JPH077707B2 - 金属汚染防止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、導管移送に際して液体金属と同じ材質から成
るメルトリングを使用する金属汚染防止方法に関する。

（従来技術） 金属鋳造物の製造等において、非金属介在物による金属
の汚染を回避することが重要である。これら介在物は、
通常酸化物相であり、そして通常溶解されている金属と
それらを内部で溶解するるつぼとの間での反応により形
成される。金属鋳造業者にとって、溶湯と最小限の反応
度しか有しないるつぼを使用することにより、そうした
汚染を回避することが長い間の目標となっていた。しか
しながら、或る種の合金、特に相当量のアルミニウム、
チタン或いはハフニウムを含有しうるニッケル基スーパ
ーアロイは、酸化物系るつぼと激しく反応しそして溶解
中介在物を形成する。

チタン基合金及び高融点金属（タングステン、タンタ
ル、モリブデン、ニオブ、ハフニウム、レニウム、及び
ジルコニウム）の合金の場合、るつぼ溶解は、るつぼと
の反応が激しいため実質上不可能である。そこで、金属
鋳造業者の関連しての目標は、これら合金を汚染なく溶
解する方法を見出すことであった。

これまで、金属溶解においてるつぼからの汚染を回避す
る２つの主たる方法が存在した。１つの方法は、「冷却
るつぼ」溶解であり、ここでは水冷銅製るつぼが使用さ
れる。誘導加熱、電気アーク、プラズマトーチ、電子ビ
ームエネルギー源により溶解され得る金属装入物が冷た
い銅るつぼ壁に接触してその内面に沿って凝結して「ス
カル」を形成する。その後、液体金属は、るつぼ壁と接
触状態とならずに、金属自身と同じ組成の凝結固体金属
「スカル」内に保持される。

また別の方法は、浮揚溶解（レビテーション溶解）法で
ある。浮揚溶解においては、溶解されるべき或る量の金
属が加熱されている間空間中に浮揚される。米国特許第
2,686,864及び4,578,552号は、或る量の金属を浮揚しそ
してそれを誘導的に加熱するのに誘導コイルを使用する
方法を示している。

冷却るつぼ溶解及び浮揚溶解法は必然的に、大量のエネ
ルギーを消費する。冷却るつぼ溶解の場合、相当量のエ
ネルギーがスカル内に溶融金属のプールを単に維持する
だけにでも必要とされ、そして金属に投入されるエネル
ギーの大半はスカル部分を丁度維持するように意図的に
除去されねばならない。浮揚溶解の場合には、金属を浮
揚状態に維持するのにエネルギーが必要とされる。加え
て、るつぼ法における溶融金属浴の表面に比較して、浮
揚溶解は一定量の金属に対してより大きな表面積を露呈
せしめ、これは輻射による熱損失源となる。金属温度を
維持するのに追加的エネルギーが必要とされる。

先に言及したニッケル基スーパーアロイのような、るつ
ぼと穏やかな反応性を示す合金に対しては、「バーレク
（Birlec）」法と呼ばれる方法が使用されてきた。この
方法、英国のバーミンガム・エレクトリック・カンパニ
ーにより開発された。バーレク法においては、一つの鋳
造物を鋳込むに丁度充分なだけの金属を溶融するのに誘
導加熱が使用される。しかし、従来のようにるつぼから
それを傾斜しそして金属をその唇を越えて流下せしめる
ことにより金属を注ぐのではなく、るつぼはその底部に
溶解される装入金属の「ペニー」或いは「ボタン」でも
って蓋された開口を有している。装入金属が溶解される
と、溶融装入物からペニーへの熱伝達によってペニーは
溶け落ち、溶融金属は開口からその下側に待機している
鋳型内に落下せしめられる。

バーレク法において適正な誘導溶解周波数及び電力の下
で少量の金属を使用することにより、金属はヘイスタッ
キング（haystacking、干し草の山）のようになる、即
ち部分的に浮揚し、そして溶融工程の大部分を通してる
つぼ側壁から離れて保持され、以ってるつぼ側壁との接
触を排除はしないが最小限とする。こうした方法は今日
ガスタービン工業用の単結晶精密鋳造品の製造のために
使用されている。例えば、「Materials Science and Te
chnology」Vol.2,May,1986, pp442-460に掲載された論
文「From Research To Cost-Effective Directional So
lidification And Single Crystal Production-An Inte
grated Approach」を参照されたい。

