JP4799944B2 - 真空溶解鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属を高温で溶解し、溶湯を形成する溶解炉において、上記溶湯の液面に浮遊するスラグを除去する、真空溶解鋳造方法に関する。

真空中で金属を加熱溶解し、鋳型に注湯して精密鋳造する場合、溶解炉内の溶湯液面にスラグが発生する。このスラグを取り除くことが困難なため、スラグの入ったままで溶湯を鋳型に注湯し、鋳造品を鋳込んでいるが、スラグが介在すると、鋳造品の製造品質に大きな影響を与える。特に、少しの介在物混入も許されない精密鋳造品（例えば航空宇宙機器部品）ではこの問題は深刻で、製品の歩留まりに大きく影響している。

このため、溶解した金属を鋳型に鋳込む場合、炉体を傾動操作してスラグを出湯する反対側のルツボの縁に寄せてスラグを除去したり、あるいは、鋳型の溶湯注ぎ口にスラグを濾すフィルタを取り付けてスラグを除去したりして、少しでも鋳型にスラグが入り込まないようにしている。

しかし、炉体を傾動操作してスラグを出湯する反対側のルツボの縁に寄せても、完全にスラグを除去することは困難である。鋳型の溶湯注ぎ口にスラグを濾すフィルタを取り付けた場合、大きなスラグは取り除きやすいが、小さなスラグは除去が困難である。それを取り除こうとすると、フィルタの目を細かくする必要があり、細かくすると溶湯の流れが遅くなり湯回り不良が発生しやすくなるという問題がある。また、フィルタ自体が欠け、鋳造品内に入り込み、不良発生の原因になる。

なお、大気中で溶湯の液面に浮遊するスラグを除去する方法として、特許文献１が知られている。
特開平５−２４０５８８号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、少しの介在物の混入が許されない精密鋳造品を鋳造する真空溶解炉などにおいて、溶湯の液面に発生するスラグを効率的に除去することができる真空溶解鋳造方法を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため、本発明の真空溶解鋳造方法は、内部が真空に排気され、ルツボの外周に誘導加熱用のコイルを備えた溶解炉と、該溶解炉で溶解した金属溶湯を注湯して精密鋳造品を鋳造する鋳型と、スラグを濾すフィルタと、前記フィルタを金属を溶解した溶湯の液面に沿って走行させる駆動装置とを備え、金属材料が前記ルツボの内部に装填され、前記コイルに高周波電流を通電することで、前記金属材料が誘導加熱され、その融点以上の温度に到達すると溶湯となり、該溶湯の温度が所定温度に到達すると、誘導加熱を停止し、前記溶湯を沈静化し、前記溶湯の液面に発生するスラグを、前記スラグを濾す多孔性セラミックス材料にて成形されたフィルタを前記溶湯の液面に沿って走行させることで、前記スラグを前記溶湯の液面から除去し、前記溶湯を注湯口にフィルタを設けていない前記鋳型に直接注湯することで前記精密鋳造品を鋳造することを特徴とする。

上記本発明によれば、スラグを濾すフィルタは、溶湯を通過させると共に、スラグを捕捉するものであるので、スラグを濾すフィルタを溶湯の液面に沿って走行させることで、溶湯の液面に浮遊するスラグのみを効率的にフィルタに捕捉し、除去することができる。そして、少しのスラグ（介在物）も存在しない高温の溶湯を直接鋳型に注湯することで、精密鋳造品を高い歩留りで製造することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。

図１は、真空溶解・鋳造装置の要部を示す。真空溶解・鋳造装置１１は、内部が真空に排気され、ルツボ１２の外周に誘導加熱用のコイル１３を備えた溶解炉１４と、溶解炉で溶解した鉄・ニッケル合金などの金属溶湯を注湯して精密鋳造品等を鋳造する鋳型１５などを備えている。溶解炉１４には、図示しない材料供給口から金属材料がルツボ１２の内部に装填され、コイル１３に高周波電流を通電することで、金属材料が誘導加熱され、その融点以上の温度に到達すると、溶湯Ａとなる。この溶湯Ａは、真空雰囲気下で形成されるので、金属の酸化は比較的少なく、また汚染物質が混入することも少ない、極めて清浄な溶湯が形成されるが、金属とルツボの反応等でスラグは発生する。

溶湯の温度が所定温度に到達すると、誘導加熱を停止し、溶湯を沈静化する。すると、スラグは比重が軽いため、溶湯Ａの液面にスラグが浮上する。このスラグを、図２に示すように、スラグを濾すフィルタ２１を溶湯Ａの液面に沿って走行させることで、スラグをフィルタ２１で捕捉し、溶湯Ａの液面から除去する。スラグを濾すフィルタ２１は、溶湯自体を通過させると共に、スラグを捕捉するものであるので、スラグを濾すフィルタ２１を溶湯Ａの液面に沿って走行させることで、溶湯Ａの液面に浮遊するスラグのみを効率的にフィルタに捕捉して、除去することができる。

スラグを除去した溶湯Ａは、図３に示すように、鋳型１５に直接注湯され、鋳造品１６が得られる。注湯口にフィルタを設けていないので、鋳型１５の内部で溶湯の流れが早く、湯回り良好であり、例えば厚さが極めて薄いブレードを鋳造する場合にも、良好な成形性が得られる。さらに、注湯口にフィルタを設けていないので、フィルタ自体が欠けて鋳造品内に入り込むという問題が一切生じない。これにより、スラグが殆ど存在しない溶湯を良好な湯回りで鋳型に注湯できるので、精密鋳造品等を高い歩留りで製造することが可能となる。

