WO2021192875A1 - ボトム出湯用黒鉛ノズル及びＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

組成の欠陥も考慮した表面品質など、総合的な鋳造品の品質を大きく向上させることができるボトム出湯用黒鉛ノズルを提供すること及び当該ノズルを用いると共にＡｌ濃度を制御することにより、組成の欠陥も考慮した総合的な品質を大きく向上させることができるＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法を提供する。溶湯（Ｍ）を鋳型（４）に出湯して鋳塊（Ｓ）を鋳造する際に用いられる坩堝（２）の底部に設けられた、ボトム出湯用黒鉛ノズル（５）において、そのボトム出湯用黒鉛ノズル（５）の内部であって溶湯（Ｍ）が通過する流路（６）に、角度θが２．５°以上８°以下のテーパーＴが付与されている。

Description

ボトム出湯用黒鉛ノズル及びＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法

　本発明は、出湯するときの溶湯の流れを制御すると共に、その出湯時におけるノズルの損傷を防止することができるボトム出湯用黒鉛ノズル及びそのボトム出湯用黒鉛ノズルを用いたＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法に関する。

　一般に、水冷銅の坩堝を用いた誘導溶解炉（ＣＣＩＭ：コールドクルーシブル誘導溶解装置）は、溶解雰囲気および坩堝から溶湯内に不純物が混入することがほとんどなく、高融点のＴｉ－Ａｌ基合金の溶解に適している。
　また、誘導溶解炉は、坩堝サイズより小さな原料であれば、形状に制約なく炉内で溶解ができるため、スクラップ等の材料を原材料として有効に活用することができる。

　さらに、誘導溶解炉で加熱を起こさせる電磁誘導は、溶湯を攪拌させる電磁斥力も生じさせるため、電磁斥力による攪拌で溶湯内の成分均質性を保つことも可能となる。
　そのため、誘導溶解炉を用いたＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造は、高価な原料費が故に高い歩留まりが求められるＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊に対して、高品質な鋳塊を高歩留まりで得るための有効な手法とされている。

　ところで、通常、金属は液体状態よりも固体状態において密度が大きいため、凝固の際に鋳造体の容積が小さくなる。つまり、凝固時に収縮が起こることで、比較的冷却速度が遅く凝固の遅れる部分には、引巣と呼ばれる空洞が鋳造時の欠陥として発生してしまう。このような引巣は、特に細径鋳塊を製造する際に鋳塊の軸心部で発生しやすい。そこで、誘導溶解炉で溶解した金属を細径鋳塊として鋳造する場合は、鋳造時の引巣を抑制するため、以下の特許文献１のような技術が開発されている。

　特許文献１は、活性金属の鋳造方法において細径鋳塊内部の引巣を低減、良品歩留を向上させることを目的としている。
　具体的には、水冷銅の坩堝２を用いた誘導溶解炉３において、坩堝２の底部に設けられた出湯口５から溶湯Ｍを鋳型４に出湯して活性金属の細径鋳塊Ｓを鋳造する活性金属の鋳造方法であって、鋳塊は直径１０ｍｍ以上で、且つ、鋳塊高さＨと鋳塊径Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が１．５以上であり、鋳造で出湯される溶湯Ｍの重量が２００ｋｇ以下とされた鋳造条件で鋳造を行うに際しては、鋳造時の溶湯Ｍの温度を活性金属の融点よりも高温にすると共に、出湯口５の開口径を調整することで、鋳型４内で鋳造が進む速度である鋳造速度Ｖ（ｍｍ／秒）を、鋳塊高さＨとの関係で、Ｖ≦０．１Ｈに制御しつつ鋳造を行うこととされている。

　すなわち、特許文献１は、Ｔｉ－Ａｌ基合金において、鋳塊内部の引け巣を低減できる鋳造方法であり、コールドクルーシブル誘導溶解炉にて溶解させた溶湯を、るつぼ底部のノズルから出湯させて鋳型に鋳造させるものである。これにより、遅い鋳造速度で鋳造することで一方向凝固に近い鋳造が可能となり、最大で８６％の歩留りを実現できるとされている。

日本国特開２０１８－０９４６２８号公報

　ところで、特許文献１に関する課題は、以下の通りである。すなわち、実操業にて制御できる因子として鋳造速度に着目しており、実験により確認できている範囲において、歩留りは最大でも８５％程度となっている。
　しかし、実際の製造で製品の良否を判断する基準には、引け巣のような形状の欠陥以外にも、鋳肌（鋳塊の表面の状態）を考慮する必要があり、その鋳肌が悪いと当該部分を切削しなければならない。そのため、歩留まりが低下してしまうこととなる。

　さらに、Ａｌの濃度が規格範囲から外れることによる組成の欠陥も、考慮する必要がある。この点、特許文献１においては、鋳片の引け巣の割合で歩留まりを評価しているものの、鋳塊の表面品質、さらにはＡｌの偏析などの影響で鋳片におけるＡｌ濃度がどのように変化したかについては、全く考慮がなされていない。そのため、ボトム出湯用ノズルの形状や材質、さらにはＡｌ濃度を制御することが可能な溶解条件などについては、全く知見が得られていない。

