JPH1052733A - ベリリウム合金の鋳造方法及びそれらのモールドと中子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶湯鋳造時にベリリウム合金、特にベリリウ
ム−アルミニウム合金が、中子とモールドとを形成する
材料と反応し且つ腐食することが分かった。 【解決手段】 選択した被膜は、溶融合金を鋳造すると
きに、中子（必要であればモールド）材料を保護するこ
とが分かった。重量で約２０〜８０％のベリリウムを有
するベリリウム−アルミニウム合金が特に注目される。
中子は金属またはセラミック、特にステンレス鋼または
シリカ系セラミックから作られる。被膜は、鋳造の際に
溶融合金に対してそのような中子を安定させ且つ保護す
ることが分かり、酸化物、硼化物、窒化物及びサーメッ
トから選択され含有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ベリリウム合金、特にベリリ
ウム−アルミニウム合金の鋳造物を準備するにおいて、
多くの合金が中子（及び、ある場合にはモールド）材料
と反応的であり、中子の劣化と品位の劣る鋳造品とをも
たらすことが分かった。鋳造工程の際に中子（モール
ド）に悪影響を与える反応を十分に押さえられる被膜を
選択し、中子（及び、必要であるならばモールド）を保
護すること可能であることが分かった。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金及びマグネシウム合金
の鋳造物は、軽量、良好な耐食性及び適度の強度を重要
とする種々の適用に対して、望ましい性質を有する。こ
れらの金属の種々の合金は強度及び高温特性を改良する
ために開発された。ある種のベリリウム合金、特にベリ
リウム−アルミニウム合金は、所望の性質の組合せを付
与する高靭性、低密度及び高融点を備える。これらの合
金の鋳造の際に、これらの合金の高鋳造温度と腐食性に
より、実質的に許容しえない中子の劣化、ならびに、冶
金学的に劣る鋳造物完全性を生じせいめられることが分
かった。鋳造合金及び中子から形成される反応生成物は
鋳造中に有害な欠陥を生じる。

【０００３】ベリリウム−アルミニウム合金は鋳造する
ことが困難であり、相互不溶性と広い凝固温度が過度の
微孔質をもたらし 且つ粗い顕微鏡組織が強度と延性と
の低下をもたらす。これらの影響を減少するために、種
々の三元、四元及びさらに多元系の合金が開発され、珪
素、銅、ニッケルまたはコバルトのような添加物を含有
させる。代わりに或いは付加的に粉末冶金法がこれらの
合金に適用され、これらの困難を削減しようとした。し
かしながら、溶湯を鋳造する際に、中子（及びあるモー
ルド）材料との反応性問題が多元系の合金にいまだ存在
する。典型的な３元及びさらに多元系の合金が、１９９
５年５月２３日の米国特許第５，４１７，７７８号、１
９９５年６月６日の米国特許第５，４２１，９１６号に
記載され、双方はNachtrab等に発行された。Grensing等
の１９９５年１０月１２日の出願番号ＰＣＴ／ＷＯ９５
／２７０８８号には、ベリリウムを含有するあるアルミ
ニウム合金及びこれらの合金の成形と焼き流し精密鋳造
とが開示される。

【０００４】鋳造中に、これらの溶湯合金の影響に耐え
ることができる中子を作ることが望まれ、高品質の鋳物
が得られ且つ離型が可能であり、場合によって、その中
子を再利用することが望まれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】鋳造工程の間に実質的
に不活性または非反応性にするために選択した被膜をこ
の中子（及び任意にモールド）に塗布することによっ
て、中子材料（及び影響を受けやすいモールド材料）を
ベリリウム合金の溶湯鋳造の間に保護しうることが分か
った。実質的に不活性または非反応性であるとは、鋳造
工程中に、有害な影響を及ぼすために中子または鋳物の
いずれかと反応しないことを意味する。

【０００６】本発明の目的は、溶融合金と著しい反応性
があるベリリウム合金を鋳造する方法において、モール
ド材料または中子材料の改良を提供すること、すなわ
ち、鋳造工程中に実質的に非反応性にするために選択さ
れる保護被膜で被覆したモールドまたは中子の少なくと
も一つを使用することを含む。さらに本発明は、ベリリ
ウム合金を鋳造するために、成型したモールド(shaped
mold) または中子またはその組合せを含み、このモール
ド及び／または中子は、鋳造工程を通して、鋳物となる
ベリリウム合金と実質的に非反応性にするために選択し
た保護被膜を有する。

