JP2001293552A - 鋳造物に粉末を添加する核生成鋳造システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳造物を形成する核生成鋳造システムおよび
方法。 【解決手段】 核生成鋳造システムおよび方法は、鋳造
物の液相線部分に粉末を添加することを含む。鋳造シス
テムは、精錬された液体金属を受け取る液相線部分（１
４８）を含み、さらに本質的に酸化物および硫化物を含
有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織
を含む鋳造物（１４５）を形成する。鋳造システム
（３）は、精錬により金属から酸化物および硫化物を除
去した精錬された液体金属のソース（１）と、鋳造物の
液相線部分の表面に固体金属粒子を添加する固体金属粒
子添加システム（２００）と、鋳造物を形成する核生成
鋳造システム（２）とを備える。固体金属粒子添加シス
テム（２００）は、鋳造物の凝固時に核生成中心として
作用する固体金属粒子を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】この発明は、鋳造物を形成する核生成鋳
造システムおよび方法に関する。特に、本発明は鋳造物
に粉末を添加する工程を含む核生成鋳造システムおよび
方法に関する。

【０００２】金属、たとえば鉄（Ｆｅ）基、ニッケル
（Ｎｉ）基、チタン（Ｔｉ）基およびコバルト（Ｃｏ）
基合金はよくタービン構成部品用途に用いられ、その場
合微細結晶粒ミクロ組織、均質性そして本質的に欠陥の
ない組成が望ましい。超合金鋳造物およびインゴットに
このような問題があると、超合金形成に伴うコストが高
いので、望ましくなく、これらの問題の結果は、特にタ
ービン構成部品に形成されるインゴットの場合、望まし
くない。鋳造物を生成する従来のシステムでは、鋳造物
から製造した鋳造物品に悪影響するおそれのある不純
物、汚染物その他の成分の量を減らそうとしてきた。

【０００３】物品（以下「鋳造物」という）を形成する
鋳造（キャスティング）は、少なくともエレクトロスラ
グ精錬（ＥＳＲ＝electroslag refining）工程を含む
（ＥＳＲは、たとえば、すべて本出願人に譲渡された米
国特許第５，１６０，５３２，同第５，３１０，１６５
号、同第５，３２５，９０６号、同第５，３３２，１９
７号、同第５，３４８，５６６号、同第５，３６６，２
０６号、同第５，４７２，１７７号、同第５，４８０，
０９７号、同第５，７６９，１５１号、同第５，８０
９，０５７号および同第５，８１０，０６６号に開示さ
れている）。他の冶金学的方法、たとえばこれらに限ら
ないが精錬や機械的加工をＥＳＲと組み合わせて、鋳造
物をさらに精錬して、不純物、汚染物その他の成分の量
を低減することができる。このような順序により製造さ
れた金属は有用であり、金属製品自体は価値あるもので
あるが、加工プロセスが多大な費用と長い時間を要す
る。さらに、超合金のような金属の比較的大きな本体の
加工および精錬には多くの場合、加工プロセスが多大な
費用と長い時間を要する。さらに、超合金のような金属
の比較的大きな本体の加工および精錬には多くの場合、
種々の問題、たとえば均質な欠陥のない組織を達成する
上での問題が付随する。

【０００４】超合金鋳造の際にしばしば起こるこのよう
な問題として、核生成および液体から固体への凝固時に
精錬された金属の粒度や他のミクロ組織を制御する問題
がある。さらに、金属の大形本体に加工を行う際に、合
金または成分偏析の問題も生じる。エレクトロスラグ精
錬加工操作中にいくつかの問題が生じることがある。た
とえば、従来のエレクトロスラグ精錬法では、代表的に
は精錬用容器を使用し、その内部でスラグ精錬層が溶融
精錬された金属の層の上に浮かぶ。通常、未精錬金属の
インゴットを消耗電極として使用し、容器内に降下して
溶融したエレクトロスラグ層と接触させる。スラグ層を
通してインゴットに電流を流し、インゴットとスラグ層
との界面で表面溶融を起こさせる。インゴットが溶融す
るにつれて、酸化物介在物や不純物がスラグにさらさ
れ、インゴットとスラグの接触点で除去される。精錬さ
れた金属の液滴を形成し、これらの液滴がスラグ内を通
過し、スラグの下側の溶融精錬された金属のプールに捕
集される。上述したエレクトロスラグ精錬装置は、個々
のプロセスパラメータ、たとえば精錬電流の強度、特定
の熱入力、溶融速度など（これらに限らない）の間の関
係に依存する。この関係は、金属のエレクトロスラグ精
錬速度と、金属インゴット温度と、精錬された溶融金属
の冷却速度との間の望ましくない相互依存を含み、これ
らはすべて得られる鋳造物の冶金学的組織を貧弱なもの
とするおそれがある。

【０００５】従来のエレクトロスラグ精錬プロセスと関
連した別の問題として、エレクトロスラグるつぼに比較
的深い金属プールが形成される。深い溶湯プールは金属
中の成分のマクロ偏析度を変動させる原因となり、これ
は微細結晶粒ミクロ組織でないミクロ組織のようなあま
り望ましくないミクロ組織となったり、不均質な組織を
形成するような元素種の偏析を生じたりする。この深い
溶湯プールの問題を克服するため、エレクトロスラグ精
錬プロセスと組み合わせる後処理操作が提案されてい
る。この後処理は真空アーク再溶解（ＶＡＲ＝vacuum a
rc remelting）とすることができる。真空アーク再溶解
は、インゴットを真空アーク工程で処理するときに開始
され、比較的浅い溶湯プールを生成し、これにより水素
含量も低くなる可能性のあるすぐれたミクロ組織を生成
する。真空アーク精錬プロセスに続いて、得られたイン
ゴットを機械加工して所望の微細結晶粒ミクロ組織を有
する金属ストックを得る。このような機械加工は鍛造工
程と引抜き工程との組合せとすることができる。この熱
的機械加工には、大型の高価な装置が必要で、また多量
で高価なエネルギー入力も必要である。

【０００６】望ましい鋳造ミクロ組織を得ようとする方
法が米国特許第５，３８１，８４７号に提案されてお
り、ここでは垂直鋳造方法により、デンドライト成長を
抑制することにより結晶粒子ミクロ組織を制御してい
る。この方法により得られるミクロ組織は鋳造用途によ
っては有用である。しかし、垂直鋳造プロセスは、不純
物、酸化物その他の望ましくない成分などのソース金属
含量を制御しない。さらに、垂直鋳造操作はモールド内
に比較的深い液相線部分を形成し、このモールド内で金
属核形成がゆっくりなため液相線部分はゆっくり凝固す
る。遅い核形成は鋳造操作をスローダウンし、また鋳造
物のミクロ組織や特性に悪影響を与えるおそれがある。

【０００７】したがって、清浄な金属ソースを供給する
ことができ、核生成を促進し、比較的均質で、微細結晶
粒のミクロ組織を有する鋳造物を製造する金属鋳造方法
およびシステムが必要とされている。さらに、比較的均
質な微細結晶粒ミクロ組織を有する鋳造物を製造する方
法およびシステムを提供することが必要とされている。
さらに、タービン構成部品としての用途に適当な、本質
的に酸化物を含有しない鋳造物を製造する方法およびシ
ステムを提供することが必要とされている。

【０００８】

【発明の概要】本発明の第１の観点によれば、鋳造物の
液相線部分に粉末を添加する工程を含む核生成鋳造シス
テムおよび方法が提供される。本鋳造システムは、精錬
された液体金属を受け取る液相線部分と凝固部分とを有
し、さらに本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏
析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する鋳
造物を形成する。本鋳造システムは、精錬により金属か
ら酸化物および硫化物を除去した精錬された液体金属の
ソースと、鋳造物の液相線部分の表面に固体金属粒子を
添加する固体金属粒子添加システムと、鋳造物を形成す
る核生成鋳造システムとを備える。前記固体金属粒子添
加システムは、鋳造物の凝固時に核生成中心として作用
する固体金属粒子を添加する。

