JPH0741876A - 電子ビーム溶解による金属又は金属合金インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶湯に超音波振動を加えながら電子ビーム溶
解を行うことにより金属インゴットを製造する際に超音
波振動による結晶微細化効果を高めかつ超音波振動ホー
ンの損耗を少なくする。 【構成】 クルーシブル１内の溶湯１１及び原料電極７
の先端の少なくとも一方に電子ビーム１０を照射して溶
融状態を保ちかつクルーシブル１内の溶湯に浸漬された
原料電極７を振動媒体として、原料電極に超音波振動を
付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電子ビーム溶解による
金属又は金属合金のインゴット製造法に関するものであ
り、さらに詳しく述べるならば、結晶粒が微細でかつ粒
状晶の均質な組織をもつインゴットを電子ビーム溶解に
より製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム溶解法は、真空中において加
速した電子を原料電極である金属又は金属合金に衝突さ
せ加速電子の持っている運動エネルギを熱エネルギに変
換することにより、原料電極を溶解し所要形状のインゴ
ットに鋳造する溶解法の一つである。

【０００３】電子ビーム溶解法の具体例を図２を参照に
して説明する。図中、１は水冷式クルーシブル、２は電
子銃、７は原料電極、９はインゴットである。図２で示
すように、電子ビーム溶解設備のメルトチャンバ内に設
置された水冷式クルーシブル１に水平方向又は垂直方向
の原料電極７に電子銃２から電子ビーム１０を照射し、
溶湯を水冷式クルーシブル１内に滴下させて、溶解した
原料溶湯８を水冷式クルーシブル１内に鋳込んで連続的
に凝固させつつインゴット９として下方から引き抜くこ
とにより、電子ビームによる高清浄度溶解と連続鋳造を
同時に行うことができる。電子ビーム溶解法はすぐれた
高純度化作用をもっているために、主にチタン、高融点
金属等の金属又は金属合金（以下「金属」と略称する）
のインゴットの製造に用いられており、その優れた清浄
度化作用から高性能、高品質の機能性材料の製造に有用
な手段として近年注目を集めている。

【０００４】しかしながら、融点が２０００℃以上のモ
リブデン、タングステン等の高融点金属のインゴットを
電子ビーム溶解法で製造するに際して、凝固時に結晶粒
が粗大化し、柱状晶の粗大成長等が起こり、これがイン
ゴットの鍛造、圧延等の後工程時における塑性加工性に
悪影響を及ぼしていることがすでに判明している。この
ような現象は高融点金属の固有の物性（高融点、融解の
潜熱、一次再結晶など）、電子ビーム溶解固有の溶解特
性（冷却速度が遅い、柱状晶を形成し易い）及びこれら
の要因が組み合わされ発現する鋳造特性が原因である。

【０００５】上述の問題を解決する有力な手段として、
本出願人は、超音波振動エネルギを溶湯に直接付加する
ことで、結晶核生成の促進や結晶粒粗大化の抑制による
結晶粒の微細化、柱状晶の破壊や粒状晶化を図る方法の
特許出願を提出した（特願平５−９６４２号、特願平５
−０７３６８４号）。ここで、目的とする箇所に超音波
振動エネルギを導入するためには、超音波振動子と振動
ホーンを使用することができ、具体的エネルギ導入法と
しては、ホーンをインゴット下部又は鋳型に固定する下
部固定方式等を採用することができる。

【０００６】電子ビーム溶解法以外の溶解鋳造法におい
てはホーンを直接溶湯へ浸漬する上部導入方式による超
音波振動エネルギ付与が可能であるが、上部導入方式
は、高温の溶湯や電子ビームの照射によりホーンが溶解
するので、電子ビーム溶解法には採用できない。一方、
下部方式は、ホーンから溶湯面までの距離が遠く超音波
の伝達効率が悪いこと、クルーシブルがキャビテーショ
ンにより損耗することなど問題が多く実用化が難しかっ
た。

【０００７】そこで本発明の目的は、電子ビーム溶解法
における上述の問題を解決し、（イ）結晶核の生成を促
進することにより、結晶粒の粗大化を防止しかつ微細化
し、（ロ）柱状晶が発達し始める凝固の初期に、鋳型の
奪熱による影響を弱め、凝固方向をランダムにして柱状
晶を破壊しかつ粒状晶化を図り、これら（イ）、（ロ）
の結果、塑性加工性にすぐれた金属インゴットを工業的
規模で安定して製造できる超音波振動エネルギ付与手段
を確立することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく原料電極を超音波振動媒体とする数多くの
実験を行いつつ鋭意研究を重ねてきた結果、以下の知見
を得るに至った。すなわち原料電極から溶湯に直接超音
波エネルギを付加するには、電子ビーム溶解法のなかで
ドリップメルト法が最も適当であり、ここでは電子ビー
ムドリップメルト法による金属インゴットの製造で得た
知見により本発明を完成するに至った。

