JPS5845338A - 合金再融解方法 - 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】 本発明は、従来の凝固方法にあってはインゴットの巨視
的な箇所に不均一に偏析する傾向がある成分（すなわち
、化学元素）が実質的に均一な分布を有する合金インゴ
ットを製造するための再融解方法に関する。

複合合金および活性元素を有する合金は優れた融解組成
制御およびまた高品位の純度を得るために通常真空誘導
融解ＣＶＩＭ）のような−次融解法によって製造される
。融解した金属はＶＩＭルツボから大型の鋳型に比較的
短時間で注湯される。

かくて、凝固の大部分は鋳型が満された後で起る。

これら合金の多くは広い凝固範囲（すなわち、固相線と
液相線の間の温度差）をもち、これら溶質）ま固体対液
体溶媒に異った溶解度を有する。このように、凝固する
最初の金属はあとで凝固する金１・４よりも化学組成が
非常に相違してインゴット全体の化学的偏析をもたらす
かも知れない。

−次融解および鋳造方法からくる上述のマクロ偏析（そ
してまた収縮空洞や気孔のような構造的欠陥も）から、
望ましい化学的および物理的均一性および組織を有する
インゴットを製造するために、インゴットを真空アーク
再融解（ＶＡＲ）や電気スラグ再融解（ＥＳＲ）のよう
な二次再融解技法によって精製される必要が生じる。Ｖ
ＩＭ鋳物はこれらの方法において消費電極として常温の
ルツボで再融解される。（生成するインゴットの化学的
均一性はゾーン精製によって改善されるが一方では融解
金属プール（池）の大きさは再融解工程の量制御され制
限される）。これらの方法において金属が凝固するにつ
れて、溶質は固液界面の上部の融解池に排除され、一方
融解する電極から融解池にさらに液体が追加される。こ
のようにして、固液界面の上部の液の組成は全再融解工
程中正確な電極組成とほぼ同等であり、インゴット全体
の偏、折は減少する。常温のルツボに起る漸進的方向凝
固はまた凝固中材料の収縮によっておこる空隙の区域を
減少することによってインゴットの物理的均一性を向」
ニさせる。

別な型式のマクロ偏析がＶＡＲおよびＥＳＲ技法による
二次再融解の複合合金や活性合金にしばしば生じる。凝
固は主として円柱状の樹枝状晶成長だよって起る。これ
ら樹枝状晶は凝固したインゴットから液の中に成長する
指状の固体突起物である。凝固中のある時間に液体と固
体が共存する材料のかたまりは゛マ／イゾーン’　（ｍ
ｕｓｈｙ　ｚｏｎｅ　）　”と呼ばれる。マシイゾーン
の中にある液体または固体の運動が成長する樹枝状晶（
註１）間の液体または固体の閉じ込めＫよって部分的な
偏析区域を作ることができる〔註１：フレーミング、ソ
リッドプロセシング（Ｆｌｅｍｉｎｇｓ、　５ｏｌｉｄ
　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　）　）。

液体金属の運動は熱収縮、凝固収縮および液体中の密度
の相違から起り得る。Ｖ’ＡＲやＦ、ＳＲ作業中不安定
な樹枝状晶間の流体の流れがしばしばインゴット中の”
フレックル（ｆｒｅｃｋｌｅｓ　）　”と呼ばれるチャ
ンネル型偏析物および溶質の成層または”バンディング
（ｂａｎｄｉ、ｎｇ）　’“となる。マクロ偏析を最低
にするために、真空アーク再融解の間、電磁攪拌のよう
な手段で二次再融解中の液体の流れを制御しようと以前
に試みられたが成功しておらず、しばしばインゴットの
偏析を増す結果となった（註２，６）。

〔註２ニドランスアクション、インターナショナルノミ
キュームメタルジイコンフエランス１９６７゜投−ジ６
９５ブエールアントゝマックコーリー。

（Ｔｒａｎｓ、　　　Ｉｎｔ、　　Ｖａｑ、　　Ｍｅｔ
、Ｃ：ｏｎｆ、　　１９６７、　　　Ｐｇ、　　６９５
Ｂｕｅｈｌ　＆　ＭｃＣａｕｌｙ　） 註３：同上１９６．７．イージ５９９ジェー・ダズリュ
ー・トロートマン。