高融点及びチタン合金を溶解するのにヘイスタッキング
の使用が1950年代に米国陸軍により炭素るつぼを使用し
て試みられた。「American Foundrymen's Society Tran
sactions」Vol.66,1958,pp.225-230に掲載された「Duct
ile High Strength Titanium Castings By Induction M
elting」を参照されたい。ヘイスタッキング法とバーレ
ク法とを組み合わせることにより、上記の結果を改善す
る試みが1970年代に為された。例えば、Report AFFL-TR
-72-168,1972,Air Force Systems Command,Wright-Patt
erson AFBに掲載された「Induction Melting and Casti
ng of Titanium Alloy Aircraft Components」を参照さ
れたい。

金属の汚染防止のためには、こうした溶解方法以外に
も、液体金属が導管を通過するに際して該金属の汚染を
防止する方法が必要とされる。

例えば、溶融金属は、支持体における開口を通して流出
される。支持体は、例えばその内部の通路を通して冷却
材を循環することにより溶解される装入物の融点より低
い温度に維持されている。支持体が装入物の融点より低
い温度に維持されているために、少量の装入物が固体の
まま残存しそして支持体を覆いそしてそれと同心の環状
リムを形成する。加えて、一度装入物が溶け落ちそして
溶融金属が開口を通して流下し始めると、僅かの金属が
開口の内面に凝結する。

通常の操作において、装入物の底部において溶融して形
成された穴は開口の直径より大きくならない。従って、
通常の操作においては、支持体を取り巻く或る量に固体
金属が常に存在するので、溶融金属は支持体と決して接
触しない。しかし、それは常にそうとは限らない。装入
物の底部に溶融形成された穴が開口の直径より大きくな
ったときに起こりうる事態を示す。その場合、環状リム
は支持体の上面全体を被覆せず、開口の縁から引っ込ん
で、支持体の鋭尖な縁辺を露出状態で残している。これ
は、開口を通して流下する溶融金属が支持体と接触状態
となり、それとの接触によって汚染されるようになるこ
とを意味する。鋭尖な縁辺もまた開口を流下する溶融金
属により溶かし削られ、生成鋳造物が使用不可となる程
度にまで融体を汚染する。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、液体金属が導管を通過するに際して該
金属の汚染を防止する方法を確立することである。

（発明を解決するための手段） 本発明は、液体金属が導管を通過するに際して該金属の
汚染を防止する方法として、 該液体金属と同じ材質から成るメルトリングを前記導管
内に設けそして前記液体金属を前記導管の内面と接触す
ることなく前記メルトリングにおける開口を通過せしめ
ることを特徴とする金属汚染防止方法を提供する。

（実施例の説明） 本発明を最初に説明した誘導コイル加熱溶解方法と関連
して説明するが、液体金属が導管を通過するに際して該
金属の汚染を防止する各種の状況に応用しうる。

第１図は、誘導炉の概略図である。固体金属の装入物
（チャージ）12は複数の巻線14を有する誘導コイル10内
に配置される。コイル10は、既知の方法で付勢されると
き磁場を発生する。この磁場が、装入物内に渦流を誘導
し、それにより装入物を加熱する。誘導加熱及び溶解の
一般的原理は周知であり、ここで詳しく説明する必要は
ないであろう。

コイル10はまた、それが付勢されるとき装入物に電磁力
を行使する。巻線は14は、それが発生する電磁力が装入
物12の下方部分に向けて一層集中するよう配列される。
好ましい具体例において、下方のコイルは、最下端に向
けて２重、３重或いはもっと多重化される。別様には、
巻線14は、装入物の底部に向けて巻線が上方部巻線より
装入物12に対して一層近接するよう配列される。また別
の方策は、複数の別個の電源を用意しそして各々下方部
の巻線がそれと関連して一層多くの電気エネルギーを有
するように装入物及び巻線の異なった部分と対応させる
ことである。

装入物12は、その溶解前に、貫通開口20を具備する支持
体18上に載置される。支持体18は、環状リングとして例
示されているが、環状である必要はない。しかし、開口
20は円形であることが好ましい。支持体18は、装入物が
溶解されるに際して装入物12に比較して相対的に冷たい
予備選定された温度に維持するための手段を含んでい
る。支持体18を冷却するための代表的手段は、管24によ
り供給される液体冷却材が循環する内部通路22を設ける
ことである。支持体18に対して好ましい材料は銅であ
る。

