JPH03216264A - 金属汚染防止方法 - Google Patents

金属汚染防止方法

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JPH03216264A
JPH03216264A JP2175484A JP17548490A JPH03216264A JP H03216264 A JPH03216264 A JP H03216264A JP 2175484 A JP2175484 A JP 2175484A JP 17548490 A JP17548490 A JP 17548490A JP H03216264 A JPH03216264 A JP H03216264A
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トマス・エス・ピウォンカ
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    • F27D11/00Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/12Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces with electromagnetic fields acting directly on the material being heated

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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、導管移送に際して液体金属と同じ材質から成
るメルトリングを使用する金属汚染防止方法に関する. (従来技術) 金属鋳造物の製造等において、非金属介在物による金属
の汚染を回避することが重要である。これら介在物は、
通常酸化物相であり、そして通常溶解されている金属と
それらを内部で溶解するるつぼとの間での反応により形
成される。金属鋳造業者にとって、溶湯と最小限の反応
度しか有しないるつぼを使用することにより、そうした
汚染を回避することが長い間の目標となっていた.しか
しながら、或る種の合金、特に相当量のアルミニウム、
チタン或いはハフニウムを含有しつるニッケル基スーパ
ーアロイは、酸化物系るつぼと激し《反応しそして溶解
中介在物を形成する.チタン基合金及び高融点金属(タ
ングステン、タンタル,モリブデン、二オブ、ハフニウ
ム、レニウム、及びジルコニウム)の合金の場合、るつ
ぼ溶解は、るつぼとの反応が激しいため実質上不可能で
ある。そこで、金属鋳造業者の関連しての目標は、これ
ら合金を汚染な《溶解する方法を見出すことであった。
これまで、金属溶解においてるつぼからの汚染を回避す
る2つの主たる方法が存在した.1つの方法は、「冷却
るっぽ」溶解であり、ここでは水冷銅製るつぼが使用さ
れる。誘導加熱、電気アーク、プラズマトーチ、電子ビ
ームエネルギー源により溶解され得る金属装入物が冷た
い銅るつぼ壁に接触してその内面に沿って凝結して「ス
ヵル」を形成する。その後、液体金属は、るつぼ壁と接
触状態とならずに、金属自身と同じ組成の凝結固体金属
「スカル」内に保持される。
また別の方法は、浮揚溶解(レビテーション溶解)法で
ある。浮揚溶解においては、溶解されるべき或る量の金
属が加熱されている間空間中に浮揚される。米国特許第
2. 6 8 6. 8 6 4及び4.578. 5
 5 2号は、或る量の金属を浮揚しそしてそれを誘導
的に加熱するのに誘導コイルを使用する方法を示してい
る。
冷却るつぼ溶解及び浮揚溶解法は必然的に、大量のエネ
ルギーを消費する.冷却るつぼ溶解の場合、相当量のエ
ネルギーがスカル内に溶融金属のプールを単に維持する
だけにでも必要とされ、そして金属に投入されるエネル
ギーの大半はスカル部分を丁度維持するように意図的に
除去されねばならない。浮揚溶解の場合には、金属を浮
揚状態に維持するのにエネルギーが必要とされる.加え
て、るつぼ法における溶融金属浴の表面に比較して、浮
揚溶解は一定量の金属に対してより大きな表面積を露呈
せしめ、これは輻射による熱損失源となる.金属温度を
維持するのに追加的エネルギーが必要とされる. 先に言及したニッケル基スーパーアロイのような、るつ