【０００７】さらに特別に、本発明は、重量で約２０〜
約８０％のベリリウムを含むベリリウム−アルミニウム
合金の鋳造方法、すなわち、所望の形状を生産する鋳造
モールド及び少なくとも一つの中子を備えること、合金
と不活性にするために選択した酸化物、硼化物、窒化物
及びサーメットからなる群の少なくとも１種で中子及び
任意にモールドを被覆すること、溶融中に合金をモール
ド内に及び中子の周囲に鋳造すること、モールドを冷却
及び取り外しをすること、及び鋳造部品を回収すること
を含んでなる。

【０００８】場合によって、このモールドはさらに鋳物
を形成するために使用することができる。中子が鋳物か
ら無傷のままで取り外された場合は、中子も再利用する
ことができる。幾つかの中子の被膜は、中子取り外しを
容易する離型剤として役立つことができる。本発明のも
う一つの目的は、ベリリウム合金を鋳造する方法を提供
することであり、溶湯金属と接触して反応するモールド
表面が中子表面と同様に被覆されることである。この利
点は、溶湯金属との反応性が低下し且つ鋳造物品位を改
良する。好ましい実施態様は、被膜が保護バリアーと同
様に離型剤としも役立ち、すなわち、モールドと中子と
の双方の取り外しを容易にする 離型剤特性のあることが分かったこれらの被膜は、Ｍｇ
Ｏ、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＮ及びＡｌ₂ Ｏ₃ である。組合せと
して特に好ましい保護化学バリヤー被膜を加えた離型剤
は、ＺｒＯ₂ またはＡｌ₂ Ｏ₃ である。

【０００９】好ましくは、ベリリウム合金は、重量で約
２０〜約８０％のベリリウムを含有するベリリウム−ア
ルミニウム合金であり、顕微鏡組織と強度と延性とを改
良するために添加物を含有する。さらに好ましくは、こ
の合金は約５０〜約７０％のベリリウムを含有すること
ができる。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】鋳
造合金は重量で約８０％までのベリリウムを含有するこ
とがでる。鋳造容易なベリリウム合金は、重量で約２０
〜約８０％のベリリウム、重量で約２０〜約７５％のア
ルミニウム、及び残部は珪素、銀、マグネシウム、銅、
ニッケル、コバルトから選択した添加物、及び不純物を
含有する合金である。これらの合金の全ては、約１１５
０℃（ベリリウムは１２７７℃で溶融する）を越える温
度で溶融する。

【００１１】溶融ベリリウム合金を包含する鋳造技術、
及び、反応し易いモールドまたは中子は、本発明によっ
て解決することができ、焼き流し精密鋳造(investment
casting)、成型鋳造(shape casting) 、砂型鋳造、永久
モールド及び型鋳造を包含する。一般的に真空または不
活性ガスの雰囲気（例えば、アルゴン、ヘリウム）が鋳
造中保持される。

【００１２】このように鋳造技術に用いられる一般のモ
ールド材料は、砂を加えたバインダー、アルミナ（バイ
ンダーとともに）のようなセラミック、シリカ、アルミ
ナ−シリケート混合物、ジルコン、珪酸ナトリウム及び
珪酸カリウム、ジルコニア（バインダーとともに）、石
膏、グラファイト、及びマグネシウム／鉄シリケートを
含む。モールドを成型する既知の方法のいずれも使用で
きる。多くのこれらのモールド材料が溶融ベリリウム合
金と反応し且つ反応を防止するために中子と同様に被覆
することができる。

【００１３】中子は、ａ）鋳造温度を越える温度で溶融
する適切な金属（または合金）、ｂ）適切なセラミック
であり、例えばアルミナ／バインダーまたはシリカ系セ
ラミック、及び、ｃ）それらの混合物で作ることができ
る。このような混合物は、例えば、ステンレス鋼＋シリ
カ系セラミック、チタニウム＋Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋バインダ
ー、及び混合セラミックを包含する。しばしば、アルミ
ナが所定形状のバインダーとともに使用され、且つバイ
ンダーは溶融合金と反応的であることが分かった。中子
を作るのに有効な金属の例は、種々のステンレス鋼の例
えば３０４、３１６及び３２１、チタニウム及びＴｉ６
Ａｌ４ＶのようなＴｉ基合金、ニッケル及びＩＮ−１０
０のようなＮｉ基合金である。鋳造中この中子は、ベリ
リウム合金と反応することが分かった。

