(57)【要約】【課題】金属材料をキャスティングする方法及びその鋳造装置において、ダイ型空洞部の形状の複雑さが制限されないようにし、また、鋳造品に亀裂が生じるのを回避することにある。【解決手段】非金属の鋳型を、一つ以上の相対移動可能な第１、第２部材内に設けた鋳型収容のチャンバに配置する工程と、鋳型内の鋳型空洞部と一つ以上の第１、第２部材に設けたゲート通路とを連絡させる工程と、ゲート通路とショットスリーブとを連絡させる工程と、圧力下にある金属材料をショットスリーブからゲート通路を介して非金属の鋳型へ流入させる工程とからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非金属の鋳型を、相対移動可能な第１、第２部材の少なくとも一方の内部に設けた鋳型収容チャンバに配置する工程と、前記鋳型内の鋳型空洞部と第１、第２部材の少なくとも一方に設けたゲート通路とを連絡させる工程と、前記ゲート通路とショットスリーブとを連絡させる工程と、圧力下にある金属材料を前記ショットスリーブから前記ゲート通路を介して前記非金属の鋳型へ流入させる工程とからなることを特徴とする金属材料をキャスティングする方法。
【請求項２】
前記ゲート通路と連絡するように前記鋳型を前記チャンバ内の所定位置に保持する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項３】
前記鋳型は、この鋳型の溝部に挿入した板によって保持されることを特徴とする請求項２に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項４】
前記ゲート通路を通じて前記鋳型に導入される金属材料の力に逆らって前記鋳型を前記チャンバ内の所定位置に保持する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項５】
前記鋳型は、支持板によって前記鋳型の閉鎖端に当接することを特徴とする請求項４に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項６】
前記支持板は、鋳型の前記閉鎖端側へ押圧されることを特徴とする請求項５に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項７】
金属材料は、前記チャンバ内に配置する前には加熱されていない前記鋳型へ導入することを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項８】
セラミックのインベストメントシェル鋳型を前記チャンバに配置する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項９】
前記鋳型空洞部は、０．３５インチ（０．８８９ｃｍ）以下の厚さの空洞領域を有することを特徴とする請求項４に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１０】
前記鋳型空洞部は、ハブ形成空洞領域から離間した位置に前記厚さの複数のベーン形状空洞領域を備えたターボチャージャホイール形状の空洞として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１１】
前記鋳型空洞部は、前記厚さのエーロフォィル形成領域として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１２】
前記第１、第２部材は、ダイキャスト鋳造機の第１、第２プラテンのそれぞれに取り付けられていることにより、相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１３】
前記鋳型は、湯口通路によって前記鋳型空洞部に連絡する注入カップを備えており、この注入カップは前記ゲート通路に連絡することを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１４】
前記鋳型空洞部を周囲圧以下に排気する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１５】
前記鋳型空洞部はこの鋳型空洞部に連絡した前記ショットスリーブを介して排気することを特徴とする請求項１４に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１６】
前記周囲圧以下の圧力は１００ミクロン以下であることを特徴とする請求項１５に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１７】
前記ショットスリーブに連絡した真空チャンバで金属材料を溶融させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１８】
前記金属材料は、チタン合金、チタンアルミニド、ニッケル基超合金、コバルト基超合金からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１９】
プランジャが液圧に応じて前記ショットスリーブ内に移動して金属材料が流動するとともに、このプランジャの注入ストローク終了端より前の所定距離にて液圧が油受けに排出されることを特徴とする請求項１に記載の金属材料をキャスティングする方法。
【請求項２０】
ａ）相対移動可能な第１、第２部材であって、この第１、第２部材の少なくとも一方は鋳型収容チャンバを備えているとともに、前記第１、第２部材の少なくとも一方はショットスリーブからの金属材料を導入するゲート通路を備えた第１、第２部材を設け、
