JPS6092432A - プラズマア−ク溶解方法および溶解装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、一般的な金属材料はもちろんのこと、とく
に高融点金属や超合金等の難溶解、鰺加工性材料の溶解
に使用するのに適したプラズマアーク溶解方法および溶
解装置に関するものである。

（従来技術） 従来、プラズマアークを使用したプラズマアーク溶解装
置としては、例えば、第１図に示す構造のものがあった
。すなわち、第１図において、１は密閉容器、２．２は
密閉容器１の側部に固定したプラズマトーチ、３は同じ
く密閉容器１の上部に上下移動可能に取付けた被溶解材
、４は水冷鋳型、５は同じく密閉容器１の下部に上下移
動可能に取付けた凝固金属受、６は陰極側を前記プラズ
マトーチ２，２に接続すると共に陽極側を凝固金属受５
側に接続したプラズマアーク発生用電源である。

このようなプラズマアーク溶解装置による被溶解材３の
溶解は、凝固金属受５の上端部分を水冷鋳型４内に位置
させた状態において、富閉容器１内を不活性な雰囲気に
し、プラズマアーク発生用電源５より通電を開始して、
プラズマトーチ２と、凝固金属受６上に置いた図示しな
い着弧部材との間でプラズマアーク７を発生させ、この
プラズマアーク７の熱によって被溶解材３の下端部分を
溶解して、水冷鋳型４内に落下させ、水冷鋳型４内にた
まった溶融金属８を水冷鋳型４により強制凝固させ、こ
の間凝固金属受５を徐々に降下させて凝固金属２を得る
ものである。

このようなプラズマアーク溶解装置では、一般的な金属
材料はもちろんのこと、とくに高融点金属等の難溶解材
料の溶解に適しており、溶解時における不純物の吸収も
少ないので、高品質の材料を得るための溶解力Ｕ：とし
てすぐれたものである。このプラズマアーク溶解におい
て、溶解の際にはプラズマアークがプラズマトーチ２の
先端と溶融金）Ｉル８との間で生じ、溶融金属８は常に
過熱された状態にあっである程度の溶融深さを保ってお
り、この溶融金属８に加えられるエネルギは大きいもの
となっている。したがって、溶融金属８の量は比較的多
く、溶融金属８の凝固は水冷鋳型４の部分でやや早く、
中心部分ではそれよりも遅い緩慢なものとなるため柱状
晶として凝固することとなり、溶融金属８の凝固収縮や
密度差によって柱状晶間で未凝固金属の流動を生じ、マ
クロ偏析をひき起こしやすいものであった。また、凝固
金属（鋳塊）夕は水冷鋳型４によって強制冷却されたも
のであるため熱応力を伴いやすく、さらに、プラズマア
ークによるエネルギは被溶解材３の溶解のほか、溶融金
属８の過熱にも消費され、溶融金属８は水冷鋳型４によ
って絶えず抜熱されているため、エネルギ消費昂が比較
的多いものであった。

（発明の目的） この発明は、上述した従来のプラズマアーク溶解に伴う
種々の事情に着目してなされたもので、プラズマアーク
加熱により生じた溶融金属の凝固が著しく早く、溶融金
属のたまり部分が非常にわずかでかつ浅いため、均一で
且つ微細な等軸晶組織をもつ凝固金属あるいは完全一方
向凝固金属を得ることが可能であり、とくに数多くの合
金元素を含む超合金の溶解に際しても各成分の偏析を伴
わず、従来の水冷鋳型を使用するプラズマアーク溶解法
、エレクトロスラグ溶解法、真空アーク溶解法では偏析
を生じやすいため問題の多かった大型鋳塊の製造も偏析
を伴なうことなく容易に行うことができ、また、溶解に
必要なエネルギも著しく少なくてすみ、溶解速度も大き
なものとすることが可能であるというすぐれた特長をも
つプラズマアーク溶解方法およびプラズマアーク溶解装
置を提供することを１」的としている。

