JP4959897B2 - 液体金属の離心供給源を備える鋳造装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は鋳造装置及び方法に関する。具体的には、本発明は清浄金属核生成鋳造装置及び方法のための液体金属の離心供給源を備える鋳造装置及び方法に関する。
【０００２】
鉄（Ｆｅ）基、ニッケル（Ｎｉ）基、チタン（Ｔｉ）基及びコバルト（Ｃｏ）基合金のような金属は、微細粒ミクロ組織、均質性及び実質的に欠陥のない組成が望まれるタービン部品用途に多用される。超合金の製造コストは高いので、超合金の鋳造品及びインゴットに問題があるのは望ましくなく、こうした問題の結末は特にタービン部品へと加工されるインゴットで有害である。従来の鋳造品製造装置では、鋳造品から製造される部品に不都合な結果を生じかねない不純物、夾雑物その他の成分の量を低減させることが試みられていた。しかし、比較的大量の金属（例えば超合金）の処理及び精錬には、均質で欠陥のない組織を得る上で多くの問題が伴う。これらの問題の原因の少なくとも一部として、インゴットの鋳造及び凝固時の金属量の多さが考えられる。
【０００３】
業界で公知の鋳造装置には、エレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ）装置並びに低温誘導案内（ＣＩＧ）構造物を備えたエレクトロスラグ精錬装置がある。エレクトロスラグ精錬装置は当技術分野で公知であり、例えばすべて本願出願人に譲渡された米国特許第５１６０５３２号、同第５３１０１６５号、同第５３２５９０６号、同第５３３２１９７号、同第５３４８５６６号、同第５３６６２０６号、同第５４７２１７７号、同第５４８００９７号、同第５７６９１５１号、同第５８０９０５７号及び同第５８１００６６号に開示されている。これらのエレクトロスラグ精錬装置は鋳造品の製造に極めて有効であるが、鋳造品の液相線部分の深さの制御手段は全く含んでいない。
【０００４】
超合金でよくみられる問題の一つは、鋳造品の製造に用いられる鋳造装置の種類に関係なく、鋳造品の液相線部分（当技術分野では「溶湯プール」として知られる）の深さの制御である。例えば、鋳造品の結晶粒度及びミクロ組織は、凝固時の鋳造品の液相線部分の深さによって左右されることがある。液相線部分が深いと、成分マクロ偏析を引起こし、さらに有害なミクロ組織（例えば、微細粒ミクロ組織でないミクロ組織）や、元素偏析を起こして不均質組織を生じるおそれがある。こうした深い溶湯プールの問題を解決するため、エレクトロスラグ精錬プロセスと併せて後処理作業を用いることが提唱されている。こうした後処理には、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）がある。真空アーク再溶解は、真空アーク工程でインゴットを処理して比較的浅い溶湯プールが形成されたときに開始し、改善されたミクロ組織を生じさせるが、かかるミクロ組織は水素含量が低下していることもある。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的に加工して望ましい微細粒ミクロ組織を有する金属素材を得る。かかる機械的加工としては、鍛造加工、引抜き加工及び熱処理の組合せがある。かかる熱機械的処理には、高価な大規模設備だけでなく、多大なエネルギー入力も必要とされる。
【０００５】
望ましい鋳造品ミクロ組織を得る試みは、米国特許第５３８１８４７号で提唱されている。米国特許第５３８１８４７号には、鉛直鋳造プロセスで樹枝状結晶成長を抑制して結晶粒ミクロ組織を制御することが試みられている。この方法は幾つかの用途に有用なミクロ組織を与え得るが、米国特許第５３８１８４７号記載の鉛直鋳造プロセスでは、液相線部分の深さを制御しない。
【０００６】
そこで、鋳造品の液相線部分の深さを制御する金属鋳造方法を提供する必要性が存在する。鋳造品の液相線部分の深さの制御は、比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品を生ずるはずである。さらに、比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品を製造すべく鋳造品の液相線部分の深さを制御する金属鋳造装置を提供する必要性も存在する。さらに、タービン部品用に、酸化物を実質的に含まない鋳造品を製造すべく鋳造品の液相線部分の深さを制御する金属鋳造プロセス及び装置を提供する必要性も存在する。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の一態様では、鋳造装置を開示する。この鋳造装置は、当該鋳造装置で形成中の鋳造品に供給される精錬液体金属の離心供給源を含む。鋳造品は、精錬液体金属を受入れる液相線部分と凝固部分からなり、実質的に酸化物と硫化物を含まず偏析欠陥のない微細粒均質ミクロ組織を有する。本鋳造装置は、精錬によって酸化物と硫化物が除去された精錬液体金属の供給源と、鋳造品を形成するための核生成鋳造装置とを含む。精錬液体金属の離心供給源は、精錬液体金属に含まれる熱を液相線部分全体に分散させて鋳造品の液相線部分の深さを減少させるため、鋳造品の中心線から外れて核生成鋳造装置に供給される。
【０００８】
