JP2003089825A - 高純度金属および合金の製造方法 - Google Patents
高純度金属および合金の製造方法Info
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Abstract
N,Oを極力除去し、溶解時に高真空を意識することな
く、NやOのピックアップを防ぎ、高純度の合金を溶製
する方法を提供する。 【構成】 真空誘導溶解炉において、塩基性耐火材製の
るつぼに原料を装入し高真空下で原料が溶解しない温度
まで加熱、保持してるつぼおよび原料に付着する水分お
よび吸着物を気化除去した後、大気からのO,Nのピッ
クアップを防止するために溶解炉内を速やかにArガス
雰囲気として原料を溶解し、その後、鋳造する。Arガ
スとしてN2ガス含有量の少ない高純度乾燥Arガスを
使用することが好ましい。
Description
C,N,O,Sなどの不純物含有量の少ない高純度合金
を製造する方法に関する。
N,O,S等は合金の加工性、靭性、耐食性等を低下さ
せている。また、製造工程において歩留まりを低下させ
たりして、材料の特性を最大限に発揮できないという問
題を起こしている。特にCrを多く含む合金は不純物の
影響が顕著である。そのため、これらの不純物を低減さ
せる方法が種々検討されている。その一つの方法として
真空誘導溶解炉(VIM)を用いて高真空下で溶解・精
錬する方法が知られている。しかしながら、Cr含有量
が高い材料を溶解−精錬−鋳造する場合、溶解炉タンク
内の真空炉が重要になる。すなわち、高い真空度が得ら
れる装置を用いないと、タンクのわずかな隙間から空気
が漏れ、侵入してメタル内にNやOがピックアップされ
てしまう。特にCr含有量が多い合金では、Crとの相
互作用のため、N,Oがピックアップされ易くなる。
には機密性の高いタンクを用いて溶解する必要がある。
さらに高真空を常に維持するために炉の管理に大変手間
がかかると言う難点を抱えている。そのようにして達成
した高真空下でも、極くわずかなエアリークがあるた
め、Cr含有合金では溶解時にN、O含有量を著しく低
く維持することは困難であった。本発明は、このような
問題を解消すべく案出されたものであり、るつぼや溶解
前の固相状態の原料中のC,N,Oを極力除去し、溶解
時に高真空を意識することなく、NやOのピックアップ
を防ぎ、高純度の金属および合金を溶製する方法を提供
することを目的とする。
造方法は、その目的を達成するため、真空誘導溶解炉に
おいて、塩基性耐火材製のるつぼに原料を装入し高真空
下で原料が溶解しない温度まで加熱、保持してるつぼお
よび原料に付着する水分および吸着物を気化除去した
後、O,Nの吸収速度が大きくなる溶融状態になる前に
溶解炉内を速やかにArガス雰囲気として原料を溶解し
てエアリークを抑え、その後、鋳造することを特徴とす
る。溶解炉内をArガス雰囲気とするために用いるAr
ガスとして、N2ガス含有量が0.001体積%以下、
露点が−40℃以下の高純度ガス、さらには、N2ガス
含有量が0.0002体積%以下、露点が−60℃以下
の高純度ガスを用いることが好ましい。また、真空溶解
炉内を10-3Torr以下の高真空度で原料を加熱する
ことが好ましい。塩基性耐火材として、90質量%以上
のCaOを含むものを使用することが好ましく、被溶解
原料として、鉄,炭素鋼,合金鋼,フェロアロイを予備
精錬し、精錬後のメタル中のC,SおよびNの含有量の
