JP2014223676A - 鋳造方法、鋳造品及び鋳造システム - Google Patents

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Abstract

【課題】鋳造方法、鋳造品、及び鋳造システムを提供すること。
【解決手段】鋳造方法は、鋳型に母材を供給するステップと、鋳型に流体材料を送るステップと、母材及び流体材料を凝固させて鋳造品を形成するステップとを含む。母材は、第１の密度及び第１の組成を有する。流体材料は、第２の密度及び第２の組成を有する。第１の密度が第２の密度と異なるか、第１の組成が第２の組成と異なるか、或いは第１の密度が第２の密度は異なっているとともに第１の組成が第２の組成と異なる。鋳造品は、母材からの第１の材料凝固と、流体材料からの第２の材料凝固とを含む。鋳造システムは、母材を収容するための鋳型と入力手段とを含み、入力手段は流れ制御特徴を有し、母材を収容する鋳型に流体材料を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、製造方法及び製品に関する。より詳細には、本発明は、鋳造方法、鋳造品、及び鋳造システムに関する。
様々な製品が、２種以上の材料から組み立てられており、それらの材料は製品の複数の部分を形成している。一般に、かかる製品は、溶接、接着、融接、はんだ付け、ろう付け又はこれらの組合せなどの固定技術を用いて第１の材料を第２の材料に固定することによって形成される。かかる技術には様々な短所がある。かかる技術は、合金での適用性に制約があり、疲労及び／又は層間剥離を起こすおそれがある。
発電システム、エンジン、橋梁、建物、風車その他の大型構造物では、合金の組合せから形成される物品が使用されることが多い。かかる構造物にかかる力は、改善された効率を提供するために、及び／又は新しい環境条件のために、増加し続けている。かかる物品では、疲労に対する耐性を増大させ、機械的な特性を増大させ、製作する能力を増大させ、設計寿命を増大させ、かつライフサイクルコストを低減させることが必要である。２種以上の材料を有する公知の構成要素は、所望のパラメータのすべてを十分に満たさない。
合金のインゴットが冷えると、形成された物品の最終構造物に影響を与える多くの要因が生じる。例えば、溶融合金が鋳型内へ注がれるとき、鋳型と合金との間の温度差により、鋳型の壁で熱対流が生じる。対流は、壁上に形成される金属の樹枝状結晶の分離及び切離をもたらす。これらの樹枝状結晶は、等軸結晶粒の形成のための核として作用する。局所的な組成の変化により分離がもたらされ、結晶粒の形成がさらに複雑になる。さらに、合金の組成及び鋳造物が冷える速度も、最終の結晶粒組織に影響を与える。公知の鋳造方法は、結晶粒の形成に関するかかる問題に十分に対処しない。
当技術分野では、上述の短所の１以上が解消された鋳造方法、鋳造製品並びに鋳造システムが望まれている。
PIWONKA, THOMAS S., Solidifaction of Metals and Alloys, http://products.asminternational.org/asm/navon/CONTENT/MH/D26/A02/S0079484.html, 12/4/2012
例示的な実施形態では、鋳造方法は、鋳型に母材を供給するステップと、鋳型に流体材料を送るステップと、母材及び流体材料を凝固させて鋳造品を形成するステップとを含む。母材は、第１の密度及び第１の組成を有する。流体材料は、第２の密度及び第２の組成を有する。第１の密度が第２の密度と異なるか、第１の組成が第２の組成と異なるか、或いは第１の密度が第２の密度は異なっているとともに第１の組成が第２の組成と異なる。
別の例示的な実施形態では、鋳造品は、母材からの第１の材料凝固と、流体材料からの第２の材料凝固とを含む。母材は、第１の密度及び第１の組成を有する。流体材料は、第２の密度及び第２の組成を有する。第１の密度が第２の密度と異なるか、第１の組成が第２の組成と異なるか、或いは第１の密度が第２の密度は異なっているとともに第１の組成が第２の組成と異なる。
別の例示的な実施形態では、鋳造システムは、母材を収容するための鋳型と、母材を収容する鋳型に流体材料を供給する入力手段とを含む。入力手段は、鋳型に流体材料を送る速度の増大を低減又は防止する流れ制御特徴を含む。
