JP2003311374A - 鋳造物の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可撓性を有して鋳型の任意の部位を確実に測温
することができ、簡単な構成で、指向性凝固を円滑かつ
確実に行う熱電対を構成する。 【解決手段】熱電対６６ａ〜６６ｈは、熱電対素線６８
ａ、６８ｂを絶縁して収容した状態で、前記熱電対素線
６８ａ、６８ｂを屈曲乃至湾曲可能な可撓性の絶縁管部
材７０ａ、７０ｂと、前記絶縁管部材７０ａ、７０ｂを
覆って設けられる被覆部材７２とを備える。絶縁管部材
７０ａ、７０ｂは、セラミックス繊維によりチューブ状
に構成されるとともに、被覆部材７２は、前記絶縁管部
材７０ａ、７０ｂ内を気密に保持する耐火性ペースト剤
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳型内の溶融物を
一方向に凝固させて鋳造物を製造する鋳造物の製造装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、形状の複雑な製品を精密鋳造
する精密鋳造法として、インベストメント鋳造法が知ら
れている。このインベストメント鋳造法は、ロストワッ
クス法としても知られており、可溶性ろう、または、ポ
リスチレン樹脂等を用いて模型を作製し、この模型の周
囲に耐火物の泥状混合物を浸漬し、耐火物をコーティン
グして乾燥処理する工程を数回から数十回にわたって繰
り返すことにより耐火物を積層させた後、該模型を溶融
流出させ、さらに焼成鋳型として注湯するものである。

【０００３】ところで、この種の精密鋳造において、一
方向凝固（方向性凝固）により製品を製造することが行
われている。例えば、ガスタービンエンジンを構成する
タービンロータのブレードのような単結晶合金（例え
ば、Ｎｉ基合金単結晶）の温度勾配を適正化し、単結晶
素材の良品率を向上させるためである。

【０００４】上記の一方向凝固を行う装置として、例え
ば、米国特許第４，５５０，７６４号公報に開示された
装置が知られている。この装置では、図７に示すよう
に、鋳型１がチルプレート２に載置されており、このチ
ルプレート２は、図示しないアクチュエータを介し加熱
機構３の内部に対して昇降可能である。鋳型１内には、
溶湯注入口４ａからランナ（または、湯道）４ｂを介し
てキャビティ５が連通している。

【０００５】加熱機構３は、誘導加熱コイル６が外装さ
れたサセプタ７と断熱材７ａとを備えており、このサセ
プタ７の上部には、上板８を介して漏斗９が接続されて
いる。サセプタ７の下部には、加熱帯域と冷却帯域とを
分離するためにバッフル１０が固定されている。

【０００６】このような構成において、鋳型１を載置し
たチルプレート２が上昇し、この鋳型１が加熱室Ｓに配
置されて加熱機構３の作用下に所定の温度に加熱された
後、漏斗９から前記鋳型１の溶湯注入口４ａに鋳造合金
の溶湯が注入される。この溶湯は、ランナ４ｂを介して
キャビティ５に充填される。その際、鋳型１がチルプレ
ート２に接触しており、このチルプレート２と接する溶
湯部分から上方に向かって一方向凝固が開始される。

【０００７】次いで、チルプレート２が所定の速度で下
方向に移動することにより、キャビティ５内の溶湯は、
上方向に向かって結晶の成長が推進され、前記キャビテ
ィ５内では、一方向凝固により鋳造物（製品）が製造さ
れる。

【０００８】ところで、上記のように一方向凝固を行う
際には、鋳型１の各部位の温度変化に基づいてチルプレ
ート２の引き下げ速度を決定する必要がある。チルプレ
ート２上に生成された結晶殻を上方向に向かって確実に
一方向凝固させ、所望の単結晶鋳造物を製造するためで
ある。従って、通常、鋳型１の各部位に熱電対を取り付
けて、前記鋳型１の各部位における測温を行っている。

【０００９】この場合、鋳造時の鋳型１の温度を測定す
る雰囲気は、１４００℃以上の高温であり、この温度に
耐え得る熱電対を使用することが必要である。このた
め、例えば、特開平６−３０５８７９号公報に開示され
ているように、熱電対の保護管を、炭化物からなる外管
と酸化剤からなる内管とで構成することにより、熱分解
に強くかつ絶縁性を兼ね備えた熱電対保護管が採用され
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の保護
管は、例えば、マグネシウムの酸化物から構成された内
管と、タングステンの炭化物とチタンの炭化物の複合焼
結体から構成された外管とを備えており、この保護管自
体が剛性を有している。これにより、保護管は、予め設
定された部位に固定されるのみであり、任意の測定部位
に取り回すことができず、鋳型形状が限定される等、汎
用性に問題がある。

