(57)【要約】  鋳型のセラミック中子を支持するためにインベストメント鋳造法またはロストワックス法において使用されるピンは、溶融金属を鋳型に流し込む間にセラミック中子の位置を維持するために好適な強度をもたらすが、鋳型の焼成中の酸化の影響を受けやすい金属から形成される芯を含む。ピン芯は、鋳型の焼成中の酸化に耐え、鋳造部品の処理中の化学的相互作用に耐える金属から形成される外側コーティングで包まれる。中間コーティングは、好ましくは芯と外側コーティングとの間に配置され、鋳型の焼成中の酸化に耐え、鋳造部品の処理中の化学的相互作用に耐える金属から同様に形成される。この発明は、さらに、複数のこれらのピンを使用するインベストメント鋳造鋳型、ならびにピンおよび鋳型を作る方法を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インベストメント鋳造ピンを含む装置であって、前記インベストメント鋳造ピンは、
セラミックインベストメント鋳造鋳型の焼成に関連する温度での酸化の影響を受けやすい金属から形成される細長い芯と、
細長い芯を完全に包み、セラミック材料との化学的相互作用および前記温度での酸化に耐えることができる金属から形成される外側コーティングとを含む、装置。
【請求項２】
芯は、モリブデン、タングステンおよびモリブデン−タングステンの合金からなる群のうちの１つから形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
外側コーティングは、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウム、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウムおよびルテニウムからなる群のうちの少なくとも１つから形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
芯は、芯と外側コーティングとの間に配置される中間コーティングを形成するように白金で被覆される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
芯の直径は．００５から．２インチの範囲であって、外側コーティングの厚さは２５００万分の１から４億分の１インチの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
芯の長さは．００５から１．０インチの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
芯の長さは．０５０から．７５０インチの範囲であって、その直径は．００５から．０７５インチの範囲であって、外側コーティングの厚さは５０００万分の１から３億分の１インチの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
芯の長さは．０８０から．５００インチの範囲であって、その直径は．０１２から．０５０インチの範囲であって、外側コーティングの厚さは５０００万分の１から３億分の１インチの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
温度は華氏１３００から１９００度の範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
外側コーティングの金属は、セラミックインベストメント鋳造鋳型の中の鋳造金属に関連する温度でのセラミック材料との化学的相互作用に耐えることができる、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
鋳造金属に関連する温度は、華氏２，５００から３，３００度の範囲である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
中間コーティングは芯と外側コーティングとの間に配置され、セラミック材料との化学的相互作用および前記温度での酸化に耐えることができる金属から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
芯は向い合う端部を有し、中間コーティングはその端部を除く芯を包む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
中間コーティングおよび外側コーティングの各々は、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウム、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウムおよびルテニウムからなる群のうちの少なくとも１つから形成される、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
芯の長さは．００５から１．０インチの範囲である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
