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技術 高融点活性金属合金の鋳造方法

出願人 住友電気工業株式会社
発明者 江草紀男村井照幸
出願日 1993年2月22日 (27年11ヶ月経過) 出願番号 1993-031980
公開日 1994年8月30日 (26年5ヶ月経過) 公開番号 1994-238424
状態 未査定
技術分野 誘導加熱一般 鋳造前の予備処理と金属の鋳造 鋳型中の金属の処理 鋳造後の仕上げ処理
主要キーワード 操業パラメータ 溶解撹拌 連続引抜き 高融点活性金属 引抜き量 プラズマアーク溶解法 JIS規格 引抜きローラ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年8月30日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

目的

複雑な制御を必要とせず、合金成分の均一性および結晶性に優れた大型の合金インゴットを得ることを目的とする。

構成

本発明は、冷却された導電性鋳型を用い高融点活性金属を基とする合金インゴットの鋳造方法について開示する。本発明に係る高融点活性金属合金の鋳造方法では、鋳型内において高周波磁場による誘電加熱および誘電撹拌を利用して金属材料を溶解かつ撹拌する工程と、溶解した金属材料全体を融点以下に冷却し合金を凝固させる工程と、凝固した合金を所定量引抜き、合金からなるインゴットを形成する工程と、所定量引抜いたインゴットの重量に相当する分量の金属材料を鋳型内に投入する工程とを備え、上述した一連の工程を少なくとも2回以上繰り返すことで、大型の合金インゴットを得る。

概要

背景

チタンなどに代表される高融点活性金属を工業的に溶解鋳造するには、たとえば、(1)消耗電極真空アーク溶解(VAR)法、(2)プラズマアーク溶解法、(3)電子ビーム(BE)溶解法等の方法が用いられてきた。

上述した従来の溶解法は各々その特性において若干の違いを有するものの、総じて多重溶解システムを採用しており、特に高融点活性金属を基とする合金インゴット鋳造する場合には、合金成分を均一化するため、溶解と鋳造を繰り返し行なうシステムを採っている。

それにもかかわらず、これらの溶解法を用いて得られる合金インゴットの合金成分は必ずしも均一とはならず、良質のインゴットを得ることは困難であった。これは、従来の溶解法では、溶解された合金材料撹拌する効果をほとんど有さなかったことに起因する。

そこで、高周波磁場により、形状制御誘導加熱誘導撹拌の効果が十分に見込まれる誘電加熱溶解法が新たに開発されてきた。

この誘電加熱溶解法は、現在最も主流をなす消耗電極式真空アーク溶解(VAR)法と近い将来競合することが予想され、その性能向上のための研究や開発が盛んに進められている。

誘導加熱溶解法の代表的なものとして、(1)インダクトスラグ溶解法、(2)インダクションスカル溶解法、(3)コールドクルーシブ溶解法などが挙げられる。

概要

複雑な制御を必要とせず、合金成分の均一性および結晶性に優れた大型の合金インゴットを得ることを目的とする。

本発明は、冷却された導電性鋳型を用い高融点活性金属を基とする合金インゴットの鋳造方法について開示する。本発明に係る高融点活性金属合金の鋳造方法では、鋳型内において高周波磁場による誘電加熱および誘電撹拌を利用して金属材料を溶解かつ撹拌する工程と、溶解した金属材料全体を融点以下に冷却し合金を凝固させる工程と、凝固した合金を所定量引抜き、合金からなるインゴットを形成する工程と、所定量引抜いたインゴットの重量に相当する分量の金属材料を鋳型内に投入する工程とを備え、上述した一連の工程を少なくとも2回以上繰り返すことで、大型の合金インゴットを得る。

目的

本発明は、上述した誘導加熱溶解法の課題を解決し、コールドクルーシブを利用して、複雑な制御を必要とせず、合金成分均一性に優れかつ大型の合金インゴットを得ることができる高融点活性金属合金の鋳造方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

