(57)【要約】供給原料を処理して、溶融又は半溶融状態にするための装置（１０）。装置（１０）は、内面と、供給原料を受け入れるための入口（１８）と、材料を排出する出口（２０）とを有する円筒部（１２）を含む。円筒部（１２）の側壁は、外殻（６２）、中間層（６４）及びライナ（６６）と称する３つの層を備える。中間層（６４）は、外殻（６２）とライナ（６６）の間に配置され、外殻（６２）及びライナ（６６）を形成する材料より軟らかい材料で形成されている。中間層（６４）の存在により、円筒部（１２）の厚さ方向の温度勾配が最小限に抑えられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料を処理して溶融又は半固体状態にするための容器において、該容器が本体を含み、該本体が、内部のチャンバと、前記チャンバに連通して、前記チャンバへの材料の導入を可能にする入口と、前記チャンバに連通して、前記チャンバからの材料の排出を可能にする出口とを規定し、
前記本体が、第１の材料で形成された外層と、前記第１の材料とは異なる第２の材料で形成され、前記チャンバの内面を規定する内層と、前記外層と前記内層との間に配置され、前記第１の材料及び前記第２の材料とは異なる第３の材料で形成された中間層とを有する側壁部をさらに含む容器。
【請求項２】
前記第３の材料が、前記第１の材料及び前記第２の材料よりも軟らかい請求項１に記載された装置。
【請求項３】
前記中間層が、前記外層を前記内層に接着している請求項１に記載された装置。
【請求項４】
前記中間層の厚さが５．０８ｍｍ（０．２インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項５】
前記中間層の厚さが２．５４ｍｍ（０．１０インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項６】
前記中間層の厚さが１．５２ｍｍ（０．０６インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項７】
前記中間層が、Ａｌ、Ｍｇ又はＺｎによる腐食に対して抵抗性を有する請求項１に記載された装置。
【請求項８】
前記中間層が鉄である請求項１に記載された装置。
【請求項９】
前記中間層が低炭素鉄である請求項１に記載された装置。
【請求項１０】
前記第１の材料が、１０％超のＣｒと、７．５％超のＣｏと、２．５％超のＭｏと、０〜６％の範囲のＷと、４％未満のＮｂと、２％超のＡｌと、２．４％超のＴｉと、６％超のＡｌ＋Ｔｉとを含むＮｉ基組成を有し、それにより、前記第１の材料がデルタ相による脆化に対する耐性を有する請求項１に記載された装置。
【請求項１１】
前記第１の材料が合金７２０である請求項１０に記載された装置。
【請求項１２】
前記第２の材料がＮｂ合金である請求項１に記載された装置。
【請求項１３】
前記第２の材料が、Ｎｂ合金のＴ−２０、Ｔ−２２及びＴ２３からなる群から選択される請求項１に記載された装置。
【請求項１４】
前記内層の厚さが１２．７ｍｍ（０．５インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項１５】
前記内層の厚さが６．３５ｍｍ（０．２５インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項１６】
前記内層の厚さが３．８１ｍｍ（０．１５インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項１７】
前記外層の厚さが４４．５ｍｍ（１．７５インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項１８】
前記外層の厚さが３１．８ｍｍ（１．２５インチ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項１９】
前記外層の室温から６５０℃までの熱膨張係数が、７．８×１０−６／℃（１４×１０−６／°Ｆ）未満である請求項１に記載された装置。
【請求項２０】
前記第１の材料がＨＩＰされた材料である請求項１に記載された装置。
【請求項２１】
前記第２の材料がＨＩＰされた材料である請求項１に記載された装置。
【請求項２２】
前記第３の材料がＨＩＰされた材料である請求項１に記載された装置。
【請求項２３】
前記第１の材料、前記第２の材料及び前記第３の材料のすべてが、ＨＩＰされた材料である請求項１に記載された装置。
【請求項２４】
前記第１の材料、前記第２の材料及び前記第３の材料が、すべて１つの工程処理で形成されたＨＩＰされた材料である請求項１に記載された装置。
【請求項２５】
前記１つの工程処理が、前記第１の材料、前記第２の材料及び前記第３の材料に対して同時に実施される請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記容器に結合されて、前記入口を通じて前記材料を前記容器に導入するフィーダと、前記容器を通って前記材料を移動させる移動手段と、前記容器の前記出口から前記材料を溶融又は半固体状態で排出する排出手段とをさらに含む請求項１に記載された装置。
【請求項２７】
前記中間層が、前記第１の材料及び前記第２の材料よりも延性が大きい請求項１に記載された装置。
【請求項２８】
