JP2550064B2 - 合金鋳塊の製造方法及び装置 - Google Patents

合金鋳塊の製造方法及び装置

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JP2550064B2 JP62103166A JP10316687A JP2550064B2 JP 2550064 B2 JP2550064 B2 JP 2550064B2 JP 62103166 A JP62103166 A JP 62103166A JP 10316687 A JP10316687 A JP 10316687A JP 2550064 B2 JP2550064 B2 JP 2550064B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 例えば、NiTi合金のように難加工性材料であり、また
特性が組成に極めて敏感であり厳密な組成の制御を必要
とする合金鋳塊を安価に製造する方法と装置を提供する
ものである。
〔従来の技術及びその問題点〕
NiとTiをともに約50at%を含むNiTi合金は、形状記憶
効果あるいは超弾性などの特性を有する合金として知ら
れており、これらの特性を利用して種々の用途に用いら
れている。しかしながら、NiTi合金の特性は組成に極め
て敏感であり、例えばNi含有量が僅か0.1%変化するこ
とにより、形状記憶効果を示す変態点は10℃〜15℃も変
化する。そのため、NiTi合金の溶製時には、組成を均一
にかつ正確に制御する必要がある。
従来、NiTi合金の溶製は主に黒鉛ルツボを用いた高周
波真空誘導溶解法によって行われてきた。(鈴木雄一:
日本金属学会会報,24(1985)、41)この方法によれ
ば、高周波誘導撹拌効果により溶湯は十分混合されるた
め、比較的均一の鋳塊を得ることが可能である。しかし
ながら、Tiは極めて活性な元素であり、Cとの親和力も
大きいため、ルツボから溶湯中にCが溶け込むのを防ぐ
ことは難しく、300ppm以下のCの低い鋳塊を得ることは
できなかった。
不純物元素としてのCはTiと優先的に結合してTiリッ
チの化合物を形成するため、マトリックスの中のTi濃度
を減少させ形状記憶効果の変態点を低温側に変化させ変
態点の制御を難しくさせるだけでなく、加工性も劣化さ
せる。
その他、消耗電極を用いた真空アーク溶解法による例
も発表されている。(関東特殊製鋼技術資料No.KSM−B0
02)この方法の場合、水冷銅モールド中での溶解のため
ルツボからの汚染は防げるが、鋳塊全体が同時に溶解し
て混ざりあうことがないため、均一な鋳塊を得るのは難
しい。
さらに、以上述べてきた方法で得られる鋳塊のサイズ
は比較的大きく、NiTi合金が極めて加工性の悪い合金で
あり、しかも多くの場合2mm以下の比較的細い線材で使
用されることを考慮すると、その加工は難しく最終製品
の価格を高める大きな要因になっている。
なお、粉末冶金法によるNiTi合金の製造も試みられて
いる。(W.A.Johnson,J.A.Dominque and S.H.Reichman:
J.de Phys.,43,Suppl.No.12(1982),C4−285)この場
合、変態点が既知の2種類以上の粉末を混合焼結するこ
とにより、変態点を±2Kの範囲でコントロールすること
が可能であると報告されている。しかし、同法では合金
の均一化は固相での拡散により行われるため、反応速度
は遅く、均一化には長時間の熱処理を要し、ミクロ偏析
を抑えるには原料として使える合金粉末の変態点の温度
範囲にも制約がある。また、密度を真密度に近づけるた
めには高温静水圧プレス(HIP)等の特殊な加工手段を
用いる必要がありコストを上げる大きな要因となってい
る。
〔本発明の目的〕
本発明は、これらに鑑がみ種々の検討の結果、素材全
体にわたって成分が均一かつ正確に目標組成に制御で
き、しかも不純物元素の混入を防止できる、NiTi合金等
の、活性元素を多く含みしかも特性の化学成分への依存
性の大きな難加工性の合金鋳塊の新たな製造法と装置を
提供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の一つは、2種類以上の純金属あるいは1種類
以上の合金の粉末を外周部に溝を有し回転する水冷金属
性モールド上に供給、それらを、タングステン・アー
ク、プラズマ・アークあるいは電子ビーム等の加熱源を
用いて溶解、さらに凝固させることにより連続的に合金
鋳塊を製造することを特徴とするものである。
タングステン・アーク、プラズマ・アークあるいは電
子ビーム等の高エネルギー密度型の熱源を用いて水冷金
属製モールド内にて溶解、順次凝固させる方法はルツボ
材質からの汚染の心配なく溶解できる方法として、特に
活性金属を多く含む合金の溶製方法として最適である。
しかしながら、これらの方法において、従来の原料とそ
の供給方式を用いたのでは、鋳塊全体が同時に溶解して
混ざりあうことがないため、均一な鋳塊を得るのは難し
い。特にNiTi合金のように特性が組成に極めて敏感な合
金の場合、また構成元素の比重差が大きく、しかも純チ