　つまり、Ｔｉ－Ａｌ基合金の鋳造品の品質には、形状だけでなく表面品質および組成の欠陥も考慮した総合的な要求品質の向上が求められており、ボトム出湯時に出湯流の乱れおよびそのばらつきを抑制することができる「ボトム出湯用ノズルの構造および材質の最適化」並びに「Ａｌ濃度を精度良く制御すること」が重要となっている。
　そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、組成の欠陥も考慮した表面品質など、総合的な鋳造品の品質を大きく向上させることができるボトム出湯用黒鉛ノズルを提供すること及び当該ノズルを用いると共にＡｌ濃度を制御することにより、組成の欠陥も考慮した総合的な品質を大きく向上させることができるＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法を提供することを目的とする。

　上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
　本発明にかかるボトム出湯用黒鉛ノズルは、溶湯を鋳型に出湯して鋳塊を鋳造する際に用いられる坩堝の底部に設けられた、ボトム出湯用黒鉛ノズルにおいて、前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの内部であって溶湯が通過する流路に、角度が２．５°以上８°以下の範囲のテーパーが付与されていることを特徴とする。

　好ましくは、前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの下部端面または側面の少なくとも一方に、溝部が形成されているとよい。
　好ましくは、前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの内部には、標準ギブスエネルギーが前記溶湯より低く且つ前記溶湯の成分からなる内側部材が設けられているとよい。
　本発明にかかるＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法は、水冷銅の前記坩堝を用いた誘導溶解炉において、当該坩堝の底部に設けられていて、上記の構成を備えるボトム出湯用黒鉛ノズルの出湯口から、前記溶湯を前記鋳型に出湯してＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊を鋳造するＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法であって、前記Ｔｉ－Ａｌ基合金を溶解乃至は鋳造する際における前記誘導溶解炉内の真空度を８０ｔｏｒｒ～６８０ｔｏｒｒの範囲内とし、鋳造された鋳塊のＡｌ濃度を目標値に対して±１．０ｍａｓｓ％以内にすることを特徴とする。

　本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルによれば、出湯工程において複数回使用しても損傷なく良好であると共に、組成の欠陥も考慮した表面品質など、総合的な鋳造品の品質を大きく向上させることができる。

図１は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルに用いられる鋳造設備の概略を模式的に示した図である。 図２は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルの内部の流路に付与されるテーパーの角度θの概念を模式的に示した図である。 図３は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルの概略を模式的に示した図であって、内部の流路に角度θのテーパーが付与され、側面及び下部端面（出湯口がある平面）に溝部が形成された「１例目」のノズルを示す図である。 図４は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルの概略を模式的に示した図であって、内部の流路に内側部材が設けられた「２例目」のノズルを示す図である。 図５は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズルの概略を模式的に示した図であって、内部の流路に内側部材が設けられると共に角度θのテーパーが付与され、側面及び下部端面に溝部が形成された「３例目」のノズルを示す図である。 図６は、本発明のノズルの流路に付与されたテーパーの角度θ（°）と、出湯流中心位置の標準偏差σ（ｍｍ）との関係をまとめた図である。

　以下、本発明にかかるボトム出湯用黒鉛ノズル５及びＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法の実施形態を、図を参照して説明する。
　なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、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。
　図１は、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズル５が用いられる鋳造設備１の概略を模式的に示した図である。

　図１に示すように、本実施形態において用いられる鋳造設備１は、水冷銅製の坩堝２を用いた誘導溶解炉３と、坩堝２の底部から出湯した溶湯Ｍが注入される鋳型４と、を有している。
　この鋳造設備１は、坩堝２の底部から溶湯Ｍを鋳型４に出湯してＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊Ｓ（細径鋳塊）を鋳造するものである。これら誘導溶解炉３及び坩堝２と、それらの下方に配備される鋳型４とは、一つの容器（真空容器）内に収められるようになっており、真空容器内の真空度を所定のものとしつつ、Ｔｉ－Ａｌ基合金の鋳塊Ｓを鋳造可能とする。なお、鋳型４は、上方に向かって開口した有底円筒状に形成されている。

　本実施形態の鋳造設備１に用いられる誘導溶解炉３は、溶解対象となる材料の内部に誘導電流を生じさせてその抵抗発熱を利用するものであり、一般にコールドクルーシブル誘導溶解装置（Ｃｏｌｄ　Ｃｒｕｃｉｂｌｅ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅｌｔｉｎｇ）と呼ばれるものである。この誘導溶解炉３は、水冷銅の坩堝２を用いてＴｉ－Ａｌ基合金を溶解させるものであり、一般的な溶解炉であれば坩堝２を構成する材料に多用される耐火物を用いずに、銅で形成されるものとなっている。そのため、誘導溶解炉３を用いた鋳造では、耐火物からのコンタミの影響を受け難い。

