JP4296566B2 - 鋳造用鋳込装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造用鋳込装置に関する。具体的には、目的形状が同一もしくは異形の多数の鋳型を使用して、同時に多数の同一形状および異形の鋳造物を作製する場合に適したものであり、鋳型に注入された溶解金属内に生ずる凝固速度差を解消して、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を作製することができる鋳造用鋳込装置を提供せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジェット・エンジンや発電用ガス・タービンを例にとると、これらには多数の同一形状のタービン翼が用いられるが、その作製は鋳造によって行われている。その場合、目的形状が同一の鋳型を多数配置したうえで、溶解した金属である溶湯を、単一の湯口から各鋳型に分配するようにして鋳込む鋳込装置が、従来より用いられており、その構成を図６に示し説明する。
【０００３】
図６（斜視図）において、ここに示した鋳込装置６０は、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製する場合に用いられるものであり、底部が開口した８つの鋳型６４ａ〜ｈが、銅製の円板状の水冷板６５の上に、円筒を形成するようにして等間隔に固定されている。これらの鋳型６４ａ〜ｈの上部開口は、図７（縦断面図）に示すように、傘状の湯道配設部６２にそれぞれ穿設された、溶湯が通る８つの湯道６３ａ〜ｈとそれぞれ連通している。ここにおける湯道配設部６２の上部には、溶湯を各鋳型６４ａ〜ｈに注入するための盃状の湯口６１が一体となって形成されており、各湯道６３ａ〜ｈは、湯口６１の底部とそれぞれ連通している。
【０００４】
他方、各鋳型６４ａ〜ｈが固定された水冷板６５は、円柱状の昇降シャフト６６により支持されており、昇降シャフト６６の上下動に応じて、鋳込装置６０全体が上下に移動するようになっている。
【０００５】
以上のように構成された鋳込装置６０は、ここでは図示されてはいない円筒状のスリーブ内に配置され、スリーブの外周壁には、その全面を覆うようにして、高周波電流を流す誘導コイルが配設されている。なお、誘導コイルが配設されたスリーブは、溶解対象金属を溶解するための溶解炉とともに、密閉されたチャンバー内に配置される。
【０００６】
図８は、図６に示した鋳込装置６０を用いて、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製する場合の様子を示している。この鋳込装置６０による場合は、まず、スリーブの外周壁に配設された誘導コイルに高周波電流を流して、各鋳型６４ａ〜ｈを溶解対象金属の融点以上の高温に加熱する。
【０００７】
そこで、チャンバー内に配設された溶解炉により溶解対象金属が溶解されて溶湯が得られたならば、図８（ａ）に示すように、湯口６１から各湯道６３ａ〜ｈを介して、溶湯Ｍを各鋳型６４ａ〜ｈに鋳込む。溶湯Ｍが鋳込まれた各鋳型６４ａ〜ｈは、一定の時間にわたって溶解対象金属の融点以上の高温（例えば、1600℃）に保持される。
【０００８】
その後、図８（ｂ）に示すように、上下動機構を駆動して昇降シャフト６６を微速度で下降させることにより、鋳込装置６０を徐々に下方に移動させて、スリーブ７０から外れるように引き下げる。これに伴い、各鋳型６４ａ〜ｈの熱は奪われ、これらに鋳込まれた溶湯Ｍは凝固することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した従来例によると、つぎのような解決すべき課題がある。すなわち、上述のように、溶湯Ｍが鋳込まれた各鋳型６４ａ〜ｈを一定時間高温に保持した後、鋳込装置６０をスリーブ７０外に引き下げると、各鋳型６４ａ〜ｈの熱が奪われて、鋳込まれた溶湯Ｍは凝固する。その際、凝固は溶湯Ｍの下部から始まるが、暫時経過すると、各鋳型６４ａ〜ｈからの輻射熱の放出が凝固の主たる原因になってくる。
【００１０】
この輻射熱の放出は、各鋳型６４ａ〜ｈにより囲まれた内側空間Ｓ（図７）に面した側では小さく、その反対側の外側空間に面した側では大きい。そのため、溶湯Ｍが、その全体にわたって均一速度で凝固することなく、内側空間Ｓ側と外側空間側との間で凝固速度に差が生じることになる。
【００１１】
