JP3541956B2 - 真空アーク再溶解法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、航空機用部品材料、原子力発電プラント用部品材料等の製造に使用される真空アーク再溶解法(以下ＶＡＲ法と略す)の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＡＲ法は、徹底した真空精錬と積層凝固により鋳塊の品質と信頼性を高めるための優れたプロセスであり、広く航空機用部品材料、原子力発電プラント用材料など苛酷な条件に対する抵抗力または十分なる信頼性が要求される材料の製造に供されている。
さらに詳細にＶＡＲ法の利点を説明するならば、ＶＡＲ法では真空タンク内の容積が小さく、また真空タンク内に耐火物が存在しないため、タンク内圧力が非常に低く、通常操作圧力を10のマイナス3乗torr以下にできる。また耐火物を用いないことによって酸化物系非金属介在物の混入を極少にできる。
【０００３】
また電極中の非金属介在物は高温、高真空下で解離されるか、解離しないものは融液プール中で浮上分離され、融液の回転、対流等により周辺部に押しやられモールド近傍のチル晶に捕捉されるがこの部分は、抜塊・冷却後、旋削、研削等により除去可能である。
さらに普通造塊法と異なり、プール形状が常に一定であるため、鋳塊の組織は鋳塊のボトム部、トップ部のごく一部を除いては均一であり、不均一部は加工工程中に切断除去される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにＶＡＲ法は、数々の優れた利点を持つ反面、超耐熱合金等ではホワイト・スポットと呼ばれる特有の偏析や、数μm径の微細介在物が無数に凝集して数mm径の巨大凝集介在物群を形成することがある。これらの鋳塊中の欠陥の成因については、いまだ不明な点もあるが、K.O.Yuら（Journal of Metals Jan.（1986) P.40-50)、A.Mitchell(High temperature alloys for Gas Turbines and other applications,1986,PartI,P.679-696)の報告によれば、図２に示すようにＶＡＲプロセス中のメニスカス周辺では金属蒸気の蒸着や融液飛沫によりモールドに接してクラウンと呼ばれるバリ６が生成したり、シェルフと呼ばれるチル晶の張り出し７が成長したりする。これらがＶＡＲプロセス中のアーク不安定等により部分的に切り取られて融液プール４中に落下し、その大なるものは場合によっては、プール４の保有熱で再溶融せずマッシー・ゾーン５に捕捉されて鋳塊内に残留し、ホワイト・スポットになると言われている。さらに、前記巨大凝集介在物群は、電極中に存在した非金属介在物が融液プール４中で浮上し、これがプール４内溶湯の対流および誘導磁界による回転等によって、メニスカス周辺に押しやられる過程で凝集し、シェルフ７に捕捉され、これらがシェルフ７と一緒にプール４中に落下し鋳塊３内に残留したものと推定される。
【０００５】
ホワイト・スポットにせよ巨大凝集介在物群にせよいずれも航空機部品や原子力プラント部品にとっては致命的な欠陥であり、製品の強度、信頼性に与える影響は大きい。
本発明はこれらの欠陥を防止しうるＶＡＲ法の改良法を提供し、それによって製品の信頼性を向上することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空または減圧不活性ガス雰囲気に調整されたタンク内の水冷モールド中で消耗電極を下部から上部に向かって連続的に再溶解する真空アーク再溶解法において、前記消耗電極はＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂのうちの１種以上を含有する超耐熱合金、またはマルエージング鋼であり、消耗電極の横断面積Ａeとモールド内部の横断面積Ａiの比Ａe/Ａiを0.76以上、または消耗電極径Ｄeとモールド内径Ｄiの比Ｄe/Ｄiを0.872以上とすることを特徴とする真空アーク再溶解法である。
なお、上記のＤe/Ｄi比 0.872は、断面積比であるＡe/Ａiの値 0.76を径比に換算した値である。
【０００７】
【作用】
本発明においては、消耗電極横断面積Ａeのモールド内部の横断面積Ａiに対する比Ａe/Ａi（以下、この比をフィル・レシオと記す)が大きくなることによって、アークによる熱供給がメニスカス周辺にまで十分ゆきわたるようになる結果、シェルフの発達が抑制され、シェルフがアークによって切り取られにくくなり、さらには万一切り取られたとしても切り取られたシェルフの塊が小さいため、融液プール中で再溶融するので、鋳塊内に残留する危険性がほとんどなくなり、ホワイト・スポットや巨大凝集介在物群が著しく減少すると考えられる。
