JPS63286267A - 単結晶または一方向凝固鋳塊の連続製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、単結晶あるいは一方向凝固鋳塊を連続的に製
造する方法に関するものである。

（従来技術） 一般に、単結晶あるい゛は一方向凝固鋳塊の製造を行う
方法として、従来から、例えばブリッジマン法（日本物
理学会編二「単結晶作成法」参照）など数多くの製造方
法が提案されている。

このブリッジマン法を、第４図および第５図に基づいて
説明する。同図において１０１はるつぼであり、このる
つぼ１０１の底部は先窄みの円錐状に形成している。こ
の底部と嵌合するような形状にホルダ１０２を形成して
おり、このホルダ１０２によってるつぼ１０１を支持し
ている。またホルダ１０２の下部には、冷却用のステン
レス製パイプ１０３を接続している。

このような装置において、原材料を上記るつぼ１０１内
に入れ、同るつは１０１の外部からヒータ（図示せず）
で加熱することにより原材料を溶融するとともに、炉内
の温度を一定に保つ。その後、第４図に示されるモータ
１０４でホルダ１０２およびるつぼ１０１を下降させ、
これらを加熱位置から徐々に離脱させるとともに、上記
パイプ１０３に水を通すことにより、るつぼ１０１の底
部から徐々に冷却していくと、るつぼ１０１内の温度分
布の変化とともに、るつぼ１０１の底部に発生した結晶
の芽が上部まで成長し、これによって単結晶あるいは一
方向凝固組織の鋳塊が得られる。また、るつば１０１の
底部に種結晶（単結晶）を設置しておくと、その結晶方
位と同方位の単結晶が成長するため、この種結晶を適宜
の方向に設置することにより、目的の方位の単結晶を得
ることが可能となる。

このような方法によれば、溶融、同化中の試料の温度勾
配を大きくとることができ、るつぼ１０１の底部からゆ
っくり固めることができるため、結晶を確実に成長させ
ることができる。ところが、このブリッジマン法では連
続的に素材を処理することができず、加熱、冷却の処理
を−通り終えないと、次の処理を行うことができないた
め、生産性が良くない。しかも、るつぼの外部から素材
を冷却するので、凝固した素材を十分に冷却するまでに
かなりの時間を要する欠点がある。

また、一般に空孔などの鋳造欠陥を防止するためには、
凝固直前の溶湯を加圧することが望ましいのであるが、
この方法は容積が一定のるつぼ１０１内で素材を溶融し
、固化するものであるため、溶湯の加圧は行い難い。

このようなブリッジマン法に対し、素材を連続的に鋳造
する方法として、特公昭５６−４６２６５号公報に示さ
れるものがある。この連続鋳造法は、第６図にその一例
（ト向きの搬送）を示すが、筒状の鋳型１１０の一端か
ら溶５１０５を供給することにより、他端から鋳塊１０
６を連続的に得られるようにしたものであり、発熱体１
０７によって鋳型１１０の出口の内装面の温度を鋳造金
属の凝固点以上に保ちながら、リムーバー１０８をピン
チローラ１０９で下方に搬送することにより、溶湯１０
５が鋳型１１０の出口を出るのと同時に凝固殻の形成が
開始されるようにしている。

しかし、この方法では凝固界面を鋳型の出口近傍に保持
しなければならないため、安定した生産を行うことが困
難である。これに伴い、鋳型内の溶湯の液面レベルを一
定に保持する必要も生じるため、液面安定化装置や、溶
湯供給を一定化する制御装置を備えることにより装置が
大規模となる等、具体的な実施については困難を要する
。また、この方法は溶湯１０５を鋳型１１０に流し込み
、下方から引出す構成なので、凝固直前の溶湯１０５を
加圧することはほぼ不可能である。またこれは、鋳塊を
横向きあるいは上向きに引出す場合についても同様のこ
とがいえる。

（発明の目的） 本発明は上記事情に鑑み、単結晶あるいは一方向凝固鋳
塊の製造を容易かつ連続的に行うことができ、しかも、
凝固直前の溶湯を加圧することにより鋳造欠陥のほとん
どない優れた鋳塊を得ることができる方法を提供するこ
とを目的とする。

（発明の構成） 本発明は、鋳造素材を筒状るつぼの一端部から挿入し、
同るつぼ内で加熱して溶融し、その下流側で凝固させ、
同るつぼの他端部から引出すとともに、回るつぼ内で溶
融している＠造詣材が軸方向に圧縮を受けるように、鋳
造素材をるつぼ内に挿入する力と同るつぼから引出す力
とを設定するものである。

