JP2729483B2 - 合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は航空機のジェットエンジンおよび内燃機関
用のターボチャージャ部品のホットステージに使用され
る重要な部品を製造するためにインベストメント鋳造業
界において使用される高級合金の製造プロセスに関する
ものである。

［従来の技術］ 現在、アルミニウムおよびチタンを各種濃度で含む合
金が高温および腐食に耐えねばならない或る種の金属部
品の製造において要求されている。そのような合金はた
とえば航空機のガスタービンエンジンの部品の製造に使
用される。そのような部品を製造するために使用する金
属に対する冶金学的な要求は大変厳しく、その金属は超
合金と呼ばれる。アメリカ金属学会は超合金に対して
「比較的高い応力がかかりかつ耐酸化性がしばしば要求
される非常に高い温度の下で使用するために開発された
合金。」と定義した。大きな強度を有する合金が要求さ
れるときはチタンがより多く使用される。一方結果とし
て得られる合金が硬度の耐酸化性を有するときにはより
多くのアルミニウムが使用される。

ターボチャージャユニットの或る部品は現在インベス
トメント鋳造法によって製造される。合金のインゴット
は最初真空誘導溶解のような真空プロセスによって製造
される。そしてインゴットの形状でインベストメント鋳
造者に供給される。インゴットはその後再溶解され所望
の形状を形作るために型の中で鋳造される。

超合金の製造用の原材料は広くは真空溶解グレードま
たは空気溶解グレードに分けられる。真空溶解グレード
の材料は最高級でクリーンでなければならず、異物が超
合金中に存在しないことが証明されねばならず、特定の
合金に応じて鑑定されねばならない。真空溶解グレード
の金属は数多くの異なった処理技術によって製造され
る。これら処理は真空誘導溶解や真空アーク再溶解やエ
レクトロフラックスやエクトロンビーム溶解や他の処理
法を含む。今日まで、ガスタービンエンジン用の重要な
部品や、使用ににあたって高度の完全性が要求される多
数の他の部品用の超合金の製造のための非常に厳しい仕
様書を満たすため、真空溶解グレードの原材料を製造す
るためには特殊な処理が必要であった。

真空誘導溶解法においては合金の品質は主として原材
料の品質に左右される。すなわちインゴットが形成され
る原材料は他の冶金学上の合金の形成に比べて非常に高
い純度でなければならない。これは真空誘導溶解プロセ
スにおいては多くの不純物が除去されないからである。

空気溶解グレードの原材料は、空気溶解中に除去され
得る幾分の酸化物スケールや有害な物質を含んでもよ
い。空気溶解はもともと板やシートやバーチューブやフ
ォージングストックに使用される精製した合金のため、
または真空処理によって再溶解されるマスタ合金の製造
のために使用される。空中溶解グレードの材料は近年ア
ルゴン酸素炭素除去プロセスによって製造されてきた。
アルゴン酸素炭素除去（以下AODと略す）はマグネサイ
トクロームまたはドロマイト耐火煉瓦でライニングされ
たトラニオンが取付けられた開口容器を使用する。酸素
および不活性ガス（アルゴンまたは窒素）は容器の側壁
に設けられた浴下羽口を開して注入される。発熱は浴成
分の発熱反応によって生じ、外部からの熱源は用いられ
ずまた必要とされない。溶解金属に対しては最初多量の
酸素が含まれた不活性ガスが吹きつけられる。溶解した
材料の炭素含有量が減るにつれて、最も好ましい熱力学
的な条件を得るためにステップバイステップで不活性ガ
スに対する酸素の含有量が低められる。AODプロセスは
溶解金属を非常に低いレベルまで脱流し、また非常に高
い効率で炭素を除去する。しかしながらこのプロセスは
またアルミニウムなチタンも除去する。ターボチャージ
ャ部品の製造においてはアルミニウムは合金が耐酸化性
を有するために欠くべからざるものであり、一方チタン
は十分な強度を有する部品の製造に欠くことができな
い。それゆえ従来はAODプロセスよりも真空溶解プロセ
スによってターボチャージャの部品の製造用インゴット
を製造する必要があった。

