JPS63268540A - 合金鋳塊の製造方法及び装置 - 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〕 例えば、ＮｉＴｉ合金のように、合金を構成しているそ
れぞれの純金属は量産されているため、あるいは加工性
が優れているため、比較的安価に入手でき、また合金が
難加工性材料であり１、特性が組成に極めて敏感なため
、厳密な成分の制御を必要とする場合の合金鋳塊を安価
に製造する方法と装置を提供するものである。

〔従来の技術〕。

ＮｉとＴｉをともに約５０ａｔ％含むＮｉＴｉ合金は、
形状記憶効果あるいは超弾性などの特性を有する合金と
して知られており、これらの特性を利用して種々の用途
に用いられている。しかしながら、ＮｉＴｉ合金の特性
は組成に極めて敏感であり、例えばＮｉ含有量が僅か０
．１％変化することにより、形状記憶効果を示す変態点
は１０℃〜１５℃も変化する。そのため、ＮｉＴｉ合金
の溶製時には、組成を均一にかつ目標の値に正確に制御
する必要がある。

従来、ＮｉＴｉ合金の溶製は主に黒鉛ルツボを用いた高
周波真空誘導溶解法によって行われてきた。　（鈴木雄
−二　日本金属学会会報、２４（１９８５）、４１）　
　この方法によれば、高周波誘導攪拌効果により溶湯は
十分混合されるため、比較的均一の鋳塊を得ることが可
能である。しかしながら、Ｔｉは極めて活性な元素であ
り、Ｃとの親和力も大きいため、ルツボから溶湯中にＣ
が溶は込むのを防ぐことは難しく、Ｃが３００ｐｐｍ以
下のＣの低い鋳塊を得ることは極めて難しい。

最近、ルツボ材質としてカルシアを用いる方法も試みら
れてはいるが（浜田糾、浦谷文博、花立有功、宮城政和
：大阪府立工業技術研究所報告、８２　（１９８３）、
２０）、この場合はやはり上記と同様な理由により、ル
ツボから溶湯中にＯが溶は込むのを防ぐことは難しく、
０の低い鋳塊を得ることはできない。

不純物元素としてのＣ１０はＴｉと優先的に結合してＴ
ｉリッチの化合物を形成するため、マトリックス中のＴ
ｌａ度を減少させ形状記憶効果の変態点を低温側に変化
させ変態点の制御を難しくさせるだけでなく、加工性も
劣化させる。また、生産性を上げるため溶解量を増加さ
せようとすると、鋳造後の凝固時に成分元素が偏析しや
すくなり、溶解規模の増加にも制約があった。

その他、消耗電極を用いた真空アーク溶解法による例も
発表されている。　（関東特殊製鋼技術資料Ｎｏ、に５
Ｍ−８００２）この方法の場合、水冷銅モールド中での
溶解のためルツボからの汚染は防げるが、鋳塊全体が同
時に溶解して混ざりあうことがないため、均一な鋳塊を
得るのは難しい。

また、特開昭６０−１４８６６０号公報では、同一長さ
で合金成分の重量比に合わせた成分元素の棒状素材を、
その一端を揃えて重ね合わせ、不活性ガスまたは真空中
でプラズマビームまたは電子ビームにより一端から溶解
して水冷銅鋳型に鋳造する方法、あるいは、そのように
して得た鋳塊を不活性ガスまたは真空中でプラズマビー
ムまたは電子ビームにより一端から再溶解して水冷銅鋳
型に鋳造する方法が提案されている。　　同発明におい
ては、同一長さて合金成分の重量比に正確に合わせた成
分元素の棒状素材を準備する必要がある。すなわち長さ
と同時に直径も厳密に所定の寸法に合わせた溶解素材を
準備する必要があり、実際にはかなり熟練を要する面倒
な作業となり、実用的とはいいがたい。

さらに、以上述べてきた方法で得られる鋳塊のサイズは
比較的大きく、ＮｉＴｉ合金が極めて加工性の悪い合金
であり、しかも多くの場合２　ｍ　ｍ以下の比較的細い
線材で使用されることを考慮すると、その加工は難しく
最終製品の価格を高める大きな要因になっている。

なお、粉末冶金法によるＮｉＴｉ合金の製造も試みられ
ている。（Ｗ、Ａ、Ｊｏｈｎｓｏｎ、　Ｊ、Ａ、Ｄｏｍ
ｉｎｑｕｅａｎｄ　Ｓ、Ｈ，Ｒｅｉｃｈｍａｎ　　：　
　Ｊ、ｄｅ　Ｐｈｙｓ、、４３，５ｕｐｐ１．Ｎｏ。

