JPH0413410B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、一般的な金属材料はもちろんのこ
と、とくに高融点金属や超合金等の難溶解、難加
工性材料の溶解に使用するのに適したプラズマア
ーク溶解方法および溶解装置に関するものであ
る。

（従来技術） 従来、プラズマアークを使用したプラズマアー
ク溶解装置としては、例えば、第１図に示す構造
のものがあつた。すなわち、第１図において、１
は密閉容器、２，２は密閉容器１の側部に固定し
たプラズマトーチ、３は同じく密閉容器１の上部
に上下移動可能に取付けた被溶解材、４は水冷鋳
型、５は同じく密閉容器１の下部に上下移動可能
に取付けた凝固金属受、６は陰極側を前記プラズ
マトーチ２，２に接続すると共に陽極側に凝固金
属受５側に接続したプラズマアーク発生用電源で
ある。

このようなプラズマアーク溶解装置による被溶
解材３の溶解は、凝固金属受５の上端部分を水冷
鋳型４内に位置させた状態において、密閉容器１
内を不活性な雰囲気にし、プラズマアーク発生用
電源５より通電を開始して、プラズマトーチ２
と、凝固金属受６上に置いた図示しない着弧部材
との間でプラズマアーク７を発生させ、このプラ
ズマアーク７の熱によつて被溶解材３の下端部分
を溶解して、水冷鋳型４内に落下させ、水冷鋳型
４内にたまつた溶融金属８を水冷鋳型４により強
制凝固させ、この間凝固金属受５を徐々に降下さ
せて凝固金属９を得るものである。

このようなプラズマアーク溶解装置では、一般
的な金属材料はもちろんのこと、とくに高融点金
属等の難溶解材料の溶解に適しており、溶解時に
おける不純物の吸収も少ないので、高品質の材料
を得るための溶解方法としてすぐれたものであ
る。このプラズマアーク溶解において、溶解の際
にはプラズマアークがプラズマトーチ２の先端と
溶融金属８との間で生じ、溶融金属８は常に過熱
された状態にあつてある程度の溶解深さを保つて
おり、この溶融金属８に加えられるエネルギは大
きいものとなつている。したがつて、溶融金属８
の量は比較的多く、溶融金属８の凝固は水冷鋳型
４の部分でやや早く、中心部分ではそれよりも遅
い緩慢なものとなるため注状晶として凝固するこ
ととなり、溶融金属８の凝固収縮や密度差によつ
て注状晶間で未凝固金属の流動を生じ、マクロ偏
析をひき起こしやすいものであつた。また、凝固
金属（鋳塊）９は水冷鋳型４によつて強制冷却さ
れたものであるため熱応力を伴いやすく、さら
に、プラズマアークによるエネルギは被溶解材３
の溶解のほか、溶融金属８の過熱にも消費され、
溶融金属８は水冷鋳型４によつて絶えず抜熱され
ているため、エネルギ消費量が比較的多いもので
あつた。

（発明の目的） この発明は、上述した従来のプラズマアーク溶
解に伴う種々の事情に着目してなされたもので、
プラズマアーク加熱により生じた溶融金属の凝固
が著しく早く、溶融金属のたまり部分が非常にわ
ずかでかつ浅いため、均一で且つ微細な等軸晶組
織をもつ凝固金属あるいは完全一方向凝固金属を
得ることが可能であり、とくに数多くの合金元素
を含む超合金の溶解に際しても各成分の偏析を伴
わず、従来の水冷鋳型を使用するプラズマアーク
溶解法、エレクトロスラグ溶解法、真空アーク溶
解法では偏析を生じやすいため問題の多かつた大
型鋳塊の製造も偏析を伴なうことなく容易に行う
ことができ、また、溶解に必要なエネルギも著し
く少なくてすみ、溶解速度も大きなものとするこ
とが可能であるというすぐれた特長をもつプラズ
マアーク溶解方法およびプラズマアーク溶解装置
を提供することを目的としている。