溶湯Ｍ内に凝固速度差が生じれば、内側空間Ｓに面した部位では大きな粒径の結晶が、外側空間に面した部位では小さな粒径の結晶が生成され、結晶粒径に差が生じてしまう。その結果、鋳造物に部位によって強度差が生ずることになり、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を実現し得ないことになる。とくに、近時は、ジェット・エンジンや発電用ガス・タービンのタービン翼の材料として、高温強度の優れた合金が求められており、これを実現するうえで、鋳造物に部位によって強度差が生ずることは障害要素となっている。以上のような解決すべき課題が、図６に示した従来例にはあった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題に照らし、本発明はなされたものである。そのために、本発明では、少なくとも１つの湯口と、この湯口にそれぞれ連通する複数の湯道と、これらの湯道とそれぞれ連通する複数の鋳型と、これらの鋳型が固定される水冷板と、この水冷板を支持する昇降シャフトを含む鋳造用の鋳込装置において、水冷板および昇降シャフトにそれぞれ中空部を設けるとともに、鋳込装置が下降するに伴い水冷板および昇降シャフトの各中空部を挿通して複数の鋳型に囲まれた空間内に突出する、内部に冷却流体（例えば、冷却水）が流通する冷却手段（例えば冷却パイプ）を配設するようにした。
【００１３】
また、冷却手段として、内部に流通する冷却流体により冷却される気体（例えば、アルゴン・ガス）を噴出するものを用いるようにもした。
【００１４】
さらに、加熱された複数の鋳型より放出される輻射熱と熱交換するための、断熱材からなる熱交換部材を、内部に冷却流体が流通する冷却手段に付設するようにもした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施の形態（第１の実施の形態）を、図１に示し説明する。ここで、図１は、本実施の形態における鋳造用鋳込装置の構成を示す部分縦断面図であり、図６および図７における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付している。
【００１６】
図１において、図６に示した従来例の構成と異なるところを説明する。本発明による鋳込装置１０では、各鋳型６４ａ〜ｈが固定される水冷板２１は、中央部に円孔の中空部を有し、平面形状が円環状に形成されている。また、この水冷板２１を支持する昇降シャフト２２は、円筒状に形成され、水冷板２１の中空部と同一径の中空部を有している。
【００１７】
そして、水冷板２１および昇降シャフト２２の各中空部を挿通するようにして、各中空部の径よりは若干小さい径の、内部に冷却水が流通する冷却パイプ１１が配設されている。この冷却パイプ１１は、各鋳型６４ａ〜ｈにより囲まれた内側空間Ｓ（図７）を冷やすためのものであり、その構成の詳細は、図２に示されている。なお、以上の構成要素以外の構成要素は、図６に示した従来例と同じである。
【００１８】
図２（中間部分を省略した縦断面図）において、冷却パイプ１１は、上端が閉口し下端が開口した銅製の外筒１２と、外筒１２の内部に配設され上端下端ともに開口した銅製の内筒１３との二重構造になっている。ここにおける内筒１３の下端部には、冷却水を注入する流水注入口１９を有するジョイント１８が装着され、外筒１２の下端部には、流水を排出する流水排出口１７を有するジョイント１６が装着されている。
【００１９】
すなわち、内筒１３の中空部は、矢印で示すように、注入された冷却水が内筒１３の上端に向けて進む流水往路１４となっている。これに対して、外筒１２と内筒１３との間の空隙部は、内筒１３上端からオーバー・フローした冷却水が、外筒１２下端部に向けて戻る流水復路１５となっている。
【００２０】
このように構成された冷却パイプ１１は、図示されてはいない上下動機構の駆動により、上下方向における位置が調整できるようになっている。
【００２１】
つぎに、以上のように構成された鋳込装置１０を用いて鋳造物を作製する場合の様子について、図３により説明する。ここで、図８における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付している。
【００２２】
図３（ａ）は、外周壁に誘導コイル８０が配設されたスリーブ７０内の鋳込装置１０の各鋳型６４ａ〜ｈに、溶湯Ｍが鋳込まれ、各鋳型６４ａ〜ｈが、溶解対象金属の融点以上の高温に保持されている状態を示している。このとき、冷却パイプ１１は、加熱されないように、その上端がスリーブ７０の下端付近に位置している。
【００２３】
そこで、この状態で一定時間が経過すると、昇降シャフト２２を微速度で下降させることにより、鋳込装置１０をスリーブ７０外に徐々に引き下げる。すると、鋳込装置１０の引き下げに伴い、冷却パイプ１１は、図３（ｂ）に示すように、各鋳型６４ａ〜ｈにより囲まれた内側空間Ｓ内の中央部に立設するように突き出る。冷却パイプ１１が、この内側空間Ｓ内に突き出れば、各鋳型６４ａ〜ｈからの輻射熱の吸収が多くなり、熱勾配も大きく取れる。
【００２４】
その結果、溶湯Ｍは、内側空間Ｓ側および外側空間側の双方における凝固速度の均衡が図れることになる。したがって、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物が得られることになる。ここに用いる冷却パイプ１１の径、その内部で流通する冷却水の流水量・流水速度等、あるいは冷却パイプ１１が内側空間Ｓ内に突き出す長さなどは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。
