11 kn. de publicación: ES kint. Cl. 6 : B22D 18/06

Texto completo

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PATENTES Y MARCAS ESPA ˜NA N. de publicaci´on:

ES 2 080 897

k 51Int. Cl.6:

B22D 18/06

B22C 9/04

k

12

TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA

T3

k

86 umero de solicitud europea: 91304192.7 k

86 Fecha de presentaci´on : 09.05.91 k

87 umero de publicaci´on de la solicitud: 0 457 502 k

87 Fecha de publicaci´on de la solicitud: 21.11.91

k

54 T´ıtulo: etodo y aparato para fundici´on de precisi´on.

k

30 Prioridad: 15.05.90 JP 124383/90 k

73 Titular/es: Daido Tokushuko Kabushiki

Kaisha 11-18, Nishiki 1-chome Naka-ku Nagoya-city Aichi-prefecture, JP k

45 Fecha de la publicaci´on de la menci´on BOPI:

16.02.96

k

72 Inventor/es: Demukai, Noboru y

Hitotsuyanagi, Shingo

k

45 Fecha de la publicaci´on del folleto de patente:

16.02.96

k

74 Agente: Ungr´ıa L´opez, Javier

Aviso:

En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicaci´on en el Bolet´ın europeo de patentes, de la menci´on de concesi´on de la patente europea, cualquier persona podr´a oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposici´on deber´a formularse por escrito y estar motivada; s´olo se considerar´a como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposici´on (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesi´on de Patentes Europeas).

ES

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DESCRIPCION

Esta invenci´on se refiere a un m´etodo y un aparato para fundici´on de precisi´on, en particu-lar para obtener piezas fundidas de precisi´on de titanio o aleaci´on de titanio que tienen excelentes propiedades de resistencia al calor y resistencia a la corrosi´on, adem´as de poco peso y resistencia muy alta.

El titanio y las aleaciones de titanio son li-geras, y tienen excelente resistencia al calor, re-sistencia a la corrosi´on y resistencia mec´anica. Cabe esperar la obtenci´on de productos ´utiles no utilizados hasta ahora, mediante la fundici´on de precisi´on de metales base, tales como titanio o aleaci´on de titanio, seg´un la presente invenci´on.

Sin embargo, como el titanio o aleaci´on de ti-tanio tienen un punto de fusi´on superior a 1400◦C y tambi´en son activos, existe el problema de la existencia de grandes dificultades al fundir y co-lar titanio o aleaci´on de titanio en la mayor´ıa de los casos.

A saber, cuando se usa un crisol cer´amico or-dinario para fundir titanio o aleaci´on de titanio y obtener la cantidad y la temperatura del metal fundido adecuadas para la fundici´on, existe el pro-blema de que la cer´amica de ´oxido que forma el crisol puede ser reducida f´acilmente por el titanio a alta temperatura. Si se usa un crisol de grafito, hay otro problema, a saber, que s´olo es posible efectuar la fusi´on en peque˜na cantidad durante un breve per´ıodo de tiempo desde el punto de vista de evitar la contaminaci´on del titanio o aleaci´on de titanio. Esto es debido a que el carb´on se di-suelve en el titanio o aleaci´on de titanio. Adem´as, con respecto a un molde para la colada del metal fundido de titanio o aleaci´on de titanio, a veces tiene lugar una reacci´on entre el molde y el metal fundido. En tal caso, hay que reducir la tempera-tura de fundici´on todo lo posible. Sin embargo, al hacerlo, el metal fundido se puede solidificar an-tes de que la cavidad de moldeo se llene suficien-temente. Adem´as, hay otro problema diferente, a saber, que se producen imperfecciones del metal fundido en las piezas fundidas de precisi´on que tienen formas complicadas y pared fina.

GB-A-2204816 describe un aparato y m´etodo de fundir metales a contragravedad, que incluye la fusi´on por inducci´on de un metal en un crisol y la colada al vac´ıo en un molde permeable a los gases.

