大規模な膜状MgO·Al2O3介在物の形成は、溶融金属の酸化された表面とるつぼ壁との間の特定の反応によって引き起こされます。 真空環境下であっても、微量の酸素が合金表面に酸化アルミニウム皮膜を生成します。機械的な撹拌がこの皮膜を酸化マグネシウム（MgO）るつぼに押し付けると、固-固反応が発生し、液体中に捕捉される大規模な介在物が生成されます。
核心的な洞察： これらの介在物は、原材料に含まれる単純な不純物ではありません。それらは、溶融金属の保護酸化皮膜が、乱流中または注湯中に容器と物理的に相互作用したときに引き起こされるインサイチュ反応の生成物です。
介在物形成のメカニズム
残留酸素の役割
高度な真空誘導再溶解（VIM）炉であっても、真空は決して絶対ではありません。チャンバー内には微量の残留空気が存在します。
この残留酸素が、欠陥連鎖全体の触媒となります。
表面皮膜の生成
高アルミニウムニッケル基スーパーアロイには、非常に活性の高いアルミニウムが含まれています。このアルミニウムは、残留酸素と激しく反応します。
この反応により、溶融金属の表面に浮遊する薄い固体のAl2O3（酸化アルミニウム）スケールが形成されます。
決定的な相互作用
Al2O3スケールの存在だけでは最終的な欠陥にはなりません。問題は移動中に発生します。溶融金属が撹拌、衝突、または注湯されると、表面の形状が変化します。
この乱流が、浮遊するAl2O3皮膜を容器の端に向かって押しやります。
固-固反応
特定の介在物の種類であるMgO·Al2O3は、その起源を明らかにしています。これは、Al2O3表面皮膜が酸化マグネシウム（MgO）るつぼ壁に接触したときに形成されます。
これら2つの材料は、接触点でインサイチュの固-固反応を起こします。
巻き込みとサイズ
反応生成物は壁にとどまりません。継続的な乱流が、新たに形成された化合物をバルク液体中に引き戻します。
これらの介在物は、しばしば膜状で大規模であり、サイズが数百ミクロンを超えることが多く、合金の構造的完全性を損ないます。
運用の脆弱性とトレードオフ
溶融金属撹拌のリスク
合金の均質化には撹拌が必要な場合が多いですが、この状況では深刻な代償が伴います。
溶融金属の運動エネルギーを増加させると、表面皮膜がMgOるつぼ壁にこすりつけられる確率が高まります。
材料適合性
この特定の介在物の形成は、るつぼ中の酸化マグネシウムの存在に厳密に関連しています。
MgOは一般的な耐火材料ですが、Al2O3皮膜との化学的反応性は、高純度アルミナなどの他の材料では回避できる可能性がある高アルミニウム合金にとって固有のリスクとなります。
プロセス完全性のための戦略
これらの大規模介在物の形成を防ぐには、酸化段階または反応段階のいずれかでイベント連鎖を断ち切る必要があります。
- プロセスコントロールが最優先事項の場合： 表面酸化皮膜がるつぼ壁に物理的に接触するのを防ぐために、溶融金属の乱流と撹拌を最小限に抑えます。
- 装置選択が最優先事項の場合： 高い化学的安定性を提供し、MgO·Al2O3介在物の形成に必要なマグネシウム源を排除する高純度Al2O3るつぼの使用を検討します。
- 雰囲気制御が最優先事項の場合： 真空品質を向上させて残留空気を減らし、Al2O3表面スケールの初期厚さと利用可能性を制限します。
溶融金属表面がるつぼ壁から隔離することで、これらの大規模欠陥の反応サイトを効果的に排除できます。
概要表：
| 段階 | プロセス要因 | 結果として生じる形成 |
|---|---|---|
| 酸化 | 残留酸素 + 高アルミニウム含有量 | Al2O3表面皮膜 |
| 相互作用 | 溶融金属撹拌/注湯 | 皮膜-るつぼ接触 |
| 反応 | Al2O3 + MgO（るつぼ壁） | インサイチュ MgO·Al2O3形成 |
| 巻き込み | 乱流/流れ | 膜状の大規模介在物 |
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参考文献
- Lihui Zhang, Min Xia. The Formation Mechanism of Oxide Inclusions in a High-Aluminum Ni-Based Superalloy during the Vacuum Induction Remelting Process. DOI: 10.3390/met14060654
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Furnace ナレッジベース .
