JP7261615B2 - ハース、電子ビーム溶解炉、及び鋳造品の製造方法 - Google Patents
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従来より、金属材料を溶解する量を制限して、その金属材料に含まれる蒸気圧の高い成分の蒸発量を低減する方法が知られている。しかしながら、この方法は生産性の観点から不十分である。また、鋳造品の成分の変動を抑制するため電子ビーム溶解後に再度溶解を実施する方法もあり得るが、この方法は、先述した方法と同様に、生産性の観点から不十分である。
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、特許文献1のように電子ビームと溶湯の位置関係等に着目したものではなく、傾斜したガードプレートに付着した堆積物の挙動に着目することで本発明を完成するに至った。
上記特許文献1に開示されるようなガードプレートの主な役割としては、電子ビーム溶解炉の供給部から金属材料をハース内に供給するガイドであること、溶けた金属がハース周囲に飛散し又は電子ビームがハースの外側に照射した際に電子ビーム溶解炉内に存在するハース周囲の部材を溶損させないための遮蔽板であること、が挙げられる。したがって、金属材料の堆積部(ハースのうち、金属材料が供給される側)には、常時金属材料を堆積させれば同部位のガードプレートの主表面は金属材料で覆われており蒸発物の付着はほとんどなく、蒸発物の多くは金属材料で覆われていないガードプレートの主表面に付着する。
そこで、傾斜したガードプレートのうち、蒸発物の量が多い部分、特にハースの下流側に延設されたガードプレートを取り除くことが有効であると本発明者は着想するに至った。
以下、各実施形態についてそれぞれ説明する。
図1Aは、本発明に係るハースの一実施形態を説明するための模式的な正面側斜視図である。図1Bは、図1Aの切断線I-Iにおけるハースの模式的な断面図である。図1Cは、図1Aの切断線I’-I’に沿ったハースの模式的な側面図である。図1Dは、本発明に係るハースの別の実施形態を説明するための模式的な断面図である。なお、図1A~図4で示す構成はいずれも模式的なものであり、部材の形状やその縮尺等は必ずしも正確なものではない場合がある。各実施形態の説明に基づき部材の形状や縮尺等は適宜変更可能である。
浴槽110は、長手方向に延設された一対の側壁111、112と、一対の側壁111、112の側縁111a、112aのそれぞれと連結して延設された上流側の前壁113と、一対の側壁111、112の側縁111b、112bのそれぞれと連結して延設された下流側の後壁114とを有する。そして、浴槽110は、長手方向に長尺形状に形成される。図1Aに示すハース100では、前壁113側で金属材料が溶解され後壁114側から溶湯が流れ出すため、長手方向は金属の溶解物が流れる方向でもある。図1Bに示すように、一対の側壁111、112内には、複数の水冷管WPが設けられている。
ガイドプレート120は、後述する電子ビーム溶解炉1000(図3参照。)に備わる供給部300から浴槽110の上流側の前壁113近傍に金属材料を供給するための供給路である。浴槽110の上流側の前壁113付近においては、溶解していない金属材料が堆積する。ガイドプレート120は、前壁113の上端113aから鉛直方向に延設されている。また、ガイドプレート120は、図1Dに示すように、前壁113の上端113aに設けられ、金属の溶解物をガイドするのに下方に向かうに従い前記浴槽110に近づくように傾斜していてもよい。なお、このガイドプレート120の傾斜角φは、特に限定されないが、生産効率上の観点から、上限側としては例えば水平方向に対し90°以下であればよく、また下限側としては例えば水平方向に対し60°以上であればよく、70°以上であればよりよい。なお、上記ガイドプレート120の傾斜角φは、ガイド面120-1と水平方向が形成する角にも適用できる。ガイドプレート120内には、複数の水冷管(不図示)が設けられてもよい。
一対の傾斜プレート130、131は、後述する電子ビーム溶解炉1000(図3参照。)に備わる供給部300から浴槽110の上流側である前壁113近傍に金属材料を供給するための供給路を形成しうる。供給された金属材料は、これらの金属材料が浴槽110の上流側の前壁113付近に堆積していく。一対の傾斜プレート130、131は、ガイドプレート120の一対の側縁120a、120bのそれぞれと連結して、一対の側壁111、112の上端111c、112cのそれぞれの一部に延設される。また、一対の傾斜プレート130、131は、下方に向かうに従い浴槽110に近づくように傾斜している。図1Bに示すように一対の傾斜プレート130、131内には、複数の水冷管WPが設けられている。