前記チャンバ内に配置され、前記材料におけるデンドライト成長を抑制するために十分な剪断を前記材料に与える剪断手段をさらに含む請求項１に記載された装置。
【請求項２９】
前記剪断手段がスクリューである請求項２８に記載された装置。
【請求項３０】
前記移動手段がスクリューである請求項２８に記載された装置。
【請求項３１】
前記排出手段が、長手方向に移動可能な部材を含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記排出手段が往復スクリューを含む請求項３１に記載された装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融材料を製造するための容器に関するものである。より詳細には、本発明は、溶融又は液状金属の製造、及びその製造品の成形に必要とされる処理環境の操作のために最適化された容器である。
【背景技術】
【０００２】
従来の方法では、室温でデンドライト組織を有する金属組成物は、溶融された後に高圧ダイ・カスト処理を施されていた。これらの従来のダイ・カスト処理は、空隙、溶融損失、汚染、過剰の屑発生、大きなエネルギー消費量、長い作動周期、ダイ寿命の制限、及びダイ構成の限定から限界がある。また、従来の処理は、空隙のような様々な微小組織欠陥の形成を助長し、それにより、製品に後続の二次的な処理を行う必要が生じるとともに、機械特性に関する従来の工学設計を用いることにつながる。
【０００３】
半固体状態のときに、その微小組織が連続的な液相で囲まれた円形又は球形の変性デンドライト粒子から構成されるように金属組成物を形成するための方法が知られている。これは、連続的な液相で囲まれた従来的なデンドライトの平衡微小組織とは異なるものである。これらの新しい組織は、非ニュートン粘性、すなわち粘度と剪断率とが逆比例する関係を示す。この状態の物質自体は、チキソトロピー物質として知られている。
【０００４】
デンドライト組成物をチキソトロピー物質に変換するための１つの方法は、金属組成物又は合金（以下、単に「合金」という）をその液相線温度よりも高い温度に加熱し、次いでその液状合金を剪断又は攪拌しながら冷却して、二相平衡の領域とすることを含む。冷却しながら十分に攪拌する結果、最初に凝固した合金の相が核形成し、（相互接続したデンドライト粒子とは異なる）円形の一次粒子として成長する。これらの最初の凝固体は、個別の変性デンドライト球晶から構成され、液状金属又は合金の非凝固マトリックスに囲まれている。
【０００５】
チキソトロピー物質を形成するための他の方法は、合金のすべてではなく一部が液体状態になる温度まで合金を加熱することを含む。次いで、合金を攪拌する。攪拌によって、あらゆるデンドライト粒子が変性デンドライト球晶に変換される。この方法では、攪拌を開始するときに、半固体金属が固相より多くの液相を含むことが好ましい。
【０００６】
「鋳放し」状態で供給されるチキソトロピー合金を使用する射出成形技術も存在している。この技術では、供給材料を容器に供給し、それをさらに加熱し、少なくとも部分的に溶融することができる。次に、回転スクリュー、回転板又は他の手段によって合金を機械的に攪拌する。材料を処理しながら、容器内で前進させる。部分溶融と同時攪拌により、個別的な変性デンドライト球状粒子、すなわち半固体状態の物質を含み、チキソトロピー特性を示す合金のスラリーが生成される。チキソトロピー・スラリーは、ノズルに隣接する、第２の容器であってもよい他のゾーンに供給される。（ノズル温度を制御することにより）ノズル内の材料からなる固体金属の栓の凝固を制御することによって、スラリーのノズルからの漏れまたは垂れ落ちを防止できる。或いは、機械的又は他の弁機構を採用することもできる。密封ノズルは、スラリーの酸化、又は、ノズルの内壁での酸化物の形成を防止する。それらは、さもなければ仕上げ成形部品に混入することになる。密封ノズルは、ダイ・キャビティの射出側をさらに密封し、望まれる場合は、ダイ・キャビティを排気する真空の利用を促進して、このように成形される部品の複雑さ及び品質をさらに高める。
【０００７】
製品の製造に応じた適切な量のスラリーがこのゾーンに蓄積されると、ピストン、スクリュー又は他の機構によって材料がダイ・キャビティに注入され、所望の固体製品が形成される。前記又は関連する様々な種類の当該鋳造又は射出機は、本明細書では、半固体金属射出（ＳＳＭＩ）成形機という。
【０００８】
現在、ＳＳＭＩ成形機により、典型的には、機械の円筒部内材料の加熱の実質的な部分が実行される。材料は、円筒部の一部から低温状態で投入され、次いで一連の加熱ゾーンに送られ、材料の温度が急速に、且つ少なくとも最初は段階的に上昇する。典型的には抵抗加熱又は誘導加熱器である、円筒部に沿うそれぞれのゾーンの加熱素子自体は、先行する加熱素子に比べて段階的に高温であっても、なくてもよい。その結果、円筒部の厚さ方向だけでなく、円筒部の長さ方向にも温度勾配が存在する。
【０００９】
