JPH0275889A

JPH0275889A - 金属溶解用るつぼ

Info

Publication number: JPH0275889A
Application number: JP22777688A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Akinori Nagata; 永田　晃則; Yoshiyasu Ito; 義康伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1990-03-15

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）本発明は金属溶解用るつぼに係り、特に溶融金属に対し
て耐食性を有するコーティング層を備えた金属溶解用る
つぼに関する。

（従来の技術）一般に、チタニウム、ジルコニウム、ウラニウム（Ｔｉ
、Ｚｒ、Ｕ）等のように化学的に活性な金属の溶解用る
つぼの基材には、タングステン、タンタル、ニオブ、モ
リブデン（Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ。

Ｍ　ｏ　）などの高融点金属あるいはグラファイトなど
のセラミックスが使用されている。ところで、これら素
材は活性金属溶湯に直接接触すると化学反応を起すので
、るつぼが溶解あるいは浸蝕し、溶湯中にその素材が溶
は出し、溶湯の純度を低下させる恐れがある。そこで、
従来、るつぼの内面に溶融金属に対して耐食性、耐熱性
を有するイツトリア（Ｙ２Ｏ２）、ジルコニア（Ｚ　ｒ
　Ｏ２）などのセラミックスコーティングを施し、溶湯
中にその素材が溶出しないよう考慮している。

この種の従来の溶解用るつぼは、第６図に示されるよう
に、モリブデンのるつぼ基材２１の内面にニオブの中間
層２２をコーティングし、その内面にジルコニアの表面
層２３をコーティングして形成され、この表面層２３の
内側にはチタニウム（Ｔｉ）の溶融金属２４が満たされ
ている。また、るつぼ基材２１は冷却用の銅基材２５の
内側に収容されている。ニオブの中間層２２は、るつぼ
基材２１と表面層２３のほぼ中間の熱膨脹率を有する高
壱点金属またはセラミックスで形成され、加熱、冷却時
の熱応力により表面層２３に割れ、剥離等を発生させな
いようになっている。また、中間層２２および表面層２
３はプラズマ溶射法などにより、Ｏ１１〜５．０ｍｍ程
度の厚さに形成されている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、この種の従来の金属溶解用るつぼで、例えば
、チタニウムの金属２４を溶解させる場合、表面層２３
および中間層２２の温度は１５００〜２６００℃程度に
まで上昇する。このとき、表面層２３と中間層２２とる
つぼ基材２１とでは、熱膨脹率が大きく異なるため、各
層に大きな熱応力が生じる。ニオブの中間層２２は耐熱
性、高温での延性等に優れるため、チタニウム２４溶解
時には、各層の熱応力は著しく低減され、応力緩衝材と
しての効果を十分に発揮する。

しかしながら、冷却時にはニオブの延性が低下するので
、はぼ室温まで温度を下げたとき、中間層２２が応力緩
衝材とならず、るつぼ基材２１の影響が表面層２３に大
きく伝わり、第７図に示されるように、表面層２３に作
用する残留応力が著しく大きくなる。このような応力緩
衝材としての中間層２２には、一般に、熱膨脹係数が表
面層２３とるつぼ基材２１との中間にあることの他、延
性、耐熱性に十分に優れていることが要求される。

その点において、ニオブの中間層２２は現時点で最適な
ものの１つとなっているが、上述のように冷却時に欠点
が有り、それゆえに冷却時の残留応力によりるつぼが破
損し、るつぼの再利用を図ることができなくなるという
問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する
問題点を解消し、活性金属の溶解を、繰返し行うことが
できるようにした金属溶解用るつぼ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）上記目的を達成するために、本発明は、るつぼ基材の内
面に耐食性の有るセラミックからなる表面層を形成して
なる金属溶解用るつぼにおいて、前記るつぼ基材と前記
表面層との間に、その熱膨脹係数が前両者の熱膨脹係数
の間に位置するような金属基複合材中間層を形成したこ
とを特徴とするものである。

（作　用）本発明によれば、金属基複合材中間層を、るつぼ基材と
表面層との間に形成したので、この中間層が大きな応力
を負担するので、表面層の熱応力を大幅に低減すること
ができ、表面層の割れまたは剥離等を防止することがで
きるものである。

（実施例）以下、本発明による金属溶解用るつぼの一実施例を第１
図乃至第５図を参照して説明する。

第１図において１はモリブデンのるつぼ基材を示してい
る。このるつぼ基材１の内面にはニオブを母材２とし、
約１５％のＳｉＣウィスカー３を含有する金属基複合材
中間層４が形成され、この中間層４の内面にはジルコニ
アの表面層５が形成されている。このるつぼの製作はＨ
ＩＰ処理によりなされる。先ず、るつぼ基材１の内寸法
に近い形状に金属基複合材中間層４を予め形成し、この
中間層４の内面にジルコニアをプラズマ溶射して表面層
５を形成し、しかる後、るつぼ基材１に金属基複合材中
間層４を重ね、全体を窒化ボロンでくるみ、鉄製容器の
中に入れ、真空封入し、アルゴンガスを媒体として、１
０００〜１４００℃。

１０００〜１５００ｋｇ／ｃｊ、１〜３時間の条件下で
加圧、加熱処理する。このように形成された溶解用るつ
ぼは、冷却用の銅基材６の中に互いの接触面を密着させ
るように収容されている。また、るつぼ基材１の表面層
５の内側には、チタンの溶融金属７が満たされている。