（発明の構成） この発明によるプラズマアーク溶解方法は、電源の−、
一方に接続したプラズマトーチの先端と、前記電源の他
方に接続した被溶解材の端部とを対向させて前記プラズ
マト−チと被溶解材との間でプラズマアークを発生させ
、前記プラズマアークによる加熱で前記被溶解材を溶解
して落下させ、次いで凝固させて均一で且つ微細な等軸
晶凝固金属あるいは一方向凝固金属を得ることを特徴と
し、この方法の実施に直接使用するこの発明によるプラ
ズマアーク溶解装置は、プラズマアーク発生用電源と、
前記電源の一方に接続したプラズマトーチと、前記電源
の他方に接続した被溶解材の端部と前記プラズマトーチ
の先端とを対向させた状態で前記被溶解材を保持する被
溶解材保持手段と。

前記プラズマトーチと被溶解材との間で発生したプラズ
ママークにより加熱された被溶解材の液滴を受ける液滴
受手段と、を備えたことを特徴としている。

この発明おいて使用されるプラズマトーチは。

Ａｒ、Ｎ２．Ｈｅ等の不活性ガスやこの不活性ガスを主
体とする混合ガス等を作動ガスとしたものなどがあり、
例えばタングステン非消耗電極を用いてこの電極をプラ
ズマアーク発生用電源の陰極側に接続すると共に前記電
源の陽極側をプラズマトーチ外のプラズマアーク発生端
に接続したいわゆる移送式のものが用いられるが、プラ
ズマトーチの細かな構造は特に限定されない。また、プ
ラズマＩ・−チの本数も限定されない。そして、必要に
応じて、プラズマアークの電流を周期的に変化させたり
、プラズマアークの向きを周期的に変化させるためにプ
ラズマトーチを揺動させたりすることもできる。

他方、被溶解材は、一般的な金属のほか、とくに高融点
金属や超合金等の難溶解、難加工性材料を使用すること
もでき、特に限定されない。また、被溶解材の本数も限
定されない。そして、必要に応じて、被溶解材の端部で
の溶解が平均的に行われるように、被溶解材を回転させ
たり、周期的に揺動させたりすることも可能である。

この被溶解材は、所定の合金成分を有する例えば真空誘
導溶解した柱状凝固金属が使用されるが、そのほか、例
えば所望合金成分にあわせて複数種の金属体を束ねたも
のとし、この東金属棒とプラズマト−チとを対向させて
プラズマアークの熱により東状金属棒を溶解し、液滴と
して落下させて凝固させることにより、所定成分の合金
を得るようになすこともＩＪＩ能である。

そして、１本または数本のプラズマトーチと同じ〈１本
または数本の被溶解材とをギャップをおいて突き合わせ
る態様としては、プラズマトーチおよび被溶解材の両方
を水平状態にして各端部を突き合わせる態様のほか、プ
ラズマトーチおよび被溶解材のいずれか一方を水平状態
にすると共にいずれか他方を傾斜状態とする態様や１両
方共を傾斜状態とする態様、さらには被溶解材を垂直状
態にしかつプラズマトーチをその下部側から上向きに傾
斜状態とする態様など、種々の形態がある。そして、こ
の被溶解材を保持する被溶解材保持手段としては、従来
の消耗電極式アーク溶解炉において使用されているもの
、その他適宜の構成を有する被溶解材移動可能式のもの
が使用される。

また、雰囲気は必らずしも真空でなくともよく、減圧か
ら加圧状態（例えば０．１１−１Ｏａｔ　）の間で適宜
選定することができる。したがって、例えば、Ｍｎ、Ｃ
ｒ等のような高蒸気圧元素の場合には当該元素の蒸発が
生じがたい比較的高圧の雰囲気で溶解すれば、上記元素
の蒸発損失が著しく少ない状態で高い歩留りで溶解する
ことが可能である。さらに必要に応じて雰囲気を減圧し
た状ｍ）とすれば、蒸気圧の高い不純物が除去されるよ
うになり、これによって被溶解材の精製も可能である。

さらにまた、上記雰囲気は不活性雰囲気とすることも場
合によっては望ましく、例えばＮ２＋Ａｒ、Ｈｅ等の不
活性ガスを使用するほか、これらのガスを主体とした不
活性な混合ガスやＨ２ガスその他非酸化性ガス等の雰囲
気とすることもできる。そして、例えば、窒素含有量を
多くするＡ立Ｎ細粒鋼の場合に、雰囲気をＮ２として加
窒に利用することもできる。

