JP2009279628A - Unidirectional solidification casting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一方向凝固(柱状晶、単結晶)精密鋳造品を製作する為の一方向凝固鋳造装置に関するものである。 The present invention relates to a unidirectional solidification casting apparatus for producing a unidirectional solidification (columnar crystal, single crystal) precision casting product.
航空機や発電用タービンに用いられるブレード等は、精密部品であると共に高温下での強度が要求され、高強度、精密部品を製作する装置として一方向凝固鋳造装置がある。 Blades and the like used in aircraft and power generation turbines are precision parts and require high-temperature strength, and there is a unidirectional solidification casting apparatus as an apparatus for producing high-strength and precision parts.
一方向凝固鋳造装置は、鋳型にニッケル合金等の溶融金属(湯)を注入し、鋳型が真空容器内で加熱領域から冷却領域に徐々に移動され、移動方向に連続した単結晶を成長させつつ凝固させている。内部組織を単結晶とすることで、高温下でも高強度の鋳造品が得られる。 A unidirectional solidification casting apparatus injects molten metal (hot water) such as nickel alloy into a mold, and the mold is gradually moved from a heating area to a cooling area in a vacuum vessel to grow a continuous single crystal in the moving direction. It is solidified. By making the internal structure a single crystal, a high-strength cast product can be obtained even at high temperatures.
従来の一方向凝固鋳造装置としては、特許文献1に示されるものがある。
As a conventional unidirectional solidification casting apparatus, there is one disclosed in
真空容器内に下方が開口する加熱室が設けられ、該加熱室は鋳型を収納可能となっており、該鋳型は昇降台を兼ねる冷却プレートに載置され、前記冷却プレート上に、同心円内に等間隔で所要数立設され、湯口より放射状に延出する湯道が前記鋳型に連通している。又、前記昇降台が昇降することで、鋳型が加熱室内に下側から装脱される様になっている。 A heating chamber having a lower opening is provided in the vacuum container, and the heating chamber can store a mold, and the mold is placed on a cooling plate that also serves as a lift, and is concentrically placed on the cooling plate. A required number of runners installed at equal intervals and extending radially from the gate communicate with the mold. Also, the mold is removed from the lower side of the heating chamber by raising and lowering the lifting platform.
前記加熱室内は加熱領域であり、前記開口の下側には冷却リングが設けられ、開口を加熱冷却境界として下方が冷却領域となっている。前記加熱領域では輻射熱によって鋳型を周囲より加熱し、冷却領域では冷却リングにより鋳型を周囲から冷却している。 The heating chamber is a heating region, a cooling ring is provided below the opening, and the cooling region is provided below the opening as a heating / cooling boundary. In the heating area, the mold is heated from the surroundings by radiant heat, and in the cooling area, the mold is cooled from the surroundings by a cooling ring.
前記加熱室内に収納された鋳型が、所定温度に加熱された状態で、湯口より湯が注入され、湯道を介して前記鋳型内に湯が充填される。 In a state where the mold stored in the heating chamber is heated to a predetermined temperature, hot water is poured from the pouring gate, and hot water is filled into the mold through the runner.
前記昇降台が、低速度で降下し、鋳型が加熱冷却境界より下方に引出されることで、冷却リングにより冷却され、引出された部分から単結晶を成長させつつ徐々に冷却される様になっている。 The elevator is lowered at a low speed, and the mold is drawn below the heating / cooling boundary, so that it is cooled by the cooling ring and gradually cooled while growing a single crystal from the drawn part. ing.
上記した様に、鋳型は加熱室で周囲から輻射熱によって加熱され、境界を越えた冷却領域では、外周から冷却される。徐冷し、柱状晶又は単結晶を成長させるには、加熱領域と冷却領域の境界が明確であり、又半径方向で温度分布差が生じないことが好ましい。 As described above, the mold is heated by radiant heat from the surroundings in the heating chamber, and is cooled from the outer periphery in the cooling region beyond the boundary. In order to slowly cool and grow columnar crystals or single crystals, it is preferable that the boundary between the heating region and the cooling region is clear and that no temperature distribution difference occurs in the radial direction.
