JPS63149337A - 反応性金属装入物を誘導溶融する方法 - 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】 イ６発明の背ｍ 本発明は水で冷却される金属るつぼ内における反応性金
属及び合金の誘導溶融に係る。

”ジャーナルオブメタルズ！１９６１年２月号１４０〜
１４３ページ所載Ｇ、Ｈ，ジッパライト外の論文゛反応
性金属の低温るつぼ誘導溶融″及びジッパライトの米国
特許第３２２３５１９号（１９６５年１２月１４日）に
説明されるように、例えば消耗電極によるアーク溶融技
術に基づく既知の工業的規模の溶融方法に代わるものと
して、チタンのごとき反応性金属の溶融のためには誘聯
加熱方法を使用することが理論的に望ましいことは当業
者によって相当以前から認められている。

誘導溶融においては、電流は溶融さるべき金属に誘導さ
れる。従って、一次誘導コイルを交流電流を供給するこ
とによって、通交流電流が該コイルの磁界内に位置する
任意の導電体に誘導される。

誘導溶融において、るつぼは誘導コイルの磁界内に存在
する金属装入物から形成される溶融池を保持するために
必要とされる。はとんどの誘導溶融法においては、るつ
ぼは酸化アルミニウムのごとき耐火性材料から形成され
る。しかし、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、モリ
ブデン、クロム、ニオブ及びこのタイプのその他金属並
びに合金を包含する前記反応性金属は耐火るつぼにおい
ては成功的に溶融され得ない。溶融されたとき、これら
金属は前記るつぼに対して反応してそれを分解し、それ
によって、溶金が汚染される。この問題警よコールドモ
ールド式アーク溶融炉によって回避される。その理由は
、通常は銅から成るるつぼが冷却されて、封入された反
応性金属に反応を生じさせるのに十分なほど高い温度を
避ｔノ桿るからである。銅は、良好な熱及び電気伝導性
と熱ｉ撃抵抗性とを得るために、そのような低温るつぼ
のために好適とされる。しかし、水冷金属るつぼ内で反
応性金属を誘導溶融しようとする初期の試みは不成功で
あった。そのような場合、るつぼを包囲する一次コイル
は強電流をるつぼに誘導し、イの結果として、るつぼ内
に保持される金属装入物への電力の伝達は溶融を開始さ
せるには不十分になった。

これら問題に鑑みて、ジッパライトは、”セグメント化
″された、即ち不伝導性材料（例えば、薄いプラスチッ
ク、セラミック）によって互いから電気的に絶縁された
複数の金属セグメントから構成された、金属るつぼ内に
金属装入物が保持される低周波コア無し誘導溶融法を提
案した。この方法によれば、包囲する誘導コイルから発
生される誘導電流は前記るつぼに沿って円周方向に連続
的態様で流れることを許されず、それによって、前記る
つぼによって保持される金属装入物内に誘導電流を確立
するように計画された磁束の減衰を最小化するとともに
、該るつぼのに１傷を防止し、且つ／または装入金属に
よるるつぼ金属の合金化を防止し得た。

ジッパライトによって提案されたセグメント化低温壁誘
導溶融概念を、チタンを含有する反応性金属を溶ｙ１す
るための工業的実用手段に直１べく多大の努力が払われ
た。この研究作業は、′１９６４年７７ノＭ　Ｌ　Ｔ　
Ｄ　Ｒ６４−２０９、コントラクトＡＦ３３　（６００
）−３９０３９、゛チタンを溶融するための誘導加熱法
″に記載されている。この方法は全体として不成功で、
放屯された。

クリデス外の米国特許第３７７５０９１号（１９７３年
１１月２７日）において、ジッパライトの誘導方法及び
装置は、小規模の装置においては成功するが、大形のる
つぼにおいて使用するようにその規模を大きくされ得な
いことが指摘された。

クリデス外によれば、金属装入物がジッパライト法モ溶
融されるにつれて、溶金がるつぼセグメント間の隙間に
詰まり、従ってセグメントを互いに短絡させて、誘導電
流が該るつぼに確立される前記望ましからざる状況に戻
る。

