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JP2007167955A - Method for casting metallic material and casting apparatus therefor - Google Patents

Method for casting metallic material and casting apparatus therefor Download PDF

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JP2007167955A JP2006339807A JP2006339807A JP2007167955A JP 2007167955 A JP2007167955 A JP 2007167955A JP 2006339807 A JP2006339807 A JP 2006339807A JP 2006339807 A JP2006339807 A JP 2006339807A JP 2007167955 A JP2007167955 A JP 2007167955A
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JP2006339807A
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Japanese (ja)
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Russell G Vogt
ジー. ヴォット ラッセル
David S Lee
エス. リー デイヴィッド
George W Wolter
ダブリュー. ウォルター ジョージ
Leonard L Ervin
エル. アーヴィン レオナルド
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Howmet Corp
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Howmet Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for casting a metallic material and a casting apparatus therefor where the complication in the shape of a mold cavity is not limited, and further, the generation of cracking in a casting is evaded. <P>SOLUTION: The method for casting a metallic material comprises the steps of providing a non-metallic mold in a mold-receiving chamber disposed in at least one of relatively movable first and second members, communicating a mold cavity in the mold to a gating passage disposed in at least one of the first and second metallic members, communicating the gating passage to a short sleeve, and flowing metallic material under pressure from the shot sleeve to the gating passage and into the non-metallic mold. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a method of casting a metal or alloy and a casting apparatus thereof, and more particularly to a method of casting (casting) a metal, alloy or intermetallic compound subjected to pressure into a non-metallic investment mold and a casting apparatus thereof. It is.

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。
Titanium-based alloys (eg Ti-6Al-4V) and intermetallic compounds (eg TiAl) are used as cast parts in the aerospace industry. Such cast parts are manufactured by the well-known investment gravity casting method in which a suitable molten metal is put into a preheated ceramic investment shell mold formed by the lost wax method.
Investment castings of titanium-based material parts with complicated shapes are generally used, but they are relatively expensive and yield is low. The low casting output is due to several factors, such as insufficient filling of a given mold area, for example a thin wall (thin) mold cavity area. For example, filling a thin wall mold cavity region with a thickness of less than 0.050 to 0.060 inches (0.127 to 0.1524 cm) with a titanium alloy or titanium aluminide molten metal is Difficult due to low overheating and gas leakage problems.
In attempts to improve the filling of ceramic investment shell molds, attempts have been made to increase the mold preheat temperature (eg, 700 degrees F. or more). However, this attempt is disadvantageous in that at such high temperatures, the molten titanium alloy or titanium aluminide reacts with the mold and a deleterious phase is formed on the surface of the casting produced in the shell mold. This phase must be removed by chemical treatment. Further, in order to satisfactorily fill the mold during casting, it is often necessary to increase the thickness of one or more thin-wall mold cavities when manufacturing the mold. As a result, the casting becomes larger than necessary, so that the dimensions of the casting must be reduced, and the specific part dimensions must be noted and mechanically and / or chemically processed.

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。
米国特許第6,070,643号公報 米国特許第5,287,910号公報 米国特許第5,119,865号公報
US Pat. No. 6,070,643 describes vacuum die casting with metal molds of oxygen-reactive alloys such as titanium alloys, nickel-base superalloys and cobalt-base superalloys.
Reactive metal / alloy permanent molds such as titanium and titanium / nickel based alloys using reusable iron-based or titanium-based permanent molds made of composite parts are disclosed in US Pat. No. 5,287,910 to Colvin. Is disclosed.
Aluminum, copper and iron castings using permanent molds are disclosed in US Pat. No. 5,119,865.
US Pat. No. 6,070,643 US Pat. No. 5,287,910 US Pat. No. 5,119,865

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。   By the way, conventionally, in the above-mentioned patent documents, the disadvantage of using a metal die-casting mold is that the metal die mold is expensive, and there is a parting line between the metal dies. The complexity of the shape of the part (and hence the die cast product) is limited. Another disadvantage of using a metal die when die casting a titanium aluminide material is that the molten metal in the metal mold rapidly solidifies, resulting in cracks in the casting.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and a casting apparatus for casting a metal material for casting a metal or alloy under pressure, particularly a titanium alloy or titanium aluminide, etc., in an investment mold in order to solve the above-mentioned drawbacks. There is a place to do.