本発明の別の態様では、当該鋳造方法で形成中の鋳造品に供給される精錬液体金属の離心供給源を含む鋳造方法が提供される。鋳造品は、精錬液体金属を受入れる液相線部分と凝固部分からなり、実質的に酸化物と硫化物を含まず偏析欠陥のない微細粒均質ミクロ組織を有する。本鋳造方法は、精錬によって酸化物と硫化物が除去された精錬液体金属の供給源を用意する工程と、核生成鋳造で鋳造品を形成する工程とを含む。精錬液体金属の供給源を用意する工程は、精錬液体金属に含まれる熱を液相線部分全体に分散させて鋳造品の液相線部分の深さを減少させるため、鋳造品の中心線から外れて投入される精錬液体金属の供給源を供給することを含む。
【０００９】
本発明の上記その他の態様、利点及び顕著な特徴は、本発明の実施形態について開示した以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することで明らかとなろう。図面全体を通して、類似部品は類似の符号で示した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
鋳造品を製造するための鋳造装置及び方法は、鋳造品への液体金属の離心供給源を設けることにより鋳造品の液相線部分の深さを制御する。鋳造品への液体金属の離心供給源は、鋳造品の液相線部分の中心にもたらされる熱量を低減する。液相線部分の中心で熱量が低減するのは、液体金属源の温度が概して鋳造品の液相線部分と鋳造品の凝固部分からなる鋳造品の残部の温度よりも高いからである。鋳造品の残部の温度が低いのは、凝固用鋳型への導入時に液体金属源から熱が失われることによる。鋳造品の液相線部分の深さを制御すれば、比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品が生ずるはずである。さらに、鋳造品の液相線部分の深さを制御すれば、タービン部品用の、実質的に酸化物を含まない比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品を与えるはずである。「実質的に含まない」という用語は、材料中のいかなる成分も材料に悪影響を与えない（例えば、強度及びその関連特性に関して）ことを意味する。
【００１１】
液体金属の離心供給源を備える鋳造装置は適宜どんな鋳造装置であってもよい。かかる鋳造装置には、エレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ）装置、低温誘導案内（ＣＩＧ）装置を備えたエレクトロスラグ精錬装置、精錬液体金属を核生成（鉛直）鋳造装置に供給するＥＳＲ／ＣＩＧ装置、核生成鋳造装置に精錬金属源を供給するもの、その他適当なタイプの鋳造装置がある。以下の説明では、本発明に係る、鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備える例示的な鋳造装置について説明するが、これは本発明を限定するものではない。
【００１２】
例えば、液体金属の離心供給源を備える非限定的な鋳造装置は、本願出願人に付与された上記米国特許に開示されているような低温誘導案内（ＣＩＧ）装置と協働するエレクトロスラグ精錬装置を含むものでもよい。本発明に係る鋳造品に供給される液体金属の離心供給源は、上述の通り適宜どんな精錬金属供給源に由来するものでもよい。液体金属離心供給源用の精錬金属供給源は、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）装置、真空誘導加熱融解（ＶＩＲ）装置、低温誘導案内（ＣＩＧ）装置を備える又は備えていない（上述のような）エレクトロスラグ精錬（ＥＳＲ）装置、その他金属原料の精製に関する装置を含むものでよい。
【００１３】
鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備える別の非限定的な核生成鋳造装置には、複数の溶融金属液滴を生成させて冷却域を通過させる装置を含むものがあり、冷却域は、平均して各液滴の最大約３０体積％までを凝固させるのに十分な長さに形成される。液滴は次いで鋳型に入り、金属液滴の凝固は鋳型内で完了する。液滴の約３０体積％未満が固体状態のときは、液滴は液体としての特性を保持しており、鋳型内で容易に流動する。上記の供給源は単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。
【００１４】
液体金属の離心供給源を備える鋳造装置は鋳造品に均質微細粒ミクロ組織を生じ、鋳造品はタービン部品用途に多用される多く金属及び合金（特に限定されないが、例えばニッケル（Ｎｉ）基超合金、コバルト（Ｃｏ）基超合金、鉄（Ｆｅ）基合金及びチタン（Ｔｉ）基合金）から形成し得る。かかる鋳造品は、均質な微細粒ミクロ組織のため、少ない加工及び熱処理工程で最終鋳造品のビレットへと加工することもできるし、或いは直接鍛造することもできる。従って、かかる鋳造品は、特に限定されないが、ディスク、ロータ、動翼、静翼、ホイール、バケット、リング、軸、ホイールその他の同様の構成要素などの回転装置用途及びその他のタービン部品用途を始めとする数多くの用途に使用できる。以下、鋳造品から製造したタービン部品に関して説明するが、これは本発明の技術的範囲に属する用途の例示にすぎない。
【００１５】