（実施例） 第１図において、１は上下に開口する筒状に形成された
るつぼであり、この筒状るつば１の側方に、同るつぼ１
内部の素材を高周波により加熱する高周波加熱袋＠（加
熱手段）２を設けている。

また、同るつは１の上方には、鋳造素材３を挿入する方
向に回転駆動されるピンチローラ（挿入手段）４を設け
、下方には、同るつぼ１から鋳造素材３を引出す方向に
回転駆動されるピンチローラ（引出し手段）５を設けて
いる。なお上記鋳造素材３としては、八ρ、Ｃｕ１その
他の金属、あるいはこれらの合金が適用可能である。

このような装置において、連続鋳造の開始にあたり、ま
ず、ピンチローラ４およびピンチローラ５間の距離より
も長い鋳造素材３を筒状るつは１内に挿入し、同るつぼ
１を貫通させる。この状態から、加熱袋＠２によって、
るつは１内の所定領域へにおける鋳造素材を加熱し、溶
融する。なお、鋳造速度を高めるためには、このように
鋳造素材３を直接加熱する高周波加熱が望ましいが、本
発明は加熱手段を問わず、例えば第２図に示されるよう
な電気抵抗体（加熱手段）６によってるつぼ１内体を加
熱し、このるつぼ１の熱によって鋳造素材３を溶融する
ようにしても構わない。ただし、この場合も、第２図に
示されるようにるつぼ１の下端部では鋳造素材３が凝固
するように、るつば１の温度分布を調節しておくことが
必要である。

このようにして溶融を完了した後、ピンチローラ４，５
の駆動により、鋳造素材３を下方に向けて搬送する。こ
れによって、上記領域Ａ内で溶融した鋳造素材３が下方
に移動してるつは１の下端部分で凝固し、このように凝
固した状態でピンチローラ５により引出される。これと
同時に、るつぼ１の上方からは、新たな鋳造素材３がピ
ンチローラ４によってるつぼ１内に挿入され、溶融され
る。このように鋳造素材３が土から下に搬送されること
により、溶融した鋳造素材３の凝固はブリッジマン法と
同様に下から上へ進行することとなる。なお、表面状態
の良好な鋳塊を得るためには、筒状るつは１の下端部の
内壁材質として、鋳造素材３との摩擦係数が少ないもの
を選ぶことが好ましく、具体的にはボロンナイトライド
（ＢＮ）、Ｓｉ３Ｎ４　、ＢＮ添加のＳｉ３Ｎ４、ある
いは黒鉛などが挙げられる。

上記ピンチローラ５の駆動力は、凝固した鋳造素材３と
るつぼ１の内壁面との摩擦力よりも小さく設定し、るつ
ぽ１内で凝固した鋳造素材３が、ピンチローラ５の引出
し力だけでなく、ピンチローラ４による鋳造素材３の挿
入によって受ける押圧力によって、るつは１から引出さ
れるようにする。これにより、るつば１内の領域Ａで溶
融した鋳造素材３は、上方から供給される鋳造素材３と
、下方で凝固した鋳造素材３とによって、上下から軸方
向に加圧されることとなる。

この加圧によって、製造される鋳塊に空孔等の欠陥が生
じることを防止できるように、加圧する圧力を設定する
のであるが、一般に、るつぼ１内で凝固した鋳造素材３
は凝固収縮し、るつぼ１の内壁面との間に僅かな隙間を
形成するので、この隙間から溶湯が噴出しない程度に上
記圧力を設定することが必要である。従って、このよう
な圧力を設定するには、筒状るつぼの内部や筒状るつぼ
の壁内に設置した温度計による測温結果から凝固状態を
推定し、これとともに、上記凝固収縮の程度、あるいは
溶湯の粘度の影響等を考慮する必要がある。そして、こ
のようにして設定した圧力で溶湯を加圧できるように、
上記ピンチローラ４゜５の駆動力を設定する。

なお、このような連続鋳造において鋳造索材３の鋳造が
進行し、残りの供給素材が少なくなった場合には、同素
材に同一成分・形状の新たな素材を押し当て、連続的に
供給すればよい。

以上のような構成によれば、筒状るつぼ１に対し、上下
のピンチローラ４．５によって鋳造素材３の挿脱を行う
ことにより、単結晶あるいは一方向凝固鋳塊の製造を容
易かつ連続的に行うことができる。しかも、上記ピンチ
ローラ４，５の駆動力を適宜設定することにより、凝固
直前の溶湯を加圧することができるため、空孔等の鋳造
欠陥のほとんどない優れた鋳塊を得ることが可能となる
。

また、鋳造索材３をるつぼ１内で凝固させる構成である
ため、液面安定化装置等の設備を備えずに安定度の高い
生産が行え、しかも溶湯体積が少ないので、装置をコン
パクトにまとめることが可能である。

