活性金属的铸造方法与流程

本发明涉及能够以高品质且高成品率得到活性金属的小直径铸锭的活性金属的铸造方法。

背景技术：

使用水冷铜坩埚的感应熔炼炉(ccim：冷坩埚感应熔炼装置)，几乎不存在杂质从熔炼气氛和坩埚混入到熔融金属内的情况，适于活性金属的熔炼，特别是适于高熔点的金属的熔炼。

另外，感应熔炼炉中，只要是比坩埚尺寸小的原料，在形状上便没有制约而能够在炉内熔炼，因此能够以废料等的材料为原材料而有效地利用。

此外，在感应熔炼炉中引起加热的电磁感应，也使搅拌熔融金属的电磁斥力发生，因此，也可以通过由电磁斥力进行的搅拌保持熔融金属内的均质性。

因此，使用感应熔炼炉的活性金属的铸造，对于原料费高，故要求有良好的成品率这样的活性金属的铸锭来说，被认为是用于以高成品率得到高品质的铸锭的有效的方法。

可是，通常来说，金属相对于液体状态而言，因为在固体状态下密度大，所以凝固时铸造体的容积小。即，凝固时发生收缩，在冷却速度比较慢的凝固迟缓的部分，被称为缩孔的空洞会作为铸造时的缺陷发生。这样的缩孔，特别是在制造小直径铸锭时容易在铸锭的轴心部发生。

因此，作为小直径铸锭而铸造以感应熔炼炉熔炼的金属时，为了抑制铸造时的缩孔，一般采用离心铸造法和减压铸造法等的方法。

例如，在专利文献1中公开有一种方法，其是使用具备被密闭的保持炉、和经由给汤套筒连接于保持炉的铸模的铸造装置，进行减压铸造的方法。专利文献1的减压铸造法，在熔融金属填充时，可以对腔内(保持炉内)充分减压，并且也可以层流填充熔融金属，因此不用担心卷入空气，可以提高铸件品质。另外，在专利文献1的减压铸造法中，由于能够加大保持炉内与腔内的差压，从而不会限制浇铸重量，可以大量的浇铸。

另外，作为抑制上述缩孔发生的方法，还已知有专利文献2所示的定向凝固方法。

即，在专利文献2中，公开有一种精密凝固方法，是使用在高度方向上被分割成多个且可分别进行温度调整的加热炉，将陶瓷制铸模的上部与下部相比预先加热到高温，向经过加热的陶瓷制铸模内注入熔融金属而进行凝固的方法。在此专利文献2的精密凝固方法中，在高度方向上带有温度分布的加热炉中，将铸模的下部加热至比较低的温度，将铸模的上部加热至高温。此后，若向铸模注入熔融金属，则在铸模内会发生熔融金属从下部(熔融金属的温度低的底部侧)朝向上部缓缓凝固的定向凝固。如果发生这样的定向凝固，则认为可以防止缩孔等的缺陷发生。

此外，使用了现有的水冷铜坩埚的感应熔炼炉进行的铸造法，一般是通过倾倒坩埚而进行出炉的方法，但如专利文献3所示这样，也提出有从坩埚底部进行出炉的方式。

即，专利文献3的铸造方法构成为，以电磁排斥力使坩埚的中的被熔炼材料漂浮，利用感应加热使之熔化，使熔融金属从底部的出炉口出炉到铸模中。

在该出炉口上可更换地嵌入呈筒状的导电性的转接器，在专利文献3的铸造方法中，通过更换转接器，可以阶段性地调整出炉流量。

【先行技術文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本国特开平9－57422号公报

【专利文献2】日本国特开平11－57984号公报

【专利文献3】日本国特开平11－87044号公报

可是，专利文献1的减压铸造法，额外需要用于使保持炉的内部减压的工序，需要增加减压的工序这部分量的工序，因此在铸造时因需要增加工序而招致生产率的降低。

这样的工序增加造成的生产率的降低，在使离心力作用于铸模而抑制缩孔的离心铸造法中也同样。

另外，专利文献2的精密凝固方法，需要新规设置可以在高度方向上改变温度而进行加热的加热炉。另外，在进行铸造时，还需要在高度方向上细微改变加热温度，因此制造工序也容易变得复杂，容易招致制造成本的成本上升。

此外，专利文献3的底部出炉式的熔炼炉，通过在底部出炉时变更出炉口的直径，从而使出炉流量大幅变化。但是，没有关于变更出炉流量时对铸锭成品率和品质造成的影响的记述，另外也没有关于小直径的被熔炼材料的铸造记述。

