JP2007167954A - Method for casting molten metallic material and casting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属や合金のキャスティングに関するものであり、より具体的には、圧力を受けた金属や合金の非金属インベストメント鋳型へのキャスティング(鋳込)の方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to casting of metals and alloys, and more specifically, to a method and apparatus for casting (casting) metal or alloy under pressure into a non-metallic investment mold.
チタン基合金(例えばTi−6Al−4V)や金属間化合物(例えばTiAl)は、航空宇宙産業において鋳造部品として使用される。このような鋳造部品は、ロストワックス法により形成されており予備加熱したセラミックインベストメントシェル鋳型に適切な溶融金属が投入されるという周知のインベストメント重力鋳造法によって製造される。 Titanium-based alloys (eg Ti-6Al-4V) and intermetallic compounds (eg TiAl) are used as cast parts in the aerospace industry. Such cast parts are manufactured by the well-known investment gravity casting method in which a suitable molten metal is put into a preheated ceramic investment shell mold formed by the lost wax method.
複雑な形状のチタン基材料部品のインベストメント鋳造品は、一般的に使用されているものの、比較的高コストであるとともに産出量も低い。鋳造品産出量が低いのは、いくつかの要因があり、これは所定鋳型領域、例えば特に薄壁(肉薄)の鋳型空洞領域への充填が不十分であることが原因である。例えば、0.050〜0.060インチ(0.127〜0.1524cm)未満の薄さの薄壁鋳型空洞領域へチタン合金またはチタンアルミニドの溶融金属を充填することは、溶融金属の流動性、過熱の低さ、ガス洩れ問題からして、困難である。 Investment castings of titanium-based material parts with complicated shapes are generally used, but they are relatively expensive and yield is low. The low casting output is due to several factors, such as insufficient filling of a given mold area, for example a thin wall (thin) mold cavity area. For example, filling a molten metal of titanium alloy or titanium aluminide into a thin wall mold cavity region of thickness less than 0.050 to 0.060 inches (0.127 to 0.1524 cm) Difficult due to low overheating and gas leakage problems.
従来の鋳造方法には、チタン合金、ニッケル基超合金及びコバルト基超合金のような酸素反応合金の金属鋳型による真空ダイキャストがある。
また、従来の鋳造方法には、複合部からなり再使用可能な鉄系やチタン系の永久鋳型を使用したチタンやチタン・ニッケル基合金のような反応性金属・合金の永久鋳型により鋳込むものがある。
さらに、従来の鋳造法には、永久鋳型を使用したアルミニウム系や銅系や鉄系の鋳造品を鋳込むものがある。
Conventional casting methods include vacuum die casting with metal molds of oxygen-reactive alloys such as titanium alloys, nickel-base superalloys and cobalt-base superalloys.
In addition, conventional casting methods include casting with a reactive metal / alloy permanent mold such as titanium or titanium / nickel-based alloy using a reusable iron-based or titanium-based permanent mold consisting of composite parts. There is.
Further, some conventional casting methods cast aluminum, copper or iron castings using permanent molds.
セラミックインベストメントシェル鋳型の充填を改良する試みにおいては、鋳型の予熱温度を高温にする試みがなされてきた(例えば700度F(約371℃)以上)。しかし、そのような高温では溶融チタン合金またはチタンアルミニドが鋳型と反応し、シェル鋳型内で製造される鋳造品の表面に有害な相が形成されるという点で、この試みは不利である。この相は、化学的処置により除去しなければならない。さらに、鋳造時の鋳型充填が満足に行われるためには、鋳型を製造する際に一つ以上の薄壁鋳型空洞領域の厚さを増加させることが必要となることが多い。この結果、鋳造品が必要以上に大型化するので、鋳造品の寸法を減少させるため、具体的な部品の寸法を記し機械的におよび/または化学的に処理を行わなければならない。 In attempts to improve the filling of ceramic investment shell molds, attempts have been made to increase the mold preheat temperature (eg, 700 degrees F. or more). However, this attempt is disadvantageous in that at such high temperatures, the molten titanium alloy or titanium aluminide reacts with the mold and a deleterious phase is formed on the surface of the casting produced in the shell mold. This phase must be removed by chemical treatment. Further, in order to satisfactorily fill the mold during casting, it is often necessary to increase the thickness of one or more thin-wall mold cavities when manufacturing the mold. As a result, the casting becomes larger than necessary, so that the dimensions of the casting must be reduced, and the specific part dimensions must be noted and mechanically and / or chemically processed.
金属のダイキャスト鋳型を使用する場合の欠点は、金属ダイ型が高コストであることであり、また金属ダイ間の見切り線が存することにより、ダイ型空洞部(ひいてはダイキャストされる鋳造品)の形状の複雑さが制限されてしまうことである。チタンアルミニド材料をダイキャストする際に金属ダイを使用する場合の別の欠点としては、金属鋳型中の溶融金属が急速に凝固する結果、鋳造品に亀裂が生じることである。 The disadvantages of using metal die casting molds are the high cost of metal die molds, and the presence of parting lines between metal dies, resulting in die mold cavities (and hence die cast castings). The complexity of the shape is limited. Another disadvantage of using a metal die when die casting a titanium aluminide material is that the molten metal in the metal mold rapidly solidifies, resulting in cracks in the casting.