　上記した誘導溶解炉３に用いられる坩堝２は、図１に示すように、上方へ向かって開口した有底筒状に形成されており、内部に溶解されたＴｉ－Ａｌ基合金を収容可能となっている。
　この坩堝２の壁は、前述の如く銅で形成されると共に水冷が行われている。このような水冷銅で坩堝２の壁を形成すれば、溶解されたＴｉ－Ａｌ基合金を収容していても坩堝２の内壁の温度が所定の温度（例えば２５０℃）以上に上昇することがない。具体的には、水冷銅の坩堝２に上記した溶融したＴｉ－Ａｌ基合金を入れても、坩堝２の壁の内周面と溶融金属との間にスカルといわれる凝固殻が形成され、坩堝としての役割を果たすことで溶融金属が坩堝２から汚染されることがない。

　本実施形態の坩堝２は底部出湯型となっており、坩堝２の底部には収容されたＴｉ－Ａｌ基合金を下方に案内可能なボトム出湯用黒鉛ノズル５が形成されている。このボトム出湯用黒鉛ノズル５には、溶湯Ｍが外部（鋳型４）へ出湯される出湯口５ａが設けられている。
　この出湯口５ａは、開口径を調整可能とされており、下方に案内される溶湯Ｍの量を調整可能とされている。この出湯口５ａは、電磁式や機械式で開口径を調整可能なものでも良いし、開口径が異なる複数の弁部材を予め用意しておいて、弁部材を取り替えることで開口径を調整するようにしても良い。

　本発明では、上記の溶解・鋳造室内の真空度（気圧）を所定の値に制御することとし、鋳塊内部のガス巻き込みなどに起因するガス欠陥を低減すると共に、鋳造品のＡｌ濃度を規格範囲に抑えることで、鋳造品の良品歩留まりを向上させることを可能とするものである。
　ところで、Ｔｉ－Ａｌ基合金の鋳塊Ｓの品質向上がさらに要求されてきており、形状だけでなく表面品質および組成の欠陥も考慮した総合的な要求品質の向上を目指すべく、本願発明者はさらなる鋭意研究を行った。その結果、Ｔｉ－Ａｌ鋳塊Ｓの鋳肌（表面品質）には、ボトム出湯時において、溶湯Ｍの滴下角度が重要であることを知見した。

　このことから、さらに鋭意研究を重ねた。その結果、本願発明者は、ボトム出湯用黒鉛ノズル５から鋳型４へ出湯される溶湯Ｍ（出湯流）の乱れ、及び、その出湯流のばらつきを抑制することにより、鋳塊Ｓの鋳肌を改善させることができると知見した。これに基づき、本発明は、溶湯Ｍを鋳型４に出湯して鋳塊Ｓを鋳造する際に用いられる坩堝２の底部に設けられた、ボトム出湯用黒鉛ノズル５の構造を最適化することとした。

　以下に、本発明にかかるボトム出湯用黒鉛ノズル５の詳細について、述べる。なお、以降の説明において、本発明の名称を単に「ノズル５」と呼ぶこともある。
　図２は、本発明のノズル５の内部の流路６に付与されるテーパーＴの角度θの概念を模式的に示した図である。
　図３は、本発明のノズル５の概略を模式的に示す図であって、内部の流路６に角度θのテーパーＴ（詳細は後述）が付与され、側面及び下部端面（出湯口５ａがある平面）に溝部７（詳細は後述）が形成された「１例目」のノズル５を示す図である。

　本発明のノズル５は、黒鉛で形成されていて、坩堝２の底部から溶湯Ｍを鋳型４へ出湯する、ボトム出湯に用いられるものである。このノズル５は、鉛直方向に長尺な部材とされ、内部に鉛直方向に貫通した孔部が形成された円筒形状の部材である。その貫通した孔部は、溶湯Ｍが通過する流路６とされている。また、その流路６の下端には、溶湯Ｍが鋳型４へ出湯される出湯口５ａが設けられている。

　なお、本実施形態のノズル５は、上部の円筒部の外径より、下部の円筒部の外径の方が小さいものとなっている。つまり、本実施形態のノズル５は、長手方向中途部において、段差が形成されるものとなっている。
　この「１例目」のノズル５の寸法としては、例えば、鉛直方向の長さ（高さ）が２０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下、上部の円筒部の外径がφ１５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下で高さが５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であり、下部の円筒部の外径がφ１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下で高さが１５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。また、上部の円筒部においては、上方の開口部の内径が１５ｍｍ以上、１８ｍｍ以下であり、その開口部から下方の流路６に向かって絞られるような傾斜が付与されている。また、流路６の内径がφ４ｍｍ以上、６ｍｍ以下であり、出湯口５ａの内径がφ１ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。

