JP3141181B2 - 難塑性加工金属材料の板を製造する方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、クロムやマンガンなど
の難塑性加工金属材料の板或いは難塑性加工金属材料の
合金の板を製造する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばスパッタリングターゲット
として使用されるＣｒ等の難塑性加工金属材料の厚さ１
０mm、幅１５０mm、長さ４００mm程度の薄板を、大気中
での溶解または真空溶解後に鋳型に流し込み、板状のイ
ンゴットとして製造すると、図１に示すように、薄板の
インゴットａにはひけ巣ｂ、クラックｃ、ブローホール
ｄ等が発生し、鋳物欠陥のないインゴットを鋳造するこ
とが困難であった。また、他の真空溶解による鋳造方式
として、図２に示すように、アルミナるつぼ又はマグネ
シアるつぼ等のるつぼｅ内で難塑性加工金属材料の溶湯
ｆを作成し、これを割型ｇに注湯してその固化後に角型
のインゴットａとして取り出し、これを鍛造、圧延して
薄板とすることも行なわれていたが、クラックｃが入
り、２次加工が困難で薄板の製造に適していなかった。
更に、Ｃｒのように融点の高い活性金属は、図３のよう
なＣｒの消耗電極ｈと水冷銅るつぼｅを設けたアーク溶
解炉内でアークｉにより該消耗電極ｈを融解させ、るつ
ぼｅ内に得た溶湯ｆを鋳型内で固化させて円筒形のイン
ゴットａとし、これを鍛造、圧延して薄板とすることも
行なわれたが、薄板にはクラックｃが入り、これも薄板
の製造には適していなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、難塑性
加工金属材料の薄板はインゴットの鍛造、圧延で製造す
ることは非常に困難である。そのため、インゴットを鍛
造、圧延したのち、クラック等の欠陥のない薄板のみ製
品として選出され、残りは無駄になるので著しく歩留ま
りが悪い欠点があった。鋳造により、薄板寸法よりも大
幅に厚く大きなインゴットを得、これを切削、研削して
所定の寸法に仕上げて薄板を製作することも可能ではあ
るが、これも材料に無駄が生じるだけでなく加工に時間
が掛り経済的ではない。こうした鋳造方法で該薄板を製
造できない主な原因は、溶製インゴットの内部に存在す
る鋳物欠陥及び材料固有の塑性加工性の悪さに起因して
いる。

【０００４】本発明は、難塑性加工金属材料の板を鋳物
欠陥を発生せずに鋳造により製造する方法を提供するこ
と及びこの製造方法に適した装置を提供することを目的
とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、真空室内の
上方に複数本の真空溶解用加熱電極を一列に配置し、そ
の下方に固形の難塑性加工金属材料を収容した導電性の
容器を配置し、該真空溶解用加熱電極を真空中で放電さ
せながら該電極の列と略直交する方向へ該容器を相対的
に移動させ、該容器内で難塑性加工金属材料の溶解と固
化とを行なって板を作ることにより、上記の第１の目的
を達成するようにした。本発明の第２の目的は、真空排
気口を備えた真空室内の上方に複数本の真空溶解用加熱
電極を一列に配置し、その下方に固形の難塑性加工金属
材料を収容した導電性の容器を配置し、該真空溶解用加
熱電極を真空中で放電させながら該電極の列と略直交す
る方向へ該容器を相対的に移動させ、該容器内で難塑性
加工金属材料の溶解と固化とを行なって板を作る装置に
於いて、該放電の存在する空間の側方に放電アークを収
束させる磁場を生じさせるための磁石を設けることによ
り、達成される。

【０００６】

【作用】真空室内を通常の真空溶解の場合と同様に真空
に排気して不活性ガスを導入し、複数本の真空溶解用電
極と導電性の容器との間に電位差を与えると、該電極と
容器との間に放電が発生し、該容器に収容した固形の難
塑性加工性金属材料のうち、該電極の直下に位置した該
材料がアーク溶解される。各電極による溶解部分が互い
につながるように電極間の距離を設定し、放電を生じさ
せながら該電極の列に対して直交方向へ該容器を相対的
に移動させると、該金属材料の溶解部分は次第に前進
し、電極の直下を通過した溶解部分は次第に固化する。
該電極と容器の相対的移動速度は、該金属材料の種類や
これを収容した層の厚さによっても異なるが、例えば３
mm／minで移動させると、該金属材料は徐熱徐冷溶解さ
れ、該電極の放電が該容器内の走査を完了して該金属材
料の固化が終わると真空室の外部へ取り出し、該容器か
ら溶解固化した該金属材料を取り出すと該金属材料の薄
板が得られる。この薄板はひけ巣やクラック或いはブロ
ーホール等がなく、これにわずかな研削等の機械加工を
施して寸法を整えるだけで例えばスパッタリングターゲ
ットに使用できる。