本発明の目的は、上記の欠点を克服するため、圧力を受けた金属や合金、特にチタン合金やチタンアルミニド等をインベストメント鋳型にキャスティングする方法および装置を提供するところにある。 An object of the present invention is to provide a method and apparatus for casting a metal or alloy under pressure, particularly titanium alloy or titanium aluminide, etc., in an investment mold in order to overcome the above-mentioned drawbacks.
本発明は、一つ以上の鋳型空洞部を有する非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、前記コンテナが前記プラテンに対して保持された状態で、圧力を受けた前記ショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入する工程と、一つ以上の前記鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程とを有することを特徴とする。 The present invention includes a step of placing a non-metallic mold having one or more mold cavities in a container, and the one or more mold cavities communicate with the shot sleeve to introduce molten metal material from the shot sleeve. The step of holding the container against a platen of a casting machine with the mold placed therein, and melting the shot sleeve under pressure with the container held against the platen Introducing a metal material into one or more mold cavities of the mold, and at least partially solidifying molten metal in the one or more mold cavities.
本発明は、鋳型への鋳込みを改善し、鋳造時の鋳型充填を満足に行うことができ、ダイ型空洞部の形状の複雑さを制限されることがなく、鋳造品に亀裂が生じることを防止できる。 The present invention improves casting in the mold, can satisfy the filling of the mold during casting, does not limit the complexity of the shape of the die cavity, and causes cracks in the cast product. Can be prevented.
本発明は、非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、一つ以上の鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記非金属鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、前記コンテナがプラテンに対して保持された状態で、圧力を受けたショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の鋳型空洞部に流動させる工程と、一つ以上の鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程と、からなる金属材料をキャスティングする方法およびその装置を提供するものである。 The present invention includes placing the non-metallic mold into a container and placing the non-metallic mold in such that one or more mold cavities communicate with the shot sleeve and introduce molten metal material from the shot sleeve. Holding the container relative to the platen of the casting machine in the disposed state, and in a state where the container is held against the platen, the molten metal material in the shot sleeve subjected to pressure is supplied to one or more of the molds. The present invention provides a method and apparatus for casting a metal material comprising a step of flowing into a mold cavity and a step of at least partially solidifying molten metal in one or more mold cavities.
本発明の一実施態様においては、ショットスリーブ内のプランジャが作動液圧に応じて移動し、そして非金属鋳型が破壊される可能性を減少させるようプランジャが注入ストローク終了端に至る前の所定距離で油受けに排出または復帰する。コンテナには、鋳型破壊により鋳型から溢れ出た金属材料を収容するために、鋳型周囲に耐火粒子状物質を配置している。 In one embodiment of the present invention, the plunger within the shot sleeve moves in response to hydraulic fluid pressure and a predetermined distance before the plunger reaches the end of the injection stroke so as to reduce the likelihood of non-metallic mold breaking. To drain or return to the oil pan. In the container, a refractory particulate material is arranged around the mold in order to accommodate the metal material overflowing from the mold due to mold destruction.
本発明の一実施態様において、鋳型は、周囲温度で鋳造が行われるセラミックインベストメントシェル鋳型である。このインベストメントシェル鋳型の鋳型空洞部は、周囲圧以下(subambient pressure)(例えば100ミクロン)に排気して、酸素反応の金属または合金(例えばチタン合金、チタンアルミニド、ニッケル基超合金、コバルト基超合金等)のダイキャストを行う。コンテナは、耐火性粒子状物質を周囲に設けたインベストメント鋳型が配置されるチャンバを備えている。この鋳型は、コンテナの端閉鎖手段に固定した注入カップやその他の要素を備えている。またこの鋳型は、注入カップと一つ以上の鋳型空洞部との間に、溶融金属材料を運ぶための湯口通路を備えている。 In one embodiment of the invention, the mold is a ceramic investment shell mold that is cast at ambient temperature. The mold cavity of this investment shell mold is evacuated to a sub-ambient pressure (eg 100 microns) and oxygen-reacted metal or alloy (eg titanium alloy, titanium aluminide, nickel-based superalloy, cobalt-based superalloy). Alloy die casting). The container includes a chamber in which an investment mold with a refractory particulate material disposed around is disposed. The mold includes an injection cup or other element secured to the container end closure. The mold also includes a gate passage for carrying the molten metal material between the injection cup and the one or more mold cavities.
本発明の一実施態様においては、インベストメント鋳型を配置したコンテナは、ダイキャスト鋳造機の固定した(移動不可能な)プラテンに対して保持されている。本発明の別の実施態様においては、コンテナの端部は、ダイキャスト鋳造機の固定プラテンに連通するベース板に連通している。あるいは、コンテナはダイキャスト鋳造機の固定プラテンに連通するベース板の一部として構成される。さらに本発明の別の実施態様においては、ダイキャスト鋳造機の移動可能な第2プラテンは、コンテナの反対側端部と係合するよう移動できる。 In one embodiment of the present invention, the container in which the investment mold is placed is held against a fixed (non-movable) platen of the die cast machine. In another embodiment of the present invention, the end of the container communicates with a base plate that communicates with the stationary platen of the die cast machine. Alternatively, the container is configured as part of a base plate that communicates with the stationary platen of the die cast machine. In yet another embodiment of the present invention, the movable second platen of the die caster can be moved to engage the opposite end of the container.