真空誘導溶解によって形成されたインゴットから部品
を製造するプロセスはAODによって製造されたインゴッ
トから作るのに比べて非常に高い。アルミニウムやチタ
ンを約0.1％以上含むインゴットの形成プロセスはこれ
らのものが空気と反応するために真空中で行なわれなけ
ればならない。そのような合金だけは真空溶解法によっ
てそれまで製造が可能でった。原材料のコストが高いこ
とおよび真空誘導溶解法それ自体の費用が高いことのた
め、インベストメント鋳造者が金属部品を製造するため
に使用するアルミニウムやチタンを含むインゴットは非
常に高価である。

［発明の概要］ この発明によれば、インベストメント鋳造によって部
品を作るのに使用されねばならない真空誘導溶解合金の
量を大幅に制限する方法が工夫される。この発明によれ
ば、最終インベストメント鋳造部品において利用される
合金の大部分が、真空誘導溶解よりもかなり安価な方法
によって作られる。たとえば、クロム、モリブデン、ホ
ウ素、コロンビウムコバルトおよびニッケルのような元
素を含有する合金の大部分は、AODのような方法によっ
て製造され得る。この技術によれば、溶融合金は電気ア
ークまたは空気誘導によって製造され、その溶融金属
は、デカンタに移される。酸素、アルゴン、窒素または
これらのガスの混合物がそのデカンタを通して、吹きつ
けられ、望ましくない不純物を取除く。AODでは、原材
料コストが真空誘導溶解によるよりもかなり低くなる。
なぜなら、真空誘導溶解と異なって、不純物が取除かれ
得るという事実によって、かなり低い純度の原材料が最
初から利用され得るからである。

この発明によれば、アルミニウムおよびチタンのよう
な、反応性元素を除く合金原材料がAODによって精練さ
れ、インゴットに鋳造される。必要なアルミニウムおよ
びチタンを得るために、精練されたアルミニウムおよび
チタンは、真空誘導溶解または同等な方法によってニッ
ケルのようなマトリックス材料中にかなり少量製造され
る。AODによって製造されるニッケル、クロム、モリブ
デン、コロンビウムおよび炭素のようなより大きくてよ
り安価に製造される低反応性元素のインゴットは、イン
ベストメント鋳造の準備として、ニッケル、アルミニウ
ム、チタン合金のかなり小さなインゴットに機械的に接
合される。その２つのものは、１つのインゴットを作る
ように互いに接合され、最終的に、インベストメント鋳
造法によって溶融され、適当な濃度のアルミニウムおよ
びチタンを含有する合金から金属部品を作る。したがっ
て、これらの部品は、それらの元素によって寄与される
望ましい特徴を呈する。

インベストメント鋳造は、溶融金属を特定の型内に注
ぎ込むことによって、厳しい環境に耐え、かつ正確な寸
法公差を維持する金属部品を製造することである。これ
らの部品を形成するのに使用される金属は、その化学構
造が全く複雑であり、そして、典型的には、予め合金に
されたインゴットの形態で購入される。インベストメン
ト鋳造者は、産業仕様に応じてインゴットを購入する。
インベストメント鋳造者は、予め合金にされたインゴッ
トを獲得し、それを溶融し、そして彼の部品を製造す
る。

インベストメント鋳造分野においては、アルミニウム
およびチタンの反応性のために、インベストメント鋳造
炉にアルミニウムおよびチタンを添加することが有害で
あると、広く理解されている。その結果、かなりの量の
アルミニウムおよびチタンを含有しているインベストメ
ント鋳造部品のための今日までに受け入れられている唯
一の方法は、真空誘導溶解によってまたは同等な方法に
よって製造されたインゴットの使用を通してなされてい
る。

この発明は、従来のインベストメント鋳造技術に優る
改良点を発揮する。なぜなら、この発明によれば、最終
部品を鋳造するのに使用される大部分のインゴット材料
が、高価な真空誘導溶解法によって製造されるのではな
く、かなり安価なAOD法によって製造される。そのイン
ベストメント鋳造法に使用される材料の少量部分は、真
空誘導溶解法または同等な方法によって製造されねばな
らない。このインゴットは、品質において、従来の真空
誘導インゴットと同等である。

