(57)【要約】【課題】  高速度で切削されたＮｉ基超耐熱合金の切削屑を原料として、酸素含有量の低い溶解原料を提供する。【解決手段】  切削屑を原料とする溶解原料の製造方法であって、  質量％で、Ｎｉを５０％以上含有するＮｉ基超耐熱合金の切削屑を、王水系の混合水溶液中に１分以上浸漬する水溶液浸漬工程とを含む溶解原料の製造方法である。好ましくは、前記王水系の混合水溶液は、質量％で、塩酸：６．５％以上、硝酸：１．６％以上、塩化第二鉄：１０．５％以上を含む酸性の混合水溶液である溶解原料の製造方法であり、前記水溶液浸漬工程の後、更に、中性液または有機系液体中、または水中で１０秒以上の超音波洗浄を行う超音波洗浄工程を行う溶解原料の製造方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削屑を原料とする溶解原料の製造方法であって、
質量％で、Ｎｉを５０％以上含有するＮｉ基超耐熱合金の切削屑を、王水系の混合水溶液中に１分以上浸漬する水溶液浸漬工程とを含むことを特徴とする溶解原料の製造方法。
【請求項２】
前記王水系の混合水溶液は、質量％で、塩酸：６．５％以上、硝酸：１．６％以上、塩化第二鉄：１０．５％以上を含む酸性の混合水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の溶解原料の製造方法。
【請求項３】
前記水溶液浸漬工程の後、更に、
中性の有機系液体中、または水中で１０秒以上の超音波洗浄を行う超音波洗浄工程を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の溶解原料の製造方法。
【請求項４】
前記水溶液浸漬工程において、前記混合水溶液中への浸漬開始時点での混合水溶液の温度が３０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の溶解原料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ基超耐熱合金の切削屑を利用した溶解原料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｉ基超耐熱合金は高温での耐力、疲労強度、クリープ強度特性に優れており、航空機用エンジン、発電用ガスタービン等の高温部に使用されるブレード、ディスク、ボルト等の材料として多く利用されている。従来、Ｎｉ基超耐熱合金の製造工程において、部材の安定した高品質を保つこと、軽量化を図ること、所定の形状・寸法に調整すること等の理由により、鋳塊、熱間加工された中間素材、仕上げ鍛造素材等に対して切削による機械加工が行われる。複雑形状の部品も多いことから、機械加工によって切削を行ったとき、多くの切削屑が発生する。発生した切削屑は、Ｎｉ基超耐熱合金のような高価な元素を多く含んでいる合金の場合、材質毎に選別して回収し、溶解原料に戻して再利用することが行われている。  ところで、近年、Ｎｉ基超耐熱合金はセラミックス等を材料とする耐熱工具によって高速で切削されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２０６２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｎｉ基超耐熱合金の溶解において酸素含有量の増加は酸化物系非金属介在物の発生と、それによる疲労強度低下の原因となる。そのため、Ｎｉ基超耐熱合金の製品には各元素含有量の成分規格が厳しく設定されており、酸素の含有量が例えば２５ｐｐｍ以下に管理されている。酸素、窒素のようなガス成分を低く抑えるために、一般に真空中での溶解がなされる場合も多い。また、溶解原料も不純物を低く管理した原料を用いて溶解することが一般的である。
Ｎｉ基超耐熱合金の切削屑を溶解原料として使用する場合も、その表面に付着する切削油の十分な除去を行ったり、溶解炉での精錬によって酸素含有量を規格値以下に減少させることが必要であった。
【０００５】
