JP4762409B2 - 清浄な金属から核生成鋳造した物品 - Google Patents
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Description
【発明の背景】
この発明は、清浄金属核生成鋳造による物品、その物品を形成する方法およびシステムに関する。
【0002】
金属、たとえば鉄(Fe)基、ニッケル(Ni)基、チタン(Ti)基およびコバルト(Co)基合金はよくタービン構成部品用途に用いられ、その場合微細結晶粒ミクロ組織、均質性そして本質的に欠陥のない組成が望ましい。超合金鋳造物およびインゴットにこのような問題があると、超合金形成に伴うコストが高いので、望ましくなく、これらの問題の結果は、特にタービン構成部品に形成されるインゴットの場合、望ましくない。鋳造物を生成する従来のシステムでは、鋳造物から製造した物品に悪影響するおそれのある不純物、汚染物その他の成分の量を減らそうとしてきた。しかし、超合金のような金属の比較的大きな物体の加工と精錬はしばしば、均質な、欠陥のない組織を実現する上で様々な問題を伴う。これらの問題は、少なくとも部分的には、金属本体の嵩高い体積によると考えられる。
【0003】
超合金にしばしば生じるこの種の問題として、精錬金属の結晶粒度および他のミクロ組織の制御がある。代表的には、精錬する金属の体積が通常5,000ポンド程度以上であり、35,000ポンド程度以上ともなり得るので、精錬加工には、金属の大きな本体を順次加熱および溶融、成形、冷却そして再加熱するなどの多数の工程を行う。さらに、加工を大きな金属本体に行うので、合金または成分の偏析の問題も生じる。多くの場合、一連の長い経費のかさむ加工工程を選択して、金属のバルク加工および精錬操作を用いることから来る上述した難点を克服している。
【0004】
当業界で採用されているこのような既知の手順としては、真空誘導溶融、これに続くエレクトロスラグ精錬(ESR=electroslag refining)(たとえば、すべて本出願人に譲渡された米国特許第5,160,532,同第5,310,165号、同第5,325,906号、同第5,332,197号、同第5,348,566号、同第5,366,206号、同第5,472,177号、同第5,480,097号、同第5,769,151号、同第5,809,057号および同第5,810,066号に開示されている)、これに続く真空アーク精錬(VAR=vacuum arc refining)、そしてこれに続く鍛造および引き抜きによる機械加工を行い、微細なミクロ組織を達成する。このような順序により製造された金属はきわめて有用であり、金属製品自体はきわめて価値あるものであるが、加工プロセスが多大な費用と長い時間を要する。さらに、このような手順からの歩留まりは低く、結果としてコストを引き上げる。
【0005】
スクラップ金属を真空誘導溶融して、たとえば20,000ポンド以上のような大きな金属本体とすることは、スクラップ材料の回収に有用である。スクラップを真空誘導溶解工程により加工して、大きなインゴット品を形成する。このタイプの大きなインゴット品はスクラップよりはるかに価値があるが、大きなインゴット品は通常、ボイド、クラック、酸化物介在物、マクロ偏析などの種々の欠陥を有する。スクラップ金属のインゴットへの回収は、たいていの場合、費用と時間のかかる金属精錬プロセスの第1工程である。後続の加工工程で、前の金属加工工程で生じた欠陥を矯正する。たとえば、スクラップ金属を大きなインゴットとした後、そのインゴットをエレクトロスラグ精錬(ESR)により加工して、不純物、汚染物、酸化物、硫化物その他の望ましくない成分を除去する。エレクトロスラグ精錬法の生成物は通常、不純物濃度が低い。
【0006】
エレクトロスラグ精錬加工操作中にいくつかの問題が生じることがある。たとえば、従来のエレクトロスラグ精錬法では、精錬用容器を使用し、その内部でスラグ精錬層が溶融精錬された金属の層の上に浮かぶ。通常、未精錬金属のインゴットを消耗電極として使用し、容器内に降下して溶融したエレクトロスラグ層と接触させる。スラグ層を通してインゴットに電流を流し、インゴットとスラグ層との界面で表面溶融を起こさせる。インゴットが溶融するにつれて、酸化物介在物や不純物がスラグにさらされ、インゴットとスラグの接触点で除去される。精錬された金属の液滴を形成し、これらの液滴がスラグ内を通過し、スラグの下側の溶融精錬された金属のプールに捕集される。
【0007】
上述したエレクトロスラグ精錬装置は、個々のプロセスパラメータ、たとえば精錬電流の強度、特定の熱入力、溶融速度など(これらに限らない)の関係に依存する。この関係は、金属のエレクトロスラグ精錬速度と、金属インゴット温度と、精錬された溶融金属の冷却速度との間の望ましくない相互依存を含み、これらはすべて得られる鋳物の冶金学的組織を貧弱なものとするおそれがある。
【0008】
従来のエレクトロスラグ精錬プロセスと関連した別の問題として、エレクトロスラグるつぼに比較的深い金属プールが形成される。深い湯プールは金属中の成分のマクロ偏析度を変動させる原因となり、これは微細結晶粒ミクロ組織でないミクロ組織のようなあまり望ましくないミクロ組織となったり、不均質な組織を形成するような元素種の偏析を生じたりする。この深い湯プールの問題を克服するため、エレクトロスラグ精錬プロセスと組み合わせる後続処理操作が提案されている。この後処理は真空アーク再溶解(VAR=vacuum arc remelting)とすることができる。真空アーク再溶解は、インゴットを真空アーク工程で処理するときに開始され、比較的浅い湯プールを生成し、これにより水素含量も低くなる可能性のあるすぐれたミクロ組織を生成する。真空アーク精錬プロセスに続いて、得られたインゴットを機械加工して所望の微細結晶粒ミクロ組織を有する金属ストックを得る。このような機械加工は鍛造工程と引抜き工程との組合せとすることができる。この熱機械的加工には、大型の高価な装置が必要で、また多量で高価なエネルギー入力も必要である。