図１は、例示的な鋳造装置３（例えば、清浄金属核生成鋳造装置３）の非限定的な半模式的部分断面立面図を示し、エレクトロスラグ精錬装置１と核生成鋳造装置２とを含んでいる。鋳造装置３内の鋳造品に供給される液体金属の離心供給源について、まず図１を参照して包括的用語で説明し、次に、本発明の理解を図るべく具体的なエレクトロスラグ精錬装置１及び核生成鋳造装置２について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備える鋳造装置を概略的に示す。図１では、液体金属の離心供給源３００は鋳造品１４５の液相線部分１４８に供給される。液体金属の離心供給源３００は、スプレー１３８（例えば、特に限定されないが当技術分野で公知のアトマイザアセンブリで形成されるスプレー）として供給される。液体金属源は鋳造品１４５の中心線３５０から外れて供給される。液体金属源を中心から外すと、通常深さが最大となる鋳造品の液相線部分の中心部から離れた位置に金属源が配置される。そこで、液体金属供給源に含まれる熱は液相線部分１４８の中心に直接供給されずに分散され、液相線部分１４８の深さが最大となる領域にもたらされる熱量が減る。液体金属供給源からの熱は、液相線部分１４８の中心部ではなく液相線部分１４８全体に拡散する。
【００１７】
鋳造品１４５は、回転鋳型１４６（例えば、両頭矢印６００で示される両方向に回転する鋳型）内で形成し得る。回転鋳型１４６は、液相線部分１４８全体の大部分を液体金属の離心供給源３００に提示する。従って、供給される液体金属に存在する熱は鋳造品１４５の液相線部分１４８全体にさらに分配される。このような分配は、鋳造品の液相線部分１４８の固体状態への凝固をさらに促進する。本発明に係る液体金属の離心供給源を備える鋳造装置の特徴については、以下の本発明の例示的実施形態に関する説明でさらに詳しく説明する。
【００１８】
図２は、本発明に係る例示的な鋳造装置３を示す。図２では、清浄金属核生成鋳造装置３及び清浄金属核生成鋳造プロセス用の清浄精錬液体金属は、エレクトロスラグ精錬装置１によって提供し得る。精錬液体金属は、核生成鋳造装置２に供給し得る。エレクトロスラグ精錬装置１と核生成鋳造装置２は協働して清浄金属核生成鋳造装置３を構成し、清浄金属核生成鋳造装置３は鋳造品を形成する。図２〜４は、図１に示す構成要素の細部を示す。本発明に関する以下の説明では清浄金属核生成鋳造装置について述べるが、これは単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。部分溶融／部分凝固金属液滴（以下「半固形液滴」という。）は鋳型１４６に集められる。鋳型は、図２の破線で示すような、側壁と底壁を有する単一の一体鋳型からなるものでもよい。別法として、鋳型は鋳型１４６の側壁から引離すことのできる伸縮式底板２４６を含む引取り式鋳型からなるものでもよい。本発明に関する以下の説明では、鋳型の非限定的な例として引取り式鋳型について述べるが、本発明を限定するものではない。伸縮式底板２４６を軸２４１に連結すれば、底板を側壁から矢印２４２の方向に移動させることができる。さらに、軸２４１で伸縮式底板２４６を矢印２４３の方向に回転させれば、鋳型の大部分を後述の冷却装置に向けることができる。固形分体積分率が粘度変曲点未満であれば、半固形液滴は液体の様に挙動し、半固形液滴は十分な流動性を示して鋳型の形状に順応する。一般に、粘度変曲点を規定する固形分体積分率の上限は約４０体積％未満である。例示的な固形分体積分率は約５〜約４０体積％の範囲内にあり、約１５〜約３０体積％の範囲内の固形分体積分率は粘度変曲点に悪影響を及ぼさない。
【００１９】
エレクトロスラグ精錬装置１では、精錬すべき金属の消耗電極２４をエレクトロスラグ精錬装置１に直接導入し、消耗電極２４を精錬して清浄精錬金属溶湯４６（以下「清浄金属」という。）を生じさせる。消耗電極２４としてのエレクトロスラグ精錬装置１用金属源は単なる例示にすぎず、本発明の技術的範囲には、特に限定されないが、インゴット、金属溶湯、粉末金属及びこれらの組合せを含む金属源が包含される。消耗電極に関して本発明を説明するが、これは単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。清浄金属４６は、エレクトロスラグ精錬装置１の下方に取付けられた低温炉床構造物４０に収容され保持される。清浄金属４６は、低温炉床構造物４０の下方に配置されたコールドフィンガオリフィス構造物８０を通して低温炉床構造物４０から排出される。
【００２０】
鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備えたエレクトロスラグ精錬装置１は、金属のエレクトロスラグ精錬速度及び低温炉床構造物４０への精錬金属の送出速度がコールドフィンガオリフィス構造物８０のオリフィス８１を通しての低温炉床構造物４０からの溶融金属４６の排出速度に近似していれば、清浄金属４６の供給について実質的に定常運転をもたらす。そこで、清浄金属核生成鋳造方法は長期間連続して運転でき、大量の金属を処理できる。別法として、清浄金属核生成鋳造方法は清浄金属核生成鋳造装置３のいずれか１以上の構成要素の間欠運転によって間欠的に運転することもできる。
【００２１】
エレクトロスラグ精錬装置１からコールドフィンガオリフィス構造物８０を通して清浄金属４６が流出すると、核生成鋳造装置２へと流入する。清浄金属４６をさらに加工して精錬金属の比較的大形のインゴットを製造してもよい。別法として、清浄金属４６を加工して小形の鋳造品、インゴット又は鋳造品を製造してもよいし、連続鋳造品としてもよい。清浄金属核生成鋳造方法では、望ましい材料特性を有する金属鋳造品の製造に従前必要とされていた上記のような精錬及び加工作業の多くが不要となる。
【００２２】
図２には、鉛直運動制御装置１０を略示する。鉛直運動制御装置１０は鉛直支持体１４に取付けられたボックス１２を含んでいて、ボックス１２には特に限定されないがモータその他の機構のような動力装置（図示せず）が収容される。動力装置は、ねじ部材１６に回転運動を与えるように構成される。インゴット支持構造物２０は、ねじ部材１６と一端でねじ係合した部材（特に限定されないが、例えば部材２２）を含む。部材２２はその他端において、特に限定されないがボルト２６などの適当な連結手段によって消耗電極２４を支持する。
