(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のるつぼ（１２ａ）を有する高周波誘導電解炉（１２）と、前記るつぼ内の上部に設置された水冷銅製の上皿（１４ａ）を有する不純物除去装置（１４）とを備え、
成分を調整して精錬された素材を前記るつぼに導入し、電気炉内を密封する素材密封ステップと、
前記るつぼ内を真空に排気する真空排気ステップと、
前記るつぼ内の素材を高周波誘導加熱により溶解し、前記上皿を有する不純物除去装置により溶湯上部の不純物を除去する素材溶解及び不純物除去ステップと、
前記るつぼで真空溶解した溶湯（１０ａ）を前記るつぼから所定のインゴットケース内に滴下し凝固させてインゴットを鋳造する凝固鋳造ステップとを有する、ことを特徴とするインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記素材溶解ステップにおける溶解は、活性合金を不純物の混入なくかつ高融点金属を溶解可能なレビテーション溶解である、ことを特徴とする請求項１に記載のインゴットの製造方法。
【請求項３】
中空のるつぼ（１２ａ）を有する高周波誘導電解炉（１２）と、前記るつぼ内の上部に設置された上皿（１４ａ）を有する不純物除去装置（１４）とを備え、
前記るつぼ（１２ａ）及び上皿（１４ａ）は、水冷銅製であり、前記高周波誘導電解炉（１２）は、るつぼのまわりにレビテーション溶解に適した第１高周波コイル（１２ｂ）を有する、ことを特徴とするインゴットの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不純物の混入を低減して高融点合金を溶解するインゴットの製造方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェットエンジンを構成するタービンディスク、ロングシャフト、ケーシング等の高温で高強度を必要とする大型部品は、従来は主として、大量の溶湯を高速で鋳込んでインゴットを製造し、そのインゴットを鍛造し、機械加工して製造していた。
【０００３】
また、従来、かかるインゴットの製造は、高速誘導溶解炉（Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  ＆  Ｃａｓｔｉｎｇ）、真空鋳造（Ｖａｃｕｕｍ  Ｃａｓｔｉｎｇ）、真空アーク再溶解炉（Ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ  Ｆｕｒｎａｃｅ）、エレクトロスラブ再溶解炉（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ  Ｆｕｒｎａｃｅ）などを組み合わせて、対象とする大型部品に必要な大きさのインゴットを一体鋳造していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ジェットエンジンの高性能化・高温化に伴い、その素材にアルミニウム、チタン、タングステン、モリブデン等を含有する高融点合金が用いられるようになってきている。しかし、かかる高融点合金は、上述したいずれの溶解・鋳造手段によっても、溶解後の凝縮時に偏析や粒子の粗大化が生じやすく、インゴットに欠陥ができやすい問題点があった。
【０００５】
ここで偏析（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）とは、合金での不純物，含有物，合金成分の不均一な分布を意味し、合金の本来の強度を発揮できない重大な欠陥の１つである。また、粒子の粗大化によっても、合金強度が大幅に低下することが知られている。
【０００６】
すなわち、タービンディスク等の大型部品は、高温で高強度を必要とするにもかかわらず、従来のインゴットの製造手段では、偏析や粒子の粗大化により、必要な大きさのインゴットを、全体を均質でかつ十分な高強度に製造することが実質的に不可能なほど困難であった。