ぼと穏やかな反応性を示す合金に対しては、[バーレク
(Birlec) J法と呼ばれる方法が使用されてき
た。この方法は、英国のバーミンガム・エレクトリック
・カンパニーにより開発された。バーレク法においては
,一つの鋳造物を鋳込むに丁度充分なだけの金属を溶融
するのに誘導加熱が使用される。しかし、従来のように
るつぼからそれを傾斜しそして金属をその唇を越えて流
下せしめることにより金属を注ぐのではな《、るつぼは
その底部に溶解される装入金属のrペニー」或いは「ボ
タン」でもって蓋された開口を有している。装入金属が
溶解されると、溶融装入物からペニーへの熱伝達によっ
てぺ二一は溶け落ち、溶融金属は開口からその下側に待
機している鋳型内に落下せしめられる。
バーレク法において適正な誘導溶解周波数及び電力の下
で少量の金属を使用することにより、金属はへイスタッ
キング(haystacking ,干し草の山)のよ
うになる、即ち部分的に浮揚し、そして溶融工程の大部
分を通してるつぼ側壁から離れて保持され、以ってるつ
ぼ側壁との接触を排除はしないが最小限とする。こうし
た方法は今日ガスタービン工業用の単結晶精密鋳造品の
製造のために使用されている.例えば、rMateri
als Scienceand Technology
J Vol.2,May.  1986.  pp44
2−460に掲載された論文rFrom Resear
ch To Cost−Effective Dire
ctional Solidification An
d SingleCrystal Productio
n−An Integrated Approach 
Jを参照されたい. 高融点及びチタン合金を溶解するのにヘイスクッキング
の使用が1950年代に米国陸軍により炭素るつぼを使
用して試みられた。r AmericanFoundr
ymen s Society Transactio
ns J Vol.66,1958. 99. 225
−230に掲載されたrDuctile HighSt
rength Titanium Castings 
By Induction Melting Jを参照
されたい。ヘイスクッキング法とバーレク法とを組み合
わせることにより、上記の結果を改善する試みが197
0年代に為された.例えば、Report AFFL−
TR−72−168. 1972, Air Forc
eSystems Command, Wright−
Patterson AFBに掲載されたr Indu
ction Melting and Casting
 ofTitanium Alloy Aircraf
t ComponentsJを参照されたい. 金属の汚染防止のためには、こうした溶解方法以外にも
、液体金属が導管を通過するに際して該金属の汚染を防
止する方法が必要とされる。
例えば、溶融金属は、支持体における開口を通して流出
される。支持体は、例えばその内部の通路を通して冷却
材を循環することにより溶解される装入物の融点より低
い温度に維持されている。
支持体が装入物の融点より低い温度に維持さわているた
めに、少量の装入物が固体のまま残存しそして支持体を
覆いそしてそれと同心の環状リムを形成する.加えて、
一度装入物が溶け落ちそして溶融金属が開口を通して流
下し始めると、僅かの金属が開口の内面に凝結する。
通常の操作において、装入物の底部において溶融して形
成された穴は開口の直径より大きくならない.従って、
通常の操作においては、支持体を取り巻く或る量に固体
金属が常に存在するので、溶融金属は支持体と決して接
触しない。しかし、それは常にそうとは限らない。装入
物の底部に溶融形成された穴が開口の直径より大きくな
ったときに起こりつる事態を示す。その場合、環状リム
は支持体の上面全体を被覆せず、開口の縁から引っ込ん
で、支持体の鋭尖な縁辺を露出状態で残している。これ
は、開口を通して流下する溶融金属が支持体と接触状態
となり、それとの接触によって汚染されるようになるこ
とを意味する.鋭尖な縁辺もまた開口を流下する溶融金
属により溶かし削られ、生成鋳造物が使用不可となる程
度にまで融体な汚染する. (発明が解決しようとする課題) 本発明の課題は、液体金属が導管を通過するに際して該
金属の汚染を防止する方法を確立することである. (発明を解決するための手段) 本発明は、液体金属が導管を通過するに際して該金属の
