(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末供給材料から金属成分を形成する方法であって：
前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料から１成分の鋳型を生成する； 
金属粉末の前記供給材料を前記鋳型の中に展開する；
誘導加熱システムを有する真空チャンバ内に前記鋳型を置き、前記誘導加熱システムが電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む；そして
前記鋳型内で前記金属粉末が融解するように該金属粉末の融点より高い温度に前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する；
ステップを含み、
前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、セラミックの前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射する方法。
【請求項２】
前記鋳型がその成分の模型について構築される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記鋳型を構築する前記ステップが前記模型の外側に複数の層を加えることからなる請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する前記ステップがマイクロ波エネルギーを生成するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記顆粒状サセプタ材料が炭化珪素の粒子からなる請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記複数の層が前記粉末供給材料に対して不活性である耐火性スラリーのプライマリ層を含む請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記複数の層が、湿ったスラリー層に続いて実質的に乾燥したスタッコ層が交互に適用されてなり、前記交互に適用されるスラリー層と前記スタッコ層が実質的に同様なセラミック材料を含む請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記鋳型が冷却し前記鋳型内に含まれる金属が収縮するとき、前記鋳型に液状金属を追加して供給するステップを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
冷却中に前記鋳型内に液状金属を強制供給する助けとなるように供給部に上部まで前記液状金属を追加して供給するステップを更に含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記供給部に大気中子を設け、前記液状金属内で捕捉されたガスを前記大気中子を介して逃がすステップを更に含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
粉末供給材料から金属成分を形成する装置であって：
当該鋳型の中に入る前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料からなる１成分の鋳型と； 
電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む誘導加熱システムを有する誘導加熱システムに装備され、前記鋳型を受容する真空チャンバ；
を含み、
前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射するように構成される装置。
【請求項１２】
その成分の模型を更に含み、前記鋳型が前記模型について構成される請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記顆粒状サセプタ材料が炭化珪素の粒子からなる請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記電磁エネルギー源がマイクロ波放射源を含む請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記鋳型が高い熱伝導率を有するアルミナ材料からなる請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記鋳型が、生産される金属成分に対応する成分部と、前記鋳型が冷却し、該鋳型中に含まれる金属が収縮するときに、前記成分部に液状金属を追加供給する供給部を画定する請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記供給部が前記成分部から垂直に上向きに延び、前記成分部の最上部と前記供給部の上部間の高さの違いが前記成分部の高さの２倍を超える請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記供給部が、前記成分部に隣接する第１の端と、該第１の端から延び、前記供給部の上部まで供給材料を挿入することを可能にする先端部を有する請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
