JP2006167731A - 精密鋳造用鋳型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に、結晶粒微細な鋳造品の製造が可能な精密鋳造用鋳型及びその製造方法を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係る精密鋳造用鋳型１０は、鋳型本体１１のキャビティ１３内に金属溶湯が注湯され、鋳型本体１１の、キャビティ１３に臨む鋳型面１２の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液５１の含浸層１４を設けたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロストワックスなどの消失型模型を用いた精密鋳造用鋳型及びその製造方法に関するものである。

形状が複雑で、高い寸法精度が必要とされる鋳造品を製造する際、ロストワックスなどの消失型模型を用いる精密鋳造法（インベストメント鋳造法）が用いられる。

一般的に、金属材料の強度は、結晶粒が微細であるほど強いとされる（一方向凝固合金や単結晶合金は除く）。このため、普通鋳造品や精密鋳造品においても、結晶粒が微細であることが望ましいとされる。ところが、鋳造条件によっては、普通鋳造品や精密鋳造品の結晶粒が粗大になる可能性がある。このため、結晶粒微細化剤が用いられる。例えば、鋳型成形用模型の表面に、酸化コバルト又はアルミン酸コバルトなどの結晶粒微細化剤を混入したスラリー（いわゆる初層スラリー）を塗布し、鋳型を作製した後、その鋳型内に、Ｆｅ−Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、又はＮｉ基合金からなる合金溶湯を注湯する精密鋳造法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１６８８４２号公報

特許文献１記載の結晶粒微細化剤である酸化コバルトやアルミン酸コバルト（酸化アルミニウムコバルト）は、水に不溶であるため、スラリーに混入させて用いられる。

ところが、酸化コバルトやアルミン酸コバルトは、非常に微細な粉体であり、例えば、スラリーを構成する主な粉体が250〜350メッシュであるのに対して、酸化コバルトやアルミン酸コバルトの粉体は約1000メッシュとより微細である。このため、スラリーのゲル化が発生し易くなってしまい、ゲル化を防ぐためのスラリーの管理が必要となると共に、スラリーライフ（寿命）が短くなってしまう。

また、酸化コバルトやアルミン酸コバルトは、一般には青色顔料として用いられるものであって、工業的に用いるには高価過ぎる。

以上より、結晶粒微細化剤として酸化コバルトやアルミン酸コバルトを用いた場合、スラリーの原料コスト及びランニングコストが高くなってしまい、延いては鋳造品の製造コストの上昇を招くという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、安価に、結晶粒微細な鋳造品の製造が可能な精密鋳造用鋳型及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る精密鋳造用鋳型は、鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型において、上記鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けたものである。鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けてもよい。

また、本発明に係る精密鋳造用鋳型は、鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型において、上記鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けたものである。

ここで、含浸層に含浸される結晶粒微細化水溶液は、Ｃｏ化合物系水溶液、Ｆｅ化合物系水溶液、又はＮｉ化合物系水溶液の内から選択される少なくとも１種である。

また、結晶粒微細化水溶液は、溶質である水溶性結晶粒微細化剤を1ｇ/100ｍｌ以上の割合で含むことが好ましい。

一方、本発明に係る精密鋳造用鋳型の製造方法は、鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を製造する方法であって、
鋳型本体を作製する鋳型作製ステップと、
鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液を含浸させる含浸ステップと、
その結晶粒微細化水溶液を乾燥させる乾燥ステップと、
を備えるものである。

ここで、含浸ステップは、鋳型本体全体を結晶粒微細化水溶液中に漬ける浸漬処理であってもよい。また、含浸ステップは、鋳型本体のキャビティ内に結晶粒微細化水溶液を注ぐ注入処理であってもよい。

乾燥ステップは、鋳型本体全体を乾かす乾燥処理であってもよい。また、乾燥ステップは、鋳型本体全体を熱する焼成処理を更に含んでいてもよい。さらに、乾燥ステップは、鋳造の注湯前に行う鋳型本体の予熱処理を更に含んでいてもよい。

