JPS61501014A - 真空鋳造法とそのための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属の堝造、特に粒子の細かいインゴットを鋳造するための方法と゛ 装置に係る。

連続鋳造法によりインゴットを製造することは、従来技術で周仰である。一般的 に、連続鋳造法はモールドを用いている。このモールドは、冷却される外壁と、 移動可能な底またはプラグを備えている。溶融金属は、真空包囲体内にあるモー ルドに上部から注ぎ込まれる。金属は固化しながらプラグによって下向きに引き 抜かれ、また同時にモールド内に上部から溶融金属が補給のために注ぎ込まれる 。

この形式の連続鋳造法では、インゴットからの熱損失が、主に冷却されるモール ド壁からと、インゴットの固化した部分を通じて下向き（・て生じている。新た に注入されたインゴット内の溶融金属は、比較的ゆっくりした速度で固まってゆ く５例えば、典型的な例では、インゴットの中央区域にて毎分当たり概ねイ。イ ンチ（２，５順）よりゆっくりした速度で、液体一固体の境界層の移動が生じて いる。多くの材料、とりわけ複合材料の合金では、比較的ゆっくりした固化速度 に滲って結晶核の間隔の大きい樹枝状結晶が生長し、でた棗枝状結晶板の間の領 域で各種の合金成分が大きく分離してしまう。

前述した樹板状結晶と分離についての欠点を持つ従来の鋳造インゴットは、例え ば、圧延や鍛造等の機械的な熱間刀ロ工作業に晒す以前に２４から３６時間の間 、合金の固相線温度より僅かに低い温度で加熱するのが普通である。それでも、 多くの複合的な合金からなる従来の鋳造インゴットを熱間刀ロエすると、表面に 割れ目が多く発生して、これらインゴットの一部には加工できなくなるものがあ る。

従来技術で周知の連続鋳造法に伴なう他の問題点には、インゴットの鋳造に際し て当該インゴットの側壁にできる裂は目がある。インゴットの側壁の領域を充分 に冷却しないで、モールド内でインゴットを下げる場合、裂は目、いわゆる高温 割れが、インゴットとモールドとの間の摩擦力によって生じる。はとんどの場合 、高温割れにより、後続してインゴットを刀ロエする必要があっても、加工に不 向きな側壁となってしまう。

高温割れと分離の問題を少なくした、インゴットを製造する多くの鋳造技術が提 案されてきている。特に、圧延や鍛造等に適した高品質で超高強度のインゴット を製造する、新しい幾つかの技術が提案されてぎている。米国特許第３，７０９ ，２８４号は、鋳造中にインゴットの上部と水冷ラムまたはプラグが定期的に接 触して、インゴットを当該インゴットの上側表面から冷却する、連続鋳造法を明 らかにしている。この方法は、新たに注ぎ込まれる箇々の溶融金属層に冷却プラ グを接触させている。

前記層は、約ｚ６　インチ（１，６龍）の厚みを備えることができる。電子ビー ム乃口熱を使って、固化作業の間にインゴットの上側表面をフロ熱し、連続する 層の間を良好に接着することができる。

プラグが新たに注ぎ込まれる溶融金属の上側表面に繰り返して接触すると、表面 の汚染被覆、または溶融合金の金属蒸気からできた堆積物がこのプラグに付着し だす。

プラグに付着した被覆は、合金そのものの組成とは異なった組成を備えているた め、プラグを定期的に掃除して汚れが溶融しているインゴットに入らないように しなければならない。プラグ表面を清潔にしておく必要があるため、操作が面倒 で経費が嵩む。プラグには蒸気被覆が全く付かないようにしておかなければ、イ ンゴットの汚染は避けられない。従って、この方法は強度の高いスチールや清潔 にしておく必要のない他の合金に特に適している。

比較的同一な粒子のインゴット（−製造するために提案されてきた別の方法では 、真空アーク溶融法によって加熱された消耗可能な一対の電極から、部分的に溶 融した材料を回転モールド内に形成されている中央上側表面に落下させている。

部分的に溶融している落下物が、回転モールドの中心位置でインゴットの表面に 衝突すると、この落下物は薄い層に飛散し、インゴットの上側全面を覆うように なっている。

回転モールド法により作られたインゴットは、典型的にはＡ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　３〜 ４を越える細かい粒子サイズを備えていない。インゴット上に落下するフロ熱さ れた材料は、決して液相線温度に到達しない。従ってインゴット表面層する薄い 層は、固化していくインゴット内に大型の粒子を形成する核となる。溶融してい ない固形粒子を含有している。またこの方法にめられる高い回転速度のために、 装置を一層機械的に複雑にしてしまう。

細かい結晶粒子構造を持つ超高強度の合金は、粉末冶金法により製造することも できる。粉末合金は、従来のホットプレス技術によってビレットと同等のものに 加工することができる。またそうしたビレットは、優れた機械特性を示す鍛造部 品に刀ロエすることができる。しかしながら、粉末冶金法に一般に粉体を用いる ために比較的ａ＜、結果的に材料コストが高い。さらに、汚れた部分が剥げて粉 体を汚染してしぽうのを防ぐことが困難である。

本発明の主要な目的は、粒子が細刀・〈強度の犬ぎい合金インゴットを製造する ための改良された方法と装置を提供することである。

より具体的な本発明の目的は、事前に充分にインゴットを加熱処理しておく必要 のない、直接熱化圧延または鍛造することのできる強度の犬Ｊい鉄かニッケルか またはコバルトを主成分とするインゴットを製造するための、方法と装置を提供 することにある。

本発明に関係した目的に、約ＡＳＴＭ５ｙｊχら７の間の結晶粒子サイズを持つ ような、インゴットを製造するたのの方法と装置を提供することにある。

本発明の他の目的は比較的大きい直径、すなわち６から８インチ（１５ｍ〜２０ ａｎ）より実質的に大きい直径のインゴットを製造するための方法と装置を提供 することにある。

本発明のさらに他の目的は、中空の内側部分を持つインゴットを製造するための 方法と装置を提供することにある。

本発明のその他の目的はそうした方法と装置により強度の犬ぎい鉄かニッケルか またはコバルトを主成分とするインゴットを作ることにある。このインゴットａ 、当該インゴットの縦方向軸線を横切る切断面で見て、約Ａ　ＳＴＭ５刀１ら７ の間の粒子サイズを備え、またこのインゴットの縦万同＠線に平行して約１ｍｍ から２０ｙ＋ｘの範囲の長さの長細い粒子からできている。

