JP2005527375A - Dimensionally high precision casting method and apparatus for parts from non-ferrous metal alloys and non-ferrous metal alloys for carrying out this method - Google Patents
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Abstract
エンジン構造等で使用するための非鉄金属合金からなる部品の寸法的に高精度な鋳造を行うための方法は、各場合において製造されるべき部品の外部形状に対応する複数の鋳造型(22)を使用する遠心鋳造方法を使用して、使用される合金について比較的に非反応性を有し、流体力学的に最適化されるランナ・チャンネル(14)を介して鋳造型に溶解物が送られ、鋳造型は、同様にランナ・ロケーティング(19)で流体力学的に最適化され、回転可能に取り付けられたランナ装置(11)に対し3次元的に調整可能に配置され、鋳造工程中に温度管理の目的のために全体が誘導的に加熱される(30)ことが可能で、これらすべては、鋳造型が図1の溶解物に加えられる遠心力のコリオリ力によってキャビティを有することなく完全に均一に充填されるような方法で配置される。A method for highly dimensionally casting a part made of a non-ferrous metal alloy for use in an engine structure or the like includes a plurality of casting dies (22) corresponding to the external shape of the part to be manufactured in each case. Using a centrifugal casting method that uses a melt, the melt is delivered to the casting mold via a runner channel (14) that is relatively non-reactive for the alloy used and is hydrodynamically optimized. The casting mold is also hydrodynamically optimized with runner locating (19) and is arranged in a three-dimensionally adjustable manner relative to a rotatably mounted runner device (11) during the casting process. The whole can be inductively heated (30) for the purpose of temperature control, all without the cavity having a cavity due to the Coriolis force of the centrifugal force applied to the melt of FIG. completely It is arranged in such a way as to fill one.
Description
特に、タービン工学の分野で使用される非鉄金属合金、好ましくは、TiAl製の部品の精密な鋳造は、高価で困難である。なぜならば、加熱および鋳造工程中の金属から合金成分が蒸発し、鋳造工程に悪影響を有する境界層が形成され、鋳造キャビティが形成される危険性があり、合金微小構造の不安定化を招く危険があるからである。このような状況において、実際の鋳造工程に必要な時間は、溶解物を加熱するために必要とされる時間と比較してごくわずかであることを計算にいれなければならない。 In particular, precise casting of parts made of non-ferrous metal alloys, preferably TiAl, used in the field of turbine engineering is expensive and difficult. This is because the alloy components evaporate from the metal during the heating and casting process, there is a risk that a boundary layer having a negative effect on the casting process is formed, a casting cavity is formed, and the alloy microstructure is destabilized. Because there is. In this situation, it must be calculated that the time required for the actual casting process is negligible compared to the time required to heat the melt.
したがって、精密な鋳造によってつくられるこのタイプの部品は、HIPとして知られる工程によって連続的に処理され、すなわち、鋳造キャビティが、Hot Isostatic Pressing(熱間等方圧加圧工程)によってコンパクト化される必要があり、鋳造によって生じる部品の微細構造は、連続的な熱処理によって安定化されなければならない。 Thus, this type of part made by precision casting is continuously processed by a process known as HIP, ie the casting cavity is compacted by Hot Isostatic Pressing. The microstructure of the parts that must be produced by casting must be stabilized by continuous heat treatment.
したがって、この方法によって製造すべき部品の所定の材料仕様に従うことは非常に高価であり、高いスクラップ発生率を避けることができない。 Therefore, following the predetermined material specifications of the parts to be produced by this method is very expensive and a high scrap rate cannot be avoided.
これは本発明が介在する部分であり、本発明の目的は、特に精密鋳造によってタービン工学の分野に使用される非鉄金属からの部品の製造を著しく改良することである。 This is an intervening part of the present invention and the object of the present invention is to significantly improve the production of parts from non-ferrous metals used in the field of turbine engineering, in particular by precision casting.
