(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-22
(45)【発行日】2022-10-03
(54)【発明の名称】Ｍｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22B 9/18 20060101AFI20220926BHJP
C22B 9/04 20060101ALI20220926BHJP
C22B 9/20 20060101ALI20220926BHJP
C22C 1/02 20060101ALI20220926BHJP
【ＦＩ】
C22B9/18 F
C22B9/04
C22B9/20
C22C1/02 503G
C22C1/02 501Z
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2018159369
(22)【出願日】2018-08-28
(65)【公開番号】P2020033586
(43)【公開日】2020-03-05
【審査請求日】2021-06-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001184
【氏名又は名称】特許業務法人むつきパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】成田 駿介
【審査官】瀧澤 佳世
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／２０９５９１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭５９－１２９７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－１９４９６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０６９７２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０４３６２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２４８１８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２７１８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】荻野和巳，技術資料 エレクトロスラグ再溶解スラグについて，日本金属学会会報，第１８巻第１０号，日本，1979年，ｐ．６８４－６９３
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｂ ９／１８
Ｃ２２Ｂ ９／０４
Ｃ２２Ｂ ９／２０
Ｃ２２Ｃ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
真空誘導溶解（ＶＩＭ）プロセスにより得られた電極を用いてエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）プロセス後に、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスを経て合金塊を得るＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法であって、前記ＥＳＲプロセスにおいて、質量％で、
ＣａＦ２：２５～３５％、
ＣａＯ：１０～４０％、
Ａｌ２Ｏ３：１０～４０％、
ＴｉＯ２：０～５％、
ＭｇＯ：７～３０％、
の成分組成を有するスラグを用い、少なくとも５ｋｇ／分以上の溶解速度でＭｇを含む合金塊を得ることを特徴とするＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法。
【請求項2】
前記ＶＡＲプロセスでＭｇ量を減じるように制御することを特徴とする請求項１記載のＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Ｍｇを含有する高Ｎｉ合金の製造方法に関し、特に、真空誘導溶解（ＶＩＭ）プロセス、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）プロセス、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスをこの順に施すトリプルメルトプロセスによるＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