技术实现要素：

本发明鉴于上述的问题而做，其目的在于，提供一种活性金属的铸造方法，使用感应加热式且底部出炉式并由水冷铜等构成的坩埚，通过在铸造时控制熔融金属的浇注速度，从而实现在浇注熔融金属的铸模内从铸锭底部开始的定向凝固，减少铸锭内部的缩孔，使优质品成品率提高。

为了解决上述课题，本发明的活性金属的铸造方法讲述以下的技术手段。

即，本发明的活性金属的铸造方法，其特征在于，是在使用水冷铜坩埚的感应熔炼炉中，从设于该坩埚的底部的出炉口将熔融金属出炉到铸模而铸造活性金属的铸锭的活性金属的铸造方法，其中，所述铸锭其直径(d)为10mm以上，并且，铸锭高度h与铸锭直径d的比(h/d)为1.5以上，所述铸造中，以被出炉的熔融金属的重量为200kg以下的铸造条件进行铸造时，使所述铸造时的熔融金属的温度与活性金属的熔点相比形成高温，并且调整所述出炉口的开口径，从而在所述铸模内一边使铸造进行的速度即铸造速度v(mm/秒)，在与所述铸锭高度h的关系中，控制为v≤0.1h，一边进行所述铸造。

根据本发明的活性金属的铸造方法，使用感应加热式且底部出炉式并由水冷铜等构成的坩埚，通过在铸造时控制熔融金属的铸造速度，从而能够在浇注熔融金属的铸模内实现从铸锭底部开始的定向凝固，减少铸锭内部的缩孔，使优质品成品率提高。

附图说明

图1a是表示用于本实施方式的活性金属的熔炼方法的铸造设备的图。

图1b是表示以图1a的铸造装置铸造得到的铸锭的内部的概略剖视图。

图2左侧的图是表示以现有(倾倒出炉方式)的熔炼方法铸造得到的铸锭内部的缺陷发生状态的剖视图，右侧的图是表示以本实施方式的熔炼方法铸造得到的铸锭内部的缺陷发生状态的剖视图。

图3左侧的图是表示以铸造速度158.4mm/秒铸造得到的重量5kg，高度220mm的铸锭内部的温度分布，右侧的图是表示以铸造速度2.2mm/秒铸造得到的重量5kg，高度220mm的铸锭内部的温度分布。

图4是表示铸造速度对铸锭的成品率带来的影响的图。

图5a是表示用于现有(倾倒出炉方式)的活性金属的熔炼方法的铸造设备的图。

图5b是表示以图5a的铸造装置铸造得到的铸锭的内部的概略剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图详细地说明本发明的活性金属的铸造方法的实施方式。

本实施方式的活性金属的铸造方法，是将钛(ti)系，锆(zr)系，钒(v)系、铬(cr)系合金等的活性高熔点的金属(以下，称为活性金属)熔化而成的熔融金属m浇注到铸模4中而进行铸造，从而制造小直径铸锭s(铸锭)的方法。

以下，首先对于本实施方式的活性金属的铸造方法所用的铸造设备1进行说明。

如图1所示，本实施方式的铸造设备1具有：使用了水冷铜制的坩埚2的感应熔炼炉3；被注入从坩埚2的底部出炉的熔融金属m的铸模4，从坩埚2的底部将熔融金属m出炉至铸模4中而铸造活性金属的小直径铸锭s。

用于本实施方式的铸造设备1的感应熔炼炉3，是在作为熔炼对象的材料的内部使感应电流发生，利用其电阻发热的装置，一般被称为冷坩埚感应熔炼装置(coldcrucibleinductionmelting)。该感应熔炼炉3，使用水冷铜的坩埚2而使活性金属熔化，如果是一般的熔炼炉，则不使用多用于构成坩埚2的材料的耐火物，而是由铜形成。因此，很难受到来自耐火物的污染的影响。

上述的用于感应熔炼炉3的坩埚2，如图1所示，形成为朝向上方开口的有底筒状，可以收容在内部熔化的活性金属。

该坩埚2的壁，如前述由铜形成并被进行水冷。如果以这样的水冷铜形成坩埚2的壁，则即使收容熔化的活性金属，坩埚2的壁的温度也不会上升到指定温度(例如250℃)以上。具体来说，即使在水冷铜的坩埚2中放入上述熔融的活性金属，在坩埚2的壁与熔融金属之间也会形成被认为是渣壳的凝固壳，承担着作为坩埚的作用，熔融金属不会因坩埚2受到污染。

