JPS62252658A - 微細な等軸晶組織を有する高密度インゴツトの製造方法 - 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、ｆｆ１ｌから高密度の微細な等軸晶インゴ
ットを製造する製造方法に関する。

［従来の技術および問題点］ 初期には、鍛造用超合金は、通常の製造方法で製造され
たインゴットを熱間加工する技術により製造されていた
。これに対して主として航空宇宙産業界からその性質改
善について要望されている大型インゴットを製造する場
合において、最終凝固域となるインゴット中心線に沿っ
て顕著に現われる重要な化学的及びミクロ組織の偏析を
無くしてしまうことは極めて困難である。中心偏析は、
インゴットの鍛造性に影響するばかりでなく、その周囲
組織の鍛造品の性質にも結果として影響を及ぼすことと
なる。

常法により製造された鋳物は、柱状晶及び粗大等軸晶の
組合わせからなり、鋳造サイズが大型になるに従ってそ
の結晶粒も大きくなる。このため、鋳物を鍛造する場合
に鍛造に要する力が増加すると共に、熱間加工中に割れ
が発生しやすくなる。

上記問題点を解決するために粉末冶金を適用することに
より、鍛造の実施に十分応え得る均一な結晶粒組織を有
し、化学的に均質な製品を製造することに成功している
。また、加工にあたって適当な温度及び歪み速度を選択
すると、比較的小さな変形力で網形状の製品を製造する
ことができる超可塑性を有する微細結晶粒の材料（例え
ば、ＡＳＴＭ　　１０〜１２）が開発されている。結晶
粒を微細化すると、インゴット全体の鍛造性が改善され
、熱処理に対する感受性が向上すると共に、等瀧鍛造法
を採用することが可能になる。等温鍛造作業は長時間の
加工となり、高価な設備を供与する必要があるが、最終
製品形状に近い形状の製品を製造することができるので
、機械加工による切粉の発生を回避することができると
共に、不要部分の切断に伴う機械加工費を削減すること
ができる。

しかしながら、金属粉から製品を生産する場合は、特に
、超合金において技術上の欠点がある。

一般に、超合金の粉末は、不活性雰囲気下で金属を噴霧
し、次いで、所定粒径の金属粉のみをスクリーニングに
て捕集することにより製造される。

このような製造方法においては、製造雰囲気の清浄度に
対する要求が高（、製造上の要求を満たすために粗大粒
子の部分を捨てるようにしている。

例えば、６０％の歩留りを予定したとすると、これによ
り製品コストが著しく増加する。このため、コスト要因
が大きくなるので、超合金が各分野で広く利用されるこ
とが妨げられている。

更に、粉末冶金による超合金製品は、その機械的性質を
実質的に低下させ得るような品質に関連する問題に影響
を受けやすい。これらの問題点は、初期の粒子表面及び
捕捉された金属噴霧及び操作ガス（例えば、アルゴンガ
ス）に起因して熱的に発生するポロシティに同する境界
条件を含んでいる。これらの問題点を回避するために粉
末製造工程をプロセスＩ！１＠する必要があり、多大な
費用を要している。従って、化学的に均一であり、微細
結晶粒からなる健全な超合金製品を製造する鋳造方法が
開発されたとしたら、粉末冶金法に代わる低コストの製
造方法が実現できることとなる。

上述したように、鋳物の結晶粒サイズを微細化すると、
その鍛造性が向上すると共に、製品をより経済的に製造
することができる。通常、インベストメント鋳造法によ
れば可能な限り最も微細な結晶粒を有する鋳物を製造す
ることができ、製品がより均一な組織になると共に、そ
の性質が改善される。このため、インへストメント鋳造
法では、鋳型の内表面上に結晶生成のための核種にュー
クレアンツ）を使用することにより鋳物の結晶粒径を制
御して微細化するようにしている。インベストメント鋳
造法はある程度の結晶粒の微細化を図ることができるが
、その影響は実質的に二次元的であり、その結晶粒は鋳
型及び溶湯の接触面に対して直交方向に延びる。金属製
インゴット鋳型を使用する場合は、核種がなくともこの
ようなことが起こる。核種を使用する場合及びこれを使
用しない場合における注湯時に、金属の過熱状態（スー
パーヒート）を低くすること及び鋳型を低温にすること
の両者を組合わせた手段により結晶粒を微細化すること
ができるが、その結果得られる微細構造は樹枝状晶のま
まであり、従来の鋳造方法による性質を有するという欠
点がある。最も好ましいミクロ組織は、熱処理を促進す
るためのセル状組織すなわち樹枝状晶でないものである
。

このようなミクロ組織を得るためには、鋳造時に溶湯の
核生成及び凝固速度が速くなければならない。このよう
な製品を製造する手段として米国特許３，８４７，２０
５．３，９２０．０６２並びに４，２６１．４１２があ
る。これらに開示された技術を用いることにより、ＡＳ
ＴＭ粒度番号３乃至５の結晶粒径のものを製造すること
が可能である。

上記以外の従来技術として、インベストメント鋳造法及
びインゴットの製造方法の両法において溶融金属中に固
体微粒子を核生成種（場）として添加分散して結晶粒を
微細化する方法が用いられている。この方法は超合金ユ
ーザーには好まれていない。組成の変化が不所望に生じ
、また残留異物質によって初期欠陥が発生するからであ
る。これとは別に、レオロジイ鋳造におけるように溶湯
を機械的に撹拌して結晶粒を微細化することもできる。

