JP2001294950A - インゴットの製造方法と装置 - Google Patents

インゴットの製造方法と装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 不純物の混入を大幅に低減して高融点合金を
溶解することができ、これにより不純物が少なく高強度
の大型インゴットを安定して製造することができるイン
ゴットの製造方法と装置を提供する。 【解決手段】 中空のるつぼ12aを有する高周波誘導
電解炉12と、るつぼ内の上部に設置された上皿14a
を有する不純物除去装置14とを備える。また、素材密
封ステップS2、真空排気ステップS3、素材溶解ステ
ップS4、凝固鋳造ステップS5を有し、成分を調整し
て精錬された素材を電解炉内でレビテーション溶解して
溶けた溶湯10aを揺動・攪拌し、水冷銅からなる上皿
14aに接触させて溶けずに存在するセラミックス等の
軽い不純物を上皿に付着したスカル16a中に捕獲す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不純物の混入を低
減して高融点合金を溶解するインゴットの製造方法と装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】ジェットエンジンを構成するタービンデ
ィスク、ロングシャフト、ケーシング等の高温で高強度
を必要とする大型部品は、従来は主として、大量の溶湯
を高速で鋳込んでインゴットを製造し、そのインゴット
を鍛造し、機械加工して製造していた。
【0003】また、従来、かかるインゴットの製造は、
高速誘導溶解炉(Vacuum Induction
Melting & Casting)、真空鋳造(V
acuum Casting)、真空アーク再溶解炉
(Consumable Electrode Vac
uum Arc Furnace)、エレクトロスラブ
再溶解炉(Electro Remelting Fu
rnace)などを組み合わせて、対象とする大型部品
に必要な大きさのインゴットを一体鋳造していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】近年、ジェットエンジ
ンの高性能化・高温化に伴い、その素材にアルミニウ
ム、チタン、タングステン、モリブデン等を含有する高
融点合金が用いられるようになってきている。しかし、
かかる高融点合金は、上述したいずれの溶解・鋳造手段
によっても、溶解後の凝縮時に偏析や粒子の粗大化が生
じやすく、インゴットに欠陥ができやすい問題点があっ
た。
【0005】ここで偏析(segregation)と
は、合金での不純物,含有物,合金成分の不均一な分布
を意味し、合金の本来の強度を発揮できない重大な欠陥
の1つである。また、粒子の粗大化によっても、合金強
度が大幅に低下することが知られている。
【0006】すなわち、タービンディスク等の大型部品
は、高温で高強度を必要とするにもかかわらず、従来の
インゴットの製造手段では、偏析や粒子の粗大化によ
り、必要な大きさのインゴットを、全体を均質でかつ十
分な高強度に製造することが実質的に不可能なほど困難
であった。また、従来のインゴットには、溶解時に使用
した坩堝(るつぼ)の一部(例えばセラミックス)が剥
離して混入するのを避けがたく、その結果不純物の混入
が多い問題点があった。
【0007】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、不純
物の混入を大幅に低減して高融点合金を溶解することが
でき、これにより不純物が少なく高強度の大型インゴッ
トを安定して製造することができるインゴットの製造方
法と装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、中空の
るつぼ(12a)を有する高周波誘導電解炉(12)
と、前記るつぼ内の上部に設置された上皿(14a)を
有する不純物除去装置(14)とを備え、成分を調整し
て精錬された素材を前記電解炉内に密封する素材密封ス
テップS2と、電解炉内を真空に排気する真空排気ステ
ップS3と、電解炉内の素材を高周波誘導加熱により溶
解する素材溶解ステップS4と、電解炉内で真空溶解し
た溶湯(10a)を所定のインゴットケース内に滴下し
凝固させてインゴットを鋳造する凝固鋳造ステップS5
とを有する、ことを特徴とするインゴットの製造方法が
提供される。
【0009】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
素材溶解ステップS4における溶解は、活性合金を不純
物の混入なくかつ高融点金属を溶解可能なレビテーショ
ン溶解である。
【0010】また、本発明によれば、中空のるつぼ(1