前記供給部が、ガスを前記液状金属内で捕捉し前記供給部に逃がすために、ガスに多孔性である大気中子を含む請求項１６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１３年８月２日提出の英国特許出願第１３１３８４９．０号、２０１３年１１月１５日提出の英国特許出願第１３２０１６８.６号及び２０１３年１１月１５日提出の英国特許出願第１３２０１７１.０号に基づく優先権を主張するものであり、これらはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［発明の背景］
１．発明の分野
本発明は、粉末供給材料から金属成分を形成する方法に関する。
本発明は、更に、粉末供給材料から金属成分を形成する装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
粉末冶金は粉末供給材料から金属成分を形成する方法として公知である。既知の熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）プロセスでは、圧力と温度の両方が作用するスチール鋳型で粉末が成形される。典型的には、アルゴンガスが使用され、５０メガパスカルから３００メガパスカルの範囲の等方圧が供給され。このプロセスの間に、材料の温度が上昇すると、粉末が焼結し、その粒子は互いに融合する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、公知の粉末冶金は、製造される製品の大きさの点に関して、及び、その形状の複雑さの点においても制限される。更に、経費がかかり時間を消費するプロセスである。拡大が困難であり、もっと伝統的な鋳造プロセスによって製造された製品と競合するときには、要求される大きさと複雑さを有する製品を製造することはほとんど不可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
［発明の簡単な要約］
本発明の第１の観点によれば、粉末供給材料から金属成分を形成する方法であって：前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料から１成分の鋳型を生成する；金属粉末の前記供給材料を前記鋳型の中に展開する；誘導加熱システムを有する真空チャンバ内に前記鋳型を置き、前記誘導加熱システムが電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む；そして、前記鋳型内で前記金属粉末が融解するように該金属粉末の融点より高い温度に前記誘導加熱システムを使用して前記鋳型を加熱する；ステップを含み、前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、セラミックの前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射する方法が提供される。一実施態様では、鋳型が冷却し、鋳型内に含まれる金属が収縮するときに、鋳型に液状金属を追加して供給する供給管が含まれる。
【０００６】
本発明の第２の観点によれば、粉末供給材料から金属成分を形成する装置であって：当該鋳型の中に入る前記粉末供給材料の融点より高い融点を有するセラミック材料からなる１成分の鋳型と；電磁エネルギー源と顆粒状サセプタ材料を含む誘導加熱システムを有する誘導加熱システムに装備され、前記鋳型を受容する真空チャンバ；を含み、前記顆粒状サセプタ材料が前記電磁エネルギー源によって生じた誘導電磁界のエネルギーを吸収し、前記鋳型へ向けて赤外線エネルギーを放射するように構成される装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、金属成分を形成する方法を示し；
【図２】図２は、模型の生成手順を示し；
【図３】図３は、鋳型を生産するための層の追加を示し；
【図４】図４は、供給材料の展開を示し；
【図５】図５は、金属成分を形成する装置を示し；
【図６】図６は、供給部の断面を示し；
【図７】図７は、金属粉末が充填された後の図５の鋳型を示し；
【図８】図８は、液状金属を有する図７の鋳型を示し；
【図９】図９は、鋳型の部分断面を示し；
