JP2005186125A - Casting mold made of metal, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として金属酸化物の一方向凝固に用いられる金属製鋳型に係り、特に複雑な形状を有する金属酸化物成形物の一方向凝固精密鋳造に好適に用いられる金属製鋳型およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a metal mold mainly used for unidirectional solidification of a metal oxide, and more particularly to a metal mold suitably used for unidirectional solidification precision casting of a metal oxide molded product having a complicated shape, and a method for manufacturing the same. It is about.
金属酸化物の主要な一方向凝固法としては、坩堝を用いないチョクラルスキー法と坩堝内で溶融液を凝固させるブリッジマン法があり、後者においてはイリジウム、白金およびモリブデン等の高融点金属からなる坩堝が用いられている。金属酸化物の一方向凝固に前記高融点金属製の坩堝が適用されるのは、前記高融点金属が多くの金属酸化物の溶融温度以上の耐熱性を有することと、多くの金属酸化物の溶融液とその融点近傍の温度において化学的に結合しないことによっている。前記高融点金属製坩堝は、その融点の高さ故に溶融凝固による成形が困難で、主として絞り加工と呼ばれる塑性加工によって製造されている。現状においては、高融点金属の絞り加工では、先端が封じられた円筒状、またはその先端の径が徐々に絞られた円筒状等、比較的単純な形状の坩堝が製造されているに過ぎない。また、機械加工による成形加工も可能ではあるが、坩堝の深さおよび形状には著しく制約を受けることになる。 Major unidirectional solidification methods for metal oxides include the Czochralski method that does not use a crucible and the Bridgman method that solidifies the melt in the crucible. In the latter case, a high melting point metal such as iridium, platinum, or molybdenum is used. This crucible is used. The refractory metal crucible is applied to the unidirectional solidification of metal oxide because the refractory metal has heat resistance higher than the melting temperature of many metal oxides, This is because it does not chemically bond with the melt at a temperature near its melting point. The refractory metal crucible is difficult to be molded by melting and solidification because of its high melting point, and is mainly manufactured by plastic working called drawing. At present, the refractory metal drawing process only produces crucibles with a relatively simple shape, such as a cylindrical shape with a sealed tip or a cylindrical shape with a gradually reduced diameter at the tip. . In addition, although molding by machining is possible, the depth and shape of the crucible are significantly restricted.
ブリッジマン法による金属酸化物の一方向凝固によっては、主として絞り加工による前記形状の坩堝を用いて円柱状の金属酸化物単結晶が製造され、凝固後に主として機械加工により部材形状に成形されて、光学用途をはじめ様々な工業用途に適用されている。 By the unidirectional solidification of the metal oxide by the Bridgman method, a cylindrical metal oxide single crystal is manufactured using the crucible of the shape mainly by drawing, and is formed into a member shape mainly by machining after solidification. It is applied to various industrial uses including optical use.
しかしながら、一般に金属酸化物単結晶は難加工材であり、その加工には、加工時に材料に大きな負荷をかけない特殊な設備、技能および時間を要することが多い。 However, the metal oxide single crystal is generally a difficult-to-process material, and the processing often requires special equipment, skill and time that do not place a heavy load on the material during processing.
また、例えば、特許文献1〜3に、高温における機械的強度および耐クリープ特性が良好なセラミックス複合材料が開示されており、これらは坩堝を用いた一方向凝固により製造される。前記セラミックス複合材料は、高温における機械的強度および耐クリープ特性が良好なことから、ガスタービン等の高温構造部材への適用が期待されているが、これらの部品は一般に複雑な形状を有しており、単純な形状の凝固体から部品形状への成形には技術的に高度でかつ多くの労力を要する機械加工が必要である。したがって、前記セラミックス複合材料がガスタービン等の高温構造部材として工業的に適用されるためには、部品形状または部品形状に近い形状を有する鋳型を開発し、一方向凝固精密鋳造により前記セラミックス複合材料を得て、機械加工工程を極力減じる必要がある。 Further, for example, Patent Documents 1 to 3 disclose ceramic composite materials having good mechanical strength and creep resistance at high temperatures, and these are manufactured by unidirectional solidification using a crucible. The ceramic composite material is expected to be applied to high-temperature structural members such as gas turbines because of its excellent mechanical strength and creep resistance at high temperatures. However, these parts generally have complex shapes. In addition, forming a solid body from a simple shape into a part shape requires technically sophisticated and labor-intensive machining. Therefore, in order to industrially apply the ceramic composite material as a high-temperature structural member such as a gas turbine, a mold having a part shape or a shape close to the part shape is developed, and the ceramic composite material is formed by unidirectional solidification precision casting. It is necessary to reduce the machining process as much as possible.