クリテス等によって提案されたこの問題に対する解決策
は、セグメント化るつぼ概念には全般的に従うが、金属
装入物と共にスラツグまたはフラックス剤を使用し、そ
れによって、るつぼセグメント間に自己発生し自己更新
する絶縁材を生じさせるとともに、るつぼ内面にライナ
を形成させることである。ジッパライトによって提案さ
れた溶融方法の変更に加えて、クリテスは後にるつぼの
デザインそのものを修正した。この昨ＩＦ型るつぼデザ
インにおいては、るつぼの側部セグメントはもはや豆い
に電気的に絶縁されず、るつぼのベースにおいて電気的
に接続された。米国特許第３７７５０９１号のはかに、
このような゛１１スラツグ溶！１法または鋳造法に関す
るその他の説明は、米国特許第４０５８６６８号及びＰ
、Ｇ、クリデス外の論文゛１誘導スラツグ溶融によるイ
ンゴット及び特別輪郭鋳物の調製″（１９７４年１０月
１６〜１８日電気スラツグ及びその他特種溶融技術に関
する第５回国際シンポジウム会報所Ｍ）、米国内務省鉱
山局公報６７３　（１９８２）所載゛誘導スラツグ溶ｉ
７Ａ法″及び同鉱山局調査報告古Ｒ１７２６８所載゛チ
タンの誘導スラツグ溶融″にそれぞれ記載されており、
それらは何れも引用により水用１１７に包含される。

クリテスによって１ｍ発された前記゛１誘導スラツグ″
溶融法は各種の反応性金属及びそれらの合金の溶融に少
なくとも理論的応用可能性を有するものとして先行技術
において検討されてきたが、この方式に関する出願人等
の研究はいくつかの重大な問題に遭遇した。第１に、反
応性金属の溶；、ｔｉにお１ノるスラツグの使用は、該
金属のスラツグ汚染の結末としての品質劣化に関する懸
念の故に決して商業的には容認されていない。第２に、
゛誘導スラツグ″処理のための好適条件下における−即
ち、ナルボンまたはヘリウムの分圧下におけるー溶融及
び鋳込みは、商業目的のため満足される品質を有する鋳
造物を生産しなかった。真空下で前記方法を実行するこ
とによって、出願人等は不活性ガスによる鋳造物の品質
欠陥を除去し得た。しかし、真空下での作業は、これま
では遭遇されなかった、または、諸文献では言及されな
かった幾つかの新しい問題を生じた。特に、スラッゾは
高級鋳造物の生産に必要な真空レベル下の溶金から蒸発
した。この蒸発は該溶金表面の全域に広範囲に及ぶデポ
ジットを形成した。そして、これらデポジットは真空ポ
ンプを含む真空系を著しく汚染した。成る条件下におい
ては、これらデポジットは溶金と反応して鋳造物に広範
ｆｆｌ＋に亙る多数の孔を形成した。総ての条件下にお
いて、スラッゾの蒸発は溶金浴から熱を抽出し、そして
前記るつぼから詩聖内に鋳込まるべき金属のはを激減さ
せた。

口９発明の概要 以上に鑑み、誘導加熱によって反応性金属を溶融する方
法を提供することが本発明の目的である。

本発明のもう一つの目的は、鋳造物、インゴット等を形
成するため反応性金属の溶融池を形成するように反応性
金属を、４４溶融する方法を提供することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、鋳造物、インゴット
等の生産に用いるのに好適な反応性金属の溶融池を形成
するように、絶縁スラッゾ材料を使用することなしに金
属るつぼ内で反応性金属を誘導溶融する方法を提供する
ことである。

本発明のさらにもう一つの目的は、言及されたタイプの
誘導溶融の方法であって、高級鋳造物、インゴット等を
生産するのに使用し得る溶金を作るため実質的に抜気さ
れた条件下で遂行され得、しかも処理工程及びその他の
当業界において従来遭遇される諸問題を伴わないものを
提供することである。

