JP4008065B2 - 複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの型空隙部を備えた予加熱された複数の鋳型で複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する方法であって、中央の中空室を取り囲むように環状の冷却プレートに設けられた鋳型を、鋳込み終了後、凝固速度に基づき加熱室に対して鉛直方向に相対運動させることにより、連続的に該加熱室から引き出し、鋳造物を放熱により、固相線温度を下回る温度に冷却する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
“Proceedings of the 42nd Annual Technical Meeting 1994”（アメリカ合衆国ジョージア州 アトランタ ブックヘッド在 リッツ−カールトンホテル、１９９４年２月２５日〜２８日）において開示された、Hugo/Mayer/Singerの論文「液状金属冷却を使用する方向性・単結晶凝固（Directional and single Crystal solidification using Liquid Metal Cooling）」により、鋳造物の方向性凝固のための基本的に異なる２つの方法が公知である。すなわち、
ａ）冒頭で述べた方法に似た、放射冷却による、それも板状の閉じられた冷却プレートを用いた方法。
【０００３】
ｂ）冷却浴および熱導管に鋳型を浸入させることにより冷却する方法。
【０００４】
これらの両方法の間には明白な相異点がある。
【０００５】
ａ）の方法に基づく、放射冷却による方法が行われるような真空室を備えた装置は、ドイツ連邦共和国特許第４４１５８５５号明細書に記載されている。急傾斜の鉛直方向の温度勾配を形成することにより、鋳造物内に位相限界が固体状／液体状に形成される。この位相限界は、加熱室の下縁部に対する鋳造物の相対運動速度に基づき、下方から上方に向かってこれらの鋳造物を通って移動し、鋳造物の方向性凝固および／または単結晶凝固を生ぜしめる。
【０００６】
しかしながらこの場合、円板状の冷却プレートの縁部に環状に設けられた鋳型が、それらの熱エネルギを専ら外方に向かってのみ放射して真空室の壁に放出するという欠点が生じる。内方に向かって放出されたエネルギは少なくとも部分的に残りの鋳型に衝突して、これらの鋳型を加熱するか、またはそればかりか、個々の鋳型から何度も鋳型の間の中空室内で反射させられる。この結果、各鋳造物において、鉛直方向の温度勾配に加えて、比較的急傾斜の水平方向もしくは半径方向の温度勾配が生じてしまう。このような温度勾配は位相限界の特性に影響を与える。これにより、凝固速度が制限される。
【０００７】
さらに、加熱室内に設けられた加熱エレメントは、各鋳型もしくは各湯道の相互間隙を通って、鋳型の間の中空室内にそのエネルギーを放射するので、冷却作用は、鋳造物の既に凝固された領域からの放熱によって悪化される。これにより、全体的に見て、特に例えば相応に大きな横断面を有する長さの長いタービン羽根のような大きな鋳造部品を製造する場合には、生産速度が著しく損なわれる。
【０００８】
比較可能な、つまり一方の方法に基づく凝固の状況は、米国特許第４７７３４６７号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公告第２６５７５５１号明細書に開示された方法および装置においても生じる。このような方法および装置の場合、冷却プレートは閉じられているか、もしくは板状に形成されている。冷却プレートはドイツ連邦共和国特許出願公告第２６５７５５１号明細書によれば環状に形成されているものの、中心孔は、硬く挿入された支持ロッドの上端部によって閉鎖されている。この支持ロッドは鋳型の沈み込みのために役立つ。この支持ロッドによって熱導出を行わないようにすることが明白に記載されている。本発明の方法および装置の上位概念はこのドイツ連邦共和国特許出願公告第２６５７５５１号明細書に基づいたものである。
【０００９】