【００１４】中子本体は既知の冶金学的技術（金属の場
合）、またはセラミックモールド技術（セラミック及び
混合物の場合）によって形成することができる。中子は
中空にすることができ、例えば、金属チューブまたはス
リップ鋳込み焼成セラミック(slip-cast fired ceramic
s)のようなものであるか、或いは、実質的に中実であ
る、例えば、金属棒または焼結したセラミック粉末のよ
うなものである。中子を仕上がった部品から取り外す場
合は、中子材料が化学的に溶解容易にするかまたは機械
的に破壊容易にする必要がある。これらの機械的離型処
理は、振動、ドリル穿孔、摩耗、及び／または研磨を包
含する。方法に依存して、残留中子被膜材料は損傷なし
に鋳造中に残留することができる。また、保護被膜が離
型剤として作用するならば、ユニットまたはいくつかの
部品にして中子を取り出すことも可能である。

【００１５】選択された被膜は、鋳造する間に実質的に
非反応性であり、且つ溶融ベリリウム合金からモールド
及び／または中子を保護することが可能であることが分
かった。被膜としては、酸化物は例えば、アルミナ、マ
グネシア、ベリリア、トリア、タイタニア及びジルコニ
アであり、硼化物は例えば、硼化ベリリウム、硼化アル
ミニウム及び硼化チタニウムであり、並びに、窒化物は
例えば、窒化ベリリウム、窒化ボロン、窒化アルミニウ
ム及び窒化チタニウムである。サーメットも使用するこ
とができ、例えば、Ｂｅ＋ベリリア、Ｂｅ＋アルミナ、
Ｂｅ＋ジルコニア、Ｍｏ＋アルミナ、Ｔａ＋アルミナ及
びＴａ＋ジルコニアである。金属間酸化物または硼化物
または窒化物またはサーメットも使用することができ、
例えば、Ｂｅ−Ｔｉ硼化物、Ｂｅ−Ａｌ窒化物、ベリリ
ア−ジルコニア、アルミナ−トリアである。

【００１６】被膜が、適切ないずれかの技術、例えばプ
ラズマスプレー、蒸着、浸漬、電着、中子本体周囲の射
出、ブラッシング、スプレー、含浸、メッキ、及び、流
れまたは重力またはカスケード被覆によって中子上に形
成され。蒸発温度、溶融温度及び焼成温度は、必要とす
る被膜形成中に達成される。被膜厚さは、全鋳造工程の
あいだ有効な拡散バリヤーを構成するために選択する必
要がある。一般に厚さは、約２０〜１０００ミクロン、
好ましくは約５０〜２００ミクロンの範囲内にある。多
層被膜を用いることができ、例えば、ＺｒＯ ₂ の下にＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 及びＴｉＯ₂ の下にＡｌ₂ Ｏ₃ を含む。

【００１７】好ましい被膜は、約５０〜１００ミクロン
の厚さを有するプラズマスプレーまたは物理蒸着したア
ルミナである。他の好ましい被膜はＺｒＯ₂ である。鋳
造製品は、滑らかで欠陥のない細部通路、ポケット及び
キャビティーのような形状に改良されることが分かった
（これらの被覆されたモールド及び／または中子を使用
した場合）。

【００１８】完全に離型できるならば、被覆したモール
ド及び中子は再利用することができる。必要であるなら
ば被膜層が再被覆される。次の実施例は典型的説明であ
り、限定または完全を意図するものでない。

