JPH03500510A - 微粒子インゴットの連続鋳造 - 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】 本発明は、微粒子金属インゴットに関し、さらに詳しくは微粒子インゴットを連 続鋳造するための新奇で改良された方法および装置、およびその方法により製造 したインゴットに関する。

発明の背景 航空機エンジンの部品などの特定の用途には、本質的に均質な微粒子構造を持つ 合金材料のインゴットを調製することが重要である。従来から、各種の技術によ り、微粒子合金インゴットを製造する努力がなされている。ハント（Ｈｕｎｔ） 所有の特許第４．５８３．５８０号および４，８８１．７８７号には、例えば連 続鋳造すべき合金を低温炉床電子線炉中で加熱し、固体含有量を約１５〜４０％ に保つために、炉床中の合金の温度を制御し、炉床から鋳型へ注ぎ込む溶融混合 物の固体含有量が高くなる様にした連続鋳造方法が記載されている。その結果、 鋳型中の溶融材料は、固体含有量が少なくとも５０％である本質的にチキソトロ ピー性の区域を持つ。

この状態を保つために、鋳型内の材料に、その鋳型の側壁に隣接する区域にだけ 、そのインゴットの側壁の完全性を確保するのに必要な程度の熱エネルギーを加 える。

連続鋳造しているインゴットの側壁における高温裂は目を防ぐために、ロウ（Ｌ ｏｖｅ）所有の特許第４．６４１，７０４号は、冷却期間をおき、その冷却期間 に続いて鋳型内でインゴットを断続的にな下降させ、等体積量の溶融材料を順次 、鋳型内に注ぎ込む方法を開示している。

例えばハント（Ｈｕｎｔ　）所有の特許第４，５５８．７２９および４．８９０ ．８７５号、およびソイカン（５ｏｙｋａｎ）ら所有の特許第４．２６１，４１ ２号に記載されている別な方法では、鋳型構造の中にインゴット材料の溶融液滴 が落下し、個別に微粒子構造を持って固化する様になっている。その鋳型は、そ のインゴット材料の固相線温度より低いが、連続溶融液滴が冶金学的に結合でき る温度よりは高い温度に保ってあり、それによって、固化した金属滴下物内の粒 子の径および分布を変えずにインゴットを製造する。

そのような技術は、複雑で実行が困難であるばかりでなく、生成するインゴット の大きさ、形状、および特性が限定される。

発明の開示 本発明の目的は、新奇で、改良された連続鋳造方法および先行技術の欠点を克服 した装置を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、連続鋳造により調製した、新奇で、改良された微粒 子インゴットを製造することである。

本発明の別の目的は、インゴットの形成および形成されたインゴットの粒子構造 を正確に制御できる連続鋳造方法を提供することである。

本発明のこれらの、および他の目的は、インゴットを形成する鋳型内の溶融金属 の露出した表面の温度を検出し、制御することにより、中心区域内の温度を、少 数のクリスタライトは形成されるが、固体材料の大部分はその区域内では形成さ れない様な水準に維持することによって達成される。これは、温度を大体金属の 液相点もしくはそれより僅かに低い温度、例えばＯ℃〜２０℃低い、好ましくは ０℃〜１０℃低い温度に保つことによって達成される。好ましくは、鋳型中の必 要な温度条件を確保するために、鋳型に供給する溶融金属を、金属の液相線温度 より本質的に高い、好ましくは３０℃、より好ましくは５０℃〜１００℃以上高 い温度に加熱し、方向を制御できるエネルギー源が溶融金属の表面に、中央区域 における温度を望ましい水準に維持するのに十分な率でエネルギーを供給する。

インゴットを微粒子鋳造するための好ましい装置では、電子線銃またはプラズマ トーチの様なエネルギー源を、鋳型中の溶融金属表面の様々な部分に選択的に向 ける様に配置し、温度検出装置が鋳型の中央区域で溶融金属の表面温度を検出し 、エネルギー源を制御し、温度を望ましい水準に維持する。その上、鋳型に供給 する溶融金属の表面に向けた、電子線銃またはプラズマトーチの様な他のエネル ギー源を、鋳型に供給する溶融金属の温度を検出するもう一つの温度検出装置に より制御し、その温度を望ましい水準に維持する。

