JP4231780B2 - 改良された表面品質、構造的健全性、及び機械的特性を有するニッケル基超合金の等方性黒鉛製鋳型による真空下での遠心鋳造法 - Google Patents

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Description

本願は2001年6月11日出願の米国仮特許出願第60/296,770号の優先権を主張するものであり、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
I.発明の分野
本発明は、ニッケル基超合金等の金属合金を真空下又は低分圧の不活性ガス下で溶融し、次いで溶湯を微細粒の高密度且つ高強度の等方性黒鉛から機械加工した自軸まわりに回転している鋳型に真空下又は低分圧の不活性ガス下で遠心鋳造することにより、金属合金から中空管、円筒、パイプ、リング、その他の管状製品を製造する方法に関する。この方法はまた、等方性黒鉛製鋳型を備える遠心鋳造鋳型装置にも関する。
継目無リング、中空管、及びパイプ等の形状に成形加工されたニッケル基超合金は、ジェットエンジン、石油産業や化学産業、その他の高機能部品に多くの工業的用途がある。複合化且つ高合金化されたニッケル基超合金は、タービンケーシング、シール、及びリング等、ジェットエンジンにおいて必要とされる用途のために、継目無リング形状に成形される。図1にタービンケーシング10及び圧縮機ケーシング20の図を示す。タービンケーシング10は高温ニッケル基超合金製である。添付図面の図2にも、高温ニッケル基超合金製のタービンケーシング30の図を示す。継目無リングは、平坦(ワッシャのように)でも、より高さのある垂直壁を有する(中空円筒形材に近い)ものであってもよい。圧延したリングの高さは、1インチ(2.54cm)未満から9フィート(274.32cm)を越える範囲である。使用する装置に応じてリングの肉厚/高さ比は、代表的には1:16〜16:1の範囲となるが、特殊な方法によってより高い比のものも得られている。
リングを鍛造するための二つの主要な方法は、装置だけでなく製造量も異なる。
リング鍛造とも呼ばれるプレスを使ったサドルマンドレル鍛造は、断面が厚く製造量が少ない場合に特に有効である。基本的には、据込み及び穿孔したリング状ブランクを、両端をサドルで支承したマンドレルに通す。各ストローク間にリングを回転させながら、プレスラムあるいは上方ダイと押広げ用マンドレルとの間で金属製リングを変形させて、肉厚を薄くし、リング直径を拡大する。
連続的リング圧延では、特別に設計した装置の駆動ロールとアイドリングロールとの間で、穿孔したブランクの肉厚を薄くしていくことにより、継目無リングを製造することができる。補助ロール(半径方向及び軸方向)で高さを制御し、断面を特定形状とする。リングローラーは、大量生産及びデザイン化リングの製造に非常に適しているが、これに限定されるものではない。実際には、リングローラーはより許容誤差に近いあるいはより仕上げ寸法に近い、継目無圧延リングを製造することができる。図3A〜図3Gに、継目無圧延リング鍛造方法の手順の様々な工程を概略的に示す。図4には稼動中のリングローリング装置を示す。
図3A〜図3Gは、リング40を製造するための、継目無圧延リング鍛造方法の手順の実施態様を示す。図3Aは、一般に原料42をその塑性変形温度、1020グレードのスチールの場合には約2200°F(約1204℃)で、平坦なダイ44で据込み、より扁平な材料43とすることから始まるリングローリング法を示す。図3Bは、比較的扁平な材料43に穿孔する工程が、据込みした高温の材料にパンチ45を押し込み、図示するように金属を半径方向に変形させる工程を含むことを示している。図3Cは次の工程、つまりシャーパンチ46によって剪断することにより、小さい押しあけ部分43Aを取り除いて、環状の材料47とすることを示している。図3Dは、小さい押しあけ部分43Aを取り除くことにより環状の材料47に完全な貫通孔が形成され、これによりリングローリング工程自体を行なうことができる状態となったことを示している。この環状材料47はプリフォーム47と呼ばれる。図3Eは、ドーナッツ型のプリフォーム47をID(内径)ロール48上で滑らせるところを「上」から見た図を示す。図3Fは、回転動作を与えるOD(外径)ロール49にIDロールを押し付けるリングロールミル及びプリフォーム47加工物の側面図を示す。図3Gは、この回転動作によってリング40の断面が薄くなり、それに応じて直径が拡大することを示している。リング40は、リングロールミルから外すと、精密サイジング、分割、熱処理、及び試験/検査等の次の作業に付すことができる状態となっている。
図4は、稼動中のリング40ロール鍛造装置の写真を示す。