後壁114は、後述する鋳造部400(図3参照。)の近くに設置される。後壁114の上端の中央部は、浴槽110内の金属の溶解物が、鋳造部400の鋳型に流れるために、切欠き114aが形成されていればよい。なお、切欠き114aの形状は、特に限定されるものではないが、例えばU字状、V字状などが挙げられる。
図3は、本発明に係る電子ビーム溶解炉の一実施形態を説明するための模式的な断面図である。図3に示した電子ビーム溶解炉1000は、一実施形態において、供給部300と、先述したハース100、200と、鋳造部400と、電子ビーム部500とを備える。なお、先述した構成と重複するものについては説明を割愛する。
金属単体としては、高融点金属であれば特に限定されないが、例えば、Ti、Nb、Mo、W等が挙げられる。
合金としては、Ti合金、Ni基合金等が挙げられる。
Ti合金としては、Tiと、Fe、Sn、Cr、Al、V、Mn、Zr、Mo等の金属(合金金属)との合金であり、具体例としては、Ti-6-4(Ti-6Al-4V)、Ti-5Al-2.5Sn等が挙げられる。なお、上記において、各合金金属の前に付されている数字は、含有量(質量%)を指す。例えば、「Ti-6Al-4V」とは、合金金属としては、6質量%のAlと4質量%のVとを含有するチタン合金を指す。
Ni基合金としては、Niと、Ti、Fe、Sn、Cr、Cu、Al、V、Mn、Zr、Mo等の金属(合金金属)との合金であり、具体例としては、HK40(0.4C-25Cr-20Ni)、HP(0.5C-25Cr-35Ni)等が挙げられる。
本発明に係る鋳造品の製造方法は、一実施形態において、電子ビーム溶解炉1000を使用して鋳造品を製造する工程を含む。より詳細には、供給部300からハース100、200の前壁113付近に金属材料を供給する工程と、供給した後、所定の条件にて金属材料を溶解させ、金属の溶解物を鋳造部400に流す工程と、鋳造部400に金属の溶解物を流し冷却手段により凝固した後、下方に引き抜くことで鋳造品を製造する工程とを含む。ここで、先述した所定の条件とは、金属材料の溶融温度よりも40~150℃程度高い温度であることが好ましく、例えば、金属材料がTiである場合には、チタン溶解物の温度が1710~1820℃であればよい。この温度を調整する手段としては、電子ビーム照射によって適宜調整することが可能である。さらに、電子ビーム溶解炉1000は真空下で操業することが好ましく、例えばゲージ圧で1~1×10-3Paであればよく、0.5~1×10-2Paであれば更によい。
図3に示した構成を含む電子ビーム溶解炉1000を設置した。電子ビーム溶解炉1000には、図2A~Cに示したハース200を設置した。ハース200に備わる一対の傾斜プレート130、131は、一対の側壁111、112の上端縁の長さ(L)に対する、長手方向における一対の傾斜プレート130、131の長さ(LA)の割合(LA/L)が0.2となるようにそれぞれ延設した。なお、傾斜角θは、60°であった。また、ハース200に備わる、一対の側壁111、112の外表面111d、112dに直交した一対のガードプレート240、241は、一対の側壁111、112の上端縁の長さ(L)に対する、長手方向における一対のガードプレートの長さの割合が0.8となるように一対の側壁111、112の外表面111d、112dにそれぞれ延設した。即ち、一対のガードプレート240、241は一対の傾斜プレート130、131の下流側に設けられた。
さらに電子ビーム溶解炉1000を真空(ゲージ圧、5×10-2Pa)にした。
なお、ハース200の浴槽110と電子ビームについては、下記の条件である。
浴槽内:幅0.5m、長さ1.3m、深さ0.1m
電子ビーム:出力800kW、電子銃3本
金属の溶解物の温度:1,710℃
供給したスポンジチタンに対する得られたチタン鋳造品550(図4参照。)の百分率を算出した。その結果、重量変化率は2.3質量%であった。
図4に示した円柱状のチタン鋳造品550のうち、高さ位置A~E(鉛直方向に上部から順に、10%、30%、50%、70%、90%と等間隔で配置した。)の計5箇所において、円周方向に沿って等間隔に各3点を採取し、各高さ位置におけるMg濃度を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析装置で測定した。