【００２３】
図２に、鉛直運動制御装置１０を略示する。鉛直運動制御装置１０は鉛直支持体１４に取付けられたボックス１２を含んでいて、ボックス１２には特に限定されないがモータその他の機構のような動力装置（図示せず）が収容される。動力装置は、ねじ部材１６に回転運動を与えるように構成される。インゴット支持構造物２０は、ねじ部材１６と一端でねじ係合した部材（特に限定されないが、例えば部材２２）を含む。部材２２はその他端において、特に限定されないがボルト２６などの適当な連結手段によって消耗電極２４を支持する。
【００２４】
エレクトロスラグ精錬構造物３０は、特に限定されないが水のような適当な冷却材で冷却される溶湯溜め３２を含む。溶湯溜め３２は溶融スラグ３４を含んでおり、過剰のスラグ３４は固体スラグ粒子３６として示してある。清浄金属核生成鋳造プロセスに使用されるスラグの組成は処理すべき金属に応じて異なる。後述の通り、内壁８２の外側を流れる冷却材の冷却作用により、溶湯溜め３２の内壁８２の内面にスラグスカル７５を形成し得る。
【００２５】
エレクトロスラグ精錬構造物３０の下方には低温炉床構造物４０（図２〜図４）が取付けられる。低温炉床構造物４０は、水などの適当な冷却材で冷却された炉床４２を含む。炉床４２は、凝固した精錬金属のスカル４４と精錬液体金属４６とを収容している。溶湯溜め３２は、炉床４２と一体に形成してもよい。別法として、溶湯溜め３２と炉床４２を別個のユニットとして形成し、それらを連結してエレクトロスラグ精錬装置１を形成してもよい。コールドフィンガオリフィス構造物８０にはエレクトロスラグ精錬装置１の底部オリフィス８１が設けられているが、これについては図３と図４を参照して説明する。エレクトロスラグ精錬装置１で精錬され、酸化物、硫化物その他の夾雑物を実質的に含まない清浄金属４６は、エレクトロスラグ精錬装置１を横断してコールドフィンガオリフィス構造物８０のオリフィス８１から流出する。
【００２６】
電源構造物７０は、エレクトロスラグ精錬装置１に精錬電流を供給する。電源構造物７０は、電力供給制御機構７４を含んでいてもよい。部材２２に電流を伝え、ひいては消耗電極２４へと電流を伝えることのできる電気導体７６で電源構造物７０を部材２２に接続する。導体７８を溶湯溜め３２に接続すれば、エレクトロスラグ精錬装置１の電源構造物７０の回路が完成する。
【００２７】
図２は、エレクトロスラグ精錬構造物３０及び低温炉床構造物４０の部分断面図であり、エレクトロスラグ精錬構造物３０は溶湯溜め３２の上方部分を画成し、低温炉床構造物４０は溶湯溜め３２の下方部分４２を画成する。一般に、溶湯溜め３２は内壁８２と外壁８４を有する二重壁の溶湯溜めからなる。内壁８２と外壁８４の間には特に限定されないが水などの冷却材８６が供給される。冷却材８６は、供給源９８（図４）から通常の入口及び出口（図示せず）を通して内壁８２と外壁８４の間に画成される流路に流せばよい。低温炉床構造物４０の壁８２を冷却する冷却水８６は、エレクトロスラグ精錬装置３０及び低温炉床構造物４０を冷却して、低温炉床構造物４０の内面にスカル４４を形成させる。冷却材８６は、エレクトロスラグ精錬装置１、清浄金属核生成鋳造装置３又はエレクトロスラグ精錬構造物３０の運転に不可欠ではない。冷却は、液体金属４６が内壁８２に接触して攻撃するのを確実に防止する。さもないと、壁８２が多少溶解して液体金属４６を汚染しかねない。
【００２８】
図３では、低温炉床構造物４０は外壁８８も含んでいて、外壁はフランジ付きの管状部分９０及び９２を含んでいてもよい。図３の底部には、２つのフランジ付き管状部分９０及び９２が示してある。外壁８８は、核生成鋳造装置２と協力して後述のような制御雰囲気環境１４０を与える。低温炉床構造物４０は、図４及び図５に詳細に示すコールドフィンガオリフィス構造物８０を含む。コールドフィンガオリフィス構造物８０は、図４に、低温炉床構造物４０とコールドフィンガオリフィス構造物８０を通して低温炉床構造物４０から流出する液体金属４６の流れ５６に関して示してある。コールドフィンガオリフィス構造物８０は、固形金属スカル４４及び液体金属４６と構造的に協働するように図示してある（図３及び図４）。なお、図５は液体金属又は固形金属スカルのないコールドフィンガオリフィス構造物８０を示しており、コールドフィンガオリフィス構造物８０の細部が示してある。コールドフィンガオリフィス構造物８０は、処理溶融金属４６を流れ５６として流出させるためのオリフィス８１を含む。コールドフィンガオリフィス構造物８０は、低温炉床構造物４０及び低温炉床構造物３０に連結している。従って、低温炉床構造物４０は概して不純物を含まない処理合金が低温炉床構造物４０の壁に接触してスカル４４及び８３を形成できるようにする。このように、スカル４４及び８３は溶融金属４６の容器として機能する。さらに、コールドフィンガオリフィス構造物８０に形成されたスカル８３（図４）はその厚さが制御でき、通例、スカル４４よりも薄い厚さに形成される。厚肉スカル４４は低温炉床構造物４０に接し、薄肉スカル８３はコールドフィンガオリフィス構造物８０に接し、スカル４４とスカル８３は互いに接して実質的に連続したスカルを形成する。
【００２９】