【0009】
望ましい鋳造ミクロ組織を得ようとする方法が米国特許第5,381,847号に提案されており、ここでは垂直鋳造プロセスにより、デンドライト成長を抑制することにより結晶粒子ミクロ組織を制御している。このプロセスにより得られるミクロ組織は用途によっては有用であるが、垂直鋳造プロセスは、不純物、酸化物その他の望ましくない成分などのソース金属含有物を制御しない。ソース金属含有物を制御しないと、鋳物のミクロ組織や特性に悪影響を与える。
【0010】
したがって、多数の加工工程に依存せず、供給源から清浄な金属を供給され、比較的均質で、微細結晶粒のミクロ組織を有する鋳物を製造する金属鋳造プロセスが必要とされている。さらに、比較的均質な微細結晶粒ミクロ組織を有する鋳物を製造する金属鋳造システムを提供することが必要とされている。さらに、タービン構成部品としての用途に適当な、本質的に酸化物を含有しない鋳物を製造する金属鋳造プロセスおよびシステムを提供することが必要とされている。
【0011】
【発明の概要】
本発明の第1の観点によれば、微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品が提供される。この物品は本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない。この物品は、エレクトロスラグ精錬により酸化物および硫化物を除去した清浄な精錬された金属の供給源を形成する工程と、核生成鋳造により物品を形成する工程とを含むプロセスにより製造する。
【0012】
本発明の別の観点によれば、本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品が提供される。この物品は、エレクトロスラグ精錬システムと核生成鋳造システムとを含む清浄金属核生成鋳造システムにより形成される。エレクトロスラグ精錬システムは、精錬用溶融スラグを受け入れて保持するのに適当なエレクトロスラグ精錬構造と、エレクトロスラグ精錬構造で精錬すべき金属の供給源と、エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグの本体とを含む。金属供給源は溶融スラグと接触状態に配置されている。エレクトロスラグ精錬システムはさらに、電流を電極としての前記金属供給源に、そして溶融スラグを通してスラグの下側の精錬された金属の本体に供給して、精錬用スラグを溶融状態に保つとともにスラグと接触した金属供給源の端部を溶融する構成の電源と、前記金属供給源を溶融スラグと接触状態にして金属の精錬が進むにつれて電極の接触表面が溶融される速度に対応する速度で前進させる前進装置と、前記エレクトロスラグ精錬構造の下側に位置するコールドハース構造であって、エレクトロスラグ精錬された溶融金属を受け入れ、それをコールドハース容器の壁上に形成される精錬された金属の固体スカルと接触状態に保持するよう構成されたコールドハース構造と、コールドハース構造内で溶融スラグの下側にくる精錬された溶融金属の本体と、コールドハース構造の下方のコールドフィンガオリフィス構造であって、エレクトロスラグ精錬システムにより加工される精錬された溶融金属のストリームをコールドハース構造およびオリフィスを通して小出しするように構成されたコールドフィンガオリフィス構造と、精錬された金属がコールドハース構造およびオリフィスを含むコールドフィンガオリフィス構造と接触して凝固したスカルと、精錬された溶融金属のストリームを溶融金属の液滴に変換する破砕サイトと、溶融金属液滴を受け取る冷却ゾーンとを備える。冷却ゾーンは、溶融金属液滴を部分的に凝固させて半固体液滴とし、平均で各半固体液滴の約5〜40容量%が固体で、残りが溶融状態となるようにする。金型は、半固体液滴を収集し、凝固させ、これにより本発明の1実施態様としての本質的に酸化物および硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒の均質なミクロ組織を有する物品を形成する。この際半固体液滴により金型の上面に乱流ゾーンを形成し、この乱流ゾーン内で平均で液滴の約50容量%未満が固体となる。
【0013】
本発明のさらに他の観点によれば、物品はインゴット、鋳物またはプレホーム(予備成形品)の少なくとも1つである。
【0014】
本発明のさらに他の観点によれば、物品はニッケル基、コバルト基、チタン基および鉄基金属の少なくとも1種を含む。
【0015】
本発明の上述したまた他の目的、特徴および効果は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかになるであろう。図面には本発明の実施態様を具体的に示すが、同様の部材は同じ符号で示す。
【0016】
【好適な実施態様】
本発明の1実施態様による物品を製造する清浄金属核生成鋳造プロセスは、エレクトロスラグ精錬(ESR)システムから清浄な液体金属の供給源を形成する工程と、清浄な金属を核生成鋳造システムに送る工程と、本質的に酸化物を含まず不純物を含まない材料の物品、たとえばこれらに限らないが鋳物、インゴットまたはプレホーム(予備成形品)を生成する工程を含む。ここで用語「本質的に含まない」とは、材料中のいかなる成分もその材料に、たとえばその強度や他の関連特性に悪影響を与えないことを意味する。さらに、本発明の1実施態様による清浄金属核生成鋳造プロセスは、特に上述したような従来の溶融プロセスにより製造した鋳物と比較して、欠陥の偏析を低減した鋳物が製造される。本発明の説明は、清浄金属核生成鋳造プロセスおよびシステムにより形成した物品または鋳物に言及するが、この説明は例示にすぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようとするものではない。