芯の直径は．００５から．２インチの範囲であって、外側コーティングの厚さは２５００万分の１から４億分の１インチの範囲である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
セラミックシェルおよびセラミック中子をさらに含み、複数のピンはセラミックシェルからセラミック中子まで延在し、それによってピンはセラミックシェル内でセラミック中子を支持する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
各々のピンの芯は、モリブデン、タングステンおよびモリブデン−タングステンの合金からなる群のうちの１つから形成され、各々のピンの外側コーティングは、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウム、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウムおよびルテニウムからなる群のうちの少なくとも１つから形成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
中間コーティングは芯と外側コーティングとの間に配置され、セラミック材料との化学的相互作用および前記温度での酸化に耐えることができる金属から形成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
各々のピンの芯は、モリブデン、タングステンおよびモリブデン−タングステンの合金からなる群のうちの１つから形成され、中間コーティングおよび外側コーティングの各々は、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウム、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウムおよびルテニウムからなる群のうちの少なくとも１つから形成される、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．技術分野
この発明は、インベストメント鋳造法またはロストワックス法において使用される鋳型の中子を設置するための改良されたピンに関する。より特定的には、この発明は、別の金属でコーティングされる、１つの金属からなるワイヤ中心を有する上記ピンに関する。具体的には、この発明は、鋳型の焼成中の酸化に耐え、高温鋳造中の鋳型の中子を支持し、鋳造金属または合金と冶金的に互換性のある上記ピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
２．背景情報
インベストメント鋳造法またはロストワックス法は、中空の鋳造部品を製造するために使用される。これらの中空部品を作るために使用される鋳型はセラミック中子の使用を伴い、セラミック中子は、残余の鋳型が形成され、最終部品が鋳造されるときにセラミック中子を適切な位置に保持するようにインベストメント鋳造ピンによって支持されなければならない。セラミック中子は、基本的には最終部品の形をしたろう型の中に固定される。ろう型は、次いで、中子およびろう型をセラミックスラリーに浸すことによって覆われる。スラリーが乾燥した後、ろうは溶け出す。アセンブリ全体は、次いで、典型的には華氏１３００から１９００度の範囲の温度で焼成され、鋳造ピンが間に延在した状態で、硬化したセラミック中子およびシェルを残して、最終部品のための鋳型を形成する。したがって、中子は鋳造ピンの助けを借りてシェル内の適切な位置を達成する。溶融金属が鋳型に流し込まれて、鋳造金属部品を形成する。
【０００３】
ほとんどの場合、鋳型は酸化環境で焼成されるが、還元性雰囲気も可能である。酸化環境で焼成することが最も一般的であるので、このような焼成を経る鋳造ピンはこれらの高温での酸化に対して耐性がなければならない。さらに、ピンとセラミックシェルまたはセラミック中子との間で化学的相互作用が発生しないように、ピンは適切な材料からなる必要がある。金属を鋳型に鋳造することは典型的には、比較的低い酸素環境で行われるため、鋳造中にピンを酸化させるという問題は低減される。しかしながら、特定の環境によっては、鋳造中のピンの酸化の問題は依然として多少存在し得る。
【０００４】
鋳造プロセス中に、鋳型の中子がシェル内で移動しないことが重要である。そうでなければ、最終部品が、最終的な用途にとって厚すぎるまたは薄すぎる壁を有することになる。たとえば、航空宇宙産業および電力産業は、ピーク性能をもたらし、多くの場合、航空機または発電機における破局的な故障を防ぐために精密許容差を満たさなければならない高品質部品を必要とする。中子が十分に移動し、そのために最終部品がこのような許容差を満たさない場合、その部品は不合格にされなければならない。中子が移動しないまたは中子が許容できる許容差内でのみ移動することを確実にするために、鋳造ピンはセラミック中子を十分に支持するのに、鋳造温度で十分に強いものであることが重要である。方向性凝固法または単結晶法の場合、鋳造温度は華氏３，０００度に近づく可能性があり、これはこのような用途のための鋳造ピンの構成の可能性を制限する。さらに、最終部品の強度にマイナスの影響を与え得るであろう許容できない含有物、化学反応または空隙のない高品質部品を製造するために、鋳造ピンは最終部品の金属または合金と互換性のあるものでなければならない。ピンの構成は、さらに、ピンが完全に溶解して、典型的には合金である最終部品になるように選択されなければならない。最終部品は通常、特別なニッケル合金から形成される。
