JP2003311390A - 鋳造物の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成で、溶融物を一方向に確実に凝固さ
せることができ、高品質な鋳造物を得ることを可能にす
る。 【解決手段】鋳型２２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、前記加熱機構３
６に対して凝固方向と反対方向に移動する冷却機構３８
と、前記鋳型２２に設けられ、製品部２８の鋳型内側面
２８ｂが加熱されることを阻止し、前記鋳型内側面２８
ｂと鋳型外側面２８ａとを同一温度に維持するための熱
遮蔽部材４０とを備える。

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８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に対して昇降可能である。鋳型１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。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には、上板８を介して漏斗９が接続
されている。

【０００５】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
湯部分から上方向に向かって一方向凝固が開始される。

【０００６】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。

【０００７】ところが、上記の従来技術では、チルプレ
ート２が下降する際に、鋳型１の外側面１ａが放熱され
る一方、この鋳型１の内側面１ｂには、サセプタ７から
の輻射熱がランナ４ｂ間を通って照射されるため、この
内側面１ｂの加熱が継続されてしまう。このため、図９
に示すように、キャビティ５内では、同一の高さ位置で
外側面１ａと内側面１ｂとに温度差が発生し、前記外側
面１ａ側の凝固が速くなっている。

【０００８】従って、キャビティ５内では、凝固界面Ｍ
が凝固方向（鉛直上方向）に直交する方向（水平方向）
に対して傾斜してしまう。これにより、溶湯の凝固が斜
め方向に進行してしまい、単結晶を形成させるための一
様な界面が発生せず、製品形状によっては新たな結晶が
発生して、単結晶が得られないという問題が指摘されて
いる。さらに、凝固速度が、単結晶として成長する適正
速度よりも速くなって異結晶が生じたり、内側面１ｂ側
の凝固が遅れて多孔質巣やフレックル等の欠陥が発生す
るおそれがある。

【０００９】そこで、この種の問題を解決するために、
例えば、特開平９−２０６９１８号公報に開示されてい
る装置が提示されている。この装置は、図１０に示すよ
うに、冷却プレート１０上に鋳型１１が載置されてお
り、この鋳型１１には、湯道１２を介してホッパー１３
が連結されている。

【００１０】冷却プレート１０の中央には、熱シンク１
４が配置されており、この熱シンク１４上に放射バッフ
ル１５が載置されている。放射バッフル１５と同心的に
環状の放射バッフル１６が設けられるとともに、前記放
射バッフル１６が加熱室１７に支持されている。この加
熱室１７の内面には、放射熱体１８が取り付けられてい
る。

【００１１】このような構成において、加熱室１７およ
び熱シンク１４が下降して、この加熱室１７内に鋳型１
１が配置された状態で、ホッパー１３に合金溶湯が注入
される。この溶湯は、複数の湯道１２を介して各鋳型１
１内に充填され、冷却プレート１０に接触する部分から
上方向に向かって一方向凝固が開始される。次に、熱シ
ンク１４および加熱室１７が持ち上げられることによ
り、鋳型１１が下端側から上端側に向かって冷却され
る。

【００１２】その際、板状の放射バッフル１５は、この
放射バッフル１５の下方の空間内に熱が放射されること
を阻止している。特に、放射熱体１８の放射が、湯道１
２と各鋳型１１相互間の間隙とを通ってこれらの鋳型１
１の内側面に至ることがない。これにより、鋳型１１の
外側面と内側面とに互いに同一高さ位置での温度差が発
生することを阻止することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、鋳型１１の内部に熱シンク１４を挿入す
るため、前記鋳型１１の内部に所定の空間部が必要であ
る。従って、鋳型１１の形状が制限されてしまい、例え
ば、ランナ部が中央に設けられた部品等の鋳造には適さ
ない。しかも、熱シンク１４が用いられるために、装置
全体が相当に大型化するとともに、製造費が高騰し、例
えば、試作品を鋳造する際のように、製品形状が種々変
更される装置に用いることができないという不具合があ
る。