また、本発明に係る精密鋳造用鋳型の製造方法は、精密鋳造用鋳型を製造する方法であって、
鋳型本体を作製する鋳型作製ステップと、
鋳型本体のキャビティ内に配置される中子の表面に、結晶粒微細化水溶液を含浸させる含浸ステップと、
その結晶粒微細化水溶液を乾燥させる乾燥ステップと、
を備えるものである。

ここで、含浸ステップは、中子全体を結晶粒微細化水溶液中に漬ける浸漬処理であってもよい。

乾燥ステップは、中子全体を乾かす乾燥処理であってもよい。また、乾燥ステップは、中子全体を熱する焼成処理を更に含んでいてもよい。

他方、本発明に係る精密鋳造品の製造方法は、鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を用いて鋳造を行い、精密鋳造品を製造する方法において、
鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯する注湯ステップと、
注湯後、冷却を行って金属溶湯を凝固させ、鋳造体を形成する冷却・凝固ステップと、を備えるものである。ここで、注湯ステップは、鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部及びキャビティ内に配置される中子の表面部に、結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯するようにしてもよい。

また、本発明に係る精密鋳造品の製造方法は、鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を用いて鋳造を行い、精密鋳造品を製造する方法において、
鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯する注湯ステップと、
注湯後、冷却を行って金属溶湯を凝固させ、鋳造体を形成する冷却・凝固ステップと、を備えるものである。

ここで、金属溶湯の構成材は、Ｎｉ基超合金、Ｎｉ−Ｆｅ基超合金、Ｃｏ基超合金、又はステンレス鋼合金である。

他方、本発明に係る精密鋳造品は、前述した精密鋳造品の製造方法を用いて製造され、少なくとも鋳型面に面していた部分の鋳造体の結晶粒を微細化させたものである。また、本発明に係る精密鋳造品は、前述した精密鋳造品の製造方法を用いて製造され、中子に面していた部分の鋳造体の結晶粒を微細化させたものである。

本発明によれば、結晶粒微細化剤を混入させたスラリーを用いることなく、結晶粒微細な鋳造品の製造が可能な精密鋳造用鋳型を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０は、インベストメント鋳造に用いられる鋳型であり、鋳型本体１１のキャビティ１３に臨む鋳型面１２はその表面に多孔質部を有している。その多孔質部には結晶粒微細化水溶液が含浸され、鋳型面１２の表面に含浸層１４が形成されている。

含浸層１４の層厚は、特に限定するものではなく、0.1ｍｍ以上あれば十分であり、例えば0.5ｍｍ程度とされる。

含浸層１４に含浸される結晶粒微細化水溶液は、Ｃｏ化合物系水溶液、Ｆｅ化合物系水溶液、又はＮｉ化合物系水溶液の内から選択される少なくとも１種である。Ｃｏ化合物系水溶液としては、例えば、
酢酸コバルト（Co(CH₃CO₂)₂・4H₂O）の水溶液、
硫酸コバルト（CoSO₄・7H₂O）の水溶液、
塩化コバルト（CoCl₂・6H₂O）の水溶液、
スルファミン酸コバルト（Co(SO₃NH₂)₂・4H₂O）の水溶液、
硫酸アンモニウムコバルト（Co(NH₄)₂(SO₄)₂・6H₂O）の水溶液、
チオシアン酸コバルト（Co(SCN)₂）の水溶液、
硝酸コバルト（Co(NO₃)₂・6H₂O）の水溶液、
などが挙げられる。これらの中でも、水和物の水分子数ｎ（−−・ｎH₂O）が小さい水溶性結晶粒微細化剤の水溶液が好ましく、特に水分子数ｎが５以下の水溶液が好ましい。これは、水分子数ｎが小さい結晶粒微細化剤の方が、より少ない添加量で高濃度が得られるためである。ここで、コストパフォーマンスを重視する場合は酢酸コバルト水溶液がより好ましく、結晶粒微細化効果を重視する場合はスルファミン酸コバルト水溶液がより好ましい。

結晶粒微細化水溶液は、溶質である水溶性結晶粒微細化剤を1ｇ/100ｍｌ以上の割合で含むことが好ましい。これは、結晶粒微細化水溶液の溶質濃度が高い程、結晶粒微細化の効果がより高くなるためである。溶質濃度の上限は特に規定するものではないが、溶質濃度が高くなる程、結晶粒微細化水溶液のコストが上昇する。このため、目的とする結晶粒の大きさとコストとの兼ね合いで、溶質濃度の上限が適宜選択される。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０においては、鋳型面１２のみに結晶粒微細化水溶液の含浸層１４を設けた場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではなく、鋳型面１２と鋳型本体１１の外表面の両方に、含浸層１４を設けてもよい。

