JPS63268541A - 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合金のように難加工性材料であり、ま
た特性が組成に極めて敏感であり厳密な組成の制御を必
要とする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。

〔従来の技術及びその問題点〕

ＮｉとＴｉをともに約５　’Ｏａ　ｔ％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、ＮｉＴ
ｉ合金の溶製時には、組成を均一にかつ正確に制御する
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）、４
１）　　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、３００ｐｐｍ
以下のＣの低い鋳塊を得ることはできなかった。

不純物元素としてのＣはＴｉと優先的に結合してＴｉリ
ッチの化合物を形成するため、マトリツ）　　ラス中の
Ｔｉ濃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。

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。

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　ｒｎ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、Ｄｏｍｉ
ｎｑｕｅａｎｄ　Ｓ、１（、Ｒｅｉｃｈｍａｎ　　：　
　Ｊ、ｄｅ　Ｐｈｙｓ、、４３，５ｕｐｐ１．Ｎｏ。

１２（１９Ｂ２）、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、密度を真密度に近づけるためには
高温静水圧プレス（ＨＩＰ）等の特殊な加工手段を用い
る必要がありコストを上げる大きな要因となっている。

〔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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の一つは、２種類以上の純金属あるいは１種類以
上の合金の粉末を外周部に溝を有し回転する水冷金属製
モールド上に、あるいは竪型貫通孔を有する水冷金属製
モールド内に供給、それらを、タングステンやアーク、
プラズマΦ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。

タングステン・アーク、プラズマ・アークあるいは電子
ビーム等の高エネルギー密度型の熱源を用いて水冷金属
製モールド内にて溶解、順次凝固させる方法はルツボ材
質からの汚染の心配なく溶解できる方法として、特に活
性金属を多く含む合金の溶製方法として最適である。し
かしながら、これらの方法において、従来の原料とその
供給方式を用いたのでは、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
。特にＮｉＴｉ合金のように特性が組成に極めて敏感な
合金の場合、また構成元素の比重差が大きく、しかも純
チタン用原料として一般的な塊状のスポンジチタンを用
いる場合スポンジチタンが多孔質であり見掛比重が極め
て小さいことも考慮すると、溶解用の原料の成形時に分
離・偏析し易く、あるいは直接溶融プールに原料を供給
する場合においても、常に一定の化学成分のＮｉとＴｉ
を供給するのは極めて難しく、鋳塊全体にわたって目標
とする特性値すなわち変態点を有するようにすることは
困難である。

本発明の方法では、溶解用の原料として粉末を用いるた
め、原料の均一混合が容易であり、常に溶融プール内に
一定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。

次に、原料となる粉末について説明する。例えば、Ｎｉ
Ｔｉ形状記憶合金の場合、原料となるチタン粉末は水素
化脱水素化法あるいは回転電極法で製造されたチタン粉
末あるいはそれ以上の高純度のチタン粉末を用いること
ができる。また、ニッケル粉末は市販されているカルボ
ニルニッケル粉あるいは不活性ガス雰囲気アトマイズ法
等で製造される高純度のニッケル粉末の入手が可能であ
り、それらを用いることができる。

あるいは、粉末冶金法による製造法と同様に、あらかじ
め回転電極法、回転ディスク法、不活性ガスアトマイジ
ング法等の方法によりＮｉＴｉ合金粉を製造それらを原
料として用いることができる。また、その場合、あらか
じめ試験溶解にて合金粉のロット毎に鋳塊を溶製して該
鋳塊について変態点を測定した後これらの合金粉末を２
０ット以上混合して目標とする変態点となるように配合
して用いることもできる。

これらの原料用粉末の粒径は、１０μ〜２０００μの範
囲内とすることが望ましい。

ｌＯμ以下では、流動性が悪く粉末のモールドへの供給
が難かしく、また概して酸素濃度ｉ高くなり酸素濃度の
低い合金鋳塊を得ることが難しくなるからである。また
、２０００μ以上では、やはり粉末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
にも問題が生じやすくこれらを総合的に判断して、ｌＯ
μ〜２０００μの範囲内とすることが望ましい。

以上述べてきたように、本方法は粉末状の原料を用いる
が、あくまでも溶解用の原料として用いる点粉末冶金法
とは技術内容を異にする。

粉末冶金法では、同相状態での拡散現象により化学成分
の均一化、高密度化が進行する。従って、均一化を促進
するためには拡散距離を短くしてかつ反応面積を大きく
する必要があり、粉末はかなり細かくする必要がある。

そして、その場合酸素が増加するといった付随的な問題
が生じる。また特にＮｉＴｉ合金の高密度化のためには
高温静水圧プレス等の特殊な加工方法を採用する必要が
ありコストを高める原因になっている。一方、本方法の
場合は溶解法を用いるため、例えば直径が１ｍｍを越え
る粗粉を用いたとしても、溶融プール内の均一化は十分
進みまた気孔が残留するといつた問題も生じずミクロ偏
析の無い、Ｏｓ度の低いかつ健全な鋳塊を容易に得る事
が可能である。

本発明の他の一つは上記発明の方法に使用する装置に間
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、供給量の速度調整が可能であって、該金属製
水冷モールドに原料粉末を供給する装置２と、供給され
た原料粉末を加熱溶解する熱源β及びその電源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粉末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。粉末を供給する装置は溶解速度
に見あった量の原料粉末を、精度良く定量供給できるも
のでなければならず、ロータリーフィーダー、スクリュ
ーフィーダー、振動フィーダー等が適する。２種類以上
の粉末を供給する場合、粉末はあらかじめ良く混合して
１つの供給装置を用いて供給することにより、化学成分
の変動とそれによる特性の変動を最小限に抑えることが
できる。また、必要に応じて供給装置は複数個配置し、
原料粉末を並列供給して溶解する。