本实施方式的坩埚2为底部出炉型，在坩埚2的底部形成有可以将所收容的活性金属引导至下方的出炉口5。该出炉口5可以调节开口径，可调节被引导至下方的熔融金属m的量。该出炉口5可以通过电磁式或机械式调节开口径，也可以预先准备开口径不同的多个阀构件，通过更换阀构件来调节开口径。

铸模4形成为朝向上方开口的有底圆筒状。

铸模4的内尺寸，设铸锭s的直径为d，铸锭s的高度为h，熔融金属m的重量为w时，希望其为纳入以下的适用范围的程度的尺寸。

铸锭直径d(mm)：10≤d≤150

铸锭高度h(mm)：15≤h≤1500

熔融金属重量w(kg)：0.2≤w≤200

接下来，对于使用上述的感应熔炼炉3铸造活性金属时的步骤，换言之就是对于活性金属的铸造方法进行说明。

本实施方式的活性金属的铸造方法，是在使用水冷铜的坩埚2的感应熔炼炉3中，从该坩埚2的底部将熔融金属m出炉到铸模4中而铸造活性金属的小直径铸锭s的方法。这时被铸造的小直径铸锭s以如下铸造条件进行铸造，即小直径铸锭s其直径(d)为10mm以上，并且，铸锭s的高度(h)与铸锭s的直径(d)的比h/d为1.5以上，铸造中被出炉的熔融金属m的重量为200kg以下。另外，进行铸造时，在坩埚2的底部，预先设置可调节开口径的出炉口5，使铸造时的熔融金属m的温度与活性金属的熔点相比成为高温，并且调节出炉口5的开口径，从而一边在铸模4内使铸造进行的速度即铸造速度v(mm/秒)在与铸锭s高度的关系中，控制为v≤0.1h，一边进行铸造，以减少铸锭s内部的缩孔c并使铸造成品率提高。还有，为了避免铸造时被出炉的熔融金属堵塞而发生熔融金属不流动的“熔液堵塞”，优选使铸造时的熔融金属m的温度成为比活性金属的熔点高20℃以上的高温，更优选为高40℃以上的高温。

在本实施方式的铸造方法中之所以设定上述的铸造条件，是出于以下的理由。

例如，以水冷铜的坩埚2(尺寸：)的感应熔炼炉3熔炼多元系的ti－al基合金原料(ti－33.3al－4.6nb－2.55cr)，保持至完全达到熔融状态。其后，对设置于底部的线圈通电，使设置于底部的钛制的底栓(尺寸：)感应熔化，熔化除去底栓而开口，由此从坩埚2的底部通过底部出炉式使之出炉，铸造铸锭s。还有，作为比较，也制作图5a和图5b所示这样的以倾倒式出炉进行出炉的铸锭。如此铸造得到的ti－al基合金的铸锭s试样的剖面照片，关于倾倒出炉式的(现有技术)显示在图2的左侧，关于底部出炉式的(本申请发明)显示在图2的右侧。

如图2的左侧所示，在以现有的倾倒出炉式铸造得到的铸锭s内部，由缩孔c造成的缺陷跨越上下方向的宽范围而明显存在。相对于此，在图2的右侧所示的由底部出炉铸造得到的铸锭s的内部，能够确认到由缩孔c造成的缺陷只发生在铸锭s的上端部。其理由被认为是起因于，若通过底部出炉式使之出炉，则与倾倒出炉式相比，铸造速度变慢，会经历与从底部开始的定向凝固接近的凝固过程，最终凝固部处于最上部。还有，在图1b和图5b中未图示，但在缩孔c之中也包括包裹在铸锭中的被称为“中心缩孔”的缺陷。

对于上述的底部出炉式和倾倒出炉式的铸锭s的内部，评价缩孔缺陷的发生状态和成品率的结果显示在表1中。

【表1】

由表1的实施例可知，通过使铸造速度比现有例慢，缩孔c的发生位置移动至铸锭s的上端侧(铸锭s的top部分)，“优质品成品率”在现有例(倾倒出炉式)中为30％，相对于此，在实施例(底部出炉式)中提高到80％。还有，所谓该“优质品成品率”，是将铸锭s内部的缩孔c不存在的位置，即图2中未发生缩孔c的位置在铸锭s的整体中所占的高度的比(具体来说，就是图1b中的h/h，图5b中的h'/h)作为优质品成品率。