　この「１例目」のノズル５で挙げた、外側形状や寸法など基本構成については、後述する「２例目」、「３例目」のノズル５も同じである。なお、このノズル５の寸法については、一例を挙げたものであり、この例に限定されない。
　図２、図３などに示すように、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズル５は、内部に設けられた、溶湯Ｍが通過する流路６に、鉛直方向の中心軸心に対して左右方向（ノズル５の幅方向）に傾斜したテーパーＴを付与することとしている。そのテーパーＴの角度θは、２．５°以上８°以下の範囲である。

　このテーパーＴは、流路６の入口から下方の出口（出湯口５ａ）に向かって内径が小さくなる（縮径となる）傾斜となっている。つまり、テーパーＴは、流路６において、上部から下部に向かうに連れて絞られる（狭まるような）形状となっている。「１例目」のノズル５においては、流路６の入口の内径がφ４ｍｍ以上、６ｍｍ以下であり、出口（出湯口５ａ）の内径がφ１ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。

　その理由としては、ボトム出湯時に、ノズル５から鋳型４へ溶湯Ｍがほぼ垂直に滴下してゆかないと、溶湯Ｍと鋳型４とが予期せぬ接触をすることにより、鋳塊Ｓの鋳肌が劣化してしまう。そのため、鋳塊Ｓの表面切削が必要となってくる。
　そこで、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、ノズル５の内部の流路６にテーパーＴを付与して流路６の内周面を制御することで、ノズル５から鋳型４への出湯流の乱れを制御することができることを知見した。

　すなわち、ノズル５の内部の流路６に、側方断面視で角度θ＝２．５°以上８°以下の範囲で、テーパーＴを設けることで、溶湯Ｍの流路６を制御し、出湯流の乱れ、および、その出湯流のばらつきを抑制することができるようになり、鋳塊Ｓの表面品質を向上させることができる。
　図６に示すように、出湯流中心位置の標準偏差σ＝２．０ｍｍ以下を良好としたときに、ノズル５の内部の流路６に設けられたテーパーＴの角度θの下限値は、２．５°以上となる。ただし、テーパーＴの角度θの向上と共に、出湯流中心位置の標準偏差σを低減させる効果が増加する条件としては、θ＝４．８°が好ましい。さらに好ましくは、テーパーＴの角度θ＝６．８°とするとよい。

　ところで、テーパーＴの角度θを増加させるほど、出湯流中心位置の標準偏差σの低減効果が高まることから、テーパーＴの角度θの上限値は特に規定するものではないが、ノズル５を作成する観点から、θ＝８．０°程度までが好ましい。
　なお、図２などに示すように、ノズル５の内部のテーパーＴの角度θの定義については、両側の角度を合わせたものであり、技術的には側方断面視で左右均等である。すなわち、角度θは、側方断面視で、ノズル５の鉛直方向の中心軸を挟んで向かい合うテーパーＴの傾斜角度を合わせたものである。

　例えば、テーパーＴの角度θ＝４．８°の場合、（＝２．４°、＋２．４°）となる。ただし、テーパーＴの角度θについては、上記の左右均等でなくても可能である。また、テーパーＴの角度θに関しては、ノズル５を製造する際のばらつきを考慮して、θに対して±０．５°の範囲内で許容することができるものとなっている。
　図３などに示すように、本発明は、ボトム出湯用黒鉛ノズル５の下部端面または側面の少なくとも一方に、溝部７を形成している。

　具体的には、ボトム出湯用黒鉛ノズル５の下部端面（出湯口５ａがある平面）には、出湯口５ａの周囲を周回する溝部７ａが形成されている。この溝部７ａは、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍのリング状に形成され、少なくとも１本以上設けられている。
　本実施形態においては、溝部７ａを、出湯口５ａの周囲を周回するように、ノズル５の下部端面に２本設けている。この溝部７ａの直径に関しては、φ４ｍｍ以上１１ｍｍ以下の範囲が好ましい。また、この溝部７ａの間隔に関しては、１ｍｍ以上７ｍｍ以下の範囲が好ましい。

　また、ボトム出湯用黒鉛ノズル５の側面には、その円柱状の側面を周回する溝部７ｂが形成されている。この溝部７ｂは、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍのリング状に形成され、少なくとも１本以上設けられている。つまり、下部の円筒部の外径が約１５ｍｍの場合、溝部７ｂの直径は、φ約１３ｍｍとなる。
　なお、溝部７ｂについては、溶湯Ｍを垂直に滴下させるため、ノズル５の下部側面（先端側の側面）に設けることが好ましい。

　本実施形態においては、溝部７ｂを、ノズル５の下部側面に３本設けている。この溝部７ｂの間隔に関しては、２ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲が好ましい。
　上記の通り、ノズル５の内部の流路６に、上で規定した角度θのテーパーＴを設けることで、出湯流の乱れを低減させることができる。ところが、ノズル５の先端部に到達した溶湯Ｍは、ノズル５の出口周辺に回り込むものもある。その回り込んだ溶湯Ｍが、出湯流の乱れに繋がる可能性がある。