【０００９】本発明の別の観点によれば、鋳造物を形成
するために、固体金属粒子の添加を伴う鋳造方法が提供
される。鋳造物は、精錬された液体金属を受け取る液相
線部分と凝固部分とを有する。鋳造物はさらに、本質的
に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない
微細結晶粒均質ミクロ組織を有する。鋳造方法は、精錬
された液体金属のソースを用意し、精錬された液体金属
をモールドに供給し、固体金属粒子を鋳造物に添加し、
核生成鋳造により液相線部分および凝固部分を有する鋳
造物を形成する工程を含む。固体金属粒子は凝固時に核
生成中心として作用する。

【００１０】本発明の上述したまた他の目的、特徴およ
び効果は、添付の図面を参照した以下の説明から明らか
になるであろう。図面には本発明の実施態様を具体的に
示すが、同様の部材は同じ符号で示す。

【００１１】

【好適な実施態様】本発明の実施態様としての鋳造シス
テムおよび方法は、核生成鋳造システム（「垂直鋳造シ
ステム（vertical casting system）」ともいう）に液
体金属ストリームとして供給することのできる清浄な金
属ソースを備える。本発明の実施態様としての鋳造シス
テムは、さらに、鋳造物の液相線部分に固体金属粒子を
添加する手段を備える。固体金属粒子は、金属粉末から
構成できるが、これに限らない（以下「固体金属粒子」
という）。固体金属粒子は液相線部分に入り、通常液相
線部分の上面に分配され、たとえば液相線部分の全面に
分配される。固体金属粒子は、凝固時に液体金属の凝固
のための核として作用する。

【００１２】本発明の鋳造方法は、たとえばエレクトロ
スラグ精錬（ＥＳＲ）システムから清浄な液体金属のソ
ースを形成する工程と、清浄な金属を核生成鋳造システ
ムに送る工程と、鋳造物の液相線部分に固体金属粒子を
添加しながら、本質的に酸化物を含まず不純物を含まな
い材料の鋳造物、たとえばこれらに限らないが鋳物、イ
ンゴットまたはプレホーム（予備成形品）を生成する工
程を含む。ここで用語「本質的に含まない」とは、材料
中のある成分がその材料の、たとえばその強度や他の特
性に悪影響を与えないことを意味する。さらに、本鋳造
方法によれば、特に上述したような従来の溶融方法によ
り製造した鋳造物と比較して、欠陥の偏析を低減した鋳
造物が製造される。本発明の説明は、鋳造方法およびシ
ステムにより形成した鋳造物に言及するが、この説明は
例示にすぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようと
するものではない。

【００１３】清浄な液体金属供給源（ソース）は、エレ
クトロスラグ精錬工程により清浄な（クリーンな）液体
金属を与えるエレクトロスラグ精錬装置から構成するこ
とができる。たとえばエレクトロスラグ精錬装置は、た
とえば本出願人に譲渡された前掲の特許に記載されてい
るような、コールド誘導ガイド（ＣＩＧ＝cold-inducti
on guide）と協同するエレクトロスラグ精錬システムか
らなる。核生成鋳造システムは、溶融金属を冷却ゾーン
に通過させることのできるシステムからなり、冷却ゾー
ンは平均して各溶融金属の約３０容量％以下を凝固させ
るのに十分な長さに形成する。つぎに溶融金属をモール
ド（金型）に受け取り、溶融金属の凝固をモールド内で
完了させる。溶融金属の固体部分が約３０容量％以下で
あれば、溶融金属は液体特性を保ち、モールド内で容易
に流動する。

【００１４】本発明の実施態様による鋳造方法およびシ
ステムは、タービン構成部品の用途に用いられることが
多い、ニッケル（Ｎｉ）基およびコバルト（Ｃｏ）基超
合金や、鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）合金など（こ
れらに限定されない）を含む多数の金属および合金につ
いて、均質な微細結晶粒ミクロ組織を有する鋳造物を形
成することができる。本鋳造方法およびシステムにより
形成される鋳造物は、均質な微細結晶粒ミクロ組織であ
るため、わずかな加工および熱処理工程で最終鋳造物ま
たはビレットに変換し、あるいは直接鍛造することがで
きる。したがって、鋳造方法およびシステムは、具体的
にはディスク、ロータ、ブレード、ベーン、ホイール、
バケット、リング、シャフト、ホイールその他の要素
（これらに限定されない）を含む回転装置用途、そして
他のタービン構成部品用途など、多種多様な用途に使用
できる高品質な鍛造品を製造するのに使用できる。本発
明の説明は鋳造物から形成するタービン構成部品に言及
するが、これは本発明の範囲内の用途の例示にすぎな
い。

【００１５】ここで添付図面を参照すると、図１は、固
体金属粒子の添加を伴う鋳造システム３を示す半線図
的、部分断面の立面図である。図２〜図４は図１に示し
た鋳造システムの特徴部分の詳細図であり、図５および
図６は本発明の実施態様である固体金属粒子添加システ
ムの特徴部分を示す。本発明の理解を容易にするため
に、まずエレクトロスラグ精錬システム１について説明
し、ついで鋳造システム３について説明し、最後に固体
金属粒子添加システムについて説明する。

【００１６】図１において、エレクトロスラグ精錬シス
テム１により、鋳造システム３およびその関連する鋳造
方法に適切な清浄な金属を提供する。清浄な金属を核生
成鋳造システム２に供給する。エレクトロスラグ精錬シ
ステム１および核生成鋳造システム２が協同して固体金
属粒子の添加を伴う鋳造システム３を形成し、これによ
り鋳造物を形成する。エレクトロスラグ精錬システム１
は精錬すべき金属の消耗電極２４をエレクトロスラグ精
錬システム１に直接導入し、その消耗電極２４を精錬し
て清浄な精錬された金属メルト４６（以下「クリーン金
属」と言う）を生成する。消耗電極２４としてのエレク
トロスラグ精錬システム１用の金属ソースは単なる例示
であり、本発明の範囲には、インゴット、金属メルト、
粉末金属およびこれらの組合せからなるソース金属が包
含されるが、これらに限定されない。ここでは本発明を
消耗電極に関連して説明するが、これは単なる例示にす
ぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようとするもの
ではない。クリーン金属４６は、エレクトロスラグ精錬
装置１の下側に装着されたコールドハース構造４０内に
受け入れられ保持される。クリーン金属４６はコールド
ハース構造４０から、その下側に装着配置されたコール
ドフィンガオリフィス構造８０を通して小出しされる。

【００１７】金属のエレクトロスラグ精錬の速度と精錬
された金属をコールドハース構造４０に送り出す速度
が、溶融金属（溶湯）４６をコールドハース構造４０か
らコールドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８
１を通して抜き出す速度に近ければ、エレクトロスラグ
精錬システム１は、クリーン金属４６を供給するのにほ
ぼ定常状態の作動を行うことができる。したがって、本
鋳造方法は長期間にわたって連続的に運転でき、したが
って大量の金属を処理できる。あるいはまた、本鋳造方
法は、鋳造システム３の特徴部分の１つ以上を間欠的に
運転することにより間欠的に運転することができる。

【００１８】クリーン金属４６がコールドフィンガオリ
フィス構造８０を通してストリーム５６としてエレクト
ロスラグ精錬システム１から外に出た後、クリーン金属
４６は核生成鋳造システム２に入り、鋳造物１４５を形
成する。鋳造物１４５をさらに加工して比較的大きな精
錬金属の鋳造物を生成すことができる。あるいはまた、
鋳造物１４５をここを通して加工してもっと小さな鋳
物、インゴット、物品を生成するか、連続鋳造した鋳物
に形成することができる。本発明の実施態様の鋳造方法
は、所望の組合せの材料特性を有する金属鋳造物を生成
するために今まで必要とされていた上述した加工操作の
ような加工操作の多くをなくすことができ、効果的であ
る。