誘導コイルの最上段の巻線16は、誘導コイルの他の巻線
14の巻き方向とは反対の方向に巻かれる。この反対巻き
の巻線は、装入物12が部分的に浮揚する或いはヘイスタ
ッキングするのを防止する効果を有する。もし金属が部
分浮揚されるなら、部分浮揚により生じる過剰の表面積
が輻射熱損失の源となり、コイルの溶解効率を減じる。
上向き浮揚力がコイルの上端からの反対向きの力により
相殺されるこの型式のコイルは、米国特許第2,686,864
及び4,578,552号に開示されるように浮揚コイルとは逆
に「封じ込め」コイルとして知られている。必要なら、
誘導コイルの一つ以上の巻線が、上方浮揚力を相殺する
に充分の下向き力を提供するようにコイルの残部に対し
て反対向きに巻かれる。浮揚はまた、装入物12の上方に
配置される、然るべく設計されたディスク、リング或い
は他の種構造体のような浮揚力を抑制する受動性インダ
クタの使用により防止され得る。

固体装入物12は、コイル10内部に、巻線14と近接して但
しそれとの物理的に接触しないようにして置かれる。る
つぼが使用されないことが強調されるべきである。コイ
ル巻線14は、発生する磁力が金属が溶解するに際して金
属を支持しそしてコイルの中心と同心の円筒状容積部に
周面を閉じ込めるよう配列される。同時に、融体の浮揚
は上述した構成により防止される。

電力がコイル10に適用されるとき、金属は第２図に示さ
れるように、装入物の上部から溶け始める（固体金属12
は斜線で示しそして液体金属12aは無地で示す）。溶解
が進行するにつれ、第３図に示されるように、液体部分
12aが増大しそして装入物を通して下方に移動する。誘
導コイル10の底部の余分の巻線により与えられる高い磁
力により、液体部分12aは装入物12の側面を超えてそこ
を下って流下せずに、固体装入物12により占有されてい
た元の占有スペースをはみ出さないように閉じ込められ
る。

最終的に、液体金属12aから残存する固体金属12への熱
伝達は、支持体18上に直接載る金属のリムを除いて挿入
物すべてを溶解する。開口20に隣接する固体装入物部分
が最終的に溶け落ちるとき、液体金属は開口20を通過し
そして鋳型32或いは他の容器内に流下する。装入物12
は、鋳型32と同じ容積を持つよう寸法付けられている。
支持体18が管24及び内部通路22により比較的低い温度に
維持されているから、支持体18に近接する金属は固体の
まま残存している（第４図に26として示す）。

誘導加熱溶解方法は装入物12が溶解しそして溶融金属12
aが開口20を通過する際スラグ及び不純物を除去すると
いう追加的な利点を有することが見出された。装入物12
の誘導溶解の過程で、或る量のスラグと不純物とは溶融
した装入物の表面に移行する傾向がある。この量のスラ
グが第３図に斜線域13として示される。開口20が好まし
くは円柱状の装入物12の軸線に沿って配置されるから、
開口20はスラグ域13から離れている。従って、液体金属
12aが固体装入物12の底部を溶かし落しそして開口を通
過するとき、濃縮スラグが支持体の外周部に沿って堆積
する傾向がある。溶融金属12aの大半が開口20を通して
注出されるとき支持体表面との接触で冷却される支持体
に近接した金属は、主にスラグと不純物から構成され
る。第４図に26として示すこの金属残渣は型32内には入
らない。かくして本発明方法は、金属装入物を型32に鋳
込むに際してそれを一層精製する効果を有する。

装入物の下方部に向けて余分のコイル巻線14により供給
される磁力の目的が液体金属12aをコイル10の内部のス
ペースにそこから溢れ出ないように閉じ込めそして液体
金属内部に強い強制対流流れを提供することであって、
液体金属を浮揚させる、即ちそれを支持することではな
いことを再度想起されたい。液体金属12aの重量は装入
物の底部に未溶解状態で残存している固体金属12により
適正な鋳込み温度が得られるまで支持される。液体金属
12aを閉じ込めるに必要な力は金属の高さ及び密度のみ
の関数であるから、増大せる量の装入物は単に装入物及
び支持リングの直径を増大することにより溶解されう
る。

誘導溶解において、ある狭い温度範囲にある溶融金属を
提供する或いは金属を過熱する即ちその融点を超える温
度に加熱することが時として必要である。装入物12をコ
イル10内部に部分的にのみ置くことによりコイル内のそ
の装入物部分は装入物の底部を溶かすことなくそして液
体金属が早期に開口20を通して流出せしめられることな
く過熱されうる。液体金属12aが所望の温度になって初
めて装入物全体がコイル10内部に配置される。その後、
残りの装入物の溶解は急速であり、従って所望の温度に
ある溶融金属12aが待機している鋳型に流下する。