【００２５】
図４は、本発明の第２の実施の形態の要部の構成を示す、中間部分を省略した縦断面図であり、図２における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付して説明する。ここで、図４は、各鋳型６４ａ〜ｈにより囲まれた内側空間Ｓ内に突き出す冷却パイプの他の構成を示しており、以下では、図２に示した冷却パイプ１１の構成と異なるところを説明する。
【００２６】
図４において、冷却パイプ３１の外筒３２には、ガスが流通するガス流路３３が、外筒３２の下端部から上端部にわたって設けられるとともに、その外壁に、ガスが噴出する多数のガス噴出孔３４が穿設されている。また、外筒３２の下端部には、流水を排出する流水排出口１７に加えて、ガスを注入するガス注入口４２を有するジョイント４１が装着されている。その他の構成は、図２に示した冷却パイプ１１の構成と実質的には同じである。
【００２７】
このような構成の冷却パイプ３１を用いるならば、流通する冷却水により冷却されたガスが、各鋳型６４ａ〜ｈに向けて噴射されるので、とくに雰囲気温度が高い場合に有効である。ガス圧やガスの噴出量等、あるいは冷却パイプ３１が内側空間Ｓ内に突き出す長さなどは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。また、ここに用いるガスは、溶解金属の酸化・窒化を防ぐため、アルゴン・ガスなどの不活性ガスが好ましい。
【００２８】
本実施の形態における冷却パイプ３１以外の構成要素は、水冷板２１（図１）および昇降シャフト２２それぞれの円孔の中空部の径を若干大きくする他は、図１に示した第１の実施の形態と同じであり、鋳造物を作製する場合の様子も、第１の実施の形態について図３により説明したところと同じである。
【００２９】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す部分縦断面図であり、図１における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付して説明する。
【００３０】
図５において、図１に示した第１の実施の形態と異なるところは、冷却パイプ１１Ｂの上端に、耐熱合金、耐火レンガ、カーボンフェルトなどの断熱材を用いた円板状の熱交換板５１を、冷却パイプ１１Ｂの上端に固着して付設していることである。冷却パイプ１１Ｂの構成は、上端部が半球状に形成されていない点を除き、図２に示した冷却パイプ１１の構成と同じである。
【００３１】
このように、冷却パイプ１１Ｂに熱交換板５１を付設するならば、各鋳型６４ａ〜ｈからの輻射熱をより多く吸収することが可能となる。したがって、図４に示した第２の実施の形態と同様、とくに雰囲気温度が高い場合に有効である。熱交換板５１のサイズは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。本実施の形態における鋳込装置５０により鋳造物を作製する場合の様子は、第１の実施の形態について図３により説明したところと同じである。
【００３２】
なお、このような熱交換板５１は、図４に示したガスを噴出する冷却パイプ３１に付設するようにしてもよい。また、図５では、熱交換をするための部材として円板状のものを例として説明したが、その形状は、これに限られるものではない。任意の形状の部材であってよい。
【００３３】
以上においては、鋳込装置１０，５０に８つの鋳型６４ａ〜ｈが用いられる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。複数の鋳型が配置され、これらにより囲まれる空間が形成される場合に、本発明は適用され得るものである。
【００３４】
したがって、如上においては、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製するための鋳込装置について説明したが、これに限られるものではない。単結晶合金からなる鋳造物を作製するための、螺旋状あるいはジグザグ状などの形状に形成された細管状のセレクタ部が、その下部に設けられた鋳型を使用する鋳込装置、さらには、広く多数の鋳型を使用して同時に多数の鋳造物を作製する鋳込装置にも、本発明は適用し得るものである。
【００３５】
また、水冷板２１（図１）および冷却パイプ１１（図１），３１（図４）の素材として銅を用いる場合について説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、その他の素材を用いる場合にも、本発明は適用することができるものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、多数の鋳型を用いて多数の鋳造物を同時に作製する鋳造用の鋳込装置において、鋳型に溶湯が鋳込まれた後、多数の鋳型により囲まれる内側空間を冷却するようにした。その結果、鋳型に鋳込まれた溶湯は、内側空間側および外側空間側の双方における凝固速度の均衡が得られることになる。
