(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超耐熱合金の消耗電極式再溶解法において、溶解した消耗電極材を鋳型に鋳造し、外周から径の１／３まで凝固する以前に型抜きを実施し、この消耗電極材の固相温度と固相温度より５００℃低い温度との間の温度に予め加熱しておいた炉に装入し、１時間以上保持して作製したものを消耗電極として使用することを特徴とする超耐熱合金の消耗電極式再溶解法。
【請求項２】
上記超耐熱合金が析出硬化型の超耐熱合金であることを特徴とする請求項１記載の超耐熱合金の消耗電極式再溶解法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、析出硬化型などの超耐熱合金の消耗電極式再溶解法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
析出硬化型などの超耐熱合金は、真空誘導炉などで溶解、鋳造して製造したものを消耗電極とし、エレクトロスラグ再溶解法（以下、「ＥＳＲ」という。）、真空アーク再溶解法（以下、「ＶＡＲ」という。）などの消耗電極式再溶解法で溶解、凝固して製造している。この製造方法で超耐熱合金、特に析出硬化型のものを製造すると、鋳塊にスポット状の偏析が発生したり、場合によっては大きな非金属介在物が含まれることがある。このスポット状の偏析または大きな非金属介在物が含まれている鋳塊を鍛造すると、このスポット状の偏析、非金属介在物を起点とする割れが発生することがあるという問題があった。
【０００３】
このスポット状の偏析は、消耗電極内部に割れ（鋳造時および再溶解中に生成）があるため、再溶解の際に溶解速度（Ｍ／Ｒ）が不均一になること（割れにより熱伝導が悪くなるため、割れより溶解する側の部分は溶解速度が早くなり、また割れより裏側にある部分は溶解速度が遅くなるためである。）によって生成すると推定されている。
また非金属介在物は、ＥＳＲ溶解の際に消耗電極が割れて破片が欠け落ち、この破片がスラグを巻き込んだ状態で凝固されるためのものであると推定されている。
【０００４】
上記スポット状の偏析が再溶解の際の溶解速度の不均一によるものであることは、溶解速度が不均一になった部分の鋳塊を切断すると、その断面にスポット状の偏析が存在することから確認されている。
また、ＥＳＲにおいて非金属介在物を巻き込む原因となっている消耗電極の割れは、再溶解中に消耗電極が破裂する破裂音、消耗電極の時間当たりの溶解量、すなわち溶解速度（Ｍ／Ｒ）、電気抵抗、電流などを観察していると、Ｍ／Ｒが急に大きくなった後非常に小さくなるとともに、電気抵抗および電流などが変化することからも消耗電極が割れて欠け落ちていることなどで確認されている。
【０００５】
この非金属介在物を巻き込む原因となっている消耗電極の割れを防止し、異常組織のない鋳塊を安定して製造する方法として、再溶解する前に予め消耗電極を均熱処理して脆いラーベス相を基地に溶解しておく方法が特開平９─２４１７６７号公報に開示されている。
しかし、予め消耗電極を均熱処理したものを使用して再溶解しても、割れを十分防止することができず、また均熱処理は消耗電極を高温に長時間保持する必要があるという欠点がある。また、均熱処理しても均熱処理する前の鋳造時に生成していた割れを無くすことができないので、割れが原因となるスポット状の偏析も防止することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、析出硬化型などの超耐熱合金の消耗電極式再溶解法において、スポット状の偏析の生成を防止するとともに、非金属介在物を巻き込む原因となる消耗電極の割れを防止し、スポット状の偏析および非金属介在物のない鋳塊を安定して製造する方法を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は、超耐熱合金の消耗電極を作製する際の鋳造に着目し、鋳造後の冷却速度について研究していたところ、溶解した消耗電極材を鋳造し、半凝固状態から加熱した炉の中に入れて一定時間保持した後炉冷すると、通常の放冷材に比較してラーベス相が減少するとの知見を得るともに、このようにして作製した消耗電極が再溶解の際のＭ／Ｒが均一になり、