JP4164851B2

JP4164851B2 - Arc casting equipment

Info

Publication number: JP4164851B2
Application number: JP2002097501A
Authority: JP
Inventors: 嘉彦横山; 健児高木; 捷範菊地
Original assignee: Nissin Giken Co Ltd
Current assignee: Nissin Giken Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003290909A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク鋳造装置に関する。具体的には、鋳型が目的とする形状を忠実に作製することができるとともに、良質の鋳造品・鋳造材が得られるアーク鋳造装置を提供せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より用いられているアーク鋳造装置の一構成例を、図１０（ａ）に示し説明する（従来例１）。ここで、図１０（ａ）は、密閉されたチャンバー内に収容され、不活性ガス雰囲気の中でアーク溶解を行なう方式のアーク鋳造装置の概略的な構成を示している。
【０００３】
図１０（ａ）において、１０１は、溶解対象の材料を収容するとともに、アークの熱によって材料が溶解して得られた溶湯が溜まる、破線で示す溶湯溜部１０２を有する炉床であり、アースされている。この炉床１０１の素材には一般に銅が用いられ、その内部には冷却用の水が流通するようになっている。また、炉床１０１は、支軸１０３により支持されて傾動可能となっている。
【０００４】
炉床１０１の上方には、アークを発生するための電極棒２０１が配置され、下方には、溶湯を鋳込むためのテーパ状に開口した鋳込口１１２が設けられた鋳型１１１が配置されている。
【０００５】
以上の各構成要素は、図示されてはいない密閉されたチャンバー内に収容され、チャンバー内は、アークと空気との接触による溶融金属の酸化・窒化を防ぐため、アルゴン・ガスなどの不活性ガスが充填された雰囲気となっている。
【０００６】
そこで、このような構成の装置により鋳造を行なう場合は、まず、ブロック状あるいは粒状などの形態の材料を、炉床１０１の溶湯溜部１０２に収容する。ついで、電極棒２０１と炉床１０１との間でアークを発生させ、その発熱により材料を溶解する。このアークの熱により得られた溶湯は、図１０（ｂ）に示すように、支軸１０３を回動して炉床１０１を傾動させることにより、炉床１０１から排出して落下し、下方に配置された鋳型１１１の内部に鋳込口１１２を介して鋳込まれることになる。
【０００７】
図１１（ａ）は、他の従来例の構成を示すものであり、図１０（ａ）に示した従来例１と同じく、密閉されたチャンバー内に収容され、不活性ガス雰囲気の中でアーク溶解を行なう方式のアーク鋳造装置である（従来例２）。
【０００８】
図１１（ａ）において、ここに示したアーク鋳造装置では、アースされた鋳型１２１が炉床として用いられる（内部には冷却用の水が流通するようになっている）。すなわち、鋳型１２１の上面に設けられた所定形状の凹部１２２に、溶解対象材料を収容したうえで、電極棒２０１と鋳型１２１との間でアークを発生させて溶湯Ｍを得るものである。そして、アークの熱により溶湯Ｍが得られたならば、図１１（ｂ）に示すように、鋳型１２１の上方に配置された押し型１３１を、その下面が鋳型１２１の上面に密着する位置まで下降させて、その押圧力により溶湯Ｍを圧延し、鋳造製品を作製するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０により説明した従来例１によると、つぎのような解決すべき課題がある。すなわち、炉床１０１と鋳型１１１とが所定の距離をおいて分離して配置されているため、溶解により得られた溶湯が雰囲気ガス中を落下し、ガスを巻き込んでしまう。この溶湯へのガスの巻き込みは、溶湯を急速に落下させた場合は、炉床１０１から鋳型１１１に向けての落下中のみならず、鋳型１１１の鋳込口１１２のテーパ状面に溶湯が衝突して飛散する際にも生じる。溶湯にガスが巻き込まれれば、小さな気泡である巣の発生の原因となり、鋳造品・鋳造材の機械的性質の劣化の要因となる。
【００１０】
また、鋳型１１１が炉床１０１から離れた位置にある結果、注湯の際に溶湯が雰囲気ガス中を一定の距離移動し、その間に溶湯の温度が下がってしまう。とくに、溶湯の量が少ない場合は、熱量がより失われて温度が下がる。溶湯温度が下がれば、溶湯の流動性が低下して粘性が高くなり、鋳型１１１が目的とする形状が精緻精細なものである場合は、チャンバー内を加圧しても鋳型１１１内の細部まで溶湯が十分には充填されない。したがって、鋳型１１１の転写性すなわち鋳型１１１の目的形状の忠実な再現性を確保することができないことになる。
【００１１】
そのうえ、炉床１０１から排出された溶湯の鋳型１１１への注湯速度は、溶湯の自然落下の速度に規制される。すなわち、溶湯の注湯速度を適度に制御することができない。そのため、溶湯の注湯速度を抑制して鋳型１１１に鋳込む必要がある場合には、この従来例１によることができないことになる。
【００１２】
さらに、アーク溶解においては、アークによる加熱と、内部に水が流通する炉床１０１による冷却とを同時に行なっている。そのため、異種の金属を融合して合金を生成する場合、溶融合金の均一な溶解が得難い、という問題がある。すなわち、溶融した合金の内部で不均一な結晶核が発生し、溶融合金の内部に組成的な相違が生じる。この不均一な結晶核の多くは、アーク炎により溶解した金属が、アーク炎から受けた電流を炉床に流すために生じた、溶解した金属が炉床に付着して凝結する部分（以下、「コールド・スポット」という。）の近傍で発生する。
【００１３】
その原因は、コールド・スポットにおいて溶湯が急激に冷やされることにより、コールド・スポットから溶湯内部に向かって樹枝状の結晶が急速に成長し、溶湯の対流によって枝の部分が溶断されて、幹の部分からつぎつぎと遊離した結晶核が形成されることにある。この遊離結晶核は、金属材料の疲労特性および衝撃特性を低下させることが知られており、良質の鋳造品・鋳造材を得るうえでの障害要因となっている。
【００１４】
このような鋳造品・鋳造材の欠陥の原因となる遊離結晶核についての対策が講じられていないという課題も、図１０により説明した従来例１にはあった。
【００１５】
