(57)【要約】【課題】この発明の目的は、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及び装置を提供するところにある。【解決手段】この発明は、一つ以上の鋳型空洞部を有する非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、一つ以上の鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記非金属鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、前記コンテナがプラテンに対して保持された状態で、圧力を受けたショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の鋳型空洞部に導入する工程と、一つ以上の鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程とを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上の鋳型空洞部を有する非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、
一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、
前記コンテナが前記プラテンに対して保持された状態で、圧力を受けた前記ショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入する工程と、
一つ以上の前記鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程とを有することを特徴とする溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項２】
耐火性粒子状物質を前記コンテナの前記鋳型周囲に配置する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項３】
溶融金属材料は、前記コンテナに配置する前には加熱されていない前記鋳型に導入することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項４】
セラミックのインベストメントシェル鋳型を前記コンテナに配置する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項５】
一つ以上の前記鋳型空洞部のうち一つ以上は、厚さが０．３５インチ（０．８８９ｃｍ）以下の空洞領域を有することを特徴とする請求項４に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項６】
前記鋳型空洞部の少なくとも一つは、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に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項７】
一つ以上の前記鋳型空洞部のうち一つ以上は、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に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項８】
前記コンテナは、端閉鎖手段を有する管状の本体を有するととともに、前記コンテナは、前記鋳型が配置され鋳型周囲に耐火性粒子状物質が配置されるチャンバを有していることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項９】
前記鋳型は、前記コンテナの前記端閉鎖手段の一つに締着けられることを特徴とする請求項８に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１０】
前記鋳型は、湯口通路によって一つ以上の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、溶融金属材料を導入するため前記湯口通路が前記ショットスリーブに連絡するよう前記端閉鎖手段の一つに対して締着することを特徴とする請求項９に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１１】
固定プラテンに連結したベース板に前記コンテナを連結させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１２】
前記コンテナをダイキャスト鋳造機の第１プラテンと第２プラテンとの間に保持する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１３】
前記プラテンに連結したベース板の一部として前記コンテナを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１４】
一つ以上の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に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法。
【請求項１５】
前記鋳型空洞部に連絡する前記ショットスリーブを通じて一つ以上の前記鋳型空洞部を排気することを特徴とする請求項１３に記載の溶融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１２に記載の溶融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に記載の溶融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に記載の溶融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するとともに、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に記載の溶融金属材料をキャスティングする方法
【請求項２０】
ａ）一つ以上の鋳型空洞部を有する非金属の鋳型を中に配置したコンテナと、
ｂ）一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブと連絡して溶融金属を導入するように前記コンテナが保持されるプラテンと、
ｃ）前記鋳型が前記プラテンに対して前記コンテナ中で配置される場合に圧力を受けたショットスリーブ中の金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入するショットスリーブの手段とを有する鋳造装置。
【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】
一つ以上の前記鋳型空洞部のうち一つ以上は、厚さが０．１００インチ（０．２５４ｃｍ）以下の空洞領域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２３】
一つ以上の前記鋳型空洞部のうち一つ以上は、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２２に記載の鋳造装置。
【請求項２４】