本発明の方法によれば、供給原料ステインクを溶融して溶融金属の連続する流れ かまたは完全に溶融した一連の滴下物が形成される。金属は形成されているイン ゴットの上側表面に落下し、インゴットの上側全面より実質的に小さい表面部分 を覆うようになっている。モールドは供給原料スティックに対し横方向に移動さ れ、従って溶融金属はインゴットの上側表面の異なった部分に衝突するようにな る。インゴットの上側表面の衝突区域が、合金の同相総温度に等しいかまたはこ の温度より低く、しかも冶金学的す擬着の生じる温度より高ぐなるように、溶解 速度が設定されている。

本発明の装置は、供給原料スティックを保持するための支持体と、スティックを フロ熱するための電子ビームと、支持体に対し横方向に移動することのできるイ ンゴットモールドとを備えている。

本発明のこれらの目的並びに他の目的は、添付図面に沿った本発明の以下の詳細 な説明を通読すれば一層明ら第１図は、本発明の方法を実施する際に用いる、本 発明により構成された高真空滴下鋳造装置の概略断面図である。

第２図は、第１図の２−２綴にほぼ沿った、装置のモールドの断面図にして、イ ンゴット表面層を形成している途中の、モールド内にあるインゴットの上側表面 を示している。

第３図は、第２図の３−３線にほぼ沿つ１こ断面図にして、形成さｎているイン ゴットの重なり合つ１こ連続層を図示している。

第４図は、中空の円筒状の内側部分を待つインゴットを形成するために使用した 、内側湾曲壁部材を第１図のモールドに装備しである、装置の変更例を示しであ る。

発明の詳細な説明 第１図は、本発明に係る細かい粒子の合金インゴットを形成するための装置１０ を概略的に示している。装置１０は真空密到慢い里１こは炉１２を・槓えて“ハ る。０の覆いまたは炉１２ぽ、例えばポンプ１４等の１つまたはそれ以上の真空 ポンプにより、好ましくは約１０−’）ル以下の所望の圧力まで空気抜きするこ とができる。

装置の供給啄料叉待体１６は、下側九の一部が図面に示されている供給原料ステ ィック１８を支持するようｉてなっている。フロ熱されたスティックの下側端が インゴットの製造中に消耗していくにつれ、図面で見て下向きの方向にスティッ クを送り出すように構成されている。好ましくは、支持体は成形されているイン ゴットの上側表面の上方約４から１２インチ（１０〜３０　ｃｍ　）の間の垂直 距離にわたって、スティックの下側端を突き出すように構成されている。また支 持体は、一点鎖線１９で示すように、スティックを垂直方向の中央細線の廻りで 回転するように構成されている。

ガフ２０等の１つまたほそれ以上の電子ビームガンが供給原料スティックの下側 端を溶融するために設けられている。自己フロ速または動作加速形式の何れか一 方の形式の電子ガンを用いることができる。またこの電子ガンは、支持体１６に 対する所望の位置にビームを向ける調節運動を行なえるように、覆いに取り付け ることができる。ビームの磁界偏向を用いて支持体１６に対するビームの位置を 調節することもできる。磁界偏向手段は、西独ハノウ市にあるレイボルドーヘラ ウス社（Ｌｇｙｂｏｌｄ−Ｈｅｒａｅｕｓ　ｏｆ　ＨａｎａｌＬ、Ｗｅｓｔ　Ｇ ｅｒｍａｎｙ　）、および東独ドレスデフ市にあるフオ／アルデ／イ／スチ千ニ ート社（ｔｈｅ　Ｖａｎ　Ａｒｄｅｎｅ　Ｉｎ、５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｄｒｅ ｓｄｅｎ、ＥａｓｔＧｅｒｍｔｘルｙ〕から市販されているような、電子ガンの 購造体内に組み込まれている。

装置１０の連続チ造モールド２２は円筒状ハウジング２４を備えている。この円 筒状・・ウジフグは、当該円筒状ハウジングの壁に冷媒通路２５を備えていて、 適当な冷媒を循還させてモールドに溜するｐＡを取り除けるようになっている。

適当な材料でできた水冷プラグ２６がハウジングの内側に設けられ、モールド内 に形成されたインゴットの下側支持体を構成している。このプラグはプレート２ ８で支持されている。前記プレートに、ロッド３０を介して従来の液圧シリンダ ３４のピストン３２に連結てれている。プラグ２６の垂直刃同位置は、／す／タ ー３４を過当に液圧制御することにより手軽に調節される。シリンダ３４は、当 該／リンダの上側端がモールドハウジング内にある下側ベース３６に強固に取り 付けられ、ロッド３０がベースに設けた中央開口に宿動５Ｔ能に受け入れられて いる。もちろんのこと、ボールスクリニー駆動装置等の他の制御手段を用いてプ レート２８を配置することもできる。

本発明の重要な特徴によれば、装置１０にモールド２２と支持体１６との間を相 対運動できるようにする手段を備えている。この相対運動により、加熱された供 給原料スティックｙ）ｈら落ちる溶融金属が、モールド内に形成されているイン ゴットの上側表面の各位置に後述のよってして落下させることができる。装置１ ０の運動手段は台車３８を備えている。この台車３８に、（モールドハウジング ２４を備えていて且つシリンダ３４に取り付けらｎた）モールド２２がモールド の垂直方向の軸線の廻りで回転できるように取り付けられている。また装置１０ の運動手段は台車３８を取り付ける、全体を４０で示した台車取り付ｉ′ｊｓ造 体を備え、図面中の矢印４１で表わしγこ方向に台車を往復運動させることがで きる。

台車３８は外側支持部材４２を備えている。この外側支持部材は、購遺体４０で 支えられて２つ、また台車の内側円形ベアリング表面４４を形成している。台車 には部材４２の内側ベアリング表面の内部に、ベアリングボール４８を介して内 側環状部材４６が取り付けられ、モールド２２の中央＝ｉに一致する垂直方向の 中央＠線の廻りで部材４２に対し口伝運動することができる。後述する目的のた めに、適当な液圧装置（図示せず）を操作して、内側部材４６を外側部材４２に 対し選獣的な速度で回転させることができる。