【0017】
本発明の1実施態様による清浄な液体金属供給源(ソース)は、エレクトロスラグ精錬工程により清浄な(クリーンな)液体金属を与えるエレクトロスラグ精錬装置から構成することができる。たとえばエレクトロスラグ精錬装置は、たとえば本出願人に譲渡された前掲の特許に記載されているような、コールド誘導ガイド(CIG=cold-induction guide)と協同するエレクトロスラグ精錬システムからなる。核生成鋳造システムは、多数の溶融金属液滴を形成し、冷却ゾーンに通過させることのできるシステムからなり、冷却ゾーンは平均して各液滴の約30容量%以下を凝固させるのに十分な長さに形成する。つぎに液滴を金型(モールド)に受け取り、金属液滴の凝固を金型内で完了させる。液滴の固体部分が約30容量%未満であれば、液滴は液体特性を保ち、金型内で容易に流動する。
【0018】
本発明の1実施態様による物品を製造する清浄金属核生成鋳造プロセスは、タービン構成部品の用途に用いられることが多い、ニッケル(Ni)基およびコバルト(Co)基超合金や、鉄(Fe)およびチタン(Ti)合金など(これらに限定されない)を含む多数の金属および合金について、均質な微細結晶粒ミクロ組織を形成する。本発明の1実施態様においては、清浄金属核生成鋳造プロセスにより形成される物品は、均質な微細結晶粒ミクロ組織であるため、わずかな加工および熱処理工程で最終物品またはビレットに変換し、あるいは直接鍛造することができる。したがって、清浄金属核生成鋳造プロセスは、具体的にはディスク、ロータ、ブレード、ベーン、ホイール、バケット、リング、シャフト、ホイールその他の要素(これらに限定されない)を含む回転装置用途、そして他のタービン構成部品用途など、多種多様な用途に使用できる高品質な鍛造品を製造するのに使用できる。本発明の説明は主に鋳物から形成するタービン構成部品に言及するが、これは本発明の範囲内の用途の例示にすぎない。
【0019】
ここで添付図面を参照すると、図1は、本発明の1実施例による清浄金属核生成鋳造プロセスおよびシステム3を示す半線図的、部分断面の立面図である。図2〜図4は図1に示した特徴部分の詳細図である。本発明の理解を容易にするために、まずエレクトロスラグ精錬システム1について説明し、ついで核生成鋳造システム3について説明する。
【0020】
図1は、本発明の実施例による物品を製造するための清浄金属核生成鋳造システム3の線図的説明図である。図1において、エレクトロスラグ精錬システム1により、清浄金属核生成鋳造システム3およびその関連する清浄金属核生成鋳造プロセスに適切な清浄な金属を提供する。清浄な金属を核生成鋳造システム2に供給する。エレクトロスラグ精錬システム1および核生成鋳造システム2が協同して清浄金属核生成鋳造システム3を形成し、これにより清浄な金属の核生成した鋳物を形成する。
【0021】
エレクトロスラグ精錬システム1は精錬すべき金属の消耗電極24をエレクトロスラグ精錬システム1に導入し、その消耗電極24を精錬して清浄な精錬された金属メルト46(以下「クリーン金属」と言う)を生成する。消耗電極24としてのエレクトロスラグ精錬システム1用の金属供給源は単なる例示であり、本発明の範囲には、インゴット、金属メルト、粉末金属およびこれらの組合せからなるソース金属が包含されるが、これらに限定されない。ここでは本発明を消耗電極に関連して説明するが、これは単なる例示にすぎず、いかなる意味でも本発明を限定しようとするものではない。クリーン金属46は、エレクトロスラグ精錬装置1の下側に装着されたコールドハース構造40内に受け入れられ保持される。クリーン金属46はコールドハース構造40から、その下側に装着配置されたコールドフィンガオリフィス構造80を通して小出しされる。
【0022】
金属のエレクトロスラグ精錬の速度と精錬された金属をコールドハース構造40に送り出す速度が、溶融金属(湯)46をコールドハース構造40からコールドフィンガオリフィス構造80のオリフィス81を通して抜き出す速度に近ければ、エレクトロスラグ精錬システム1は、クリーン金属46を供給するのにほぼ定常状態の作動を行うことができる。したがって、清浄金属核生成鋳造プロセスは長期間にわたって連続的に運転でき、したがって大量の金属を処理できる。あるいはまた、清浄金属核生成鋳造プロセスは、清浄金属核生成鋳造システム3の特徴部分の1つ以上を間欠的に運転することにより間欠的に運転することができる。
【0023】
クリーン金属46がコールドフィンガオリフィス構造80を通してエレクトロスラグ精錬システム1から外に出た後、クリーン金属46は核生成鋳造システム2に入る。ここでクリーン金属をさらに加工して比較的大きな精錬金属のインゴットを生成すことができる。あるいはまた、クリーン金属46をここを通して加工してもっと小さな鋳物、インゴット、物品を生成するか、連続した鋳造物品に形成することができる。清浄金属核生成鋳造プロセスは、本発明の実施態様では、所望の組合せの材料特性を有する金属鋳物を生成するために今まで必要とされていた上述した加工操作のような加工操作の多くをなくすることができ、効果的である。
【0024】
図1に、鉛直移動制御装置10を線図的に示す。鉛直移動制御装置10は、ボックス12を鉛直サポート14に装着した構成で、鉛直サポート14は原動装置(図示せず)、たとえばモータその他の機構(これらに限らない)を有する。原動装置はスクリュ部材16に回転運動を与えるようになっている。