断面四角の基本的形状が一般的ではあるが、単純形状のリングを機械加工や鍛造することによって複雑で機能的な断面を持つリングを製造することができ、実質的にはいかなる設計要求事項にも応えることができる。うまく名付けたもので、この「デザイン化」圧延リングは、内径及び/又は外径をデザイン化した様々な形状として製造することができる。
鍛造用ビレットから超合金リングを製造するには、リングローリングによる複数の工程が必要となる。超合金は熱間加工し難く、リングロール鍛造の各工程において低変形率でしか熱間変形することができない。各変形工程後、次の熱間鍛造サイクルのためにリングを再加熱する前に、延伸されたリングの外径及び内径を研削して、酸化物層及び鍛造割れを取り除かなければならない。広範囲に渡る成形加工工程を行なわなければならないため、製造コストが非常に高く、歩留は低い。代表的には、大型ジェットエンジンケーシングとしての使用に適した直径60インチ(152.4cm)、重さ250ポンド(113.4kg)のリングをリングロール鍛造で製造するには、2000ポンド(907.2kg)の原料ビレットを使う。成形加工工程において、高価な原料の損失率が高いため、最終製品のコストが高くなってしまう。
従来の管製造方法では、一般的にアルゴン−酸素脱炭(AOD)溶融、連続鋳造、熱間圧延、穿孔、及び押出しを行う。この方法は主に直径250mm以下の管を大量生産する場合に使用される。しかしながらマクロ偏析を生じやすい複合ニッケル基超合金の熱間加工は困難若しくは不可能である。
遠心鋳造は従来の管製造工程を補うものであると共に、管の直径及び肉厚に関してかなり融通がきく方法である。遠心鋳造した管は、従来の鋳造及び熱間加工を行った材料に匹敵する機械的特性を有する場合が多い。遠心鋳造鋳物は、均質性及び密度が鍛錬した材料にほぼ等しいだけでなく、機械的特性が全ての方向においてほぼ等しいという利点もある。大気中での溶融・鋳造処理が可能な工業用の鉄合金及び非鉄合金の多くは、大気中での遠心鋳造によって簡便に管とすることができる。しかし複合ニッケル基超合金は真空下での溶融・鋳造を要する。さらに高純度セラミック張りの遠心鋳造用鋳型を高速で回転させると、反応性の高いニッケル基超合金溶湯によってセラミック張りの亀裂や剥離を生じ易く、その結果、鋳造した管の外表面が非常に荒れたものとなってしまう。鋳型から剥離したセラミック張りは、凝固した超合金製管内部に巻き込まれ易く、最終製品の破壊靭性を顕著に低下させる有害な介在物となる。
ジェットエンジンその他の高性能が要求される工業的用途に適した仕上げ形状とするための機械加工を廉価に行うことができる単純形状若しくはデザイン化された断面を有する管や継目無リングを、ニッケル基超合金のような高合金化材料から製造するための改善されたコスト効率の良い方法が必要とされている。
本明細書中、「超合金」とは、通常の意味で用いるものとし、高温環境下での使用のために開発され、特に1000°F(538℃)における降伏強さが100ksiを超える一連の合金を意味するものである。ニッケル基超合金はガスタービンエンジンに広く使用されており、過去50年間で大きな進化を遂げている。ここで「超合金」とは、相当量のγ'(Ni3Al)強化相、好ましくは約30〜約50容量%のγ'(ガンマプライム)相を含むニッケル基超合金を意味するものとする。このような一連の合金としてはニッケル基超合金が挙げられ、その多くは少なくとも約5重量%のアルミニウムに加え、チタン、クロム、タングステン、タンタル等の他の合金元素を一種以上含有し、固溶化熱処理によって強化されるものである。このようなニッケル基超合金は、Duhlらの米国特許第4,209,348号および同第4,719,080号に開示されている。また他のニッケル基合金も当業者に知られており、"Superalloys II" (Sims et al., John Wiley & Sons社発行, 1987年)という表題の本に記載されている。
超合金及びその製造に関する他の文献を以下に列挙する。これらの文献も参照により本明細書に組み込まれる。
"Investment-cast superalloys challenge wrought materials" from Advanced Materials and Process, No. 4, pp.107-108 (1990)
"Solidification Processing", B.J. Clark and M. Gardner編, pp.154-157及び172-174, McGraw-Hill (1974)
"Phase Transformations in Metals and Alloys", D.A. Porter, p.234, Van Nostrand Reinhold (1981)
Nazmy et al., The Effect of Advanced Fine Grain Casting Technology on the Static and Cyclic Properties of IN713LC. Conf: High Temperature Materials for Power Engineering 1990, pp.1397-1404, Kluwer Academic Publishers (1990)