当該機械に対する円筒部構成としては、長く（最大２７９４ｍｍ（１１０インチ））、厚い（内壁の厚さが７６．２〜１０１．６ｍｍ（３〜４インチ）で外径が最大２７９．４ｍｍ（１１インチ））一体式シリンダとして形成された円筒部がある。これらの機械のサイズ及び処理能力が大きくなるにつれて、円筒部の長さ及び厚さもそれに応じて大きくなった。これにより、円筒部全体の温度勾配が大きくなり、これまで予期および予測されなかった結果がもたらされた。これらの円筒部の作製に使用される一次的な円筒部材料、すなわち（５０．００〜５５．００％のニッケル（＋コバルト）；１７．００〜２１．００％のクロム；残部の鉄；４．７５〜５．５０％のニオブ（＋タンタル）；２．８０〜３．３０％のモリブデン；０．６５〜１．１５％のチタン；０．２０〜０．８０％のアルミニウム；最大１．００％のコバルト；最大０．０８％の炭素；最大０．３５％のマンガン；最大０．３５％のケイ素；最大０．０１５％のリン、最大０．０１５％の硫黄；最大０，００６％のホウ素；及び最大０．３０％の銅の限定的な組成を有する）加工用合金７１８は、しばしば供給が不足し、高価である。また、合金７１８は、応力破壊特性が劣り、伸びが小さく、相が不安定である。
【００１０】
高品質の微細結晶粒合金７１８は高価で、複雑な容器を成形するためには多大な穿孔、及び外部機械加工を必要とする鋳造／鍛錬鋼片としてのみ入手可能である。この製造方法によって発生する合金７１８の屑は５０％にも達する。また、合金７１８は、６００〜７００℃で不安定であり、その微細ガンマ・ダブル・プライム硬化相が脆性デルタ相に転移する傾向がある。したがって、衝撃エネルギー（Ｖノッチ・シャルピ）及び応力破壊強度の低下する可能性がある。
【００１１】
合金７１８の複雑なネット・シェイプのＨＩＰ処理材は、収率を高め、ライナの適用のために望ましい。しかし、鋳造／鍛錬合金７１８では、ＡＳＴＭ番号Ｎｏ．００の大きな結晶粒に成長する結晶成長が生じる。この場合も、衝撃エネルギー（Ｖノッチ・シャルピ）及び応力破壊強度が低下する。粉体金属合金７１８は、ＨＩＰ処理よりも、小さな結晶粒サイズを保持するが、応力破壊特性（寿命及び延性）は極めて低い。また、チキソトロピー合金の半固体金属射出成形品であるチキソモールディング（Ｔｈｉｘｏｍｏｌｄｉｎｇ、登録商標）は高温の合金まで適応が広がっているが、それにより合金７１８がさらに不安定になる。
【００１２】
いくつかの場合において、破損した一体式円筒部を分析すると、熱応力、より詳細には円筒部の低温又は投入端での熱衝撃の結果として円筒部が破損したものと判断された。ここで用いられる円筒部の低温又は投入端とは、材料が円筒部に最初に入る部分又は端部のことである。最も強い熱勾配が見られるのはこの部分、とりわけ材料の入る箇所の下流に位置する低温部の中間温度領域である。大結晶粒の合金７１８は、これらの高応力条件下では、特に割れを生じやすかった。
【００１３】
ＳＳＭＩ成形機の使用時に、ペレット及び小片の形態の固体供給原料は、室温、すなわち約２４℃（７５°Ｆ）のまま円筒部に供給される。これらの成形機の円筒部は、長く厚いため、その性質として、そこに導入される材料の加熱のための熱効率が不十分である。「低温」の供給原料が流れ込むため、円筒部の一領域の内面が著しく冷却される。しかし、この領域の外面は、その付近に加熱器が配置されているため、実質的に供給原料による影響又は冷却されることはない。円筒部の厚さ方向に沿って測定される大きな温度勾配が、必然的に、円筒部のこの領域に誘起される。同様に、温度勾配は、円筒部の長さ方向に沿っても誘起される。最大の温度勾配の生じることが確認された円筒部の領域では、加熱器のサイクル「切（オフ）」の頻度が低く、円筒部がより強く加熱される。
【００１４】
円筒部内では、円筒部の様々な加熱ゾーンを長手方向に流れる供給原料の剪断及び移動によって供給原料の温度が上昇し、円筒部の反対端又は高温端に到達すると所望のレベルになる。円筒部の高温端では、処理材料は、処理される具体的な合金に応じて、一般的には５６５〜５９３℃（１０５０〜１１００°Ｆ）の範囲の温度を示す。マグネシウムの処理では、円筒部の内部の受ける最大温度は約６３８℃（１１８０°Ｆ）である。円筒部の外部を８３２℃（１５３０°Ｆ）に加熱して、これらの温度を達成することができる。
【００１５】
供給原料が加熱されると、それに応じて円筒部の内面も温度が上昇する。この内面温度の上昇は、低温材料の流入によって冷却され、上昇の程度が比較的小さい部分を含む円筒部の全長に沿ってある程度生じる。
【００１６】
十分な量の材料が蓄積され、材料がチキソトロピー特性を示すと、所望の製造品形状に対応する形状を有するダイ・キャビティに材料が注入される。次に、又は連続的に、追加材料が円筒部の低温部に導入され、内部円筒面の温度が再び下がる。
【００１７】
前記説明で示されるように、とりわけ原料の導入される円筒部の領域における円筒部の内面は、ＳＳＭＩ成形機の作動中にその温度が循環する。円筒部の内面と外面との間のこの温度勾配は、３５０℃にも達することが確認されている。
【００１８】
合金７１８のニッケル成分は、現在最も広く使用されているチキソトロピー物質である溶融マグネシウムによって腐食されやすいため、チキソトロピー合金を製造するための容器は、耐マグネシウム材料のスリーブで裏打ちされている。いくつかの当該既知の材料としては、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ  １２（登録商標）（規格では、３０Ｃｒ、８．３Ｗ及び１．４Ｃ、ストゥッディ・ドロロ・ステライト（Ｓｔｏｏｄｙ−Ｄｏｌｏｒｏ−Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）社）、ＰＭ０．８０合金（規格では、０．８Ｃ、２７．８１Ｃｒ、４．１１Ｗ、０．６６Ｎ、および残部のＣｏ）並びにＮｂ基合金（Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ等）がある。アルミニウムのような他の溶融材料も、チキソトロピー物質形成機械又はこれらの合金の処理機械の構成要素に従来使用されている材料を著しく腐食及び浸食する。