この方法によれば、２成分を含む非樹枝状組織が得られ
る。すなわち、溶湯の撹拌を中止したとき、液状を保持
する材料のマトリックスと、これにより取囲まれ相互に
近接して離間した島状の固相との２成分である。この状
況は凝固率約５０％で溶湯の粘度が突然増加したときに
生じる。

この方法は低融点の金属材料の加工に効果がある。

しかしながら、超合金については、インゴット製造方法
において溶解中に使用されるセラミック製の撹拌用へら
等により溶湯が汚染されやすく、また、融点が高いので
商業的スケールではこの方法は成功していない。

更に、　米国特許３，６６２，８１０によれば溶湯中に
結晶核の種となるものを添加する方法が公知である。関
連技術の米国特許　３，６６９゜１８０によれば凝固点
まで合金を冷却して核を形成する原理を利用し、その後
、鋳造直前に溶湯を若干再加熱する。万一、独立した結
晶の核となり、これがｆｉｌｌ中で樹枝状に成長するこ
とがあれば、再加熱により十分に再溶融されず、最終製
品においてランダムに並ぶ粗大晶となる。上記の方法は
両者共に、溶湯の凝固を精密に制御することが要求され
る技術である。更に、両者共に合金が汚染され、介在物
が含まれるという問題点には関与しないものである。こ
の要求は、冶金技術が改善されるにつれ、また製品設計
限界が進行するにつれて重要なものとなってきている。

通常、インゴット用鋳型又はインベストメントシェルの
いずれにおける鋳造であっても、鋳物の表面から芯部に
至るまで特徴的に配列した結晶組織が出会うようになる
。インゴット表面近傍においては、一般に、非樹枝状組
織であるチル帯が見られる。チル帯の直下にはインゴッ
ト表面に直交する方向に存在し熱流に沿って成長した柱
状樹枝状晶が発達する。また、通常、柱状晶帯の下部に
は粗大等軸晶が観察される。前述の柱状晶の条件はイン
ベストメント鋳造法では十分でなく、インゴットを鍛造
加工する前にその表面から機械切削等の手段により柱状
晶を除去する必要がある。インゴットを鋳造のままで鍛
造加工すると割れることがある。

１９８５年１０月３日に出願された米国特許出願番号７
８３．３６９は、極く僅かに過熱状態にある溶湯を鋳造
することにより微細な等軸晶を有する鋳物を製造する方
法が記載されている。この鋳造方法では、従来の鋳造方
法と同様に、収縮孔（引は巣）及び中央線に生じるポロ
シティがインゴットに形成される。従来の鋳造方法を実
施する場合は、引は巣の箇所に連通する溶湯の貯瀉池を
設けるか又は、最終凝固部を局部加熱することにより、
ボイドが通常形成される領域に溶湯を供給する。このよ
うな鋳造方法では微細な結晶粒を有する鋳物を得ること
ができない。すなわち、かなり低い過熱状態で引は巣の
箇所に）８Ｗ１を供給する貯湯池を維持することが困雌
であるからである。

また、引は巣を有する鋳物に溶湯を供給することができ
るとしても、鋳物の結晶粒径が粗大になる。

これにより、結果として得られる鋳物が不均一な性質を
有することとなり、その用途が限定される。

鋳物の上部に溶湯を供給しない場合は、凝固による金属
の収縮及び低い凝固速度のために鋳物の中央線に引は巣
又は′°パイプ“が形成される。発生したボイドを満た
すための貯瀾池がない場合は、鋳物の上部にボイドが開
口する。この結果、ボイドと周囲の雰囲気とを遮断する
必要があり、例えば、凝固後の鋳物を密封する等の工程
が増えるので、インゴットをＨＩＰ処理してボイドを除
去することができない。

更に、多成分系の合金においては、合金が凝固する際に
、最終凝固部の組成が合金全体の組成と異なるものにな
る。このため、この方法では均一な組織の鋳物を得るこ
とができないという問題点がある。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって
、上記の種々の問題点を未然に防止することができるセ
ル状の微細な等軸晶組織を有するインゴットの製造方法
を提供することを特徴とする 特に、この発明の目的とするところはインゴット全体が
等軸晶のセル状組織であり、非樹枝状組織を有するイン
ゴットの製造方法を提供するものである。

更に、この発明においては、鋳造ポロシティを除去する
ために凝固後の鋳物にＨＩＰ処理を採用することに成功
しており、鋳物表面に開口するポロシティのない鋳物を
製造することができる製造方法を提供することを目的と
する。

更に、この発明の他の目的として、以下に記載のものか
ら自明なものが含まれることは言うまでもない。

［問題点を解決するための手段、作用及び効果］この発
明の目的は、金属物品を鋳造する方法を提供するもので
ある。すなわち、この発明方法においては、未凝固金属
の温度を降下させてその過熱の大部を除去する。鋳型の
湯口には金属の凝固を促進させる凝固促進手段が設けら
れている。これにより湯口以外の鋳型本体部内の溶湯が
完全凝固する前に鋳型の湯口が凝固金属で塞がれる。そ
の後、溶湯が凝固する速度で鋳型本体部から熱を奪い、
溶湯を凝固させることにより全体に亘って実質的に等軸
晶のセル状組織を有するインゴットを得ることができる
。このようにインゴットが形成されると、鋳型を塞ぐ湯
口の下方に収縮孔（引は巣）が形成される。次いで、イ
ンゴットを熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）処理し、イン
ゴット内のボイドを除去する。