航空機用ジェットエンジンシャフトや火力発電用ディスクなどの品質要求の厳しい高Ｎｉ合金からなる金属製品の製造プロセスとして、ＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスが提案されている。このようなプロセスでは、ＥＳＲプロセスでの合金塊に鋳肌荒れが発生してしまうと、続く、ＶＡＲプロセスでの操業安定性が低下し、得られる合金塊における内部性状の劣化、特に、偏析や空隙などを生じさせ易くなってしまう。
【0003】
ここで、ＥＳＲプロセスにおける合金塊の鋳肌荒れは、用いられるスラグ成分組成や溶解速度などの操業条件に依存するとされる。
【0004】
例えば、特許文献１では、高Ｎｉ合金のＥＳＲプロセスとして、ＣａＦ２を主成分に、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＴｉＯ２、ＭｇＯを所定量で配合したスラグを用い且つ低溶解速度で溶解させる方法を開示している。これによれば、偏析を防止し内部性状の良好な、且つ、鋳肌荒れの少ないＥＳＲ合金塊を得られるとしている。溶解速度については、再溶解する電極の径によっても異なるが、直径１００～２５０ｍｍの電極では２６０ｋｇ／時間未満、直径３００～４５０ｍｍの電極では３５０ｋｇ／時間未満、直径５００～６５０ｍｍの電極では６５０ｋｇ／時間未満であることを述べている。
【0005】
ところで、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８のような高Ｎｉ合金の熱間加工性や被削性を改善する方法として、合金成分に微量のＭｇを添加することが提案されている。例えば、特許文献１に開示のＥＳＲプロセスのように、スラグ成分にはＭｇも含まれ得るため、このスラグ成分の調整で合金中のＭｇの量を調整し得る。
【0006】
例えば、特許文献２では、Ｍｇを含む高Ｎｉ合金のＥＳＲプロセスにおいて、スラグ成分を平衡式に基づいて調整し、合金成分の成分量、特に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇの成分量を調整する方法を開示している。ＴｉとＡｌ、ＴｉとＭｇ、ＡｌとＭｇのそれぞれ２元素の合金中の質量比率とスラグ中の対応するスラグ成分のモル分率との関係を規定し、ＥＳＲプロセスの初期から終期までの操業を安定化させ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇにおいて安定した歩留まりを得られるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開平９－１９４９６２号公報
【文献】特開昭６３－２１９５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
Ｍｇを含む高Ｎｉ合金のトリプルメルトプロセスでは、ＥＳＲプロセスでの合金塊の鋳肌荒れがより顕著となり、結果として、ＶＡＲプロセス後の合金塊でのＭｇの成分量が不安定になる傾向が見られた。
【0009】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、Ｍｇの成分量を安定化させることで熱間加工性や被削性などに優れる合金塊を得ることのできるＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によるＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法は、真空誘導溶解（ＶＩＭ）プロセスにより得られた電極を用いてエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）プロセス後に、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）プロセスを経て合金塊を得るＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法であって、前記ＥＳＲプロセスにおいて、質量％で、ＣａＦ２：２０～４５％、ＣａＯ：１０～４０％、Ａｌ２Ｏ３：１０～４０％、ＴｉＯ２：０～２０％、ＭｇＯ：７～３０％の成分組成を有するスラグを用い、少なくとも５ｋｇ／分以上の溶解速度で合金塊を得ることを特徴とする。
【0011】
かかる発明によれば、ＥＳＲ－ＶＡＲプロセスを通じてＭｇの成分量を安定化させ、熱間加工性や被削性などに優れるＭｇ含有高Ｎｉ合金からなる合金塊を得られるのである。
【0012】
上記した発明において、前記ＶＡＲプロセスでＭｇ量を減じるように制御することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、ＥＳＲプロセスでＭｇの歩留まりを高めて、続く、ＶＡＲプロセスでＭｇの成分量を安定的に制御し、内部性状に優れ、熱間加工性や被削性などに優れるＭｇ含有高Ｎｉ合金からなる合金塊を得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】Ｍｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法を示すフローチャートである。