そのほか、被溶解材がプラズマアークの熱によって滴下
した際、その液滴を受ける液滴受手段としては、耐火物
容器や金属容器などが使用され、使用形態によって予熱
鋳型、断熱鋳型、水冷鋳型などが使用される。また、こ
の液滴受手段は、静置９重心回転、偏心回転、昇降（下
方引出し）等の適宜の構成のものを選んで採用すること
ができ、例えば、Ｍ型を回転させることによって液滴を
均一に分散させることが可能となる。さらに、液滴受手
段の形状も円柱形、環状形、長方体形等々の種々の形状
のものとすることができ、例えば環（管）状の凝固塊を
得る場合には、環状の鋳型を回転可能に設置し、この環
状の鋳型を回転させつつ、プラズマアークにより加熱さ
れた被溶解材の液滴が上記鋳型内に落下するようになせ
ばよい。

さらに、上記液滴受手段は、凝固塊の温度勾配が大きく
なりすぎないように、適宜予熱および断熱等の手段をと
ることも場合によっては望ましい。

さらにまた、液滴受手段を高速回転体とし、被溶解材の
液滴を高速回転する円盤上に落下させて飛散急冷させる
ことにより、非晶質の粉末を得ることもできる。

そして、上述した各種の条件の中から適宜選択して、プ
ラズマアーク溶解により凝固金属を得るに際しては、上
記プラズマトーチをプラズマアーり発生用電源の例えば
陰極側に接続すると共に。

被溶解材を前記電源の陽極側に接続し、前記プラズマト
ーチの先端と被溶解材の端部とを対向させた状態にして
、雰囲気を例えば不活性ガスとし。

前記電源を供給することにより前記プラズマトーチと被
溶解材との間でプラズマアークを発生させ、このプラズ
マアークによる加熱で前記被溶解材をその端部で溶解し
、液滴として落下させる。

このとき、前記液滴受手段においては電源が接続されて
おらずしたがって何らのエネルギも供給されていないの
で、溶融金ＪｉＡのたまりか非常にわずかな状態から凝
固することとなり、それゆえ等軸品凝固あるいは完全一
方向凝固の形態をとることとなるため、著しく均一でマ
クロ偏析も少ない鋳造組織の凝固金属となる。

そのため、凝固金属の加工性が著しく優れたものとなり
、従来一般に加工が難かしいとされていた超合金等の難
加工性材料を任意の形状に鍛造加工することも可能にな
るという非常に優れた利点を得ることができる。また、
従来のように溶融金属の部分が多くかつ水冷鋳型によっ
て多くの熱がうばわれるということもないため、被溶解
材の溶解に要するエネルギも非常に少なくて済むと共に
溶解速度もかなり早いものとすることができるという利
点も得ることができる。さらに、溶解は必ずしも真空雰
囲気でなくともよいため、合金成分中の蒸気圧が高い元
素の揮発損失を生ずることもないという利点も有する。

この発明においては、溶解用熱源としてプラズマアーク
を使用しているので、アークが著しく安定なものであり
、例えばプラズマトーチの代わりに別の電極（または被
溶解材）を用いて前記被溶解材と対向させ、両者間の間
でアークを飛ばして前記対向する一方または両方の被溶
解材を溶解する方法の場合はどアーク間隔を細かく制御
する必要はなく、プラズマトーチと被溶解材との間隔が
多少変動してもプラズマアークは安定したものであるた
め、溶解の際の制御が容易であって操業も安定して行う
ことができる。

（実施例１） 第２図はこの発明の実施例１を示す図であって、１１は
密閉容器、１２はプラズマトーチ、１３はプラズマト−
チを保持するプラズマトーチ保持手段、１４は被溶解材
、１５は前記被溶解材１４の端部と前記プラズマトーチ
１２の先端とを対向させた状態で前記被溶解材１４をそ
の軸方向に移動可能に保持する被溶解材保持手段、１６
は液滴受手段としてのるつぼ、１７はるつぼ１６の回転
手段、１８はプラズマトーチ１２偏に陰極を接続し且つ
被溶解材１４側に陽極を接続したプラズマアーク発生用
電源である。

