JPH0910916A - レビテーション溶解法及びレビテーション溶解・鋳造装置 - Google Patents
レビテーション溶解法及びレビテーション溶解・鋳造装置Info
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Abstract
のような種々の形状の溶解材料をも使用することがで
き、かつそのような溶解材料を使用してもなお加熱効率
を良好に維持する。 【構成】 ルツボ13の内径と一致するように形成したス
タート材料棒WBを挿入し、Arガスでシールドして溶解
を開始する(A)。そして、溶湯WMが形成されたら、鋳
型31の吸上管33を溶湯WM内に挿入し、減圧吸引により溶
湯WMの一部を鋳型31内に吸い上げて鋳込みを行う
(B)。鋳込みが完了したら、スライド蓋15をスライド
させ、溶解材料ホルダ19をルツボ13の直上に位置するよ
うにセットし、スライドシャッタ35を開いて溶解材料片
WSをルツボ13内に残っている溶湯WMの上に追加挿入する
(C)。追加挿入された溶解材料片WSの隙間に溶湯WMが
入り込み、密な状態のかたまりに対して誘導加熱が実行
される。
Description
を設置した水冷銅ルツボ内に溶解材料を挿入し、ルツボ
壁面に溶湯が接触しないようにして溶解を行うレビテー
ション溶解法に関する。
Tiの様な高融点活性金属による精密鋳造を行う場合、
図4に示すように、円筒状の水冷銅ルツボ101の周囲
に誘導加熱コイル103を設置し、ルツボ101の下方
より溶解母材105を挿入すると共にルツボ内をArガ
スでシールドし、溶湯をルツボ壁面に触れさせることな
く形成し、溶湯内に介在物が混入しないようにしながら
精密鋳造型107内に吸い上げて溶解・鋳造する方法
(レビテーション溶解法)が知られている(例えば、特
開平4−41062号公報)。
用した溶解・鋳造法では、鋳型に溶湯を吸い上げたら、
次の鋳造のために母材105を押し上げて新たな溶湯を
形成し、次の鋳造を行っていた。このため、ルツボ10
1に合致する特定の断面形状の母材105を準備してお
く必要があり、このような母材105をメルティングス
トックとして予め製造しておくための工程が別途必要と
なっていた(例えば特開平6−71416号)。
クラップ材などを挿入するようにすればこのような母材
製造の手間がなくなるのであるが、スクラップ材は種々
の形状をしていて隙間が大きく空いて充填効率が低いた
め、誘導加熱による加熱効率が悪く、溶解速度が上がら
ないという問題がある。このため、結局、全体としての
工数低減は不十分となってしまう。
種々の形状の溶解材料をも使用することができ、かつそ
のような溶解材料を使用してもなお加熱効率を良好に維
持することを目的とする。
レビテーション溶解法は、周囲に誘導加熱コイルを設置
した水冷銅ルツボ内に溶解材料を挿入し、ルツボ壁面に
溶湯が接触しないようにして溶解を行うレビテーション
溶解法において、出湯時に、溶湯をルツボ内に残すよう
にし、該溶湯の上に新たな溶解材料を追加挿入して、繰
り返し溶解を行うことを特徴とする。
されずにルツボ内に残された溶湯の上に新たな溶解材料
を追加するので、残存している溶湯が溶解材料の隙間に
入り込み、結果として、追加挿入される溶解材料の形状
が不規則で嵩密度も低いようなものであったとしても、
材料の隙間に残湯が回り込み、全体としては密度の高い
状態を作り挙げる。この結果、溶解材料として特定断面
形状のものを用意する必要がなくなり、溶解材料調整の
工程を不要とすることができる。また、嵩密度の低い不
規則な形状の溶解材料を使用しても、効率のよい溶解を
実行することができ、工程全体としての工数も十分に低
減し得る。
コストをなくし、工程全体の大幅な工数短縮も可能とな
るので、例えば、精密鋳造などに応用したとき、最終製
品の大幅なコストダウンを可能にするという効果が期待
できる。このレビテーション溶解法においては、特に、
前記ルツボ内に残される溶湯の量が、前記追加挿入され
る新たな溶解材料の隙間を満たすに十分な量とされてい