上述这样的缩孔c的发生状态的差异之所以发生，会受到来自于最终凝固部存在于铸锭s之中哪个位置的巨大影响。总之，缩孔c基本上会在凝固完毕的位置(最终凝固部)大量发生。因此，使用数值分析软件使铸造速度变更时，如果可知铸锭s的内部的温度分布，则也可知最终凝固部位于铸锭s的哪个部分，从而能够进行缩孔c的发生状态的评价。

例如，图3的左侧表示以倾倒出炉式(现有技术)进行铸造时的铸锭s的内部的温度分布。图中的数值表示作为数值分析的结果而得到的铸锭s的内部的温度。数值越大，表示铸片的温度越高，成为在铸造中直到最终都不凝固而残留的最终凝固部。即，该最终凝固部被推定为相当于缩孔c主要发生的发生位置。

如图3的左侧所示，在设想为倾倒出炉式的情况下，即铸造速度快，为158.4mm/s时，缩孔c的发生位置存在于铸锭s的中央部(上下方向的中央侧)。

相对于此，如图3的右侧所示，在设想为底部出炉式(本发明的技术)的情况下，即铸造速度慢，为2.2mm/s时，可确认到缩孔c的发生位置移动到铸锭s的上端侧。这被认为是由于，通过减慢铸造速度，能够实现凝固从底部朝向上方顺序进行的定向凝固。

若归纳这一铸造速度与最终凝固部(缩孔c的发生处)的位置的关系，则如表2和图4所示。还有，使用铸锭的直径(d)为100mm，重量25kg的铸模。

【表2】

图4表示使铸造速度对于铸锭s的重量(由相对于铸造的长度的比率所示的铸造速度[％/秒])变化时的最终凝固部之处的位置(换言之就是铸锭s的成品率)。图4所示的castem分析值的铸造速度，均与图3同样使用数值分析计算得到。另外底部出炉实验值和倾倒出炉实验值的铸造速度是由实验求得的值。设图1b的铸锭s的高度为h(mm)时，在铸造速度v(mm/秒)为“0.1×h”以下的情况下(“铸造速度(mm/s)/铸锭高度(mm)×100”为10％/s以下)，最终凝固部位置移动到铸锭s的上端侧(top部)，缩孔c也移动到铸锭s的上端侧。其结果推定为，在铸造速度v为“0.1×h”以下的情况下，除掉缩孔c发生的上端侧的部分能够作为优质品的铸锭s利用，优质品成品率能够改善为60％以上。根据图4的实施例，铸造速度v(mm/s)/铸锭高度(mm)×100为4％/s以下时，成品率能够改善到65％以上，在2％/s以下时，成品率能够改善至70％以上，在1％/s以下时，成品率能够改善到75％以上，还有，在0.006％/s以下时，成品率能够改善至85％以上。

还有，如果是现有(倾倒出炉式)的情况，则在表1的情况下，优质品成品率为30％，表2的情况也停留在54％。

因此，为了使优质品成品率为60％以上，设铸锭s的高度为h(mm)时，希望使铸造速度v(mm/秒)为“0.1×h”以下。

以上，是本实施方式的铸造方法中设定上述铸造条件的理由。

即，如本发明这样，以直径(d)10mm以上，并且，铸锭s的高度h与铸锭s的直径d的比(h/d)为1.5以上，在铸造中被出炉的熔融金属m的重量为200kg以下的铸造条件进行铸造时，使铸造时的熔融金属m的温度与活性金属的熔点相比成为高40℃以上的高温，并且一边将铸造速度v(mm/秒)控制为v≤0.1h一边进行铸造，由此可以减少铸锭s的内部的缩孔c，并可使铸造成品率提高。

还有，本次公开的实施方式中全部的点应该认为是例示，而非限制性的。特别是在本次公开的实施方式中，没有明确公开的事项，例如，运转条件和操作条件，各种参数，结构物的尺寸、重量、体积等，采用的是不脱离从业者通常实施的范围，只要是通常的从业者便可以容易想到的值。

详细并参照特定的实施方式说明了本发明，但不脱离本发明的精神和范围能够加以各种变更和修改，这对于从业者来说很清楚。

本申请基于2016年12月13日申请的日本专利申请(日本专利申请2016－241248)，2017年10月25日申请的日本专利申请(日本专利申请2017－206165)，其内容在此作为参照而编入。

【产业上的可利用性】

本发明在由感应熔炼炉进行的活性金属的铸锭制造中，能够以高成品率制造缩孔少的高品质的铸锭。

【符号说明】

1铸造设备

2坩埚

3感应熔炼炉

4铸模

5出炉口

c缩孔

m熔融金属

s铸锭