垂直方向短冊を有する冷却された円筒型導電性鋳型を用い、高融点活性金属を基とする合金からなるインゴット鋳造する方法であって、前記鋳型内において、高周波磁場による誘電加熱および誘電撹拌を利用して金属材料を溶解かつ撹拌する第1の工程と、前記第1の工程後、前記溶解した金属材料全体を融点以下に冷却し、合金を凝固させる第2の工程と、前記第2の工程後、前記凝固した合金を所定量引抜き、合金からなるインゴットを鋳造する第3の工程と、前記第3の工程後、前記所定量引抜いたインゴットの質量に相当する分量の金属材料を前記鋳型内に投入する第4の工程とを備え、前記第1、第2、第3および第4の工程に至る一連の工程を少なくとも2回以上繰り返すことを特徴とする、高融点活性金属合金の鋳造方法

請求項2

前記第3の工程において、前記凝固した合金を引抜く所定量を前記鋳型の内径に対して1/2以下の長さとすることを特徴とする、請求項1に記載の高融点活性金属合金の鋳造方法。

請求項3

前記第1の工程において、金属材料を溶解かつ撹拌する時間期間を10秒以上とし、前記第2の工程において、前記溶解した金属材料全体を融点以下に冷却する時間期間を10秒以上とすることを特徴とする、請求項1に記載の高融点活性金属合金の鋳造方法。

技術分野

0001

本発明は、チタンジルコニウムバナジウムモリブデンニオブ等の高融点活性金属を基とする合金鋳塊鋳造方法に関し、特にコールドクルーシブを用いた合金インゴットの鋳造方法に関するものである。

背景技術

0002

チタンなどに代表される高融点活性金属を工業的に溶解鋳造するには、たとえば、(1)消耗電極真空アーク溶解(VAR)法、(2)プラズマアーク溶解法、(3)電子ビーム(BE)溶解法等の方法が用いられてきた。

0003

上述した従来の溶解法は各々その特性において若干の違いを有するものの、総じて多重溶解システムを採用しており、特に高融点活性金属を基とする合金インゴットを鋳造する場合には、合金成分を均一化するため、溶解と鋳造を繰り返し行なうシステムを採っている。

0004

それにもかかわらず、これらの溶解法を用いて得られる合金インゴットの合金成分は必ずしも均一とはならず、良質のインゴットを得ることは困難であった。これは、従来の溶解法では、溶解された合金材料撹拌する効果をほとんど有さなかったことに起因する。

0005

そこで、高周波磁場により、形状制御誘導加熱誘導撹拌の効果が十分に見込まれる誘電加熱溶解法が新たに開発されてきた。

0006

この誘電加熱溶解法は、現在最も主流をなす消耗電極式真空アーク溶解(VAR)法と近い将来競合することが予想され、その性能向上のための研究や開発が盛んに進められている。

0007

誘導加熱溶解法の代表的なものとして、(1)インダクトスラグ溶解法、(2)インダクションスカル溶解法、(3)コールドクルーシブ溶解法などが挙げられる。

発明が解決しようとする課題

0008

インダクトスラグ溶解法は、水冷銅鋳型内にフッ化カルシウム(CaF)なるスラグを設け、このスラグによって鋳型とインゴット間の引抜き抵抗緩和させる点に特徴を有している。

0009

このインダクトスラグ溶解法に従えば、大型(50kg/チャージ以上)のインゴットの鋳造が可能である反面、スラグからの汚染を回避することが難しく、インゴットの品質に問題があった。

0010

また、インダクションスカル溶解法は、スラグを用いず、炉底部のスカル上で合金材料を溶解し、炉自体を傾動して内容物を鋳型内に注湯する方法であって、良質が得られる反面、大型のインゴットを鋳造することはできなかった。

0011

上述した2つの溶解法の欠点を解消するべく開発が進められてきたコールドクルーシブ溶解法は、溶解、鋳造、引抜き、原料添加を電磁力で制御しながら同時進行で行なうことにより、高品質で大型のインゴットを得ようとするものである。

0012

ところが、コールドクルーシブ溶解法では、電磁力を決定する電源要因、引抜き要因、原料添加要因等が相互に作用し合うために、制御操作が複雑になってしまうという問題があった。

0013

また、鋳型内において非常な高温膨張した溶解状態と冷却により収縮した凝固状態とが併存した非定常状態のもとで、インゴットを連続的に引抜こうとするものであるため、鋳型とインゴット間の接触部において引抜きのバランス崩れやすく、インゴット表面に凝固割れなどの表面欠陥が生じやすいという問題があった。