本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から、本発明の原理を例として示す添付の図面と併せて読めば明らかになるであろう。
本開示の一実施形態による等軸結晶粒を有する例示的な鋳造品を生成する例示的な鋳造方法の概略図である。 本開示の一実施形態による方向性凝固結晶粒を有する例示的な鋳造品を生成する例示的な鋳造方法の概略図である。 本開示の一実施形態による等軸結晶粒を有する例示的な鋳造品を生成する例示的な鋳造方法の概略図である。 本開示の一実施形態による方向性凝固結晶粒を有する例示的な鋳造品を生成する例示的な鋳造方法の概略図である。
図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。
例示的な鋳造方法、鋳造品、及び鋳造システムが提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示する１以上の特徴を利用しない方法及び製品と比較して、耐疲労性を増大させ、耐酸化性を増大させ、クリープを低減させ、腐食を低減させ、溶接性を改善し、又はこれらの組合せを提供する。
図１を参照すると、鋳造方法１００は、第１の密度及び第１の組成を有する母材１０１を提供することを含む（ステップ１０２）。一実施形態では、母材１０１は、鋳型１１０内へ供給される。第２の密度及び第２の組成を有する流体材料１０３が、鋳型１１０に供給される（ステップ１０４）。方法１００は、母材１０１及び流体材料１０３を凝固させて（ステップ１０６）、鋳造品１０９を形成するステップを含む。
母材１０１は、例えば溶融後又は溶融状態から凝固させることができる任意の適当な材料である。流体材料１０３は、流動することができる任意の適当な材料である。流体材料１０３は所定の温度であり、この所定の温度は、流体材料１０３に対する固相範囲及び／又は液相範囲を上回る。適当な材料には、それだけに限定されるものではないが、金属、金属合金、超合金、又はこれらの組合せが含まれる。
一実施形態では、母材１０１及び流体材料１０３は、合金として鍛造されるとγ′ミクロ組織を含む。
一実施形態では、母材１０１の第１の密度は、流体材料１０３の第２の密度とは異なる。この密度の差により、母材１０１は鋳型１１０内で流体材料１０３から分離される。その結果、第１の部分１１１及び第２の部分１１３を有する鋳造品１０９が形成される。第１の部分１１１は母材１０１に起因し、第２の部分１１３は流体材料１０３に起因する。一実施形態では、第１の部分１１１と第２の部分１１３は、鋳造品１０９内で分離され、かつ／又は混合しない。別の実施形態では、第１の部分１１１と第２の部分１１３は混合領域によって分離され、混合領域には、第１の部分１１１と第２の部分１１３の両方が存在する。一実施形態では、第１の部分１１１及び第２の部分１１３は、鋳造品１０９全体にわたって均質の混合物を形成する。別の実施形態では、鋳造品は、第１の領域及び第２の領域を含む。第１の領域は第１の熱膨張係数を有し、第２の領域は第２の熱膨張係数を有する。一実施形態では、第１の熱膨張係数は第２の熱膨張係数とは異なる。
凝固（ステップ１０６）の速度により、方法１００によって形成される鋳造品１０９の結晶粒組織が制御される。例えば、一実施形態では、高速冷却方法に起因する速度は、図１に示すように、方向性凝固結晶粒２１５と比較して、増大された等軸結晶粒１１５を有する鋳造品１０９を形成する。別の実施形態では、引抜き冷却法に起因する速度は、図２に示すように、等軸結晶粒１１５と比較して、増大された方向性凝固結晶粒２１５を有する鋳造品１０９を形成する。