制御された量の熱をスカル８３に供給して液体金属４６に熱伝達させることができる。熱は、低温炉床構造物の周囲に配置された誘導加熱コイル８５から供給される。誘導加熱コイル８５は、供給源８７から水などの適当な冷却材を流して冷却した誘導加熱コイルでもよい。誘導加熱電力は、図４に略示した電源８９から供給される。コールドフィンガオリフィス構造物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物８０を貫通し、液体金属４６及びスカル８３を加熱してオリフィス８１を開放状態に保って流れ５６がオリフィス８１から流出できるようにする。コールドフィンガオリフィス構造物８０に加熱電力を印加しないと、液体金属４６の流れ５６が凝固してオリフィスが閉鎖されることがある。加熱は、コールドフィンガオリフィス構造物８０の各フィンガが隣接フィンガから絶縁されていること、例えばエアギャップ又はガスギャップ或いは適当な絶縁材で絶縁されていることに依存する。
【００３０】
コールドフィンガオリフィス構造物８０を図５に示すが、スカル４４及び８３と溶融金属４６は簡略化のため省略してある。各コールドフィンガ９７はギャップ９４によって隣接フィンガ（例えばフィンガ９２）から切り離されている。ギャップ９４は、特に限定されないがセラミック材料や絶縁ガスのような絶縁材で満たしてもよい。こうすると、スカル８３がコールドフィンガ間を架橋して液体金属４６がギャップを通るのを防くので、コールドフィンガオリフィス構造物８０の内部に配置された溶融金属４６（図示せず）がギャップから漏れ出すことがなくなる。図５に示す通り、各ギャップはコールドフィンガオリフィス構造物８０の底部まで延在するが、図では、ギャップ９９は観察者の視線に合わせて示してある。ギャップは約２０〜約５０ミルの範囲内の幅で設ければよく、これは各隣接フィンガ同士の絶縁隔離をもたらすのに十分である。
【００３１】
各フィンガには、適当な冷却材供給源（図示せず）から導管９６に冷却材を流すことで水などの冷却材を供給できる。冷却材は次いでマニホルド９８の周囲を流れるとともにマニホルド９８から各冷却管（例えば冷却管１００）へと流れ込む。冷却管１００から出た冷却材は冷却管１００の外面とフィンガの内面との間を流れる。冷却材は次いでマニホルド１０２に回収され、排水管１０４を通してコールドフィンガオリフィス構造物８０から流出する。このような個別コールドフィンガ給水管構成はコールドフィンガオリフィス構造物８０全体の冷却を可能にする。
【００３２】
コールドフィンガオリフィス構造物８０を介してスカル４４及び８３と液体金属４６に供給される加熱・冷却の量は、オリフィス８１を流れ５６として通過する液体金属４６の量を調節することで制御し得る。加熱又は冷却の制御は、誘導コイル８５及びコールドフィンガオリフィス構造物８０に流す電流及び冷却材の量を調節することによって行われる。加熱又は冷却の制御によって、スカル４４及び８３の厚さを増減でき、オリフィス８１の開閉又はオリフィス８１を通過する流れ５６の量を増減できる。スカル４４及び８３の厚さを増減させることによって、コールドフィンガオリフィス構造物８０を通してオリフィス８１に流入する液体金属４６の量を調節して流れ５６を規制できる。スカル４４及び８３の厚さを制御しながらオリフィス８１を所定の通過サイズに維持すべく誘導加熱コイル８５への冷却水と加熱電流及び電力を調節することによって、流れ５６の流量を望ましいバランスに保つことができる。
【００３３】
次に、本発明に係る液体金属の離心供給源を備えた清浄金属核生成鋳造装置３のエレクトロスラグ精錬装置１の運転について図面を参照して概説する。清浄金属核生成鋳造装置３のエレクトロスラグ精錬装置１は、欠陥及び不純物を含むインゴット又はある程度まで精錬されたインゴットを精錬することができる。消耗電極２４はエレクトロスラグ精錬装置１によって融解される。消耗電極２４は、エレクトロスラグ精錬装置内の溶融スラグと接するようにエレクトロスラグ精錬装置１に取付けられる。電力をエレクトロスラグ精錬装置及びインゴットに供給する。電力は、溶融スラグとの接触面でインゴットの融解を引起こし、金属の溶融液滴を生じさせる。溶融液滴は溶融スラグを通って落下する。液滴は溶融スラグを通過した後、エレクトロスラグ精錬構造物３０の下方の低温炉床構造物４０に精錬液体金属として集められる。消耗電極２４由来の酸化物、硫化物、夾雑物その他の不純物は、インゴット表面に液滴が形成され溶融スラグを通過する際に除去される。溶融液滴は、コールドフィンガオリフィス構造物８０のオリフィス８１で流れ５６としてエレクトロスラグ精錬装置１から排出される。清浄金属核生成鋳造装置３のエレクトロスラグ精錬装置１を出て鋳造品を形成する流れ５６は、酸化物、硫化物、夾雑物その他の不純物を実質的に含まない精錬溶湯からなる。
【００３４】
金属の流れ５６がコールドフィンガオリフィス構造物８０を出る速度は、オリフィス８１の上方の液体金属４６の液位を調節することでさらに制御することができる。コールドフィンガオリフィス構造物８０のオリフィス８１の上方に延在する液体金属４６とスラグ４４及び８３が液位を画成する。液位とオリフィス８１のサイズを一定に保ってエレクトロスラグ精錬装置１を備えた清浄金属核生成鋳造装置３を運転すれば、実質的に一定な液体金属の流量を成立させることができる。
【００３５】
通例、清浄金属核生成鋳造装置３から流れ５６として取出す速度に融解速度が概ね等しくなるようにするため、定常状態の電力が望ましい。ただし、清浄金属核生成鋳造装置３に印加される電流を調節して、オリフィス８１上方の液体金属４６とスラグ４４及び８３を増減させることもできる。オリフィス８１上方の液体金属４６とスラグ４４及び８３の量は、インゴットを融解する電力及びスカルを生じるエレクトロスラグ精錬装置１の冷却によって決定される。印加電流の調節によって、オリフィス８１を通る流量を制御できる。