タービン翼等に用いられるニッケル基耐熱合金等の一方向凝固精密鋳造用の鋳型としては、一般的にはロストワックス法により作製されたセラミックシェルモールドと呼ばれるセラミックス製鋳型が適用されている。セラミックシェルモールドは、ワックス製基材の表面にセラミックススラリーを塗布し、それを乾燥した後、焼成しながらワックスを溶融流出させて得られるもので、耐熱合金等の鋳型として十分な耐熱性を有し、また、複雑形状の一方向凝固精密鋳造が可能である。 As a mold for unidirectional solidification precision casting such as a nickel-base heat-resistant alloy used for turbine blades or the like, a ceramic mold called a ceramic shell mold manufactured by a lost wax method is generally applied. A ceramic shell mold is obtained by applying ceramic slurry to the surface of a wax substrate, drying it, and then melting and flowing out the wax while firing. It has sufficient heat resistance as a mold for heat-resistant alloys. In addition, unidirectional solidification precision casting of a complicated shape is possible.
また、特許文献4には、所定の金属からなる母材の表面に対してセラミックスを溶射することによりセラミックス層を形成した後、母材を溶解流出させ、セラミックス層を鋳型とするセラミックス製鋳型の製造方法が開示されている。この製造方法によれば、精度良く高い製造効率でセラミックス製鋳型を製造することができるとされている。 Patent Document 4 discloses a ceramic mold in which a ceramic layer is formed by spraying ceramics on the surface of a base material made of a predetermined metal, and then the base material is melted and discharged, and the ceramic layer is used as a mold. A manufacturing method is disclosed. According to this manufacturing method, it is said that a ceramic mold can be manufactured with high accuracy and high manufacturing efficiency.
しかしながら、上記の特許文献1〜4に記載されている鋳型は、セラミックス製鋳型であり、ニッケル基耐熱合金等の金属の一方向凝固精密鋳造用には使用できるものの、前記のような金属酸化物の一方向凝固として使用すると、金属酸化物と鋳型が反応するなどの問題があり、前記公知技術によっては、金属酸化物の一方向凝固精密鋳造の実施は不可能である。 However, the molds described in Patent Documents 1 to 4 above are ceramic molds and can be used for unidirectional solidification precision casting of metals such as nickel-base heat-resistant alloys, but the metal oxides as described above When the unidirectional solidification is used, there is a problem that the metal oxide and the mold react with each other, and it is impossible to carry out the unidirectional solidification precision casting of the metal oxide by the known technique.
また、前記のように金属酸化物の一方向凝固用に現在使用されている高融点金属製坩堝は、絞り加工と呼ばれる塑性加工によって製造されており、その融点の高さ故に溶融凝固による成形が困難であるため、所望の成形体が得られる金属製鋳型は開発されていない。る。 In addition, as described above, the high melting point metal crucible currently used for unidirectional solidification of metal oxides is manufactured by plastic working called drawing, and because of its high melting point, molding by melt solidification is possible. Since it is difficult, a metal mold capable of obtaining a desired molded body has not been developed. The
本発明は上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、複雑形状を有する金属酸化物の一方向凝固鋳造製品を効率良く製造するための精密鋳造が可能な所望形状の金属から構成されている鋳型と、その簡便な製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to enable precision casting for efficiently producing a unidirectional solidification casting product of a metal oxide having a complicated shape. It is to provide a mold made of a metal having a shape and a simple manufacturing method thereof.
本発明は、モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、または白金から選択される少なくとも1種の高融点金属、または、前記高融点金属を主成分とする合金を材料として構成する金属製鋳型に関する。好ましくは、本発明の金属製鋳型は、前記材料が溶射により形成されたことを特徴とする。 The present invention relates to a metal mold comprising, as a material, at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium, or platinum, or an alloy containing the refractory metal as a main component. Preferably, the metal mold of the present invention is characterized in that the material is formed by thermal spraying.
本発明は、第1の金属よりなる成形体の表面に、第2の金属を溶射し、第1の金属よりなる成形体を除去することを特徴とする、第2の金属よりなる金属製鋳型の製造方法に関する。 According to the present invention, a metal mold made of the second metal is characterized in that the second metal is thermally sprayed on the surface of the molded body made of the first metal, and the formed body made of the first metal is removed. It relates to the manufacturing method.