【0025】
インゴット支持構造20は、部材、たとえば一端がスクリュ部材16にねじ係合された部材22(これに限らない)を含む。部材22は他端で、適当な連結具、たとえばボルト26(これに限らない)により消耗電極24を支持する。
【0026】
エレクトロスラグ精錬構造30は、適当な冷却材、たとえば水(これに限らない)により冷却されるリザーバ32を備える。リザーバ32は、溶融スラグ34を含み、ここで過剰なスラグ34は固体スラググラニュール36として図示されている。清浄金属核生成鋳造プロセスに用いるスラグ組成は、処理される金属とともに変化する。後述するような、内壁82の外側に流れる冷却材の冷却作用のため、スラグスカル75がリザーバ32の内壁82の内面に沿って形成される。
【0027】
コールドハース構造40(図1〜図3)はエレクトロスラグ精錬構造30の下側に装着されている。コールドハース構造40は、ハース(炉床)42を備え、これは水のような適当な冷却材で冷却される。ハース42は凝固した精錬金属からなるスカル(凝固湯垢)44と精錬された液体金属の本体46とを含有する。リザーバ32はハース42と一体に形成することができる。あるいはまた、リザーバ32とハース42を別個のユニットとして形成し、これらを連結してエレクトロスラグ精錬システム1を構成してもよい。
【0028】
エレクトロスラグ精錬システム1の底部オリフィス81は、コールドフィンガオリフィス構造80に設けられ、これらを図3および図4を参照して説明する。エレクトロスラグ精錬システム1により本質的に酸化物、硫化物、他の不純物を含まないように精錬されたクリーン金属46は、エレクトロスラグ精錬システム1を横切り、コールドフィンガオリフィス構造80のオリフィス81から流出する。
【0029】
電源構造70により精錬用電流をエレクトロスラグ精錬システム1に供給することができる。電源構造70は電力供給兼制御機構74を備える。電気導体76により電源構造70を部材22に接続し、電流を部材22に搬送し、ついで電流を消耗電極24に搬送することができる。導体78をリザーバ32に接続し、エレクトロスラグ精錬システム1の電源構造70の回路を完成する。
【0030】
図2は、エレクトロスラグ精錬構造30およびコールドハース構造40の詳細な部分断面図である。ここでエレクトロスラグ精錬構造30はリザーバ32の上方部分を画定し、コールドハース構造40はリザーバ32の下方部分42を画定する。リザーバ32は通常、内壁82および外壁84を有する二重壁リザーバである。内壁82と外壁84との間に水(これに限定されない)などの冷却材86を供給する。冷却材86は、供給源98(図3)から通常の入口および出口(図示せず)を経て内壁82および外壁84間に画定された流れチャンネルに流入し通過する。コールドハース構造40の壁82を冷却する冷却水86は、エレクトロスラグ精錬構造30およびコールドハース構造40の冷却を行い、スカル44をコールドハース構造40の内面上に形成させる。冷却材86はエレクトロスラグ精錬システム1、清浄金属核生成鋳造システム3あるいはエレクトロスラグ精錬構造30の運転にとって必須ではない。液体金属46が内壁82に接触し、内壁82を攻撃すると、内壁82からの若干の溶解をもたらし液体金属46を汚染するおそれがあるが、冷却により液体金属46の内壁82との接触や、内壁82への攻撃を防止することができる。
【0031】
図2において、コールドハース構造40は外壁88も備え、この外壁88はフランジ付き管状セクション90および92を含むのがよい。2つのフランジ付き管状セクション90および92が図2の底部に示されている。外壁88は核生成鋳造システム2と協同して、後述する制御された雰囲気環境140を形成する。
【0032】
コールドハース構造40は、コールドフィンガオリフィス構造80を備え、その詳細を図3および図4に示す。コールドフィンガオリフィス構造80を図3にコールドハース構造40および液体メルト46のストリーム56との関係で示すが、液体メルト46のストリーム56は、コールドフィンガオリフィス構造80を通ってコールドハース構造40を出てゆく。図2および図3では、コールドフィンガオリフィス構造80を、固体金属スカル44および液体金属46との構造的協同関係にて示している。図4では、コールドフィンガオリフィス構造80を液体金属も固体金属スカルもなしで示しているので、コールドフィンガオリフィス構造80の細部がよくわかる。
【0033】
コールドフィンガオリフィス構造80はオリフィス81を備え、ここから加工された溶融金属46がストリーム56の形態で流出することができる。コールドフィンガオリフィス構造80は、コールドハース構造40およびエレクトロスラグ精錬構造30に連結されている。したがってコールドハース構造40は、加工された不純物をほぼ含有しない合金が、コールドハース構造40の壁に接触することで、スカル44および83を形成するのを許す。かくしてスカル44および83は溶融金属46のためのコンテナとして作用する。その上、コールドフィンガオリフィス構造80に形成されるスカル83(図3)はその厚さが制御可能で、代表的にはスカル44より小さな厚さに形成される。厚いスカル44はコールドハース構造40に接触し、薄いスカル83はコールドフィンガオリフィス構造80に接触し、これらのスカル44および83は互いに接触して実質的に連続したスカルを形成している。
【0034】