Bouse & Behrendt, Mechanical Properties of Microcast-X Alloy 718 Fine Grain Investment Castings. Conf: Superalloy 718: Metallurgy and Applications, Publ: TMS, pp.319-328 (1989)
ソビエト連邦共和国発明者証第1306641号要約書(1987年4月30日発行)
WPI Accession No. 85-090592/85及び特開昭60-40644号(川崎)要約書(1985年3月4日発行)
WPI Accession No. 81-06485D/81及び特開昭55-149747号(SOGO)要約書(1980年11月21日発行)
Fang, J: Yu, B Conference: High Temperature Alloys for Gas Turbines, 1982, Liege, Belgium, Oct. 4-6, 1982, pp.987-997, Publ: D. Reidel Publishing Co., P.O.Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands (1982)
下記の文献(参照により全体が本明細書に組み込まれる)からわかるように超合金の処理技術も進化しているが、新しい処理方法の多くは非常に費用がかかるものである。
米国特許第3,519,503号には、複雑な形状の超合金を製造するための恒温鍛造法が記載されている。この方法は現在広く用いられているが、現在行われている方法では出発材料を粉末冶金技術で製造しなければならない。粉末冶金技術を利用するため、この方法には費用がかかる。
米国特許第4,574,015号には、超合金の鍛造性を、合金中に過時効ミクロ組織を生成することにより改善する方法が記載されている。ガンマプライム相の粒径は、通常見られるものよりもかなり大きいものとなっている。
米国特許第4,579,602号には、過時効熱処理を含む超合金鍛造方法が記載されている。
米国特許第4,769,087号には、別の超合金鍛造方法が記載されている。
米国特許第4,612,062号には、ニッケル基超合金から微細結晶を有する物品を製造するための鍛造方法が記載されている。
米国特許第4,453,985号には、微細結晶を有する物品を製造するための恒温鍛造法が記載されている。
米国特許第2,977,222号には、本発明の方法の実施に特に適した超合金と同様な一連の超合金が記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
回転している中空鋳型に金属溶湯を注湯する遠心鋳造法によって金属を成形することはよく知られている。遠心鋳造法には、回転軸方向且つ鋳物外表面から離れた方向に不純物を偏析させることができるという利点がある。これは一般的に含まれる不純物は鋳造する金属よりも低密度であるためである。さらに遠心鋳造法では、中心コアを必要とせずに、肉厚を制御した中空形状の鋳物を製造することができるが、必要に応じて、回転している鋳型に十分に充填して、中心孔のない形状とすることもできる。どちらの場合も不純物を含む鋳物部分は、例えば機械加工等によって取り除くことができる。
従来永久鋳型を使ったこのような遠心鋳造は、ほぼ円筒形状等、比較的単純な外形の金属形状の製造に用いられてきた。通常スチール製である容器内に適当な形状の砂型を設けることにより、鋳物の外表面をより複雑な形状とすることができるが、砂型を製造するための一般に木製の堅いパターンを取外し易いように組立式としても、取外しが困難且つ複雑であり費用もかかるという制約を受ける。
従来の遠心鋳造で製造可能、つまり経済的に製造可能であった形状よりも複雑で精度の高い外形を有するガスタービンエンジンのケーシング等の金属形状、特に中空形状が必要とされている。
Beightonの米国特許第6,116,327号(参照により本明細書に組み込まれる)には、容器内に載置したセラミック製シェルモールドに金属溶湯を注湯し、容器及びその内部のシェルモールドを軸を中心として回転させ、金属をシェルモールド中で凝固させた後、例えばシェルモールドを破壊することにより除去して、成形した金属を取り出す金属の成形方法が開示されている。セラミック製シェルモールドは、可撓性で弾性変形可能な材料でできた所定形状のパターンを作製してマンドレル上に支承し、このパターンを少なくとも一層の硬化性耐火性材料で被覆して堅いシェルを形成し、パターンと支承関係にあるマンドレルを取り外し、次いでパターンを弾性的に変形させてシェルから取り外すことにより製造する。このパターンは、材料を所定形状の原型で鋳造し、パターンが硬化したら弾性変形させて原型から取り出すことにより製造する。