概念の異なるドイツ連邦共和国特許出願公開第２８１５８１８号明細書および既に述べたHugo/Mayer/Singerの論文により、複数の鋳型を備えた板状の急冷プレートを、温度勾配の傾斜度を高めるために、ｂ）の方法に基づき溶融金属（錫、アルミニウム）から成る冷却浴内に浸入させ、鋳型からの熱を熱導管を通して冷却浴内に導出することもさらに公知である。しかしながら前記ドイツ連邦共和国特許出願公開第２８１５８１８号明細書には、必要な真空内における錫の蒸発を阻止するために、冷却浴に絶縁プレートを浮遊させることが必要であることが記載されている。さらに、冷却浴のためのタンクは型からの熱を導入するので、予め規定された温度を維持するためには、上端部で冷却され、下端部で加熱されなければならない。必要な場合には温度均一性が撹拌装置によって強制的にもたらされなければならない。多数の鋳型には、このような方法および装置は適していないか、または、大きな手間のかかる装置を必要とする。特に、制御技術的な手間が極めて大きい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、浸漬浴なしで鉛直方向の温度勾配の傾斜度を高め、これにより方向性凝固および／または単結晶凝固された鋳造物の生産速度を上昇させ、しかもこの場合、半径方向もしくは水平方向の温度勾配の傾斜度を減じることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の方法では、方向性凝固中に、中空室内に進入する熱シンク(Waermesenke)に対して冷却プレートを連続的に相対運動させながら鋳型を運動させるようにした。
【００１２】
【発明の効果】
これにより上記課題は完全に解決される。すなわち、鉛直方向の温度勾配の傾斜度が高められ、これにより、方向性凝固されかつ／または単結晶凝固された鋳造物の生産速度が上昇し、しかもこの場合、半径方向もしくは水平方向の温度勾配の傾斜度が減じられる。
【００１３】
「環状」という表現は、外側の冷却プレートに関連して、必ずしも「円環状」を意味するものではなく、あらゆる回転対称的なフレーム状のジオメトリックな形状、例えば方形、正方形またはその他の多角形をも含んでいる。従って、外側の冷却プレートは複数のリングセクタから構成されていてよい。これらのリングセクタは比較的僅かな空隙を有して環状に相並んでいる。
【００１４】
熱シンクは、外側の鋳型壁からの放射だけでなく、内側の鋳型壁からの放射をも可能にし、これにより、熱放射出力全体を上昇させ、これにより、鉛直方向の温度勾配の特性曲線を改善する。さらに、全ての表面から熱エネルギが均一に放出されることにより、一層均一な温度勾配が水平方向においても、つまり鋳造物もしくはタービン羽根の横断面にわたって達成される。
【００１５】
一層急傾斜の鉛直方向の温度勾配が得られることにより、製造プロセスの経済性および生産品質が向上する。このことには、ミクロ組織の改善、例えば、デンドライトの隙間の縮小や、不都合な結晶粒形成傾向の減小や、合金における分解の減小や、鋳造物のポロシティの減小も含まれる。
【００１６】
この場合、加熱室の出口端部に、環状の放射バッフルと、この放射バッフルに少なくともほぼ同心的に板状の放射バッフルとを配置し、かつ、環状に配置した鋳型を、両放射バッフルの間に形成された環状ギャップを通して連続的に熱シンクの影響領域内に運動させると特に有利である。
【００１７】
これにより、加熱室からの放射エネルギが鋳型の間の中空室内に侵入するのが完全に遮断される。
【００１８】
さらに本発明は、少なくとも１つの型空隙部を備えた複数の鋳型で複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する装置であって、加熱室と、該加熱室内で、中央の中空室を取り囲むように鋳型を配置するための環状の冷却プレートとが設けられており、鋳型が鋳込み終了後、凝固速度に基づき加熱室に対して鉛直方向に相対運動することにより、連続的に該加熱室から引き出し可能であり、鋳造物が、放熱により固相線温度を下回る温度に冷却可能である形式のものに関するものである。