ところで、前述の切削屑の中には、例えば７５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件で排出される切削屑と、一般的な７５０ｍ／ｍｉｎ未満の低速切削条件で排出される切削屑とがある。このうち、一般的な低速切削条件で排出される切削屑は、切削油で汚れている場合が多いとはいえ、低速で切削した切削屑は金属光沢を呈しており、表面酸化の度合いが少ないので、切削屑を何らかの方法で洗浄して切削油を除去すれば、溶解原料への再利用が可能である。
一方、Ｎｉ基超耐熱合金を高速で切削すると、切削時の温度上昇により、排出された切削屑の表面は酸化され、酸化された切削屑をそのままＮｉ基超耐熱合金の溶解原料として用いると、溶解されたＮｉ基超耐熱合金の酸素量が上昇し、酸素量の規格範囲を満足しないおそれが有った。そこで、酸化された切削屑をＮｉ基超耐熱合金の溶解原料として用いるためには、何らかの前処理によって切削屑の表面酸化層を除去しなければならない。
本発明の目的は、Ｎｉ基超耐熱合金の切削屑を原料として、酸素含有量の低い溶解原料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、７５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件のうち、切削速度１０００ｍ／ｍｉｎで排出されたＮｉ基超耐熱合金の切削屑を化学分析し、その酸素含有量は約４００ｐｐｍ程度まで上昇することを知見した。
さらに、この酸化された切削屑をそのまま原料として真空溶解を行い、溶解後の鋳塊において酸素含有量を調査した。その結果、鋳塊では切削屑の母材に対して酸素含有量が著しく増加することを確認した。一方で、約２５０ｐｐｍ以下まで酸素含有量を低減すれば、例えば、真空精錬やスラグ製錬等を適用することで、溶解原料として用いることができることを知見した。
次に、Ｎｉ基超耐熱合金の高速切削後の切削屑を詳細に調査した結果、切削屑の酸素含有量の増加は切削屑の表面に約１０ｎｍの薄い酸化層が発生することが原因であることを新たに知見した。そこで、切削屑に形成される薄い酸化層を除去するため、種々の方法を検討した結果、切削屑の酸化層は塩化第二鉄、塩酸、硝酸の混合水溶液に浸漬させる方法で化学的に除去でき、切削屑の酸素含有量を大幅に減少できることを新たに見いだし、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、切削屑を原料とする溶解原料の製造方法であって、
質量％で、Ｎｉを５０％以上含有するＮｉ基超耐熱合金の切削屑を、王水系の混合水溶液中に１分以上浸漬する水溶液浸漬工程とを含む溶解原料の製造方法である。
好ましくは、前記王水系の混合水溶液は、質量％で、塩酸：６．５％以上、硝酸：１．６％以上、塩化第二鉄：１０．５％以上を含む酸性の混合水溶液である溶解原料の製造方法である。
また、本発明は、前記水溶液浸漬工程の後、更に、
中性液または有機系液体中、または水中で１０秒以上の超音波洗浄を行う超音波洗浄工程を行う溶解原料の製造方法である。
好ましくは、前記酸性の混合水溶液浸漬工程において、前記混合水溶液中への浸漬開始時点での水溶液の温度が２０℃以上とする溶解原料の製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ｎｉを質量％で５０％以上含有するＮｉ基超耐熱合金を切削したときに排出される表面が酸化された切削屑について、表面酸化層を減少し、酸素含有量を低減することができる。そのため、これを溶解原料として再利用することが可能となることから、工業上顕著な効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】切削速度１０００ｍ／ｍｉｎでの切削工程により排出された切削屑断面の透過型電子顕微鏡写真である。
【図２】切削速度１０００ｍ／ｍｉｎでの切削工程により排出された切削屑断面の透過型電子顕微鏡写真の模式図である。