鋳造装置の一部が回転する結果、遠心力が溶解物の成形、成型殻充填および結晶化に影響する、公知の遠心鋳造処理に鑑みて、この目的は、本発明によれば、各場合において製造されるべき部品の外形に対応し、加熱された成型殻を有する鋳造型を使用して、加速力および回転中に生じるコリオリの力および溶解物に加えられる遠心力によって前記鋳造型が完全に充填されるような方法で、加熱されたランナ装置を介して前記鋳造型に溶解物が供給される、寸法的に高精度な鋳造方法によって達成される。 In view of the known centrifugal casting process, in which the centrifugal force affects the molding of the melt, the filling of the molded shell and the crystallization as a result of the rotation of a part of the casting apparatus, this object is Using a casting mold with a heated molding shell that corresponds to the outer shape of the part to be manufactured, the casting mold is completely removed by acceleration forces and Coriolis forces generated during rotation and centrifugal forces applied to the melt. This is achieved by a dimensionally accurate casting method in which the melt is fed to the casting mold via a heated runner device in such a way that it is filled.
本発明の他の特徴によれば、ランナ装置において、鋳造工程において前記溶解物は、重力によって決定された流れの方向に対して遠心力によってほぼ30°から180°の範囲で転向され、前記鋳造型に流れ込む際に、コリオリの力によって前記鋳造型を均一に充填するように作用する。 According to another feature of the invention, in the runner apparatus, in the casting process, the melt is turned in a range of approximately 30 ° to 180 ° by centrifugal force with respect to the direction of flow determined by gravity, When flowing into the mold, the casting mold is uniformly filled by Coriolis force.
本発明の他の特徴によれば、加熱されたランナ装置および加熱された鋳造型は、所定の処理温度で維持され、この処理温度は、精密な鋳造による製造のために使用される非鉄金属合金に対応し、この合金の流れる能力を維持し、前記非鉄金属合金の融点以上で好ましくは、10℃から200℃である。 According to another feature of the invention, the heated runner device and the heated casting mold are maintained at a predetermined processing temperature, which is a non-ferrous metal alloy used for manufacturing by precision casting. The melting ability of the non-ferrous metal alloy is preferably maintained at 10 ° C. to 200 ° C.
本発明による方法は、多数の利点を含む。 The method according to the invention includes a number of advantages.
驚くべき事に、本発明による処理は、溶解物の蒸発率を低下させるという事実が分かった。ランナ装置がコリオリ力を利用するために流体力学的に最適化されるという事実は、溶解物で実現することができる孔隙の寸法の減少によって鋳造物の孔隙率が低減されることを意味し、その結果、従来のものよりさらに細かな微小構造を達成することができる。したがって、HIPおよび次に熱を加えて合金の微小構造を安定化させることによって型鋳造の処理をさらに行う必要はない。したがって、このタイプの部品の製造の際の大幅なコストの低減、さらに、量、組成分および純度について使用される非鉄金属合金の材料コストの節減が可能となる。さらに、スクラップ発生率が低減され、完全に除去されなくとも、処理コストは、非常に低減される。 Surprisingly, it has been found that the treatment according to the invention reduces the evaporation rate of the lysate. The fact that the runner device is hydrodynamically optimized to take advantage of the Coriolis force means that the porosity of the casting can be reduced by reducing the pore size that can be achieved in the melt, As a result, a finer structure than the conventional one can be achieved. Accordingly, there is no need to further process the mold casting by applying HIP and then heat to stabilize the microstructure of the alloy. Thus, it is possible to significantly reduce the cost of manufacturing this type of part, as well as to reduce the material costs of the non-ferrous metal alloys used in terms of quantity, composition and purity. Furthermore, the processing costs are greatly reduced even if the scrap rate is reduced and not completely removed.