また、この溶融合金内部における遊離結晶核の形成は、図１１により説明した従来例２においても同様である。すなわち、図１２は、従来例２により得られた試料（合金組成：Ｚｒ₅₅Ｃｕ₃₀Ｎｉ₅Ａｌ₁₀ ）について、光学顕微鏡により観察した内部組織を示すものである。図示するように、黒点状に看取される多数の遊離結晶核が金属組織に含まれている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題を解決するために、本発明はなされたものである。そのために、本発明では、溶湯が溜まる溶湯溜部が設けられ、かつ、支軸により支持されて傾動可能な炉床に鋳型を固定して、炉床と鋳型とを一体的な構造にするとともに、溶湯溜部に収容された溶解対象材料を溶解するアークを発生するための電極棒を配設し、あるいは、この電極棒に加えて、炉床の溶湯溜部から流出して湯道を通る溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒を配設するようにした。
【００１７】
また、溶解対象材料を溶解するアークを発生するための電極棒に加えて、炉床の溶湯溜部から流出して湯道を通る溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒を配設する場合に、絶縁部材を介して鋳型を炉床に固定するとともに、溶湯が通る湯道を絶縁するようにもした。
【００１８】
さらに、鋳型に注入された溶湯に押し型による押圧力を加えて鋳造するアーク鋳造装置において、鋳型の近傍に傾動可能な炉床を配置するとともに、その溶湯溜部に収容された溶解対象材料を溶解するアークを発生するための電極棒と、溶湯溜部から流出して鋳型に注入される溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒とを配設するようにした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施の形態（第１の実施の形態）を、図１に示し説明する。ここで、図１は、本実施の形態におけるアーク鋳造装置の構成を示す斜視図である。
【００２０】
図１において、炉床１１は方形体状に形成され、その上面部には、溶解により得られた溶湯が溜まる凹部である溶湯溜部１２が設けられている。この溶湯溜部１２の内壁は垂直に形成されているが、部分的に傾斜面に形成されて、この部分が鋳型２１に溶湯を注ぎ込む湯口１３となっている。この湯口１３となる傾斜面は、図２（図１のＡ−Ａ線に沿う断面図）に示すように、溶湯溜部１２の底面から炉床１１の側面上端部に至るように形成されている。
【００２１】
図１において、炉床１１は、その一側面に固定された円柱状の支軸３１によって支持され、支軸３１は、図示されてはいない駆動機構により回動する。すなわち、炉床１１は、支軸３１に支持されて傾動し、その傾斜角度は自在に調整することができる。
【００２２】
このように傾動する炉床１１には、ここに設けられた湯口１３に、鋳型２１の鋳込口２５が臨むように鋳型２１が固定されて、炉床１１と鋳型２１とが一体的な構造となっている。ここにおける鋳型２１は、２分された各半型２２，２３からなり、各半型２２，２３は重なり合うようにボルトにより緊結されている。
【００２３】
一方の半型２３は、鋳込口２５として湯口１３に臨む開口部を有するとともに、この鋳込口２５を挟むようにして、断面形状が凹字状となるように各延設部２４ａ，２４ｂが設けられている。これらの延設部２４ａ，２４ｂにより囲まれた空隙部は、炉床１１の湯口１３と連通し、ここから流出した溶湯が、鋳型２１の鋳込口２５に注ぎ込むように導く湯道２６となっている。
【００２４】
なお、湯口１３となる傾斜面は、良好な湯流れを得るためのものであって、本発明にとっては必須の構成要件ではない。したがって、溶湯溜部１２の内壁全体を垂直に形成し、鋳型２１に設けられた湯道２６の端部が溶湯溜部１２の内壁の上端部に位置するようにしてもよい。
【００２５】
また、炉床１１に鋳型２１を固定する方法としては、炉床１１と鋳型２１とが当接する部分を溶着してもよく、あるいは、一方の半型２３に設けられた各延設部２４ａ，２４ｂを貫通するボルトにより、炉床１１に固定してもよい。
【００２６】
このように鋳型２１が固定された炉床１１の上方には、２つの電極棒２０１，２０１Ｂが配設されている。一方の電極棒２０１は、図２に示すように、炉床１１の溶湯溜部１２の中央部を指向するように配設され、他方の電極棒２０１Ｂは、半型２３に設けられた湯道２６を指向するように配設されている。
【００２７】
溶湯溜部１２中央部を指向する電極棒２０１は、溶湯溜部１２内に収容された溶解対象材料を溶解するアークを発生するためのものである。他方、湯道２６を指向する電極棒２０１Ｂは、炉床１１の湯口１３から流出して湯道２６を通る溶湯を加熱するアークを発生するためのものである。この湯道２６を指向する電極棒２０１Ｂは、必要に応じて複数配設するようにしてもよい。
【００２８】
以上の各構成要素は、図１０により説明した従来例１と同様に、密閉されたチャンバー内に収容され、チャンバー内は不活性ガス雰囲気となっている。
【００２９】
つぎに、以上のように構成された本装置を用いての鋳造方法を、図３により説明する。
【００３０】
まず、炉床１１を水平にした状態で、炉床１１の溶湯溜部１２内に溶解対象である材料を収容する。ついで、一方の電極棒２０１と炉床１１との間でアークを発生させて材料を溶解すると、得られた溶湯Ｍは、図３（ａ）に示すように、溶湯溜部１２内に溜まる。そこで、炉床１１を支持している支軸３１（図１）を回動させて炉床１１を傾動させると、図３（ｂ）に示すように、溶湯溜部１２内の溶湯Ｍは、炉床１１の湯口１３から鋳型２１に設けられた湯道２６を通り、鋳込口２５を介して鋳型２１の内部に流入する。
【００３１】
このとき、もう一方の電極棒２０１Ｂによりアークを発生させ、湯道２６を通る溶湯Ｍを加熱する。これにより、溶湯温度が高温に維持されるとともに、炉床１１に誘起されたコールド・スポットの近傍に発生して溶湯Ｍの内部に含まれる遊離結晶核が溶解される。
【００３２】
このように傾動する炉床１１を、図３（ｃ）に示すように、さらに傾斜させると、鋳型２１内に溶湯Ｍが充填され、完全に充填されれば、溶湯Ｍの鋳込みが完了することになる。
【００３３】
以上の過程において、各電極棒２０１，２０１Ｂを用いてのアークによる加熱は、鋳型２１への溶湯Ｍの鋳込みが完了するまで行なう。本発明によるアーク鋳造装置では、溶湯溜部１２と鋳型２１の鋳込口２５とが近接している。しかも、湯道２６を通る溶湯Ｍは、アークにより加熱される。したがって、溶解により得られた溶湯Ｍに対するアークによる加熱を継続することによって、溶湯温度を下げることなく粘性が低いままの状態で、遊離結晶核が溶解された溶湯Ｍを鋳型２１内に鋳込むことが可能である。