【図３】切削速度１０００ｍ／ｍｉｎでの切削工程により排出された後、塩化第二鉄と塩酸と硝酸を１０：７：１で混合した水溶液中に１０分間浸漬、水中で３分間の超音波洗浄を行った切削屑断面の透過型電子顕微鏡写真である。
【図４】切削速度１０００ｍ／ｍｉｎでの切削工程により排出された後、塩化第二鉄と塩酸と硝酸を１０：７：１で混合した水溶液中に１０分間浸漬、水中で３分間の超音波洗浄を行った切削屑断面の透過型電子顕微鏡写真の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴は高速の切削速度でＮｉ基超耐熱合金を切削したときに排出される、表面が酸化された切削屑を所定の酸溶液に浸漬することによって、切削屑の酸素量を大幅に低減させ、再利用できる溶解原料を提供することにある。以下、本発明について説明する。
先ず、Ｎｉを質量％で５０％以上含有するＮｉ基超耐熱合金の切削屑を原料として準備する。準備する切削屑は如何なる切削速度で切削されたものであっても良い。
特に最近では、切削の効率向上のために、例えば７５０ｍ／ｍｉｎ以上の切削速度で切削される場合がある。Ｎｉ基超耐熱合金を高速で切削することで切削屑の表面に酸化層が形成される。この酸化層が形成された切削屑であっても原料として用いることができる。
なお、高速での切削とは、切削時の被加工材と工具との摩擦により被加工材であるＮｉ基超耐熱合金の切削屑が酸化されるほどの高温まで加熱される条件での切削をいう。
また、本発明で言うＮｉ基超耐熱合金とはＮｉを５０質量％以上含有する合金を言い、代表的な組成としては、例えば、ＪＩＳ−Ｇ−４９０１に示される組成を有する合金や、その改良合金がある。
【００１１】
（２）水溶液浸漬工程
本発明では、前述の原料準備工程で準備した切削屑に対して、水溶液浸漬工程を行う。
具体的には、王水系の混合水溶を用いる。本発明で用いる王水系の混合水溶液は、切削屑の表面に形成された酸化層を除去、溶解する効果が高い。そのため、切削屑の表面酸化層の除去、溶解して切削屑の酸素含有量を大幅に低減する作用を有する。なお、本発明で言う、“王水系”とは、塩酸と硝酸との混合水溶液を指し、塩化物を含有する塩酸と硝酸との混合水溶液も本発明の“王水系”の範疇とする。
また、前述の王水系の混合水溶液のうち、上記の作用効果をより確実とするには、質量％で、塩酸６．５％以上、硝酸１．６％以上、塩化第二鉄１０．５％以上とするのが好ましい。各酸の濃度がこれより低いと酸洗浄に長時間を要して酸溶液の劣化が進行してしまうおそれがあり、切削屑の酸素含有量の低減効果が得にくくなる。そのため、酸性の混合水溶液の濃度は質量％で塩酸６．５％以上、硝酸１．６％以上、塩化第二鉄１０．５％以上とする。なお、前述の塩酸、硝酸、塩化第二鉄の好ましい上限は、塩酸２７．２％以下、硝酸６．６％以下、塩化第二鉄４２．２％以下である。この好ましい上限の濃度を超えて混合水溶液を作製しても、より一層の切削屑の酸素含有量の低減効果が得にくくなる。
【００１２】
また、本発明では、前述の王水系の混合水溶液中に切削屑を１分以上浸漬する。これは、浸漬時間が１分未満の場合、切削屑の酸素含有量の低減効果が得られないためである。なお、浸漬時間の好ましい上限は１０分程度で良い。これは、前述の王水系の混合水溶液によれば、短時間で切削屑の酸素含有量の低減効果を得ることができるためである。もし、浸漬時間を１０分を超えて過度に長くなると、溶解原料となる切削屑自体が溶解し始めてしまうおそれがある。
なお、本発明で規定する王水系の混合水溶液による切削屑の酸素含有量の低減効果をより確実に得るには、浸漬開始時の王水系の混合水溶液の温度を２０℃以上とするのが良い。これは、浸漬開始時の王水系の混合水溶液の温度が低すぎると切削屑と酸との反応に時間を要する場合があるためである。
また、切削屑を王水系の混合水溶液に浸漬している間、切削屑と王水系の混合水溶液が均一に接触、反応するように撹拌することが好ましい。
【００１３】