本発明による方法を実施するために、本発明は、ランナ装置として、垂直方向に配置され、回転可能に取り付けられたカップ状の容器であり、該容器は、流体力学的に有利に構成された底部表面を有し、側面に配置され底部表面から所定の距離にある成型殻を有する鋳造型はカップ状の容器と連通しており、前記容器内で流体力学的に有利に構成されている該容器と前記鋳造型との各連通する出口開口に関する鋳造型の3次元の設定角度は調整可能であり、これらすべては、前記鋳造型が前記溶解物内の流れの分離を生じることなく充填される方法で配置されている。 In order to carry out the method according to the invention, the invention is a cup-like container arranged vertically and rotatably mounted as a runner device, which container is advantageously configured hydrodynamically A casting mold having a bottom surface and having a molded shell disposed on a side surface and at a predetermined distance from the bottom surface is in communication with a cup-shaped container, and is advantageously configured hydrodynamically in the container. The three-dimensional set angle of the casting mold with respect to each communicating outlet opening between the container and the casting mold is adjustable, all of which are filled without causing the casting mold to separate the flow in the melt. Arranged in a way.
本発明の好ましい実施形態によれば、容器および鋳造型は、溶解物に関して比較的に非反応性を有し、金属粒子を含むセラミックからなり、その容器および鋳造型は、正確に制御可能な方法で、好ましくは、それ自身公知であるインダクタを誘導的に使用するか、マイクロ波によって加熱されることができる。 According to a preferred embodiment of the invention, the container and the casting mold are relatively non-reactive with respect to the melt and consist of a ceramic containing metal particles, the container and the casting mold being a precisely controllable method. Preferably, an inductor known per se can be used inductively or heated by microwaves.
本発明の特徴によれば、溶解物を供給するために使用されるランナ・チャンネルは同様に、溶解物の流体力学に関して有利に設計され、溶解物に関して比較的に非反応性を有し、金属粒子を有する加熱可能なセラミックからなる。しかしながら、さらに本発明の他の実施形態によれば、溶解物は、ランナ装置が回転中にランナ装置の容器の内側で生成可能である。 According to a feature of the present invention, the runner channel used to supply the lysate is similarly advantageously designed with respect to the hydrodynamics of the lysate, is relatively non-reactive with respect to the lysate, It consists of a heatable ceramic with particles. However, according to yet another embodiment of the present invention, the lysate can be generated inside the container of the runner device while the runner device is rotating.
最後に、充填装置およびランナ・チャンネルは、コーティングされたスチール、コーティングされた黒鉛、タンタル、チタンまたはニオビウムからなっていてもよい。 Finally, the filling device and runner channel may consist of coated steel, coated graphite, tantalum, titanium or niobium.
本発明によれば、使用される非鉄金属は、30から33%の重量比のAl、4から6%の重量比のNb、0.5から3%の重量比のMn、および0.1から0.5%の重量比のB、残りがTiを含むTiAl合金である。 According to the present invention, the non-ferrous metal used is 30 to 33% by weight Al, 4 to 6% by weight Nb, 0.5 to 3% by weight Mn, and 0.1 to A TiAl alloy containing 0.5% by weight of B and the balance containing Ti.
本発明において、0.5〜3重量%のMnを備えるこの種のTiAl合金は、0から2000ppmの酸素含有物、0から2000ppm、好ましくは、800から1200ppmの炭素含有物、100から2000ppmのニッケル含有物および0から2000ppmの窒素含有物を含む。もちろん、本発明による寸法的に高精度な鋳造による製造を実施するために他の非鉄金属合金を使用することも可能である。 In the present invention, this type of TiAl alloy with 0.5-3 wt% Mn is 0 to 2000 ppm oxygen content, 0 to 2000 ppm, preferably 800 to 1200 ppm carbon content, 100 to 2000 ppm nickel. Content and 0 to 2000 ppm nitrogen content. Of course, it is also possible to use other non-ferrous metal alloys for carrying out the production by dimensionally precise casting according to the invention.
本発明の他の特徴は、従属クレームに示される。 Other features of the invention are indicated in the dependent claims.
本発明を、図面に概略的に示した2つの例示的な実施形態について説明する。 The invention will be described in terms of two exemplary embodiments schematically illustrated in the drawings.