一つ以上の前記鋳型空洞部のうち一つ以上は、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２２に記載の鋳造装置。
【請求項２５】
前記コンテナは、端閉鎖手段を有する管状の本体を有するととともに、前記コンテナは、前記鋳型が配置されこの鋳型周囲に耐火性粒子状物質が配置されるチャンバを有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２６】
前記鋳型を前記コンテナの前記端閉鎖手段の一つに締着けるクランプ装置を有することを特徴とする請求項２５に記載の鋳造装置。
【請求項２７】
前記鋳型は、湯口通路によって一つ以上の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、溶融金属材料を導入するため前記湯口通路がカンの外部に連絡するよう前記端閉鎖手段の一つに対して締着されることを特徴とする請求項２６に記載の鋳造装置。
【請求項２８】
一つ以上の前記鋳型空洞部を周囲圧以下に排気する手段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２９】
前記排気手段は、周囲圧以下の圧力下にあり一つ以上の前記鋳型空洞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２８に記載の鋳造装置。
【請求項３０】
前記コンテナの前記端閉鎖手段に設けた気密封止を有することを特徴とする請求項２９に記載の鋳造装置。
【請求項３１】
前記プラテンに連結して固定したベース板を設け、このベース板には前記コンテナを連結して設けたことを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項３２】
前記コンテナは、ダイキャスト鋳造機の第１プラテンと第２プラテンとの間に保持されることを特徴とする請求項２０に記載の鋳造装置。
【請求項３３】
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するとともに、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２０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に関するものであり、より具体的には、圧力を受けた金属や合金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）の方法及び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。
【０００３】
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の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。
【０００４】
従来の鋳造方法には、チタン合金、ニッケル基超合金及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がある。
また、従来の鋳造方法には、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・合金の永久鋳型により鋳込むものがある。
さらに、従来の鋳造法には、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を鋳込むものがある。
【０００５】
【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】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明の目的は、上記の欠点を克服するため、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方法および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】
【０００９】
本発明は、一つ以上の鋳型空洞部を有する非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、一つ以上の前記鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、前記コンテナが前記プラテンに対して保持された状態で、圧力を受けた前記ショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の前記鋳型空洞部に導入する工程と、一つ以上の前記鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、鋳型への鋳込みを改善し、鋳造時の鋳型充填を満足に行うことができ、ダイ型空洞部の形状の複雑さを制限されることがなく、鋳造品に亀裂が生じることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、非金属の鋳型をコンテナに配置する工程と、一つ以上の鋳型空洞部がショットスリーブに連絡してこのショットスリーブから溶融金属材料を導入するように、前記非金属鋳型を中に配置した状態で鋳造機のプラテンに対し前記コンテナを保持する工程と、前記コンテナがプラテンに対して保持された状態で、圧力を受けたショットスリーブ中の溶融金属材料を前記鋳型の一つ以上の鋳型空洞部に流動させる工程と、一つ以上の鋳型空洞部の溶融金属を少なくとも部分的に凝固させる工程と、からなる金属材料をキャスティングする方法およびその装置を提供するものである。
【００１２】
本発明の一実施態様においては、ショットスリーブ内のプランジャが作動液圧に応じて移動し、そして非金属鋳型が破壊される可能性を減少させるようプランジャが注入ストローク終了端に至る前の所定距離で油受けに排出または復帰する。コンテナには、鋳型破壊により鋳型から溢れ出た金属材料を収容するために、鋳型周囲に耐火粒子状物質を配置している。
【００１３】
本発明の一実施態様において、鋳型は、周囲温度で鋳造が行われるセラミックインベストメントシェル鋳型である。このインベストメントシェル鋳型の鋳型空洞部は、周囲圧以下（ｓｕｂａｍｂｉｅｎｔ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）（例えば１００ミクロン）に排気して、酸素反応の金属または合金（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。コンテナは、耐火性粒子状物質を周囲に設けたインベストメント鋳型が配置されるチャンバを備えている。この鋳型は、コンテナの端閉鎖手段に固定した注入カップやその他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。
【００１４】
本発明の一実施態様においては、インベストメント鋳型を配置したコンテナは、ダイキャスト鋳造機の固定した（移動不可能な）プラテンに対して保持されている。本発明の別の実施態様においては、コンテナの端部は、ダイキャスト鋳造機の固定プラテンに連通するベース板に連通している。あるいは、コンテナはダイキャスト鋳造機の固定プラテンに連通するベース板の一部として構成される。さらに本発明の別の実施態様においては、ダイキャスト鋳造機の移動可能な第２プラテンは、コンテナの反対側端部と係合するよう移動できる。