【００１４】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、簡単かつ安価な構成で、製品部の外側面と内側面と
の温度差を有効に阻止し、一方向凝固を良好かつ円滑に
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。

【００１５】

【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、鋳型を構成する製品部の鋳型外側面および
鋳型内側面を含む周面を加熱する加熱機構と、前記鋳型
に接触して吸熱するとともに、該鋳型を前記加熱機構に
対して凝固方向とは反対方向に相対的に移動させること
により、該鋳型内の前記溶融物を一方向に凝固させる冷
却機構と、前記鋳型に設けられ、該鋳型と前記加熱機構
とを相対的に移動させる際に、前記製品部の前記鋳型内
側面が加熱されることを阻止する熱遮蔽部材とを備えて
いる（請求項１記載の発明）。

【００１６】このため、鋳型と加熱機構とが相対的に移
動して前記鋳型を構成する製品部が冷却される際、前記
製品部の鋳型外側面および鋳型内側面に互いに同一位置
での温度差が発生することがない。従って、鋳型内の凝
固界面が一定となり、異結晶やフレックルが発生するこ
とを有効に阻止し、高品質な鋳造物を効率的に得ること
ができる。

【００１７】また、加熱機構は、鋳型を囲繞して配設さ
れるとともに、前記鋳型は、湯口部と、前記湯口部から
放射状に設けられる複数のランナ部と、前記各ランナ部
に連結される製品部とを備え、前記熱遮蔽部材は、前記
湯口部から前記ランナ部の少なくとも一部を覆って配置
されている（請求項２記載の発明）。

【００１８】これにより、熱遮蔽部材を設置するために
特別な構造を用いる必要がなく、構成が簡素化するとと
もに、経済的である。

【００１９】さらに、熱遮蔽部材は、耐熱性布状部材で
ある（請求項３記載の発明）。このため、熱遮蔽部材の
加工性が高くなり、種々の形状や寸法の異なる鋳型にも
容易に対応することが可能になる。従って、汎用性に優
れるとともに、種々の熱遮蔽部材を用意する必要がな
く、経済的である。

【００２０】

【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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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部材４０とを備える。

【００２４】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と断熱材４５とを備える。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（熱遮蔽部材）４８が挿入される。

【００２５】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。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。

【００２６】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ている。

【００２７】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。チルプレ
ート５６に円盤状ベース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。

【００２８】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。

【００２９】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
る。

【００３０】熱遮断部材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。熱遮断部材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、熱遮断部材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。

【００３１】図３に示すように、鋳型外倒面２８ａ側に
は、チルプレート５６の上面５６ａから３０ｍｍ、６０
ｍｍ、９０ｍｍおよび１０５ｍｍの高さ位置にそれぞれ
Ｂ型熱電対６６ａ、６６ｂ、６６ｃおよび６６ｄが接着
されるとともに、鋳型内側面２８ｂ側には、６０ｍｍお
よび９０ｍｍの高さ位置にＢ型熱電対６８ａおよび６８
ｂが接着される。６０ｍｍおよび９０ｍｍの高さ位置
は、製品部２８で鋳造されるブレードの翼端および付け
根に対応するものである。

【００３２】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。

【００３３】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、熱遮蔽部材４０が配置される。この熱
遮蔽部材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。

【００３４】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。

【００３５】その際、加熱雰囲気は真空であり、鋳型２
２が１４５０℃〜１５５０℃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１５００℃〜１
６００℃である。

【００３６】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。

【００３７】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。具体的には、鋳型２２の引き下げ
速度は、チルプレート５６の上面５６ａから３０ｍｍの
高さまでが３５０ｍｍ／ｈｒであり、その後、２００ｍ
ｍ／ｈｒである。