（発明の構成） この発明によるプラズマアーク溶解方法は、電
源の一方に接続したプラズマトーチの先端と、前
記電源の他方に接続した被溶解材の端部とを対向
させて前記プラズマトーチと被溶解材との間でプ
ラズマアークを発生させ、前記プラズマアークに
よる加熱で前記被溶解材を溶解して落下させ、次
いで凝固させて均一で且つ微細な等軸晶凝固金属
あるいは一方向凝固金属を得ることを特徴とし、
この方法の実施に直接使用するこの発明によるプ
ラズマアーク溶解装置は、プラズマアーク発生用
電源と、前記電源の一方に接続したプラズマトー
チと、前記電源の他方に接続した被溶解材の端部
と前記プラズマトーチの先端とを対向させた状態
で前記被溶解材を保持する被溶解材保持手段と、
前記プラズマトーチと被溶解材との間で発生した
プラズママークにより加熱された被溶解材の液滴
を受ける液滴受手段と、を備えたことを特徴とし
ている。

この発明おいて使用されるプラズマトーチは、
Ar、N₂、He等の不活性ガスやこの不活性ガスを
主体とする混合ガス等を作動ガスとしたものなど
があり、例えばタングステン非消耗電極を用いて
この電極をプラズマアーク発生用電源の陰極側に
接続すると共に前記電源の陽極側をプラズマトー
チ外のプラズマアーク発生端に接続したいわゆる
移送式のものが用いられるが、プラズマトーチの
細かな構造は特に限定されない。また、プラズマ
トーチの本数も限定されない。そして、必要に応
じて、プラズマアークの電流を周期的に変化させ
たり、プラズマアークの向きを周期的に変化させ
るためにプラズマトーチを揺動させたりすること
もできる。

他方、被溶解材は、一般的な金属のほか、とく
に高融点金属や超合金等の難溶解、難加工性材料
を使用することもでき、特に限定されない。ま
た、被溶解材の本数も限定されない。そして、必
要に応じて、被溶解材の端部での溶解が平均的に
行われるように、被溶解材を回転させたり、周期
的に揺動させたりすることも可能である。

この被溶解材は、所定の合金成分を有する例え
ば真空誘導溶解した注状凝固金属が使用される
が、そのほか、例えば所望合金成分にあわせて複
数種の金属棒を束ねたものとし、この束金属棒と
プラズマトーチとを対向させてプラズマアークの
熱により束状金属棒を溶解し、液滴として落下さ
せて凝固させることにより、所定成分の合金を得
るようになすことも可能である。

そして、１本または数本のプラズマトーチと同
じく１本または数本の被溶解材とをギヤツプをお
いて突き合わせる態様としては、プラズマトーチ
および被溶解材の両方を水平状態にして各端部を
突き合わせる態様のほか、プラズマトーチおよび
被溶解材のいずれか一方を水平状態にすると共に
いずれか他方を傾斜状態とする態様や、両方共を
傾斜状態とする態様、さらには被溶解材を垂直状
態にしかつプラズマトーチをその下部側から上向
きに傾斜状態とする態様など、種々の形態があ
る。そして、この被溶解材を保持する被溶解材保
持手段としては、従来の消耗電極式アーク溶解炉
において使用されているもの、その他適宜の構成
を有する被溶解材移動可能式のものが使用され
る。

また、雰囲気は必らずしも真空でなくともよ
く、減圧から加圧状態（例えば0.1〜10atm）の
間で適宜選定することができる。したがつて、例
えば、Mn、Cr等のような高蒸気圧元素の場合に
は当該元素の蒸発が生じがたい比較的高圧の雰囲
気で溶解すれば、上記元素の蒸発損失が著しく少
ない状態で高い歩留りで溶解することが可能であ
る。さらに必要に応じて雰囲気を減圧した状態と
すれば、蒸気圧の高い不純物が除去されるように
なり、これによつて被溶解材の精製も可能であ
る。

さらにまた、上記雰囲気は不活性雰囲気とする
ことも場合によつては望ましく、例えばN₂、
Ar、He等の不活性ガスを使用するほか、これら
のガスを主体とした不活性な混合ガスやH₂ガス
その他非酸化性ガス等の雰囲気とすることもでき
る。そして、例えば、窒素含有量を多くする
AlN細粒鋼の場合に、雰囲気をN₂として加室に
利用することもできる。