0014

本発明は、上述した誘導加熱溶解法の課題を解決し、コールドクルーシブを利用して、複雑な制御を必要とせず、合金成分均一性に優れかつ大型の合金インゴットを得ることができる高融点活性金属合金の鋳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

0015

本発明は、冷却された導電性鋳型を用い、高融点活性金属を基とする合金からなるインゴットを鋳造する方法を提供するものである。

0016

本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法においては、鋳型内において、高周波磁場による誘導加熱および誘導撹拌を利用して金属材料を溶解かつ撹拌する第1の工程と、第1の工程の後、溶解した金属材料全体を融点以下に冷却し、合金を凝固させる第2の工程と、第2の工程の後、凝固した合金を所定量引抜き、合金からなるインゴットを鋳造する第3の工程と、第3の工程後、所定量引抜いたインゴットの質量に相当する分量の金属材料を鋳型内に投入する第4の工程とを備え、第1、第2、第3および第4の工程に至る一連の工程を少なくとも2回以上繰返すことを特徴とする。

0017

本明細書において、「高融点活性金属」とは、1500〜3000℃の融点を有し、かつ高温で大気中の酸素窒素といったガス成分と反応を起こしやすく、また真空中においても高温安定な耐火物、たとえばアルミナ(Al2 O3 )、シリカ(SiO2 )等の物質還元反応を起こすことによって純度が著しく低下し、本来その金属が持つ特性が著しく劣化する性質を有する金属と規定することができる。

0018

本発明における高融点活性金属としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)等を代表的に挙げることができる。

0019

また、本発明において、高融点活性金属を基とする合金としては、たとえば、90wt%Ti−6wt%Al−4wt%V、76wt%Ti−15wt%V−3wt%Cr−3wt%Sn−3wt%Al、75wt%Ti−3wt%Al−8wt%V−6wt%Cr−4wt%Mo−4wt%Zr、73wt%Ti−13wt%V−11wt%Cr−3wt%Al、64wt%Ti−36wt%Al、46wt%Ti−54wt%Ni、34wt%Ti−66wt%Nb等の合金を好ましく挙げることができる。

0020

本発明において、冷却された導電性鋳型としては、以下の実施例に示すような、垂直方向短冊を有する円筒型水冷銅鋳型(図2参照)を好ましく用いることができる。

0021

また、本発明において、高周波磁場は、上述した鋳型の周囲に配置される高周波コイル等によって容易に実現され得る。

0022

本発明において、第3の工程において、凝固した合金を引抜く際には、引抜いたインゴットの少なくとも1/10以上が第4の工程で投入される金属材料とともに再度溶解されるように予め引抜く所定量を適切に設定しておくことが重要となる。これは、第2の工程において、冷却凝固したインゴットの上端より1/10以上の部分で凝固中に発生する表面凝固割れ、凝固収縮孔といった鋳造欠陥が発生しやすいためであり、この部分を再度溶解して欠陥消失させる必要があるためである。

0023

第3の工程において、凝固した合金を引き下ろす所定量を導電性鋳型の内径に対して1/2以下の長さとすることが好ましい。引抜く所定量を以上のように設定すれば、インゴットの少なくとも1/10以上が第4の工程で投入される金属材料とともに再度溶解されるため、凝固割れなどの表面欠陥が少ない大型のインゴットを形成することができる。

0024

さらに、本発明では、第1の工程において、金属材料を溶解撹拌する時間期間を10秒以上とし、第2の工程において、溶解した金属材料全体を融点以下に冷却する時間期間を10秒以上とすることが好ましい。ここで、溶解撹拌する時間期間を10秒以上とするのが好ましいのは、10秒未満になると、たとえばチタン(Ti)中に、Al,Vといった合金元素を添加した場合には、溶融金属が十分に撹拌されないことからインゴット内で添加した合金元素成分の偏析が発生するためである。

0025

また、溶解した金属材料全体を融点以下に冷却する時間期間を10秒以上とするのが好ましいのは、10秒未満になると溶融金属に印加される誘導電流が急激に減少し、溶解のバランスが崩れ、導電性鋳型、特に導電性鋳型の短冊間に溶融金属が付着し、所定量のインゴットを引抜く第3の工程において引抜きが不可能となるためである。

0026

本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法について、図3を参照して工程順にその作用機構を説明する。