Hugoらの米国特許第5,826,322号(参照により本明細書に組み込まれる)には、特に磁石材料、水素吸蔵エレメント(水素化物吸蔵エレメント)、及び電池用電極から選択される材料を製造するために、配向状態で凝固されたランタン系列元素、アルミニウム、ホウ素、クロム、鉄、カルシウム、マグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブ、コバルト、チタン、バナジウム、ジルコニウム、及びこれらの合金からなる群より選択される金属の鋳物(10)から粒子を製造することが開示されており、遠心鋳造の原理に従って非反応性雰囲気下で少なくとも基本的に円筒形である冷却面(9)の内側に合金溶湯を注ぐ。この円筒を回転軸を中心として高速回転させ、溶湯を外側から内側へと冷却し、基本的に半径方向に凝固させていく。次いで中空の鋳物(10)を粒子状とする。好ましくは回転している冷却面(9)に、冷却面(9)の直径の10%以下、好ましくは5%以下の厚さで溶湯を注ぎ、冷却面(9)の直径は少なくとも200mm、好ましくは少なくとも500mmとする。
インベストメント鋳型に黒鉛を使用することは、Lironesの米国特許第3,241,200号、同第3,243,733号、同第3,265,574号、同第3,266,106号、同第3,296,666号、及び同第3,321,005号に記載されており、これらの文献はすべて参照により本明細書に組み込まれる。Operhallの米国特許第3,257,692号、Zusmanらの米国特許第3,485,288号、及びMorozovらの米国特許第3,389,743号には、黒鉛粉末と「stuccos」と呼ばれる微細分散された無機粉体とを用いた炭素質鋳型表面が開示されており、これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。
Winkelbauerらの米国特許第4,627,945号(参照により本明細書に組み込まれる)には、アルミナ、1〜30重量%のか焼流動床コークス、及び他の成分から耐火シュラウド管を射出成形することが記載されている。この'945号特許にはさらに、アルミナ、15〜30重量%の片状黒鉛、及び他の成分から、静水圧圧縮によって耐火シュラウド管を作製することが公知であることが開示されている。
III.本発明の好ましい目的
本発明の目的は、自軸まわりに回転している等方性黒鉛製鋳型を用いて真空下若しくは不活性ガス分圧下でニッケル基超合金を遠心鋳造して管、パイプ、及びリングを製造することにある。
本発明の別の目的は、等方性黒鉛製鋳型を備える遠心鋳造装置を提供することにある。
IV.発明の要旨
本発明は、ニッケル基超合金等の様々な金属合金を真空誘導溶解し、溶湯を自軸まわりに回転している黒鉛製鋳型を使って真空下で遠心鋳造することにより、合金からリング、管状部品、及びパイプ等の工業用部品を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は高密度且つ高強度の等方性黒鉛の使用に関する。図5に、本発明の範囲に従って、回転している等方性黒鉛製鋳型を使って真空下でニッケル基超合金を鋳造して中空管状鋳物を製造するための真空遠心鋳造装置の概略図を示す。
金属溶湯を、真空室内の容器から樋を介して、回転している等方性黒鉛製鋳型へと注湯する。遠心鋳造では、金属溶湯を注湯する際に、回転している等方性黒鉛製金型は、真空下で水平、垂直、若しくは傾斜位置において高速回転する。回転軸は、水平でも垂直位置までのいずれの角度に傾斜していてもよい。回転している鋳型のキャビティーに注湯された金属溶湯は、遠心力によって鋳型壁上に保持される。回転速度及び金属注湯速度は、鋳造する合金及び寸法や形状によって異なる。
回転している等方性黒鉛製鋳型に金属合金溶湯を注湯すると、溶湯は鋳型の速度まで加速される。遠心力により金属が広がり、鋳型表面を覆う。金属溶湯を連続注湯して、目的とする鋳物寸法まで肉厚を上げる。回転速度は変化するが、鋳物外表面では時には重力の150倍の力がかかることもある。
金属が鋳型表面上に広がると、直ぐに凝固が開始する。金属は中心孔に向かって進む際に固液界面に供給される。このことは、遠心力によってかかる圧力と相まって、鋳型壁の全域に渡って健全で緻密な構造体を形成し、不純物は内側表面近くにほぼ限定される。機械加工された内表面が必要であれば、凝固物の内側層を中ぐりによって取り除いてもよい。このようにして中空管状鋳物を凝固させ、回収する。
特殊設計の形状の場合、遠心鋳造は以下のようなニッケル基超合金の顕著な利点を発揮させることができる。
−通常真空下で静的に注湯するいずれの超合金も、本発明に従って遠心鋳造して管状製品、リング、及びパイプとすることができる。
−本発明に従って遠心鋳造したニッケル基超合金の機械的特性は非常に優れたものとなる。