Esta invenci´on pretende resolver o por lo me-nos mitigar parcialmente dichos problemas de la t´ecnica anterior.

La presente invenci´on proporciona un m´etodo de fundici´on de precisi´on que incluye:

establecer metal base fundido por calenta-miento por inducci´on;

colar dicho metal base fundido a un molde per-meable dispuesto encima del metal base fundido por colada al vac´ıo;

caracterizado porque el metal base se selec-ciona a partir de titanio, tungsteno, molibdeno, vanadio, circonio, litio, o sus aleaciones; y por-que el metal base es calentado por inducci´on en un conjunto formado con una pluralidad de seg-mentos de cobre refrigerados por agua dispuestos en c´ırculo en el interior de una bobina de

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tamiento por inducci´on en un estado en el que dichos segmentos de cobre est´an aislados uno del otro.

En los aspectos preferidos seg´un esta in-venci´on, el metal base se puede fundir en una atm´osfera de un gas inerte tal como arg´on, y el metal base fundido se puede colar al molde per-meable a trav´es de un canal de colada tubular. La aleaci´on de metal base se puede alimentar conti-nuamente al conjunto formado con los segmentos refrigerados por agua por el lado inferior del con-junto.

La presente invenci´on tambi´en proporciona un aparato de fundici´on de precisi´on que incluye:

una bobina de calentamiento por inducci´on; un molde permeable para colada al vac´ıo; caracterizado porque un conjunto formado con una pluralidad de segmentos de cobre refri-gerados por agua est´a dispuesto en c´ırculo en el interior de dicha bobina de calentamiento por in-ducci´on en un estado en el que dichos segmentos de cobre est´an aislados uno de otro, siendo ali-mentado dicho conjunto con un metal base por su lado inferior; y fundi´endose dicho metal base por calentamiento por inducci´on en el interior de dicho conjunto.

En los aspectos preferidos seg´un esta in-venci´on, el molde permeable puede estar dotado de una pluralidad de canales de colada tubulares para conducir a ´el el metal base fundido al tiempo de la colada al vac´ıo, y un bebedero de colada ce-rrado en su parte superior. El molde permeable puede ser un molde cer´amico de c´ascara.

El aparato de fundici´on de precisi´on de la pre-sente invenci´on se puede usar para colar un metal base seleccionado a partir de titanio, tungsteno, molibdeno, vanadio, circonio, litio o sus aleacio-nes.

Ahora se describir´an realizaciones de la pre-sente invenci´on a modo de ejemplo solamente con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La figura 1 es una vista lateral en secci´on ver-tical que ilustra un aparato de fundici´on de pre-cisi´on seg´un una realizaci´on de esta invenci´on.

Y la figura 2 es una vista en secci´on horizontal del conjunto formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua en el aparato de fundici´on de precisi´on mostrado en la figura 1.

En el m´etodo y el aparato para la fundici´on de precisi´on seg´un la presente invenci´on que tiene la construcci´on indicada, se inducen corrientes par´asitas en el interior del conjunto formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua, dis-puestos en c´ırculo en el interior de la bobina de inducci´on. Los segmentos de cobre refrigerados por agua se a´ıslan uno del otro al tiempo de la fusi´on del metal base en el conjunto.

El metal base es fundido por una corriente par´asita inducida en su capa exterior por dichas corrientes par´asitas que son corrientes alternas. El metal base fundido es separado del conjunto formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua por fuerzas de repulsi´on producidas por las corrientes de fases opuestas entre s´ı que fluyen en las capas exteriores del conjunto y el metal fun-dido. Se forma un intervalo entre el metal fundido y la periferia interior del conjunto.