ｂ）前記鋳型収容チャンバ内で前記ゲート通路から溶融金属を導入するところに非金属の鋳型を設け、
ｃ）前記ショットスリーブと連絡しており圧力により前記ゲート通路を通って前記非金属の鋳型へ金属材料を流動させる手段を設けたことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２１】
前記鋳型は、セラミックのインベストメントシェル鋳型であることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項２２】
前記第１、第２部材は、それぞれ相対移動可能なダイキャスト鋳造機の第１、第２プラテンに連結していることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項２３】
前記流動手段は、前記ショットスリーブ中のプランジャであることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項２４】
前記プランジャは、液圧に応じて移動し、液圧制御システムは、前記プランジャの注入ストローク終了端より前の所定距離にて油受けへ液圧を排出する手段を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の鋳造装置。
【請求項２５】
前記チャンバには非金属の前記鋳型を前記所定位置に保持する鋳型支持部材を有することを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項２６】
前記鋳型支持部材は、前記鋳型の溝に挿入される板であることを特徴とする請求項２４に記載の鋳造装置。
【請求項２７】
前記ゲート通路を通じて前記鋳型に導入される金属材料の力に逆らって前記鋳型を前記チャンバ内に保持する鋳型支持部材を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項２８】
前記鋳型支持部材は、前記鋳型の閉鎖端と当接する支持板であることを特徴とする請求項２７に記載の鋳造装置。
【請求項２９】
前記鋳型支持部材は、鋳型の前記閉鎖端側へ押圧されることを特徴とする請求項２８に記載の鋳造装置。
【請求項３０】
前記鋳型は、０．１００インチ（０．２５４ｃｍ）以下の厚さの空洞領域を有する一つ以上の鋳型空洞部を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項３１】
前記一つ以上の鋳型空洞部は、ハブ形成空洞領域から離間した位置に前記厚さの複数のベーン形状空洞領域を備えたターボチャージャホイール形状の空洞として構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の鋳造装置。
【請求項３２】
前記一つ以上の鋳型空洞部は、前記厚さのエーロフォィル形成領域として構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の鋳造装置。
【請求項３３】
前記鋳型は、湯口通路によって鋳型空洞部に連絡する注入カップを備えており、この注入カップは前記ゲート通路に連絡することを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項３４】
前記鋳型の内部を周囲圧以下にする排気手段を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項３５】
前記排気手段は、周囲環境以下の圧力下であって鋳型内部に連絡しているショットスリーブであることを特徴とする請求項３４に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属や合金のキャスティングする方法及びその鋳造装置に係り、特に圧力を受けた金属や合金や金属間化合物の非金属インベストメント鋳型へのキャスティング（鋳込）する方法及びその鋳造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チタン基合金（例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ）や金属間化合物（例えばＴｉＡｌ）は、航空宇宙産業において鋳造部品として使用される。このような鋳造部品は、ロストワックス法により形成されており予備加熱したセラミックインベストメントシェル鋳型に適切な溶融金属が投入されるという周知のインベストメント重力鋳造法によって製造される。
複雑な形状のチタン基材料部品のインベストメント鋳造品は、一般的に使用されているものの、比較的高コストであるとともに産出量も低い。鋳造品産出量が低いのは、いくつかの要因があり、これは所定鋳型領域、例えば特に薄壁（肉薄）の鋳型空洞領域への充填が不十分であることが原因である。例えば、０．０５０〜０．０６０インチ（０．１２７〜０．１５２４ｃｍ）未満の薄さの薄壁鋳型空洞領域へチタン合金またはチタンアルミニド溶融金属を充填することは、溶融金属の流動性、過熱の低さ、ガス洩れ問題からして、困難である。
セラミックインベストメントシェル鋳型の充填を改良する試みにおいては、鋳型の予熱温度を高温にする試みがなされてきた（例えば７００度Ｆ（約３７１℃）以上）。しかし、そのような高温では溶融チタン合金またはチタンアルミニドが鋳型と反応し、シェル鋳型内で製造される鋳造品の表面に有害な相が形成されるという点で、この試みは不利である。この相は、化学的処置により除去しなければならない。さらに、鋳造時の鋳型充填が満足に行われるためには、鋳型を製造する際に一つ以上の薄壁鋳型空洞領域の厚さを増加させることが必要となることが多い。この結果、鋳造品が必要以上に大型化するので、鋳造品の寸法を減少させるため、具体的な部品の寸法を記し機械的におよび／または化学的に処理を行わなければならない。