図1に示す装置は、軸線10の周りで回転することができるランナ装置を示しており、その全体が符号11によって示されている。ランナ装置には流体力学的に有利に設計されているランナ・チャンネル14を介して鋳造レードル12から溶解物が供給される。
The device shown in FIG. 1 shows a runner device that can rotate about an
ランナ装置11は、垂直方向に配置され、回転可能に取り付けられ、この方法に必要な駆動装置は、明確には図示しないが、回転対称の側壁16を有し、側壁に一体的に形成され流体力学的に最適化される底部18とを有するカップ状の容器15を含む。流体力学的に最適化され、半殻部分20を有する複数の鋳造型22と連通している出口開口19は、底部18から所定の距離で側壁16の周面に対称的に配分されている。
The
前記鋳造型は、連通する出口開口19に関して3次元の角度srの範囲で調整されることができるように容器15に連結されている。角度srの調整は、全体の供給が、流体力学的に最適化された設計となるように、使用される非鉄金属合金の相対密度、鋳造温度、容器の回転速度nおよび合金の各相対密度の関数として行われる。
The casting mold is connected to the
容器15およびそれに連通された鋳造型22は、適当なセラミックスからなるホルダ23によってそれらの所定の位置に配置される。このホルダ23は、それらの基材として機能し、ベース・プレート24とカバー・プレート26との間にクランプされる。鋳造温度まで加熱された溶解物は、鋳造レードル12から現れ、ランナ・チャンネル14を介して通過し、開口28を介して容器15に注入される。例えば、インダクタのような適切な精度で制御することができる加熱装置30によって、ランナ装置11、ランナ・チャンネル14および鋳造型22は、鋳造が完了するまで溶解物が鋳造温度のままであるような方法で誘導的に加熱される。溶解物が流れる能力を維持するこれらの温度は、精密な鋳造による製造のために使用される非鉄金属に対応する。この目的のために、ランナ・チャンネル14、容器15および鋳造型22は、溶解物に対して比較的に非反応性を有し、金属粒子を含んでいるセラミックからなる。しかしながら、容器および鋳造型は、コーティングされたスチール、タンタル、チタンまたはニオビウムからなることも可能である。
The
コリオリの力という用語は、案内力と遠心力に加えて回転装置内で移動する本体に作用する慣性力として知られている。コリオリの力は、速度ベクトルおよび回転軸線によって形成される平面に垂直である。 The term Coriolis force is known as the inertial force acting on the body moving in the rotating device in addition to the guiding and centrifugal forces. The Coriolis force is perpendicular to the plane formed by the velocity vector and the axis of rotation.
使用される非鉄金属合金は、30から33%の重量比のアルミニウムであり、4から6%の重量比のニオビウムであり、0.5から3%の重量比のマンガンであり、0.1から0.5%の重量比のホウ素であり、残りがチタンからなるTiAl合金である。酸素の含有量が0から2000ppm、炭素の含有量が0から2000ppm、好ましくは800から1200ppm、ニッケルの含有量が100から2000ppm、窒素の含有量が0から2000ppmのTiAl金属合金を使用することが好ましい。 The non-ferrous metal alloys used are 30 to 33% by weight aluminum, 4 to 6% by weight niobium, 0.5 to 3% by weight manganese, 0.1 to A TiAl alloy composed of 0.5% by weight of boron and the rest of titanium. Use a TiAl metal alloy having an oxygen content of 0 to 2000 ppm, a carbon content of 0 to 2000 ppm, preferably 800 to 1200 ppm, a nickel content of 100 to 2000 ppm, and a nitrogen content of 0 to 2000 ppm. preferable.
