JPH02302392A - 金属体の凝固組織制御方法およびその装置 - 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］ この発明は純金属、各種合金からなる棒状金属体を溶解
凝固し凝固組織を制御させ、一方向性凝固組織もしくは
単結晶組織を得ることを目的とした金属体の凝固組織制
御装置及び装置に関するものである。

［従来の技術］ 凝固組織を制御した金属体の製造装置は特公昭６２−５
７４１８号公報、特開昭６２−２２７５５１号公報等に
提案されている。

特公昭６２−５７４１８号公報ではルツボ内で溶解した
金属を順次凝固させながら上方に引き上げる方法であり
、一方特開閉６２−２２７５５１号公報は同じくルツボ
中で溶解した金属をルツボ側壁に設けた開口部から順次
水平方向に引き抜く方法である。

［発明が解決しようとする課題］ これらの方法は、いずれも溶解素材を全量一旦溶解し、
その後引き抜きながら順次凝固させる手法であり、大量
の溶湯を準備し、温度コントロールしながら保持する必
要があって、エネルギー効率という点から不利益が多い
。

又両者において、凝固組織を制御するための鋳型加熱方
法は、単純な抵抗加熱又は多重巻きコイルを用いた高周
波加熱方法である。従って凝固組織を制御するために最
も重要な凝固界面における温度勾配の制御要素が限定さ
れる。もつとも凝固完了した金属体を水、その他のガス
によって強制冷却することができるが、割れ悪受性の高
い金属例えば金属間化合物は金属体に割れが発生し、良
好な金属体が得られない。

以上述べた通り従来の方法又は装置では、凝固組織が制
御された良好な金属体を得ることが困難な場合が多い。

本発明は、金属体の凝固組織を一方向に制御した、いわ
ゆる一方向性凝固組織とした金属体を得るため、特に凝
固界面の温度勾配を広い範囲で制御し、かつ良好な一方
向凝固組織を一有する金属体を製造するための装置を提
供することを目的とする。

ここで金属体は純金属例えばＡｆｆｌ、Ｃｕ、Ｔｉ。

Ｆｅ、ＳＬ等であり、又これらの合金、金属間化合物が
あるが、これらに限定されない、金属であれば、下方又
は上方から一方向に凝固させることにより一方向性凝固
組織又は単結晶組織が得られる。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明の金属体の凝固組織制御装置は、受台上にセ
ラミック円筒を垂直に立て、加熱用の高周波誘導コイル
を、該セラミック円筒を囲んで配置され、該高周波誘導
コイル又は該セラミック円筒を相対的に上向き又は下向
きに移動させる機構を有し、溶解素材を該セラミック円
筒内へ供給する機構とを具備したことを特徴とする。

第２の発明の金属体の凝固組織制御方法は、第１の発明
の凝固組織制御装置を用いて、高周波誘導電力、溶解速
度、凝固速度を制御して、凝固した金属体中心部の凝固
界面が上方に凸となるように制御しながら溶解凝固を行
うことを特徴とする。

［実施例］ 本発明の基本的構成を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例の金属体の凝固組織制御装置
を示す図で、あ条、金属体の凝固組織制御装置の中心に
通常セラミック製の受台２を配置し、その上にセラミッ
ク円筒１を配置する。セラミック円筒１は融点の低いＡ
ＩＩ、Ｃｕ等を溶解する場合には例えばシリカ（ＳｉＯ
ｚ）製でもよいが、融点の高いＦｅ等である場合には、
アルミナ（Ａρ２ＯＳ〉、熱分解ボロンナイトライド（
Ｐ−ＢＮ＞等のセラミックがよい、該セラミック円筒１
の外部から高周波電力を供給する高周波コイル３を配！
する。この高周波コイル３の構造は溶解素材４に局所的
に電力を入力するため平板状のものがよい、溶解素材４
は上部でこれを保持する溶解素材支持チャック５により
吊り下げられている。この溶解素材支持チャック５は必
要により溶解素材と同軸で回転する。この回転は溶解素
材４の溶解面を均一にすると共に、溶融帯６内の温度分
布を均一にする作用があり、組織制御に寄与する。

高周波電力を溶融帯６に局部的に集中させるには、平板
状の高周波コイルがよく、その構造例を第２図、第３図
に示す、第２図は本発明の一実施例の平板状の高周波コ
イルを示す図で、第２図（ａ）は本発明の一実施例の平
板状の高周波コイルの斜視図で、第２図（ｂ）は、第２
［ｇ（ａ）のＡ−Ａ断面図である。７は銅製の円板体よ
りなる第１の集磁リングであって内部は冷却媒体例えば
水を流通させる渭７１を形成し、全体として通常水冷さ
れた高周波コイル３が発生する磁力線の分散を防止する
。第２図は高周波コイルの上方への磁力線の分散を防止
する例である。銅製の第１の集磁リング７と高周波コイ
ル３の間には絶縁体７２が挿入されている。