１２（１９８２）　、　Ｃ４−２８５）　　この場合、
変態点が既知の２種類以上の粉末を混合焼結することに
より、変態点を±２にの範囲でコントロールすることが
可能であると報告されている。しかし、同法では合金の
均一化は同相での拡散により行われるため、反応速度は
遅く、均一化には長時間の熱処理を要し、ミクロ偏析を
抑えるには原料として使える合金粉末の変態点の温度範
囲にも制約がある。また、畜産を真密度に近づけるため
には高温静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）等の特殊な加工手段
を用いる必要があり工業的とは言い難い。

〔本発明の目的〕

本発明は、これらに鑑かみ種々検討の結果、素材全体に
わたって成分が均一かつ正確に目標組成に制御でき、し
かも不純物元素の混入を防止できる、ＮｉＴｉ合金等の
、活性元素を多く含みしかも特性の化学成分への依存性
の大きな難加工性の合金鋳塊の新たな製造法と装置を提
供するものである。

本発明の一つは、２種類以上の純金属あるいは合金の線
材を、単位時間当たりの供給量から計算される化学成分
が溶製しようとする合金の化学成分に等しくなるように
それぞれの線材の供給速度を調整し、水冷金属製モール
ド内に供給、それらを、タングステン・アーク、プラズ
マ・アークあるいは電子ビーム等の加熱源を用いて溶解
、さらに凝固させることにより連続的に合金鋳塊を製造
することを特徴とするものである。本発明の方法では、
溶解用の原料として線材を用いるため、単位時間当りの
溶融プールへの供給量を正確に制御することができ、常
に溶融プール内に均一の化学成分の原料の供給が可能と
なり、従って鋳塊全体にわたって、偏析の無いバラツキ
の極めて少ない特性を有した鋳塊を得ることができる。

原料となる線材は、例えば、量産されておりまた加工性
も良好なため、比較的安価に入手可能な、溶製しようと
する合金の構成元素よりなる純金属線を用いる。また、
必要に応じて、特に溶製しようとしている合金が３元系
以上の合金の場合、その合金の構成元素の２種類以上よ
りなり、かつ加工性が良好な合金線を原料用線材として
用いることができる。

例えば、ＮｉＴｉ形状記憶合金の場合、原料となるチタ
ン線材はＪＩＳ　Ｈ４６７０で規定されているＴＷ２Ｂ
あるいはそれ以上の高純度のチタン線材を用いることが
できる。　　また、ニッケル線材は主に電子管用として
市販されているＪＩＳ　Ｈ４５１１で規定されているＶ
Ｎ　ｉＷあるいはそれ以上の高純度のニッケル線材の入
手が可能であり、それらを用いることができる。

これらの原料用線材の直径は、０．２〜６８０ｍｍの範
囲内から選択することが望ましい。

０．２ｒｒｔｒｎ　以下では、高価なだけでなく、線材
のモールドへの供給性に難があり、また線材の伸線加工
時における潤滑材からの汚染等により概して不純物濃度
も高くなり、高純度の合金鋳塊を得ることが難しくなる
からである。また、６．０ｍｍ以上では、やはり線材の
安定供給が難かしく、また、モールド上あるいはモール
ド内での均一溶解性にも問題が牛じゃすくこれらを総合
的に判断して、０．２ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲内とする
ことが望ましい。また、原料となる線材の直径は長さ方
向でのバラツキの少ないものが必要である。しかしなが
ら既述の特開昭６０−１４８６６０号公報の場合のよう
に各線材の単位長さ当りの重量を合金成分の重量比に正
確に合わせる必要はないため原料となる線材の選択の範
囲は広く工業的に有利である。

本発明の他の一つは上記発明の方法に使用する装置に関
するものであり、以下に図面を用いて詳細に説明する。

本発明による装置の一つは、第１図に示すように、外周
部に溝を有し水平面と直交して回転する金属製水冷モー
ルド１と、供給速度の調整が可能であって、該金属製水
冷モールドに原料線材を供給する装置２と、供給された
原料線材を加熱溶解する熱源３及びその電！４と、凝固
した合金鋳塊を連続的に引抜く鋳塊引抜き装置５を中心
として構成される。