【００３６】
また、定常状態での運転を達成するには消耗電極２４と溶融スラグ３４の上面と接触した状態に保てばよい。定常状態での運転のため消耗電極２４が溶融スラグ３４の上面と確実に接した状態に維持するには、消耗電極２４の溶湯４６中への降下速度を調整すればよい。こうすると、清浄金属核生成鋳造装置３における流れ５６の定常状態での出湯を維持できる。清浄金属核生成鋳造装置３のエレクトロスラグ精錬装置１で生じた金属の流れ５６はエレクトロスラグ精錬装置１を出て核生成鋳造装置２に供給される。核生成鋳造装置２は図２ではエレクトロスラグ精錬装置１と協働した状態で略示した。
【００３７】
製品を形成する役割を果たす核生成鋳造装置２は、清浄金属核生成鋳造装置３のエレクトロスラグ精錬装置１から流れ５６を受取るように配置された破壊部位１３４を含む。破壊部位１３４は、流れ５６を複数の溶融金属液滴１３８に変える。破壊部位１３４への流れ５６の供給は、液滴１３８の実質的かつ不都合な酸化の防止に十分な制御された雰囲気環境１４０下で行われる。制御雰囲気環境１４０は、流れ５６の金属と反応しないガス又は複数のガスの組合せを含んでいてもよい。例えば、流れ５６がアルミニウム又はマグネシウムを含む場合、制御雰囲気環境１４０は、液滴１３８が火災原因となるのを防止する環境を与える。通例、制御雰囲気環境１４０での使用には貴ガス又は窒素が適している。これらのガスは本発明の技術的範囲に属する大半の金属及び合金に対して非反応性であるからである。例えば、安価なガスである窒素は、過度の窒化を受け易い金属及び合金を除けば、制御雰囲気環境１４０に使用し得る。また、金属が銅を含む場合、制御雰囲気環境１４０は窒素、アルゴン又はそれらの混合物を含んでいてもよい。金属がニッケル又は鋼を含む場合、制御雰囲気環境１４０は窒素、アルゴン又はそれらの混合物を含んでいてもよい。
【００３８】
破壊部位１３４は流れ５６を液滴１３８に変えるのに適した装置であればよく、液滴１３８は液体金属の離心供給源として鋳造品１４５の液相線部分１４８に供給される。例えば、破壊部位１３４はガスアトマイザからなり、流れ５６を１以上のジェット１４２で外接させる。流れに衝突するジェット１４２からのガスの流量を調節すれば、液滴１３８の大きさ及び速度を制御できる。本発明の技術的範囲に属する別の噴霧装置として、制御雰囲気環境１４０の生成に用いるガス流の形態の高圧噴霧ガスがある。制御雰囲気環境１４０用のガス流は金属の流れ５６に衝突して液滴１３８へと変えることができる。その他のタイプの流れ破壊装置の例としては、電界に垂直な磁石を用いてＤＣ電源に接続した２枚の電極間の狭いギャップに流れ５６を流す磁気流体アトマイザ装置、及び機械式流れ破壊装置が挙げられる。
【００３９】
液滴１３８は破壊部位１３４から下方（図２）に散布され、概して発散型円錐形をなす。液滴１３８は、破壊部位１３４と鋳型１４６の金属鋳造品の上面１５０との間の距離で画成される冷却域１４４を通過する。冷却域１４４は、液滴が冷却域１４４を通過して金属鋳造品１４５の中心線３５０から外れた上面１５０に衝突するまでの間に所定の体積分率の液滴を凝固させるのに十分な長さをもつ。液滴１３８の凝固した部分（以下「固形分体積分率」という。）は、鋳型内での液状流動性が実質的に失われる粘度変曲点に至るまでは鋳型１４６内での粗大樹枝状結晶成長を防ぐのに十分である。
【００４０】
部分溶融／部分凝固金属液滴（以下「半固形液滴」という。）は、鋳型１４６内の鋳造品１４５の液相線部分１４８に離心供給される。固形分体積分率が粘度変曲点未満であれば、半固形液滴は液体の様に挙動し、半固形液滴は十分な流動性を示して鋳型の形状に順応する。一般に、粘度変曲点を規定する固形分体積分率の上限は約４０体積％未満である。例示的な固形分体積分率は約５〜約４０体積％の範囲内にあり、約１５〜約３０体積％の範囲内の固形分体積分率は粘度変曲点に悪影響を及ぼさない。
【００４１】
鋳造品１４５の液相線部分１４８に供給される液体金属の離心供給源は、鋳造品１４５の液相線部分１４８の中心に供給される熱量を低減する。液体金属源は鋳造品１４５の残部よりも概して高い温度を有するからである。鋳造品１４５の残部の温度が低いのは、凝固用鋳型１４６への導入時に液体金属源から熱が失われることによる。鋳造品の液相線部分１４８の深さを制御すれば、比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品１４５が得られるはずである。さらに、鋳造品の液相線部分の深さを制御すれば、タービン部品用の、実質的に酸化物を含まない比較的均質な微細粒ミクロ組織を有する鋳造品１４５が得られるはずである。
【００４２】
液滴１３８の噴霧は、鋳型１４６内の鋳造品の表面に撹乱域１４８を生じる。撹乱域１４８は、鋳型１４６内で約０．００５〜約１．０インチの範囲内の概略深さを有し得る。撹乱域１４８の深さは、特に限定されないが、噴霧ガス速度、液滴速度、冷却域１４４の長さ、流れの温度、液滴粒度を始めとする清浄金属核生成鋳造装置３の様々な因子に依存する。本発明の技術的範囲に属する典型的な撹乱域１４８は、鋳型内で約０．２５〜約０．５０インチの範囲内の深さを有する。一般に、鋳型１４６内の撹乱域１４８は、鋳造品の金属が主に液体特性を示す領域を超えるべきでない。通例、撹乱域１４８内の粘度が低いほど、鋳造品中へのガスの巻き込みとそれに起因する気孔は少なくなる。撹乱域１４８内で固体状態にあるような平均的液滴の固形分体積分率が約５０体積％未満であれば、鋳造品中へのガスの巻き込みは最少限に抑えられる。例えば、撹乱域１４８内で固体状態にあるような平均的液滴の固形分体積分率が約５〜約４０体積％の範囲内にあれば、鋳造品中へのガスの巻き込みは最少限に抑えられる。