タン用原料として一般的な塊状のスポンジチタンを用い
る場合スポンジチタンが多孔質であり見掛比重が極めて
小さいことも考慮すると、溶解用の原料の成形時に分離
・偏析し易く、あるいは直接溶融プールに原料を供給す
る場合においても、常に一定の化学成分のNiとTiを供給
するのは極めて難かしく、鋳塊全体にわたって目標とす
る特性値すなわち変態点を有するようにすることは困難
である。
本発明の方法では、溶解用の原料として粉末を用いる
ため、原料の均一混合が容易であり、常に溶融プール内
に一定の化学成分の原料の供給が可能となり、従って鋳
塊全体にわたって、偏析の無いバラツキの極めて少ない
特性を有した鋳塊を得ることができる。
次に、原料となる粉末について説明する。例えば、Ni
Ti形状記憶合金の場合、原料となるチタン粉末は水素化
脱水素化法あるいは回転電極法で製造されたチタン粉末
あるいはそれ以上の高純度のチタン粉末を用いることが
できる。また、ニッケル粉末は市販されているカルボニ
ルニッケル粉あるいは不活性ガス雰囲気アトマイズ法等
で製造される高純度のニッケル粉末の入手が可能であ
り、それらを用いることができる。
あるいは、粉末冶金法による製造法と同様に、あらか
じめ回転電極法、回転ディスク法、不活性ガスアトマイ
ジング法等の方法によりNiTi合金粉を製造それらを原料
として用いることができる。また、その場合、あらかじ
め試験溶解にて合金のロット毎に鋳塊を溶製して該鋳塊
について変態点を測定した後これらの合金粉末を2ロッ
ト以上混合して目標とする変態点となるように配合して
用いることもできる。
これらの原料用粉末の粒径は、10μ〜2000μの範囲内
とすることが望ましい。
10μ以下では、流動性が悪く粉末のモールドへの供給
が難かしく、また概して酸素濃度も高くなり酸素濃度の
低い合金鋳塊を得ることが難しくなるからである。ま
た、2000μ以上では、やはり粉末の安定供給が難かし
く、またモールド上あるいはモールド内での均一溶解性
にも問題が生じやすくこれら総合的に判断して、10μ〜
2000μの範囲内とすることが望ましい。
以上述べてきたように、本方法は粉末状の原料を用い
るが、あくまでも溶解用の原料として用いる点粉末冶金
法とは技術内容を異にする。
粉末冶金法では、固相状態での拡散現象により化学成
分の均一化、高密度化が進行する。従って、均一化を促
進するためには拡散距離を短くしてかつ反応面積を大き
くする必要があり、粉末はかなり細かくする必要があ
る。そして、その場合酸素が増加するといった付随的な
問題が生じる。また特にNiTi合金の高密度化のためには
高温静水圧プレス等の特殊な加工方法を採用する必要が
ありコスト高める原因になっている。一方、本方法の場
合は溶解法を用いるため、例えば直径が1mmを越える粗
粉を用いたとしても、溶融プール内の均一化は十分進み
また気孔が残留するといった問題も生じずミクロの偏析
の無い、O濃度の低いかつ健全な鋳塊を容易に得る事が
可能である。
本発明の他の一つは上記発明の方法に使用する装置に
関するものであり、以下に図面を用いて詳細に説明す
る。
本発明による装置の一つは、第1図に示すように、外
周部に溝を有し水平面と直交して回転する金属製水冷モ
ールド1と、供給量の速度調整が可能であって、該金属
製水冷モールドに原料粉末を供給する装置2と、供給さ
れた原料粉末を加熱溶解する熱源3及びその電源4と、
凝固した合金鋳塊を連続的に引抜く鋳塊引抜き装置5を
中心として構成される。
この例においては原料粉末を水冷モールド上で連続的
に溶解して合金化したものを凝固させるものである。こ
の場合、水冷モールドは円筒体の外周面に所望形状の溝
を備えたものを使用し、該溝中で凝固した合金鋳塊を連
続的に引抜くものである。粉末を供給する装置は溶解速
度に見あった量の原料服町を、精度良く定量供給できる
ものでなければならず、ロータリーフィーダー、スクリ
ューフィーダー、振動フィーダー等が適する。2種類以
上の粉末を供給する場合、粉末はあらかじめ良く混合し
て1つの供給装置を用いて供給することにより、化学成
分の変動とそれによる特性の変動を最小限に抑えること
ができる。また、必要に応じて供給装置は複数個配置
し、原料粉末を並列供給して溶解する。
水冷モールド上の溝の底部の断面形状は第2図に示す
ように、半円状としてその直径は5mm〜20mmとするのが
望ましい。そのようにすれば、原料の粉末の供給速度と
溶製された鋳塊の引抜き速度を制御することにより、鋳
塊は溶融状態の合金表面張力を利用して、ほぼ断面形状
を直径5mm〜20mmの円にすることが可能であり、その後
の加工にも好都合である。なお、周速度と鋳塊の引抜き
速度はほぼ同じに設定することにより安定した操業が可
能となる。
溶解加熱装置は活性な金属粉末を迅速に溶解するた
め、雰囲気調整が可能で高エネルギー密度のものが必要
である。そのための溶解用加熱原としてプラズマアー
ク、電子ビーム、タングステン・アーク等が適してお
り、加熱方法の種類、溶製しよう合金の活性度等の特性
に応じて、溶解雰囲気を不活性ガス雰囲気あるいは真空
にすることができる。
鋳塊引抜き装置は水冷モールド上で凝固した鋳塊を連
