JPS6173843A - 誘導コイルにより棒状材料を溶解する方法および装置 - 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。

本発明は孔を備える、棒状材料の軸線と同軸の誘導コイ
ルを棒状材料の下端に配置し、交流を供給し、このコイ
ルに向って棒状材料をその軸線方向に連続的に送る、棒
状材料を溶解する方法および装置に関する。

従来の技術： このような方法は閉鎖した室いわゆる溶解室内でとくに
真空および（または）不活性ガス下に実施される。この
ような雰囲気により溶融材料と雰囲気の反応性成分との
反応が防止されるだけでなく、付加的に出発材料の精練
ならびに粒子および（また＆１）インゴットまたはまっ
たく特定の結晶組織を有する成形部材への変換が可能に
なる。

とくにいわゆる滴下溶解の過程は高真空下に出発材料の
非常に十分な精練に作用する。というのは一般に揮発性
不純物は真空下に蒸発するからである。前記滴下溶解に
より表面積と体積の有利な比の前提が得られる。

滴下溶解の方法には現在まで棒状材料の真空アーク再溶
解、電子ビーム溶解および誘導溶解の技術が適用された
。再溶解工程によって発生した高純度金属は後に再び不
純になってはならないので、滴下後再び捕集した融液の
他物質とくにセラミック材料との接触は無条件に避けな
ければならない。そのため溶解した粒子はなお溶融状態
または一部もしくは全部凝固した状態であるかによらず
、容器内に冷却した壁で捕集される。それゆえ融液捕集
の際容器壁に凝固した材料の層または殻が形成され、こ
れが融液と壁の間の直接接触を防ぎ、液体／固体相境界
の・ｉＱＩ囲で同種材料のみが互いに接触する。この技
術は一般にスカルメルティング（Ｓｋｕｌｌ　Ｍｅｌｔ
ｉｎｇ）と称される。

うせ国特許第２８５８５８６号明細書によって金属粉末
の圧縮によって製造した棒状材料を誘導コイルへ導入し
、滴下する融液を連続鋳造、鋳型へ捕集することが公知
である。誘導コイルはこの場合はぼヘリックス形に巻か
れ、その内径は少くとも上部が棒の直径より大きい。棒
状材料は誘導コイルを貫通し、溶解ゾーンは俸の長さの
大部分にわたって拡ろので、上から下へ弾くなる溶解電
流が俸の表面に沿って流れ、棒の下端で無制御に、すな
わち多はまたは少量の融液が欅から分難する。実際には
拳の下端が図示のように均一に尖った形になることは観
察できなかった。むしろ融液は棒状材料から種々の位置
で離れ、そのためつねに同じ落下通路を有しないことが
明らかになった。その結果溶滴のつねに正確に同じ落下
通路による制御した輸送が不可能になる。

米国特許第３２２６２２３号明細書から電子衝撃および
誘導加熱による溶解の組合せが公知である。この場合も
誘導コイルは円筒コイルであり、すなわちヘリックス形
に巻かれるので、その軸方向拡りは半径方向拡りより著
しく大きい。この公知手段の場合も俸の下端は誘導コイ
ルの内側にあり、前記明細書には棒状材料から湯だまり
への途中の溶滴の種々の通路が非常に詳細に示され、こ
の湯だまりから鋳型底板の連続的降下によ・つて徐々に
インゴットが形成される。つねに正確に同じ落下通路を
有する均一な溶滴流は公知法では発生１−得ない。

棒状材料とは出発材料の形状がほぼ一定の横断面（円形
または多角形）を有する長い物体であることを表わし、
その軸線は溶解の際はぼ垂直に走る。棒状材料は１９　
ｍ工程、金属粉末の圧縮またはストリップ状材料の溶接
によって製造することができる。個々の成分が棒の長さ
にわたって均一に分布する種々の出発材料を使用するこ
とにより、再溶解過程によって合金を製造することもで
きる。

使用材料としてはたとえば超合金、チタンおよびタング
ステンが挙げられる。

発明が解決しようとする問題点。

本発明の目的は融液をほぼ同じ大きさの分量で棒の下端
から溶解し、つねに同じ落下通路に導く前記概念の方法
を得ることである。

問題点を解決するための手段： この目的は前記方法において本発明により棒状材料を軸
方内拡りが半径方向域りより著しく小さく、かつ孔が棒
の直径より小さい誘導コイルに向って送り、俸の下端の
端面を誘導コイルからほぼ一定の軸方向距離に保持する
ことによって解決される。