制御された量の熱をスカル83に与え、液体金属本体46に熱的に伝達する。この熱は、コールドハース構造のまわりに配置された誘導加熱コイル85から与える。誘導加熱コイル85は、水などの適当な冷却材を供給部87からコイルに流すことで冷却された誘導加熱コイルである。誘導加熱用電力は図3に線図的に示す電源89から供給する。コールドフィンガオリフィス構造80の構成は、誘導エネルギーによる加熱がコールドフィンガオリフィス構造80を透過し、液体金属46およびスカル83を加熱し、オリフィス81を開放状態に保つことを可能にし、したがってストリーム56がオリフィス81から流出できる。加熱用電力をコールドフィンガオリフィス構造80に供給しないと、液体金属46のストリーム56が凝固しオリフィスが閉塞してしまう。加熱は、コールドフィンガオリフィス構造80の絶縁されている各フィンガに依存し、これらのフィンガは互いに隣接するフィンガから、たとえば空気またはガスギャップによりあるいは適当な絶縁材料により絶縁されている。
【0035】
コールドフィンガオリフィス構造80が図4に示されており、ここではスカル44および83も溶融金属46も図示の便宜上省略されている。個々のコールドフィンガ97は隣接するフィンガ、たとえばフィンガ92からギャップ94により分離されている。ギャップ94を設け、ここに絶縁材料、たとえばセラミック材料または絶縁ガス(これらに限らない)を充填する。かくて、コールドフィンガオリフィス構造80内に配置された溶融金属46(図示せず)はギャップを通って漏れ出ることがない。これはスカル83がコールドフィンガの上にブリッジを形成し、そこを通っての液体金属46の通過を防止するからである。図面を見る者の視線と一致しているギャップ99が示されている図4から明らかなように、各ギャップはコールドフィンガオリフィス構造80の底部まで延在する。ギャップの幅を約20ミル〜約50ミルの範囲とすることができ、この幅は隣接するフィンガ間の絶縁分離を達成するのに十分である。
【0036】
個々のフィンガに、水などの冷却材を与えることができ、たとえば冷却材を適当な冷却材源(図示せず)から導管96に通す。冷却材はつぎに、マニホールド98のまわりをぐるりとまわりそこから個々の冷却チューブ、たとえば冷却チューブ100を通過する。冷却チューブ100から出た冷却材は冷却チューブ100の外面とフィンガの内面との間に流れる。つぎに冷却材はマニホールド102で集められ、水出口チューブ104を通ってコールドフィンガオリフィス構造80から外に出る。この個別のコールドフィンガ水供給チューブ配列によりコールドフィンガオリフィス構造80全体の冷却が可能になる。
【0037】
コールドフィンガオリフィス構造80を通してスカル44および83にまた液体金属46に与えられる加熱または冷却の量を制御して、ストリーム56としての液体金属46のオリフィス81の通過を制御することができる。誘導コイル85への電流およびコールドフィンガオリフィス構造80に入り、そこを通過する冷却材の量を制御することにより、制御された加熱または冷却を実現する。制御された加熱または冷却により、スカル44および83の厚さを増減して、オリフィス81を開閉し、あるいはオリフィス81を通るストリーム56の通過を増減することができる。スカル44および83の厚さを増減することにより、多量または少量の液体金属46がコールドフィンガオリフィス構造80を通ってオリフィス81に通過し、ストリーム56を規定することができる。スカル44および83の厚さを制御するとともに、誘導加熱コイル85への冷却水および加熱用電流および電力を制御してオリフィス81を所定の通過寸法に維持することにより、ストリーム56の流れを所望のバランスに維持することができる。
【0038】
つぎに、清浄金属核生成鋳造システム3のエレクトロスラグ精錬システム1の作動を、図面を参照しながら説明する。清浄金属核生成鋳造システム3のエレクトロスラグ精錬システム1は、欠陥および不純物を含有しうる、あるいは相対的に精錬できるインゴットを精錬(精製)することができる。消耗電極24をエレクトロスラグ精錬システム1により溶融する。消耗電極24をエレクトロスラグ精錬システム1に、エレクトロスラグ精錬システム1内の溶融スラグと接触状態に装着する。電力をエレクトロスラグ精錬システム1およびインゴットに供給する。電力により、インゴットを溶融スラグと接触する表面で溶融させ、金属の溶融ドロップを形成する。溶融ドロップが溶融スラグ中を落下する。溶融スラグ内を通過した後、溶融ドロップを、エレクトロスラグ精錬構造30の下側のコールドハース構造40にて精錬された液体金属の本体として収集する。消耗電極24から派生する酸化物、硫化物、汚染物その他の不純物は、液滴がインゴットの表面上に生成して溶融スラグを通過する際に除去される。溶融ドロップはエレクトロスラグ精錬システム1からコールドフィンガオリフィス構造80のオリフィス81を通ってストリーム56として抜き出される。本発明の実施例で物品を形成する清浄金属核生成鋳造システム3のエレクトロスラグ精錬システム1から出てくるストリーム56は、本質的に酸化物、硫化物、汚染物その他の不純物を含まない精錬されたメルトからなる。
【0039】
さらに金属ストリーム56がコールドフィンガオリフィス構造80から出てくる速度は、オリフィス81の上の液体金属46の静水頭を制御することにより制御することができる。静水頭は、コールドフィンガオリフィス構造80のオリフィス81の上に延在する液体金属46およびスカル44,83により決まる。本発明の実施例によるエレクトロスラグ精錬システム1を有する清浄金属核生成鋳造システム3を所定の一定な静水頭および一定な寸法のオリフィス81で運転すれば、液体金属にほぼ一定な流量を確立することができる。
【0040】
代表的には定常状態の電力が望ましく、そうすれば溶融速度がストリーム56としての清浄金属核生成鋳造システム3からの排出速度にほぼ等しくなる。しかし、清浄金属核生成鋳造システム3に加えられる電流を調節して、オリフィス81上の液体金属46およびスカル44,83を多くしたり少なくしたりすることができる。オリフィス81上の液体金属46およびスカル44,83の量は、インゴットを溶融する電力と、スカルを生成するエレクトロスラグ精錬システム1の冷却によって決められる。適用する電流を調節することにより、オリフィス81を通る流れを制御することができる。