　そこで、上記のように、ノズル５の下部側面または側面の少なくとも一方に、溝部７を付与することで、出湯流の回り込みを防止することができた。その結果、出湯流の乱れ、および、その出湯流のばらつきを抑制することができることを知見した。
　この溝部７の幅については、０．５ｍｍ未満であると、溶湯Ｍの回り込みの防止効果が得られず、ノズル５の先端の幅を鑑みると、３ｍｍが上限となる。つまり、溝部７の幅に関しては、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲が好ましい。

　また、溝部７の深さについては、０．５ｍｍ未満であると、溶湯Ｍの回り込みの防止効果が得られず、ノズル５の先端の強度を確保することを考えると、２ｍｍが上限となる。つまり、溝部７の深さに関しては、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲が好ましい。
　なお、溝部７に関し、ノズル５の内側（流路６）に、垂直方向の溝部を設けた場合については、水道の蛇口を模擬した溝部を形成したものを用いて実験を行ったが、溝部が溶融してしまって効果が無かったことを知見している。

　上記したように、規定した角度θ＝２．５°以上８°以下の範囲で、テーパーＴを流路６に付与し且つ、下部端面または側面の少なくとも一方に、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの溝部７を設けるといった、２つの構成をノズル５に備えることにより、出湯流の乱れ、および、その出湯流のばらつきを抑制することができる。
　しかしながら、繰り返し出湯する中で、ノズル５の内部の黒鉛が溶融してしまい、その溶融物（炭素）が溶湯Ｍに混入して鋳型４へ出湯されてしまう可能性がある。その場合、炭素が不純物として鋳塊Ｓに溶け込んでしまうこととなる。この状況を防ぐために、出湯する毎にノズル５を交換する必要が生じてくる。

　そこで、本願発明者は、ノズル５の内部の材質についても、鋭意研究を重ねた。その結果、アルミナ製の内側部材８（内張材）を設けることにより、ボトム出湯時のノズル５の溶損を抑制し、鋳塊Ｓへの炭素汚染を防止することができることを知見した。
　図４は、本発明のノズル５の概略を模式的に示す図であって、内部の流路６に内側部材８（詳細は後述）が設けられた「２例目」のノズル５を示す図である。

　図４などに示すように、「２例目」のノズル５においては、その内部の流路６に、標準ギブスエネルギーが溶湯Ｍより低く且つ溶湯の成分からなる内側部材８を設けている。この内側部材８の外径がφ約６ｍｍであり、内径がφ約３ｍｍである。すなわち、内側部材８は、外径が流路６の内径とほぼ同じで、内径が出湯口５ａの直径とほぼ同じである。「２例目」のノズル５においては、内側部材８はストレート状であり、その内側部材８の内部が流路６となる。なお、「２例目」のノズル５における、外側形状や寸法などについては、「１例目」のノズル５と同じである。

　内側部材８は、ノズル５の材質を最適化することにより、鋳型４内の鋳塊Ｓへの不純物（炭素）の混入を抑制したものである。内側部材８とは、溶湯Ｍを出湯するときに、ノズル５の溶融を防ぐために、流路６の内側に設置した部材である。なお、内側部材８は、流路６に接着されてはいない。
　具体的に、内側部材８の材質としては、エリンガム図でＴｉよりも安定な元素（標準ギブスエネルギーが低いもの）と、溶融対象の金属（Ａｌなど、不純物とならないもの）が好ましい。この内側部材８の材質の定義について、「Ｔｉよりも安定」とは、溶けにくいもの、反応しにくいものであり、マグネシア、イットリウムなどが挙げられる。ただし、上で述べたように、黒鉛（Ｃ）は、鋳塊Ｓの不純物となるため、含まない。

　つまり、内側部材８は、溶湯Ｍを出湯するときに、その溶湯Ｍに対して溶融しにくい材質であると好ましい。この内側部材８は、例えば、アルミナ製であると好ましい。この内側部材８を、ノズル５の内部の流路６に設けることにより、炭素が不純物として鋳塊Ｓに溶け込むことを抑制することができる。
　図５は、本発明のノズル５の概略を模式的に示す図であって、内部の流路６に内側部材８が設けられると共に角度θのテーパーＴが付与され、側面及び下部端面に溝部７が形成された「３例目」のノズル５を示す図である。

　図５に示すように、「３例目」のノズル５においては、内側部材８は、アルミナ製であり、外径がφ約６ｍｍである。この内側部材８は、外径が流路６の内径とほぼ同じである。また、内側部材８の上部開口部の内径がφ約５ｍｍであり、「３例目」の流路６の入口となる。
　また、内側部材８の下部開口部の内径がφ約３ｍｍであり、「３例目」の流路６の出口となる。この内側部材８の下部開口部の内径は、出湯口５ａの直径とほぼ同じである。すなわち、「３例目」のノズル５においては、内側部材８に角度θのテーパーＴが付与され、その内側部材８の内部が流路６となる。