次に、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法、及びその精密鋳造用鋳型１０を用いた精密鋳造品４０の製造方法を、それぞれ添付図面に基づいて説明する。

図４に示すように、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型を用いた鋳造製品の鋳造方法は、インベストメント鋳造法（ロストワックス法）を用いたものである。

先ず、所定形状のキャビティを有する金型（雌型）が製造される。この金型内にロウ材を射出成型などの手法により注入し、ロウ材を硬化させた後、金型からロウ成形体が取り出される（ステップＣ）。このロウ成形体を用い、消失模型であるロウ型（雄型）４１が得られる。ロウ型４１の作製に際して、必要に応じて２種類以上のロウ成形体を成形すると共に、これらを組み立て、目的とするロウ型４１を得るようにしてもよい（ステップＤ）。ロウ型４１は、図示しないが、後述する鋳造時に用いる堰、湯道、及び湯口を備えている。また、複数のロウ型４１をツリー状又はクラスタ状に一体化してもよい。ここで言うロウ材とは、ロウそのものだけではなく、樹脂（プラスチック）全般を含んでいる。

次に、ロウ型４１の周囲にスラリー膜のコーティングがなされる（ステップＥ）。具体的には、ロウ型４１の周囲に初層スラリーを塗布した後、初層スタッコ塗布（初層スラリー表面に耐火物粒子を振りかけて付着させる）を行い、その後、乾燥させる。これによって、初層スラリー膜が形成される。次に、初層スラリー膜の周囲に後層スラリーを塗布した後、後層スタッコ塗布（後層スラリー表面に耐火物粒子を振りかけて付着させる）を行い、その後、乾燥させる。これによって、後層スラリー膜が形成される。後層スラリー膜の形成工程は、適宜繰り返し行われ、これによって、後層スラリー膜の膜厚が所望の厚さに制御される。スラリーの付着方法としては、浸漬法、吹き付け法、塗布法が挙げられるが、浸漬法が好ましい。

次に、スラリー膜をコーティングしたロウ型４１に、100〜180℃、好ましくは140〜160℃前後の温度、4〜8気圧で加熱・加圧処理を施して脱ロウが行われる（ステップＦ）。これによって、ロウ材が溶け、ロウ型４１が消失して空洞となり、スラリー膜の内部に空洞を有する鋳型前駆体（鋳型プリフォーム体）４２が得られる。

次に、鋳型前駆体４２に900〜1300℃の温度で焼成処理を施すことで（ステップＧ）、スラリー膜が焼き固められて殻体（シェル）となり、図５（ａ）に示すように、殻体５５の内部にキャビティ１３を有するセラミックス製の鋳型本体４３が得られる。

次に、この鋳型本体４３が、図５（ｂ）に示すように、結晶粒微細化水溶液５１中に浸漬される（ステップＨ１）。鋳型本体４３は、その表面に多孔質部を有していることから、その多孔質部の隙間を介して、鋳型本体４３の表面及びキャビティ１３に臨む鋳型面１２に結晶粒微細化水溶液５１が染み込み、含浸される。その後、鋳型本体４３に含浸された結晶粒微細化水溶液５１を乾燥させる（ステップＩ１）。乾燥ステップＩ１は、常温又は常温よりも高い温度で、数時間〜数十時間乾燥させる乾燥処理と、乾燥処理後、鋳込みに先立って行う高温（数百℃以上）の鋳型予熱処理とを含んでいる。これにより、図５（ｃ）に示すように、その表面及び鋳型面１２にそれぞれ含浸層１４が形成された精密鋳造用鋳型１０が得られる。