【００１９】
前記課題を解決するために本発明による装置の構成では、熱シンクが設けられており、該熱シンクの影響領域内に、鋳型が方向性凝固中に、中空室内に進入する熱シンクに対して連続的に相対運動しながら運動可能であるようにした。
【００２０】
加熱室の出口端部に環状の放射バッフルと、この放射バッフルに少なくともほぼ同心的に板状の放射バッフルとが配置され、かつ、環状に配置された鋳型が、両放射バッフルの間に形成された環状ギャップを通って連続的に熱シンクの影響領域内に運動可能であると特に有利である。
【００２１】
本発明の別の構成では、加熱室と熱シンクとの間の軸線方向間隔が、凝固過程時には一定であると特に有利である。
【００２２】
本発明のさらに別の構成によれば、鋳型を備えた環状の冷却プレートが搬送台車に配置されていて、この搬送台車が開口を有しており、この開口を通して、熱シンクが搬送台車の下方の位置から搬送台車の上方の位置に持ち上がり可能であることにより、特にコンパクトで、簡単に制御可能な生産装置が得られる。
【００２３】
この場合、熱シンクが冷却体として形成されていて、この冷却体の軸線方向長さが、少なくとも鋳型の高さ寸法に相当すると有利である。
【００２４】
冷却体のジオメトリックな外形は、極めて多様であってよい。最も簡単な形状は円筒形状である。しかしながら熱伝達を改善するために、冷却体に軸平行なリブおよび／または半径方向のリブを施すと有利である。これらのリブは、冷却液によって貫流された中空体を取り囲むディスクパック（Plattenstapel）によって形成されてよい。この場合半径方向のリブは、その周囲に波状構造を得てよい。これにより熱放射のための間隙の見通し（Durchblick)を阻止することができる。しかしながら冷却体の基本輪郭は、表面積を増大するために、星形、角柱形、多角形等に形成されていてもよい。いずれにしても、この冷却体は全ての鋳型の間の中空室のできる限り大きな部分を占めていることが望ましい。これにより個々の鋳型の間の視覚的な接続(Sichtverbindung)ができる限り減じられる。この場合重要なのは冷却体の強固な構造である。
【００２５】
本発明のさらに別の有利な手段はその他の請求項から得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図１〜図４に示した実施の形態について説明する。なお、従来技術およびその作用が図５および図６に示されている。
【００２７】
図１および図２には、搬送台車１が示されている。この搬送台車は、車２によってレール３に沿って水平方向に移動可能である。この搬送台車１は環状の冷却プレート５を支持している。この冷却プレートは、導管６，７を介して冷却循環路４に接続されている。冷却プレート５に対して同軸的に、搬送台車１には開口８が配置されている。この開口は、熱シンク９の鉛直方向の貫通を可能にする。この熱シンクは、円筒形の外面１０を備えた、水によって冷却された中空体として形成されている。この熱シンク９は定置ではあるが、しかし軸線Ａ−Ａに沿って摺動可能に支承されており、搬送台車１が型交換のために運動可能であるように、破線で示したピットＧ内の位置９ａに沈み込むことができる。この軸線Ａ−Ａは予加熱、鋳込みおよび凝固を行うときの開口８の位置をも規定する。
【００２８】
冷却プレート５には、中央の中空室Ｈを取り囲むように軸線Ａ−Ａ（図３および図４）に対して同軸的に、セラミックス材料から成る、インベストメント鋳造用(verloren)の鋳型１１の群が配置されている。これらの鋳型は、湯道１２を介して鋳込みホッパ１３に接続されている。これらの鋳型のうち、見やすさの理由から、直径方向に対向して位置する２つの鋳型だけを示し、残りは図示していない。
【００２９】