鋳造工程において、鋳造レードル12内の非鉄金属合金は、上述したように一般的な方法により所望の溶解物に変換され、加熱されたランナ・チャンネル14を介して加熱されたランナ装置11に送られ、同様に回転する。この場合、それは重力により、容器15の底部18に送られる。容器の回転によって、約30°から180°の溶解物の流れの方向に変化を生じる遠心力が溶解物に作用し、それは、出口開口19の高さに到達するまで側壁16の内壁に対して上昇する。鋳造型22の3次元の設定角度srは、コリオリ力のベクトルの方向と一致するような方法で選択されるので、コリオリの力は、遠心力に加えて溶解物に作用し、その結果、溶解物は、開口19を介して鋳造型に注入されることができるだけでなく、開口19に隣接する鋳造型のキャビティを迅速に、信頼性を持って、また、完全におよび均一に満たす。溶解物が固まった後、鋳造型は、取り外され、対応する精密鋳造部品は、通常の方法で取り出される。
In the casting process, the non-ferrous metal alloy in the
図2に示すランナ装置の実施形態において、ランナ装置は、全体が符号40で示され、ランナ装置11に対応する部品、鋳造型22は、同一の番号で表され、その角度位置srが、調整可能であり、保持手段23で保持される鋳造型22は、容器15の上縁に配置される。保持装置23は、ランナ装置11に回転可能に取り付けられている。この領域において、容器15は、溶解物のノズルとして作用するディストリビュータ42を有する。図1に示した実施形態と同様に鋳造型22の内側に連通する出口開口19は、溶解物の流体力学に関して有利に構成されている。
In the embodiment of the runner apparatus shown in FIG. 2, the runner apparatus is generally designated by
非鉄金属合金は、この場合、回転容器内で溶融するインゴットとして容器15に送られるため、図1に示す実施形態の鋳造レードル12およびランナ・チャンネル14を設ける必要はない。容器15に導入され受け入れられるインゴットについて、容器15は、カバー44を有し、カバー44は、この目的のために開放可能であり、さらに、ディストリビュータ42が固定されている。この目的のためにカバー・プレート26は、ランナ装置40に取り外し可能に結合されている。同様に誘導的に加熱可能な容器15は、ランナ装置40内でそれ自身で回転することができるように取り付けられ、静止鋳造型22の入口開口と回転容器15の出口開口19との間に耐熱シール45が設けられている。上述したランナ装置が作動する方法は鋳造型22への溶解物の供給、したがって、鋳造型22の充填がノズル作用を有するディストリビュータ42によって有利に行われることを除いて、図1において説明したランナ装置が作動する方法に相当する。
In this case, since the nonferrous metal alloy is sent to the
双方の実施形態、すなわち、図1および図2に示す実施形態において、鋳造部品が、鋳造型内にある間、600℃から700℃まで加熱されることができ、これは、同様に既存の加熱装置30によって誘導的に行われる。この方法において、鋳造部品の冷却速度は、部品内のひび、割れ等を避けるために制御されたロー・レベルで保持される。したがって、鋳造部品は、各場合に使用される非鉄金属合金の組成分の関数として選択されるべき、特定の所望の冷却度に到達した後に、鋳造型から取り除かれるのみである。
In both embodiments, ie, the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the cast part can be heated from 600 ° C. to 700 ° C. while in the casting mold, which is likewise the existing heating. This is done inductively by the
最初に説明した本発明は、溶解物に加えられる遠心力のコリオリの力が、圧力ラムと同様な方法で溶解物に制御された方法で作用され得るので、それによって、いかなるキャビティもなく、溶解物内で有害な流れの分離および差異のある固化境界層の形成を発生させることなく、鋳造型を完全に均一に充填するように溶解物を完全に均一に鋳造型に送る。鋳造型の鋳造部品の加熱によって、制御されたロー・レベルで冷却速度を維持するので、制御されない冷却工程の場合に部品内に発生する内部応力及び、その結果のひび、割れ等が回避される。 The presently described invention allows the centrifugal Coriolis force applied to the lysate to be applied in a controlled manner to the lysate in a manner similar to a pressure ram, thereby eliminating any cavity Deliver the melt completely uniformly to the casting mold so that it fills the casting mold completely uniformly without causing detrimental flow separation and differential solidification boundary layer formation within the article. By heating the casting part of the casting mold, the cooling rate is maintained at a controlled low level, thereby avoiding internal stresses and resulting cracks, cracks, etc. in the part during an uncontrolled cooling process. .
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