JPH02143089A - 金属溶解用るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、溶融金属に対する耐食性及び耐熱性このよう
に、タングステン製るつぼは、種々の溶融金属に対して
比較的すぐれた安定性を示している。

しかしながら、このように耐食性にすぐれたタングステ
ンるつほにおいても、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｕなどの高融点で活
性な溶融金属を直接接触した場合には、両者間で反応し
たり、あるいは合金化して、るつぼ自体が溶解したり浸
食されることがあるばかりでなく、溶湯中にタングステ
ンが溶は出し、溶解している金属の純度を低下させる要
因となる場合がある。さらに、上記の第１表に示す様な
金属材料についても、例えば同位体分離を行うためによ
り高温域で溶解する必要がある場合には、タングステン
るつほを使用した場合であっても、溶融金属との間で反
応が生じ、るつほが浸食されることがある。

したがって、このような問題を回避するため、従来金属
溶解用タングステンるつぼの基材内面には、たとえばＴ
ｉ５ＺｒＳＵなどの溶融金属との耐熱性、耐食性に優れ
たイツトリアｃ　Ｙ　２０３　）、ハフニア（ＨｆＯ）
、ドリア（ＴｈＯ２）等の材料からなるセラミックコー
ティングを施すことが通常行われている。このような耐
食性コーティング層を有する耐熱部材を採用した一例と
して、第７図に示すようなチタン金属溶解用るつぼが挙
げられる。このるつほは焼結により製作された相対密度
９０％のタングステンによって形成された基材１の内壁
面にニオブの下地コーティング層２を形成し、更にこの
上にイツトリアのセラミックコーティング層３が受けら
れたものであり、耐食性コーティング層３内にチタニウ
ム金属溶湯７を収容する様になっている。このような内
面下地、および耐食性コーティング層２，３は、たとえ
ばプラズマ溶射法によって厚さ０．　１〜５１程度に形
成され、第７図のＡ部を拡大した第８図に示されている
ように、通常、コーティング層には１０〜３０９６の空
孔が存在している。そのため、活性金属の空孔への侵入
に起因する基材との反応、あるいはるつぼを繰返し使用
した時のコーティング層のはく離などの問題が生じるこ
とがある。

（発明が解決しようとする課題） タングステンはきわめて融点が高く化学的にも安定した
材料である。そのため、一般にタングステンは粉末冶金
法によって種々の形状に成形され、実用に供されている
。また、焼結温度にもよるが、相対密度は高々９０〜９
５％程度であり、これ以上の高密度タングステン成形体
を得るためには、鍛造、圧延などの後加工を施すのが現
状である。

しかしながら、鍛造、圧延タングステンについては、こ
れらをるつは形状の構造体に加工することは極めて困難
であり、コスト的にも実用的ではない。そのため、タン
グステン焼結材のＨＩＰ（ｈｏｔ　１ｓｏｓｔａｔｌｃ
　ｐｒｅｓｓｉｎｇ　：熱間等方圧加圧法）処理による
高密度化が通常行われている。

このようなタングステン成形体の相対密度と耐食性との
関係について説明する。

第３図は相対密度９０％の焼結タングステンと、Ｉ（Ｉ
Ｐ処理（２０００℃、　　２０００）ｃｇ　ｆ　／ｃｄ
１３時間）を施して相対密度９９％としたタングステン
の溶融ウラン浸漬試験の一例を示すグラフである。本図
から明らかな様に、従来使用されている低密度の焼結タ
ングステンの溶融ウラン耐食性は著しく劣ることが明ら
かである。

さらに、前述したように、第８図に示す如く、従来のる
つぼにあっては、コーティング層２．３を形成する溶射
波膜内には１０〜３０％の空孔が存在しているので、こ
の様なるつぼを用いて、たとえばチタニウムを溶解させ
ると、溶解したチタニウムの金属溶湯が空孔内に浸透し
、下地コーティング層２や基材１と接触、反応し、溶融
させることにより表面の耐食コーティング層３を剥離さ
せるとともに基材１を浸食する。

また、基材］と下地コーティング層２との界面および下
地コーティング層２と耐食コーティング層３の界面のよ
うな溶射波膜界面は全く化学的反応を伴わず、単に機械
的に結合しているので、その密着力は著しく低く、チタ
ニウム金属溶湯７の凝固時の収縮によりコーティング層
が引きはがされるという問題点がある。

本発明の目的は上記問題点を解決するためになされたも
のであって、長時間の縁り返し活性金属の溶解に対する
耐久性を著しく向上させた金属溶解用るつほを提供する
ことにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）本発明の金属
溶解用るつほは、金属からなるるつは基材の少なくとも
内壁面の表面層が溶融処理されてなることを特徴として
いる。