モールド２２のうちでも待に／す／ダ３４￥′ｉ、部材４６の中央開口に強固に 取り付けられ、図面の一点鎖線４９で示したモールドの垂直方向の軸線の廻りで 当該部材４６と共に回転することができる。ハウジング２４と、この・・ウジフ グ２４内で垂直方向に賂動することのできるプラグ２６とを備えている前述し１ こモールドは、内側部材４６と共に一部ユニットとして回転される。

取り付は講造体４０Ｖ−ｊ概ね、軌道５０等の一対の平行な軌道を備えている。

この軌道は、覆い１２に取り付けられていて、当該覆いの両側の壁の間に位置し ている。

台車３８のうちでも特に外側部材４２ば、ボール５１等のローラボールあるいは これに類似したものを介して軌道上に支持され、軌道に沿って移動することがで きる。

ローラボールは、部材４２の下側表面と取り付は講造体の軌道とに形成されてい る適当な溝に嵌まっている。軌道５０の溝５３が第１図に示されている。一部が 軌道の下側に位置しているシリンダ３４は、取り付は得造体４ｏにある２つの軌 道の間に配置されている。

台車とこの台車に取り付けられたモールドとを図面で見て左右に選択的に動かす ための移動手段が、第２の液圧シリンダ５２により投げられている。この第２の 液圧シリンダ５２ば、図示のように糧いの一方の壁に取り付げられ、ロッド５４ を介して白亜に連結さｎている。図解上の便宜のために装置は、モールドの中心 軸線と内側壁との間の半径方向距離を測定して、６インチ（１５０ｎ）のモール ド半径を狩つものと想定されている。シリンダが第１図に示すように弓１き込ヱ れた位置にあれば、モールドは図示のようにドリップ軸線１９つ）ら半径方向距 離ｒにわたってずれた中央’Ｊｌ　線４９　Ｋ位置している。二を１イ／すまた は２．５ｃｒ＋＋に等しく想定した理由は、以下の説明から明らかである。シリ ンダ５２が中程１で押し出丁と、モールドは図中の左方向に距離２Ｉ（２インチ ま１こＶ′ｉ５　ｃｍ　）にわたって移動し、ドリップ軸線１９がモールドの中 心＠線から半径方向距離３二（３インチまたは７．５ｃｎ）Ｍれた位置まで移動 する。／す／ダが完全に延びきった位置まで移動すると、モールド２０）づらに 距離２二にわたって図中の左側に運び、ドリップ軸線１つがモールドの中・し・ ＠耐から半径方向外側５ｒ（５インチ＝たは１２．５ｃｍ）＠れた位置まで移動 する。

第１図に示した装置１０は、その他にも第２の電子ガンを備えている。この電子 ガフ５６は、モールド２２で形成されているインゴットの上側表面を電子ビーム 加熱する働きをすることができる。電子ガン装置におけるガン５６等の１つまた に１つ以上の電子ガンに、前述したガ／２０とほぼ同一であり、形成しているイ ンゴットの上側表面を電子ビーム走査するかまたセモールドの上側表面の特定の 位置にビームを向ける励ぎができる。インゴットの上１ｇ１］表面に電子ビーム で熱をフロえることは、作業の終了４間を除き一般的には好ましくない。こうし た加熱は、インゴットの上側表面の冷却速度を遅くして浅い割れ目が成長するの を阻止するために、状況によっては望ましいこともある。

生産速度は、薄層鋳造作業に際してインゴットの上側表面から熱の放熱速度によ り影響を受ける。従って、鋳造作業に際しこの表面に電子ビームが衝突すると、 好ましくない熱源となってしまい、この形式の作業の生産速度を低下づせてしま う。

不発明の方法を実際に用いる場合の、装（鳶１０の慟きについて説明する。支持 体１６に哨え付げらｎた供給原料スティックは、インゴットに形成する合金７１ ＞らできたステインクまたは円筒体を備えている。本発明は、ニッケルまたけコ ノくルトを主成分とした合金を用いれば特に耳益である。この合金は、少なくと も約５０％Ｖ＝ノケルまたはコバルトと、約１０％刀ユら２０％の間のクロムと を含有している。極く少量のアルミニウムやチタニウム、並びにニオブ、モリブ デンおよびタングステン等の高融点素材を含頁するこの形式の合金は、超合金と して周もであり、典型的には約１５０下から３００下（６５℃刀１ら１５０℃） の間の比較的広い液体−固体温夏範囲に特徴がある。

例えばガン２０等の供給原料ビーム万口熱装置の電子ビームガンは、供給原料ス テインクの下側端の位置で、ツク−の下側端を完全に溶融して凋下物を形成する ために便われる。電子ビームに、好ヱしぐに図示のように水平に対し１０度から ３０度の角度をなしている。所望の哄給速夏は、支持体１６内での供給原料ステ ィックの下向きの移動速度を決めることにより設定される。電子ビーム総電力は 、供給原料スティックをビームに向けて下向きに移動する際、当該供給原料ステ ィックの下側端を完全に溶融するのに必要な電力よりも、約１０％から３０％大 ぎいレベルに調節されている。−例として、ニッケルを主成分とする超合金には 、単位時間当たり、溶融ポンド毎に約×キロワットの総ビーム電力が便われた。

この総ビームエネルギは、第１図に示したように供給原料ステインクの一方の側 を狙う１つの電子ビームガンにより供給することができ、あるいは憬々な側部か ら供給原料バーの下側端を照射する、覆い内部に一列に配列したガ／によって供 給することもできる。スティックの垂直方向の中実軸線の廻りでスティックを支 持体１６内で回転して、スティックの端を均一にフロ熱し、スティックの垂直方 向の軸線１９に沿って溶融したスティックを確実に滴下させることが通常必要と される。またこの軸線は、本明細薔甲ではドリップ軸線と呼ばれている。