Mg濃度については、チタン鋳造品550のA部位のMg含有量を「10」として、各部位の相対的数値を換算した。その結果を表1に示す。なお、後述する実施例2~4および比較例1のMg含有量は、実施例1のA部位のMg含有量を「10」として、各部位の相対的数値を換算した。
(LA/L)を0.3とし、これにあわせて一対の側壁111、112の上端縁の長さ(L)に対する、長手方向における一対のガードプレートの長さの割合を0.7としたこと以外、実施例1と同様に実施した。なお、結果を表1に示す。また、重量変化率は0.2質量%であった。
(LA/L)を0.4とし、これにあわせて一対の側壁111、112の上端縁の長さ(L)に対する、長手方向における一対のガードプレートの長さの割合を0.6としたこと以外、実施例1と同様に実施した。なお、結果を表1に示す。
(LA/L)を0.5とし、これにあわせて一対の側壁111、112の上端縁の長さ(L)に対する、長手方向における一対のガードプレートの長さの割合を0.5としたこと以外、実施例1と同様に実施した。なお、結果を表1に示す。
(LA/L)を1.0とし、ガードプレートを除去したこと以外、実施例1と同様に実施した。なお、比較例1は2回実施したので、それぞれの平均に関する結果を表1に示す。
実施例1~3は、各部位ごとの成分の濃度変動が少ない鋳造品を製造することができた。
実施例1のようにLa/Lが0.2である場合は、Ti原料のロス率が2.3%であり、実施例2のようにLa/Lが0.3である場合は、Ti原料のロス率が0.2%まで減少した。
実施例4のようにLa/Lが0.5である場合は、La/Lが0.4~0.5の範囲に延設された傾斜プレートに多くの蒸発物が付着し堆積されていたので、その堆積物は不定期に浴槽内に滑落していた。実施例4においては、表1に示したMg濃度の変動幅が最大8であり、実施例1~3においては、Mg濃度の変動幅が最大2であった。
したがって、実施例2~3において、実施例4と比べ、チタンインゴットの成分変動をより良好に抑制でき、かつ製造における原料ロスがより少なかった。なお、実施例1では、原料ロスが若干生じたが、チタンインゴットの成分の濃度変動を良好に抑制できた。
比較例1では、表1に示したMg濃度の変動幅が最大17であり、各部位の相対値も大きく変動しており、各部位の成分の濃度変動が認められた。
110 浴槽
111、112 側壁
111a、111b、112a、112b 側縁
111c、112c 上端
111d、112d 外表面
113 前壁
114 後壁
114a 切欠き
120 ガイドプレート
120a、120b 側縁
120-1 ガイド面
130、131 傾斜プレート
130-1、131-1 傾斜面
240、241 ガードプレート
240-1、241-1 ガード面
300 供給部
400 鋳造部
500 電子ビーム部
550 鋳造品
1000 電子ビーム溶解炉
WP 水冷管
Claims (7)
- 電子ビーム溶解炉に使用されるハースであって、
前記ハースはTi、Nb、Mo、W、Ti合金、およびNi基合金よりなる群から選択される1種の鋳造品の製造用であり、
長手方向に延設された一対の側壁、前記一対の側壁の側縁のそれぞれと連結して延設された上流側の前壁、及び前記一対の側壁の側縁のそれぞれと連結して延設された下流側の後壁を有し、長尺形状に形成された浴槽と、
前記前壁の上端に設けられたガイドプレートと、
前記ガイドプレートの一対の側縁のそれぞれと連結して、前記一対の側壁の上端のそれぞれの一部に延設され、下方に向かうに従い前記浴槽に近づくように傾斜した一対の傾斜プレートとを備え、
銅又は銅合金で形成された、ハース。 - 前記長手方向における、前記一対の側壁の上端縁の長さ(L)に対する、前記一対の傾斜プレートの長さ(LA)の割合(LA/L)がそれぞれ0.2~0.5の範囲である、請求項1に記載のハース。
- 前記一対の側壁の外表面のそれぞれに、少なくとも前記傾斜プレートよりも下流側に延設される一対のガードプレートを更に備えた、請求項1又は2に記載のハース。
- 前記一対の傾斜プレートにおける傾斜面の傾斜角は、水平方向に対し40~70°である、請求項1~3のいずれか一項に記載のハース。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載のハースを備えた、電子ビーム溶解炉。
- 請求項5に記載の電子ビーム溶解炉を使用して鋳造品を製造する工程を含む、鋳造品の製造方法。
- 前記鋳造品が、Ti、Nb、Mo、W、Ti合金、およびNi基合金よりなる群から選択される1種の金属で形成された、請求項6に記載の鋳造品の製造方法。
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