上記の基本的な発明の代わりに、鋳型湯口を凝固金属で
塞いだ後にインゴットを逆転させ、その後、溶融金属の
大部分を凝固させることもできる。

この方法によれば、未凝固金属の小部分が引は渠内に流
入する。引は渠内に流入した溶融金属が凝固すると、イ
ンゴットをＨＩＰ処理し、次いで、インゴット本体部か
ら凝固部した小部分をトリミングする。

また、上記の基本的な発明の代わりに、インゴット逆転
により引は渠内に流入した未凝固金属の小部分を撹拌す
ることもできる。これによりインゴットの最終凝固部で
ある小部分の偏析を低減することができる。この方法に
よれば、インゴットから凝固した小部分を除去するため
にトリミングすることなく無偏析のインゴットを製造す
ることができる。

この発明は、インゴット全体のどこをとってみても実質
的に均一な等軸品のセル状組織であり、非樹枝状のミク
ロ組織の金属インゴットの鋳造方法を提供するものであ
る。この発明は、この明細書中の背景技術の中で説明し
たように超合金において特有の効果を有する。特に、下
表に示す各種材料において顕著な効果を示すが、これら
に限らずこの発明を他の材料に使用することも可能であ
る。

合金名称　　　　　　　Ｃｒ　　　Ｃｏ　　　Ｎｏ　　
　　Ｗ　　　τａＲｅｎｅ９５　　　　　　　　　１４
　　　８　　　３．５　　　３．５　　−ＭＥＲＬ７＋
１　　　　　　　　　　１２．４　１８．５　　　Ｌ２
　　　−　　　−ＣＩＯＩ　　　　　　　　　　　１２
．４　　９　　　１．９　　　３．８　　３゜ｌＮ７１
８　　　　　　　　　　　１９　　　−　　　３にＡＲ
舅２４？　　　　　　　　　　　８．５　１０　　　０
．７５　　１０　　　３ＩＮ７１３ｃ　　　　　　　　
　　　１３　　　−　　　４．５　　　−　　　−Ｕ７
２０　　　　　　　　　　　　１８．２　１４．８　　
３．１　　　１．２　　−ＡＳＴＮ　　Ｆ７５　　　　
　　　　　　　　　　　２８　　　　　残　　　　　６
１７−４　ＰＨ准　　　　　　　　　　ｔｅ−−−Ｃｕ
ｓｔｃｕａ４５０を末　　　　　　　１４．１１　　−
　　　０．８　　　−　　　−３１８ステンレス鋼　　
　１７　　−　　２．５　　−　　一本その他３Ｃｕ。

掌零その他ｔｊ５　Ｃｕ。

組成（重量％） Ｃｂ　　　　Ａｌ　　　　Ｔｉ　　　　　ＣＢ　　　　
Ｚｒ　　　　Ｈｆ　　　　Ｆｅ　　　　　　Ｘｉ３．５
　Ｌ５２．５０．０４　Ｇ、０１０．０５−一残１．４
５４．３０．０２０．０２　Ｇ、８５０．４−残９−３
．４４．１０．１２０．０２　Ｇ、Ｑ５１−残５、Ｉ　
Ｑ、５０．９０．０４０．０１　Ｇ、０５−１８．５歿
−５，５１０，１５０，０１Ｇ、０５１．５−残２８０
．８０．１２０．０１　Ｇ、０５−一残−２，４８４，
９９Ｑ、０４０．０３０．０３−　０．３９残−−−０
，２５−−−−− ０，２５−−０，０３−−−残　　　　４０．４　　−
−０．０３−　　　−　　　−　　残　　　　６．５−
　　　−　　　−　　　０．０４−　　　−　　　−　
　残　　　　１２上記材料におけるこの発明の用途は、
結晶粒界を拘束する第２の相の不足のために単−相材料
が′この方法により最初に形成された微細な結晶粒径を
維持することができないものに限定される。この問題は
、上記の表に掲げたマルテンサイト系ステンレス鋼、即
ち１７−４ＰＨ及び　Ｃｕｓｔｏｍ４５０に見られる。

これらの材料は、鋳造したままの材料の結晶粒界を拘束
する手段が組成中に含まれる場合、又は、鋳造したまま
の結晶組織をそのまま保持する他の手段が使用される場
合、あるいは粗大結晶粒に耐え得る場合において、この
発明を実施可能にすることができる。オーステナイト系
ステンレス鋼、例えば、タイプ３１６のようなものは、
炭化物を十分に有しているので、凝固後において結晶が
ほとんど成長せず、このため鋳造したままの有益な金属
組織が維持される。

凝固後において、上記材料のうちの数種については結晶
粒の粗大化を防止するために特殊な冷却サイクルを行な
う必要がある。ニッケル合金では固相が析出する約２１
５０′″ＦＩＸ下の温度まで急冷する必要がある。ただ
し、ｌＮ７１８合金の場合は２０５０°Ｆ以下の温度ま
で急冷しなければならない。凝固後の材料を急冷すると
、鋳物材料が固化するプロセスにおいて有害な再結晶及
び結晶粒の成長を阻止することができる。

この発明の第１工程は金属の溶解である。金属を溶解す
る場合には、その鋳造手段として不活性ガス雰囲気又は
真空中で溶解する。通常、金属溶解方法に不活性又は真
空雰囲気を要求される場合は、真空誘導鋳造装置が使用
される。