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desde el metal fundido al conjunto es suprimida por la formaci´on del intervalo. Apenas se forma una pel´ıcula solidificada gruesa (capa de metal solidificado), a diferencia de los casos de hornos convencionales de un tipo de solera refrigerada por agua, tal como un horno de crisol de arco. El metal base as´ı fundido tiene mayor rendimiento. Es f´acil regular la temperatura del metal fundido controlando la energ´ıa el´ectrica suministrada a la bobina de inducci´on. El metal base fundido no se contamina sustancialmente porque no se usa un crisol cer´amico compuesto de ´oxidos, y pueden obtenerse piezas fundidas de precisi´on de buena calidad.

Un aparato de fundici´on de precisi´on seg´un una realizaci´on de la presente invenci´on que se usa para la fundici´on de precisi´on de titanio o aleaci´on de titanio se muestra en las figuras 1 y 2. El aparato de fundici´on de precisi´on 1 est´a pro-visto en su parte central de un conjunto 2 que se forma con una pluralidad de segmentos de cobre refrigerados por agua 2a, 2b, ... 2h, dispuestos en c´ırculo aislados uno de otro mediante aislamientos 7. Los respectivos segmentos de cobre refrigera-dos por agua 2, 2b, ... 2h est´an dotados de tubos de agua 3a, 3b, ... 3h. El conjunto 2 est´a provisto continuamente de un blindaje magn´etico 4 en su lado superior.

El conjunto 2 tiene una bobina de inducci´on de radiofrecuencia 5 dispuesta en su lado exterior y se dise˜na para que el metal base 6 de titanio o aleaci´on de titanio pueda ser alimentado al inte-rior por su lado infeinte-rior.

El blindaje magn´etico 4 est´a dotado de una base circular 11 mediante un cierre herm´etico 12 en su lado superior. Se ha previsto un manguito 13 en el interior de la base circular 11, y se ha previsto una c´amara de molde 14 en el interior del manguito 13. Se forma un espacio de fusi´on 15 en una parte rodeada por la cara inferior de la c´amara de molde 14 y las periferias interiores del conjunto 2 y el blindaje magn´etico 4. Es posible sustituir la atm´osfera del espacio de fusi´on 15 por un gas inerte, por ejemplo, suministrando arg´on mediante una toma de gas 16 prevista en la base circular 11.

Se coloca un molde permeable 21, que es un molde cer´amico de c´ascara, en la c´amara de molde 14. Una cavidad de moldeo 21a en forma de rueda de turbina situada en el molde permeable 21 y el espacio de fusi´on 15 est´an conectados por una compuerta 22 formada en el molde permeable 21. Un canal de colada tubular 23 comunica con la compuerta 22.

El molde permeable 21 est´a dotado de un be-bedero de colada cerrado 21c en su parte superior, y tiene un aislante t´ermico 24 permeable a los ga-ses, colocado en su superficie exterior.

Adem´as, la c´amara de molde 14 est´a dotada de una chapa superior 27 mediante un cierre herm´etico 26 en su extremo superior. El molde permeable 21 se sujeta con un soporte 29 que per-fora la chapa superior 27 a trav´es de un cierre herm´etico 28, y la chapa superior 27 est´a dotada de un agujero de aspiraci´on 27a.

En el aparato de fundici´on de precisi´on 1 seg´un esta realizaci´on, que est´a dotado del con-junto 2 en el interior de la bobina de inducci´on de

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radiofrecuencia 5 como se describe anteriormente, se forman corrientes par´asitas en el interior del conjunto 2 por la inducci´on de radiofrecuencia de la bobina de inducci´on de radiofrecuencia 5. El metal base 6 de titanio o aleaci´on de titanio es fundido por una corriente par´asita inducida en la capa exterior del metal base 6. Las corrientes par´asitas son corrientes alternas. El metal fun-dido 31 de titanio o aleaci´on de titanio se separa ligeramente de la periferia interior del conjunto 2 por fuerzas de repulsi´on producidas por las co-rrientes de fase opuesta que fluyen en las capas exteriores del conjunto 2 y el metal fundido 31. Se forma un intervalo entre el metal fundido 31 y el conjunto 2.