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。   The present invention includes a step of placing a non-metallic mold in a mold accommodating chamber provided in at least one of the first and second members that can move relative to each other, and the mold cavity portion in the mold and the first and second molds. A step of connecting a gate passage provided in at least one of the members, a step of connecting the gate passage and the shot sleeve, and a metal material under pressure from the shot sleeve through the gate passage. And a step of flowing into the mold.

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。   The method for casting a metal material and the casting apparatus thereof according to the present invention can prevent the complexity of the shape of the die cavity from being limited, and can prevent the casting from being cracked.

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。
The present invention aims to prevent the shape complexity of the die-type cavity from being restricted, and to avoid the occurrence of cracks in the cast product, such as metals and alloys subjected to pressure, particularly titanium alloys and titanium aluminides. Is realized by casting it in an investment mold.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail and specifically with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 shows a die casting machine 10 suitable for carrying out the present invention. For purposes of illustration and not limitation, the casting machine is subjected to hydraulic pressure to evacuate molten metal materials including metals, alloys, intermetallic compounds, and thixotropic metal materials. Investment shell mold 31 (four are shown). The number of investment shell molds 31 is selected according to the individual casting process. Such a casting metal material is a material that is difficult to fill a thin or narrow region of the investment shell mold cavity, such as a titanium alloy, a titanium aluminide alloy, a nickel-base superalloy, a cobalt-base superalloy, and / or the like. Including but not limited to oxygen reactive materials.

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。   Embodiments of the present invention are described below with respect to vacuum casting of a titanium alloy turbocharger wheel having a plurality of thin wall (thin) airfoil vanes located around the hub. Each non-metallic investment shell mold 31 has a mold cavity forming region 36 in which the shape of each turbocharger wheel is formed. Although only one mold cavity forming region 36 is shown, each investment shell mold 31 includes one or more mold cavity forming regions 36.

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。   This die-casting machine includes a reservoir (not shown) that stores hydraulic fluid used by the hydraulic actuator 12 to open and close the movable platen 16 relative to the stationary (stationary) platen. A base 11 is provided. The movable platen 16 is arranged to move on a stationary guide rod (bush) 18. A platen clamping link mechanism (not shown) communicates with the movable platen 16 in a conventional manner that does not constitute the present invention. The die cast casting machine has a tubular and horizontal shot sleeve 24, and an intermediate portion of the shot sleeve 24 is a mold accommodating member (fixed to the fixed platen 14 and the fixed platen extension 14a with bolts or clamps ( Plate) 30. The shot sleeve 24 extends into a vacuum (melting) chamber 40 where the metal or alloy to be die cast melts under high vacuum conditions (eg, less than 100 microns), eventually resulting in an oxygen reactive metal / alloy. (For example, a titanium alloy, a titanium aluminide alloy, a superalloy, etc.) will be cast.

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。   The vacuum chamber 40 is defined by a vacuum housing wall 42 that surrounds and extends around the fill side end 24a of the shot sleeve 24 and surrounds the periphery of the plunger hydraulic actuator 25 '' having a ram 25a ''. ing. The vacuum housing wall 42 is hermetically sealed by a stationary horizontal shot sleeve and a plunger support member 44. The vacuum chamber 40 is evacuated by a conventional suction pump P in communication with the vacuum chamber 40. Base 11 and vacuum housing wall 42 are placed on a concrete floor or other suitable carrier.

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。   The cylindrical plunger 27 is inserted into the cylindrical bore of the shot sleeve 24, and is placed between the injection start position on the left side of the injection port (melting inlet) 50 shown in FIG. Move between injection end positions. The injection port 50 has a melting receiving container 52 provided on the shot sleeve 24. The melting receiving container 52 is disposed under the melting crucible 54 so as to introduce molten metal or molten alloy for die casting. In the present invention, the means for introducing the molten metal material into the investment shell mold 31 by the superambient pressure is not limited to the hydraulic plunger. For example, even if there is a plunger for introducing the molten metal material into the investment shell mold 31 by pressure, a gas pressure of super-ambient pressure may be applied to the end of the shot sleeve.

