JP4712920B2 - 高度の減圧状態のダイカスト鋳造装置及び鋳造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属及び合金のダイカスト鋳造装置及び鋳造方法に関し、更に詳細には、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下における金属及び合金の減圧ダイカスト鋳造装置及び鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空宇宙産業においては、チタンの鋳造品、チタン基合金の鋳造品、ニッケル基合金の鋳造品、及びステンレス鋼の鋳造品が多数使用されている。かかる数多くの鋳造品は、ロストワックス法で形成した予熱型セラミックインベストメントモールド中に適切な溶融物を鋳込む周知のインベストメント鋳造法で作られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる反応性材料で作られた複雑な形状を持つ部品のインベストメント鋳造は、幅広く用いられているが、比較的高いコストと、比較的低い生産高と、を特徴とする。低い鋳造生産高は、複数の要素に起因するものと思われるが、その要因には、表面又は表面に関係した空洞型欠陥、及び／又は、特定のモールドキャビティ領域、特に薄肉のモールドキャビティ領域、の不適当な充填、及びこれに付随する内部空洞や内引け巣等の欠陥、が含まれる。
【０００４】
米国特許第５ ２８７ ９１０号には、鉄とチタンを主成分とする永久再利用式マルチパート金属鋳型を用いたチタン及びチタン基合金とニッケル基合金等の反応性金属と合金の比較的低コストの鋳造を記述している。米国特許第５ １１９ ８６５号には、永久金属鋳型を用いたアルミニウムや銅及び鉄を主成分とする鋳物の鋳造を記述している。
【０００５】
本発明の目的は、金属及び合金、特に、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で酸素に反応しやすい金属と合金、を鋳造するダイカスト鋳造装置とその方法を提供することにある。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で金属と合金を鋳造し、この後に続いてダイカスト鋳造部品を各ダイから外界に取り出すとともに当該ダイカスト鋳造部品を各ダイ近傍の焼入れ媒体中で焼入れする、ダイカスト鋳造装置とその方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、この発明は、ａ）外気環境中に配設した第１ダイと第２ダイであって、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記第１ダイと前記第２ダイの間にダイキャビティを区画するとともに、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記ダイキャビティを外気環境から遮断するバキュームシールを前記第１ダイと前記第２ダイの間に含む、前記第１ダイ及び前記第２ダイと、ｂ）一端が前記ダイキャビティに連通するとともに、バキュームチャンバに連通した溶湯注入口を備えた他端を有するショットスリーブと、ｃ）前記ショットスリーブ中にて移動可能なプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に前記溶湯注入口から導入される金属又は合金を溶融する、前記バキュームチャンバに内設した溶融容器と、ｄ）前記溶融金属又は合金を前記溶融容器中で溶融させるときに、前記ダイキャビティを前記バキュームシールで外界から遮断させることによって前記ダイキャビティが前記ショットスリーブを介して同時に減圧するように前記バキュームチャンバを減圧する手段と、ｅ）前記プランジャは、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入すべく前記ショットスリーブ中にて移動可能であり、ｆ）ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境中に取り出すことができるように、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入した後に前記第１ダイと前記第２ダイを開かせる手段と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
前記バキュームシールは、少なくとも一方のダイのＯ−リングシールから成るとともに、前記Ｏ−リングシールは、前記ダイキャビティと、ゲートと、前記ゲートに連通する溶湯取り出し開口部と、を囲繞することを特徴とする。
【０００９】
前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする。
【００１０】
前記プランジャと前記ショットスリーブの間の半径方向の間隙が約０．０００５インチ乃至０．０２０インチであることを特徴とする。
【００１１】
前記溶融容器によって導入される溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満を占有することを特徴とする。
【００１２】
前記溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記溶湯注入口下流の前記ショットスリーブに内設したプラグであって、プランジャ移動によって前記ショットスリーブを通過して前記ダイキャビティに向かって移動する前記プラグを含むことを特徴とする。
【００１４】
前記第１ダイと前記第２ダイの内の一方のダイが、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入するときに前記プラグを受け入れるチャンバを含むことを特徴とする。
【００１５】
前記ショットスリーブと前記プランジャは、鉄を主成分とする材料と、耐火性材料と、セラミック材料と、これらの組み合わせと、から成るグループから選択した材料から成ることを特徴とする。
【００１６】
前記プランジャが使い捨てプランジャチップを含むことを特徴とする。
【００１７】
前記プランジャチップは銅を主成分とする合金から成ることを特徴とする。
【００１８】
前記第１ダイと前記第２ダイの内の少なくとも一方のダイと、前記ショットスリーブと、の温度を抑制する手段を含むことを特徴とする。
【００１９】
前記容器を固定ダイプラテンに近設したことを特徴とする。
【００２０】
ａ）外界中に設けた各ダイによって区画されるダイキャビティにショットスリーブで連通させたバキュームチャンバ中にて反応性金属又は合金を溶融させ、ｂ）前記ダイキャビティを前記各ダイ間の一つ以上のバキュームシールで外気環境から遮断させながら、前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して減圧し、ｃ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約４０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金をプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に導入し、ｄ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記反応性溶融金属又は合金を前記密封減圧済みダイキャビティ中に注入し、ｅ）前記密封済みダイを開いてダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする。
【００２１】
前記反応性金属又は合金が、チタンと、チタン合金と、超合金と、ステンレス鋼と、とから成るグループから選ばれたものであることを特徴とする。
【００２２】
前記ダイカスト鋳造部品を前記各ダイから取り出した後に焼入れ媒体中に焼入れする別のステップを含むことを特徴とする。
【００２３】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００２４】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００２５】
前記溶融金属又は合金の導入前に前記プランジャ前方の前記ショットスリーブ中にプラグを設けるとともに、前記プラグと前記プランジャの間の前記溶融金属又は合金で前記プラグを前記各ダイに向かって進行させることを含むことを特徴とする。
【００２６】
前記ダイキャビティ中の前記溶融金属又は合金の注入を干渉しないように前記各ダイの内の一方のダイ中に形成したチャンバ中に前記プラグを進行させることを特徴とする。
【００２７】
前記反応性金属又は合金を、酸素に反応しやすいチタンとチタン基合金から選ぶ場合に前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする。
【００２８】
ａ）溶湯を形成すべく、ショットスリーブでダイキャビティに連通させたバキュームチャンバ中にチタン又はチタン合金を溶融するとともに、前記各ダイ間のバキュームシール手段で前記ダイキャビティを外気環境から密封しながら前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して１０００ミクロン未満まで減圧し、ｂ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入し、ｃ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記溶湯を前記密封減圧済みダイキャビティ中に圧力注入し、ｄ）前記各ダイを開いて前記ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする。
