JPS6380951A - 電子ビ−ム溶解法による鋳造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子ビーム溶解法を用いて連続的に鋳塊を製
造する方法に関し、詳細には鋳塊表面に生じる割れ殊に
巨大割れを阻止することに成功した電子ビーム溶解法に
よる鋳造方法に関するものである。

［従来の技術］ 電子ビーム溶解法によって原料金属（原料金属としては
Ｔｉやステンレス鋼等が代表例として挙げられるが、こ
れらに限定されない）を溶解し、これを連続鋳造するに
当たっては、一般に第２図に示す様な装置が使用される
。即ち溶解室１内を１０−２〜１０−８Ｔｏｒｒの高真
空にしておき、該溶解室１内に向けて連続的に供給され
る原料棒２の先端に電子ビーム（以下ＥＢということが
ある）を照射してこれを溶解しく３は電子銃を意味する
）、得られた溶解金属を下方に配置した水冷鋳型４内に
落下させて冷却凝固させ、且つ徐々に成長する凝固鋳塊
を下方（矢印Ａ）へ引き抜くことによって鋳塊を製造す
る。尚第３図はＥＢ連続鋳造法の他の例を示す模式図で
あって、この場合には溶解室１内に水冷ハース５を設け
、ホッパー６から供給されてきた粒状原料を水冷ハース
５内でＥＢ熱照射より溶解し、水冷ハース５からあふれ
た溶解金属を水冷鋳型４に導入して鋳造する方式％式％ ところで上述の如き電子ビーム溶解法においては、水冷
鋳型へ溶解金属を注入するときの速度が極めて小さく、
従って鋳造速度も非常にゆっくりしている（平均鋳塊移
動速度：　０．０８〜０．８　ｍｍ７分）というのが普
通である（この点は鋼の連続鋳造における平均鋳塊移動
速度：５０〜３００　ａｍ／分と大きく異なる）。従っ
て溶解金属は、その凝固が極めて緩徐に進行し、内部品
質の良好な鋳塊となって水冷鋳型内を下降していくこと
となる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが電子ビーム溶解法においては、その操業が高真
空下（１０”〜１０−６Ｔｏｒｒ　）で行なわれるから
フラックス（一般に蒸気圧が高く且つ低融点である）を
用いて溶解を実施すると、該フラックスが溶解室内で蒸
発し電子ビームの照射制御が困難になるという不都合が
生じる。従って電子ビーム溶解法ではフラックスの使用
を差し控えざるを得ないというのが実情である。

この為電子ビーム溶解法では、第４図（ａ）に示す様に
溶解金属が水冷鋳型４に直接接触して局部的な付着現象
（以下焼付きということがある）を生じる。この様な焼
付き部７が生じたままで第４図（Ｉｌ＋）の如く鋳塊の
引き抜きを開始すると、上記焼付き部７直下の鋳塊部に
引張力が作用し、ここに割れ欠陥が生じる。更に該割れ
欠陥が生じた状態で第４図（Ｃ）の如く引き続き引き抜
き作業を続行すると、該引き抜き過程中に上記割れ欠陥
が拡大していき、遂には巨大欠陥に成長する。こうした
巨大欠陥は上記焼付き部７が新たに形成されている限り
どんどん成長するものであり、溶解或は摩耗によって焼
付きの新規発生が中断するまで継続するものと考えられ
る［この様な割れ欠陥は丸型鋳塊より角型（スラブ型）
鋳塊においてより多く発生する］。

この様な巨大な割れ欠陥が発生すると、電子ビーム溶解
の対象となる金属材料（例えばＴｉ。

Ｎｂ、Ｔｉ合金、超合金等）が一般的に難加工性のもの
であるところから、たとえ上記割れ欠陥源さが比較的浅
いもの（例えば５ｍｍ程度）であったとしても、表面皮
削りなどに多大な労力を要する。更に上記割れ欠陥は、
極端な場合高さ方向か数ｃｍ、深さが２〜３ｃｍに及ぶ
場合もあって製品としてほとんど通用しなくなってしま
うこともある。