また、従来のインゴットには、溶解時に使用した坩堝（るつぼ）の一部（例えばセラミックス）が剥離して混入するのを避けがたく、その結果不純物の混入が多い問題点があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、不純物の混入を大幅に低減して高融点合金を溶解することができ、これにより不純物が少なく高強度の大型インゴットを安定して製造することができるインゴットの製造方法と装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中空のるつぼ（１２ａ）を有する高周波誘導電解炉（１２）と、前記るつぼ内の上部に設置された水冷銅製の上皿（１４ａ）を有する不純物除去装置（１４）とを備え、成分を調整して精錬された素材を前記るつぼに導入し、電気炉内を密封する素材密封ステップと、前記るつぼ内を真空に排気する真空排気ステップと、前記るつぼ内の素材を高周波誘導加熱により溶解し、前記上皿を有する不純物除去装置により溶湯上部の不純物を除去する素材溶解及び不純物除去ステップと、前記るつぼで真空溶解した溶湯（１０ａ）を前記るつぼから所定のインゴットケース内に滴下し凝固させてインゴットを鋳造する凝固鋳造ステップとを有する、ことを特徴とするインゴットの製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記素材溶解ステップにおける溶解は、活性合金を不純物の混入なくかつ高融点金属を溶解可能なレビテーション溶解である。
【００１０】
また、本発明によれば、中空のるつぼ（１２ａ）を有する高周波誘導電解炉（１２）と、前記るつぼ内の上部に設置された上皿（１４ａ）を有する不純物除去装置（１４）とを備え、前記るつぼ（１２ａ）及び上皿（１４ａ）は、水冷銅製であり、前記高周波誘導電解炉（１２）は、るつぼのまわりにレビテーション溶解に適した第１高周波コイル（１２ｂ）を有する、ことを特徴とするインゴットの製造装置が提供される。
【００１１】
上記本発明の方法及び装置によれば、高周波誘導電解炉（１２）の中空のるつぼ（１２ａ）内に、成分を調整して精錬された素材を真空状態で密封し、これを第１高周波コイル（１２ｂ）を用いたいわゆるレビテーション溶解により、水冷銅製の電解炉内で炉壁から磁気圧力で浮かせた状態で溶解できるので、不純物の混入を大幅に低減して高融点合金を溶解することができる。
【００１２】
また、るつぼ内の上部に水冷された上皿（１４ａ）を有するので、レビテーション溶解により溶けた溶湯（１０ａ）を揺動・攪拌し、水冷銅からなる上皿（１４ａ）に接触して内部に溶けずに存在するセラミックス等の軽い不純物を上皿（１４ａ）に付着したスカル（１６ａ）中に捕獲することができる。なお、同時に溶湯よりも重い不純物は、溶湯の下部に形成されるスカル中に捕獲される。
従って、溶湯（１０ａ）の上下に位置するスカル（１６ｂ）中に不純物を捕獲し、溶湯中の不純物を低減することができ、これにより不純物が少なく高強度の大型インゴットを安定して製造することができる。
【００１３】
なお、不純物除去の効率を高めるために、不純物除去装置（１４）の上皿（１４ａ）を上下させ、周期的に溶湯の外に出して冷却するようにしてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、いわゆるレビテーション（Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ）溶解の模式図である。この図に示すように、レビテーション溶解は、るつぼ２のまわりに高周波コイル３を設けて高周波誘導加熱により素材を溶解するものである。この場合、るつぼ２に水冷銅るつぼを用いることにより、るつぼの剥離や脱落を回避できる。またレビテーション溶解による磁気圧力により溶湯１がるつぼ２の内面から浮いた状態で揺動されながら加熱されるため、溶湯全体を均質化でき、かつ不純物の混入なしに高融点金属の溶融もできる特徴がある。
なお、この図に示すように、溶湯１の下部は自重によりるつぼ２と接触するため、この部分にスカルと呼ばれる凝固シェル４が形成される。
【００１５】
図２は、本発明の微結晶インゴットの製造装置の構成図である。この図に示すように、本発明の微結晶インゴットの製造装置は、中空のるつぼ１２ａを有する高周波誘導電解炉１２、及び水冷された上皿１４ａを有する不純物除去装置１４を備える。
【００１６】
高周波誘導電解炉１２のるつぼ１２ａと上皿１４ａは、不純物となる剥離や脱落を回避するために冷却水で冷却された水冷銅製である。この図の例では、るつぼ１２ａは、水冷ジャケット１３を有し、このジャケット内に供給される冷却水により冷却される。また、上皿１４ａは、水冷銅製の冷却パイプ１４ｂに固定され、この内部を流れる冷却水により冷却される。
るつぼ１２ａは、この例では下面中央部に開口を有し、この開口を閉鎖する栓１１を有する。また、この開口部分は、開口から内部で溶かした溶湯が下方に滴下しやすいようにロート状の形状に形成されている。
【００１７】