【００１５】
本発明の別の実施態様は、非金属鋳型を中に有するコンテナを設け、鋳造機のプラテンを設け、このプラテンに対しては、ショットスリーブから溶融金属材料を導入するように一つ以上の鋳型空洞部がショットスリーブと連絡するようコンテナを保持して設け、圧力下にある前記ショットスリーブ内の溶融金属材料を前記一つ以上の鋳型空洞部に導入する手段を設けた鋳造装置を提供するものである。耐火性粒子状物質は、コンテナ内の非金属鋳型の周囲に配置している。
【００１６】
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。
【００１７】
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、高コストの金属ダイを使用せずに、またダイキャスト部品に対する化学的および／また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。
【００１８】
本発明の詳細や利点については、図面を伴った詳細な説明により直ちに明らかになる。
【実施例】
【００１９】
図１には、本発明を実施するように構成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、排気した非金属のインベストメントシェル鋳型３１に作動圧を受けたチキソトロープ金属材料を含む溶融金属材料を鋳込むように構成されている。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。
【００２０】
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は、その中に各ターボチャージャホイールの形状を形成する第１および第２の鋳型空洞形成領域３１ａ、３１ｂを有している。
【００２１】
このダイキャスト鋳造機１０は、可動プラテン１６を固定（静止）プラテン１４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１０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およびこの固定プラテン１４に従来のボルトやクランプ（図示せず）で固定した鋳型のベース板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）がダイキャストされることになる。
【００２２】
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、可動ラム２５ａ’’を有する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２４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。
【００２３】
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、可働ラム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ベース板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）下にある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２７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２４の端部に超周囲圧力のガス圧を与えてもよい。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。このインベストメントシェル鋳型３１は、注入カップ３３と、湯口３２と、二つのターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成部３１ａ、３１ｂに連通する第１・第２湯道３４とを有する湯口ゲートを備えている。管状のセラミック密封つば３８は、密封付着しているか、そうでなければ注入カップ３３付近で固定されているか、注入カップ３３と一体化して構成されている。この密封つば３８は、図１に示すように、ショットスリーブ２４の放出端と密封接合している。溶融金属・溶融合金は、注入カップ３３を通り、湯口３２および各湯道３４の通路を通じて、鋳型空洞形成領域３１ａ、３１ｂに形成される鋳型空洞部３６に流入する。このターボチャージャホイール形状の鋳型空洞部３６は、ハブ形成空洞領域３６ｈから離間したところに存する小寸法（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。
【００３０】
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に、ターボチャージャホイール形状の鋳型空洞形成領域３１ａ、３１ｂ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。
【００３１】
図１〜５に示すように、本発明の一実施例によると、ダイキャストを行う際にインベストメントシェル鋳型３１を収容するために、金属（例えば鋼）の気体不透過性のコンテナ６０が、設けられている。このコンテナ６０は、円形、正方形等の断面形状となった管状の本体６０ａを有している。コンテナ６０は、溶接固定した端閉鎖手段６２を備えている。また、コンテナ６０は、内部コンテナチャンバ６８を形成するように、溶接固定の環状フランジ６６に締付けた着脱可能な端閉鎖手段６４も備えている。この内部コンテナチャンバ６８には、インベストメントシェル鋳型３１が配置されるとともにその周囲空間には耐火性粒子状物質７０が充填される。
【００３２】
この着脱可能な端閉鎖手段６４は、固定具６７を使用してこれをコンテナに固着する場合に、コンテナ６０の端閉鎖手段６４とフランジ６６とを気密封止するための（図４）、Ｏリング密封シールＳ１（図２および図４）と係合する。
【００３３】
端閉鎖手段６２とベース板３０との間には、以下説明するような、コンテナ６０がベース板３０に当接する場合にそれらを気密封止するためのＯリング密封シールＳ２が設けられている（図１）。コンテナ６０は、常設的にベース板３０に締付けられるものではない。Ｏリング密封シールＳ１、Ｓ２は、Ｖｉｔｏｎ材やその他の適切な高温シール材である。
【００３４】
コンテナの端閉鎖手段６２においては、インベストメントシェル鋳型３１をコンテナ６０の所定位置に固定した場合に注入カップ３３と流動位置関係になるように、ショットスリーブ２４を挿通するよう形成した通路６２ｐが設けられている（図１）。特に、コンテナ６０の内部には、内部コンテナチャンバ６８内のインベストメントシェル鋳型３１を端閉鎖手段６２に締付けるための、密封つば３８の表面上に固定される複数の細長いクランプフィンガ６０ｆが設けられている（図１〜２、図４〜５）。このクランプフィンガ６０ｆは、固定具７０’を端閉鎖手段６２に挿通することで固定される。
【００３５】
インベストメントシェル鋳型３１は、その湯道３４を略水平に指向させてコンテナ６０で締付けたものが示されているが、本発明はそのように限定されない。なぜなら、インベストメントシェル鋳型３１は、適切であればどのような方向にも指向できるため、例えば湯道３４が略垂直、略水平、その中間など、どのように指向した状態であってもよいからである。