次に、予熱しておいた精密鋳造用鋳型１０のキャビティ１３に、図５（ｄ）に示すように金属溶湯５２を注湯し、鋳込みが行われる（ステップＪ）。その後、金属溶湯５２を冷却して凝固させ（ステップＫ）、鋳造が完了する。これによって、精密鋳造用鋳型１０内に鋳造体が形成される。金属溶湯５２の鋳込み方法としては、置注ぎ、遠心鋳造、吸引鋳造（低圧鋳造）などが適用可能である。金属溶湯５２のマトリックスは、鋳造用金属（又は合金）として慣用的に用いられているものであれば特に限定するものではないが、精密鋳造に用いられるＮｉ基超合金、Ｎｉ−Ｆｅ基超合金、Ｃｏ基超合金、又はステンレス鋼合金が好ましい。

鋳造後、精密鋳造用鋳型１０を高温のアルカリ浴などに浸漬して、シェル、すなわち精密鋳造用鋳型１０を溶解除去し、型ばらしがなされる（ステップＬ）。これによって、最終目的物である鋳造体、すなわち精密鋳造品４０が得られる。型ばらしとしては、高温のアルカリ浴を用いた化学的手法以外に、物理的手法（例えば、ブラストクリーニング）を用いてもよい。ブラストクリーニングとしては、サンドブラスト、ショットブラスト、又はウォータジェット（高圧水の吹き付け）のいずれでもよい。また、ブラストクリーニング以外の物理的手法として、シェイクアウトを用いてもよい。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法においては、水溶性の結晶粒微細化剤を用いていることから、均一な結晶粒微細化水溶液５１を容易に作製することができ、また、結晶粒微細化剤の添加に伴ってゲル化が生じるおそれもない。よって、ゲル化を防ぐための液管理は不要である。その結果、精密鋳造用鋳型１０の製造が容易、かつ、安価となり、延いては精密鋳造用鋳型１０の製造コストの低減を図ることができる。また、結晶粒微細化水溶液５１の溶質は水溶性であることから、わざわざ初層スラリー又は後層スラリーに混入させる必要がない。よって、初層スラリー又は後層スラリーがゲル化することがないため、初層スラリー又は後層スラリーのスラリーライフ（寿命）を、従来と比較して長くすることができる。

また、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法においては、鋳型本体４３を結晶粒微細化水溶液５１中に浸漬することで、精密鋳造用鋳型１０の全表面に含浸層１４を形成している。よって、鋳型本体４３が複雑な形状であっても、容易に、含浸層１４を形成することができる。

さらに、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法においては、鋳型本体４３を結晶粒微細化水溶液５１中に浸漬し、精密鋳造用鋳型１０の全表面に含浸層１４を形成する場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、精密鋳造用鋳型１０の鋳型面のみに含浸層１４を形成するようにしてもよい。具体的には、図６（ａ）に示すステップＧを経て形成した鋳型本体４３に対して、図６（ｂ）に示すように、そのキャビティ１３内に結晶粒微細化水溶液５１を注入し（ステップＨ１）、キャビティ１３内を結晶粒微細化水溶液５１ですすぐようにしてもよい。これによって、鋳型面１２のみに結晶粒微細化水溶液５１が含浸される。その後、鋳型本体４３に含浸された結晶粒微細化水溶液５１を乾燥させる（ステップＩ１）ことで、図６（ｃ）に示すように、鋳型面１２のみに含浸層１４が形成された精密鋳造用鋳型１０が得られる。図６（ｂ）に示した含浸ステップＨ１を採用することで、含浸層１４の形成部位が必要最小限となるため、図５（ｂ）に示した含浸ステップＨ１と比較して、結晶粒微細化水溶液５１の使用量を著しく低減することができる。その結果、精密鋳造用鋳型１０の製造コストの更なる低減を図ることができる。

また、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法においては、乾燥ステップＩ１として、乾燥処理及び鋳型予熱処理を行う場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、金属溶湯５２の融点が低い場合は、鋳型予熱処理を必要としない場合があるため、その場合は、乾燥処理と、乾燥処理後に鋳型本体４３に対して行う高温（数百℃以上）の再焼成処理を、乾燥ステップＩ１としてもよい。しかし、たいていの精密鋳造用合金の融点は非常に高いため、乾燥処理及び鋳型予熱処理を含む乾燥ステップＩ１の方が好ましい。

