JP2016527085A5

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Publication number: JP2016527085A5
Application number: JP2016530593A
Authority: JP
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2034-08-01

Description

しかしながら、公知の粉末冶金は、製造される製品の大きさの点に関して、及び、その形状の複雑さの点においても制限される。更に、経費がかかり時間を消費するプロセスである。拡大が困難であり、もっと伝統的な鋳造プロセスによって製造された製品と競合するときには、要求される大きさと複雑さを有する製品を製造することはほとんど不可能である。

［発明の簡単な要約］
本発明の第１の観点によれば、粉末供給材料から金属成分を形成する方法であって：前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料から１成分の鋳型を生成する；金属粉末の前記供給材料を前記鋳型の中に展開する；誘導加熱システムを有する真空チャンバ内に前記鋳型を置き、前記誘導加熱システムが電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む；そして、前記鋳型内で前記金属粉末が融解するように該金属粉末の融点より高い温度に前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する；ステップを含み、前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、セラミックの前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射する方法が提供される。一実施態様では、鋳型が冷却し、鋳型内に含まれる金属が収縮するときに、鋳型に液状金属を追加して供給する供給管が含まれる。

本発明の第２の観点によれば、粉末供給材料から金属成分を形成する装置であって：当該鋳型の中に入る前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料からなる１成分の鋳型と；電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む誘導加熱システムを有する誘導加熱システムに装備され、前記鋳型を受容する真空チャンバ；を含み、前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射するように構成される装置が提供される。

図１は、金属成分を形成する方法を示し；図２は、模型の生成手順を示し；図３は、鋳型を生産するための層の追加を示し；図４は、供給材料の展開を示し；図５は、金属成分を形成する装置を示し；図６は、供給部の断面を示し；図７は、金属粉末が充填された後の図５の鋳型を示し；図８は、液状金属を有する図７の鋳型を示し；図９は、鋳型の部分断面を示し；図１０は、更に冷却した後の図９を示し；図１１は、代替構成の鋳型を示し；図１２は、加熱システムを示し；図１３は、鋳型の代替実施形態を示し；そして；図１４は、顆粒状サセプタ材料に浸漬された鋳型を示す。

［実施形態の詳細な説明］
（図１）
図１は、粉末供給材料から金属成分を形成する方法を示す。供給材料は、最初、粉末状態（図４に詳細）であり、そして、固体成分は、熱を与えることによって形成される（図１２に詳細）。ステップ１０１で、１成分の模型１０２が生成される。ステップ１０３で、その成分が形成される材料の融点より高い融点を有する材料から、鋳型１０４が模型１０２の周囲に構築される（詳細は図３に示す）。
ステップ１０５で、模型１０２を除去すると、鋳型内に空隙１０６が残る。

（図２）
図２は、模型を生成する手順を示す。模型１０２を生成するために、原料材料２０１に対して操作を行なう。第１の実施の形態では、模型の形状を画定するために、適切な材料に加工操作２０２を行うことができる。しかしながら、使用する材料は、鋳型を画定するために、犠牲材料を除去することができるようなタイプのものでなければならないことが理解されるべきである。

代替として、ワックス注入プロセス２０３を行うことができる。ワックス模型の周りに鋳型を生成した後、熱を与えることによってワックスを除去することができる。このような方法は、金属溶湯の適用に先立って鋳型の加熱も望ましいとされていることが従来の鋳造システムにおいて知られている。しかしながら、一実施形態では、鋳型が冷却放置され、そして、粒子が室温で添加される。
別の方法では、例えば、適切な高速プロトタイピング材料を用いて、添加生産２０４のプロセスによって模型１０２を生産することも可能である。材料は熱の適用及び／又は適当な溶媒を適用することによって除去することができる。

（図３）
本実施形態では、鋳型は、その成分が形成される金属の融点より高い融点を有し、空気に対して比較的多孔性なセラミック殻である。一実施形態では、図３に示すように、セラミックの鋳型は、複数の層を追加することによって生産される。
図３に示す実施形態では、層は、湿ったスラリー層と実質的に乾燥したスタッコ層が交互になるように加えられる。
スラリー３０１は模型１０２に加えられる。次いで、乾燥スタッコ３０２を適用し、湿ったスラリーに接触させると層ができる。

一般的に、３０３に示すように、このプロセスを繰り返すと、層３０４が構築される。このように、鋳型１０４が要求される厚さになるまで更に繰り返される。セラミックの鋳型１０４は、その中に放射加熱システムから放射熱が伝導することを可能にし、金属粉末を融解させるために、理想的には比較的薄い壁区分を有するべきである。
しかしながら、壁区分は、処理中に亀裂又は破壊を防止するのに十分な厚さでなければならないので、高い熱伝導率を有するが、十分に強度のある鋳型を生成することが妥協点でなければならない。
一実施形態では、使用される金属に対して不活性である耐火性スラリーのプライマリ層が適用される。次いで、同様な又は異なる材料の乾燥砂が適用され、更にスラリーが適用され、砂、スタッコなどが続く。