Ｉｌｌをできるだけ静止した状態に保持しつつ、先ず第
１に、鋳造すべき金属を誘導加熱する。このとき、溶湯
の撹拌が最少限になるようにする。

これは、誘導磁界の周波数を選択する手段により実現す
ることができる。溶湯がるつぼ内で動き回ると、非金属
の不純物が溶湯中に混入するので好ましくない。むしろ
、溶解金属をるつぼの特定箇所に隔離するほうがよい。

非金属不純物の分離を伴う場合は、非金属不純物を鋳物
製品に供される部分から遠ざけるような鋳造方法を選択
することができる。

るつぼによる溶解では溶湯の汚染が避けられないので、
分離サスセプタ又は抵抗過熱ヒータを使用することによ
り溶湯が撹拌することなく所定の溶解温度を得ることが
できる。

上記装置を使用する理由は鋳造すべき材料が極めて低い
過熱状態にあるからである。すなわち、溶湯瀾面が低い
過熱状態にあると、垂直方向の放熱のために溶解るつぼ
内で凝固分離しやすくなる。

このように装置を設計すると、湯面に液相が部分的に残
存し、鋳物の中央線にて固相が出会う好ましい鋳造条件
になる。所定位置に配置された鋳型内に迅速に溶湯をそ
の開口を介して注入する。この鋳型の開口において、発
明に関係ある温度測定を行なう。ところで、次のチャー
ジの溶解が可能になる前に凝固した材料の頭部（スカル
）を再溶融するか、または、他の合金を装入する前に前
記頭部を除去することにより鋳造することもできる。

この代わりに、交換可能に形成されたるつぼライナを使
用することにより上記問題を防止することもできる。

上記鋳造方法を改良したものによれば、溶湯をるつぼに
装入し又はるつぼから出湯する時に１！Ｉ！！可能な保
温又は反射カバーを使用することもできる。これは、凝
固した頭部を予め除去すること又は夫々の鋳物製造前に
るつぼライナを交換することが不要になるという利点が
ある。また、他の方法として、溶解材料表面における垂
直方向の放熱量の分配手段に誘導コイル又は抵抗加熱ヒ
ータの形状の改良若しくは溶解材料の表面にて熱損失を
バランスさせたるつぼのゾーン加熱を採用することによ
りるつぼ縦断面の温度分布を改善することもできる。

実質的に静止した状態ままで残存した溶湯が保持される
ことは溶解材料中の固体混入物の除去と重大な関係があ
る。溶湯の撹拌又は揺動がほとんどない状態では鋳型に
配置され又は鋳型から除去された低密度の非金属介在物
が湯面に浮上する。

例えば、酸化ハフニウムのような非金属介在物は高密度
であるので、通常、浮上しないが、この種の非金属介在
物は見掛は上は浮力効果を有する低密度の酸化物に属し
ている。鋳造供給源として静止溶湯を使用する操業技術
では、鋳物中の介在物をこの発明方法の技術によりいか
に減少させることができるかという固体汚染物の問題が
ある。

この発明の基本的な方法の代わりに、上述のような溶解
材料中に通常出現する固体介在物を更に除去するもので
ある。金属を最初に溶解して溶湯注入前に静止溶湯を貯
溜しておくるつぼは、底注ぎ式るつぼであることが好ま
しい。この理由は、るつぼ上部に固体介在物が浮上しや
すいことと鋳型装置の溶湯注入箇所にるつぼを導きやす
いからである。介在物が鋳造インゴットのヘッド部に含
まれるようにるつぼが設計されているので、この部分を
次工程で除去することができる。一方、ティーポット型
るつぼを使用することにより、鋳造装置に溶湯の最終部
分の注入が終了するまでに鋳型への注入溶湯からるつぼ
内の浮遊介在物が混入することを阻止することもできる
。

静止溶湯内の浮遊介在物を除去する他の手段として、保
温材を使用するか又は予め反射蓋を開放して湯面の凝固
を防止する。溶湯を注入する直前にるつぼの蓋を開けて
凝固した薄い表面層を除去するので、この凝固した材料
と共に介在物が捕捉される。るつぼ装置の形状をより適
切なものにすると、介在物で汚染された凝固金属がるつ
ぼ壁に接触しなくなると共に、るつぼを傾けて溶湯を鋳
型に注入する間に鋳型内に流入する溶湯の湯面下で凝固
金属が旋回するようになる。このため、捕捉介在物で汚
染された円盤状の凝固金属がるつぼから容易に除去され
、従って、次チャージのためにるつぼを迅速に準備する
ことができる。

従来のｌｔ導加熱でるつぼ内の溶融金属を加熱すると、
溶融金属が大幅に撹拌流動して好ましくない結果を招く
。溶融金属を静止状態にＭ持するために、サスセプタ、
通常グラフフィト、を誘導コイルとるつぼとの間に使用
することができる。サスセプタを使用することにより溶
融金属が撹拌流動することなく金属を迅速に加熱するこ
とができる。一方、高周波加熱又は抵抗加熱を使用して
も同様の効果を得ることができる。上記のように、溶湯
内の撹拌又は流動を少なくして軽量の非金属介在物を場
面に浮上させているので、最終製品となる鋳物から非金
属介在物を除去して仕上げることができる。