本発明は上述の如き事情を憂慮してなされたものであっ
て、引き抜きステップと休止ステップを組み合せて行な
う（以下本明細書では間欠的引き抜き法と称す）ことと
すると共に、該間欠的引き抜き法の諸条件（例えば引き
抜き距離や速度等）を特定することによって、上記割れ
欠陥殊に巨大割れ欠陥のない高品質の鋳塊を安定して製
造することのできる鋳造方法を提供しようとするもので
ある。

［問題点を解決する為の手段］ 本発明に係る鋳造方法とは、 （１）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、上記鋳型内
の溶解金属表面が所定高さに上昇到達するまでは鋳塊引
き抜きを休止するステップと、０．３　ｍｍ７秒以上の
速度で１〜４０ｍｍの高さに亘って上記鋳塊を連続的に
引き抜くステップを繰返して実施するところにその要旨
が存在するものである。

また箇条書き的に列記した下記（２）〜　（４）の如き
手段も上記と同様の目的を達成する上で有用な手段であ
ることを見出した。

（２）上記（１）における引き抜きステップの前に、０
．３　ｍｍ７秒以上の速度で１〜５ｍｍの長さに亘って
鋳塊を押し上げるステップを加えるところに要旨を有す
る手段。

（３）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、０．３　ｍ
ｍ７秒以上の速度で１〜４０ｍｍの長さに亘フて鋳塊を
連続的に引き抜くステップを断続的に繰返して行なう多
段引き抜き工程と、鋳型内の溶解金属表面が所定高さに
上昇到達するまでは鋳塊引き抜きを停止する工程を繰り
返して行なうところに要旨を有する手段。

（４）上記（３）における多段引き抜き工程に代えて、
０．３　ｍ＋ｎ／秒以上の速度で１〜５ｍｍの長さに亘
って鋳塊を押し上げるステップと０．３　ｍｍ７秒以上
の速度で１〜４０ｍｍの長さに亘って鋳塊を連続的に引
き抜くステップを繰り返して行なう多段押し上げ引き抜
き工程を採用するところに要旨を有する手段。

［作用］ 上述の如き割れ欠陥を防止する方法としては、■鋳型内
の溶解金属に、電子ビームを適宜照射することによって
保温を行なう方法、■鋳塊の引き抜き方法自体に改良を
加える方法等が挙げられるが、本発明者等は上記■の立
場から検討を重ね、その結果割れ欠陥を防止する具体的
手段を確立して本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、上述の如く間欠的引き抜き法の諸条件を
特定したところに木質的な特徴を有するものである。以
下数値限定根拠と共にその条件について順次説明してい
く。尚下記説明において使用する（１）〜　（４）の各
記号は前項で使用した記号（１）〜　（４）に対応する
手段を意味する。

（１）について： 本発明（１）は、（ａ）水冷鋳型内の溶解金属表面が所
定高さに上昇到達するまでは鋳塊引き抜きを休止するス
テップと、（ｂ）　０．３　ｍｍ７秒以上の速度で１〜
４０ｍｍの長さに亘って上記鋳塊を連続的に引き抜くス
テップを繰り返して実施するところに特徴を有するもの
である。

上記（ａ）の休止ステップによって引き抜き時における
鋳塊引き抜き量を確保することができる。

尚所定高さとは、溶解金属が鋳型からあふれない程度の
高さ以下であり、且つ来るべき引き抜きステップにおけ
る引き抜き完了時に溶湯表面が鋳型の底部より上の位置
に保持されることを保証し得る様な高さを言う。しかし
上記鋳塊引き抜き量を一定とし操業条件の安定化を確保
する為には、上記所定高さをできる限り一定で且つ余り
低くない位Ｍに設定することが推奨される。尚若干の幅
を与えてその上限と下限の間まで上昇してきた任意の時
点で引き抜きステップを開始することも本発明に包含さ
れる。