溶融金属がモールド内で形成されているインゴットの上側表面に衝突すると、こ の衝突した溶融金属はフィルム状のスパッタ体を形成する。このスパッタ体は、 上側インゴット’＜表面より実質的に小さい上側インゴット表面の一部を覆って いる。前述した種類の超合金の完全な溶融金属は、スティック刀瓢らモールドの 上側表面へと約４から１２インチ（１０〜３０ｃｒｎ）の間の距離を落下し、典 型的には約１．５から２．５インチ（３，８〜６．２　ｃｍ　）の間の直径を持 つ大まかな円形のスパッタ体を形成し、また約１５から３０ミル（，０４〜、０ ８　ｍ　）の間のかなり均一な厚みを持つスパッタ体が得られる。説明の便宜上 、想定される平均的なスパッタ体は約２から２，５インチ（５〜６．２ｃｍ）の 表面直径と、約２０ミル（，０５正）の厚みとを備えている。スパッタ体の半径 は、例えば二と同じ７）＞　ｆたばこれより大きい約１から１．２５インチ（２ ，５〜３２Ｃ７ｎ）の寸法がある。

本発明を実施する上での重要な特徴によれば、連続する個々のインゴット層を形 成するスパッタ体が接して集まった配列体を並べて設置してい灯る速度で、ドリ ップ細線１９に対し横方向に移動される。前記スパッタ体の配列体は、個々の連 続するインゴット層を形成している。

モールドの横方向への運動には、（第１図の左／右方向への）移動運動と、モー ルドの細線４９の廻りで回転運動の両方が含まれている。ただし、この相対運動 は、インゴットの上側表面に落下する溶融金属が遠心力によって実質的に外側へ 流れ出すことのない遅い速度である。

こうした操作により、インゴットの周辺部に溶融金属が堆積し過ぎて生産性に影 響が及ぶのをかなり防ぐことができ、インゴット上に金属が不均一に堆積するこ とがなくなる。

第１図に示した横方向位置にモールドを置いて、そうしたスパッタ体の配列体を 形成する際の、装置１０の典型的な操作例について説明する。供給原料スティッ クからの溶融落下物は、第２図に点線で輪郭を示したスパッタ体６２等のほぼ円 形のスパッタ体を形成する。このスパッタ体は、モールドの中心から約２．２５ インチ（５，７ｃｍ）にわたって半径方向外側にそれている。特定の方向、例え ば第２図の反時計方向に一定速度でモールドを回転することにより、後続してイ ンゴット上に落下する滴下物は、スパッタ体６４等のスパッタ体を既成のスパッ タ体６２に接して形成する。

スパッタ落下物は、（直径方向に）約７０％から８５％にわたって重ねることが できる。重要な要素に重なり具合にあるのでになく、固化金属の垂直方向の平均 的な堆積率である。超合金の場合にこの平均的な垂直方向の堆積率は、インゴッ トの上側に溶融部分が出現し、これに伴って粒子サイズが実質的に増加すること のない状態で、毎分光たり約０．４インチ（１ｃ＋＋＋）を越えることがない。

デた仮に横方向の運動速度が緩慢に行なわれて、局部的な毛槓厚の短時間のうち での平均率が、約１０秒を越える時間にわたって毎分光たり約０．４インチ（１ ｏｎ　）を越えるような場合、落下物の衝突する局部的な箇所の表面は約１秒以 上にわたり溶融したままになる。その結果、ｉ！１１ヒしたインゴットの粒子サ イズが局部的に犬ぎくなる。インゴットの側壁を滑らかにし、スパッタ体の間の 境界部に空隙置所ができるのを極力避けるために、一般的に見である程度スパッ タ体を重ねることが望ましい。

しかしＸなり過ぎると、短時間にわたり局部的に堆積し過き′て平均率が犬きぐ なり過ぎる前述の状況が生じてしまう。従って、任意の供給率に見合う特定のイ ンゴット堆積平均率がある。この率（平均）に、毎分光たり約０．４インチ（１ ｏｎ　）を越えて・はならない。従って、サイクル繰り返し時間に約１５秒を越 えることばできず、層同志の接着が不光分になること’ｔ”Ｘ、ない。

インゴットの堆積率に関する前述した制約の他に、溶融金属が局部的に溜まらな いように注意を払う必要がある。溶融金属が溜まると、粒子構造が不均一になっ て好ましくない結果になる。短時間の局部的な堆積は、約１０秒を越える時間に わたり毎分光たり０．４インチ（ＩＣ−！ｎ）を越えないことが好ヱしい。

第２図に示した方向にモールドを継続的に回転してほぼ一回転ざぜる間に、後続 の２つの溶融金属を滴下してスパッタ体６６．６８が形成される。図示したよう に、こｎら４つのスパッタ体６２．６４．６６．６８は、モールドの中ノしより 概ね２から２．２５インチ（５〜５．７ｃｒｎ）にわたり半径方向外側に位置す るほぼ連続する層または被覆を形成している。

モールドはシリンダ５２の作動により、第１図において細線１９が＠縁４９の右 側に約３インチ（７３ｃｒｎ）ずれた位置まで横方向に移動さｎる。モールドを このように配置することにより、後続の衝突落下物ｌ′ｉ第２図に示したスパッ タ体７０等のスパッタ体を形成することになる。このスパッタ体の中心は、モー ルドの中心から約３インチ（７ｙ２ｃｍ　）の距離にある。再びモールドは特定 の方向に低回転速度で、はぼ一回転され、スパッタ体７ｏ、７２．７４を含むス パッタ体の第２の環状”リングを礪成する。前記スパッタ体は、モールドの中心 より約４から４．２５インチ（１０〜１１α）の距離にわたってそれ１こ、イン ゴットの上側表面を覆って位置している。

最後に、ンリンタ゛５２を完全に押し出して、軸線１９が＠線４９のＣＰ心・か ら約５インチ（１２Ｋｃｍ　）　Ｋわたってずれた位置まで、モールドは横方向 に移動される。次いで、はぼ一回転にわたり、さらに減速した速度でモールドを 回転し、スパッタ体７６と７８を含むスパッタ体の外側環状リングを並べて設置 し、約２０ミル（，０５龍）の厚みのある新１こなインゴット層を形成している 。

もちろんのこと、前述したスパッタ体パターンを得るのに必要なモールドの回転 速度は、モールドの上側表面に衝突する溶融落下物のドリップ速度によって決ま る。

ドリップ速度は、本発明を実施する上で重要なパラメータであり、以下に詳細に 説明する。説明の便宜上、想定されるドリップ速度は毎秒轟たり約５ドリツプで ある。

４つまたはそれ以上のスパッタ体からなる当該スパッタ体の最も内側のリングを 形成するには、モールドを約６　Ｏｒｐｍま１こほそれ以下で回転し、８秒また げそｎ以上の時間内に最初の４つの落下物を堆積させなげればならない。

