JPS6261380B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融金属をインゴツトまたは棒（ビレ
ツト）に鋳造する方法に係る。

通常、溶融金属はチル鋳型に鋳込まれ（満たさ
れ）、間欠的に別々のインゴツトにされるか、ま
たは連続的に連続鋳造されるかする。溶融金属か
らの大抵の余剰熱はチル鋳型により散逸され、こ
のことにより金属が凝固する。インゴツトの中心
部分は、したがつて、主として、熱伝達距離が大
きいことおよび中心部分の余剰熱に対する熱抵抗
が大きいことのために、最も遅くて表面層よりも
緩慢に凝固し、このことによつてインゴツトの横
断面に温度こう配が生じた。

インゴツトの中心部分は表面よりも遅い速度で
凝固するために、中心部分はインゴツトの他の部
分（the rest）と完全に異なる凝固組織と異なる
化学組成とを示す。さらに、気孔、き裂および他
のきずが中心部分に容易に形成された。これらの
欠点は、高合金金属（higher―alloyed metals）
においては凝固こう配が一層大きくなるので、よ
り一層重大である。

析出固相と溶融金属との間の組成相異、いわゆ
る偏析、は、マイクロ尺度（macro―scale）で
は、一層高速で一層一様な溶融金属の冷却速度に
よつておよび液相におけるかきまぜによる温度差
の均一化によつて、妨げられ得る。

例えば高合金工具鋼においては、合金成分が高
い偏析傾向を示すために、このような鋼はかなり
小さい寸法のインゴツト（重量約200Kg）に鋳造
されてきた。このようにして、受容できる炭化物
析出組織が得られ、満足できる強度特性を有し
た。しかしながら、実質上等方法である組織を備
える材料はこの方法によつて製造することができ
ない。

鋳物組織は、内部組織の不均一のために、金属
の理論的に可能な強度の約1/100から1/1000に等
しい強度を有する。しかしながら、鋳物組織は、
熱間加工後は鋳物組織と異なる組織となり、この
結果均一な組織とこれによる高い強度とが得られ
る。まれな場合であるが、材料の強度は材料の加
工によつて理論的に可能な強度の1/10にまで増加
され得る。

前記の組織異方性は、気体あるいは水により溶
融金属が金属粉末に粉砕される粉末や金処理の使
用によつて多少とも完全に回避できる。巨視的に
且つ大部分は微視的に更に化学的に均一である金
属粉末が、次いで、例えば熱間押出しまたは熱間
等静圧（isostatie）圧縮によつて、棒（ビレツ
ト）に成形され、このことによつて棒（ビトツ
ト）は完全にマクロなきずなが取除かれる。結果
として得られる材料の機械的性質は良好で等方的
になり、このために材料の機械加工が不必要にな
る。しかしながら、このような棒を製造する粉末
や金法は、金属粉末に酸化および汚れを生じさせ
る危れがあつてこの酸化および汚れが棒および棒
から作られる製品の機械的性質を損なう欠点と、
ならびに棒および複雑でない最終製品のコストに
換算してこの方法が比較的極めて高価であるとい
う欠点とを伴つた。

最近、溶融金属のガスによる噴霧化と、結果と
して得られる急速に凝固した粒（ミクロインゴツ
ト）を鋳型に収集してインゴツトを成形すること
を単一の作業に組合わせる試みがなされてきた。
このようなインゴツトは、次に、直接熱間鍛造で
きて、非多孔性であつて組織的に等方性である最
終製品にされる。（メタル・アンド・マテリアル
ス1975年11月号Atomized Scrap Forms Low
Cast Forgings）しかし、この方法は、粉末がガ
スに添加される方法と同じように、重大な欠点を
伴う。すなわち、ある場合には粉末を含有するガ
スである粉砕用媒体がかなり多量―溶融金属１Kg
当り約800―に供給されねばならなくて、この
ことが収集鋳型の内およびその周囲における凝固
したまたは半溶融の粒の制御困難な乱流現象を生
じさせる。これらの乱流現象は収集鋳型内に質量
の不均一分布を生じさせて、大いに歩留り
（yield）を減少させる。高い歩留り（yield）を得
るためには、収集鋳型を粉砕化の位置に一層接近
させて配置させる試みがなされた。しかしなが
ら、このことを実施すれば、粉砕された溶融金属
は凝固する時間を有せずにして鋳型に達してしま
い。このことが前記乱流現象と組合わさつて、や
や粒を収集鋳型の壁へ付着させるようになり、歩
留り（yield）が大いに減少する。これらの困難
性のために、極めて小さいインゴツトのみがこの
方法で製造された。