作用。

この方法の重要な特徴は扁平コイルとも称しうる誘導コ
イルの使用である。誘導コイルはこの場合スパイラル形
に巻いたほぼ単層巻のコイルとして形成することができ
、ここにスパイラル形とはアルキメデスのスパイラルの
形を表わす。しかし誘導コイルはさらに有利にターンの
中心線が先端を下に向けた広く開いた円錐面内を走るよ
うに形成することもできる。誘導コイルの半径方向域り
の内部でターン密度を変化することによって種々の半径
上の溶解能力を異なる強さに形成することもできる。

他の重要な特徴は誘導コイルの孔が棒の直径より小さく
、どくに最大１５門であることである。これから棒の下
端が誘導コイルの内部でなくてその上にあることが明ら
かである。

このような誘導コイルは皿形コイルと称することもでき
る。一般的には扁平コイルに対してパンケーキコイルの
表現も使用される。しかしこのようなコイルは現在まで
誘導滴下溶解法には使用されなかった。

本発明の方法によって棒の下端はほぼ水平面に沿って溶
解する。棒状材料の中心すなわちコイルの孔がある位置
にのみ高さの小さい尖端が形成され、この尖端はつねに
同じ位置すなわち棒の軸線内にある。尖端は一定の滴下
位置を形成し、棒の下端の端面の勾配は許容外に強く加
速した流れが発生し得ない程度に小さい。

本発明により使用する誘導コイルはさらに棒状材料の下
端面が薄い溶融金属膜で蔽われ、この膜が制御下に前記
尖端から滴下するように、溶融金属へ支持効果をおよぼ
す。それゆえ純熱的問題だけでなく、融液は前記位置で
コイル孔により電磁力を介する支持力が急激になくなる
ことによっても１つの位置のみから滴下する。

この場合コイル形状に基き必然的に存在する電磁力およ
び支持力の不均一性を補償するため、さらに本発明によ
り棒状材料を溶解の間その固有軸を中心に誘導コイルに
対して回転するのがとくに有利である。

その際回転数は融液を遠心力によって棒の周縁へ駆動す
るような高さではならな（・。材料の回転数を０．５〜
Ｉ　Ｑ　ｒｐｍに選択するのが有利なことが明らかにな
った。

溶解した表面層の厚さの点からも誘導コイルに５０〜５
００　ｋＨｚの同波数の電流を供給するのが適当なこと
が実証された。周波数はこの場合 ｆ＝１０５　Ｘρ〔μΩｍ　〕 の式により選択し、その際周波数ｆはＨｚで得られる。

ρは材料の比抵抗である。超合金およびチタンの場合１
００〜２　口Ｄ　ｋＨｚの周波数、タングステンには約
５　Ｑ　ｋＨｚの周波数がとくに有利に使用され゛るこ
とが明らかになった。

適当な周波数選択により棒の軸方向に急激な温度勾配が
形成され、棒の下端に所望のほぼ平らな水平の溶解ゾー
ンの形成が可能になる。

さらに誘導コイルの供給電圧の振幅を１〜１００Ｈｚの
周波数でとくに有利に変調することができる。変調とは
この場合電流供給をときどき完全に中断することも含む
。

供給電圧の変調により出力は脈動し、電磁場の支持効果
が周期的に中断され、それによって融液の滴下周波数お
よび加熱を調節することができる。

本発明は本発明の方法を実施する装置にも関する。この
装置は溶解室、孔を備える誘導コイルおよび垂直軸で支
持した棒状材料を棒の軸線と同軸の誘導コイルの方向へ
送るための送り装置からなる。

この目的を解決するためこの装置は本発明により誘導コ
イルの孔が棒状材料の横断面より小さく、誘導コイルの
軸方内拡りがその半径方向拡りより著しく小さく、この
半径方向拡りが棒状材料の半径方向拡りより大きいこと
を特徴とする。

その際本発明によりターンの中心線が先端を下に向けた
円錐面内にあり、円錐面の母線が水平線に対し最大１０
０までの角を形成する場合、棒の下端に少し強く中心へ
傾く溶解面が得られる。その結果溶解面に融点の高い結
晶からなろ明りような尖端が融液中に沈みまたは埋まる
ことばなる。この尖端は場合により滴下位置になり、ま
たはきわめて望まし、くな（・けれどコイルに接触する
。