本発明に従えば、反応性金属の溶融は、工程からスラッ
ゾの意図的使用を完全に排除することによって、非反応
性雰囲気下において、クリデス外の教示に従って組立て
られたセグメント化導電性金属るつぼを使用する誘導溶
融方法によって達成され得ることが証明された。先行技
術の教示にもかかわらず、前記条件下におけるスラッゾ
の不存在は、誘導溶融方法のツｌ率に■人な悪影響を及
ぼす程度にまで複数の離隔されたるつぼセグメント間の
短絡を生じないことが認められた。

本発明の方法は反応性金属及び合金を誘導溶融する方法
である。本発明に従えば、概ね均一の横断面をその全長
にｎつで有する中空の綱長い円筒形金属組立体を有する
るつぼ室であって、その側壁が少なくとも２個のセグメ
ントにこれらセグメントが電気的に接続されるベースを
除く実質的にるつぼ全長に延在するスリットによって分
割されているものが設けられる。本発明のるつぼは、前
記壁セグメントが互いから電気的に絶縁されず、むしろ
、該セグメントが共通のベースに一緒に形成される区域
においては電気的に短絡されることにおいて前記ジッパ
ライトの特許に開示されるそれと異なる。本るつぼはそ
の外側面を冷却７する手段を設けられ、そして少なくと
もその上部分は一次誘導コイルによって包囲される。反
応性台ｆｉ装入物が、前記るつぼ室内に供給されて密閉
されそして前記一次誘導コイルへ交流電流が供給され、
それによって、装入金属が溶融を生じるのに十分な誘導
交流電流磁束にさらされることによって、溶融池を形成
するようにそこで加熱される。溶融工程は何らの意図的
スラッゾ林料をも添加されることなしに真空または不活
性ガス雰囲気下で遂行される。形成された金属溶融池は
各種の有用な製品、最ム好ましくは、鋳造物、インゴッ
ト、粉、箔、フレーク、ファイバ、結晶及び顆粒材料か
ら構成される群から選ばれる製品、を生産するのに使用
され得る。

本発明の方法は、この分野にお【ノる先行技術といくつ
かの点にＪ３いて異なる。本方法はるつぼ構造が変更さ
れていることにおいてジッパライトのそれとは異なる。

即ち、本発明によるるつぼの壁セグメントは、ジッパラ
イトのるつぼの場合のように互いから電気的には絶縁さ
れずに、むしろ、共通のベースにおいて互いに結合され
る。本発明の方法は、るつぼ内にお【プる電力の減衰を
防止するために絶縁スラツグは使用されずまたは必要と
されない点において、クリテスの方法とは異なる。

ハ９発明の詳細な説明 本発明に使用されるるつぼ室は当業界において知られて
いる一般的タイブ（例えば、クリデス外の米国特許第３
７７５０９１号及び第４０５８６６８号参照）でさしつ
かえない。第１図及び第２図には米国特許第４０５８６
６８号に開示されるタイプのるつぼが図示される。前記
るつぼ室は銅のごとき高導熱性を有する金属材料から円
筒中空形状に構成される。直ヴする側壁１が、円形の列
に並べられた直立同心の？Ｕｒ！ｌの管財によって形成
されており、各管財はその上端４及び下端５においてと
もに問いている内管３と、開いた下端７及びＩＪじた上
端８を有する外管６とを以て構成される。内管３の上端
４は外管６の前記上Ｉじた」〕端８の下方において終端
しており、これにより、管の一方の内部の冷却水は他方
の管の内部に自由に流入し１ｑる。前記外管６はベース
部材９内に固定されており、該ベース部材９は壁セグメ
ントを支持するとともに、各外管６を電気的に接続する
のに役立つ。各外管６は不伝導性のより高い温度に耐え
る耐火性または同様の高温度絶縁性材料１０であって前
記るつぼの右から前記ベース部材９まで延在するものに
よって隣接の外管６から隔ｌ１１ｔされている。冷却水
は内管３を通り、外管６を経て外へ出る。冷却水を前記
るつぼへ供給しそしてそれから復帰させるためにマニホ
ルド１１が使用される。

前記るつぼは動作コイル１２によって包囲されてＪ５す
、該動作コイル１２自体は好適な電力供給源（図示せず
）に接続されている。前記動作コイル及び前記るつぼは
ざらに冷却ジャケット（図示せず）によって包囲されそ
して、または、冷却流体（例えば、水）が前記動作コイ
ルを通じて流され得る。動作コイル１２は一般的に＃Ｉ
菅から形成される。