【００４３】
鋳型１４６は、鋳型１４６の壁を通しての熱伝導と鋳造品の上面１５０からの対流によって鋳造品から熱を抽出する。撹乱域１４８は、撹乱域１４８に固有の撹乱性によって鋳造品の温度勾配を低減する。温度勾配の低減は、いずれも鋳造品にとって望ましくない鋳造品の熱間割れ及び樹枝状晶粗大化を低減させる。上述の通り、鋳造品１４５に供給される液体金属の離心供給源は、鋳造品１４５の液相線部分１４８の中心線３５０付近の全熱量を低減し、液相線部分１４８の冷却と凝固を促す。
【００４４】
鋳型１４６は鋳造用途に適した材料で作ればよく、例えば、特に限定されないが、黒鉛、鋳鉄、銅などがある。黒鉛は、機械加工が比較的容易で除熱に十分な熱伝導率を示すので、鋳型１４６に適した材料である。鋳型に冷却コイルを埋込んで冷却材を循環させれば、鋳型１４６を通しての除熱を促進することができる。当技術分野で公知のその他の鋳型冷却手段も本発明の技術的範囲に属する。半固形液滴は既に部分的に凝固しているので、鋳型１４６には従来の鋳型ほどの熱保護は必要とされない。すなわち、半固形液滴からはそれらを部分的に凝固させるため既に熱がある程度除去されており、すべて液体金属から形成される従来の鋳造品に比べ、半固形液滴が鋳型に存在する場合に除去する必要のある熱は少ない。除熱量の低減は鋳型１４６の熱変形を低減させるとともに、鋳造品からの一様な除熱速度をもたらして鋳造品の一様性及び均質性を高める。
【００４５】
鋳型１４６が半固形液滴１３８で満たされていくと、その上面１５０は破壊部位１３４に近づいて、冷却域１４４が減少しかねない。破壊部位１３４又は鋳型１４６の少なくとも一方を可動支持体に取付けて一定の速度で引離せば、鋳造品１４５に供給される液体金属の離心供給源を維持したまま、冷却域１４４の寸法を一定に保つことができる。こうすると、液滴１３８に概ね一定の固形分体積分率が生ずる。制御雰囲気環境１４０をエレクトロスラグ精錬装置１から鋳型１４６に拡張するため、核生成鋳造装置２にバッフル１５２を設けてもよい。バッフル１５２により、部分溶融金属液滴１３８の酸化を防ぎ、制御雰囲気環境ガス１４０を保持することができる。鋳造品から熱が抽出され、凝固プロセスが完了して鋳造品１４５が形成される。凝固時に微細等軸ミクロ組織１４９が鋳造品１４５及び最終製品に生じるように、清浄金属核生成鋳造方法で製造される鋳造品１４５に十分な核を生成させることができる。清浄金属核生成鋳造方法によって、気孔及び熱間加工割れが低減もしくは実質的になくなるが、かかる方法には、エレクトロスラグ精錬装置１で製造される清浄金属及び核生成鋳造装置２で形成されるミクロ組織の制御された鋳造品が含まれる。
【００４６】
図６に、別の例示的な鋳造装置６００を示す。鋳造装置６００は、本発明に係る、鋳造品１４５に供給される液体金属の離心供給源を含む。図６の鋳造装置６００は上記のような核生成鋳造装置２を含んでおり、鋳造品１４５の液相線部分１４８への液体金属の離心供給源として適当な精錬金属源を備えている。例えば、本発明を限定するものではないが、液体金属源は、上記のような破壊装置１３４でスプレー１３８にしてもよい。スプレー１３８は、上述の理由により、中心線３５０からずらして鋳造品１４５の液相線部分１４８に導入される。鋳造装置６００のその他の特徴は、本発明についての以上の説明で述べた通りである。
【００４７】
鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備える鋳造装置は、望ましくない樹枝状結晶成長を防ぎ、鋳造品及び製品の凝固収縮孔を低減し、鋳造品の鋳造時及び後段での熱間加工時の熱間割れを低減させる。さらに、かかる鋳造装置は、鋳造時の鋳型の変形が最小限で、鋳型内での鋳造品凝固時の熱伝達が制御され、核生成が制御される結果、鋳造品に一様な等軸組織を生じる。本発明に係る液体金属の離心供給源を備える鋳造装置は、従来の鋳造品に比べて製品の延性及び破壊靭性を向上させる。
【００４８】
以上、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から当業者であれば構成要素の様々な組合せ、変更又は改良を施すことができ、それらも本発明の技術的範囲に属することは自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を備える鋳造装置の概略概念図である。
【図２】 エレクトロスラグ精錬装置及び核生成鋳造装置を含む、鋳造品製造用の清浄金属核生成鋳造装置の略図である。
【図３】 図１に示す清浄金属核生成鋳造装置の部分概略縦断面図であって、エレクトロスラグ精錬装置の細部を示す。
【図４】 鋳造品製造用の清浄金属核生成鋳造装置のエレクトロスラグ精錬装置を詳細に示す部分概略縦断面図である。
【図５】 鋳造品製造用の清浄金属核生成鋳造装置のエレクトロスラグ精錬装置を示す部分概略部分断面図である。
【図６】 核生成鋳造装置で形成される鋳造品に供給される液体金属の離心供給源を含む鋳造装置を示す。
【符号の説明】
１ エレクトロスラグ精錬装置
２ 核生成鋳造装置
３ 鋳造装置
１０ 鉛直運動制御装置
２４ 消耗電極
３０ エレクトロスラグ精錬構造物
３２ 溶湯溜め
３４ 溶融スラグ
４０ 低温炉床構造物