本発明の金属製鋳型の製造方法は、前記第1の金属は、融点が第2の金属の融点より低い金属であり、前記第1の金属よりなる成形体を除去する方法が、過熱により溶融させ流出させる方法であることを特徴とする。 In the metal mold manufacturing method of the present invention, the first metal is a metal whose melting point is lower than the melting point of the second metal, and the method of removing the molded body made of the first metal is melted by overheating. It is the method of letting it flow out.
また、本発明の金属製鋳型の製造方法は、前記第2の金属が、モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、または白金から選択される少なくとも1種の高融点金属、または、前記高融点金属を主成分とする合金であることを特徴とする。 In the metal mold manufacturing method of the present invention, the second metal is mainly at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium or platinum, or the refractory metal. It is characterized by being an alloy as a component.
さらに、好ましい形態として、前記第1の金属が銅または銅を主成分とする合金であることを特徴とする。 Furthermore, as a preferred embodiment, the first metal is copper or an alloy containing copper as a main component.
また、本発明の金属製鋳型の製造方法は、前記第1の金属は、アルカリ性溶液又は酸性溶液に対する耐性が第2の金属より低い金属であり、前記第1の金属よりなる成形体を除去する方法が、アルカリ性溶液または酸性溶液により溶解させ流出させる方法であることを特徴とする。 In the metal mold manufacturing method of the present invention, the first metal is a metal having a lower resistance to an alkaline solution or an acidic solution than the second metal, and the molded body made of the first metal is removed. The method is characterized in that the method is a method of dissolving and discharging with an alkaline solution or an acidic solution.
また、本発明の金属製鋳型の製造方法は、前記第1の金属よりなる成形体が、黒鉛製成形体の表面に前記第1の金属を被覆したものであることを特徴とする。 The metal mold manufacturing method of the present invention is characterized in that the molded body made of the first metal is obtained by coating the surface of a graphite molded body with the first metal.
本発明によれば、モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、または白金から選択される少なくとも1種の高融点金属、または、前記高融点金属を主成分とする合金を材料とする鋳型を使用することにより、所望の形状の金属酸化物の精密一方向凝固が可能となる。また、前記高融点金属およびその合金を溶射して鋳型を製造することにより、精密鋳造が可能な所望形状の金属製鋳型が提供され、金属酸化物の精密一方向凝固を可能にする。 According to the present invention, by using a mold made of at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium, or platinum, or an alloy mainly composed of the refractory metal. Thus, precise unidirectional solidification of a metal oxide having a desired shape is possible. Also, by producing a mold by spraying the refractory metal and its alloy, a metal mold having a desired shape capable of precision casting is provided, and precise unidirectional solidification of the metal oxide is possible.
以下本発明の鋳型およびその製造方法について詳細に説明する。本発明の金属製鋳型は、所望の金属酸化物の溶融温度以上の耐熱性を有し、かつ所望の金属酸化物の融液とその融点近傍の温度において化学的に結合しない物質から構成される鋳型であって、所望の形状に容易に成形することが可能な金属製鋳型である。 Hereinafter, the mold of the present invention and the production method thereof will be described in detail. The metal mold of the present invention has a heat resistance equal to or higher than the melting temperature of a desired metal oxide, and is composed of a desired metal oxide melt and a substance that does not chemically bond at a temperature near its melting point. It is a metal mold that can be easily formed into a desired shape.
すなわち、本発明の金属製鋳型は、モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、または白金から選択される少なくとも1種の高融点金属、または、前記高融点金属を主成分とする合金を材料として構成されている金属製鋳型である。高融点金属を主成分とする合金とは、高融点金属が合金の50wt%以上含有されているものであればよい。ここで鋳型とは、溶融物から凝固物を得る際に、所望の形状物を得ることを目的とする型であり、単に溶融物から凝固物を得ることを目的とする坩堝は含まない。本発明の金属製鋳型を構成する材料は、特に溶射により形成されたものであることが好ましく、溶射を使用した方法により、所望の形状の金属製鋳型を提供できる。 That is, the metal mold of the present invention is composed of at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium, or platinum, or an alloy containing the refractory metal as a main component. It is a metal mold. An alloy containing a refractory metal as a main component may be any alloy that contains refractory metal in an amount of 50 wt% or more of the alloy. Here, the mold is a mold intended to obtain a desired shape when a solidified product is obtained from a melt, and does not include a crucible intended to simply obtain a solidified product from a melt. The material constituting the metal mold of the present invention is preferably formed by thermal spraying, and a metal mold having a desired shape can be provided by a method using thermal spraying.