【００３８】この場合、図１に示すように、鋳型２２が
加熱室５５に配置されている状態では、カーボンサセプ
タ４４から発生する輻射熱により、製品部２８の鋳型外
側面２８ａおよび鋳型内側面２８ｂを含む周面が良好に
加熱される。

【００３９】具体的には、鋳型外側面２８ａは、この鋳
型外側面２８ａが近接して対向するカーボンサセプタ４
４からの輻射熱により加熱されるとともに、鋳型内側面
２８ｂは、この鋳型内側面２８ｂが離間して対向する前
記カーボンサセプタ４４からの輻射熱によって加熱され
る。これにより、製品部２８では、鋳型外側面２８ａお
よび鋳型内側面２８ｂを含む周面全体が均一な温度に加
熱されている。

【００４０】そこで、チルプレート５６と一体的に鋳型
２２が矢印Ｂ方向に移動すると、図４に示すように、こ
の鋳型２２の製品部２８が、加熱機構３６から離脱して
冷却配管６４側に移動する。このため、製品部２８内で
は、冷却配管６４の冷却作用によりチルプレート５６側
から上方向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内でブレードが
製造される。

【００４１】その際、カーボンサセプタ４４からの輻射
熱が、鋳型２２のランナ部２６に配置されている熱遮蔽
部材４０を介して遮蔽され、製品部２８の鋳型内側面２
８ｂに入熱が惹起されることがない。従って、製品部２
８では、同一高さ位置において鋳型外側面２８ａと鋳型
内側面２８ｂとの温度差は、単結晶化に重要な凝固過程
の温度域で十分に小さくなっている。これにより、製品
部２８内で凝固が斜めに進行して異結晶が生じたり、多
孔質巣等の内部欠陥が発生したりすることがなく、高品
質な鋳造物を効率的に製造することができるという効果
が得られる。

【００４２】さらに、熱遮蔽部材４０は、アルミナウー
ルやカーボンフェルト等の耐熱性布状部材で構成されて
いる。このため、ハサミ等を使用して容易に裁断するこ
とができ、例えば、製品形状によって鋳型方案が変わっ
た際にも容易に対応することが可能となる。このため、
汎用性に優れるとともに、種類の異なる鋳型２２に応じ
て種々の熱遮蔽部材４０を用意する必要がなく、極めて
経済的である。

【００４３】本実施形態では、具体的に、熱遮蔽部材４
０の有無による鋳型外側面２８ａと鋳型内側面２８ｂと
の温度差を検出する実験を行った。

【００４４】図５は、熱遮蔽部材４０を用いずに上記の
鋳造作業を行った際、鋳型２２に接着されている熱電対
６６ａ〜６６ｄおよび６８ａ、６８ｂを介してモニタさ
れた各高さ位置における温度を示している。これによ
り、製品部２８の鋳型内側面２８ｂが液相温度になった
時点で、鋳型外側面２８ａは、６０ｍｍの位置で３０℃
低くなっており、９０ｍｍの位置でも約２０℃の温度低
下が発生していた。

【００４５】これに対して、熱遮蔽部材４０を用いる本
実施形態では、図６に示すように、鋳型内側面２８ｂが
液相温度になった時点で、鋳型外側面２８ａは、６０ｍ
ｍの位置および９０ｍｍの位置で、共に５℃程度の温度
差になった。

【００４６】従って、本実施形態では、図９に示すよう
な傾斜する凝固界面Ｍが形成されることがなく、単結晶
を生成させる一様な界面を確実に形成することができ
る。これにより、一方向凝固による単結晶を確実に生成
されることが可能になるという効果が得られる。

【００４７】次いで、熱遮蔽部材４０を用いない場合と
用いた場合とにおいて、溶湯凝固が終了した後、鋳型２
２から鋳造素材であるブレードを取り出してエッチング
処理を施し、それぞれの結晶形態を観測した。その結果
が、図７に示されている。