【００１９】図１に、鋳造物１４５の液相線部分１４８
に固体金属粒子２１０を導入する固体金属粒子添加シス
テム２００を示す。固体金属粒子添加システム２００
は、固体金属粒子のソース２０１、金属をソース２０１
から分散装置２０４に供給する配管２０２および固体金
属粒子を形成する分散装置２０４を備える。固体金属粒
子のソース２０１は固体金属粒子を液相線部分１４８に
添加することができれば、どのような供給源でもよい。
たとえば、いかなる意味でも本発明を限定するものでは
ないが、固体金属粒子のソース２０１は、固体金属粉末
を生成する微粒化装置、固体金属粒子を液相線部分１４
８に適当な装置で添加することができる固体金属粒子を
入れた容器、その他の固体金属粒子添加装置を含むこと
ができる。分散装置２０４により、後述するように、固
体金属粒子２１０を固体金属粒子添加システム２００か
ら排出し、鋳造物１４５の液相線部分１４８に供給す
る。固体金属粒子添加システム２００については、図５
および図６を参照しながら後でさらに詳しく説明する。

【００２０】図１に、鉛直移動制御装置１０を線図的に
示す。鉛直移動制御装置１０は、ボックス１２を鉛直サ
ポート１４に装着した構成で、鉛直サポート１４は原動
装置（図示せず）、たとえばモータその他の機構（これ
らに限らない）を有する。原動装置はスクリュ部材１６
に回転運動を与えるようになっている。インゴット支持
構造２０は、部材、たとえば一端がスクリュ部材１６に
ねじ係合された部材２２（これに限らない）を含む。部
材２２は他端で、適当な連結具、たとえばボルト２６
（これに限らない）により消耗電極２４を支持する。

【００２１】エレクトロスラグ精錬構造３０は、適当な
冷却材、たとえば水（これに限らない）により冷却され
るリザーバ３２を備える。リザーバ３２は、溶融スラグ
３４を含み、ここで過剰なスラグ３４は固体スラググラ
ニュール３６として図示されている。鋳造方法に用いる
スラグ組成は、金属の処理とともに変化する。後述する
ような、内壁８２の外側に流れる冷却材の冷却作用のた
め、スラグスカル７５がリザーバ３２の内壁８２の内面
に沿って形成される。

【００２２】コールドハース構造４０（図１〜図３）は
エレクトロスラグ精錬構造３０の下側に装着されてい
る。コールドハース構造４０は、ハース（炉床）４２を
備え、これは水のような適当な冷却材で冷却される。ハ
ース４２は凝固した精錬金属からなるスカル（凝固殻）
４４と精錬された液体金属の本体４６とを含有する。リ
ザーバ３２はハース４２と一体に形成することができ
る。あるいはまた、リザーバ３２とハース４２を別個の
ユニットとして形成し、これらを連結してエレクトロス
ラグ精錬システム１を構成してもよい。エレクトロスラ
グ精錬システム１の底部オリフィス８１は、コールドフ
ィンガオリフィス構造８０に設けられ、これらを図３お
よび図４を参照して説明する。エレクトロスラグ精錬シ
ステム１により本質的に酸化物、硫化物、他の不純物を
含まないように精錬されたクリーン金属４６は、エレク
トロスラグ精錬システム１を横切り、コールドフィンガ
オリフィス構造８０のオリフィス８１から流出する。

【００２３】電源構造７０により精錬用電流をエレクト
ロスラグ精錬システム１に供給することができる。電源
構造７０は電力供給兼制御機構７４を備える。電気導体
７６により電源構造７０を部材２２に接続し、電流を部
材２２に搬送し、ついで電流を消耗電極２４に搬送する
ことができる。導体７８をリザーバ３２に接続し、エレ
クトロスラグ精錬システム１の電源構造７０の回路を完
成する。

【００２４】図２は、エレクトロスラグ精錬構造３０お
よびコールドハース構造４０の詳細な部分断面図であ
る。ここでエレクトロスラグ精錬構造３０はリザーバ３
２の上方部分を画定し、コールドハース構造４０はリザ
ーバ３２の下方部分４２を画定する。リザーバ３２は通
常、内壁８２および外壁８４を有する二重壁リザーバで
ある。内壁８２と外壁８４との間に水（これに限定され
ない）などの冷却材８６を供給する。冷却材８６は、供
給源９８（図３）から通常の入口および出口（図示せ
ず）を経て内壁８２および外壁８４間に画定された流れ
チャンネルに流入し通過する。コールドハース構造４０
の壁８２を冷却する冷却水８６は、エレクトロスラグ精
錬構造３０およびコールドハース構造４０の冷却を行
い、スカル４４をコールドハース構造４０の内面上に形
成させる。冷却材８６はエレクトロスラグ精錬システム
１、鋳造システム３あるいはエレクトロスラグ精錬構造
３０の運転にとって必須ではない。液体金属４６が内壁
８２に接触し、内壁８２を攻撃すると、内壁８２に若干
の溶解をもたらし液体金属４６を汚染するおそれがある
が、冷却により液体金属４６の内壁８２との接触や、内
壁８２への攻撃を防止することができる。

【００２５】図２において、コールドハース構造４０は
外壁８８も備え、この外壁８８はフランジ付き管状セク
ション９０および９２を含むのがよい。２つのフランジ
付き管状セクション９０および９２が図２の底部に示さ
れている。外壁８８は核生成鋳造システム２と協同し
て、後述する雰囲気の制御された環境１４０を形成す
る。コールドハース構造４０は、コールドフィンガオリ
フィス構造８０を備え、その詳細を図３および図４に示
す。コールドフィンガオリフィス構造８０を図３にコー
ルドハース構造４０および液体メルト４６のストリーム
５６との関係で示すが、液体メルト４６のストリーム５
６は、コールドフィンガオリフィス構造８０を通ってコ
ールドハース構造４０を出てゆく。図２および図３で
は、コールドフィンガオリフィス構造８０を、固体金属
スカル４４および液体金属４６との構造的協同関係にて
示している。図４では、コールドフィンガオリフィス構
造８０を液体金属も固体金属スカルも省いて示している
ので、コールドフィンガオリフィス構造８０の細部がよ
くわかる。

【００２６】コールドフィンガオリフィス構造８０はオ
リフィス８１を備え、ここから加工された溶融金属４６
がストリーム５６の形態で流出することができる。コー
ルドフィンガオリフィス構造８０は、コールドハース構
造４０およびエレクトロスラグ精錬構造３０に連結され
ている。したがってコールドハース構造４０は、加工さ
れた不純物をほぼ含有しない合金が、コールドハース構
造４０の壁に接触することで、スカル４４および８３を
形成するのを許す。かくしてスカル４４および８３は溶
融金属４６のためのコンテナとして作用する。その上、
コールドフィンガオリフィス構造８０に形成されるスカ
ル８３（図３）はその厚さを制御可能で、代表的にはス
カル４４より小さな厚さに形成される。厚いスカル４４
はコールドハース構造４０に接触し、薄いスカル８３は
コールドフィンガオリフィス構造８０に接触し、これら
のスカル４４および８３は互いに接触して実質的に連続
したスカルを形成している。

【００２７】制御された量の熱をスカル８３に与え、液
体金属本体４６に熱的に伝達する。この熱は、コールド
ハース構造のまわりに配置された誘導加熱コイル８５か
ら与える。誘導加熱コイル８５は、水などの適当な冷却
材を供給部８７からコイルに流すことで冷却された誘導
加熱コイルとすることができる。誘導加熱用電力は図３
に線図的に示す電源８９から供給する。コールドフィン
ガオリフィス構造８０の構成は、誘導エネルギーによる
加熱がコールドフィンガオリフィス構造８０を透過し、
液体金属４６およびスカル８３を加熱し、オリフィス８
１を開放状態に保つことを可能にし、したがってストリ
ーム５６がオリフィス８１から流出できる。加熱用電力
をコールドフィンガオリフィス構造８０に供給しない
と、液体金属４６のストリーム５６が凝固しオリフィス
が閉塞してしまう。加熱は、コールドフィンガオリフィ
ス構造８０のフィンガそれぞれに依存し、これらのフィ
ンガは互いに隣接するフィンガから、たとえば空気また
はガスギャップによりあるいは適当な絶縁材料により絶
縁されている。