運転時、前記るつぼは５００ミクロン以下の圧力まで抜
気しくｑる装置を有する気密室内に完全に密封される。

該気密室はその外部から金属の溶融、装入及び鋳込みの
諸作業が可能であるように設計される。

本発明の方法において、前記るつぼは気密室内に配置さ
れ、該気密室は５００ミクロン以下の圧力まで抜気され
、そして前記るつぼの周囲におＧプる冷ｆＪＩ水循環が
開始される。ｆＬｋｍの最終用途に応じて、前記気密室
は真空下に放置され、または大気圧に達するまで不活性
ガスで詰め戻される。気密室の初度抜気の前に前記るつ
ぼに装入されなかった反応性金属が任意の好適な物理的
形式及び比率を以て好適な供給機構を通じて供給され、
そして電力が前記動作コイルに供給される。溶融過程間
、るつぼ内にはいかなる絶縁スラツグ材料材も意図的に
は存在しないが、言うまでもなく、あまり問題視されな
い若干の不純物が金属の装入を通じて導入される可能性
はある。前記動作コイルによる加熱は金属の溶融池を形
成するように進行する。間欠的に追加金属が装入され得
る。金属はより良い均一性を得るため、望ましからざる
不純物を融解するため、または同様の理由のため、いっ
たん溶融池が得られた。ならば、溶融状態に保持される
。

溶融作業が完了した後、得られた溶融金属はインゴット
、鋳造物、粉、箔、フレーク、ファイバ、結品及び顆粒
材料のごとき製品を作るのに使用され得る。

以下記述する作業例は、本発明の詳細な説明に役立つも
のである。

例　　　　１ 第１図及び第２図に示されたるつぼと同様に構成された
直径２０．０ＩＪ（８”）×高さ２０．０Ｃ１１（８″
）のるつぼが、気密室の内部において動作コイルの内側
に配置された。チタン−６、アルミニウムー４及びバナ
ジウムから成る９、０に９（２０ｌｂ）のチタン合金が
、５．０（２”）Ｘ５．０（２”）の棒材の形式を以て
前記るつぼ内に装入された。次いで、前記気密室は３８
ミクロンの圧力までポンプによって抜気され、そして前
記妨作コイルが給電された。入力電力２６０ＫＧで１６
分経過した後に、溶金が形成された。この溶金は５分間
そのまま保持され、次いで前記るつぼからインベストメ
ント鋳型内に鋳込まれた。鋳込み時における前記気密室
内の圧力は４７ミクロンであった。

例　　　　２ 第１図に説明されたるつぼと同じるつぼが、気密室の内
部において動作コイルの内側に配置された。１１．７０
都（２６ｌｂ）のチタン、５．４０＃（１２１ｂ）のア
ルミニウムーコロンピウム母合金、１　、３０Ｋｙ　（
３ｌｂ）のバナジウム−アルミニウム母合金及び１゜３
Ｃ１（３１ｂ）のモリブデン−アルミニウム母合金が前
記るつぼに供給された。

次ぎに、気密室は５０ミクロン以下の圧力までポンプに
よって抜気され、それに続いて、１３２トルの圧力に達
するまでアルゴンで詰め戻された。

最初、１２０ＫＷの電力が前記動作コイルに供給された
。電力は徐々に３００ＫＷまで増加された。

動作コイルが給電された後、１３分経過したとぎ、完全
な溶金が得られた。この時点において、０．９０１ｒ１
２１ｂ）のアルミニウムが加給され、モして該溶金はさ
らに５分間そのまま保持された。

この時間の経過後、前記動作コイルへの電力が切られ、
そして前記溶金は前記るつぼ内において固化するように
放置された。

本発明の方法は、或に言及されたように、各種の反応性
金属の誘導溶融及びその後の鋳込みに好適である。これ
ら反応性金属として、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、
希土類金属及びトリウム並びにこれら金属と他金属との
合金であってそこにおいて該反応性金属が、もし、本発
明の方法が使用されないならば固有の反応性を理由とす
る誘導溶融法に伴う記述の諸問題を生じるに至る可能性
を有するほどに上のに大きい部分を構成するものが挙げ
られる。