本発明では、前記の浸漬工程で王水系の混合水溶液に浸漬された切削屑を、中性液または有機系洗浄液体中に浸漬し、超音波洗浄することが好ましい。これは、超音波洗浄工程を行う事でキャビテーションにより切削屑の表面に付着している酸化層や腐食生成物を除去することによって、切削屑に残存する酸素の含有量を効果的に減少させることができるためである。なお、本発明で用いる中性液体としては水を用いるのが良く、有機系洗浄液としては、エタノール、アセトン、ジエチルエーテルなどを用いることができる。
以上説明する本発明の溶解原料の製造方法によれば、高速切削した切削屑であっても、約２００ｐｐｍ程度まで酸素量低減させることができる。そのため、従来は廃棄されるしかなかった高速切削による切削屑を溶解原料として再利用することが可能となる。
【実施例】
【００１４】
フライス加工機によって、Ｎｉを約５３質量％含有するＡｌｌｏｙ７１８を切削速度１０００ｍ／ｍｉｎで高速切削し、切削屑を得た。
表１に得られた切削屑の化学成分を示す。切削屑の酸素含有量は３９３ｐｐｍであり、透過型電子顕微鏡観察による表面酸化層の厚さは１０ｎｍであった。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
上記の切削屑２０ｇを３５℃の王水系の混合水溶液１００ｍｌに１０分間浸漬した。浸漬に用いた王水系の混合水溶液は３５質量％塩酸、６０質量％硝酸、３８質量％塩化第二鉄水溶液を体積比率で１０：７：１の割合で混合し、水溶液の成分濃度は質量％で、塩酸が１３．６％、硝酸が３．３％、塩化第二鉄が２１．１％とした。なお、切削屑を上記王水系の混合水溶液に浸漬後、ビーカー内でガラス棒を用いて撹拌により混合した。
王水系の混合水溶液と切削屑との化学反応による気泡が発生し、撹拌から約５分後に気泡の発生がほぼ収束した後、浸漬した切削屑と水溶液の入ったビーカーから混合水溶液の上澄み液を廃棄し、脱イオン水２００ｍｌをビーカー内に入れてガラス棒で撹拌した。その後、再度、その上澄み液を廃棄し、さらに脱イオン水を２００ｍｌ加え、ガラス棒で撹拌する工程を更に２回繰り返した。
計３回の撹拌を行った後、切削屑と脱イオン水２００ｍｌをビーカー内に入れ、超音波洗浄機を用いて４２ｋＨｚの超音波をビーカーに３分間印加した。
超音波洗浄を行った後、脱イオン水から切削屑を取り出し、乾燥機で乾燥させて溶解原料とした。
以上の工程を行った後に得られた切削屑の化学成分を分析した結果を表２に示す。表２に示すように溶解原料とした切削屑の酸素含有量は２０３ｐｐｍまで低減された。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
次に、前述の溶解原料とした切削屑と、高速切削ままの切削屑の断面を透過型電子顕微鏡で観察した。
図１は、切削屑Ｎｏ．１を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で切断した際の断面について、表面付近の位置における透過型電子顕微鏡像（明視野像）、図２は上記図１の模式図であり、図３は、切削屑Ｎｏ．２を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で切断した際の断面について、表面付近の位置における透過型電子顕微鏡像（明視野像）、図４は上記図３の模式図である。
図１で表面に確認される酸化層１の厚さは１０ｎｍであったが、図３では表面に確認される酸化層２の厚さが５ｎｍにまで低減したことを確認した。
以上より、本製造方法を用いることによって、表面が酸化された高速切削により排出された切削屑の表面酸化層が除去され、切削屑の酸素濃度を大幅に低減できることがわかった。これにより、切削屑を溶解原料として用いることが可能となる。
本発明のＮｉ基超耐熱合金の溶解原料製造方法は、ガスタービンの動翼、ディスク、ボルト、航空機エンジンのディスク等の原料製造方法に利用できる。
【符号の説明】
【００１９】
１  酸化層
２  切削屑内部
３  Ｎｉメッキ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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