JPH0332447A - 金属の溶解、鋳造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、チタン、ジルコニウム等の金属或いはこれ
等の金属を基とする合金の溶解、鋳造方法とこの方法の
実施に用いる装置に関する。

〔従来の技術〕

一般的な耐火物るつぼによる場合には高品質を期待でき
ないチタン、ジルコニウム等の金属の溶解、鋳造法とし
ては、例えば、日刊工業新聞社発行の「金属チタンとそ
の応用ＪＰ１９〜２３に示されるような消耗電極式アー
ク再溶解（ＶＡＲ）法がある。

このＶＡＲ法では、原料棒を電極とし、水冷銅るつぼ中
に吊り下げてこの電極の先端と銅るつぼ中の溶湯との間
に直流アークを発生させ、電極自体を溶落させてインゴ
ットを作製する。この方式による場合、るつぼ壁と原料
棒との間にサイドアークを生じさせないようにするため
に、高真空を保つ必要がある。

これに対し、真空雰囲気が無用な溶解法として、特公昭
６０−４３８９０号、同５４−２２１６２号公報等に示
されるようなエレクトロ・スラグ再溶解（ＥＳＲ）法が
ある。このＥＳＲ法は、原料を電極棒として水冷鋳型内
の溶融スラグ中に浸漬し、この電極棒を通電によりスラ
グ中に発生するジュール熱で溶かして水冷鋳型内に沈積
、凝固させる。この方法では溶解が溶融スラグ中で行わ
れ、溶湯ブールがスラグによって密封されるため、真空
等の特別な雰囲気が要求されない。

〔発明が解決しようとする課題〕

高真空下で溶解を行うＶＡＲ法によると、例えばアルミ
ニウムのような蒸気圧の高い元素は蒸発してしまう、従
って、対象金属がこのような元素を含む合金の場合、歩
留が非常に悪く、しかも、成分の偏析等が起ってインゴ
ットの品質が著しくばらつくと云う問題がある。

また、ＥＳＲ法は、真空雰囲気が不要なため、合金元素
の蒸発による問題はないが、チタンやジルコニウムの如
き活性金属の溶解では熔融スラグとの反応が起って熔融
金属が汚染される。

この発明は、上述の諸問題を無くすことを課題としてい
る。

（ｌｌｆｉを解決するための手段〕 この発明の方法では真空チャンバ内に誘導コイルを有し
、コイル直下に水冷Ｍ４鋳型を有する溶解炉を用いる。

その炉の中にチャンバ上方から原料棒を吊り下げて供給
し、誘導コイルの内側に非接触に進入させたその原料棒
を誘導電流で先端から順次溶融し、溶けた金属を水冷銅
鋳型内に滴下させ、積層、凝固後、鋳型下方に引抜いて
インゴットを得る。

この方法による鋳造金属は、チタン、ジルコニウム、タ
ンタル、ニオブ、モリブデン、バナジウム、タングステ
ン或いはこれ等の金属を基とする合金である。

なお、長手方向に均質なインゴットを得るには、溶解、
鋳造速度を一定にコントロールする必要があり、従って
、この発明の装置は、上記誘導加熱炉のほかに原料棒の
送り出し手段、インゴットの引抜き手段及び誘導コイル
の自己インダクタンスを信号化してフィードバックし、
この信号をもとに原料棒の送り出し速度とインゴットの
引抜き速度をコントロールする制御手段を備える構成に
しておく。

〔作用〕

この発明の方法及び装置は、チャンバ内での誘導加熱溶
解であるので、溶解雰囲気の設定が自由である。そのた
め、純金属の溶解時には、チャンバ内を高真空（好まし
くは１０−２〜１０−６〜１０−２ｔｏｒｒ）にして脱
ガス精錬効果を高め、一方、合金の溶解時にはチャンバ
内を不活性雰囲気にして（圧力は１Ｏ−１ｔｏｒｒ〜１
０気圧程度がよい）合金元素の蒸発を抑制することがで
きる。また、合金の溶解時に不活性ガスの導入と真空排
気を併用して合金元素の蒸発を抑えながらある程度の脱
ガス精錬効果を同時に得ることもできる（この場合のチ
ャンバ内圧力は１０−２〜１Ｏｔｏｒｒ程度が好ましイ
）。