ところで上記（ｂ）の引き抜き速度及び引き抜き距離に
ついては下記の如き実験を経由して定めたので以下この
点について説明する。即ち第５図は引き抜き速度と鋳塊
表面欠陥の最大深さの関係を示す図（但し引き抜ぎ距離
は３〜３０ｍｍとした）は従来の連続引き抜きを実施す
る場合の引き抜き速度（０，１〜Ｑ、４　ｔａｒｎ／秒
）、■１は実際に鋳塊を引き抜く場合の引き抜き速度（
０，１〜２．０　ｍｍ７秒）］を１．ｓ以上とする様な
速度Ｖ１で引き抜くことによって最大深さを極めて小さ
いものとすることができた。ところが溶解金属注入速度
はほぼ一定のものとして（引き抜き速度に見合った一定
の注入速度に）設定されているから、上記如く鋳塊引き
抜き速度を１．５■。以上に高めて小さなものとするこ
とができた。ところが溶解金属注入速度はほぼ一定のも
のとして（引き抜き速度に見合った一定の注入速度に）
設定されているから、上記の如く鋳塊引き抜き速度を１
．５Ｖｃ以上に高めて引き抜きを継続していると、溶解
金属表面はしだいに下降していき、遂には該溶解金属が
鋳型の下部からもれ出るという事態を招き危険である。

そこで本発明者等は鋳塊引き抜き休止ステップを導入し
てやれば上記事態を回避できるのではないかと考えこれ
を実行した。本発明者等はこの様な過程を経て間欠引き
抜き法に到達したのであるが、上記引き抜き休止ステッ
プ中に凝固する部分の鋳塊表面を検討したところ、下記
の如く本発明の目的にとって誠に好都合な利点を発揮す
るものであることを見出すに至った。即ち上記休止期間
においては、溶解金属の凝固が極めて緩徐に進行するか
ら、その間に成長する鋳塊表面はその凹凸の少ない優れ
たものになることが分かった。

即ちこの様な利点を有する引き抜き休止ステップを、上
記高速用き抜きステップ（速度は１．５Ｖｃ以上）に組
合せて引き抜きを実施すれば、上記割れ欠陥の効果的な
防止が可能となることを知ったのである。

ところで上記説明においては、引き抜ぎ速度として１．
５Ｖｃ以上という値を採用したが、実際には０．３　ｍ
ｍ７秒以上が主光であることが分かった。

従って０．３　ｍｍ７秒以上の速度で引き抜けば良いの
であるが、これより遅いと連続的引き抜きに相当する様
な状態が形成され、その結果最大深さが上昇するものと
考えられる。また第６図は上記引ぎ抜ぎ距離と鋳塊表面
欠陥の最大深さの関係を示した図（引き抜き速度は０．
３１１１ｍ／秒以上とした）であるが、これから明らか
な様に引き抜き距離が１ｍｍ未満の場合は最大深さが極
めて大きな値を示していることが分かる。その理由につ
いては、引き抜き休止ステップが不明瞭なものとなり半
ば連続的引き抜き状態となってしまうからであると考え
られる。一方４０ｍｍを超えた場合においても、最大深
さは大きくなっていることが分かる。

その理由については、前記第４図で説明した様に割れ欠
陥の巨大化成長を招くからであると考えられる。従って
引き抜き距離を１〜４０ｍｍと設定したが、より一層良
好な表面品質を得る為には３〜２０ｉＩ１ｍ更には３〜
１０ｍｍの引き抜き距離を採用することか推奨される。