【００２９】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は、金属又は合金をショットスリーブの端部の周りに設けたバキュームチャンバ中で溶融させる前記金属又は合金のダイカスト鋳造装置とその方法を提供する。前記ショットスリーブは、外気環境中にて前記バキュームチャンバの外側に配設した第１ダイと第２ダイの間に区画されるダイキャビティに連通する反対側の端部を含む。前記第１ダイと前記第２ダイの間に一つ以上の高温度バキュームシールを前記ダイキャビティの周りに配設し、前記バキュームチャンバを減圧すると前記ダイキャビティの中が前記ショットスリーブを介して減圧するようになっている。前記金属又は合金を前記ダイキャビティ中でダイカスト鋳造した後に前記第１ダイと前記第２ダイを開き、この後に続いて、この鋳造部品を前記ダイキャビティから外界に、又は、前記各ダイ近傍のオプションの焼入れ媒体に、そのまま取り出す。
【００３１】
本発明は、一方の実施例において、前記ダイキャビティを前記ショットスリーブによって１０００ミクロン未満の真空レベルまで減圧し、チタンやチタン基合金、ニッケル基超合金及び鉄が主成分の合金等の反応性溶融金属又は合金であって、望ましくは、ショットスリーブの有効な内部容積の容積比約８％乃至約１５％等、容積比４０％未満を占める量の前記反応性溶融金属又は合金をバキューム融解チャンバ中の前記ショットスリーブ中に導入し、次に、前記プランジャを前進させて前記反応性溶融金属又は合金を前記減圧密封済みダイキャビティ中に注入することを考察するものであり、前記ダイキャビティにおいて、前記（各）バキュームシールを破って前記鋳造部品を外気環境にさらして各ダイから取り出して焼入れ媒体中にオプションの焼入れを行うために各ダイを開く前に前記鋳造部品の少なくとも外面が凝固することができる。
【００３２】
本発明は、他方の実施例において、前記ショットスリーブの溶湯注入口下流に位置する前記ショットスリーブ中にプラグを前記金属又は合金の導入前に内設することを考察するものであり、前記プラグによって、前記ダイキャビティを充填するために必要とされる適量の溶融金属又は合金で前記ショットスリーブを充填することが向上するようになっている。前記プラグは、前記プランジャが前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に圧力注入しながら、前記ダイキャビティに向かって前進する。前記プラグは、前記プランジャの前進によって、前記ダイキャビティ中の前記溶融金属又は合金の注入に干渉しないように前記ダイキャビティから外れたプラグ受けチャンバ中に移動する。
【００３３】
華氏約２０００度よりも高い融解点を有する、酸素と反応しやすい溶融金属又は合金のダイカスト鋳造において、前記溶融金属又は合金に接触する前記ショットスリーブと前記プランジャ又はオプションの使い捨てプランジャチップは、Ｈ−１３ツールスチール等の鉄を主成分とする材料と、Ｍｏベースの合金又はＴＺＭ合金等の耐火性材料と、アルミナ等のセラミック材料と、又はこれらの組み合わせと、から作ることができる。
【００３４】
【実施例】
本発明の詳細は、下記図面に基づいて後述する詳細な説明から更に容易に明白になるであろう。
【００３５】
図１〜図２は、本発明の１実施例によるダイカスト鋳造装置であって、各ダイを外気環境中にて外側に配設しているにもかかわらずダイキャビティ中において比較的高度の減圧状態下で、特に、酸素と非常に反応しやすいチタン及びチタン基合金等、金属又は合金をダイカスト鋳造する前記ダイカスト鋳造装置を図示している。また、このダイカスト鋳造装置は、ニッケル基、コバルト基、及びその他の超合金、ステンレス鋼等の鉄を主成分とする合金、及びその他の金属又は合金、をダイキャビティ中において比較的高度の減圧状態下でダイカスト鋳造するために使用することができる。
【００３６】
このダイカスト鋳造装置は、油圧油の貯槽１０ａを内部に区画したベース１０を含むとともに、この油圧油は、固定ダイプラテン１４と可動ダイプラテン１６を開閉するために油圧アクチュエータ１２が使用する。この可動ダイプラテン１６は、固定タイバー又はロッド１８上を移動するように設け、ダイ３４をこのプラテン１６に載設している。この可動ダイプラテン１６には型締リンケージ機構２０を本発明の一部と見なされない通常の仕方で連結しており、可動ダイ３４を、固定ダイプラテン１４に載設した固定ダイ３２に対して開閉させるようになっている。例えば、米国オハイオ州クリーブランド市（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ、Ｏｈｉｏ）のＨＰＭ（社名）から２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６（商品名）として入手できる通常のダイカスト鋳造機は、上記ベース１０と、アクチュエータ１２と、上述したようにタイバー１８上に取り付けられて型締リンケージ機構２０で開閉するダイプラテン１４、１６と、を含む。このダイカスト鋳造機は、油圧油をプランジャ機構に迅速に送給するガスアキュムレータ２１を含む。
【００３７】
このダイカスト鋳造装置は水平な管状ショットスリーブ２４を含むとともに、このショットスリーブ２４は、ダイプラテン１４、１６に夫々載設した各ダイ３２、３４に区画されるダイキャビティ３０に連通する。一つ以上の部品をダイカスト鋳造するために一つ以上のダイキャビティをダイ３２、３４で形成することができる。前記ショットスリーブ２４は、溶融金属又は合金を前記一つ以上のダイキャビティ３０中に圧力注入することができるように前記一つ以上のダイキャビティ３０に至る入口通路又はゲート３６に連通する取り出し端部２４ａを有する。この入口通路又はゲート３６は、固定ダイ３２又は可動ダイ３４又は両ダイ３２、３４の中を機械加工することができる。
【００３８】
このショットスリーブ２４の前記取り出し端部２４ａは、図１に示すように固定プラテン１４と固定ダイ３２の中の適切な通路２４ｂを貫通している。
【００３９】
前記ショットスリーブ２４は、ダイ３２を貫通してバキューム融解チャンバ４０中に延出するとともに、このチャンバ４０において、ダイカスト鋳造する金属又は合金を、高温の外気中で酸素と非常に反応しやすい、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等、チタンとその合金に必要な１０００ミクロン未満等の比較的高度の状態下で溶融させる。このバキュームチャンバ４０は、プランジャ２７を受け入れる前記ショットスリーブ２４の反対側の装入端部と、プランジャ油圧アクチュエータ２５と、を囲繞又は包囲しながらそれらの周りに延出するバキュームハウジング壁４２で区画されている。このバキュームチャンバ４０は、導管４０ａでバキュームチャンバ４０に連結した通常のバキュームポンプＰによって減圧される。前記ベース１０と前記バキュームハウジング壁４２は、コンクリート床又はその他の適切な支持体に支えられている。
【００４０】
前記チャンバ壁４２は、この壁４２と固定プラテン１４の間に配設した（各）外周気密シール４３によって固定プラテン１４と密接して空気が漏れないようにし、ショットスリーブ２４と、前記チャンバ壁４２を貫通する水平に並べた一対の固定ショットスリーブ／プランジャ支持部材４４（一つ図示）と、を密封包囲するようになっている。かかるショットスリーブ／プランジャ支持部材は、前述した通常のダイカスト鋳造機（２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６）に載設している。
【００４１】
プランジャ２７はショットスリーブ２４に内設し、プランジャアクチュエータ２５とプランジャコネクタロッド２７ｂによって、ショットスリーブ２４中の溶湯入口又は注入開口部５８の右側に設けた開始注入位置と、前記ダイ入口ゲート３６近傍の終了注入位置と、の間を移動する。前記溶湯注入開口部５８は、ねじ込みクランプ（図示せず）等のクランプで固定プラテン１４近傍のショットスリーブ２４に載設した金属（例えば、鋼鉄）溶湯受け容器５２に連通している。この溶湯受け容器５２は、融解坩堝５４の真下に設けており、ダイカスト鋳造用溶融金属又は合金の装入物をこの坩堝５４から受け入れるようになっている。
【００４２】
前記融解坩堝５４は、銅のセグメントから成る通常の誘導スカル坩堝で良く、この坩堝の中で、ダイカスト鋳造する固形の金属又は合金装入物をバキュームポート４０ｂから装入するとともに、このチャンバ４０中に通常の仕方で前記坩堝の周りに配設した誘導コイル５６を活かすことによって溶融する。また、既知のセラミック又は耐火性の内張り坩堝も、本発明を実施するにあたり使用することができる。この坩堝５４は、バキュームチャンバ４０の外側に設けた通常の油圧アクチュエータや電気アクチュエータ又はその他のアクチュエータ（図示せず）であって、前記アクチュエータから前記坩堝まで延出する適切なバキューム密閉リンケージによって前記坩堝に連結した前記アクチュエータを使って坩堝トラニオンＴを中心に回転することによって傾斜させることができる。この坩堝を傾けて、ショットスリーブ壁中の開口部５８を介してショットスリーブ２４に連通している前記溶湯受け容器５２中に溶融金属又は合金装入物を注湯する。この溶融金属又は合金装入物は、開口部５８からプランジャチップ２７ａ前方のショットスリーブ２４中に導入される。
【００４３】