【００３４】
また、炉床１１の溶湯溜部１２から溶湯Ｍが直ちに鋳型２１の内部に鋳込まれるので、周囲のガスの巻き込みを抑制することができる。その結果、鋳造品・鋳造材の機械的性質の劣化の原因となるガスによる巣の発生を抑えることが可能となる。
【００３５】
さらに、鋳型２１への溶湯Ｍの注湯速度を抑制する必要がある場合は、炉床１１の傾動速度を遅くし、炉床１１が緩やかに傾斜するようにすればよい。溶湯Ｍの注湯速度は、溶湯Ｍの自然落下の速度に規制されないので、自在に制御することができる。
【００３６】
なお、図１では、溶解対象材料を溶解するアークを発生するための電極棒２０１の他に、湯道２６を通る溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒２０１Ｂを配設したアーク鋳造装置について図示した。しかし、遊離結晶核の発生がさほど問題とされない鋳造品・鋳造材を作製するような場合は、湯道２６を通る溶湯の加熱用の電極棒２０１Ｂの配設は、省略してもよい。その場合は、鋳型には湯道２６を設けずに、鋳込口２５が炉床１１の溶湯溜部１２の湯口１３と直接連通するような構成の鋳型を用いるとよい。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す斜視図であり、図１における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付して説明する。
【００３８】
図４において、図１に示した第１の実施の形態と異なるところは、鋳型２１が、絶縁部材４１を介して炉床１１に固定されていること、および鋳型２１に設けられた湯道２６を絶縁していることである。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同じである。
【００３９】
本発明によるアーク鋳造装置では、炉床１１と鋳型２１とが一体的な構造となっている。したがって、鋳型２１が導体からなる場合は、アーク炎から受けた電流が鋳型２１に流れるため、鋳型２１の内部においてコールド・スポットが誘起される可能性がある。鋳型２１の内部においてコールド・スポットが誘起されれば、その近傍で遊離結晶核が発生し、鋳造品・鋳造材の質を低下させることになる。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、アーク炎からの電流が鋳型２１に流れて、その内部においてコールド・スポットが誘起されないようにするために、絶縁部材４１を介して鋳型２１を炉床１１に固定するとともに、鋳型２１に設けられた湯道２６を絶縁している。
【００４１】
絶縁部材４１は、図５（ａ）（側面図）に示すように、鋳型２１の一方の半型２３が炉床１１に当接する部分に介装されている。また、図５（ａ）の破線で示す円の部分を拡大した断面図である図５（ｂ）に示すように、半型２３の各延設部２４ｂ（ａ）を貫通し、この貫通する部分の軸を絶縁体からなるカーラー４３ｂ（ａ）により包まれた各ボルト４２ｂ（ａ）を用いて、半型２３は炉床１１に固定されている。また、鋳型２１における湯道２６となる部分は、絶縁材（図示せず）により他の部分とは絶縁されている。
【００４２】
このように、絶縁部材４１を介して鋳型２１を炉床１１に固定し、かつ、湯道２６となる部分を絶縁すれば、アーク炎からの電流は鋳型２１には流れないので、鋳型２１の内部においてコールド・スポットが誘起されることが抑制され、良質の鋳造品・鋳造材を得ることができることになる。
【００４３】
なお、本実施の形態におけるアーク鋳造装置を用いての鋳造方法は、図１に示した第１の実施の形態について図３により説明したところと同じである。
【００４４】
図６は、本発明の第３の実施の形態を示すものである。ここに示したアーク鋳造装置は、図１１により説明した従来例２と同様に、鋳型内の溶湯に対して押し型による押圧力を加えて鋳造製品を作製するものである。そこで、図１１における構成要素と同一の構成要素については同じ符号を付して説明する。
【００４５】
図６において、図１１により説明した従来例２の構成と異なるところは、第１に、溶解対象である材料を溶解するための、支軸５３により支持された炉床５１を、鋳型６１とは別個にその近傍に配置していること、第２に、材料を溶解するアークを発生するための電極棒２０１とは別に、炉床５１から鋳型６１に注入される溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒２０１Ｂを、さらに配設していることである。その他の構成は、図１１により説明した従来例２と同じである。
【００４６】
このように構成された本装置により鋳造を行なう場合は、炉床５１を水平にした状態で、炉床５１の溶湯溜部５２に溶解対象材料を収容したうえで、一方の電極棒２０１と炉床５１との間でアークを発生させて材料を溶解する。材料が溶解すると、図７（ａ）に示すように、溶湯溜部５２内に溶湯Ｍが溜まる。そこで、図７（ｂ）に示すように、炉床５１を支持している支軸５３を回動させて炉床５１を傾動させると、溶湯Ｍは鋳型６１内に流入する。
【００４７】
このとき、もう一方の電極棒２０１Ｂによりアークを発生させ、炉床５１から鋳型６１に流入する溶湯Ｍを加熱する。その結果、溶湯温度が高温に維持されるとともに、炉床５１に誘起されたコールド・スポットの近傍に発生して溶湯Ｍの内部に含まれる遊離結晶核が溶解されることになる。
【００４８】
そこで、炉床５１をさらに傾斜させて鋳型６１内に溶湯Ｍが充分に注入されたならば、図７（ｃ）に示すように、鋳型６１の上方に配置された押し型１３１を下降させて、その押圧力により溶湯Ｍを圧延する。
【００４９】
なお、各電極棒２０１，２０１Ｂを用いてのアークによる加熱は、鋳型６１への溶湯Ｍの注入が完了するまで行なう。その結果、溶湯温度を下げることなく粘性が低いままの状態で、しかも、遊離結晶核が溶解された溶湯Ｍを鋳型５１内に注入することができる。
【００５０】
図８は、本実施の形態におけるアーク鋳造装置により作製された試料（合金組成：Ｚｒ₅₀Ｃｕ₃₀Ｎｉ₁₀Ａｌ₁₀ ）について、光学顕微鏡により観察した内部組織を示すものである。図１１の従来例２について示した図１２と比較して、遊離結晶核はほとんど発生していない。
【００５１】
下記表１は、本実施の形態におけるアーク鋳造装置により作製された試料と、従来例２により作製された試料の双方について行なった引張試験の結果を整理したものである
【表１】