図４は、スラグを濾すフィルタの構造例を示す。このフィルタ自体は、従来から鋳型の注湯口に装着され、スラグを濾過し、溶湯のみを通過させるのに用いられているものであり、高耐熱性の多孔性セラミックス材料にて成形されている。図４（ａ）は、円盤状のフィルタの例を示し、図４（ｂ）は、平板状で凹部を有し、スラグをすくいやすい構造となっている例を示す。これらのフィルタ２１は、溶湯に下部が浸漬し、上部が溶湯液面から顔を出して走行させるため、ピンなどの固定具２３を介してアーム２２に固定されている。なお、フィルタ２１の形状・濾過特性については、溶湯の種類等に応じて適宜のものを採用すべきである。

図５は、フィルタを溶湯の液面に沿って走行させるスラグ除去装置の一例を示す。この装置は、溶湯を収容したルツボ１２の中央付近の上部に配置される心棒３１と、心棒と一体的に回転が可能で、心棒と相対的に上下方向に移動が可能な、心棒と同軸状に設けられた外筒３２と、心棒３１を上下方向に単独で移動させる駆動装置３３と、心棒３１と外筒３２とを一体的に上下方向に移動させるとともに、一体的に回転させる駆動装置３４とを備えている。心棒３１はＯリング３６によりシールされ、外筒３２はＯリング３７によりシールされ、真空・溶解装置１１で使用することができる。

外筒３２の下端に、アーム２２の一端がピン２６により回転可能に固定されている。アーム２２は長穴２５を備え、心棒３１の下端に設けたピン２４が長穴２５と係合し、心棒３１にスライド可能に固定されている。アーム２２の他端には、固定具２３によりフィルタ２１が固定されている。従って、心棒３１と外筒３２の上下方向の相対移動により、アーム２２がピン２６を中心として回転運動し、フィルタ２１のルツボ内の半径方向の位置決めを行うことができる。そして、心棒３１と外筒３２の一体的な上下方向の移動により、フィルタ２１の上下方向の位置決めを行うことができ、さらに心棒３１と外筒３２の一体的な回転により、フィルタ２１をルツボ内で溶湯液面に沿って心棒３１を中心として回転（円周方向に走行）させることができる。

図６（ａ）（ｂ）は、溶湯液面に沿ったフィルタの走行経路例を示す。図６（ａ）は、フィルタ２１がルツボ１２の中心部のスタート位置Ｓａから外周部のストップ位置Ｓｂに到る渦巻状の経路を走行し、ルツボ１２内の液面の全面でスラグを捕捉する場合を示す。図６（ｂ）は、フィルタ２１がルツボ１２の中心部近傍のスタート位置Ｓａから、円周Ｃ１を一周し、次に半径方向に移動して円周Ｃ２を一周し、順次円周Ｃ３，Ｃ４を一周し、外周部のストップ位置Ｓｂに到る経路を走行するものである。この走行経路でも、ルツボ１２内の液面の全面でスラグを捕捉することができる。

この装置は、大気中または真空中で金属を溶解時に発生するスラグを手動操作で取ることもできるし、前もって金属溶解量とルツボのサイズを入力すれば自動的にスラグの除去ができる装置である。真空中での金属溶解鋳造プロセスは、溶解−温度計測−沈静−スラグ除去−温度測定−鋳込みが概略である。この装置は、単独で使用することもできるし、溶湯温度計測装置（熱電対温度計、放射温度計）、と組み合わせ真空溶解室の真空を保ったまま、それぞれを数秒で切り替えられるように組み合わせることもできる。

上記実施形態は、真空鋳造・溶解装置に適用する例について説明したが、当然大気中でも使用ができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

真空溶解・鋳造装置の要部を示す図であり、金属の溶解、スラグ除去の段階を示す。 スラグを濾すフィルタを溶湯の液面に沿って走行させることで、スラグをフィルタで捕捉し、溶湯の液面から除去することを示す斜視図である。 真空溶解・鋳造装置の要部を示す図であり、溶湯を鋳型に注湯する段階を示す。 スラグを濾すフィルタの構造例を示す斜視図である。 スラグ除去装置の構造例を示す図である。 溶湯液面に沿ったフィルタの走行経路例を示す図である。

符号の説明

１１ 真空溶解・鋳造装置
１２ ルツボ
１３ コイル
１４ 溶解炉
１５ 鋳型
１６ 鋳造品
２１ フィルタ
２２ アーム
２３ 固定具
２４，２６ ピン
２５ 長穴
３１ 心棒
３２ 外筒
３３，３４ 駆動装置
３６，３７ Ｏリング
Ａ 溶湯

Claims (1)

1. 内部が真空に排気され、ルツボの外周に誘導加熱用のコイルを備えた溶解炉と、該溶解炉で溶解した金属溶湯を注湯して精密鋳造品を鋳造する鋳型と、スラグを濾すフィルタと、前記フィルタを金属を溶解した溶湯の液面に沿って走行させる駆動装置とを備え、
   金属材料が前記ルツボの内部に装填され、前記コイルに高周波電流を通電することで、前記金属材料が誘導加熱され、その融点以上の温度に到達すると溶湯となり、該溶湯の温度が所定温度に到達すると、誘導加熱を停止し、前記溶湯を沈静化し、
   前記溶湯の液面に発生するスラグを、前記スラグを濾す多孔性セラミックス材料にて成形されたフィルタを前記溶湯の液面に沿って走行させることで、前記スラグを前記溶湯の液面から除去し、
   前記溶湯を注湯口にフィルタを設けていない前記鋳型に直接注湯することで前記精密鋳造品を鋳造することを特徴とする真空溶解鋳造方法。

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