【００１１】そこで、図８に示すように、熱電対素線１
２を分割された保護管１４ａ、１４ｂ内に挿入し、前記
保護管１４ａ、１４ｂ同士の角度を設定した状態で、接
着剤１６を介して該保護管１４ａ、１４ｂの端部同士を
接着した熱電対が考えられる。

【００１２】しかしながら、熱電対素線１２が保護管１
４ａ、１４ｂ間で折曲されるため、塑性変形によって前
記熱電対素線１２自体の強度が低下し易い。さらに、接
着剤１６による保護管１４ａ、１４ｂ同士の接合部強度
が高温状態で低くなるとともに、前記接着剤１６による
接合部に割れが生じ易い。これにより、雰囲気中の気化
した金属が熱電対素線１２に付着して、前記熱電対素線
１２が脆化するという問題が指摘されている。

【００１３】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、可撓性を有して鋳型の任意の部位を確実に測温する
ことができ、簡単な構成で、指向性凝固を円滑かつ確実
に行うことが可能な鋳造物の製造装置を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鋳造物の製
造装置では、鋳型の温度を測定する熱電対が、熱電対素
線を絶縁して収容した状態で、前記熱電対素線を屈曲乃
至湾曲可能な可撓性の絶縁管部材と、前記絶縁管部材を
覆って設けられる被覆部材とを備えている（請求項１記
載の発明）。

【００１５】このため、熱電対を鋳型形状に応じて任意
に変形させることができ、前記鋳型の種々の測定部位に
前記熱電対を容易に配設して該鋳型を高精度に測温する
ことが可能になる。従って、単結晶の温度制御が細かく
行われ、単結晶鋳造物の品質が有効に向上する。

【００１６】また、絶縁管部材は、通気性を有する一
方、被覆部材は、前記絶縁管部材内を気密に保持する耐
火性ペースト剤を備えている（請求項２記載の発明）。
これにより、熱電対素線を屈曲させても、雰囲気中の気
化金属にこの熱電対素線の屈曲部分が曝されることがな
い。このため、熱電対素線は、屈曲部分から断線するこ
とがなく、使用時の信頼性が向上して高品質な鋳造物を
効率的に得ることが可能になる。

【００１７】さらに、耐火性ペースト剤は、絶縁管部材
に着脱可能である（請求項３記載の発明）。従って、耐
火性ペースト剤を絶縁管部材から離脱させることによ
り、前記絶縁管部材を再利用することができ、経済的で
ある。

【００１８】さらにまた、絶縁管部材は、セラミックス
繊維により構成されている（請求項４記載の発明）。こ
れにより、絶縁管部材自体の耐熱性および絶縁性が高
く、熱電対の信頼性を維持することが可能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
鋳造物の製造装置２０の概略構成説明図であり、図２
は、前記製造装置２０の要部分解斜視図である。

【００２０】製造装置２０は、例えば、タービンロータ
のブレードを鋳造するための鋳型２２を備えている。こ
の鋳型２２は、湯口部２４と、この湯口部２４から放射
状に設けられる複数個、例えば、１８個のランナ部２６
と、前記ランナ部２６の下端側に設けられるブレード用
製品部２８とを備える。

【００２１】各製品部２８には、セレクタ３０およびス
タータ３２が設けられ、前記スタータ３２には、円盤状
ベース３４が一体的に設けられている。スタータ３２
は、溶融金属から結晶核（柱状晶）を生成させる部分で
あり、セレクタ３０は、生成した結晶核の中から一つの
結晶を成長させて単結晶とする部分である。

【００２２】製造装置２０は、鋳型２２を構成する各製
品部２８の鋳型外側面２８ａおよび鋳型内側面２８ｂを
含む周面を加熱する加熱機構３６と、前記鋳型２２に接
触して吸熱するとともに、前記鋳型２２を前記加熱機構
３６に対して凝固方向（矢印Ａ方向）とは反対方向（矢
印Ｂ方向）に移動させることにより、該鋳型２２内の溶
融金属を一方向に凝固させる冷却機構３８と、前記鋳型
２２に設けられる熱遮蔽傘部材４０と、後述するインナ
ーバッフル（熱遮蔽部材）４８とを備える。