このように、本実施の形態におけるアーク鋳造装置によれば、従来例２による場合よりも良好な結果が得られる。
【００５２】
また、図９は、本実施の形態におけるアーク鋳造装置により作製された試料と、従来例２により作製された試料のそれぞれについて、引張応力によるひずみ挙動を調べるために行なった実験の結果を示す応力−ひずみ線図である。図中、実線で示す応力−ひずみ線Ａは、本実施の形態におけるアーク鋳造装置により作製された試料を示し、破線Ｂは従来例２により作製された試料を示している。この図から明らかなように、本実施の形態におけるアーク鋳造装置によれば、同一の応力に対してひずみが著しく減少している。
【００５３】
なお、図６では、炉床５１から鋳型６１に注入される溶湯を加熱するアークを発生するための電極棒２０１Ｂを１つ配設する構成を示したが、必要に応じて複数の電極棒を配設するようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によるならば、炉床と鋳型とを一体的な構造にして、炉床の溶湯溜部と鋳型の鋳込口とが近接するようにしたので、溶湯は、溶湯溜部から直ちに鋳型内に流入する。しかも、溶解により得られた溶湯に対するアークによる加熱を継続しながら、鋳型に溶湯を鋳込むことが可能である。
【００５５】
その結果、溶湯温度を下げることなく粘性が低い状態で、溶湯を鋳型に鋳込むことができる。したがって、鋳型が目的とする形状が精緻精細であっても、鋳型内の細部にまで溶湯を十分に充填することができる。すなわち、微細な形状を作製する場合であっても、鋳型の転写性を確保し、鋳型の目的形状を忠実に再現することが可能である。
【００５６】
また、湯道が著しく短く、炉床から溶湯が直ちに鋳型の内部に鋳込まれることから、周囲のガスの巻き込みを抑制することができる。したがって、鋳造品・鋳造材の機械的性質の劣化を招く、ガスによる巣の発生を抑えることができる。
【００５７】
さらに、従来例１におけるように溶湯が鋳型に向けて空間内を落下しないので、鋳型への溶湯の注湯速度が、溶湯の自然落下の速度に規制されない。炉床の傾動速度や傾斜角度を適宜調整することにより、鋳型への溶湯の注湯速度を自在に制御することが可能である。このことは、とくに注湯速度を抑制する必要がある場合に有益である。
【００５８】
そのうえ、湯道を通る溶湯に対してもアークにより加熱するようにした結果、炉床に誘起されたコールド・スポットの近傍に発生して溶湯の内部に含まれる、鋳造品・鋳造材の欠陥の原因となる遊離結晶核が溶解される。
【００５９】
加えて、アーク炎からの電流が鋳型に流れないように、炉床と鋳型とを絶縁部材を介して一体的な構造とするとともに、湯道を絶縁するようにもしたので、鋳型内部でのコールド・スポットの誘起が抑えられ、良質の鋳造品・鋳造材を実現することができる。
【００６０】
また、鋳型に注入された溶湯に押し型による押圧力を加えて鋳造するアーク鋳造装置において、鋳型の近傍に傾動可能な炉床を配置し、その溶湯溜部から流出して鋳型に注入される溶湯を、アークにより加熱するようにしたことから、遊離結晶核を含まない鋳造製品を得ることができる。したがって、アーク鋳造において本発明によりもたらされる効果は、極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１に示した装置による鋳造方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図４に示した炉床と鋳型との絶縁部材を介しての一体化の構成を示す構成図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図７】図６に示した装置による鋳造方法を説明するための説明図である。
【図８】図６に示した装置により作製された試料の内部組織を示す表示図である。
【図９】図６に示した装置により作製された試料の応力−ひずみ線図である。
【図１０】従来例１を説明するための説明図である。
【図１１】従来例２を説明するための説明図である。
【図１２】図１１に示した従来例２により作製された試料の内部組織を示す表示図である。
【符号の説明】
１１炉床
１２溶湯溜部
１３湯口
２１鋳型
２２，２３半型
２４ａ，２４ｂ延設部
２５鋳込口
２６湯道
３１支軸
４１絶縁部材
４２ａ，４２ｂボルト
４３ａ，４３ｂカーラー
５１炉床
５２溶湯溜部
５３支軸
６１鋳型
１０１炉床
１０２溶湯溜部
１０３支軸
１１１鋳型
１１２鋳込口
１２１鋳型
１２２凹部
１３１押し型
２０１，２０１Ｂ電極棒
Ｍ溶湯[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arc casting apparatus. Specifically, it is an object of the present invention to provide an arc casting apparatus capable of faithfully producing a target shape of a mold and obtaining a high-quality cast product / cast material.
[0002]
[Prior art]
A configuration example of an arc casting apparatus conventionally used will be described with reference to FIG. 10A (conventional example 1). Here, FIG. 10A shows a schematic configuration of an arc casting apparatus that is accommodated in a sealed chamber and performs arc melting in an inert gas atmosphere.
[0003]
In FIG. 10A, reference numeral 101 denotes a hearth having a molten metal reservoir portion 102 indicated by a broken line in which a material to be melted is accommodated and a molten metal obtained by melting the material by arc heat is accumulated. Has been. Copper is generally used for the material of the hearth 101, and cooling water is circulated in the inside thereof. Further, the hearth 101 is supported by a support shaft 103 and can tilt.
[0004]
An electrode bar 201 for generating an arc is disposed above the hearth 101, and a mold 111 provided with a casting port 112 having a tapered opening for casting molten metal is disposed below the hearth 101. Yes.
[0005]
Each of the above components is housed in a hermetically sealed chamber (not shown), and the inside of the chamber is an inert gas such as argon gas in order to prevent oxidation and nitridation of the molten metal due to contact between the arc and air. The atmosphere is filled.
[0006]
Therefore, when casting is performed by the apparatus having such a configuration, first, a material in a block form or a granular form is accommodated in the molten metal reservoir 102 of the hearth 101. Next, an arc is generated between the electrode bar 201 and the hearth 101, and the material is melted by the generated heat. As shown in FIG. 10 (b), the molten metal obtained by the heat of the arc is discharged from the hearth 101 and dropped by rotating the support shaft 103 and tilting the hearth 101. It is cast into the inside of the arranged mold 111 through the casting port 112.
[0007]
FIG. 11 (a) shows the configuration of another conventional example, which is housed in a hermetically sealed chamber and arced in an inert gas atmosphere as in the conventional example 1 shown in FIG. 10 (a). This is an arc casting apparatus of a melting type (conventional example 2).
[0008]
In FIG. 11A, in the arc casting apparatus shown here, a grounded mold 121 is used as the hearth (cooling water is circulated inside). That is, the melted material M is obtained by accommodating the material to be melted in the recess 122 having a predetermined shape provided on the upper surface of the mold 121 and generating an arc between the electrode rod 201 and the mold 121. Then, if the molten metal M is obtained by the heat of the arc, as shown in FIG. 11B, the pressing die 131 disposed above the mold 121 is moved to a position where the lower surface thereof is in close contact with the upper surface of the mold 121. The molten metal M is rolled by the pressing force, and a cast product is produced.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to Conventional Example 1 described with reference to FIG. 10, there are the following problems to be solved. That is, since the hearth 101 and the mold 111 are separated from each other at a predetermined distance, the molten metal obtained by melting falls in the atmospheric gas and entrains the gas. When the molten metal is rapidly dropped, the gas is involved not only during dropping from the hearth 101 toward the mold 111 but also when the molten metal collides with the tapered surface of the casting port 112 of the mold 111. It also occurs when flying. If gas is involved in the molten metal, it will cause the formation of nests which are small bubbles, which will cause deterioration of the mechanical properties of the cast product and cast material.
[0010]
