JP2016185562A - 高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原料を溶解させてなる溶湯が鋳型2内に集まってなる溶湯プール9の湯面を加熱しながら、溶湯プール9の底面側から凝固させることで、高融点活性金属の合金からなる鋳塊6を製造する。所定量の溶解が完了するまでは、所定の熱量で溶湯プール9の湯面を加熱し、所定量の溶解が完了した後は、溶湯プール9の体積VL[m3]が少なくとも以下の式を満たすまで、所定の熱量よりも低い熱量で溶湯プール9の湯面を加熱する。VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1。ここで、V0[m3]は所定量の溶解の完了時における溶湯プール9の初期体積、C0[%]は所定量の溶解の完了時に溶湯プール9に含まれる合金成分の初期濃度、k[−]は合金成分の分配係数、Ctol[%]は合金成分の許容濃度である。
【選択図】図1
Description
VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1
ここで、V0[m3]は前記所定量の溶解の完了時における前記溶湯プールの初期体積、C0[%]は前記所定量の溶解の完了時に前記溶湯プールに含まれる合金成分の初期濃度、k[−]は前記合金成分の分配係数、Ctol[%]は前記合金成分の許容濃度である。
VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1
(製造装置の構成)
本発明の第1実施形態による高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法は、原料を溶解させてなる溶湯が鋳型内に集まってなる溶湯プールの湯面を加熱しながら、溶湯プールの底面側から凝固させることで、高融点活性金属の合金からなる鋳塊を製造するものである。
ここで、本実施形態では、所定量の溶解が完了するまでは、所定の熱量で溶湯プール9の湯面を加熱し、所定量の溶解が完了した後は、溶湯プール9の体積VL[m3]が少なくとも以下の式(1)を満たすまで、所定の熱量よりも低い熱量で溶湯プール9の湯面を加熱する。湯面への入熱量の制御は、プラズマトーチ3を制御するコントローラ5により行われる。
VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1 ・・・式(1)
ここで、V0[m3]は所定量の溶解の完了時における溶湯プール9の初期体積、C0[%]は所定量の溶解の完了時に溶湯プール9に含まれる合金成分の初期濃度、k[−]は合金成分の分配係数、Ctol[%]は合金成分の許容濃度である。
次に、偏析理論に基づく解析を行った。具体的には、チタン合金Ti−6Al−4VにおけるAl偏析を解析した。
CL=C0(1−VS/V0)k-1 ・・・式(2)
CS=k・C0(1−VS/V0)k-1 ・・・式(3)
ここで、CL[%]は液相内の溶質の濃度、CS[%]はホットトップ期において凝固した固相内の溶質の濃度、C0[%]は、ホットトップ期の開始時に残存する溶湯プール9内の溶質の初期濃度である。また、VS[m3]はホットトップ期において凝固した領域の体積、V0[m3]はホットトップ期の開始時に残存する溶湯プール9の初期体積、k[−]は合金成分の分配係数である。
Vsegre/V0=(Ctol/kC0)1/k-1 ・・・式(4)
(a)注湯を停止してホットトップ期が開始された時点で、鋳塊6の上面への入熱を停止することを想定して、鋳塊6の最上面からの抜熱を考慮した場合。
(b)注湯を停止してホットトップ期が開始されると同時に、鋳塊6の上面への入熱量を所定の熱量からこれよりも低い熱量に下げて、入熱を行いながら残存する溶湯プール9を凝固させる過程を想定して、鋳塊6の最上面が断熱されている場合。
以上に述べたように、本実施形態に係る高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法および製造装置1によると、所定量の溶解が完了した後は、溶湯プール9の体積VLが少なくとも上記の式(1)を満たすまで、所定の熱量よりも低い熱量で溶湯プール9の湯面を加熱することで、溶湯プール9は底面側から凝固していき、最後は湯面近傍が凝固する。そのため、残存する溶湯プール9が完全に凝固した際に形成される、偏析が顕著な領域(偏析領域7)は、鋳塊6の上面からその下方にわたって位置する。一方、従来のように、所定量の溶解が完了した後に加熱を停止した場合には、溶湯プール9は底面側からだけでなく湯面側からも凝固していくので、偏析が顕著な領域(偏析領域7)は、鋳塊6の上面よりも下方に位置する。よって、所定量の溶解が完了した後に熱量を下げて加熱をつづけることで、偏析が顕著な領域(偏析領域7)をより上方に位置させることができる。これにより、成分規格を満足しない部分である、偏析領域7の下端から鋳塊6の上端までの部分の量を低減させることができるので、歩留まりを向上させることができる。
(製造装置の構成)
次に、本発明の第2実施形態に係る高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法(製造方法)について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の製造方法が第1実施形態の製造方法と異なる点は、説明図である図7に示すように、ハース12を介して溶湯を鋳型14内に供給することで製造した鋳塊16の上下を反転させたものを原料として用いて、原料と鋳型2との間にアーク放電を発生させて、原料を溶解させるとともに、溶湯プール9の湯面を加熱する点である。即ち、本実施形態では、まずハース12を用いて鋳塊(1次鋳塊)16を製造し、これの上下を反転させたものを原料として、アーク放電により溶湯プール9の湯面を加熱する真空アーク溶解法により、鋳塊(2次鋳塊)6を製造する。