【０００９】したがって、本発明に係る電子ビーム溶解
による金属インゴットの製造方法は、クルーシブル内の
溶湯及び電極の先端の少なくとも一方に電子ビームを照
射しかつ該クルーシブル内の溶湯に浸漬された原料電極
を振動媒体として、該溶湯に超音波振動を付与すること
を特徴とする方法である。すなわち、振動方式を従来の
ように上部又は下部導入方式とするのではなく、原料電
極自体を振動媒体として、超音波を該媒体から溶湯に伝
達させる。その結果、超音波は溶湯内での結晶核生成を
促進し、さらにクルーシブルの内面における方向性をも
つ成長を阻害することにより柱状晶を破壊するものであ
る。また、本発明では原料電極が溶湯に浸漬されかつ溶
湯の熱により溶解される。このためには溶湯に電子ビー
ムを照射して、溶解のための熱を供給するかあるいは電
極自体の先端を電子ビームで溶解する必要がある。また
溶解の初期には従来のドリップメルト法と同様に原料電
極に電子ビームを照射して溶解するか、あるいはクルー
シブル内に予め挿入された原料塊を電子ビームで溶解す
る。

【００１０】本発明の溶解において棒状又は板状の原料
電極に共振周波数の超音波振動を付与することによりさ
らに優れた効果を得ることができる。この方法では原料
電極がその固有の共振周波数で振動するために、溶湯が
攪拌・振動される。例えば、２０ｋＨｚで共振する棒の
長さは１３０ｍｍとなるので、１３０ｍｍの長さの電極
に２０ＫＨｚの超音波振動を加えると２０ｋＨｚの超音
波の振幅が増大することとなり上記した効果がさらに高
められる。

【００１１】なお、本発明においては、原料電極の先端
に電子ビームを照射する場合は原料電極が先細りとなる
と溶湯に与えられる振動効果が少なくなるので、電極先
端の形状に注意する必要がある。

【００１２】さらに、クルーシブルが底部貫通孔をもつ
水冷型であり、かつ該クルーシブル内で凝固したインゴ
ットを該底部貫通孔から連続的に引抜くと連続鋳造を行
うことができる。

【００１３】また、原料電極を超音波媒体とするために
は超音波振動ホーンと振動子を原料電極と適当な方法で
接続すればよいが、好ましくは原料電極の末端に、超音
波振動ホーンと振動子を介して、該原料電極に固定され
た案内棒により原料電極をクルーシブル内に案内するの
が最も適している。さらに、原料電極に付与する超音波
振動周波数が０．１［ｋＨｚ］以上であると上記した結
晶粒の微細化や柱状晶の破壊に顕著な効果が得られる。
加えて、原料電極の長さ（Ｌ）に応じて周波数（ｆ）を
Ｌ＝０．５ｃｆ-1の関係（ｃ：定数）が一定に保たれる
ように変化させると原料電極全体の溶解過程で共振状況
を得ることができ、均質な微細結晶組織をもつインゴッ
トを製造することができる。以下、図１を参照してさら
に詳しく本発明を説明する。

【００１４】図１は、本発明に係わる金属の製造に適用
される電子ビーム溶解装置の要部説明図である。図１に
おいて、従来の電子ビーム溶解装置と同様にメルトチャ
ンバ（図示せず）内には電子銃２、水冷式クルーシブル
１が配置され、超音波振動子４と振動ホーン５が固定さ
れた原料電極７はフィーダ３に取付けられ、垂直方向あ
るいは傾斜角をもって溶湯に浸漬される。

【００１５】図１に示すように水冷式振動ホーン５の先
端に取付けられた原料電極７をすでに形成された溶湯１
１に浸漬させつつ溶湯１１に超音波振動を伝達してい
る。この状態で原料電極７を振動媒体として共振させ、
溶解による原料電極の長さの減少量に応じて共振周波数
を追尾させることにより原料電極７が消耗している期間
中に共振を継続することができる。

【００１６】上記装置により、金属インゴットを製造す
るに際しては、まず電子ビーム１０によりインゴット９
上に溶湯１１のプールを形成する。原料電極７は、溶湯
１１の持つ熱又は電子ビームの照射熱により徐々に溶解
され、凝固が進行したインゴット９は水冷式クルーシブ
ル１の下方から引き抜かれる。この時、原料電極７は溶
解の進行につれ長さが短くなるため、フィーダ３で常に
溶湯１１との接触状態を保ち、また超音波振動の発振周
波数も常に原料電極７が共振するように可変させる。

