JPH02146496A - 金属溶融用るつぼ - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は溶融活性金属に対する耐食性及び耐熱性を有す
るコーティング層を備えた金属溶融用るつぼに関する。

（従来の技術） チタン（Ｔｔ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ウラン（Ｕ）
等のような科学的に活性でかつ比較的融点の高い金属溶
融用るつぼ材としては、タングステン（Ｗ）、タンタル
（Ｔａ）、モリブデン（ＭＯ）、ニオブ（Ｎｂ）等の高
融点金属またはグラファイトが使用されている。

しかしこれらのるつぼ基材においても、上記のような高
融点で活性な金属と直接接触した場合には、両者間で反
応したり、あるいは合金化してるつぼ自体が溶解したり
、浸蝕されることがあるばかりでなく、るつぼ基体自身
が溶湯中に解は出して溶湯純度を低下させる要因となる
場合がある。

したがって、この様な問題を回避するために、前記した
ような高融点金属を基材とするるつぼ内表面に、溶融Ｔ
ｉ、Ｚｒ５Ｕ等との耐食性、耐熱性にすくれたイツトリ
ア（Ｙ２Ｏ３）、ハフニア（Ｈｆ　Ｏ２）等のセラミッ
クスコーティング層〔耐食層〕を施すことが通常行われ
ている。更にまた、この様なセラミックスコーティング
層が設けられたるつぼでは、セラミックスとるつぼ基材
との間で、その熱膨張係数に差があるため、熱応力によ
ってセラミックス層が剥離する恐れがある。

そこでこれを防止するために、セラミックスのコーティ
ング層と基材との間に、両者の中間的熱膨張係数を有す
る高最点金属またはセラミックスの下地コーティング層
（中間層）を設けたるつぼが提案されている。

この様なコーティング層を有するるつぼの構成の一例と
して、第１図に示すような構造のＴｉ溶融るつぼが挙げ
られる。このるつぼは、グラファイトによって形成され
た基材ｌの内表面に、Ｎｂの下地コーティング層２を施
し、更にその上にＹ２Ｏ３のセラミックスコーティング
層３が設けられたものであり、その中にＴｉ溶湯５が収
容される。なお、このるつぼは冷却機能を有した冷却用
ハース（水冷銅）４の中に収容されている。

従来、このような下地コーティング層２およびセラミッ
クス層３は、大気中プラズマ溶射法によって厚さ０．１
〜５．０１程度に形成され、それらのコーティング層２
および３は、第１図のＡ部分を拡大した第５図（ａ）に
示されるように、通常、その内部に気孔率で１０〜３０
％程度の気孔を有している。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような構成のるつぼ中でＴｉ金属を適当な手段を
用いて加熱、溶融すると、Ｔｉの金属溶湯５と接してい
るセラミックスコーティング層３の内表面と、冷却用ハ
ース４と接している基材ｌの外表面とでは、その温度芒
が１．５００〜２．２００度となる。その際、耐食層の
セラミックスコーティング層材Ｙ２Ｏ３の熱伝導率は、
基材１のグラファイトに比べ著しく小さいため、この温
度差のほとんどは耐食コーティング層３において生ずる
こととなる。るつぼの厚さ方向の温度分布の一例は第５
図（ｂ）に示す通りである。したがって、この温度差に
よる熱応力が発生し、この熱応力はコーティング層３の
剥離もしくは破損を招く虞がある。即ち、このような従
来のるつぼにおいては、基材１と下地コーティング層２
、および下地コーティング層２と耐食コーティング層３
は、それぞれ化学反応を伴わず、単に機械的に結合して
いるのみであり、その密着性が比較的低いからであ−る
。

更にこの様な層間密着性の低さは、金属溶湯５の凝固時
の収縮によるコーティング層２および３の剥離を招く虞
れがあった。

更に、上記コーティング層２および３は、気孔率で１０
〜３０％の空孔を有していることから、Ｔｉ溶湯５が空
孔６内に浸透し、下地コーティング層２や基月１と接触
して、／８セし、場合により反応して、耐食コーティン
グ層３を剥離させるとともに基材１を浸蝕する虞があっ
た。

本発明の目的は、上記問題点に解決を与えることであり
、溶融活性金属に対する耐食性および耐熱性を著しく向
上させたコーティング層を有する金属溶融用るつぼを提
供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、る
つぼ基体の少なくとも内表面に、セラミックスからなる
耐食コーティング層を、高融点金属材からなる気孔率２
％以下の下地コーティング層を介して設けたこと、を特
徴とするものである。

また本発明は、るつぼ基体の少なくとも内表面に、高融
点金属材からなる下地コーティング層を形成し、前記下
地コーティング層上にセラミックスからなる耐食コーテ
ィング層を更に形成する金属溶融用るつぼの製造法にお
いて、前記下地コーティング層の形成を減圧プラズマ溶
射法によって行なうこと、を特徴とするものである。