ところが、加熱室へは開口を介して装脱される為、開口からの熱輻射が有る。この為、鋳型の冷却領域に移動した部分の内側が、開口からの熱輻射によって加熱される状態となる。この為、加熱領域と冷却領域の境界が不明瞭となると共に半径方向で温度差を生じてしまい、柱状晶又は単結晶成長の阻害要因となっていた。 However, since the heating chamber is loaded and unloaded through the opening, there is heat radiation from the opening. For this reason, the inside of the part which moved to the cooling area | region of the casting_mold | template will be in the state heated by the thermal radiation from opening. For this reason, the boundary between the heating region and the cooling region becomes unclear and a temperature difference is generated in the radial direction, which is an impediment to columnar crystal or single crystal growth.
本発明は斯かる実情に鑑み、一方向凝固鋳造装置に於いて、加熱領域と冷却領域との境界が明確であり、又加熱時、冷却時で半径方向の温度差を解消した一方向凝固鋳造装置を提供するものである。 In view of such circumstances, the present invention provides a unidirectional solidification casting apparatus in which a boundary between a heating region and a cooling region is clear and a temperature difference in the radial direction is eliminated during heating and cooling. A device is provided.
本発明は、円筒状の外部加熱手段の中心部に同心に内筒を設け、該内筒と前記外部加熱手段との間に円筒状の空間を形成し、該空間に所要数の鋳型を収納可能とし、該鋳型はリング状の鋳型支持台に円周方向に配置され、前記内筒は前記外部加熱手段からの輻射熱が中心部を貫通することを遮断し、昇降装置により前記鋳型支持台を昇降させ、前記鋳型を前記空間に装脱可能であり、前記鋳型には上昇位置で注湯可能であり、前記昇降装置は注湯された前記鋳型を降下させ、溶湯を一方向に凝固可能とした一方向凝固鋳造装置に係るものである。 In the present invention, an inner cylinder is provided concentrically in the center of a cylindrical external heating means, a cylindrical space is formed between the inner cylinder and the external heating means, and a required number of molds are stored in the space. The mold is arranged circumferentially on a ring-shaped mold support base, the inner cylinder blocks radiant heat from the external heating means from penetrating through the center portion, and the mold support base is The mold can be moved up and down, the mold can be inserted into and removed from the space, and the mold can be poured in a raised position, and the lifting device can lower the poured mold and solidify the molten metal in one direction. The unidirectional solidification casting apparatus.
又本発明は、前記内筒の内部に発熱体を設け、内部加熱手段を構成した一方向凝固鋳造装置に係るものである。 The present invention also relates to a unidirectional solidification casting apparatus in which a heating element is provided inside the inner cylinder to constitute an internal heating means.
又本発明は、前記外部加熱手段から下方に向って外部冷却手段を設け、前記内筒から下方に向って下部内筒が設けられ、前記外部加熱手段の下端を境界として上方に加熱領域、下方に冷却領域が形成され、前記下部内筒は前記加熱領域からの輻射熱が前記冷却領域に到達することを遮断する様構成した一方向凝固鋳造装置に係るものである。 In the present invention, an external cooling means is provided downward from the external heating means, a lower inner cylinder is provided downward from the inner cylinder, and a heating region is provided above the lower end of the external heating means as a boundary. A cooling region is formed, and the lower inner cylinder relates to a unidirectional solidification casting apparatus configured to block radiation heat from the heating region from reaching the cooling region.
又本発明は、前記下部内筒の内部に冷却媒体を流通させる内冷却コイルを設け、内部冷却手段を構成した一方向凝固鋳造装置に係るものである。 Further, the present invention relates to a unidirectional solidification casting apparatus in which an internal cooling coil for circulating a cooling medium is provided inside the lower inner cylinder, and an internal cooling means is configured.
更に又本発明は、前記鋳型の上端をリング状の湯道で連通し、該湯道の所要位置に湯口を設け、該湯口、前記湯道を介して複数の鋳型に注湯可能とした一方向凝固鋳造装置に係るものである。 Furthermore, in the present invention, the upper end of the mold is communicated with a ring-shaped runner, a pouring gate is provided at a required position of the runner, and pouring into a plurality of molds is possible through the pouring gate and the runner. The present invention relates to a directional solidification casting apparatus.