【００２８】コールドフィンガオリフィス構造８０が図
４に示されており、ここではスカル４４および８３も溶
融金属４６も図示の便宜上省略されている。個別のコー
ルドフィンガ９７は隣接するフィンガ、たとえばフィン
ガ９２からギャップ９４により分離されている。ギャッ
プ９４を設け、ここに絶縁材料、たとえばセラミック材
料または絶縁ガス（これらに限らない）を充填する。か
くて、コールドフィンガオリフィス構造８０内に配置さ
れた溶融金属４６（図示せず）はギャップを通って漏れ
出ることがない。スカル８３がコールドフィンガの上に
ブリッジを形成し、そこを通っての液体金属４６の通過
を防止するからである。図面を見る視線と整列されてギ
ャップ９９が示されている図４から明らかなように、各
ギャップはコールドフィンガオリフィス構造８０の底部
まで延在する。ギャップの幅を約２０ミル〜約５０ミル
の範囲とすることができ、この幅は隣接するフィンガ間
の絶縁分離を達成するのに十分である。

【００２９】個々のフィンガに、水などの冷却材を与え
ることができ、たとえば冷却材を適当な冷却材源（図示
せず）から導管９６に通す。冷却材はつぎに、マニホー
ルド９８のまわりをぐるりとまわりそこから個別の冷却
チューブ、たとえば冷却チューブ１００を通過する。冷
却チューブ１００から出た冷却材は冷却チューブ１００
の外面とフィンガの内面との間に流れる。つぎに冷却材
はマニホールド１０２で集められ、水出口チューブ１０
４を通ってコールドフィンガオリフィス構造８０から外
に出る。この個別のコールドフィンガ水供給チューブ配
列によりコールドフィンガオリフィス構造８０全体の冷
却が可能になる。

【００３０】コールドフィンガオリフィス構造８０を通
してスカル４４および８３に、また液体金属４６に与え
られる加熱または冷却の量を制御して、ストリーム５６
としての液体金属４６のオリフィス８１の通過を制御す
ることができる。誘導コイル８５への電流、およびコー
ルドフィンガオリフィス構造８０に入り、そこを通過す
る冷却材の量を制御することにより、制御された加熱ま
たは冷却を実現する。制御された加熱または冷却によ
り、スカル４４および８３の厚さを増減して、オリフィ
ス８１を開閉し、あるいはオリフィス８１を通るストリ
ーム５６の通過を増減することができる。スカル４４お
よび８３の厚さを増減することにより、多量または少量
の液体金属４６がコールドフィンガオリフィス構造８０
を通ってオリフィス８１を通過し、ストリーム５６を画
定することができる。スカル４４および８３の厚さを制
御するとともに、誘導加熱コイル８５への冷却水および
加熱用電流および電力を制御してオリフィス８１を所定
の通過寸法に維持することにより、ストリーム５６の流
れを所望のバランスに維持することができる。

【００３１】つぎに、鋳造システム３のエレクトロスラ
グ精錬システム１の作動を、図面を参照しながら説明す
る。エレクトロスラグ精錬システム１は、欠陥および不
純物を含有しうる、あるいは相対的に精錬できるインゴ
ットを精錬（精製）することができる。消耗電極２４を
エレクトロスラグ精錬システム１により溶融する。消耗
電極２４をエレクトロスラグ精錬システム１に、エレク
トロスラグ精錬システム１内の溶融スラグと接触させて
装着する。電力をエレクトロスラグ精錬システムおよび
インゴットに供給する。電力により、インゴットを溶融
スラグと接触する表面で溶融させ、金属の溶融ドロップ
を形成する。溶融ドロップが溶融スラグ中を落下する。
溶融スラグ内を通過した後、溶湯ドロップを、エレクト
ロスラグ精錬構造３０の下側のコールドハース構造４０
にて精錬された液体金属の本体として収集する。消耗電
極２４から派生する酸化物、硫化物、汚染物その他の不
純物は、インゴットの表面上の液滴の形態にて除去さ
れ、溶融スラグ中を通過する。溶湯ドロップはエレクト
ロスラグ精錬システム１からコールドフィンガオリフィ
ス構造８０のオリフィス８１を通ってストリーム５６と
して抜き出される。鋳造システム３のエレクトロスラグ
精錬システム１から出てくるストリーム５６は、鋳造物
を形成するもので、本質的に酸化物、硫化物、汚染物そ
の他の不純物を含まない精錬された溶湯（メルト）から
なる。

【００３２】さらに金属ストリーム５６がコールドフィ
ンガオリフィス構造８０から出てくる速度は、オリフィ
ス８１の上の液体金属４６の静水頭（ヘッド）を制御す
ることにより制御することができる。静水頭は、コール
ドフィンガオリフィス構造８０のオリフィス８１の上に
延在する液体金属４６およびスカル４４，８３により決
まる。エレクトロスラグ精錬システム１を有する鋳造シ
ステム３を所定の一定な静水頭および一定な寸法のオリ
フィス８１で運転すれば、液体金属にほぼ一定な流量を
確立することができる。

【００３３】代表的には定常状態の電力が望ましく、そ
うすれば溶融速度が鋳造システム３からの排出速度にほ
ぼ等しくなる。しかし、鋳造システム３に加えられる電
流を調節して、オリフィス８１上の液体金属４６および
スカル４４，８３を多くしたり少なくしたりすることが
できる。オリフィス８１上の液体金属４６およびスカル
４４，８３の量は、インゴットを溶融する電力と、スカ
ルを生成するエレクトロスラグ精錬システム１の冷却に
よって決められる。適用する電流を調節することによ
り、オリフィス８１を通る流れを制御することができ
る。

【００３４】また、定常状態の運転を確立するために、
消耗電極２４の溶融スラグ３４の上面との接触を維持す
ることができる。消耗電極２４のメルト４６への降下速
度を調節し、これにより溶融スラグ３４の上表面との消
耗電極２４の接触を定常状態運転に適切な状態に維持す
る。ストリーム５６からの定常状態の排出を鋳造システ
ム３に維持することができる。鋳造システム３のエレク
トロスラグ精錬システム１で形成される溶湯のストリー
ム５６は、エレクトロスラグ精錬システム１から外に
出、核生成鋳造システム２に供給される。図１には核生
成鋳造システム２を、エレクトロスラグ精錬システム１
と組み合わせて線図的に示してある。

【００３５】核生成鋳造システム２は、鋳造システム３
のエレクトロスラグ精錬システム１からストリーム５６
を受け取る。ストリーム５６を、金属の望ましくない激
しい酸化を防止するのに十分な雰囲気の制御された環境
１４０に供給することができる。雰囲気の制御された環
境１４０は、ストリーム５６の金属と反応しない任意の
ガスまたは混合ガスを含有すればよい。たとえばストリ
ーム５６がアルミニウムまたはマグネシウムである場
合、雰囲気の制御された環境１４０は金属が火災の危険
をもつのを防止する環境を与える。代表的には、希ガス
または窒素が雰囲気の制御された環境１４０に用いるの
に適当である。このようなガスは通常本発明の範囲内の
金属および合金のほとんどと非反応性であるからであ
る。たとえば、低コストガスである窒素は、過剰な窒化
を受けやすい金属および合金以外なら、雰囲気の制御さ
れた環境１４０に使用できる。また、金属が銅である場
合には、雰囲気の制御された環境１４０は窒素、アルゴ
ンまたはこれらの混合物とすることができる。金属がニ
ッケルまたは鋼である場合には、雰囲気の制御された環
境１４０は窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とする
ことができる。

【００３６】ストリーム５６は冷却ゾーン１４４を通過
する。冷却ゾーン１４４は、エレクトロスラグ精錬シス
テム１の底部とモールド１４６により支持された金属鋳
造物１４５の上面１５０との距離により規定される。冷
却ゾーン１４４の距離は、ストリーム５６が冷却ゾーン
１４４を通過し、金属鋳造物の上面１５０に衝突する時
までに、ストリーム５６のある体積分率部分を凝固する
のに十分な長さである。ストリーム５６の凝固した部分
（以下「固体体積分率部分」という）は、モールド内で
の液体流れ特性が本質的に失われる粘度変曲点まで、モ
ールド１４６内での粗いデンドライト成長を阻止するの
に十分である。