次に、被溶解材１４の溶解に際しては、密閉容器１１内
をその連通Ｉｒ！ｃ１１ａ部分より排気したのち不活性
ガス例えばＡｒガスで置換すると共に、プラズマト−チ
１２のプラズマ作動ガスとしてＡｒを用い、電源１８を
供給してプラズマトーチ１２と被溶解材１４との間でプ
ラズマアーク１２を発生させる。すると、このプラズマ
アーク１２によって加熱された被溶解材１４はその端部
より液滴２０としてるつぼ１６内に落下し、等軸晶凝固
あるいは一方向凝固して凝固金属２１となる。この溶解
の間、被溶解材１４をその溶解速度に合わせて被溶解材
保持手段１５によって順次プラズマトーチ１２側に移動
させるようにする。また、液滴２０を平均的に分散させ
てより均一な凝固金属２１が得られるように、必要に応
じて回転手段１７を作動させてるつぼ１６を回転させる
。

（実施例２） 第３図はこの発明の実施例２を示す図であって、１１は
密閉容器、１２．１２は密閉容器１１の２箇所に設けた
プラズマトーチ、１３．１３は各プラズマトーチ１２，
１２を保持するプラズマトーチ保持手段、１４は密閉容
器１１の頂上部において被溶解材保持手段１５により上
下移動可能に設置した被溶解材、１６は液滴受手段とし
てのるつぼ、１７はるつぼ１６の回転手段、１８はプラ
ズマアーク発生用電源である。

このような構成とすることによっても、電源１８を供給
して各プラズマトーチ１２．１２と被溶解材１４との間
でプラズマアーク１２を発生させることにより被溶解材
１斗の溶解が可能であり、プラズマトーチ１２を２本設
置してｌ、％ることからより太径の被溶解材１斗の溶解
が短時間のうちに行われ、被溶解材１４は液滴２０とな
ってるつぼ１６内に落下し、直ちに等軸晶凝固あるＩ／
Ｘｔ太一方向凝固して凝固金属２１となる。

（実施例３） 第４図はこの発明の実施例３を示す図であって、プラズ
マトーチ１２が３本（ただし、１本１１図示省略）であ
り、被溶解材１４も３本であって、各々プラズマト−チ
１２の先端と被溶解材１斗の下端との間でプラズマアー
ク１２を発生させて、被溶解材１４を溶解させて液滴２
０として落下させ、るつぼ１６内で凝固金属２１とする
。

（具体例） 第２図に示す装置において０．０４％Ｃ−１７，７％Ｃ
ｒ−３，１５Ｍｏ−１，３％Ｗ−１４．５％Ｃｏ−２，
４４％八免へ５．０％Ｔｉ−０．０２７％Ｂ−０．０４
％Ｚｒ−０，４１％Ｆｅ−Ｎｉよりなる超合金（Ｕ−７
２０）を真空誘導溶解により柱状（φ８０ｍｍ）に鋳造
凝固させた被溶解材１４を用い、この被溶解材１４を被
溶解材保持手段１５により保持させた。次いで、密閉容
器１１内を１　ａｔｍのＡｒ雰囲気とし、電源１８を供
給することによってプラズマトーチ１２と被溶解材１４
との間でプラズマアーク１２を発生させ、被溶解材１４
の端部をプラズマアーク１．２により加熱溶解し、落下
する液滴２０をるつぼ１６内で凝固させてφ１５０＋ａ
ｍの凝固金属２１を得た。

次に、上記凝固金属２１の組織を金属顕微鏡により観察
したところ、著しく均一でかつ微細な結晶を有し、マク
ロ偏析も少ない凝固組織を有するものであった。次いで
、上記凝固金属２１の熱間加工性を評価するため、１１
７０℃Ｘ４ｈｒの均質化熱処理をした後、長手方向に試
験片を削り出し、グリ−プル高速引張試験を行った。一
方、比較として、前記真空誘導溶解時に同時に得た被溶
解母材（φ８０■）を真空アーク再溶解して得た鋳塊（
φ１５０ｍｍ）についても行った。その結果。