本発明によれば、円筒状の外部加熱手段の中心部に同心に内筒を設け、該内筒と前記外部加熱手段との間に円筒状の空間を形成し、該空間に所要数の鋳型を収納可能とし、該鋳型はリング状の鋳型支持台に円周方向に配置され、前記内筒は前記外部加熱手段からの輻射熱が中心部を貫通することを遮断し、昇降装置により前記鋳型支持台を昇降させ、前記鋳型を前記空間に装脱可能であり、前記鋳型には上昇位置で注湯可能であり、前記昇降装置は注湯された前記鋳型を降下させ、溶湯を一方向に凝固可能としたので、前記内筒が輻射熱遮断手段として機能する。又、鋳型を円筒状の空間に配設する構成であるので、円筒の大径化により、配設する鋳型の数を増大させることが容易であり、生産性の向上が図れる。 According to the present invention, an inner cylinder is provided concentrically at the center of the cylindrical external heating means, a cylindrical space is formed between the inner cylinder and the external heating means, and a required number of molds are formed in the space. The mold is disposed on the ring-shaped mold support base in the circumferential direction, the inner cylinder blocks the radiant heat from the external heating means from penetrating through the center portion, and the mold support is supported by the lifting device. The platform can be moved up and down, the mold can be inserted into and removed from the space, and the mold can be poured at a raised position. The lifting device can lower the poured mold and solidify the molten metal in one direction. Since it is possible, the inner cylinder functions as a radiant heat blocking means. Further, since the mold is arranged in a cylindrical space, it is easy to increase the number of molds to be arranged by increasing the diameter of the cylinder, and the productivity can be improved.
又本発明によれば、前記内筒の内部に発熱体を設け、内部加熱手段を構成したので、鋳型を内外から加熱可能となり、鋳型の加熱時間が短縮し、生産性が向上する。又、一方向凝固鋳造装置の大型化に対応可能となる。又、径方向の温度分布が解消される。 According to the present invention, since the heating element is provided inside the inner cylinder and the internal heating means is configured, the mold can be heated from inside and outside, the heating time of the mold is shortened, and the productivity is improved. Moreover, it becomes possible to cope with an increase in size of the unidirectional solidification casting apparatus. In addition, the temperature distribution in the radial direction is eliminated.
又本発明によれば、前記外部加熱手段から下方に向って外部冷却手段を設け、前記内筒から下方に向って下部内筒が設けられ、前記外部加熱手段の下端を境界として上方に加熱領域、下方に冷却領域が形成され、前記下部内筒は前記加熱領域からの輻射熱が前記冷却領域に到達することを遮断する様構成したので、加熱領域と冷却領域の境界が明確になり、又径方向の温度分布が解消されるので、一方向凝固の達成が容易となる。 Further, according to the present invention, an external cooling means is provided downward from the external heating means, a lower inner cylinder is provided downward from the inner cylinder, and a heating region is formed upward with the lower end of the external heating means as a boundary. The cooling region is formed below, and the lower inner cylinder is configured to block the radiant heat from the heating region from reaching the cooling region, so that the boundary between the heating region and the cooling region becomes clear and the diameter Since the directional temperature distribution is eliminated, it is easy to achieve unidirectional solidification.
又本発明によれば、前記下部内筒の内部に冷却媒体を流通させる内冷却コイルを設け、内部冷却手段を構成したので、冷却領域では鋳型の内外から冷却が行え、径方向の温度分布が解消されるので、一方向凝固の達成が容易となる。 Further, according to the present invention, the inner cooling coil for circulating the cooling medium is provided inside the lower inner cylinder, and the inner cooling means is configured. Therefore, cooling can be performed from the inside and outside of the mold in the cooling region, and the temperature distribution in the radial direction is increased. Since this is eliminated, it is easy to achieve unidirectional solidification.
更に又本発明によれば、前記鋳型の上端をリング状の湯道で連通し、該湯道の所要位置に湯口を設け、該湯口、前記湯道を介して複数の鋳型に注湯可能としたので、中央部に障害物が有った場合も注湯が可能となり、更に鋳型1個当りの湯道の長さは、鋳型を増やした場合も、変ることがなく、溶湯の消費量を少なくできると共に、一方向凝固鋳造装置の大型化に対応可能である等の優れた効果を発揮する。 Furthermore, according to the present invention, the upper end of the mold is communicated with a ring-shaped runner, a pouring gate is provided at a required position of the runner, and pouring can be performed on a plurality of molds via the pouring gate and the runner. Therefore, even when there is an obstacle in the center, pouring can be performed, and the length of the runner per mold does not change even when the number of molds is increased. In addition to being able to reduce the number, the excellent effect of being able to cope with an increase in size of the unidirectional solidification casting apparatus is exhibited.
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1、図2は、本発明が実施される一方向凝固鋳造装置の一例の概略を示している。 1 and 2 schematically show an example of a unidirectional solidification casting apparatus in which the present invention is implemented.