スポット状の偏析が発生しないとの知見を得て本発明をなしたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の析出硬化型などの超耐熱合金の消耗電極式再溶解法においては、超耐熱合金の消耗電極式再溶解法において、溶解した消耗電極材を円柱状または円錐状鋳塊用鋳型に鋳造し、外周から径の１／３まで凝固（外周から中心方向に径の１／３まで凝固すること、周辺全体から凝固するので、両側では径の２／３凝固すること）する以前に型抜きを実施し、この消耗電極材の固相温度と固相温度より５００℃低い温度との間の温度に予め加熱しておいた炉に装入し、１時間以上保持した後、冷却して作製したものを消耗電極として使用することである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明を図１を参照して説明すると、析出硬化型などの超耐熱合金を真空高周波炉などで溶解し、真空中で円柱状または円錐状鋳塊用鋳型に鋳造し、外周から径の１／３が凝固する以前（鋳込完了後約１５〜３０分後）に型抜きを実施し、この消耗電極材の固相温度と固相温度より５００℃低い温度との間の温度（例えば、８１０〜９００℃）保持された炉において１時間以上、例えば約６〜９時間保持した後、その後炉の電源をオフにして炉冷（例えば、約４〜１０℃／ｈｒの冷却速度）でそのまま常温まで冷却するか、約４００〜６００℃まで冷却したところで炉から取り出して放冷するなどして冷却して作製したものを消耗電極として使用する超耐熱合金の消耗電極式再溶解法である。
【００１０】
本発明の消耗電極式再溶解法における、超耐熱合金は、重量％で（以下同じ）、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｎｉ：２５．０〜７８．０％、Ｃｒ：１２．００〜２５．０％、必要に応じて、Ａｌ＋Ｔｉ：１．３％以上、Ｎｂ＋Ｔａ：５．８％以下およびＢ：０．０１％以下の１種または２種以上を含み、更に必要に応じてＭｏ：３．５％以下、Ｗ：３．５％以下の１種または２種を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物である析出硬化型などのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ基合金、Ｃｒ：１８．０〜２１．０％、Ｃｏ：２．０％以下、Ｆｅ：５．０％以下、Ｔｉ：１．８〜２．７％、ＡＩ：０．５〜１．８％、残部がＮｉおよび不可避不純物である析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ基合金、Ｃ：０．０３０％以下、Ｎｉ：５３．６〜５４．９％、Ｃｒ：１５．０〜１９．０％、Ｃｏ：１２．０〜１８．５％、Ｍｏ：３．０〜６．０％、Ａｌ：２．０〜４．３％、Ｔｉ：２．９〜５．０％、Ｂ：０．００５〜０．０３０％、Ｗ：１．５％以下、Ｚｒ：０．０５％以下からなる析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ─Ｃｏ基合金、Ｃｏ基合金などである。
【００１１】
具体的には、ＪＩＳ  ＮＣＦ７１８、ＮＣＦ７５０、ＮＣＦ７５１およびＮＣＦ８０Ａ、Ａ−２８６、Ｄｉｓｃａｉｏｙ、Ｖ−５７、Ｉｎｃｏｌｏｙ９０１、Ｎｉｍｏｎｉｃ８０、ＩｎｃｏｎｅｌＸ７５０、Ｕｄｉｍｅｔ５００〜７１０、Ｎｉｖｃｏなどである。
【００１２】
本発明の析出硬化型などの超耐熱合金の消耗電極式再溶解法における消耗電極式再溶解法は、上記ＥＳＲおよびＶＡＲ、プラズマアーク再溶解法などである。さらに、上記材料の固相温度は、その成分組成によって異なるが、約１２５０〜１４００℃程度であり、固相温度より５００℃低い温度とは、約８００〜９００℃程度である。
【００１３】
また、本発明は、外周から径の１／３まで凝固する以前に鋳型から型抜きを実施し、その後固相温度と固相温度より５００℃低い温度との間の温度に予め加熱しておいた炉に装入しているが、径の１／３が凝固する以前に鋳型から型抜きを実施するのは、鋳造後放冷したものと徐冷処理したものの各部位のラーベス相の面積率を測定すると、図２に示すようになり、徐冷処理したもののラーベス相の面積率は放冷したものと比較すると全体的に小さくなっており、径の１／３が凝固する以前に型抜きし、その後徐冷すれば、ラーベス相の面積率を小さくすることができる効果があるからである。この鋳型から型抜きを実施する時期は、図２に示すように早ければ早いほど好ましいが、型抜きを実施するには強度が必要であるので、具体的には、周囲が５０ｍｍ程度凝固した状態になってからである。
