JP2014525839A - インベストメント鋳造の製造方法 - Google Patents

Abstract

インベストメント鋳造の製造方法であって、好ましくはアルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛、および鉄を基とする合金性のセラミックモールドであって、前記セラミックモールドは８００〜１０００℃の温度で２〜４時間焼成され、その後前記モールドは２０〜９５０℃の温度で冷却されかつこの温度を１０〜４０分間保持され、その後初期の融点で５０〜２００℃で加熱された液体合金を注入され、かつ１０〜１００秒経過した後に、前記モールドは液体冷却剤中に規定のまたは可変の速度で浸漬され、前記冷却剤は１〜９９体積パーセントの１５〜８５℃の温度の液体ポリマー水溶液であることを特徴とするインベストメント鋳造の製造方法。好ましくは、前記液体ポリマーはＰＡＧまたはＰＶＰ、またはＡＣＲ、またはＰＥＯのタイプのポリマーである。好ましくは、アルミノケイ酸、または高純度アルミナの耐火材で作られていて、特に例えばモロカイトなどの合成砂を基礎としたセラミックモールドが使用される。
【選択図】なし

Description

本発明はインベストメント鋳造の製造方法に関するものであり、好ましくは、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛および鉄を基礎とした合金に由来するセラミックモールドに関する。

液体合金をセラミックモールドの空洞に注いだ後、この合金を素早く、バルククーリングまたは方向性冷却をすることで、比較的均一かつ微粒子構造によって特徴づけられ、かつ結果的に高い機械特性によって特徴づけられる多孔性を伴わないコンパクトな鋳造を得ることが求められる。

インベストメント鋳造に使用されるセラミックモールドは、低い熱伝導性によって特徴づけられ、かつそれ故に液体金属の凝固時間が比較的長い。凝固が遅い結果、粗い粒子構造が形成され、前記構造は鋳造の機械特性を減少させる原因となる。

鋳造において要求されるコンパクトな構造を得るために、前記金属の方向性凝固が提供されるべきである。例えば、特許明細書第ＤＥ−ＯＳ３６２９０７９号によるインベストメント鋳造を製造する方法は、選択されたモールド部に製造される「ポケット」をセラミックモールドに使用する旨の記載がある。液体金属をモールドに注入する前に、これらポケットは鋼のショットを用いて充填される。アルミ製の熱容量よりも高い鋼のショットの熱容量がはるかに高いために、液体金属からの著しい熱転移がそのため提供され、方向性凝固領域を用いて鋳造を製造することを可能とする。特許明細書第ＥＰ５７１７０３号では、液体合金を注入するセラミックモールド用の冷却剤として液体冷却材が使用され、好ましくは液体状態で、異なる過熱温度において（使用され）、前記沸点は注入される金属温度よりも低い。液体冷却材は適切な粘度を有するべきであり、前記冷却材は異なる沸点により特徴付けられた基質の混合物である。例えば、ワックス、グリコール、エステルおよび／またはオイルを含む組成物が提供される。前記冷却材成分の引火性が原因となって、前記プロセスは不活化ガス雰囲気下で密閉された容器の中で実行される。特許明細書第ＵＳ６６２２７７４号によると、アルミニウム合金が注入された複数のセラミックモールドはオイルバス中で冷却され、前記オイルバスは高い引火点と低い粘度を有する。一方で、特許明細書第ＵＳ２００８／００１１４４２号では、液体金属を注入したセラミック鋳造のモールドは、約３００秒間にわたり少なくとも２０メガパスカル（ＭＰａ）の圧力が維持され、その後−１００℃あるいはそれ以下の温度で液体冷却材中に導入される。凝固中の金属を超音波影響下に曝すこと、あるいは別の代替的処置に曝すことは有効である。

本発明によるインベストメント鋳造の製造方法は、好ましくはアルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛および鉄を基とする合金製のセラミックモールドにおいて、前記セラミックモールドは、２〜４時間にわたり８００〜１０００℃の温度で焼成され、次に２０〜９５０℃の範囲温度で冷却され、さらに１０〜４０分間にわたりこの温度が保持され、さらにこの時間が経過した後、前記モールドは初期融点温度上で５０〜２００℃に過熱された液体合金を注入され、さらに１０〜１００秒経過した後、液体冷却剤中に規定のあるいは可変の速度で浸漬され、前記液体冷却剤は１５〜８５℃の範囲温度における１〜９９体積パーセント水溶液の液体ポリマーであることを特徴とする。

好ましくは、前記液体ポリマーはＰＡＧ、またはＰＶＰ、またはＡＣＲ、またはＰＥＯ型のポリマーである。好ましくは、前記セラミックモールドはアルミノケイ酸製あるいは高濃度のアルミナ耐火材製であって、特に合成砂（例えばモロカイト）を基としたものが使用される。