図１を再び参照すると、一実施形態では、鋳型１１０は、底部供給式の構成を有する。本明細書では、底部供給式及び底部部分などの方向に関する言語は、概略的に、重力の方向に対応する。底部供給式の構成は、鋳型の上部部分１１８とは対照的に、鋳型１１０の下部部分１１６内の開口から外方へ延びる流体導管を有する。一実施形態では、流体導管は第１の区間を有し、第１の区間は第２の区間に接続されており、第１の区間は実質上垂直であり、第２の区間は実質上水平である。流体導管の第１の区間には、第１の区間の受取り端部内へ材料を供給するための漏斗が取り付けられる。第２の区間は、第１の区間からの材料を鋳型１１０の下部部分１１６内の開口に供給する。一実施形態では、鋳型１１０の下部部分１１６内の開口の形状は、それだけに限定されるものではないが、円形、正方形、楕円形、スロット、又は長方形の１つである。一実施形態では、流体材料１０３は、母材１０１を鋳型１１０の下部部分１１６から変位させて母材１０１を上方へ押し上げる。本明細書では、上方、頂部供給式、及び上部部分などの方向に関する言語は、概略的に、重力とは反対の方向に対応する。
図３及び図４を参照すると、一実施形態では、鋳型１１０は、頂部供給式の構成３１２を有する。頂部供給式の構成３１２は、漏斗状の部材を通って鋳型１１０の上部部分１１８へ流体材料１０３を供給する。漏斗状の部材は、鋳型１１０の上部部分１１８内に位置し、鋳型１１０の内面３２０へ材料を供給するための湾曲したリップを有する。流体材料１０３は、母材１０１より低い密度を有し、鋳型１１０内で母材１０１より上に留まる。母材１０１及び流体材料１０３は、鋳型１１０内で冷却され（ステップ１０６）、鋳造品１０９が形成される。
一実施形態では、鋳型１１０には、流体材料１０３の供給（ステップ１０４）の速度の増大を低減又は防止するための流れ制御特徴が結合される。流れ制御特徴は、母材１０１と流体材料１０３の密度による分離が乱流によって乱されるのを防止する。図１及び図２を参照すると、一実施形態では、流れ制御特徴は、例えば底部供給式の構成１１２内に流れ制限器１１４を含む。別の実施形態では、底部供給式の構成１１２は、複数の封止可能な通路（図示せず）を含む。複数の通路は、流体材料１０３の逆流を防止するために、使用されていないときは封止される。図３及び図４を参照すると、一実施形態では、流れ制御特徴は、例えば鋳型１１０の内面３２０に沿って突起３１４を含む。突起３１４は、鋳型１１０の内面３２０から内方へ延びる複数の半円形の部材である。突起３１４は、内面３２０上で水平に向き、内面３２０の長さに沿って延び、各突起３１４は、流体材料１０３の流量の増大を防止するために、蛇行経路をもたらす。流体材料１０３が内面３２０に沿って流れるとき、突起３１４によって流速が遅くなる。
図３及び図４を参照すると、一実施形態では、１以上の追加の流体材料３０１が鋳型１１０に供給される。追加の流体材料（複数可）３０１は、鋳造品１０９の追加の部分３１１を形成する。理解されるように、追加の流体材料３０１は、流体材料１０３及び／又は相互に比較して、同じ材料、同じタイプの材料、異なる材料、又は異なるタイプの材料である。
一実施形態では、母材１０１及び／又は流体材料１０３の組成は、重量で、０．１２％未満の炭素、約０．０１％未満のケイ素、約０．００１％未満のマンガン、約５．７２％未満のアルミニウム、約０．０２％未満のホウ素、約０．１％未満のニオブ、約９．４％未満のコバルト、約５．６％未満のクロム、約０．００２％未満の銅、約０．０２％未満の鉄、約１．５％未満のハフニウム、約０．５２％未満のモリブデン、約３．０％未満のレニウム、約６．２％未満のタンタル、約０．２％未満のチタン、約８．５％未満のタングステン、約０．０１３％未満のジルコニウム、残部のニッケルと不可避不純物である。
一実施形態では、母材１０１及び／又は流体材料１０３の組成は、重量で、約０．０７％〜約０．１０％の炭素、約８．０％〜約８．７％のクロム、約９．０％〜約１０．０％のコバルト、約０．４％〜約０．６％のモリブデン、約９．３％〜約９．７％のタングステン、約２．８％〜約３．３％のタンタル、約０．６％〜約０．９％のチタン、約５．２５％〜約５．７５％のアルミニウム、約０．０１％〜約０．０２％のホウ素、約１．３％〜約１．７％のハフニウム、約０．１％以下のマンガン、約０．１２％以下のケイ素、約０．０１％以下のリン、約０．００４％以下の硫黄、約０．００５％〜約０．０２％のジルコニウム、約０．１％以下のニオブ、約０．１％以下のバナジウム、約０．１％以下の銅、約０．２％以下の鉄、約０．００３％以下のマグネシウム、約０．００２％以下の酸素、約０．００２％以下の窒素、及び残部のニッケルと不可避不純物である。