【００１９】
明らかに、ライナが使用される場合には、機械が適正に機能するために、容器とライナとの膨張係数が互いに適合したものでなければならない。ライナで裏打ちされた容器の問題の１つは、容器の残りの部分又は外殻からライナが剥離することである。大きな応力を受けた円筒部を分析したところ、ライナと外殻との間に空隙ができていることが明らかになった。この空隙は、次に、ライナと外殻との間の伝熱効率を低下させ、さらに高い温度を外殻に加えることを必要とし、容器により大きい温度勾配を発生させる。
【００２０】
容器内の温度勾配の循環（サイクル）が著しいため、容器は熱疲労及び熱衝撃を受ける。これにより容器及びライナにさらに亀裂が発生しうる。容器ライナに亀裂が発生すると、処理合金がライナに浸透し、容器を攻撃する可能性がある。ライナの亀裂も合金による容器の攻撃も、円筒部の早期の破損を引き起こすことが既に確認されている。
【００２１】
前記の欠陥及び他の欠陥に対応して、円筒部のある部分がチキソトロピー物質の調製に合わせて設計され、円筒部の他の部分が高圧成形の要求に合わせて設計された多数個部分構成円筒部が存在する。これらの部分は、円筒部の低温及び高温又は出口部と呼ばれ、別々に構成され接合される。
【００２２】
多数個部分構成では、低温部は、材料の比較的薄い（したがってフープ強度の低い）部分で構成される。この材料は、高温部の材料よりコストを下げることもでき、高温部材料に比べて、高い熱伝導率を示し、熱膨張率が低い。この材料は、処理対象とするチキソトロピー物質に対して優れた耐摩耗性及び耐食性を示す。円筒部の低温部に対するいくつかの好ましい材料としては、Ｎｂ基合金（Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０Ｗ等）で裏打ちされるステンレス鋼４２２、Ｔ−２８８８合金及び合金９０９がある。高温部は、比較的厚く（したがってフープ強度が大きく）、耐熱疲労性、耐クリープ性、耐熱衝撃性を有する材料で構成される。高温部の構成は、低コストで、処理材料による攻撃に対する抵抗性があることから、Ｎｂ−３０Ｔｉ−２０ＷのようなＮｂ基合金で裏打ちされた、ＨＩＰ処理された微細結晶粒合金７１８を使用するものであった。
【００２３】
（低温部の反対側の高温部の端部に結合された）ノズル部は、ノズル内の残留材料を固化させて密封栓にできるように構成される。或いは、ノズルに機械的な密封機構を設けることができる。
【００２４】
半固体金属射出成形用機械及び容器のある種の特異性を示しながら、容器内における大きな温度勾配の問題について記載したが、溶融又は圧力容器内における大きな温度勾配の問題は、広範囲の他の金属成型方法及び装置にも認められる。既知の円筒部又は他の容器構成はそれぞれの意図する目的に応じて十分に機能するが、熱応力を最小限にするとともに、より高い使用温度の下で長い寿命を確保する改良型容器構成が依然として必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
したがって、本発明の主たる目的は、マグネシウム及びアルミニウムを含むが、それらに限定されない溶融又は半溶融金属を調製するための改良型容器構成を提供することによって前記の必要性を満たすことである。
【００２６】
本発明の１つの目的は、前記のより高い作動条件において熱応力の低減された構成を提供することである。
【００２７】
本発明のさらなる目的は、より高い使用温度の下でもより長い耐用寿命を確保する構成を提供することである。
【００２８】
本発明の他の目的は、静的及び周期的熱応力の低減された構成を提供することである。
【００２９】
本発明のさらなる目的は、低コストで高生産率を可能にする構成を提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、良好な応力破壊寿命、良好な延性、並びに液状金属及び空気による腐食に対する良好な抵抗性を有して機能するネット・シェイプ部材の一段階ＨＩＰ処理を提供することである。
【００３１】
本発明のさらに他の目的は、合金７１８で形成された円筒部の外殻を、安定性、耐酸化性及び延性のより良好な微細結晶粒合金７２０、又は同様の組成の合金と取り換えることである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
前記及び他の目的を達成するために、本発明は、金属材料を処理して溶融又は半固体状態にするための容器を提供する。容器自体は、材料を受け入れるチャンバを画定する本体を含む。材料を受け入れるために、本体に入口がさらに定められる。また、チャンバ及び本体から材料を排出するために、本体に出口が定められる。本体は、さらに、外層、内層及び中間層の３つの層で形成された側壁部で構成される。外層は第１の材料で形成される。内層は、第１の材料とは異なる第２の材料で構成される。また、内層は前記チャンバの内面を規定する。内層と外層との間には中間層が配置される。この層は、第１の材料とも第２の材料とも異なる第３の材料で構成される。中間層の材料は、外層及び内層の材料より軟らかく、容器の厚さ並びに容器の長さに沿って受ける温度勾配を最小限にするような材料である。中間層は、内層及び外層に接合し、外側の層への液状金属腐食攻撃を阻止する。温度勾配を小さくすることによって、容器内の応力も低減され、それに応じて容器の寿命も長くなる。