フィル・レシオが0.76未満では、上記の効果が得られないため、Ａe/Ａi比を0.76以上に限定する。
また、本発明と従来法との比較の観点から言えば、例えば第３版鉄鋼便覧II 「製銑・製鋼」(日本鉄鋼協会編,丸善株式会社発行,昭和54年) P736には、フィル・レシオに関して「その値は鋼塊とともに大きくなり、200mmφで0.60〜0.75,800mmφで0.80〜0.85程度である」との記述があるが、この場合のフィル・レシオは径比であるため、本発明にならって断面積比で記述すると200mmφで0.36〜0.56,800mmφで0.64〜0.72となる。また、「鋼の真空溶解および真空脱ガス法の進歩」(日本鉄鋼協会,特殊鋼部会編 日本鉄鋼協会発行,昭和44年) P53に「一般に電極径は坩堝径より約25%小さくとられている」なる記述があり、この場合も断面積比では約0.56となる。したがって、本発明における断面積比でのフィル・レシオ0.76以上という値は、公知技術に対してはるかに大きいことがわかる。
【０００８】
【実施例】
本発明の詳細を実施例によって説明する。
平均内径20インチ(508mm)のモールドを使用して、Ａl,Ｔi,Ｎbを含有する超耐熱合金のInconel718(Inconel718は商品名である)およびＡl,Ｔiを含有するマルエージング鋼の消耗電極を種々の平均径に旋削した後、一定溶解速度(単位時間中に溶解した消耗電極の重量)でＶＡＲによる再溶解を実施した。消耗電極およびＶＡＲ鋳塊１本当りの重量は大旨一定である。
【０００９】
ＶＡＲ後の鋳塊を、規定の熱処理を施し、分塊鍛造によってブルームとし、定尺に切断した後、型打ち鍛造を行ないディスク形状にした。
これを機械加工によって規定の削り代を除去して最終製品とした。
最終製品を塩化第二鉄水溶液に浸漬してマクロ腐食組織を現出させ、ホワイト・スポットの有無を確認した。
さらに、水浸超音波探傷によって検査を行ない、欠陥が認められた場合、その部分を切り出し、マクロ腐食によってホワイト・スポットの有無を確認するとともに、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡による調査に供して凝集介在物群による欠陥があるかどうかを確認した。
こうして、鋳塊１本当りのホワイト・スポットおよび凝集介在物群による欠陥個数(合計個数)がフィル・レシオによってどのように変化するかを調べた。図１にその結果を示す。
【００１０】
図１に明らかな通り、Inconel718およびマルエージング鋼ともに同じ傾向がみられ、フィル・レシオが0.76未満では、ＶＡＲ鋳塊１本当りの、ホワイト・スポットおよび巨大凝集介在物群欠陥の合計欠陥個数が激増している。これに対して、フィル・レシオが0.76以上の時には、Inconel718、マルエージング鋼いずれもＶＡＲ鋳塊１本当りの、ホワイト・スポットおよび巨大凝集介在物群欠陥の合計欠陥個数は著しく減少しており、本発明方法がＶＡＲ鋳塊の品質を飛躍的に向上させ得ることが認められる。
本発明において、前述の作用の観点からすればフィル・レシオは大きければ大きいほど良いということになるが、それによって消耗電極とモールドの間隔(以下モールド・ギャップと記す)が狭くなり、消耗電極と湯面との間隔(以下アーク・ギャップと記す)より狭い場合、消耗電極とモールドの間にアークが発生する所謂サイド・アーク現象をひき起こすおそれがある。サイド・アークは鋳塊の品質に大きな悪影響を及ぼすばかりでなく、モールドの溶損および冷却水の侵入により水蒸気爆発にもつながる危険なものである。したがって、フィル・レシオはモールド・ギャップがアーク・ギャップ以下にならないように定める必要があるが、アーク・ギャップは鋼種、炉の制御能力等によって異なる。
【００１１】