本発明の別の実施態様は、非金属鋳型を中に有するコンテナを設け、鋳造機のプラテンを設け、このプラテンに対しては、ショットスリーブから溶融金属材料を導入するように一つ以上の鋳型空洞部がショットスリーブと連絡するようコンテナを保持して設け、圧力下にある前記ショットスリーブ内の溶融金属材料を前記一つ以上の鋳型空洞部に導入する手段を設けた鋳造装置を提供するものである。耐火性粒子状物質は、コンテナ内の非金属鋳型の周囲に配置している。 Another embodiment of the present invention provides a container having a non-metallic mold therein and a caster platen for which one or more molds are introduced to introduce molten metal material from a shot sleeve. A casting apparatus is provided that holds a container so that a cavity communicates with a shot sleeve, and has means for introducing molten metal material in the shot sleeve under pressure into the one or more mold cavities. It is. The refractory particulate material is placed around a non-metallic mold in the container.
本発明は、従来のインベストメント鋳造方法では薄壁の鋳型空洞領域への充填が困難であった、溶融金属・溶融合金(チタン合金やチタンアルミニド合金等)の鋳造につき有用である。例えば、本発明は、ハブ周囲に位置する薄壁(例えば0.025〜0.200インチ(0.0635〜0.508cm))の複数のエアフォイルベーンを有するチタン合金またはチタンアルミニドのターボチャージャーコンプレッサやタービンホイールの鋳造につき有用である。同様に、本発明は、薄壁(例えば0.025〜0.35インチ(0.0635〜0.889cm))のエアフォイルを有するコンプレッサブレードの鋳造につき有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for casting a molten metal / molten alloy (such as a titanium alloy or a titanium aluminide alloy), which is difficult to fill into a mold cavity region of a thin wall by a conventional investment casting method. For example, the present invention is a titanium alloy or titanium aluminide turbocharger having a plurality of thin foil (e.g., 0.025 to 0.200 inch (0.0635 to 0.508 cm)) airfoil vanes located around the hub. Useful for casting compressors and turbine wheels. Similarly, the present invention is useful for casting compressor blades having thin-wall (eg, 0.025 to 0.35 inch (0.0635 to 0.889 cm)) airfoil.
さらに本発明は、金属ダイを使用したのでは鋳造できない、バックロックやアンダーカット等の複雑な形状を有するインベストメント鋳型の鋳造に使用できる。本発明の実施によって、高コストの金属ダイを使用せずに、またダイキャスト部品に対する化学的および/または機械的な再加工の必要なしに、複雑な形状の鋳型での鋳造が可能になる。 Further, the present invention can be used for casting an investment mold having a complicated shape such as a back lock or an undercut, which cannot be cast by using a metal die. The practice of the present invention allows casting in complex shaped molds without the use of costly metal dies and without the need for chemical and / or mechanical rework on the die cast parts.
本発明の詳細や利点については、図面を伴った詳細な説明により直ちに明らかになる。 Details and advantages of the present invention will become readily apparent from the detailed description taken in conjunction with the drawings.
図1には、本発明を実施するように構成したダイキャスト鋳造機10が示されている。例示のためであってこれに限定されるものではないが、この鋳造機は、排気した非金属のインベストメントシェル鋳型31に作動圧を受けたチキソトロープ金属材料を含む溶融金属材料を鋳込むように構成されている。かかる鋳造用金属材料は、チタン合金、チタンアルミニド合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金等の、インベストメントシェル鋳型空洞部の薄い領域や狭い領域への充填が困難である材料、および/または酸素反応性の材料を含むが、これに限定されない。
FIG. 1 shows a die
本発明の実施例は、ハブ周囲に位置する複数の薄壁(肉薄)翼形ベーンを有するチタン合金ターボチャージャホイールの真空鋳造に関して、以下に記載される。非金属のインベストメントシェル鋳型31は、その中に各ターボチャージャホイールの形状を形成する第1および第2の鋳型空洞形成領域31a、31bを有している。