（’　　１９６８＋　　Ｐｇｏ、５９９　　Ｊ、Ｗ、　
Ｔｒａｕｔｍａｎ）’）ウラン−ニオブ合金のような材
料は小径（２０，３α（８インチ））のＶＡＲインゴッ
トにおいて、　これらの原子重量と融点が実質的に相違
するために非常に偏析する傾向がある。液体の密度の違
いとマシイゾーンでの不安定な流れがバンディングやの
系においてやや独断的にジェーセン（Ｊｅｓｓｅｎ　）
によって成層した化学的不均一と定義されており、それ
は偏析がレントゲン写真にニオブの連続勾配として（０
，１重量％のニオブが低部から頂部に、固する融解池模
様である）。フレーミング（Ｆｌｅｍｉｎｇｓ　）（註
１）らは単一方向凝固に対して、マシイゾーンにおける
流体の流れと成長する樹枝状晶間の熱的環境との間に量
的相関関係があることを示している。熱移動率における
突然の変化が溶質の多い層あるいは溶質の少ない層をも
たらす。

ザンナー（Ｚａｎｎｅｒ）ら（註４）は最近、改善され
たプロセス制御によりマクロ偏析を低減するために数量
的な実験方法によってウランーニオブ合金の真空アーク
再融解を分析している（註４：ザンｆ−，”コン上０ユ
テーシヨナルアントゝエキスイリメンタルアナリシスオ
／アｕ−６ｗ１０Ｎ’ｂバキウムコンシユーマブルリメ
ルテツトゝインゴツト（Ｚａｎｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ、　
、　”Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅ
ｒｉｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　Ｕ　−
６Ｗ１０　Ｎｂ　Ｖａｃｃｕｕｍ　Ｃｏｎｓｕｍａｂｌ
ｅＡｒｃ　Ｒｅｍｅｌｔｅｄ　Ｉｎｇｏｔ”）。

過熱した液体金属性と密接に接触する電気アークによる
消費電極再融解工程を有するＶＡＲ法の物理学の固着儒
雑さが達成できる工程制御の程度およびマクロ偏析制御
の程度をも制限する。

本発明の再融解方法では、ＶＡＲおよびＥＳＲ技法で再
融解される場合６バンデイング”（および”フレック／
Ｑ”）マクロ偏析を形成する傾向がある合金元素（ウラ
ン−ニオブまたは銅−アルミニウム合金などのような）
の実質的に均一な分布を有する合金インコ゛ットを製造
できる。インゴットの表面から成長する柱状の樹枝状晶
を覆って循環する過熱孔からこれら合金を凝固する従来
技術の方法と比較すると、本発明の方法は液の如何なる
循環があっても無視できるミルクセーキのよう７．Ｃ粘
稠度を有する液体金属をともなう独立した固体の核から
なるマシイゾーンを創る均一な核生成によって大部分の
液体を凝固することに依存する。

固体粒子と液の均一な混合物は凝固中成の運動を効果的
に遅らせるから、実質的に液の循環はな（、従ってマシ
イゾーンにおいて液の対流中の突然の変化はない。この
物体のどの区域も過熱されないように物体全体にわたっ
て固体粒子が少なくとも融解熱の状態を吸収するために
、液が偏析できる前に凝固がおき、そして熱移動率にお
ける突然の変化はない。また、マシイゾーンの上に過熱
した液体源がないから凝固はＶＡＲおよびＥＳＲよりも
一層急速に進行する。融解するインゴットからインゴッ
トの上に落下する液滴は固体の核を含み、そして集合し
てインゴット自身の上にマシイゾーンを形成する。従っ
て、本発明の実際は次の工程からなる。すなわち、 少なくとも１箇の消費インゴットを鋳型の上部に保持す
る工程（このインゴットは鋳型内で製造されるべきイン
ゴットの組成を有し、この組成は実質的に異る比重と実
質的に異る融点とによって特徴付けられる少なくとも２
つの成分からなるものとする）； 前記インゴ′ットの一部を、前記合金組成物の固相線温
度と液相線温度との間の温度に加熱し、部分的に凝固し
だ液滴を形成させて落下せしめ、鋳型内のインゴットの
表面に多数の液滴からなるがゆ状体を形成させる工程；
および 前記かゆ状体の残留液体部分を凝固する工程。