本実施の形態に係る精密鋳造品４０は、鋳型面のみに含浸層１４を形成した精密鋳造用鋳型１０を用いて鋳造形成していることから、鋳型面に面していた部分、つまり外側部の鋳造体（精密鋳造品４０）の結晶粒が微細化される。その結果、精密鋳造品４０の外側部における疲労強度がより高くなる。ここで、精密鋳造品４０の内側部は、結晶粒の微細化処理を行っていないため、外側部と比べると結晶粒が大きくなっており、外側部と比べると高温強度がより高くなっている。よって、精密鋳造品４０は、内側部は高温強度が要求され、外側部は疲労強度が要求されるデュアルプロパティ部材（複合機能部材）などに好適である。

本実施の形態に係る精密鋳造品４０は、ジェットエンジン用又はガスタービンエンジン用の回転部材や羽根部材などに適用可能であるが、特にこれに限定するものではなく、形状が複雑で、高い寸法精度が必要とされる鋳造製品であれば全て適用可能である。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

（第２の実施形態）
本発明の他の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図を図２に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図１に示した前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０は、鋳型面１２のみに含浸層１４を有するものであった。

これに対して、図２に示す本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０は、鋳型本体１１のキャビティ１３内にセラミックコア（中子）２２が配置されており、鋳型面１２の表面及びセラミックコア２２の表面にそれぞれ含浸層１４を有している。セラミックコア２２は、その表面に多孔質部を有するセラミックコア本体２１で構成され、セラミックコア本体２１の表面には、結晶粒微細化水溶液の含浸層１４が形成されている。

次に、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０の製造方法、及びその精密鋳造用鋳型２０を用いた精密鋳造品７０の製造方法を、それぞれ図７に基づいて説明する。尚、図４と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０の製造方法が、図４に示した前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０の製造方法と異なる点は、セラミックコア本体２１の作製ステップ（ステップＡ）を有することである。この作製ステップ以外の製造工程は基本的に同じであるため、違いのみを述べる。

セラミックコア本体２１の作製ステップＡは、ロウ成形体の作製ステップＣに先立って行われる。周知の粉末冶金的手法を用いて、セラミック粉末を成型、焼成する（ステップＡ）ことで、鋳型のキャビティ内における任意の位置に配置される所望形状のセラミックコア本体２１が得られる。

このセラミックコア本体２１は、ステップＣの金型内にセットされ、その金型内にロウ材が射出成型などの手法により注入される。ロウ材を硬化させた後、金型からロウ成形体を取り出すことで、セラミックコア本体２１と一体となったロウ成形体が得られる。その後、ステップＤ〜ステップＩ１を経て、表面全面（外側表面及び鋳型面１２）とセラミックコア２２の表面にそれぞれ含浸層１４が形成された精密鋳造用鋳型２０（図２参照）が得られる。

この精密鋳造用鋳型２０を用い、ステップＪ及びステップＫを経て鋳造を行い、ステップＬのシェル除去を行うことで、本実施の形態に係る精密鋳造品７０が得られる。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０においても、前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０は、鋳型面１２の表面及びセラミックコア２２の表面にそれぞれ含浸層１４を有してることから、鋳型２０を用いて鋳造形成した精密鋳造品７０は、鋳型面１２及びセラミックコア２２の表面に面していた部分、つまり鋳造体（精密鋳造品７０）の外側部及び内側部の結晶粒が微細化される。その結果、精密鋳造品７０は、その外側部のみならず、その内側部についても疲労強度をより高くすることができる。

さらに、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０を用いて鋳造を行うことで、精密鋳造品７０の任意の箇所に中空部を形成することができる。その結果、精密鋳造品７０の軽量化を図ることができる。

（第３の実施形態）
本発明の別の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図を図３に示す。尚、図１，図２と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図１に示した前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０は、鋳型面１２のみに含浸層１４を有するものであった。

これに対して、図３に示す本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型３０は、鋳型本体１１のキャビティ１３内にセラミックコア（中子）２２が配置されており、セラミックコア２２の表面のみに含浸層１４を有している。