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。   The melting crucible 54 may be an induction skull crucible made of a copper segment in which a filler of a solid metal or solid alloy to be die-cast is melted. The solid metal or solid alloy is placed in the melting crucible 54 before suction in the vacuum chamber 40, and the suction coil 56 is energized and melted after the suction. Alternatively, the solid metal or solid alloy filling is filled in the melting crucible 54 of the vacuum chamber 40 evacuated by a decompression port (not shown), and then the induction coil 56 is energized and melted. In carrying out the present invention, known ceramic crucibles and refractory crucibles can also be used. For example, a method such as an arc melting method or an electron beam melting method can be used in the practice of the present invention. The melting crucible 54 is tilted so as to inject a molten metal / alloy filler into the molten receiving vessel 52 communicating with the shot sleeve 24 through the opening 58 in the shot sleeve wall. The molten metal / molten alloy filling is introduced into the shot sleeve 24 in front of the plunger 27 through the opening 58.

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。   The plunger 27 is moved from the injection start position to the injection end position by a conventional hydraulic actuator 25 ''. The radial clearance between the shot sleeve 24 and the plunger 27 is typically 0.001 to 0.008 inches (0.00254 to 0.02032 cm).

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。   A die-casting machine having such features is disclosed in commonly assigned US Pat. No. 6,070,643, the teachings of which are incorporated herein by reference.

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。   According to an embodiment of the present invention, the die-casting machine 10 is manufactured by a known lost wax method and is melted by applying one or more non-metallic (for example, ceramic) investment shell molds 31 subjected to hydraulic pressure. Configured to input metal material. Such an investment shell mold 31 repeatedly immerses one or more transient patterns (eg, wax or plastic patterns) of parts to be cast as part of a pattern assembly in a ceramic powder slurry to remove excess ceramic slurry. Then, a rough ceramic octopus is applied to a wet ceramic slurry and dried until a shell mold having a wall with a desired thickness on the pattern is formed. The one or more patterns are then optionally removed by steam autoclaving, burr dewaxing, or other conventional pattern removal methods, wherein the ceramic has one or more cavities where one or more patterns previously existed. The shell mold remains. The ceramic shell mold is then subjected to a combustion treatment at a high temperature so as to have sufficient strength during casting. The production of ceramic shell molds using the lost wax process is disclosed in numerous specifications such as US Pat. Nos. 4,966,225, 5,983,982, and 6,749,006. For purposes of illustration and not limitation, the present invention can be practiced using conventional colloidal silica-bonded or sodium silicate-bonded investment shell templates, although other investment shell templates can also be used. .

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。   The specific ceramic powder and stucco material for manufacturing the investment shell mold 31 depend on the metal / alloy die cast with this mold and casting parameters (for example, heating, mold preheating temperature, etc.).

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。   1 to 5 show an investment shell mold 31 for casting two turbocharger wheels. Each of the investment shell molds 31 includes an injection cup 33, a gate 32, and a turbocharger wheel-shaped mold cavity forming region 36. The molten metal or molten alloy flows into the mold cavity forming region 36 through the pouring cup 33 and the pouring passage 32a of the pouring gate 32. The turbocharger wheel shaped mold cavity formation region 36 is spaced from the hub formation cavity region 36h and has a small dimension (thin) airfoil or vane formation cavity region 36v. This airfoil or vane forming cavity region 36v forms a thin wall of the airfoil or vane on the die-cast turbocharger wheel hub so that its internal thickness is thin, typically 0.025-0. 100 inches (0.0635 to 0.254 cm). One skilled in the art will recognize that the investment shell mold 31 can be used as a set to use one pouring cup and a plurality of gates and runners, and the molten metal material can be supplied to the set of molds. The present invention is not limited to such non-metallic, refractory or ceramic molds.

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。   The injection cup 33 includes a first annular lip L1 and a second annular lip L2, which are formed as part of each mold and form a groove G positioned around the injection cup. The present invention also envisages providing a ceramic core (not shown) in the mold cavity forming region 36 in the shape of a turbocharger wheel in order to create a cavity at a predetermined site inside the cast turbocharger wheel. The ceramic core is formed to create a desired cavity inside a cast turbocharger wheel (or other cast product formed in other investment shell mold 31). The present invention also envisages providing a reinforcement, ie a porous or solid preform, that is placed in the mold cavity 36 and integrated with the cast part.