2a)を有する高周波誘導電解炉(12)と、前記るつ
ぼ内の上部に設置された上皿(14a)を有する不純物
除去装置(14)とを備え、前記るつぼ(12a)及び
上皿(14a)は、水冷銅製であり、前記高周波誘導電
解炉(12)は、るつぼのまわりにレビテーション溶解
に適した第1高周波コイル(12b)を有する、ことを
特徴とするインゴットの製造装置が提供される。
【0011】上記本発明の方法及び装置によれば、高周
波誘導電解炉(12)の中空のるつぼ(12a)内に、
成分を調整して精錬された素材を真空状態で密封し、こ
れを第1高周波コイル(12b)を用いたいわゆるレビ
テーション溶解により、水冷銅製の電解炉内で炉壁から
磁気圧力で浮かせた状態で溶解できるので、不純物の混
入を大幅に低減して高融点合金を溶解することができ
る。
【0012】また、るつぼ内の上部に水冷された上皿
(14a)を有するので、レビテーション溶解により溶
けた溶湯(10a)を揺動・攪拌し、水冷銅からなる上
皿(14a)に接触して内部に溶けずに存在するセラミ
ックス等の軽い不純物を上皿(14a)に付着したスカ
ル(16a)中に捕獲することができる。なお、同時に
溶湯よりも重い不純物は、溶湯の下部に形成されるスカ
ル中に捕獲される。従って、溶湯(10a)の上下に位
置するスカル(16b)中に不純物を捕獲し、溶湯中の
不純物を低減することができ、これにより不純物が少な
く高強度の大型インゴットを安定して製造することがで
きる。
【0013】なお、不純物除去の効率を高めるために、
不純物除去装置(14)の上皿(14a)を上下させ、
周期的に溶湯の外に出して冷却するようにしてもよい。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。図1は、いわゆるレビテー
ション(Levitation)溶解の模式図である。
この図に示すように、レビテーション溶解は、るつぼ2
のまわりに高周波コイル3を設けて高周波誘導加熱によ
り素材を溶解するものである。この場合、るつぼ2に水
冷銅るつぼを用いることにより、るつぼの剥離や脱落を
回避できる。またレビテーション溶解による磁気圧力に
より溶湯1がるつぼ2の内面から浮いた状態で揺動され
ながら加熱されるため、溶湯全体を均質化でき、かつ不
純物の混入なしに高融点金属の溶融もできる特徴があ
る。なお、この図に示すように、溶湯1の下部は自重に
よりるつぼ2と接触するため、この部分にスカルと呼ば
れる凝固シェル4が形成される。
【0015】図2は、本発明の微結晶インゴットの製造
装置の構成図である。この図に示すように、本発明の微
結晶インゴットの製造装置は、中空のるつぼ12aを有
する高周波誘導電解炉12、及び水冷された上皿14a
を有する不純物除去装置14を備える。
【0016】高周波誘導電解炉12のるつぼ12aと上
皿14aは、不純物となる剥離や脱落を回避するために
冷却水で冷却された水冷銅製である。この図の例では、
るつぼ12aは、水冷ジャケット13を有し、このジャ
ケット内に供給される冷却水により冷却される。また、
上皿14aは、水冷銅製の冷却パイプ14bに固定さ
れ、この内部を流れる冷却水により冷却される。るつぼ
12aは、この例では下面中央部に開口を有し、この開
口を閉鎖する栓11を有する。また、この開口部分は、
開口から内部で溶かした溶湯が下方に滴下しやすいよう
にロート状の形状に形成されている。
【0017】更に、高周波誘導電解炉12は、るつぼ1
2aのまわりに上述したレビテーション溶解に適した第
1高周波コイル12bを有し、この第1高周波コイル1
2bに図示しない電源装置から高周波電流を通電するこ
とにより、内部の溶湯10aを高周波誘導による磁気圧
力によりるつぼ12aの内面から浮いた状態で揺動・攪
拌しながら加熱するようになっている。
【0018】図3は、本発明のインゴットの製造方法を
示すフロー図である。図2及び図3により、本発明の方
法を以下に説明する。
【0019】ステップS1において、まず、成分を調整
して精錬された素材を準備する。この準備は、従来のイ
ンゴット製造と同様に、高速誘導溶解炉(Vacuum
Induction Melting & Cast
ing)、真空鋳造(Vacuum Castin
g)、真空アーク再溶解炉(Consumable E
lectrode Vacuum Arc Furna
ce)、エレクトロスラブ再溶解炉(Electro
Remelting Furnace)などを組み合わ
せて行うことができる。この場合、対象とする大型部品
に必要な大きさのインゴットを一体鋳造せずに、できる
だけ小さく鋳造して、アルミニウム、チタン、タングス
テン、モリブデン等を含有する高融点合金の偏析や粒子
の粗大化を最小限度にするのがよい。次いで、鋳造した