【図１０】図１０は、更に冷却した後の図９を示し；
【図１１】図１１は、代替構成の鋳型を示し；
【図１２】図１２は、加熱システムを示し；
【図１３】図１３は、鋳型の代替実施形態を示し；そして；
【図１４】図１４は、顆粒状サセプタ材料に浸漬された鋳型を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［実施形態の詳細な説明］
（図１）
図１は、粉末供給材料から金属成分を形成する方法を示す。供給材料は、最初、粉末状態（図４に詳細）であり、そして、固体成分は、熱を与えることによって形成される（図１２に詳細）。ステップ１０１で、１成分の模型１０２が生成される。ステップ１０３で、その成分が形成される材料の融点より高い融点を有する材料から、鋳型１０４が模型１０２の周囲に構築される（詳細は図３に示す）。
ステップ１０５で、模型１０２を除去すると、鋳型内に空隙１０６が残る。
【０００９】
ステップ１０７で、金属粉末１０８の供給材料を鋳型中に展開する。ステップ１０９で、金属粉末の融点より高い温度になるように鋳型に熱１１０を与えると、金属粉末が鋳型内で融解する。これによって、鋳型１０４内に金属溶湯１１１が形成される。
金属成分を形成するために、ここで使用する金属粉末１０８は、第１の実施の形態では、純粋な金属の粒子からなる粉末である。しかしながら、代替の実施形態では、金属粉末１０８が合金の粒子を含む。したがって、前記金属粉末から形成された金属成分は、純粋な金属又は合金の化合物のいずれかからなると理解されるべきである。
【００１０】
金属粉末は、ＨＩＰピング、粉末冶金、金属射出成形などの公知の粉末冶金技術では特定のサイズ範囲に等級付けされる必要があるのに対し、本明細書に記載の方法は、粉末粒子のサイズ範囲に比較的影響を受けない。唯一要求されることは、金属粉末がセラミック鋳型に容易に流れ込むことである。鋳型がたった０.５ミリメートルの直径を有する区分を規定する場合には、例えば、ガス噴霧化によって生成された球状粉末がより適切であろう。さらに大きな鋳型区分では、破砕及び粉砕によって生成された角のある粉末でさえ、図４を参照して説明するように、粉末の流れが振動によって補助されるときは特に、鋳型に充填することが可能になる。
【００１１】
（図２）
図２は、模型を生成する手順を示す。模型１０２を生成するために、原料材料２０１に対して操作を行なう。第１の実施の形態では、模型の形状を画定するために、適切な材料に加工操作２０２を行うことができる。しかしながら、使用する材料は、鋳型を画定するために、犠牲材料を除去することができるようなタイプのものでなければならないことが理解されるべきである。
【００１２】
代替として、ワックス注入プロセス２０３を行うことができる。ワックス模型の周りに鋳型を生成した後、熱を与えることによってワックスを除去することができる。このような方法は、金属溶湯の適用に先立って鋳型の加熱も望ましいとされていることが従来の鋳造システムにおいて知られている。しかしながら、一実施形態では、鋳型が冷却放置され、そして、粒子が室温で添加される。
別の方法では、例えば、適切な高速プロトタイピング材料を用いて、添加生産２０４のプロセスによって模型１０２を生産することも可能である。材料は熱の適用及び／又は適当な溶媒を適用することによって除去することができる。
【００１３】
（図３）
本実施形態では、鋳型は、その成分が形成される金属の融点より高い融点を有し、空気に対して比較的多孔性なセラミック殻である。一実施形態では、図３に示すように、セラミックの鋳型は、複数の層を追加することによって生産される。
図３に示す実施形態では、層は、湿ったスラリー層と実質的に乾燥したスタッコ層が交互になるように加えられる。
スラリー３０１は模型１０２に加えられる。次いで、乾燥スタッコ３０２を適用し、湿ったスラリーに接触させると層ができる。
【００１４】
一般的に、３０３に示すように、このプロセスを繰り返すと、層３０４が構築される。このように、鋳型１０４が要求される厚さになるまで更に繰り返される。セラミックの鋳型１０４は、その中に放射加熱システムから放射熱が伝導することを可能にし、金属粉末を融解させるために、理想的には比較的薄い壁区分を有するべきである。
しかしながら、壁区分は、処理中に亀裂又は破壊を防止するのに十分な厚さでなければならないので、高い熱伝導率を有するが、十分に強度のある鋳型を生成することが妥協点でなければならない。
一実施形態では、使用される金属に対して不活性である耐火性スラリーのプライマリ層が適用される。次いで、同様な又は異なる材料の乾燥砂が適用され、更にスラリーが適用され、砂、スタッコなどが続く。
【００１５】