尚本発明（１）に係る引き抜きパターンの一例を第１図
（ａ）及び（ｂ）に示す。第１図（ａ）は鋳塊穆動速度
と時間の関係を示す図、第１図（ｂ）は溶解金属表面高
さと時間の関係を示す図である。該引き抜きパターンは
溶解金属の表面高さをほぼ一定とする様式を採用してい
る。尚８は引き抜き休止ステップ、９は引き抜きステッ
プを夫々示す。

（２）について： 本発明（２）は、前記発明（１）における引き抜きステ
ップの前に、０．３ｍｍ　７秒以上の速度で１〜５ｍｍ
の長さに亘って鋳塊を押し上げるステップを加えるとこ
ろに特徴を有するものである。それ以外の構成について
は、前記（１）のところで説明したのでここではその説
明を省略することとする。

上述の如き押し上げステップを加えることによって表面
品質の著じるしい改善効果が認められた。これは、鋳型
と鋳塊を結合している前記焼付は部が上記押し上げステ
ップによって強制的に￥［］離されるからであると考え
られる。そして該押し上げステップの条件としては、第
７図［鋳塊表面欠陥の最大深さと鋳塊押し上げ速度の関
係を示す図（尚引き抜き速度０．４　ｍｍ７秒以上、引
き抜き距ｔ！ｉｆｆ４０ｍｍ）　］に示す如く押し上げ
速度が０．３ｍｍ　７秒以上であることが必要であった
。０．３ｍｍ　７秒未満であると、上記剥離が不十分な
ものとなり、最大深さは極めて大きい値を示していた。

一方押し上げ距離としては、１〜５ｍｍが必要であった
。１ｍｍ未満であると上記剥離効果が不十分であり、一
方電子ビーム溶解法においては溶解金属量が少ないとい
うのが普通であるところから、５ｍｍを超える距離を押
し上げると、凝固鋳塊と鋳型との摩擦が激しくなって押
し上げ機構に過度の負荷がかかったり、或は鋳型に深い
傷が生じたりするという弊害が生じる。

尚本発明（２）に係る押し上げ及び引き抜きのパターン
例を第８図（ａ）及び（ｂ）に示す。

第８図（ａ）は鋳塊穆動速度と時間の関係を示す図、第
８図（ｂ）は溶解金属表面高さと時間の関係を示す図で
あって、１０は引き抜き休止ステップ、１１は押し上げ
ステップ、１２は引き抜きステップを示す。

（３）について： 本発明（３）は、（ａ　）　０．３　ｍ＋ｎ／秒以上秒
速上で１〜４０ｍｍの長さに亘って鋳塊を連続的に引き
抜くステップを断続的に繰返して行なう多段引き抜ぎ工
程と、（ｂ）鋳型内の溶解金属が所定高さに到達するま
では鋳塊引き抜きを休止する工程を繰り返して行なうと
ころに特徴を有するものである。

上記（ａ）の多段引き抜き工程は、前記発明（１）にお
ける引き抜きステップを［前記発明（１）における引き
抜き休止ステップを設けることなくコ断続的に繰り返す
ことによって構成されるが、本発明（３）における引き
抜きステップの諸条件（引き抜き速度及び引き抜き距離
）設定板）処については、前記発明（１）の引き抜きス
テップと同様であるので、ここではその説明を省略する
。そして本発明（１）の引ぎ抜きステップは前述の如く
鋳塊表面欠陥を阻止するものであるから、これを断続的
に繰り返した本発明（３）の多段引き抜き工程も鋳塊表
面欠陥を更に確実に阻止することができる。尚上記（ｂ
）における所定高さの選択によっては鋳塊表面欠陥の阻
止効果をより一層顕著に発揮することができる。即ち上
記所定長さとして相当長いもの（例えば約１ｍ）を選択
し、該長さに亘って溶解金属の自然凝固を進行させてや
ると、溶解金属は極めて緩徐に冷却することとなるから
、極めて優れた表面性状の鋳塊が得られる。