上記の金属製鋳型は、例えば、次のようにして、製造することができる。モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、および白金から選択される少なくとも一種の高融点金属または前記高融点金属を主成分とする合金を、所望形状の金属製成形体の表面に溶射して、これらの層を前記金属製成形体の表面に形成した後、前記金属製成形体を溶解(または溶融)流出することにより得られる。 The metal mold can be manufactured, for example, as follows. These layers are obtained by spraying at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium and platinum or an alloy containing the refractory metal as a main component onto the surface of a metal molded body having a desired shape. Is formed on the surface of the metal molded body, and then the metal molded body is melted (or melted) out.
他の製造例として、所望形状の黒鉛製成形体を予め金属で被覆し、前記高融点金属または前記高融点金属を主成分とする合金を前記金属により被覆された黒鉛製成形体の表面に溶射し、これらの層を前記黒鉛製成形体の金属の表面に形成した後、前記黒鉛製成形体上に最初に被覆した金属を溶解(または溶融)流出し、黒鉛製母材を前記高融点金属またはその合金から構成される層の殻状の成形物(即ち、鋳型)から抜き出すことにより得られる。 As another production example, a graphite molded body having a desired shape is coated with a metal in advance, and the surface of the graphite molded body coated with the metal is coated with the refractory metal or an alloy containing the refractory metal as a main component. Then, after these layers are formed on the surface of the metal of the graphite molded body, the first coated metal is dissolved (or melted) out on the graphite molded body, and the graphite base material is used as the refractory metal. Alternatively, it is obtained by extracting from a shell-like molded product (that is, a mold) of a layer composed of the alloy.
次に、本発明の金属製鋳型の製造方法について詳しく説明する。本発明の金属製鋳型の製造方法は、第1の金属よりなる成形体の表面に、第2の金属を溶射し、第1の金属よりなる成形体を除去することを特徴とする。この場合の金属製鋳型の金属成分は、第2の金属よりなる。 Next, the method for producing a metal mold of the present invention will be described in detail. The metal mold manufacturing method of the present invention is characterized in that the second metal is sprayed on the surface of the molded body made of the first metal, and the molded body made of the first metal is removed. In this case, the metal component of the metal mold is made of the second metal.
第1の金属および第2の金属は、第2の金属が第1の金属上に溶射できるものであり、かつ、溶射後に、第1の金属が除去できるものであればよい。本発明は、新たな、金属製鋳型の製造方法を提供するものであり、先に説明した本発明の金属製鋳型の金属に限定されない。 The first metal and the second metal may be any metal that can spray the second metal on the first metal and can remove the first metal after the spraying. The present invention provides a new method for producing a metal mold, and is not limited to the metal of the metal mold of the present invention described above.
第1の金属を除去する方法としては、例えば、加熱による溶融を利用する第1の方法と、アルカリ性溶液、酸性溶液等を使用して化学的に第1の金属を溶出させる第2の方法がある。 As a method for removing the first metal, for example, there are a first method using melting by heating and a second method for chemically eluting the first metal using an alkaline solution, an acidic solution, or the like. is there.
第1の加熱により溶融流出させる方法では、前記第1の金属の融点が第2の金属の融点より低いという関係にあり、溶融流出させる第1の金属の溶融温度以上で、かつ金属製鋳型の材料となる第2の金属(高融点金属またはその合金)の溶融温度以下であって、両者が化学的に結合しない温度で、前記第1の金属からなる成形体を溶融流出することにより、前記第2の金属から構成される金属製鋳型を得ることができる。 In the method of melting and flowing out by the first heating, the melting point of the first metal is lower than the melting point of the second metal. By melting and flowing out the molded body made of the first metal at a temperature that is not higher than the melting temperature of the second metal (high melting point metal or alloy thereof) that is a material and does not chemically bond both, A metal mold made of the second metal can be obtained.