本発明の１実施例を実施するにあたり、前記溶融金属又は合金装入物は、前記プランジャチップ２７ａ前方に区画されるとともに前記ダイキャビティの入口又はゲート３６まで延出する前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満の量を前記ショットスリーブ中に導入する。この溶融金属又は合金の量は、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比２０％未満を占めることが望ましく、さらに望ましくは、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占めることである。前記ショットスリーブ内部容積に対する当該比較的低量の溶融装入物によって、ショットスリーブ中に比較的低い溶融装入物プロフィールが得られ（すなわち、溶融装入物がショットスリーブの底部に沿って比較的多く存在する）、これによって、溶湯をモールドキャビティ中に注入する前における高温度溶融装入物のプランジャチップ２７ａとの接触面積及び接触時間と、この結果生じた前記プランジャチップの膨張と、が減少する。
【００４４】
プランジャ２７は、例えば前述した通常のダイカスト鋳造機（２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６）に載設した通常の油圧アクチュエータ２５によって前記開始注入位置から前記終了注入位置まで移動する。通常のプランジャ速度は、毎秒５０フィート乃至毎秒３００フィートの範囲内である。ショットスリーブ２４とプランジャチップ２７ａの間の半径方向の間隙は、約０．０００５インチ乃至０．０２０インチの範囲内である。ショットスリーブ２４とプランジャチップ２７ａの間の好適な半径方向の間隙は、約０．００８インチである。
【００４５】
チタンと、チタン基合金と、ニッケル基超合金と、鉄を主成分とする合金と、をダイカスト鋳造する際、溶融金属又は合金に接触するショットスリーブ２４と前方プランジャチップ２７ａは、Ｈ−１３ツールスチール等の鉄が主成分の材料、又はＭｏ合金又はＴＺＭ合金に基づく等の耐火性材料、アルミナ等のセラミック材料、又はそれらの組み合わせであって金属又は合金を融解してダイカスト鋳造することに相性の良い前記組み合わせ、で作ることができる。前記プランジャチップ２７ａは、各々の溶融金属又は合金装入物をダイキャビティ３０中に注入した後に廃棄される使い捨てチップで構成することができる。使い捨てプランジャチップは、特にＡ３８０アルミニウム合金をダイカスト鋳造する場合に適した銅−ベリリウム合金（例えばＤ３４０合金）等の銅を主成分とする合金から成ることができる。
【００４６】
チタンと、チタン基合金と、ニッケル基超合金と、鉄が主成分の合金と、をダイカスト鋳造する際、前記ダイ３２、３４は、米国特許第５ ２８７ ９１０号にしたがって鉄鋼及び／又はチタンで作ることができるが、但し、その他のダイ材料をこの発明を実施する際に使用してもよい。
【００４７】
図１を見ると、第１及び第２ダイ３２、３４は、外気環境中においてバキューム融解チャンバ４０の外側に配設している。すなわち、各ダイ３２、３４の外面又は外側を外気環境にさらしている。
【００４８】
本発明によると、各ダイ３２、３４を閉じると、このダイ３２、３４間に区画されるダイキャビティ３０がショットスリーブ２４を介してバキュームチャンバ４０に連通するので、前記ショットスリーブを介して減圧することができる。
【００４９】
通常、固定ダイ３２の内面３２ｂには、各ダイを閉じると可動ダイ３４の対向側内面に嵌合する一つ以上の溝３２ａ（図２には一つの溝を図示）を含む。前記（各）溝３２ａは、ゲート３６だけでなくダイキャビティ３０も囲繞又は包囲し、且つ、ゲート３６に連通するとともにショットスリーブ端部２４ａによって区画された溶湯取り出し開口部を囲繞又は包囲する。前記溝３２ａは、再利用できる弾性高温度のＯ−リングバキュームシール６０であって、各ダイを閉じると可動ダイ３４の合わせ面に密接して減圧漏れしないようになっている前記シール６０を受け入れている。あるいはこの代わりに、前記（各）シール６０を可動ダイ３４の合わせ面の溝に内設したり、あるいは、ダイ３２、３４の両方の合わせ面に載設したりすることができ、ダイキャビティ３０とゲート３６とショットスリーブ端部２４ａとの周りにバキューム緊密シールを形成するようになっているとともに、各ダイ３２、３４を閉じるとダイキャビティ３０とゲート３６とショットスリーブ端部２４ａとを前記ダイ３２、３４の外側周辺の外気環境から遮断するようになっている。複数のバキューム緊密シールを形成するために、連続する複数の溝とＯ−リングシールをダイキャビティ周長に対して外側方向に漸次配設することができる。これらのバキュームシール６０は、ダイキャビティ３０を溶融金属又は合金で充填するときに起こり得る華氏４００度という高い温度に耐えることが可能なビトン（Ｖｉｔｏｎ）材料で構成することができる。
【００５０】
ダイキャビティ３０は、バキュームシール６０を使用することによって、ダイ３２、３４を閉じると外気環境から遮断されるので、バキューム融解チャンバ４０を、坩堝５４中の固形装入物を溶融する場合に使われる１０００ミクロン未満の高度な減圧レベルまで減圧する場合、ダイキャビティ３０をショットスリーブ２４を介して減圧することができる。
【００５１】
図１のダイカスト鋳造装置の作用においては、固形の金属又は合金を、バキューム融解チャンバ４０中の坩堝５４中にポート４０ｂから装入する。次に、バキュームチャンバ４０を、バキュームポンプＰで、当該装入物を融解するのに適したレベルまで（１００ミクロン未満であって、例えば、チタン及びＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金等のチタン合金、ニッケル基超合金、及びステンレス鋼の場合、９０ミクロン）減圧する。この閉じたダイ３２、３４によって形成したダイキャビティ３０は、ショットスリーブ２４を介してバキューム融解チャンバ４０に連結することによって、且つ、（各）バキュームシール６０によって外界周囲から遮断させることによって、同じ真空レベルまで同時に減圧する。
【００５２】
坩堝５４中の金属又は合金の溶融装入物は、先ずプランジャ２７を図１の開始注入位置に位置決めした状態で、前記容器５２及び溶湯注入開口部５８から減圧状態下でショットスリーブ２４中に注湯する。この溶融金属又は合金装入物は、前述したように前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満の量を前記ショットスリーブ中に導入する。この溶融金属又は合金の量は、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比２０％未満を占めることが望ましく、さらに望ましくは、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占めることである。この溶融金属又は合金は、ショットスリーブ２４中に注湯するとともに、溶融金属がプランジャ２７の後方に入らないようにするために前記ショットスリーブ２４中に、０．００５秒乃至４秒の所定の滞留時間の間であって、通常わずか０．１秒乃至１．５秒の間、滞留する。この溶湯は坩堝５４から容器５２を介してショットスリーブ２４中にそのまま注湯することができ、これによって、注入が開始可能になる前の時間と金属冷却が短くなる。
【００５３】
次に、プランジャ２７をアクチュエータ２５でショットスリーブ２４中にて前進させ、溶融金属又は合金を入口通路又はゲート３６からダイキャビティ３０中に圧力注入する。この溶融金属又は合金は、最大毎秒１５０インチ等の高速度でショットスリーブ２４を圧下して減圧密封済みダイキャビティ３０中に圧入する。
【００５４】
溶融金属又は合金を注入した後、ダイ３４を通常の周期時間内でダイ３２に対して移動させることによってダイ３２、３４を開かせるとともに、前記通常の周期時間は、溶融金属又は合金が、少なくとも、（各）ダイカスト鋳造部品の凝固表面を形成するのに十分な時間になるように注入後の５秒乃至２５秒の範囲にすることができる。次に、（各）ダイカスト鋳造部品を各ダイから容易に取り出しできるようにダイ３２、３４を開く。前記ＨＰＭダイカスト鋳造機に載設したものであってこの発明の一部を形成するものではない通常のイジェクタピン機構（図示せず）によって、前記（各）ダイカスト鋳造部品を各ダイから排出し易くなる。前記（各）ダイカスト鋳造部品の取り外しは、前記（各）ダイカスト鋳造部品を更に冷却させることなくただ単に各ダイを開くだけで各ダイ３２、３４からそのまま行うことができる。これは、ダイカスト鋳造部品の生産高を増加させるのに有利である。各ダイを開くと、前記（各）バキュームシール６０が破れるので、前記（各）ダイカスト鋳造部品が外気環境に剥き出しになるとともに、オプションとして、開いたダイ３２、３４に近設した水やオイル等の焼入れ媒体Ｍの中に焼き入れすることができる。
【００５５】
同様又は類似の機構を同様の参照数字で表示した図３を見ると、本発明は、もう一つ別の実施例において、坩堝５４から金属又は合金を導入する前に比較的長いショットスリーブ２４中に浮動プラグ７０を設けることを考察するものである。先ず、このプラグ７０を溶湯注入開口部５８の下流に設け、ダイキャビティ３０を充填するために必要な適量の溶融金属又は合金で前記プラグ７０とプランジャチップ２７ａの間のショットスリーブ２４を充填することを向上させるようになっている。
【００５６】
