JPH0639632B2 - 誘導コイルにより棒状材料を溶解する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 本発明は孔を備える、棒状材料の軸線と同軸の誘導コイ
ルを棒状材料の下端に配置し、交流を供給し、このコイ
ルに向つて棒状材料をその軸線方向に連続的に送る、棒
状材料を溶解する方法および装置に関する。

従来の技術： このような方法は閉鎖した室いわゆる溶解室内でとくに
真空および（または）不活性ガス下に実施される。この
ような雰囲気により溶融材料と雰囲気の反応性成分との
反応が防止されるだけでなく、付加的に出発材料の精練
ならびに粒子および（または）インゴツトまたはまつた
く特定の結晶組織を有する成形部材への変換が可能にな
る。

とくにいわゆる滴下溶解の過程は高真空下に出発材料の
非常に十分な精練に作用する。というのは一般に揮発性
不純物は真空下に蒸発するからである。前記滴下溶解に
より表面積と体積の有利な比の前提が得られる。

滴下溶解の方法には現在まで棒状材料の真空アーク再溶
解、電子ビーム溶解および誘導溶解の技術が適用され
た。再溶解工程によつて発生した高純度金属は後に再び
不純になつてはならないので、滴下後再び捕集した融液
の他物質とくにセラミツク材料との接触は無条件に避け
なければならない。そのため溶解した粒子はなお溶融状
態または一部もしくは全部凝固した状態であるかによら
ず、容器内に冷却した壁で捕集される。それゆえ融液捕
集の際容器壁に凝固した材料の層または殻が形成され、
これが融液と壁の間の直接接触を防ぎ、液体／固体相境
界の範囲で同種材料のみが互いに接触する。この技術は
一般にスカルメルテイング（Skull Melting）と称され
る。

米国特許第２８５８５８６号明細書によつて金属粉末の
圧縮によつて製造した棒状材料を誘導コイルへ導入し、
滴下する融液を連続鋳造鋳型へ捕集することが公知であ
る。誘導コイルはこの場合ほぼヘリツクス形に巻かれ、
その内径は少くとも上部が棒の直径より大きい。棒状材
料は誘導コイルを貫通し、溶解ゾーンは棒の長さの大部
分にわたつて拡るので、上から下へ強くなる溶解電流が
棒の表面に沿つて流れ、棒の下端で無制御に、すなわち
多量または少量の融液が棒から分離する。実際には壁の
下端が図示のように均一に尖つた形になることは観察で
きなかつた。むしろ融液は棒状材料から種々の位置で離
れ、そのためつねに同じ落下通路を有しないことが明ら
かになつた。その結果溶滴のねに正確に同じ落下通路に
よる制御した輸送が不可能になる。

米国特許第３２２６２２３号明細書から電子衝撃および
誘導加熱による溶解の組合せが公知である。この場合も
誘導コイルは円筒コイルであり、すなわちヘリツクス形
に巻かれるので、その軸方向拡りは半径方向拡りより著
しく大きい。この公知手段の場合も棒の下端は誘導コイ
ルの内側にあり、前記明細書には棒状材料から湯だまり
への途中の溶滴の種々の通路が非常に詳細に示され、こ
の湯だまりから鋳型底板の連的降下によつて徐々にイン
ゴツトが形成される。つねに正確に同じ落下通路を有す
る均一な溶滴流は公知法では発生し得ない。

棒状材料とは出発材料の形状がほぼ一定の横断面（円形
または多角形）を有する長い物体であることを表わし、
その軸線は溶解の際ほぼ垂直に走る。棒状材料は鋳造工
程、金属粉末の圧縮またはストリツプ状材料の溶接によ
つて製造することができる。個々の成分が棒の長さにわ
たつて均一に分布する種々の出発材料を使用することに
より、再溶解過程によつて合金を製造することもでき
る。

使用材料としてはたとえば超合金、チタンおよびタング
ステンが挙げられる。

発明が解決しようとする問題点： 本発明の目的は融液をほぼ同じ大きさの分量で棒の下端
から溶解し、つねに同じ落下通路に導く前記概念の方法
を得ることである。

問題点を解決するための手段： この目的は前記方法において本発明により棒状材料を軸
方向拡りが半径方向拡りより著しく小さく、かつ孔が棒
の直径より小さい誘導コイルに向つて送り、棒の下端の
端面を誘導コイルからほぼ一定の軸方向距離に保持する
ことによつて解決される。