　一方、溝部７ａ，７ｂについては、「１例目」のノズル５と同じ形状および寸法である。なお、「３例目」のノズル５における、外側形状や寸法などについては、「１例目」のノズル５と同じである。
　上記した内側部材８に、規定した角度θ＝２．５°以上８°以下の範囲で、テーパーＴを付与すると共に、下部端面または側面の少なくとも一方に、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの溝部７を設けるといった、３つの構成は、それぞれ単独でも本発明の課題を解決できるものであるが、これらをさらに組み合わせて、ノズル５に備えることにより、出湯流の乱れ、および、その出湯流のばらつきを抑制することができ、ノズル５の内部（流路６）の溶損を抑制し、鋳塊Ｓへの炭素汚染を確実に防止することができる効果がさらに向上する。これにより、歩留まりをさらに向上させることができる。

　さて、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズル５は、以下のＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法に適用可能である。
　本実施形態のＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法は、活性高融点なチタン－アルミ系合金（Ｔｉ－Ａｌ基合金）を溶解した溶湯Ｍを鋳型４に注湯して鋳造を行うことにより、鋳塊Ｓ（細径鋳塊）を製造するものである。

　すなわち、水冷銅の坩堝２を用いた誘導溶解炉３において、当該坩堝２の底部に設けられた、本発明のノズル５の出湯口５ａから、溶湯Ｍを鋳型４に出湯してＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊Ｓを鋳造するＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法に用いることができる。その場合、Ｔｉ－Ａｌ基合金を溶解乃至は鋳造する際における誘導溶解炉３内の真空度を８０ｔｏｒｒ～６８０ｔｏｒｒの範囲内とし、鋳造された鋳塊ＳのＡｌ濃度を目標値に対して±１．０ｍａｓｓ％以内にする。

　具体的には、溶解および鋳造時における誘導溶解炉３内の真空度を、８０ｔｏｒｒ以上の範囲とする。その理由としては、真空下で溶湯Ｍと保持すると、Ａｌが蒸発するため、溶湯Ｍの組成が変動することとなる。この溶湯Ｍの組成が外れてしまうことは、歩留りを低下させることに繋がるものである。
　この溶湯Ｍの成分規格内にＡｌ濃度を制御できる真空度の範囲を明らかにすることで、鋳塊Ｓの品質向上、および、鋳塊Ｓの歩留り向上の効果が期待される。

　そこで、５０ｋｇ全てを鋳造し終わるまでに１５分要すると仮定する。なお、この仮定は、鋳造設備１を用いたこれまでの実験結果から算出したものである。その鋳造し終わるまでの間のＡｌ濃度の変動を、一般的な鋳造品Ｓの品質基準として要求される値の±１．０ｍａｓｓ％以内に制御するには、Ａｌ蒸発速度を０．１３ｍａｓｓ％／ｍｉｎ以下にする必要がある。これを実現するには、実験上の安全性も考慮すると、真空度を８０ｔｏｒｒ以上とする必要がある。

　さらに、溶解および鋳造時における誘導溶解炉３内の真空度を、６８０ｔｏｒｒ以下の範囲とする。その理由としては、溶湯Ｍが鋳型４内で凝固する際に、周囲に存在するガスを巻き込むと、ガス欠陥となってしまう。このガス欠陥の多くは、鋳型４の表層部に形成される。すなわち、鋳塊Ｓの表面品質の低下を招いてしまう。
　この溶解および鋳造時において、誘導溶解炉３内の真空度を高くすると、溶湯Ｍに巻き込まれるガスが少なくなる。このように、ガス欠陥を低減させると、鋳塊Ｓの表面品質が向上して、鋳塊Ｓを切削する量が減少する。これにより、歩留まりの向上効果を得ることができる。

　ところで、大気圧で鋳造した場合における、ガス欠陥の数を定量評価した結果が無いため、定量的な議論をすることはできないが、考え方としては圧力（ｔｏｒｒ）を任意としても、真空下で溶解および鋳造を行えば、大気圧での実験よりもガス欠陥を引き起こすガスは減少することとなる。その効果は、溶解および鋳造時の真空度を、６８０ｔｏｒｒ以下とすることにより、従来の大気圧下で鋳造していた場合と比較して、ガス欠陥の数を低減させることができる。

　なお、以上述べたＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法に関しては、日本国特願２０１９－１４３７７６に詳しい方法が開示されているので、その具体的な記載を参照するとよい。
　以上詳説した、本発明で対象とするＴｉ－Ａｌ基合金の組成については、本実施例に限られるものではない。すなわち、Ｔｉ－Ａｌ基合金には、さまざまなものが考えられる。そのうち、航空機部材で使用されているチタン合金では、以下の組成（ｍａｓｓ％）が挙げられる。