このプラグ７０は、プランジャ２７によって溶融金属又は合金がダイキャビティ３０中にて圧力注入されながら、ダイキャビティ３０に向かって前進する。前記プラグ７０は、プランジャ２７の前進によってプラグ受けチャンバ７２中に移動し、このプラグ受けチャンバ７２は、ダイキャビティ中の溶融金属又は合金の注入に干渉しないようにダイキャビティ入口通路３６から外れて可動ダイ３４中に形成したものである。このプラグ７０は、チタンとその合金に対する鋼鉄と、その他の高融解温度の金属であって、当該溶湯をダイカスト鋳造することに反応しにくい前記高融解温度の金属と、から構成することができる。このプラグ７０は、容器５２からの溶湯でスリーブを充填中に所定の位置に留まるように、且つ、プラグ受けチャンバ７２中にて停止するまで注入済み金属の前方に留まるように、採寸している。
【００５７】
上述したこの発明の各実施例を実施するにあたり、ダイ３２、３４の温度は、華氏１００度〜７００度の範囲内のダイ温度になるように所望の範囲内に抑制することができる。例えば、このために各ダイに作動可能的に係合させた一つ以上の通常のガスフレームバーナ又は電気抵抗加熱ワイヤによって、ダイ３２、３４を、当該ダイ中の溶融金属又は合金の注入開始前に予熱することができる。前記ダイ３２、３４は、当該ダイの内側に形成した水冷導管（図示せず）で冷却することができるとともに、前記水冷導管によって冷却水を循環させて、ダイカスト鋳造部品を製造し続けて各ダイが熱くなるときにダイ温度を抑えるようにする。また、同様に、ショットスリーブ２４も、オプションとして、ショットスリーブ温度を華氏１００度〜７００度等の所望の範囲内に抑制すべく同様のガスフレームバーナ又は電気抵抗ワイヤ又は前記ショットスリーブ中の水冷通路で加熱又は冷却を行うことができる。
【００５８】
本発明の実施例によるＴｉ及びチタン合金の部品のダイカスト鋳造の場合、溶融チタン又はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金の装入物であって、通常では金属又は合金融解点に華氏５０度を足したものに等しい溶湯温度（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合、華氏約３０８０度）の５ポンド乃至１０ポンドの溶湯から成る前記装入物は、１６．５インチの長さと３インチの直径を有するショットスリーブ２４中に導入することができる。この溶融装入物は、ショットスリーブ２４の有効内部容積の容積比約９％〜１０％を占有するとともに、このショットスリーブ２４中には、ショットスリーブとの０．００２インチの半径方向の間隙を有する銅−ベリリウムのプランジャチップを含む。前記プランジャは、最低毎秒１２５インチで移動し、前記装入物を、華氏３００度まで予熱することができるダイ３２、３４間に区画したダイキャビティ中に注入する。この発明によると、ニッケル基超合金は、合金融解点に華氏７５度を足したものに等しい溶湯温度に対して、同様のパラメータを使ってダイカスト鋳造することができる。この発明によると、ステンレス鋼１７−４ＰＨは、合金融解点に華氏２５度を足したものに等しい溶湯温度に対して、同様のパラメータを使ってダイカスト鋳造することができる。
【００５９】
本発明は、単に例えばガスタービンエンジンのコンプレッサ部分のＩＮ ７８ニッケル基超合金等、ニッケル基超合金で作られたガスタービンコンプレッサのベーンとブレード等の複雑な形状又は構造の部品の他に、１７−４ＰＨステンレス鋼及び非晶質合金等のステンレス鋼で作られたゴルフクラブパター等の複雑な形状又は構造の部品をもダイカスト鋳造するために使用することができる他に、その他の多種多様な部品をダイカスト鋳造するためにも使用することができる。
【００６０】
本発明はその具体的な実施例に基づいて説明したが、これに限定するものではなく、むしろ、次のクレームに記載した範囲だけに限定されるものである。
【００６１】
【発明の効果】
このように、この発明によれば、金属及び合金、特にダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で酸素に反応しやすい金属と合金を鋳造する際の、表面又は表面に関係した空洞型欠陥、及び／又は、特定のモールドキャビティ領域、特に薄肉のモールドキャビティ領域、の不適当な充填、及びこれに付随する内部空洞や内引け巣等の欠陥等の要素に起因する低い鋳造生産高を回避し得て、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ショットスリーブとバキュームチャンバを分解図示した、本発明の１実施例を実施するダイカスト鋳造装置の部分断面側面図である。
【図２】 固定ダイ中の溝に内設したバキュームＯ−リングシールを示す固定ダイの拡大正面であって、この固定ダイと他方のダイとを閉じると前記Ｏ−リングシールが他方のダイに密接してダイキャビティを外気環境から遮断するようになっている、前記固定ダイの拡大正面図である。
【図３】 溶融金属又は合金を比較的長いショットスリーブ中に導入する前に浮動プラグを前記ショットスリーブに内設した、本発明のもう一つの実施例を実施する別のダイカスト鋳造装置の部分断面側面図である。
【符号の説明】
１０ ベース
２４ ショットスリーブ
２７ プランジャ
３０ ダイキャビティ
３２ 固定ダイ
３４ 可動ダイ
４０ バキュームチャンバ
５４ 融解坩堝
６０ バキュームシール
Ｐ バキュームポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属及び合金のダイカスト鋳造装置及び鋳造方法に関し、更に詳細には、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下における金属及び合金の減圧ダイカスト鋳造装置及び鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空宇宙産業においては、チタンの鋳造品、チタン基合金の鋳造品、ニッケル基合金の鋳造品、及びステンレス鋼の鋳造品が多数使用されている。かかる数多くの鋳造品は、ロストワックス法で形成した予熱型セラミックインベストメントモールド中に適切な溶融物を鋳込む周知のインベストメント鋳造法で作られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる反応性材料で作られた複雑な形状を持つ部品のインベストメント鋳造は、幅広く用いられているが、比較的高いコストと、比較的低い生産高と、を特徴とする。低い鋳造生産高は、複数の要素に起因するものと思われるが、その要因には、表面又は表面に関係した空洞型欠陥、及び／又は、特定のモールドキャビティ領域、特に薄肉のモールドキャビティ領域、の不適当な充填、及びこれに付随する内部空洞や内引け巣等の欠陥、が含まれる。
【０００４】
米国特許第５ ２８７ ９１０号には、鉄とチタンを主成分とする永久再利用式マルチパート金属鋳型を用いたチタン及びチタン基合金とニッケル基合金等の反応性金属と合金の比較的低コストの鋳造を記述している。米国特許第５ １１９ ８６５号には、永久金属鋳型を用いたアルミニウムや銅及び鉄を主成分とする鋳物の鋳造を記述している。
【０００５】
本発明の目的は、金属及び合金、特に、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で酸素に反応しやすい金属と合金、を鋳造するダイカスト鋳造装置とその方法を提供することにある。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は、ダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で金属と合金を鋳造し、この後に続いてダイカスト鋳造部品を各ダイから外界に取り出すとともに当該ダイカスト鋳造部品を各ダイ近傍の焼入れ媒体中で焼入れする、ダイカスト鋳造装置とその方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、この発明は、ａ）外気環境中に配設した第１ダイと第２ダイであって、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記第１ダイと前記第２ダイの間にダイキャビティを区画するとともに、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記ダイキャビティを外気環境から遮断するバキュームシールを前記第１ダイと前記第２ダイの間に含む、前記第１ダイ及び前記第２ダイと、ｂ）一端が前記ダイキャビティに連通するとともに、バキュームチャンバに連通した溶湯注入口を備えた他端を有するショットスリーブと、ｃ）前記ショットスリーブ中にて移動可能なプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に前記溶湯注入口から導入される金属又は合金を溶融する、前記バキュームチャンバに内設した溶融容器と、ｄ）前記溶融金属又は合金を前記溶融容器中で溶融させるときに、前記ダイキャビティを前記バキュームシールで外界から遮断させることによって前記ダイキャビティが前記ショットスリーブを介して同時に減圧するように前記バキュームチャンバを減圧する手段と、ｅ）前記プランジャは、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入すべく前記ショットスリーブ中にて移動可能であり、ｆ）ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境中に取り出すことができるように、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入した後に前記第１ダイと前記第２ダイを開かせる手段と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