セラミック殻を形成するのに適したセラミック材料としては、シリカやアルミナなど多数知られている。シリカ殻は、放射加熱システムを使用して適切な時間枠内で粉末金属を融解させるだけのチャージを可能にするために十分に高い熱伝導率を有していないことがテスト中に発見された。したがって、好ましい実施形態では、熱伝導性の高いアルミナ材料からなる鋳型が使用される。他のタイプの高い熱伝導率を有する殻材料が使用されてもよい、しかしながら、特定の金属を使用したとき、グラファイトベースの鋳型によって経験したように、それらは、金属溶湯内で融解の影響を受けることがあってはならない。
【００１６】
（図４）
図４は、ステップ１０７の供給材料の展開の詳細を示す。ステップ１０５で示したように、模型１０２は除去されている。鋳型１０４は、それ自体が安定した基盤４０２によって支持されている振動台４０１上に配置されている。このように、供給材料１０８は鋳型１０４の中に展開する、又は、矢印４０３及び４０４で示すように、展開後鋳型内に供給材料が分散し易くするために、一定度合いの振動を与える。約０.１０〜０.１５ミリメートルの低振幅変位を伴う、例えば４０〜６０ヘルツの高周波振動によって、大きくて複雑な金属成分を容易に鋳型に充填することができる。
【００１７】
したがって、供給材料が鋳型内に配置され、その後、ステップ１０９で示したように、加熱される。一実施形態では、圧力なしに熱を与え、そして、供給材料が融解する温度に鋳型が加熱される。この方法では、既知のシステムと比較して全体的により複雑なプロセスを使用して１００％に近い密度を得ることができる。金属の温度を上昇させるだけでなく、金属を完全に融解するために熱が必要である。これにより、純粋な金属の場合、典型的には金属の融点より約５０℃高く、又は、合金の場合には液相線温度より高い温度に加熱される。
いくつかの公知システムでは、汚染は、しばしば、容器から導入され、チタンを使用した場合、これは特に問題である。固体状態拡散を使用するプロセスでは、容器がその中に充填された材料と同様の環境になる。したがって、加工から離れた後であっても、材料混合物の有効な層が残存することがあり得る。したがって、必要な結果を達成するためには追加の処理が必要である。
【００１８】
原料として金属粉末を使用することが所望の特性を有する生成物を生成するであろうことがわかる。微細構造が非常に均一であることが、強度や疲労特性を向上させる傾向がある。この種の特性は、鍛造操作により提供されるが、公知のように、鍛造によって廃棄物が有意な程度産生するので、これは全体的なコストを増加させる。同様に、鋳造工程の収率は典型的には５０％である；再び、コストを増加させる。これは、高価な合金を使用するとき重要な要因となる。
【００１９】
（図５）
図５ないし１２は、粉末の供給材料から金属成分を形成するための装置を示す。前述のように、模型が生成され、鋳型は、その材料が形成される金属の融点より高い融点を有する材料によって模型の周囲に構築される。したがって、これにより、鋳型、好ましくはセラミックの鋳型５０１が生成される。
模型は鋳型５０１から除去される。装置は、更に、鋳型５０１内に金属粉末の供給材料を展開するための展開デバイス、及び供給材料が鋳型内で融解するように、金属粉末の融点よりも高い温度に金属粉末を加熱するための加熱システムを有する。
【００２０】
図５は、鋳型５０１の一例を示す断面図である。鋳型５０１は、生成される成分と対応する成分部５０２及び供給部５０３を備える。該供給部５０３は、概ね円筒形の通路５０４を画定し、該通路５０４は、図６にて詳細に示す内方向延長成分を含むことができる。供給部は、第１の端部で該成分部に隣接し、先端部に向かって上向きに垂直に延びている。該先端部は開放されているので上部まで供給材料を注入することができる。
【００２１】
供給部が設けられているのは、金属が融解した液体状態から冷却するとき、それが固体である点まで温度が下がるのでその体積が減少するためである。したがって、供給部は、さもなければ冷却するにつれて鋳物の内部に１つ又は複数の熱中心に生じる収縮巣を埋め合わせるために、鋳型に追加の液状金属を提供するために使用される。供給部の容積は、したがって、冷却するときの金属の体積の減少を埋め合わせるのに十分な液状金属の要求量によって決定される。２つの要素が供給効率に影響を与える；まず、供給部内での溶湯静圧、そして第２番目に、周囲の大気によって供給部の液状金属の表面に作用する圧力である。鋳型セクション内の金属が冷却し、その体積が減少すると、供給部内の溶湯静圧ヘッドが鋳型セクションに金属溶湯を押し込む助けとなる。
【００２２】