【００３３】
合金７１８の硬化機構を改造することによって、硬化機構を安定化させ、デルタ相析出をなくすことができる。これにより、６００〜７５０℃におけるＮｉ基超合金の強度が高められ、寿命が長くなるとともに延性が保持される。これらの合金、例えば合金７２０は、低Ｎｂ及び高Ｔｉ＋Ａｌを使用して、安定したガンマ・プライム相を生成する。また、これらの好適合金は、高温（例えば１１５０℃）においてＨＩＰ処理されることができ、鋳造／鍛錬合金７１８に見られる顕著な結晶粒成長、及び粉体冶金合金７１８に見られる粒界析出物による特性の劣化がない。したがって、超合金円筒部、接着層及びライナの三層構成を一工程でのＨＩＰ処理することができ、ネット・シェイプを作ることができ、機械処理を必要とせず、材料損失を生ぜず、コストを低下させる。
【００３４】
高温湯口及び高温湯道に対する挿入部並びにショット・スリーブは、同一の三層形式で構成できる。
【００３５】
本発明のさらなる利点及び長所は、以下の好ましい実施例の説明及び添付の請求項を添付の図面を併用しながら読むことにより、本発明の関わる技術分野の当業者に理解されるであろう。
【実施例】
【００３６】
次に図面を参照すると、金属材料を処理してチキソトロピー状態にし、該材料を成形して、成形品、ダイ・カスト品、又は鍛造品を形成する、本発明に従って構成される機械または装置が、図１に概略的に符号１０で示されている。本発明は、典型的なダイ・カスト及び鍛造機とは異なり、金属又は金属合金（以下、単に「合金」という）の固体状の原料を使用するように構成されている。これにより、ダイ・カストまたは鍛造法における溶融炉の利用、及びそれに伴う制限が取り除かれる。装置１０は、固体の供給原料を半固体チキソトロピー・スラリーに変換し、次いでそれが、射出成形、ダイ・カスト又は鍛造によって製造品に成形される。
【００３７】
図１に見られる装置１０に関して示されているが、以下に詳述する容器構成は、金属溶融に使用される他の機械の溶融容器にも適用可能であることが理解および認識されるであろう。したがって、本発明は、特定の機械構成、金属及び合金を溶融するための特定の方法、又は特定の金属又は合金のみを溶融するための使用に限定されるものと見なされるべきではない。
【００３８】
図１に単に概略的に示されている装置１０は、モールド１６に結合された容器又は円筒部１２を含む。以下により詳細に述べられるように、円筒部１２は、入口部１４と、ショット部１５と、出口ノズル３０とを含む。入口１８が入口部１４に配置され、出口２０がショット部１５に配置される。入口１８は、供給原料を予備加熱できるフィーダ２２から固体状微粒子、ペレットまたは小片の形態の合金供給原料（点線で示されている）を受け取るように構成されている。
【００３９】
装置１０で形成される製品は、非チキソトロピー成形された製品又は従来のダイ・カスト品よりも欠陥率及び気孔率がはるかに低いと予期される。気孔率を低くすることによって、品物の強度及び延性を高め得ることがよく知られている。明らかに、鋳造欠陥の低下および気孔率の低下は好ましいものと見なされる。
【００４０】
装置１０での処理に適する一群の合金としては、マグネシウム合金並びにＡｌ、Ｚｎ、Ｔｉ及びＣｕ合金が挙げられる。しかし、本発明は、前記合金に限定されるものと解釈されるべきではない。なぜなら、処理により半固体又は液体状態にすることが可能なすべての金属又は金属合金が本発明に利用されるものと考えられるためである。
【００４１】
供給ホッパ２２の底部において、供給原料が、出口３２を通じて容量フィーダ３８に重力で排出される。供給らせん状部（不図示）がフィーダ３８内に配置され、電気モータのような好適な駆動機構４０によって回転駆動される。フィーダ３８内のらせん状部の回転によって、供給原料は、所定の速度で進行し、輸送管又は供給口４２及び入口１８を通じて円筒部１２に供給される。或いは、入口に供給原料を提供するための他の機構も使用することが可能である。
【００４２】
円筒部１２に受け入れられると、加熱素子２４により供給原料は所定の温度に加熱され、材料は二相領域にされる。この二相領域において、円筒部１２内の供給原料の温度は、合金の固相線温度と液相線温度との間にあり、部分的に溶融し、固相および液相の両方を有する平衡状態にある。
【００４３】
この意図する目的を達成するために、様々な種類の加熱及び冷却素子２４により温度制御を行うことができる。例示されるように、図１に加熱／冷却素子２４が代表的に示されている。好ましくは、誘導加熱コイル又は帯状抵抗加熱器が使用される。
【００４４】
帯状加熱器２４の形態の温度制御手段が、その温度の制御の補助のためノズルのまわりに配置され、臨界サイズの合金の固体状の栓形成を可能にする。この栓は、合金の垂れ落ち、又は空気（酸素）若しくは他の汚染物質が装置１０の保護内部雰囲気（典型的にはアルゴン）へ逆流することを防止する。当該栓は、望まれる場合は、例えば真空補助成形のためのモールド１６の排気を促進するものでもある。栓の形成の代替として、スライド・ゲート又は他の弁のような機械的密封機構を使用することも可能である。