スパッタ体７０．７２．７４を含む中央環状区域を形成している概ね１２箇また はそｎ以上のスパッタ体が、後続の２曇秒またぼそｎ以上の時間内に堆積される 。これに要するモールドのＬＯ１転速変速度２３　ｒｐｍまたはそれ以下である 。最後に、既ね２０またはそれ以上の外側リングを形成するスパッタ体が、概ね ４秒−１１こはそれ以上の時間内に層積され、これに要するモールドの回転速度 は約］、　５　ｒｐＴｒＬ？たぼそｎ以下である。

こうしたことから、モールドを因子にて左右の方向に移動さぞ、徐々に半径が犬 きぐなるスパッタ体の環状体またはリングを形成する場合、モールドの回転速度 は１新進的に小さくされる。作業サイクルを終えれば、モールドは第１図に示し た初期位置まで復帰てれ、堆積によってインゴット層を厚くしていく作業が繰り 返される。定期的にモールド内のプラグ２６は引き込まれていき、モールド内に 堆積したインゴット層を収容するようになっている。モールド２２内に形成され るインゴットは、第１図では７９で示されている。

第２図に示すように、前述したスパッタ体の配列体として形成されているインゴ ットの上側層は、重なり合った薄いスパッタ体からできている。これらスパッタ の縁に、インゴットの上側表面に凹みを形成する。この凹みは、第３図に基づい て説明される後続のスパッタ層を形成する際に、充填てれ且つ滑らツムな平らな 表面に均でれるようになっている。第３図に拡大してしかも誇張した断面厚で示 し１こスパッタ体８０．８２．８４は、前述した形式の予め行なわれる操作によ り投置されたスパッタ体を表わしている。スパッタ体８６．８８を含めて後続の スパッタ層が敷かれる際、溶融ｉＱのスパッタ材料は、図示したように直前の層 に流れ込んでこの層の縁部分を満たす。その際、成子ビームの助けを借りなくて も、スバッタ体の縁の溶融が自然Ｖ′ζ生じる。

連続５層の形成される速度は、インゴットの上側表面の滴下ｖｌＪ衝突区域がイ ンゴット合金の面相線温度に等しいで・またはこの温度より低く、シフ１ユも連 続的に衝突する屑下刀に冶金学的な接着の生じる温度より高くなるように推持さ れている。実験によれば、不明細書中で説明した例の超合金の例では、サイクル 速度は約３から１５秒の間にある。このサイクル速度は、インゴットの上側表面 のほぼ同一の表面部分を落下物が繰り返し衝突する割合として定義されている。

所定の位置に連続して溶融落下物が衝突する割合が、３秒毎に約１回以上である と、溶融溜まりがインゴットの上側表面にでき始み、ゆっくりと固化していき、 形成さｎているインゴットの粒子サイズを粗くしてしまう。約１５秒以上のサイ クル速度の下では、連続して重ね合わ芒れるスパッタ体の間で良好な冶金学的な 接着がなされない。前述した合金の例では、衝突区域がインゴット合金の面相線 温度より低い約５０下から２００下（２８℃〜１１０℃〕の間にあれば、良好な 冶金学的な接着が行なわれる。顕微鏡写真によれば、樹枝状結晶がスパッタ体の 境界を横切って垂直方向に成長していることが判明した。

サイクル速度は、スパッタ体のすべてを堆積させて１つの層を形成するまでに要 する時間を意味している。従ってサイクル速度は、供給原料スティックからの溶 融落下物のドリップ率によって決まる。図解説明のために第２図に示した１２イ ５／チ（３ｆ）ｃｍ）の直径のイノゴツト表面に、概ね２から２．５インチ（５ 〜６．４ｃｓ）の直径をした概ね３６から４２箇のスパッタ体を破覆されない区 域が残らないように充分に重ね合わせて覆うことができる。毎秒当たり約７つの 落下物を衝突させるドリップ率の下では、インゴットの全面は概ね６秒毎の操作 サイクル速度で覆うことができる。

別の例では、１２インチ（３０，ｚ）のインゴットでは６秒サイクルであるのに 対し、毎秒当たり０．７ドリノプのドリップ率（前述のドリップ率の′／／９） で、４インチ〔１０α〕の直径のインゴットに毎秒当たり概ね約０．２インチ（ ０，５ｃ＋＋＋）の速度で堆積させている。

ここで重要なことは、毎秒当たり１２ドリツプの供給速度によｎば、毎秒当たり 約０．４インチ（１ｃｒｎ）の堆積率が得られ、これが予定できる最も大きい生 産率の上限であることである。この例において６秒のサイクル時間の間に、約５ ０％を満足のいく状態に重ね合わせた滴下物が得られる。局部的でしかも極ぐ単 時間を基準にして見たスパッタ体の投与時間は（１０秒の限界には程遠い）極く 短かいものである。

本発明の装置と方法により形成され、しかも前述した超合金組成を持つインゴッ トは、ＡＳＴＭ５からＡ３７Ｍ７の範囲の横に延びる均一な粒子サイズを備えて いる。

従来技術で用いられている連続鋳造法で形成した超合金に比べてみると、当該従 来技術による超合金インゴットは、インゴットがゆっくりと冷却していく内側区 域内で約００かまたにそれ以下のＡＳＴＭ粒子サイズより、冷却の早い縁の区域 における約ＡＳＴＭＯから１の間の粒子サイズまでの範囲に含１れる、不均一な 粒子サイズを苺っている。特定のサイクル速度の範囲内で本発明を実施すること についての重要性は、材料表面の溶融したプールが観察される状況の下で、毎分 当たり約０．４インチ（１ｃｍ）より大きい堆積率でインゴットを形成すると、 インゴット内に生じる粒子薄造が約Ａ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　２　ｉ”らＡｓ７Ｍ３の間 にある事実により説明がつく。中空の円筒状内側部分を備えた粒子の紙力・いイ ンゴットｉ、記述した装置と方法を僅〃・に修正することにより製造することか できる。本発明の方法に係る、そうしたインゴットを形成するのに１更用したモ ールドの一部分が、第４図に図示でれている。明らかなごとく、モールドは第１ 図に基づいて説明ざｎだ円筒状ハウジング２４とプラグ２６の他に、湾曲した外 側表面９２を形成する水冷内側モールド部材９０を備えている。このモールド部 材は、モールドハウジング２４に取り付けられた部材により、ハウジング壁の内 部にほぼ同心的になっている。モールド部材は、約１０度から２０度の間の円弧 状の広がりを備え、また漸進的に上向きに約１度から２度傾斜され、インゴット が冷却する際の、当該インゴットの中空な内側部分が収縮するのを補償するよう になっている。部材の外側表面に固い表面、例えば硬質クロムメッキを備えてい る。モールド部材はモールドハウジングの上側部分に取り付けられ、モールドと 一緒に図面で見て左右の方向に往復移動することができる。ただし、モールドの 回転運動に対して静止したままになっていて、し刀Ｓもプラグ２６の垂直方向の 運動に対しても同じように静止したままになっている。