　具体的には、Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ－０．５Ｆｅ－０．５Ｃｕ合金、Ｔｉ－３Ａｌ－１０Ｖ－２Ｆｅ合金、Ｔｉ－５Ａｌ－５Ｖ－５Ｍｏ－３Ｃｒ－０．５Ｆｅ合金、Ｔｉ－３Ａｌ－８Ｖ－６Ｃｒ－４Ｍｏ－４Ｚｒ合金、Ｔｉ－３Ａｌ－１５Ｖ－３Ｃｒ－３Ｓｎ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金、Ｔｉ－３Ａｌ－１５Ｍｏ－２．７Ｎｂ－０．２Ｓｉ合金、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｓｎ－２Ｚｒ－４Ｍｏ－４Ｃｒ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－５Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．２５Ｓｉ合金、Ｔｉ－５．５Ａｌ－３．５Ｓｎ－３Ｚｒ－１Ｎｂ－０．２５Ｍｏ－０．３Ｓｉ合金、Ｔｉ－５．８Ａｌ－４Ｓｎ－３．５Ｚｒ－０．７Ｎｂ－０．５Ｍｏ－０．３５Ｓｉ－０．０６Ｃ合金などのチタン合金が挙げられる。
［実験例］
　以下に、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズル５を用いて実施した、Ｔｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法の実験例について、説明する。

　本実験例における実験条件については、以下の通りである。
　本実験例では、最大５０ｋｇのＴｉ－Ａｌ基合金の試料を溶解し、その溶解で得られた溶湯Ｍを鋳型４に出湯して鋳塊Ｓ（細径鋳塊）を鋳造した。本実験例で用いる試料の組成については、Ｔｉ－４８Ａｌ－２Ｎｂ－２Ｃｒ（ａｔ％）とした。
　図１に、本実験例で用いる装置である、鋳造設備１の模式図を示す。具体的には、水冷銅の坩堝２を用いた、コールドクルーシブル式の誘導溶解炉３内で試料を加熱し、溶解させた。溶解後、溶湯Ｍが封入された坩堝２の底部に設置している黒鉛製のノズル５から、黒鉛製の鋳型４へ出湯し、鋳塊Ｓを鋳造した。

　なお、鋳造速度については、０．０４ｋｇ／ｓ～０．２３ｋｇ／ｓの範囲とした。また、溶解および鋳造については、Ａｒ雰囲気下で行った。真空度については、８０ｔｏｒｒ～６８０ｔｏｒｒの範囲で制御した。
　鋳造できる鋳塊Ｓの形状については、黒鉛製の鋳型４の形状に合わせて変化させることとした。本実験例では、矩形状と円柱状の２種類の鋳塊Ｓを鋳造した。その鋳塊Ｓの形状については、以下の通りである。

　・矩形：５５ｍｍ×５５ｍｍ
　・円柱：φ６０ｍｍ、もしくは、φ７２ｍｍ
　ただし、鋳塊Ｓの高さについては、本実験毎に異なるものであるが、１０００ｍｍから１５１０ｍｍまでの間とした。
　図６に、本発明のノズル５の流路６に付与されたテーパーＴの角度θと、出湯流の乱れの関係をまとめたものを示す。なお、図６について、横軸はテーパーＴの角度θ（°）であり、縦軸は出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σ（ｍｍ）である。

　図６中の×印は、流路に加工しなかったノズルを用いた実験の結果である。
　図６中の□印は、流路６にアルミナ製でストレート形状の内側部材８を備えたノズル５を用いた実験の結果である。
　図６中の△印は、流路６にアルミナ製の内側部材８を備え、その内側部材８に本発明で規定した角度θのテーパーＴを付与し、下部端面に溝部７ａを形成し、側面に溝部７ｂを形成したノズル５を用いた実験の結果である。

　図６中の◇印は、流路６に本発明で規定した角度θのテーパーＴを付与し、側面に溝部７ｂを形成したノズル５を用いた実験の結果である。
　図６中の〇印は、流路６に本発明で規定した角度θのテーパーＴを付与し、下部端面に溝部７ａを形成したノズル５を用いた実験の結果である。
　なお、本実験例においては、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σが、２．０以下を良好とした。ただし、本実験の性質上、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σの値について、一定の範囲でばらつきがある。そのため、適正なテーパーＴの角度θを、見出すために、図６中に、ばらつきの上限を線で示した。なお、図６については、テーパーの角度θを上げれば、効果が高まると想定するが、その効果は収束すると考える。そのため、図６のばらつき上限の線は記載のプロファイルとしている。

　また、全ての本実験例について、出湯開始３０秒後から３００秒間の間で、出湯流の乱れを評価した。ノズルの流路がストレート形状の場合、テーパーＴの角度θは０°となる。
　流路６に付与するテーパーＴの角度θを増加させると、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σを低減させることができる。好ましくは、流路６に付与するテーパーＴの角度θ＝２．５°以上で、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σ＝２．０以下を満足させることができる。

　さらに、流路６に付与するテーパーＴの角度θを４．８°まで増加させると、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σ（出湯流の乱れ）を１．５以下に抑制することができる。また、流路６に付与するテーパーＴの角度θを６．８°まで増加させると、出湯流中心位置の時間変化の標準偏差σ（出湯流の乱れ）を１．０以下に抑制することができる。
　加えて、本実験例では、アルミナ製の内側部材８を備えたノズル５を用いることにより、出湯流の乱れは悪化しておらず、出湯流の制御に悪影響を与えていない。