そのほか、被溶解材がプラズマアークの熱によ
つて滴下した際、その液滴を受ける液滴受手段と
しては、耐火物容器や金属容器などが使用され、
使用形態によつて予熱鋳型、断熱鋳型、水冷鋳型
などが使用される。また、この液滴受手段は、静
置、重心回転、偏心回転、昇降（下方引出し）等
の適宜の構成のものを選んで採用することがで
き、例えば、鋳型を回転させることによつて液滴
を均一に分散させることが可能となる。さらに、
液滴受手段の形状も円柱形、環状形、長方体形
等々の種々の形状のものとすることができ、例え
ば環（管）状の凝固塊を得る場合には、環状の鋳
型を回転可能に設置し、この環状の鋳型を回転さ
せつつ、プラズマアークにより加熱された被溶解
材の液滴が上記鋳型内に落下するようになせばよ
い。

さらに、上記液滴受手段は、凝固塊の温度勾配
が大きくなりすぎないように、適宜予熱および断
熱等の手段をとることも場合によつては望まし
い。

さらにまた、液滴受手段を高速回転体とし、被
溶解材の液滴を高速回転する円盤上に落下させて
飛散急冷させることにより、非晶質の粉末を得る
こともできる。

そして、上述した各種の条件の中から適宜選択
して、プラズマアーク溶解により凝固金属を得る
に際しては、上記プラズマトーチをプラズマアー
ク発生用電源の例えば陰極側に接続すると共に、
被溶解材を前記電源の陽極側に接続し、前記プラ
ズマトーチの先端と被溶解材の端部とを対向させ
た状態にして、雰囲気を例えば不活性ガスとし、
前記電源を供給することにより前記プラズマトー
チと被溶解材との間でプラズマアークを発生さ
せ、このプラズマアークによる加熱で前記被溶解
材をその端部で溶解し、液滴として落下させる。
このとき、前記液滴受手段においては電源が接続
されておらずしたがつて何らのエネルギも供給さ
れていないので、溶融金属のたまりが非常にわず
かな状態から凝固することとなり、それゆえ等軸
晶凝固あるいは完全一方向凝固の形態をとること
となるため、著しく均一でマクロ偏析も少ない鋳
造組織の凝固金属となる。

そのため、凝固金属の加工性が著しく優れたも
のとなり、従来一般に加工が難かしいとされてい
た超合金等の難加工性材料を任意の形状に鋳造加
工することも可能になるという非常に優れた利点
を得ることができる。また、従来のように溶融金
属の部分が多くかつ水冷鋳型によつて多くの熱が
うばわれるということもないため、被溶解材の溶
解に要するエネルギも非常に少なくて済むと共に
溶解速度もかなり早いものとすることができると
いう利点も得ることができる。さらに、溶解は必
ずしも真空雰囲気でなくともよいため、合金成分
中の蒸気圧が高い元素の揮発損失も生ずることも
ないという利点も有する。

この発明においては、溶解用熱源としてプラズ
マアークを使用しているので、アークが著しく安
定なものであり、例えばプラズマトーチの代わり
に別の電極（または被溶解材）を用いて前記被溶
解材と対向させ、両者間の間でアークを飛ばして
前記対向する一方または両方の被溶解材を溶解す
る方法の場合ほどアーク間隔を細かく制御する必
要はなく、プラズマトーチと被溶解材との間隔が
多少変動してもプラズマアークは安定したもので
あるため、溶解の際の制御が容易であつて操業も
安定して行うことができる。

実施例 １ 第２図はこの発明の実施例１を示す図であつ
て、１１は密閉容器、１２はプラズマトーチ、１
３はプラズマトーチを保持するプラズマトーチ保
持手段、１４は被溶解材、１５は前記被溶解材１
４の端部と前記プラズマトーチ１２の先端とを対
向させた状態で前記被溶解材１４をその軸方向に
移動可能に保持する被溶解材保持手段、１６は液
滴受手段としてのるつぼ、１７はるつぼ１６の回
転手段、１８はプラズマトーチ１２側に陰極を接
続し且つ被溶解材１４側に陽極を接続したプラズ
マアーク発生用電源である。