【００２３】加熱機構３６は、鋳型２２を囲繞して配設
され、高周波コイル４２により高周波加熱されるカーボ
ンサセプタ４４を備える。カーボンサセプタ４４は、略
円筒形状に設定されており、その下部にリング状バッフ
ル４６が支持される。カーボンサセプタ４４の内周面に
は、バッフル４６上に支持されてインナーバッフル４８
が挿入される。

【００２４】インナーバッフル４８は、略円盤状を有し
ており、その内周面４８ａの直径が、鋳型２２を構成す
る円盤状ベース３４の直径と同等以下に設定されてい
る。具体的には、インナーバッフル４８は、厚さが１０
ｍｍであり、外径が５００ｍｍであり、内径が３８０ｍ
ｍである一方、鋳型２２の外径が３６０ｍｍである。イ
ンナーバッフル４８は、例えば、グラファイト製の断熱
成形体により構成されている。なお、インナーバッフル
４８は、断熱効果を有していればよく、例えば、アルミ
ナ系耐火物を用いて構成することができる。

【００２５】カーボンサセプタ４４の上部には上板５０
が設けられ、この上板５０に溶湯供給部５２が設けられ
るとともに、この溶湯供給部５２は、カバー５４を介し
て開閉可能である。カーボンサセプタ４４の内部には、
鋳型２２を配置するための加熱室５５が設けられてい
る。この加熱室５５は、真空雰囲気に維持される。

【００２６】冷却機構３８は、鋳型２２を載置するため
のチルプレート５６を備える。このチルプレート５６
は、内部に冷却水が供給されて水冷により冷却されてお
り、上面５６ａには、鋳型２２を構成する円盤状ベース
３４を配置するための凹部５８が形成される（図２参
照）。チルプレート５６には、円盤状ベース３４が複数
のストッパ（図示せず）を介して取り付けられている。

【００２７】チルプレート５６には、図示しないアクチ
ュエータに連結された昇降ロッド５９が設けられてい
る。この昇降ロッド５９が矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向
に移動することによって、鋳型２２が加熱機構３６に対
して移動可能である。

【００２８】チルプレート５６の外周には、カーボンサ
セプタ４４と同軸的にリング状の冷却配管６４が配設さ
れる。この冷却配管６４には、冷却水が循環供給されて
冷却帯域を構成している。

【００２９】熱遮蔽傘部材４０は、耐熱性布状部材、例
えば、アルミナウールやカーボンフェルト等を布状に構
成している。熱遮蔽傘部材４０は、略リング状に形成さ
れており、鋳型２２の湯口部２４からランナ部２６の上
部を覆って配設されている。なお、熱遮蔽傘部材４０と
しては、加熱温度（例えば、１５００℃〜１６００℃）
に耐えることができ、形状を維持し得るものであれば、
種々の材質が適用可能である。

【００３０】図３に示すように、製品部２８の鋳型外側
面２８ａには、チルプレート５６の上面５６ａからそれ
ぞれ所定の高さ位置にそれぞれＢ型熱電対６６ａ、６６
ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ、６６ｆ、６６ｇおよび６
６ｈが接着される。

【００３１】図４に示すように、熱電対６６ａは、熱電
対素線６８ａ、６８ｂを絶縁して収容した状態で、前記
熱電対素線６８ａ、６８ｂを屈曲乃至湾曲可能な可撓性
の絶縁管部材７０ａ、７０ｂと、前記絶縁管部材７０
ａ、７０ｂを覆って設けられる被覆部材７２とを備え
る。絶縁管部材７０ａ、７０ｂは、高温環境下で維持で
きる材質、例えば、アルミナやムライト等のセラミック
スを繊維状にし、この繊維、例えば、アルミナ繊維を編
んでチューブ形状に構成されており、通気性を有してい
る。

【００３２】絶縁管部材７０ａ、７０ｂの端部では、熱
電対素線６８ａ、６８ｂの端部同士が、例えば、アーク
放電により溶融固着された熱接点７４が設けられてい
る。この熱接点７４は、耐火性ペースト剤、例えば、ア
ルミナ・ムライト系接着剤である被覆部材７２により覆
われている。この被覆部材７２は、さらに絶縁管部材７
０ａ、７０ｂの外表面にコーティングされることによっ
て、前記絶縁管部材７０ａ、７０ｂの繊維の目を塞いで
熱電対素線６８ａ、６８ｂを気密に保持している。被覆
部材７２は、絶縁管部材７０ａ、７０ｂに着脱可能であ
る。