本発明のその他の目的および長所を、添付の図面を参照しながら以下に説明する 。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明に係わる微粒子インゴットを鋳造するための代表的な実施形態 を示す図式的な断面図を、第２図は、本発明に従って鋳造中のインゴットの上表 面における代表的な温度プロファイルを示す。

発明を実施するための最良の形態 本発明に係わる微粒子鋳造インゴットを得るには、鋳型中の溶融金属表面の中心 区域内の温度を、少数のクリスタライトは形成されても、固体材料の大部分はそ の区域内では形成されない様に制御することが重要である。この目的のために、 鋳型内の溶融金属の表面を視覚的、光学的または電子的に走査し、鋳型の表面に おける金属へのエネルギー人力を制御し、プラズマトーチまたは電子線銃の様な 方向を制御できるエネルギー人力装置からエネルギーを選択的に供給しすること によって、その表面の中央区域の温度を維持する。鋳型内の溶融金属表面の周辺 部の温度は、成形している金属の液相点より僅かに高く保持すべきである。

中央区域に望ましい温度条件が存在するかどうかは、「銀色の魚」の様に見える 小さな結晶が、溶融金属の表面に形成されるのを、視覚的に観察することにより 確認することができ、クリスタライトが少数だけ観察される様に、エネルギー人 力を制御する。温度が望ましい水準を越えると、クリスタライトは消失し、温度 が望ましい水準より下がると、表面の中央区域に大量の固体物質が現われる。

また、鋳型内の溶融金属表面の中央区域の温度は、その区域の温度を視覚的に指 示する高温計の様な温度検出器を使用して監視し、制御可能なエネルギー源によ りその区域に供給するエネルギーを、温度検出器の指示に従って制御することも できる。この場合、温度は、金属の液相点より、約０℃〜２０℃、好ましくは０ ℃〜ｌＯ℃低く保つべきである。

あるいは、高温計の様な温度検出装置から出力信号を取り出し、検出温度と、そ の金属の液相点またはそれより僅かに低く設定した温度との差に応じて、方向を 制御できるエネルギー源の出力を制御することによって、鋳型の中央区域内の溶 融金属に供給するエネルギーを自動的に制御することができる。必要であれば、 高温計は、鋳型内溶融金属の全表面の温度プロファイルを与える走査高温計にし て、表面のあらゆる部分に向けるエネルギーを、自動的に、または表示される温 度プロファイルの視覚的観察に基き、必要に応じて制御することもできる。

この様にして、大型および小型の鋳型、非円形断面を持つ鋳型および多数のイン ゴットを製作できる鋳型により、放射エネルギー損失条件に差があるにも拘らず 、中心区域において望ましい温度条件を維持することができる。

本発明により、望ましい微粒子インゴットを得るには、鋳型に供給する溶融金属 は、固体材料を含んでいてはならない。そのためには、電子線銃またはプラズマ トーチの様な方向を制御できるエネルギー人力装置により金属を加熱する低温炉 床から鋳型に供給する溶融金属は、例えばその金属の液相点よりも著しく高い水 準、例えばその温度より少なくとも３０℃、好ましくは５０℃〜１００℃以上高 い温度に過熱する。鋳型に供給する材料の必要な温度水準は、好ましくは高温計 の様な温度検出器により監視し、電子線銃またはプラズマトーチの様な方向を制 御できるエネルギー源を検出した温度に応じて制御し、溶融金属の温度を望まし い水準に維持する。

第１図に図式的に示す、本発明の代表的な実施形態では、溶融炉（１０）は、水 または他の冷却液を循環させることができる冷却管（１２）を内蔵する炉床（１ １）を備えている。溶融炉の入り口端には、精製し、微粒子インゴットに鋳造す べき合金の棒（１３）が、通常の方法で、矢印で示す様に、溶融炉の方に連続的 に移動している。あるいは、溶融炉（１０）に供給する原料は、精製しインゴッ トに鋳造すべき材料の小片または圧縮小球の様な粒状でもよい。