汚染を防止する方法として、 該液体金属と同じ材質から成るメルトリングを前記導管
内に設けそして前記液体金属を前記導管の内面と接触す
ることなく前記メルトリングにおける開口を通過せしめ
ることを特徴とする金属汚染防止方法を提供する. (実施例の説明) 本発明を最初に説明した誘導コイル加熱溶解方法と関連
して説明するが、液体金属が導管を通過するに際して該
金属の汚染を防止する各種の状況に応用しつる. 第1図は、誘導炉の概略図である.固体金属の装入物(
チャージ)12は複数の巻線l4を有する誘導コイル1
0内に配置される。コイル10は、既知の方法で付勢さ
れるとき磁場を発生する。この磁場が、装入物内に渦流
を誘導し、それにより装入物を加熱する。誘導加熱及び
溶解の一般的原理は周知であり、ここで詳しく説明する
必要はないであろう。
コイルlOはまた、それが付勢されるとき装入物に電磁
力を行使する.巻線は14は、それが発生する電磁力が
装入物l2の下方部分に向けて一層集中するよう配列さ
れる。好ましい具体例において、下方のコイルは、最下
端に向けて2重、3重或いはもっと多重化される。別様
には、巻線l4は、装入物の底部に向けて巻線が上方部
巻線より装入物l2に対して一層近接するよう配列され
る。また別の方策は、複数の別個の電源を用意しそして
各々下方部の巻線がそれと関連して一層多くの電気エネ
ルギーを有するように装入物及び巻線の異なった部分と
対応させることである。
装入物l2は、その溶解前に、貫通開口20を具備する
支持体l8上に載置される。支持体18は、環状リング
として例示されているが、環状である必要はない。しか
し、開口20は円形であることが好ましい。支持体18
は、装入物が溶解されるに際して装入物l2に比較して
相対的に冷たい予備選定された温度に維持するための手
段を含んでいる。支持体l8を冷却するための代表的手
段は、管24により供給される液体冷却材が循環する内
部通路22を設けることである.支持体l8に対して好
ましい材料は銅である.誘導コイルの最上段の巻II!
 l 6は、誘導コイルの他の巻綿14の巻き方向とは
反対の方向に巻かれる。この反対巻きの巻線は、装入物
l2が部分的に浮揚する或いはへイスクッキングするの
を防止する効果を存する.もし金属が部分浮揚されるな
ら、部分浮揚により生じる過剰の表面積が輻射熱損失の
源となり、コイルの溶解効率を減じる。
上向き浮揚力がコイルの上端からの反対向きの力により
相殺されるこの型式のコイルは、米国特許第2, 6 
8 6. 8 6 4及び4. 5 7 8. 5 5
 2号に開示されるように浮揚コイルとは逆に「封じ込
め」コイルとして知られている。必要なら、誘導コイル
の一つ以上の巻線が、上方浮揚力を相殺するに充分の下
向き力を提供するようにコイルの残部に対して反対向き
に巻かれる。浮揚はまた、装入物l2の上方に配置され
る、然るべく設計されたディスク、リング或いは他の種
構造体のような浮揚力を抑制する受動性インダクタの使
用により防止され得る. 固体装入物l2は、コイル10内部に、巻線l4と近接
して但しそれとの物理的に接触しないようにして置かれ
る.るつぼが使用されないことが強調されるべきである
.コイル巻線l4は、発生する磁力が金属が溶解するに
際して金属を支持しそしてコイルの中心と同心の円筒状
容積部に周面を閉じ込めるよう配列される.同時に、融
体の浮揚は上述した構成により防止される。
電力がコイル10に適用されるとき、金属は第2図に示
されるように、装入物の上部から溶け始める(固体金属
12は斜線で示しそして液体金属12aは無地で示す)
.溶解が進行するにつれ、第3図に示されるように、液
体部分12aが増大しそして装入物を通して下方に移動
する。誘導コイルlOの底部の余分の巻線により与えら
れる高い磁力により、液体部分12aは装入物l2の側
面を超えてそこを下って流下せずに、固体装入物12に
より占有されていた元の占有スペースをはみ出さないよ
うに閉じ込められる. 最終的に、液体金属12aから残存する固体金属l2へ
の熱伝達は、支持体l8上に直接載る金属のリムを除い
て挿入物すべてを溶解する.開口20に隣接する固体装
入物部分が最終的に溶け落ちるとき、液体金属は開口2
0を通過しそして鋳型32或いは他の容器内に流下する