成分部の金属が完全に固化するまで、金属溶湯のヘッドは少なくとも融解した状態に維持されるべきである。冷却中に供給部の内部から供給部の外側への熱エネルギーが伝導するのを防ぎ、そして、このことによって、金属が供給部に融解状態のままでいるように、供給部の壁は、成分部の壁よりも相対的に低い熱伝導率であるべきである。供給部は、したがって、成分部と異なるセラミック材料からなり、絶縁性又は発熱性セラミック粉末を含むことができる。代替的に、金属成分よりも後に固化することを確実にするために、そして、いかなる気圧の影響も供給を補助するように、供給中に金属溶湯の表面が融解のままであることを確実にするために、供給部が絶縁材料で覆われていてもよい。
溶湯静圧を最大にするために、供給部ヘッドは、実質的かつ経済的に実行可能な高さにまで上げるべきである。
【００２３】
成分部で金属溶湯の脱ガスを更に改善し、金属溶湯に作用する圧力を増加させるために、１つ又はそれ以上の大気圧中子を成分部に向かって供給部の中を通って下方に延設して設けることができる。これらの大気圧中子は、ガスについて多孔性であり、供給部分の熱中心において、その透過性が大気圧を液状金属に作用させ、液状金属内に閉じ込められたガスを逃がすことができる、鉛筆状のセラミックチューブとすることができる。内方向延長成分の形状である特別な大気圧中子は、更に図６を参照して説明する。
【００２４】
一実施形態では、セラミック鋳型は最初室温である。したがって、公知の、比較的一定の温度であり；鋳型が加熱されている状況と比較して、そして、材料が添加されるとき、鋳型の実際の温度は、比較的広い可能な温度の範囲内に入ることができる。しかしながら、温度が初期温度と融解温度の観点で知られている実施形態では、必要な供給粉末の体積を正確に計算することができる。結果として、全プロセス中において３０〜３５％体積の収縮を補うように材料の最適量が供給部に保持される。
図６は、水平面５０３で貫いた鋳型の断面図を示す。
【００２５】
（図６）
供給部５０３は、概ね円筒形の通路５０４を画定する。通路５０４は、大気圧中子を含む。ここで、大気圧中子は、ガスについて多孔性であり、供給部によって画定された通路５０４の概ね円筒形の内側表面５０６から円筒形の通路の中心方向に延びる内方向延長成分５０５を具備する。一実施形態では、内方向延長成分５０５は、実質的に楔形であり、互いに鋭角に配置された面を有し、通路５０４の中央付近に鋭いエッジ５０７を形成し、供給部を形成する材料と同じ多孔性材料で形成されている。
【００２６】
一実施形態では、鋳型内で金属粉末が融解するように、真空炉のチャンバ内に鋳型が配置される。このプロセスの間に溶融材料内に閉じ込められたガスが放出するように、内方向延長成分は、金属成分の冷却中にチャンバ内の大気が供給部内の金属溶湯にアクセスするための手段を提供する。したがって、内方向延長成分は、その透過性が供給部ヘッドの熱中心において液状金属に圧力を作用させ、溶融材料内に閉じ込められたガスを逃がすことができる大気圧中子として機能する。
【００２７】
（図７）
図７は、プロセス１０７の間に金属粉末１０８を充填した後の鋳型５０１を示す。金属粉末を上部まで供給部５０３の開放端７０２中に注き、そして、金属粉末１０８を圧縮するために（図４を参照して説明したように）振動を与えた。一実施形態では、供給部には、該供給部の上部まで金属粉末を充填する。次いで、鋳型を振動すると、供給部内の金属粉末の上面７０３は、振動前の粉末のレベルと比較して、低くなる。
【００２８】
一実施形態では、金属粉末は、実質的に球状の粒子から形成される。したがって、振動により圧縮した後でさえ、粉末１０８によって取り込まれた容量の約２５〜３０％は粒子間の空隙を構成する。代替実施形態では、粒子の他の形状が、単独で、又は球状部分と組み合わせて、展開され得る。この種の粒子を含めると、粉末内の空隙によって占有される容積を減少させることができる。
【００２９】
（図８）
図８は、金属粉末１０８が融解して液状金属８０１を形成した後の鋳型５０１を示す。液状金属の上部表面８０２は、粉末の表面７０３と比較すると、供給部内で低下している。しかしながら、本実施形態では、供給部内の金属溶湯８０１の高さは、生産される金属物体に対応する鋳型の部分の高さより２倍以上大きい。矢印８０３は、生産される成分に対応する鋳型の成分部の高さを示し、矢印８０４は、供給部５０３内の金属溶湯８０１の高さを示す。このように、本実施形態では、矢印８０４が示す高さは、矢印８０３が示す高さの２倍以上である。
供給部内の金属溶湯の重量によって金属溶湯内に圧力が生じる。比較的高い金属溶湯の供給部を導入することによって、鋳型表面の微細な細部に金属溶湯を押し込めるのに十分な圧力を鋳型内の金属溶湯に生成し得る。
【００３０】
（図９）
図９は、鋳型５０１の部分断面図を示す。鋳型が冷却するとき、熱が鋳型の壁を通って金属溶湯から伝導する。このため、金属溶湯の外側が最初に固化し、続いて内側方向に固化プロセスが進行する傾向がある。
図９の例では、壁から離れた金属の部分がまだ液体であるのに対し、鋳型の壁に隣接する領域９０１は、結晶化するプロセスにある。固化中、金属の容量が、典型的には、約７パーセント縮小する。その結果、金属溶湯内に空隙９０２が形成される。