遺沢的にターン密度をコイル中心でコイル同縁より小さ
く選択し、それによって同様中心へ弱く傾く溶解面が形
成される。

最後に滴下する融液をその落下通路で付加的に加熱また
は過熱しようとする場合、平らな誘導コイルの孔の下に
ほぼ円筒形に巻いたもう１つの誘導コイルを配置するの
がとくに有利である。この誘導コイルの内径はこの場合
とくに平らな誘導コイル内の孔の直径に相当する。

この場合特殊な導線案内を避けるため２つのコイルを直
列に接続することができる。しかし２つのコイルに別個
の端子を備え、直列接続も可能にすることができる。

融液の引紐く処理の際ガス状媒体または高速に回転する
皿によって個々の滴を非常に微細な粒子または金属粉末
の形に霧化する可能性が生ずる。しかし滴下する融液を
とくに所望の凝固した構造を達成する型内に捕集するこ
ともできる。この目的から融液はきわめて微細な組織の
構造を形成しながら粒子の結合を達成するため、とくに
過熱し、または一部すでに結晶化していてもよし・。こ
のような使用法はさらに後述する。

実施例゛ 次に本発明の実施例を図面により説明する。

第１図には側壁２に監視室４を備えるドア３を有する溶
解室１が示されろ。溶解室１内には冷却媒体が貫流する
金属管からなるスパイラル状に巻いた誘導コイル５があ
る。誘導コイル５は半径方向に突出する２つの平行の接
綴端５ａ。

５ｂおよび絶縁引込部６を介して中筒波発電機として形
成した電源７と結合する。

溶解室１の上部には垂直方向（矢印）に摺動しうろキャ
リジ８ａを有する送り装置８がある。

キャリジは回転駆動装置９を有し、これによって支持ロ
ンド１０はカブリング１１を介して回転することができ
ろ。支持ロッド１０の下端には細い円筒の形の再溶解す
る棒状材料１２があり、その軸線は回転駆動装置９０回
転軸と一致する。回転駆動装置９および誘導コイル５は
この場合誘導コイル内知残された孔５ｃが回転軸と正確
に同軸に走るように互いに整列している。

孔５ｃの直径が材料１２の直径より著しく小さいことも
認められる。さら九誘導コイル５の直径が材料１２の直
径より著しく大きいことも明らかである。

それによって均一な再溶解のため棒の下端１２ａと誘導
コイル５の間隔を狭い限界内で一定に保持しなければな
らない。これはキャリジ８ａの図示されていない駆動装
置に作用する同様図示されていない間隔センサによって
達成される。

前記方法で俸の下端１２ａに第３〜６図になお詳細に示
す尖端１３が発生し、ここから垂直に落下する滴１４の
均一な流れが出発する。

第１図によれば溶解室１の下へ霧化室１５が研き、この
室へ横から霧化ノズル１６が開口する。このノズルは正
確に滴１４の落下通路へ向いているので、ノズル１６か
ら高速をもって流出するガス噴流１７はつねに同じ方向
から滴１４を捕そくシ、これをきわめて微細な金属粒子
１８の流れに分割する。この金属粒子はがス噴流１７に
よって得た衝撃により最終的に捕集塔１９内に終る放物
線形飛行軌道を画く。捕集塔は霧化室１５の横に下向き
に接続している。捕集塔１９の下端に排出ケ”−）　２
０があり、これを介して輸送車２１が捕集塔１９の内部
と結合する。さらに霧化室１５へ計量弁２３を有するガ
ス導管２２が開口し、これによって全装置に不活性ガス
を充てんすることができる。装置は付加的に真空下洗作
業することもできる。しかしそのために必要な吸引口は
簡単のため示されていない。

第２図で第１図と同じ部分は同じ参照番号で示される。

第１図との差は誘導コイル５の下に霧化ノズル１６の代
りに座標軸Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙに沿って制御下に走行し
うる捕集容器２４があることだけである。この手段で規
則的に落下する滴１４を所定の衝突パターンにより捕集
容器内へ分配し、そこに完全に一定の組織構成を達成す
ることができる。この場合たとえば滴１４をすでに一部
結晶化した状態で捕集容器１４へ導入し、それによって
滴は互（・に固く結合しているけれどその微結晶組織を
維持することができる。このような方法はたとえばター
ビン用板の直接製造に使用することができ、この板は絖
いてさらにプレス工程によって機械的に圧縮される。