更に、高周波誘導電解炉１２は、るつぼ１２ａのまわりに上述したレビテーション溶解に適した第１高周波コイル１２ｂを有し、この第１高周波コイル１２ｂに図示しない電源装置から高周波電流を通電することにより、内部の溶湯１０ａを高周波誘導による磁気圧力によりるつぼ１２ａの内面から浮いた状態で揺動・攪拌しながら加熱するようになっている。
【００１８】
図３は、本発明のインゴットの製造方法を示すフロー図である。図２及び図３により、本発明の方法を以下に説明する。
【００１９】
ステップＳ１において、まず、成分を調整して精錬された素材を準備する。この準備は、従来のインゴット製造と同様に、高速誘導溶解炉（Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  ＆  Ｃａｓｔｉｎｇ）、真空鋳造（Ｖａｃｕｕｍ  Ｃａｓｔｉｎｇ）、真空アーク再溶解炉（Ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ  Ｆｕｒｎａｃｅ）、エレクトロスラブ再溶解炉（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ  Ｆｕｒｎａｃｅ）などを組み合わせて行うことができる。この場合、対象とする大型部品に必要な大きさのインゴットを一体鋳造せずに、できるだけ小さく鋳造して、アルミニウム、チタン、タングステン、モリブデン等を含有する高融点合金の偏析や粒子の粗大化を最小限度にするのがよい。次いで、鋳造した素材を粉砕して微粉化して素材として用いる。
なお、以上の工程において、セラミックス製のるつぼ等の剥離、その他により、不純物が不可避的に混入する。
【００２０】
次に、素材密封ステップＳ２において、電解炉１２のるつぼ１２ａ内に素材１０を密封し、真空排気ステップＳ３において、電解炉１２のるつぼ１２ａ内を図示しない真空装置により真空に排気する。
【００２１】
次いで、図２に示すように、素材溶解ステップＳ４において電解炉１２内の素材を高周波誘導加熱により溶解する。この溶解は、活性合金を不純物の混入なくかつ高融点金属を溶解可能なレビテーション溶解である。
次に、凝固鋳造ステップＳ６において、栓１１を外し、電解炉１２内で真空溶解した溶湯１０ａを下方に準備したインゴットケース（図示せず）内に滴下し急速凝固させて微細結晶化する。
【００２２】
なお、急速に凝固させ微細結晶のインゴットを得るために、溶湯温度は凝固温度よりわずかに高温に制御し、かつ溶湯プールをできるだけ浅く制御するのがよい。
【００２３】
上述した本発明の方法及び装置によれば、高周波誘導電解炉１２の中空のるつぼ１２ａ内に、成分を調整して精錬された素材を真空状態で密封し、これを第１高周波コイル１２ｂを用いたいわゆるレビテーション溶解により、水冷銅製の電解炉内で炉壁から磁気圧力で浮かせた状態で溶解できるので、不純物の混入を大幅に低減して高融点合金を溶解することができる。
【００２４】
また、るつぼ内の上部に設置され水冷された上皿１４ａを有するので、レビテーション溶解により溶けた溶湯１０ａを揺動・攪拌し、水冷銅からなる上皿１４ａに接触して内部に溶けずに存在するセラミックス等の軽い不純物を上皿１４ａに付着したスカル１６ａ中に捕獲することができる。なお、同時に溶湯よりも重い不純物は、溶湯の下部に形成されるスカル１６ｂ中に捕獲される。
【００２５】
従って、溶湯１０ａの上下に位置するスカル１６ａ，１６ｂ中に不純物を捕獲し、溶湯中の不純物を低減することができ、これにより不純物が少なく高強度の大型インゴットを安定して製造することができる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のインゴットの製造方法と装置は、不純物の混入を大幅に低減して高融点合金を溶解することができ、これにより不純物が少なく高強度の大型インゴットを安定して製造することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】レビテーション溶解の模式図である。
【図２】本発明のインゴットの製造装置の構成図である。
【図３】本発明のインゴットの製造方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１  溶湯、２  水冷銅るつぼ、３  高周波コイル、４  凝固シェル、
１０ａ  溶湯、１１  栓、１２  高周波誘導電解炉、１２ａ  るつぼ、
１２ｂ  第１高周波コイル、１４  不純物除去装置、１４ａ  上皿
【図１】
0004366705.tif 000002
【図２】
0004366705.tif 000003
【図３】
0004366705.tif 000004