るつぼ基材１には、融点が高く、しかも活性溶融金属７
に対して耐食性に優れる素材を使用することが好ましい
。セラミクスは熱伝導率が悪く熱衝撃性にも劣るため好
ましくなく、Ｗ、Ｔａ。

Ｎｂなどの高融点金属あるいはグラファイトが望ましい
。また、表面層５の素材には、溶融金属７に対して反応
開始温度の高いものが好ましく、ＺｒＯ以外では、Ｙ　
　ＯＴｈＯ２，ＵＯ２゜２　　　　　２３′ Ｈｆ　０２　、　　Ｂ　ｅ　Ｏなどが好ましい。中間層
４の素材には、熱膨張係数がるつぼ基材１と表面層５と
のほぼ中間に有り、耐熱性に優れ、かつ高温での延性に
優れるものが好ましい。Ｎｂ以外では、Ｔａ、Ｒｕ、Ｖ
、Ｔｉなどが好ましい。さらに、母材２に含有させる短
繊維またはウィスカーとしては、耐熱性に優れ、弾性率
の高いものが好ましく、ＳｉＣスイスカー以外では、５
ｔ３Ｎ、。

、７’ｌ　　Ｏカーボン、ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ３また２　
　　３’ はＷ繊維等が好適である。

このように形成された溶解用るつぼでは、第２図に示さ
れるように、中間層４および表面層５の部分で、断面方
向の熱応力が従来のもの（第７図）に比べ低減される。

すなわち、弾性係数の高いＳｉＣウィスカーを含有する
ニオブを中間層４に使用することにより、この層４の強
度、靭性を高くでき、したがって、ここで大きな応力を
負担できるようになり、よって表面層５の熱応力が低減
される。

また、第３図すに示されるように、従来の中間層４のニ
オブの組織は、加熱されたのち、再結晶が進行すると、
粗大化し、脆化する。これに対して、本実施例による金
属基複合材中間層４では、同図ａに示されるように、層
４の中に多数存在している繊維８またはウィスカーがニ
オブ結晶粒界の移動を妨げるため、結晶粒９の粗大化を
防止でき、中間層４の脆化を阻止でき、大きな熱応力に
耐えるものにすることができる。

また、第４図すに示されるように、従来のものは層２１
〜２３の界面が、単に、機械的にアンカ効果により接合
されていただけである。したがって、その密着強度は弱
く、溶融チタニウムの凝固収縮により層２３が簡単に剥
離する恐れがある。

これに対し、本実施例によるものは、同図ａに示される
ように、中間層４の中に存在する繊維またはウィスカー
が、表面層５やるつぼ基材１の中にめり込み、これがア
ンカーとしての役割を果たすので、各層１〜５間の密着
強度は向上し、その結果、凝固収縮による表面層５の剥
離を確実に防止することができる。

なお、第１表は、本実施例と従来例との比較実験結果を
示している。

ここで使用された溶解用るつぼは、内径４０ｍ■。

高さ３５龍のものである。このるつぼ内にはチタニウム
を満たし、このチタニウムには電子ビームを照射し加熱
した。室温と１８００℃との間で加熱を繰返し、目視に
より表面層５に割れまたは剥離が生じるまでの回数を測
定した。その結果を第５図に示している。なお、第５図
中で横軸は従来例と実施例を、縦軸は割れまたは剥離発
生までの回数である。同図から明らかなように、中間層
４にニオブを使用した従来例では、全て１〜３回の加熱
の繰返しにより表面層５に割れまたは剥離が生じている
。これに対して、母材２にセラミック短繊維またはウィ
スカーを１５〜２５％含有させた中間層４を用いた実施
例では、１０回以上の加熱を繰返しても、表面層５に割
れまたは剥離が生じないことが判明した。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、るつ
ぼ基材と表面層との間に、熱膨脹係数が両者の熱膨脹係
数の間に位置する金属基複合材中間層を形成したので、
この中間層が大きな応力を負担するので、表面層の熱応
力を大幅に低減することができ、表面層の割れまたは剥
離を防止することができる。したがって、加熱を繰返し
行うことができ、溶解用るつぼの再利用を可能にするも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による金属溶解用るつぼの一実施例を示
す断面図、第２図は同じく応力分布を示す図、第３図ａ
は加熱前後に亙る中間層の結晶構造を示す図、第３図す
は従来の加熱前後に亙る中間層の結晶構造を示す図、第
４図ａは各層の結合状態を示す図、第４図すは従来の各
層の結合状態を示す図、第５図は割れまたは剥離までの
加熱の繰返し回数を示す図、第６図は従来の金属溶解用
るつぼを示す断面図、第７図は同じく応力分布を示す図
である。１・・・るつぼ基材、２・・・母材、３・・・ウィスカ
ー、４・・・中間層、５・・・表面層、６・・・銅基材
、７・・・溶融金属。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第１図第２図（ａ）（加熱前）　　　　　　　　　　（加熱後）（ｂｌ第３図（α）第４図第５図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

るつぼ基材の内面に耐食性の有るセラミックからなる表
面層を形成してなる金属溶解用るつぼにおいて、前記る
つぼ基材と前記表面層との間に、その熱膨脹係数が前両
者の熱膨脹係数の間に位置するような金属基複合材中間
層を形成したことを特徴とする金属溶解用るつぼ。