第５図に示すように、本発明の方法で得たものは、真空
アーク再溶解材に比較して全温度範囲で高い絞り値が得
られ熱間加工性にすぐれたものであった。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によれば、電源の一
方に接続したプラズマトーチの先端と、前記電源の他方
に接続した被溶解材の端部とを対向させて前記プラズマ
トーチと被溶解材との間でプラズマアークを発生させ、
前記プラズマアークによる加熱で前記被溶解材を溶解し
て液滴として落下させ、これを適宜の液滴受手段により
受けることによって均一で且つ微細な等軸晶凝固金属あ
るいは一方向凝固金属を得るようにし、前記液滴受手段
には何んらのエネルギをも供給しなくてもすむものであ
るから、溶融金属のたまり部が非常に少なくかつ浅いも
のとなる。このため、従来のプラズマアーク溶解炉（例
えば第１図）あるいは真空アーク溶解炉の場合のように
本発明の場合よりも溶融金属量が多くかつ深い溶融金属
のたまり部が形成される方法に比較して、得られた凝固
金属は均一緻密で且つ微細な結晶組織を有し、マクロ偏
析の著しく少ないものであり、たとえば多種類の合金成
分を含む高級金属においてもその加工性が著しく優れた
ものであり、適宜の形状に直接鍛造加工することもでき
、加工の自由度が著しく高い凝固金属塊を得ることがで
きる。また、供給したエネルギのほとんどは被溶解材の
溶解にのみ消費され、溶解速度も速いという著しくすぐ
れた効果を有している。

ところで、従来より活用されている真空アーク溶解炉等
においては、偏析の発生しやすい高炭素鋼、超合金など
を溶解するに際し、偏析防止のために入力を抑えて低速
溶解を行うのが一般的であるが、この発明によればこの
ような材料であっても高速で溶解することが可能である
。さらに、真空アーク溶解法、エレクトロスラグ溶解法
、プラズマアーク溶解法（第１図）で大型の鋳塊を製造
しようとした場合、溶解金属のたまり部がかなり大きく
且つ深いため、偏析の発生を防止することが著しく困難
であった。これに対してこの発明によれば］二記溶融金
属のたまり部が小さくかつ浅いため、大型の鋳塊であっ
ても偏析のない健全なものが容易にス！多られる。加え
て、この発明では、大型の鋳塊を製造するに際して必ず
しも大径の被溶解材を準備しなくともよく、被溶解材の
製造および取扱いが容易であると共に、プラズマトーチ
の本数も任意で選ぶことが可能であるため、鋳塊の大型
化は著しく容易である。

このように、この発明は、従来技術の問題解決にとって
著しく有効な手段を提供するものであり、その効果には
絶大なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマアーク溶解装置の一例を示す断
面説明図、０′Ｓ２図、第３図および第４図はいずれも
この発明の実施例によるプラズマアーク溶解装置の断面
説明図、第５図は試験結果を示すグラフである。 １１・・・電閉容器、 １２・・・プラズマトーチ、 １３・・・プラズマトーチ保持手段、 １４・・・被溶解材、 １５・・・被溶解材保持手段、 １６・・・るつぼ（液滴受手段）、 １７・・・るつぼ回転手段、 １８・・・プラズマアーク発生用電源、１２・・・プラ
ズマアーク、 ２０・・・液滴、 ２１・・・凝固金属。 特許出願人　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　塩　豐 １１３１Ｉ Ｌ−−−Ｊ ［１４１１ １ら

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電源の一方に接続したプラズマトーチの先端と、
   前記電源の他方に接続した被溶解材の端部とを対向させ
   て前記プラズマトーチと被溶解材との間でプラズマアー
   クを発生させ、前記プラズマアークによる加熱で前記被
   溶解材を溶解して落下させ、次いで凝固させて均一で且
   つ微細な等軸晶凝固金属あるいは一方向凝固金属を得る
   ことを特徴とするプラズマアーク溶解方法。
2. （２）プラズマアーク発生用電源と、前記電源の一方に
   接続したプラズマトーチと、前記電源の他方に接続した
   被溶解材の端部と前記プラズマトーチの先端とを対向さ
   せた状態で前第被溶解材を保持する被溶解材保持手段と
   、前記プラズマトーチと被溶解材との間で発生したプラ
   ズマアークにより加熱された被溶解材の液滴を受ける液
   滴受手段と、を備えたことを特徴とするプラズマアーク
   溶解装置。