次に、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型３０の製造方法、及びその精密鋳造用鋳型３０を用いた精密鋳造品８０の製造方法を、それぞれ図８に基づいて説明する。尚、図７と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型３０の製造方法が、図７に示した前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型２０の製造方法と異なる点は、
セラミックコア２２の作製ステップ（ステップＨ２，Ｉ２）を有すること、
鋳型本体４３に対する結晶粒微細化水溶液の含浸、乾燥ステップがないこと、
である。これらのステップ以外の製造工程は基本的に同じであるため、違いのみを述べる。

セラミックコア２２の作製ステップは、セラミックコア本体２１の作製ステップＡの後に行われる。その表面に多孔質部を有するセラミックコア本体２１を結晶粒微細化水溶液に浸漬することで、その多孔質部の隙間を介して、セラミックコア本体２１の表面に結晶粒微細化水溶液が染み込み、含浸される（ステップＨ２）。その後、セラミックコア本体２１に含浸された結晶粒微細化水溶液を乾燥させる（ステップＩ２）。乾燥ステップＩ２は、常温又は常温よりも高い温度で、数時間〜数十時間乾燥させる乾燥処理と、乾燥処理後における高温（数百℃以上）の焼成処理とを含んでいる。これにより、その表面に含浸層１４が形成されたセラミックコア２２が得られる。

このセラミックコア２２は、ステップＣの金型内にセットされ、その金型内にロウ材が射出成型などの手法により注入される。ロウ材を硬化させた後、金型からロウ成形体を取り出すことで、セラミックコア２２と一体となったロウ成形体が得られる。その後、ステップＤ〜ステップＧを経て、セラミックコア２２の表面のみに含浸層１４が形成された精密鋳造用鋳型３０（図３参照）が得られる。

この精密鋳造用鋳型３０を用い、ステップＪ及びステップＫを経て鋳造を行い、ステップＬのシェル除去を行うことで、本実施の形態に係る精密鋳造品８０が得られる。

本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型３０においても、前実施の形態に係る精密鋳造用鋳型１０と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態に係る精密鋳造用鋳型３０は、セラミックコア２２の表面に含浸層１４を有してることから、鋳型３０を用いて鋳造形成した精密鋳造品８０は、セラミックコア２２の表面に面していた部分、つまり鋳造体（精密鋳造品８０）の内側部の結晶粒が微細化される。その結果、精密鋳造品８０は、その内側部の疲労強度がより高くなる。ここで、精密鋳造品８０の外側部は、結晶粒の微細化処理を行っていないため、内側部と比べると結晶粒が大きくなっており、内側部と比べると高温強度がより高くなっている。よって、精密鋳造品８０は、外側部は高温強度が要求され、内側部は疲労強度が要求される部材、例えば、タービンブレードなどに好適である。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

先ず、40ｍｍ×80ｍｍ×ｔ10ｍｍのロウ型（雄型）を作製した。このロウ型の周囲に、初層スラリーを塗布した後、初層スタッコ塗布を行い、その後、乾燥させ、初層スラリー膜を形成した。続いて、初層スラリー膜の周囲に、後層スラリーを塗布した後、後層スタッコ塗布を行い、その後、乾燥させ、後層スラリー膜を形成した。

次に、スラリー膜をコーティングしたロウ型に、130〜160℃の温度で7分間加熱処理を施して脱ロウを行った。これによって、ロウ材が溶け、ロウ型４１が消失して空洞となり、スラリー膜の内部に空洞を有する鋳型前駆体を作製した。

次に、鋳型前駆体に1050℃×2時間の焼成処理を施し、スラリー膜を焼き固めて、殻体の内部にキャビティを有するセラミックス製の鋳型本体を作製した。

次に、この鋳型本体を５つ（型１１〜１５）用意した。型１１〜１４の鋳型本体については、各キャビティ内に結晶粒微細化水溶液を注入して、キャビティ内を結晶粒微細化水溶液ですすぎ、キャビティに臨む鋳型面に結晶粒微細化水溶液を染み込ませ、含浸させた。また、型１５の鋳型本体については、キャビティ内に結晶粒微細化水溶液を注入せず、そのままの状態とした。型１１〜１４に用いた各結晶粒微細化水溶液は、それぞれ酢酸コバルト水溶液、硫酸コバルト水溶液、塩化コバルト水溶液、スルファミン酸コバルト水溶液であり、各水溶液の溶質濃度は全て3.5ｇ/100ｍｌとした。