　ところで、アルミナ製の内側部材８を備えたノズル５を用いた、本実験例において、黒鉛製のノズル５（流路６の内径＝φ６ｍｍ）の内部に、アルミナ製の内側部材８を設置したものを用いた。本実験後のノズル５（流路６）の内径は、φ６．２ｍｍ～φ６．５ｍｍ程度であった。しかし、アルミナ製の内側部材８をノズル５に設置しない場合、ノズル５の内部において２ｍｍ程度、溶損している。このことから、ノズル５に内側部材８を備えると、ノズル５の内部の黒鉛溶損を防止することができる。

　以上述べた、本発明のボトム出湯用黒鉛ノズル５によれば、流路６に角度θ＝２．５°以上８°以下のテーパーＴを付与する、下部端面または側面の少なくとも一方に溝部７を設ける、出湯時に溶湯Ｍに対して溶融しにくい内側部材８（内張材）を流路６に設ける、といった構成のうち、少なくとも１つ以上をノズル５に備えることにより、出湯工程において複数回使用しても溶損なく良好であると共に、鋳塊Ｓへの不純物（炭素）の混入を防げることができ、またＡｌ濃度を制御することにより、組成の欠陥も考慮した表面品質など、総合的な鋳塊Ｓの品質を大きく向上させることができる。

　つまり、本発明のノズル５を用いると、ボトム出湯時に溶湯Ｍを垂直に鋳型４へ滴下することが可能となるので、鋳造後の鋳塊Ｓの鋳肌を改善させることができ、歩留まりを向上させることができる。すなわち、本発明によれば、切削性に優れた鋳塊Ｓを製造することができる。
　また、本発明のＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法によれば、上記のボトム出湯用黒鉛ノズル５を用いると共にＡｌ濃度を制御することにより、組成の欠陥も考慮した総合的な品質を大きく向上させることができる。

　なお、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、明示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、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。

　ところで、本発明のノズル５は、本実施形態で例示したＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊Ｓを製造する技術に限定されず、例えば、鋼塊を鋳造する技術などにも適用可能である。

　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

　なお、本出願は、２０２０年３月２５日出願の日本特許出願（特願２０２０－０５４６２６）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

１　　鋳造設備
２　　坩堝
３　　誘導溶解炉
４　　鋳型
５　　ボトム出湯用黒鉛ノズル
５ａ　出湯口
６　　流路
７　　溝部
７ａ　溝部（下部端面）
７ｂ　溝部（側面）
８　　内側部材
Ｔ　　テーパー
Ｍ　　溶湯
Ｓ　　鋳塊（鋳造品）

Claims (5)

1. 　溶湯を鋳型に出湯して鋳塊を鋳造する際に用いられる坩堝の底部に設けられた、ボトム出湯用黒鉛ノズルにおいて、
   　前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの内部であって溶湯が通過する流路に、角度が２．５°以上８°以下の範囲のテーパーが付与されている
   　ことを特徴とするボトム出湯用黒鉛ノズル。
2. 　前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの下部端面または側面の少なくとも一方に、溝部が形成されている
   　ことを特徴とする請求項１に記載のボトム出湯用黒鉛ノズル。
3. 　前記ボトム出湯用黒鉛ノズルの内部には、標準ギブスエネルギーが前記溶湯より低く且つ前記溶湯の成分からなる内側部材が設けられている
   　ことを特徴とする請求項１又は２に記載のボトム出湯用黒鉛ノズル。
4. 　水冷銅の前記坩堝を用いた誘導溶解炉において、当該坩堝の底部に設けられた請求項１又は２に記載のボトム出湯用黒鉛ノズルの出湯口から、前記溶湯を前記鋳型に出湯してＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊を鋳造するＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法であって、
   　前記Ｔｉ－Ａｌ基合金を溶解乃至は鋳造する際における前記誘導溶解炉内の真空度を８０ｔｏｒｒ～６８０ｔｏｒｒの範囲内とし、鋳造された鋳塊のＡｌ濃度を目標値に対して±１．０ｍａｓｓ％以内にする
   　ことを特徴とするＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法。
5. 　水冷銅の前記坩堝を用いた誘導溶解炉において、当該坩堝の底部に設けられた請求項３に記載のボトム出湯用黒鉛ノズルの出湯口から、前記溶湯を前記鋳型に出湯してＴｉ－Ａｌ基合金の鋳塊を鋳造するＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法であって、
   　前記Ｔｉ－Ａｌ基合金を溶解乃至は鋳造する際における前記誘導溶解炉内の真空度を８０ｔｏｒｒ～６８０ｔｏｒｒの範囲内とし、鋳造された鋳塊のＡｌ濃度を目標値に対して±１．０ｍａｓｓ％以内にする
   　ことを特徴とするＴｉ－Ａｌ基合金の鋳造方法。

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