前記バキュームシールは、少なくとも一方のダイのＯ−リングシールから成るとともに、前記Ｏ−リングシールは、前記ダイキャビティと、ゲートと、前記ゲートに連通する溶湯取り出し開口部と、を囲繞することを特徴とする。
【０００９】
前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする。
【００１０】
前記プランジャと前記ショットスリーブの間の半径方向の間隙が約０．０００５インチ乃至０．０２０インチであることを特徴とする。
【００１１】
前記溶融容器によって導入される溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満を占有することを特徴とする。
【００１２】
前記溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記溶湯注入口下流の前記ショットスリーブに内設したプラグであって、プランジャ移動によって前記ショットスリーブを通過して前記ダイキャビティに向かって移動する前記プラグを含むことを特徴とする。
【００１４】
前記第１ダイと前記第２ダイの内の一方のダイが、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入するときに前記プラグを受け入れるチャンバを含むことを特徴とする。
【００１５】
前記ショットスリーブと前記プランジャは、鉄を主成分とする材料と、耐火性材料と、セラミック材料と、これらの組み合わせと、から成るグループから選択した材料から成ることを特徴とする。
【００１６】
前記プランジャが使い捨てプランジャチップを含むことを特徴とする。
【００１７】
前記プランジャチップは銅を主成分とする合金から成ることを特徴とする。
【００１８】
前記第１ダイと前記第２ダイの内の少なくとも一方のダイと、前記ショットスリーブと、の温度を抑制する手段を含むことを特徴とする。
【００１９】
前記容器を固定ダイプラテンに近設したことを特徴とする。
【００２０】
ａ）外界中に設けた各ダイによって区画されるダイキャビティにショットスリーブで連通させたバキュームチャンバ中にて反応性金属又は合金を溶融させ、ｂ）前記ダイキャビティを前記各ダイ間の一つ以上のバキュームシールで外気環境から遮断させながら、前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して減圧し、ｃ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約４０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金をプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に導入し、ｄ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記反応性溶融金属又は合金を前記密封減圧済みダイキャビティ中に注入し、ｅ）前記密封済みダイを開いてダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする。
【００２１】
前記反応性金属又は合金が、チタンと、チタン合金と、超合金と、ステンレス鋼と、とから成るグループから選ばれたものであることを特徴とする。
【００２２】
前記ダイカスト鋳造部品を前記各ダイから取り出した後に焼入れ媒体中に焼入れする別のステップを含むことを特徴とする。
【００２３】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００２４】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００２５】
前記溶融金属又は合金の導入前に前記プランジャ前方の前記ショットスリーブ中にプラグを設けるとともに、前記プラグと前記プランジャの間の前記溶融金属又は合金で前記プラグを前記各ダイに向かって進行させることを含むことを特徴とする。
【００２６】
前記ダイキャビティ中の前記溶融金属又は合金の注入を干渉しないように前記各ダイの内の一方のダイ中に形成したチャンバ中に前記プラグを進行させることを特徴とする。
【００２７】
前記反応性金属又は合金を、酸素に反応しやすいチタンとチタン基合金から選ぶ場合に前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする。
【００２８】
ａ）溶湯を形成すべく、ショットスリーブでダイキャビティに連通させたバキュームチャンバ中にチタン又はチタン合金を溶融するとともに、前記各ダイ間のバキュームシール手段で前記ダイキャビティを外気環境から密封しながら前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して１０００ミクロン未満まで減圧し、ｂ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入し、ｃ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記溶湯を前記密封減圧済みダイキャビティ中に圧力注入し、ｄ）前記各ダイを開いて前記ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする。
【００２９】
前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は、金属又は合金をショットスリーブの端部の周りに設けたバキュームチャンバ中で溶融させる前記金属又は合金のダイカスト鋳造装置とその方法を提供する。前記ショットスリーブは、外気環境中にて前記バキュームチャンバの外側に配設した第１ダイと第２ダイの間に区画されるダイキャビティに連通する反対側の端部を含む。前記第１ダイと前記第２ダイの間に一つ以上の高温度バキュームシールを前記ダイキャビティの周りに配設し、前記バキュームチャンバを減圧すると前記ダイキャビティの中が前記ショットスリーブを介して減圧するようになっている。前記金属又は合金を前記ダイキャビティ中でダイカスト鋳造した後に前記第１ダイと前記第２ダイを開き、この後に続いて、この鋳造部品を前記ダイキャビティから外界に、又は、前記各ダイ近傍のオプションの焼入れ媒体に、そのまま取り出す。
【００３１】
本発明は、一方の実施例において、前記ダイキャビティを前記ショットスリーブによって１０００ミクロン未満の真空レベルまで減圧し、チタンやチタン基合金、ニッケル基超合金及び鉄が主成分の合金等の反応性溶融金属又は合金であって、望ましくは、ショットスリーブの有効な内部容積の容積比約８％乃至約１５％等、容積比４０％未満を占める量の前記反応性溶融金属又は合金をバキューム融解チャンバ中の前記ショットスリーブ中に導入し、次に、前記プランジャを前進させて前記反応性溶融金属又は合金を前記減圧密封済みダイキャビティ中に注入することを考察するものであり、前記ダイキャビティにおいて、前記（各）バキュームシールを破って前記鋳造部品を外気環境にさらして各ダイから取り出して焼入れ媒体中にオプションの焼入れを行うために各ダイを開く前に前記鋳造部品の少なくとも外面が凝固することができる。
【００３２】
本発明は、他方の実施例において、前記ショットスリーブの溶湯注入口下流に位置する前記ショットスリーブ中にプラグを前記金属又は合金の導入前に内設することを考察するものであり、前記プラグによって、前記ダイキャビティを充填するために必要とされる適量の溶融金属又は合金で前記ショットスリーブを充填することが向上するようになっている。前記プラグは、前記プランジャが前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に圧力注入しながら、前記ダイキャビティに向かって前進する。前記プラグは、前記プランジャの前進によって、前記ダイキャビティ中の前記溶融金属又は合金の注入に干渉しないように前記ダイキャビティから外れたプラグ受けチャンバ中に移動する。
【００３３】
華氏約２０００度よりも高い融解点を有する、酸素と反応しやすい溶融金属又は合金のダイカスト鋳造において、前記溶融金属又は合金に接触する前記ショットスリーブと前記プランジャ又はオプションの使い捨てプランジャチップは、Ｈ−１３ツールスチール等の鉄を主成分とする材料と、Ｍｏベースの合金又はＴＺＭ合金等の耐火性材料と、アルミナ等のセラミック材料と、又はこれらの組み合わせと、から作ることができる。
【００３４】
【実施例】
本発明の詳細は、下記図面に基づいて後述する詳細な説明から更に容易に明白になるであろう。
【００３５】
図１〜図２は、本発明の１実施例によるダイカスト鋳造装置であって、各ダイを外気環境中にて外側に配設しているにもかかわらずダイキャビティ中において比較的高度の減圧状態下で、特に、酸素と非常に反応しやすいチタン及びチタン基合金等、金属又は合金をダイカスト鋳造する前記ダイカスト鋳造装置を図示している。また、このダイカスト鋳造装置は、ニッケル基、コバルト基、及びその他の超合金、ステンレス鋼等の鉄を主成分とする合金、及びその他の金属又は合金、をダイキャビティ中において比較的高度の減圧状態下でダイカスト鋳造するために使用することができる。
【００３６】