【０００３】
米国特許第６，０７０，６４３号は、チタン合金、ニッケル基超合金およびコバルト基超合金のような酸素反応合金の金属鋳型による真空ダイキャストにつき記載している。
複合部からなり再使用可能な鉄系やチタン系の永久鋳型を使用したチタンやチタン・ニッケル基合金のような反応性金属・合金の永久鋳型は、Ｃｏｌｖｉｎの米国特許第５，２８７，９１０号に開示されている。
永久鋳型を使用したアルミニウム系や銅系や鉄系の鋳造品は、米国特許第５，１１９，８６５号に開示されている。
【特許文献１】米国特許第６，０７０，６４３号公報
【特許文献２】米国特許第５，２８７，９１０号公報
【特許文献３】米国特許第５，１１９，８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、上記の特許文献において、金属のダイキャスト鋳型を使用する場合の欠点は、金属ダイ型が高コストであることであり、また金属ダイ間の見切り線が存することにより、ダイ型空洞部（ひいてはダイキャストされる鋳造品）の形状の複雑さが制限されてしまうことである。チタンアルミニド材料をダイキャストする際に金属ダイを使用する場合の別の欠点としては、金属鋳型中の溶融金属が急速に凝固する結果、鋳造品に亀裂が生じることである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記の欠点を解決するため、圧力を受けた金属や合金、特にチタン合金やチタンアルミニド等をインベストメント鋳型にキャスティングする金属材料をキャスティングする方法及びその鋳造装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、非金属の鋳型を、相対移動可能な第１、第２部材の少なくとも一方の内部に設けた鋳型収容チャンバに配置する工程と、前記鋳型内の鋳型空洞部と第１、第２部材の少なくとも一方に設けたゲート通路とを連絡させる工程と、前記ゲート通路とショットスリーブとを連絡させる工程と、圧力下にある金属材料を前記ショットスリーブから前記ゲート通路を介して前記非金属の鋳型へ流入させる工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の金属材料をキャスティングする方法及びその鋳造装置は、ダイ型空洞部の形状の複雑さが制限されないようにし、また、鋳造品に亀裂が生じるのを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、ダイ型空洞部の形状の複雑さが制限されないようにし、また、鋳造品に亀裂が生じるのを回避する目的を、圧力を受けた金属や合金、特にチタン合金やチタンアルミニド等をインベストメント鋳型にキャスティングして実現するものである。
以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
【実施例】
【０００９】
図１には、本発明を実施するに適したダイキャスト鋳造機１０が示されている。例示のためであってこれに限定されるものではないが、この鋳造機は、液圧を受けて、金属、合金、金属間化合物、およびチキソトロープ金属材料を含む溶融金属材料を、排気した非金属のインベストメントシェル鋳型３１（４つが示されている）に鋳込むように構成されている。インベストメントシェル鋳型３１の数は、個々の鋳造処理に応じて選択される。かかる鋳造用金属材料は、チタン合金、チタンアルミニド合金、ニッケル基超合金、コバルト基超合金等の、インベストメントシェル鋳型空洞部の薄い領域や狭い領域への充填が困難である材料、および／または酸素反応性の材料を含むが、これに限定されない。
【００１０】
本発明の実施例は、ハブ周囲に位置する複数の薄壁（肉薄）翼形ベーンを有するチタン合金ターボチャージャホイールの真空鋳造に関して、以下に記載される。非金属のインベストメントシェル鋳型３１のそれぞれは、各ターボチャージャホイールの形状をその中に形成する鋳型空洞形成領域３６を有している。もっとも、鋳型空洞形成領域３６はひとつだけが示されているが、それぞれのインベストメントシェル鋳型３１は、一つ以上の鋳型空洞形成領域３６を備えている。
【００１１】
このダイキャスト鋳造機は、可動プラテン１６を固定（静止）プラテンに対して相対移動させてそれらを開閉するために油圧アクチュエータ１２が使用する作動液を貯留する貯留部（図示せず）を備えたベース１１を有している。可動プラテン１６は、静止したガイドロッド（ブッシュ）１８上を移動するよう配置している。プラテン締め付けリンク機構（図示せず）は、本発明を構成しない従来の方法で可動プラテン１６に連通している。またこのダイキャスト鋳造機は、管状で水平のショットスリーブ２４を有しており、このショットスリーブ２４の中間部位は、固定プラテン１４および固定プラテン延長部１４ａにボルトやクランプで固定した鋳型収容部材（板）３０に挿入している。ショットスリーブ２４は、真空（溶融）チャンバ４０内へ延長しており、ここで、ダイキャストする金属または合金が高真空状態下（例えば１００ミクロン未満）で溶融し、結局は酸素反応性金属・合金（例えばチタン合金やチタンアルミニド合金、超合金等）が鋳込まれることになる。