【図2】製造試験により得られたＥＳＲ合金塊の諸状態の一覧である。
【図3】（ａ）比較例３及び（ｂ）実施例１によるＥＳＲ合金塊の鋳肌の写真である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明による１つの実施例としてのＭｇ含有高Ｎｉ合金の製造方法について、図１に沿って説明する。
【0015】
ここで、トリプルメルトプロセスにより製造される合金は、少なくともＭｇを含有するＮｉ量の高いＮｉ基合金又はＦｅ基合金であって、例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８のような合金成分組成に、Ｍｇを与えられた成分組成の合金である。Ｍｇは、後述するように、熱間加工性や被削性等を向上させる目的で添加される。
【0016】
図１に示すように、例えばＶＩＭ（真空誘導溶解）プロセスによってＥＳＲ（エレクトロスラグ再溶解）プロセスに用いる電極を製造する（Ｓ１）。ＥＳＲプロセスに用いる電極の製造については、公知であるのでここでは詳細な説明を省略する。
【0017】
次に、ＥＳＲプロセスによってＥＳＲ合金塊を得る（Ｓ２）。ここで用いるスラグの成分組成は、質量％で、ＣａＦ２：２０～４５％、ＣａＯ：１０～４０％、Ａｌ２Ｏ３：１０～４０％、ＴｉＯ２：０～２０％、ＭｇＯ：７～３０％とされる。特に、Ｍｇは蒸気圧が低く、後述するＶＡＲ（真空アーク再溶解）プロセスでは合金溶湯中から揮発して減少しやすい。そこで、ＥＳＲプロセスでは、上記した成分組成のスラグを用いて合金中のＭｇの歩留まりを高めるように調整することで、ＶＡＲプロセスにおいて揮発した後に所定量のＭｇを含有させるようにする。
【0018】
上記したスラグの成分組成について説明する。
【0019】
特に、ＭｇＯについては、得られるＥＳＲ合金塊においてＭｇの歩留まりを高めてその含有量を高めるよう、特許文献１や２に開示のＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＯ２系スラグよりも、比較的多く含有される。一方、過剰の含有はＥＳＲプロセスの安定した操業を阻害する。これらのことから、ＭｇＯは、その含有量を７～３０質量％とされ、より好ましくは７～２０質量％とされる。
【0020】
その他のスラグ成分の含有量については、上記したＭｇＯの含有量に合わせて、以下のように定められる。
【0021】
ＣａＦ２は、良好な鋳肌を得られるようスラグの粘度を低くして流動性を確保する。一方、過剰の含有は、比電導度を大きくし過ぎてしまい、スラグの発熱量不足によって鋳肌を悪化させてしまう。これらのことから、ＣａＦ２は、その含有量を２０～４５質量％とされ、より好ましくは２５～３５質量％とされる。
【0022】
ＣａＯは、Ａｌ２Ｏ３との含有量のバランスにおいてスラグの溶融点を低下させて鋳肌を良好に保つ。一方、過剰の含有は却って溶融点を上昇させてしまい、結果、鋳肌を悪化させる。これらのことから、ＣａＯは、その含有量を１０～４０質量％とされ、より好ましくは２５～３０質量％とされる。
【0023】
Ａｌ２Ｏ３は、電気伝導度を低く保ちスラグの発熱量を確保し、ＣａＯとの含有量のバランスにおいてスラグの溶融点を低下させて鋳肌を良好に保つ。一方、過剰の含有は、スラグの粘度及び溶融点を上昇させて鋳肌を悪化させてしまう。これらのことから、Ａｌ２Ｏ３は、その含有量を１０～４０質量％とされ、より好ましくは２５～３０質量％とされる。
【0024】
ＴｉＯ２は、電極の合金にＴｉを含有するときにその歩留まりを安定的に向上させるので、選択的に配合され得る。一方、過剰の含有はＴｉを過剰に合金に供給して合金の成分組成の制御を困難としてしまう。これらのことから、ＴｉＯ２は、その含有量を０～２０質量％とされ、より好ましくは２．０～５．０質量％とされる。
【0025】
ＥＳＲプロセスでは、以上のようなスラグを用いるとともに、その溶解速度を５ｋｇ／分以上に高めて操業される。上記したような成分組成のスラグでＭｇを多く含む高Ｎｉ合金によるＥＳＲ合金塊を得ようとすると、その溶解速度が低い場合、得られるＥＳＲ合金塊の鋳肌が劣化してしまうことが見いだされた。そのため、このような溶解速度の下限値を設けて良好な鋳肌を得ようとするのである。
【0026】
最後に、ＥＳＲ合金塊を消耗電極としたＶＡＲプロセスを経て、ＶＡＲ合金塊を得る（Ｓ３）。これにより、ＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスを経て所望の合金塊が得られる。
