基本的に、真空溶解とは、最も一般的な真空誘導溶解（VIM）と真空アーク再溶解（VAR）を含む、いくつかの高度な冶金プロセスを指します。一般的に「真空アーク溶解」という用語はVARを指しますが、VIMが先行することが多いため、まずVIMを理解することが重要です。VIMは電磁誘導を利用して真空チャンバー内で金属を溶解し、酸素や窒素などの大気ガスによる汚染を防ぎ、溶融物から溶解したガス不純物を除去するのに役立ちます。
混同されがちですが、真空誘導溶解（VIM）と真空アーク再溶解（VAR）は別個のプロセスですが相補的です。VIMは電磁場を使用して合金化と初期精製を行う主要な溶解方法であるのに対し、VARは電気アークを使用して最高レベルの純度と構造的完全性を達成するための二次的な再溶解プロセスです。
真空誘導溶解（VIM）の仕組み
真空誘導溶解は、原材料から高純度の金属および合金を製造するための多用途なプロセスです。すべての操作は密閉された気密チャンバー内で行われます。
電磁誘導の原理
プロセスは、固体金属を耐火物ライニングされたるつぼに入れることから始まります。このるつぼは水冷式の誘導コイルによって囲まれています。
このコイルに強力な交流電流を流すと、変動する磁場が発生します。この磁場は、金属の塊自体に強力な電気的渦電流を誘導します。
金属の電気抵抗により、これらの渦電流が強烈な熱に変換され、熱源からの直接的な接触なしに材料が加熱され、最終的に溶解します。
真空の役割
このプロセスを真空下で行うことは基本です。真空環境は空気を除去し、非常に反応性の高い溶融金属が酸化したり窒素を取り込んだりするのを防ぎます。
さらに、低圧環境は、溶解したガス（水素や酸素など）や揮発性の不純物元素を溶融プールから除去するプロセス（脱ガスと呼ばれる）を促進します。
炉とプロセス
炉は、高真空レベルに耐えるように設計された水冷式の気密容器です。内部では、誘導コイルとるつぼがシステムの中心を形成します。
VIMの重要な利点は、自然に発生する電磁攪拌です。金属を加熱するのと同じ力が連続的な攪拌作用も生み出し、溶融物全体にわたる優れた化学的均一性と均一な温度を保証します。
金属が溶解し、精製され、化学組成が調整された後、すべて真空下で型に注がれます。これは、炉全体を傾けることによって達成されることがよくあります。
「アーク」の明確化：真空アーク再溶解（VAR）
VIMが主要な溶解プロセスであるのに対し、真空アーク再溶解（VAR）は、極めて高い純度と理想的な内部構造を持つ金属を製造するために使用される二次精製プロセスです。「真空アーク溶解」と最も正確に呼ばれるのはこのプロセスです。
消耗電極
VARは生の金属塊から始まるわけではありません。代わりに、目的の合金の固体円筒形インゴット、すなわち消耗電極から始まります。この電極は、VIMプロセスを使用して最初に製造されることが非常に多いです。
電気アーク
この電極は、真空チャンバー内の水冷式銅製るつぼ内に吊り下げられます。電極の先端と、るつぼの底にある少量のスターターメタルとの間にDCアークが開始されます。
アークによる巨大な熱（数千度に達する）が、電極の先端を徐々に溶解させます。
制御された凝固
電極の先端が溶解すると、精製された金属の液滴が下の水冷式銅型に落下します。凝固は、下から上へと高度に制御された方法で方向性を持って起こります。
このゆっくりとした制御された凝固は、非金属介在物や不純物を新しいインゴットの上部に押し出すのに役立ち、後で切り取ることができます。また、収縮や気孔率などの欠陥のない、緻密で均一な結晶構造を生成します。
トレードオフの理解：VIM対VAR
これら2つのプロセスは競合するものではなく、重要用途向け高性能材料の製造におけるパートナーです。
VIM：合金化と均一性に最適
VIMの強みは、複雑な原材料のチャージを溶解し、正確で化学的に均一な合金を作成できる点にあります。電磁攪拌は、合金元素を混合する上で比類がありません。
しかし、耐火物るつぼとの接触は微細なセラミック介在物を導入する可能性があり、究極の清浄度レベルを制限します。
VAR：純度と構造に優れている
VARの強みは、すでに形成された合金を可能な限り高い純度に精製できる点にあります。水冷式銅製るつぼを使用するため、耐火物との接触がなく、その汚染源が排除されます。
制御された方向性凝固は内部欠陥を修復し、航空宇宙用タービンディスクや生体医療用インプラントなどの要求の厳しい用途に不可欠な、優れた一貫した微細構造を生成します。
目標に応じた正しい選択
プロセスの選択は、最終的な材料要件に完全に依存します。
- 原材料から均一で高品質な合金を作成することが主な焦点である場合： VIMは、主要な溶解と正確な化学的制御のための決定的なプロセスです。
- 重要なコンポーネントのために絶対的な最高純度と完璧な内部構造を達成することが主な焦点である場合： VARは、VIMで製造された電極を原料として使用する、必要な二次ステップです。
結局のところ、これらの真空溶解技術は、エンジニアに材料の化学組成と構造に対する正確な制御を提供し、最も過酷な条件下で性能を発揮できる合金の作成を可能にします。
要約表：
| プロセス | 主な用途 | 主な利点 | 理想的な用途 |
|---|---|---|---|
| VIM | 主要溶解と合金化 | 優れた化学的均一性と正確な化学的制御 | 原材料からの均一な合金の作成 |
| VAR | 二次精製 | 優れた純度と完璧な内部構造 | 航空宇宙および生体医療用インプラントの重要コンポーネント |
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