このようにして、実質上組織的に等方性であり
且つ現在公知であるいろいろの製造方法に関連し
た前記欠点を伴なわない、大寸法インゴツト形状
の偏析しがちな材料を作ることは未だ知られてい
ない。

本発明は、前記欠点を生じさせることなく、い
くぶんなりとも組織的に等方性となるインゴツト
または棒に溶融金属を鋳造する方法を提供する。

このために、本発明は、溶融金属をインゴツト
または棒（ビレツト）に鋳造するが、この時に溶
融金属が、溶融金属と同じ材料および（または）
他の材料から作られた粉末を含有するガスによつ
て、先づ粉砕され、その後でこのようにして得ら
れた粉砕された溶融金属と粉末との混合物が収集
される方法に係る。本発明では、容器内の溶融金
属が該容器の出口から流出し、この時に所定の量
と組成の前記粉末を含有する前記ガスが槍状管な
どの口部から流出されるが、該管は少なくともそ
の口部端において完全または部分的に溶融金属で
取囲まれ、かつ該口部が前記出口内または前記出
口付近に位置して、このことによつて溶融金属が
粉砕されて粉末と混合し、その後で粉末と混合し
て得られる粉砕された溶融金属が収集器に収集さ
れることを特色とする。

本発明が以下においてさらに詳しく添付図面を
参照して説明される。

本発明による方法においては、容器４内の溶融
金属５が該容器の出口６から流出し、この時にあ
る量の冷たい粉末９を含有するガス１１が槍状管
３の口部から流出する。該口部３ａは前記出口６
内または前記出口６付近に位置する。溶融金属５
が出口６から流出する時に、溶融金属は槍状管３
から流出する所定の量と組成の冷たい粉末９を含
有する膨張ガス１１により粉砕される。第１図は
本発明の実施例を示し、槍状管３が出口６と同心
的に位置決めされる。溶融金属５はこのことによ
り収縮噴流を形成してこの噴流の中心から半径方
向外方かつ軸線方向に膨張する粉末搬速ガス１に
よつて粉砕化される。溶融金属が、このようにし
て、溶融金属の内部から外方へ膨張するガスによ
つて、粉砕される時、金属噴流が現在公知の方法
におけるように噴流に外部から作用するガスで粉
砕される場合よりもかなり低いガス圧力が要求さ
れる。粉末９はガス流に同伴されて金属噴流の粉
砕に効果的に寄与する。溶融金属５は微小な部分
に粉砕されて互いに完全にまたは部分的に分離す
る。これらの微小な部分は出口６の下方の空間で
収集器７に収集されてインゴツトまたは棒２３を
形成する。この部分の内部運動エネルギと内部ポ
テンシヤルエネルギの影響により、この微小な部
分が互いに固着した表面に会合する時、この部分
が成形されて高密度のインゴツトまたは棒２３に
なる。インゴツトまたは棒におけるいかなる気孔
も熱間加工により容易に取除かれる。

微小な部分とガスを介して導入される粉末粒と
の混合物８が、この部分から粉末粒への熱伝達に
よる粉末粒の急速加熱でこの部分の急速冷却を導
く。ガス１１を介して導入される粉末９の量が調
節されて、この部分と粉末粒が材料の凝固温度に
ほとんど近い温度になるようにする。

本発明による方法は、したがつて、出口６と収
集器７との間の間隔がかなり小さくできることを
伴う。さらに、本発明は、ガスを介して冷たい粉
末が導入されるので、溶融金属を粉砕するのに必
要となる単位時間当りのガス量が一層小さくでき
―ガスが粉砕化媒体として使用される以前の方法
に比べると、50〜100／Kg溶融金属以下―この
ことによつて前記の好ましくない乱流現象が回避
されることを伴う。したがつて、本発明による方
法の使用が収集器７内の鋳型の内における質量の
比較的均一な分布を生じさせる。