このダイカスト鋳造装置は、油圧油の貯槽１０ａを内部に区画したベース１０を含むとともに、この油圧油は、固定ダイプラテン１４と可動ダイプラテン１６を開閉するために油圧アクチュエータ１２が使用する。この可動ダイプラテン１６は、固定タイバー又はロッド１８上を移動するように設け、ダイ３４をこのプラテン１６に載設している。この可動ダイプラテン１６には型締リンケージ機構２０を本発明の一部と見なされない通常の仕方で連結しており、可動ダイ３４を、固定ダイプラテン１４に載設した固定ダイ３２に対して開閉させるようになっている。例えば、米国オハイオ州クリーブランド市（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ、Ｏｈｉｏ）のＨＰＭ（社名）から２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６（商品名）として入手できる通常のダイカスト鋳造機は、上記ベース１０と、アクチュエータ１２と、上述したようにタイバー１８上に取り付けられて型締リンケージ機構２０で開閉するダイプラテン１４、１６と、を含む。このダイカスト鋳造機は、油圧油をプランジャ機構に迅速に送給するガスアキュムレータ２１を含む。
【００３７】
このダイカスト鋳造装置は水平な管状ショットスリーブ２４を含むとともに、このショットスリーブ２４は、ダイプラテン１４、１６に夫々載設した各ダイ３２、３４に区画されるダイキャビティ３０に連通する。一つ以上の部品をダイカスト鋳造するために一つ以上のダイキャビティをダイ３２、３４で形成することができる。前記ショットスリーブ２４は、溶融金属又は合金を前記一つ以上のダイキャビティ３０中に圧力注入することができるように前記一つ以上のダイキャビティ３０に至る入口通路又はゲート３６に連通する取り出し端部２４ａを有する。この入口通路又はゲート３６は、固定ダイ３２又は可動ダイ３４又は両ダイ３２、３４の中を機械加工することができる。
【００３８】
このショットスリーブ２４の前記取り出し端部２４ａは、図１に示すように固定プラテン１４と固定ダイ３２の中の適切な通路２４ｂを貫通している。
【００３９】
前記ショットスリーブ２４は、ダイ３２を貫通してバキューム融解チャンバ４０中に延出するとともに、このチャンバ４０において、ダイカスト鋳造する金属又は合金を、高温の外気中で酸素と非常に反応しやすい、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等、チタンとその合金に必要な１０００ミクロン未満等の比較的高度の状態下で溶融させる。このバキュームチャンバ４０は、プランジャ２７を受け入れる前記ショットスリーブ２４の反対側の装入端部と、プランジャ油圧アクチュエータ２５と、を囲繞又は包囲しながらそれらの周りに延出するバキュームハウジング壁４２で区画されている。このバキュームチャンバ４０は、導管４０ａでバキュームチャンバ４０に連結した通常のバキュームポンプＰによって減圧される。前記ベース１０と前記バキュームハウジング壁４２は、コンクリート床又はその他の適切な支持体に支えられている。
【００４０】
前記チャンバ壁４２は、この壁４２と固定プラテン１４の間に配設した（各）外周気密シール４３によって固定プラテン１４と密接して空気が漏れないようにし、ショットスリーブ２４と、前記チャンバ壁４２を貫通する水平に並べた一対の固定ショットスリーブ／プランジャ支持部材４４（一つ図示）と、を密封包囲するようになっている。かかるショットスリーブ／プランジャ支持部材は、前述した通常のダイカスト鋳造機（２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６）に載設している。
【００４１】
プランジャ２７はショットスリーブ２４に内設し、プランジャアクチュエータ２５とプランジャコネクタロッド２７ｂによって、ショットスリーブ２４中の溶湯入口又は注入開口部５８の右側に設けた開始注入位置と、前記ダイ入口ゲート３６近傍の終了注入位置と、の間を移動する。前記溶湯注入開口部５８は、ねじ込みクランプ（図示せず）等のクランプで固定プラテン１４近傍のショットスリーブ２４に載設した金属（例えば、鋼鉄）溶湯受け容器５２に連通している。この溶湯受け容器５２は、融解坩堝５４の真下に設けており、ダイカスト鋳造用溶融金属又は合金の装入物をこの坩堝５４から受け入れるようになっている。
【００４２】
前記融解坩堝５４は、銅のセグメントから成る通常の誘導スカル坩堝で良く、この坩堝の中で、ダイカスト鋳造する固形の金属又は合金装入物をバキュームポート４０ｂから装入するとともに、このチャンバ４０中に通常の仕方で前記坩堝の周りに配設した誘導コイル５６を活かすことによって溶融する。また、既知のセラミック又は耐火性の内張り坩堝も、本発明を実施するにあたり使用することができる。この坩堝５４は、バキュームチャンバ４０の外側に設けた通常の油圧アクチュエータや電気アクチュエータ又はその他のアクチュエータ（図示せず）であって、前記アクチュエータから前記坩堝まで延出する適切なバキューム密閉リンケージによって前記坩堝に連結した前記アクチュエータを使って坩堝トラニオンＴを中心に回転することによって傾斜させることができる。この坩堝を傾けて、ショットスリーブ壁中の開口部５８を介してショットスリーブ２４に連通している前記溶湯受け容器５２中に溶融金属又は合金装入物を注湯する。この溶融金属又は合金装入物は、開口部５８からプランジャチップ２７ａ前方のショットスリーブ２４中に導入される。
【００４３】
本発明の１実施例を実施するにあたり、前記溶融金属又は合金装入物は、前記プランジャチップ２７ａ前方に区画されるとともに前記ダイキャビティの入口又はゲート３６まで延出する前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満の量を前記ショットスリーブ中に導入する。この溶融金属又は合金の量は、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比２０％未満を占めることが望ましく、さらに望ましくは、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占めることである。前記ショットスリーブ内部容積に対する当該比較的低量の溶融装入物によって、ショットスリーブ中に比較的低い溶融装入物プロフィールが得られ（すなわち、溶融装入物がショットスリーブの底部に沿って比較的多く存在する）、これによって、溶湯をモールドキャビティ中に注入する前における高温度溶融装入物のプランジャチップ２７ａとの接触面積及び接触時間と、この結果生じた前記プランジャチップの膨張と、が減少する。
【００４４】
プランジャ２７は、例えば前述した通常のダイカスト鋳造機（２５０トンのＨＰＭ＃７３−０８６）に載設した通常の油圧アクチュエータ２５によって前記開始注入位置から前記終了注入位置まで移動する。通常のプランジャ速度は、毎秒５０フィート乃至毎秒３００フィートの範囲内である。ショットスリーブ２４とプランジャチップ２７ａの間の半径方向の間隙は、約０．０００５インチ乃至０．０２０インチの範囲内である。ショットスリーブ２４とプランジャチップ２７ａの間の好適な半径方向の間隙は、約０．００８インチである。
【００４５】
チタンと、チタン基合金と、ニッケル基超合金と、鉄を主成分とする合金と、をダイカスト鋳造する際、溶融金属又は合金に接触するショットスリーブ２４と前方プランジャチップ２７ａは、Ｈ−１３ツールスチール等の鉄が主成分の材料、又はＭｏ合金又はＴＺＭ合金に基づく等の耐火性材料、アルミナ等のセラミック材料、又はそれらの組み合わせであって金属又は合金を融解してダイカスト鋳造することに相性の良い前記組み合わせ、で作ることができる。前記プランジャチップ２７ａは、各々の溶融金属又は合金装入物をダイキャビティ３０中に注入した後に廃棄される使い捨てチップで構成することができる。使い捨てプランジャチップは、特にＡ３８０アルミニウム合金をダイカスト鋳造する場合に適した銅−ベリリウム合金（例えばＤ３４０合金）等の銅を主成分とする合金から成ることができる。
【００４６】
チタンと、チタン基合金と、ニッケル基超合金と、鉄が主成分の合金と、をダイカスト鋳造する際、前記ダイ３２、３４は、米国特許第５ ２８７ ９１０号にしたがって鉄鋼及び／又はチタンで作ることができるが、但し、その他のダイ材料をこの発明を実施する際に使用してもよい。
【００４７】
図１を見ると、第１及び第２ダイ３２、３４は、外気環境中においてバキューム融解チャンバ４０の外側に配設している。すなわち、各ダイ３２、３４の外面又は外側を外気環境にさらしている。
【００４８】
本発明によると、各ダイ３２、３４を閉じると、このダイ３２、３４間に区画されるダイキャビティ３０がショットスリーブ２４を介してバキュームチャンバ４０に連通するので、前記ショットスリーブを介して減圧することができる。
【００４９】
通常、固定ダイ３２の内面３２ｂには、各ダイを閉じると可動ダイ３４の対向側内面に嵌合する一つ以上の溝３２ａ（図２には一つの溝を図示）を含む。前記（各）溝３２ａは、ゲート３６だけでなくダイキャビティ３０も囲繞又は包囲し、且つ、ゲート３６に連通するとともにショットスリーブ端部２４ａによって区画された溶湯取り出し開口部を囲繞又は包囲する。前記溝３２ａは、再利用できる弾性高温度のＯ−リングバキュームシール６０であって、各ダイを閉じると可動ダイ３４の合わせ面に密接して減圧漏れしないようになっている前記シール６０を受け入れている。あるいはこの代わりに、前記（各）シール６０を可動ダイ３４の合わせ面の溝に内設したり、あるいは、ダイ３２、３４の両方の合わせ面に載設したりすることができ、ダイキャビティ３０とゲート３６とショットスリーブ端部２４ａとの周りにバキューム緊密シールを形成するようになっているとともに、各ダイ３２、３４を閉じるとダイキャビティ３０とゲート３６とショットスリーブ端部２４ａとを前記ダイ３２、３４の外側周辺の外気環境から遮断するようになっている。複数のバキューム緊密シールを形成するために、連続する複数の溝とＯ−リングシールをダイキャビティ周長に対して外側方向に漸次配設することができる。これらのバキュームシール６０は、ダイキャビティ３０を溶融金属又は合金で充填するときに起こり得る華氏４００度という高い温度に耐えることが可能なビトン（Ｖｉｔｏｎ）材料で構成することができる。