【００１２】
真空チャンバ４０は、真空ハウジング壁４２によって画定され、これはショットスリーブ２４の充填側端２４ａの周囲を包囲延長するとともに、ラム２５ａ’’を有するプランジャ用油圧アクチュエータ２５’’の周囲を包囲延長している。真空ハウジング壁４２は、静止した水平のショットスリーブとプランジャ支持部材４４により気密封止される。真空チャンバ４０に連絡した従来の吸引ポンプＰによって真空チャンバ４０が排気される。ベース１１および真空ハウジング壁４２は、コンクリート床やその他の適切な担持体の上に配置される。
【００１３】
円筒状のプランジャ２７は、ショットスリーブ２４の円筒形のボア内に挿入配置され、ラム２５ａ’’によって図１に示す注入口（溶融入口）５０の左側の注入開始位置と鋳型収容部材３０付近の注入終了位置との間を移動する。注入口５０は、ショットスリーブ２４上に設けた溶融受入容器５２を有している。この溶融受入容器５２は、ダイキャスト用の溶融金属または溶融合金を導入するよう溶融坩堝５４の下に配置されている。本発明においては、超周囲圧力（ｓｕｐｅｒａｍｂｉｅｎｔ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）により溶融金属材料をインベストメントシェル鋳型３１に導入する手段としては、液圧プランジャに限定されない。例えば、圧力によりインベストメントシェル鋳型３１に溶融金属材料を導入するプランジャが存する場合でも存しない場合でも、ショットスリーブの端部に超周囲圧力のガス圧を与えてもよい。
【００１４】
溶融坩堝５４は、ダイキャストされる固形金属や固形合金の充填物が溶融した銅セグメントからなる誘導スカル坩堝でもよい。固形金属や固形合金は、真空チャンバ４０内の吸引を行う前に溶融坩堝５４に配置し、その吸引後に誘導コイル５６を通電して溶融する。あるいは、固形金属や固形合金の充填物は、減圧ポート（図示せず）により排気した真空チャンバ４０の溶融坩堝５４に充填し、それから誘導コイル５６を通電して溶融する。本発明を実施する際には、既知のセラミック坩堝や耐火坩堝も使用することができる。本発明の実施には、例えばアーク溶融法や電子ビーム溶解法等の方法を用いることができる。ショットスリーブ壁の開口部５８を通じてショットスリーブ２４に連絡している溶融受入容器５２に溶融金属・合金の充填物を注入するよう、溶融坩堝５４を傾斜する。溶融金属・溶融合金の充填物は、開口部５８を通ってプランジャ２７の前のショットスリーブ２４に導入される。
【００１５】
プランジャ２７は、従来の油圧アクチュエータ２５’’により注入開始位置から注入終了位置まで移動する。ショットスリーブ２４とプランジャ２７との間の径方向隙間は、通常、０．００１〜０．００８インチ（０．００２５４〜０．０２０３２ｃｍ）である。
【００１６】
このような特徴を有するダイキャスト鋳造機は、本願譲受人の米国特許第６，０７０，６４３号に開示されており、その教示は引用をもって本明細書に記載したものとする。
【００１７】
本発明の実施例によると、ダイキャスト鋳造機１０は、既知のロストワックス法によって製造されており排気した一つ以上の非金属（例えばセラミック）のインベストメントシェル鋳型３１に、液圧を受けた溶融金属材料を投入するように構成される。このようなインベストメントシェル鋳型３１は、パターンアセンブリの一部として鋳造される部品の一つ以上の一過性パターン（例えばワックスやプラスチックのパターン）をセラミック粉スラリに繰り返し浸し、余分なセラミックスラリを除去し、粗いセラミックスタッコを湿ったセラミックスラリに適用し、前記パターン上に要望の厚さの壁を有するシェル鋳型ができるまで乾燥を行うことで製造される。それからこの一つ以上のパターンは、スチームオートクレーブ処理、バリ脱蝋、その他の従来のパターン除去方法によって任意に除去され、一つ以上のパターンが以前存したところに一つ以上の空洞部を有するセラミックシェル鋳型が残る。それから、このセラミックシェル鋳型は、鋳造時に十分な強度を有するよう高温で燃焼処理を行う。ロストワックス法を使用したセラミックシェル鋳型の製造は、米国特許第４，９６６，２２５号、第５，９８３，９８２号、第６，７４９，００６号等の数多くの明細書に開示されている。例示のためであってこれに限定されるものではないが、本発明は、従来のコロイドシリカ結合またはケイ酸ナトリウム結合のインベストメントシェル鋳型を使用して実施できるが、その他のインベストメントシェル鋳型も使用できる。
【００１８】
インベストメントシェル鋳型３１を製造するための具体的なセラミック粉やスタッコ材料は、この鋳型でダイキャストされる金属・合金や、鋳造パラメータ（例えば加熱、鋳型予熱温度等）に左右される。
【００１９】
図１〜５には、ターボチャージャホイールを二つ鋳造するためのインベストメントシェル鋳型３１が示されている。インベストメントシェル鋳型３１のそれぞれは、注入カップ３３、湯口３２、およびターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成領域３６を備えている。溶融金属または溶融合金は、注入カップ３３および湯口３２の湯口通路３２ａを通って鋳型空洞形成領域３６に流入する。ターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成領域３６は、ハブ形成空洞領域３６ｈから離間しており小寸法（薄厚）のエーロフォイルまたはベーン形成空洞領域３６ｖを有する。このエーロフォイルまたはベーン形成空洞領域３６ｖは、ダイキャストされるターボチャージャホイールハブ上のエーロフォイルまたはベーンの薄壁を形成するため、その内部厚さは薄くなっており、通常０．０２５〜０．１００インチ（０．０６３５〜０．２５４ｃｍ）である。当業者は、インベストメントシェル鋳型３１は、一つの注入カップと複数の湯口および湯道を使用できるよう一組にして、溶融金属材料をこの一組にした鋳型に供給できることを認識できるであろう。本発明は、この種の非金属で耐火性またはセラミックの鋳型に限定されるものではない。