Consiguientemente, la transmisi´on t´ermica desde el metal fundido 31 de titanio o aleaci´on de titanio al conjunto 2 es suprimida por la for-maci´on del intervalo. Por ello, apenas se forma la pel´ıcula solidificada gruesa que se forma en los hornos convencionales del tipo de solera refrige-rada por agua, tal como un horno de crisol de arco. Es posible fundir el metal base 6 de tita-nio o aleaci´on de titanio con mayor rendimiento. Tambi´en es posible regular la temperatura del metal fundido 31 de titanio o aleaci´on de tita-nio controlando f´acilmente la energ´ıa el´ectrica su-ministrada a la bobina de inducci´on de radiofre-cuencia 5. Adem´as, pr´acticamente no hay conta-minaci´on del metal fundido 31 porque no se usa crisol cer´amico compuesto de ´oxidos.

Reduciendo la presi´on mediante el agujero de aspiraci´on 27a previsto en la chapa superior 27, el gas presente en la cavidad de moldeo 21a y el bebedero de colada 21c del molde permeable 21 se descarga a la c´amara de molde 14 pasando por el molde permeable 21 (como se representa con flechas). Esto ocurre en virtud de la diferencia de las presiones internas entre la c´amara de molde 14 y el espacio de fusi´on 15. El metal fundido 31 de titanio o aleaci´on de titanio es aspirado as´ı y colado a la cavidad de moldeo 21a a trav´es del canal de colada tubular 23 y la compuerta 22. De esta manera, el metal fundido 31 es sacado por aspiraci´on hasta el bebedero de colada 21c que permite la contracci´on que acompa˜na a la solidi-ficaci´on del metal fundido 31 de titanio o aleaci´on de titanio en la cavidad de moldeo 21a.

Se obtiene un producto fundido por vibraci´on despu´es de la solidificaci´on del metal fundido 31 en el molde permeable 21.

En esta realizaci´on, se eligi´o como metal base 6 un compuesto intermet´alico de Ti-Al, ligero y de excelente resistencia mec´anica a alta tempera-tura, y se convirti´o en una turbina rueda para un turbosobrealimentador de 1200 g de peso final y 140 mm de di´ametro externo.

El generador de alta frecuencia usado en esta realizaci´on para suministrar una onda de alta frecuencia a la bobina de calentamiento por in-ducci´on 5 es peque˜no y de tipo comparativamente simplificado con una capacidad de 60 kW. La fre-cuencia es alta, hasta 30 kHz, de manera que sea posible fundir eficientemente materiales de di´ametro peque˜no.

La rueda de turbina tiene doce ´alabes de tur-bina y doce compuertas 22 de 8 mm de di´ametro cerca de las partes inferiores de los respectivos

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´

alabes de turbina.

El metal base 6 formado por un compuesto intermet´alico de Ti-Al se aliment´o desde el lado inferior del conjunto 2 formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua 2a, 2b, ... 2h, y se calent´o suministrando la onda de alta frecuen-cia de 60 kW con una frecuenfrecuen-cia de 30 kHz a la bobina de calentamiento por inducci´on 5. El me-tal base 6 se funde formando corrientes par´asitas en el interior del conjunto 2 e induciendo una co-rriente par´asita en la capa exterior del metal base 6 de aleaci´on Ti-Al.

La temperatura de fundici´on se determin´o a 1580◦C elevando la temperatura del metal fun-dido 31 60◦C por encima del punto de fusi´on de 1520◦C de la aleaci´on Ti-Al (recalentamiento).

El grado de recalentamiento es notablemente inferior en comparaci´on con el de la fundici´on de precisi´on convencional de colada en ca´ıda directa (150-250◦C), y es efectiva para inhibir la reacci´on entre el molde permeable 21 y el metal fundido 31.