【０００５】
固い白金の鋳造ピンが高温鋳造において使用されてきた。しかしながら、白金は非常に高価になり、鋳造温度での軟化または弛みを被ることにもなり、したがって、より重いセラミック中子に不十分な支持をもたらす。したがって、当該技術分野における上述の問題に対処する他の鋳造ピンが必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の簡単な概要
この発明は、セラミックインベストメント鋳造鋳型の焼成に関連する温度での酸化の影響を受けやすい金属から形成される細長い芯と、細長い芯を完全に包み、セラミック材料との化学的相互作用および上記温度での酸化に耐えることができる金属から形成される外側コーティングとを含むインベストメント鋳造ピンを含む装置を提供する。
【０００７】
１つの実施例は、さらに、芯と外側コーティングとの間に配置され、セラミック材料との化学的相互作用およびセラミックインベストメント鋳造鋳型の焼成に関連する温度での酸化に耐えることができる金属から形成される中間コーティングを含む。
【０００８】
別の実施例は、さらに、セラミックシェルおよびセラミック中子を含み、複数のピンはセラミックシェルからセラミック中子まで延在し、それによってピンはセラミックシェル内でセラミック中子を支持する。
【０００９】
出願人がこの原理を適用することを企図する最良の形態を表わすこの発明の好ましい実施例は、以下の説明に記載され、図面に示され、特許請求の範囲の中で特におよび明確に指摘され、記載される。
【００１０】
同様の数字は明細書全体にわたって同様の部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の詳細な説明
この発明の鋳造ピンの第１の実施例は、図２〜図３に１０で示される。この発明の鋳造ピンの第２の実施例は、図４〜図５に１００で示される。この発明の第３の実施例は、図６〜図７に２００で示される。鋳造ピン１０、１００および２００は、中空の金属部品を鋳造するためにインベストメント鋳造法またはロストワックス法において使用される。図１における１０のような鋳造ピンは、ろう型８を囲むように形成されるセラミックシェル６内でセラミック中子４を支持するために鋳型２に対して使用される。ピン１０は、シェル６内から、中子４に密接に隣接または当接する位置まで延在する。ピン１０は、さらに、わずかに中子４の中に延在してもよいが、これは好ましくない。
【００１２】
鋳造ピン１０（図２〜図３）は、十分に高い温度での酸化の影響を受けやすい金属から形成される芯１２と、非酸化金属または上記高温での酸化に耐える金属から形成される保護コーティング１４とを含む。上の背景部分に記載されたように、これらの温度は華氏１，３００から１，９００度の範囲であってもよく、典型的には華氏１，５００から１，７００度である。芯１２は、最終部品の壁の厚さが許容できる許容差の範囲内であるようにセラミックシェル６内の適切な位置にセラミック中子４を維持するために、鋳型２の焼成中および金属部品の高温鋳造中に十分な強度をもたらすように構成される。さらに背景部分に記載されたように、鋳造温度は華氏３，０００度に近づいてもよい。鋳造温度は通常、華氏２，５００から３，３００度の範囲である。ニッケルまたはニッケル合金が関わる場合には特に、鋳造温度は通常、華氏２，６５０から３，１００度の範囲であり、好ましくは華氏２，８００から３，０００度の範囲である。保護コーティング１４は、酸化環境での鋳型２の焼成中に、ピン１０の芯１２が酸化されず、それによってピン１０がセラミ
ック中子４を支持することができない程度まで弱められないことを確実にするように構成される。コーティング１４は、さらに、鋳型２の焼成中および金属部品の鋳造中にセラミックシェル６とピン１０との間またはセラミック中子４とピン１０との間で化学的相互作用が確実に発生しないように選択される。上の背景部分に記載されたように、鋳造プロセス中に鋳造ピンを酸化させるという問題は、概して、典型的な比較的低い酸素環境のために低減される。しかしながら、ピン１０は、ピン１００および２００がそうであるように、鋳造中の酸化も防ぐように構成される。
【００１３】