【００２０】
注入カップ３３は、第１環状唇部Ｌ１と第２環状唇部Ｌ２とを備えており、これらは各鋳型の一部として形成され注入カップ周囲に位置する溝部Ｇを形成する。本発明は、鋳造ターボチャージャホイール内部の所定部位に空洞を生じさせるため、ターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成領域３６中にセラミックコア（図示せず）を設けることも想定している。このセラミックコアは、鋳造ターボチャージャホイール（あるいはその他のインベストメントシェル鋳型３１内に形成される鋳造品）の内部に要望に応じた空洞を生じさせるように形成される。また本発明は、鋳型空洞部３６中に配置して鋳造部品と一体化される強化材すなわち多孔性あるいは固体のプリフォームを設けることも想定している。
【００２１】
図１〜図４に示すように、本発明の一実施例によると、鋳型収容部材３０は、鋳型収容部材２９と嵌合するように構成されており、鋳型収容部材２９、３０が垂直分割面で当接するとインベストメントシェル鋳型３１を収容するチャンバＣを形成するとともにそれらの間に鋳型ゲートシステム３５を形成する。この鋳型ゲートシステムは、機械加工で取り替え可能なゲートインサート４０、４２で構成され、このゲートインサート４０、４２は、それぞれ鋳型収容部材２９、３０に収容されており、収容する鋳型収容部材２９、３０の外側面と同一面に位置している。鋳型収容部材２９、３０がその分割面で当接すると、ゲートインサートは、共有通路ＣＰに連絡する湯道Ｒからなるゲートシステムを形成する。共有通路ＣＰは、ショットスリーブ２４の端部に連絡している。各湯道Ｒは、共有通路ＣＰから各インベストメントシェル鋳型３１へと延長している。鋳型収容部材２９、３０やゲートインサート４０、４２は、通常は鋼等の適切な永久金属・合金（金属材料）であって、ダイキャスト鋳造機の各プラテン１４、１６に載置または連結している。
【００２２】
Ｏリング封止Ｓ１は、鋳型収容部材２９、３０の間に設け、それらの間を密封止する（図１）。Ｏリング封止Ｓ１は、ゲートシステム３５の周囲を延長し、これを包囲する。
【００２３】
インベストメントシェル鋳型３１はチャンバＣ内に位置しており、鋳型収容部材２９、３０が分割面で当接するときに、チャンバＣの底壁を形成する棚すなわちレッジ４１の（相補構成で円筒形状の）凹部４１ａ内に注入カップ３３が配置される。図２〜図３において、鋳型収容部材３０側に形成された半分のレッジ（棚）４１および各凹部４１ａが示されており、残りの半分は鋳型収容部材２９側に形成されている。これにより、インベストメントシェル鋳型３１は、後部閉鎖端３１ｅが上方を向くような垂直反転で位置する。
【００２４】
以下に示すように、各注入カップ３３の端面は、凹部４１ａのレッジ４１に密封係合しており、鋳型がレッジに対して締付または押圧された場合に界面から溶融金属材料が漏出するのを防止できる。このために、必要があれば、平坦な封止すなわちガスケットを注入カップ端面とレッジ４１との間に任意に使用できる。インベストメントシェル鋳型３１は、指部５１ｂ間に形成されたスロット５１ａを有する固定位置決め板５１を使用して、湯道Ｒに対して配置する。各インベストメントシェル鋳型３１は、隣接する指部５１ｂを鋳型位置決め用の溝部Ｇに挿入した状態で、各スロット５１ａに挿入される。そうすると、各注入カップ３３の半分が、溶融金属材料を導入するため各湯道Ｒをまたぐように位置する。位置決め板５１は、指部５１ｂが対向する他方の鋳型収容部材のレッジに収容されるよう、水平に指向して鋳型収容部材２９、３０の一方に固定される。
【００２５】
そのように位置する場合、注入カップ３３およびインベストメントシェル鋳型３１の湯口通路３２ａは、ゲートシステムを通じてショットスリーブ２４に連絡しており、プランジャ２７が押圧するとショットスリーブ２４から溶融金属材料を導入する。ショットスリーブ２４は、鋳型収容部材３０に封止状態で挿入される。
【００２６】
各インベストメントシェル鋳型３１は、ゲートシステムを介して鋳型に導入された溶融金属材料の上向きの力に反対しつつ、チャンバＣ内の所定位置に支持される。例えば、各インベストメントシェル鋳型３１の上向きの閉鎖端は、それぞれの支持板６０に当接している。この支持板６０は、ヒンジ６４に設けた軸６２に連絡しており、鋳型を位置決め板５１に配置した後では支持板６０が鋳型の閉鎖端３１ｅに当接する位置になっている。各ヒンジ６４および加圧装置（例えばバネ、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、および／またはメカニカルクランプ）６３に連通する主軸６６を下方に付勢することによって、支持板６０が鋳型の閉鎖端側へ緩やかに押圧される。
【００２７】