この例においては原料線材を水冷モールド上で連続的に
溶解して合金化したものを凝固させるものである。この
場合、水冷モールドは円筒体の外周面に所望形状の溝を
備えたものを使用し、該溝中で凝固した合金鋳塊を連続
的に引抜くものである。線材を供給する装置は溶解速度
に見あった量の原料線材を、精度良く定量供給できるも
のでなければならず、該装置は例えばＴＩＧあるいはＭ
ＩＧ溶接機用の溶加棒あるいは溶接棒の供給機のように
１組のキャリアロールで線材を把持しガイド用のパイプ
内を通して送り込むようにすれば良い。

必要に応じて供給装置は２個以上配置し、原料線材を同
時に供給して溶解する。

水冷モールド上の溝の底部の断面形状は第２図に示すよ
うに、半円状としてその直径は５ｍｍ〜２０ｍｍとする
のが望ましい。そのようにすれば、原料の線材の供給速
度と溶製された鋳塊の引抜き速度を制御することにより
、鋳塊は溶融状態の合金の表面張力を利用して、はぼ断
面形状を直径５ｍｍ〜２０ｒｏｍの円にすることが可能
であり、その後の加工にも好都合である。なお、周速度
と鋳塊の引抜き速度はほぼ同じに設定することにより安
定した操業が可能となる。

溶解加熱装置は活性な金属を迅速に溶解するため、雰囲
気調整が可能で高エネルギー密度のものが必要である。

そのための溶解加熱装置プラズマアーク、電子ビーム、
タングステン・アーク等が適しており、加熱方法の種類
、溶製しようとする金属、合金の活性度等の特性に応じ
て、溶解雰囲気を不活性ガス雰囲気あるいは真空にする
ことができる。

本発明による。装置の他の一つは、第３図に示すように
、モールドとして竪型貫通孔を有する水冷金属製モール
ド１を使用したものである。この場合原料となる線材の
単位時間当りの供給量と鋳塊の引抜き速度を制御するこ
とにより溶湯面のレベルを一定に保ち安定した操業が可
能となる。

水冷モールドの貫通孔の内径は４ｍｍ未満では表面性状
の良好な合金鋳塊を製造することは難しいため、４ｍｍ
以上として、さらに上部の口径より下部の口径をやや大
きくすることにより鋳塊の引抜き抵抗を下げることがで
き安定した製造を可能にする。

該装置の溶解加熱源、原料線材を供給する装置、鋳塊引
抜き装置は前述の装置と同様のものを用いることができ
る。

次に、本発明をＮｉＴｉ形状記憶合金に適用した実施例
について説明する。

なお、本発明の製造方法と装置が対象とする合金はＮｉ
Ｔｉ合金のみに限定されるものではない。

他の合金系例えば、超伝導材料のＮｂＴ　ｉ合金等にも
連用する事ができる。

〔実施例　１〕 移行型プラズマ・アークを加熱源とした第１図に示す装
置を用いて、原料の線材として直径２．Ｏｉ　　　ｍｍ
の純ニツケル線と直径２．０ｍｍの純チタン線を用いて
モールド上に供給して、電流１３０Ａにて、順次溶解凝
固させた。　　この時用いたモールドの溝底部の断面形
状は直径が１０ｍｍの半円であり、原料として用いた両
線材の供給速度は純ニッケルが３００ｍｍ／分、純チタ
ンが４８３ｍｍ７分、溶製後のＮｉＴｉ合金線材の引出
し速度は３０　ｍ　ｍ　／分とすることにより、はぼ断
面が直径１０ｍｍの鋳塊を安定して得ることが可能であ
った。

このようにして、得たＮｉＴｉ合金鋳塊について、９０
０℃にて２時間の焼鈍後、長さ方向１ｍ間隔で５箇所か
らサンプルを採取して不純物元素Ｃ１０の分析と示差走
査熱量計（Ｄ　Ｓ　Ｃ）によりマルテンサイト変態開始
温度（Ｍｓ点）を測定した。それらの結果を第１表に示
す。なお、変態温度の測定はサンプル切り出し後、５０
０℃にて１時間の熱処理を行フた後実施した。