第2の酸性溶液またはアルカリ性溶液による溶解流出による方法では、前記第1の金属は、アルカリ性溶液又は酸性溶液に対する耐性が第2の金属より低いという関係にあり、前記第1の金属の成形体が溶解可能で、かつ前記第2の金属(高融点金属またその合金)は主として前記第2の金属が溶解しない溶液中に、前記第1の金属の成形体表面に第2の金属層が形成された成形体を浸漬して前記第1の金属を溶解流出させることができる。 In the method of dissolution and outflow with the second acidic solution or alkaline solution, the first metal is in a relationship that the resistance to the alkaline solution or acidic solution is lower than that of the second metal, and the molded body of the first metal is A second metal layer is formed on the surface of the molded body of the first metal in a solution that can be dissolved and the second metal (refractory metal or alloy thereof) mainly does not dissolve the second metal. The first metal can be dissolved and discharged by immersing the molded body.
第1の加熱により第1の金属を溶融流出させる方法、および第2の酸性溶液またはアルカリ性溶液により第1の金属を溶解流出させる方法のいずれの方法においても、第2の金属、すなわち鋳型材としては、モリブデン、タングステン、タンタル、イリジウム、または白金から選択される少なくとも1種の高融点金属、または、前記高融点金属を主成分とする合金が好ましい。化学的に安定で、耐熱性が高いため、一方向凝固させる金属酸化物との反応が進みにくく、所望の形状の金属酸化物の凝固物を得ることができるからである。さらには、第2の金属としては、モリブデンが特に好適に使用される。モリブデンは、その融点が約2600℃と高く、また金属酸化物との反応性が極めて低いため、多くの金属酸化物の融液を保持する材料、すなわち鋳型として好適である。また、モリブデンは、他の高融点金属と比較して一般に安価でもあり、工業的見地からも金属酸化物の鋳造に用いる鋳型として好適な材料である。 In either of the method of melting and flowing out the first metal by the first heating and the method of dissolving and flowing out the first metal by the second acidic solution or alkaline solution, the second metal, that is, the mold material Is preferably at least one refractory metal selected from molybdenum, tungsten, tantalum, iridium, or platinum, or an alloy containing the refractory metal as a main component. This is because it is chemically stable and has high heat resistance, so that the reaction with the metal oxide to be unidirectionally solidified hardly proceeds, and a metal oxide solidified product having a desired shape can be obtained. Furthermore, molybdenum is particularly preferably used as the second metal. Molybdenum has a high melting point of about 2600 ° C. and has a very low reactivity with metal oxides. Therefore, molybdenum is suitable as a material for holding a melt of many metal oxides, that is, as a mold. Molybdenum is generally cheaper than other refractory metals, and is a material suitable as a mold used for casting metal oxide from an industrial viewpoint.
前記第1の加熱により第1の金属を溶融流出させる方法においては、第2の金属としてモリブデンを選択した場合、第1の金属としては、好ましくは、その溶融温度において、溶射される第2の金属、すなわちモリブデンとの反応性が低い材料であり、かつ溶射時の熱による損傷を受けにくい材料であれば特に制限はないが、銅または、銅を主成分(50wt%以上)とする合金が特に好適に使用される。銅は、その融点が約1080℃とモリブデンと比較して低く、溶融した銅は1300℃以下ではモリブデンと化学的に結合しないからである。第一の金属が銅の場合は、その融点である約1080℃以上の温度に加熱することで、モリブデン鋳型より銅を溶融流出することができる。加熱による銅の溶融流出によって、モリブデン鋳型が鋳型として使用できなくなるような変化を生じることはない。 In the method of melting and flowing out the first metal by the first heating, when molybdenum is selected as the second metal, the first metal is preferably the second metal sprayed at the melting temperature. There is no particular limitation as long as it is a material that is low in reactivity with metal, that is, molybdenum, and is not easily damaged by heat during thermal spraying, but copper or an alloy containing copper as a main component (50 wt% or more) can be used. Particularly preferably used. This is because copper has a melting point of about 1080 ° C., which is lower than that of molybdenum, and molten copper does not chemically bond to molybdenum below 1300 ° C. When the first metal is copper, the copper can be melted out from the molybdenum mold by heating to a temperature of about 1080 ° C. or higher, which is its melting point. A change in which the molybdenum mold cannot be used as a mold is not caused by melting and flowing out of copper by heating.