【００３３】このように構成される製造装置２０の動作
について、以下に説明する。

【００３４】まず、図２に示すように、チルプレート５
６の凹部５８に鋳型２２の円盤状ベース３４が配置さ
れ、この円盤状ベース３４がストッパ（図示せず）を介
して前記チルプレート５６に支持される。鋳型２２のラ
ンナ部２６には、熱遮蔽傘部材４０が配置される。この
熱遮蔽傘部材４０は、ランナ部２６のＲ部（角部）近傍
に至る位置まで前記ランナ部２６上を覆っている。

【００３５】そこで、鋳型２２を支持したチルプレート
５６は、図示しないアクチュエータの作用下に、加熱機
構３６内に移動して前記鋳型２２が加熱室５５に配置さ
れるとともに、前記加熱機構３６が駆動される（図１参
照）。このため、カーボンサセプタ４４が、高周波コイ
ル４２を介して高周波加熱され、このカーボンサセプタ
４４から発生する輻射熱により鋳型２２が加熱される。

【００３６】その際、加熱雰囲気は真空であり、鋳型２
２が１５００℃に加熱されて型温度が安定した後、高周
波溶解炉（図示せず）で溶解したニッケル基耐熱合金
が、溶湯供給部５２から前記鋳型２２の湯口部２４に注
湯される。なお、注湯温度は１５５０℃である。

【００３７】湯口部２４に注湯された溶融合金は、複数
のランナ部２６から製品部２８に充填され、チルプレー
ト５６の冷却作用下に、スタータ３２に上向きに柱状晶
が発生する。さらに、スタータ３２の上方のセレクタ３
０では、多数の柱状晶が導入され、屈曲部位を介し最終
的に１つの結晶が選択的に成長して製品部２８内で単結
晶となる。

【００３８】鋳型２２内で合金温度が安定した後、図示
しないアクチュエータの作用下に、昇降ロッド５９が矢
印Ｂ方向に移動する（図５参照）。具体的には、鋳型２
２の引き下げ速度は、チルプレート５６の上面５６ａか
ら３０ｍｍの高さ位置までが３５０ｍｍ／ｈｒであり、
その後、２００ｍｍ／ｈｒである。

【００３９】このため、製品部２８内では、冷却配管６
４の冷却作用により、鋳型下部２８ｃ側から鋳型上部２
８ｄ側に向かって指向性凝固（一方向凝固）が行われ、
単結晶が生成されて前記製品部２８内で単結晶ブレード
が製造される。

【００４０】この場合、本実施形態では、図３に示すよ
うに、製品部２８に熱電対６６ａ〜６６ｈがそれぞれ所
定の高さ位置に対応して取り付けられており、前記熱電
対６６ａ〜６６ｈを介して測温を行っている。その際、
図４に示すように、熱電対６６ａ〜６６ｈでは、熱電対
素線６８ａ、６８ｂが絶縁管部材７０ａ、７０ｂに収容
されるとともに、前記絶縁管部材７０ａ、７０ｂが、例
えば、アルミナ繊維を編んだチューブ形状に構成されて
いる。

【００４１】このため、熱電対素線６８ａ、６８ｂを任
意の形状に屈曲乃至湾曲させることが可能になり、製品
部２８の種々の測定部位に熱電対６６ａ〜６６ｈを容易
に配設することができる。従って、製品部２８を高精度
に測温することが可能になり、この製品部２８内での単
結晶の温度制御が細かく行われて、単結晶鋳造物の品質
が有効に向上するという効果が得られる。

【００４２】さらに、絶縁管部材７０ａ、７０ｂは、耐
火性ペースト剤、例えば、アルミナ・ムライト系接着剤
である被覆部材７２により覆われており、通気性を有す
る前記絶縁管部材７０ａ、７０ｂ内の熱電対素線６８
ａ、６８ｂを気密に保持することが可能である。これに
より、熱電対素線６８ａ、６８ｂを屈曲させても、雰囲
気中の気化金属にこの熱電対素線６８ａ、６８ｂが曝さ
れることがない。このため、熱電対素線６８ａ、６８ｂ
は、屈曲部分から断線することがなく、熱電対６６ａ〜
６６ｈの使用時の信頼性が向上して、高品質な鋳造物を
効率的に得ることが可能になる。

【００４３】さらに、被覆部材７２は、絶縁管部材７０
ａ、７０ｂに着脱可能であり、この被覆部材７２を離脱
することによって、前記絶縁管部材７０ａ、７０ｂを再
利用することができ、経済的なものとなる。