Embodiments of the present invention are described below with respect to vacuum casting of a titanium alloy turbocharger wheel having a plurality of thin wall (thin) airfoil vanes located around the hub. The non-metallic
このダイキャスト鋳造機10は、可動プラテン16を固定(静止)プラテン14に対して相対移動させてそれらを開閉するために油圧アクチュエータ12が使用する作動液を貯留する貯留部(図示せず)を備えたベース11を有している。可動プラテン16は、静止したガイドロッド(ブッシュ)18上を移動するよう配置している。プラテン締め付けリンク機構(図示せず)は、本発明を構成しない従来の方法で可動プラテン16に連通している。またこのダイキャスト鋳造機10は、管状で水平のショットスリーブ24を有しており、このショットスリーブ24の中間部位は、固定プラテン14およびこの固定プラテン14に従来のボルトやクランプ(図示せず)で固定した鋳型のベース板30に挿入している。ショットスリーブ24は、真空(溶融)チャンバ40内へ延長しており、ここで、ダイキャストする金属または合金が高真空状態下(例えば100ミクロン未満)で溶融し、結局は酸素反応性金属・合金(例えばチタン合金やチタンアルミニド合金、超合金等)がダイキャストされることになる。
This die
真空チャンバ40は、真空ハウジング壁42によって画定され、これはショットスリーブ24の充填側端24aの周囲を包囲延長するとともに、可動ラム25a’’を有する油圧アクチュエータ25’’の周囲を包囲延長している。真空ハウジング壁42は、静止した水平のショットスリーブ24とプランジャ支持部材44により気密封止される。真空チャンバ40に連絡した従来の吸引ポンプPによって真空チャンバ40が排気される。ベース11および真空ハウジング壁42は、コンクリート床やその他の適切な担持体の上に配置される。
The
円筒状のプランジャ27は、ショットスリーブ24の円筒形のボア内に挿入配置され、可働ラム25a’’によって図1に示す注入口(溶融入口)50の左側の注入開始位置とベース板30付近の注入終了位置との間を移動する。注入口50は、ショットスリーブ24上に設けた溶融受入容器52を有している。この溶融受入容器52は、ダイキャスト用の溶融金属または溶融合金を導入するよう溶融坩堝54の下に配置されている。本発明においては、超周囲圧力(superambient pressure)下にある溶融金属材料をインベストメントシェル鋳型31に導入する手段としては、液圧プランジャ27に限定されない。例えば、圧力によりインベストメントシェル鋳型31に溶融金属材料を導入するプランジャが存する場合でも存しない場合でも、ショットスリーブ24の端部に超周囲圧力のガス圧を与えてもよい。
The
溶融坩堝54は、ダイキャストされる固形金属や固形合金の充填物が溶融した銅セグメントからなる誘導スカル坩堝でもよい。固形金属や固形合金は、真空チャンバ40内の吸引を行う前に溶融坩堝54に配置し、その吸引後に誘導コイル56を通電して溶融する。あるいは、固形金属や固形合金の充填物は、減圧ポート(図示せず)により排気した真空チャンバ40の溶融坩堝54に充填し、それから誘導コイル56を通電して溶融する。本発明を実施する際には、既知のセラミック坩堝や耐火坩堝も使用することができる。本発明の実施には、例えばアーク溶融法や電子ビーム溶解法等の方法を用いることができる。ショットスリーブ壁の開口部58を通じてショットスリーブ24に連絡している溶融受入容器52に溶融金属・合金の充填物を注入するよう、溶融坩堝54を傾斜する。溶融金属・溶融合金の充填物は、開口部58を通ってプランジャ27の前のショットスリーブ24に導入される。
The
プランジャ27は、従来の油圧アクチュエータ25’’により注入開始位置から注入終了位置まで移動する。ショットスリーブ24とプランジャ27との間の径方向隙間は、通常、0.001〜0.008インチ(0.00254〜0.02032cm)である。
The
このような特徴を有するダイキャスト鋳造機は、本願譲受人の米国特許第6,070,643号に開示されており、その教示は引用をもって本明細書に記載したものとする。 A die-casting machine having such features is disclosed in commonly assigned US Pat. No. 6,070,643, the teachings of which are incorporated herein by reference.
本発明の実施例によると、ダイキャスト鋳造機10は、既知のロストワックス法によって製造されており排気した非金属(例えばセラミック)のインベストメントシェル鋳型31に、液圧を受けた溶融金属材料を投入するように構成される。このようなインベストメントシェル鋳型31は、パターンアセンブリの一部として鋳造される部品の一つ以上の一過性パターン(例えばワックスやプラスチックのパターン)をセラミック粉スラリに繰り返し浸し、余分なセラミックスラリを除去し、粗いセラミックスタッコを湿ったセラミックスラリに適用し、前記パターン上に要望の厚さの壁を有するシェル鋳型ができるまで乾燥を行うことで製造される。それからこの一つ以上のパターンは、スチームオートクレーブ処理、バリ脱蝋、その他の従来のパターン除去方法によって任意に除去され、一つ以上のパターンが以前存したところに一つ以上の空洞部を有するセラミックシェル鋳型が残る。それから、このセラミックシェル鋳型は、鋳造時に十分な強度を有するよう高温で燃焼処理を行う。ロストワックス法を使用したセラミックシェル鋳型の製造は、米国特許第4,966,225号、第5,983,982号、第6,749,006号等の数多くの明細書に開示されている。例示のためであってこれに限定されるものではないが、本発明は、従来のコロイドシリカ結合またはケイ酸ナトリウム結合のインベストメントシェル鋳型を使用して実施できるが、その他のインベストメントシェル鋳型も使用できる。
According to an embodiment of the present invention, the die-casting
インベストメントシェル鋳型31を製造するための具体的なセラミック粉やスタッコ材料は、この鋳型でダイキャストされる金属・合金や、鋳造パラメータ(例えば加熱、鋳型予熱温度等)に左右される。
The specific ceramic powder and stucco material for manufacturing the