セラミック殻を形成するのに適したセラミック材料としては、シリカやアルミナなど多数知られている。シリカ殻は、放射加熱システムを使用して適切な時間枠内で粉末金属を融解させるだけのチャージを可能にするために十分に高い熱伝導率を有していないことがテスト中に発見された。したがって、好ましい実施形態では、熱伝導性の高いアルミナ材料からなる鋳型が使用される。他のタイプの高い熱伝導率を有する殻材料が使用されてもよい、しかしながら、特定の金属を使用したとき、グラファイトベースの鋳型によって経験したように、それらは、金属溶湯内で融解の影響を受けることがあってはならない。

（図４）
図４は、ステップ１０７の供給材料の展開の詳細を示す。ステップ１０５で示したように、模型１０２は除去されている。鋳型１０４は、それ自体が安定した基盤４０２によって支持されている振動台４０１上に配置されている。このように、供給材料１０８は鋳型１０４の中に展開する、又は、矢印４０３及び４０４で示すように、展開後鋳型内に供給材料が分散し易くするために、一定度合いの振動を与える。約０.１０〜０.１５ミリメートルの低振幅変位を伴う、例えば４０〜６０ヘルツの高周波振動によって、大きくて複雑な金属成分を容易に鋳型に充填することができる。

（図５）
図５ないし１２は、粉末の供給材料から金属成分を形成するための装置を示す。前述のように、模型が生成され、鋳型は、その材料が形成される金属の融点より高い融点を有する材料によって模型の周囲に構築される。したがって、これにより、鋳型、好ましくはセラミックの鋳型５０１が生成される。
模型は鋳型５０１から除去される。装置は、更に、鋳型５０１内に金属粉末の供給材料を展開するための展開デバイス、及び供給材料が鋳型内で融解するように、金属粉末の融点よりも高い温度に金属粉末を加熱するための加熱システムを有する。

図５は、鋳型５０１の一例を示す断面図である。鋳型５０１は、生成される成分と対応する成分部５０２及び供給部５０３を備える。該供給部５０３は、概ね円筒形の通路５０４を画定し、該通路５０４は、図６にて詳細に示す内方向延長成分を含むことができる。供給部は、第１の端部で該成分部に隣接し、先端部に向かって上向きに垂直に延びている。該先端部は開放されているので上部まで供給材料を注入することができる。

（図７）
図７は、プロセス１０７の間に金属粉末１０８を充填した後の鋳型５０１を示す。金属粉末を上部まで供給部５０３の開放端７０２中に注き、そして、金属粉末１０８を圧縮するために（図４を参照して説明したように）振動を与えた。一実施形態では、供給部には、該供給部の上部まで金属粉末を充填する。次いで、鋳型を振動すると、供給部内の金属粉末の上面７０３は、振動前の粉末のレベルと比較して、低くなる。

加熱される鋳型の形状に合うようにサセプタを形成することができるので、顆粒状サセプタはサセプタ材料の好ましい形状である。一実施形態では、耐火チューブが、加熱する鋳型の形状に対応する形状にセラミック材料で形成される。該チューブは、次に、隣接する鋳型に熱を放射する顆粒状サセプタ材料で充填される。これは、適切な形状に加工することが困難な固体サセプタ・インゴットを使用するとき、別の方法ではできないという、非常に汎用性の高いサセプタ要素を備えている。図１４を参照して説明する具体的な実施形態では、顆粒状サセプタ材料は緩いベッドを形成する。該ベッドの中に鋳型が完全に浸漬するので、サセプタと鋳型が密接に接触し、熱エネルギーが効率的に移動することを確保できる。

（図１３）
図１３は、１３０１で本発明の別の実施形態を示す。金属成分を形成するために、鋳型１３０２に金属粒子１３０３が充填されている。電磁放射源１３０４が設けられ、サセプタ材料が、電磁放射線を受け、金属粒子１３０３を熱加熱することに応じて加熱されるように構成されている。誘導加熱を用いてセラミック鋳型内で金属粉末を加熱するとき、誘導電界が融解する金属粉末自体と非常に弱く連結するのでそれを融解できないことが決定されている。