本発明になるＶＡＲ法はその作用から言って、どのような鋼種にも適用できるものであるが、ホワイト・スポットはＶＡＲ鋳塊周辺のチル晶(シェルフ)がＮbやＴiが欠乏しているために起る現象であり、巨大凝集介在物群は本発明者らの研究ではＡl2Ｏ3とＴiＮが混在しているものがほとんどであるから、Ａl、Ｔi、Ｎbなどの元素を多量に含む超耐熱合金やマルエージング鋼のＶＡＲに威力を発揮するものである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、フィル・レシオを0.76以上に規制することによって、アークがメニスカス周辺に十分行きわたるため、ホワイト・スポットや巨大凝集介在物群の原因となるシェルフの成長を抑制し、ＶＡＲ鋳塊の品質が飛躍的に向上すると共に、不良部の廃却などを少なくするためコスト・ダウンにも大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の根拠ならびに効果を示す実験結果の説明図である。
【図２】ＶＡＲプロセス中のメニスカス周辺の状況を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 消耗電極、２ モールド、３ 鋳塊 ４ 融液プール、５ マッシー・ゾーン、６ クラウン、７ シェルフ
【産業上の利用分野】
本発明は、航空機用部品材料、原子力発電プラント用部品材料等の製造に使用される真空アーク再溶解法(以下ＶＡＲ法と略す)の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＶＡＲ法は、徹底した真空精錬と積層凝固により鋳塊の品質と信頼性を高めるための優れたプロセスであり、広く航空機用部品材料、原子力発電プラント用材料など苛酷な条件に対する抵抗力または十分なる信頼性が要求される材料の製造に供されている。
さらに詳細にＶＡＲ法の利点を説明するならば、ＶＡＲ法では真空タンク内の容積が小さく、また真空タンク内に耐火物が存在しないため、タンク内圧力が非常に低く、通常操作圧力を10のマイナス3乗torr以下にできる。また耐火物を用いないことによって酸化物系非金属介在物の混入を極少にできる。
【０００３】
また電極中の非金属介在物は高温、高真空下で解離されるか、解離しないものは融液プール中で浮上分離され、融液の回転、対流等により周辺部に押しやられモールド近傍のチル晶に捕捉されるがこの部分は、抜塊・冷却後、旋削、研削等により除去可能である。
さらに普通造塊法と異なり、プール形状が常に一定であるため、鋳塊の組織は鋳塊のボトム部、トップ部のごく一部を除いては均一であり、不均一部は加工工程中に切断除去される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにＶＡＲ法は、数々の優れた利点を持つ反面、超耐熱合金等ではホワイト・スポットと呼ばれる特有の偏析や、数μm径の微細介在物が無数に凝集して数mm径の巨大凝集介在物群を形成することがある。これらの鋳塊中の欠陥の成因については、いまだ不明な点もあるが、K.O.Yuら（Journal of Metals Jan.（1986) P.40-50)、A.Mitchell(High temperature alloys for Gas Turbines and other applications,1986,PartI,P.679-696)の報告によれば、図２に示すようにＶＡＲプロセス中のメニスカス周辺では金属蒸気の蒸着や融液飛沫によりモールドに接してクラウンと呼ばれるバリ６が生成したり、シェルフと呼ばれるチル晶の張り出し７が成長したりする。これらがＶＡＲプロセス中のアーク不安定等により部分的に切り取られて融液プール４中に落下し、その大なるものは場合によっては、プール４の保有熱で再溶融せずマッシー・ゾーン５に捕捉されて鋳塊内に残留し、ホワイト・スポットになると言われている。さらに、前記巨大凝集介在物群は、電極中に存在した非金属介在物が融液プール４中で浮上し、これがプール４内溶湯の対流および誘導磁界による回転等によって、メニスカス周辺に押しやられる過程で凝集し、シェルフ７に捕捉され、これらがシェルフ７と一緒にプール４中に落下し鋳塊３内に残留したものと推定される。
【０００５】
ホワイト・スポットにせよ巨大凝集介在物群にせよいずれも航空機部品や原子力プラント部品にとっては致命的な欠陥であり、製品の強度、信頼性に与える影響は大きい。
本発明はこれらの欠陥を防止しうるＶＡＲ法の改良法を提供し、それによって製品の信頼性を向上することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空または減圧不活性ガス雰囲気に調整されたタンク内の水冷モールド中で消耗電極を下部から上部に向かって連続的に再溶解する真空アーク再溶解法において、前記消耗電極はＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂのうちの１種以上を含有する超耐熱合金、またはマルエージング鋼であり、消耗電極の横断面積Ａeとモールド内部の横断面積Ａiの比Ａe/Ａiを0.76以上、または消耗電極径Ｄeとモールド内径Ｄiの比Ｄe/Ｄiを0.872以上とすることを特徴とする真空アーク再溶解法である。