【０００７】容器を移動させて上記の溶解を行なうと、
該金属材料の溶解部分は多少とも波立っているので、溶
湯が電極に付着して短絡状態になり、溶湯の低温化と電
極材料の溶湯への混入で均質な板が製品として得られな
くなることが生じるが、該放電の存在する空間の側方に
放電プラズマを収束させる集束コイルを設けておくと、
放電のアークが長くなり、それがために該電極を容器か
ら遠ざけて位置させることが可能になって放電消滅の事
故と板の品質低下を防止できる。

【０００８】

【実施例】本発明の方法の実施例を図４に基づき説明す
ると、同図に於いて符号１は真空室２内の上方に一列に
配置した５本の真空溶解用加熱電極、３は該真空溶解用
加熱電極１の下方に設けた平板電極や水冷銅ハース等の
導電性の容器を示す。各真空溶解用加熱電極１は例えば
水冷されたスティンガーロッド１ａと非消耗タングステ
ン電極１ｂとで構成される。該容器３の上面には粉末や
粒状の固形のクロムやマンガン等の難塑性加工金属材料
４を収容し、該容器３を水平方向で且つ該電極１の列に
対して直交方向へ適当な移動手段により移動させるよう
にした。容器３の代りに電極１を該直交方向へ移動させ
るようにしてもよい。

【０００９】該電極１を直流電源の陰極に接続すると共
に、該容器３を該直流電源の陽極に接続しておき、真空
中で該電極１と容器３との間で放電させながら該容器３
を低速で移動させると、各電極１の直下の難塑性加工金
属材料４は各電極１の間隔が適当に設定されているとそ
の放電により該容器３の幅全体に亘って溶解し、帯状の
溶融プール５が形成される。該容器３の移動速度が１〜
５０mm／minで溶湯の深さが１０〜２５mmであれば、該
金属材料４は徐々に溶解した後ゆっくりと凝固６し、ま
た更にその凝固後徐冷することにより図５に示すような
スムースな表面を持ちクラックやピンホールのないイン
ゴット８を得ることができる。このインゴット８の表面
を１〜２mmの厚さで切削加工または研削加工により仕上
げれば、図６のようなスパッタリングターゲット９を作
成でき、製造過程での材料の損失も少なくまた不良品の
発生も少なく、効率良く作成できる。純金属の難塑性加
工金属材料４を溶解するときは、容器３の移動速度は１
〜１０mm／minが適当であるが、該金属材料４に添加物
を入れて難塑性加工金属材料の均一な合金の板を溶解製
造する場合には、該容器３を１０〜５０mm／minで移動
させるのが適当である。

【００１０】本発明方法の具体的実施例を図４に基づき
述べると次の通りである。 実施例１ 水冷銅ハースの長さ４００mm、幅１５０mmの容器３内に
難塑性加工金属材料４として平均粒径が４〜５mmの４Ｎ
の高純度クロムを１０〜１２mmの厚さに収め、真空室２
内を１０^-3Torrに真空排気した。該容器３の上方に間隔
を存して該容器３の幅方向に一列に５本配列した非消耗
タングステン電極１と、該容器３とに電源から５０Kwの
直流電力を投入し、該電極１と容器３との間に放電を発
生させながら、該容器３を図４の矢印方向に１０mm／mi
nの速度でゆっくりと移動させた。これにより該材料４
は帯状の溶融プール５を形成して溶解し、ゆっくりと凝
固し、全体の溶解が終わった後１００min徐冷して１５
０×４００×１０mmのインゴットを容器３から取り出し
た。このインゴットは表面が滑らかでクラックやピンホ
ールもなかった。これの表面を切削加工して１２７×３
８１×６．３５mmのクロムのスパッタリングターゲット
に仕上げた。