図1〜5には、ターボチャージャホイールを二つ鋳造するためのインベストメントシェル鋳型31が示されている。このインベストメントシェル鋳型31は、注入カップ33と、湯口32と、二つのターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成部31a、31bに連通する第1・第2湯道34とを有する湯口ゲートを備えている。管状のセラミック密封つば38は、密封付着しているか、そうでなければ注入カップ33付近で固定されているか、注入カップ33と一体化して構成されている。この密封つば38は、図1に示すように、ショットスリーブ24の放出端と密封接合している。溶融金属・溶融合金は、注入カップ33を通り、湯口32および各湯道34の通路を通じて、鋳型空洞形成領域31a、31bに形成される鋳型空洞部36に流入する。このターボチャージャホイール形状の鋳型空洞部36は、ハブ形成空洞領域36hから離間したところに存する小寸法(薄厚)のエーロフォイルまたはベーン形成空洞領域36vを有する。このエーロフォイルまたはベーン形成空洞領域36vは、ダイキャストされるターボチャージャホイールハブ上のエーロフォイルまたはベーンの薄壁を形成するため、その内部厚さは薄くなっており、通常0.025〜0.100インチ(0.0635〜0.254cm)である。
1 to 5 show an
本発明は、鋳造ターボチャージャホイール内部の所定部位に空洞を生じさせるために、ターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成領域31a、31b中にセラミックコア(図示せず)を設けることも想定している。このセラミックコアは、鋳造ターボチャージャホイール(あるいはその他のインベストメントシェル鋳型31内に形成される鋳造品)の内部に要望に応じた空洞を生じさせるように形成される。また本発明は、鋳型空洞部36中に配置して鋳造部品と一体化される強化材すなわち多孔性あるいは固体のプリフォームを設けることも想定している。
The present invention also envisages that ceramic cores (not shown) are provided in the mold
図1〜5に示すように、本発明の一実施例によると、ダイキャストを行う際にインベストメントシェル鋳型31を収容するために、金属(例えば鋼)の気体不透過性のコンテナ60が、設けられている。このコンテナ60は、円形、正方形等の断面形状となった管状の本体60aを有している。コンテナ60は、溶接固定した端閉鎖手段62を備えている。また、コンテナ60は、内部コンテナチャンバ68を形成するように、溶接固定の環状フランジ66に締付けた着脱可能な端閉鎖手段64も備えている。この内部コンテナチャンバ68には、インベストメントシェル鋳型31が配置されるとともにその周囲空間には耐火性粒子状物質70が充填される。
As shown in FIGS. 1-5, according to one embodiment of the present invention, a metal (eg, steel) gas
この着脱可能な端閉鎖手段64は、固定具67を使用してこれをコンテナに固着する場合に、コンテナ60の端閉鎖手段64とフランジ66とを気密封止するための(図4)、Oリング密封シールS1(図2および図4)と係合する。
This detachable end closing means 64 is used to hermetically seal the end closing means 64 and the
端閉鎖手段62とベース板30との間には、以下説明するような、コンテナ60がベース板30に当接する場合にそれらを気密封止するためのOリング密封シールS2が設けられている(図1)。コンテナ60は、常設的にベース板30に締付けられるものではない。Oリング密封シールS1、S2は、Viton材やその他の適切な高温シール材である。
An O-ring sealing seal S2 is provided between the end closing means 62 and the
コンテナの端閉鎖手段62においては、インベストメントシェル鋳型31をコンテナ60の所定位置に固定した場合に注入カップ33と流動位置関係になるように、ショットスリーブ24を挿通するよう形成した通路62pが設けられている(図1)。特に、コンテナ60の内部には、内部コンテナチャンバ68内のインベストメントシェル鋳型31を端閉鎖手段62に締付けるための、密封つば38の表面上に固定される複数の細長いクランプフィンガ60fが設けられている(図1〜2、図4〜5)。このクランプフィンガ60fは、固定具70’を端閉鎖手段62に挿通することで固定される。
The container end closing means 62 is provided with a passage 62p formed so as to be inserted through the
インベストメントシェル鋳型31は、その湯道34を略水平に指向させてコンテナ60で締付けたものが示されているが、本発明はそのように限定されない。なぜなら、インベストメントシェル鋳型31は、適切であればどのような方向にも指向できるため、例えば湯道34が略垂直、略水平、その中間など、どのように指向した状態であってもよいからである。
Although the
そのように締付けた場合、鋳型の注入カップ33および湯口32の通路は、プランジャ27により押し出されるショットスリーブ24からの溶融金属材料を導入するようショットスリーブ24に連絡している。ショットスリーブ24は、通路62pに密封挿入される。密封つば38は、溶融金属材料がショットスリーブおよび注入カップから洩れ出るのに対し封止する。
When so clamped, the
コンテナ60は、固まっていないぱらぱら(自由流動)の耐火性粒子状物質(例えばアルミナやジルコニアのセラミック支持砂)70をコンテナ60の内部コンテナチャンバ68のインベストメントシェル鋳型31周囲に配置する供給口60nを備えている。この供給口60nは、ぱらぱらの耐火性粒子状物質70の落下を防止するための脱着可能な真空結合具Fによって閉鎖される。また、コンテナ60は、持ち上げリング60rを備えており、鋳型充填や除去のためにコンテナを持ち上げて移動させるための従来のオーバーヘッドホイストの使用が可能になる。
The