溶解工程のこの綿密な制御は第５図に示される具体例に
より達成され得る。ここでは、支持リング18は台座42上
に設置される垂直方向に可動のプラットホーム40を装備
する昇降装置に付設される。昇降装置は、空圧式、液圧
式、機械的或いは電気的或いは他の任意の手段により作
動されうる。装入物12が溶解し始めると、装入物12及び
支持リング18は装入物12の下方部分が誘導磁場により影
響されないようにコイル10の幾分下側に置かれる。この
下方位置において、装入物12の上部のみがコイル10内て
溶融されることになる。装入物12の上方部分における溶
融部分が所望の注湯温度に達するとき、昇降装置が作動
されて装入物を誘導コイル内部に完全に上昇させる。残
りの部分の溶解は急速に起こり従って所望の温度にある
液体金属12aが待機している型内に流下する。溶解プロ
セスの綿密な制御のために、必要とされることは装入物
12とコイル10との間で相対移動を与えることである。装
入物が第５図に示されるように固定コイルに対して可動
であってもよいし或いはコイルが固定装入物に対して可
動であってもよい。

支持体18における開口20を通しての溶融金属の流出様相
が第６図に詳しく例示されている。既に説明した通り、
支持体18は、例えばその内部の通路22を通して冷却材を
循環することにより溶解される装入物の融点より低い温
度に維持されている。支持体18が装入物の融点より低い
温度に維持されているために、少量の装入物が固体のま
ま残存しそして支持体18を覆いそしてそれと同心の環状
リム26を形成する。加えて、一度装入物が溶け落ちそし
て溶融金属が開口20を通して流下し始めると、僅かの金
属26aが開口20の内面に凝結する。

通常の操作において、装入物12の底部において溶融して
形成された穴は開口20の直径より大きくならない。従っ
て、通常の操作においては、支持体18を取り巻く或る量
に固体金属が常に存在するので、溶融金属は支持体18と
決して接触しない。しかし、それは常にそうとは限らな
い。

第７図は、装入物の底部に溶融形成された穴が開口20の
直径より大きくなったときに起こりうる事態を示す。そ
の場合、環状リムは支持体18の上面全体を被覆せず、開
口20の縁から引っ込んで、支持体の鋭尖な縁辺を露出状
態で残している。これは、開口20を通して流下する溶融
金属が支持体18と接触状態となり、それとの接触によっ
て汚染されるようになることを意味する。鋭尖な縁辺50
もまた開口20を流下する溶融金属により溶かし削られ、
生成鋳造物が使用不可となる程度にまで融体を汚染す
る。

この問題に対処するために、本発明に従えば、第８図に
示されるように、開口54を有するメルトリング52が使用
され得る。メルトリング52は支持体18の開口20の上縁に
沿って取付けられる。支持体18にはメルトリング52を載
置することのできる段19が形成され得る。メルトリング
52は装入物と同じ材料製とすることができる。開口54は
開口20より小さいので、環状リング26における穴が開口
54より大きくても、液体金属12aはメルトリング52を支
持体18と同程度までえぐって侵食することはない。溶融
金属12aは、開口20の上縁を侵食えずにメルトリング52
を溶かす。しかし、溶融金属12aはメルトリング52と同
等の材料であるから、メルトリング52からの溶融金属は
溶融金属12aが支持体18を通過する際それを汚染するこ
とはない。

上述したプロセスは、溶解プロセスから完全にるつぼを
排除することによりるつび汚染および反応を回避する。
また、電磁力により液体金属中に確立される強い対流の
故に、液体は顕著に均質である。

溶解は、周囲大気雰囲気、真空、加圧雰囲気或いは制御
された雰囲気において使用されうる。第９図は、その好
ましい具体例を示し、ここでは金属装入物12′及び支持
体18′が固定式とされそしてコイル14′がそれらに対し
て可動である具体例を示す。装入物12′は室64内部に配
置され、他方、コイル14′は室64の外側で可動手段62の
上に配置される。ガラスベルジャー或いは他の密閉容器
の形態となし得る室64は、金属装入物12′の周囲にその
溶解に際しての制御された雰囲気を創出することを容易
ならしめる。室64は、コイル14′内部で制御された雰囲
気空間を包囲するものとなしうるし或いはコイル14′及
び型32′をも包囲するようになしうる。室64の形態がど
んなものであれ、室64の壁は、金属装入物12′と接触せ
ずまたそのための容器として作用しないことを銘記すべ
きである。制御雰囲気に対する通常の必要性は、金属装
入物の溶解に際しての酸化を防止することである。従っ
て、室64は一般に、真空排気されるか或いはアルゴンの
ような不活性気体で加圧されうるが、特定の要求に応じ
て任意の気体で加圧され得る。