【００１１】実施例２ 上記実施例１と同じ水冷銅ハースの長さ４００mm、幅１
５０mmの容器３内に、難塑性加工金属材料４として平均
粒径が５〜６mmの４Ｎの高純度クロムに平均粒径が１〜
２mmのシリコンを１ａｔ％添加した混合物を１４mmの厚
さに収め、真空室２内を１０^-3Torrに真空排気した。該
容器３の上方に間隔を存して該容器３の幅方向に一列に
５本配列した非消耗タングステン電極１と、該容器３と
に電源から４５Kwの直流電力を投入し、該電極１と容器
３との間に放電を発生させながら、該容器３を図４の矢
印方向に２０mm／minの速度で移動させた。これにより
材料４は容器３内で帯状に溶解し、ゆっくりと凝固し、
全体の溶解が終わった後８０min徐冷して１５０×４０
０×１０mmのインゴットを容器３から取り出した。この
混合物を従来のインゴット溶製法で作成するとシリコン
の偏析のためにインゴットに割れが発生し、健全なイン
ゴットの溶製が行なえなかったが、本発明の方法で得た
インゴットは割れもなく健全であった。これの表面を切
削加工して１２７×３８１×６．３５mmのＣｒ−Ｓｉの
スパッタリングターゲットに仕上げ、これの長さ方向の
中間部を図７に示す等間隔の位置ａ〜ｇでＳｉ含有量ａ
ｔ％を調べるためにサンプリングした結果は次表の通り
で、略均一に分布していた。 上記非消耗電極１に生じる放電のアーク長は通常１０〜
２０mm程度と短く、容器３の移動に伴うショックで容器
３内の溶湯の液面が揺れると、該電極１と該液面が接触
し、短絡により放電が消滅して該溶湯の温度が低下する
のみならず、溶湯が該電極１に付着して該電極１の融点
を低下溶融させ、電極１の材料が溶湯に混入して異物が
混入した品質の悪いインゴットが製造されてしまう不都
合がある。揺れる該液面に非消耗電極１が２〜３秒接触
しただけで該電極１の材料がインゴットに１００〜２０
０PPMも混入することがある。

【００１２】このような事態は、図８に示すように、真
空溶解用加熱電極１と容器３との間の放電が存在する空
間１０の側方に該放電アーク１１を収束させる磁石を設
けることにより解決できる。これを更に詳細に説明する
と、図８に於いて図４と共通する部材は共通の符号が付
されており、符号１２は真空室２内を真空排気する真空
排気口を示し、該真空室内の上方に一列に配列した複数
本の真空溶解用加熱電極１はタングステンやトリウム入
りタングステン或いは黒鉛等を使用した非消耗電極で、
その下方の容器３は水冷銅ハースで構成した。各電極１
は夫々抵抗器１３を介して夫々の直流電源１４の陰極に
接続され、各直流電源１４の陽極を集合させると共に集
束コイル１５を介して容器３に接続した。該集束コイル
１５は放電の空間１０の側方を囲み、且つ該容器３の移
動が可能なようにその移動領域を囲んで設けられる。

【００１３】その作動を説明する。真空室２内に５本の
タングステン製の非消耗電極１を一列に配置しておき、
その下方に幅３００mmで長さが５００mmの該電極１の列
と直交方向へ移動自在の容器３を設け、放電の空間１０
の側方を囲み且つ該容器３の移動範囲を囲むように集束
コイル１５を４ターン巻いておく。電極１は容器３の溶
融プール５の難塑性加工金属材料４の溶湯の液面と６０
mm離して設けた。そして、該容器３内に難塑性加工金属
材料４のクロムを入れ、真空室２内を真空排気後アルゴ
ン圧７２０Torrにし、各電極１に５５０Ａの電流を流す
と、該集束コイル１５は励磁されてこれと直交した図８
に示すような磁界が発生して放電アークを集束するよう
に作用するので、該電極１と該液面の間隔を６０mmと長
いアーク長に設定してあっても放電アークは発生しその
途中で消滅することがない。この場合の該集束コイル１
５の中央部に於ける磁界の強さは１６８ガウスであっ
た。放電をさせたまま該集束コイル１５で囲まれた領域
内で該直交方向即ち図面に垂直方向へ容器３を１〜１０
mm／minの低速で移動させると、前記したように該金属
材料４が容器３内で徐熱徐冷溶解し、難塑性加工金属材
料４の板状のインゴットが製造できる。この場合の磁界
の強さとアーク長との関係を調べたところ、図９のよう
な関係が見られた。１６８ガウスのときは７６mmのアー
ク長が得られ、実用上は９０ガウス以上あれば溶湯が振
動で電極１に接触することを充分に防止できる６０mm以
上のアーク長が得られた。

【００１４】該集束コイル１５を図８のように放電用の
回路に介在させると、放電用の電源１４を利用でき、集
束コイル１５の電源を省略できて有利であるが、図１０
のように集束コイル専用の電源１６を設けてもよい。ま
た、図１１に示すように、真空室２内を冷却するために
設けた水冷銅管１７に電源から通電し、これを集束コイ
ル１５として利用することも可能である。