本発明実施例の方法を実施するに際には、ダイキャストされる金属材の固形インゴットを真空チャンバ40の溶融坩堝54に充填する。インベストメントシェル鋳型31を中に備えるコンテナ60は、固定プラテン14を基準とした可動プラテン16の移動により、ベース板30と可動プラテン16との間に保持される。コンテナ60が可動プラテン16の移動により固定プラテン14に対して所定位置で保持される前に、コンテナ60には、供給口60nを介してぱらぱらの支持用耐火性粒子状物質70を充填する。ぱらぱらの耐火性粒子状物質70は、供給口60nを介して内部コンテナチャンバ68のインベストメントシェル鋳型31周囲へ手動的または自動的に導入される。それから、真空チャンバ40は、吸引ポンプPによって、特定の充填物を溶融するに適切なレベル(Ti−6Al−4V合金のようなチタン合金やTiAlのようなチタンアルミニドの場合、100ミクロン未満)に排気する。ベース板30と可動プラテン16との間で保持されておりインベストメントシェル鋳型31を中に有するコンテナ60は、ショットスリーブ24を通じて真空チャンバ40に連絡していることで、またOリングシールS1、S2で周囲環境空気から分離されていることによって、真空と同様のレベルにまで同時に排気される。
When carrying out the method according to the embodiment of the present invention, the
インベストメントシェル鋳型31は、通常、コンテナ60中に配置している場合は環境温度(室温)である。あるいは、インベストメントシェル鋳型31は、コンテナ60内に配置する前に、またはコンテナ60内に配置する際に、カートリッジや抵抗ヒータを使用して適切な温度まで予熱処理を行うこともできる。
The
溶融坩堝54に配置した金属・合金の固形充填物は、誘導コイル56を通電することで溶融し、それからこの溶融物は、プランジャ27が図1に示す注入開始位置に存する状態で真空下で注入口50を通ってショットスリーブ24に注入される。この溶融金属・溶融合金は、ショットスリーブ24に注入されるが、溶融金属がプランジャ27の背後に残されないようそこに所定休止時間だけ滞在する。溶融金属・溶融合金は、溶融坩堝54から注入口50を介してショットスリーブ24に直接注入され、それにより注入開始前の時間や金属冷却を短縮できる。
The solid filling of metal / alloy disposed in the
それからプランジャ27は、液圧を受けて溶融金属または溶融合金を注入カップ33、湯口32、湯道34を介して鋳型空洞部36に注入するため、油圧アクチュエータ25’’によりショットスリーブ24側へ前進する。溶融金属または溶融合金は、チタン合金やチタンアルミニドの場合、例えば10〜120インチ(25.4〜304.8cm)/秒の速度で、ショットスリーブ24を下って、排気したインベストメントシェル鋳型31の鋳型空洞部36に押圧される。
Then, the
プランジャ27は、図6に示す液圧システムを使用してショットスリーブ24中に前進する。この液圧システムは、供給集合体(供給マニホルド)70’と、プランジャ速度を制御する注入速度集合体72’と、プランジャ27の注入開始位置への戻りを制御する注入回復集合体74’と、プランジャ27が注入終了位置から所定距離に存する場合に液圧をタンクS’に排出、すなわち戻すための圧力排出集合体76’とを備えている。液圧システムは、プログラム可能なロジックコントローラ(図示せず)で制御される。ただ、油圧アクチュエータ(油圧シリンダ)25’’の支持フレームに固定される制限スイッチ80aは、リレー(図示せず)に電気的に直接連通している。このリレーは、方向バルブ27’の通電を制御するために、圧力排出集合体76’の方向バルブ27’へと順に電気的に直接連通している。図1に示すように、スイッチトリップ要素80bは、可動ラム25a’’に固定されており、それがラムとともに移動する場合にリミットスイッチ80aを妨害、すなわち作動させるものである。リミットスイッチ80aが妨害される前においては、カートリッジバルブ28’の閉鎖を維持するように方向バルブ27’の通電が遮断されている(方向バルブ27’は、リミットスイッチ80aが妨害されていない限り、常に通電が遮断されている状態にある)。リミットスイッチ80aが妨害される場合、方向バルブ27’が通電し、通常は閉鎖されている圧力維持のカートリッジバルブ28’を管路81を介してタンクS’に排出させ、そしてカートリッジバルブ28’の液圧下流側は開放したバルブ28’を通って管路83、タンクS’に放出される。圧力排出集合体76’は、溶融金属材料が圧力を受けて注入される際にインベストメントシェル鋳型31が破壊されないよう、インベストメントシェル鋳型31への液圧を制御するように機能する。リミットスイッチ80aの位置(ひいては液圧が排出されるところである注入終了位置からの所定距離)は、経験に基づいて決定され、鋳型破壊を避けるように調整する。この液圧システムの構成部品は以下の通りである。
図6に示す液圧システムの部品は、
1’−集合体(マニホルド)、
2’−SV310−00 115 AP方向バルブ(VickersHydraulicsにより市販されている。以下Vickersと称する)、
3’−NS 800 S 流量制御弁(ParkerHannitinCorp.。以下Parkerと称する)、
4’−CV5−10−P05 逆止弁(Vickers)、
5’−PRV 1−10 SO 24 圧力調整器(Vickers)、
6’−A9K2310D3KPN 10gal アキュムレータ(Parker)、
7’−A9675 3AA 圧力スイッチ(BarksdaleControlProducts,Barksdale,Inc.)、
8’−圧力計(3000psi)、
9’−流量制御(1/4inch NPT)、
10’−DG4S4 012A 50 方向バルブ(Vickers)、
11’−SO63C 10 02 P カバー(ポート。OilgearCompany、以下Oilgearと称する)、
12’−SEO 63 10 K1 0001.5/3V5 インサート(カートリッジバルブ、Oilgear)、
13’−CV1 16 D11 2L 10インサート(カートリッジバルブ、Vickers)、
14’−CVCS 16A S2 10 カバー(ポート、Vickers)、
15’−DG4V 3S 2A MFW B60 方向バルブ(Vickers)、
16’−CV1 40D1 2L10 カバー(ポート、Vickers)、
17’−CVCS 40D1 S2 10 カバー(ポート、Vickers)、
18’−A7K 1155 K3 K PL 5gal アキュムレータ(Parker)、
19’−集合体、
20’−CVCS 16D1 S2 10 カバー(ポート、Vickers)、
21’−SE6310 K2 000 A1.5/3P インサート(カートリッジバルブ、Oilgear)、
22’−SO63 A10 Pカバー(ポート、Oilgear)、
23’−TDAD1097E40LAF プロポーショナル弁(Parker)、
24’−WO 0179−1 63MM−40MM アダプタ(Parker)、
25’−15 P1 10 B M 50 MM1 フィルタ(Parker)、
26’−集合体、
27’−DG4S4 012A B 60 方向バルブ(Vickers)、