【００３１】
（図１０）
空隙が金属溶湯で囲まれるとき、金属は重力下空隙に落ちる傾向にある。その結果、空隙が鋳型を昇るように見える。
一実施形態では、鋳型が完全に充満されることを保証するために、空隙が鋳型内を昇り、供給部内の金属が鋳型内に落ちるように供給部が配置される。
図１０に示す例では、空隙９０２が合体して、供給部にまで上昇する単一の空隙１００１を形成する。 
【００３２】
一般に、空隙１００１のような空隙は真空を含む空間の体積を画定する。しかしながら、この空隙は、鋳型内で金属溶湯に閉じ込められたガスをいくらか含むことができる。一実施形態において、内方向延長成分５０５は、供給部内の金属溶湯内に閉じ込められたガスが抜け出ることを可能にする手段を備える。内方向延長成分５０５がこれを実施することができるのは、（金属自体と比較して）比較的良好な熱の絶縁体であり、供給部内の金属の溶融芯内に延びているからである。更に、該成分はガスが浸透しやすい。
【００３３】
（図１１）
図５ないし１０を参照して説明した鋳型では、鋳型に粉末を受容する手段を備えるとともに、鋳型内に上昇した溶湯静圧を生成する溶湯静ヘッドを備えた単一の供給部を有する。代替の実施形態において、溶湯静ヘッド圧力を与える供給部とは別の、１つ又は複数の追加の供給部が設けられる。
図１１は、１例として、生産する金属物に対応する下部セクション１１０２を有する鋳型１１０１を示す。さらに、鋳型は、第１供給部１０３、第２供給部１１０４及び第３供給部１１０５を有する。
【００３４】
第２供給部１１０４は、図５に示した供給部５０３と実質的に同様であり、セクション１１０２の２倍以上の高さがあり、金属粉末１１０７を受容するために、上端部に開口部１１０６を備える。
第１供給部１１０３と第３供給部１１０５は、供給部１１０４と同様であるが、高さが第２供給部１１０４の高さよりも実質的に低いことが異なる。更に、その上端は、端部が蓋をされ、完全に密封されている。
【００３５】
第１供給部１１０３と第３供給部１１０５は、供給セクション１１０２用に粉末金属を含む。これらは、冷却プロセスの間に金属溶湯で形成された空隙を受容するために、通路も画定する。しかしながら、溶湯静圧は、第２供給部１１０４によって付与される。初めに、開放供給部が鋳型上で形成され、その後、所定の位置に固定されたキャップで密封される。代替的に、供給部は、密封された上端を有する鋳型の製造中に形成することができる。
【００３６】
（図１２）
図１２は、粉末の供給材料から金属成分を形成する装置の一実施形態を示す。本実施形態において、誘導加熱システムは、温度を制御するために電力供給を制御する制御回路とともに、電力供給源から高周波エネルギーを発生するためにコイル１２０７のような電磁エネルギー源を含む。更に、本実施形態では、装置は顆粒状のサセプタ材料を有し、該サセプタ材料は鋳型５０１の壁に含まれている。
【００３７】
加熱される鋳型の形状に合うようにサセプタを形成することができるので、顆粒状サセプタはサセプタ材料の好ましい形状である。一実施形態では、耐火チューブが、加熱する鋳型の形状に対応する形状にセラミック材料で形成される。該チューブは、次に、隣接する鋳型に熱を放射する顆粒状サセプタ材料で充填される。これは、適切な形状に加工することが困難な固体サセプタ・インゴットを使用するとき、別の方法ではできないという、非常に汎用性の高いサセプタ要素を備えている。図１４を参照して説明する具体的な実施形態では、顆粒状サセプタ材料は緩いベッドを形成する。該ベッドの中に鋳型が完全に浸漬するので、サセプタと鋳型が密接に接触し、熱エネルギーが効率的に移動することを確保できる。
【００３８】
本発明の実施形態は、更に、チャンバの圧力を大気圧より低い圧力に下げるように構成された減圧装置を含む。図１２は、この装置の一例を示す。圧力の低下は、周囲の環境から汚染されるのを低減するために望ましい。しかしながら、非常に低い圧力が可能であるにもかかわらず、溶融材料の蒸発を防ぐために、チャンバ内には蒸気の圧力が必要である。
装置は、概略１２０１に示し、真空炉１２０２を有する。真空炉は、耐火ライニング１２０４を備える真空気密容器１２０３を有し、真空チャンバ１２０５を画定する。
【００３９】
容器１２０３は、チャンバ１２０５へアクセスできるように、扉１２０６を備えるので、鋳型５０１などの鋳型をチャンバに充填したり、チャンバから取り出したりすることができる。
一実施形態では、真空炉１２０２は、適切な電源１２０８に接続された無線周波数コイル１２０７を有する。典型的には、無線周波数コイルがモリブデンで形成されるが、真空炉の全仕様はプロセスで使用する特定の金属や合金の種類によって異なる。更に、仕様は、形成する金属物体の要求にも依存する。
