JP2007125615A - 高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型およびその鋳型を用いた高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】高融点金属でバルブのような中空ドラム形状鋳物を精密製造する方法に関するものであり、特に液体水素を燃料とする大型ロケットにおける燃料の供給、調節などを行うための高融点金属製バルブを精密鋳造するための鋳型およびこの鋳型を用いた精密鋳造方法に関するものである。
【解決手段】中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための開口空洞部６を有する鋳型であって、前記鋳型の開口空洞部上半分まで外面を断熱材２で被覆しかつ前記開口空洞部６の開口部を断熱材２で塞いだ構造を有する高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型、およびその鋳型を用いた精密鋳造方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、高融点金属でバルブのような中空ドラム形状鋳物を精密鋳造する方法に関するものであり、特に液体水素を燃料とする大型ロケットにおける燃料の供給、調節などを行うための形状が複雑で大型かつ薄肉の高融点金属製バルブを精密鋳造法により製造する方法に関するものである。

一般に、液体水素を燃料とする大型ロケットにおいて燃料を供給し調節するための形状が複雑で大型かつ薄肉のバルブには低温脆性の少ない高融点金属（たとえばインコネル７１８などのＮｉ基超合金）製バルブが使用されており、このバルブは構造が複雑でありかつ大型で薄肉であるために、精密鋳造法により製造することが知られている。
しかし、この大型ロケットに使用する燃料の液体水素を供給するためのバルブは、形状が複雑で大型かつ薄肉であり、しかもＮｉ基超合金などの高融点金属を鋳造して作製するところから、引け巣、ポロシティーなどの鋳造欠陥が発生しやすく、そのために通常よりも大きな押し湯または多くの押し湯を設けて引け巣、ポロシティーなどの鋳造欠陥が発生するのを阻止している。
ところが、引け巣およびポロシティーの生成を防止するために押し湯を大きくしまたは押し湯の数を増やして鋳造すると、高価な高融点Ｎｉ基超合金の多くが押し湯の形成に費やされ、材料の歩留まり（溶湯量に対する製品重量の比）が低下してコストが上昇する。
そのため、高融点金属であるＮｉ基超合金の溶湯を鋳込んだのち鋳型内の溶湯を凝固させる際に鋳型内の溶湯を一部から順にある特定の意図した方向に向かって凝固させ、最後に押し湯部分の溶湯を凝固させ、それによって、小さな押し湯であっても、また押し湯の数を少なくしても引け巣、ポロシティーの生成を少なくしようとしている。この鋳造方法を図３および図４に基づいて説明する。図３は従来の鋳型を示す断面図であり、図４は図３のＡ方向から見た側面図である。図３および図４に示されるように、開口空洞部６を有する中空ドラム形状の精密鋳造鋳型１における開口空洞部６の上半分までの外面を断熱材２で被覆し、かかる状態でＮｉ基超合金溶湯を押し湯部分３から湯口４を通して鋳型１のキャビティ５に鋳込むと、精密鋳造鋳型１内のキャビティ５内に鋳込まれたＮｉ基超合金溶湯は、精密鋳造鋳型の上半分が断熱材２で被覆されているために、精密鋳造鋳型の開口空洞部６下半分に鋳込まれた溶湯から凝固を始め、順次精密鋳造鋳型の上方に向かって凝固し、最後に押し湯部分３の溶湯が凝固し、そのために鋳物に発生する引け巣、ポロシティーの生成が少なくなる。このとき押し湯３を大きくしまたは押し湯３の数を増やして鋳造すると、高価な高融点Ｎｉ基超合金の多くが押し湯の形成に使用され、材料の歩留まり（溶湯量に対する製品重量の比）が低下してコストが上昇する。
前記精密鋳造鋳型はいろいろな方法で作製することができるが、少量である場合はロストワックス法（非特許文献１参照）で作製することが好ましい。
杉山正孝編「鋳造技術の基礎」Ｐ１５４〜１５９、（財）総合鋳物センター（昭和５３年発行）

しかし、Ｎｉ基超合金のような高融点金属を開口空洞部６の上半分が断熱材２で被覆されている精密鋳造鋳型に鋳造して大型ロケットにおける燃料の液体水素を供給するための形状が複雑で大型かつ薄肉であるバルブを製造しようとしても、バルブのフランジのような肉厚部には引け巣が発生し、薄肉部にはポロシティーが発生するのを完全に阻止することは難しく、したがって、Ｎｉ基超合金を精密鋳造して形状が複雑で大型かつ薄肉であるバルブのような中空ドラム形状鋳物を歩留まりよく製造することは難しかった。

そこで、本発明者らは、引け巣、ポロシティーが生成することなく形状が複雑で大型かつ薄肉のバルブのような中空ドラム形状鋳物をＮｉ基超合金のような高融点金属で精密鋳造により作製する方法を開発すべく研究を行った。