ることが望ましく、より具体的には、下記(1)式にお
いて、K<1.8を満足するように、追加挿入する溶解
材料の重量及び嵩比重と、1回の出湯量とを設定すると
よい。
いて詳しく説明し、上記式の意味をより明瞭にする。ま
ず、追加挿入される溶解材料中の隙間堆積VS は、バラ
積み状態では下記(2)式で表される。
表される。
材料充填が粗な状態になり、誘導加熱効率が低下する。
本発明者らの経験によると、VS =1.8VR の辺りに
加熱効率の遷移点があり、VS ≦1.5VR の範囲であ
れば、ほぼ確実に加熱効率の極端な低下を防ぐことがで
きるものと考えられる。
一定の高いレベルに維持できるけれども、VS がVR よ
りも極端に小さいということは、不当に大きい設備が必
要なことを意味する。本発明者らの検討によると、VS
の下限値は0.5VR 程度に留めるようにすると、設備
のサイズとの関係で現実的であると結論することができ
る。
をKとおくと、VS とVR との関係は次式で表される。
入して整理すると、下記(5)〜(7)式の様に変形す
ることができる。
出せるのである。そして、上述した様に、Kはその有効
範囲として、1.8を越えないこと、より確実には設備
の大型化という問題も考慮して、0.5≦K≦1.5と
なるのである。また、本発明のレビテーション溶解法に
おいては、追加挿入すべき溶解材料の嵩比重が下記
(8)式においてK<1.8を満足するように、溶解材
料となるべき材料片、材料粉を混合しておくとよい。こ
の場合も、より望ましくは、0.5≦K≦1.5とす
る。
について整理したものである。例えば、同型の鋳型を用
いて精密鋳造による大量生産を行う場合などにおいて
は、上記の追加挿入重量WS は鋳型の大きさでほぼ一定
の値に決ってくる。そして、当該重量に見合った追加挿
入用の溶解材料を調整するに当り、上記(8)式を満足
するように溶解材料としての各種形状の材料の混合割合
などを決定すればよいのである。
しもコンスタントとなる必要はなく、上記の(1)式や
(8)式を満足する限りは多少増減しながら繰り返し溶
解を行う様にしてもよい。従って、追加挿入する溶解材
料も、上記の(1)式や(8)式を満足する範囲内で挿
入量や嵩比重が増減していても構わない。
て適用することも可能なのであるが、レビテーション溶
解法自体の特徴として介在物の混入を防止できるので、
Ti,Cr,Mo,Ni等やこれらの合金のような高融
点活性金属の溶解に特に適している。また、用途として
は、ニアネットシェイプの鋳造(切削等の仕上げ加工の
量が極わずかであるような最終製品形状に近い形状への
鋳造、例えば精密鋳造など。)を行う場合の溶解法とし
て特に適するものである。もちろん、これらの溶解材料
以外の材料を用いてもよいし、また、ニアネットシェイ
プの鋳造以外の鋳造(例えば、インゴットの鋳造、ビレ
ットの鋳造)や、その他の用途に適用しても構わない。
いずれにしても、ほぼ一定量ずつ出湯しながらレビテー
ション溶解を継続する方法であるなら、どのような溶解
材料、どのような用途に対しても本発明を適用し得る。
を鋳造に適用する場合、周囲に誘導加熱コイルを設置し
た水冷銅ルツボの底を溶解材料と同種材料によって閉塞
すると共に、ルツボ内を不活性ガスでシールドし、前記
誘導加熱コイルに通電してルツボ内の溶解材料を溶解
し、鋳型の吸上管をルツボ上部から溶湯内に挿入し、減
圧吸引鋳造を行うように構成したレビテーション溶解・
鋳造装置において、ルツボ内に追加挿入すべき溶解材料
を収納する溶解材料ホルダを備え、該ホルダを前記減圧
吸引鋳造による鋳込みが完了したら、鋳型に代わってル
ツボ上に位置せしめ、ホルダ内の溶解材料をルツボ内に
投入するように構成したことを特徴とするレビテーショ
ン溶解・鋳造装置を用いるとよい。本装置が従来のレビ
テーション溶解・鋳造装置と異なるところは、溶解材料
ホルダを採用し、ルツボの上部より溶解材料を追加挿入
できるようにした点である。そして、このように溶解材
料ホルダを採用したので、上記の(1)式や(8)式を
満足するように予め溶解材料を準備しておくことがで