また、溶融金属の温度を低下させて、その過熱の大部を
実質的に除去することが望ましい。この実施例において
は、溶融金属の全体に亘って略均−な温度にする必要が
ある。つまり、鋳造時の溶ＩＩＷｊＡ度が測定融点から
測定融点より２０°Ｆ高い温度までの範囲内に入るよう
に鋳造すれば、所定のミクロ組織を有するインゴットを
＠造することができることが判明した。ただし、あらゆ
る種類の合金が測定融点から測定融点より２０°Ｆ高い
温度までの温度範囲内で鋳造されると、等軸晶組織にな
るか否かは不明である。上記合金の組成及び鋳造後に結
晶粒成長を示す単−相合金の性質の相違点についての観
察に基づき、実験により個々の合金の鋳造温度を決定す
る。従って、インゴットのミクロ組織に影響する鋳造温
度域は前記！！広に限定されることなく、他の合金類の
場合には２０゛Ｆだけ融点より高い温度から更に少し高
い温度域で鋳造しても同様の効果を得ることができる。

温度測定位置又は温度測定手段が鋳造温度に影響を及ぼ
しているか否かについても判明していない。この発明方
法により所望のミクロ組織を得る手段として、主に温度
測定技術が重要である。また、合金の測定融点は個々の
鋳造チャージについてプロセス用の装置により決定され
る。これにより、実際に鋳造する場合に、合金の融点変
動の影響を除去することができる。すなわち、過熱状態
にある未凝固溶湯は極めて少量であるため、各チャージ
ごとの実測の融点く測定融点）を決定し、これに基づき
測定融点に応じて鋳造温度を決定する。

合金を溶解する場合は、合金に若干の過熱を加えると共
に、入熱憬を低くする。溶湯の湯面からの放熱量は側面
及び底面からの放熱量より大きくなるので、側面及び底
面に接触する容器を低熱伝導性のセラミック製とする。

従って、溶湯湯面が最初に凝固し、中心に向かって周囲
から凝固する。

消失フィラメント式高温計又はその他の適当な温度測定
装置を使用してＷＩ瀾の中心部にその焦点を合せ、凝固
進行中の湯面における未凝固部の直径が約２インチに縮
小した時に未凝固部の温度観察を実施する。個々のチャ
ージにおける溶湯の測定融点は一定にならない。鋳造時
の熱量が不足するときは、必要に応じて加熱することに
よりるつぼ及び溶湯の熱損失バランスをとる。

鋳造温度が上記の所定温度範囲内で十分に低い場合には
、その結晶粒径がおよそＡＳＴＭ番号の３より小さくな
り、微細なセル状組織を呈する鋳物となる。上記温度範
囲を越える過熱状態が存在するするところでは、粗大樹
枝状組織が成長して鋳物の物理的及び機械的性質が劣化
する。このため、溶湯を迅速に凝固させて粗大樹枝状晶
の発生を阻止する。６インチ径の鋳物が完全凝固するま
での所要時間は約１０分である。

この発明においては、鋳型本体と、鋳型本体の湯口に設
けられ溶湯の凝固を促進させる凝固促進手段と、を有す
る鋳型内で未凝固金属をすぐ近傍に移動させている。第
１図乃至第４図に示すように、この発明の実施例の鋳型
はくびれ部２２を有している。このくびれにより鋳型本
体濃口の溶湯を凝固促進させる。くびれより上方のレベ
ルまで注湯された溶湯が鋳型のくびれのレベルまで収縮
下降する前に、くびれ内の金属が局部的に完全凝固する
ようにくびれ部２２の径が決められている。

鋳型のくびれに必要な寸法は、局部凝固速度に影響する
種々の要素により決定される。すなわち、鋳型及び合金
の入熱量及び熱容量、鋳型と合金との接触境界における
局部的な熱伝導特性、くびれ上下の溶ｔｓｍ、注湯中の
鋳型くびれの温度上界、並びに鋳型形状によりくびれ部
のサイズが決定される。湯口において金属を凝固促進さ
せる手段には、主として鋳型本体内にくびれを設けるこ
とで達成されるが、鋳型本体の湯口にくびれを設ける代
わりに鋳型の局部に放熱手段を設けるか又はこの放熱手
段とくびれを有する鋳型とを組合わせることもできる。

この発明によれば、鋳型内でインゴット本体部が完全凝
固する前に、鋳型の湯口を凝固金属で塞ぐようにしてい
る。これにより、内部のボイドが鋳型外面に開口するこ
とを阻止することができる。

これをＨＩＰ処理することにより内部ボイドを鋳型から
容易に除去することができる。

インゴット用鋳型及びこれにより製造されるインゴット
の概略断面図により、この発明をより一層明確に記述す
ることができる。第１図に示すように、鋳型１２は鋳物
１０の大部分（メジャーポーション）により占められて
おり、その湯口を塞ぐ鋳物の上部２４にはくびれ部２２
を有している。

また、引は巣１８と鋳物１０の外面との間は連通しない
ようになっている。また、第１図に示すように、鋳物１
０の芯部１４は、凝固の結果生じる偏析により他の部分
と若干異なる成分組成になっている。芯部１４には溶湯
が凝固する際に生じる収縮によりポロシティ１６が含ま
れている。以下に述べるように、この工程において、凝
固過程の偏析の有害な影響を取除くことが好ましい。

また、できるだけ溶湯をかき乱すようにする。

はとんどの材料では、鋳型内に直接注湯することで溶湯
が十分にかき乱される。鋳型を金ｌ１ｌＷＩＩＪ又はセ
ラミック製にしてもよい。これにより、どのようにイン
ゴットを製造しても、また、金属製鋳型をどのように予
成型しても、鋳物内に非金属介在物が混入することが阻
止される。もし、鋳造後に鋳物を鋳型から抜取るような
場合は、金属９！Ｊｔ８型では鋳型をジャケットで包む
か又は鋳物の複数操作中に鋳物を包囲することにより有
利な結果を得ることができる。