次に、被溶解材１４の溶解に際しては、密閉容
器１１内をその連通管１１ａ部分より排気したの
ち不活性ガス例えばArガスで置換すると共に、
プラズマトーチ１２のプラズマ作動ガスとして
Arを用い、電源１８を供給してプラズマトーチ
１２と被溶解材１４との間でプラズマアーク１９
を発生させる。すると、このプラズマアーク１９
によつて加熱された被溶解材１４はその端部より
液滴２０としてるつぼ１６内に落下し、等軸晶凝
固あるいは一方向凝固して凝固金属２１となる。
この溶解の間、被溶解材１４をその溶解速度に合
わせて被溶解材保持手段１５によつて順次プラズ
マトーチ１２側に移動させるようにする。また、
液滴２０を平均的に分散させてより均一な凝固金
属２１が得られるように、必要に応じて回転手段
１７を作動させてるつぼ１６を回転させる。

実施例 ２ 第３図はこの発明の実施例２を示す図であつ
て、１１は密閉容器、１２，１２は密閉容器１１
の２箇所に設けたプラズマトーチ、１３，１３は
各プラズマトーチ１２，１２を保持するプラズマ
トーチ保持手段、１４は密閉容器１１の頂上部に
おいて被溶解材保持手段１５により上下移動可能
に設置した被溶解材、１６は液滴受手段としての
るつぼ、１７はるつぼ１６の回転手段、１８はプ
ラズマアーク発生用電源である。

このような構成とすることによつても、電源１
８を供給して各プラズマトーチ１２，１２と被溶
解材１４との間でプラズマアーク１９を発生させ
ることにより被溶解材１４の溶解が可能であり、
プラズマトーチ１２を２本設置していることから
より太径の被溶解材１４の溶解が短時間のうちに
行われ、被溶解材１４は液滴２０となつてるつぼ
１６内に落下し、直ちに等軸晶凝固あるいは一方
向凝固して凝固金属２１となる。

実施例 ３ 第４図はこの発明の実施例３を示す図であつ
て、プラズマトーチ１２が３本（ただし、１本は
図示省略）であり、被溶解材１４も３本であつ
て、各々プラズマトーチ１２の先端と被溶解材１
４の下端との間でプラズマアーク１９を発生させ
て、被溶解材１４を溶解させて液滴２０として落
下させ、るつぼ１６内で凝固金属２１とする。

（具体例） 第２図に示す装置において0.04％Ｃ−17.7％Cr
−3.1％Mo−1.3％Ｗ−14.5％Co−2.44％Al−5.0
％Ti−0.27％Ｂ−0.04％Zr−0.41％Fe−Niよりな
る超合金（Ｕ−720）を真空誘導溶解により注状
（φ80mm）に鋳造凝固させた被溶解材１４を用い、
この被溶解材１４を被溶解材保持手段１５により
保持させた。次いで、密閉容器１１内を1atmの
Ar雰囲気とし、電源１８を供給することによつ
てプラズマトーチ１２と被溶解材１４との間でプ
ラズマアーク１９を発生させ、被溶解材１４の端
部をプラズマアーク１９により加熱溶解し、落下
する液滴２０をるつぼ１６内で凝固させてφ150
mmの凝固金属２１を得た。