図中、1は真空容器であり、該真空容器1には図示しない真空排気装置が接続され、真空容器1内部を真空状態に排気できる様になっている。
In the figure,
前記真空容器1の所要高さには、中央に円形の開口2が穿設されたリング状の棚板3が設けられ、該リング状の棚板3に加熱手段と冷却手段を一体化した円筒状の加熱・冷却ユニット4が設置されている。以下に、該加熱・冷却ユニット4を説明する。
The required height of the
冷却板を兼ねる支持筒5が前記開口2と同心に設けられ、前記支持筒5の上端にリング形状の外遮蔽フランジ6が設けられ、該外遮蔽フランジ6を介在して前記支持筒5と同径の外筒7が前記支持筒5と同一中心線上に設けられる。前記外遮蔽フランジ6は、前記支持筒5の内径側、外径側の両方に張出している。ここで、前記支持筒5には、比較的熱伝導率の高いステンレス・スチール等の耐熱鋼が用いられ、前記外遮蔽フランジ6には輻射特性の高いカーボン等が用いられ、前記外筒7には輻射特性の高いカーボン等が使用される。
A
前記外筒7の内部に、該外筒7と同心に内筒8が配設され、前記外筒7、前記内筒8とは2重筒構造を形成し、前記外筒7と前記内筒8との間には空間10が形成される。前記外筒7と前記内筒8の上端には天井板11が設けられ、前記内筒8は前記天井板11に支持され、前記空間10は前記天井板11によって上端が閉塞される。
An
該天井板11の中心部には前記内筒8の内径と同径の中空孔12が形成されている。前記内筒8の下側には内遮蔽フランジ13を介して下部内筒14が連設されている。前記内遮蔽フランジ13は図示ではリング形状となっているが中実の円板であってもよい。又、前記下部内筒14の下端は、閉塞されているが、開放されていてもよい。
A
尚、前記内筒8の材質は、前記外筒7と同様カーボンが用いられ、前記下部内筒14には前記支持筒5と同様、ステンレス・スチール等が用いられ、前記天井板11はステンレス・スチール等が用いられ、前記内遮蔽フランジ13にはカーボン等が用いられる。
The material of the
前記外筒7の外周側には発熱体である加熱コイル、例えば外部誘導加熱コイル15が設けられ、前記内筒8の内周側には発熱体である加熱コイル、例えば内部誘導加熱コイル16が設けられ、前記外部誘導加熱コイル15、前記内部誘導加熱コイル16はそれぞれ高周波電源(図示せず)に接続され、独立して高周波電力が供給可能となっている。前記外筒7、前記外部誘導加熱コイル15は、外部加熱手段9を構成し、前記内筒8、前記内部誘導加熱コイル16は内部加熱手段19を構成する。
A heating coil that is a heating element, such as an external
尚、前記外部誘導加熱コイル15、前記内部誘導加熱コイル16は抵抗発熱コイルであってもよい。
The external
前記支持筒5の上端部の外周側に外冷却コイル17が設けられ、前記下部内筒14の内側には内冷却コイル18が設けられている。前記外冷却コイル17、前記内冷却コイル18は、それぞれ中空管となっており、それぞれ冷却源(図示せず)に接続され、前記外冷却コイル17、前記内冷却コイル18には冷却源より冷媒、例えば水が流通される様になっている。前記支持筒5、前記外冷却コイル17は、外部冷却手段28を構成し、前記下部内筒14、前記内冷却コイル18は、内部冷却手段29を構成する。
An
前記内筒8、前記下部内筒14は、前記外部加熱手段9からの輻射熱が中心部を貫通することを遮断する、輻射熱遮蔽手段としても機能する。
The
図示しない昇降装置によって昇降される昇降ベース21には複数本(図示では2本)の支柱20を介してリング形状の鋳型支持台22(銅製)が支持され、該鋳型支持台22には所要数の鋳型23が円周上に立設されており、前記鋳型23の上端に掛渡ってリング状の湯道24が設けられ、該湯道24と前記鋳型23の内部とは連通している。前記湯道24の所要位置には湯口25が設けられ、前記天井板11の前記湯口25に対応する位置に、湯注入窓26が形成され、該湯注入窓26は図示しない蓋によって開閉可能となっている。
A ring-shaped mold support 22 (made of copper) is supported on a
前記鋳型支持台22が図示しない昇降装置によって上昇された状態では、前記外遮蔽フランジ6の下面に、当接或は略当接する状態となる。
When the
以下、本発明に係る一方向凝固鋳造装置の作用について説明する。 Hereinafter, the operation of the unidirectional solidification casting apparatus according to the present invention will be described.