【００３７】さらに、モールド１４６は図１に破線で示
すように一体の単体モールドから構成することができ
る。あるいは、モールド１４６の側壁から取り外しでき
る引込式ベース２４６を含む取外しモールドからモール
ドを構成してもよい。本発明の以下の説明は具体的なモ
ールドとして取外しモールドに言及するが、これはいか
なる意味でも本発明を限定するものではない。引込式ベ
ース２４６をシャフト２４１に連結し、ベースを側壁か
ら矢印２４２の方向に移動することができる。さらに、
シャフト２４１により引込式ベース２４６を矢印２４３
の方向に回転して、後述するように液相線部分１４８の
表面部分を次々と固体金属粒子添加システム２００に提
示することができる。

【００３８】ストリーム５６をモールド１４６に供給し
モールド内で収集する。固体体積分率部分が粘度変曲点
より小さいと、液体ストリーム５６は主として液体とし
て作用し、液体はモールドの形状に合致するのに十分な
流動度を示す。一般に、粘度変曲点を規定する固体体積
分率部分の上限は約４０容量％以下である。たとえば、
固体体積分率部分は約５〜４０容量％の範囲にあり、固
体体積分率部分が約１５〜３０容量％の範囲にあると粘
度変曲点に悪影響しない。

【００３９】ストリーム５６は、モールド１４６内の鋳
造物の表面１５０に位置する液相線部分１４８内に乱流
ゾーンを生成する。液相線部分１４８はモールド１４６
内に約０．００５〜１．０インチの範囲の深さを有す
る。液相線部分１４８の深さは、鋳造システム３の種々
のファクタ、たとえばストリーム速度、冷却ゾーン１４
４の長さ、ストリーム温度および液滴寸法（これらに限
らない））に依存する。本発明の範囲内の液相線部分１
４８はたとえば、モールド内の深さが約０．２５〜約
０．５０インチである。一般に、モールド１４６内の液
相線部分１４８は、金属が主として液体特性を示す鋳造
物１４５の領域より大きくてはいけない。

【００４０】前述したように、固体金属粒子添加システ
ム２００は固体金属粒子２１０を鋳造物１４５の液相線
部分１４８の表面に添加する。固体金属粒子２１０は金
属粉末から形成でき、金属の凝固の際の核として作用す
る。固体金属粒子添加システム２００は、鋳造システム
３に添加することのできる固体金属粒子２１０の供給源
（ソース）２０１を備える。さらに固体金属粒子添加シ
ステム２００は、雰囲気の制御された環境１４０内で固
体金属粒子２１０を鋳造物１４５の液相線部分１４８に
添加することができる。固体金属粒子添加システム２０
０の具体的な形状を以下に図５および図６と関連して説
明するが、このような形状に限定されない。たとえば、
本発明を限定するものではないが、固体金属粒子添加シ
ステム２００は、その全体が雰囲気の制御された環境１
４０内に存在することができ、あるいはその一部が雰囲
気の制御された環境１４０内に存在して、固体金属粒子
２１０を雰囲気の制御された環境１４０の外側から雰囲
気の制御された環境１４０の内側に移送する構成として
もよい。図５および図６では、図示の都合上、閉じられ
た雰囲気の制御された環境１４０を示していない。

【００４１】固体金属粒子添加システム２００は固体金
属粒子２１０を鋳造物１４５の液相線部分１４８に添加
し、これらの固体金属粒子２１０は液体金属の凝固のた
めの核として作用する。固体金属粒子２１０はどのよう
な適当なソース２０１から形成することができる。ソー
ス２０１は雰囲気の制御された環境１４０内に位置する
か、あるいは雰囲気の制御された環境１４０外に位置し
て、雰囲気の制御された環境１４０の内部と連通し、固
体金属粒子２１０を鋳造物１４５の液相線部分１４８に
添加するのを可能にする。

【００４２】前述したように、ソース２０１は固体金属
粒子２１０を液相線部分１４８に添加できるものであれ
ば、どのようなソースでもよい。たとえば、図５に示す
ように、固体金属粒子ソース２０１は、固体金属粒子２
１０を生成する噴霧またはアトマイジング装置２５０
（図５）を備える。図示のアトマイジング装置２５０
は、固体金属粒子２１０を生成することのできる当業界
で周知のアトマイジング装置の一例である。図５におい
て、アトマイジング装置２５０は破砕（ディスラプショ
ン）装置２５２を含み、これにより固体金属粒子を液相
線部分１４８に分散させることができる。破砕装置２５
２は少なくとも１つのガス噴射オリフィス２５１を含
む。噴射オリフィス２５１は、ソース２０１から配管２
０２を通して破砕位置２５２に送られた金属にガスジェ
ットを噴射することができる。こうしてアトマイジング
装置２５０により、鋳造物１４５の液相線部分１４８に
供給すべき固体金属粒子２１０を生成することができ
る。

【００４３】あるいはまた、ソース２０１は、容器（レ
セプタクル）を主体とする固体金属粒子添加システム２
６０を備えることができる。容器を主体とする固体金属
粒子添加システム２６０では、図６に示すように、容器
２６１に固体金属粒子２１０を供給する。容器２６１内
の固体金属粒子２１０を配管２０２を通して鋳造物１４
５の液相線部分１４８に供給することができ、こうして
固体金属粒子２１０を液相線部分１４８の表面上に散布
する。容器２６１には固体金属粒子を任意適当な態様で
補給することができる。容器を主体とする固体金属粒子
添加システム２６０における固体金属粒子２１０は配管
２０２を出ることで、液相線部分１４８の表面１５０上
に分散させることができる。あるいはまた、容器を主体
とする固体金属粒子添加システム２６０に、分散促進系
を設けて、固体金属粒子２１０を液相線部分１４８の表
面上にさらに分散させることができる。たとえば、本発
明を限定するものではないが、分散促進系として、振動
分散促進装置、ガスジェット分散促進装置、磁気分散促
進装置、シェーカー分散促進装置など、配管からの固体
金属粒子２１０を鋳造物１４５の液相線部分１４８の上
に分散させる装置の少なくとも１つを設けることができ
る。

【００４４】固体金属粒子添加システム２００は、固体
金属粒子２１０のソース２０１の性質に関わりなく、液
相線部分１４８の表面上への固体金属粒子２１０の分散
を促進する種々の形状とすることができる。たとえば、
固体金属粒子のソース２０１を回転式ソースとして設け
ることができる。回転式ソースは鋳造システム３のまわ
りで、たとえば矢印２７０の方向に回転する。こうすれ
ば、固体金属粒子２１０は、固体金属粒子添加システム
２００から出て、鋳造物１４５の液相線部分１４８の広
い部分に案内、分散させることができる。あるいはま
た、固体金属粒子添加システム２００は、円弧状形状２
８０として、固体金属粒子が固体金属粒子添加システム
２００から出て、液相線部分１４８に向けられる際に、
固体金属粒子の分散を必然的に伴うようにすることがで
きる。

【００４５】さらに、固体金属粒子添加システム２００
は、複数のソースを設けて、固体金属粒子を液相線部分
１４８に供給することができる。あるいはまた、固体金
属粒子添加システム２００は、鋳造システム３のまわり
の異なる位置まで延在する複数の配管２０２を設けるこ
とができ、これらの配管２０２により固体金属粒子を鋳
造物１４５の液相線部分１４８に供給する。これらの配
管に、本発明の実施態様として説明した固体金属粒子を
分散する分散促進装置のいずれかを設けることができ
る。

【００４６】上述した固体金属粒子添加システム２００
および鋳造システム３のいくつかの特徴は個別に用いる
ことができる。あるいはまた、上述した固体金属粒子添
加システム２００および鋳造システム３のいくつかの特
徴を組み合わせて用いて、液相線部分１４８への（金属
の凝固の際の核として作用する）固体金属粒子２１０の
分散をさらに促進することができる。

【００４７】代表的には、ストリーム５６および固体金
属粒子がモールドに入るときに、液相線部分１４８の粘
度が低く、この低い粘度によりガス同伴混入が抑えら
れ、その結果鋳造物に生じる気孔が最小限に抑えられ
る。液相線部分１４８において固体である固体体積分率
部分が約５０体積％以下であると、鋳造物におけるガス
同伴混入が抑制される。たとえば、固体体積分率部分が
約５〜４０体積％の範囲にあると、鋳造物におけるガス
同伴混合が最小限になる。