【００３７】
すなわち、溶湯は、その全体にわたって均一速度で凝固することから、内側空間に面した部位と外側空間に面した部位との間における結晶粒径の差を解消することができ、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を実現することが可能となる。このことは、とりわけ、高温強度の優れた合金が要求されるジェット・エンジンや発電用ガス・タービンのタービン翼などを鋳造する場合にとって有益である。したがって、本発明がもたらす効果は、実用上極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す部分縦断面図である。
【図２】図１に示した冷却パイプの構成を示す中間部分を省略した縦断面図である。
【図３】図１に示した鋳込装置により鋳造物を作製する場合の様子を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の要部の構成を示す中間部分を省略した縦断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す部分縦断面図である。
【図６】従来例の構成を示す斜視図である。
【図７】図６に示した従来例の縦断面図である。
【図８】図６に示した鋳込装置により鋳造物を作製する場合の様子を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０ 鋳込装置
１１，１１Ｂ 冷却パイプ
１２ 外筒
１３ 内筒
１４ 流水往路
１５ 流水復路
１６ ジョイント
１７ 流水排出口
１８ ジョイント
１９ 流水注入口
２１ 水冷板
２２ 昇降シャフト
３１ 冷却パイプ
３２ 外筒
３３ ガス流路
３４ ガス噴出孔
４１ ジョイント
４２ ガス注入口
５０ 鋳込装置
５１ 熱交換板
６０ 鋳込装置
６１ 湯口
６２ 湯道配設部
６３ａ〜６３ｈ 湯道
６４ａ〜６４ｈ 鋳型
６５ 水冷板
６６ 昇降シャフト
７０ スリーブ
８０ 誘導コイル
Ｍ 溶湯
Ｓ 内側空間

Claims (3)

1. 溶湯（Ｍ）を注入するための少なくとも１つの湯口（６１）と、
   前記少なくとも１つの湯口にそれぞれ連通する、前記溶湯が通る複数の湯道（６３ａ〜ｈ）と、
   前記複数の湯道とそれぞれ連通する複数の鋳型（６４ａ〜ｈ）と、
   前記複数の鋳型が固定された、中央部に第１の中空部を有する水冷板（２１）と、
   前記水冷板を支持して上下に移動可能である、第２の中空部を有する円筒状の昇降シャフト（２２）とを含む鋳造用の鋳込装置（１０）であって、
   前記鋳込装置の下降に伴って前記第１および第２の中空部を挿通して前記複数の鋳型に囲まれた空間（Ｓ）内に突出する、上端が閉口し下端が開口した外筒（１２）と前記外筒の内部に配設され上端下端ともに開口した内筒（１３）とからなり、前記内筒の中空部を冷却水が前記内筒の上端に向けて進む往路（１４）として、前記外筒と前記内筒との間の空隙部を前記内筒上端からオーバーフローした前記冷却水が前記外筒下端部に向けて戻る復路（１５）として、前記冷却水が流通する冷却パイプ（１１）を具備した鋳造用鋳込装置。
2. 溶湯（Ｍ）を注入するための少なくとも１つの湯口（６１）と、
   前記少なくとも１つの湯口にそれぞれ連通する、前記溶湯が通る複数の湯道（６３ａ〜ｈ）と、
   前記複数の湯道とそれぞれ連通する複数の鋳型（６４ａ〜ｈ）と、
   前記複数の鋳型が固定された、中央部に第１の中空部を有する水冷板（２１）と、
   前記水冷板を支持して上下に移動可能である、第２の中空部を有する円筒状の昇降シャフト（２２）とを含む鋳造用の鋳込装置（１０）であって、
   前記鋳込装置の下降に伴って前記第１および第２の中空部を挿通して前記複数の鋳型に囲まれた空間（Ｓ）内に突出する、上端が閉口し下端が開口するとともにガスが流通するガス流路（３３）および前記ガスが噴出する多数のガス噴出孔（３４）を有する外筒（３２）と前記外筒の内部に配設され上端下端ともに開口した内筒（１３）とからなり、前記内筒の中空部を冷却水が前記内筒の上端に向けて進む往路（１４）として、前記外筒と前記内筒との間の空隙部を前記内筒上端からオーバーフローした前記冷却水が前記外筒下端部に向けて戻る復路（１５）として、前記冷却水が流通する冷却パイプ（３１）を具備した鋳造用鋳込装置。
3. 前記冷却パイプ（１１，３１）が、前記複数の鋳型より放出される輻射熱と熱交換するための、耐熱合金、耐火レンガおよびカーボンフェルトのうちの１つからなる熱交換部材（５１）が上端に付設されたものである請求項１または２記載の鋳造用鋳込装置。

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