それから真空チャンバ４０は、吸引ポンプＰによって、特定の充填物を溶融させるための適切なレベル（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のようなチタン合金やＴｉＡｌのようなチタンアルミニドの場合、１００ミクロン未満）に排気される。チャンバＣ内のインベストメントシェル鋳型３１は、ショットスリーブ２４を通じて真空チャンバ４０に連絡していることで、また鋳型収容部材２９、３０間のＯリング封止Ｓ１で周囲環境空気から分離されていることによって、真空と同様のレベルにまで同時に排気される。任意に独立した吸引経路や鋳型内部に連絡した管路を（も）使用してインベストメントシェル鋳型３１を排気することもできる。
【００２８】
インベストメントシェル鋳型３１は、通常は、チャンバＣ中に配置している場合は環境温度（室温）である。あるいは、インベストメントシェル鋳型３１は、チャンバＣ内に配置する前に、適切な温度まで予熱処理を行うこともできる。さらに、チャンバＣにヒータ（図示せず）を設け、インベストメントシェル鋳型３１の温度を維持することもできる。
【００２９】
溶融坩堝５４に配置した金属・合金の固形充填物は、誘導コイル５６を通電することで溶融し、それからこの溶融物は、プランジャ２７が図１に示す注入開始位置に存する状態で真空下で注入口５０を通ってショットスリーブ２４に注入される。この溶融金属・溶融合金は、ショットスリーブ２４に注入されるが、溶融金属がプランジャ２７の背後に残されないようそこに所定休止時間だけ滞在する。溶融金属・溶融合金は、溶融坩堝５４から注入口５０を介してショットスリーブ２４に直接注入され、それにより注入開始前の時間や金属冷却を短縮できる。
【００３０】
それからプランジャ２７は、液圧を受けて溶融金属または溶融合金をゲートシステムから注入カップ３３、湯口３２、湯道３４を介して鋳型空洞部３６に注入するため、油圧アクチュエータ２５’’によりショットスリーブ２４側へ前進する。溶融金属または溶融合金は、チタン合金やチタンアルミニドの場合、例えば１０〜１２０インチ（２５．４〜３０４．８ｃｍ）／秒の速度で、ショットスリーブ２４を下って、排気したインベストメントシェル鋳型３１の鋳型空洞部３６に押圧される。
【００３１】
プランジャ２７は、図５に示す液圧システムを使用してショットスリーブ２４中に前進する。この液圧システムは、供給集合体（供給マニホルド）７０’と、プランジャ速度を制御する注入速度集合体７２’と、プランジャ２７の注入開始位置への戻りを制御する注入回復集合体７４’と、プランジャ２７が注入終了位置から所定距離に存する場合に液圧をタンクＳ’に排出すなわち戻すための圧力排出集合体７６’とを備えている。液圧システムは、プログラム可能なロジックコントローラ（図示せず）で制御される。ただ、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）２５’’の支持フレームに固定される制限スイッチ８０ａは、リレー（図示せず）に電気的に直接連通している。このリレーは、方向バルブ２７’の通電を制御するために、圧力排出集合体７６’の方向バルブ２７’へと順に電気的に直接連通している。図１に示すように、スイッチトリップ要素８０ｂは、可動ラム２５ａ’’に固定されておりそれがラムとともに移動する場合にリミットスイッチ８０ａを妨害すなわち作動させるものである。リミットスイッチ８０ａが妨害される前においては、カートリッジバルブ２８’の閉鎖を維持するように方向バルブ２７’の通電が遮断されている（方向バルブ２７’は、リミットスイッチ８０ａが妨害されていない限り、常に通電が遮断されている状態にある）。リミットスイッチ８０ａが妨害される場合、方向バルブ２７’が通電し、通常は閉鎖されている圧力維持のカートリッジバルブ２８’を管路８１を介してタンクＳ’に排出させ、そしてカートリッジバルブ２８’の液圧下流側は開放したバルブ２８’を通って管路８３、タンクＳ’に放出される。圧力排出集合体７６’は、溶融金属材料が圧力を受けて注入される際にインベストメントシェル鋳型３１が破壊されないよう、インベストメントシェル鋳型３１への液圧を制御するように機能する。リミットスイッチ８０ａの位置（ひいては液圧が排出されるところである注入終了位置からの所定距離）は、経験に基づいて決定され、鋳型破壊を避けるように調整する。
【００３２】
この液圧システムの構成部品は、以下の通りである。図５に示す液圧システムの部品は、
１’−集合体（マニホルド）、
２’−ＳＶ３１０−００  １１５  ＡＰ方向バルブ（ＶｉｃｋｅｒｓＨｙｄｒａｕｌｉｃｓにより市販されている。以下Ｖｉｃｋｅｒｓと称する）、
３’−ＮＳ  ８００  Ｓ  流量制御弁（ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｔｉｎＣｏｒｐ．。以下Ｐａｒｋｅｒと称する）、
４’−ＣＶ５−１０−Ｐ０５  逆止弁（Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
５’−ＰＲＶ  １−１０  ＳＯ  ２４  圧力調整器（Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
６’−Ａ９Ｋ２３１０Ｄ３ＫＰＮ  １０ｇａｌ  アキュムレータ（Ｐａｒｋｅｒ）、
７’−Ａ９６７５  ３ＡＡ  圧力スイッチ（ＢａｒｋｓｄａｌｅＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｄｕｃｔｓ，Ｂａｒｋｓｄａｌｅ，Ｉｎｃ．）、
８’−圧力計（３０００ｐｓｉ）、
９’−流量制御（１／４ｉｎｃｈ  ＮＰＴ）、