前記第2の酸性溶液またはアルカリ性溶液により第1の金属を溶解流出させる方法においては、第2の金属として例えばモリブデンを選択した場合、第1の金属としては、溶射される第2の金属と比較して酸性溶液またはアルカリ性溶液に著しく溶解しやすい材料であり、かつ溶射時の熱による損傷を受けにくい材料であれば特に制限はないが、銅または、銅を主成分(50wt%以上)とする合金が特に好適に使用される。第一の金属が銅の場合は、例えば、常温(20℃前後)の希硫酸中に浸積することで、モリブデン鋳型より銅を溶解流出することができる。この希硫酸中への浸積により、モリブデン鋳型が鋳型として使用できなくなるような変化を生じることはない。 In the method of dissolving and flowing out the first metal with the second acidic solution or alkaline solution, for example, when molybdenum is selected as the second metal, the first metal is compared with the second metal to be sprayed. The material is not particularly limited as long as it is a material that is extremely easily dissolved in an acidic solution or an alkaline solution and is not easily damaged by heat during thermal spraying. However, copper or copper is a main component (50 wt% or more). Alloys are particularly preferably used. When the first metal is copper, for example, copper can be dissolved out from the molybdenum mold by immersion in dilute sulfuric acid at room temperature (around 20 ° C.). This immersion in dilute sulfuric acid does not cause a change in which the molybdenum mold cannot be used as a mold.
また、第1および第2のいずれの方法においても、第1の金属からなる成形体の表面粗さが金属製鋳型内面の表面粗さに影響を与えるため、多くの場合、第1の金属からなる成形体の表面粗さは小さいことが望ましい。 In both the first and second methods, since the surface roughness of the molded body made of the first metal affects the surface roughness of the inner surface of the metal mold, the first metal is often used. It is desirable that the surface roughness of the formed body is small.
また、第1の金属からなる成形体は、内部が中空である成形体であってもよく、また、他の成形体の上に第1の金属を被覆した成形体であってもよい。後者の例として、黒鉛製成形体の表面に第1の金属を被覆したものが好適に使用される。第1の金属層の被覆方法は、所望の金属層が得られる方法であればいかなる方法でも良いが、溶射法またはPVD法が好適に用いられる。この場合、被覆される第1の金属層の厚さを考慮して黒鉛製成形体は設計される必要がある。また、被覆される第1の金属層の厚さとしては、0.5mm以下であることが好ましい。被覆される金属層の厚さが0.5mmよりも厚くなると、溶射法の場合は、被覆される金属層の外側の凹凸が大きくなって、得られる金属製鋳型の内面の表面粗さを小さくすることが困難になるからであり、またPVD法の場合は、被覆に要する時間が長くなるからである。 The molded body made of the first metal may be a molded body having a hollow inside, or may be a molded body in which the first metal is coated on another molded body. As an example of the latter, a graphite molded body whose surface is coated with a first metal is preferably used. The first metal layer may be coated by any method as long as a desired metal layer can be obtained, but a thermal spraying method or a PVD method is preferably used. In this case, the graphite molded body needs to be designed in consideration of the thickness of the first metal layer to be coated. Further, the thickness of the first metal layer to be coated is preferably 0.5 mm or less. When the thickness of the metal layer to be coated becomes thicker than 0.5 mm, in the case of the thermal spraying method, the unevenness on the outside of the metal layer to be coated becomes large, and the surface roughness of the inner surface of the metal mold to be obtained is reduced. This is because the time required for coating becomes longer in the case of the PVD method.
第1の金属からなる成形体の内部が黒鉛からなる成形体で構成されている場合、前記第1の金属から構成される被覆層を溶解(または溶融)流出させながら、または溶解(または溶融)流出させた後に、前記黒鉛製成形体を、前記第2の金属(高融点金属またはその合金)からなる鋳型から抜き出すことで所望形状の中空部を有する金属製鋳型を得ることができる。前記黒鉛製母材は前記金属製母材のように溶解されないため、繰り返し母材として利用することが可能である。 When the inside of the molded body made of the first metal is composed of a molded body made of graphite, the coating layer composed of the first metal is dissolved (or melted) or is dissolved (or melted). After flowing out, the graphite molded body is extracted from the mold made of the second metal (a refractory metal or an alloy thereof) to obtain a metal mold having a hollow portion of a desired shape. Since the graphite base material is not dissolved like the metal base material, it can be repeatedly used as a base material.