更にまた本発明は、前記した金属溶融るつぼの製造法に
おいて、前記下地コーティング層の形成の前に、少なく
ともるつぼ基体の内表面を、スパッタリング・クリーニ
ングすること、を特徴とするものである。

（作　用） 基体１の少なくとも内表面に高畿点金属の下地コーティ
ング層２をＡｒガス雰囲気中で減圧プラズマ溶射法によ
って形成する結果、コーティング層の密着強度が高くな
る。大気中プラズマ溶剤法であると、存在する酸素によ
って、るつぼ基材の表面にコーティング層の密着強度を
低下させる酸化被膜を形成してしまうが、Ａ「雰囲気中
でプラズマ溶射を行うと、この様な酸化被膜の形成を防
止できるからである。また、Ａｒ雰囲気中であると、大
気中プラズマ溶射法によつた場合のように、酸素および
窒素を吸収して高融点金属が脆化することもない。さら
にまた減圧下であると、プラズマを長時間形成でき、溶
射材料を溶融、加速しやすいため、形成された被膜の気
孔形成を押さえることができ、低い気孔率を有した下地
コーティング層を形成することが可能である。

また、この下地コーティング層の形成の前に、基体１の
少なくとも内表面をスパッタリング・クリーニングして
、表面を清浄化して酸化被膜形成の影響低く押さえるこ
とも出来る。

本発明のるつぼは、その下地コーティング層の気孔率が
２％以下となり、溶湯金属のるつぼ基体への浸透を有効
に防止することができる。

〔実施例〕

以下、本発明をその実施例に基づいて説明する。

第１図はコーティング層を設けた金属溶融用るつぼのｕ
本釣構成の断面を示す図である。第２図（ａ）本発明の
実施例の第１図中のＡ部分に対応する部分の拡大図であ
る。第１図および第２図（ａ）において、１はるつぼ基
体、２は下地コーティング層、３は耐食コーティング層
、４は冷却用ハース、５は溶湯金属、６は気孔である。

第１図に示されているように、本発明のるつぼは、基体
１のるつぼ内表面に下地コーティング層２が設けられ、
さらにこの下地コーティング層２の上に更に耐食コーテ
ィング層３が設けられてなるものである。

本発明のるつぼの基体１は、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂおよ
びこれらを主成分とする合金から選択された少なくとも
Ｉ　ＰＩからなることが好ましい。

下地コーティング層２は基体１と耐食コーティング層３
との中間的熱膨張係数を有する高融点金属から成るのが
好ましく、具体的にはＴａ５Ｎｂ。

Ｗ、Ｍｏおよびこれらを主成分とする合金から選択され
た１種から成るものであることが好ましい。

この下地コーティング層２は、Ａｒ雰囲気中の減圧プラ
ズマ溶射法によって行われる。この減圧プラズマ溶射法
については、総説もしくは底置を参照すれば良く、例え
ば日本溶射協会編、溶射ハンドフック等が挙げられる。

この際の溶射条件などは、本発明の効果が得られる範囲
であれば特に限定されないが、例えば減圧とは、５０　
ｍｂａｒ　〜２００　ｍｂａｒ程度が好ましい。

気孔率２％以下、さらに好ましくは１％以下の緻密化さ
れた下池コーティング層２は、例えば上記したような方
法によって実現できる。

本発明のるつぼにおいては、この下地コーティング層２
の形成に先立って、基体１の少なくとも内表面をスパッ
タリング・クリーニングすることが有効である。即ち、
本発明のるつぼ基体は酸化され易い高融点金属よりなる
ことから、その表面に層間密着性を低下させる酸化被膜
が形成されている可能性がある。そこでこの酸化被膜を
スパッタリング・クリーニングによって除けば、更に層
間密着性を向上させる事が可能となるからである。

本発明のるつぼは、この下地コーティング層２の上に更
に耐食コーティング層３を設ける。この耐食コーティン
グ層３は、セラミックスから成るものであり、具体的に
は溶湯金属に対して反応開始温度が出来るだけ高いもの
が良く、例えばＹ２Ｏ３、Ｔｈ０２、Ｕ　Ｏ２、ＨｆＯ
２、Ｈ０２０３１Ｔｍ２０３１Ｅｒ２０３ＳＬｕ２Ｏ３
およびこれらを主成分とする複酸化物から選択される少
なくとも１種からなるものが好ましい。

この耐食コーティング層３の形成は、従来と同様に大気
中でのプラズマ溶射法によるのが好ましい。それは、酸
化物としてのセラミックスは、減圧プラズマ溶射によっ
て脱酸素し安定なセラミックス被膜を形成せず、繰り返
しの加熱に対する耐性に劣る場合があるからである。

ただし、セラミックスの耐食コーティング層３をＡｒ雰
囲気中での減圧プラス溶射法によって形成すると、高融
点金属の下地コーティング層２の場合と同様に、緻密で
かつ密着強度の大きなセラミックス層を形成することが
出来る場合もある。