28’−CVC 50 D2 S2 10 インサート(カートリッジバルブ、Vickers)、
29’−集合体である。
The components of the hydraulic system shown in FIG.
1'-aggregate (manifold),
2'-SV310-00 115 AP directional valve (commercially available from Vickers Hydraulics; hereinafter referred to as Vickers),
3′-NS 800 S flow rate control valve (Parker Hannitin Corp., hereinafter referred to as Parker),
4′-CV5-10-P05 check valves (Vickers),
5′-PRV 1-10
6'-A9K2310D3KPN 10gal accumulator (Parker),
7′-A9675 3AA pressure switch (Barksdale Control Products, Barksdale, Inc.),
8'-pressure gauge (3000 psi),
9'-flow rate control (1/4 inch NPT),
10'-
11'-
12'-SEO 63 10 K1 0001.5 / 3V5 insert (cartridge valve, Oilear),
13'-
14'-
15'-DG4V 3S 2A MFW B60 directional valve (Vickers),
16'-CV1 40D1 2L10 cover (port, Vickers),
17'-
18'-A7K 1155 K3 K PL 5gal accumulator (Parker),
19'-aggregate,
20'-
21'-SE6310 K2 000 A1.5 / 3P insert (cartridge valve, Oilear),
22'-SO63 A10 P cover (port, Oilear),
23'-TDAD1097E40LAF proportional valve (Parker),
24'-WO 0179-1 63MM-40MM adapter (Parker),
25'-15
26'-aggregate,
27'-
28'-
29'-Aggregates.
溶融金属または溶融合金が注入された後で、ベース板30および可動プラテン16は、可動プラテン16が固定プラテン14から離れる側に例えば5〜25秒で移動することで開口し、それから溶融金属または溶融合金が少なくとも鋳型空洞部36の鋳造部品の表面で凝固できるような十分な時間を与える。それからコンテナ60は、ベース板30から取り外して、ホイストリング60rにホイストを係合して排出ステーションまで移動し、そこで供給口60nを開口して支持用の耐火性粒子状物質70を除去する。それから、端閉鎖手段64を取り外して、溶融物が充填されたインベストメントシェル鋳型31を締付解放してコンテナ60から除去する。鋳型空洞部36で凝固する金属材料は、インベストメントシェル鋳型31をコンテナ60から除去する頃には、ほぼ凝固している。それからインベストメントシェル鋳型31は、従来の方法でダイキャスト部品を分離する(本発明を構成しない)。鋳造品には、顧客の要望に応じた方法で目視検査を行う。
After the molten metal or molten alloy is injected, the
チタン合金、チタンアルミニド、ニッケル基超合金、およびコバルト基超合金のダイキャストにおいて、溶融金属または溶融合金と接触するショットスリーブ24は、H−13工具鋼のような鉄系材料、Mo系合金やTZM系合金の耐火材、アルミナやグラファイトのようなセラミック材、あるいは溶融してダイキャストされる金属または合金と相溶性のあるこれらの組み合わせで構成される。プランジャ先端部27aは、永続的なあるいは使い捨て可能な先端部で構成され、使い捨ての場合は溶融金属または溶融合金の充填物がインベストメントシェル鋳型31に注入される毎に廃棄される。プランジャ先端部は、銅−ベリリウムの合金のような銅系合金、あるいは鋼やグラファイト等の適切な材料である。
In the die casting of titanium alloy, titanium aluminide, nickel-base superalloy, and cobalt-base superalloy, the
ダイキャスト部品に対して使用される具体的な鋳造パラメータは、いくつかの要素、例えば鋳型のサイズ、湯口、注入カップの重量、溶融物注入圧力に対するインベストメントシェル鋳型の易損性に左右される。注入圧力は、鋳型空洞領域への十分な充填を行いつつインベストメントシェル鋳型31を無傷(圧力による鋳型損壊が生じない)で保持するように選択される。溶融坩堝54中の金属または合金の重量は、鋳型のサイズや鋳型でダイキャストされる部品数に左右される。
The specific casting parameters used for the die cast part will depend on several factors such as the size of the mold, the spout, the weight of the pouring cup, the fragility of the investment shell mold for the melt pouring pressure. The injection pressure is selected so as to hold the
以下の具体例は、本発明を限定せずにより具体的に例示するものである。
具体例1。
本発明に従って、ターボチャージャホイールは、従来のロストワックスのインベストメントシェル鋳型31によりチタン合金およびチタンアルミニド(TiAl)合金で首尾良くダイキャストされた。ターボチャージャホイールは、概ね以下の範囲の鋳造パラメータで製造された。溶融物注入圧力設定は400〜1800psi(2.75〜12.41MPa)、溶融物注入速度(プランジャ速度)は10〜120インチ(25.4〜304.8cm)/秒、溶融物の加熱度は0〜75度F(0〜41.7℃)、鋳型予熱温度は室温から600度F(約316℃)、ロストワックスのインベストメントシェル鋳型31の肉厚は0.20〜1.0インチ(0.508〜2.54cm)、ショットスリーブの長さおよび直径はそれぞれ15インチ(38.1cm)および3インチ(7.62cm)、リミットスイッチ80aはプランジャ27が注入終了位置から約0.5インチ(1.27cm)に位置する場合にプランジャ液圧排出になるように設定した。