この発明の方法では、従来の鋳造技術に比べ、かなり
低いコストでインベストメント鋳造により部品を製造す
ることができる。同じような考えは、反応性元素の除去
を伴なうAODプロセスによりスクラップの合金を精製す
ることができるトールメルトもしくはリアロイの条件に
適用させることができる。同様の合金（ニッケル、クロ
ム、モリブデン、コロンビウムおよび炭素）は、比較的
安価なAODプロセスにより完全に精製することができ
る。アルミニウムおよびチタン（活性種）は、AODで精
製した材料のより多量のインゴットを伴なう、真空で精
製されたニッケル、アルミニウムおよびチタンの合金の
少量と機械的に結合させることにより最終的な生成物中
に再導入させることができる。好ましくは、機械的に結
合される成分の合金の多くは、複合物のインゴットとし
て与えられ、これによってインベストメント鋳造プロセ
スからの適当な組成の合金が確実にされる。

１つの広い局面では、この発明は、総計で約0.3％以
上のアルミニウム、約0.1％以上のチタンおよび約12％
以下のアルミニウムおよびチタンを含む一定量の金属合
金を製造する方法である。この方法には、真空溶解によ
りニッケルマトリックス中の合金に対するすべてのアル
ミニウムおよびチタンを含んだ第１のインゴットを形成
する工程を含んでいる。その後、第２の空気溶解のグレ
ードのインゴットが、AODプロセスにより形成され、所
望の合金を製造するのに必要なすべての他の非反応性元
素が含まれる。次に、第１および第２インゴットは、た
とえば溶接により、共に機械的に結合され、次に再溶解
して、或る特定な化学的性質を有するインベストメント
鋳物が製造される。

この発明はまた、他の反応性金属を有する合金の冶金
方法にも適用され得るものである。たとえば、他の局面
においては、この発明はチタン、タンタル、ジルコンお
よびハフニウムからなる群より選ばれる反応性元素を全
体として約15％以下含む一定量の金属合金を製造する方
法と考えることができる。このプロセスは、コバルトマ
トリックス中に反応性元素の全量を含む第１の挿入物を
真空誘導溶解することにより第１の金属インゴットを形
成する工程を含む。第２の金属インゴットは、コバルト
を含んだ空気溶解のグレードの材料の第２挿入物から形
成される。第１および第２インゴットは、共に機械的に
結合され、次にインベストメント鋳造者により共に溶解
される。

アルミニウムおよびチタンを含む金属合金の処理にお
いて、第１のインゴット中のニッケルの量は好ましく
は、それらの中のアルミニウムおよびチタンの全体量以
下である。反応性元素を含む合金の冶金方法において
は、第１の挿入物中のコバルトの量は少なくとも、その
中の反応性元素の全体量と等しい。アルミニウムおよび
チタンを含む合金の処理においては、合金中のチタンに
対するアルミニウムの比率は、好ましくは約1:11と約1
1:1の間である。反応性元素を含んだこの発明に従う金
属合金の処理においては、反応性元素は、好ましくは全
体の合金材料の15％を越えない。いかなる単一の特定の
反応性元素も、典型的には、0.005％と10％の間の濃度
で存在する。

以下の実施例を参照しながら、この発明をより明らか
により詳細に説明する。

［実施例］ 実施例１ 本発明によれば、インベストメント鋳造法のための多
量のニッケルベース合金が製造される。インベストメン
ト鋳物になる材料の全量はアルミニウムとチタンとニッ
ケルを含み、そのニッケルは約0.3％以上のアルミニウ
ムと約0.1％以上のチタンを含みかつ全体として12％以
下のアルミニウムとチタンを含んでいる。

