JP2011115824A

JP2011115824A - 鋳造方法

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Publication number: JP2011115824A
Application number: JP2009276311A
Authority: JP
Inventors: Yuriko Saito; 侑里子齋藤; Akihiko Kimazuka; 明彦木間塚; Yasunari Kuroki; 康徳黒木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: JP5598649B2

Abstract

【課題】鋳造施設の大型化及び鋳造コストの増加を招くことなく、品質に優れた鋳造品を得ることが可能である鋳造方法を提供する。
【解決手段】内部に鋳造空間を有する鋳型１に溶湯金属を注湯して鋳造を行うに際して、鋳型１には、少なくとも冷却を早めたい部分１ａが設定され、鋳型１の冷却を早めたい部分１ａのふく射率が、該冷却を早めたい部分１ａを除く部分のふく射率よりも高く設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋳造方法に係わり、特に品質の良い精密鋳造品を製造するのに好適な鋳造方法に関するものである。

従来、上記した精密鋳造品の鋳造方法としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあり、この鋳造方法では、内部に鋳造空間を有する鋳型に対して溶湯金属を注湯し、溶湯金属の凝固後に型ばらしを行うことで、精密鋳造品を得るようになっている。

この鋳造方法において、鋳型における鋳造空間の形状に起因する引け巣等の欠陥が生じるのを防ぐべく、鋳型の近傍に冷却装置や加熱装置を設けて、緩冷却による欠陥の発生が予想される部分は冷却装置で冷却する一方で、急冷却による欠陥の発生が予想される部分は加熱装置で加熱するようにしている。

特開2000-301322号公報

ところが、上記した従来の鋳造方法では、鋳型の近傍に冷却装置や加熱装置を設けることで、鋳型の鋳造空間の形状による引け巣等の欠陥が生じるのを防ぐことができるものの、鋳型の近傍に冷却装置や加熱装置を設ける分だけ、鋳造設備の大型化及び鋳造コストの増加を招いてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、鋳造設備の大型化及び鋳造コストの増加を招くことなく、品質の高い鋳造品を得ることが可能である鋳造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る鋳造方法は、内部に鋳造空間を有する鋳型に溶湯金属を注湯して鋳造を行うに際して、前記鋳型には、少なくとも冷却を早めたい部分が設定され、前記鋳型の冷却を早めたい部分のふく射率が、該冷却を早めたい部分を除く部分のふく射率よりも高く設定されている構成としたことを特徴としており、この構成の鋳造方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る鋳造方法において、鋳型の冷却を早めたい部分のふく射率を、この冷却を早めたい部分を除く部分のふく射率よりも高くする手法としては、この冷却を早めたい部分の表面に対して、ふく射率が高い色、例えば黒色の着色加工を施す手法を採用することができる。

本発明に係る鋳造方法では、冷却を早めたい部分のふく射率を、この冷却を早めたい部分を除く部分のふく射率よりも高く設定した鋳型を用いて鋳造を行うので、鋳型に注湯された溶湯金属の凝固が期待通りに進行することとなり、その結果、鋳型の鋳造空間の形状に起因する引け巣等の欠陥が生じるのを回避し得ることとなる。
この際、鋳型の周りに冷却装置や加熱装置を設置して局部的に冷やしたり暖めたりする必要がないので、鋳造設備の大型化及び鋳造コストの増加も避け得ることとなる。

本発明に係る鋳造方法では、上記した構成としているので、鋳造設備の小型化及び鋳造コストの低減を実現したうえで、引け巣等の欠陥のない高品質の鋳造品を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係る一方向凝固鋳造方法で用いる鋳型の加熱炉内における配置状況を示す断面説明図である。図１に示した一方向凝固鋳造方法で用いる鋳型の斜視説明図（ａ）及び図２（ａ）円内部分における鋳造品の部分拡大説明図（ｂ）である。通常の一方向凝固鋳造方法で製造した鋳造品の欠陥発生位置を示す斜視説明図（ａ）及び図３（ａ）円内の部分拡大説明図（ｂ）である。本発明の一実施例に係る一方向凝固鋳造方法の効果を確かめるための解析用シミュレーションに用いる鋳型モデルの正面方向からの全体斜視説明図（ａ），背面方向からの全体斜視説明図（ｂ）及び温度測定点を示す鋳型モデルのカット断面説明図（ｃ）である。本発明の一実施例に係る一方向凝固鋳造方法のシミュレーション解析結果を示す温度曲線図（ａ）及び通常の鋳造方法のシミュレーション解析結果を示す温度曲線図（ｂ）である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係る鋳造方法の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る鋳造方法を精密鋳造品として耐熱超合金から成るタービンブレードを製造する一方向凝固鋳造方法に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この一方向凝固鋳造方法は、内部に鋳造空間を有する鋳型１を加熱炉２内に収容して行う鋳造方法であり、耐熱超合金の溶湯の酸化汚染を防止するために、加熱炉２内は真空又は不活性ガス雰囲気に保たれる。
鋳型１の鋳造空間の図示しない上端開口部は湯口であり、鋳造空間の図示しない下端開口部は水冷板３上に接した状態で固定される。この水冷板３は図示しない駆動機構により適宜速度で昇降可能となっており、鋳型１は加熱炉２とこの加熱炉２の下方に位置する冷却ゾーン４との間を行き来する。
また、この鋳型１は、鋳造空間内に注湯された溶湯金属が凝固しないように、加熱炉２内においてふく射加熱を受けて、耐熱超合金の凝固開始温度以上に保たれるようになっている。