第３図は他の実施例の平板状の高周波コイルを示す図で
、第３図（ａ）は本発明の他の実施例の平板状の高周波
コイルの斜視図で、第３図（ｂ）は、第３図（ａ＞のＢ
−８断面図である。この図は銅製の第１の集磁リングと
一体に形成された高周波コイル３で、水冷用接続部３１
より冷却水が給排水され、水冷用の渭３２と接続されて
いる。

これらの高周波コイル３は通常加熱用として設計された
ものである。

第１図に示す高周波コイル３は、上側に内部を水冷した
銅製の第１の集磁リング７ができるだけ高周波コイル３
に接近してＬられてあり、これによって上方への磁力線
の分散を防止することができる。これは磁力線を溶融体
６に集中させるためである。また、高周波コイル３の下
方には、凝固界面における温度勾配が一方向凝固組織に
最適となるような位置に第２の集磁リング７０が設けで
ある。第２の集磁リング７０が高周波コイル３より離れ
るほど、既凝固部分に磁力線が吸収されて発熱がありす
るので、この第２の集磁リング７０と高周波コイルとの
距離を調整することにより、凝固界面の温度勾配を調節
することがってきる。

上記第１の集磁リングおよび第２の集磁リングを用い、
これによって溶融帯６の凝固界面における温度勾配を制
御し最終的に結晶方位を制御する。

また、溶解素材４の供給速度、入力電力等を制御しなが
ら溶解速度を制御し、溶解と凝固を完了する。高周波コ
イル３を定位置とした場合には受台２を下降させる。赤
外線を透過する透明石英又は熱分解ボロンナイトライド
（Ｐ−ＢＮ）によってセラミック円筒１が構成された場
合は、溶融帯を観察するテレビカメラ又は赤外線カメラ
９を配置し、観察しながら溶解速度制御することもでき
る。受台２は凝固が完了した金属体８を降下させる降下
機構１０に接続している。一方受台２を固定しておき、
高周波コイル３、第１の集磁リング７および第２の集磁
リング７０を上方向に移動しながら溶解を実施するもの
も当然考えられる。

溶解する金属体８が大気中で酸化し易い、例えば純鉄の
場合には、第１図に示す装置全体を、例えば透明石英で
構成したセラミック容器又は金属製容器のような密閉容
器内に収容し、内部に不活性ガス等を充填し溶解凝固を
行うことがよい、この密閉容器は、全体的には前記透明
石英の代わりに金属製容器で構成し、一部に内部観察用
の窓を設け、これをガラス、石英等で構成することが実
際的である。・ 第１図に示すセラミック円筒１は底付きであり、高周波
コイル３または金属体８のいずれか一方を相対的に移動
させながら溶解、凝固を実施した場合を示したが、次に
説明するような他の実施態様もある。すなわち、第４図
に示すように上端、下端の開いたセラミック円筒１とし
、溶解−凝固を開始する際には、第４図（ｂ）に示す通
り受台２の一部を切り込んで溶解−凝固させた金属体８
を形成させてから受台２を降下機構１０により下降させ
ることも可能である。

第４図（ａ＞は、この実施態様における定常状態を示し
、第４図（ｂ）は製造開始時の状態を示す図である。そ
の他の点は第１図と同じ構成である。この装置では前記
セラミック円筒ｌを定位置に配宣し、上方より溶解素材
４を連続的又は半連続的に供給し、溶解−凝固を完了し
た金属体８を連続的又は半連続的に下方に引き抜くこと
によって目的が達せられる。ここで高周波コイル３は定
位置とし、したがって溶融帯６も定位置に留まる。

ここでこの凝固組織制御装置の運転方法及び作用につい
て説明する。まず溶解素材４として通常市販で得られる
円形、あるいは多角形の棒状金属体を用意する。Ａβ、
Ｃｕ、Ｆｅあるいはこれらの合金は棒状に形成されてい
ればよい、加工が困難な金属の場合には粉末を圧縮成形
した棒状素材がよい、これを素材支持チャック５によっ
て保持し、所定の位置にセットして、高周波電力により
溶解しながら、例えば受台２を下降８１横１０によって
下降させる。ここで重要な点は第４図（ａ）、（ｂ）に
示すように、 ■下側の凝固界面において組織的に適冷が生じないよう
な十分な温度勾配を有すること、■下側の凝固界面が上
側に凸となるように温度分布を制御すること が一方向で、かつ良好な凝固組織を得るために必要であ
る。■の条件は凝固界面において溶湯内で等軸晶が発生
せず、従って結晶は常に凝固界面から上方へ向かって進
行するための条件である。この条件は金属の種類によっ
て異なる。■の条件は凝固界面が常に上方でかつ同一平
面で観察したとき金属体内部から外周に向かって凝固す
る条件であり、これによって金属体内部に凝固収縮孔が
発生ぜず、又通常の鋳塊に観察される中心部の偏析を防
止する重要な要件である。上記の条件は高周波コイル形
状、溶解速度、相互的移動速度、更には、溶解素材の回
転速度によって制御される。高周波電力は一般に外部高
周波コイル３から入力すると、金属体の外周に大きな電
力が入力され（表皮効果）、内部へ行く程に入力電力が
低下するので、本装置は極めて都合がよい。