0027

本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法では、図3(a)に示すように、垂直方向に短冊を有する円筒型導電性鋳型を用い、まず鋳型内に材料となる高融点活性金属を投入する。次に、図3(b)に示すように、鋳型内において、高周波磁場による誘導加熱および誘導撹拌を利用して金属材料を溶解しかつ撹拌する。これにより、金属材料の溶け残しをなくし、合金成分を均一に混合することができる。次に、図3(c)に示すように、溶解した金属材料全体を一旦融点以下に冷却し、合金を凝固させる。さらに、図3(d)に示すように、凝固した合金を所定量引抜き、合金からなるインゴットを鋳造する。その後、導電性鋳型内に所定量引抜いたインゴットに相当する分量の金属材料を投入する。

0028

上述したように、本発明では、従来のように溶解、鋳造、引抜き、原料添加の工程をすべて同時進行で行なうのではなく、溶解鋳造、冷却、引抜き、原料添加の各工程が順次時間的差異を伴って断続的に実施される。

0029

これにより、本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法では、インゴットの引抜きの工程は、従来のように溶解状態と凝固状態が併存する非定常状態下ではなく、冷却凝固後の収縮した定常状態下で安定的に実施されるようになる。このため、鋳型とインゴット間の接触部抵抗が小さく抑えられ、引抜きは従来よりも格段に容易なものとなる。したがって、鋳造されたインゴット表面における凝固割れ等の表面欠陥の発生が大幅に抑制されるようになる。

0030

また、本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法では、スラグ等を一切使用しないため、インゴットが汚染される危険性は極めて小さい。

0031

さらに、本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法では、金属材料の再投入が引抜き工程の後、合金が凝固した状態で実施されるので、従来のように金属材料を溶解する際に投入した金属材料の一部が溶け残ることはなく、引抜いたインゴットの一部と投入した金属材料とが効率よく溶け合うことになる。したがって、微細鋳造組織を有し、合金成分の偏析が極めて少ない良質のインゴットを連続的に鋳造することができる。

0032

また、本発明では、電磁力によって溶解、撹拌のみを制御すればよいので、従来に比べて制御操作を簡便化することができる。

0033

実施例
以下、本発明に基づく実施例について説明する。

0034

図1は、本実施例において用いた鋳造装置の構造を示す断面図であり、図2は、図1に示した円筒型水冷銅鋳型の一部破断斜視図である。

0035

ここで簡単に鋳造装置の構造について説明する。図1および図2を参照して、排気口3およびガス供給口4を備え、光学窓を有する真空チャンバ1内に円筒型水冷銅鋳型6が設けられている。この鋳型6に溶解原料を投入するための原料投入室2が真空チャンバ1内に挿設されている。

0036

図2に示すように、垂直方向に複数のスリット9が設けられた円筒型水冷銅鋳型6の上方部分と、その周囲に設けられた高周波コイル7とから溶解炉5が構成される。この溶解炉5で投入された溶解原料が溶解され、溶解した原料11はドーム状を呈する。さらに溶解した原料11は、鋳型6の下方で徐々に冷却される。冷却により凝固した鋳塊12をインゴットとして引抜くため鋳型6内には下方から引抜き棒10が挿入されている。この引抜き棒10の引抜きを調整するために引抜きローラ8が設置されている。

0037

上述のような円筒型水冷銅鋳型を備えた鋳造装置を用いて、チタン合金(75wt%Ti−3wt%Al−8wt%V−6wt%Cr−4wt%Mo−4wt%Zr)インゴットの鋳造を行なうものとする。

0038

溶解原料には、主原料としてはJIS規格2種の純スポンジチタンを、また添加原料としてはフレーク状(50mmアンダー)のAl合金、フレーク状またはペレット状のMo、Cr、Zrを準備した。

0039

本実施例では数式モデルから操業パラメーターを表1に示すように決定した。

0040

0041

上述した溶解原料を原料投入室2より溶解炉5内に投入した後、真空チャンバ1内を真空排気装置(図示せず)により気圧0.01Torrまで排気する。次いで、ガス供給口4から真空チャンバ1内にアルゴンガス充填し、真空チャンバ1内を気圧100Torrの雰囲気に調整させた。次に、高周波コイル7からの誘導電力によって投入した溶解原料を加熱し溶解させた。溶解原料がドーム状に隆起した後、冷却鋳造し、鋳型6の下方へインゴットを引抜きを行なった。さらに、インゴットの引抜き後、引抜いたインゴットに相当する質量の溶解原料の再投入を行なった。