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。   As shown in FIGS. 1 to 4, according to one embodiment of the present invention, the mold accommodating member 30 is configured to be fitted with the mold accommodating member 29, and the mold accommodating members 29, 30 are vertically divided surfaces. , A chamber C for accommodating the investment shell mold 31 is formed and a mold gate system 35 is formed between them. The mold gate system includes gate inserts 40 and 42 that can be replaced by machining. The gate inserts 40 and 42 are accommodated in mold accommodating members 29 and 30, respectively. It is located on the same plane as the outer surface of. When the mold accommodating members 29 and 30 come into contact with each other on the dividing surface, the gate insert forms a gate system including a runner R communicating with the shared passage CP. The shared passage CP communicates with the end of the shot sleeve 24. Each runway R extends from the common passage CP to each investment shell mold 31. The mold housing members 29 and 30 and the gate inserts 40 and 42 are usually suitable permanent metals / alloys (metal materials) such as steel, and are placed on or connected to the platens 14 and 16 of the die-casting machine. Yes.

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。   The O-ring seal S1 is provided between the mold housing members 29 and 30 and tightly seals between them (FIG. 1). The O-ring seal S1 extends around the gate system 35 and surrounds it.

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。   The investment shell mold 31 is located in the chamber C. When the mold accommodating members 29 and 30 come into contact with each other at the dividing surface, the shelf or ledge 41 that forms the bottom wall of the chamber C (complementary cylindrical shape). An injection cup 33 is disposed in the recess 41a. 2 to 3, a half ledge (shelf) 41 formed on the mold housing member 30 side and each recess 41a are shown, and the other half is formed on the mold housing member 29 side. Thereby, the investment shell mold 31 is positioned in the vertical inversion such that the rear closed end 31e faces upward.

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。   As shown below, the end face of each injection cup 33 is sealingly engaged with the ledge 41 of the recess 41a, and the molten metal material leaks from the interface when the mold is clamped or pressed against the ledge. Can be prevented. For this purpose, a flat seal or gasket can optionally be used between the inlet cup end face and the ledge 41 if desired. The investment shell mold 31 is arranged with respect to the runner R using a fixed positioning plate 51 having a slot 51a formed between the finger portions 51b. Each investment shell mold 31 is inserted into each slot 51a with the adjacent finger 51b inserted into the mold positioning groove G. Then, half of each injection cup 33 is positioned so as to straddle each runner R to introduce the molten metal material. The positioning plate 51 is horizontally fixed and fixed to one of the mold housing members 29 and 30 so as to be housed in the ledge of the other mold housing member facing the finger portion 51b.

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。   In such a position, the injection cup 33 and the spout passage 32a of the investment shell mold 31 communicate with the shot sleeve 24 through the gate system, and when the plunger 27 is pressed, the molten metal material is introduced from the shot sleeve 24. The shot sleeve 24 is inserted into the mold housing member 30 in a sealed state.

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。   Each investment shell mold 31 is supported at a predetermined position in the chamber C against the upward force of the molten metal material introduced into the mold via the gate system. For example, the upward closed end of each investment shell mold 31 is in contact with the respective support plate 60. The support plate 60 communicates with a shaft 62 provided on the hinge 64, and after the mold is placed on the positioning plate 51, the support plate 60 is in a position where it abuts against the closed end 31e of the mold. By urging the main shaft 66 communicating with each hinge 64 and a pressure device (for example, a spring, a pneumatic cylinder, a hydraulic cylinder, and / or a mechanical clamp) 63 downward, the support plate 60 is gently moved toward the closed end of the mold. Pressed.

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。   The vacuum chamber 40 is then at an appropriate level for melting a particular packing by the suction pump P (less than 100 microns for titanium alloys such as Ti-6Al-4V alloy and titanium aluminides such as TiAl). Exhausted. The investment shell mold 31 in the chamber C communicates with the vacuum chamber 40 through the shot sleeve 24, and is separated from the ambient air by an O-ring seal S1 between the mold housing members 29 and 30. The air is exhausted to the same level as the vacuum. The investment shell mold 31 can be evacuated using an arbitrarily independent suction path or a pipe line connected to the inside of the mold.

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。   The investment shell mold 31 is usually at an ambient temperature (room temperature) when placed in the chamber C. Alternatively, the investment shell mold 31 can be preheated to an appropriate temperature before being placed in the chamber C. Furthermore, a heater (not shown) can be provided in the chamber C to maintain the temperature of the investment shell mold 31.

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。   The solid filling of metal / alloy disposed in the melting crucible 54 is melted by energizing the induction coil 56, and then this melt is poured under vacuum with the plunger 27 in the pouring start position shown in FIG. It is injected into the shot sleeve 24 through the inlet 50. This molten metal / molten alloy is injected into the shot sleeve 24, but stays there for a predetermined rest time so that the molten metal is not left behind the plunger 27. Molten metal / molten alloy is directly injected into the shot sleeve 24 from the melting crucible 54 through the injection port 50, thereby shortening the time before the injection starts and metal cooling.