１０’−ＤＧ４Ｓ４  ０１２Ａ  ５０  方向バルブ（Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１１’−ＳＯ６３Ｃ  １０  ０２  Ｐ  カバー（ポート。ＯｉｌｇｅａｒＣｏｍｐａｎｙ、以下Ｏｉｌｇｅａｒと称する）、
１２’−ＳＥＯ  ６３  １０  Ｋ１  ０００１．５／３Ｖ５  インサート（カートリッジバルブ、Ｏｉｌｇｅａｒ）、
１３’−ＣＶ１  １６  Ｄ１１  ２Ｌ  １０インサート（カートリッジバルブ、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１４’−ＣＶＣＳ  １６Ａ  Ｓ２  １０  カバー（ポート、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１５’−ＤＧ４Ｖ  ３Ｓ  ２Ａ  ＭＦＷ  Ｂ６０  方向バルブ（Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１６’−ＣＶ１  ４０Ｄ１  ２Ｌ１０  カバー（ポート、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１７’−ＣＶＣＳ  ４０Ｄ１  Ｓ２  １０  カバー（ポート、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
１８’−Ａ７Ｋ  １１５５  Ｋ３  Ｋ  ＰＬ  ５ｇａｌ  アキュムレータ（Ｐａｒｋｅｒ）、
１９’−集合体、
２０’−ＣＶＣＳ  １６Ｄ１  Ｓ２  １０  カバー（ポート、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
２１’−ＳＥ６３１０  Ｋ２  ０００  Ａ１．５／３Ｐ  インサート（カートリッジバルブ、Ｏｉｌｇｅａｒ）、
２２’−ＳＯ６３  Ａ１０  Ｐカバー（ポート、Ｏｉｌｇｅａｒ）、
２３’−ＴＤＡＤ１０９７Ｅ４０ＬＡＦ  プロポーショナル弁（Ｐａｒｋｅｒ）、
２４’−ＷＯ  ０１７９−１  ６３ＭＭ−４０ＭＭ  アダプタ（Ｐａｒｋｅｒ）、
２５’−１５  Ｐ１  １０  Ｂ  Ｍ  ５０  ＭＭ１  フィルタ（Ｐａｒｋｅｒ）、
２６’−集合体、
２７’−ＤＧ４Ｓ４  ０１２Ａ  Ｂ  ６０  方向バルブ（Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
２８’−ＣＶＣ  ５０  Ｄ２  Ｓ２  １０  インサート（カートリッジバルブ、Ｖｉｃｋｅｒｓ）、
２９’−集合体である。
【００３３】
溶融金属または溶融合金が注入された後で、鋳型収容部材２９、３０は、可動プラテン１６が固定プラテン１４から離れる側に例えば５〜２５秒で移動することで開口し、それから溶融金属または溶融合金が少なくとも鋳型空洞部３６の鋳造部品の表面で凝固できるような十分な時間を与える。それからインベストメントシェル鋳型３１をチャンバＣから取り外して排出ステーションまで移動し、そこで従来の方法によってインベストメントシェル鋳型３１と鋳造品とを分離する（本発明を構成しない）。鋳型空洞部３６で凝固する金属材料は、インベストメントシェル鋳型３１をチャンバＣから除去する頃には、ほぼ凝固している。鋳造品には、顧客の要望に応じた方法で目視検査を行う。
【００３４】
チタン合金、チタンアルミニド、ニッケル基超合金、およびコバルト基超合金のダイキャストにおいて、溶融金属または溶融合金と接触するショットスリーブ２４は、Ｈ−１３工具鋼のような鉄系材料、Ｍｏ系合金やＷ系合金やＴＺＭ系合金の耐火材、アルミナのようなセラミック材、あるいは溶融してダイキャストされる金属または合金と相溶性のあるこれらの組み合わせで構成される。プランジャ先端部２７ａは、永続的なあるいは使い捨て可能な先端部で構成され、使い捨ての場合は溶融金属または溶融合金の充填物がインベストメントシェル鋳型３１に注入される毎に廃棄される。プランジャ先端部は、銅−ベリリウムの合金のような銅系合金、あるいは鋼やグラファイト等の適切な材料である。
【００３５】
ダイキャスト部品に対して使用される具体的な鋳造パラメータは、いくつかの要素、例えば鋳型のサイズ、湯口、注入カップの重量、溶融物注入圧力に対するインベストメントシェル鋳型の易損性に左右される。注入圧力は、鋳型空洞領域への十分な充填を行いつつインベストメントシェル鋳型３１を無傷（圧力による鋳型損壊が生じない）で保持するように選択される。溶融坩堝５４中の金属または合金の重量は、鋳型のサイズや鋳型でダイキャストされる部品数に左右される。
【００３６】
以下の実施例は、本発明を限定せずにより具体的に例示するものである。
【００３７】
［実施例の具体的な例示］
本発明に従って、ターボチャージャホイールは、従来のロストワックスのインベストメントシェル鋳型３１によりチタン合金およびチタンアルミニド（ＴｉＡｌ）合金で首尾良くダイキャストされた。ターボチャージャホイールは、概ね以下の範囲の鋳造パラメータで製造された。溶融物注入圧力設定は４００〜１８００ｐｓｉ（２．７５〜１２．４１ＭＰａ）、溶融物注入速度（プランジャ速度）は１０〜１２０インチ（２５．４〜３０４．８ｃｍ）／秒、溶融物の加熱度は０〜７５度Ｆ（０〜４１．７℃）、鋳型予熱温度は室温から６００度Ｆ（約３１６℃）、ロストワックスのインベストメントシェル鋳型３１の肉厚は０．２０〜１．０インチ（０．５０８〜２．５４ｃｍ）、ショットスリーブの長さおよび直径はそれぞれ１７．３８インチ（約４４．１ｃｍ）および２．８インチ（約７．１ｃｍ）、リミットスイッチ８０ａはプランジャ２７が注入終了位置から約０．５インチ（１．２７ｃｍ）に位置する場合にプランジャ液圧排出になるように設定した。