【００４５】
該装置は、それぞれ静的モールド半部１６及び可動モールド半部を装着された静的熱板及び可動熱板を含むこともできる。モールド半部は、結合して、成形される品物の形状のモールド・キャビティ１００を定める内面を規定する。モールド・キャビティ１００をノズル３０に接続しているのは全体として１０２で示される湯道、ゲート及び湯口である。モールド１６の動作は従来的であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４６】
往復スクリュー２６が円筒部１２内に配置され、電気モータのような適切な駆動機構４４によって、供給シリンダ３８内に位置するらせん状部のように回転させられ、それにより、スクリュー２６の羽根２８が合金に剪断力を与え、合金を円筒部１２から出口２０の方へ移動させる。剪断作用は合金を調整して、液相に囲まれた円形変性デンドライト構造の球晶から構成されるチキソトロピー・スラリーにする。スクリュー２６の代替として、他の機構又は手段を使用して、供給原料を攪拌し、および／又は供給原料を円筒部１２内で移動させることが可能である。様々な種類の回転板及び重力が、それぞれこれらの機能を果たすことができよう。
【００４７】
装置１０の動作中に、加熱器２４を作動させて、その長さに沿う所望の温度分布となるように円筒部１２を十分に加熱する。一般に、薄い断面部を形成するには高温度分布が望ましく、薄厚混合断面部を形成するには中間温度分布が望ましく、厚い断面部を形成するには低温度分布が望ましい。十分に加熱されると、システム・コントローラ３４が、フィーダ３８の駆動機構４０を作動させて、フィーダ３８内のらせん状部を回転させる。このらせん状部は、供給原料を供給ホッパ２２から供給口４２に輸送し、その入口１８を通して円筒部１２に輸送する。望まれる場合は、以下のさらに詳細に説明するように、供給ホッパ２２、フィーダ３８又は供給口４２で供給原料の予備加熱を行う。
【００４８】
円筒部１２内では、供給原料は、コントローラ３４によって作動された駆動機構４４によって回転されている回転スクリュー２６に取り込まれる。円筒部１２の穴４６の内部では、供給原料は、スクリュー２６の羽根２８によって輸送され、剪断を受ける。供給原料が円筒部１２を通過するに従って、加熱器２４及び剪断作用によって供給された熱が、供給原料の温度を、固相線温度と液相線温度との間の所望の温度まで上昇させる。この温度範囲では、固体状態の供給原料は、半固体状態に変換され、残りの成分の固層がその中に位置するいくつかの成分の液相から構成されている。スクリュー２６及び羽根２８が連続的に回転して、固体粒子に対してデンドライト成長を防止するために十分な速度で剪断を半固体状合金に与えることにより、チキソトロピー・スラリーを生成する。
【００４９】
適切な量のスラリーが円筒部１２の前部２１（蓄積領域）に集まるまで、スラリーは円筒部１２を進行する。スクリュー回転は、コントローラ３４によって中断され、次いで、コントローラ３４は、スクリュー２６を進行させ、合金を出口２０と連結されたノズル３０からモールド１６へ送り込むようにアクチュエータ３６に信号を送る。スクリュー２６は、最初は、約２５．４〜１２７ｍｍ（１〜５インチ）／秒の速度に加速される。非戻り弁（不図示）が、スクリュー２６の進行時に、材料が入口１８の方へ逆流することを防止する。これは円筒部１２の前部２１の溶材を圧縮する。
【００５０】
ノズル３０自体の構成材料は、合金鋼（Ｔ−２８８８）、ＰＭ０．８Ｃ合金、及びＮｂ−３０Ｔｉ−２０ＷのようなＮｂ基合金である。１つの好ましい構成において、ノズル３０は前記合金の１つで一体的に形成されている。他の好ましい実施形態においては、ノズル３０は合金７２０で形成され、Ｎｂ基合金又はＰＭ０．８Ｃ合金の耐久性のある内面がＨＩＰ処理で形成されている。
【００５１】
図２に示されるように、円筒部１２の入口部１４はショット部１５に嵌合的に係合し、それにより連続穴４６が、入口部１４及びショット部１５のそれぞれの内面４８及び５０が組み合わされて規定される。２つの円筒部部分１４と１５とを互いに固定するために、ショット部１５に、取付け穴５４を規定する放射状フランジ５２が設けられる。対応するねじ切り穴が、円筒部のショット部１５の嵌合部５８に定められる。フランジ５２の穴５４に挿入されるねじ切り締結具６０が、ねじ切り穴５６にねじ込み可能に係合することにより、部分１４と１５とを互いに固定する。明らかに、図１に見られる二部円筒部２３の代わりに一部円筒部を使用し、本発明に従ってその全長にわたって構成することが可能であり、それを以下により詳細に説明する。
【００５２】
本発明の円筒部構成は、その厚さ及び長さに沿って受ける温度勾配を最小限にすることによって従来技術の欠点を克服する。特に図２を参照すると、本発明の円筒部１２は、外殻６２、中間層６４及びライナ６６と称する３つの層を含む。図２に見られるように、中間層６４は、外殻６２とライナ６６との間に配置される。後に説明するように、中間層６４の存在により、円筒部１２の厚さ方向の放射状の温度勾配が最小限に抑えられる。
【００５３】