【００４４】さらにまた、絶縁管部材７０ａ、７０ｂ
は、セラミックス繊維（例えば、アルミナ繊維）により
チューブ形状に構成されている。このため、絶縁管部材
７０ａ、７０ｂ自体の耐熱性および絶縁性が高く、熱電
対６６ａ〜６６ｈの信頼性を維持することが可能にな
る。

【００４５】ところで、本実施形態では、図６に示すよ
うに、実施例１、２および比較例１〜４を用いて鋳造時
の鋳型温度を測定するとともに、熱電対の切れ本数を検
出する実験を行った。なお、単翼形状では、鋳型上の０
〜１１５ｍｍの間で８点の温度測定を行う一方、材料試
験片形状では、鋳型上の０〜１８０ｍｍの間で８点の温
度測定を行った。

【００４６】また、チューブ表面コートの有り、無しと
は、被覆部材７２の有無を表わしている。その際、鋳造
条件は、真空鋳造炉にて常温から１５００℃まで３時間
で上昇させて鋳型予熱を行い、所定の鋳型温度になった
ところで鋳造用合金を溶解し、１５００℃の温度に保持
した後に、鋳型に注湯した。さらに、溶湯後に１時間を
かけて凝固を行った。

【００４７】この結果、本実施形態である実施例１、２
では、溶湯の凝固が完了するまで全く問題なく鋳型測温
を行うことができ、熱電対の切れは全くなかった。これ
に対して、比較例１〜４では、鋳型測定点の８箇所の
中、必ず１〜３本の熱電対に切れが生じており、鋳型の
全測定箇所を正確に測温することができなかった。

【００４８】なお、本実施形態では、冷却機構３８を構
成するチルプレート５６が、図示しないアクチュエータ
を介して矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向に移動可能に構成
されているが、これに代えて加熱機構３６を移動可能に
構成してもよい。

【００４９】

【発明の効果】本発明に係る鋳造物の製造装置では、熱
電対を鋳型形状に応じて任意に変形させることができ、
前記鋳型の種々の測定部位に前記熱電対を容易に配設
し、該鋳型を高精度に測温することが可能になる。従っ
て、単結晶の温度制御が細かく行われ、単結晶鋳造物の
品質が有効に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る鋳造物の製造装置の概
略構成説明図である。

【図２】前記製造装置の要部分解斜視図である。

【図３】前記製造装置を構成する鋳型の熱電対取り付け
位置の説明図である。

【図４】熱電対の一部切り欠き説明図である。

【図５】前記製造装置を構成するチルプレートが加熱機
構に対して下降した際の動作説明図である。

【図６】熱電対の切れ本数を検出する実施例と比較例と
の実験結果を示す図である。

【図７】従来技術に係る装置の概略構成説明図である。

【図８】従来技術に係る熱電対の一部説明図である。

【符号の説明】

２０…製造装置 ２２…鋳型 ２４…湯口部 ２６…ランナ部 ２８…製品部 ２８ａ…鋳型外側
面 ２８ｂ…鋳型内側面 ３０…セレクタ ３２…スタータ ３６…加熱機構 ３８…冷却機構 ４０…熱遮蔽傘部
材 ４４…カーボンサセプタ ４６…バッフル ４８…インナーバッフル ５６…チルプレー
ト ６４…冷却配管 ６６ａ〜６６ｈ…
熱電対 ６８ａ、６８ｂ…熱電対素線 ７０ａ、７０ｂ…
絶縁管部材 ７２…被覆部材 ７４…熱接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｄ 27/04 Ｂ２２Ｄ 27/04 Ａ Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｄ Ｇ０１Ｋ 1/08 Ｇ０１Ｋ 1/08 Ｐ 7/02 7/02 Ｃ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳型内の溶融物を一方向に凝固させて鋳造
   物を製造する鋳造物の製造装置であって、 前記鋳型の温度を測定する熱電対を備え、 前記熱電対は、熱電対素線を絶縁して収容した状態で、
   前記熱電対素線を屈曲乃至湾曲可能な可撓性の絶縁管部
   材と、 前記絶縁管部材を覆って設けられる被覆部材と、 を備えることを特徴とする鋳造物の製造装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の製造装置において、前記絶
   縁管部材は、通気性を有しており、 前記被覆部材は、前記絶縁管部材内を気密に保持する耐
   火性ペースト剤を備えることを特徴とする鋳造物の製造
   装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の製造装置において、前記耐
   火性ペースト剤は、前記絶縁管部材に着脱可能であるこ
   とを特徴とする鋳造物の製造装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の製
   造装置において、前記絶縁管部材は、セラミックス繊維
   により構成されることを特徴とする鋳造物の製造装置。