【００５０】
ダイキャビティ３０は、バキュームシール６０を使用することによって、ダイ３２、３４を閉じると外気環境から遮断されるので、バキューム融解チャンバ４０を、坩堝５４中の固形装入物を溶融する場合に使われる１０００ミクロン未満の高度な減圧レベルまで減圧する場合、ダイキャビティ３０をショットスリーブ２４を介して減圧することができる。
【００５１】
図１のダイカスト鋳造装置の作用においては、固形の金属又は合金を、バキューム融解チャンバ４０中の坩堝５４中にポート４０ｂから装入する。次に、バキュームチャンバ４０を、バキュームポンプＰで、当該装入物を融解するのに適したレベルまで（１００ミクロン未満であって、例えば、チタン及びＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金等のチタン合金、ニッケル基超合金、及びステンレス鋼の場合、９０ミクロン）減圧する。この閉じたダイ３２、３４によって形成したダイキャビティ３０は、ショットスリーブ２４を介してバキューム融解チャンバ４０に連結することによって、且つ、（各）バキュームシール６０によって外界周囲から遮断させることによって、同じ真空レベルまで同時に減圧する。
【００５２】
坩堝５４中の金属又は合金の溶融装入物は、先ずプランジャ２７を図１の開始注入位置に位置決めした状態で、前記容器５２及び溶湯注入開口部５８から減圧状態下でショットスリーブ２４中に注湯する。この溶融金属又は合金装入物は、前述したように前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満の量を前記ショットスリーブ中に導入する。この溶融金属又は合金の量は、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比２０％未満を占めることが望ましく、さらに望ましくは、前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占めることである。この溶融金属又は合金は、ショットスリーブ２４中に注湯するとともに、溶融金属がプランジャ２７の後方に入らないようにするために前記ショットスリーブ２４中に、０．００５秒乃至４秒の所定の滞留時間の間であって、通常わずか０．１秒乃至１．５秒の間、滞留する。この溶湯は坩堝５４から容器５２を介してショットスリーブ２４中にそのまま注湯することができ、これによって、注入が開始可能になる前の時間と金属冷却が短くなる。
【００５３】
次に、プランジャ２７をアクチュエータ２５でショットスリーブ２４中にて前進させ、溶融金属又は合金を入口通路又はゲート３６からダイキャビティ３０中に圧力注入する。この溶融金属又は合金は、最大毎秒１５０インチ等の高速度でショットスリーブ２４を圧下して減圧密封済みダイキャビティ３０中に圧入する。
【００５４】
溶融金属又は合金を注入した後、ダイ３４を通常の周期時間内でダイ３２に対して移動させることによってダイ３２、３４を開かせるとともに、前記通常の周期時間は、溶融金属又は合金が、少なくとも、（各）ダイカスト鋳造部品の凝固表面を形成するのに十分な時間になるように注入後の５秒乃至２５秒の範囲にすることができる。次に、（各）ダイカスト鋳造部品を各ダイから容易に取り出しできるようにダイ３２、３４を開く。前記ＨＰＭダイカスト鋳造機に載設したものであってこの発明の一部を形成するものではない通常のイジェクタピン機構（図示せず）によって、前記（各）ダイカスト鋳造部品を各ダイから排出し易くなる。前記（各）ダイカスト鋳造部品の取り外しは、前記（各）ダイカスト鋳造部品を更に冷却させることなくただ単に各ダイを開くだけで各ダイ３２、３４からそのまま行うことができる。これは、ダイカスト鋳造部品の生産高を増加させるのに有利である。各ダイを開くと、前記（各）バキュームシール６０が破れるので、前記（各）ダイカスト鋳造部品が外気環境に剥き出しになるとともに、オプションとして、開いたダイ３２、３４に近設した水やオイル等の焼入れ媒体Ｍの中に焼き入れすることができる。
【００５５】
同様又は類似の機構を同様の参照数字で表示した図３を見ると、本発明は、もう一つ別の実施例において、坩堝５４から金属又は合金を導入する前に比較的長いショットスリーブ２４中に浮動プラグ７０を設けることを考察するものである。先ず、このプラグ７０を溶湯注入開口部５８の下流に設け、ダイキャビティ３０を充填するために必要な適量の溶融金属又は合金で前記プラグ７０とプランジャチップ２７ａの間のショットスリーブ２４を充填することを向上させるようになっている。
【００５６】
このプラグ７０は、プランジャ２７によって溶融金属又は合金がダイキャビティ３０中にて圧力注入されながら、ダイキャビティ３０に向かって前進する。前記プラグ７０は、プランジャ２７の前進によってプラグ受けチャンバ７２中に移動し、このプラグ受けチャンバ７２は、ダイキャビティ中の溶融金属又は合金の注入に干渉しないようにダイキャビティ入口通路３６から外れて可動ダイ３４中に形成したものである。このプラグ７０は、チタンとその合金に対する鋼鉄と、その他の高融解温度の金属であって、当該溶湯をダイカスト鋳造することに反応しにくい前記高融解温度の金属と、から構成することができる。このプラグ７０は、容器５２からの溶湯でスリーブを充填中に所定の位置に留まるように、且つ、プラグ受けチャンバ７２中にて停止するまで注入済み金属の前方に留まるように、採寸している。
【００５７】
上述したこの発明の各実施例を実施するにあたり、ダイ３２、３４の温度は、華氏１００度〜７００度の範囲内のダイ温度になるように所望の範囲内に抑制することができる。例えば、このために各ダイに作動可能的に係合させた一つ以上の通常のガスフレームバーナ又は電気抵抗加熱ワイヤによって、ダイ３２、３４を、当該ダイ中の溶融金属又は合金の注入開始前に予熱することができる。前記ダイ３２、３４は、当該ダイの内側に形成した水冷導管（図示せず）で冷却することができるとともに、前記水冷導管によって冷却水を循環させて、ダイカスト鋳造部品を製造し続けて各ダイが熱くなるときにダイ温度を抑えるようにする。また、同様に、ショットスリーブ２４も、オプションとして、ショットスリーブ温度を華氏１００度〜７００度等の所望の範囲内に抑制すべく同様のガスフレームバーナ又は電気抵抗ワイヤ又は前記ショットスリーブ中の水冷通路で加熱又は冷却を行うことができる。
【００５８】
本発明の実施例によるＴｉ及びチタン合金の部品のダイカスト鋳造の場合、溶融チタン又はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金の装入物であって、通常では金属又は合金融解点に華氏５０度を足したものに等しい溶湯温度（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合、華氏約３０８０度）の５ポンド乃至１０ポンドの溶湯から成る前記装入物は、１６．５インチの長さと３インチの直径を有するショットスリーブ２４中に導入することができる。この溶融装入物は、ショットスリーブ２４の有効内部容積の容積比約９％〜１０％を占有するとともに、このショットスリーブ２４中には、ショットスリーブとの０．００２インチの半径方向の間隙を有する銅−ベリリウムのプランジャチップを含む。前記プランジャは、最低毎秒１２５インチで移動し、前記装入物を、華氏３００度まで予熱することができるダイ３２、３４間に区画したダイキャビティ中に注入する。この発明によると、ニッケル基超合金は、合金融解点に華氏７５度を足したものに等しい溶湯温度に対して、同様のパラメータを使ってダイカスト鋳造することができる。この発明によると、ステンレス鋼１７−４ＰＨは、合金融解点に華氏２５度を足したものに等しい溶湯温度に対して、同様のパラメータを使ってダイカスト鋳造することができる。
【００５９】
本発明は、単に例えばガスタービンエンジンのコンプレッサ部分のＩＮ ７８ニッケル基超合金等、ニッケル基超合金で作られたガスタービンコンプレッサのベーンとブレード等の複雑な形状又は構造の部品の他に、１７−４ＰＨステンレス鋼及び非晶質合金等のステンレス鋼で作られたゴルフクラブパター等の複雑な形状又は構造の部品をもダイカスト鋳造するために使用することができる他に、その他の多種多様な部品をダイカスト鋳造するためにも使用することができる。
【００６０】
本発明はその具体的な実施例に基づいて説明したが、これに限定するものではなく、むしろ、次のクレームに記載した範囲だけに限定されるものである。
【００６１】
【発明の効果】
このように、この発明によれば、金属及び合金、特にダイキャビティの比較的高度の減圧状態下で酸素に反応しやすい金属と合金を鋳造する際の、表面又は表面に関係した空洞型欠陥、及び／又は、特定のモールドキャビティ領域、特に薄肉のモールドキャビティ領域、の不適当な充填、及びこれに付随する内部空洞や内引け巣等の欠陥等の要素に起因する低い鋳造生産高を回避し得て、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ショットスリーブとバキュームチャンバを分解図示した、本発明の１実施例を実施するダイカスト鋳造装置の部分断面側面図である。