鋳造材料の溶融温度を上回る温度に加熱するために、鋳型１１は加熱室１４によって同心的に取り囲まれている。この加熱室の上端部は、鋳込み開口１５までカバー１６によって閉じられている。この加熱室１４はその内面で、電気的な接続接点１８を備えた放射熱体１７の群を支持しており、下端部で、環状の放射バッフル１９を支持している。この環状の放射バッフル１９に対して同心的に、熱シンク９には板状の放射熱バッフル２０が載置されている。この場合、両放射バッフル１９，２０の間には、広幅の環状ギャップ２１が形成される。この環状ギャップを通って、鋳型１１が僅かな間隔を置いて貫通運動することができる。ピットＧ内への熱シンク９の沈み込み時には、放射バッフル２０は搬送台車１の上面１ａに載置され、熱シンク９の持ち上がり時には再び上方に向かって連行される（図１および図２）。凝固プロセス時には、鋳込み開口１５は上方に向かって放射保護部材１４ａによってカバーされている。
【００３０】
この装置全体は、搬送台車１の通走のためのロックゲート弁（図示せず）を備えた真空室によって取り囲まれている。この真空室内部には、加熱室１４が持ち上がり可能に収納されていて、しかも熱シンク９と放射バッフル２０と同期的に持ち上がり可能である（図２の矢印２２，２３）。
【００３１】
この装置全体が、ほぼ最終形状で部品を製造するために役立つ真空精密鋳造炉であると有利である。高負荷される部品のためには、方向性凝固法および単結晶凝固法が使用される。
【００３２】
図１に示した段階においては、鋳型１１が予加熱されて、鋳込みホッパ１３内への材料注入のために準備されている。
【００３３】
図２は、凝固プロセス終了直前の状態、すなわち、放射バッフル１９を備えた加熱室１４と、放射バッフル２０を備えた熱シンク９とが、事実上鋳型の全高にわたって持ち上げられている状態を示している。これらの鋳型は、水平な矢印方向で、熱シンク９に対して外方に向かっても内方に向かっても熱エネルギを放出する。
【００３４】
この図２は、板状の放射バッフル２０が、この放射バッフルの下方の空間内に熱が放射されるのをいかに強く阻止するかを極めて明白に示している。特にこの場合、放射熱体１７の放射が湯道１２と各鋳型１１相互間の間隙とを通ってこれらの鋳型１１に与える影響も遮られる。
【００３５】
勿論このような運動は、運動学的に逆にすることもできる。すなわち、鋳型１１が環状の冷却プレート５と一緒に、定置の加熱室と定置の熱シンクとに対して所定の速度で沈み込まれる。この場合この速度は、位相限界の移動速度に直接的に関連している。
【００３６】
図３においては鋳込みホッパ１３から個々の鋳型１１に延びる湯道１２の星形の輪郭が示されている。
【００３７】
図４には、タービン羽根を鋳造するための型空隙部２４が示されている。これらの型空隙部はセラミックから成る薄壁の鋳型１１によって取り囲まれている。図４から判るように、鋳型からの放熱は、熱シンク９に向かって内向き（矢印１１ａ）にも、真空室の冷却された壁部分に向かって外向き（矢印１１ｂ）にも行うことができる。
【００３８】
図５および図６は、特別な中央の熱シンクを有していない、円板状の冷却プレート２６を備えた従来技術を示したものである。この場合、放射熱体１７の熱放射は、湯道１２および鋳型１１の間で中空室Ｈを通って、妨げられることなくこれらの中空室の内面に対して行われる（図５）。このような熱放射は部分的に何度も反射される（図６）。しかしながらこれにより装置全体の熱効率も悪化する。それというのは加熱室から下方への熱放出が部分的にしか阻止されないからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を、鋳型の加熱・鋳造位置に位置する状態で示す縦断面図である。
【図２】図１の装置を、方向性凝固終了直前の状態で示す図である
【図３】図２の矢印ＩＩＩの方向で示す、鋳型の鉛直方向の平面図である。
【図４】図２の鋳型を、ＩＶ−ＩＶ線に沿って、搬送台車なしで示す横断面図である。
【図５】公知の装置を、図２と同様に示す縦断面図である。
【図６】図５の公知の装置を図４と同様に示す横断面図である。
【符号の説明】
１ 搬送台車、 ２ 車、 ３ レール、 ４ 冷却循環路、 ５ 冷却プレート、 ６，７ 導管、 ８ 開口、 ９ 熱シンク、 １０ 外面、 １１ 鋳型、 １２ 湯道、 １３ 鋳込みホッパ、 １４ 加熱室、 １５ 鋳込み開口、 １６ カバー、 １７ 放射熱体、 １８ 接続接点、 １９，２０ 放射バッフル、 ２１ 環状ギャップ、 ２４ 型空隙部、 ２６ 冷却プレート、 Ｈ 中空室