本発明に基づく方法の重要な特徴は、誘導溶融工程間に
絶縁スラグ材を使用する必要性を無くし、それによって
、溶融金属池を汚染するとともに高級な金属鋳物、イン
ゴット、粉などの生産に要求される抜気条件下での工程
の遂行を不可能にする恐れある材料を工程から完全に排
除することである。既に指摘したごとく、溶融■稈にお
いて装入される金属及び合金はそれらの給源に応じて固
有の不純物を含有するが、こけら不純物は工程が機能す
るためにその存在は決して必要とされず、実際上は、全
く存在しないことが望ましいものである。従って、工程
が本発明において“絶縁スラツグ材の不存在下で遂行さ
れることに言及するとき、そのような用品は、４画的に
（例えば、在米技術の機能的と信じられる目的のために
）供給されるスラツグの存在を排除することを意図する
が、不純物のごとき無機スラツグ状材料を本質的に含有
する金属装入物の使用を工程から排除することを意図し
ない。

本発明のもう一つの重要な特徴は、溶融り程間における
装入物の保持のために、耐火材料から作られたるつぼを
使用しないで、金属るつぼを使用することである。これ
によって、反応性金属が耐火材を分解しそれによって汚
染される顕著な傾向が無くされる。しかし、既述のごと
く、前記金属るつぼは前記ベース部材の上方で該るつぼ
を形成する金属セグメントを互いに離隔するのに使用さ
れるスリットのための充填材として耐火材またはその他
の絶縁材を用いることを許容される（ベース部材で金属
゛セグメント”は意図的に電気的に接続される）。従っ
て、ここで゛金属２るつぼと言うとき、それは該るつぼ
の本質的内部作用面が、不伝導性の絶縁材も金属セグメ
ント間の縦方向離隔スリットの充填のために使用される
少量を以て存在する事実にもかかわらず、伝導性金１２
ｉＸ＜好ましくは銅）から形成されているπ実を意味す
ることが意図される。

本発明のさらにもう一つの重要な特徴は、溶融工程のた
めに密閉される気密室から（少なくとも約５００ミクロ
ンの圧力まで）空気が排除されることによって達成され
る溶融工程間における実質的な抜気であり、そしてその
後、選択的に不活１／［ガスによって真空が゛置換″さ
れる（即ら、気密室が詰め戻される）ことである。

前記るつぼの動作コイルに供給される電力の特定量はそ
れ自体重大ではなく、単に、前記るつぼ内に保持される
金Ｂｇｔ入物においてその完全な溶融を達成するのに有
効な誘導電流を生じさせるのに十分な串であるに過ぎな
い。従って、特定給電量は溶融さるべき金属、誘導コイ
ルの形式及びその信器様の考慮事項に応じて決定される
。