Further, as a result of the mold 111 being away from the hearth 101, the molten metal moves through the atmosphere gas for a certain distance during pouring, and the temperature of the molten metal decreases during that time. In particular, when the amount of molten metal is small, the amount of heat is lost and the temperature decreases. If the temperature of the molten metal is lowered, the fluidity of the molten metal is lowered and the viscosity is increased, and if the mold 111 has a precise shape, the molten metal is melted down to the details in the mold 111 even if the chamber is pressurized. Is not filled enough. Therefore, the transferability of the mold 111, that is, the faithful reproducibility of the target shape of the mold 111 cannot be ensured.
[0011]
In addition, the rate of pouring of the molten metal discharged from the hearth 101 into the mold 111 is regulated by the rate of spontaneous fall of the molten metal. That is, the molten metal pouring speed cannot be controlled appropriately. Therefore, when it is necessary to control the molten metal pouring speed and cast into the mold 111, this conventional example 1 cannot be performed.
[0012]
Furthermore, in the arc melting, heating by the arc and cooling by the hearth 101 in which water flows are simultaneously performed. Therefore, when an alloy is produced by fusing different kinds of metals, there is a problem that uniform melting of the molten alloy is difficult to obtain. That is, non-uniform crystal nuclei are generated inside the molten alloy, resulting in a compositional difference within the molten alloy. Many of these non-uniform crystal nuclei are produced by the metal melted by the arc flame flowing through the hearth through the electric current received from the arc flame, and the portion where the melted metal adheres to the hearth and is condensed (hereinafter referred to as the following). It occurs in the vicinity of “cold spot”).
[0013]
The cause is that the molten metal is rapidly cooled at the cold spot, so that dendritic crystals grow rapidly from the cold spot toward the inside of the molten metal, and the convection of the molten metal melts off the branch part. It is that crystal nuclei that are liberated one after another are formed. The free crystal nuclei are known to deteriorate the fatigue characteristics and impact characteristics of metal materials, and are an obstacle to obtaining high-quality castings and cast materials.
[0014]
The conventional example 1 described with reference to FIG. 10 also has a problem that no measures are taken for free crystal nuclei that cause defects in such cast products and cast materials.
[0015]
The formation of free crystal nuclei in the molten alloy is the same as in the conventional example 2 described with reference to FIG. That is, FIG. 12 shows the internal structure of the sample (alloy composition: Zr ₅₅ Cu ₃₀ Ni ₅ Al ₁₀ ) obtained by Conventional Example 2 as observed with an optical microscope. As shown in the figure, the metal structure contains a large number of free crystal nuclei observed as black spots.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems. For this purpose, in the present invention, a molten metal reservoir is provided in which the molten metal is accumulated, and the mold is fixed to a tiltable hearth supported by a support shaft, so that the hearth and the mold are integrated. An electrode rod for generating an arc for melting the material to be melted contained in the molten metal reservoir is disposed, or in addition to this electrode rod, it flows out of the molten metal reservoir of the hearth and passes through the runway. An electrode rod for generating an arc for heating the molten metal was provided.
[0017]
In addition to the electrode rod for generating an arc for melting the material to be melted, an electrode rod for generating an arc for heating the molten metal flowing out of the molten metal reservoir of the hearth and passing through the runner is provided. In some cases, the mold was fixed to the hearth via an insulating member, and the runway through which the molten metal passed was also insulated.
[0018]
Further, in an arc casting apparatus for casting by applying a pressing force to a molten metal injected into a mold, a tiltable hearth is disposed in the vicinity of the mold, and a material to be melted accommodated in the molten metal reservoir is disposed. An electrode bar for generating an arc for melting and an electrode bar for generating an arc for heating the molten metal that flows out of the molten metal reservoir and is poured into the mold are arranged.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
One embodiment (first embodiment) of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the arc casting apparatus in the present embodiment.
[0020]
In FIG. 1, the hearth 11 is formed in a rectangular shape, and a molten metal reservoir portion 12 that is a concave portion in which molten metal obtained by melting is accumulated is provided on an upper surface portion thereof. The inner wall of the molten metal reservoir 12 is formed vertically, but is partially formed on an inclined surface, and this portion serves as a pouring gate 13 for pouring the molten metal into the mold 21. As shown in FIG. 2 (a sectional view taken along the line AA in FIG. 1), the inclined surface that becomes the pouring gate 13 is formed so as to extend from the bottom surface of the molten metal reservoir 12 to the upper end of the side surface of the hearth 11. Yes.
[0021]
In FIG. 1, the hearth 11 is supported by a cylindrical support shaft 31 fixed to one side surface thereof, and the support shaft 31 is rotated by a drive mechanism not shown. That is, the hearth 11 is supported by the support shaft 31 and tilts, and the tilt angle can be freely adjusted.
[0022]
In the tilted hearth 11, the mold 21 is fixed so that the pouring port 25 of the mold 21 faces the pouring gate 13 provided here, and the hearth 11 and the mold 21 are integrated. It has become. The mold 21 here comprises half halves 22 and 23 divided into two, and the half dies 22 and 23 are fastened by bolts so as to overlap each other.
[0023]
One half mold 23 has an opening facing the pouring gate 13 as a casting port 25, and extending