【００４８】すなわち、熱遮蔽部材４０を用いない場合
（比較例１、２）には、１８枚のブレード中、８枚（４
４％）に異結晶が発生したのに対し、前記熱遮蔽部材４
０を用いた場合（実施例３〜８）には、１８枚のブレー
ド全てに異結晶の発生がなく、良好な単結晶形態が得ら
れた。その後、２０回以上の鋳造を行ったところ、熱遮
蔽部材４０を設置したときには、異結晶の発生がトータ
ルで３％以下となった。さらに、熱遮蔽部材４０を用い
ない場合には、フレックルが多く発生するとともに、多
孔質巣が発生していた。

【００４９】ところで、熱遮蔽部材４０の外形寸法は、
以下のように設定される。すなわち、鋳型２２では、熱
遮蔽部材４０により鋳型内側面２８ｂへの輻射が抑えら
れるため、同一高さ位置では、この鋳型内側面２８ｂの
温度が鋳型外側面２８ａの温度よりも低くなる。そし
て、チルプレート５６を介して鋳型２２が引き下げられ
るのにつれて、鋳型外側面２８ａからの放熱が大きくな
り、徐々に温度差が縮まって前記鋳型外側面２８ａと鋳
型内側面２８ｂとが同一温度になる。

【００５０】そこで、鋳型外倒面２８ａと鋳型内側面２
８ｂとが同一となる温度が、液相温度よりも高い場合に
は、熱遮蔽部材４０の外径を大きくする一方、前記液相
温度よりも低い場合には、前記熱遮蔽部材４０の外径を
小さく設定する。また、熱遮蔽部材４０の外径の他、鋳
型２２の引き下げ速度を調整することにより、液相温度
付近での内外温度差が最小になるように設定することも
できる。

【００５１】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。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係る鋳造物の製造装置では、鋳
型と加熱機構とが相対的に移動して前記鋳型を構成する
製品部が冷却される際、熱遮蔽部材を介して前記製品部
の鋳型内側面が加熱されることを阻止している。このた
め、製品部の鋳型外側面および鋳型内側面に温度差が生
ずることがなく、前記鋳型内の凝固界面が一定となる。
これにより、鋳造物に異結晶やフレックル等が発生する
ことを有効に阻止し、高品質な鋳造物を効率的に得るこ
とができる。

【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】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５】前記熱遮蔽部材を用いない場合の鋳型の各部位
の温度変化説明図である。

【図６】前記熱遮蔽部材を用いた場合の前記鋳型の各部
位の温度変化説明図である。

【図７】前記熱遮蔽部材の有無による各種欠陥の発生率
の説明図である。

【図８】従来技術に係る装置の概略構成説明図である。

【図９】凝固界面が傾斜する際の説明図である。

【図１０】別の従来技術に係る装置の概略構成説明図で
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

Claims (3)

【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、 前記鋳型を構成する製品部の鋳型外側面および鋳型内側
   面を含む周面を加熱する加熱機構と、 前記鋳型に接触して吸熱するとともに、該鋳型を前記加
   熱機構に対して凝固方向とは反対方向に相対的に移動さ
   せることにより、該鋳型内の前記溶融物を一方向に凝固
   させる冷却機構と、 前記鋳型に設けられ、該鋳型と前記加熱機構とを相対的
   に移動させる際に、前記製品部の前記鋳型内側面が加熱
   されることを阻止する熱遮蔽部材と、 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、前記加
   熱機構は、前記鋳型を囲繞して配設されるとともに、 前記鋳型は、湯口部と、前記湯口部から放射状に設けら
   れる複数のランナ部と、前記各ランナ部に連結される前
   記製品部とを備え、 前記熱遮蔽部材は、前記湯口部から前記ランナ部の少な
   くとも一部を覆って配置され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１または２記載の製造装置におい
   て、前記熱遮蔽部材は、耐熱性布状部材であることを特
   徴とする鋳造物の製造装置。