【００１４】
【作用】
本発明は、外周から径の１／３まで凝固（両側で径の２／３まで凝固）する以前に鋳型から型抜きを実施し、その消耗電極をその固相温度と固相温度より５００℃低い温度との間の温度、例えば８１０〜９００℃に保持された炉において１時間以上、好ましくは４時間以上、さらに好ましくは６時間以上保持した後、冷却することにより、再溶解中の溶解速度の変動、電極の欠落ちを抑制または防止することができる。
この理由は、上記のように処理をすると、▲１▼脆化相であるラーベス相の晶出の低減、▲２▼消耗電極凝固時の収縮に伴う割れの軽減および▲３▼熱応力の緩和がなされるので、再溶解中の割れの起点となる消耗電極凝固時の熱応力および再溶解時の熱応力による消耗電極内部の割れが発生せず、また割れが発生しても、割れの進展が抑制（粒界に脆化相がないため）されるためであると推測される。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の超耐熱合金の消耗電極式再溶解法の実施例を説明する。
実施例
下記表１に示す成分組成の消耗電極材料（固相温度１２６０℃）を真空高周波誘導炉で溶製し、この溶湯を寸法が約φ３８０ｍｍ×長さ２４００ｍｍの鋳型に真空中で注入し、鋳込完了から約１．８分後に真空容器から鋳型を取り出した。この時の消耗電極のトップの温度は１２７０℃であった。その後外周から径の約１／７が凝固（鋳込完了から約１５分後、周囲が約５０ｍｍ凝固）後に鋳型から消耗電極を突き上げて取り出し（消耗電極のトップの表面温度は９８０℃、ボトムの表面温度９００℃）、その６分後に８４３℃に加熱されていた炉に着床した（消耗電極のトップの温度は９７５℃、ボトムの温度９９７℃）。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
炉の温度は、消耗電極が高温であったため、最高８７３℃まで上昇したが、４．３時間後に８４３℃になり、８．３時間後に炉の電源をオフにして炉冷（６．５℃／ｈｒ）し、６２．０５時間後に４９６℃になったところで炉外に搬出し、放冷した。
この消耗電極をＶＡＲ法により溶解・凝固させて直径４４０ｍｍの鋳塊を得た。この再溶解中、約５％の溶解速度の変動が１回あった。この鋳塊のＭ／Ｒ変動があった部分を切断してその断面を観察したが、スポット状の偏析は観察できなかった。
【００１８】
比較例
比較例として上記実施例と同じ成分組成の消耗電極材料を同じ炉で溶製し、この溶湯を同じ温度から同じ鋳型に真空中で注入し、鋳込完了から約１．８分後に真空容器から鋳型を取り出し、鋳込完了から９０分後に鋳型から消耗電極を突き上げて取り出し、そのまま常温まで放冷した。
【００１９】
この消耗電極を上記実施例と同じ条件でＶＡＲ法により上記実施例のものとほぼ同じ大きさの鋳塊を得た。
この再溶解中、２０％以上の溶解速度の変動が６回あった。この鋳塊のＭ／Ｒ変動があった部分の１か所を切断してその断面を観察したところ、スポット状の偏析があることが観察された。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の超耐熱合金の消耗電極式再溶解法は、上記構成にしたことにより、再溶解中に消耗電極が割れることがなく、またスポット状の偏析がない鋳塊を安定して製造することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超耐熱合金の消耗電極式再溶解法に使用する消耗電極の鋳込み後の冷却の温度と時間の関係を説明するための図である。
【図２】超耐熱合金製消耗電極の鋳造後放冷したものと徐冷処理したものの各部位とラーベス相の面積率との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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