本発明によれば、第１の金属インゴットはアルミニウ
ムとチタンの全量を含みかつそのアルミニウムとチタン
の全量にほぼ等しいニッケルの量を含んでいる。その第
１のインゴットは真空誘導溶解によって形成される。チ
タンに対するアルミニウムの比率は1:11と11:1の間で変
化してもよい。第１のインゴットの材料における元素濃
度の典型的な組成が表１に示されている。

表１に示されたような組成を有する材料はジルコニア
のるつぼ内で溶解されなければならない。表１と以後の
表において、いくつかの略語が用いられている。これら
は、残量を表わすBALと、できるだけ低い濃度を表わすL
APと、100万分率を表わすppmである。

ニッケルを含む空気溶解グレードの第２のインゴット
も作られる。その第２のインゴットを作るために用いら
れる典型的に例示する材料の元素組成は表２に示されて
いる。

２のインゴットは空気鋳造法（AOD）または空気溶解
グレードの材料を作るその他の方法によって形成され得
る。

次に、第１と第２のインゴットが機械的に結合させら
れる。第１のインゴットは２つのインゴットの全重量の
わずか15％であり、第２のインゴットの重量は全重量の
85％を占めている。

２つのインゴットは、インベストメント鋳造部品を製
造するときまで、互いに機械的に結合されたままであ
る。表３はその複合材料の元素濃度を示しており、その
複合材料は２つのインゴットが１つのインゴットに結合
されて溶解されるときにインベストメント鋳物となるべ
きものである。重量％の範囲を示す欄は、インベストメ
ント鋳物となるべき全量におけるいくつかの元素の重量
の好ましい範囲を示している。好ましい重量の欄は、重
量濃度の可能な範囲内において各元素の重量で好ましい
百分率を示している。複合材料の15％を占める第１のイ
ンゴットとして命名された欄は、第１のインゴットにお
ける元素の好ましい百分率を示している。複合体の重量
の85％を占める第２のインゴットに関する欄は、第２の
インゴットにおける元素の重量によるパーセント濃度を
示している。複合材料に関する欄は、インベストメント
鋳物となるべき材料の全体量における元素濃度を示して
いる。複合材料の製造において得られる元素濃度はAMS
−5391工業規格に適合し、従来その規格は真空誘導溶解
によって作られた合金のみが適合していたものである。

実施例２ この発明の方法はニッケル基合金に限定されるもので
はない。この発明の冶金方法はまた、コバルト合金のよ
うな同族金属の合金にも適応され得るものである。コバ
ルト合金には、アルミニウムまたはチタンがほとんども
しくは全く含まれていない。

コバルト基合金中のある種の反応性元素添加物は、一
般にその金属合金を強化するために用いられるものであ
る。たとえば、ジルコンおよびチタンは、これらの元素
が合金を強化させるのに有用であるので添加することが
できる。他の反応性元素は、金属合金中の他の望ましい
性質を達成するため少量用いることができる。

コバルト基合金の製造に関連したこの発明の態様によ
れば、コバルトマトリックス中の反応性元素の全量を含
んだ第１の挿入物を真空誘導溶解することにより第１の
インゴットを形成する。第１金属インゴットの典型的な
元素の濃度の仕様を、表４に掲げる。

コバルトを含んだ空気溶解のグレードの材料の第２挿
入物を、またジルコニア製のるつぼ中で製造した。第２
挿入物の典型的な元素の濃度の仕様を、表５に掲げる。

表６は、インベストメント鋳造のための合金を形成す
る機械的に結合された材料の元素組成を示すものであ
る。表６の範囲の欄は、最終生成物におけるいくつかの
元素の重量濃度の好ましい範囲を示している。隣りの欄
は、第１欄の範囲内での好ましい元素濃度を示してい
る。第１インゴットの好ましい重量濃度は、結合したイ
ンゴットの総重量の10％を表わしており、次の隣りの欄
に掲げられている。同様に、第２インゴットの好ましい
重量濃度は、結合したインゴットの総重量の90％を表わ
しており、また元素の好ましい重量濃度を示すものであ
る。最後の欄は、機械的に結合したインゴットのすべて
の100％重量を示しており、第１および第２インゴット
が共に１つのインゴットに結合し再溶解したときに達成
される最終的な元素濃度を示している。表６の複合物の
欄に示された重量濃度を有した合金は、PWA−647Fの工
業的仕様に合うものである。この仕様は、真空誘導溶解
によって完璧に処理された金属合金を用いることによっ
てのみ満たされたものである。