前記のようにして達せられる高冷却速度のため
に、冷却速度が増加する時に一層多くの固相核が
形成されるという事実に基づいて、マクロ尺度
（macro―scale）で偏析距離が非常に小さくな
る。この結果、インゴツトまたは棒２３の形状を
なす収集材料が微視的および巨視的に極めて均一
な化学組成と、任意に選んだ横断面における極め
て一様な温度分布とを有する。本発明により製造
されたインゴツトまたは棒２３は、加工前に、理
論的に可能な強度の約1/20〜1/10の強度を有す
る。収集材料は、しかるに、直接熱間成形できて
最終製品にされ、必要ならば加工中に小さな縮少
がなされる。加工がさらに材料の強度を増加させ
る。溶融金属５の前記粉砕に対する必要条件は、
噴射ガス１１の圧力が出口６における金属静圧お
よび該出口の下方の空間における圧力よりも大き
いことである。ガス１１は、金属５に悪影響を与
えないガスまたはガス混合物、例えば気体窒素か
ら成る。噴射ガスが搬送する粉末の主な機能は、
前記のように、収集鋳型に接近する材料の任意に
選んだ断面において、溶融金属の粉砕を促進する
こと、一様な温度分布を持たらすこと、一様に分
布した溶融状態の部分の形成核を提供することと
である。冷たい粉末の量と組成に依存して、いろ
いろの目的が達成され得る。微視的および巨視的
に均質であるインゴツトまたは棒２３を製造する
ためには、組成的に溶融金属５と等価であつて平
均粒度が約150μｍまたはそれ以下である粉末９
が選択されることが勧められる。この金属粉末９
は、以前の方法で組成的に等価な溶融金属のガス
による噴霧化によつて得られることができる。金
属粉末は、結果として得られるインゴツトまたは
棒が金属の凝固温度に等しくなるような量だけ投
与される。粉砕された溶融金属の部分と噴射され
た冷たい金属粉末との間に極めて急速かつ均一な
熱伝達があるために、極めて均一な温度分布と組
成的に均一な組織が得られることの外に、他の利
点も得られる。その一つの利点は、溶融金属が凝
固する時に従来方法では普通に巣を引き起こす収
縮が、熱伝達に関連した金属粉末９の膨張によつ
て、大いに補償されることである。他の利点は、
酸化物および硫化物のような二次的な非金属介在
物の形成が抑制されることである。

余剰熱、および通常の高合金工具鋼に組成的に
等価な1600℃金属浴内の凝固熱を完全に償なうた
めには、重量で溶融金属の約35〜40％に等しい組
成的に等価な金属粉末の量が、出口および下方に
位置する空間における溶融金属の熱損失に多少依
存して、導入されねばならないことが言及され得
る。

本発明による溶融金属の鋳造方法は、当然ま
た、余剰熱と凝固熱とを償なうのに必要な金属粉
末量よりも少ない量の金属粉末を使用して、小さ
い偏析傾向性質の成分を含む溶融金属中に良好な
組織と受容できる温度分布とを得ることができ
る。

溶融金属を鋳造するこの提案方法による他の可
能性は、溶融金属５と組成的に等価な金属粉末９
が金属または非金属組成の他の粉末で置き換えら
れることである。この随意選択効果は、溶融金属
から形成された固相による核形成をかなり増加さ
せること、または任意横断面で均一に分布された
例えば耐摩耗性炭化物の粒を含む純金属から構成
される複合材料を製造できることである。