【００１５】

【発明の効果】以上のように本発明の方法によれば、真
空室内の上方に複数本の真空溶解用加熱電極を一列に配
置し、その下方に難塑性加工金属材料を収容した導電性
の容器を配置し、該真空溶解用加熱電極を真空中で放電
させながら該電極の列と略直交する方向へ該容器を相対
的に移動させ、該容器内で難塑性加工金属材料の溶解と
固化とを行なうようにしたので、鋳物欠陥のない難塑性
加工金属材料の板を鋳造でき、材料の無駄が少ないので
経済的である等の効果があり、また本発明の装置によれ
ば放電の存在する空間の側方に放電アークを収束させる
集束コイルを設けたので、アーク長を長くできて電極と
溶湯が接触する不都合が解消でき、品質の良い難塑性加
工金属材料の板を製造できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の難塑性加工金属材料の板状の鋳造品の
斜視図

【図２】 従来の難塑性加工金属材料の板状の鋳造品の
鋳造方法の説明図

【図３】 従来の難塑性加工金属材料の板状の鋳造品の
他の鋳造方法の説明図

【図４】 本発明の方法の実施例の説明図

【図５】 本発明方法で製造した難塑性加工金属材料の
板状の鋳造品の斜視図

【図６】 本発明方法で製造した難塑性加工金属材料の
板状鋳造品を仕上げた状態の斜視図

【図７】 本発明方法で製造した難塑性加工金属材料の
合金の板状鋳造品のサンプリング箇所を示す平面図

【図８】 本発明の装置の截断側面図

【図９】 本発明の装置によるアーク長の変化を示す線
図

【図１０】 本発明装置の他の実施例の截断側面図

【図１１】 本発明装置の他の実施例の要部の截断側面
図

【符号の説明】

１ 真空溶解用加熱電極 ２ 真空室
３ 容器 ４ 難塑性加工金属材料 ５ 溶融プール １
０ 空間 １４ 直流電源 １５ 集束コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲嶋▼脇 正 千葉県山武郡山武町横田516番地 真空 冶金株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−91954（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−261517（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 23/06 B22D 21/00 B22D 25/02 B22D 27/15

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空室内の上方に複数本の真空溶解用加
   熱電極を一列に配置し、その下方に固形の難塑性加工金
   属材料を収容した導電性の容器を配置し、該真空溶解用
   加熱電極を真空中で放電させながら該電極の列と略直交
   する方向へ該容器を相対的に移動させ、該容器内で難塑
   性加工金属材料の溶解と固化とを行なって板を作ること
   を特徴とする難塑性加工金属材料の板を製造する方法。
2. 【請求項２】 上記容器には固形の難塑性加工金属材料
   と共に他の金属材料の固形分を収容したことを特徴とす
   る請求項１に記載の難塑性加工金属材料の板を製造する
   方法。
3. 【請求項３】 上記容器と上記真空溶解用加熱電極の相
   対的移動速度は１〜５０mm／minで、該容器内で上記難
   塑性加工金属材料の徐熱徐冷溶解を行なうことを特徴と
   する請求項１に記載の難塑性加工金属材料の板を製造す
   る方法。
4. 【請求項４】 上記容器内の溶湯の深さは１０〜２５mm
   であることを特徴とする請求項１に記載の難塑性加工金
   属材料の板を製造する方法。
5. 【請求項５】 真空排気口を備えた真空室内の上方に複
   数本の真空溶解用加熱電極を一列に配置し、その下方に
   固形の難塑性加工金属材料を収容した導電性の容器を配
   置し、該真空溶解用加熱電極を真空中で放電させながら
   該電極の列と略直交する方向へ該容器を相対的に移動さ
   せ、該容器内で難塑性加工金属材料の溶解と固化とを行
   なって板を作る装置に於いて、該放電の存在する空間の
   側方に放電アークを収束させる集束コイルを設けたこと
   を特徴とする難塑性加工金属材料の板を製造する装置。
6. 【請求項６】 上記複数本の真空溶解用加熱電極は非消
   耗電極で構成され、各非消耗電極をこれと同数の直流電
   源の陰極に夫々接続し、各直流電源の陽極を上記容器に
   集合接続したことを特徴とする請求項５に記載の難塑性
   加工金属材料の板を製造する装置。
7. 【請求項７】 上記集束コイルは上記放電の存在する空
   間の側方の周囲を捲回するコイルで構成され、該コイル
   の上端に上記各直流電源の陽極を集合接続し、該コイル
   の下端を上記容器に接続したことを特徴とする請求項６
   に記載の難塑性加工金属材料の板を製造する装置。