操作に際し、まずモールドをドリップｆ！ＢＭＩとモールドの回転軸線との間に ある、部材９０の外側表面の位置に来るように配置する。その結果、溶融した落 下物から形成されたスパッタ体は、部材の外側表面に接触し、そして当該部材の 外側表面により半径方向内向きに境界を定められていく。モールドの回転を続け ながら、モールド部材に接してスパッタ体を堆積さぜることにより、環状の内側 縁を持つ環状のスパッタ層ができ上がる。次いで、前述したようにモールドは横 方向に移動され、各インゴット層を並べて設置するのに必要な、ブらに径の大ぎ い環状リングを新１こに形成するようになっている。インゴット層を形成しなが ら、プラグ２６は引き込まれてインゴソトヲモールド内で硬化させ、モールド部 ゴの下側表面より上方で、またぼ当該下側表面と同じ高さにインゴットの上側表 面を保つようになっている。９４で示した形に層を並べて設置していけば、中空 の円筒状内１ｉ１１１部分を備えたインゴットになることが理解できる。形成さ れたインゴットは、前述した中実なインゴットとほぼ同じ粒子得造を備えている 。また中空のインゴットは、内側モールド部品を′夏用しなくとも鋳造すること ができる。

もちろんのこと、内側表面はこの例でぼ刀・なり粗く、また環状壁の厚みは、ス パッタ体の直径である約２インチ（５ｃｍ）よりも薄くすることはできない。

本発明の方法によれば、従来技術で周知のインゴット形成法より優ｎた多くの重 要な利点が得られる。後続の層を堆積させる以前に固化させることのできる、非 常に薄いほぼ均一な一連の層としてインゴットを形成することにより、インゴッ トを通じてＡＳＴＭ５７）ｈら７の範囲の非常に細かい均一な粒子構造を待つ超 合金インゴットが形成される。インゴットの細かい粒子構造により、経費のかっ ・るまた時には破損を起こしてしまうことのある熱間別工作業を必要とぜず、直 接にインゴットを圧延したり鍛造したりすることができる。このようにして作ら ｎた超合金インゴットハ、ジェットエンジン等に必要とされる高温耐熱合金部品 を製作するのに荷に利用価頃がある。

本発明の装置は、８インチ（２０ｃｌｒＬ）またはそｎより大きい直径を待つイ ンゴット、およびまたに中空の内側部分を持つインゴットを製造するのに非常に 手軽に設計製作することができる。本発明のモールドに滴下される材料は完全に 溶融していて、従って固化に際して細かいサイズの粒子を形作ることができ、滴 下された材料が部分的に結晶化されていない点で、本発明・は従来抜術の滴下鋳 造法より優ｎた他の重要な利点を提供している。

以下の例は本発明の方法の実例であるが、不発明はこの実例の範囲に限定される ものでぼない。

本発明の方法に従って、複合材“ＧＭＲ２３５”（ゼネラルモータリサーチ２３ ５）の電子ビームｊ！傑供給原料を用いて、ニッケルを主成分とする超合金イン ゴットを鋳造した。

供給原料は、３インチ（７，５ｃ＊）の直径と、８インチ（２０ｃｍ）の長さが あった。この供給原料は、約５　ｒ、ｐ、ｍの速度で回転され、毎秒当たり０． ８ドリツプの割合で完全に溶融した電子ビーム溶解ドリップが落下するような速 度で、下向きに供給された。インゴットの堆積速度は毎分当たり約０．２（０， ０８ｃｍ）であった。

形成されているインゴットの上部に、約４インチ（１０口）のドリップ高さが得 られる位置に維持された。

インゴットは、約５　ｒ、ｐ、ｍ、の速度で回転され、垂直方向の回転＠線に供 給原料の垂１方向の回転軸線（当然のことながら、ドリップ軸線でもある）〃・ ら、約４インチ（２ｃＩｎ）にわたって横方向にずらしである。スパッタ体は、 直径方向に約５０％貫ね合わせである。

外側のモールド表面は使用せず、インゴットのＯ，Ｄ、はスパッタ体の凝固によ り決定された。でき上がったインゴットの犬デかな０．Ｄ、は約４インチ（１０ ｃｍ）であった。

約３インチ（，０５ｃｍ）の深さの粗さがあり、インゴットを旋盤にかけて切削 することによりこの粗さを取り除き、約５インチ（１２α）の長さの滑らかな表 面を待つインゴットにした。横方向の粒子サイズばＡ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　５がら７で あった。また縦方向に断面にして分力・っ１こことは、インゴットの軸線に平行 な粒子が、約１１！ｍから１０ＦＩｌ＋の長さがあり１．０２０インチ（，００ ８ｃｍ）の厚みの層境界により、粒子の成長現象に何ら影響を及ぼさなかった。

例　■ ドリップの高さを８インチ（２０（１））にしたことを除き、例Ｉと同じ実験を 繰り返した。同じ状況が認められ、ドリップ軸線とインゴットの回転＠線とを層 １八インチ（３，２ｃｍ）離したことを除き、例１と同じ実験を繰り返した。中 央＠線に沿って大ざっばな開口を持つ中空のインゴットを構造した。内側と外側 の粗舌ば、各々が約曇イ／チ（，０５ｃｍ）の深でがあった。開口は、大まかに 言って約×インチ（１，２５０）の直径があり、約にインチ（１，８＞）の直径 の清らのシな開口に機械力ロエさｎた。