一実施形態では、真空炉、その放射線源及び電源は、チャンバの温度が２０００℃を超える温度に上昇できるように選択する。この機能を備える炉は、一般的に、熱処理操作を提供する目的のために商業的に使用できる。
【００４０】
チャンバ１２０５は、チャンバから空気を排気する真空システム１２０９に接続されているので、チャンバ内の圧力を実質的に大気圧以下の水準に減少することができる。
チャンバ１２０５は、希ガス供給源に接続された入口ポート１２１１を有する。一実施形態では、圧縮ヘリウムのタンク１２１２が圧縮アルゴンのタンク１２１３と組み合わせて備えられる。
装置１２０１は、チャンバ１２０５の出口ポート１２１０に接続された入り口と、入口ポート１２１１に接続された出口を有するファン１２１４も含む。一実施形態では、ヘリウムガスが所定の圧力までチャンバ１２０５に供給され、そして、該ガスはファン１２１４によって循環され、チャンバに入っている鋳型上に冷却風が送られる。
【００４１】
チャンバ内には温度センサ１２１５が設けられ、そして、好ましい態様では、チャンバ内に配置された鋳型内の粉末金属又は金属溶湯の実際の温度を表示する信号を送る。装置は、チャンバ内の真空圧力の指示を送るように構成された真空圧力計１２１６も含む。
一実施形態では、圧力計１２１６と温度センサ１２１５は、チャンバの圧力及び温度を表示するコントローラ１２１７に信号を送るように構成されている。コントローラは、圧力計１２１６と温度センサ１２１５から受信した信号に応答して、抵抗発熱要素１２０７と真空システム１２０９の電源１２０８を作動させるように構成されている。一実施形態では、制御装置１２１７は、プログラムされたコンピュータ・システム又はマイクロ・コントローラである。
【００４２】
（図１３）
図１３は、１３０１で本発明の別の実施形態を示す。金属成分を形成するために、鋳型１３０２に金属粒子１３０３が充填されている。電磁放射源１３０４が設けられ、サセプタ材料が、電磁放射線を受け、金属粒子１３０３を熱加熱することに応じて加熱されるように構成されている。誘導加熱を用いてセラミック鋳型内で金属粉末を加熱するとき、誘導電界が融解する金属粉末自体と非常に弱く連結するのでそれを融解できないことが決定されている。
【００４３】
本発明のセラミック鋳型は、従来の金属鋳型と違って、誘導電磁界に対して比較的透過性があるので、それ自体は加熱されない。それゆえ、誘導電磁界を用いて加熱するとき、放射サセプタが好ましい。該サセプタは、誘導電磁界のエネルギーを吸収し、セラミック鋳型に向かって赤外線エネルギーを放射するような材料からなるものが選択される。これにより、セラミック鋳型が加熱され、次に内部に含まれる金属粉末が加熱される。
【００４４】
一実施形態において、電磁放射線はマイクロ波放射であり、該装置は、更に、マイクロ波発生器の形態で、マイクロ波放射源も含む。マイクロ波放射は、エネルギーを効率的に生成し、簡単に導くので、エネルギーの種類として好ましい。マイクロ波エネルギーを使用するとき、サセプタ材料としては炭化ケイ素が好ましい。炭化ケイ素は、他の多くのサセプタ材料よりも熱劣化しにくい傾向にあり、典型的には、摂氏３０００度を超える温度に加熱できる。１３０１に示す実施形態では、顆粒状のサセプタ材料が鋳型１３０２自体に含まれている。しかしながら、サセプタ顆粒状塊は、図１４に示すものと実質的に同様の構成であり、別々に提供され得る。
【００４５】
（図１４）
図１４は、金属成分を形成する別の実施形態を１４０１で示す。鋳型１４０２は金属粒子１４０３を受容する。放射源１４０４は、容器１４０５の方向に向けて電磁放射線を放射する。容器１４０５は、放射源１４０４から放射された放射線に対して実質的に透過性があり、サセプタ材料１４０６は、鋳型を囲む容器１４０５内に含まれている。図示の実施形態では、サセプタ材料１４０６は、炭化ケイ素の粒子を含む顆粒状粒子状物質である。顆粒状サセプタ材料は、感受した（suscepted）熱を鋳型に完全に与えることができるので、いくつかの用途において好ましい。
【００４６】
図示の実施形態では、容器１４０５は、サセプタ材料の粒子１４０６で充填され、鋳型１４０２は、部分的又は全体的に顆粒状サセプタ材料１４０６中に浸漬するように容器内に配置される。サセプタ材料内に鋳型１４０２を浸漬することによって、熱エネルギーがサセプタ材料１４０６から鋳型１４０２の表面に効率的に移動するだけでなく、鋳型１４０２がサセプタ材料１４０６によって支持されるので、金属粉末１４０３が充填されたとき、鋳型が破砕するリスクが減少する。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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