次に、型１１〜１５の各鋳型本体を24時間にわたって自然乾燥させた。自然乾燥処理後、鋳込みに先立って鋳型本体に900℃の鋳型予熱処理（再焼成処理）を施した。これにより、５種類の精密鋳造用鋳型を作製した。

次に、各精密鋳造用鋳型のキャビティに、1480℃のＮｉ基超合金（Inco718（登録商標））の溶湯を注湯し、鋳込みを行った。その後、金属溶湯を冷却して凝固させ、各精密鋳造用鋳型内に鋳造体を作製した。

鋳造後、各精密鋳造用鋳型にサンドブラスト処理を施して、各精密鋳造用鋳型を除去し、最終目的物である５種類の精密鋳造品（40ｍｍ×80ｍｍ×ｔ10ｍｍ、試料１１〜１５）を作製した。

次に、得られた各試料１１〜１５について、表面エッチングを行い、結晶粒の観察を行った。各試料１１〜１５表面観察図を図９（ａ）〜図９（ｅ）に、各試料１１〜１４の横断面観察図を図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示す。

図９（ｅ）に示すように、微細化処理なしの試料１５の結晶粒９５は、非常に粗大であった。これに対して、図９（ａ）〜図９（ｄ）、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示すように、結晶粒微細化水溶液を用いて微細化処理を行った試料１１〜１４は、図９（ｅ）に示した結晶粒９５と比較して、結晶粒９１〜９４が微細化されることが確認できた。特に、酢酸コバルト水溶液で微細化処理を行った試料１１、スルファミン酸コバルト水溶液で微細化処理を行った試料１５について、結晶粒の微細化効果が顕著となった。

［実施例１］の鋳型本体を３つ（型２１〜２３）用意した。型２１〜２３の鋳型本体については、各キャビティ内に酢酸コバルト水溶液を注入して、キャビティ内を酢酸コバルト水溶液ですすぎ、キャビティに臨む鋳型面に酢酸コバルト水溶液を染み込ませ、含浸させた。型２１〜２３に用いた各酢酸コバルト水溶液の溶質濃度は、それぞれ1.0ｇ/100ｍｌ、3.5ｇ/100ｍｌ、10ｇ/100ｍｌとした。

その後は、［実施例１］と同様にして、最終目的物である３種類の精密鋳造品（試料２１〜２３）を作製した。

次に、得られた各試料２１〜２３について、表面エッチングを行い、結晶粒の観察を行った。得られた各試料２１〜２３の表面観察図を図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示す。

図１１（ａ）に示す試料２１の結晶粒１１１を、図９（ｅ）に示した結晶粒９５と比較すると、溶質濃度が1.0ｇ/100ｍｌの酢酸コバルト水溶液を用いて微細化処理を行った場合でも、結晶粒が小さくなることが確認できた。つまり、結晶粒微細化水溶液の溶質濃度が低くても、結晶粒の微細化効果が得られることが確認できた。

また、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、試料２１〜２３の結晶粒１１１〜１１３を比較すると、酢酸コバルト水溶液の溶質濃度が高くなる程、結晶粒が小さくなることが確認できた。

本発明の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図である。 本発明の別の好適一実施の形態に係る精密鋳造用鋳型の横断面図である。 図１の精密鋳造用鋳型の製造方法、及びその鋳型を用いた精密鋳造品の製造方法のフローを説明するための図である。 結晶粒微細化水溶液を含浸させる工程の一例を示す図である。 結晶粒微細化水溶液を含浸させる工程の他の一例を示す図である。 図２の精密鋳造用鋳型の製造方法、及びその鋳型を用いた精密鋳造品の製造方法のフローを説明するための図である。 図３の精密鋳造用鋳型の製造方法、及びその鋳型を用いた精密鋳造品の製造方法のフローを説明するための図である。 ［実施例１］における各試料１１〜１５の表面観察図である。 図９における各試料１１〜１４の断面観察図である。 ［実施例２］における各試料２１〜２３の表面観察図である。

符号の説明

１０ 精密鋳造用鋳型
１１ 鋳型本体
１２ 鋳型面
１３ キャビティ
１４ 含浸層
５１ 結晶粒微細化水溶液

Claims (21)

1. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型において、上記鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けたことを特徴とする精密鋳造用鋳型。
2. 上記鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた請求項１記載の精密鋳造用鋳型。
3. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型において、上記鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けたことを特徴とする精密鋳造用鋳型。
4. 上記含浸層に含浸される結晶粒微細化水溶液が、Ｃｏ化合物系水溶液、Ｆｅ化合物系水溶液、又はＮｉ化合物系水溶液の内から選択される少なくとも１種である請求項１から３いずれかに記載の精密鋳造用鋳型。
5. 上記結晶粒微細化水溶液が、溶質である水溶性結晶粒微細化剤を1ｇ/100ｍｌ以上の割合で含む請求項１から４いずれかに記載の精密鋳造用鋳型。
6. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を製造する方法であって、
   上記鋳型本体を作製する鋳型作製ステップと、
   鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液を含浸させる含浸ステップと、
   その結晶粒微細化水溶液を乾燥させる乾燥ステップと、
   を備えることを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
7. 上記含浸ステップが、鋳型本体全体を結晶粒微細化水溶液中に漬ける浸漬処理である請求項６記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
8. 上記含浸ステップが、鋳型本体のキャビティ内に結晶粒微細化水溶液を注ぐ注入処理である請求項６記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
9. 上記乾燥ステップが、鋳型本体全体を乾かす乾燥処理である請求項６から８いずれかに記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
10. 上記乾燥ステップが、鋳型本体全体を熱する焼成処理を更に含む請求項９記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
11. 上記乾燥ステップが、鋳造の注湯前に行う鋳型本体の予熱処理を更に含む請求項９記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
12. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を製造する方法であって、
    上記鋳型本体を作製する鋳型作製ステップと、
    上記鋳型本体のキャビティ内に配置される中子の表面に、結晶粒微細化水溶液を含浸させる含浸ステップと、
    その結晶粒微細化水溶液を乾燥させる乾燥ステップと、
    を備えることを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
13. 上記含浸ステップが、中子全体を結晶粒微細化水溶液中に漬ける浸漬処理である請求項１２記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
14. 上記乾燥ステップが、中子全体を乾かす乾燥処理である請求項１２又は１３記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
15. 上記乾燥ステップが、中子全体を熱する焼成処理を更に含む請求項１４記載の精密鋳造用鋳型の製造方法。
16. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を用いて鋳造を行い、精密鋳造品を製造する方法において、
    上記鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯する注湯ステップと、
    注湯後、冷却を行って金属溶湯を凝固させ、鋳造体を形成する冷却・凝固ステップと、を備えることを特徴とする精密鋳造品の製造方法。
17. 上記注湯ステップが、上記鋳型本体の、キャビティに臨む鋳型面の少なくとも表面部及びキャビティ内に配置される中子の表面部に、結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯する請求項１６記載の精密鋳造品の製造方法。
18. 鋳型本体のキャビティ内に金属溶湯が注湯される精密鋳造用鋳型を用いて鋳造を行い、精密鋳造品を製造する方法において、
    上記鋳型本体のキャビティ内に中子を配置し、その中子表面部に結晶粒微細化水溶液の含浸層を設けた精密鋳造用鋳型を用い、その鋳型のキャビティ内に金属溶湯を注湯する注湯ステップと、
    注湯後、冷却を行って金属溶湯を凝固させ、鋳造体を形成する冷却・凝固ステップと、を備えることを特徴とする精密鋳造品の製造方法。
19. 上記金属溶湯の構成材が、Ｎｉ基超合金、Ｎｉ−Ｆｅ基超合金、Ｃｏ基超合金、又はステンレス鋼合金である請求項１６から１８いずれかに記載の精密鋳造品の製造方法。
20. 請求項１６，１７，１９いずれかに記載の製造方法を用いて製造され、少なくとも鋳型面に面していた部分の鋳造体の結晶粒を微細化させたことを特徴とする精密鋳造品。
21. 請求項１８又は１９記載の製造方法を用いて製造され、中子に面していた部分の鋳造体の結晶粒を微細化させたことを特徴とする精密鋳造品。
    

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