ニッケル基超合金の遠心鋳造鋳物は、ほぼいかなる必要な長さ、肉厚、及び直径とすることもできる。鋳型は外表面と長さのみを形成するので、同じ寸法の鋳型からさまざまな肉厚の鋳物を製造することができる。この方法の遠心力は鋳物を中空とするので、コアを使う必要がなくなる。
横型遠心鋳造法は、超合金製パイプや長い管類の製造に適している。長さ及び外径は鋳型のキャビティーによって固定されるが、内径は鋳型に注湯する金属溶湯の量によって決まる。
円筒及び管以外の鋳物も、竪型鋳造装置を使えば製造することができる。遠心鋳造法のこのバリエーションを利用すれば、例えば可変ピッチプロペラのハブ等の鋳物を製造することができる。
フランジや小型のボスを設けることにより、鋳物の外表面つまり鋳型表面自体を真円形から変更してもよいが、バランスを保つために軸に対してほぼ対称とする必要がある。真の遠心鋳造鋳物の内表面は常に円筒形である。半遠心鋳造の場合には、中心コアを使用して、鋳物内表面を真円筒形以外の形状とすることができる。
遠心鋳造鋳物は、均質性及び密度が鍛錬した材料にほぼ近いだけでなく、機械的特性が全ての方向においてほぼ等しいという利点もある。原理をマスターすれば、大半の合金を遠心法によってうまく鋳造することができる。湯口や押し湯を使わないので、歩留つまり鋳物重量対金属重量の比が高くなる。
遠心鋳造したニッケル基超合金は接線方向強度及び延性が高いので、歯車、航空機エンジン用ベアリング、ホイールベアリング、カップリング、ロータースペーサー、封止ディスク及びケース、フランジ、圧力容器、及び弁体等の耐トルク性及び耐圧性部品に最適である。
超合金溶湯は、高密度超微細粒等方性黒鉛製鋳型とは反応しないので、鋳型は繰り返し何度も使用することができ、従来の方法と比較して、遠心鋳造超合金部品の製造コストを顕著に削減することができる。ニアネットシェイプの部品を鋳造することができるので、その後の機械加工等の作業工程を省くことができる。
A.黒鉛
本発明の鋳型本体の材料としては、以下の理由により等方性黒鉛が好ましい。
静水圧圧縮によって製造した等方性黒鉛は微細粒(約3〜40ミクロン)であるが、押出成形黒鉛は比較的粗い炭素粒子から製造されるので、粗粒(400〜1200ミクロン)となる。等方性微細粒黒鉛は、微細粒であり、高密度且つ低気孔率である上に、「ゆるい結合」の炭素粒子がないため、押出成形によって製造された黒鉛等の他のグレードの黒鉛よりも強度及び構造的健全性が格段に高い。
等方性微細粒黒鉛は硬度が高く微細粒で且つ気孔率が低いため、機械加工により、押出成形黒鉛よりも非常に滑らかな表面とすることができる。より詳細には、本発明は高密度超微細粒等方性黒鉛製鋳型の使用に関し、非常に高純度の黒鉛(無視し得る程度の微量元素を含む)は静水圧圧縮法によって得られる。静水圧圧縮された黒鉛は、高密度(1.65〜1.9gm/cc、一般的には1.77〜1.9gm/cc)、低気孔率(<約15%、一般的には<約13%)、高曲げ強度(5,500〜20,000psi、一般的には7,000〜20,000psi)、高圧縮強度(>9,000psi、一般的には12,000〜35,000psi、より好ましくは17,000〜35,000psi)、微細粒(代表的には約3〜40ミクロン、好ましくは約3〜10ミクロン)等の特性を有しているため、超合金を遠心鋳造するための鋳型に使用するのに適したものとなっている。黒鉛材料のその他の重要な特性としては、熱衝撃抵抗性、耐磨耗性、耐薬品性が高いこと、及び液体金属に対する濡れ性が低いことが挙げられる。
等方性黒鉛に関する文献としては、Carlsonらの米国特許第4,226,900号、Okuyamaらの米国特許第5,525,276号、及びStillerらの米国特許第5,705,139号が挙げられ、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
等方性微細粒黒鉛は、以下の方法で製造した合成材料である。
(1)鉱床から取出した微細粒コークスを粉砕し、灰分を分離して、浮上分離法によって精製する。粉砕したコークスをバインダー(タール)と混合し、均質化処理する。
(2)得られた混合物を室温で静水圧圧縮して、圧粉体とする。
(3)圧粉体を1200℃で焼成し、炭化、焼締めする。バインダーは炭素となる。この焼成工程により元の炭素粒子が互いに結合して(金属粉末の焼成工程と同様)固形体となる。
(4)次いで焼締めた炭素部品を2600℃で黒鉛化する。黒鉛化とは、炭素から黒鉛の規則格子を形成することを言う。粒界に存在するバインダーから生じた炭素も黒鉛化される。最終製品はほぼ100%の黒鉛である(バインダーから生じた炭素も黒鉛化中に全て黒鉛となる)。
押出成形異方性黒鉛は以下の方法で合成する。
(1)粗粒コークス(粉砕、精製したもの)をピッチと混合し、温間押出しして圧粉体とする。
(2)圧粉体を1200℃で焼成する(炭化及び焼締め)。バインダー(ピッチは炭化される)。
(3)焼成した圧粉体を黒鉛化して、多孔質で構造的に弱い生成物を得る。これにピッチを含浸させて気孔を埋め、強度を上げる。