その結果、図１の断面図および図２のＡ方向から見た側面図に示されるように、精密鋳造鋳型１の開口空洞部６の上半分を断熱材２で被覆した精密鋳造鋳型１の開口空洞部６の開口部に断熱材２を充填して開口空洞部６を密閉し、かかる状態で高融点金属溶湯を押し湯部分３に注入し、湯口４を通して鋳型１のキャビティ５に高融点金属溶湯を鋳込むと、得られた精密鋳造鋳物に引け巣、ポロシティーの発生が皆無となり、歩留まりが向上する、という知見を得たのである。

この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、
（１）中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための開口空洞部６を有する鋳型であって、前記鋳型の開口空洞部上半分まで外面を断熱材２で被覆しかつ前記開口空洞部６の開口部を断熱材２で塞いだ構造を有する高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型、
（２）前記中空ドラム形状鋳物は、バルブである前記（１）記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型、
（３）前記高融点金属は、Ｎｉ基超合金である前記（１）または（２）記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型、に特徴を有するものである。

この発明の前記（１）〜（３）記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型を用いると、高融点金属溶湯で特に形状が複雑で大型かつ薄肉のバルブのような中空ドラム形状鋳物を歩留まり良く精密鋳造することができる。したがって、この発明は、
（４）中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための開口空洞部を有する鋳型であって、前記鋳型の開口空洞部上半分まで外面を断熱材で被覆しかつ前記開口空洞部の開口部を断熱材で塞いだ構造を有する鋳型に、高融点金属溶湯を鋳造する高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法。
（５）前記中空ドラム形状鋳物は、バルブである前記（４）記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法、
（６）前記高融点金属は、Ｎｉ基超合金である前記（４）または（５）記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法、に特徴を有するものである。

この発明の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型を用いて精密鋳造すると、高融点金属であるＮｉ基超合金でバルブのような中空ドラム形状鋳物を引け巣、ポロシティーが発生することなく製造することができるので、Ｎｉ基超合金製バルブを歩留まりよく製造することができる。

ロストワックス法により最大厚さ：３０ｍｍ、最小厚さ：５ｍｍのキャビティを有し、中央に開口空洞部を有するロストワックス鋳型を作製し、この鋳型の開口空洞部の上半分まで断熱材であるカオウール（商品名）を被覆した図３〜４に示される従来の精密鋳造鋳型を作製した。
さらに、インコネル７１８（成分組成:Ｃｒ：１２．５質量％、Ｍｏ：４．２質量％、Ｎｂ：２．０質量％、Ａｌ：６．０質量％、Ｃ：０．１質量％を含有し、残部：Ｎｉおよび不可避不純物）を溶解し、Ｎｉ基超合金溶湯を作製した。
実施例１
図３〜４に示される鋳型の開口空洞部の上半分までカオウール（商品名）を被覆した従来の精密鋳造鋳型の開口空洞部に、さらにカオウール（商品名）を充填して図１〜２に示されるようにカオウール（商品名）で開口空洞部を塞いだのち、用意したＮｉ基超合金溶湯を精密鋳造鋳型に鋳造してバルブを作製した。得られたバルブの内部に引け巣、ポロシティーが発生しているか否かを透過Ｘ線装置を用いて検査した結果、バルブの内部に引け巣、ポロシティーの発生は検出されなかった。
従来例１
図３〜４に示される鋳型の開口空洞部の上半分までカオウール（商品名）を被覆した従来の精密鋳造鋳型に、用意したＮｉ基超合金溶湯を鋳造してバルブを作製した。得られたバルブの内部に引け巣、ポロシティーが生成しているか否か透過Ｘ線装置を用いて検査した結果、１個の引け巣、２０個のポロシティーが検出され、不良品となった。

この発明の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法で使用する精密鋳造鋳型の断面説明図である。 この発明の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法で使用する精密鋳造鋳型の図１におけるＡ方向から見た側面図である。 従来の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法で使用する精密鋳造鋳型の断面説明図である。 従来の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法で使用する精密鋳造鋳型の図３におけるＡ方向から見た側面図である。

符号の説明

１：精密鋳造鋳型、２：断熱材、３：押し湯、４：湯口、５：キャビティ、６：開口空洞部。

Claims (6)

1. 中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための開口空洞部を有する鋳型であって、前記鋳型の開口空洞部上半分まで外面を断熱材で被覆しかつ前記開口空洞部の開口部を断熱材で塞いだ構造を有することを特徴とする高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型。
2. 前記中空ドラム形状鋳物は、バルブであることを特徴とする請求項１記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型。
3. 前記高融点金属は、Ｎｉ基超合金であることを特徴とする請求項１または２記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための鋳型。
   
4. 中空ドラム形状鋳物を精密鋳造するための開口空洞部を有する鋳型であって、前記鋳型の開口空洞部上半分まで外面を断熱材で被覆しかつ前記開口空洞部の開口部を断熱材で塞いだ構造を有する鋳型に、高融点金属溶湯を鋳造することを特徴とする高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法。
5. 前記中空ドラム形状鋳物は、バルブであることを特徴とする請求項４記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法。
6. 前記高融点金属は、Ｎｉ基超合金であることを特徴とする請求項４または５記載の高融点金属製中空ドラム形状鋳物の精密鋳造方法。

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