したがって、熱サイクルを問題とせず、使用条件が比較
的一定温度の場合には、緻密なセラミックス層の方が溶
湯金属の浸透を防止する観点から好ましいといえる。

以下に実験例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。

Ｗから成るるつは基体ｌの内表面に、Ｔａから成る下地
コーティング層２およびＹ　２０３から成る耐食コーテ
ィング層３を施して金属溶解用るつぼを製造した。この
コーティング層２および３の形成は、第１表に示すよう
な溶射法によった。

具体的な電流、電圧、溶射距離等の条件は、適宜選択し
て決定した。例えば、実施例１および２におけるＴａ層
２の減圧プラズマ溶射法による形成は１５０ｍｂａｒの
Ａ「ガス雰囲気中で、電流７５０ＡＳ電圧６３Ｖおヨヒ
溶射距雛２７０　ｍ＋ｓノ条件下で、また実施例１およ
び比較例１におけるＹ２Ｏ３層３の形成は大気中で、電
流７５０Ａ、電圧４９Ｖおよび溶射距離１２０ｍｍの条
件下で行った。溶射膜厚は、Ｔａの場合１ｍ＋ａ、Ｙ　
２０３の場合２５０μｍとした。

このようにして得られたるつぼは、第１図に示されるよ
うに冷却用の鋼製ハース４内に、外壁がこのハースと密
着するように納められている。

これらの実施例１および２、および比較例１のるつぼの
コーティング層断面の金属組織の拡大写真を第３図（，
１１）、（ｂ）および（Ｃ）に示す。さらに、これらの
るつぼのコーティング層の気孔率のハ１定結果および破
断試験による層間密着強度測定結果は第１表に示す通り
である。

第１表 下地コーティング層２としてのＴａ層、耐食コーティン
グ層３としてのＹ２Ｏ３層は、ともに減圧プラズマ溶射
法で形成することにより緻密化することがわかる。すな
わちＴａ層では大気中プラズマ溶射法にかえて減圧プラ
ズマ溶射法によれば、気孔率が１１，９％から１，２〜
１．８％まで低減され、Ｙ２Ｏ３層においても６．５〜
６．８％から１．１％まで低減された。さらに層間密丹
強度を知るために破断試験を行ったところ、その密着強
度およびその破断位置は第３図に示されるようになった
。これらの結果から減圧プラズマ溶射法を用いることで
密着強度は明らかに向上する、ということが解る。特に
、Ｔａ層、Ｙ　２０３層ともに減圧プラズマ溶射法によ
って形成した場合は、密着強度は大気圧プラズマ溶射法
によって形成した場合に比較して３倍以上となり、破断
ち第４図に示す通りるつぼ基材において生ずる。

さらにこれらのるつぼについて、室忍 −１５００に一室温、の熱サイクル試験を行った。

試験結果は、第２表に示される通りである。ここで減圧
プラズマ溶射法によって形成されたＹ　２０３層は、大
気中プラズマ溶射法によったものに比較して、繰り返し
加熱に対する耐性に劣ることがわかる。

第２表 また、２０００　ＫまでのＴ１溶尉を繰り返したところ
、比較例１のるつぼのコーティング層は１〜２回の溶鍛
で剥離したのに対し、実施例１のるつぼのコーティング
層は４〜５回の溶融によっても安定であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、長時間かつ繰り返しの活性溶融金属に
対する耐久性が向上された、金属溶融用るつぼを提１共
すること力（できる。

つぼの断面図、第２図（ａ）は本発明の実施例の第１図
のＡ部分に対応する部分の拡大図であり、第２図（ｂ）
は第２図（ａ）の断面の金属溶融時の温度分布を示す。

第３図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明の実施例お
よび比較例のるつぼのコーティング層の金属組織の拡大
写真である。第４図（ａ）、（ｂ）および（ｅ）は層間
密着強度試験を行なった際のコーティング層の破断位置
を示す図である。第５図（ａ）は従来の金属清心用るつ
ぼの第１図のＡ部分にえＪ応する部分の拡大図であり、
第５図（ｂ）は第５図（）Ｉ）の断面の金属溶融時の温
度分布を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、るつぼ基体の少なくとも内表面に、セラミックスか
   らなる耐食コーティング層を、高融点金属材からなる気
   孔率２％以下の下地コーティング層を介して設けたこと
   を特徴とする、金属溶融用るつぼ。 ２、るつぼ基体の少なくとも内表面に、高融点金属材か
   らなる下地コーティング層を形成し、前記下地コーティ
   ング層上にセラミックスからなる耐食コーティング層を
   更に形成する金属溶融用るつぼの製造法において、前記
   下地コーティング層の形成をアルゴン雰囲気中での減圧
   プラズマ溶射法によって行なうことを特徴とする、金属
   溶融用るつぼの製造法。 ３、請求項２に記載の金属溶融用るつぼの製造法におい
   て、下地コーティング層の形成の前に、少なくともるつ
   ぼ基体の内表面を、スパッタリング・クリーニンするこ
   とを特徴とする、金属溶融用るつぼの製造法。