【0027】
ＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスにおいて、ＶＡＲプロセスにおけるＭｇの歩留まりを考慮して、ＥＳＲプロセスにおけるＥＳＲ合金塊のＭｇ量がスラグの成分組成により調整される。これとともに、ＶＡＲプロセスにおいて得られる合金塊の内部性状とともにＭｇの歩留まりを安定的に制御できるよう、ＥＳＲプロセスにおけるＥＳＲ合金塊の鋳肌を良好にする調整が必要となる。ここで、前記したスラグの成分組成では、溶解速度を高めてこれを達成し得ることを見いだした。なお、ＥＳＲ合金塊の内部性状は、その後に、ＶＡＲプロセスを経るため、過度な劣化でなければ影響を有しない。結果として、Ｍｇを所定量含む内部性状に優れた合金塊を安定して製造できるのである
【0028】
なお、得られるＶＡＲ合金塊におけるＭｇ含有高Ｎｉ合金は、例えばＮｉを３８質量％以上含むものとすることもできる。さらに、Ｔｉ及び／又はＡｌを含むものとすることもできる。このような偏析しやすい成分組成のＭｇ含有高Ｎｉ合金においても、上記した製造方法によって、内部性状に優れ、熱間加工性や被削性などに優れるＶＡＲ合金塊を得ることができる。
【0029】
［製造試験］
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８相当材をＭｇ含有高Ｎｉ合金として、ＥＳＲ合金塊を製造する試験を行ったので、その結果について説明する。この試験は、上記したＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスのうち、最終製品であるＶＡＲ合金塊の品質に最も影響を与える消耗電極であるＥＳＲ合金塊を得るＥＳＲプロセスの試験である。
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８相当材をＭｇ含有高Ｎｉ合金として、ＥＳＲ合金塊を製造する試験を行ったので、その結果について説明する。この試験は、上記したＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスのうち、最終製品であるＶＡＲ合金塊の品質に最も影響を与える消耗電極であるＥＳＲ合金塊を得るＥＳＲプロセスの試験である。
【0030】
ＥＳＲプロセスは、図２に示す各操業条件に従った。使用したスラグは、質量分率で示された各スラグ成分で配合されたものである。また、各実施例及び比較例における溶解速度を示した。なお、各電極はＶＩＭプロセスにより製造された。
【0031】
スラグ成分のＭｇＯの含有量は、比較例１において０．０質量％、比較例２及び比較例３において５．０質量％、実施例１において７．０質量％、実施例２において１５．０質量％とした。また、溶解速度は、比較例１及び比較例２において４．５ｋｇ／分、比較例３において４ｋｇ／分、実施例１において６ｋｇ／分、実施例２において７．５ｋｇ／分とした。
【0032】
その結果、得られたＥＳＲ合金塊の鋳肌は比較例１、比較例２及び比較例３において不良（×）であり、実施例１及び実施例２において良好（〇）であった。また、Ｍｇの歩留まりは、比較例において低く、実施例において高かった。つまり、上記した成分組成のスラグを用いて溶解速度を５ｋｇ／分以上とするＥＳＲプロセスによって、良好な鋳肌を有するとともに、Ｍｇの含有量の多いＥＳＲ合金塊を得られるのである。なお、Ｍｇの歩留まりは、ＥＳＲプロセスに用いる電極の合金中のＭｇ濃度（Ｂ）に対するＥＳＲ合金塊の合金中のＭｇ濃度（Ａ）の割合であってＡ／Ｂ×１００％として算出されるものである。Ａについては３か所以上で測定し、その値の範囲を図２に示した。
【0033】
なお、図３（ａ）に示すように、比較例３のＥＳＲ合金塊において、その鋳肌は表面に複数の湯流れを伴って大きく荒れており、スラグスキンも１０ｍｍ程度と非常に厚かった。
【0034】
これに対し、図３（ｂ）に示すように、実施例１のＥＳＲ合金塊において、その鋳肌は非常に平滑であり、スラグスキンも２ｍｍ以下と薄かった。
【0035】
実施例１や実施例２に示すようなＥＳＲ合金塊を消耗電極としてＶＡＲプロセスを経ることで、ＶＩＭ－ＥＳＲ－ＶＡＲのトリプルメルトプロセスとなる。このＶＡＲプロセスにおいては、Ｍｇ量が揮発により減じるよう制御される。ここで、ＶＡＲプロセスにおいて揮発される量を見込んだＭｇの含有量に調整された消耗電極をＥＳＲプロセスで得ているので、熱間加工性や被削性などに優れるＶＡＲ合金塊を得ることができる。
【0036】
以上、本発明の代表的な実施例及びこれに基づく改変例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