粒子構造は、中実なインゴットの場合と同じであった。

ニッケルを主成分とする超合金の大型のインゴソトハ、以下のよ・５にして鋳造 することができるニドリップ速度を毎秒当たり約２．４ドリツプにし、またドリ ップ高でを約８イ／チ（２０１）にして、インゴットは、約１インチ（２，５０ ）と約３インチ〔７，５０〕離ｎた軸線の位置で交互に１．！２１伝され、各半 径の刀ロエサイクル毎に個々の半径の位置で一回転さ几る。】インチ（２，５ｃ ｍ）の半径の位置での回転速度は１５ｒ、ｐ、ｍであり、他方の大きい方の半径 でｖｉ５ｒ、ｐ、ｍである。

約８インチ（２０ｃｍ）の直径の外側水冷モールドが、外側の表面を形成してお り、この表面は約イ。インチ（，０２５ｃ１ｎ）の粗さを備えている。

インゴットの堆積測度は、毎分当たり約０．２インチ（０，０８ｃｍ　）である 。インゴットの粒子構造は、小型のインゴットと同じであり、縁から中心へとま た上部刀・ら下部へとほぼ均一になっている。

例　■ 高強度の合金スチールインゴットＣ例；１ｃ−ｄ４３４０　スチールの種類〕を 、ニッケルを主厄分とする。４の超合金と同じ装置を用い、また同一の条件の下 で構造することがでさた。粒子のサイズと形状は、超合金の場合と概ね同じであ つ１こ。

不明細蓄甲において、本発明の好工しい実施例を説明してきたが、以下の請求の ＵｆｌＫ＃定されているように、本発明の範囲刀・ら逸脱しなげれ（ゲ本発明の 方法並びに装置を様々に修正し且つ変更できることは当業者にとって明らかであ る。