第１表から明らかなように本発明法によるＮｉＴｉ合金
鋳塊の変態温度のバラツキは５℃以内で第１表 あり極めて小さい。　　ところで、ＮｉＴｉ合金の従来
の製造方法である黒鉛ルツボを用いた真空高周波誘導溶
解炉による溶解法ではＣをａｏｏｐｐｍ以下に抑えるの
は難しく、一方力ルシアルツボを用いればＣの低減は可
能であるが、０を６００ｐｐｍ以下に抑えるのは難しい
とされている。これらの値と比較すると本発明によるＮ
ｉＴｉ合金のＣｌｏｎ度は十分低減されていることが分
かる。

〔実施例　２〕 プラズマ・アークを加熱源とした第゛２図に示す装置を
用いて、原料の線材として直径２．０ｍｍの純ニツケル
線と直径２．０ｍｍの純チタン線を用いてモールド上に
供給、順次溶解凝固させた。

この時用いた水冷鋼モールドの貫通孔の直径は上部にて
２０ｍｍであり、原料として用いた両線材の供給速度は
純ニッケルが１２００ｍｍ／分、純チタンが１９３０ｍ
ｍ／分、溶製後のＮｉＴｉ合金線材の引出し速度は３０
　ｍ　ｍ　／分とすることにより、この場合も断面が直
径約２０ｍｍの線材を安定して得ることが可能であった
。

このようにして、得たＮｉＴｉ合金鋳塊について、実施
例１と同様に長さ方向１ｍ間隔て５箇所からサンプルを
採取して不純物元素Ｃ１０の分析とＤＳＣ法を用いて変
態温度を測定した。それらの結果を第２表に示す。

第２表から明らかなように本発明法によるＮｉＴｉ合金
線材の変態温度のバラツキは６℃以内であり極めて小さ
い。またＣ、Ｏｎ度も十分低減されていることが分かる
。

第２表 〔発明の効果〕 本発明の装置と製造方法によれば、合金成分元素の溶は
込み量を正確に制御することができ、目標とする組成の
偏析の無い細径合金鋳塊を製造することが可能である。

また本発明は、水冷金属製モールドを用いた溶解法のた
め、従来の黒鉛質ルツボ等を用いた溶解のような、溶融
金属とルツボ材質との反応による汚染の問題も生じず、
特性に優れた合金鋳塊の製造が可能である。また、本発
明によれば必要に応じて２０ｍｍφ以下の合金鋳塊も直
接製造できるため、従来の溶解鋳造方法の場合に必要で
あった鍛造、熱間圧延などの中間工程を省く事ができ、
加工コストの低減と歩留りの向上が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における細径合金鋳塊の製造装置の、加
熱源としてプラズマアークを用いた場合の一例を示す模
式図、第２図は第１図における製造装置のモールドの溝
の底部形状の一例を示す断面図、第３図は本発明におけ
る細径合金鋳塊の製造装置の他の一例を示す模式図であ
る。 １　水冷金属製モールド ２　原料線材の供給装置 ３　加熱源 ４　電源 ５　合金鋳塊の引抜き装置 ６　合金鋳塊 ７　Ｗ電極 ８　線材 ９　冷却水 １０　　Ａｒシールドガス １１　プラズマアーク １２　メイン電源 １３　パイロット電源 １４　高周波発振装置 １５　酸化防止カバー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）２種類以上の純金属あるいは合金の線材を原料と
   して、それらの単位時間当たりの供給量から計算される
   化学成分が、溶製しようとする合金の化学成分と等しく
   なるように、それぞれの線の供給速度を調整して、これ
   らの線を一緒に水冷金属製モールド内で、加熱源を用い
   て溶解、凝固させ、さらに連続的に引抜くことを特徴と
   する合金鋳塊の製造方法。
2. （２）原料となる線材がニッケルとチタンであり、溶製
   しようとする合金がＮｉＴｉ合金であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の合金鋳塊の製造方法。
3. （３）外周部に溝を有し水平面と直交して回転する金属
   製水冷モールドと、供給速度の調整が可能であって、該
   金属製水冷モールドに原料線材を供給する装置と、供給
   された原料線材を加熱溶解する熱源と、凝固した合金鋳
   塊を連続的に引抜く鋳塊引抜き装置とから構成されてい
   ることを特徴とする合金鋳塊の製造装置。
4. （４）竪型貫通孔を有する水冷金属製モールドと、供給
   速度の調整が可能であって、該金属製水冷モールド内に
   原料線材を供給する装置と、供給された原料線材を加熱
   溶解する熱源と、凝固した合金鋳塊を連続的に引抜く鋳
   塊引抜き装置とから構成されていることを特徴とする合
   金鋳塊の製造装置。