ここで本発明（３）の多段引き抜き工程を実施してやる
と、鋳塊上部（正確には下記自然凝固区間以外の部分）
には若干の表面欠陥は生じるものの、上記自然凝固区間
については表面欠陥の発生は生じず、従って上記表面欠
陥（オツシレーションマーク等）の生じる間隔を広げる
ことができ、表面性状をより一層向上させることができ
、更に表面欠陥の除去作業の軽減が可能となる。しかし
上記所定長さが余りにも長いと（数ｍ以上あると）、電
子ビームの照射制御の困難なものとなって鋳型内におけ
る溶解金属の保温が困難となり、安定な凝固制御に支障
が生じる。従って上記所定長さは、こうした弊害が起こ
らない範囲（１０〜、１００ｃｍ）に止めることが推奨
される。

尚本発明（３）に係る引き抜きパターンの一例を第９図
（ａ）及び（ｂ）に示す。

第９図（ａ）は鋳塊８動速度と時間の関係を示し、（ｂ
）は溶解金属表面高さと時間の関係を示す図である。尚
１３は多段引き抜き工程を示し、１４は引き抜きステッ
プを示し、１５は引き抜き休止工程を示す。

（４）について： 本発明（４）は、前記本発明（３）における引き抜きス
テップの前に０．３＋ｎｍ　７秒以上の速度で１〜４０
ｍｍの長さに亘って鋳塊を押し上げるステップを加える
ところに特徴を有するものである。上記押し上げステッ
プは、前記本発明（２）における押し上げステップと同
様に表面欠陥を阻止することができる。尚本発明（４）
は、上述の如く上記押し上げステップ以外の構成を本発
明（３）と同様とするものであるので、該構成について
の説明を省略する。

尚本発明（４）に係る押し上げ及び引き抜きのパターン
の一例を第１０図（ａ）及び（ｂ）に示す。（ａ）は鋳
塊移動速度と時間の関係を示す図、（ｂ）は溶解金属表
面高さと時間の関係を示す図であって、１６は多段押し
上げ引き抜き工程、１７は引き抜きステップ、１８は押
し上げステップ、１９は引き抜き休止工程を夫々示す。

以下実施例を挙げることによって本発明方法を具体的に
説明していくが、本発明は該実施例に限定される性質の
ものではなく、前・後の記載内容に基づき適宜変更する
ことができる。

［実施例コ 実施例１ 第２図に示した装置を用い、第１図の如き引き抜きパタ
ーンを採用すると共に鋳塊引き抜き速度及び距離等を種
々変化させて連続鋳造を行ない、該鋳塊における表面欠
陥等を検討し、その結果を第１表に示した。

第１表から明らかな様に、本発明（１）の条件を満たす
場合においては表面品質が良好であることが分かった。

実施例２ 第２図に示した装置を用い、第８図の如き押し上げ及び
引き抜きパターンを採用すると共に鋳塊引き抜き速度及
び距離、鋳塊押し上げ速度及び距離等を種々変化させて
連続鋳造を行ない、鋳塊表面欠陥等について検討し、そ
の結果を第２表に示した。

第２表から明らかな様に本発明（２）を満足する場合に
おいては表面品質が良好であることが分かった。

実施例３ 第２図に示した装置（鋳型は１５０　ｍｍφ）を用い、
第９図の如き引き抜きパターン及び第１０図の如き引き
抜き・押し上げパターンを採用して下記の第３表に示す
条件下で連続鋳造を行ない、表面あらさが鋳塊高さ方向
にどの様に変動するかを調査し、その結果を第１１図及
び第１２図に示した。

第３表 第１１図及び第１２図から明らかな様に、鋳塊引き抜き
時に若干の肌荒れが観察されるが、引き抜き休止時（自
然凝固進行時）の表面品質は非常に優れている。尚鋳塊
の縦断面から求められた表面欠陥深さは、鋳塊引き抜き
時のオツシレーション部において最大１．５ｍｎ＋　、
引き抜き休止時では最大ＣＪ、１ｎｏ＋＋であった。