【００４８】モールド１４６は、モールド１４６の壁を
通しての伝熱および鋳造物の上面１５０からの対流によ
り鋳造物から熱を抽出する。液相線部分１４８は、液相
線部分１４８の固有の乱流特性により鋳造物の熱勾配を
小さくする。熱勾配の低下は、固体金属粒子の添加によ
る核生成の促進と相まって、鋳造物の熱間亀裂やデンド
ライト粗粒化（いずれも鋳造物にとって望ましくない）
を低減する。

【００４９】熱を鋳造物１４５から抽出して凝固を完了
し、鋳物を形成する。鋳造物１４５内に十分な数の核を
形成できるので、凝固時には、微細な等軸なミクロ組織
１４９が鋳造物またその結果得られる物品内に形成され
る。本発明の実施態様である鋳造方法により、気孔率や
熱間加工亀裂が低下するか、ほとんどなくなる。

【００５０】モールド１４６は、鋳造用途の適当な材
料、たとえば黒鉛、鋳鉄または銅（これらに限定されな
い）で形成することができる。黒鉛は機械加工が比較的
簡単で、熱除去の目的に満足な熱伝導性を有するので、
モールド１４６の材料として適当である。冷却材を循環
させる冷却コイルをモールドに埋設してモールド１４６
を通しての熱の除去を効果的にすることができる。本発
明の範囲には、当業界で周知の他のモールド冷却手段も
含まれる。半固体金属が既に部分的に凝固しているの
で、本発明の実施例におけるモールド１４６は、従来の
モールドほどの熱的保護を必要としない。したがって、
半固体金属からは一部の熱が既に除去されて金属を部分
的に凝固させているので、完全に液体金属から形成する
従来の鋳造物と比較して、半固体金属がモールド内にあ
るときに除去しなければならない熱の量は少ない。熱の
除去が少なくなれば、モールド１４６に熱的に誘引され
るひずみを少なくでき、そしてこのことから鋳造物から
の熱除去速度が均一になり、鋳造物の均一性と均質性が
向上する。

【００５１】モールド１４６に金属が充満するにつれ
て、その上面１５０が破砕サイト１３４に近づき、冷却
ゾーン１４４が狭まる。エレクトロスラグ精錬システム
１またはモールド１４６の少なくとも一方を可動サポー
ト上に装着し、一定速度で遠ざけ、冷却ゾーン１４４の
長さを一定に維持するのがよい。こうすれば、金属にほ
ぼ一定な固体体積分率部分が形成される。核生成鋳造シ
ステム２にバッフル１５２を設けて、雰囲気の制御され
た環境１４０をエレクトロスラグ精錬システム１からモ
ールド１４６まで延長するのがよい。バッフル１５２は
部分的に溶融した金属の酸化を防止し、雰囲気の制御さ
れた環境１４０のガスを保存することができる。

【００５２】鋳造システム３は、望ましくないデンドラ
イト成長を阻止し、形成される鋳造物および物品の凝固
収縮気孔（率）を低減し、鋳造中およびその後の鋳造物
の熱間加工中いずれでも熱間亀裂を低減する。さらに、
鋳造システム３は、鋳造物に均一な等軸組織を生成し、
このことは、鋳造時のモールドのひずみを最小限に抑
え、モールド内の鋳造物の凝固中の熱伝導を制御し、核
生成を制御した結果である。鋳造システム３による鋳造
物は、従来の鋳造物と比較して、延性および破壊靱性が
高い。

【００５３】図７に、固体金属粒子添加システム３００
を有する鋳造システムの別の例を示す。ここで本発明を
構成する同様の要素には、前述した鋳造システムで用い
たのと同じ参照符号を付してある。図７では、後述する
破砕サイト１３４により形成されるスプレー１３８に粉
末を添加する。図７に示す固体金属粒子添加システム３
００は、固体金属粒子３１０を破砕サイト１３４でスプ
レー１３８に導入する固体金属粒子添加システム３００
である。固体金属粒子添加システム３００は、固体金属
粒子のソース３０１、ソース３０１からの金属を分散装
置３０４に供給する配管３０２および固体金属粒子を形
成する分散装置３０４を備える。固体金属粒子のソース
３０１は、固体金属粒子３１０を添加できるものであれ
ばどのようなソースでもよい。たとえば、本発明を限定
するものではないが、固体金属粒子ソース３０１は、固
体金属粉末を生成するアトマイジング装置、適当な装置
により供給される固体金属粒子を受け入れる容器、その
他の固体金属粒子添加システムを包含することができ
る。分散システム３０４により固体金属粒子３１０を固
体金属粒子添加システム３００から出す。

【００５４】破砕サイト１３４は、エレクトロスラグ精
錬システム１からストリーム５６を受け取るように配置
されている。破砕サイト１３４はストリーム５６を多数
の溶融金属液滴１３８に変換する。ストリーム５６を、
液滴１３８の望ましくない激しい酸化を防止するのに十
分な雰囲気の制御された環境１４０に置いた破砕サイト
１３４に供給する。雰囲気の制御された環境１４０は、
ストリーム５６の金属と反応しない任意のガスまたは混
合ガスを含有すればよい。たとえばストリーム５６がア
ルミニウムまたはマグネシウムである場合、雰囲気の制
御された環境１４０は液滴１３８が火災の危険をもつの
を防止する環境を与える。代表的には、希ガスまたは窒
素が雰囲気の制御された環境１４０に用いるのに適当で
ある。このようなガスは通常本発明の範囲内の金属およ
び合金のほとんどと非反応性であるからである。たとえ
ば、低コストガスである窒素は、過剰な窒化を受けやす
い金属および合金以外なら、雰囲気の制御された環境１
４０に使用できる。また、金属が銅である場合には、雰
囲気の制御された環境１４０は窒素、アルゴンまたはこ
れらの混合物とすることができる。金属がニッケルまた
は鋼である場合には、雰囲気の制御された環境１４０は
窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とすることができ
る。

【００５５】破砕サイト１３４は、ストリーム５６を液
滴１３８に変換するのに適当な装置ならいずれでもよ
い。たとえば破砕サイト１３４は、ストリーム５６を１
つ以上のジェット１４２で包囲するガスアトマイザとす
ることができる。ストリーム５６に衝突するジェット１
４２からのガスの流れを制御し、こうして液滴１３８の
寸法と速度を制御することができる。本発明の範囲内に
入る別の微粒化（アトマイジング）装置として、高圧噴
霧ガスがあり、ガスの流れを用いて雰囲気の制御された
環境１４０を形成する。雰囲気の制御された環境１４０
のガスの流れが金属ストリーム５６に衝突し、金属スト
リーム５６を液滴１３８に変換することができる。別の
流れ破砕方式としては、２枚の電極をＤＣ電源に接続
し、磁石を電界に垂直になるように配置し、２枚の電極
間の狭いギャップにストリーム５６が流れる磁気流体ア
トマイゼーション（微粒化）や、機械式流れ破砕装置が
ある。

【００５６】液滴１３８は破砕サイト１３４から下向き
に散布され（図７参照）、末広がりのコーン形状を形成
する。液滴１３８は、破砕サイト１３４とモールド１４
６により支持された金属鋳造物の上面１５０との間に画
定された冷却ゾーン１４４を横断する。冷却ゾーン１４
４の長さは、液滴が冷却ゾーン１４４を横断し金属鋳造
物の上面１５０にぶつかる時までに液滴のある体積分率
部分を凝固させるのに十分である。凝固する液滴１３８
の部分（以下「固体体積分率部分」という）は、モール
ド１４６内で液体流れ特性が本質的に失われる粘度変曲
点まで、モールド１４６内での粗いデンドライト成長を
阻止するのに十分である。

【００５７】部分的に溶融しており、部分的に凝固して
いる金属液滴（以下「半固体液滴」という）がモールド
１４６内に集まる。半固体液滴は、固体体積分率部分が
粘度変曲点未満であれば液体のように振る舞い、そして
半固体液滴はモールドの形状に順応する十分な流動度を
呈する。一般に、粘度変曲点を規定する固体体積分率部
分の上限は約４０容量％以下である。固体体積分率部分
はたとえば約５〜４０容量％の範囲にあり、約１５〜３
０容量％の範囲の固体体積分率部分は粘度変曲点に悪影
響しない。