【0041】
また、定常状態の運転を確立するために、消耗電極24の溶融スラグ34の上面との接触を維持することができる。消耗電極24のメルト46への降下速度を調節し、これにより溶融スラグ34の上表面との消耗電極24の接触を定常状態運転に適切な状態に維持する。ストリーム56からの定常状態の排出を清浄金属核生成鋳造システム3に維持することができる。清浄金属核生成鋳造システム3のエレクトロスラグ精錬システム1で形成される金属のストリーム56は、エレクトロスラグ精錬システム1から外に出、核生成鋳造システム2に供給される。図1には核生成鋳造システム2を、エレクトロスラグ精錬システム1と組み合わせて線図的に示してある。
【0042】
物品を形成する作用をなす核生成鋳造システム2は、清浄金属核生成鋳造システム3のエレクトロスラグ精錬システム1からストリーム56を受け取るように配置された破砕サイト134を備える。破砕サイト134はストリーム56を多数の溶融金属液滴138に変換する。ストリーム56を、液滴138の望ましくない実質的な酸化を防止するのに十分な雰囲気の制御された環境140に置いた破砕サイト134に供給する。雰囲気の制御された環境140は、ストリーム56の金属と反応しない任意のガスまたは混合ガスを含有すればよい。たとえばストリーム56がアルミニウムまたはマグネシウムである場合、雰囲気の制御された環境140は液滴138が火災の危険となるのを防止する環境を与える。代表的には、希ガスまたは窒素が雰囲気の制御された環境140に用いるのに適当である。このようなガスは通常本発明の範囲内の金属および合金のほとんどと非反応性であるからである。たとえば、低コストガスである窒素は、過剰な窒化を受けやすい金属および合金以外なら、雰囲気の制御された環境140に使用できる。また、金属が銅である場合には、雰囲気の制御された環境140は窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とすることができる。金属がニッケルまたは鋼である場合には、雰囲気の制御された環境140は窒素、アルゴンまたはこれらの混合物とすることができる。
【0043】
破砕サイト134は、ストリーム56を液滴138に変換するのに適当な装置ならいずれでもよい。たとえば破砕サイト134は、ストリーム56を1つ以上のジェット142で包囲するガスアトマイザとすることができる。ストリーム56に衝突するジェット142からのガスの流れを制御し、こうして液滴138の大きさと速度を制御することができる。本発明の範囲内に入る別の微粒化装置として、高圧噴霧ガスがあり、ガスの流れを用いて雰囲気の制御された環境140を形成する。雰囲気の制御された環境140のガスの流れが金属ストリーム56に衝突し、金属ストリーム56を液滴138に変換することができる。別の流れ破砕方式としては、2枚の電極をDC電源に接続し、磁石を電界に垂直になるように配置し、2枚の電極間の狭いギャップにストリーム56が流れる磁気流体力学アトマイゼーション(微粒化)や、機械式流れ破砕装置がある。
【0044】
液滴138は破砕サイト134から下向きに散布され(図1参照)、概して末広がりのコーン形状を形成する。液滴138は、破砕サイト134と金型(モールド)146により支持された金属鋳物の上面150との間の距離により画定された冷却ゾーン144を横断する。冷却ゾーン144の長さは、液滴が冷却ゾーン144を横断し金属鋳物の上面150にぶつかる時までに液滴の体積分率部分を凝固させるのに十分である。凝固する液滴138の部分(以下「固体体積分率部分」という)は、金型146内で液体流れ特性が本質的に失われる粘度変曲点まで、金型146内での粗いデンドライト成長を阻止するのに十分である。
【0045】
部分的に溶融しており、部分的に凝固している金属液滴(以下「半固体液滴」という)が金型146内に集まる。半固体液滴は、固体体積分率部分が粘度変曲点未満であれば液体のように挙動し、そして半固体液滴は金型の形状に順応する十分な流動性を呈する。一般に、粘度変曲点を規定する固体体積分率部分の上限は約40容量%未満である。固体体積分率部分はたとえば約5〜40容量%の範囲にあり、約15〜30容量%の範囲の固体体積分率部分は粘度変曲点に悪影響しない。
【0046】
液滴138のスプレーは金型146内の鋳物の表面に乱流ゾーン148を生成する。乱流ゾーン148は金型146内に約0.005〜1.0インチの範囲の適当な深さを有することができる。乱流ゾーン148の深さは清浄金属核生成鋳造システム3の種々の要因、たとえば噴霧ガス速度、液滴速度、冷却ゾーン144の長さ、ストリーム温度および液滴寸法などに依存する。本発明の範囲内の乱流ゾーン148は、たとえば金型内での深さが約0.25〜0.50インチの範囲である。通常金型146内の乱流ゾーン148は、金属が主として液体特性を示す鋳物の領域より大きくてはいけない。
【0047】
代表的には、乱流ゾーン148における低い粘度によりガスの混入を低減し、その結果鋳物内にできる気孔を最小限に抑える。乱流ゾーン148で固体である液滴の固体体積分率部分が平均約50容量%未満であれば、鋳物へのガスの混入が最小限に抑えられる。たとえば乱流ゾーン148で固体である液滴の固体体積分率部分が平均約5〜40容量%の範囲にあれば、鋳物へのガスの混入が最小限に抑えられる。
【0048】