コイル14′は、第５図に示した具体例のように装入物12
の最上部が急速に溶解されそして所望なら過熱うるよう
装入物12′に対して移動できるようになっている。装入
物の上部における溶融部分が所望の温度に達すると（過
熱の場合は金属の融点をり充分に越えるものとされ得
る）、コイル14′は、金属装入物12′の残部を溶融する
ように装入物に対して下方に移動される。支持体が移動
する先の具体例のように、一旦溶解が始まると、装入物
の残部の溶解は急速であり、完全に溶融した装入物が支
持体18′の開口20′を通して待機中の鋳型に流下する。
鋳型は更に、鋳型への溶融金属の流量を制御する真空手
段及び鋳型内の溶融金属を鋳型が一杯になるまで液体状
態に維持するための誘導サスセプタ加熱手段をも含むこ
とができる。

もちろん、可動コイル14′は、第９及び10図に示される
ような密封室64なしでも使用され得る。

型に溶融金属を鋳込むに加えて、溶融金属を粉末に形成
する手段と共に使用することができる。粉末を形成する
ための装置の一例が第10図に示される。溶融金属から粉
末を形成する好ましい方法は、溶融金属を支持体18にお
ける開口20を通過せしめそして第10図において例えば75
として示される高速回転盤上に衝突せしめることであ
る。溶融金属が回転円盤上に到達するとき、溶融金属は
小さな滴の形態で振り飛ばされる。これら滴は円盤から
振り飛ばされるに際して大気中で冷えそして凝固する。
溶融金属滴が適当な容器内に達するまでに、それらは冷
却されそして硬化されて微細な粒子を形成する。

上記の方法はアルミニウム、リチウム或いはチタンの合
金ような活性金属を鋳造するのに非常に有用であること
が判明した。更に、本発明の溶解装置を使用してのアル
ミニウム合金の鋳造において、従来方法に比べてはるか
に微細な結晶粒寸法を有する鋳造物が実現されることが
見出された。

上記の方法は、別途の注湯作業が必要とされないので自
動化に適合する。適正な注湯温度が第５図に示されるよ
うな昇降装置或いは第９乃至10図におけるような可動コ
イルの使用なく実現される場合、装入物の底部を溶解す
るに所定量の熱が装入物に伝達されたとき注湯が起こ
る。光学的或いは赤外線温度測定装置を付加することに
より、過熱制御が所望されるとき該温度測定装置からの
信号がコイル或いは支持体を移動せしめるための手段を
起動しまた電源を制御するように制御回路が設計され得
る。

（発明の効果） 本発明は、簡単な手段で導管通か時の金属の汚染を防止
する。

本発明の好ましい具体例について説明したが、本発明の
範囲内で当業者は多くの変更をなしうることを銘記され
たい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、誘導コイル内部に配置されそして支持体によ
り支持された固体金属装入物を示す溶解装置の概略説明
図である。 第２及び３図は、誘導コイル内での装入物の溶解状態を
順次して示す（斜線が固体金属を示す）第１図と同様の
概略説明図である。 第４図は、誘導コイル内の溶融金属を鋳型に注湯する状
況を示す第１図と同様の概略説明図である。 第５図は、誘導コイルに対して可動のプラットホーム上
に支持体を設置した装置の概略説明図である。 第６及び７図は、支持体の詳細断面図である。 第８図は、支持体のまた別の具体例の断面図である。 第９及び10図は、更に別の装置の具体例を示す概略説明
図である。 10:誘導コイル 12:固体金属の装入物（チャージ） 12a:液体金属 13:スラグ 14:巻線 16:最上段の巻線 18:支持体（リング） 20:開口 22:内部通路 32:鋳型 26:金属残渣（環状リム） 26a:僅かの金属 40:プラットホーム 42:台座 52:メルトリング 12′：金属装入物 14′：コイル 18′：支持体 64:室 32′：型 75:高速回転盤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体金属が導管を通過するに際して該金属
   の汚染を防止する方法であって、 該液体金属と同じ材質から成るメルトリングを前記導管
   内に設け、 前記液体金属を前記導管の内面と接触することなく前記
   メルトリングにおける開口を通過せしめることを特徴と
   する金属汚染防止方法。