【００５８】液滴１３８のスプレーはモールド１４６内
の鋳物の表面に乱流ゾーン１４８を生成する。乱流ゾー
ン１４８はモールド１４６内に約０．００５〜１．０イ
ンチの範囲の適当な深さを有することができる。乱流ゾ
ーン１４８の深さは清浄な金属核生成鋳造システム３の
種々の要因、たとえば噴霧ガス速度、液滴速度、冷却ゾ
ーン１４４の長さ、ストリーム温度および液滴寸法など
に依存する。本発明の範囲内の乱流ゾーン１４８は、た
とえばモールド内での深さが約０．２５〜０．５０イン
チの範囲である。通常モールド１４６内の乱流ゾーン１
４８は、金属が主として液体特性を示す鋳造物の領域よ
り大きくてはいけない。

【００５９】代表的には、乱流ゾーン１４８における低
い粘度によりガスの混入を低減し、その結果鋳造物内に
できる気孔を最小限に抑える。乱流ゾーン１４８で固体
である液滴の固体体積分率部分が平均約５０容量％以下
であれば、鋳造物へのガスの混入が最小限に抑えられ
る。たとえば乱流ゾーン１４８で固体である液滴の固体
体積分率部分が平均約５〜４０容量％の範囲にあれば、
鋳造物へのガスの混入が最小限に抑えられる。

【００６０】固体金属粒子添加システム３００は、たと
えばガスと固体金属粒子とを１つ以上のジェット１４２
内で組み合わせることにより、噴霧を生成するガスとと
もに固体金属粒子を添加することができる。あるいは、
固体金属粒子添加システム３００は、たとえば噴霧を形
成し終わってから固体金属粒子を噴霧１３８に添加する
別の通路３１１によって、固体金属粒子を噴霧を生成す
るガスとは別々に添加することができる。さらに別の態
様として、固体金属粒子添加システム３００は、固体金
属粒子を噴霧を生成するガスとともにおよびまた別の通
路を通して添加することができる。

【００６１】以上、本発明の種々の実施態様を説明した
が、当業者にはこれらの構成要素の種々の組合せや、そ
の変更、改変が可能であり、そのような例も本発明の要
旨の範囲内に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施態様による、粉末添加を伴う鋳
造システムの線図である。

【図２】図１に示した鋳造システムのエレクトロスラグ
精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。

【図３】エレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部
分的縦断面図である。

【図４】鋳造物を製造する鋳造システムのエレクトロス
ラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。

【図５】本発明の１実施態様による、鋳造システム用の
固体金属粒子添加システムの部分的断面図である。

【図６】本発明の１実施態様による、鋳造システム用の
固体金属粒子添加システムの部分的断面図である。

【図７】本発明の別の実施態様による、粉末添加を伴う
鋳造システムの線図である。

フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・トーマス・カーター，ジュニ ア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ゴール ウェイ、パース・ロード、1949番 (72)発明者 ロバート・ジョン・ザバラ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、テリー・アベニュー、39番 (72)発明者 ブルース・アラン・クヌドセン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、アムス テルダム、ベルファンス・ロード、238番