【００１７】

【作用】上述のように本発明では、高性能、高品質を要
求される材料を製造するため、溶解原料を電子ビーム溶
解させつつ溶湯へ溶解原料から超音波振動エネルギを伝
達することで、得られたインゴットを微細組織化並びに
粒状晶化し均質な組織にすることで優れた性能を付与せ
しめる。また、超音波振動周波数により溶解原料を共振
させることによりさらに性能向上を図ることができる
（請求項２）。本発明の電子ビーム溶解法と連続鋳造を
組み合わせることにより１０ｍｍ以下の結晶粒を得るこ
とができる（請求項３）。原料電極の末端に振動子など
を配置すると縦波の場合正確な共振条件を見出すことが
できる（請求項４）。また原料電極の消耗長さに応じて
周波数を変化させることにより均質なインゴットを製造
することができる（請求項６）。

【００１８】

【実施例】続いて本発明の効果を実施例によって更に具
体的に説明する。図１、２に示したような装置を使用し
それぞれ「本発明法」並びに「従来の電子ビーム溶解
法」により金属インゴットを製造した。ここではその代
表例として電子ビーム出力が１００［ｋｗ］であるφ１
２０mmのモリブデンインゴットの製造について説明す
る。

【００１９】なお、「従来の電子ビーム溶解法」を実施
する際には図２で示した如く超音波振動子とホーンを使
用せず、一方「本発明法」は、炉内圧力１×１０-4〜１
×１０-5［ｍｂａｒ］の範囲内で次の手段で実施した。
フィーダに取付けられた原料電極を長さ０．５［ｍ］か
ら０．０５［ｍ］になるまで溶解し、それに応じて周波
数も４［ｋＨｚ］〜４５［ｋＨｚ］まで変化させ、共振
条件を保ちつつ溶湯に直接浸漬させ凝固を進行させた。

【００２０】このようにして得られたφ１２０×５００
ｍｍＬのモリブデンのインゴットのマクロ組織を見ると
従来の電子ビーム溶解法によって得られるインゴットの
平均結晶粒径は１０ｍｍ以上でかつ不均一、柱状晶であ
るのに対して、「本発明法」によって得られるインゴッ
トの平均粒径は１０ｍｍ以下と微細であり柱状晶は完全
に破壊され粒状晶化しておりしかも均質な組織であっ
た。また１回の溶解では原料電極の先端は５０ｍｍ程度
残して溶解を終了し、その後振動子４とホーン７を原料
電極からとり外し、別の電極に取り付け、再使用し、こ
れを何回も繰り返した。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明によれ
ば、結晶粒が微細化されかつ粒状晶化されしかも均質な
組織である金属又はインゴットを安定して量産すること
が可能になるなど、産業上極めて有用な効果がもたらさ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる金属又は金属合金の製造に適用
される装置例の要部説明図である。

【図２】従来の電子ビーム溶解法による金属又は金属合
金の製造に適用される装置例の要部説明図である。

【符号の説明】

１ 水冷式クルーシブル ２ 電子銃 ３ 原料電極フィーダ ４ 超音波振動子 ５ 超音波振動ホーン ６ 振動子保護ケース ７ 原料電極 ８ インゴット引抜き装置 ９ インゴット １０ 電子ビーム １１ 溶湯

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム溶解による金属又は金属合金
   インゴットの製造方法において、クルーシブル内の溶湯
   及び原料電極の先端の少なくとも一方に電子ビームを照
   射しかつ該クルーシブル内の溶湯に浸漬された原料電極
   を振動媒体として、前記溶湯に超音波振動を付与するこ
   とを特徴とする電子ビーム溶解による金属又は金属合金
   インゴットの製造方法。
2. 【請求項２】 前記原料電極に共振周波数の超音波振動
   を付与することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム
   溶解による金属又は金属合金インゴットの製造方法。
3. 【請求項３】 前記クルーシブルが、底部貫通孔をもつ
   水冷型であり、かつ該クルーシブル内で凝固したインゴ
   ットを該底部貫通孔から連続的に引抜くことを特徴とす
   る請求項１又は２記載の電子ビーム溶解による金属又は
   金属合金インゴットの製造方法。
4. 【請求項４】 原料電極の末端に、超音波振動ホーンと
   振動子を介して、該原料電極に固定された案内棒により
   前記原料電極を前記クルーシブル内に案内すする請求項
   １から３までの何れか１項記載の電子ビーム溶解による
   金属又は金属合金インゴットの製造方法。
5. 【請求項５】 原料電極に付与する超音波振動周波数が
   ０．１［ｋＨｚ］以上である請求項１から４までの何れ
   か１項記載の電子ビーム溶解による金属又は金属合金イ
   ンゴットの製造方法。
6. 【請求項６】 原料電極の長さに応じて周波数を変化さ
   せることを特徴とする、請求項２記載の電子ビーム溶解
   による金属又は金属合金インゴットの製造方法。