作用： この方法の重要な特徴は扁平コイルとも称しうる誘導コ
イルの使用である。誘導コイルはこの場合スパイラル形
に巻いたほぼ単層巻のコイルとして形成することがで
き、ここにスパイラル形とはアルキメデスのスパイラル
の形を表わす。しかし誘導コイルはさらに有利にターン
の中心線が先端を下に向けた広く開いた円錐面内を走る
ように形成することもできる。誘導コイルの半径方向拡
りの内部でターン密度を変化することによつて種々の半
径上の溶解能力を異なる強さに形成することもできる。

他の重要な特徴は誘導コイルの孔が棒の直径より小さ
く、とくに最大１５mmであることである。これから棒の
下端が誘導コイルの内部でなくてその上にあることが明
らかである。

このような誘導コイルは皿形コイルと称することもでき
る。一般的には扁平コイルに対してパンケーキコイルの
表現も使用される。しかしこのようなコイルは現在まで
誘導滴下溶解法には使用されなかつた。

本発明の方法によつて棒の下端はほぼ水平面に沿つて溶
解する。棒状材料の中心すなわちコイルの孔がある位置
にのみ高さの小さい尖端が形成され、この尖端はつねに
同じ位置すなわち棒の軸線内にある。尖端は一定の滴下
位置を形成し、棒の下端の端面の勾配は許容外に強く加
速した流れが発生し得ない程度に小さい。

本発明により使用する誘導コイルはさらに棒状材料の下
端面が薄い溶融金属膜で蔽われ、この膜が制御下に前記
尖端から滴下するように、溶融金属へ支持効果をおよぼ
す。それゆえ純熱的問題だけでなく、融液は前記位置で
コイル孔により電磁力を介する支持力が急激になくなる
ことによつても１の位置のみから滴下する。

この場合コイル形状に基き必然的に存在する電磁力およ
び支持力の不均一性を補償するため、さらに本発明によ
り棒状材料を溶解の間その固有軸を中心に誘導コイルに
対して回転するのがとくに有利である。

その際回転数は融液を遠心力によつて棒の周縁へ駆動す
るような高さではならない。材料の回転数を0.5〜１０r
pmに選択するのが有利なことが明らかになつた。

溶解した表面層の厚さの点からも誘導コイルに５０〜５
００kHzの周波数の電流を供給するのが適当なことが実
証された。周波数はこの場合 ｆ＝１０⁵×ρ〔μΩｍ〕 の式により選択し、その際周波数ｆはHzで得られる。ρ
は材料の比抵抗である。超合金およびチタンの場合１０
０〜２００kHzの周波数、タングステンには約５０kHzの
周波数がとくに有利に使用されることが明らかになつ
た。

適当な周波数選択により棒の軸方向に急激な温度勾配が
形成され、棒の下端に所望のほぼ平らな水平の溶解ゾー
ンの形成が可能になる。

さらに誘導コイルの供給電圧の振幅を１〜１００Hzの周
波数でとくに有利に変調することができる。変調とはこ
の場合電流供給をときどき完全に中断することも含む。

供給電圧の変調により出力は脈動し、電磁場の支持効果
が周期的に中断され、それによつて融液の滴下周波数お
よび加熱を調節することができる。

本発明は本発明の方法を実施する装置にも関する。この
装置は溶解室、孔を備える誘導コイルおよび垂直軸で支
持した棒状材料を棒の軸線と同軸の誘導コイルの方向へ
送るための送り装置からなる。

この目的を解決するためこの装置は本発明により誘導コ
イルの孔が棒状材料の横断面より小さく、誘導コイルの
軸方向拡りがその半径方向拡りより著しく小さく、この
半径方向拡りが棒状材料の半径方向拡りより大きいこと
を特徴とする。

その際本発明によりターンの中心線が先端を下に向けた
円錐面内にあり、円錐面の母線が水平線に対し最大10゜
までの角を形成する場合、棒の下端に少し強く中心へ傾
く溶解面が得られる。その結果溶解面に融点の高い結晶
からなる明りような尖端が融液中に沈みまたは埋まるこ
とになる。この尖端は場合により滴下位置になり、また
はきわめて望ましくないけれどコイルに接触する。

選択的にターン密度をコイル中心でコイル周縁より小さ
く選択し、それによつて同様中心へ弱く傾く溶解面が形
成される。

最後に滴下する融液をその落下通路で付加的に加熱また
は過熱しようとする場合、平らな誘導コイルの孔の下に
ほぼ円筒形に巻いたもう１つの誘導コイルを配置するの
がとくに有利である。この誘導コイルの内径はこの場合
とくに平らな誘導コイル内の孔の直径に相当する。