【００３８】
ターボチャージャホイールを製造するためのインベストメントシェル鋳型３１が上記のように開示されたが、本発明はそのように限定されないのであって、その他の部品、例えば内燃機関のバルブ、自動車やトラックのターボチャージャコンプレッサやタービンホイール、ガスタービンエンジンのコンプレッサやタービンブレード・ベーンのような部品、あるいは股関節ステム、寛骨臼膝、脛骨トレー、背骨部品等の医療用部品を製造するように実施できる。
【００３９】
以上本発明の実施例について説明してきたが、本発明の実施態様のそれぞれについて分けて説明する。
先ず、本発明の金属材料をキャスティングする方法は、相対移動可能な第１、第２部材の少なくとも一方に設けた鋳型収容チャンバに非金属の鋳型を配置する工程と、鋳型の鋳型空洞部を第１、第２部材の少なくとも一方に配置したゲート通路に連絡させる工程と、ゲート通路とショットスリーブとを連絡させる工程と、ショットスリーブからの圧力を受けて金属材料をゲート通路から非金属鋳型に流動させる工程とからなる。
本発明の一実施態様において、第１部材および第２部材は、ダイキャスト鋳造機の第１プラテン、第２プラテンのそれぞれに配置されることで相対移動が可能である。
本発明の別の実施態様においては、ショットスリーブのプランジャの移動によって、金属材料が流動する。液圧に応じてプランジャが移動して金属材料を流動させ、この液圧は、プランジャの注入ストローク終了端より前の所定距離で油受けに排出される。
本発明の別の実施態様による鋳造機は、相対移動可能な第１、第２部材であって、この第１、第２部材の少なくとも一方は鋳型収容チャンバを備えているとともに、第１、第２部材の少なくとも一方はショットスリーブからの金属材料を導入するゲート通路を備えた第１、第２部材を設け、鋳型収容チャンバ内でゲート通路と連絡するところには非金属の鋳型を設け、ショットスリーブと連絡しておりゲート通路を通って非金属鋳型へ金属材料を流動させる手段を設けている。
本発明のさらに別の実施態様においては、ゲート通路に連絡するよう鋳型収容チャンバ内の所定位置でセラミックのインベストメントシェル鋳型が保持されているが、この鋳型は、ゲート通路を通って鋳型に導入した溶融金属材料の力に逆らいつつ鋳型収容チャンバ内で保持される。例えば、支持板が鋳型の閉鎖端に当接しており、これに対してバイアスがかけられている。鋳型は、ゲート通路に連絡しており開口の注入カップを備えている。また鋳型は、この注入カップと一つ以上の鋳型空洞部との間に、溶融金属材料を運ぶための湯口通路を備えている。シェル鋳型の鋳型空洞部は、周囲圧以下（例えば１００ミクロン）に排気し、反応金属または反応合金（例えばチタン合金、チタンアルミニド、ニッケル基超合金、コバルト基超合金等）のダイキャストを行う。鋳型は、湯口通路に連絡した注入カップ等の要素を備えている。またこの鋳型は、注入カップと一つ以上の鋳型空洞部との間に、溶融金属材料を運ぶための湯口通路を備えている。
本発明は、従来のインベストメント鋳造方法では薄壁の鋳型空洞領域への充填が困難であった、溶融金属・溶融合金（チタン合金やチタンアルミニド合金等）の鋳造につき有用である。例えば、本発明は、ハブ周囲に位置する薄壁（例えば０．０２５〜０．２００インチ（０．０６３５〜０．５０８ｃｍ））の複数のエアフォイルベーンを有するチタン合金またはチタンアルミニドのターボチャージャーコンプレッサやタービンホイールの鋳造につき有用である。同様に、本発明は、薄壁（例えば０．０２５〜０．３５インチ（０．０６３５〜０．８８９ｃｍ））のエアフォイルを有するコンプレッサブレードの鋳造につき有用である。
さらに、本発明は、金属ダイを使用したのでは鋳造できない、バックロックやアンダーカット等の複雑な形状を有するインベストメント鋳型の鋳造に使用できる。本発明の実施によって、ダイキャスト部品に対する化学的及び／又は機械的な再加工の必要なしに、複雑な形状の鋳型での鋳造が可能になる。
【００４０】
本発明が特定の実施例に関して開示されたが、それに限定することは意図しておらず、特許請求の範囲に記載した程度だけ限定することを意図している。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
チタン合金やチタンアルミニド等をインベストメント鋳型にキャスティングする方法を、他の鋳造にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施例による方法を実施するための鋳造機の概略側面であって、真空チャンバの断面図である。
【図２】鋳造機のプラテンに連通した一対の鋳型収容部材の分解斜視図である。
【図３】一対の鋳型収容部材の分解斜視図である。
【図４】インベストメントシェル鋳型の斜視図である。
【図５】プランジャの作動液システム図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ダイキャスト鋳造機
１４  固定プラテン
１６  可動プラテン
２４  ショットスリーブ
２７  プランジャ
２９、３０  鋳型収容部材（板）
３１  インベストメントシェル鋳型
３２  湯口
３３  注入カップ
３６  鋳型空洞部
４０  真空（溶融）チャンバ
５０  注入口
５４  溶融坩堝
【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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