第１図および第２図は所望の組成と量の冷たい
粉末９とガス１１との混合物１がいかにして粉末
容器２から槍状管３を通つて溶融金属５用の容器
４の底部出口６へ導入されるかを示し、該溶融金
属５の下方には粉砕された溶融金属と粉末との混
合物８用の適当な収集器７が位置する。ガス１１
が導管を通つて第１の流量制限弁１０と第２の流
量制限弁１３とを介して槍状管３へ供給される。
粉末９は粉末容器２内に貯蔵され、該粉末容器の
底に量制限弁１６があり、該量制限弁を通つて粉
末９が槍状管３内へ送られる。第１の流量制限弁
１０と第２の流量制限弁１３との間には、連通管
１２があり、該連通管が粉末容器２の上方部分に
連ながる。ガス流は第２の流量制限弁１３によつ
て変化されることができて、ガスが粉末容器２の
粉末に作用する圧力を調節する。前記弁１０，１
３および１６の適切な調節によつて、槍状管３内
へのガス１１内の粉末９の量が所定値に調節でき
る。噴射器１５がガス導管１４と量制限弁１６か
らの導管１６ａとの接合点に位置し、この目的は
ガス１１と粉末９との均一な混合物を提供するこ
とである。槍状管３が溶融金属５内に浸漬され
て、該槍状管の口部３ａが溶融金属５用の容器４
の出口６に関連づけられて位置するようにされ
る。第１図および第２図は出口６に同心的に位置
させられた槍状管３の口部３ａを示す。槍状管３
は保護ケーシング１７を備えて溶融金属５から該
槍状管を保護する。ケーシング１７は、溶融金属
が鋼である場合には酸化アルミニウムであるよう
に、溶融金属に対して抵抗性を有する材料から作
られる。容器４の下方にあつて収集器７の周囲環
境を金属の飛び散りから保護するため、および粉
砕化溶融金属とインゴツト２３の頂表面１８を酸
化のようなふん囲気の悪影響から保護するため
に、適当な材料から成る保護カラー１９が容器４
の下方に設けられる。該カラー１９は、カラー１
９の内面と収集器７との間に適当な隙間２０が形
成されるように設計されている。該隙間は、溶融
金属と粉末粒とをもはや担持していないガス２１
の通路となる。噴射ガス１１は、このことによつ
て、インゴツトまたは棒２３の全鋳造工程中にお
いてシールドガス２２として作用する。溶融金属
５の流出量は、容器４の出口６と管状槍３との間
の間隙調節による適当な出口域の形成によつてお
よび（または）出口６において作動する弁２４、
例えばソレノイド型弁によつて、調節され得る。
弁２４がまた溶融金属の流れを全くしや断しても
よい。このようなしや断は例えばすべり円板によ
つて別の方法で実施され得る。収集器７は第１図
に示すようにチル鋳型式のものであつてもよく、
かつインゴツトまたは棒３の形成に関して半連続
的または完全連続的にされてもよい。第２図は連
続型式の収集器の概略説明であり、インゴツト２
３が鋳型に収集されて成形されるが、該鋳型は収
集面で振動し、かつ二つまたはそれ以上の部分に
分割されてインゴツトまたは棒に所望横断面形
状、すなわち正方形または円形を与えるように設
計された垂直壁、いわゆる成形装置２５を備え
る。成形装置２５は耐熱・耐摩耗性パツド２６で
内張りしてもよい。該耐摩耗パツド２６は熱絶縁
性であつてインゴツト２３全体を均一温度分布に
維持するようにされるべきである。固定案内器２
８と一組のロール２７とがインゴツト２３を収集
面から搬送して鋳造の連続性を達成するようにす
る。ロール２７は駆動装置（図に示さず）により
駆動されるが、インゴツト２３を少し縮少させる
ように配置してもよい。固定案内器２８は振動型
形成器２５上の耐摩耗パツド２６と同じ性質を有
するパツド２７で内張りされてもよい。鋳造開始
時に、粉砕化溶融金属と噴射粉末との混合物８が
スタータヘツド２９上に沈着し、その後でスター
タヘツド２９がロツド３０によつて成形装置、ロ
ールおよび案内器を通つて引かれる。

第３図は本発明による方法に基づいてインゴツ
トまたは棒を製造する概略流れ線図である。所望
組成の溶融金属３２の所望量３１が第１図または
第２図に示す装置に対応する装置３６へ送られる
一方、残りの溶融金属部分３３が例えば現在周知
ガスまたは水による粉砕方法である目的に適した
方法３４によつて粉砕されて、均一な組成と組織
の粒に形成され、該粒の平均粒度は150μｍより
小さくされる。これらの粒３５は鋳造装置３６上
の粉末容器へ供給される。鋳造は前記の方法で行
なわれる。鋳造装置を通過後に、インゴツトまた
は棒を成形し且つ鋳造に関連して形成される気孔
や巣を取除くためにインゴツトまたは棒を機械的
に加工するための装置３８にインゴツトまたは棒
は送られる。この場合、インゴツトまたは棒は例
えばシールドガスによつてふん囲気から保護され
て、繊細な表面仕上げが要求されるならば、酸化
を防止するようにすべきである。機械的な加工後
に、インゴツトまたは棒３９は次の型削りおよび
（または）熱処理のような次の処理に付せられ
る。