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。   Then, the plunger 27 receives the hydraulic pressure and injects molten metal or molten alloy from the gate system into the mold cavity 36 through the injection cup 33, the gate 32, and the runner 34. Move forward. In the case of a titanium alloy or a titanium aluminide, the molten metal or alloy is, for example, 10 to 120 inches (25.4 to 304.8 cm) / sec. Pressed against the mold cavity 36.

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。   The plunger 27 is advanced into the shot sleeve 24 using the hydraulic system shown in FIG. The hydraulic system includes a supply assembly (supply manifold) 70 ′, an injection speed assembly 72 ′ that controls the plunger speed, an injection recovery assembly 74 ′ that controls the return of the plunger 27 to the injection start position, A pressure discharge assembly 76 ′ is provided for discharging or returning the hydraulic pressure to the tank S ′ when the plunger 27 is at a predetermined distance from the injection end position. The hydraulic system is controlled by a programmable logic controller (not shown). However, the limit switch 80a fixed to the support frame of the hydraulic actuator (hydraulic cylinder) 25 ″ is in direct electrical communication with a relay (not shown). This relay is in direct electrical communication with the directional valve 27 'of the pressure exhaust assembly 76' in order to control the energization of the directional valve 27 '. As shown in FIG. 1, the switch trip element 80b is fixed to the movable ram 25a '' and obstructs or activates the limit switch 80a when it moves with the ram. Before the limit switch 80a is obstructed, the directional valve 27 'is de-energized so as to keep the cartridge valve 28' closed (the directional valve 27 'is used unless the limit switch 80a is obstructed). (The power is always cut off.) If the limit switch 80a is obstructed, the directional valve 27 'is energized, causing the normally closed pressure maintaining cartridge valve 28' to be discharged to the tank S 'via line 81, and the cartridge valve 28' The downstream side of the hydraulic pressure passes through the opened valve 28 'and is discharged to the pipe 83 and the tank S'. The pressure discharge assembly 76 ′ functions to control the hydraulic pressure on the investment shell mold 31 so that the investment shell mold 31 is not destroyed when the molten metal material is injected under pressure. The position of the limit switch 80a (and thus a predetermined distance from the injection end position where the hydraulic pressure is discharged) is determined based on experience, and is adjusted to avoid mold destruction.

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。
The components of this hydraulic system are as follows. The components of the hydraulic system shown in FIG.
1'-aggregate (manifold),
2'-SV310-00 115 AP directional valve (commercially available from Vickers Hydraulics; hereinafter referred to as Vickers),
3′-NS 800 S flow rate control valve (Parker Hannitin Corp., hereinafter referred to as Parker),
4′-CV5-10-P05 check valves (Vickers),
5′-PRV 1-10 SO 24 pressure regulator (Vickers),
6'-A9K2310D3KPN 10gal accumulator (Parker),
7′-A9675 3AA pressure switch (Barksdale Control Products, Barksdale, Inc.),
8'-pressure gauge (3000 psi),
9'-flow rate control (1/4 inch NPT),
10'-DG4S4 012A 50 directional valve (Vickers),
11'-SO63C 10 02 P cover (port. Oilear Company, hereinafter referred to as Oilear),
12'-SEO 63 10 K1 0001.5 / 3V5 insert (cartridge valve, Oilear),
13'-CV1 16 D11 2L 10 insert (cartridge valve, Vickers),
14'-CVCS 16A S2 10 cover (port, Vickers),
15'-DG4V 3S 2A MFW B60 directional valve (Vickers),
16'-CV1 40D1 2L10 cover (port, Vickers),
17'-CVCS 40D1 S2 10 cover (port, Vickers),
18'-A7K 1155 K3 K PL 5gal accumulator (Parker),
19'-aggregate,
20'-CVCS 16D1 S2 10 cover (port, Vickers),
21'-SE6310 K2 000 A1.5 / 3P insert (cartridge valve, Oilear),
22'-SO63 A10 P cover (port, Oilear),
23'-TDAD1097E40LAF proportional valve (Parker),
24'-WO 0179-1 63MM-40MM adapter (Parker),
25'-15 P1 10 B M 50 MM1 filter (Parker),
26'-aggregate,
27'-DG4S4 012A B 60 directional valve (Vickers),
28'-CVC 50 D2 S2 10 insert (cartridge valve, Vickers),
29'-Aggregates.