(4)含浸黒鉛を再度1200Cで焼成して、ピッチを炭化させる。
(5)最終製品(押出成形黒鉛)は、約90〜95%の黒鉛と約5〜10%のゆるく結合した炭素とを含む。
静水圧圧縮で製造した等方性黒鉛と押出成形で製造した異方性黒鉛の代表的な物理的特性を表1及び表2に示す。
本明細書に記載するパラメーターは、特に示さない限り以下の基準に従って測定する。
圧縮強度はASTM C-695によって測定する。
曲げ強度はASTM C-651によって測定する。
熱伝導度はASTM C-714に従って測定する。
気孔率はASTM C-830に従って測定する。
剪断強さはASTM C273、D732に従って測定する。
ショア硬さはASTM D2240に従って測定する。
粒径はASTM E112に従って測定する。
熱膨張係数はE831に従って測定する。
密度はASTM C838-96に従って測定する。
酸化閾値はASTM E1269-90に従って測定する。
HV単位でのビッカース微小硬さはASTM E384に従って測定する。
静水圧圧縮又は振動成形によって製造した等方性黒鉛は細かい等方性粒(3〜40ミクロン)を有し、比較的粗い炭素粒子から押出成形によって製造した黒鉛は、粗い異方性粒(400〜1200ミクロン)となる。
等方性黒鉛は、上述の通り「ゆるい結合」の炭素粒子がなく、微細粒、高密度、及び低気孔率であるため、押出成形異方性黒鉛よりも強度及び構造的健全性が格段に高い。
液体金属を押出成形黒鉛製鋳型へ鋳込むと、鋳型壁と溶湯との界面に剪断応力及び圧縮応力が生じ、この界面で黒鉛の破壊が生じる。鋳型壁から引きずり出された黒鉛粒子と「ゆるい結合の炭素塊」は高温の溶湯に吸収され、溶湯中の酸化物粒子と反応を始め、二酸化炭素ガスの泡が発生する。このガスの泡は合体して凝固した鋳物内に取り込まれ気孔となる。
等方性黒鉛は、固有強度が高く「ゆるい結合」の炭素塊がないため、液体金属の剪断作用による浸食や破壊に対して押出成形黒鉛よりも抵抗性がある。従って、等方性黒鉛製鋳型で作製した鋳物は、押出成形黒鉛中で作製した鋳物よりも鋳物欠陥及び気孔が少ない。
等方性黒鉛に関するその他の情報は、2002年5月14日出願の米国特許出願第10/143,920号に開示されており、この出願は参照によりその全体が本願明細書に組み込まれる。
B.合金
ニッケル基超合金には様々な種類がある。
ニッケル基超合金は、Cr10〜20%、Al及び/又はTi約8%以下を含有し、さらにB、C及び/又はZrの一種以上の元素を少量(合計0.1〜12%)、並びにMo、Nb、W、Ta、Co、Re、Hf、及びFeの一種以上の合金元素を少量(合計0.1〜12%)含有している。さらには良好な溶融手法によって制御すべきMn、Si、P、S、O、及びN等の数種の微量元素を含有していることもある。また不可避的不純物元素を含有していることもあるが、このような不純物元素は夫々0.05%未満、合計でも0.15%未満である。特に規定しない限り、本明細書中の%組成は全て重量%である。
C.鋳型
一般的には等方性黒鉛のブロックを上述の方法で製造し、次いでブロックに機械加工によって鋳型キャビティーを設けて等方性黒鉛製鋳型を作製する。所望により、等方性黒鉛を製造中に先にプレス成形して鋳型キャビティーを設けてもよい。
図5及び図6は、それぞれ中空の管状鋳物70、110を鋳造するための、本発明の回転可能な遠心鋳造用鋳型の実施態様を概略的に示す。
図5は、本発明の範囲に従って、回転している等方性黒鉛製鋳型を用いてニッケル基超合金を真空下で鋳造し、中空の管状鋳物70を作製するための真空遠心鋳造装置の概略図を示す。
金属溶湯60を、真空室50内の容器から樋を介して、回転している等方性黒鉛製鋳型80内へと注湯する。遠心鋳造では、金属溶湯60を注湯する間、回転等方性黒鉛製金型80は真空下で水平、垂直、若しくは傾斜位置において高速回転する。回転軸は、水平でも、垂直位置までのいずれの角度に傾斜していてもよい。回転している鋳型のキャビティーに注湯された金属溶湯60は、遠心力によって鋳型80の壁上に保持される。回転速度及び金属注湯速度は、鋳造する合金及び寸法や形状によって異なる。
回転している等方性黒鉛製鋳型80に金属合金溶湯60を注湯すると、溶湯は鋳型の速度まで加速される。遠心力により金属が広がり、鋳型表面を覆う。金属溶湯60を連続注湯して、目的とする鋳物寸法まで肉厚を上げる。回転速度は変化するが、鋳物外表面では時には重力の150倍の力がかかることもある。
金属60が鋳型表面上に広がると、直ぐに凝固が開始する。金属は中心孔に向かって進む際に固液界面に供給される。このことは、遠心力によってかかる圧力と相まって、鋳型壁の全域に渡って健全で緻密な構造体を形成し、不純物は内側表面近くにほぼ限定される。機械加工された内表面が必要であれば、凝固物の内側層を中ぐりによって取り除いてもよい。このようにして中空管状鋳物70を凝固させ、回収する。