Reduciendo la presi´on a dicha temperatura de fundici´on una presi´on de 350 mm Hg, m´as o me-nos, a trav´es del agujero de aspiraci´on 27a, el gas de la cavidad de moldeo 21a puede descargarse a trav´es del molde permeable 21 seg´un la diferencia de las presiones internas entre la c´amara de molde 14 y el espacio de fusi´on 15. El metal fundido 31 de la aleaci´on Ti-Al es sacado por aspiraci´on a la cavidad de moldeo 21a y el bebedero de colada 21c a trav´es del canal de colada tubular 23 y las compuertas 22. La rueda de turbina se obtiene solidificando el metal fundido 31 en la cavidad de moldeo 21a.

Como el metal fundido 31 es aspirado a la ca-vidad de moldeo 21a por colada al vac´ıo, el metal fundido 31 se esparce bien a todos los escondrijos y rincones del molde de ´alabe de turbina de pared fina. As´ı es posible obtener una rueda de turbina con alta exactitud de forma.

Adoptando el m´etodo y aparato para la fun-dici´on de precisi´on seg´un esta invenci´on, es posi-ble fabricar piezas fundidas de precisi´on compli-cadas y de gran tama˜no que anteriormente eran casi imposibles de fabricar. La invenci´on con-tribuir´a mucho al desarrollo adicional de la fun-dici´on de precisi´on de titanio o aleaci´on de titanio. Adem´as, es posible aplicar el m´etodo y aparato a la fundici´on de precisi´on de otros metales o sus aleaciones con puntos de fusi´on altos o alta acti-vidad, tal como tungsteno, molibdeno, vanadio, circonio o litio.

Como se ha mencionado anteriormente, el m´etodo para la fundici´on de precisi´on seg´un esta invenci´on incluye la fase de establecer metal base fundido de, por ejemplo, titanio o aleaci´on de titanio, por calentamiento por inducci´on en un conjunto formado con una pluralidad de

segmen-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

tos de cobre refrigerados por agua dispuestos en c´ırculo en el interior de una bobina de calenta-miento por inducci´on en un estado en el que los segmentos de cobre est´an aislados uno de otro, y colar el metal base fundido a un molde per-meable dispuesto encima del metal base fundido por colada al vac´ıo. El metal base fundido est´a separado del conjunto. Se forma un intervalo en-tre el metal fundido y el conjunto por las fuer-zas de repulsi´on producidas por las corrientes de fase opuesta que fluyen en las capas exteriores del conjunto y el metal fundido. El metal base es fundido por una corriente par´asita inducida en su capa exterior por corrientes par´asitas que son co-rrientes alternas al tiempo de la fusi´on del metal base. Pueden obtenerse efectos excelentes porque la tasa de rendimiento del metal base se mejora notablemente, y se facilita el control de la tem-peratura del metal fundido. Tambi´en es posible impedir que el metal fundido se contamine y obte-ner piezas fundidas de precisi´on de buena calidad porque se suprime la transmisi´on t´ermica del me-tal fundido al conjunto impidiendo la formaci´on de una capa solidificada de metal entre el metal fundido y el conjunto.

El aparato de fundici´on de precisi´on seg´un esta invenci´on incluye una bobina de calenta-miento por inducci´on, un conjunto formado con una pluralidad de segmentos de cobre refrigerados por agua dispuestos en c´ırculo en el interior de di-cha bobina de calentamiento por inducci´on en un estado en el que los segmentos de cobre est´an ais-lados uno de otro, y alimentado con metal base de, por ejemplo, titanio o aleaci´on de titanio por su lado inferior, y un molde permeable para la colada del metal base fundido por calentamiento por inducci´on en el interior del conjunto formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua por medio de colada al vac´ıo. Por tanto, puede obtenerse un efecto excelente porque es posible fa-bricar con exactitud piezas fundidas de precisi´on con mayor rendimiento permitiendo la realizaci´on de dicho m´etodo para la fundici´on de precisi´on.