４４ スカル
４６ 溶融金属
５６ 流れ
７０ 電源構造物
７５ スラグスカル
８０ コールドフィンガオリフィス構造物
８１ オリフィス
８３ スカル
１３４ 破壊部位
１３８ 液滴又はスプレー
１４０ 制御雰囲気環境
１４５ 鋳造品
１４６ 鋳型
１４８ 液相線部分又は攪乱域
１４９ ミクロ組織
１５０ 上面
３００ 精錬液体金属の供給源
３５０ 中心線

Claims (9)

1. 鋳造装置（３）で形成中の鋳造品（１４５）に部分溶融／部分凝固金属液滴の形態で供給される精錬液体金属の離心供給源（３００）を備える鋳造装置（３）であって、鋳造品は精錬液体金属を受入れる液相線部分（１４８）と凝固部分からなるとともに、実質的に酸化物と硫化物を含まず偏析欠陥のない微細粒均質ミクロ組織を有しており、当該鋳造装置（３）が、
   精錬によって酸化物と硫化物が除去された精錬液体金属の供給源と、
   実質的に酸化物と硫化物を含まず偏析欠陥のない微細粒均質ミクロ組織を有するとともに中心線（３５０）を有する鋳造品（１４５）を形成するための核生成鋳造装置（２）とを含んでいて、
   精錬液体金属の供給源が精錬液体金属の離心供給源（３００）からなり、精錬液体金属の離心供給源（３００）が鋳造品（１４５）を形成するための核生成鋳造装置（２）に供給され、精錬液体金属の離心供給源（３００）が精錬液体金属に含まれる熱を液相線部分（１４８）全体に分散させて鋳造品（１４５）の液相線部分（１４８）の深さを減少させるために中心線（３５０）から外れて液相線部分（１４８）に供給される、鋳造装置（３）。
2. 精錬液体金属の供給源がエレクトロスラグ精錬装置（１）からなる、請求項１記載の鋳造装置（３）。
3. 核生成鋳造装置（２）が、
   精錬液体金属の供給源を破壊して溶融金属液滴を生成させ、各液滴の平均５〜４０体積％が固体状態で残部が溶融状態にあるように溶融金属液滴を部分的に凝固させることのできる破壊部位（１３４）と、
   部分凝固液滴を集めて凝固させることによって鋳造品（１４５）を形成するための鋳型（１４６）であって、鋳型（１４６）の上面には集められる液滴によって攪乱域が生じ、部分凝固液滴を集めて凝固させる工程が攪乱域内に液滴を集めて各液滴の平均５０体積％未満を凝固させる鋳型（１４６）とをさらに含む、請求項１記載の鋳造装置（３）。
4. 各液滴の平均５〜４０体積％が凝固している、請求項３記載の鋳造装置（３）。
5. 鋳造品（１４５）がインゴット及びプリフォームの少なくとも一方からなる、請求項１記載の鋳造装置（３）。
6. 鋳造品（１４５）がニッケル基、コバルト基、チタン基及び鉄基金属の１種以上からなる、請求項１記載の鋳造装置（３）。
7. 原料金属源（２４）が消耗電源、粉末金属源及び溶融金属源から選択される１種以上である、請求項１記載の鋳造装置（３）。
8. 鋳造方法で形成中の鋳造品（１４５）に部分溶融／部分凝固金属液滴の形態で供給される精錬液体金属の離心供給源（３００）を備える鋳造方法であって、鋳造品（１４５）は精錬液体金属を受入れる液相線部分（１４８）と凝固部分からなるとともに、実質的に酸化物と硫化物を含まず偏析欠陥のない微細粒均質ミクロ組織を有しており、当該鋳造方法が、
   精錬によって酸化物と硫化物が除去された精錬液体金属の供給源を用意する工程と、
   核生成鋳造で鋳造品（１４５）を形成する工程とを含んでいて、精錬液体金属の供給源を用意する工程が精錬液体金属の離心供給源（３００）を用意することからなり、精錬液体金属の離心供給源（３００）が鋳造品（１４５）を形成するための核生成鋳造装置（２）に供給され、精錬液体金属の離心供給源（３００）が精錬液体金属に含まれる熱を液相線部分全体に分散させて鋳造品（１４５）の液相線部分の深さを減少させるために鋳造品（１４５）の中心線（３５０）から外れて液相線部分（１４８）に供給される鋳造方法。
9. 精錬液体金属の供給源を用意する工程がエレクトロスラグ精錬工程からなり、エレクトロスラグ精錬工程が、
   精錬すべき原料金属源（２４）を用意する工程と、
   金属源のエレクトロスラグ精錬を行うためのエレクトロスラグ精錬構造物（３０）を設けるとともに該容器内に溶融スラグ（３４）を用意する工程と、
   溶融スラグ（３４）の真下に精錬溶融金属を保持するための低温炉床構造物（４０）を設けるとともに低温炉床構造物（４０）内に精錬溶融金属を用意する工程と、
   エレクトロスラグ精錬構造物（３０）内に挿入してエレクトロスラグ精錬構造物（３０）内の溶融スラグ（３４）に接触させるための金属源を載置する工程と、
   電力を供給するための電源を設ける工程と、
   電源、金属源、溶融スラグ（３４）及びエレクトロスラグ精錬構造物（３０）からなる回路を通して金属源のエレクトロスラグ精錬用の電力を供給する工程と、
   金属源と溶融スラグ（３４）とが接する部位で金属源を抵抗融解させて金属の溶融液滴（１３８）を生成させる工程と、
   溶融スラグ（３４）を通して溶融液滴（１３８）を落下させる工程と、
   溶融スラグ（３４）を通過した後の溶融液滴（１３８）をエレクトロスラグ精錬構造物（３０）の直下の低温炉床構造物（４０）内に精錬液体金属として集める工程と、
   低温炉床構造物（４０）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物（８０）を設ける工程と、
   低温炉床構造物（４０）内に集められたエレクトロスラグ精錬金属を、コールドフィンガオリフィス構造物（８０）のオリフィスを通して排出する工程とを含む、請求項８記載の方法。

Images