この場合特殊な導線案内を避けるため２つのコイルを直
列に接続することができる。しかし２つのコイルに別個
の端子を備え、直列接続も可能にすることができる。

融液の引続く処理の際ガス状媒体または高速に回転する
皿によつて個々の滴を非常に微細な粒子または金属粉末
の形に霧化する可能性が生ずる。しかし滴下する融液を
とくに所望の凝固した構造を達成する型内に捕集するこ
ともできる。この目的から融液はきわめて微細な組織の
構造を形成しながら粒子の結合を達成するため、とくに
過熱し、または一部すでに結晶化していてもよい。この
ような使用法はさらに後述する。

実施例： 次に本発明の実施例を図面により説明する。

第１図には側壁２に監視窓４を備えるドア３を有する溶
解室１が示される。溶解室１内には冷却媒体が貫流する
金属管からなるスパイラル状に巻いた誘導コイル５があ
る。誘導コイル５は半径方向に突出する２つの平行の接
続端５ａ，５ｂおよび絶縁引込部６を介して中周波発電
機として形成した電源７と結合する。

溶解室１の上部には垂直方向（矢印）に摺動しうるキヤ
リジ８ａを有する送り装置８がある。キヤリジは回転駆
動装置９を有し、これによつて支持ロツド１０はカプリ
ング１１を介して回転することができる。支持ロツド１
０の下端には細い円筒の形の再溶解する棒状材料１２が
あり、その軸線は回転駆動装置９の回転軸と一致する。
回転駆動装置９および誘導コイル５はこの場合誘導コイ
ル内に残された孔５ｃが回転軸と正確に同軸に走るよう
に互いに整列している。孔５ｃの直径が材料１２の直径
より著しく小さいことも認められる。さらに誘導コイル
５の直径が材料１２の直径より著しく大きいことも明ら
かである。

それによつて均一な再溶解のため棒の下端１２ａと誘導
コイル５の間隔を狭い限界内で一定に保持しなければな
らない。これはキヤリジ８ａの図示されていない駆動装
置に作用する同様図示されていない間隔センサによつて
達成される。

前記方法で棒の下端１２ａに第３〜６図になお詳細に示
す尖端１３が発生し、ここから垂直に落下する滴１４の
均一な流れが出発する。

第１図によれば溶解室１の下へ霧化室１５が続き、この
室へ横から霧化ノズル１６が開口する。このノズルは正
確に滴１４の落下通路へ向いているので、ノズル１６か
ら高速をもつて流出するガス噴流１７はつねに同じ方向
から滴１４を捕そくし、これをきわめて微細な金属粒子
１８の流れに分割する。この金属粒子はガス噴流１７に
よつて得た衝撃により最終的に捕集塔１９内に終る放物
線形飛行軌道を画く。捕集塔は霧化室１５の横に下向き
に接続している。捕集塔１９の下端に排出ゲート２０が
あり、これを介して輸送車２１が捕集塔１９の内部と結
合する。さらに霧化室１５へ計量弁２３を有するガス導
管２２が開口し、これによつて全装置に不活性ガスを充
てんすることができる。装置は付加的に真空下に作業す
ることもできる。しかしそのために必要な吸引口は簡単
のため示されていない。

第２図で第１図と同じ部分は同じ参照番号で示される。
第１図との差は誘導コイル５の下に霧化ノズル１６の代
りに座標軸Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙに沿つて制御下に走行し
うる捕集容器２４があることだけである。この手段で規
則的に落下する滴１４を所定の衝突パターンにより捕集
容器内へ分配し、そこに完全に一定の組織構成を達成す
ることができる。この場合たとえば滴１４をすでに一部
結晶化した状態で捕集容器１４へ導入し、それによつて
滴は互いに固く結合しているけれどその微結晶組織を維
持することができる。このような方法はたとえばタービ
ン用板の直接製造に使用することができ、この板は続い
てさらにプレス工程によつて機械的に圧縮される。

第３図は個々のターンをアルキメデスのスパイラルの方
式で等距離に巻いた誘導コイル５を示す。ターンの縦軸
はこの場合水平面内にある。最内側ターンはコイルの孔
５ｃを決定し、最大１５mmの直径Ｄを有する。この誘導
コイル５と材料１２の相互作用によつてその下側端面１
２ｂに溶解面が形成され、この面は少なくとも周縁範囲
がほぼ水平または半径方向と称しうる。材料１２の中心
すなわち縦軸Ａにのみ前記尖端１３が形成され、ここか
ら滴１４は一定の順序で離れる。