.装入物l2は、鋳型32と同じ容積を持つよう寸法付
けられている。支持体18が管24及び内部通路22に
より比較的低い温度に維持されているから、支持体18
に近接する金属は固体のまま残存している(第4図に2
6として示す)。
誘導加熱溶解方法は装入物l2が溶解しそして溶融金属
12aが開口20を通過する際スラグ及び不純物を除去
するという追加的な利点を有することが見出された。装
入物l2の誘導溶解の過程で、或る量のスラブと不純物
とは溶融した装入物の表面に移行する傾向がある。この
量のスラグが第3図に斜線域13として示される。開口
20が好ましくは円柱状の装入物12の軸線に沿って配
置されるから、開口20はスラグ域13から離れている
。従って、液体金属12aが固体装入物12の底部を溶
かし落しそして開口を通過するとき、濃縮スラグが支持
体の外周部に沿って堆積する傾向がある。溶融金gX1
 2 aの大半が開口20を通して注出されるとき支持
体表面との接触で冷却される支持体に近接した金属は、
主にスラグと不純物から構成される。第4図に26とし
て示すこの金属残渣は型32内には入らない。か《して
本発明方法は.金属装入物を型32に鋳込むに際してそ
れを一層精製する効果を有する。
装入物の下方部に向けて余分のコイル巻線l4により供
給される磁力の目的が液体金属12aをコイル10の内
部のスペースにそこから溢れ出ないように閉じ込めそし
て液体金属内部に強い強制対流流れを提供することであ
って、液体金属を浮揚させる、即ちそれを支持すること
ではないことを再度想起されたい,液体金属12aの重
量は装入物の底部に未溶解状態で残存している固体金属
l2により適正な鋳込み温度が得られるまで支持される
.液体金属12aを閉じ込めるに必要な力は金属の高さ
及び密度のみの関数であるから、増大せる量の装入物は
単に装入物及び支持リングの直径を増大することにより
溶解されつる.誘導溶解において、ある狭い温度範囲に
ある溶融金属を提供する或いは金属を過熱する即ちその
融点を超える温度に加熱することが時として必要である
.装入物12をコイル10内部に部分的にのみ置くこと
によりコイル内のその装入物部分は装入物の底部を溶か
すことなくそして液体金属が早期に開口20を通して流
出せしめられることなく過熱されつる.液体金Jig 
1 2 aが所望の温度になって初めて装入物全体がコ
イルio内部に配置される.その後、残りの装入物の溶
解は急速であり、従って所望の温度にある溶融金属12
aが待機している鋳型に流下する. 溶解工程のこの綿密な制御は第5図に示される具体例に
より達成され得る。ここでは、支持リングl8は台座4
2上に設置される垂直方向に可動のプラットホーム40
を装備する昇降装置に付設される。昇降装置は、空圧式
、液圧式、機械的或いは電気的或いは他の任意の手段に
より作動されつる。装入物l2が溶解し始めると、装入
物l2及び支持リングl8は装入物l2の下方部分が誘
導磁場により影響されないようにコイル10の幾分下側
に置かれる.この下方位置において、装入物l2の上部
のみがコイル10内で溶融されることになる.装入物l
2の上方部分における溶融部分が所望の注湯温度に達す
るとき、昇降装置が作動されて装入物を誘導コイル内部
に完全に上昇させる。残りの部分の溶解は急速に起こり
従って所望の温度にある液体金属12aが待機している
型内に流下する.溶解プロセスの綿密な制御のために、
必要とされることは装入物l2とコイルl0との間で相
対移動を与えることである。装入物が第5図に示される
ように固定コイルに対して可動であってもよいし或いは
コイルが固定装入物に対して可動であってもよい. 支持体l8における開口20を通しての溶融金属の流出
様相が第6図に詳しく例示されている.既に説明した通
り、支持体l8は、例えばその内部の通路22を通して
冷却材を循環することにより溶解される装入物の融点よ
り低い温度に維持されている。支持体l8が装入物の融
点より低い温度に維持されているために、少量の装入物
が固体のまま残存しそして支持体l8を覆いそしてそれ
と同心の環状リム26を形成する.加えて、一度装入物
が溶け落ちそして溶融金属が開口20を通して流下し始
めると、僅かの金属26aが開口20の内面に凝結する
. 通常の操作において、装入物l2の底部において溶融し
て形成された穴は開口20の直径より太き《ならない.