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５　ｍ　ｍ〜２０ｍｍと
するのが望ましい。そのようにすれば、原料の粉末の供
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〜２０ｍｍ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粉末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てはプラズマアーク、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。

鋳塊引抜き装置は水冷モールド上で凝固した鋳塊を連続
的に引抜くもので、単位時間当りの粉末供給量と凝固速
度に合せて引抜き速度を制御できるように構成する。該
装置は例えば１組のキャリアロールで鋳塊を把持し引抜
くようにすれば良い。

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粉末の単
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木
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、原料粉末を供給する装置、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、超電導材料のＮｂＴ　ｉ合金等にも
適用する事ができる。

〔実施例　ｌ〕

移行型プラズマ・アークを加熱源とした第１図に示した
装置を用いて、原料の粉末としてＡｒガスアトマイジン
グ法で製造したニッケル粉と回転電極法による純チタン
粉の混合粉をＡｒガスを搬送ガスとして前記プラズマア
ーク中に供給、モールド上にて、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
た混合粉の供給速度は１６ｇ／分、溶製後のＮｌＴｉ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Ｃ，Ｏの分析と示差走
査熱量計（Ｄ　Ｓ　Ｃ）を用いて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、５
００℃にて１時間の熱処理を行った後実施した。

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Ｍｓ点のバラツキは７℃以内であり極めて小さ
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３００ｐｐｍ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ＮｉＴｉ合金
のＣ１１度は十分低減されていることが分かる。　　ま
た、粉末冶金法による例では、ＯＷＡ度は１２６０ｐｐ
ｍ　　（Ｗ、Ａ。

Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊ、Ａ、Ｄｏｍｉｎｑｕｅ　ａｎｄ　
Ｓ、Ｈ，Ｒｅｉｃｈｍａｎ　：　Ｊ、ｄｅＰｈｙｓ、、
４３，５ｕｐｐｌ　、Ｎｏ、１２（１９Ｂ２）、Ｃ４−
２８５）と報告され第１表 ており、本発明の方法が粉末を原料にしているにもかか
わらず、０濃度が十分低いことが知られる。

〔実施例　２〕 移行型プラズマ・アークを加熱源とした第３図に示した
装置を用いて、°原料の粉末としてＡｒガスアトマイジ
ング法で製造したニッケル粉と回転電極法による純チタ
ン粉の混合粉をＡｒガスを搬送ガスとして前記プラズマ
アーク中に供給、モールド内にて、電植２００Ａにて、
順次溶解凝固させた。

この時用い°たモールドの貫通孔の上部内径は２０ｍｍ
であり、原料として用いた混合粉の供給速度は６４ｇ／
分、溶製後のＮｉＴｉ合金鋳塊の引抜き速度は３０　ｍ
　ｍ　／分とすることにより、断面が直径２０ｍｍ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５０ｃｍ間隔で５箇
所からサンプルを採取して不純物元素Ｃの分析とＤＳＣ
法を用いてＭｓ点を測定した。それらの結果を第２表に
示す。なお、変態温度の測定はサンプル切り出し後、５
００℃にて１第２表 時間の熱処理を行った後実施した。

第２表から明らかなように本発明法によるＮｌＴｉ合金
鋳塊の変態温度のバラツキは８℃以内であり極めて小さ
い。またＣ５０濃度も十分低減されていることが分かる
。

〔実施例　３〕 原料の粉末としてＡｒガスアＬマイジング法で製造され
たＮｉ−Ｔｉ合金粉を用いて、実施例２と同じ装置を用
い、実施例２と同じ条件で、２０ｍｍφの鋳塊を溶製し
た。

このようにして、得たＮｉＴｉ合金鋳塊について、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Ｃの分析とＤＳＣ法を用いて変態温度Ｍｓ点を測定し
た。それらの結果を第３表に示す。

第３表から明らかなように本発明法によるＮｉ第３表 Ｔｉ合金鋳塊の変態温度のバラツキは４℃以内であり極
めて小さい。またＣ１０濃度も従来法と比較して遜色無
いレベルであることが分かる。

〔発明の効果〕

本発明の製造方法と装置によれば、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フ
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　原料粉末の供給装置 ３　加熱源 ４　電源 ６　合金鋳塊の引抜き装置 ６　合金鋳塊 ７　Ｗ電極 ８　粉末 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Ｓ装置 １５　酸化防止カバー 特許出願人　　　昭和電工株式会社 第１回 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）２種類以上の純金属あるいは１種類以上の合金の
   粉末を外周部に溝を有し水平面と直交して回転する水冷
   金属製モールド上に、あるいは竪型貫通孔を有する水冷
   金属製モールド内に供給、それらを加熱溶解用の熱源を
   用いて溶解、凝固させ、さらに連続的に引抜くことによ
   る合金鋳塊の製造方法。
2. （２）原料となる粉末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）原料となる粉末が１種類以上のニッケルとチタン
   の合金粉であり、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範囲第１項に記載の合
   金鋳塊の製造方法。
4. （４）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、供給量の速度調整が可能であって、
   該金属製水冷モールドに原料粉末を供給する装置と、供
   給された原料粉末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。
5. （５）竪型貫通孔を有する水冷金属製モールドと、供給
   量の速度調整が可能であって、該金属製水冷モールドに
   原料粉末を供給する装置と、供給された原料粉末を加熱
   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。