定義として、本発明に用いられる”マシイ（’ｍｕｓｈ
ｙ）という言葉は同相線温度と液相線温度の間の温度に
ある合金を述べている。これらの温度は示差熱分析によ
って正確に測定することができる；この技法を述べてい
る記事として、例えばライリアムシニーホーシュ等によ
る示差熱分析による超合金反応の検査、メタルプログレ
ス、１９７５年１０月（Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｊ、　Ｂｏｅ
ｓｃｈ、　ｅｔ　ａｌ、、　　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ
ｌ　Ｔｈｅ−ｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ　Ｄｅｔｅｃｔ
　５ｕｐｅｒａｌ］、ｏｙ　Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ。

ＭＥＴＡＬＳ　ＰＲＯＧＲＥＳＳ、○ｃｔｏｂｅｒ　１
９７５．　）を参照ノこと。本発明のプロセスは、逆偏
析が特徴である系、すなわち比較的高い融点を有する１
成分がまた比較的低い比重をもつが、あるいは比較的低
い融点を有する１成分がまた比較的高い比重をもっ場合
に関連して特に有用であろう。

本発明は模式図によって説明される好ま１−（・具体例
に関して一層完全に述べることができる。この図によっ
て示されるように、少なくとも１個の消費電極１０が鋳
型（またはルツボ）２４の上方にある雰囲気を調整した
炉に供給される。より詳パ細に好ましい実際および図面
がアメリカ合衆国特許第４，２６１，４１２号に記載さ
れており、この特許の譲り受入と本発明の譲り受入は同
じでありここに参考資料として掲げる。

消費インゴット１０は前もって合金化でき、鋳造される
インゴットの公称組成を有し、あるいは稀に合金系をつ
くる金属の交互のストリップをインゴットが含んでもよ
い。また、図面に示される如く両方が消費できる２つの
°インゴットがあってもよい。また、同時に消費される
多数の組合せのインゴットがあってもよい。アークプロ
セスＶＣｊＪＩ］えて、１箇あるいは２箇以上のインゴ
ットもまた電子ビーム、プラズマアークなど類似の方法
によって融解（以下に述べるように）できる。

径２０．３ｃｒｎ（３インチ）のＶＩＭで予備合金化し
た４、′５重Ｐｉ　％銅−アルミニウムインゴットを本
発明に従って融解し、図面に掲げられた炉の中で径１５
．２ｒｍ（６インチ）長さ６５．６ｍ（１４インチ）の
再融解インゴットにした。このインゴットは公称電流４
０００７７”７２６〜２８ボルトの電圧で１分間３．１
５Ｋｒ（７ポンド）の割合で融解された。鋳型２４の側
壁に沿って５　ｃｍ　（２インチ）間隔で設けた７個の
に型熱電対な用いて形成されるインゴットの温度を測定
した。本発明の方法によれば、消費インゴット１０の一
部は下の鋳型で形成されるインゴットの公称組成の固相
線温度と液相線温度の間の温度に加熱される。同じ組成
を有する第２のインゴット（この場合は、消費インゴッ
ト）１２は第１のインゴット１０の近くに夫々の隣接端
の間に間隙１４を作って位置する。インゴット１０と１
２の隣接端の間の間隙１４に電気アークを放電した。

インゴット１０と１２の温度が固相線温度を超えると、
一部凝固した液滴２０が鋳型２４の中のインコ゛ソト２
６の上に落下し始めかゆ状体（’ｍｕｓｈｙｂｏｄｙ）
を形成する。４．６重量係銅−アルミニウムインゴット
２６０〜ヒのかゆ状体２７の最高温度が６４２．８℃（
１１８９Ｆ）から６５１．７℃（１２０５Ｆ）に変える
のを鋳型２４の壁の中にある熱電対が示した。示差熱分
析によればこの組成の固相線温度および液相線温度は夫
々６０２．８℃（１１１７７；’）および６６７８℃（
１２３４Ｆ）であった。凝固する合金は残留する液より
も軽くなる傾向があるためにこれらの銅−アルミニウム
組成（すなわち、銅約２６重量％以下を含む）のような
系は逆に偏析する傾向があるということが状態図かられ
かる。これら成分の相対的な比重（銅８．９２およびア
ルミニウム２．７０　）は偏析が帯状に生ずる傾向があ
ることを示す。

インゴット２６の上のかゆ状体２７は形成されている液
体池なしで凝固した。径１５．２ｔＭ（６インチ）のイ
ンゴットを長さ方向に切断してミクロ構造を検査するた
め化学的に腐食した。インゴットは粒子の大きさが径１
．６　ｒａｎ　（％インチ）よりも小さい均一な結晶構
造を有していた。パンデインクの３正拠はなかった。