金型146は、金型壁を通しての熱伝導および鋳物の上面150からの対流により鋳物から熱を抽出する。乱流ゾーン148は、乱流ゾーンに固有の乱流により鋳物の熱勾配を低減する。熱勾配を小さくすると、ともに鋳物にとっては望ましくない鋳物の熱間割れやデンドライト粗粒化が軽減される。
【0049】
金型146は、鋳造用途の適当な材料、たとえば黒鉛、鋳鉄または銅(これらに限定されない)で形成することができる。黒鉛は機械加工が比較的簡単で、熱除去の目的に満足な熱伝導性を有するので、金型146の材料として適当である。冷却材を循環させる冷却コイルを金型に埋設して金型146を通しての熱の除去を効果的にすることができる。本発明の範囲には、当業界で周知の他の金型冷却手段も含まれる。半固体液滴が既に部分的に凝固しているので、本発明の実施例における金型146は、従来の金型ほどの熱的保護を必要としない。したがって、半固体液滴からは一部の熱が既に除去されて液滴を部分的に凝固させているので、完全に液体金属から形成する従来の鋳物と比較して、半固体液滴が金型内にある場合に除去しなければならない熱の量は少ない。熱の除去が少なくなれば、金型146に熱的に誘引されるひずみを少なくでき、そしてこのことから鋳物からの熱除去速度が均一になり、鋳物の均一性と均質性が向上する。
【0050】
金型146に半固体液滴138が充満するにつれて、その上面150が破砕サイト134に近づき、冷却ゾーン144が狭まる。破砕サイト134または金型146の少なくとも一方を可動サポート上に装着し、一定速度で遠ざけ、冷却ゾーン144の長さを一定に維持するのがよい。こうすれば、液滴138にほぼ一定な固体体積分率部分が形成される。核生成鋳造システム2にバッフル132を設けて、雰囲気の制御された環境140をエレクトロスラグ精錬システム1から金型146まで延長するのがよい。バッフル132は部分的に溶融した金属液滴138の酸化を防止し、雰囲気の制御された環境140のガスを保存することができる。
【0051】
熱を鋳物から抽出して凝固プロセスを完了し、本発明の1実施態様である物品を形成する。清浄金属核生成鋳造プロセスにより製造された鋳物内には十分な数の核が形成されるので、凝固時には、微細な等軸なミクロ組織149が鋳物またその結果得られる物品内に形成される。本発明の清浄金属核生成鋳造プロセスは、エレクトロスラグ精錬システム1により生成されたクリーン金属と、核生成鋳造システム2により形成された制御されたミクロ組織の鋳物とを包含し、このことにより気孔率や熱間加工クラッキングが低下するか、ほとんどなくなる。
【0052】
清浄金属核生成鋳造システム3は、望ましくないデンドライト成長を阻止し、形成される鋳物および物品の凝固収縮の気孔(率)を低減し、鋳造中およびその後の(本発明の実施態様である)鋳物および物品の熱間加工中いずれでも熱間割れを低減する。さらに、清浄金属核生成鋳造システム3は、本発明の実施態様である物品に均一な等軸組織を生成し、これは、鋳造時の金型のひずみを最小限に抑え、金型内の鋳物の凝固中の熱伝導を制御し、そして核生成を制御した結果である。清浄金属核生成鋳造システム3による物品は、従来の鋳物と比較して、延性および破壊靱性が高い。
【0053】
以上、本発明の種々の実施態様を説明したが、当業者にはこれらの構成要素の種々の組合せや、その変更、改変が可能であり、そのような例も本発明の要旨の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施態様にしたがって物品を製造する、エレクトロスラグ精錬システムおよび核生成鋳造システムを有する清浄金属核生成鋳造システムの線図である。
【図2】図1に示した清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【図3】物品を製造する清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【図4】本発明の1実施態様にしたがって物品を製造する清浄金属核生成鋳造システムのエレクトロスラグ精錬システムの細部を示す部分的縦断面図である。
【符号の説明】
1:エレクトロスラグ精錬システム
2:核生成鋳造システム
3:清浄金属核生成鋳造システム
24:消耗電極
34:スラグ
46:金属メルト
56:ストリーム
138:溶融金属の液滴
146:金型
149:鋳物のミクロ組織
Claims (19)
- エレクトロスラグ精錬により酸化物及び硫化物を除去した清浄な精錬された金属の供給源を形成する工程と核生成鋳造によって物品を形成する工程とを含むプロセスによって製造される、本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品であって、上記物品を形成する工程が、
清浄な金属の供給源からの清浄な金属のストリームを溶融金属の液滴に破砕し、
溶融金属の液滴を部分的に凝固させて、平均で各液滴の5〜40容量%が固体で、残りが溶融状態となるようにし、
部分的に凝固した液滴を金型内に収集し凝固させ、物品を形成する工程を含み、液滴によって上面に乱流ゾーンが形成され、部分的に凝固した液滴を収集し凝固させる工程が、液滴を乱流ゾーンで収集し、平均で液滴の50容量%未満を凝固させることを含む、物品。 - 前記エレクトロスラグ精錬工程が、
精錬すべき金属の供給源を設け、
金属供給源のエレクトロスラグ精錬に適したエレクトロスラグ精錬構造を設け、溶融スラグを容器に入れ、
精錬された溶融金属を溶融スラグの下側に保持するコールドハース構造を設け、精錬された溶融金属をコールドハース構造に入れ、
金属供給源をエレクトロスラグ精錬構造内に挿入して、エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグと接触するように装填し、
電力を供給する電源を設け、