なお、上記のＤe/Ｄi比 0.872は、断面積比であるＡe/Ａiの値 0.76を径比に換算した値である。
【０００７】
【作用】
本発明においては、消耗電極横断面積Ａeのモールド内部の横断面積Ａiに対する比Ａe/Ａi（以下、この比をフィル・レシオと記す)が大きくなることによって、アークによる熱供給がメニスカス周辺にまで十分ゆきわたるようになる結果、シェルフの発達が抑制され、シェルフがアークによって切り取られにくくなり、さらには万一切り取られたとしても切り取られたシェルフの塊が小さいため、融液プール中で再溶融するので、鋳塊内に残留する危険性がほとんどなくなり、ホワイト・スポットや巨大凝集介在物群が著しく減少すると考えられる。
フィル・レシオが0.76未満では、上記の効果が得られないため、Ａe/Ａi比を0.76以上に限定する。
また、本発明と従来法との比較の観点から言えば、例えば第３版鉄鋼便覧II 「製銑・製鋼」(日本鉄鋼協会編,丸善株式会社発行,昭和54年) P736には、フィル・レシオに関して「その値は鋼塊とともに大きくなり、200mmφで0.60〜0.75,800mmφで0.80〜0.85程度である」との記述があるが、この場合のフィル・レシオは径比であるため、本発明にならって断面積比で記述すると200mmφで0.36〜0.56,800mmφで0.64〜0.72となる。また、「鋼の真空溶解および真空脱ガス法の進歩」(日本鉄鋼協会,特殊鋼部会編 日本鉄鋼協会発行,昭和44年) P53に「一般に電極径は坩堝径より約25%小さくとられている」なる記述があり、この場合も断面積比では約0.56となる。したがって、本発明における断面積比でのフィル・レシオ0.76以上という値は、公知技術に対してはるかに大きいことがわかる。
【０００８】
【実施例】
本発明の詳細を実施例によって説明する。
平均内径20インチ(508mm)のモールドを使用して、Ａl,Ｔi,Ｎbを含有する超耐熱合金のInconel718(Inconel718は商品名である)およびＡl,Ｔiを含有するマルエージング鋼の消耗電極を種々の平均径に旋削した後、一定溶解速度(単位時間中に溶解した消耗電極の重量)でＶＡＲによる再溶解を実施した。消耗電極およびＶＡＲ鋳塊１本当りの重量は大旨一定である。
【０００９】
ＶＡＲ後の鋳塊を、規定の熱処理を施し、分塊鍛造によってブルームとし、定尺に切断した後、型打ち鍛造を行ないディスク形状にした。
これを機械加工によって規定の削り代を除去して最終製品とした。
最終製品を塩化第二鉄水溶液に浸漬してマクロ腐食組織を現出させ、ホワイト・スポットの有無を確認した。
さらに、水浸超音波探傷によって検査を行ない、欠陥が認められた場合、その部分を切り出し、マクロ腐食によってホワイト・スポットの有無を確認するとともに、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡による調査に供して凝集介在物群による欠陥があるかどうかを確認した。
こうして、鋳塊１本当りのホワイト・スポットおよび凝集介在物群による欠陥個数(合計個数)がフィル・レシオによってどのように変化するかを調べた。図１にその結果を示す。
【００１０】
図１に明らかな通り、Inconel718およびマルエージング鋼ともに同じ傾向がみられ、フィル・レシオが0.76未満では、ＶＡＲ鋳塊１本当りの、ホワイト・スポットおよび巨大凝集介在物群欠陥の合計欠陥個数が激増している。これに対して、フィル・レシオが0.76以上の時には、Inconel718、マルエージング鋼いずれもＶＡＲ鋳塊１本当りの、ホワイト・スポットおよび巨大凝集介在物群欠陥の合計欠陥個数は著しく減少しており、本発明方法がＶＡＲ鋳塊の品質を飛躍的に向上させ得ることが認められる。
本発明において、前述の作用の観点からすればフィル・レシオは大きければ大きいほど良いということになるが、それによって消耗電極とモールドの間隔(以下モールド・ギャップと記す)が狭くなり、消耗電極と湯面との間隔(以下アーク・ギャップと記す)より狭い場合、消耗電極とモールドの間にアークが発生する所謂サイド・アーク現象をひき起こすおそれがある。サイド・アークは鋳塊の品質に大きな悪影響を及ぼすばかりでなく、モールドの溶損および冷却水の侵入により水蒸気爆発にもつながる危険なものである。したがって、フィル・レシオはモールド・ギャップがアーク・ギャップ以下にならないように定める必要があるが、アーク・ギャップは鋼種、炉の制御能力等によって異なる。