このように前記の従来の装置よりも、多くの制御要素を
有しているので、一方向凝固組織を有する金属体の製造
に極めて重要な役割を果たす。第４図は前記の通り底部
が開いた短いセラミック円筒を用い、上方より連続的又
は半連続的に溶解素材を供給し、溶解−凝固した金属体
を連続的又は半連続的に製造できる点が異なる。第４図
（ｂ）には、本装置における製造開始時における機構を
示したものである。即ち、受台２の一部を例えば図示の
通り切り込んでおき、所定の時間後、下降機構１０によ
り受台２を下降させて、溶解−凝固を行う０次にこの装
置を使用した具体的な実施例について説明する。

（実施例１） 外径２５０■謙Φ、長さ１５００龍の石英製の密閉容器
内にＡｒガスを封入し、第１図の装置をその内部にセッ
トした。内径５０ｍ■Φ、外径５４龍Φの石英ルツボの
セラミック円筒１を、受台２に立て、外径４０１１１Φ
、純度９９．９９％のＡ！！金属棒を溶解−凝固させ、
５〜１５　ｍ＊　／　ｖｉａで引き抜いた。得られたＡ
Ｉ金属体は、約４９龍Φで、長さは４００　ａｓである
。金属体８の断面には３個の結晶しか観察されず、又各
結晶は下方から上方へ向かっており完全な一方向性凝固
組織を有していた。

上記において、溶解素材４を毎分１０回回転転た場合と
、全く回転しなかった場合を比較したところ、回転した
場合には断面内の結晶数は異なっていないが、方向性が
優れていた。この種の純Ａ１金属体を１〜２龍Φの線材
に加工したものは特に電気的特性に優れていた。尚上記
の実験において、電力は２００　ＫＨｚの高周波を最大
１３ＫＷ＊で負荷した。

（実施例２） 実施例１で用いた石英ルツボの代わりに熱分解ボロンナ
イトライド（Ｐ−ＢＮ）のセラミック円筒１を第４図に
示す通りに配置した。第４図（ｂ）は前記の通り、溶解
−凝固を作業を開始する状態を示す、この場合、熱分解
ボロンナイトライド（Ｐ−Ｂ、Ｎ）のセラミック円筒１
で内径５０龍Φ、外径５４龍Φである。溶解素材として
は、純度９９．９９％、直径４５ｍｍのＡ、＆金属棒で
ある。溶解、凝固した金属体は、直径約４９　ｍａΦ、
長さ、５００■■のものであった。この金属体の性質も
、実施例１と変わりなく、電気的特性に優れていた。尚
本実験のおいては、溶融帯を赤外線カメラで観察しなが
ら実験と行った。

［発明の効果］ 本発明の方法及び装置は、高周波誘導コイルと溶解素材
との相対的な移動により、溶解素材を順次溶解、凝固さ
せ、溶解速度、冷却方法を制御するので、エネルギー効
果も高く、極めて方向性に優れた一方向性凝固組織を有
する棒状金属体が製造できた。この棒状金属体は結晶方
位が一方向に制御されているため、機械的、電気的な特
性が優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の金属体の凝固組織制御装置
の縦断面図、第２図および第３図は本実施例のそれぞれ
異なる高周波コイルを示す図、第４図は底部開放セラミ
ック円筒を用いた場合の装置の構成を示す縦断面図であ
る。 １・・・セラミック円筒、２・・・受台、３・・・高周
波コイル、４・・・溶解素材、５・・・素材支持チャッ
ク、６・・・溶融帯、７・・・第１の集磁リング、８・
・・金属体、９・・・テレビカメラ又は赤外線カメラ、
１０・・・降下機構、７０・・・第２の集磁リング、７
１・・・水冷用溝、７２・・・絶縁体、３１・・・水冷
用接続部、３２・・・水冷用溝。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）受台上にセラミック円筒を垂直に立て、加熱用の
   高周波誘導コイルを該セラミック円筒を囲んで配置させ
   、該高周波誘導コイル又は該セラミック円筒を相対的に
   上向き又は下向きに移動させる機構を有し、溶解素材を
   該セラミック円筒内へ供給する機構とを具備したことを
   特徴とする金属体の凝固組織制御装置。
2. （２）請求項１に記載した金属体の凝固組織制御装置全
   体を金属製容器又はセラミック製容器内に収容したこと
   を特徴とする金属体の凝固組織制御装置。
3. （３）請求項２に記載において、セラミック容器が透明
   石英により構成されていることを特徴とする金属体の凝
   固組織制御装置。
4. （４）請求項１、２及び３の何れか１に記載の凝固組織
   制御装置において、金属溶解帯を観察又は測温するため
   のテレビカメラもしくは赤外線カメラを装着させること
   を特徴とする金属体の凝固組織制御装置。
5. （５）請求項１、２、３及び４の何れか１に記載の凝固
   組織制御装置を用いて、高周波誘導電力、溶解速度、凝
   固速度を制御して、凝固した金属体中心部の凝固界面が
   上方に凸となるように制御しながら溶解凝固を行うこと
   を特徴とする金属体の凝固組織制御方法。