The following specific examples illustrate the present invention more specifically without limiting it.
Specific Example 1.
In accordance with the present invention, the turbocharger wheel was successfully die cast with titanium alloy and titanium aluminide (TiAl) alloy by a conventional lost wax
ターボチャージャホイールを製造するためのインベストメントシェル鋳型31が上記のように開示されたが、本発明はそのように限定されないのであって、その他の部品、例えば内燃機関のバルブ、自動車やトラックのターボチャージャコンプレッサやタービンホイール、ガスタービンエンジンのコンプレッサやタービンブレード・ベーンのような部品、あるいは股関節ステム、寛骨臼膝、脛骨トレー、背骨部品等の医療用部品を製造するように実施できる。
Although an
さらに本発明においては、コンテナ60がベース板30と可動プラテン16との間に保持されるものとして開示されているが、本発明はそのように限定されないのであって、別の実施例では、コンテナ60をベース板30に取り付けることや、コンテナ60をベース板30に一体化して形成することも想定している。
Further, in the present invention, the
本発明が特定の実施例に関して開示されたが、それに限定することは意図しておらず、特許請求の範囲に記載した程度だけ限定することを意図している。 Although the present invention has been disclosed in terms of specific embodiments, it is not intended to be limited thereto, but only to the extent described in the claims.
本発明は、圧力を受けた金属や合金の非金属インベストメント鋳型へのキャスティング(鋳込)の方法及び装置に関するものであり、複雑な形状のチタン基材料部品のインベストメント鋳造品の鋳込みに適用することができる。 The present invention relates to a method and apparatus for casting a metal or alloy under pressure into a non-metallic investment mold, and is applied to casting an investment casting of a titanium base material part having a complicated shape. Can do.
10 ダイキャスト鋳造機
12 油圧アクチュエータ
14 固定プラテン
16 可動プラテン
24 ショットスリーブ
27 プランジャ
31 インベストメントシェル鋳型
36 鋳型空洞部
40 真空チャンバ
54 溶融坩堝
60 コンテナ
DESCRIPTION OF
Claims (33)
一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、
前記コンテナが前記プラテンに対して保持された状態で、圧力を受けた前記ショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入する工程と、
一つ以上の前記鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程とを有することを特徴とする溶融金属材料をキャスティングする方法。 Placing a non-metallic mold having one or more mold cavities in a container;
Holding the container against a platen of a casting machine with the mold disposed therein such that one or more mold cavities communicate with the shot sleeve and introduce molten metal material from the shot sleeve; ,
Introducing molten metal material in the shot sleeve under pressure into the one or more mold cavities of the mold with the container held against the platen;
And at least partially solidifying the molten metal in one or more of the mold cavities.
b)一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブと連絡して溶融金属を導入するように前記コンテナが保持されるプラテンと、
c)前記鋳型が前記プラテンに対して前記コンテナ中で配置される場合に圧力を受けたショットスリーブ中の金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入するショットスリーブの手段とを有する鋳造装置。 a) a container having disposed therein a non-metallic mold having one or more mold cavities;
b) a platen on which the container is held such that one or more mold cavities communicate with the shot sleeve and introduce molten metal;
c) a shot sleeve means for introducing metal material in the shot sleeve under pressure into the one or more mold cavities of the mold when the mold is placed in the container relative to the platen; Having casting equipment.
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