第６図は個々のターンをアルキメデスのスパイラルの方
式で等距離に巻いた誘導コイル５を示す。ターンの縦軸
はこの場合水平面内にある。

最内側ターンはコイルの孔５ｃを決定し、最大１５ＪＩ
ＩＫの直径りを有する。この誘導コイル５と材料１２の
相互作用によってその下側端面１２ｂに溶解面が形成さ
れ、この面は少なくとも同縁範囲がほぼ水平または半径
方向と称しうる。材料１２の中心すなわち縦軸Ａにのみ
前記尖端１３が形成され、ここから滴１４は一定の順序
で離れる。

第４図は誘導コイル５の下へさらにもう１つの円筒形ま
たはへリツクス形に巻いた誘導コイル２５が接続し、こ
の中で落下する滴１４が加熱されることだけで第６図と
異なる。誘導コイル２５の直径は誘導コイル５の孔５ｃ
の直径りより少し小さい。２つのコイルは電気的に直列
接縦され、すなわち同じ接縦端を介して電源７と結合す
ることができる。しかし前記のように付加的接縦端を介
する並列接続も可能である。

第５図は第６図と同様の配置を示すけれど、誘導コイル
５のターン密度がコイル中心でコイル周縁より小さｔ・
ことが異なる。これは半径方向単位長さ当りのターン数
がコイル周縁でコイル中心より多いことを表わす。それ
によってコイル周縁の加熱能力または支持効果が大きく
なるので、下側端面１２ｂに少し強い勾配が形成される
。

第６図はすべてのターンの中心線が先端を下に向けた広
く開いた円錐面にある誘導コイル５を示す。個々のター
ンはそれ以外は等距ｓＫ巻かれている。この方法で第５
図の誘導コイルと同様の効果が得られ、すなわち端面１
２ｔ）に前記効果の結果として少し大きい勾配が形成さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の縦断面図、第２図は成形部
材製造の際の装置の縦断面図、第３図〜第６図は誘導コ
イルの種々の実施例の縦断面図である。 １・・・溶解室、５．２５・・・誘導コイル、５ｃ・・
・孔、８・・・送り装置、９・・・回転駆動装置、１２
・・・棒状材料、１４゛・・・滴、１５・・・霧化室、
１９・・・捕集塔、２４・・・捕集容器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、孔を備える、棒状材料の軸線と同軸の誘導コイルを
   棒状材料の下端に配置し、交流を供給し、このコイルに
   向つて棒状材料をその軸線方向に連続的に送る、棒状材
   料を溶解する方法において、軸方向の拡りが半径方向の
   拡りよりはるかに小さく、かつ棒状材料の直径より小さ
   い孔を有する誘導コイル（５）に向つて棒状材料（１２
   ）を送り、棒状材料の下端（１２ａ）の端面（１２ｂ）
   を誘導コイル（５）上にほぼ等しい軸方向距離で保持す
   ることを特徴とする誘導コイルにより棒状材料を溶解す
   る方法。 ２、棒状材料を溶解の間その軸Ａを中心に回転する特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ５、材料の回転数を０．５〜１０ｒｐｍに選択する特許
   請求の範囲第２項記載の方法。 ４、誘導コイルに周波数５０〜５００ｋＨｚの電流を供
   給する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ５、誘導コイルの供給電圧の振幅を変調する特許請求の
   範囲第４項記載の方法。 ６、変調周波数を１〜１００Ｈｚに選択する特許請求の
   範囲第４項記載の方法。 ７、溶解室、孔を備える誘導コイルおよび垂直軸で保持
   した棒状材料をその軸と同軸の誘導コイルの方向へ送る
   ための送り装置を有する棒状材料を溶解する装置におい
   て、誘導コイル（５）の孔（５ｃ）が棒状材料（１２）
   の横断面より小さく、誘導コイル（５）の軸方向拡りが
   その半径方向拡りより著しく小さく、この半径方向拡り
   が棒状材料（１２）の半径方向拡りより大きいことを特
   徴とする誘導コイルにより棒状材料を溶解する装置。 ８、孔（５ｃ）の最大直径が１５ｍｍである特許請求の
   範囲第７項記載の装置。 ９、誘導コイル（５）がスパイラル状に巻いたほぼ平ら
   な単層巻コイルとして形成されている特許請求の範囲第
   ８項記載の装置。 １０、ターンの中心線が先端を下へ向けた広く開いた円
   錐面内にある特許請求の範囲第９項記載の装置。 １１、ターン密度がコイル中心でコイル周縁より小さい
   特許請求の範囲第９項記載の装置。 １２、平らな誘導コイル（５）の孔（５ｃ）の下にほぼ
   円筒形に巻いたもう１つの誘導コイル（２５）が融液加
   熱のため配置されている特許請求の範囲第７項記載の装
   置。