次に、上記凝固金属２１の組織を金属顕微鏡に
より観察したところ、著しく均一でかつ微細な結
晶を有し、マクロ偏析も少ない凝固組織を有する
ものであつた。次いで、上記凝固金属２１の熱間
加工性を評価するため、1170℃×4hrの均質化熱
処理をした後、長手方向に試験片を削り出し、グ
リーブル高速引張試験を行つた。一方、比較とし
て、前記真空誘導溶解時に同時に得た被溶解母材
（φ80mm）を真空アーク再溶解して得た鋳塊
（φ150mm）についても行つた。その結果、第５図
に示すように、本発明の方法で得たものは、真空
アーク再溶解材に比較して全温度範囲で高い絞り
値が得られ熱間加工性にすぐれたものであつた。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によれば、
電源の一方に接続したプラズマトーチの先端と、
前記電源の他方に接続した被溶解材の端部とを対
向させて前記プラズマトーチと被溶解材との間で
プラズマアークを発生させ、前記プラズマアーク
による加熱で前記被溶解材を溶解して液滴として
落下させ、これを適宜の液滴受手段により受ける
ことによつて均一で且つ微細な等軸晶凝固金属あ
るいは一方向凝固金属を得るようにし、前記液滴
受手段には何らのエネルギをも供給しなくてもす
むものであるから、溶融金属のたまり部が非常に
少なくかつ浅いものとなる。このため、従来のプ
ラズマアーク溶解炉（例えば第１図）あるいは真
空アーク溶解炉の場合のように本発明の場合より
も溶融金属量が多くかつ深く溶融金属のたまり部
が形成される方法に比較して、得られた凝固金属
は均一緻密で且つ微細な結晶組織を有し、マクロ
偏析の著しく少ないものであり、たとえば多種類
の合金成分を含む高級金属においてもその加工性
が著しく優れたものであり、適宜の形状に直接鋳
造加工することもでき、加工の自由度が著しく高
い凝固金属塊を得ることができる。また、供給し
たエネルギのほとんどは被溶解材の溶解にのみ消
費され、溶解速度も速いという著しくすぐれた効
果を有している。

ところで、従来より活用されている真空アーク
溶解炉等においては、偏析の発生しやすい高炭素
鋼、超合金などを溶解するに際し、偏析防止のた
めに入力を抑えて低速溶解を行うのが一般的であ
るが、この発明によればこのような材料であつて
も高速で溶解することが可能である。さらに、真
空アーク溶解法、エレクトロスラグ溶解法、プラ
ズマアーク溶解法（第１図）で大型の鋳塊を製造
しようとした場合、溶融金属のたまり部がかなり
大きく且つ深いため、偏析の発生を防止すること
が著しく困難であつた。これに対してこの発明に
よれば上記溶融金属のたまり部が小さくかつ浅い
ため、大型の鋳塊であつても偏析のない健全なも
のが容易に得られる。加えて、この発明は、大型
の鋳塊を製造するに際して必ずしも太径の被溶解
材を準備しなくともよく、被溶解材の製造および
取扱いが容易であると共に、プラズマトーチの本
数も任意で選ぶことが可能であるため、鋳塊の大
型化は著しく容易である。

このように、この発明は、従来技術の問題解決
にとつて著しく有効な手段を提供するものであ
り、その効果には絶大なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマアーク溶解装置の一例
を示す断面説明図、第２図、第３図および第４図
はいずれもこの発明の実施例によるプラズマアー
ク溶解装置の断面説明図、第５図は試験結果を示
すグラフである。 １１……密閉容器、１２……プラズマトーチ、
１３……プラズマトーチ保持手段、１４……被溶
解材、１５……被溶解材保持手段、１６……るつ
ぼ（液滴受手段）、１７……るつぼ回転手段、１
８……プラズマアーク発生用電源、１９……プラ
ズマアーク、２０……液滴、２１……凝固金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電源の一方に接続したプラズマトーチの先端
   と、前記電源の他方に接続した被溶解材の端部と
   を対向させて前記プラズマトーチと被溶解材との
   間でプラズマアークを発生させ、前記プラズマア
   ークによる加熱で前記被溶解材を溶解して落下さ
   せ、次いで凝固させて均一で且つ微細な等軸晶凝
   固金属あるいは一方向凝固金属を得ることを特徴
   とするプラズマアーク溶解方法。 ２ プラズマアーク発生用電源と、前記電源の一
   方に接続したプラズマトーチと、前記電源の他方
   に接続した被溶解材の端部と前記プラズマトーチ
   の先端とを対向させた状態で前記被溶解材を保持
   する被溶解材保持手段と、前記プラズマトーチと
   被溶解材との間で発生したプラズマアークにより
   加熱された被溶解材の液滴を受ける液滴受手段
   と、を備えたことを特徴とするプラズマアーク溶
   解装置。