0042

本実施例では、溶解工程、冷却鋳造工程、引抜き工程、原料添加工程からなる一連の工程を1サイクルとして、1サイクル当り約10分の速度で、12サイクルを行なって合金インゴットを鋳造するものとした。

0043

例1
引抜きの量を円筒型水冷銅鋳型6の内径と等しい150cmとして、最終的に重量150kgの合金インゴットを鋳造した。

0044

例2
引抜きの量を円筒型水冷銅鋳型6の内径の2分の1に相当する75cmとして、最終的に重量75kgの合金インゴットを鋳造した。

0045

比較例
上述した実施例と同様の円筒型水冷銅鋳型を備えた鋳造装置を用いて、チタン合金インゴットの鋳造を実施するものとした。

0046

ただし、比較例では、数式モデルから操業パラメーターを表2に示すように決定し、通常のコールドクルーシブ溶解法に従って合金材料の溶解、鋳造、原料添加、インゴットの連続引抜きを同時進行で行なうものとした。

0047

0048

例1
引抜き速度を15mm/分、原料添加速度1.25kg/分として、所要時間約120分で、最終的に重量150kgの合金インゴットを鋳造した。

0049

例2
引抜き速度7.5mm/分、原料添加速度0.625kg/分として、所要時間約120分で、最終的に重量75kgの合金インゴットを鋳造した。

0050

従来例
従来例では、公知の消耗電極式真空アーク溶解(VAR)法に従う二重溶解システムを用いて直径150mm、重量75kgのチタン合金インゴットを鋳造するものとした。

0051

以上、実施例、比較例および従来例の各々において得られた合金インゴットの表面性状として凝固割れ、ブローホール溶け残りについてそれぞれ評価し、その結果を表3に示す。

0052

0053

また、実施例、比較例および従来例の各々において得られた合金インゴットの内部品質として凝固収縮孔、成分偏析について評価し、その結果を表4に示す。ただし、ここで成分偏析については、得られた合金インゴットの半径方向および中心部の縦方向についてそれぞれ20mm間隔でサンプリングを行ない分析した結果を偏析率(最大分析値平均分析値)によって評価するものとする。

0054

0055

表3の結果から明らかなように、実施例の例1および例2で得られる合金インゴットは、比較例の例1および例2で得られる合金インゴットに比べて、表面に凝固割れや溶け残り等がなく、極めて表面性状に優れていることが判明した。これは、本実施例では、引抜きの工程において鋳型とインゴット間の接触抵抗が小さく抑えられたことによるものと考えられる。

0056

また、表4に結果から明らかなように、本実施例で得られる合金インゴットでは、撹拌効果を持たない従来法を用いて得られた従来例の合金インゴットよりも合金成分の偏析率が極めて小さく抑えられていることは言うまでもないが、また円筒型水冷銅鋳型を用いて連続引抜きにより得られた比較例の合金インゴットよりも半径方向および中心部の縦方向の双方で偏析率がさらに小さく抑えられていることが判明した。このことからも、本実施例では合金成分偏析が少ない内品質に優れた大型のインゴットが得られることが判明した。

0057

またさらに、実施例において例1および例2を比較すると、溶解原料の冷却鋳造後の引抜き量を鋳型6の内径の半分の長さにした例2では例1よりさらに品質の良いインゴットが得られることが示された。

発明の効果

0058

本発明に従う高融点活性金属合金の鋳造方法では、高純度で、合金成分均一性および結晶性に優れたチタン等の高融点活性金属を基とする合金からなる良質で大型のインゴットを安定的に製造することができる。したがって、本発明を用いれば高融点活性金属合金の生産能力を拡大し、コストの低減を実現することができる。

図面の簡単な説明

0059

図1本発明に従う実施例において用いた鋳造装置の構造を示す断面図である。
図2図1に示した円筒型水冷銅鋳型の一部破断斜視図である。
図3本発明に従う鋳造方法を工程順に示した模式図である。

--

0060

1真空チャンバ
2原料投入室
3排気口
4ガス供給口
5溶解炉
6水冷銅鋳型
7高周波コイル
8引抜きローラー
10引抜き棒
11 溶解した原料
12凝固した原料
なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

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