Las realizaciones preferidas de la presente in-venci´on pueden proporcionar un m´etodo y un aparato para metales de precisi´on con puntos de fusi´on altos o alta actividad, impidiendo la con-taminaci´on del metal fundido en la fusi´on, man-teniendo la calidad y la temperatura del metal fundido necesarias para la fundici´on, y colando el metal fundido en condici´on de colada forzada apropiada para impedir las imperfecciones del metal fundido aun cuando el metal fundido se funda a baja temperatura al tiempo de efectuar la fundici´on de precisi´on. Los metales incluyen t´ıpicamente titanio, aleaci´on de titanio u otros metales con puntos de fusi´on altos o alta acti-vidad, tal como tungsteno, molibdeno, vanadio, circonio o litio.

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REIVINDICACIONES

1. Un m´etodo de fundici´on de precisi´on que incluye:

establecer metal base fundido por calenta-miento por inducci´on;

colar dicho metal base fundido a un molde per-meable (21) dispuesto encima del metal base fun-dido por colada al vac´ıo;

caracterizadoporque el metal base se selec-ciona a partir de titanio, tungsteno, molibdeno, vanadio, circonio, litio, o sus aleaciones; y por-que el metal base es calentado por inducci´on en un conjunto (2) formado con una pluralidad de segmentos de cobre refrigerados por agua (2a-h) dispuestos en c´ırculo en el interior de una bobina de calentamiento por inducci´on (5) en un estado en el que dichos segmentos de cobre (2a-h) est´an aislados uno del otro.

2. Un m´etodo de fundici´on de precisi´on como el definido en la reivindicaci´on 1, donde dicho metal base se funde en una atm´osfera de un gas inerte tal como arg´on.

3. Un m´etodo de fundici´on de precisi´on como el definido en la reivindicaci´on 1 o la reivindi-caci´on 2, donde dicho metal base fundido es co-lado al molde permeable (21) a trav´es de un canal de colada tubular (23).

4. Un m´etodo de fundici´on de precisi´on como el definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde dicho metal base se alimenta continua-mente al conjunto (2) formado con los segmentos de cobre refrigerados por agua (2a-h) por el lado inferior de dicho conjunto (2).

5. Un aparato de fundici´on de precisi´on que

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 incluye:

una bobina de calentamiento por inducci´on (5);

un molde permeable (21) para colada al vac´ıo;

caracterizado porque un conjunto (2) for-mado con una pluralidad de segmentos de co-bre refrigerados por agua (2a-h) est´a dispuesto en c´ırculo en el interior de dicha bobina de ca-lentamiento por inducci´on (5) en un estado en el que dichos segmentos de cobre (2a-h) est´an ais-lados uno de otro, siendo alimentado dicho con-junto (2) con un metal base por su lado inferior; y fundi´endose dicho metal base por calentamiento por inducci´on en el interior de dicho conjunto (2). 6. Un aparato de fundici´on de precisi´on como el definido en la reivindicaci´on 5, donde dicho molde permeable (21) est´a dotado de una plu-ralidad de canales de colada tubulares (23) para conducir a ´el el metal base fundido al tiempo de la colada al vac´ıo.

7. Un aparato de fundici´on de precisi´on como el definido en la reivindicaci´on 5 o la reivindi-caci´on 6, donde dicho molde permeable (21) est´a dotado de un bebedero de colada cerrado (21c) en su parte superior.

8. Un aparato de fundici´on de precisi´on como el definido en cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde dicho molde permeable (21) es un molde cer´amico de c´ascara.

9. Uso del aparato de fundici´on de precisi´on definido en cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, para colar un metal base seleccionado a partir de titanio, tungsteno, molibdeno, vanadio, circo-nio, litio o sus aleaciones.

NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Euro-peas (CPE) y a la Disposici´on Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicaci´on del Convenio de Patente Europea, las patentes euro-peas que designen a Espa˜na y solicitadas antes del 7-10-1992, no producir´an ning´un efecto en Espa˜na en la medida en que confieran protecci´on a produc-tos qu´ımicos y farmac´euticos como tales.

Esta informaci´on no prejuzga que la patente est´e o no inclu´ıda en la mencionada reserva.

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