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。   After the molten metal or molten alloy is injected, the mold receiving members 29 and 30 are opened by moving the movable platen 16 away from the stationary platen 14 in, for example, 5 to 25 seconds, and then the molten metal or molten alloy. Allows sufficient time to solidify at least on the surface of the cast part of the mold cavity 36. The investment shell mold 31 is then removed from the chamber C and moved to a discharge station where the investment shell mold 31 and cast product are separated by conventional methods (not constituting the present invention). The metal material solidified in the mold cavity 36 is substantially solidified when the investment shell mold 31 is removed from the chamber C. The cast product is visually inspected by a method according to the customer's request.

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。   In die casting of titanium alloy, titanium aluminide, nickel-base superalloy, and cobalt-base superalloy, the shot sleeve 24 that comes into contact with the molten metal or molten alloy is made of an iron-based material such as H-13 tool steel, or a Mo-based alloy. Or a refractory material of a W-based alloy or a TZM-based alloy, a ceramic material such as alumina, or a combination thereof that is compatible with a metal or alloy that is melted and die cast. The plunger tip 27a is constituted by a permanent or disposable tip, and in the case of disposable, the plunger tip 27a is discarded every time a filling of molten metal or molten alloy is injected into the investment shell mold 31. The plunger tip is a copper-based alloy such as a copper-beryllium alloy, or a suitable material such as steel or graphite.

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。   The specific casting parameters used for the die cast part will depend on several factors such as the size of the mold, the spout, the weight of the pouring cup, the fragility of the investment shell mold for the melt pouring pressure. The injection pressure is selected so as to hold the investment shell mold 31 intact (no damage to the mold due to pressure) while sufficiently filling the mold cavity region. The weight of the metal or alloy in the melting crucible 54 depends on the size of the mold and the number of parts die-cast with the mold.

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。   The following examples illustrate the invention more specifically without limiting it.

[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。
[Specific Examples of Examples]
In accordance with the present invention, the turbocharger wheel was successfully die cast with titanium alloy and titanium aluminide (TiAl) alloy by a conventional lost wax investment shell mold 31. Turbocharger wheels were manufactured with casting parameters generally in the following range. The melt injection pressure setting is 400 to 1800 psi (2.75 to 12.41 MPa), the melt injection speed (plunger speed) is 10 to 120 inches (25.4 to 304.8 cm) / sec, and the heating degree of the melt is 0 to 75 ° F. (0 to 41.7 ° C.), mold preheating temperature from room temperature to 600 ° F. (about 316 ° C.), lost wax investment shell mold 31 thickness is 0.20 to 1.0 inch (0 .508 to 2.54 cm), the length and diameter of the shot sleeve are 17.38 inches (about 44.1 cm) and 2.8 inches (about 7.1 cm), respectively. It was set so that plunger hydraulic pressure was discharged when it was located at about 0.5 inch (1.27 cm).

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。   Although an investment shell mold 31 for manufacturing a turbocharger wheel has been disclosed as described above, the present invention is not so limited and may include other components such as internal combustion engine valves, automobile and truck turbochargers. It can be implemented to produce parts such as compressors, turbine wheels, gas turbine engine compressors and turbine blade vanes, or medical parts such as hip stems, acetabular knees, tibial trays, spine parts.