素材を粉砕して微粉化して素材として用いる。なお、以
上の工程において、セラミックス製のるつぼ等の剥離、
その他により、不純物が不可避的に混入する。
【0020】次に、素材密封ステップS2において、電
解炉12のるつぼ12a内に素材10を密封し、真空排
気ステップS3において、電解炉12のるつぼ12a内
を図示しない真空装置により真空に排気する。
【0021】次いで、図2に示すように、素材溶解ステ
ップS4において電解炉12内の素材を高周波誘導加熱
により溶解する。この溶解は、活性合金を不純物の混入
なくかつ高融点金属を溶解可能なレビテーション溶解で
ある。次に、凝固鋳造ステップS6において、栓11を
外し、電解炉12内で真空溶解した溶湯10aを下方に
準備したインゴットケース(図示せず)内に滴下し急速
凝固させて微細結晶化する。
【0022】なお、急速に凝固させ微細結晶のインゴッ
トを得るために、溶湯温度は凝固温度よりわずかに高温
に制御し、かつ溶湯プールをできるだけ浅く制御するの
がよい。
【0023】上述した本発明の方法及び装置によれば、
高周波誘導電解炉12の中空のるつぼ12a内に、成分
を調整して精錬された素材を真空状態で密封し、これを
第1高周波コイル12bを用いたいわゆるレビテーショ
ン溶解により、水冷銅製の電解炉内で炉壁から磁気圧力
で浮かせた状態で溶解できるので、不純物の混入を大幅
に低減して高融点合金を溶解することができる。
【0024】また、るつぼ内の上部に設置され水冷され
た上皿14aを有するので、レビテーション溶解により
溶けた溶湯10aを揺動・攪拌し、水冷銅からなる上皿
14aに接触して内部に溶けずに存在するセラミックス
等の軽い不純物を上皿14aに付着したスカル16a中
に捕獲することができる。なお、同時に溶湯よりも重い
不純物は、溶湯の下部に形成されるスカル16b中に捕
獲される。
【0025】従って、溶湯10aの上下に位置するスカ
ル16a,16b中に不純物を捕獲し、溶湯中の不純物
を低減することができ、これにより不純物が少なく高強
度の大型インゴットを安定して製造することができる。
【0026】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。
【0027】
【発明の効果】上述したように、本発明のインゴットの
製造方法と装置は、不純物の混入を大幅に低減して高融
点合金を溶解することができ、これにより不純物が少な
く高強度の大型インゴットを安定して製造することがで
きる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】レビテーション溶解の模式図である。
【図2】本発明のインゴットの製造装置の構成図であ
る。
【図3】本発明のインゴットの製造方法を示すフロー図
である。
【符号の説明】
1 溶湯、2 水冷銅るつぼ、3 高周波コイル、4
凝固シェル、10a 溶湯、11 栓、12 高周波誘
導電解炉、12a るつぼ、12b 第1高周波コイ
ル、14 不純物除去装置、14a 上皿

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中空のるつぼ(12a)を有する高周波
    誘導電解炉(12)と、前記るつぼ内の上部に設置され
    た上皿(14a)を有する不純物除去装置(14)とを
    備え、 成分を調整して精錬された素材を前記電解炉内に密封す
    る素材密封ステップS2と、電解炉内を真空に排気する
    真空排気ステップS3と、電解炉内の素材を高周波誘導
    加熱により溶解する素材溶解ステップS4と、電解炉内
    で真空溶解した溶湯(10a)を所定のインゴットケー
    ス内に滴下し凝固させてインゴットを鋳造する凝固鋳造
    ステップS5とを有する、ことを特徴とするインゴット
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記素材溶解ステップS4における溶解
    は、活性合金を不純物の混入なくかつ高融点金属を溶解
    可能なレビテーション溶解である、ことを特徴とする請
    求項1に記載のインゴットの製造方法。
  3. 【請求項3】 中空のるつぼ(12a)を有する高周波
    誘導電解炉(12)と、前記るつぼ内の上部に設置され
    た上皿(14a)を有する不純物除去装置(14)とを
    備え、 前記るつぼ(12a)及び上皿(14a)は、水冷銅製
    であり、 前記高周波誘導電解炉(12)は、るつぼのまわりにレ
    ビテーション溶解に適した第1高周波コイル(12b)
    を有する、ことを特徴とするインゴットの製造装置。
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