合計が0.03質量%以下の原料を用いることが好まし
い。さらに、原料を溶解した後、高純度フラックスを用
いて脱硫、脱酸を行うことが好ましい。
−Cr−Ni系,Fe−Ni系,Ni−Cr系,Ni−
Ti系などがあり、各合金系には、Co,Mo,Nb,
Ti,V,W,B,Cu,Al,Si,Mn,Zr,R
EM,Ca,Mg,Agなどを含んだものでも良い。ま
た、純Fe,純Niなどの純金属であっても良い。高純
度合金とは、不純物であるC,N,O,S含有量の合計
が0.020質量%以下の材料であり、Pも低濃度であ
るものが好ましい。
M)を用いる。るつぼ内の内張りである塩基性耐火材は
CaO,MgOなどの塩基性酸化物を主成分とするもの
である。るつぼは予め焼成したものでも、炉内でスタン
プしたものでも、あるいはレンガで内張りされたもので
も良い。より高純度の材料を溶製する場合、精錬時にる
つぼ中の不純物成分が溶湯中にピックアップされること
があるため、90質量%以上の純度のカルシアるつぼを
用いると不純物の混入は最小限に抑えることができる。
を効果的に低減させるために、CaOクリンカーを予め
焼成したCaOるつぼあるいはCaOクリンカーをスタ
ンプしたるつぼを用いる。また、焼成したCaOるつぼ
はバインダーからのCによって汚染されていることが多
いため、より高純度の材料を溶解する場合、前もって洗
い溶解を行い、Cなどの汚染物を除去するとよい。さら
に、CaOるつぼは吸湿しやすいのでベーキングにより
溶解前に付着水分、吸着物の除去を十分に行うことが好
ましい。
ないものを用いることが好ましい。より経済的に合金を
溶製する場合は、真空溶解炉で溶解する前に安価な鉄、
炭素鋼、ステンレスなどの高合金鋼、CrやNiを含む
フェロアロイを用いて予備精錬した原料を使用すると良
い。具体的には電気炉や精錬容器内で減圧下、Arガス
などの不活性ガス雰囲気下、あるいは大気下で予備精錬
することによって脱C,脱S,脱Nを実施し、C,N,
Sの含有量を合計0.03質量%以下としたものを原料
にすることが好ましい。さらに、本発明の真空溶解炉の
溶解時に、高塩基性のフラックス、例えばCaOを多く
含有するフラックスを用いる精錬工程を付加すれば、脱
O,脱Sがより効果的に達成できる。
等を十分に気化除去するための加熱処理、すなわち、原
料が溶解しない温度までの高真空下でのベーキング処理
を行う。真空度は10-3Torr以下にすることが好ま
しいが、高真空にするほど、付着水分等が除去できるの
でより好ましくは1×10-4Torr以下とする。ま
た、ベーキング処理時間の目安は原料、るつぼ等の付着
水分が十分に除去でき、真空度が安定した時点までとす
ることが好ましい。高真空に保つのは、O,N等の吸収
速度が遅い固体状態までとし、吸収速度が大きくなる溶
融状態では雰囲気をドライなArガス雰囲気としてエア
リークを抑えた方がO,Nのピックアップを防げるた
め、原料が溶融を始める前にArガスを導入する必要が
ある。
を停止するためエアリーク等による真空度低下が起こり
易いので、それを避けるため可能な限り速やかにArガ
スを導入する。Arガス気圧は0.5atm以上で良い
が、大気からの真空タンク内へのN2の侵入を防止する
ためには、1atmないしは1atmを若干上回る圧力
に加圧することが好ましい。Arガスは炉内に封じても
良いが、溶解中、流し続けても良い。
ことが好ましい。特に、N2含有量が0.001体積%
以下で、露点が−40℃以下の乾燥ガスを用いることが