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。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention will be described separately.
First, a method of casting a metal material according to the present invention includes a step of placing a non-metallic mold in a mold receiving chamber provided in at least one of the first and second members that can be relatively moved, and a mold cavity portion of the mold. 1. A step of communicating with a gate passage arranged in at least one of the second members, a step of connecting the gate passage and the shot sleeve, and a flow of metal material from the gate passage to the non-metallic mold under pressure from the shot sleeve Process.
In one embodiment of the present invention, the first member and the second member can be moved relative to each other by being arranged on each of the first platen and the second platen of the die-casting machine.
In another embodiment of the present invention, the movement of the shot sleeve plunger causes the metallic material to flow. The plunger moves according to the fluid pressure to cause the metal material to flow, and this fluid pressure is discharged to the oil receiver at a predetermined distance before the end of the plunger injection stroke.
A casting machine according to another embodiment of the present invention includes first and second members that can move relative to each other, and at least one of the first and second members includes a mold accommodating chamber, and the first and second members. At least one of the two members is provided with first and second members having a gate passage for introducing a metal material from the shot sleeve, and a non-metallic mold is provided at a place communicating with the gate passage in the mold receiving chamber, Means are provided in fluid communication with the sleeve for flowing the metallic material through the gate passageway to the non-metallic mold.
In yet another embodiment of the present invention, a ceramic investment shell mold is held in place in the mold containment chamber to communicate with the gate passage, which was introduced into the mold through the gate passage. It is held in the mold receiving chamber against the force of the molten metal material. For example, the support plate is in contact with the closed end of the mold and is biased against it. The mold communicates with the gate passage and has an open injection cup. The mold also has a gate passage for carrying the molten metal material between the injection cup and one or more mold cavities. The mold cavity of the shell mold is evacuated to below ambient pressure (for example, 100 microns), and die casting of a reaction metal or a reaction alloy (for example, titanium alloy, titanium aluminide, nickel base superalloy, cobalt base superalloy, etc.) is performed. . The mold includes an element such as an injection cup connected to the gate passage. The mold also includes a gate passage for carrying the molten metal material between the injection cup and the one or more mold cavities.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for casting a molten metal / molten alloy (such as a titanium alloy or a titanium aluminide alloy), which is difficult to fill into a mold cavity region of a thin wall by a conventional investment casting method. For example, the present invention is a titanium alloy or titanium aluminide turbocharger having a plurality of thin foil (e.g., 0.025 to 0.200 inch (0.0635 to 0.508 cm)) airfoil vanes located around the hub. Useful for casting compressors and turbine wheels. Similarly, the present invention is useful for casting compressor blades having thin-wall (eg, 0.025 to 0.35 inch (0.0635 to 0.889 cm)) airfoil.
Furthermore, the present invention can be used for casting an investment mold having a complicated shape such as a backlock or undercut, which cannot be cast using a metal die. The practice of the present invention allows casting in complex shaped molds without the need for chemical and / or mechanical rework on die cast parts.

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。   Although the present invention has been disclosed in terms of specific embodiments, it is not intended to be limited thereto, but only to the extent described in the claims.

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。   The method of casting a titanium alloy, titanium aluminide, or the like in an investment mold can be applied to other castings.

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。1 is a schematic side view of a casting machine for carrying out a method according to an embodiment of the present invention, and is a sectional view of a vacuum chamber. 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。It is a disassembled perspective view of a pair of mold accommodation member connected to the platen of the casting machine. 一対の鋳型収容部材の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a pair of mold housing members. インベストメントシェル鋳型の斜視図である。It is a perspective view of an investment shell mold. プランジャの作動液システム図である。It is a hydraulic fluid system figure of a plunger.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Die-cast casting machine 14 Fixed platen 16 Movable platen 24 Shot sleeve 27 Plunger 29, 30 Mold accommodation member (plate)
31 Investment shell mold 32 Sprue 33 Injection cup 36 Mold cavity 40 Vacuum (melting) chamber 50 Inlet 54 Melting crucible

Claims (35)