しかも、真空雰囲気中で行う脱ガス精錬は、溶融金属が
滴状になって落下していくことによりガスの抜は出しが
容易になるため、非常に効率良く行われ、純金属溶解時
の能力はＶＡＲ法を上回る。

また、ＥＳＲ法と違ってスラグ等が介在しないため、そ
れ等の介在物による汚染もあり得ない。

なお、上記制御手段があると、原料棒の送り出し速度と
インゴットの引抜き速度を誘導コイルの自己イ゛ンピー
ダンスが一定に維持されるようにコントロールでき、こ
の場合、溶解速度、凝固速度が一定するのでインゴット
の更なる高品質化が望める。

〔実施例〕

第１図に基いて、この発明の装置の一興体例を説明する
６図の１は原料棒、２は誘導コイル、３は真空チャンバ
であり、このチャンバには排気ダクト４と不活性ガス導
入ダクト５が設けられている。６は誘導コイル２の電源
、７はコイル２の下方に設置した水冷銅鋳型、８は溶融
金属が落下し、鋳型？内で凝固してできたインゴット、
９は原料棒１を吊り下げた状態にして下向きにチャンバ
内に送り込む送り出しローラ、１０はインゴットの引抜
きローラである。また、１１は９の、１３は１０の各駆
動用電源、１２は９．１０の速度制御のため信号をフィ
ードバックする信号変換処理器である。

チャンバ３内の雰囲気及び圧力は、溶解する金属のＩＩ
Ｎに応じて適切な状態に調整される。そのチャンバ３内
に送り込まれた原料棒１は、誘導コイル２の内側に進入
すると誘導電流が流れてジュール熱により先端から自己
溶解していく、そして、溶けた金属が滴状になって順次
落下し、水冷銅鋳型７内で堆積、凝固してインゴット８
になる。

誘導コイル用の電源６は周波数固定のものを用いており
、溶製中にこの電源６で検出したコイル２の自己インダ
クタンスを１２が信号に変換して電源ＩＣｌ３にフィー
ドバックし、コイル２の自己インピーダンスが設定値を
常に維持するように力率によるローラ９．１０の速度制
御が行われる。

以下に、この発明の方法のより詳細な実施例を記す。

〔実施例１〕 第１図の溶解、鋳造装置を用いて代表的なチタン合金で
あるＴｌ−６＾ｊ！−４Ｖのインゴットを溶製した。原
料棒の溶解に際しては、真空チャンバ３内を予め１０−
　’〜１０−　’　ｔｏｒｒで真空引きし、その後、Ａ
ｒガスで置換し、８００ｔｏｒｒとした。

第１表に、溶解前の原料棒と、溶製されたインゴットの
各合金元素の平均組成を示す、また、第２図に原料棒及
びインゴットの長手方向のアルミ成分のバラツキ値を示
す。

第１表（単位：重量％） これ等のデータから、この発明の方法は、蒸気圧の高い
合金元素の蒸発防止、成分の偏析防止に有効であること
が判る。

〔実施例２〕 第１図の熔解、鋳造装置を使って純チタン２種のインゴ
ットを溶製した。この際の真空チャンバ内圧力は１０−
’ｔｏｒｒとした。

第２表に溶解前の原料棒と溶解後のインゴットの不純物
元素の平均含有値を示す。

第２表（単位：０．Ｎ、Ｃは重量％、他はＰＰＩＩ）こ
の実験結果から、純金属については脱ガス精錬効果を高
めてインゴット中の不純物を充分に除去し得ることが判
る。

〔効果〕

以上説明したように、この発明によれば、チャンバ内で
の誘導加熱溶解であり、溶解雰囲気を自由に選択できる
ため、溶解する金属が純金属、蒸気圧の高い金属元素等
を含む合金のいずれであっても従来よりも有利に高品質
インゴットを熔製す金属の滴下による脱ガス促進効果が
得られるため、ＶＡＲ法によるときよりもインゴットの
純度を高め得る。