portions

24 a and 24 b are provided so that the cross-sectional shape becomes a concave shape so as to sandwich the casting port 25. It has been. The space surrounded by the

extended portions

24 a and 24 b communicates with the pouring gate 13 of the hearth 11, and becomes a runner 26 that guides the molten metal flowing out from the pouring port 25 of the mold 21. ing.
[0024]
In addition, the inclined surface used as the pouring gate 13 is for obtaining a favorable hot water flow, and is not an essential component for the present invention. Therefore, the entire inner wall of the molten metal reservoir 12 may be formed vertically, and the end of the runner 26 provided in the mold 21 may be positioned at the upper end of the inner wall of the molten metal reservoir 12.
[0025]
Further, as a method of fixing the mold 21 to the hearth 11, a portion where the hearth 11 and the mold 21 abut may be welded, or each extended portion 24 a provided on one half mold 23, You may fix to the hearth 11 with the volt | bolt which penetrates 24b.
[0026]
Two

electrode rods

201 and 201B are arranged above the hearth 11 to which the mold 21 is fixed in this way. As shown in FIG. 2, one electrode bar 201 is disposed so as to face the center of the molten metal reservoir 12 of the hearth 11, and the other electrode bar 201 </ b> B is a runner provided in the half mold 23. 26 is directed so as to face 26.
[0027]
The electrode rod 201 directed toward the center of the molten metal reservoir 12 is for generating an arc that melts the material to be melted accommodated in the molten metal reservoir 12. On the other hand, the electrode rod 201B directed to the runner 26 is for generating an arc that flows out from the gate 13 of the hearth 11 and heats the molten metal passing through the runner 26. A plurality of electrode bars 201B directed to the runner 26 may be provided as necessary.
[0028]
Each component described above is housed in a hermetically sealed chamber, as in Conventional Example 1 described with reference to FIG. 10, and the inside of the chamber is an inert gas atmosphere.
[0029]
Next, a casting method using the present apparatus configured as described above will be described with reference to FIG.
[0030]
First, in a state where the hearth 11 is leveled, the material to be melted is accommodated in the molten metal reservoir 12 of the hearth 11. Next, when an arc is generated between one electrode rod 201 and the hearth 11 to melt the material, the obtained molten metal M is accumulated in the molten metal reservoir 12 as shown in FIG. Therefore, when the support shaft 31 (FIG. 1) supporting the hearth 11 is rotated and the hearth 11 is tilted, as shown in FIG. 3B, the molten metal M in the molten metal reservoir 12 is The melt flows from the gate 13 of the hearth 11 through the runner 26 provided in the mold 21 and flows into the mold 21 through the casting port 25.
[0031]
At this time, an arc is generated by the other electrode rod 201B, and the molten metal M passing through the runner 26 is heated. As a result, the molten metal temperature is maintained at a high temperature, and free crystal nuclei that are generated in the vicinity of the cold spot induced in the hearth 11 and contained in the molten metal M are melted.
[0032]
When the hearth 11 tilted in this manner is further tilted as shown in FIG. 3C, the molten metal M is filled in the mold 21, and the casting of the molten metal M is completed if the molten metal M is completely filled. become.
[0033]
In the above process, the heating by the arc using the