液体ポリマーは溶液、懸濁液またはポリマー合金であり、測定可能な形状安定性により特徴付けられた特定の液体群に属し、固体ボディの複数の任意の特徴を明らかにし、かつ測定可能な弾性により特徴付けられている。液体ポリマーは多分子炭素および水素化合物で表され、さらに酸素、窒素、リンおよび硫黄を含有し、修飾剤、阻害剤および他の添加剤も同様である。複数の液体ポリマーは高いせん断速度においてニュートンの流動性の特徴を示さず、それは複数の液体ポリマーの流体曲線が直線ではないことを意味する。

前記充填された冷却剤はクエンチングオイルよりほぼ２倍高い特異熱を有し、それは前記剤の温度上昇が凡そ２分の１減少したバッチの重量のためであろうことに起因する。

セラミックモールド壁を通って浸透する液体ポリマーの水溶液は、融解した金属と接触して薄い分離ポリマーの被膜を形成し、それが優れた表面の質を有する鋳造の作成を可能にする。本発明による方法を適用すると、前記鋳造の外側表面はオイルやワックスで汚染されず、かつそれ故に脱脂洗浄または他の清掃工程が不要となる。前記剤が高濃度で冷却バス中に生じている際に鋳造上に残存可能な冷却材残渣は炭化せず、高温で完全に分解し水蒸気や二酸化炭素を形成している。冷却速度はポリマーの種類、濃度、および水溶液の温度に依存する。充填される冷却材は非引火性で環境にやさしい。これらの特徴から、本発明による方法を実行するためには、密閉された空間を必要とせず、モールドから冷却剤を早期に除去する場合にのみより大量の煙が発生するため、装置から離れるので十分である。

前記ポリマー冷却剤中に浸漬した鋳造は結晶化しかつボトムアップ手法で凝固し、かつ湯口は前記鋳造の最終部として結晶化し、同時に供給方式の役割を実行する。液体合金を注入された全てのセラミックモールドが即座に冷却剤中に浸漬されるとき、液体状態からの素早い大量の結晶化および冷却が生じ、この技術は実践的に均一な壁の厚みの鋳造を適用しかつ１つの区域から別の区域へ円滑に移行させる。液体合金を注入されたセラミックモールドが連続的にまたは可変の速度で液体冷却剤中に浸漬されたとき、素早い方向性の結晶化が生じる。

アルミノケイ酸または高濃度アルミナ耐火材で製造されたセラミックモールドは温度変化中の安定的特性により特徴づけられる。前記セラミックモールドのより高い温度が合金の鋳造性を支持し、かつそれ故に薄肉壁または超薄肉壁の鋳造を製造することを可能にする。

本発明の方法により製造された鋳造は前記外側表面の質が非常によく、低い粗度、光沢のある見た目、およびガス微細孔性型の欠損のないことで特徴付けられる。方向性の凝固は、（密度により計測された）内部の優れたコンパクト性を提供する。さらに、前記鋳造は壁の横断面でマクロおよびミクロ構造の高い均一性により特徴づけられ、（横断面の）薄さは２〜３倍よりも大きくならない。それらの構造はインベストメント鋳造工程の従来法による似た鋳造凝固の観点でより洗練されていて、特に、第２のデンドライトアーム間隔の平均使用値が減少し、かつ共融合金中で微粒子共晶が形成される。これら全ての要因が張力試験における強度パラメータＲ_ｍおよびＲ_ｐ０，２および延性Ａ_５に影響を与え、一方でこれらパラメータの強度は合金の種類や冷却状況に依存する。

本発明によるインベストメント鋳造の製造方法の実践的な実施例を以下に付す。

実施例１
直径２０×直径３０×１００ｍｍのパイロット円錐鋳造用のセラミックモールドが９０重量％の二酸化ケイ素内容物を有する水晶粉末およびシリカ砂で製造され、２０〜４０重量％の二酸化ケイ素を含有するコロイド状のシリカの水溶液の形成にはＬＵＤＯＸ（登録商標）ＰＸ３０タイプのバインダーを用いる。前記モールドは８００〜８５０℃の温度で２時間焼結される。その後、７５０℃の温度までゆっくりと冷却され、１５分間この温度で保持され、次にアルミニウム合金を注入される。アルミニウム合金は７００〜７２０℃の温度における亜共晶ＥＮ ＡＣ−ＡｌＳｉ７Ｍｇ０，６シルミンである。前記液体合金を注入されるセラミックモールドは１０秒後に、Ａｑｕａ−Ｑｕｅｎｃｈ２６０などの液体ポリマークエンチ剤の水溶液２０体積パーセント中で２０℃の温度にて７．５ｍｍ／ｓの速度で浸漬される。