国際調査報告 −惰伽−＾−＋−−−ＫＦ’ＣＴ／ＴＪＳ８５１０００３９

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．高い真空の下で、ステイツクからインゴツトを鋳造する方法において： ステイツクを溶融して完全に溶けた連続する滴下物を形成して、箇々の滴下物が 形成されているインゴツトの上側表面に落下して、インゴツトの上側全面より実 質的に小さい当該インゴツトの上側表面の一部を覆うようにする段階と、 ステイツクと形成されているインゴツトとの間を速い速度で相対的に動かして、 連続する滴下物がインゴツトの上側表面の異なつた部分に衝突するようにする段 階と、インゴツトの上側表面の衝突区域が合金の固相線温度に等しいかまたはこ の温度より低く、しかも連続的に衝突する滴下物に対する冶金学的な接着の生じ る温度より高くなるように、滴下速度を一定に保つ段階とを有する方法。
2. ２．金属が、約６５℃から１５０℃の間の液相線−固相線温度範囲を持つ台金を 含んでいる請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．合金が、少なくとも約５０％のニツケルまたはコバルトと約１０％から２０ ％の間のクロムとをそれぞれ含有するニツケルまたはコバルトを主成分とした合 金である請求の範囲第２項に記載の方法。
4. ４．鋳造インゴツトが、約ＡＳＴＭ５から７の間の結晶粒子サイズを備えている 請求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．ステイツクは電子ビームにより溶融され、また滴下物はステイツクから落下 する除に完全に溶融されている請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．ステイツクは垂直方向の軸線の廻りで回転されて均一な加熱が行なわれ、そ して滴下物がほぼそうした軸線に沿つてステイツクから落下する請求の範囲第５ 項に記載の方法。
7. ７．ステイツクは、インゴツトの表面より約１０から３０センチメートル上方に 支持されている請求の範囲第５項に記載の方法。
8. ８．インゴツトは、モールド内にある引き込み可能なプレート上に形成され、ま た当該方法がさらに、モールド内でのインゴツトの堆積に対し必要に応じてイン ゴツトを引き込む段階を備えている請求の範囲第１項に記載の方法。
9. ９．各滴下物が、約３．８から７．６センチメートルの間の表面直径を備えたフ イルム状のスパツタ体を形成している請求の範囲第１項に記載の方法。
10. １０．スパツタ体の厚みが、約０．４ｍｍから．０８ｍｍの間にある請求の範囲 第９項に記載の方法。
11. １１．滴下物は、実質的に固定されたドリツプ軸線に沿つて落下し、またインゴ ツトがドリツプ軸線からそれたモールド内の垂直方向の中央軸線の廻りで回転さ れる請求の範囲第１項に記載の方法。
12. １２．モールドの中央軸線が、ドリツプ軸線に対し横方向に移動することのでき る請求の範囲第１１項に記載の方法。
13. １３．モールドは、ほぼ重なり合う一連のリングを形成するために、ドリツプ軸 線に対して移動されるもので、各リングはモールドの中央軸線をドリツプ軸線に 対して所定の位置まで移動させ、そしてほぼ一回転にわたりこの軸線の廻りでモ ールドを回転することにより形成される請求の範囲第１１項に記載の方法。
14. １４．インゴツトの上側表面の衝突区域が、固相線温度より低い約２８℃から１ １０℃の間にあるようにドリツプ率が保たれている請求の範囲第１項に記載の方 法。
15. １５．インゴツトの垂直方向の平均堆積率が、毎分当たり約１センチメートル以 下か、または約１センチメートルに等しくなるように、供給原料の溶融速度が保 たれており、連続して重なり合う滴下衝突物の時間間隔が僅か約１５秒になる請 求の範囲第１４項に記載の方法。
16. １６．連続して重なり合う滴下衝突物が、実質的に均一であつて局部的に溜まる ことがない請求の範囲第１５項に記載の方法。
17. １７．約ＡＳＴＭ５から７の間の断面粒子サイズと、少なくとも約１０センチメ ートルの直径とを持つ、鉄を主成分とするか、ニツケルを主成分とするかまたは コバルトを主成分とする合金を底の引き込めるモールド内で、そして高い真空の 下で鋳造する方法において、当該方法が、合金のステイツクに電子ビームを当て て、完全に溶融した金属の流れを形反し、この金属の流れが、実質的に固定され たドリツプ軸線に沿つて、形成されているインゴツトの上側表面に落下して、イ ンゴツトの上側表面にフイルム状のスパツタ体を形成するもので、このスパツタ 体が約．０４から．０８ｍｍの間の厚みと、約３．８から６．２センチメートル の間の最大表面寸法とを備えているようにする段階と、 ドリツプ軸線に対し、モールドを速い速度で動かして金属がインゴツトの上側表 面の異なつた部分に衝突し、一連のスパツタ体によりインゴツトの上側表面をほ ぼ覆うようにする段階と、 インゴツトの垂直方向の平均堆積率が毎分当たり約１センチメートル以下か、ま たは約１センチメートルに等しくなるように溶融速度を保ら、連続して重なり合 う滴下衝突物の時間間隔が、僅か約１５秒になるようにする段階と、 モールド内でのインゴツトの堆積に対し、必要に応じてインゴツトを引き込む段 階とを有する方法。
18. １８．連続して重なり合う滴下衝突物は、かなり一定していて局部的に溜まるの を避けられる請求の範囲第１７項に記載の方法。
19. １９．ステイツクが、ドリツプ軸線にほぼ一致する軸線の廻りで回転され、また 滴下物はステイツクより約１０から３０センチメートルの間の距離にわたつて、 インゴツトの上側表面上に落下する請求の範囲第１７項に記載の方法。
20. ２０．モールドは、一連のリングを形成するように移動され、各リングはドリツ プ軸線からずれている所定の位置までモールドの回転軸線を移動し、モールドを ほぼ一回転させることにより形成される請求の範囲第１７項に記載の方法。
21. ２１．滴下物の衝突する上側表面が、合金の固相線温度以下の約２８℃から１１ ０℃になるように溶解速度が保たれている請求の範囲第１７項に記載の方法。
22. ２２．インゴツトは、モールドの外側環状部分にだけ溶融金属を加えることによ つてできる、中空の内側部分を備えている請求の範囲第１７項に記載の方法。
23. ２３．鉄を主成分とするか、ニツケルを主成分とするかまたはコバルトを主成分 とする合金のステイツクから、約ＡＳＴＭ５から７の間の粒子サイズを持つイン ゴツトを形成するための装置において、当該装置がインゴツトモールドと、 モールドの上方でステイツクを保持し且つ回転させるようになつた支持体と、 前記支持体に保持されたステイツクに電子ビームを当てて加熱し、モールド内に 形成されているインゴツトの上側表面にステイツクから所定の融解速度で完全に 溶融した金属を落下させることのできる手段と、ステイツクからの溶融金属を、 成形されているインゴツトの上側表面の異なつた部分に衝突させることのできる 速い速度で、モールドを支持体に対し横方向に移動することのできる手段と、 モールド内で形成されているインゴツトの上側表面上の衝突区域が、合金の固相 線温度に等しいかまたはこの温度より低く、しかも連続的に衝突する滴下物に対 する冶金学的な接着の生じる温度より高くなるように、溶解速度を制御すること のできる手段とを有する装置。
24. ２４．前記支持体が、固定されたほぼ垂直なドリツプ軸線の廻りでステイツクを 回転させ、しかもモールド内で形成されているインゴツトの上側表面より１０か ら３０センチメートル上方にステイツクの上側端を保持するようになつている請 求の範囲第２３項に記載の装置。
25. ２５．前記支持体の一部分が実質的に固定され、また前記移動手段が、前記モー ルドをほぼ垂直方向の軸線の廻りで回転するための手段と、モールドの回転軸線 を前記支持体に対し横方向に移動するための手段とを備えている請求の範囲第２ ３項に記載の装置。
26. ２６．前記移動手段が、滴下物がモールドの中央区域に衝突するのを防ぐように なつている、中空中央部を備えたインゴツトを形成するのに用いる請求の範囲第 ２３項に記載の装置。
27. ２７．約ＡＳＴＭ５から７の間のほぼ一定の粒子サイズを持つ、鉄を主成分とす るか、ニツケルを主成分とするかまたはコバルトを主成分とする合金からできた インゴツト。
28. ２８．２０センチメートルまたはこれより大きい直径を備えている請求の範囲第 ２７項に記載のインゴツト。
29. ２９．中空の内側部分を備えている請求の範囲第２７項に記載のインゴツト。
30. ３０．合金のステイツクに電子ビームを当てて、完全に溶融した連続する滴下物 を形成し、この滴下物の各々が実質的に固定されたドリツプ軸線に沿つて成形さ れているインゴツトの上側表面に落下して、０．０４から０．０８ｍｍの間の厚 みと、約３．８から６．２センチメートルの間の最大表面寸法とを持つフイルム 状のスパツタ体をインプツトの上側表面に形成する段階と、 連続する滴下物が、インゴツトの上側表面の異なつた部分に衝突するような速度 で、ただし当該滴下物がインゴツトの上側表面にほぼ均一に広がつて、連続する スパツタ体でこの上側表面を実質的に覆えるだけのゆつくりした速度で、ドリツ プ軸に対し内部にインゴツトが形成されているそうしたモールドを移動する段階 と、インゴツトの垂直方向の平均堆積率が、毎分当たり約１センチメートルより 少ないかまたは約１センチメートルに等しくなるよう、溶解速度を一定に保つ段 階とにより、 モールド内に形成される請求の範囲第２７項に記載のインゴツト。
31. ３１．インゴツトの垂直方向の平均堆積率が、毎分当たり約１センチメートルよ り少ないかまたは約１センチメートルに等しくなるように、溶解速度は一定に保 たれ、また連続して重なり合う滴下衝突物の時間間隔が僅か約１５秒になるよう な請求の範囲第３０項に記載のインゴツト。
32. ３２．連続して重なり合う滴下衝突物は、かなり一定していて局部的に溜まるの を避けられる請求の範囲第３１項に記載のインゴツト。
33. ３３．モールドを移動してほぼ重なり合つた一連のリングを形成しており、各々 のリングは、モールドをドリツプ軸線に対し所定の横方向位置まで移動させ、そ してモールドをほぼ一回転して形成される請求の範囲第３０項に記載のインゴツ ト。
34. ３４．滴下物の衝突する上側表面が、合金の固相線温度より低い約２８℃から１ １０℃の間にあるように、溶解速度が一定に保たれている請求の範囲第３０項に 記載の方法。
35. ３５．インゴツトは、モールドの外側環状部分にだけ滴下物を加えることによつ てできる中空の内側部分を備えている請求の範囲第３４項に記載のインゴツト。