図6は、ホルダー130内に設けた中空の等方性黒鉛製シリンダー110を備える鋳型102を示す。ホルダー130は、モーター120のシャフト122に取り付けられている。金属溶湯(図5には示すが図6には示さない)は、容器150から樋140を介して等方性黒鉛製シリンダー110のキャビティー内へ排出されることになる。このシリンダーは、シャフト122に取り付けた基部130に取り付けてある。モーター120がシャフトを回転させると、シリンダー110が遠心鋳造するのに十分な速度、つまり溶湯が冷却され凝固する間にシリンダー110の長手方向内壁に沿って一定の肉厚となるのに十分な速度で回転する。鋳型は二つの部分からなっていると便利である。回転中には、二つの部分はホルダー130及び/又は図示しない押さえ材等、他の適当な手段によって結合している。溶湯が凝固したら、シリンダー110を開けて作製された金属管を取出す。例えば鋳型110は、図7に示すように長手方向に分割した二つの割型から構成しても、図8に示すように横方向に分割した二つの割型から構成してもよい。よって黒鉛製シリンダー110は再使用可能である。
D.鋳型の使用方法
遠心鋳造鋳物は、金属溶湯を黒鉛製鋳型に注湯し、鋳造工程中、鋳型を自軸のまわりに回転つまり自転させることによって製造する。
合金を、均質な溶湯が得られ且つ合金に酸化等の悪影響を及ぼさない通常の方法で溶融する。好ましい加熱方法としては、例えば真空誘導溶解法が挙げられる。真空誘導溶解法は、以下の文献に記載された公知の合金溶融法である。
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他の適当な加熱方法としては、例えば「プラズマ真空アーク再溶解」法や誘導スカルメルト法が挙げられる。
候補のニッケル基超合金を真空下で溶解法によって溶解し、液体金属を完全真空又は部分真空下、加熱した又は加熱していない黒鉛鋳型に鋳込む。部分真空の場合には、液体金属を不活性ガス分圧下で鋳込む場合もある。
次いで完全真空又は部分真空下で成形する。鋳造(成形)中、鋳型に遠心力をかける。鋳型に注湯した合金溶湯は、遠心作用により装置の中心軸から周りに配置された各鋳型のキャビティーへと強制的に移動させられる。これにより各鋳型内で充填圧力を上昇させる手段がもたらされ、複雑な細部形状を再現することができる。
このように、自軸のまわりを回転している等方性黒鉛製鋳型に、選択した合金を溶融状態で真空遠心鋳造することにより、合金の管状製品を製造することができる。
回転軸は、水平でも垂直位置までのいずれの角度に傾斜していてもよい。金属溶湯は、回転している鋳型のキャビティーに注湯され、遠心力によって鋳型壁上に保持される。回転速度及び金属注湯速度は、鋳造する合金及び寸法や形状によって異なる。鋳造中、鋳型は代表的には毎分10〜3000回転で回転する。回転速度によって金属の冷却速度を制御することができる。
真の遠心鋳造鋳物の内表面は円筒形である。半遠心鋳造の場合には、中心コアを使用して、鋳物内表面を真円筒形以外の形状とすることができる。本発明の遠心鋳造は、真の遠心鋳造及び/又は半遠心鋳造を含むものである。
遠心鋳造鋳物は、均質性及び密度が鍛錬した材料にほぼ近くなることが期待されるだけでなく、機械的特性が全ての方向においてほぼ等しいという利点もある。鋳型と接触している外表面からの方向性凝固により、鋳物欠陥のない非常に優れた品質の鋳物を製造することができる。
本発明の等方性黒鉛製鋳型材料を高純度且つ高密度とすれば、凝固中の液状溶湯に対する鋳型表面の非反応性が高まる。その結果、本発明の方法では、通常のセラミック製鋳型による鋳造方法と比べて、非常に滑らかで高品質な表面を有する鋳物を得ることができる。等方性黒鉛製鋳型はニッケル基超合金溶湯とほとんど反応せず、使用後の磨耗や浸食も最小限であり、よって何度も繰り返して使用してこの合金の高品質な遠心鋳造鋳物を製造することができる。一方従来のセラミック製鋳型は、超合金鋳物の成形加工に一度しか使用できない。
さらに、溶湯を急冷することにより鋳物が微細粒構造となるため、多くのニッケル基超合金においてジェットエンジン部品等の用途に適した高強度等の改善された機械的特性を得ることができる。
遠心鋳造鋳物は、均質性及び密度が鍛錬した材料にほぼ近くなると期待されるだけでなく、機械的特性が全ての方向においてほぼ等しいという利点もある。鋳型と接触している外表面からの方向性凝固により、鋳物欠陥のない非常に優れた品質の鋳物を製造することができる。
等方性黒鉛製鋳型を使って真空下で遠心鋳造法によって健全性及び品質の高い部品に成形加工するのに適した候補である様々なニッケル基、コバルト基、及び鉄基超合金を表3に示す。
本発明に記載された方法によって製造可能な超合金鋳物の代表的な形状は以下の通りである。
(1)以下の代表的な寸法を有するリング及び中空管等:直径4〜80インチ(10〜203cm)×肉厚0.25〜4インチ(0.64〜10.16cm)×長さ1〜120インチ(3〜305cm)