従って、通常の操作においては、支持体l8を取り巻く
或る量に固体金属が常に存在するので、溶融金属は支持
体l8と決して接触しない。しかし、それは常にそうと
は限らない。
第7図は、装入物の底部に溶融形成された穴が開口20
の直径より大きくなったときに起こりつる事態を示す.
その場合、環状リムは支持体18の上面全体を被覆せず
、開口20の縁から引っ込んで、支持体の鋭尖な縁辺を
露出状態で残している。これは、開口20を通して流下
する溶融金属が支持体l8と接触状態となり、それとの
接触によって汚染されるようになることを意味する。鋭
尖な縁辺50もまた開口20を流下する溶融金属により
溶かし削られ、生成鋳造物が使用不可となる程度にまで
融体を汚染する。
この問題に対処するために、本発明に従えば、第8図に
示されるように、開口54を有するメルトリング52が
使用され得る。メルトリング52は支持体18の開口2
0の上縁に沿って取付けられる.支持体l8にはメルト
リング52を載置することのできる段19が形成され得
る。メルトリング52は装入物と同じ材料製とすること
ができる。開口54は開口20より小さいので、環状リ
ング26における穴が開口54より太き《でも、液体金
属12aはメルトリング52を支持体l8と同程度まで
えぐって侵食することはない.溶融金属12aは、開口
20の上縁を侵食えずにメルトリング52を溶かす.し
かし、溶融金属12aはメルトリング52と同等の材料
であるから、メルトリング52からの溶融金属は溶融金
属12aが支持体l8を通過する際それを汚染すること
はない。
上述したプロセスは、溶解プロセスから完全にるつぼを
排除することによりるつび汚染および反応を回避する.
また、電磁力により液体金属中に確立される強い対流の
故に、液体は顕著に均質である. 溶解は、周囲大気雰囲気、真空、加圧雰囲気或いは制御
された雰囲気において使用されつる。第9図は、その好
ましい具体例を示し、ここでは金属装入物l2゜及び支
持体l8゜が固定式とされそしてコイル1 4’がそれ
らに対して可動である具体例を示す.装入物12゜は室
64内部に配置され、他方・コイル14゛は室64の外
側で可動手段62の上に配置される.ガラスベルジャー
或いは他の密閉容器の形態となし得る室64は、金属装
入物12゜の周囲にその溶解に際しての制御された雰囲
気を創出することを容易ならしめる.室64は、コイル
l4゜内部で制御された雰囲気空間を包囲するものとな
しうるし或いはコイルl 4’及び型32゜をも包囲す
るようになしつる。室64の形態がどんなものであれ、
室64の壁は、金属装入物1 2’と接触せずまたその
ための容器として作用しないことを銘記すべきである.