溶湯をかき乱す操作を他の異なる方法、例えば、電磁撹
拌により達成することもできる。また、機械的手段によ
り鋳型内に溶湯を導く直前に溶湯を機械的手段により撹
拌することもできる。例えば、鋳型湯口の近傍において
複数の溶湯流又は小滴中に溶湯を砕は散らせることによ
り溶湯を撹拌することができる。すなわち、ストレーナ
コアーズ又はタープレーターズのような溶湯流を邪魔す
る部材の使用により溶湯流又は小溶滴をおおよその寸法
にしてＷＪ瀾を撹拌することができる。更に、るつぼの
部分にノズルを使用することにより、溶湯流を螺旋状に
旋回させ、溶湯の粗大な小滴を砕は散らせて溶湯の体積
に対する表面積の割合いを増加させることにより凝固進
行中の合金から熱を奪う。

この発明によれば、所定の割合いで溶湯から熱を奪うこ
とにより溶湯をｉ固させているので、インゴット全体に
亘って等軸晶のセル状組織であり非樹枝状組織を得るこ
とができると共に、樹枝状の柱状晶帯の発生を阻止する
ことができる。＃ｓ型の面積率を減少させると、微細結
晶粒及びセル状組織を維持するためｍｗｉを急冷するこ
とが可能になると共に、ポロシティ及び存在しうる偏析
の増加傾向を最少限に抑制することができる。つまり、
若干の細い溶Ｓ流又は大きな小溶滴の流れ（ストリーム
）を崩すことにより注湯中の溶湯の体積に対する表面積
の割合いを増加させることが容易になる。この方法によ
れば、インゴットの凝固組織をＡＳＴＭ結晶粒度番号３
以上の微細な等軸晶のセル状組織を得ることができる。

上記のように、極端に急激な凝固速度にすることなく所
望の金属組織を得ることができるが、凝固速度を遅くし
過ぎる場合は、通常、結晶粒が粗大化する。

例えば、溶湯と鋳型との間の初期の温度勾配が十分に高
いと鋳型表面に樹枝状の柱状晶が成長する。セラミック
製又は金属製鋳型の温度を上昇させることにより樹枝状
の柱状晶残留部分を大幅に低減し又は除去することがで
きる。

第２図乃至第４図は、この発明の実施例の製造方法にお
ける完全凝固前の静止溶湯の未凝固部を示す模式図であ
る。図によれば、未凝固部は湯口の下方に位置する引は
渠内に存在する。第２図に示すように、製造される鋳物
は、所望の金属組織を有する鋳物本体１０を備えている
。芯部１０′は、鋳型内の注湯ｗｊ漬の凝固時に鋳物を
逆転すると鋳型上部の引は渠内に流入する未凝固部分を
有している。鋳物を逆転することにより芯部１０′が撹
拌され、無賜析の所望の組成及び金属組織を得ることが
できる。芯部１０゛内で最終的に凝固する部分は付加部
１４である。付加部１４が最後に凝固するのは、有害な
偏析成分を含んでいるからである。付加部１４及び芯部
１０−は実際には別個のものであるが、両者の領域を明
確に区別することはできない。溶湯凝固前の鋳型の逆転
により最終凝固部の偏析を低減することができる。この
ため、鋳型の逆転により材料を均一化することができる
と共に、偏析した材料が鋳型内のどこに位置しているか
が判明しているので、これを分離することができる。

上記のように鋳型内のインゴットを操作することにより
、図中のＡ−ＡＩ！Ｉより上方の領域が所望の組成及び
金属組織となり、鋳物の外面に開口する引は巣が発生し
なくなる。このような鋳物においては、鋳物をＨＩＰ処
理した後にＡ−Ａ線に沿って切断して形を整え、１ｓ密
度で所望の組成及び組織を有するインゴットを製造する
ことができる。

有害な偏析である付加部１４を有する鋳物の部分をこれ
を取り囲む部分と共に切断除去し、次工程以後において
この有害部分がない状態で加工することができる。第２
図に示すような形状のインゴットをＨＩＰ処理し、次い
で、有害な偏析である付加部１４を切断除去することが
できるが、この方法の代わりに有害な偏析を含む不要部
分を先に切断除去した後にＨＩＰ処理する場合は、イン
ゴットの効果的なＨＩＰ処理を妨げる内部ポロシティが
開口するので好ましくない。

この発明の他の実施例では、インゴット内の引は巣の容
積より若干大きな容積を有する鋳型本体を備えた鋳型１
２を用いる。第３図及び第４図に概略示すように、鋳型
１２は、その湯口近傍に拡張部２８を有している。第３
図に示すように、溶湯が鋳型のくびれ部２２内で凝固す
るので、鋳型の拡張部２８内の中央部に多機の８ｇ潟が
残留して未凝固部′ａ３０の分離が起こる。

第４図は凝固後のインゴットを示す概略断面図である。

この図に示すように、湯口が凝固金属で塞がれた後に凝
固する部分には異なる２つの領域が形成される。すなわ
ち、芯部１０−は、付加部１４の鋳物の残部と実質的に
同等の基本組成からなるが、凝固の影響を受けて偏析の
生じかたが異なる。凝固後の鋳物をＨＩＰ処理すること
によりインゴット全体の大きざを縮小して引は巣１８を
除去する。ところで、拡張部２８を採用すると、インゴ
ットの過剰容量の体積で鋳物拡張部の中心中は巣の除去
による体積減少分を埋合わせるようにしている。インゴ
ットを逆転させることなく、鋳物の過剰容量を引は巣の
容積と略同等の容積にすることが好ましい。更に、イン
ゴットを逆転する場合には、インゴット逆転時に、未凝
固部の体積が既に凝固した部分の体積の約５乃至１５％
であることが好ましい。この方法によれば、凝固するの
が遅い材料であっても所望のミクロ組織を得ると共に、
偏析の発生が最少限になるような溶溌熱愚とすることが
できる。