次に、偏析理論に基づいて偏析を評価した。具体的には、チタン合金Ti−6Al−4VにおけるAl偏析を評価した。溶湯プールの凝固体積とAl濃度との関係を示す図9に示すように、ハース12を用いて鋳塊16を製造すると、Alは負偏析する。即ち、溶解初期において濃度が目標値(6%)よりも高くなり、ホットトップ期において濃度が目標値よりも低くなる。
以上に述べたように、本実施形態に係る高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法および製造装置201によると、ハース12を用いて製造した鋳塊16の上下を反転させたものを原料として用いて、鋳塊6を製造する。ハース12を用いて鋳塊16を製造すると、正偏析する合金成分においては、溶解初期において濃度が目標値よりも低くなり、ホットトップ期において濃度が目標値よりも高くなる。一方、負偏析する合金成分においては、溶解初期において濃度が目標値よりも高くなり、ホットトップ期において濃度が目標値よりも低くなる。このような鋳塊16の上下を反転させたものを原料として用いて、鋳塊6を製造すると、正偏析する合金成分においては、ホットトップ期において目標値よりも高くなっていた濃度は、溶解初期において目標値近傍まで低くなり、溶解初期において目標値よりも低くなっていた濃度は、ホットトップ期において目標値近傍まで高くなる。一方、負偏析する合金成分においては、ホットトップ期において目標値よりも低くなっていた濃度は、溶解初期において目標値近傍まで高くなり、溶解初期において目標値よりも高くなっていた濃度は、ホットトップ期において目標値近傍まで低くなる。このように、正偏析する合金成分においては、濃度が高くなっていた部分で濃度が低くなり、濃度が低くなっていた部分で濃度が高くなるので、全体として偏析が緩和される。また、負偏析する合金成分においては、濃度が低くなっていた部分で濃度が高くなり、濃度が高くなっていた部分で濃度が低くなるので、全体として偏析が緩和される。これにより、下部から上部にかけて偏析が緩和された鋳塊6を製造することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
2 鋳型
3 プラズマトーチ
4 スターティングブロック
5 コントローラ
6 鋳塊
7 偏析領域
8 電極支持体
9 溶湯プール
11 原料投入装置
12 ハース
13 プラズマトーチ
14 鋳型
15 スターティングブロック
16 鋳塊
17 プラズマトーチ
201a ハース溶解炉
201b 真空アーク溶解炉
Claims (6)
- 原料を溶解させてなる溶湯が鋳型内に集まってなる溶湯プールの湯面を加熱しながら、前記溶湯プールの底面側から凝固させることで、高融点活性金属の合金からなる鋳塊を製造する高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法であって、
所定量の溶解が完了するまでは、所定の熱量で前記溶湯プールの湯面を加熱し、
前記所定量の溶解が完了した後は、前記溶湯プールの体積VL[m3]が少なくとも以下の式を満たすまで、前記所定の熱量よりも低い熱量で前記溶湯プールの湯面を加熱することを特徴とする高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法。
VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1
ここで、V0[m3]は前記所定量の溶解の完了時における前記溶湯プールの初期体積、C0[%]は前記所定量の溶解の完了時に前記溶湯プールに含まれる合金成分の初期濃度、k[−]は前記合金成分の分配係数、Ctol[%]は前記合金成分の許容濃度である。 - 前記原料と前記鋳型との間にアーク放電を発生させて、前記原料を溶解させるとともに、前記溶湯プールの湯面を加熱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の合金からなる鋳塊の製造方法。
- ハースを介して前記溶湯を前記鋳型内に供給することで製造した鋳塊の上下を反転させたものを前記原料として用いて、前記鋳塊を製造することを特徴とする請求項2に記載の高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法。
- プラズマアークまたは電子ビームにより、前記溶湯プールの湯面を加熱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の合金からなる鋳塊の製造方法。
- 前記高融点活性金属の合金がチタン合金であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造方法。
- 原料を溶解させてなる溶湯が鋳型内に集まってなる溶湯プールの湯面を加熱しながら、前記溶湯プールの底面側から凝固させることで、高融点活性金属の合金からなる鋳塊を製造する高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造装置であって、
前記溶湯プールの湯面を加熱する加熱手段と、
所定量の溶解が完了するまでは、所定の熱量で前記溶湯プールの湯面を加熱し、前記所定量の溶解が完了した後は、前記溶湯プールの体積VL[m3]が少なくとも以下の式を満たすまで、前記所定の熱量よりも低い熱量で前記溶湯プールの湯面を加熱するように、前記加熱手段を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする高融点活性金属の合金からなる鋳塊の製造装置。
VL=V0(Ctol/kC0)1/k-1
ここで、V0[m3]は前記所定量の溶解の完了時における前記溶湯プールの初期体積、C0[%]は前記所定量の溶解の完了時に前記溶湯プールに含まれる合金成分の初期濃度、k[−]は前記合金成分の分配係数、Ctol[%]は前記合金成分の許容濃度である。
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