この発明の冶金方法を用いることにより、スーパーア
ロイ成分のインベストメント鋳造に用いるのに適した合
金の製造において大きな節約を達成することができる。
最終部品の鋳造に用いる材料の小部分のみは、高価な真
空誘導溶解プロセスにより製造しなければならない。残
りは、非常により安価な空気溶解のグレードの材料から
製造することができる。

疑いもなく、高度な合金の冶金処理に熟知した者に
は、この発明の多大な変化および変更が非常に明白なも
のとなるであろう。したがって、この発明の範囲は、こ
こに掲げた特定の実施例により限定されるべきものでな
く、むしろ特許請求の範囲により定められるものであ
る。

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】0.3％以上のアルミニウムと、0.1％以上の
   チタンとを含有し、アルミニウムとチタンとの合計が12
   ％以下であるインベストメント鋳造のためのニッケル基
   合金の製造方法であって、 真空溶解によってニッケルマトリックス中にアルミニウ
   ムおよびチタンを含有している第１の金属インゴットを
   作る工程と、 ニッケルを含有している第２の空気溶解インゴットを作
   る工程と、 前記第１のインゴットと前記第２のインゴットとを溶接
   によって機械的に接合し、インベストメント鋳造装入物
   を作る工程とを備える方法。
2. 【請求項２】チタンに対するアルミニウムの比率が1:11
   と11:1との間にある、特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。
3. 【請求項３】アルゴン酸素脱炭によって前記第２のイン
   ゴットを作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第１
   項に記載の方法。
4. 【請求項４】真空誘導溶解によって前記第１のインゴッ
   トを作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。
5. 【請求項５】0.3％以上のアルミニウムと、0.1％以上の
   チタンとを含み、アルミニウムとチタンとの合計が12％
   以下である合金を製造するための方法であって、 真空溶解によってニッケルマトリックス中に前記合金の
   アルミニウムおよびチタンのすべてを含有する第１の金
   属インゴットを作る工程と、 空気溶解材料でありかつニッケルを含有する第２の金属
   インゴットを作る工程と、 前記第１のインゴットと前記第２のインゴットとを機械
   的に接合する工程とを備える方法。
6. 【請求項６】前記第１のインゴット中のニッケルの量
   は、アルミニウムとチタンとの合計量以上である、特許
   請求の範囲第５項に記載の方法。
7. 【請求項７】前記合金中のチタンに対するアルミニウム
   の比率は、1:11と11:1との間である、特許請求の範囲第
   ５項に記載の方法。
8. 【請求項８】アルゴン酸素脱炭によって前記第２のイン
   ゴットを作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第５
   項に記載の方法。
9. 【請求項９】真空誘導溶解によって前記第１のインゴッ
   トを作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第５項に
   記載の方法。
10. 【請求項１０】チタン、タンタル、ジルコニウムおよび
    ハフニウムからなる群から選ばれて反応性元素の合計が
    15％以下である合金の製造方法であって、 所定量の反応性元素を含有する第１の装入物をコバルト
    マトリックス中で真空誘導溶解することによって第１の
    金属インゴットを作る工程と、 コバルトを含有する空気溶解材料の第２の装入物から第
    ２の金属インゴットを作る工程と、 前記第１のインゴットと前記第２のインゴットとを溶接
    によって機械的に接合する工程とを備える方法。
11. 【請求項１１】前記第２のインゴットをアルゴン酸素脱
    炭によって作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第
    10項に記載の方法。
12. 【請求項１２】真空誘導溶解によって前記第１のインゴ
    ットを作る工程をさらに備える、特許請求の範囲第10項
    に記載の方法。
13. 【請求項１３】前記第１の装入物中のコバルトの量は、
    前記反応性元素の合計量以上である、特許請求の範囲第
    10項に記載の方法。