以上の説明は本発明の本質的特徴および本発明にＪ３い
て使用される特定の実例的材料並びに条件を当業省に対
して説明する［１的を以て提供された。

明らかに、提供された具体的な細部は、特定溶融工程の
要求に従って変更され得、そして前掲特許請求の範囲に
記載される本発明の精神から逸脱することなしにその他
の修正形式及び実施例が］二人され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は反応性金属の溶融のために本発明において役立
つるつぼの縦断面図である。 第２図は第１図のＢ−Ｂ線に沿って取られた部分横断面
図である。 図面上、１・・・・・・側壁、３・・・・・・内管、４
・・・・・・上端、５・・・・・・下端、６・・・・・
・外管、７・・・・・・下端、８・・・・・・上端、９
・・・・・・ベース部材、１０・・・・・・高温度絶縁
性材料、１１・・・・・・マニホルド、１２・・・・・
・動作コイル。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳造物、インゴット及びその他の製品を生産する
   ための溶融金属池を提供するため反応性金属装入物を誘
   導溶融する方法において、 ａ）中空の細長い金属組立体から成るるつぼ室であつて
   、その細長い金属の側壁が少なくとも２個の細長い金属
   の側壁セグメントから構成され、そのようなセグメント
   のおのおのがどの隣接のセグメントからも離されて位置
   されるが総てのそのようなセグメントがそれにもかかわ
   らず電気的に互いに接続されており、その外側面を冷却
   する手段を設けられ、その少なくとも一部分が一次誘導
   コイルによつて包囲されているものを設ける過程、ｂ）
   約５００ミクロンより低い圧力まで空気を除去するよう
   に抜気された閉鎮環境内に前記るつぼ室を配置する過程
   、 ｃ）前記るつぼ室内における反応性金属から成る装入物
   の溶融間に絶縁スラツグ層が形成されないように、前記
   反応性金属から成る装入物を、いかなる意図的に添加さ
   れる絶縁スラツグ材料も存在しない状態下で、前記るつ
   ぼ室内に導入する過程、ｄ）前記一次誘導コイルに供給
   される交流電流によつて誘導される交流電流磁束に前記
   金属装入物をさらす過程、及び ｅ）前記るつぼ室の外側面を冷却しつつ、該室内におい
   て前記金属装入物を溶融しそして溶融金属池を加熱する
   ように前記交流電流磁束を維持する過程 を有する反応性金属装入物を誘導溶融する方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   反応性金属装入物がチタン合金から成る反応性金属装入
   物を誘導溶融する方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
   反応性金属装入物が、ジルコニウム、ハフニウム、クロ
   ム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、希土類金
   属、トリウム及びそれらの合金から構成される群から選
   ばれる金属から成る反応性金属装入物を誘導溶融する方
   法。
4. （４）部品をそれから生産するための溶融金属池を提供
   するため反応性金属装入物を誘導溶融する方法において
   、 ａ）中空の細長い金属組立体から成るるつぼ室であつて
   、その細長い金属の側壁が少なくとも２個の細長い金属
   の側壁セグメントから構成され、そのようなセグメント
   のおのおのがどの隣接のセグメントからも離されて位置
   されるが総てのそのようなセグメントがそれにもかかわ
   らず電気的に互いに接続されており、その外側面を冷却
   する手段を設けられ、その長さの少なくとも一部分が一
   次誘導コイルによつて包囲されているものを設ける過程
   、 ｂ）約５００ミクロンより低い圧力まで空気を除去する
   ように抜気された閉鎖環境下で前記るつぼ室を配置する
   過程、 ｃ）反応性金属から構成される装入物を、それに絶縁ス
   ラツグ材料が本質的に含まれていない状態下で、前記る
   つぼ室内に導入する過程であつて、前記反応性金属の装
   入物の組成が、本質的にスラツグの存在しない状態を維
   持し続けそして、チタン合金、ジルコニウム、ハフニウ
   ム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、
   希土類金属、トリウム、及びジルコニウム、ウラン、希
   土類金属及びトリウムと相互とのまたはその他の金属と
   の合金及びそれらの混合物から構成される群から選ばれ
   た材料から形成される溶融金属池が前記るつぼ内に誘導
   溶融後に存在するように選択されるもの、 ｄ）前記一次誘導コイルに供給される交流電流によつて
   誘導される交流電流磁束に前記金属装入物をさらす過程
   、及び ｅ）前記るつぼ室の外側面を冷却しつつ、該るつぼ室内
   において前記金属装入物を溶融しそして溶融金属池を加
   熱するように前記交流電流磁束を維持する過程 を有する反応性金属装入物を誘導溶融する方法。
5. （５）特許請求の範囲第１項または第４項に記載される
   方法において、前記金属装入物を前記交流電流磁束にさ
   らす過程に先立つて、前記真空がアルゴン、ヘリウム、
   ネオン及びクリプトンから構成される群から選ばれる不
   活性ガス雰囲気と置換される反応性金属装入物を誘導溶
   融する方法。
6. （６）特許請求の範囲第１項または第４項に記載される
   方法において、前記溶融金属池から形成される前記製品
   が、インゴット、鋳造物、粉、箔、フレーク、ファイバ
   、結晶及び顆粒材料から構成される群から選ばれる反応
   性金属装入物を誘導溶融する方法。
7. （７）特許請求の範囲第４項記載の方法において、前記
   金属装入物がチタン合金から構成される反応性金属装入
   物を誘導溶融する方法。