第４図は誘導コイル５の下へさらにもう１つの円筒形ま
たはヘリツクス形に巻いた誘導コイル２５が接続し、こ
の中で落下する滴１４が加熱されることだけで第３図と
異なる。誘導コイル２５の直径は誘導コイル５の孔５ｃ
の直径Ｄより少し小さい。２つのコイルは電気的に直列
接続され、すなわち同じ接続端を介して電源７と結合す
ることができる。しかし前記のように付加的接続端を介
する並列接続も可能である。

第５図は第３図と同様の配置を示すけれど、誘導コイル
５のターン密度がコイル中心でコイル周縁より小さいこ
とが異なる。これは半径方向単位長さ当りのターン数が
コイル周縁でコイル中心より多いことを表わす。それに
よつてコイル周縁の加熱能力または支持効果が大きくな
るので、下側端面１２ｂに少し強い勾配が形成される。

第６図はすべてのターンの中心線が先端を下に向けた広
く開いた円錐面にある誘導コイル５を示す。個々のター
ンはそれ以外は等距離に巻かれている。この方法で第５
図の誘導コイルと同様の効果が得られ、すなわち端面１
２ｂに前記効果の結果として少し大きい勾配が形成され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の縦断面図、第２図は成形部
材製造の際の装置の縦断面図、第３図〜第６図は誘導コ
イルの種々の実施例の縦断面図である。 １……溶解室、５，２５……誘導コイル、５ｃ……孔、
８……送り装置、９……回転駆動装置、１２……棒状材
料、１４……滴、１５……霧化室、１９……捕集塔、２
４……捕集容器

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】孔を備える、棒状材料の軸線と同軸の誘導
   コイルを棒状材料の下端に配置し、交流を供給し、この
   コイルに向つて棒状材料をその軸線方向に連続的に送
   る、棒状材料を溶解する方法において、軸方向の拡りが
   半径方向の拡りよりはるかに小さく、かつ棒状材料の直
   径より小さい孔を有する誘導コイル（５）に向つて棒状
   材料（１２）を送り、棒状材料の下端（１２ａ）の端面
   （１２ｂ）を誘導コイル（５）上にほぼ等しい軸方向距
   離で保持することを特徴とする誘導コイルにより棒状材
   料を溶解する方法。
2. 【請求項２】棒状材料を溶解の間その軸Ａを中心に回転
   する特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. 【請求項３】材料の回転数を0.5〜１０rpmに選択する特
   許請求の範囲第２項記載の方法。
4. 【請求項４】誘導コイルに周波数５０〜５００kHzの電
   流を供給する特許請求の範囲第１項記載の方法。
5. 【請求項５】誘導コイルの供給電圧の振幅を変調する特
   許請求の範囲第４項記載の方法。
6. 【請求項６】変調周波数を１〜１００Hzに選択する特許
   請求の範囲第４項記載の方法。
7. 【請求項７】溶解室、孔を備える誘導コイルおよび垂直
   軸で保持した棒状材料をその軸と同軸の誘導コイルの方
   向へ送るための送り装置を有する棒状材料を溶解する装
   置において、誘導コイル（５）の孔（５ｃ）が棒状材料
   （１２）の横断面より小さく、誘導コイル（５）の軸方
   向拡りがその半径方向拡りより著しく小さく、この半径
   方向拡りが棒状材料（１２）の半径方向拡りより大きい
   ことを特徴とする誘導コイルにより棒状材料を溶解する
   装置。
8. 【請求項８】孔（５ｃ）の最大直径が１５mmである特許
   請求の範囲第７項記載の装置。
9. 【請求項９】誘導コイル（５）がスパイラル状に巻いた
   ほぼ平らな単層巻コイルとして形成されている特許請求
   の範囲第８項記載の装置。
10. 【請求項１０】ターンの中心線が先端を下へ向けた広く
    開いた円錐面内にある特許請求の範囲第９項記載の装
    置。
11. 【請求項１１】ターン密度がコイル中心でコイル周縁よ
    り小さい特許請求の範囲第９項記載の装置。
12. 【請求項１２】平らな誘導コイル（５）の孔（５ｃ）の
    下にほぼ円筒形に巻いたもう１つの誘導コイル（２５）
    が融液加熱のため配置されている特許請求の範囲第７項
    記載の装置。