【００３６】
そのように締付けた場合、鋳型の注入カップ３３および湯口３２の通路は、プランジャ２７により押し出されるショットスリーブ２４からの溶融金属材料を導入するようショットスリーブ２４に連絡している。ショットスリーブ２４は、通路６２ｐに密封挿入される。密封つば３８は、溶融金属材料がショットスリーブおよび注入カップから洩れ出るのに対し封止する。
【００３７】
コンテナ６０は、固まっていないぱらぱら（自由流動）の耐火性粒子状物質（例えばアルミナやジルコニアのセラミック支持砂）７０をコンテナ６０の内部コンテナチャンバ６８のインベストメントシェル鋳型３１周囲に配置する供給口６０ｎを備えている。この供給口６０ｎは、ぱらぱらの耐火性粒子状物質７０の落下を防止するための脱着可能な真空結合具Ｆによって閉鎖される。また、コンテナ６０は、持ち上げリング６０ｒを備えており、鋳型充填や除去のためにコンテナを持ち上げて移動させるための従来のオーバーヘッドホイストの使用が可能になる。
【００３８】
本発明実施例の方法を実施するに際には、ダイキャストされる金属材の固形インゴットを真空チャンバ４０の溶融坩堝５４に充填する。インベストメントシェル鋳型３１を中に備えるコンテナ６０は、固定プラテン１４を基準とした可動プラテン１６の移動により、ベース板３０と可動プラテン１６との間に保持される。コンテナ６０が可動プラテン１６の移動により固定プラテン１４に対して所定位置で保持される前に、コンテナ６０には、供給口６０ｎを介してぱらぱらの支持用耐火性粒子状物質７０を充填する。ぱらぱらの耐火性粒子状物質７０は、供給口６０ｎを介して内部コンテナチャンバ６８のインベストメントシェル鋳型３１周囲へ手動的または自動的に導入される。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するに適切なレベル（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）に排気する。ベース板３０と可動プラテン１６との間で保持されておりインベストメントシェル鋳型３１を中に有するコンテナ６０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ＯリングシールＳ１、Ｓ２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。
【００３９】
インベストメントシェル鋳型３１は、通常、コンテナ６０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、コンテナ６０内に配置する前に、またはコンテナ６０内に配置する際に、カートリッジや抵抗ヒータを使用して適切な温度まで予熱処理を行うこともできる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
プランジャ２７は、図６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。この液圧システムの構成部品は以下の通りである。
【００４３】
図６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。
【００４４】
溶融金属または溶融合金が注入された後で、ベース板３０および可動プラテン１６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。それからコンテナ６０は、ベース板３０から取り外して、ホイストリング６０ｒにホイストを係合して排出ステーションまで移動し、そこで供給口６０ｎを開口して支持用の耐火性粒子状物質７０を除去する。それから、端閉鎖手段６４を取り外して、溶融物が充填されたインベストメントシェル鋳型３１を締付解放してコンテナ６０から除去する。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をコンテナ６０から除去する頃には、ほぼ凝固している。それからインベストメントシェル鋳型３１は、従来の方法でダイキャスト部品を分離する（本発明を構成しない）。鋳造品には、顧客の要望に応じた方法で目視検査を行う。
【００４５】
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ＴＺＭ系合金の耐火材、アルミナやグラファイト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。
【００４６】
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。
【００４７】
以下の具体例は、本発明を限定せずにより具体的に例示するものである。
具体例１。
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１５インチ（３８．１ｃｍ）および３インチ（７．６２ｃｍ）、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。
【００４８】
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。
【００４９】
さらに本発明においては、コンテナ６０がベース板３０と可動プラテン１６との間に保持されるものとして開示されているが、本発明はそのように限定されないのであって、別の実施例では、コンテナ６０をベース板３０に取り付けることや、コンテナ６０をベース板３０に一体化して形成することも想定している。
【００５０】
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】
【００５１】
本発明は、圧力を受けた金属や合金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）の方法及び装置に関するものであり、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の鋳込みに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本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図であって、真空チャンバの断面図である。
【図２】鋳型を示すために後部閉鎖手段を取り外したコンテナ端部の正面図である。
【図３】インベストメントシェル鋳型の斜視図である。
【図４】コンテナ内で端閉鎖手段に締付けたインベストメントシェル鋳型を示す斜視図である。
【図５】耐火性粒子状物質を鋳型周囲に配置し、コンテナ内で端閉鎖手段に締付けたインベストメントシェル鋳型の斜視図である。
【図６】プランジャの作動液システム図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ダイキャスト鋳造機
１２  油圧アクチュエータ
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
３１  インベストメントシェル鋳型
３６  鋳型空洞部
４０  真空チャンバ
５４  溶融坩堝
６０  コンテナ
【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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