具体的には、中間層６４は、外殻６２又はライナ６６より軟らかい。中間層６４は、円筒部１２の外殻６２をライナ６６に接着することが好ましいが、そうでなくてもよい。接着する場合、中間層６４は，高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）によって外殻及びライナに接着されることが好ましい。また、中間層６４の存在により、外殻のライナからの剥離が防止され、円筒部構成の全体的な安定性が高められる。
【００５４】
本発明の好ましい実施例において、中間層６４は、低炭素鉄の合金で形成される。或いは、外殻６２又はライナ６６と脆性層を形成しない他の材料を使用することもできる。中間層６４は、Ａｌ、Ｍｇ又はＺｎによる腐食に対する抵抗性を有することも好ましい。円筒部の構成の耐久性を高めるために、中間層の好ましい厚さを１．３ｍｍ〜３．８ｍｍ（０．０５インチ〜０．１５インチ）の範囲とし、より好ましくは１５〜３．０ｍｍ（０．６〜０．１２インチ）の範囲とする。
【００５５】
表１及び表２は、円筒部１２の受ける応力に対する中間層６４の影響を示している。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
【表２】
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【００５８】
表１及び表２に示すように、中間層の存在により、作製時及び使用時におけるライナ６６及び外殻６２の両方に対する応力が低減される。表３は、厚さが４６．９９ｍｍ（１．８５インチ）のＨＩＰ処理されたＰＥＤ７２０の外殻、及び厚さが５．０８ｍｍ（０．２インチ）のステライトのライナを有する円筒部を使用した場合における中間層６４の応力への影響をさらに示している。表の値は、ΔＴ＝２２４℃（４０３°Ｆ）での完全始動で測定された。
【００５９】
【表３】
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【００６０】
外殻６２は、円筒部１２の最外層である。好ましくは、中間層６４の存在により、外殻構成に使用される材料を、以下の特性を示す材料と取り替えることが可能になった。それらの特性とは、ＨＩＰ後の結晶粒径が小さいこと、応力破壊特性が大きいこと、軟化または脆性デルタ相析出による脆化がないこと、熱膨張係数が小さいこと、並びに酸化及び酸素加速疲労に対する抵抗が大きいことである。前記特徴を示す１つの好ましい材料は、微細結晶粒合金７２０である。全体として合金７２０に類似している合金、並びに合金７１８及び合金７２０が表４に示されている。
【００６１】
【表４】
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【００６２】
上記表４は、合金７１８、及び全体として合金７２０に類似した他の合金との比較において超合金７２０の特性が優れていることを示している。或いは、類似の組成及び特性を示す他の合金を使用できる。典型的には、当該好ましい超合金の組成範囲は、１０％超のＣｒ、７．５％超のＣｏ、２．５％超のＭｏ、０〜６％のＷ、４％未満のＮｂ、２％超のＡｌ、２．４％超のＴｉ、５．５％超のＡｌ＋Ｔｉである。さらに、６４９℃（１２００°Ｆ）における引張強さ（ＵＴＳ）は、好ましくは１２４０ＭＰａ（１８０ｋｓｉ）より大きく、７６０℃（１４００°Ｆ）においては１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）より大きい。同様に６４９℃（１２００°Ｆ）における降伏強さ（ＹＳ）は、好ましくは９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）より大きく、７６０℃（１４００°Ｆ）においては８９６ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）より大きい。６４９℃（１２００°Ｆ）における１０００時間の応力破壊強度は６８９ＭＰａ（１００ｋｓｉ）より大きく、７６０℃（１４００°Ｆ）においては４１３ＭＰａ（６０ｋｓｉ）より大きい。好ましい７２０合金は、ＨＩＰ処理後の粒径が小さく、６８９〜８９６ＭＰａ（１００〜１３０ｋｓｉ）までの段階的な加重を受けた際の６４９℃（１２００°Ｆ）における応力破壊寿命が４３０時間で、伸びが２３％である。さらに、合金７２０は、７６０℃（１４００°Ｆ）に５００００時間保持しても、軟化又はデルタ相析出による脆化を起こさず、熱膨張率（ＣＴＥ）も１３．７と低い。合金７２０は、Ｎｂ含有量を減らし、Ａｌ含有量を増やすことによって、優れた耐酸化性、及び６４９℃（１２００°Ｆ）における酸素加速疲労に対する抵抗性を示す。
【００６３】
表５及び表６は、６４９℃（１２００°Ｆ）における合金７１８及び合金７２０のクリープ特性及び応力破壊特性を示している。表からわかるように、合金７２０は、合金７１８より高い耐クリープ性及び優れた強度を示す。また、表７は、５０００時間の模擬使用による、不安定な合金７１８と安定した低ＮｂのＷａｓｐａｌｏｙとの脆化の比較を示したものであり、「ＲＡ」は面積の減少を表し、「ＣＶＮ」はＶノッチ・シャルピ脆性を表す。表７からわかるように、室温では、Ｗａｓｐａｌｏｙを使用した円筒部では、ＣＶＮの減少は無視できるほど小さい。これに対し、合金７１８は大幅なＣＶＮの減少を示し、それが円筒部の寿命を低下させる。
【００６４】
【表５】
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【００６５】
【表６】