第1の金属よりなる成形体の表面に、第2の金属を溶射する方法は、フレーム溶射、爆発溶射、アーク溶射、プラズマ溶射および線爆溶射のいずれの方法でも良いが、形成される層の緻密化が最も容易な減圧下でのプラズマ溶射で行われることが好ましい。また、溶射材には、粉末材、線材、または棒材のいずれを用いても良いが、プラズマ溶射の場合には粉末材を用いることが好ましい。粉末材の粒径は、溶射ガンへの粉末供給が可能なものであれば特に限定されるものではないが、金属製母材表面に直接溶射を行う場合、金属製鋳型内表面の表面粗さを小さくするためには、溶射初期においては、粒径が小さな粉末材、具体的には70μm以下の粉末材を用いることが好ましい。 The method of spraying the second metal on the surface of the molded body made of the first metal may be any of flame spraying, explosion spraying, arc spraying, plasma spraying, and line explosion spraying. It is preferable to carry out the plasma spraying under a reduced pressure at which densification is easiest. Moreover, although any of a powder material, a wire material, or a rod material may be used as the thermal spray material, it is preferable to use a powder material in the case of plasma spraying. The particle size of the powder material is not particularly limited as long as the powder can be supplied to the spray gun, but when directly spraying the metal base material surface, the surface roughness of the inner surface of the metal mold In order to reduce the thickness, it is preferable to use a powder material having a small particle diameter, specifically, a powder material having a particle size of 70 μm or less in the initial stage of thermal spraying.
第1の金属からなる成形体の表面への第2の金属の溶射は、金属製母材を回転させながら行われても良いし、金属製母材の形状に合わせて、溶射ガンおよび/または金属製母材を移動させながら行われても良い。 The thermal spraying of the second metal on the surface of the molded body made of the first metal may be performed while rotating the metal base material, and according to the shape of the metal base material, a spray gun and / or It may be performed while moving the metal base material.
溶射によって形成される第2の金属の層には、一方向凝固精密鋳造時に形状が損なわれない程度の厚さが必要で、金属製鋳型の形状にもよるが、一般的には0.5mm以上の厚さが必要である。 The second metal layer formed by thermal spraying needs to have a thickness that does not spoil the shape during unidirectional solidification precision casting, and is generally 0.5 mm, depending on the shape of the metal mold. The above thickness is necessary.
以下、実施例を示して本発明についてさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(実施例1)
図1に示す銅製成形体を機械加工により得た。この銅製成形体を回転させながらその表面に平均で2mmの厚さのモリブデン層が形成されるようにモリブデン粉末を溶射した。原料にはその90%以上の粒子が10〜53μmの粒子径を有するモリブデン粉末を用いて減圧下で銅製成形体を回転させながらプラズマ溶射を行い、図2に示すモリブデン被覆銅製母材を得た。
(Example 1)
The copper molded body shown in FIG. 1 was obtained by machining. While rotating this copper molded body, molybdenum powder was sprayed so that a molybdenum layer having an average thickness of 2 mm was formed on the surface. Plasma spraying was performed using a molybdenum powder in which 90% or more of the particles had a particle diameter of 10 to 53 μm as a raw material while rotating a copper molded body under reduced pressure to obtain a molybdenum-coated copper base material shown in FIG. .
このモリブデン被覆銅製成形体を、真空に保たれた高周波誘導炉内で1200℃まで加熱することで、金属製鋳型開口部側から銅製成形体を溶融流出させて図3および図4に示すモリブデン製鋳型を得た。 This molybdenum-coated copper molded body is heated to 1200 ° C. in a high-frequency induction furnace maintained in a vacuum, so that the copper molded body is melted and flown out from the metal mold opening side, and the molybdenum-made product shown in FIGS. 3 and 4 is used. A mold was obtained.
得られた金属製鋳型を2000℃の真空中で200時間まで加熱し、その前後で金属製鋳型の形状にほとんど変化がないこと、および常温の水を満たした際の金属製鋳型内からの水漏れがないことを確認した。また、銅製成形体の表面、銅溶融流出後の金属製鋳型内面および2000℃の真空中で200時間まで加熱された金属製鋳型内面の表面粗さは表1に示す通りであった。 The obtained metal mold is heated up to 200 hours in a vacuum of 2000 ° C., and there is almost no change in the shape of the metal mold before and after that, and water from the metal mold when filled with water at room temperature. It was confirmed that there was no leakage. Table 1 shows the surface roughness of the surface of the copper molded body, the inner surface of the metallic mold after melting and flowing out of copper, and the inner surface of the metallic mold heated in a vacuum at 2000 ° C. for 200 hours.