電子線銃またはプラズマトーチの様な、２つの方向を制御できるエネルギー人力 装置（１４，１５）が溶融炉（１０）の上に取り付けてあり、制御装置（１８） から来る信号に応答して、エネルギーをそれぞれ制御可能なパターン（１６，１ ７）で溶融炉に供給する様に配置しである。エネルギー人力装置（１４゜１５） が電子線銃であれば、通常、鋳型および溶融炉は真空ハウジング内に収容する。

精製すべき金属の棒（１３）の内側端（１９）は、エネルギー人力装置（１４） から得たエネルギーにより、通常の方法で融解し、溶融金属の流れ（２０）にな って溶融炉（ｌＯ）の中に流れ込み、溶融材料のプール（２１）を形成する。炉 床（１１）は、管（１２）を通る液体により冷却されるので、炉床の内面に溶融 材料のスカルが生じ、溶融金属による劣化から炉床を保護する。

溶融炉（ｌＯ）の反対側の端には、溶融炉壁の開口部により湯口（２３）が形成 されており、溶融金属の流れ（２４）が鋳型（２５）内に入り、そこで鋳型（２ ５）内の溶融金属の表面における放射冷却並びに鋳型（２５）内部の管（２７） を通る冷却液の循環により、金属が固化してインゴット（２６）になる。インゴ ット（２６）は、通常の方法で鋳型（２５）から下方に、矢印の方向に引き抜か れるが、均一な粒子構造および組成を確保するために、インゴットは、断続的に ではなく、本質的に均一な速度で連続的に引き抜くべきである。

溶融炉（１０）中のプール（２１）で溶融金属を効果的に精製するには、プール 内の溶融金属が、インゴット（２６）を汚染する、またはインゴットに固体粒子 を混入させる恐れのある固体粒子を絶対に含まない様にし、また、好ましくない 成分が蒸発する様に、そのプールの方を向いたエネルギー人力装置（１４，１５ ）を制御装置（１８）により制御する。さらに、エネルギー人力装置（１５）は 、固体粒子または結晶が鋳型（２５）内に絶対に入らない様にするために、プー ル（２１）内の溶融金属が湯口（２３）に近付くにつれて、溶融金属の温度がそ の金属の液相点より明らかに高い温度、例えば液相点より３０℃、好ましくは５ ０℃〜１００℃以上高い温度になる様に制御するのが好ましい。そのためには、 高温計の様な温度検出器（２８）を取り付けて、湯口（２３）に向かって流れる 溶融金属の温度を検出する。検出器（２８）は、検出温度を表わす信号を線（２ ９）を経由して制御装置（１８）に送り、制御装置は、その信号を予め設定した 温度水準と比較し、装置（１５）から溶融炉のその区域内にある溶融金属に供給 するエネルギーを制御し、望ましい温度水準を達成する。あるいは、それが望ま しい場合には、温度検出器（２８）の出力を視覚的に監視し、装置（１５）から 供給するエネルギーを手動で制御しても良い。

ニッケル系合金の精製の様な特定の用途には、湯口に浮遊物質が到達しない様に 、湯口（２３）に隣接して、溶融炉の端を横切る様に、スキマーを配置するのが 望ましい場合がある。これによって、精製工程で除去されない酸化物の様な浮遊 不純物が、鋳型内で形成されるインゴットに運ばれるのを確実に阻止することが できる。

湯口（２３）から鋳型（２５）に供給する溶融材料（２４）は、鋳型の上部に溶 融金属のプール（３０）を形成する。鋳型の内表面に隣接する部分は、鋳型内の 冷却管（２７）に近いためにプールの中央部分よりも速く固化するが、そのプー ル（３０）内の溶融金属に望ましい形でエネルギーを供給するために、方向を制 御できるエネルギー人力装置（３１）が、鋳型内の溶融金属（３０）の表面にエ ネルギーのパターン（３２）を向ける様に配置しである。