また、合金の溶解時には、不活性雰囲気を使用すること
により、ＥＳＲ法に見られる介在物による汚染を無くし
、さらにＶＡＲ法で発生する合金元素の蒸発を抑制して
、組成変化、成分偏析、材料の歩留低下の問題を無くす
ことができる。従って、耐高温、高強度、高疲労、高信
頼性の要求される自動車や航空機のエンジン弁ばね、コ
ネクティングロッド、クランクシャフト、タービンブレ
ード、ファスナーと云った部品の原料インゴットの製造
に利用すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の装置の一例を示す概略図、第２図
は、第１図の装置を用いてこの発明の方法でＴｉ−６Ａ
ｊ！−４Ｖを溶解した場合の原料棒と溶製インゴットの
長手方向のアル逅成分の分布バラツキ値を示すグラフで
あ゛る。 １・・・・・・原料棒、　　　　　２・・・・・・誘導
コイル、３・・・・・・真空チャンバ、　４・・・・・
・排気ダクト、５・・・・・・不活性ガス導入ダクト、
６・・・・・・コイル用電源、　？・・・・・・水冷銅
鋳型、８・・・・・・インゴット、　　　９・・・・・
・送り出しローラ、１０・・・・・・引抜きローラ、 １１．１３・・・・・・ローラ用駆動電源、１２・・・
・・・信号変換器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、モリ
   ブデン、バナジウム、タングステン或いはこれ等の金属
   を基とする合金のインゴットの溶製方法であって、真空
   チャンバ内に誘導コイルを有し、コイル直下に水冷銅鋳
   型を有する溶解炉の中に、チャンバ上方から原料棒を吊
   り下げて供給し、誘導コイルの内側に非接触に進入させ
   たその原料棒を誘導電流で先端から順次溶融し、溶けた
   金属を水冷銅鋳型内に滴下させ、積層、凝固後、鋳型下
   方に引抜くことから成る金属の溶解、鋳造方法。
2. （２）原料棒の送り出し速度とインゴットの引抜き速度
   を誘導コイルの自己インピーダンスが一定に維持される
   ように制御する請求項１記載の金属の溶解、鋳造方法。
3. （３）鋳造金属が脱ガス精錬を要するものであるときに
   はチャンバ内圧力を１０＾−＾６〜１０＾−＾２ｔｏｒ
   ｒに、蒸発性合金元素を含むものであるときにはチャン
   バ内を不活性雰囲気にして１０＾−＾１ｔｏｒｒ〜１０
   気圧に、蒸発性合金元素を含有し、かつ、ある程度の脱
   ガス精錬を要するものであるときには不活性ガスの導入
   と真空排気を併用してチャンバ内圧力を１０＾−＾２〜
   １０ｔｏｒｒに各々制御する請求項の１又は２記載の金
   属の溶解、鋳造方法。
4. （４）真空チャンバ内に誘導コイルを配置し、コイル直
   下に水冷銅鋳型を配置した誘導加熱溶解炉と、この炉内
   にチャンバ上方から原料棒を吊り下げて供給し、誘導コ
   イルの内側に非接触状態に進入させる原料棒送り出し手
   段と、溶融金属が滴下し、水冷銅鋳型内で凝固して出来
   るインゴットを下方に引抜く手段と、誘導コイルの自己
   インダクタンスを信号化してフィードバックし、この信
   号をもとに原料棒の送り出し速度とインゴットの引抜き
   速度をコントロールする制御手段とを備えて成る金属の
   溶解、鋳造装置。