溶融金属３２の鋳造後に残存するいかなるスク
ラツプ４０も最初の溶融体３２へ戻される（参照
番号４１）か、または例えば低温微細粉４２して
粒度が150μｍまたはそれ以下にされた後で鋳造
装置３６上の粉末容器へ直接送られる（参照番号
４３）かすることができる。

本発明による方法は、このようにして、溶融金
属を微小な部分に粉砕し、その直後に適当な収集
器に材料を収集し、収集材料内に均一な質量分布
を作ることを可能にする。さらに、材料は極めて
急速に冷却して、結果として得られるインゴツト
または棒内でのミクロ偏析とマクロ偏析とを極め
て少なくし、このようにして高度に組織的に等方
な材料を製造する。

本発明によるインゴツトまたは棒の製造コスト
は以前の粉末材料製造のコストよりもかなり低
い。何故ならば本発明ではシールドガスの下での
成形および特別な処理と加工が必要でなくなるか
らである。

本発明はしたがつて、極めて高品質の材料を低
コストで製造させる。

本発明は前記実施例に制限されると見なされる
べきでなく、むしろ特許請求の範囲に主張された
範囲内で変形され得ると見なすべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するための装置の
概略図であり、第２図は前記装置の一部分を変形
したものを示し、そして第３図は本発明によりイ
ンゴツトまたは棒を製造する流れ線図である。 １……粉末搬送ガス、２……粉末容器、３……
槍状管、４……溶融金属用容器、５，３２……溶
融金属、７……収集器、９……粉末、１０，１
３，１６，２４……弁、１１……ガス、１５……
噴射器、１９……カラー、２２……シールドガ
ス、２３，３７，３９……インゴツト、２５……
成形装置、２７……ロール、２８……案内器、２
９……スタータヘツド、３６……鋳造装置、３８
……機械加工装置、４０……スクラツプ、４２…
…低温微細粉。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融金属をインゴツトまたは棒に鋳造する方
   法であつて、溶融金属が該溶融金属と同じ材料か
   ら作られた粉末を含有するガスによつて先づ粉砕
   され、その後、粉砕された溶融金属と粉末とで得
   られる混合物が収集され、容器４内の溶融金属５
   が前記容器４の出口６を通つて流出され、この時
   に所定の量と組成の粉末９を含有するガス１１が
   槍状管３などの口部３ａから流出され、該管が少
   なくともその口部端において該容器内の溶融金属
   で完全にまたは部分的に取囲まれた該方法におい
   て、 該ガスは該粉末を有し且つ該粉末を、容器の出
   口から流出する溶融金属流の中心に導入し、 粉末は所定の割合で溶融金属と混合されそれに
   より該粉末及び溶融金属は、ガス流による粉砕及
   び粉末との混合時に少なくとも該金属の凝固温度
   となり、その後結果として生じた粉砕され且つ粉
   末と混合された溶融金属は収集器に収集されるこ
   とを特徴とする上記方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、前記槍状管３は、その口部３ａが前記出口６
   と実質上同心的に位置するように、位置決めされ
   る上記方法。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の方法におい
   て、容器に関連した槍状管の移動により、該槍状
   管の口部と容器の出口との距離を調整することに
   よつて、該出口を通る溶融金属の流れを調整する
   該方法。 ４ 特許請求の範囲第１項による方法において、
   溶融金属の粉砕後のガスは、容器の出口のまわり
   で該容器の底から突出しているカラー１９と収集
   器１７との間にある隙間を通つて、大気に排出さ
   れ、材料の粉砕化及び収集領域内へ周囲の大気が
   侵入することが防止される該方法。 ５ 特許請求の範囲第１項による方法において、
   混合された材料が鋳型内に収集され、該鋳型が主
   として垂直壁２５と底とから構成され、該底が最
   初の段階ではスタータヘツド２９により構成され
   且つ後で収集された材料２３により構成され、ス
   タータヘツド２９と収集された材料２３が、収集
   中に、出口６に対する前記底の間隔を実質上一定
   に維持するような速度で、下方へ引かれる上記方
   法。