このように、本発明は、たとえば高密度化を図ったタン
グステン製るつぼの内壁面を、電子ビーム等のエネルギ
ー源を用いて、溶融処理し、タングステンの活性金属に
対する耐食性を向上させることを特徴としている。更に
本発明においてはこの溶融処理層の表面に耐食性コーテ
ィング層を積層形成することもできる。

（実施例） 第１図に、本発明のるつぼの断面図を模式的に示す。第
２図は第１図のＢ部を拡大したものであり、タングステ
ン基材１の内面に、電子ビームを用いて表面溶融層を設
けて、耐食性を向上させている。前述した様に、第３図
は、タングステン試験片を一定温度で加熱した溶融チタ
ン中に浸漬し、随時試験片の侵食による重】減を測定す
ることによって溶融チタンに対する耐食性を検討した結
果を示す。タングステンのチタンによる浸食は、主とし
て粒界へのチタン侵入によって生じることが発明者らの
実験により明らかとなっている。すなわち、タングステ
ンの粒内へのチタンの拡散侵入は、はとんど認められず
、粒界ヘチタンが侵入することによって周辺に完全にチ
タンが侵入した結晶粒、あるいは結晶粒群が基材から順
次脱落することで、タングステンるつぼの浸食が生じて
いることが判明した。したがって、ＨＩＰ処理により結
晶粒界の結合力が高まれば、第３図に示す様に耐チタン
性は改善される。さらに、第３図には、溶解タングステ
ンについて実施したチタン浸漬試験結果を示されている
が、図から明らかな様に、焼結材を溶解することによっ
て、結晶粒界に存在する不純物は低減され、その結合力
は高まり、これによって耐チタン性が著しく向上するこ
とがわかる。一方、ＨＩＰ処理タングステンの４点曲げ
強度は、４５〜５５ｋｇｆ／ｍｌ＋！であるのに対して
、溶解タングステンでは、粒界のぜい化が著しく、４点
曲げ強度は１５〜２０ｋｇｆ／７であった。これらのこ
とから、ぜい性的傾向の強い溶解タングステン単体によ
ってるつぼを構成することは、信頼性の観点から好まし
くなく、また、大型るつぼの製作は現状では不可能であ
る。したがって、ある程度のしん性を有するＨＩＰ処理
タングステンるつぼにおいて、活性金属を溶解するるつ
ぼの内面の表面層を電子ビーム等のエネルギービームに
より溶解する溶融処理を施すことによって、耐食性に優
れしかもしん性の確保されたるつぼの製作が可能となる
。耐食性が改善されたために、るつぼ内面を電子ビーム
等で溶融処理するだけでのるつぼ使用も十分実用性があ
る。さらに耐食性を優れたものとするためには、溶融処
理層の表面に耐食性コーティング層を設けることで、著
しい長寿命化を図ることができる。この場合、仮りにる
つぼ表面に設けた耐食コーティング層が、割れたり一部
はく離を生じても、るつぼ基材表面のタングステンは電
子ビームで溶融処理されておりすぐれた耐食性が付与さ
れているので、従来のるつぼに比べて、るつぼの寿命は
飛躍的に向上する。

以下、本発明に係る金属溶解用るつぼの一製造例を、第
１図を参照して説明する。

第１図に示す様に溝形容器状に製作したタングステン基
材１の内面を電子ビームにより表面層１．５■程度を溶
融させ、耐食層（溶融処理層）５を設置する。さらに、
その内面にはタンタルからなる内面下地コーティング層
２と、イツトリアからなる耐食コーティング層３を施し
た。なお、るつぼ内面に施した耐食コーティングはプラ
ズマ溶射で施工し、内面下地コーティング層２の膜厚は
１０００μｍ１表面耐食コーティング層３は、２５０μ
ｍの膜厚とした。