(実施例2)
実施例1と同様の形状の黒鉛製形成体を機械加工により得た。この黒鉛製形成体を回転させながらその表面に平均で0.5mmの厚さの銅層が形成されるよう銅粉末を溶射した。次いで、実施例1と同様の方法で、平均厚さ0.5mmの銅層で被覆された黒鉛製成形体の表面に平均厚さ2mmのモリブデン層を形成し、黒鉛製成形体に接触する第一層として銅、第二層としてモリブデンが被覆された黒鉛製成形体を得た。
(Example 2)
A graphite molded body having the same shape as in Example 1 was obtained by machining. While rotating this graphite-made formed body, copper powder was sprayed so that a copper layer having an average thickness of 0.5 mm was formed on the surface. Next, in the same manner as in Example 1, a molybdenum layer having an average thickness of 2 mm is formed on the surface of the graphite molded body covered with the copper layer having an average thickness of 0.5 mm, and the graphite layer is in contact with the graphite molded body. A graphite molded body coated with copper as one layer and molybdenum as the second layer was obtained.
この銅およびモリブデンが被覆された黒鉛製成形体を、真空に保たれた高周波誘導炉内で1200℃まで加熱することで、金属製鋳型開口部側から、黒鉛製成形体を被覆する第一層である銅を溶融流出させて、図3および図4に示すモリブデン製鋳型と同様の外観を有するモリブデン製鋳型を得た。 The graphite-molded body coated with copper and molybdenum is heated to 1200 ° C. in a high-frequency induction furnace maintained in a vacuum, so that the graphite-molded body is coated from the metal mold opening side. Copper was melted out to obtain a molybdenum mold having the same appearance as the molybdenum mold shown in FIGS.
得られた金属製鋳型を2000℃の真空中で200時間まで加熱し、その前後で金属製鋳型の形状にほとんど変化がないこと、および常温の水を満たした際の金属製鋳型内からの水漏れがないことを確認した。また、銅製成形体の表面、銅溶融流出後の金属製鋳型内面および2000℃の真空中で200時間まで加熱された金属製鋳型内面の表面粗さは表1に示す通りであった。 The obtained metal mold is heated up to 200 hours in a vacuum of 2000 ° C., and there is almost no change in the shape of the metal mold before and after that, and water from the metal mold when filled with water at room temperature. It was confirmed that there was no leakage. Table 1 shows the surface roughness of the surface of the copper molded body, the inner surface of the metallic mold after melting and flowing out of copper, and the inner surface of the metallic mold heated in a vacuum at 2000 ° C. for 200 hours.
(実施例3)
実施例1と同様の形状の黒鉛製成形体を機械加工により得た。銅をターゲット材に用いたPVDにより、この黒鉛製成形体の表面を平均厚さ0.2mmの銅層で被覆した。次いで、実施例1と同様の方法で、平均厚さ0.2mmの銅層で被覆された黒鉛製成形体の表面に平均厚さ2mmのモリブデン層を形成し、黒鉛製成形体に接触する第一層として銅、第二層としてモリブデンが被覆された黒鉛製成形体を得た。
(Example 3)
A graphite molded body having the same shape as in Example 1 was obtained by machining. The surface of this graphite molded body was covered with a copper layer having an average thickness of 0.2 mm by PVD using copper as a target material. Next, in the same manner as in Example 1, a molybdenum layer having an average thickness of 2 mm is formed on the surface of the graphite molded body covered with the copper layer having an average thickness of 0.2 mm, and the graphite layer is in contact with the graphite molded body. A graphite molded body coated with copper as one layer and molybdenum as the second layer was obtained.
この銅およびモリブデンが被覆された黒鉛製成形体から、実施例2と同様の方法で銅層および黒鉛製成形体を除去して、モリブデン製の鋳型を得た。 From the graphite molded body coated with copper and molybdenum, the copper layer and the graphite molded body were removed in the same manner as in Example 2 to obtain a molybdenum mold.
得られた金属製鋳型を2000℃の真空中で200時間まで加熱し、その前後で金属製鋳型の形状にほとんど変化がないこと、および常温の水を満たした際の金属製鋳型内からの水漏れがないことを確認した。また、銅製母材の表面、銅溶融流出後の金属製鋳型内面および2000℃の真空中で200時間まで加熱された金属製鋳型内面の表面粗さは表1に示す通りであった。 The obtained metal mold is heated up to 200 hours in a vacuum of 2000 ° C., and there is almost no change in the shape of the metal mold before and after that, and water from the metal mold when filled with water at room temperature. It was confirmed that there was no leakage. Table 1 shows the surface roughness of the surface of the copper base material, the inner surface of the metal mold after melting and flowing out of the copper, and the inner surface of the metal mold heated in a vacuum at 2000 ° C. for 200 hours.
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