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 精錬された液体金属を受け取る液相線部
   分と凝固部分とを有し、さらに本質的に酸化物および硫
   化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミ
   クロ組織を有する鋳造物を形成する、固体金属粒子の添
   加（２０）を伴う鋳造システム（３）において、 精錬により金属から酸化物および硫化物を除去した精錬
   された液体金属のソース（１）と、 前記鋳造物の液相線部分の表面に固体金属粒子を添加す
   る固体金属粒子添加システム（２００）と、 鋳造物を形成する核生成鋳造システム（２）とを備え、 前記核生成鋳造システムは、精錬された液化金属を受け
   取って、本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析
   欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する鋳造
   物を形成し、 前記固体金属粒子添加システムは、鋳造物の凝固時に核
   生成中心として作用する固体金属粒子を添加する、鋳造
   システム。
2. 【請求項２】 前記精錬された液体金属のソースがエレ
   クトロスラグ精錬システム（２）を備える、請求項１に
   記載の鋳造システム。
3. 【請求項３】 前記エレクトロスラグ精錬システム
   （２）は、 精錬された液体金属のソースをエレクトロスラグ精錬
   し、溶融スラグを生成するよう構成されたエレクトロス
   ラグ精錬構造（３０）と、 精錬された溶融金属を溶融スラグの下側に保持し、コー
   ルドハース構造内に精錬された溶融金属を与えるコール
   ドハース構造（４０）と、 エレクトロスラグ精錬構造中に挿入され、エレクトロス
   ラグ精錬構造内の溶融スラグと接触させられて精錬液体
   金属のソースを形成する、原料金属のソース（２４）
   と、 原料金属のソースをエレクトロスラグ精錬する電力を回
   路に供給する構成の電力源（７０）であって、前記回路
   は電力源と、原料金属のソースと、溶融スラグと、エレ
   クトロスラグ精錬構造とからなり、電力は原料金属のソ
   ースが溶融スラグに接触するところで原料金属のソース
   を抵抗加熱溶融し精錬された液体金属の溶融液滴を形成
   するのに十分である、電力源（７０）と、 溶融液滴が溶融スラグを通して落下するのを許す出口
   と、 溶融液滴が溶融スラグを通過した後これらの溶融液滴
   を、エレクトロスラグ精錬構造直下のコールドハース構
   造内で精錬液体金属本体として収集するコレクタと、 コールドハース構造の下方部分にオリフィスを有するコ
   ールドフィンガオリフィス構造（８０）であって、コー
   ルドハースオリフィス構造に集まるエレクトロスラグ精
   錬金属をコールドフィンガオリフィス構造のオリフィス
   を通して排出する、コールドフィンガオリフィス構造
   （８０）とを備える、請求項２に記載の鋳造システム。
4. 【請求項４】 金属ソースがニッケル基、コバルト基、
   チタン基および鉄基金属から選ばれる少なくとも１種の
   合金を含み、鋳造プロセスにより形成した鋳造物がニッ
   ケル基、コバルト基、チタン基および鉄基金属の少なく
   とも１種を含む、請求項３に記載の鋳造システム。
5. 【請求項５】 金属ソースを精錬構造中に進入させる速
   度がインゴットの下端が抵抗加熱溶融により溶融される
   速度に一致する、請求項３に記載の鋳造システム。
6. 【請求項６】 オリフィスが溶融金属のストリーム（５
   ６）を形成する、請求項３に記載の鋳造システム。
7. 【請求項７】 エレクトロスラグ精錬構造およびコール
   ドハース構造が同一構造物の上部と下部である、請求項
   ３に記載の鋳造システム。
8. 【請求項８】 電力源が精錬液体金属内に形成された回
   路を含む、請求項３に記載の鋳造システム。
9. 【請求項９】 オリフィスが抵抗加熱溶融速度にほぼ等
   しい排出速度を確立する、請求項３に記載の鋳造システ
   ム。
10. 【請求項１０】 核生成鋳造システムはさらに、金属ソ
    ースからの金属を収集し凝固させるモールド（１４６）
    を備え、モールドの上表面に乱流ゾーンを発生し、乱流
    ゾーンが平均で約５０容量％以下凝固される、請求項１
    に記載の鋳造システム。
11. 【請求項１１】 乱流ゾーンが平均で約５〜４０容量％
    凝固される、請求項１０に記載の鋳造システム。
12. 【請求項１２】 鋳造物が鋳物、インゴットおよびプレ
    ホームの少なくとも１つである、請求項１に記載の鋳造
    システム。
13. 【請求項１３】 鋳造物がニッケル基、コバルト基、チ
    タン基および鉄基金属の少なくとも１種を含む、請求項
    １に記載の鋳造システム。
14. 【請求項１４】 鋳造物がタービン構成部品の用途に使
    用できる、請求項１に記載の鋳造システム。
15. 【請求項１５】 精錬液体金属ソースが消耗電極（２
    ４）、粉末金属ソースおよび溶融金属ソースから選ばれ
    る少なくとも１種である、請求項１に記載の鋳造システ
    ム。
16. 【請求項１６】 固体金属粒子添加システム（２００）
    は、少なくとも１つの固体金属粒子ソース（２０１）
    と、固体金属粒子を固体金属粒子添加システムから排出
    して鋳造物に供給する少なくとも１つの分散システム
    （２０４）とを含む、請求項１に記載の鋳造システム。
17. 【請求項１７】 鋳造システムが雰囲気の制御された環
    境（１４０）を含み、固体金属粒子添加システム（２０
    ０）がこの雰囲気の制御された環境内に位置する、請求
    項１に記載の鋳造システム。
18. 【請求項１８】 鋳造システムが雰囲気の制御された環
    境（１４０）を含み、固体金属粒子添加システム（２０
    ０）の一部がこの雰囲気の制御された環境内に位置す
    る、請求項１に記載の鋳造システム。
19. 【請求項１９】 固体金属粒子添加システム（２００）
    が固体金属粒子ソースを含み、この固体金属粒子ソース
    の一部が雰囲気の制御された環境内に位置する、請求項
    １に記載の鋳造システム。
20. 【請求項２０】 固体金属粒子添加システム（２００）
    が固体金属粒子ソースを含み、この固体金属粒子ソース
    の一部が雰囲気の制御された環境内に位置する、請求項
    １に記載の鋳造システム。
21. 【請求項２１】 固体金属粒子ソースが液化された金属
    から固体金属粒子を形成するアトマイゼーション装置を
    含み、固体金属粒子をこのアトマイゼーション装置から
    鋳造物に供給する、請求項２０に記載の鋳造システム。
22. 【請求項２２】 固体金属粒子ソースが固体金属粒子を
    含有する容器（２０１）を含み、固体金属粒子をこの容
    器から鋳造物に供給する、請求項２０に記載の鋳造シス
    テム。
23. 【請求項２３】 固体金属粒子ソースが、固体金属粒子
    を鋳造物に供給する回転式固体金属粒子ソースを含む、
    請求項２０に記載の鋳造システム。
24. 【請求項２４】 固体金属粒子ソースが、固体金属粒子
    を鋳造物に供給する円弧状形状（２８０）を含む、請求
    項２０に記載の鋳造システム。
25. 【請求項２５】 固体金属粒子添加システムが、鋳造物
    の液相線部分への固体金属粒子の添加を容易にする少な
    くとも１つの分散促進装置を含む、請求項１に記載の鋳
    造システム。
26. 【請求項２６】 分散促進装置が、振動分散促進装置、
    ガスジェット分散促進装置、磁気分散促進装置、シェー
    カー分散促進装置およびこれらの組合せから選ばれる少
    なくとも１つである、請求項２３に記載の鋳造システ
    ム。
27. 【請求項２７】 鋳造方法により形成される鋳造物に固
    体金属粒子を添加することを伴う鋳造方法において、鋳
    造物は精錬された液体金属を受け取る液相線部分と凝固
    部分とを有し、さらに本質的に酸化物および硫化物を含
    有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織
    を有し、前記鋳造方法は、 精錬により金属から酸化物および硫化物を除去した精錬
    された液体金属のソース（１）を用意し、 精錬された液体金属のソースを核生成鋳造システム
    （２）に供給し、 核生成鋳造システム（２）における核生成鋳造により、
    液相線部分（１４５）および凝固部分（１４５）を含む
    鋳造物（１４５）を形成し、 液相線部分の表面（１５０）に固体金属粒子（２１０）
    を添加する工程を含み、 前記固体金属粒子は凝固時に核生成中心として作用す
    る、 鋳造方法。
28. 【請求項２８】 精錬液体金属ソースを用意する工程が
    エレクトロスラグ精錬を含み、このエレクトロスラグ精
    錬工程は、 精錬すべき精錬液体金属のソース（２４）を設け、 精錬液体金属ソースのエレクトロスラグ精錬に適当なエ
    レクトロスラグ精錬構造（３０）を設け、溶融スラグを
    容器中に与え、 精錬された溶融金属を溶融スラグの下側に保持するコー
    ルドハース構造（４０）を設け、精錬された溶融金属を
    コールドハース構造内に与え、 精錬液体金属ソースをエレクトロスラグ精錬構造内に挿
    入し、かつエレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグと
    接触するように装填し、 電力を供給する電源（７０）を設け、 電源、金属ソース、溶融スラグおよびエレクトロスラグ
    精錬構造を含む回路に、精錬液体金属ソースをエレクト
    ロスラグ精錬して溶融液滴の形態の精錬液体金属を形成
    するため電力を供給し、 金属ソースが溶融スラグと接触するところで金属ソース
    を抵抗加熱溶融し、溶融金属の液滴を形成し、 溶融液滴を溶融スラグ中に落下させ、 溶融液滴が溶融スラグ中を通過した後、溶融液滴をエレ
    クトロスラグ精錬構造直下のコールドハース構造内で精
    錬液体金属本体として収集し、 コールドハース構造の下方部分にオリフィスを有するコ
    ールドフィンガオリフィス構造（８０）を設け、 コールドハースオリフィス構造に集まるエレクトロスラ
    グ精錬された金属をコールドフィンガオリフィス構造の
    オリフィスを通して排出する工程を含む、請求項２７に
    記載の方法。
29. 【請求項２９】 精錬液体金属ソースがニッケル基、コ
    バルト基、チタン基および鉄基金属から選ばれる少なく
    とも１種の合金を含み、核生成鋳造方法により形成した
    鋳造物がニッケル基、コバルト基、チタン基および鉄基
    金属の少なくとも１種を含む、請求項２８に記載の方
    法。
30. 【請求項３０】 精錬液体金属ソースを精錬構造中に進
    入させる速度が抵抗加熱溶融の速度に一致する、請求項
    ２８に記載の方法。
31. 【請求項３１】 排出工程が溶融金属のストリーム（５
    ６）を形成する工程を含む、請求項２８に記載の方法。
32. 【請求項３２】 エレクトロスラグ精錬構造およびコー
    ルドハース構造が同一構造物の上部と下部である、請求
    項２８に記載の方法。
33. 【請求項３３】 電力供給工程が精錬液体金属内に回路
    を形成する工程を含む、請求項２８に記載の方法。
34. 【請求項３４】 排出工程が抵抗加熱溶融速度にほぼ等
    しい排出速度を確立する、請求項２８に記載の方法。
35. 【請求項３５】 鋳造物を形成する工程はさらに、 精錬液体金属のストリーム（５６）を形成する工程と、
    モールド（１４６）内でストリームを収集して凝固さ
    せ、核生成鋳造工程により鋳造物を形成する工程を含
    み、 この際ストリームによりモールドの上表面に乱流ゾーン
    を発生し、収集凝固工程が平均でストリームの約５０容
    量％以下を凝固させる、請求項２８に記載の方法。
36. 【請求項３６】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、 ソース（２００）からの固体金属粒子を添加する工程
    と、固体金属粒子を鋳造物に供給できる分散システム
    （２０４）で固体金属粒子を分散させる工程とを含む、
    請求項２７に記載の方法。
37. 【請求項３７】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、雰囲気の制御された環境（１４０）内で
    固体金属粒子を添加する工程を含む、請求項２７に記載
    の方法。
38. 【請求項３８】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、アトマイゼイション装置で液化金属から
    固体金属粒子を形成する工程を含む、請求項２７に記載
    の方法。
39. 【請求項３９】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、固体金属粒子を容器から鋳造物に供給す
    る工程を含む、請求項２７に記載の方法。
40. 【請求項４０】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、固体金属粒子ソースを回転して固体金属
    粒子を鋳造物の液相線部分の表面上に添加する工程を含
    む、請求項２７に記載の方法。
41. 【請求項４１】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、固体金属粒子を鋳造物の液相線部分に分
    散する工程を含む、請求項２７に記載の方法。
42. 【請求項４２】 固体金属粒子を液相線部分の表面に添
    加する工程は、さらに振動、ガスジェットでの分散、磁
    石での分散、シェイキングおよびこれらの組合せのいず
    れかにより鋳造物の液相線部分への固体金属粒子の分散
    を促進する工程を含む、請求項４１に記載の方法。