【００１１】
本発明になるＶＡＲ法はその作用から言って、どのような鋼種にも適用できるものであるが、ホワイト・スポットはＶＡＲ鋳塊周辺のチル晶(シェルフ)がＮbやＴiが欠乏しているために起る現象であり、巨大凝集介在物群は本発明者らの研究ではＡl2Ｏ3とＴiＮが混在しているものがほとんどであるから、Ａl、Ｔi、Ｎbなどの元素を多量に含む超耐熱合金やマルエージング鋼のＶＡＲに威力を発揮するものである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、フィル・レシオを0.76以上に規制することによって、アークがメニスカス周辺に十分行きわたるため、ホワイト・スポットや巨大凝集介在物群の原因となるシェルフの成長を抑制し、ＶＡＲ鋳塊の品質が飛躍的に向上すると共に、不良部の廃却などを少なくするためコスト・ダウンにも大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の根拠ならびに効果を示す実験結果の説明図である。
【図２】ＶＡＲプロセス中のメニスカス周辺の状況を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 消耗電極、２ モールド、３ 鋳塊 ４ 融液プール、５ マッシー・ゾーン、６ クラウン、７ シェルフ
Claims (1)
- 真空または減圧不活性ガス雰囲気に調整されたタンク内の水冷モールド中で消耗電極を下部から上部に向かって連続的に再溶解する真空アーク再溶解法において、前記消耗電極がＡｌ，Ｔｉ，Ｎｂのうちの１種以上を含有する超耐熱合金、またはマルエージング鋼であり、消耗電極の横断面積Ａeとモールド内部の横断面積Ａiの比Ａe/Ａiを0.76以上、または消耗電極径Ｄeとモールド内径Ｄiの比Ｄe/Ｄiを0.872以上とすることを特徴とする真空アーク再溶解法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14462593A JP3541956B2 (ja) | 1993-06-16 | 1993-06-16 | 真空アーク再溶解法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14462593A JP3541956B2 (ja) | 1993-06-16 | 1993-06-16 | 真空アーク再溶解法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH073350A JPH073350A (ja) | 1995-01-06 |
| JP3541956B2 true JP3541956B2 (ja) | 2004-07-14 |
Family
ID=15366394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14462593A Expired - Fee Related JP3541956B2 (ja) | 1993-06-16 | 1993-06-16 | 真空アーク再溶解法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3541956B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3606404B2 (ja) * | 1996-03-08 | 2005-01-05 | 日立金属株式会社 | 超耐熱合金の消耗電極式再溶解法 |
| JP2010116581A (ja) * | 2008-11-11 | 2010-05-27 | Toho Titanium Co Ltd | 真空アーク溶解炉を用いたチタンインゴットの溶製方法 |
| WO2018052135A1 (ja) * | 2016-09-15 | 2018-03-22 | 日立金属株式会社 | メタルマスク用素材およびその製造方法 |
-
1993
- 1993-06-16 JP JP14462593A patent/JP3541956B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH073350A (ja) | 1995-01-06 |
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