き、これらの式を満足する様に溶解材料の追加挿入を行
うことを容易ならしめている。
施例を説明する。実施例は、Ti合金製のゴルフクラブ
ヘッドについて、ニアネットシェイプの精密鋳造を行う
ための溶解・鋳造装置に関する。
うに、周囲に誘導加熱コイル11を設置した円筒状の水
冷銅ルツボ13と、このルツボ13の上部にスライド可
能に設置されたスライド蓋15と、このスライド蓋15
に設置された減圧吸引装置17と、同じくスライド蓋1
5に設置された溶解材料ホルダ19とを主要な構成とし
てなる。
による内外二重構造で、内筒23は上下に昇降し得るよ
うになっている。また、外筒21側にはArガスの吹き
込み口(Ar吹込口)25が設けられており、溶解・鋳
造の際に、外筒21底部の隙間を介してルツボ13内を
Arガスでシールドする役割を果たしている。また、内
筒23には真空ポンプ(図示略)と連絡する減圧口27
が設けられている。そして、この内筒23に減圧吸引鋳
造用の精密鋳型31が設置されている。この鋳型31に
は下方へ伸びる吸上管33が設けられており、内筒23
を下降させることで吸上管33を溶湯中に挿入し、上記
の減圧口27から減圧吸引を行うことで鋳型31内に溶
湯を吸い上げて鋳込みを実行する。
ャッタ35を備え、上部から投入したスクラップのよう
に各種形状をした溶解材料片WSを底部から投下するこ
とができるようになっている。この溶解材料ホルダ19
には、(1)式や(8)式を満足するように予め混合・
計量した溶解材料片WSが投入されている。なお、図中
符合37は鋳型押えである。
な手順で溶解・鋳造を繰り返し実行する。まず、最初
に、断面形状をルツボ13の内径と一致するように形成
したスタート材料としての溶解材料の棒WBを挿入す
る。そして、ルツボ13の上部開口を減圧吸引装置17
の外筒21の部分で塞ぐ様にスライド蓋15をセット
し、Ar吹込口25からArガスを吹き込んでルツボ1
3内をシールドし、コイル11に通電して溶解を開始す
る。なお、このとき、減圧吸引装置17の内筒23は上
昇位置にある((A)参照)。
タート用材料棒WBによる溶湯WMが形成されたら、減
圧吸引装置17の内筒23を下降させ、鋳型31の吸上
管33を溶湯WM内に挿入する。そして、減圧吸引によ
り、溶湯WMの一部を鋳型31内に吸い上げて鋳込みを
行う。なお、この場合の吸い上げ量は、鋳型31の大き
さに応じたほぼ一定の量となる((B)参照)。
15をスライドさせ、溶解材料ホルダ19をルツボ13
の直上に位置するようにセットする。そして、スライド
シャッタ35を開き、溶解材料片WSをルツボ13内に
残っている溶湯WMの上に追加挿入する((C)参
照)。
形状のものを上述した様に(1)式や(8)式を満足す
るようなρS となるように混合され、また、重量的には
出湯量とほぼ同一となるように計量されて準備されたも
のであり、それ自体は隙間を有する粗なかたまりであ
る。しかし、上述の様にルツボ13内に溶湯WMが残っ
ているので、この隙間内に溶湯WMが流れ込み、全体と
して密なかたまりとなってコイル11による加熱を受け
る((D)参照)。この結果、加熱効率を低下させるこ
となく迅速に溶解することができる。
を形成している間に、次に使用する鋳型31をセットし
ておく。また、減圧吸引鋳造を行っている間に、次に追
加挿入すべき溶解材料片WSをホルダ19内に準備して
おく。こうして、溶解→減圧吸引鋳造→材料追加挿入→
溶解→減圧吸引鋳造→…と工程を繰り返し実行し、所望
の鋳造品を効率よく製造することができる。
て説明する。実験には、上述した実施例の溶解・鋳造装
置10を使用し、溶解材料としてTi−6Al−4V合
金を用いた。そして、上記(1)式等に用いた各パラメ
ータを下記表1に記載の様に取り、追加挿入した溶解材
料を溶解するのに要する時間を計測した。
る。このグラフから分かる様に、No.1〜No.3は
溶解時間が60sec程度以下と短時間であったのに対
し、No.4〜No.5になると急に溶解時間が長期化
することが分かる。これは、Kが大きくなるほど追加挿
