解炉
６ 鋳型
７，１２ 電子ビーム（ＥＢ）ガン
８,１３ 真空チャンバ
９ 縁部
１０ 電子ビーム照射装置
１１ 多孔質鋳塊

【図3】

【図1】

【図2】

【図4】