この一方向凝固鋳造方法では、まず、下降位置にある水冷板３上に鋳型１を下端開口部が接するようにして固定した後、駆動機構により水冷板３を上昇させ、真空加熱炉２内に鋳型１をセットしてふく射加熱を開始する（図１に示す状態）。

次いで、水冷板３上の鋳型１が溶湯金属の凝固温度以上に加熱された時点で、鋳型１の上部湯口から溶湯金属を注湯し、鋳型１内の溶湯金属の均熱化ないしは意図的な温度勾配設定のためにふく射加熱状態を維持する。

そして、所定時間が経過した段階において、図１の矢印に示すように、駆動機構により水冷板３を下降させて鋳型１を加熱炉２から所定の速度で下方に引き抜き、鋳型１の鋳造空間内の溶湯金属を下から上に向けて順次凝固させる。

上記した一方向凝固鋳造方法において、駆動機構による鋳型１の加熱炉２からの引き抜き速度を制御することで、大方の場合品質の良いタービンブレードを製造することができるが、図３に示すように、タービンブレードＢのクリスマスツリーなどと呼称される根元の凸部Ｂａ（簡略的に示す）には、その形状の複雑さに起因して、引け巣などの欠陥ＮＧが生じる可能性がある。なお、このような欠陥ＮＧが生じる位置は、新山パラメータという評価基準などに基づいて予測される。

このような欠陥が生じるのを回避するべく、この実施例では、図２（ａ）に示すように、鋳型１の欠陥の発生が予測される部分を、冷却を早めたい部分１ａとして設定し、この冷却を早めたい部分１ａの表面に黒色の着色加工を施すようにしている。
すなわち、鋳型１の冷却を早めたい部分１ａのふく射率が、この冷却を早めたい部分１ａを除く部分のふく射率よりも高くなるようにしている。

このように、上記した一方向凝固鋳造方法では、冷却を早めたい部分１ａのふく射率を、この冷却を早めたい部分１ａを除く部分のふく射率よりも高く設定した鋳型１を用いて鋳造を行うことから、鋳型１に注湯された溶湯金属の凝固形態を思惑通りにコントロールすることができ、したがって、図２（ｂ）に示すように、タービンブレードＢの根元の凸部Ｂａに生じる欠陥リスクが減ることとなる。

この際、鋳型１の周りに冷却装置や加熱装置を配置して局部的冷却や局部的加熱を行う必要がないので、鋳造施設が大型化したり鋳造コストが増加したりするのを阻止し得ることとなる。

そこで、上記した一方向凝固鋳造方法の効果を確かめるために、図４（ａ），（ｂ）に示すように、板状の鋳型本体１２の正面１２ａに黒色の着色加工を施して、この正面１２ａのふく射率を、鋳型本体１２の背面１２ｂを含む他の部分のふく射率よりも高くした鋳型モデル１１を設定して、一方向凝固鋳造のシミュレーションを行った。これとともに、鋳型本体１２の正面１２ａに黒色の着色加工を施していない鋳型モデル１１を設定して、通常の一方向凝固鋳造方法のシミュレーションを併せて行った。

これらのシミュレーションにおいて、加熱炉内温度を約１５００℃、鋳型モデル１１の加熱炉からの引き抜き速度を約１５０ｍｍ／ｈ、鋳型モデル１１における黒色の着色加工を施した部位のふく射率（解析設定値）を１．０、鋳型モデル１１における黒色の着色加工を施した部位を除く部位のふく射率（解析設定値）を０．５とした。
また、図４（ｃ）に示すように、鋳型モデル１１の内部において、鋳型本体１２の背面１２ｂ側の２点Ａ−１，Ｂ−１及び正面１２ａ側の２点Ａ−２，Ｂ−２を温度測定点とし、この際、背面１２ｂ側の温度測定点Ａ−１と正面１２ａ側の温度測定点Ａ−２を同一高さとし、背面１２ｂ側の温度測定点Ｂ−１と正面１２ａ側の温度測定点Ｂ−２も同一高さとした。

図５（ｂ）に示す通常の一方向凝固鋳造方法のシミュレーション解析結果による温度曲線図では、鋳型本体１２の正面１２ａ側及び背面１２ｂ側における同一高さの温度測定点では、測定温度にほとんど差は生じていない。

これに対して、図５（ａ）に示す本実施例に係る一方向凝固鋳造方法のシミュレーション解析結果による温度曲線図では、同一高さの温度測定点、すなわち、温度測定点Ａ−１，Ａ−２、及び、温度測定点Ｂ−１，Ｂ−２において、いずれもふく射率を高くした側の温度測定点Ａ−２，Ｂ−２による測定温度が３０℃程度低くなっていることが判り、これらの解析結果から、本実施例に係る一方向凝固鋳造方法が通常の一方向凝固鋳造方法と比べて、鋳型を局部的に冷却し得ることが立証できた。

上記した実施例では、タービンブレードを製造する一方向凝固鋳造方法に本発明に係る鋳造方法を適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、通常の大気鋳造方法にも適用することができる。
また、本発明に係る鋳造方法の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。

１鋳型
１ａ冷却を早めたい部分
２加熱炉
Ｂタービンブレード（精密鋳造品）

Claims

内部に鋳造空間を有する鋳型に溶湯金属を注湯して鋳造を行うに際して、
前記鋳型には、少なくとも冷却を早めたい部分が設定され、前記鋳型の冷却を早めたい部分のふく射率が、該冷却を早めたい部分を除く部分のふく射率よりも高く設定されている
ことを特徴とする鋳造方法。