【図２】 固定ダイ中の溝に内設したバキュームＯ−リングシールを示す固定ダイの拡大正面であって、この固定ダイと他方のダイとを閉じると前記Ｏ−リングシールが他方のダイに密接してダイキャビティを外気環境から遮断するようになっている、前記固定ダイの拡大正面図である。
【図３】 溶融金属又は合金を比較的長いショットスリーブ中に導入する前に浮動プラグを前記ショットスリーブに内設した、本発明のもう一つの実施例を実施する別のダイカスト鋳造装置の部分断面側面図である。
【符号の説明】
１０ ベース
２４ ショットスリーブ
２７ プランジャ
３０ ダイキャビティ
３２ 固定ダイ
３４ 可動ダイ
４０ バキュームチャンバ
５４ 融解坩堝
６０ バキュームシール
Ｐ バキュームポンプ
Claims (23)
- ａ）外気環境中に配設した第１ダイと第２ダイであって、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記第１ダイと前記第２ダイの間にダイキャビティを区画するとともに、前記第１ダイと前記第２ダイを閉じると前記ダイキャビティを外気環境から遮断するバキュームシールを前記第１ダイと前記第２ダイの間に含む、前記第１ダイ及び前記第２ダイと、ｂ）一端が前記ダイキャビティに連通するとともに、バキュームチャンバに連通した溶湯注入口を備えた他端を有するショットスリーブと、ｃ）前記ショットスリーブ中にて移動可能なプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に前記溶湯注入口から導入される金属又は合金を溶融する、前記バキュームチャンバに内設した溶融容器と、ｄ）前記溶融金属又は合金を前記溶融容器中で溶融させるときに、前記ダイキャビティを前記バキュームシールで外界から遮断させることによって前記ダイキャビティが前記ショットスリーブを介して同時に減圧するように前記バキュームチャンバを減圧する手段と、ｅ）前記プランジャは、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入すべく前記ショットスリーブ中にて移動可能であり、ｆ）ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境中に取り出すことができるように、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入した後に前記第１ダイと前記第２ダイを開かせる手段と、を具備することを特徴とする、ダイカスト鋳造装置。
- 前記バキュームシールは、少なくとも一方のダイのＯ−リングシールから成るとともに、前記Ｏ−リングシールは、前記ダイキャビティと、ゲートと、前記ゲートに連通する溶湯取り出し開口部と、を囲繞することを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記プランジャと前記ショットスリーブの間の半径方向の間隙が約０．０００５インチ乃至０．０２０インチであることを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記溶融容器によって導入される溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比４０％未満を占有することを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記溶融金属又は合金の装入物が前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％を占有することを特徴とする、請求項５に記載のダイカスト鋳造装置。
- さらに、前記溶湯注入口下流の前記ショットスリーブに内設したプラグであって、プランジャ移動によって前記ショットスリーブを通過して前記ダイキャビティに向かって移動する前記プラグを含むことを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記第１ダイと前記第２ダイの内の一方のダイが、前記溶融金属又は合金を前記ダイキャビティ中に注入するときに前記プラグを受け入れるチャンバを含むことを特徴とする、請求項７に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記ショットスリーブと前記プランジャは、鉄を主成分とする材料と、耐火性材料と、セラミック材料と、これらの組み合わせと、から成るグループから選択した材料から成ることを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記プランジャが使い捨てプランジャチップを含むことを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記プランジャチップは銅を主成分とする合金から成ることを特徴とする、請求項１１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記第１ダイと前記第２ダイの内の少なくとも一方のダイと、前記ショットスリーブと、の温度を抑制する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- 前記容器を固定ダイプラテンに近設したことを特徴とする、請求項１に記載のダイカスト鋳造装置。
- ａ）外界中に設けた各ダイによって区画されるダイキャビティにショットスリーブで連通させたバキュームチャンバ中にて反応性金属又は合金を溶融させ、ｂ）前記ダイキャビティを前記各ダイ間の一つ以上のバキュームシールで外気環境から遮断させながら、前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して減圧し、ｃ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約４０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金をプランジャ前方の前記ショットスリーブ中に導入し、ｄ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記反応性溶融金属又は合金を前記密封減圧済みダイキャビティ中に注入し、ｅ）前記密封済みダイを開いてダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする、反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記反応性金属又は合金が、チタンと、チタン合金と、超合金と、ステンレス鋼と、とから成るグループから選ばれたものであることを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記ダイカスト鋳造部品を前記各ダイから取り出した後に焼入れ媒体中に焼入れする別のステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶融済み反応性溶融金属又は合金を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記溶融金属又は合金の導入前に前記プランジャ前方の前記ショットスリーブ中にプラグを設けるとともに、前記プラグと前記プランジャの間の前記溶融金属又は合金で前記プラグを前記各ダイに向かって進行させることを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記ダイキャビティ中の前記溶融金属又は合金の注入を干渉しないように前記各ダイの内の一方のダイ中に形成したチャンバ中に前記プラグを進行させることを特徴とする、請求項１９に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記反応性金属又は合金を、酸素に反応しやすいチタンとチタン基合金から選ぶ場合に前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを１０００ミクロン未満まで減圧することを特徴とする、請求項１４に記載の反応性金属又は合金のダイカスト鋳造方法。
- ａ）溶湯を形成すべく、ショットスリーブでダイキャビティに連通させたバキュームチャンバ中にチタン又はチタン合金を溶融するとともに、前記各ダイ間のバキュームシール手段で前記ダイキャビティを外気環境から密封しながら前記バキュームチャンバと前記ダイキャビティを前記ショットスリーブを介して１０００ミクロン未満まで減圧し、ｂ）前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約２０％未満の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入し、ｃ）ダイカスト鋳造部品を形成すべく前記プランジャを前記ダイキャビティに向かって進行させて前記溶湯を前記密封減圧済みダイキャビティ中に圧力注入し、ｄ）前記各ダイを開いて前記ダイカスト鋳造部品を前記ダイキャビティからそのまま外気環境に取り出す、ことから成ることを特徴とする、チタン又はチタン合金のダイカスト鋳造方法。
- 前記ショットスリーブの有効内部容積の容積比約８％乃至約１５％の量の前記溶湯を前記ショットスリーブ中に導入することを特徴とする、請求項２２に記載のチタン又はチタン合金のダイカスト鋳造方法。
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