この発明によれば、次に鋳物をＨＩＰ処理するので、圧
力及び熱の組合わせの影響により引は渠及び若干のボロ
シティを除去することができる。

ＨＩＰ処理工程のパラメータが所望のミクロ組織に有害
な影響を与えるときには、この発明が属する技術分野の
専門家がその仕様について特に他人から教わることなく
）−１１Ｐ処理工程のパラメータを決定することができ
る。

更に、湯口が凝固金属で塞がれた後、鋳型内溶湯が凝固
する間に、未凝固部を撹拌することが好ましい。すなわ
ち、鋳物を繰返し逆転するか又は物理的に揺動すること
により未凝固部を撹拌することができる。また、溶湯を
加熱することなく溶湯を撹拌するために、高周波電界を
使用することも可能である。

［実施例１ この発明は種々異なる実施例に使用することができる。

これらの中から２種の合金（合金Ａ及び合金Ｂ）につい
て夫々の組成を下記に示す。

Ｎｉ　　ＣｏＣＣｒＭＯＷ　　Ｔｉ　　ＡＩ　　ＴａＣ
ｂ）ｉｆ合金Ａ　　残　　８　　０，０４　１４　　３
．５　３．５　２．５　３．５　−　　３．５　−合金
Ｂ　　残　　９　　０．０９１２，４２　　３．８　４
　　３．５　４　　−　　０．８実施例１ くびれ部の径が３インチの鋳型を用いて、径が５１２イ
ンチ、長さが１２インチの合金Ａ及び合金Ｂのインゴッ
トを夫々鋳造する。次いで、くびれ部を有する合金Ａの
鋳物を約２０９０°Ｆの温度、約１５ＫＳ　Ｉの圧力、
約４時間保持の条件でＨＩＰ処理する。一方、くびれ部
を有する合金Ｂの鋳物を約２１６５°Ｆの温度、約２５
ＫＳＩの圧力、長時間保持の条件でＨＩＰ処理する。こ
のとき、ＨＩＰ処理が高くなり過ぎて再結晶及び結晶粒
成長が起こらないように注意する。その後、材料が轟密
度であることを見るためにインゴットを切断及び分析し
てＨＩＰ処理の効果を確認する。

実施例２ 前記鋳型の轟さを３２インチに長くしたものを使用して
、実施例１と同じ方法により合金Ｂを加工する。３４イ
ンチ径の多孔質領域がくびれ部の中心線に位置するよう
に夫々のインゴットを鋳造する。次いで、封着操作を加
えつつインゴットをＨＩＰ処理して＾密度にすることが
できる。

実施例３ 前記第２の実施例に使用した鋳型のくびれ部の径を２イ
ンチに変更し、上述の第１の実施例のパラメータを用い
たＨＩＰ処理することによりインゴットが高密度になる
。

実施例４ くびれ部の径が４インチの鋳型を用いて、径が１１１２
インチ、長さが２０インチの合金Ｂの大型インゴットを
鋳造する。その後、インゴット中央部を封着する。

実施例５ 径が３インチ、くびれ部が１インチの鋳型を用いて、合
金Ｂを鋳造する。注湯から約１分後に鋳型を逆転する。

くびれ部の領域を凝固させ、凝固後は湯口から酒漬を補
給しない。約２１６５°Ｆの温度、約２５ＫＳＩの圧力
、約４時間保持の条件でインゴットをＨＩＰ処理し、内
部検査の前に外観寸法を測定する。インゴットを逆転す
ると、引は巣がインゴット下部に形成され、（ＨＩＰ処
理後にインゴット外径寸法が減少することにより決まる
）、ＨＩＰ処理後のインゴット中心部は微細な結晶組織
になる。更に、その他の有害な相の発生を防止すること
ができる。

なお、上記実施例に限ることなく、この発明の範囲内で
自由に実施することができる。この発明の範囲は、添付
の特許請求の範囲及びその均等範囲により決まる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図はこの発明の実施例に係る微細な等軸
晶組織を有する高密度インゴットの製造方法により製造
されるインゴットを示す概略断面図である。 １０；鋳物本体、１０−；芯部、１２；鋳型、１４：付
加部、１８；収縮孔（引は巣）、２２：くびれ部、２８
：拡張部 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １１１図 第５図 柔２図 第４１図