エネルギー人力装置（３１）は、通常のプラズマトーチまたは電子線銃で良いが 、制御装置（１８）で制御し、望ましいエネルギー人カバターンを造り出し、本 発明により、プール表面の中央区域内の温度を、溶融金属の液相点あたりに合わ せるか、またはそれよりも僅かに低く保ち、その区域内に少数の小さなりリスタ ライト（３４）は生じても、大量の固体物質が現われない様にする。同時に、鋳 型の側面に隣接する溶融金属表面は、インゴットの側壁の完全性を確保するため に、液相線温度より高い温度に維持しなければならない。鋳型（２５）内の溶融 金属表面の中央区域（３３）内の温度を、その金属の液相点またはそれより僅か に低く、即ち約り℃〜約２０℃、好ましくは約り℃〜約１０℃低くなる様に維持 すると、微細粒子が均質に分布したインゴットを制御しながら調製することがで きる。例えば、本発明により調製したインゴットの細胞構造、つまり２次デンド ライトアーム間隔は５０〜１５０、好ましくは８０〜１２０ミクロンである。

鋳型内溶融金属の代表的な表面温度プロファイルを第２図に示すが、そこでは金 属の液相線温度をＴ１で示す。この実施例では、中央区域（３３）の温度が液相 点より約５℃〜８℃低く、鋳型の周辺の温度が液相点より約ｌＯ℃高くなる様に エネルギー人力装置（３１）を制御している。

本発明により、改良されたインゴットが得られる理由は十分には理解されていな いが、溶融金属の中央区域における少数の小さなグリスタライトの存在が、表面 下のデンドライト成長の開始を示し、これらのデンドライトの小片が剪断され、 液体一固体界面に降下し、そこで微細で、均一な粒子構造を与えると考えられる 。これは、上記の特許第４．５８３．５８０および４，６８１．７８７号に記載 される５０％固体含有量の様な、溶融混合物中の大量の固体材料が造り出す効果 と対照的である。

クリスタライト（３４）を監視して、鋳型内の溶融金属の中央区域に必要な温度 条件を検出する代わりに、温度検出装置（３５）を取り付け、プール（３０）内 の溶融金属の温度を、少なくとも中央区域で測定し、線（３６）を通して対応す る信号を制御装置（１８）に送ることもできる。

本発明により、鋳型内の溶融金属の温度プロファイルを意のままに制御し、微粒 子インゴットを製造できるので、鋳型（２５）は、どの様な望ましい大きさおよ び形状のものでも良く、幾つかのインゴットを同時に製作する多重鋳型でも良い 。これまで、鋳型内溶融金属の放射冷却のために、大型インゴット、または非円 形断面を有するインゴット、あるいは同−鋳型内の多重インゴットの固化を制御 しながら、望ましい微粒子インゴット構造を与えることは不可能であった。

ここでは、特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、当業者なら、多くの 改良および変形が容易に考えられる。従って、その様な変形および改良はすべて 、本発明の意図する範囲内に入る。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 平成２年６月１２日