芯１２は典型的には、高温で相当な強度を維持する合金の形のワイヤである。ワイヤは、割れまたはひびがワイヤに形成されないように洗浄および注意深く伸ばされる延伸ワイヤである。好ましくは、ワイヤは、ワイヤの表面にいかなる損傷または欠陥も回避するために、繊維質またはテフロン（登録商標）のパッドを使用する温間回転式伸ばし機を用いて伸ばされる。ワイヤは、二重円筒形ナイフ（double-cylindrical knife）を用いて、必要な各々の直径に適切なピンの長さに切断される。芯１２は、次いで、コーティング１４を製造するために金属でめっきされ、コーティング１４は、芯１２が鋳型２の焼成中に酸化環境に晒されないように芯１２を完全に覆う。この出願の背景に記載された高温とともに使用するために特に、芯１２は好ましくは、モリブデン、タングステンまたはモリブデン‐タングステンの合金から形成され、コーティング１４は好ましくは、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウム、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウム、ルテニウムまたはそれらの合金から形成される。コーティング１４は典型的には電気めっきによって芯１２に施されるが、真空メタライジング、蒸着およびスラリー堆積などの、当該技術分野において公知の他の方法によっても達成されてもよい。
【００１４】
鋳造ピン１００（図４〜図５）は、以下にさらに詳述されるように、ピン１００が追加の保護コーティングを含む以外はピン１０に類似している。ピン１００は、金属から形成される芯１１２と、芯１１２の金属とは異なる金属から形成される中間保護コーティング１１４と、外側保護コーティングまたは酸化バリア１１６とを含む。ピン１００は別の保護コーティング１２２を任意に含む。芯１１２は向かい合う端部１１８を有し、コーティング１１４は向かい合う端部１２０を有する。より特定的には、芯１１２は、ワイヤ延伸プロセスの間、薄い層またはコーティング１１４によって被覆される。このプロセスは、中間コーティング１１４になる管の中に、芯１１２になるワイヤを挿入することを伴う。ワイヤおよび管は、両者を長く、薄くするようにともに引き伸ばされ、したがって、被覆されたワイヤを形成する。被覆されたワイヤは、次いで、芯１１２およびコーティング１１４を含む、各々のピン１００の内部部分を形成するように伸ばされ、切断される。芯１１２の端部１１８がピン１００の内部部分の形成の間露出されるので、露出された端部１１８を介する芯１１２の酸化を防ぐために外側コーティング１１６が必要である。特定の状況下で、酸化に対するさらなる保護をもたらすために保護コーティング１２２が使用されてもよく、この場合には、コーティング１２２は外側コーティングであり、コーティング１１４は第１の中間コーティングであり、コーティング１１６は第２の中間コーティングである。
【００１５】
このように、コーティング１１６を製造するために芯１１２およびコーティング１１４は金属でめっきされ、コーティング１１６は、鋳型２などの鋳型の焼成中に芯１１２の端部１１８が酸化環境に晒されないように芯１１２および中間コーティング１１４の露出された部分を完全に覆う。芯１１２の酸化に対するバリアをもたらすことに加えて、コーティング１１６は、さらに、被覆された中間コーティング１１４におけるいかなる割れまたは隙間も埋め、処理中、特に鋳型２の組立て中のピン１００への損傷に耐えることに役立つ。この出願の背景に記載された高温とともに使用するために、芯１１２は好ましくは、モリブデンまたはタングステンから形成される。コーティング１１４は、ピン１０のコー
ティング１４に関して上述された材料から形成され、最も好ましくは白金またはニッケルから形成される。コーティング１１６は好ましくは、ピン１０のコーティング１４に関して上述された材料から形成される。より好ましくは、コーティング１１６は、ニッケル、コバルト、クロミウム、マンガン、バナジウムまたはそれらの合金から形成され、特に、第２の中間コーティングとして使用されるときにはニッケルから形成される。任意の外側コーティング１２２は好ましくは、金、白金、パラジウム、ニオブ、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウム、ルテニウムまたはそれらの合金から形成される。より好ましくは、コーティング１２２は金、ロジウムまたはそれらの合金から形成され、最も好ましくは金から形成される。
【００１６】
（最も典型的には電気めっきによって）芯１１２の端部１１８を覆う第１のコーティング（ここでは、外側コーティング１１６）は、十分な加熱の際に、中間コーティング１１４の非常に望ましい被覆された材料に拡散経路をもたらすという有益な特性を有して、芯１１２の端部１１８をさらに覆う。十分な加熱は他の場所で発生し得るであろうが、端部保護のこのプロセスは通常、鋳型焼成サイクルまたは鋳造の初期段階の間に発生し、中間コーティングの保護性質を大幅に高める。より特定的には、鋳型の焼成中に到達する高温では、コーティング１１４の金属は外側コーティング１１６の金属中に拡散し、コーティング１１４の金属の一部がコーティング１１６を通って移動し、金属１１６とともに芯１１２の端部１１８を覆うことを可能にする。別の言い方をすれば、鋳型の焼成中に、中間コーティング１１４および外側コーティング１１６は端部１１８を覆う合金を形成し、したがって、端部１１８に対する耐酸化性を高める。
【００１７】