電源、金属供給源、溶融スラグ及びエレクトロスラグ精錬構造を含む回路に電力を供給して金属供給源をエレクトロスラグ精錬し、
金属供給源が溶融スラグと接触するところで金属供給源を抵抗加熱溶融し、溶融金属の液滴を形成し、
溶融液滴を溶融スラグ中を落下させ、
溶融液滴が溶融スラグを通過した後、溶融液滴をエレクトロスラグ精錬構造直下のコールドハース構造内で精錬された液体金属体として収集し、
コールドハース構造の下方部分にオリフィスを有するコールドフィンガオリフィス構造を設け、
コールドハース構造に集まるエレクトロスラグ精錬された金属をコールドフィンガオリフィス構造のオリフィスを通して排出する
工程を含む、請求項1に記載の物品。 - 金属供給源がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属から選ばれる少なくとも1種の合金を含み、前記清浄な金属核生成鋳造プロセスにより形成した物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも1種を含む、請求項2に記載の物品。
- 金属供給源を精錬構造中に進入させる速度がインゴットの下端が抵抗加熱溶融により溶融される速度に一致する、請求項2に記載の物品。
- 排出工程が溶融金属のストリームを形成する工程を含む、請求項2に記載の物品。
- エレクトロスラグ精錬構造及びコールドハース構造が同一構造物の上部と下部である、請求項2に記載の物品。
- 電力を供給する工程が精錬された液体金属に回路を形成する工程を含む、請求項2に記載の物品。
- 排出工程が抵抗加熱溶融速度にほぼ等しい排出速度を確立する工程を含む、請求項2に記載の物品。
- 溶融金属の液滴を部分的に凝固させる工程が平均で液滴の15〜30容量%を凝固させる、請求項1に記載の物品。
- 部分的に凝固した液滴を収集し凝固させる工程が液滴を収集し液滴の5〜40容量%を凝固させる、請求項1に記載の物品。
- 破砕工程が少なくとも1つの噴霧ガスジェットをストリームに衝突させる工程を含む、請求項1に記載の物品。
- 物品がインゴット、鋳物又はプレホームの少なくとも1つである、請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の物品。
- 物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも1種を含む、請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の物品。
- 物品がタービン構成部品の用途に使用できる、請求項1乃至請求項13のいずれか1項に記載の物品。
- 金属供給源が消耗電極、粉末金属供給源及び溶融金属供給源から選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の物品。
- 本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品の清浄金属核生成鋳造システムであって、当該鋳造システムが、エレクトロスラグ精錬システムと核生成鋳造システムとを含んでおり、
前記エレクトロスラグ精錬システムが、
精錬用溶融スラグを受け入れ、保持するのに適当なエレクトロスラグ精錬構造と、
前記エレクトロスラグ精錬構造中で精錬すべき金属の供給源と、
前記エレクトロスラグ精錬構造内の溶融スラグ体であって、金属供給源が接触状態に配置される溶融スラグ体と、
電流を電極としての前記金属供給源に、溶融スラグを通してそのスラグの下側の精錬金属体に供給して、精錬用スラグを溶融状態に保つとともにスラグと接触した金属供給源の端部を溶融する構成の電源と、
前記金属供給源を溶融スラグと接触状態にして金属の精錬が進むにつれて電極の接触表面が溶融される速度に対応する速度で前進させる前進装置と、
前記エレクトロスラグ精錬構造の下側に位置するコールドハース構造であって、エレクトロスラグ精錬された溶融金属を受け入れ、それをコールドハース容器の壁上に形成される精錬金属固体スカルと接触状態に保持するよう構成されたコールドハース構造と、
コールドハース構造内で溶融スラグの下側にくる精錬された溶融金属体と、
コールドハース構造の下方のコールドフィンガオリフィス構造であって、エレクトロスラグ精錬システムにより加工される精錬された溶融金属のストリームをコールドハース構造からオリフィスを通して小出しするように構成されたコールドフィンガオリフィス構造と、
精錬された金属がコールドハース構造及びオリフィスを含むコールドフィンガオリフィス構造と接触して凝固したスカルと、
精錬された溶融金属のストリームを溶融金属の液滴に変換する破砕サイトと、
溶融金属の液滴を受け取り、溶融金属の液滴を部分的に凝固させて、平均で各半固体の液滴の5〜40容量%が固体で、残りが溶融状態となるような半固体の液滴にする冷却ゾーンと、
半固体の液滴を収集し、凝固させ、これにより本質的に酸化物及び硫化物を含有せず、偏析欠陥を含まない微細結晶粒均質ミクロ組織を有する物品を形成する金型であって、この際半固体の液滴により金型の上面に乱流ゾーンを形成し、この乱流ゾーン内で平均で液滴の50容量%未満が固体となるように構成された、金型とを含む、
清浄金属核生成鋳造システム。 - 物品がインゴット、鋳物又はプレホームの少なくとも1つである、請求項16に記載の清浄金属核生成鋳造システム。
- 物品がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の少なくとも1種を含む、請求項16に記載清浄金属核生成鋳造システム。
- 物品がタービン構成部品である、請求項16に記載の清浄金属核生成鋳造システム。
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