Claims (11)

1. 少なくとも１つの型空隙部（２４）を備えた予加熱された複数の鋳型（１１）で複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する方法であって、中央の中空室（Ｈ）を取り囲むように環状の冷却プレート（５）に設けられた鋳型（１１）を、鋳込み終了後、凝固速度に基づき加熱室（１４）に対して鉛直方向に相対運動させることにより、連続的に該加熱室から引き出し、鋳造物を放熱により、固相線温度を下回る温度に冷却する方法において、
   方向性凝固中に、中空室（Ｈ）内に進入する熱シンク（９）に対して冷却プレート（５）を連続的に相対運動させながら鋳型（１１）を運動させることを特徴とする、複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する方法。
2. 加熱室（１４）と熱シンク（９）とを、冷却プレート（５）と鋳型（１１）とに対して同期的に相対運動させる、請求項１記載の方法。
3. 加熱室（１４）と熱シンク（９）とを冷却プレート（５）に対して持ち上げる、請求項２記載の方法。
4. 加熱室（１４）の出口端部に、環状の放射バッフル（１９）と、該放射バッフルに少なくともほぼ同心的に板状の放射バッフル（２０）とを配置し、環状に配置した鋳型（１１）を、両放射バッフル（１９，２０）相互間に形成された環状ギャップ（２１）を通して連続的に熱シンク（９）の影響領域内に運動させる、請求項１記載の方法。
5. 凝固過程中に加熱室（１４）と熱シンク（９）との間の軸線方向間隔を一定に維持する、請求項１記載の方法。
6. 少なくとも１つの型空隙部（２４）を備えた複数の鋳型（１１）で複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する装置であって、加熱室（１４）と、該加熱室（１４）内で、中央の中空室（Ｈ）を取り囲むように鋳型（１１）を配置するための環状の冷却プレート（５）とが設けられており、鋳型（１１）が鋳込み終了後、凝固速度に基づき加熱室（１４）に対して鉛直方向に相対運動することにより、連続的に該加熱室から引き出し可能であり、鋳造物が、放熱により固相線温度を下回る温度に冷却可能である形式のものにおいて、
   熱シンク（５）が設けられており、該熱シンクの影響領域内に、鋳型（１１）が方向性凝固中に、中空室（Ｈ）内に進入する熱シンク（９）に対して連続的に相対運動しながら運動可能であることを特徴とする、複数の鋳造物を同時に鋳造して方向性凝固する装置。
7. 加熱室（１４）の出口端部に、環状の放射バッフル（１９）と、該放射バッフル（１９）に少なくともほぼ同心的に板状の放射バッフル（２０）とが配置されており、環状に配置された鋳型（１１）が、両放射バッフル（１９，２０）相互間に形成された環状ギャップ（２１）を通って連続的に熱シンク（９）の影響領域内に運動可能である、請求項６記載の装置。
8. 加熱室（１４）と熱シンク（９）との間の軸線方向間隔が、凝固過程中には一定である、請求項６記載の装置。
9. 鋳型（１１）を備えた環状の冷却プレート（５）が搬送台車（１）に配置されており、該搬送台車が開口（８）を有していて、該開口を通って、熱シンク（９）が搬送台車（１）の下方の位置（９ａ）から搬送台車（１）の上方の位置に持ち上がり可能である、請求項６記載の装置。
10. 熱シンク（９）が冷却体として形成されており、該冷却体の軸線方向長さが、鋳型（１１）の少なくとも高さ寸法に相当する、請求項６記載の装置。
11. 板状の放射バッフル（２０）が凝固過程中には熱シンク（９）に載置されていて、搬送台車（１）の下方への熱シンク（９）の沈み込み時に、搬送台車（１）の上面（１ａ）に置かれるようになっている、請求項９記載の装置。

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