一実施形態では、母材１０１及び／又は流体材料１０３の組成は、重量で、約０．０９％〜約０．１３％の炭素、約１５．７０％〜約１６．３０％のクロム、約８．００％〜約９．００％のコバルト、約１．５０％〜約２．００％のモリブデン、約２．４０％〜約２．８０％のタングステン、約１．５０％〜約２．００％のタンタル、約０．６０％〜約１．１０％のニオブ、約３．２０％〜約３．７０％のチタン、約３．２０％〜約３．７０％のアルミニウム、約０．００５％〜約０．０２０％のホウ素、約０．０１５％〜約０．０５０％のジルコニウム、約０．３５％以下の鉄、約０．１０％以下のマンガン、約０．３０％以下のケイ素、約０．００７％以下の硫黄、及び残部のニッケルである。
一実施形態では、母材１０１及び／又は流体材料１０３の組成は、重量で、約１５％未満のクロム、約９．６％未満のコバルト、約３．９％未満のタングステン、約１．６％未満のモリブデン、約５．０％未満のチタン、約３．１％未満のアルミニウム、約０．２％未満の炭素、約０．０２％未満のホウ素、約２．９％未満のタンタル、及び残部のニッケルである。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims (20)

  1. 第１の密度及び第１の組成を有する母材を鋳型内に提供するステップと、
    第２の密度及び第２の組成を有する流体材料を鋳型に供給するステップと、
    母材及び流体材料を凝固させて鋳造品を形成するステップと
    を含む鋳造方法であって、第１の密度が第２の密度と異なるか、第１の組成が第２の組成と異なるか、或いは第１の密度が第２の密度は異なっているとともに第１の組成が第２の組成と異なる、鋳造方法。
  2. 母材が鋳造品の第１の部分を形成し、流体材料が鋳造品の第２の部分を形成する、請求項１記載の鋳造方法。
  3. 鋳造品が、第１の熱膨張係数を有する第１の領域と、第２の熱膨張係数を有する第２の領域とを含み、第１の熱膨張係数が第２の熱膨張係数とは異なる、請求項１記載の鋳造方法。
  4. 鋳造品が、方向性凝固結晶粒よりも高濃度の等軸結晶粒を含む、請求項１記載の鋳造方法。
  5. 鋳造品が、等軸結晶粒よりも高濃度の方向性凝固結晶粒を含む、請求項１記載の鋳造方法。
  6. 鋳型が底部供給式の鋳型である、請求項１記載の鋳造方法。
  7. 鋳型が頂部供給式の鋳型である、請求項１記載の鋳造方法。
  8. 鋳型が、方向性凝固結晶粒よりも高濃度の等軸結晶粒を生成する速度で冷却される、請求項１記載の鋳造方法。
  9. 鋳型が、等軸結晶粒よりも高濃度の方向性凝固結晶粒を生成する速度で冷却される、請求項１記載の鋳造方法。
  10. 鋳型に結合された流れ制御特徴を含む、請求項１記載の鋳造方法。
  11. 流れ制御特徴が、流体材料の供給速度の上昇を低減又は防止する流れ制限器を含む、請求項１記載の鋳造方法。
  12. 流れ制御特徴が、流体材料の供給速度の上昇を低減又は防止する突起を含む、請求項１記載の鋳造方法。
  13. 母材より小さい密度を有する流体材料が、頂部供給式鋳型に供給される、請求項１記載の鋳造方法。
  14. 母材より大きい密度を有する流体材料が、底部供給式鋳型に供給される、請求項１記載の鋳造方法。
  15. 鋳型に追加材料を供給するステップを含む、請求項１記載の鋳造方法。
  16. 追加の材料が、母材の密度及び組成並びに流体材料の密度及び組成とは異なる密度及び組成を有する、請求項１５記載の鋳造方法。
  17. 母材が超合金である、請求項１記載の鋳造方法。
  18. 流体材料が超合金である、請求項１記載の鋳造方法。
  19. 第１の密度及び第１の組成を有する母材からの第１の材料凝固と、
    第２の密度及び第２の組成を有する流体材料からの第２の材料凝固と
    を備える鋳造品であって、第１の密度が第２の密度と異なるか、第１の組成が第２の組成と異なるか、或いは第１の密度が第２の密度は異なっているとともに第１の組成が第２の組成と異なる、鋳造品。
  20. 母材を収容するための鋳型と、
    母材を収容する鋳型に流体材料を供給する入力手段と
    を備える鋳造システムであって、入力手段が、流体材料の供給速度の上昇を低減又は防止する流れ制御特徴を含む、鋳造システム。
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