【００１９】

【実施例】

実施例１ ステンレス鋼チューブ（３２１）から構成される中子
は，１００μｍの厚さのＡｌ₂ Ｏ₃ でプラズマコートさ
れた。焼き流し精密鋳造(investment casting)の業界で
既知の技術を使用することにより、中子をセラミックシ
ェルモールドの内部キャビティー内側に配置した。セラ
ミックシェルを９００℃〜１２５０℃（好ましくは１２
００℃〜１２５０℃）の範囲に予備加熱し、その後１２
００〜１４７０℃（好ましくは１４００℃〜１４５０
℃）の範囲の溶融アルミニウム−ベリリウム４０：６０
合金が鋳湯され、内部キャビティーすなわちＡｌ₂ Ｏ₃
で被覆されたチューブ周囲を充填した。鋳造及び冷却の
間は、アルゴンガス雰囲気が保持された。鋳造品が冷却
されると、この鋳造品はアルミニウム鋳造品及びマグネ
シウム鋳造品の通常の製品と同様の状態に洗浄されて提
供された。Ａｌ₂ Ｏ₃ で被覆されたチューブは、この溶
湯合金に耐性があり且つ非常に高品位の鋳造品が得られ
ることが分かった。 実施例２ 中子をセラミックスラリー（酸化ベリリウムの水系スラ
リー）に浸漬して被覆し引き続き焼成したことを除き、
全ての方法は実施例１と同様であった。ベリリアが被覆
されたチューブは、この溶融合金に対して耐性があり且
つ高品位の鋳造品を生じることが分かった。 実施例３ 中子がチタニウム基金属のチューブで作られ且つプラズ
マスプレーによって硼化アルミニウムを被覆したことを
除き、全ての方法は実施例１と同様であった。硼化物が
被覆されたチューブはこの溶湯合金に対して耐性があり
且つ高品位の鋳造品が得られることが分かった。 実施例４ 被膜はトリア(thotia)をプラズマスプレーしたことを除
き、全ての方法は実施例１と同様であった。高品位の鋳
造品が得られた。 実施例５ 被膜をアルミナ−ジルコニアで蒸着したことを除き、全
ての方法は実施例１と同様であった。アルミナ−ジルコ
ニアで被覆した中子が、この溶湯合金に対して耐性があ
り且つ高品位の鋳造品が得られることが判明した。 実施例６ 実施例１の方法が、セラミックシェルモールドを溶湯合
金で曝される全表面に１００μｍのプラズマスプレーア
ルミナで被覆したことを除き繰り返された。モールド及
び中子が取り除かれたときに非常に高品位の鋳造品が得
られた。 実施例７ ＳｉＯ₂ 基セラミック中子を厚さ５０μｍのＡｌ₂ Ｏ₃
で被覆した。確実で化学的に不活性なバリヤーを作るプ
ラズマスプレーが、層を設けるために使用された。被覆
されたセラミック中子は、焼き流し精密鋳造するセラミ
ックシェルの内部キャビティー内に配置されるので、中
子部品が鋳造物に曝される。セラミックシェルは９００
℃〜１２５０℃の範囲に予備加熱され、その後１２００
〜１４５０℃の範囲の温度で６５％ベリリウムの溶融ア
ルミニウム−ベリリウム合金がシェルに鋳湯され、内部
キャビティーすなわちＡｌ₂ Ｏ₃ を被覆したチューブ周
囲に充填された。鋳造品が冷却されると、この鋳造品は
既知のアルミニウム鋳造品及びマグネシウム鋳造製品と
同様の状態で冷却され提供された。その後、曝されたセ
ラミック中子は、硼化水素酸の溶液中で濾過することに
よって取り除かれた。非常に高品位の鋳造品が得られ
た。 実施例８ 被膜がマグネシアをプラズマスプレーしたことを除き、
全ての方法は実施例７と同様であった。マグネシアを被
覆した中子は溶湯合金に対し耐性があり、高品位の鋳造
品が生産された。 実施例９ 中子被膜が、次のセラミック、ＴｈＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、Ｍ
ｇＯ、ＴｉＯ₂ 、ＡｌＮ、ＢｅＮ、ＢＮ、ＴｉＮから作
られていることを除き、方法は実施例７と同じであっ
た。各々の場合において、被覆された中子は溶融された
合金に対し耐性があり、高品位の鋳造品が生産された。 実施例１０ 被膜が、異なるセラミック材料のアルミナ及びジルコニ
アの少なくとも２つの層から作られることを除き、方法
は実施例７と同じである。優れた品位の鋳造品が得られ
た。 実施例１１ 被膜が、サーメットＢｅ＋アルミナから作られているこ
とを除き、方法は実施例７と同じであった。優れた品位
の鋳造品が得られた。