液体ポリマーの水溶液を使用すると、セラミックモールドおよび液体合金との反応が非常に弱くなり、結果として鋳造がコンパクトになりさらに如何なる内部のガス型多孔も免れる。一方でその外部表面は輝きかつ光沢があり、粗さの痕跡を有するのみである。

実施例２
細くした鋳造用のセラミックモールドは、実施例１のように、商標名がモロカイトおよびＬＵＤＯＸ（登録商標）ＰＸ３０バインダーの下、合成フィルターの形状でアルミノケイ酸材から製造され、かつ９００℃で２時間焼成され、かつその後室温で冷却される。前記モールドを３００℃の温度で余熱した後、１５分間この温度で保持され、さらに６９０〜７１０℃の温度で液体鋳造ＭｇＡｌ９Ｚｎ１のマグネシウム合金が注入される。その後、１０秒後に融解した金属を注がれた前記モールドは２０℃の温度で前記液体ポリマーＰＯＬＩＨＡＲＴＥＮＯＬ−Ｅ８の２０体積パーセント水溶液に７．５ｍｍ／秒の一定速度で浸漬される。

冷却剤中で前記合金の結晶化および冷却をした後、前記モールドシェルは前記鋳造の外部表面に接着の予兆を何ら見出さない。前記合金はコンパクトで、外部および内部の如何なる多孔性も存在せず、一方で前記鋳造の密度は、付与された化学組成物の合金に対する一般理論上の密度に近い。金属の道具を用いて衝撃を与えた場合、前記鋳造は重力型鋳造物に典型的な澄んだ金属音を発する。前記例の外表面は低い表面粗度と僅かな光沢を有する。

実施例３
ＬＵＤＯＸ（登録商標）ＰＸ３０バインダーを有する、賦形剤としてモロカイト（Ｍｏｌｏｃｈｉｔｅ）を基とした円錐形状のセラミックモールドは９５０℃の温度で３時間焼成され、その後７００℃の温度で３時間冷却された後、２０分間この温度を保持し、さらに１４５０℃の温度で液体クロミウム−モリブデンの鋳造鉄（重量パーセントで３．３５の炭素、０．５３のケイ素、９２のマンガン、９．５のクロム、０．１４のニッケル、１．５３のモリブデン、残りは鉄を含む）を注入される。その１５秒後に、液体の鋳造鉄を有する前記モールドは１９．１４体積パーセント濃度の液体ＴＨＥＲＭＩＳＯＬ ＱＺＳ７００水溶液ポリマーに５０℃で５ｍｍ／秒の速度にて浸漬される。

方向性の冷却はコンパクト性を改善する。鋳造の平均密度ｐ＝７．５１ｇ／ｃｍ^３である一方、前記硬度の平均値は６６４ＨＶである。対照的に、砂のモールドで製造された鋳造の割合はｐ＝７．４５ｇ／ｃｍ^３であり、さらに前記硬度の平均値は５４７ＨＶである。凝固および冷却を促進すると、初期段階で球状化およびフェライトマトリクス中での共晶炭化物に都合が良い。

実施例４
コロイド状のシリカが基となった、モロカイトおよびＬＵＤＯＸ（登録商標）ＰＸ３０バインダーと称されるアルミノケイ酸フィルター製のセラミックモールドは、９００℃で３時間焼成される。その後前記モールドは室温で冷却されかつその後４００℃に過熱される。前記モールドはこの温度で３０分間保持され、かつ７１０〜７４０℃の温度でＡＣ−ＡｌＳｉ７Ｍｇ０．３の液体合金を注入される。１５秒後、前記液体合金を注入された前記モールドは冷却剤ポリマーで満たされたタンクに約５ｍｍ／秒の平均速度で浸漬される。前記冷却材は室温でＰＯＬＩＨＡＲＴＥＮＯＬ−Ｅ８の２０％水溶液である。