図面に掲げであるアーク炉において、むらのない溶融を
促進するためそして部分的に凝固した液滴が著しく過熱
されるのを防止するために消費インゴット１０および１
２は何れの適切な手段１６および１８によって往復運動
させられる。また鋳型２４自身はビレット（鋼片）のよ
うな従来の中間の型のみならず最終製品の型や形を含め
て希望する製品に従った種々の型や形にできる。

図面にはインゴットの表面を横断して液滴２０の分布を
等しくするために回転するシャフトによる手段２８によ
って運転される回転鋳型が掲げである。鋳型２４はまた
インイツトができた時これを引下げる手段を備えること
ができる。この炉には制御された雰囲気、例えば掲げで
あるようにポンプ２２の如き何らかの適切な手段によっ
て創られる真空がなければならない。

ウラン−ニオブ（６重量係ニオブーウラン合金の如き）
およびリチウム−アルミニウムの系のよウナ他のバンデ
ィングマクロ偏析を起し易い系ハ本発明に従って実質的
に均一なインゴットに再輪解できる。更に加えて、液滴
がかゆ状体に落下する際イツトリヤまたはトリャまたは
炭化ケイ素のようなファイバーなどの強化粒子を液滴２
ｏの流れに注入できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を模式的に示したものである。 １０．１２：消費インゴット、　　１４：インゴット間
のギャップ＞　　　１６．ｉｓ：往復手段、　　２ｏ：
ｉ滴、　　　２２：ポンプ、　　２４ニルツボまタハ鋳
型、　　２６：インゴット、　　２７：がゆ状体（ｍｕ
ｓｈｙｂＯｄｙ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）帯状のマクロ偏析を形成する傾向をもつ成分の実
   質的均一分布を有する合金インゴットの製造を目的とす
   る再融解法であって、下記の各工程；鋳型の上部に少な
   くとも１箇の消費用インゴットを保持する工程（但し該
   インゴットは鋳型内で製造されるべきインゴットの組成
   を有し、該組成は、実質的に異る比重と実質的に異る融
   点とによって特徴付けられる少なくとも２つの成分から
   なるものとする）； 前記インゴットの一部を、前記合金組成物の固相線温度
   と液相線温度との間の温度に加熱し、部分的に凝固した
   液滴を形成させて落下せしめ、鋳型内のインゴットの表
   面に多数の液滴からなるかゆ状体を形成せしめる工程：
   および 前記かゆ状体中の残留液体部分を凝固する工程：からな
   ることを特徴とする、合金インゴットの再融解方法。 （２）複数の消費インゴットを鋳型の上方で加熱する、
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （３）鋳型の上方で加熱されるインゴットは最初に予備
   合金化される、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （４）　　インゴットが電弧によって加熱される、特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。 （５）インゴットが電子ビームによって加熱される、特
   許請求の範囲第１項に記載の方法。 （６）インゴットがプラズマアークによって加熱される
   、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （７）組成が少なくとも２つの成分からなり、第１の成
   分は第２の成分の融点よりも実質的に高い融点を有し、
   第２の成分は第１の成分の比重よりも実質的に大きい比
   重を有する、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （８）第１の成分の融点は第２の成分の融点より少なく
   とも１０００℃高く、第２の成分の比重は第１の成分の
   比重の少な（とも２倍である、特許請求の範囲第７項に
   記載の方法。 （９）第１の成分がニオブである、特許請求の範囲第８
   項に記載の方法。 （１０）第２の成分がウランである、特許請求の範囲第
   ９項に記載の方法。 Ｑｉ）　　ａ成がウラン中約６重量−のニオブからなる
   特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 （１２１組成が少なくとも２つの成分からなり、第１の
   成分は第２の成分の融点および比重よりも実質的に犬な
   る融点および比重を有する、特許請求の範囲第１項に記
   載の方法。 （１３）第１の成分の融点は第２の成分の融点よりも少
   なくとも６００℃高く、第１の成分の比重は第２の成分
   の比重の少なくとも２倍である、特許請求の範囲第１２
   項に記載の方法。 （１４）第１の成分が銅である、特許請求の範囲第１２
   項て記載の方法。　″ （１５）　　第２の成分がアルミニウムである、特許請
   求の範囲第１４項に記載の方法。 （１６）組成がアルミニウム中約４．３重量％の銅でＣ
   １７）帯状のマクロ偏析を形成する傾向がある成分が実
   質的に均一な分布を有する、特許請求の範囲第１項に記
   載の方法で製造された合金インゴット。