【００２０】本発明の実施態様を上記に説明したが、そ
れらに限定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の
改良がなされ、それらは発明の詳細な説明及び請求の範
囲、趣旨及び本質から離脱するものでない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリッツ グレンシング アメリカ合衆国，オハイオ 43551，ペリ ースバーグ，インディアン ウェルズ レ ーン 632 (72)発明者 ロバート トムバリー カナダ国，ケベック エイチ９ビー ２ピ ー９，ドラール デ オルモー，ヒルトン ドライブ 153 (72)発明者 スティーブン ケナークネクト カナダ国，ケベック エイチ７アール １ ビー３，ラバル シュル ル ラク，レ エラブル 629

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モールド材料または中子材料とが有意性
   の範囲で溶融ベリリウム合金と反応的であるベリリウム
   合金の鋳造方法であって、 鋳造工程の間に実質的に非反応性にするために選択した
   保護被膜を有するモールド及び中子の少なくとも一つを
   利用するベリリウム合金の鋳造方法。
2. 【請求項２】 前記合金が重量で約８０％までの前記モ
   ールド材料並びに前記中子材料と反応せしめるに充分な
   ベリリウムを含む請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記中子が、金属、セラミック及びそれ
   らの混合物からなる群から選択した材料で形成され、溶
   融金属と反応的であり且つ鋳造温度で固体である請求項
   １記載の方法。
4. 【請求項４】 前記被膜が、酸化物、硼化物、窒化物及
   びそれらの混合物を含んでなる群から選択した材料で形
   成され、溶融した前記合金の温度で固体である請求項１
   記載の方法。
5. 【請求項５】 前記中子材料がステンレス鋼またはシリ
   カ系セラミックを含んでなり、且つ前記被膜の材料がア
   ルミナ、酸化ベリリウム、酸化トリウム、酸化マグネシ
   ウム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウムまたは前記酸
   化物の少なくとも２種の混合物を含んでなる請求項１記
   載の方法。
6. 【請求項６】 ベリリウム合金の鋳造方法用の成型した
   モールドまたは中子であって、 前記モールドまたは中子が、前記合金と反応的であり、
   且つ鋳造温度で鋳造される前記合金と実質的に非反応性
   にするために選択した保護被膜を有するモールドまたは
   中子。
7. 【請求項７】 前記中子材料が、ステンレス鋼、チタニ
   ウム、Ｔｉ基合金、ニッケル及びＮｉ基合金から選択し
   た金属を含んでなる請求項６記載の中子。
8. 【請求項８】 前記中子の材料が、シリカ系セラミック
   から選択したセラミックを含んでなる請求項６記載の中
   子。
9. 【請求項９】 前記被膜が、前記溶融ベリリウム合金温
   度で固体である酸化物、硼化物、窒化物またはサーメッ
   トを含んでなる請求項６記載のモールドまたは中子。
10. 【請求項１０】 前記被膜が、アルミナ、酸化ベリリウ
    ム、酸化トリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウ
    ム、及び酸化マグネシウムの少なくとも１種を含んでな
    る請求項９記載のモールドまたは中子。
11. 【請求項１１】 硼素または窒素の金属間化合物を含ん
    でなる請求項９記載のモールドまたは中子。
12. 【請求項１２】 請求項６のモールドと中子とのユニッ
    トとしての組合せ。
13. 【請求項１３】 前記合金に対し露出されるモールドと
    中子との双方の表面が前記保護被膜で被覆される請求項
    １２記載の組合せ。
14. 【請求項１４】 重量で約２０〜約８０％のベリリウム
    を有するベリリウム−アルミニウム合金を鋳造する方法
    であって、 所定形状を得る鋳造モールドと少なくとも一つの中子を
    準備し、 前記溶融金属と不活性にするために選択した酸化物、硼
    化物、窒化物及びサーメットから成る群から少なくとも
    １種で前記中子及び任意に前記モールドを被覆し、 溶融中に前記合金を前記モールド及び前記中子周囲に鋳
    造し、且つ前記モールドと任意に前記中子とを冷却して
    取り除き、且つ鋳造部品を回収することを含んでなるベ
    リリウム−アルミニウム合金を鋳造する方法。
15. 【請求項１５】 前記モールドと前記中子とを回収して
    任意に再被覆し、且つ前記鋳造工程に再び戻して使用
    し、さらに鋳物を形成する請求項１４記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記溶融合金に対し露出される前記モ
    ールドの表面が前記溶融合金と反応性があり、且つ鋳造
    以前に前記中子と同様に被覆される請求項１４記載の方
    法。
17. 【請求項１７】 前記被膜は離型剤効果をも有するもの
    に選択される請求項１４記載の方法。