2005531415.tif 000008
【００６６】
【表７】
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【００６７】
さらに、中間層の存在により、外殻の厚さを小さくでき、それによって、熱伝達が向上し、応力が低減し、円筒部１２にわたる温度勾配が小さくなる。本発明がなければ、外殻の厚さは典型的には４６．９９ｍｍ（１．８５インチ）〜９３．４２ｍｍ（３．６７８インチ）の範囲であった。
【００６８】
本発明を用いれば、４６．９９ｍｍ（１．８５インチ）未満の厚さの外殻を用いることが可能になる。本発明を用いた外殻の厚さは２５．４ｍｍ〜４６．９９ｍｍ（１から１．８５インチ）未満の範囲、より好ましくは３１．７５〜から４４．４５ｍｍ（１．２５〜１．７５インチ）の範囲であることが予期される。
【００６９】
表８は、円筒部１２にかかる応力に対する外殻６２の厚さの影響を示している。表８に報告されているデータにおいて、外殻６２、中間層６４及びライナ６６に使用されている材料は、それぞれ外殻用ＨＩＰ７２０合金、５．０８ｍｍ（０．２インチ）のＴ−２０ライナ、及び１．５２ｍｍ（０．０６）インチの鉄製中間層である。
【００７０】
【表８】
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【００７１】
前記の中間層を採用することによって、ライナの組成及び構成の変更も可能になる。具体的には、二元系状態図における包晶温度又は融点が高い合金元素をベースとした耐火合金ライナが利用される。このような耐火金属及び元素は、膨張率が小さい（そしてその結果、ライナ及び外殻の応力が低減される）、弾性率（Ｅ）が小さい、熱伝導率が大きい、処理材料に対する耐腐食性が良好、且つ強度、じん性及び硬度が大きいという特徴を有する。
【００７２】
とりわけＭｇ、Ａｌ又はＺｎを処理する場合のライナ６６に対する好ましい材料はＮｂ合金、より具体的にはＴ−２０、Ｔ−２２及びＴ−２３Ｎｂ合金である。中間層６４が存在するため、ライナ６６の厚さを現在用いられている１２．７ｍｍ（０．５インチ）以上から実質的に減少させることができる。本発明を用いれば、ライナの厚さを１２．７ｍｍ（０．５インチ）以下に減少させることができる。現実的には、ライナの厚さの下限は約３．８１ｍｍ（０．１５インチ）であると思われるが、より小さい厚さも可能である。好ましくは、ライナの厚さの範囲は、約３．８１ｍｍ（０．１５インチ）〜１２．７ｍｍ（０．５０インチ）未満、より好ましくは３．８１ｍｍ（０．１５インチ）〜６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の範囲である。
【００７３】
表９は、ライナ組成物、及び前記のＮｂ合金組成物の熱衝撃（ＴＳ）及び複合応力に対する影響を示している。
【００７４】
【表９】
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【００７５】
表１０及び表１１は、ライナ材料の応力に対する影響についてのデータを示している。表１０は、ΔＴ＝１５２℃（２７３°Ｆ）における材料供給時の応力値を示し、表１１は、ΔＴ＝２２４℃（４０３°Ｆ）における初期の完全始動時の応力値である。
【００７６】
【表１０】
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【００７７】
【表１１】
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【００７８】
前記の表からわかるように、中間層６４を使用すると、外殻６２又はライナ６６に対する応力が低減される。本質的に、中間層６４は、緩衝帯として作用することによって、外殻６２に割れが早期に起こることを防止する。
【００７９】
ライナの厚さは応力に影響し、表１２は、Ｔ−２０ライナについての影響を示している。前記の表に示されるように、外殻は合金７２０で厚さが４６．９９ｍｍ（１．８５インチ）であり、ライナはＴ−２０合金であり、作動条件は、ΔＴ＝１５２℃（２７３°Ｆ）での材料供給である。
【００８０】
【表１２】
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【００８１】
ライナの厚さを５．０８ｍｍ（０．２インチ）よりも厚くすることが可能であるが、そこまで増加させると、円筒部の全体コストも増大し、実際には円筒部の強度が犠牲になる。
【００８２】
以上の説明から、本発明は、金属及び合金を溶融させるための容器構成において多くの利点及び長所を提供することがわかる。前記の説明は、本発明の好ましい実施例を扱っているが、添付の請求項の適正な範囲及び公正な原理を逸脱することなく、本発明を修正、変更及び改変できることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明による容器の部分を有し、供給原料を溶融及び／又は半溶融状態に変換するために使用される装置の全体図。
【図２】本発明の好ましい実施例による三層構成を有する容器の部分の拡大図。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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