入された溶解材料片の隙間が大きくなり、十分に溶湯が
入り込まず、粗な状態のままで誘導加熱がなされるため
と考えられる。
おいて溶解時間が94secと135secの様に、約
50%程度相違していることから、K=1.8の辺りに
遷移点があるものと考えることができる。また、Kがあ
るレベルより小さくなれば、各溶解材料片の隙間は残存
している溶湯にてすべて充填されると考えてよいので、
溶解時間がパラメータKに関係なくほぼ一定になるはず
である。
中心に遷移点があると考えられることとあるレベルから
下ではKに拘らず溶解時間がほぼ一定になるはずでるこ
とからグラフに外挿線(実線)を描いて見ると、図示の
様に、K=1.5の辺りよりも下であれば溶解時間を十
分に短縮できるといっても差し支えないことが分かる。
量の割合を小さくして残湯量を大きくすることを意味す
る。従って、Kをあまりにも小さく設定する場合には大
きなルツボが必要となり、実際の操業には問題が生じて
くる。以上の観点より、Kの上限側として、1.8を越
えないこと、より望ましくは1.5以下となっているこ
と、さらに望ましくは1.2以下となっていることが要
望され、Kの下限側としては、0.5程度に抑えられる
ことが要望される。
明はこれに限らず種々なる態様にて実施することが可能
である。
置の構成を示す説明図である。
る。
を示す説明図である。
ル、13・・・水冷銅ルツボ、15・・・スライド蓋、
17・・・減圧吸引装置、19・・・溶解材料ホルダ、
21・・・外筒、23・・・内筒、25・・・Ar吹込
口、27・・・減圧口、31・・・精密鋳型、33・・
・吸上管、35・・・スライドシャッタ、37・・・鋳
型押え、WB・・・スタート用材料棒、WM・・・溶
湯、WS・・・溶解材料片。
Claims (6)
- 【請求項1】 周囲に誘導加熱コイルを設置した水冷銅
ルツボ内に溶解材料を挿入し、ルツボ壁面に溶湯が接触
しないようにして溶解を行うレビテーション溶解法にお
いて、出湯時に、溶湯をルツボ内に残すようにし、該溶
湯の上に新たな溶解材料を追加挿入して、繰り返し溶解
を行うことを特徴とするレビテーション溶解法。 - 【請求項2】 請求項1記載のレビテーション溶解法に
おいて、前記ルツボ内に残される溶湯の量が、前記追加
挿入される新たな溶解材料の隙間を満たすに十分な量と
されていることを特徴とするレビテーション溶解法。 - 【請求項3】 請求項2記載のレビテーション溶解法に
おいて、下記数1でK<1.8を満足するように、追加
挿入する溶解材料の重量及び嵩比重と、1回の出湯量と
を設定することを特徴とするレビテーション溶解法。 【数1】 - 【請求項4】 請求項2記載のレビテーション溶解法に
おいて、追加挿入すべき溶解材料の嵩比重が下記数2に
おいてK<1.8を満足するように、溶解材料となるべ
き材料片、材料粉を混合しておくことを特徴とするレビ
テーション溶解法。 【数2】 - 【請求項5】 請求項3又は請求項4記載のレビテーシ
ョン溶解法において、前記操業パラメータが0.5≦K
≦1.5を満足することを特徴とするレビテーション溶
解法。 - 【請求項6】 周囲に誘導加熱コイルを設置した水冷銅
ルツボの底を溶解材料と同種材料によって閉塞すると共
に、ルツボ内を不活性ガスでシールドし、前記誘導加熱
コイルに通電してルツボ内の溶解材料を溶解し、鋳型の
吸上管をルツボ上部から溶湯内に挿入し、減圧吸引鋳造
を行うように構成したレビテーション溶解・鋳造装置に
おいて、 ルツボ内に追加挿入すべき溶解材料を収納する溶解材料
ホルダを備え、該ホルダを前記減圧吸引鋳造による鋳込
みが完了したら、鋳型に代わってルツボ上に位置せし
め、ホルダ内の溶解材料をルツボ内に投入するように構
成したことを特徴とするレビテーション溶解・鋳造装
置。
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EP (1) | EP0751361B1 (ja) |
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