［発明の効果］ 本発明は、上述の如く構成されているので、鋳塊表面に
生じる割れ欠陥殊に巨大割れ欠陥の発生を阻止すること
ができ、これによって高品質の鋳塊を製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明方法に係る引き抜ぎパ
ターンの例を示す図、第２図及び第３図は電子ビーム溶
解装置の例を示す説明図、第４図（ａ）〜（ｃ）は連続
引き抜き法を用いて鋳塊を引き抜いているとき（休止状
態も含む）説明図であって、（ａ）は休止状態、（ｂ）
は引き抜き開始時、（Ｃ）は引き抜き継続時を示す説明
図、第５図は引き抜き速度と鋳塊表面欠陥の最大深さと
の関係を示す図、第６図は引き抜き距離と鋳塊表面欠陥
の最大深さとの関係を示す図、７図は押し上げ速度と表
面欠陥の最大深さとの関係を示す図、第８図（ａ）及び
（ｂ）は本発明に係る押し上げ・引き抜きパターン例を
示す図、第９図（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る引き抜
きパターンの例を示す図、第１０図（ａ）及び（ｂ）は
本発明に係る押し上げ・引き抜きパターンの例を示す図
、第１１図及び第１２図は本発明の一実施例の結果を示
す図である。 １・・・溶解室　　　　　２・・・原料棒３・・・電子
銃　　　　　４・・・水冷鋳型５・・・水冷ハース　　
　６・・・ホッパー７・・・焼付き部 ８・・・引き抜き休止ステップ Ｑ、１（１，１２，１４，１７・・・引き抜きステップ
１１．１８・・・押し上げステップ １３・・・多段引き抜き工程

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
   冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
   つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、 上記鋳型内の溶解金属表面が所定高さに上昇到達するま
   では鋳塊引き抜きを休止するステップと、０．３ｍｍ／
   秒以上の速度で１〜４０ｍｍの高さに亘って上記鋳塊を
   連続的に引き抜くステップを繰返して実施することを特
   徴とする電子ビーム溶解法による鋳造方法。 （２）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
   冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
   つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、 上記鋳型内の溶解金属表面が所定高さに上昇到達するま
   では鋳塊引き抜きを休止するステップと、０．３ｍｍ／
   秒以上の速度で１〜５ｍｍの長さに亘って鋳塊を押し上
   げるステップと、０．３ｍｍ／秒以上の速度で１〜４０
   ｍｍの長さに亘って鋳塊を連続的に引き抜くステップと
   を繰返して実施することを特徴とする電子ビーム溶解法
   による鋳造方法。 （３）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
   冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
   つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、 ０．３ｍｍ／秒以上の速度で１〜４０ｍｍの長さに亘っ
   て鋳塊を連続的に引き抜くステップを断続的に繰返して
   行なう多段引き抜き工程と、鋳型内の溶解金属表面が所
   定高さに上昇到達するまでは鋳塊引き抜きを停止する工
   程を繰り返して行なうことを特徴とする電子ビーム溶解
   法による鋳造方法。 （４）電子ビーム溶解法によって溶解した溶解金属を水
   冷鋳型内へ導き、該鋳型内で上記被溶解金属を凝固させ
   つつ凝固鋳塊を引き抜く鋳造方法において、 ０．３ｍｍ／秒以上の速度で１〜５ｍｍの長さに亘って
   鋳塊を押し上げるステップと０．３ｍｍ／秒以上の速度
   で１〜４０ｍｍの長さに亘って鋳塊を連続的に引き抜く
   ステップを繰り返して行なう多段押し上げ引き抜き工程
   と、鋳型内の溶解金属表面が所定高さに上昇到達するま
   では鋳塊引き抜きを停止する工程を繰り返して行なうこ
   とを特徴とする電子ビーム溶解法による鋳造方法。