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。   Disposing a non-metallic mold in a mold housing chamber provided in at least one of the first and second members capable of relative movement; and a mold cavity in the mold and at least one of the first and second members. A step of communicating with the gate passage provided in the step, a step of contacting the gate passage and the shot sleeve, and a metal material under pressure is allowed to flow from the shot sleeve to the non-metallic mold through the gate passage. A method of casting a metal material comprising the steps of: 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。   The method of casting metal material according to claim 1, further comprising the step of holding the mold in a predetermined position in the chamber so as to communicate with the gate passage. 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。   3. The method for casting a metal material according to claim 2, wherein the mold is held by a plate inserted in a groove portion of the mold. 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。   The method for casting a metal material according to claim 1, further comprising a step of holding the mold in a predetermined position in the chamber against a force of the metal material introduced into the mold through the gate passage. 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。   The method of casting metal material according to claim 4, wherein the mold is brought into contact with a closed end of the mold by a support plate. 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。   The method for casting a metal material according to claim 5, wherein the support plate is pressed toward the closed end of the mold. 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。   The method of casting metal material according to claim 1, wherein the metal material is introduced into the mold that is not heated before being placed in the chamber. 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。   The method of casting a metal material according to claim 1, comprising placing a ceramic investment shell mold in the chamber. 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。   5. The method of casting a metal material according to claim 4, wherein the mold cavity has a cavity region having a thickness of 0.35 inches (0.889 cm) or less. 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。   The said mold cavity part is comprised as a turbocharger wheel-shaped cavity provided with the several vane-shaped cavity area | region of the said thickness in the position spaced apart from the hub formation cavity area | region. A method of casting a metal material. 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。   The method for casting a metal material according to claim 1, wherein the mold cavity is configured as an airfoil forming region having the thickness. 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。   2. The metal material according to claim 1, wherein the first and second members are relatively movable by being attached to the first and second platens of the die-casting machine. How to cast 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。   The method for casting a metal material according to claim 1, wherein the mold includes an injection cup connected to the mold cavity through a gate passage, and the injection cup communicates with the gate passage. 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。   The method for casting a metal material according to claim 1, further comprising the step of evacuating the mold cavity to below ambient pressure. 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。   15. The method of casting metal material according to claim 14, wherein the mold cavity is evacuated through the shot sleeve connected to the mold cavity. 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。   The method of casting a metal material according to claim 15, wherein the pressure below the ambient pressure is 100 microns or less. 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。   The method of casting metal material according to claim 1, comprising melting the metal material in a vacuum chamber in communication with the shot sleeve. 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。   2. The method of casting a metal material according to claim 1, wherein the metal material is selected from the group consisting of a titanium alloy, a titanium aluminide, a nickel base superalloy, and a cobalt base superalloy. 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。   The plunger moves into the shot sleeve in accordance with the hydraulic pressure and the metal material flows, and the hydraulic pressure is discharged to the oil receiver at a predetermined distance before the end of the plunger injection stroke. A method for casting the metal material according to claim 1. 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。
a) First and second members which are relatively movable, at least one of the first and second members is provided with a mold accommodating chamber, and at least one of the first and second members is formed from a shot sleeve. First and second members having gate passages for introducing the metal material are provided,
b) providing a non-metallic mold where the molten metal is introduced from the gate passage in the mold accommodating chamber;
c) A casting apparatus, characterized in that means for communicating a metal material with the shot sleeve through the gate passage by pressure to the non-metallic mold is provided.
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。   The casting apparatus according to claim 20, wherein the mold is a ceramic investment shell mold. 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。   21. The casting apparatus according to claim 20, wherein the first and second members are respectively connected to first and second platens of a die-cast casting machine that can move relative to each other. 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。   The casting apparatus according to claim 20, wherein the flow means is a plunger in the shot sleeve. 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。   The plunger moves according to the hydraulic pressure, and the hydraulic pressure control system includes means for discharging the hydraulic pressure to the oil receiver at a predetermined distance before the end of the injection stroke of the plunger. The casting apparatus according to claim 23. 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。   21. The casting apparatus according to claim 20, wherein the chamber includes a mold support member that holds the non-metallic mold in the predetermined position. 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。   The casting apparatus according to claim 24, wherein the mold support member is a plate inserted into a groove of the mold. 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。   21. The casting apparatus according to claim 20, further comprising a mold support member that holds the mold in the chamber against a force of a metal material introduced into the mold through the gate passage. 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。   28. The casting apparatus according to claim 27, wherein the mold support member is a support plate that contacts the closed end of the mold. 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。   The casting apparatus according to claim 28, wherein the mold support member is pressed toward the closed end of the mold. 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。   21. The casting apparatus of claim 20, wherein the mold comprises one or more mold cavities having a cavity region with a thickness of 0.100 inches (0.254 cm) or less. 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。   The one or more mold cavities are configured as a turbocharger wheel-shaped cavity having a plurality of vane-shaped cavity regions of the thickness at positions spaced from a hub-forming cavity region. 30. A casting apparatus according to 30. 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。   The casting apparatus according to claim 30, wherein the one or more mold cavities are configured as an airfoil forming region having the thickness. 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。   21. The casting apparatus according to claim 20, wherein the mold includes an injection cup that communicates with the mold cavity through a gate passage, and the injection cup communicates with the gate path. 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。   21. The casting apparatus according to claim 20, further comprising an exhaust unit configured to make the inside of the mold have an ambient pressure or less. 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。   35. The casting apparatus according to claim 34, wherein the exhaust means is a shot sleeve connected to the inside of the mold under a pressure equal to or lower than an ambient environment.
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