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．鋳型の上部に溶融金属を供給し、その鋳型内の溶融金属を冷却して固体イン ゴットを形成し、このインゴットを鋳型の下部から引き取り、鋳型の中央区域で 大量の固体を形成せずに、金属クリスタライトを形成する様な水準に、鋳型内の 溶融金属の中央区域の温度を制御することから成る金属インゴットの連続鋳造方 法。
2. ２．溶融金属区域の中央区域にエネルギーを供給し、その部分の温度を、大体、 その金属の液相線温度からその金属の液相線温度より２０℃低い温度までの範囲 内に保つ段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ３．中央区域に供給するエネルギーを制御し、その区域内の温度を、大体、その 金属の液相線温度からその金属の液相線温度より１０℃低い温度までの範囲内に 保つ段階を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. ４．溶融炉から鋳型に溶融金属を供給し、溶融炉の、溶融炉から鋳型に溶融金属 を供給する部分における温度を、その金属の液相線温度よりも少なくとも３０℃ 高く保つ段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. ５．溶融炉の、溶融炉から鋳型に溶融金属を供給する区域における温度を、その 金属の液相線温度よりも約５０℃〜約１００℃高い範囲に保つ段階を含むことを 特徴とする請求項４記載の方法。
6. ６．溶融炉の、溶融炉から鋳型に金属を供給する部分における溶融金属の温度を 、高温測定法により検出する段階を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. ７．溶融炉の、溶融炉から鋳型に溶融金属を供給する部分における溶融金属への エネルギー供給を、高温測定法により検出された温度を表わす信号に応答して、 自動的に制御する段階を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. ８．鋳型内の溶融金属の中央区域における温度を高温測定法により検出する段階 を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. ９．高温測定法により検出された温度を表わす信号により、鋳型内の溶融金属の 中央区域にエネルギーを供給する段階を含むことを特徴とする請求項８記載の方 法。
10. １０．鋳型からインゴットを、本質的に均一な速度で連続的に引き取る段階を含 むことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. １１．溶融炉に向かって移動する金属棒の端部を融解することによって、溶融炉 に金属を供給する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. １２．溶融炉内に粒状の金属材料を導入することによって、溶融炉に金属を供給 する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. １３．上部に溶融金属を受けるための鋳型、溶融金属を固化し、鋳型の下部から 引き取る固体インゴットを製作するための冷却手段、鋳型内の溶融金属に制御し ながらエネルギーを供給するためのエネルギー入力手段、鋳型内の溶融金属の中 央区域における温度を検出するための温度検出手段、および鋳型の中央区域にお ける溶融金属の温度を望ましい水準に保つための、エネルギー入力手段を制御す る制御手段から成る金属インゴットを連続鋳造するための装置。
14. １４．エネルギー入力手段が電子線銃手段を含むことを特徴とする請求項１３記 載の装置。
15. １５．エネルギー入力手段がプラズマトーチ手段を含むことを特徴とする請求項 １３記載の装置。
16. １６．制御手段が、温度検出手段から来る信号により、エネルギー入力手段を制 御することを特徴とする請求項１３記載の装置。
17. １７．制御手段が、鋳型の中央区域における溶融金属の温度を、その金属の液相 線温度より約０℃〜２０℃低い範囲に保つ様に、エネルギー入力手段を制御する ことを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. １８．制御手段が、鋳型の中央区域における溶融金属の温度を、その金属の液相 線温度より約０℃〜１０℃低い範囲に保つ様に、エネルギー入力手段を制御する ことを特徴とする請求項１６記載の装置。
19. １９．温度検出手段が高温計手段を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法 。
20. ２０．高温計手段が、鋳型内の溶融金属表面の温度プロファイルを作成するため の走査型高温計を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. ２１．鋳型に供給すべき溶融金属を収容するための溶融炉手段、溶融炉手段に供 給された金属を融解し、その中の金属を溶融状態に維持するための溶融炉エネル ギー入力手段、および溶融炉手段から鋳型手段へ、　溶融金属を溶融状態で運ぶ ための搬送手段を含むことを特徴とする請求項１３記載の装置。
22. ２２．溶融炉手段の、溶融炉手段から鋳型手段に溶融金属を供給する区域におけ る溶融金属の温度を検出するための溶融炉温度検出手段を含むことを特徴とする 請求項２１記載の装置。
23. ２３．制御手段が、溶融炉温度検出手段から来る信号に応答して、溶融炉エネル ギー入力手段を制御し、鋳型に溶融金属を供給する区域における溶融金属の温度 を、その金属の液相線温度より高い選定水準に維持する手段を含むことを特徴と する請求項２２記載の装置。
24. ２４．制御手段が、溶融炉エネルギー入力手段を制御し、溶融炉の、溶融炉から 鋳型に溶融金属を供給する区域における溶融金属の温度を、その金属の液相線温 度より少なくとも３０℃高い温度に維持することを特徴とする請求項２３記載の 装置。
25. ２５．制御手段が、溶融炉エネルギー入力手段を制御し、溶融炉の、溶融炉から 鋳型に溶融金属を供給する区域における溶融金属の温度を、その金属の液相線温 度より約５０℃〜約１００℃高い温度に維持することを特徴とする請求項２４記 載の装置。