前記鋳型支持台22が上昇された状態で、前記外部誘導加熱コイル15、前記内部誘導加熱コイル16に高周波電力が供給され、前記外筒7、前記内筒8が加熱され、前記外筒7、前記内筒8を介して前記鋳型23が加熱される。該鋳型23は、前記外部加熱手段9と前記内部加熱手段19によって内外から加熱され、昇温速度が増大し、加熱時間の短縮化が図れる。又、内外の温度差、即ち径方向の温度分布が解消される。
With the
前記鋳型23が所定温度、例えば湯の温度に達すると、所定時間維持され、更に前記湯注入窓26が開放され、前記湯口25より湯が注入される。湯は、前記湯道24を通って、各鋳型23に充填される。尚、前記外冷却コイル17、前記内冷却コイル18には冷却水が流通され、前記支持筒5の上部、前記下部内筒14が冷却されており、前記外遮蔽フランジ6を境として、下側は冷却領域となっている。
When the
注湯が完了すると、前記湯注入窓26が蓋によって閉塞され、図示しない昇降装置により前記鋳型23の降下(鋳型の引抜き)が開始される。降下の速度は、湯が凝固する際に一方向凝固させる降温速度となる様に設定される。
When pouring is completed, the hot
前記鋳型23の降下により、該鋳型23の下側から前記外遮蔽フランジ6を境とした冷却領域に移行し、徐冷される。
When the
上記した様に、前記下部内筒14が前記内冷却コイル18より下方に突出しているので、前記鋳型23の前記外遮蔽フランジ6、前記内遮蔽フランジ13を境として上側の部分は、前記外部誘導加熱コイル15、前記内部誘導加熱コイル16により外周から、内周からの両方から加熱され、又前記鋳型23の冷却領域に移行した部分は、前記外冷却コイル17、前記内冷却コイル18により外周から、内周からの両方から冷却される。
As described above, since the lower
更に、冷却位置に突出した前記下部内筒14は、中心部を通って前記鋳型23に到達する前記外筒7からの輻射熱を遮断し、又前記外遮蔽フランジ6の内側部分は、前記外筒7による前記外冷却コイル17部分への熱輻射を遮断する。更に、前記内筒8から前記鋳型23への輻射熱は前記内遮蔽フランジ13によって遮断される。
Further, the lower
従って、前記外遮蔽フランジ6、前記内遮蔽フランジ13を境として、下側は加熱領域の影響を受けない、或は影響の極めて少ない冷却領域が形成され、加熱領域と冷却領域の明確な境界が形成される。
Accordingly, a cooling region is formed on the lower side that is not affected by the heating region or very little affected by the
又、冷却領域では、前記内冷却コイル18により内側からも冷却されており、半径方向の温度分布も均一化される。
Further, in the cooling region, the
尚、前記内遮蔽フランジ13、前記下部内筒14による輻射熱の遮断効果は明確であり、前記内部誘導加熱コイル16、前記内冷却コイル18を省略することも可能である。
It should be noted that the effect of blocking radiant heat by the
又、内筒8を形成し、該内筒8の周囲に鋳型23を配設する構成であるので、内筒を大きくすることで大型化が可能であり、大型化した場合にも、前記鋳型23は外側からと、内側から加熱、冷却されるので、加熱冷却の状態は変化がなく、又湯道24が大径化したとしても、該湯道24は前記鋳型23によって支持され、支持される間隔は同一、同等とすることができる。又、鋳型1個当りの湯道の長さは、大型化した場合も同一とすることができ、使用する湯の量を節約できる。
Further, since the
従って、設置する鋳型23の数を増大させることができ、生産性の向上が図れ、又鋳造品1個当りの製作コストの低減が図れる。
Therefore, the number of
1 真空容器
4 加熱・冷却ユニット
6 外遮蔽フランジ
7 外筒
8 内筒
9 外部加熱手段
11 天井板
13 内遮蔽フランジ
14 下部内筒
15 外部誘導加熱コイル
16 内部誘導加熱コイル
17 外冷却コイル
18 内冷却コイル
19 内部加熱手段
22 鋳型支持台
23 鋳型
24 湯道
25 湯口
26 湯注入窓
28 外部冷却手段
29 内部冷却手段
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