一実施形態において、電磁放射線はマイクロ波放射であり、該装置は、更に、マイクロ波発生器の形態で、マイクロ波放射源も含む。マイクロ波放射は、エネルギーを効率的に生成し、簡単に導くので、エネルギーの種類として好ましい。マイクロ波エネルギーを使用するとき、サセプタ材料としては炭化ケイ素が好ましい。炭化ケイ素は、他の多くのサセプタ材料よりも熱劣化しにくい傾向にあり、典型的には、摂氏３０００度を超える温度に加熱できる。１３０１に示す実施形態では、顆粒状のサセプタ材料が鋳型１３０２自体に含まれている。しかしながら、サセプタ顆粒状塊は、図１４に示すものと実質的に同様の構成であり、別々に提供され得る。

（図１４）
図１４は、金属成分を形成する別の実施形態を１４０１で示す。鋳型１４０２は金属粒子１４０３を受容する。放射源１４０４は、容器１４０５の方向に向けて電磁放射線を放射する。容器１４０５は、放射源１４０４から放射された放射線に対して実質的に透過性があり、サセプタ材料１４０６は、鋳型を囲む容器１４０５内に含まれている。図示の実施形態では、サセプタ材料１４０６は、炭化ケイ素の粒子を含む顆粒状粒子状物質である。顆粒状サセプタ材料は、感受した（suscepted）熱を鋳型に完全に与えることができるので、いくつかの用途において好ましい。

図示の実施形態では、容器１４０５は、サセプタ材料の粒子１４０６で充填され、鋳型１４０２は、部分的又は全体的に顆粒状サセプタ材料１４０６中に浸漬するように容器内に配置される。サセプタ材料内に鋳型１４０２を浸漬することによって、熱エネルギーがサセプタ材料１４０６から鋳型１４０２の表面に効率的に移動するだけでなく、鋳型１４０２がサセプタ材料１４０６によって支持されるので、金属粉末１４０３が充填されたとき、鋳型が破砕するリスクが減少する。

Claims

粉末供給材料から金属成分を形成する方法であって：
前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料から１成分の鋳型を生成する；
金属粉末の前記供給材料を前記鋳型の中に展開する；
誘導加熱システムを有する真空チャンバ内に前記鋳型を置き、前記誘導加熱システムが電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む；そして
前記鋳型内で前記金属粉末が融解するように該金属粉末の融点より高い温度に前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する；
ステップを含み、
前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、セラミックの前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射する方法。
前記鋳型がその成分の模型について構築される請求項１記載の方法。
前記鋳型を構築する前記ステップが前記模型の外側に複数の層を加えることからなる請求項２記載の方法。
前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する前記ステップがマイクロ波エネルギーを生成するステップを含む請求項１記載の方法。
前記顆粒状サセプタ材料が炭化珪素の粒子からなる請求項１記載の方法。
前記複数の層が前記粉末供給材料に対して不活性である耐火性スラリーのプライマリ層を含む請求項３記載の方法。
前記複数の層が、湿ったスラリー層に続いて実質的に乾燥したスタッコ層が交互に適用されてなり、前記交互に適用されるスラリー層と前記スタッコ層が実質的に同様なセラミック材料を含む請求項３記載の方法。
前記鋳型が冷却し前記鋳型内に含まれる金属が収縮するとき、前記鋳型に液状金属を追加して供給するステップを更に含む請求項１記載の方法。
冷却中に前記鋳型内に液状金属を強制供給する助けとなるように供給部に上部まで前記液状金属を追加して供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
前記供給部に大気中子を設け、前記液状金属内で捕捉されたガスを前記大気中子を介して逃がすステップを更に含む請求項９記載の方法。
粉末供給材料から金属成分を形成する装置であって：
当該鋳型の中に入る前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料からなる１成分の鋳型と；
電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む誘導加熱システムを有する誘導加熱システムに装備され、前記鋳型を受容する真空チャンバ；
を含み、
前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射するように構成される装置。
その成分の模型を更に含み、前記鋳型が前記模型について構成される請求項１１記載の装置。
前記顆粒状サセプタ材料が炭化珪素の粒子からなる請求項１１記載の装置。
前記電磁エネルギー源がマイクロ波放射源を含む請求項１１記載の装置。
前記鋳型が高い熱伝導率を有するアルミナ材料からなる請求項１１記載の装置。
前記鋳型が、生産される金属成分に対応する成分部と、前記鋳型が冷却し、該鋳型中に含まれる金属が収縮するときに、前記成分部に液状金属を追加供給する供給部を画定する請求項１１に記載の装置。
前記供給部が前記成分部から垂直に上向きに延び、前記成分部の最上部と前記供給部の上部間の高さの違いが前記成分部の高さの２倍を超える請求項１６記載の装置。
前記供給部が、前記成分部に隣接する第１の端と、該第１の端から延び、前記供給部の上部まで供給材料を挿入することを可能にする先端部を有する請求項１６記載の装置。
前記供給部が、ガスを前記液状金属内で捕捉し前記供給部に逃がすために、ガスに多孔性である大気中子を含む請求項１６記載の装置。