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的に等軸晶のセル状組織であり非樹枝状のミ
   クロ組織を有する金属インゴットの製造方法において、 （ａ）金属を溶解する工程と、 （ｂ）鋳型本体とこの鋳型本体に連通する湯口にて金属
   の凝固を促進する凝固促進手段とを有する鋳型内に金属
   の溶湯を装入する工程と、 （ｃ）鋳型内の湯口の溶湯を除いた残りの部分の溶湯が
   完全に凝固する前に、湯口内の溶湯を凝固させて湯口を
   塞ぐ工程と、 （ｄ）鋳型内の溶湯が凝固する速度で溶湯の熱を奪って
   鋳型内で溶湯を凝固させ、前記ミクロ組織を有すると共
   に、塞がれた湯口の下方に収縮孔を有するインゴットを
   形成する工程と、 （ｅ）インゴットを熱間静水圧プレスしてインゴット内
   のボイドを除去する工程と、 を有することを特徴とする微細な等軸晶組織を有する高
   密度インゴットの製造方法。
2. （２）前記工程（ｂ）の前に未凝固金属の温度を降下さ
   せてその過熱の大部を除去することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の製造方法。
3. （３）インゴット内の収縮孔の近傍の鋳型本体に過剰な
   容積を有する拡張部を設けることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の製造方法。
4. （４）前記拡張部の容積が実質的に収縮孔の容積と同じ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   製造方法。
5. （５）熱間静水圧プレス工程において実質的に均一な外
   観形状を有するインゴットを形成することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載の製造方法。
6. （６）鋳型の湯口にて溶湯の凝固を促進させる凝固促進
   手段が鋳型本体の湯口に形成されたくびれ部からなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の製造方法
   。
7. （７）実質的に等軸晶のセル状組織であり非樹枝状のミ
   クロ組織を有する金属インゴットの製造方法において、 （ａ）金属を溶解する工程と、 （ｂ）未凝固金属の温度を降下させてその過熱の大部を
   除去する工程と、 （ｃ）溶湯を凝固促進させる手段を湯口に有する鋳型内
   に溶湯を導入する工程と、 （ｄ）湯口内で凝固した金属により鋳型の湯口を塞ぐ工
   程と、 （ｅ）鋳型内の溶湯が凝固する速度で溶湯の熱を奪って
   鋳型内で溶湯の大部分のみを凝固させ、前記ミクロ組織
   を有すると共に、塞がれた湯口の下方に収縮孔を有する
   インゴットを形成する工程と、 （ｆ）溶湯の小部分がなお未凝固状態にあるときに溶湯
   が完全凝固する前に鋳型を逆転し、湯口下方の収縮孔内
   に該小部分の未凝固金属を流動させる工程と、 （ｇ）収縮孔内にて該小部分を凝固させる工程と、 （ｈ）インゴットを熱間静水圧プレスしてインゴット内
   のボイドを除去する工程と、 （ｉ）インゴットをトリミングして凝固した小部分をイ
   ンゴットから除去する工程と、を有することを特徴とす
   る微細な等軸晶組織を有する高密度インゴットの製造方
   法。
8. （８）インゴット内の収縮孔近傍に過剰容量の拡張部が
   設けられた鋳型を使用することを特徴とする特許請求の
   範囲第７項に記載の製造方法。
9. （９）鋳型逆転工程の初期段階における未凝固金属の小
   部分の体積が前記拡張部の容積と実質的に同じであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の製造方法
   。
10. （１０）鋳型の湯口にて溶湯の凝固を促進させる凝固促
    進手段が鋳型本体の湯口に形成されたくびれ部からなる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の製造方
    法。
11. （１１）鋳型逆転時における未凝固金属の体積の割合が
    凝固金属の体積の５乃至１５％であることを特徴とする
    特許請求の範囲第７項に記載の製造方法。
12. （１２）実質的に等軸晶のセル状組織であり非樹枝状の
    ミクロ組織を有する金属インゴットの製造方法において
    、 （ａ）金属を溶解する工程と、 （ｂ）溶湯を凝固促進させる手段を湯口に有する鋳型内
    に溶湯を導入する工程と、 （ｃ）鋳型の湯口を除く部分の溶湯が完全凝固する前に
    湯口内の溶湯を凝固させて凝固金属により湯口を塞ぐ工
    程と、 （ｄ）鋳型内の溶湯が凝固する速度で溶湯の熱を奪って
    鋳型内で溶湯の大部分のみを凝固させ、前記ミクロ組織
    を有すると共に、塞がれた湯口の下方に収縮孔を有する
    インゴットを形成する工程と、 （ｅ）溶湯の小部分がなお未凝固状態にあるときに溶湯
    が完全凝固する前に鋳型を逆転し、湯口下方の収縮孔内
    に該小部分の未凝固金属を流動させる工程と、 （ｆ）収縮孔内の未凝固金属を撹拌して該小部分内の偏
    析を減少させる工程と、 （ｇ）収縮孔内にて該小部分を凝固させる工程と、 （ｈ）インゴットを熱間静水圧プレスしてインゴット内
    のボイドを除去する工程と、 を有することを特徴とする微細な等軸晶組織を有する高
    密度インゴットの製造方法。
13. （１３）前記工程（ｂ）の前に未凝固金属の温度を降下
    させてその過熱の大部を除去することを特徴とする特許
    請求の範囲第１２項に記載の製造方法。
14. （１４）未凝固金属に高周波電界を印加して撹拌するこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載の製造方
    法。
15. （１５）インゴット内の収縮孔近傍に過剰容量の拡張部
    が設けられた鋳型を使用することを特徴とする特許請求
    の範囲第１２項に記載の製造方法。
16. （１６）鋳型逆転工程の初期段階において小部分の未凝
    固金属の体積が前記拡張部の容積と実質的に同じである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載の製造
    方法。
17. （１７）鋳型の湯口にて溶湯の凝固を促進させる凝固促
    進手段が鋳型本体の湯口に形成されたくびれ部からなる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載の製造
    方法。
18. （１８）鋳型逆転時における未凝固金属の体積の割合が
    凝固金属の体積の５乃至１５％であることを特徴とする
    特許請求の範囲第１１項に記載の製造方法。