鋳造ピン２００（図４〜図５）は、ピン２００がピン１００の外側コーティング１１６とはわずかに異なる外側保護コーティング２１６を含む以外はピン１００と類似している。コーティング２１６は中間コーティング１１４の露出された部分すべてを覆うのではなく、端部１２０を含むその端部部分のみを覆い、芯１１２の端部１１８も覆う。したがって、外側コーティング２１６は主に、端部１１８を介する芯１１２の酸化に対する保護をもたらす。コーティング２１６は、中間コーティング１１４の中央部分を露出されたままにするので、ピン１００のコーティング１１６がもたらす程度の追加のバリアをもたらさない。コーティング２１６は、たとえばピン２００の長さに沿って延在することなく端部１２０のみを覆ってもよい。コーティング２１６は典型的には、コーティング１１６に関して上述されたのと同一の材料から形成される。十分に加熱されたときの、中間コーティング１１４の、外側コーティング２１６の中への拡散が、ピン１００に関して上述されたのと同様に利用される。
【００１８】
なお、図面に示されるコーティング１４、１１４、１１６、１２２および２１６の厚さは概して誇張されている。上記コーティングの厚さは典型的には、以下に記載されるように非常に小さい。この発明のインベストメント鋳造ピンは概して、．００５から．２（５／１０００から２／１０）インチの範囲の直径（使用されるときの被覆を含む）に延伸されたワイヤから形成され、．００５（５／１０００）から１．０（１）インチの範囲の長さに切断され、次いで、２５００万分の１から４億分の１インチ（マイクロインチ）の範囲の厚さのコーティングで（最も典型的には電気めっきによって）コーティングされ、必要であれば、５００万分の１から６０００万分の１インチの範囲の厚さの（これも典型的には電気めっきされた）追加のコーティングでコーティングされる。ワイヤが被覆されるとき、被覆の厚さは典型的には．０００１から．００３（１／１０，０００から３／１０００）インチである。
【００１９】
１つの好ましい実施例は、直径が．００５から．０７５（５／１０００から７５／１０００）インチの範囲（使用されるときの被覆を含む）であり、長さが．０５０から．７５０（５０／１０００から３／４）インチの範囲のこのような被覆されたまたはコーティン
グされたワイヤであり、コーティングの厚さは５０００万分の１から３億分の１インチの範囲であり、必要であれば、追加のコーティングの厚さは５００万分の１から４０００万分の１インチの範囲である。
【００２０】
より好ましくは、このようなワイヤの直径は、．０１２から．０５０（１２／１０００から５０／１０００）インチの範囲（使用されるときの被覆を含む）であり、長さは．０８０から．５００（８０／１０００から１／２）インチの範囲であり、コーティングの厚さは５０００万分の１から３億分の１インチの範囲であり、必要であれば、追加のコーティングの厚さは１０００万分の１から４０００万分の１インチの範囲である。
【００２１】
好ましくは、ワイヤは白金で被覆されたモリブデンのワイヤであり、外側コーティングはニッケルであり、追加のコーティングは、使用される場合、好ましくは金、ロジウムまたはそれらの合金であり、最も好ましくは金である。
【００２２】
この発明は、さらに、ピン１０、１００または２００を使用するインベストメント鋳造鋳型、およびインベストメント鋳造鋳型を作る方法を含む。より特定的には、これは、セラミック中子を形成することと、セラミック中子をろうで包むことと、複数のピン１０、１００または２００をろうを通してセラミック中子に差込むことと、ろうを囲むようにセラミックシェルを形成し、それによってピンがシェルの中に延在することと、ろうを取除くことと、セラミック中子、セラミックシェルおよびピンを焼成して鋳型を形成し、それによってセラミックシェルがピンによってセラミック中子を支持することとを伴う。溶融金属は、次いで、空洞に流し込まれ、ピンは凝固するときに溶解して鋳物になる。
【００２３】
上述の記載の中では、簡潔に、明確に、および理解できるようにするために特定の用語が使用されてきた。このような用語は説明の目的で使用され、広く解釈されるように意図されるので、先行技術の要件を超えてそこから不必要な制限が示唆されるべきではない。
【００２４】
さらに、この発明の説明および例示は一例であり、この発明は、示される厳密な詳細または記載される厳密な詳細に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の鋳造ピンが鋳型のシェル内で鋳型の中子を支持するために使用される鋳型の断面図である。
【図２】この発明の鋳造ピンの第１の実施例の斜視図である。
【図３】図２の線３−３で取られる断面図である。
【図４】この発明の鋳造ピンの第２の実施例の斜視図である。
【図５】図４の線５−５で取られる断面図である。
【図６】この発明の鋳造ピンの第３の実施例の斜視図である。
【図７】図６の線７−７で取られる断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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