electrode rods

201 and 201B is performed until the casting of the molten metal M into the mold 21 is completed. In the arc casting apparatus according to the present invention, the molten metal reservoir 12 and the casting port 25 of the mold 21 are close to each other. Moreover, the molten metal M passing through the runner 26 is heated by the arc. Therefore, by continuing the heating by the arc to the molten metal M obtained by melting, the molten metal M in which the free crystal nuclei are melted is cast into the mold 21 while the viscosity remains low without lowering the molten metal temperature. Is possible.
[0034]
Further, since the molten metal M is immediately cast into the mold 21 from the molten metal reservoir 12 of the hearth 11, it is possible to suppress the entrainment of surrounding gas. As a result, it is possible to suppress the formation of nests due to gas that causes deterioration of the mechanical properties of the cast product / cast material.
[0035]
Furthermore, when it is necessary to suppress the pouring speed of the molten metal M into the mold 21, the tilting speed of the hearth 11 may be slowed so that the hearth 11 is gently tilted. Since the pouring speed of the molten metal M is not restricted by the natural falling speed of the molten metal M, it can be freely controlled.
[0036]
1, in addition to the electrode rod 201 for generating an arc for melting the material to be melted, an arc casting apparatus in which an electrode rod 201B for generating an arc for heating the molten metal passing through the runner 26 is provided. Is illustrated. However, in the case of producing a cast or cast material in which the generation of free crystal nuclei is not so problematic, the arrangement of the electrode rod 201B for heating the molten metal passing through the runner 26 may be omitted. In that case, it is good to use the casting_mold | template of the structure which the casting port 25 communicates directly with the pouring gate 13 of the molten metal storage part 12 of the hearth 11 without providing the runner 26 in a casting_mold | template.
[0037]
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 1 will be described with the same reference numerals.
[0038]
In FIG. 4, the difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is that the mold 21 is fixed to the hearth 11 via the insulating member 41, and the runner 26 provided in the mold 21. Is insulated. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0039]
In the arc casting apparatus according to the present invention, the hearth 11 and the mold 21 have an integral structure. Therefore, when the mold 21 is made of a conductor, a current received from the arc flame flows through the mold 21, so that a cold spot may be induced inside the mold 21. If a cold spot is induced inside the mold 21, free crystal nuclei are generated in the vicinity thereof, and the quality of the cast product / casting material is deteriorated.
[0040]
Therefore, in the present embodiment, the mold 21 is fixed to the hearth 11 via the insulating member 41 so that a current from the arc flame flows into the mold 21 and a cold spot is not induced therein. In addition, the runner 26 provided in the mold 21 is insulated.
[0041]
As shown in FIG. 5A (side view), the insulating member 41 is interposed in a portion where one half mold 23 of the mold 21 contacts the hearth 11. Further, as shown in FIG. 5B, which is an enlarged cross-sectional view of a circle indicated by a broken line in FIG. The half mold 23 is fixed to the hearth 11 using each bolt 42 b (a) in which the shaft of the part is wrapped by a curler 43 b (a) made of an insulator. Moreover, the part used as the runner 26 in the casting_mold | template 21 is insulated from other parts with the insulating material (not shown).
[0042]
In this way, if the mold 21 is fixed to the hearth 11 via the insulating member 41 and the portion that becomes the runner 26 is insulated, the current from the arc flame does not flow into the mold 21, so Induction of cold spots inside is suppressed, and a high-quality cast product / cast material can be obtained.
[0043]
The casting method using the arc casting apparatus in the present embodiment is the same as that described with reference to FIG. 3 for the first embodiment shown in FIG.
[0044]
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. The arc casting apparatus shown here produces a cast product by applying a pressing force by a pressing die to the molten metal in the mold, as in the conventional example 2 described with reference to FIG. Therefore, the same components as those in FIG. 11 will be described with the same reference numerals.
[0045]
In FIG. 6, the difference from the configuration of the conventional example 2 described with reference to FIG. 11 is that a hearth 51 supported by a support shaft 53 for melting a material to be melted is a mold 61. Separately disposed in the vicinity thereof, and secondly, an arc for heating the molten metal poured from the hearth 51 to the mold 61 is generated separately from the electrode rod 201 for generating an arc for melting the material. For this purpose, an electrode rod 201B is further provided. Other configurations are the same as those of the second conventional example described with reference to FIG.
[0046]
When casting is performed by the present apparatus configured as described above, the material to be melted is accommodated in the molten metal reservoir 52 of the hearth 51 in a state where the hearth 51 is leveled, and then one electrode rod 201 and the furnace are placed. An arc is generated between the floor 51 and the material is melted. When the material is melted, the molten metal M accumulates in the molten metal reservoir 52 as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 7B, when the support shaft 53 supporting the hearth 51 is rotated to tilt the hearth 51, the molten metal M flows into the mold 61.
[0047]
At this time, an arc is generated by the other electrode rod 201B, and the molten metal M flowing from the hearth 51 into the mold 61 is heated. As a result, the molten metal temperature is maintained at a high temperature, and free crystal nuclei that are generated in the vicinity of the cold spot induced in the hearth 51 and contained in the molten metal M are melted.
[0048]
Therefore, if the furnace floor 51 is further tilted and the molten metal M is sufficiently injected into the mold 61, the pressing mold 131 disposed above the mold 61 is lowered as shown in FIG. The molten metal M is rolled by the pressing force.
[0049]
In addition, the heating by the arc using each

electrode rod

201, 201B is performed until the injection of the molten metal M into the mold 61 is completed. As a result, the molten metal M in which the free crystal nuclei are dissolved can be injected into the mold 51 while the viscosity remains low without lowering the molten metal temperature.
[0050]
FIG. 8 shows an internal structure of a sample (alloy composition: Zr ₅₀ Cu ₃₀ Ni ₁₀ Al ₁₀ ) produced by the arc casting apparatus in the present embodiment, which is observed with an optical microscope. Compared to FIG. 12 showing the conventional example 2 in FIG. 11, almost no free crystal nuclei are generated.
[0051]
Table 1 below summarizes the results of tensile tests performed on both the sample produced by the arc casting apparatus in the present embodiment and the sample produced by Conventional Example 2 [Table 1].