続的に引抜くもので、単位時間当りの粉末供給量と凝固
速度に合わせて引抜き速度を制御できるように構成す
る。該装置は例えば1組のキャリアロールで鋳塊を把持
し引抜くようにすれば良い。
次に、本発明をNiTi形状記憶合金に適用した実施例に
ついて説明する。
なお、本発明の製造方法と装置が対象とする合金はNi
Ti合金のみに限定されるものではない。他の合金系例え
ば、超電導材料のNbTi合金等にも適用する事ができる。
〔実施例 1〕 移行型プラズマ・アークを加熱源とした第1図に示し
た装置を用いて、原料の粉末としてArガスアトマイジン
グ法で製造したニッケル粉と回転電極法による純チタン
粉の混合粉をArガスを搬送ガスとして前記プラズマアー
ク中に供給、モールド上にて、電流130Aにて、順次溶解
凝固させた。この時用いたモールド溝底部の断面形状は
直径が10mmの半円であり、原料として用いた混合粉の供
給速度は16g/分、溶製後のNiTi合金線材の引出し速度は
30mm/分とすることにより、ほぼ断面が直径10mmの鋳塊
を安定して得ることが可能であった。
このようにして、得たNiTi合金鋳塊について、900℃
にて2時間の焼鈍後、長さ方向1m間隔で5箇所からサン
プルを採取して不純物元素C、Oの分析と示差走査熱量
計(DSC)を用いてマルテンサイト変態開始温度(Ms
点)を測定した。それらの結果を第1表に示す。なお、
変態温度の測定はサンプル切り出し後、500℃にて1時
間の熱処理を行った後実施した。
第1表から明らかなように本発明法によるNiTi合金鋳
塊のMs点のバラツキは7℃以内であり極めて小さい。と
ころで、NiTi合金の従来の製造方法である黒鉛ルツボを
用いた真空高周波誘導溶解炉による溶解法ではCを300p
pm以下に抑えるのは難しいとされている。これらの値と
比較すると本発明によるNiTi合金のC濃度は十分低減さ
れていることが分かる。また、粉末冶金法による例で
は、O濃度は1260ppm(W.A.Johnson,J.A.Dominque and
S.H.Reichman:J.de Phys.,43,Suppl.No.12(1982),C4
−285)と報告され ており、本発明の方法が粉末を原料にしているにもかか
わらず、O濃度が十分低いことが知られる。
〔発明の効果〕
本発明の製造方法と装置によれば、合金成分元素の溶
け込み量を正確に制御することができ、目標とする組成
の偏析の無い合金鋳塊を製造することが可能である。ま
た本発明は、水冷金属製モールドを用いた溶解法のた
め、従来の黒鉛質ルツボ等を用いた溶解のような、溶融
金属とルツボ材質との反応による汚染の問題も生じず、
特性に優れた合金鋳塊の製造が可能である。また、本発
明によれば必要に応じて20mmφ以下の合金鋳塊も直接製
造できるため、従来の溶解鋳造方法の場合に必要であっ
た鍛造、熱間圧延などの中間工程を省く事ができ、加工
コストの低減と歩留りの向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における合金鋳塊の製造装置の、加熱源
としてプラズマアークを用いた場合の一例を示す模式
図、第2図は第1図における製造装置のモールドの溝の
底部形状の一例を示す断面図、である。 1……水冷金属製モールド 2……原料粉末の供給装置 3……加熱源 4……電源 5……合金鋳塊の引抜き装置 6……合金鋳塊 7……W電極 8……粉末 9……冷却水 10……Arシールドガス 11……プラズマアーク 12……メイン電源 13……パイロット電源 14……高周波発振装置 15……酸化防止カバー

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2種類以上の純金属もしくは合金の粉末を
    外周部に溝を有し水平面と直交して回転する水冷金属製
    モールド上に供給、それらを加熱溶解用の熱源を用いて
    溶解、凝固させ、さらに連続的に引抜くことを特徴とす
    る合金鋳塊の製造方法。
  2. 【請求項2】原料となる粉末がニッケルとチタンであ
    り、溶製しようとする合金がNiTi合金であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項に記載の合金鋳塊の製造方
    法。
  3. 【請求項3】原料となる粉末が1種類以上のニッケルと
    チタンの合金粉であり、溶製しようとする合金がNiTi合
    金であることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
    の合金鋳塊の製造方法。
  4. 【請求項4】外周部に溝を有し水平面と直交して回転す
    る金属製水冷モールドと、供給量の速度調整が可能であ
    って、該金属製水冷モールドに原料粉末を供給する装置
    と、供給された原料粉末を加熱溶解する熱源と、凝固し
    た合金鋳塊を連続的に引抜く鋳塊引抜き装置とから構成
    されていることを特徴とする合金鋳塊の製造装置。
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