鋳造で生じる微細構造は、４００℃の温度で自立凝固する鋳造の微細構造よりも洗練されている。前記鋳造の外表面における全体的な質は、両方のケースで非常に良い。表面の粗度は低く、かつ明るくて光沢がある。本発明による方法により製造された前記鋳造は、よりコンパクトで、内部に欠陥はなく、かつ壁の薄さに依存する従来技術により製造された鋳造と比較して、０．０１から０．０４ｇ／ｃｍ^３の高い密度を有する。結晶化が速いと、前記アルミニウム固体溶液の樹状突起α_Ａｌが減少する。特に、肉眼で観察できるのは（α_Ａｌ＋β_Ｓｉ）共晶の冷却条件に関連した改善効果である。前記効果はＡＣ−ＡｌＳｉ７Ｍｇ０．３型の亜共晶シルミンにおいても観察され、ＤＡＳまたはＳＤＡＳパラメータ（例えばＩおよびＩＩオーダーの樹枝状晶間空隙）は、粒子サイズよりも凝固率とより相関する。本発明による方法によりＡｌＳｉ７Ｍｇ０．３合金から製造された鋳造では、平均的なデンドライトアーム間隔は４０μｍである。本発明により製造された鋳造における上昇した凝固速度は前記機械特性の上昇に反映されている。Ｒ_ｍ＝２８０メガパスカル、Ｒ_ｐ０．２＝２３５メガパスカル、Ａ_５＝４．０％である一方で、例えば、室温における従来のセラミックモールドで凝固する鋳造では、平均的なデンドライトアーム間隔は４７μｍである。そして、機械特性は以下の様に想定される。Ｒ_ｍ＝２４５メガパスカル、Ｒ_ｐ０．２＝１９５メガパスカル、Ａ_５＝２．５％である。

実施例５
ＬＵＤＯＸ（登録商標）ＰＸ３０バインダーを有するモロカイト（Ｍｏｌｏｃｈｉｔｅ）を基とした３つのセラミックモールドは、９００℃の温度で２．５時間焼成され、かつその後５００℃まで冷却され、この温度を１５分間保持され、さらにＰＮ−９１／Ｈ−８７０２６によるＢＡ１０４４，Ｂ５５５，またはＭＯ５９型の液体銅合金を注入され、上述の初期融点の１００〜１５０℃に過熱される。前記モールドの空間に充填が終了してから３０秒後、前記モールドは１５＝２５の水体積パーセント濃度で、ＰＯＬＩＨＡＲＴＥＮＯＬ−Ｅ８を基とするポリマー冷却剤中で、３５℃の温度で８．５ｍｍ／秒の速度で浸漬される。

銅合金の外側表面は低い表面粗度により特徴付けられ、光沢があり、特にＢＡ１０４４のケースにおけるアルミニウム青銅が挙げられる。銅合金の鋳造で方向性の凝固を素早くすると、粒子サイズおよびＳＤＡＳの両方の微細構造で減少する。例えば、Ｂ５５５合金では、これらの距離は減少する。本発明による方法によって製造された鋳造に対し３３μｍから、約５００℃の温度で自立性モロカイトモールドにおいてフリークーリングを実行した鋳造に対し２６μｍまで減少する。冷却条件は銅合金の鋳造の硬度に有意な効果をもたらす。また、自立性モールドにおけるＢＡ１０４４合金のＨＮが２３２ユニットであるのに対して、液体ポリマー剤中に配置されたモールドにおいて方向的に凝固する合金では２５３まで上昇する。方向性の凝固を素早く行った後、一般的な上昇が、強度パラメータＲ_ｍおよびＲ_ｐ０，２、延性Ａ_５および試験された銅合金の硬度ＨＶで観察された。基本的な化学組成、および修正を洗練しかつ加熱処理を調整した後であれば、機械特性が追加的に上昇する可能性がある。

Claims (7)

1. インベストメント鋳造の製造方法であって、好ましくは、アルミニウム、マグネシウム、銅、亜鉛および鉄を基とした合金から製造されたセラミックモールドであって、
   前記方法は、前記セラミックモールドが８００〜１０００℃の温度で２〜４時間焼成され、次に２０〜９５０℃の温度で冷却され、かつこの温度で１０〜４０分保持され、次に初期融点より高い５０〜２００℃まで過熱された液体合金を注入され、さらに１０〜１００秒経過した後、液体冷却剤中に規定のまたは可変の速度で浸漬され、前記液体冷却剤は１５〜８５℃の温度で１〜９９体積パーセントの液体ポリマー溶液であることを特徴とするインベストメント鋳造の製造方法。
2. 請求項１に記載のインベストメント鋳造の製造方法であって、前記液体ポリマーはＰＡＧ，またはＰＶＰ、またはＡＣＲ、またはＰＥＯ型のポリマーであることを特徴とするインベストメント鋳造の製造方法。
3. 請求項１に記載のインベストメント鋳造の製造方法であって、前記セラミックモールドはアルミノケイ酸または高濃度の耐火アルミナ製であり、特に例えばモロカイトが使用されている合成砂を基とすることを特徴とするインベストメント鋳物の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法によって得られるアルミニウム合金の鋳造。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法によって得られるマグネシウム合金の鋳造。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法によって得られる銅合金の鋳造。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法によって得られる鉄合金の鋳造。