タングステンるつぼの内面の電子ビームによる溶融処理
は、るつぼを真空容器内に入れた後に、１０５ｔｏｒｒ
程度の真空度にして、電子ビーム出力４．８ＫＷ、電子
ビーム照射径、１０φＩＩｍ、電子ビーム移動速度６０
ｃｍ／ｍｉｎ、、予熱７００℃、の条件で実施した。ま
た、タングステンるつぼについては、焼結タングステン
を、ＨＩＰ処理（２０００℃、２０００ｋｇｆ／ｉ、３
ｈｒｓ　）　　して、相対密度９９％以上として、電子
ビームによる表面層溶融処理に供した。上記、施工条件
において重要なことは、電子ビーム溶解によって、比較
的じん性の低いタングステンに割れが生じない様にする
ことである。第４図は、施工時の予熱温度の影響につい
て調べた結果を示したものである。タングステンは、室
温付近ではきわめて低じん性であるが、高温では、延性
を生じる様になる。また、予熱することによって、電子
ビーム照射時の温度勾配を低くすることができる。第４
図は、種々の予熱温度において第６図に示す様に表面層
溶融試験を実施した結果を示すものであり、割れ率（割
れ長さ／板厚／１００　（％〕）に及ぼす影響を示して
いる。第４図より、相対密度９９％のＨＩＰ処理タング
ステンでは、割れの発生しない限界予熱温度は７００℃
であることがわかる。また、割れ率は、タングステンの
相対密度にも依存し、９０％程度の焼結材では、予熱温
度を９００℃程度とする必要がある。第５図は、予熱温
度７００℃とした場合の割れ率に及ぼす相対密度の影響
を示す。本図から明らかな様に、予熱温度７００℃とし
た場合には、相対密度が高いほど割れにくい傾向を示す
。これは、焼結材中の気孔率が高い場合に、電子ビーム
溶解により溶解することで、大きなブローホールが生じ
、これが応力集中源となって割れが発生し易くなるもの
と考えられる。第５図より、相対密度を９９％程度にＨ
ＩＰ処理を施して改善することで、良好な施工が可能と
なる。

第６図は、適正電子ビーム照射条件の選択を実施した時
の一例である。特にこの場合は、割れ率１００％となる
予熱温度の低い場合の実験例を示す。第６図から明らか
な様に、溶融領域においては、結晶粒が粗大化し、板厚
と垂直方向に結晶粒界が生じる。割れは、この粗大化し
た結晶の粒界に沿って進展する傾向にあり、予熱温度が
低い場合には、溶融されていない素材の領域まで進展し
ているこがわかる。

本製造例においては、基材１は、焼結Ｗとしているが、
ｋｉｏＳＴａ、Ｎｂなどの高融点金属の焼結参オ、ある
いは溶融によって製造された高融点金属においても、る
つぼに成形した後に、上述した溶融処理によって蒸気圧
の低い不純物を除去することが可能であり、同時に耐食
性を改善する上で効果がある。また、基材１の内面に施
す耐食コーティング層３の材質は、溶解する材料に対し
反応開始温度ができるだけ高いものが良く、Ｙ　２０３
以外にも、ＴｈＵ、、Ｕ○っ、Ｈｇ０２、ＢｅＯ等であ
っても良い。また、内面のコーティング層３の下地コー
ティング層２の材質としては、融点が高く、しかも基材
１とコーティング層３との中間的な膨張率を有するもの
が適しており、Ｎｂ以外にもＴ　Ｉ　ＳＣｒ　ＳＶ　Ｎ
　Ｒｕ　−Ｒｈ　ｓおよびＡｌ２Ｏ３などでもよい。さ
らには、それほど活性でない、Ａ１、Ｇａ５Ｍｇ、Ｎａ
などを溶解する場合は、セラミックス等のコーティング
を施工せずに、タングステンるつほの内面を電子ビーム
により溶融処理を施したままの状態での溶解も十分可能
であり、溶融処理を施さない場合に比べても、十分な長
寿命化が認められる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、長時間かつ繰返しの高温負荷に対して
耐久性も向上させた寿命の長い活性金属溶解用るつぼを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属溶解用るつぼの一実施例を示
す縦断面図、第２図は第１図のＢ部分を拡大して示す部
分断面図、第３図は腐食重量減と浸漬時間との関係を示
す特性図、第４図はタングステンの電子ビームによる表
面層溶融試験時の割れ特性に及ぼす予熱温度の影響を示
すグラフ、第５図は、割れ特性に及ぼす相対密度の影響
を示すグラフ、第６図（ａ）は、タングステン表面層を
溶融処理した場合の金属組織の顕微鏡写真であり、第６
図（ｂ）はその模式説明図、第７図は従来のるつぼの縦
断面図、第８図は第７図のＡ部分を拡大して示す部分断
面図である。 １・・・基材、２・・・内面下地コーティング層、３・
・・耐食性コーティング層、４・・・金属溶湯、５・・
・電子ビームによる表面溶融層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属からなるるつぼ基材の少なくとも内壁面の表面
   層が溶融処理されてなることを特徴とする、金属溶解用
   るつぼ。 ２、前記溶融処理が、電子ビーム照射による溶融処理で
   ある、請求項１の金属溶解用るつぼ。 ３、前記溶融処理によって得られた溶融処理層の表面に
   、セラミックスからなる耐食性コーティング層が形成さ
   れてなる、請求項１の金属溶解用るつぼ。