制御雰囲気に対する通常の必要性は、金属装入物の溶解
に際しての酸化を防止することである。従って、室64
は一般に、真空排気されるか或いはアルゴンのような不
活性気体で加圧されつるが、特定の要求に応じて任意の
気体で加圧され得る。
コイル14゜は、第5図に示した具体例のように装入物
l2の最上部が急速に溶解されそして所望なら過熱つる
よう装入物l2゜に対して移動できるようになっている
。装入物の上部における溶融部分が所望の温度に達する
と(過熱の場合は金属の融点をり充分に越えるものとさ
れ得る)、コイルl4゜は、金属装入物l2゜の残部を
溶融するように装入物に対して下方に移動される。支持
体が移動する先の具体例のように、一旦溶解が始まると
、装入物の残部の溶解は急速であり、完全に溶融した装
入物が支持体18゜の開口20゜を通して待機中の鋳型
に流下する。鋳型は更に、鋳型への溶融金属の流量を制
御する真空手段及び鋳型内の溶融金属を鋳型が一杯にな
るまで液体状態に維持するための誘導サスセブタ加熱手
段をも含むことができる. もちろん、可動コイルl4゜は、第9及び10図に示さ
れるような密封室64なしでも使用され得る。
型に溶融金属を鋳込むに加えて、溶融金属を粉末に形成
する手段と共に使用することができる。
粉末を形成するための装置の一例が第10図に示される
.溶融金属から粉末を形成する好ましい方法は、溶融金
属を支持体18における開口20を通過せしめそして第
10図において例えば75として示される高速回転盤上
に衝突せしめることである.溶融金属が回転円盤上に到
達するとき、溶融金属は小さな滴の形態で振り飛ばされ
る。これら滴は円盤から振り飛ばされるに際して大気中
で冷えそして凝固する.溶融金属滴が適当な容器内に達
するまでに、それらは冷却されそして硬化されて微細な
粒子を形成する。
上記の方法はアルミニウム、リチウム或いはチタンの合
金ような活性金属を鋳造するのに非常に有用であること
が判明した.更に、本発明の溶解装置を使用してのアル
ミニウム合金の鋳造において、従来方法に比べてはるか
に微細な結晶粒寸法を有する鋳造物が実現されることが
見出された。
上記の方法は、別途の注渇作業が必要とされないので自
動化に適合する。適正な注湯温度が第5図に示されるよ
うな昇降装置或いは第9乃至10図におけるような可動
コイルの使用な《実現される場合、装入物の底部を溶解
するに所定量の熱が装入物に伝達されたとき注湯が起こ
る.光学的或いは赤外線温度測定装置を付加することに
より、過熱制御が所望されるとき該温度測定装置からの
信号がコイル或いは支持体を移動せしめるための手段を
起動しまた電源を制御するように制御回路が設計され得
る. (発明の効果) 本発明は、簡単な手段で導管通が時の金属の汚染を防止
する. 本発明の好ましい具体例について説明したが、本発明の
範囲内で当業者は多くの変更をなしうることを銘記され
たい.
【図面の簡単な説明】
第1図は、誘導コイル内部に配置されそして支持体によ
り支持された固体金属装入物を示す溶解装置の概略説明
図である。 第2及び3図は、誘導コイル内での装入物の溶解状態を
順次して示す(斜線が固体金属を示す)第1図と同様の
概略説明図である. 第4図は、誘導コイル内の溶融金属を鋳型に注湯する状
況を示す第1図と同様の概略説明図である。 第5図は、誘導コイルに対して可動のプラットホーム上
に支持体を設置した装置の概略説明図である。 第6及び7図は、支持体の詳細断面図である。 第8図は、支持体のまた別の具体例の断面図である。 第9及び10図は、更に別の装置の具体例を示す概略説
明図である。 10:誘導コイル l2:固体金属の装入物 12a:液体金属 l3:スラグ 14:巻線 l6:最上段の巻線 l8:支持体(リング) 20:開口 (チャージ) 22:内部通路 32:鋳型 26:金属残渣(環状リム) 26a:僅かの金属 40:プラットホーム 42:台座 52:メルトリング 12゛:金属装入物 l4゜:コイル l8゛:支持体 64:室 32゜:型 75:高速回転盤

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)液体金属が導管を通過するに際して該金属の汚染を
    防止する方法であって、 該液体金属と同じ材質から成るメルトリングを前記導管
    内に設け、 前記液体金属を前記導管の内面と接触することなく前記
    メルトリングにおける開口を通過せしめることを特徴と
    する金属汚染防止方法。
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