好ましい。また、CrのようなN,Oを吸収し易い成分
の含有量が高い材料を溶解する場合は、より一層高純度
なArガスを用いることが好ましい。具体的にはN2含
有量が0.0002体積%以下で、露点が−60℃以下
の高純度乾燥Arガスを用いることが好ましい。さら
に、ガス配管の中の水分や配管の接続部からのN 2の混
入もあり得るので溶解の際は前もって高純度乾燥Arガ
スで洗浄を十分に行うことが好ましい。さらに、使用す
るArガスをボンベに充填する場合、ボンベ内の水分を
ベーキングによって十分除去し、真空炉内への導入管内
も溶解前に十分に高純度乾燥Arガスで洗浄しておくこ
とが好ましい。
溶湯温度が目標温度に達した後、脱酸剤を添加して脱酸
精錬を行うことが好ましい。脱酸剤としては、Si,A
l,Mn,Ti,Zr,希土類元素などの脱酸元素のう
ち1種もしくは2種以上を組み合わせて用いる。脱酸、
脱硫を強化する場合は、高塩基度フラックスを溶湯に添
加して、脱酸、脱硫精錬を行うことが好ましい。高塩基
度フラックス中のCaOとSiO2の質量比(CaO/
SiO2)は1.5以上、さらには2.0以上にするこ
とが好ましい。
際、塩基性耐火材製のるつぼに装入した原料を、高真空
下でその原料が溶解しない温度まで加熱・保持すること
で、原料およびるつぼに付着している水分や吸着物を除
去し、その後炉内を速やかにArガス雰囲気に変えて原
料を溶解することにより、NやOのピックアップを防ぐ
ことができる。また、Arガス雰囲気にするArガスと
して高純度の乾燥Arガスを使用することにより、雰囲
気ガスからのNやOのピックアップを防ぐことができ
る。さらに、塩基性耐火材製るつぼとして純度が90質
量%以上のCaOからなるものを使用し、高塩基度のフ
ラックスを使用して脱酸、脱硫をも行うことでS、Oを
さらに低減させることができる。具体的には[C]+
[N]+[S]+[O]を0.020質量%以下にまで
低減させた金属および合金を製造することができる。な
お、[X]はX成分の濃度を示す。
−Cr合金,Fe−Cr−Ni合金,Fe−Ni合金,
Ni−Cr合金,Ni−Ti合金を溶解鋳造した。るつ
ぼには、CaOクリンカーを予め焼成した95質量%の
純度のCaOるつぼを使用した。さらに、Cなどの汚染
物を除去するために、前もってFeで洗い溶解を行っ
た。さらに、CaOるつぼはベーキングによって溶解前
の付着水分、吸着物の除去を十分に行った。溶解原料と
しては、試験No.2,3,4、6,7,8,9,10
は電解Fe,電解Crや電解Niを用いた。また試験N
o.1および5では真空溶解炉で溶解する前に、鉄,炭
素鋼,ステンレス鋼,フェロニッケルやフェロクロムを
用いてVIMで予備精錬により脱C,脱S,脱Nを実施
し、[C],[N],[S]の合計を0.013〜0.
028質量%とした原料を用いた。
するために、1×10-4Torrの真空下で500〜1
000℃で約3何時間ベーキングして原料、るつぼなど
の水分を十分に気化除去した後、3,000NL/mi
nの流量でArガスの導入を行った。溶解炉タンク内へ
のArガス導入は約10minで完了した。Arガスを
タンク内に導入した後、Arガス気圧は1atmとし、
Arガスは溶解中、流し続けた。Arガスとしては、N
2含有量が0.0005体積%で、露点が−50℃の乾
燥ガスを用いたが、試験No.9では、Cr含有量が6
0質量%と特に高い含有量なので、ArガスからのN、
Oのピックアップを極力抑えるためにN2含有量が0.