さらに、この構成の場合には、筒状るつは１から引抜い
た鋳塊に空気、ミスト、水等を直接吹付けることにより
強制冷却し、これによって凝固速度を高めることができ
るので、溶融速度を大ぎく設定した場合にも、この溶融
速度に合せて凝固速度を設定することができ、以て鋳造
速度の高速化を図ることが可能となる。

なお、以上の説明は、鋳造開始時に一体の鋳造素材３を
筒状るつぼ１内に挿入した場合についてのものであるが
、上部と下部とに分割した材料をるつぼ１内に挿入し、
鋳造を開始する場合についても同様に鋳塊を得ることが
できる。

また、同じく初期の段階において、鋳造素材３が溶融さ
れる領域へよりも下方の部分には別の材料からなる初期
部材を配置しておき、この初期部材の上面に、上から挿
入した鋳造素材３の下面を当接させた状態で鋳造を開始
することによっても上記効果が得られる。ただしこの場
合、上記初期部材の材料として、峡造素材３と熱転′＃
率がほぼ等しく、かつ鋳造素材３と接触する境界面にお
ける熱抵抗が小さいものを選ぶことが望ましい。なぜな
らば、上記境界面の熱抵抗が大きい場合や、両材料の熱
伝導率が著しく異なる場合には、強制冷却による抜熱が
上記境界面で不連続に行なわれることとなるため、この
境界面が上記領域Ａと強制冷却部分との間に位置する初
期状態と、ピンチロー５４，５による搬送によって同境
界面が強制冷却部分を通過した状態とでは必然的に冷却
温度を変えなければならず、その設定が複雑となるから
である。

なお、このような初期部材として、鋳造素材３と同一成
分の単結晶あるいは断面内に結晶粒界が極めて少ない一
方向凝固組織の金属を用い、上記方法と同様にして鋳造
を行うようにすれば、溶湯の凝固は初期部材の単結晶の
方向あるいは一方向凝固組織の方向に従って行なわれる
ため、連続鋳−１１＝ 造初期から所望の組織の鋳塊を得ることが可能となる。

上述の伯、本発明は様々な変形例が考えられるものであ
り、例えば鋳造素材を上向きに挿入する構成や、るつぼ
１０１０開口方向および鋳造素材の挿入方向を、水平方
向あるいはそれ以外の斜め方向に設定した構成によって
も同様の効果が得られる。また、鋳造素材３の径と製品
鋳塊の所望の径とが異なる場合には、第３図に示される
ように、人口径が鋳造素材３の径に合致し、かつ出口径
が製品鋳塊の径と合致するような形状の筒状るつぼ１′
を用いるようにすればよい。

（発明の効果） 以上のように本発明は、鋳造素材を筒状るつぼの一端部
から挿入し、同るつぼ内で加熱して溶融し、その下流側
で凝固させ、同るつぼの他端部から引出すものであるた
め、単結晶あるいは一方向凝固鋳塊の製造を容易かつ連
続的に行うことができ、生産性の向上を果すことができ
る。しかも、同るつぼ内で溶融している凝固直前の□鋳
造素材が軸方向に加圧されるようにしているので、空孔
等の鋳造欠陥のほとんどない優れた鋳塊を得ることがで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の各実施例における単結晶ま
たは一方向凝固鋳塊の連続製造装置の断面図、第４図は
従来法における同鋳塊の製造装置の断面図、第５図は同
装置の要部を示す断面図、第６図は他の従来法における
同鋳塊の連続製造装置の断面図である゛。 １．１′・・・筒状るつぼ、２・・・高周波加熱装置（
加熱手段）、３・・・鋳造素材、４・・・ピンチローラ
（挿入手段）、５・・・ピンチローラ（引出し手段）、
６・・・電気抵抗体（加熱手段）。 特許出願人　　　　　株式会社　神戸製鋼所代　理　人
　　　　　弁理士　　小谷　悦司同　　　　　　　弁理
士　　伎１）　正向　　　　　　　弁理士　　板谷　康
夫第　　１　　図　　　　　　　　　　　第第　　４　
　図 ２　　図　　　　　　　　　　　第　　３　　図第　　
５　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、鋳造素材を筒状るつぼの一端部から挿入し、同るつ
   ぼ内で加熱して溶融し、その下流側で凝固させ、同るつ
   ぼの他端部から引出すとともに、同るつぼ内で溶融して
   いる鋳造素材が軸方向に加圧されるように、鋳造素材を
   るつぼ内に挿入する力と同るつぼから引出す力とを設定
   することを特徴とする単結晶または一方向凝固鋳塊の連
   続製造方法。