(2)鋳型を機械加工して、遠心鋳造した超合金管状製品及びリングの外径をデザイン化した輪郭としてもよい。
(3) 所望のテーパーが付いた鋳物を特定の設計に従って直接鋳造することができるように、鋳型を機械加工してテーパーを付けてもよい。
上述の実施態様に加えて、他の実施態様も本発明の趣旨及び範囲に入ることは明らかである。従って、本発明は上記の詳細な説明によって限定されることなく、添付した請求の範囲によって規定される。
図1は、タービンケーシング及び圧縮機ケーシングを示す。 図2は、ガスタービンエンジンケーシングを示す。 図3Aから図3Gは、継目無圧延リング鍛造工程の操作を示す。 図4は、稼動中のリングロール鍛造装置を示す。 図5は、本発明の遠心鋳造装置の概略図である。 図6は、本発明の遠心鋳造装置の断面を示す概略図であり、鋳型を回転させるためのモーターをさらに示している。 図7は、長手方向に分割した二つの割型としての鋳型を示す。 図8は、横方向に分割した二つの割型としての鋳型を示す。

Claims (12)

  1. 外径が平坦若しくはデザイン化した輪郭をもつ金属合金製の鋳造物の製造方法であって、該方法は、
    ニッケル基超合金、ニッケル−鉄基超合金、鉄基超合金、及びコバルト基超合金からなる群より選択される金属合金を真空下若しくは不活性ガス分圧下で溶融する工程と、
    自軸まわりに回転している円筒形鋳型に該合金溶湯を注湯する工程であって、該鋳型は黒鉛を機械加工して作製したものであり、該黒鉛は静水圧成形したものであり、且つ3〜40ミクロンの超微細な等方性粒であり、密度1.65〜1.9g/cc、曲げ強度5,500〜20,000psi、圧縮強度9,000〜35,000psi、気孔率15%未満である黒鉛であり、さらに
    合金溶湯を凝固して鋳型のキャビティー形状をもった固形体を得る工程とを含む、鋳造物の製造方法。
  2. 前記金属合金が、Cr10〜20%、Al及びTiからなる群より選択される一種以上の元素を約8%以下と、B、C及び/又はZrからなる群より選択される一種以上の元素を合計0.1〜12%、Mo、Nb、W、Ta、Co、Re、Hf、及びFeの一種以上の合金元素を合計0.1〜12%と、不可避的不純物元素を夫々0.05%未満、合計0.15%未満を含有するニッケル基超合金である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記合金を、真空誘導溶解法及びプラズマアーク再溶解法からなる群より選択される方法で溶解する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記鋳型が静水圧成形されたものである、請求項1に記載の方法。
  5. 前記鋳型の黒鉛が粒径3〜10ミクロンの等方性粒子を有し、該鋳型の曲げ強度が7,000psiより高く、圧縮強度が12,000〜35,000psiであり、気孔率が13%未満である、請求項1に記載の方法。
  6. 前記鋳型が密度1.77〜1.9g/cc、圧縮強度17,000〜35,000psiである、請求項1に記載の方法。
  7. 前記鋳型が振動成形されたものである、請求項1に記載の方法。
  8. 合金溶湯を前記鋳型に注湯する際に、真空下若しくは不活性ガス分圧下で、該鋳型を水平若しくは垂直に、又は傾斜角度をつけて自軸のまわりを回転させる、請求項1に記載の方法。
  9. 前記円筒形鋳型の内表面に、デザイン化された輪郭を有する外径の鋳物を製造することができるキャビティーを機械加工によって設ける、請求項1に記載の方法。
  10. ニッケル基超合金、ニッケル−鉄基超合金、鉄基超合金、及びコバルト基超合金からなる群より選択される金属合金を真空下若しくは不活性ガス分圧下で溶融し、外径が平坦若しくはデザイン化した輪郭をもつ金属合金製の鋳造物を製造するための遠心鋳造装置であって、
    3 40 ミクロンの超微細な等方性粒であり、密度 1.65 1.9g cc 、曲げ強度 5,500 20,000psi 、圧縮強度 9,000 35,000psi 、気孔率 15 %未満である、静水圧成形した黒鉛を機械加工して作製した等方性黒鉛製鋳型と、該等方性黒鉛製鋳型を回転させる手段と、前記真空又は不活性ガス分圧を形成する手段とを備える、金属製品を鋳造するための遠心鋳造装置。
  11. 前記等方性黒鉛製鋳型が、該鋳型内で冷却された金属製品を鋳型から取出すことができるように互いに取外し可能なように取付けられた少なくとも二つの等方性黒鉛部品を備える、請求項10に記載の装置。
  12. 前記鋳造物の形状が、外径が平坦若しくはデザイン化した輪郭をもつリング、管、及びパイプからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
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