0001体積%で、露点が−70℃の高純度乾燥ガスを
用いた。加えてガス配管の中の水分や配管の接続部から
のN2の混入を避けるために、前もって高純度乾燥Ar
ガスで洗浄を十分に行った。さらに、使用するボンベ内
の水分をベーキングによって十分除去し、真空炉内への
導入管内も高純度乾燥Arガスで洗浄した。
度に達した後、脱酸剤Alを必要量添加し、脱酸精錬し
た。その後、Arガス雰囲気下で溶湯を鋳型に鋳造し、
鋳塊を得た。また、予備精錬を行った試験No.1なら
びに5では、CaOとSiO2の質量比(CaO/Si
O2)を2.5にした高塩基度フラックスを20g/k
g−metal添加し、脱硫と脱酸を行った。本発明条
件で得られた合金鋳塊の化学成分を表1に示す。
を焼成したるつぼを用い、1×10- 4Torrの真空下
で原料が溶解しない温度まで加熱して、るつぼおよび原
料に付着した水分を気化除去した後、溶解時のArガス
を導入した場合(試験No.11)、中性耐火物である
Al2O3を焼成したるつぼを用い、その他の条件はN
o.10と同様の場合(試験No.12)、CaOるつ
ぼを用いて溶解時にArガスを導入せずに1×10-4T
orrの真空下で原料を溶解し、鋳造した場合(試験N
o.13〜16)を、本発明と比較して表1に併せて示
した。なお、本発明では高純度合金は[C]+[N]+
[S]+[O]≦0.020質量%を満足したものとす
る。比較例として、CaOるつぼを用いて溶解炉タンク
内を真空にせずにArガスを導入しタンク内を1気圧と
した。その後、Ar雰囲気下で原料を溶解し、鋳造した
(試験番号16)。
で製造した試験No.1〜9では、[C]+[N]+
[S]+[O]が0.020質量%の高純度合金が得ら
れている。これに対し、酸性耐火物や中性耐火物で製造
されたるつぼやを使用したり、Arガスを導入せずに真
空下で溶解した場合や、タンク内を真空にせずにArガ
スを導入し、Arガス雰囲気下で溶解した場合、C,
N,S,Oを十分に除去できず、所望の高純度合金は得
られなかった。
のるつぼを使用し、溶解前に高真空下で原料が溶解しな
い温度間で加熱、保持してるつぼおよび原料に付着する
水分および吸着物を気化除去した後、大気からのO,N
のピックアップを防止するために溶解炉内を速やかにA
rガス雰囲気として原料を溶解した後、鋳造することに
より、合金中のC,N,S,O含有量が極めて少ない高
純度金属および合金を低コストで製造することができ
た。
Claims (7)
- 【請求項1】 真空誘導溶解炉において、塩基性耐火材
製のるつぼに原料を装入し高真空下で原料が溶解しない
温度まで加熱、保持した後、溶解炉内を速やかにArガ
ス雰囲気として原料を溶解し、その後、鋳造することを
特徴とする高純度金属および合金の製造方法。 - 【請求項2】 溶解炉内をArガス雰囲気とするために
用いるArガスとして、N2ガス含有量が0.001体
積%以下、露点が−40℃以下の高純度乾燥Arガスを
用いる請求項1に記載の高純度金属および合金の製造方
法。 - 【請求項3】 溶解炉内をArガス雰囲気とするために
用いるArガスとして、N2ガス含有量が0.0002
体積%以下、露点が−60℃以下の高純度ガスを用いる
請求項1に記載の高純度金属および合金の製造方法。 - 【請求項4】 真空溶解炉内を10-3Torr以下の高
真空度で原料を加熱する請求項1〜3のいずれか1に記
載の高純度金属および合金の製造方法。 - 【請求項5】 塩基性耐火材が90質量%以上のCaO
を含むものである請求項1〜4のいずれか1に記載の高
純度金属および合金の製造方法。 - 【請求項6】 鉄、炭素鋼、合金鋼、フェロアロイを予
備精錬し、精錬後のメタル中のC,SおよびNの含有量
の合計が0.03質量%以下の原料を用いる請求項1〜
5のいずれか1に記載の高純度金属および合金の製造方
法。 - 【請求項7】 原料を溶解した後、高純度フラックスを
用いて脱硫、脱酸を行う請求項1〜6のいずれか1に記
載の高純度金属および合金の製造方法。
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JP2001279866A JP2003089825A (ja) | 2001-09-14 | 2001-09-14 | 高純度金属および合金の製造方法 |
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