Thus, according to the arc casting apparatus in the present embodiment, a better result can be obtained than in the case of Conventional Example 2.
[0052]
Further, FIG. 9 shows the stress indicating the result of the experiment conducted for examining the strain behavior due to the tensile stress for each of the sample produced by the arc casting apparatus in the present embodiment and the sample produced by the conventional example 2. -Strain diagram. In the drawing, a stress-strain line A indicated by a solid line indicates a sample manufactured by the arc casting apparatus in the present embodiment, and a broken line B indicates a sample manufactured by Conventional Example 2. As is apparent from this figure, according to the arc casting apparatus in the present embodiment, the strain is remarkably reduced with respect to the same stress.
[0053]
6 shows a configuration in which one electrode bar 201B for generating an arc for heating the molten metal poured from the hearth 51 to the mold 61 is disposed, a plurality of electrode bars may be provided as necessary. It may be arranged.
[0054]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the hearth and the mold are integrated, and the molten metal reservoir of the hearth and the casting port of the mold are close to each other. Immediately flows into the mold from the molten metal reservoir. Moreover, it is possible to cast the molten metal into the mold while continuing to heat the molten metal obtained by melting by arc.
[0055]
As a result, the molten metal can be cast into the mold with a low viscosity without lowering the molten metal temperature. Therefore, even if the target shape of the mold is fine, the molten metal can be sufficiently filled to the details in the mold. That is, even when a fine shape is produced, it is possible to ensure the transferability of the mold and faithfully reproduce the target shape of the mold.
[0056]
Moreover, since the runner is remarkably short and the molten metal is immediately cast into the mold from the hearth, the entrainment of surrounding gas can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the formation of a nest due to gas, which causes deterioration of the mechanical properties of the cast product / cast material.
[0057]
Further, since the molten metal does not fall in the space toward the mold as in the conventional example 1, the molten metal pouring speed into the mold is not restricted by the rate of the natural falling of the molten metal. By appropriately adjusting the tilting speed and tilting angle of the hearth, it is possible to freely control the pouring speed of the molten metal into the mold. This is beneficial especially when it is necessary to control the pouring rate.
[0058]
In addition, as a result of heating the molten metal passing through the runner with an arc, defects in the cast and cast material that are generated in the vicinity of the cold spot induced in the hearth and contained in the molten metal are detected. The causal free crystal nuclei are dissolved.
[0059]
In addition, the furnace floor and the mold are integrated with an insulating member so that the electric current from the arc flame does not flow into the mold, and the runner is also insulated. Induction of cold spots is suppressed, and high-quality castings and cast materials can be realized.
[0060]
Also, in an arc casting apparatus for casting by applying a pressing force to a molten metal injected into a mold, a tiltable hearth is disposed in the vicinity of the mold and flows out of the molten metal reservoir and injected into the mold. Since the molten metal is heated by an arc, a cast product that does not contain free crystal nuclei can be obtained. Therefore, the effect brought about by the present invention in arc casting is extremely large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a casting method by the apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an integrated configuration of the hearth and the mold shown in FIG. 4 through an insulating member.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.
7 is an explanatory diagram for explaining a casting method by the apparatus shown in FIG. 6. FIG.
8 is a display diagram showing an internal structure of a sample manufactured by the apparatus shown in FIG.
FIG. 9 is a stress-strain diagram of a sample manufactured by the apparatus shown in FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a first conventional example.
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a second conventional example.
12 is a display diagram showing an internal structure of a sample manufactured according to Conventional Example 2 shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Furnace 12 Molten reservoir 13 Pouring gate 21

Mold

22, 23

Half mold

24a, 24b Extension part 25 Pouring port 26 Runway 31 Support shaft 41 Insulation member 42a, 42b Bolts 43a, 43b Curler 51 Furnace 52 Molten reservoir 53 Support shaft 61 Mold 101 Hearth 102 Molten reservoir 103 Support shaft 111 Mold 112 Casting port 121 Mold 122 Recess 131 Stamping die 201, 201B Electrode rod M Molten metal

Claims

凹部に形成された溶湯（Ｍ）が溜まる溶湯溜部（１２）を有する炉床（１１）と、
前記炉床を傾動させるための、前記炉床に固定された支軸（３１）と、
鋳込口（２５）が前記溶湯溜部の内壁の上端部に位置する、前記炉床に固定された鋳型（２１）と、
前記溶湯溜部に収容された溶解対象材料を溶解するアークを発生するための電極棒（２０１）とを
具備したアーク鋳造装置。A hearth (11) having a molten metal reservoir (12) in which the molten metal (M) formed in the recess is accumulated;
A pivot (31) fixed to the hearth for tilting the hearth ;
A mold (21) fixed to the hearth , wherein the casting port (25) is located at the upper end of the inner wall of the molten metal reservoir,
An arc casting apparatus comprising: an electrode rod (201) for generating an arc for melting a material to be melted contained in the molten metal reservoir.

凹部に形成された溶湯（Ｍ）が溜まる溶湯溜部（１２）を有する炉床（１１）と、
前記炉床を傾動させるための、前記炉床に固定された支軸（３１）と、
前記溶湯溜部と連通して前記溶湯を鋳込口（２５）に導く湯道（２６）を有する前記炉床に固定された鋳型（２１）と、
前記溶湯溜部に収容された溶解対象材料を溶解するアークを発生するための第１の電極棒（２０１）と、
前記湯道を通る前記溶湯を加熱するアークを発生するための少なくとも１つの第２の電極棒（２０１Ｂ）とを
具備したアーク鋳造装置。A hearth (11) having a molten metal reservoir (12) in which the molten metal (M) formed in the recess is accumulated;
A pivot (31) fixed to the hearth for tilting the hearth ;
A mold (21) fixed to the hearth having a runway (26) communicating with the molten metal reservoir and guiding the molten metal to a casting port (25);
A first electrode rod (201) for generating an arc for melting the material to be melted contained in the molten metal reservoir,
An arc casting apparatus comprising: at least one second electrode rod (201B) for generating an arc for heating the molten metal passing through the runner.

前記鋳型が導体からなる場合に前記鋳型が絶縁部材（４１）を介して前記炉床に固定されるとともに、前記鋳型における前記湯道を形成する部分が絶縁材を介して前記湯道を形成する部分以外の部分とは絶縁されたものである請求項２記載のアーク鋳造装置。Together with the mold when the mold is made of a conductor is fixed to the hearth through the insulating member (41), the portion forming the runner in the mold to form the runner through the insulating material The arc casting apparatus according to claim 2 , wherein the arc casting apparatus is insulated from a portion other than the portion .