JP5590975B2 - 鋳造用具、鋳造用具の生産方法及び精密鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造用具、鋳造用具の生産方法及び精密鋳造方法に関するものである。

一般に、ロストワックス法等の精密鋳造法は、機械加工の困難な材質及び複雑な形状の部品を高い寸法精度で製造することが可能である。
例えば、比強度、耐熱性及び耐食性に優れたＴｉＡｌ基合金は、航空機エンジンの各種部品やタービン翼等の材質として好適であるが、一般の金属や合金に比べて硬くて脆いために機械加工が困難である。このようなＴｉＡｌ基合金の加工に、上述した精密鋳造法が広く用いられている。

このような精密鋳造法においては、鋳造用具をセラミックスで形成するのが通常であり、アルミナ、ジルコンで形成した鋳型やアルミナ、ジルコニアで形成した坩堝が多く用いられている（例えば、下記特許文献１）。

特開２００４−５０１９８号公報

しかしながら、ＴｉＡｌ基合金は、非常に活性で酸素に対する親和性が高いために、従来の技術においては、セラミックスに含まれる酸素とＴｉＡｌ基合金とが反応（酸化）してしまって（換言すれば、ＴｉＡｌ基合金がセラミックスに含まれる酸素を奪ってしまって）、鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質してしまう、あるいは、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ＴｉＡｌ基合金で精密鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る鋳造用具は、ＴｉＡｌ基合金の精密鋳造に用いられる鋳造用具であって、前記ＴｉＡｌ基合金の溶湯を貯留可能な内部空間を画定する隔壁を備え、前記隔壁は、セラミックスで形成された基層と、前記セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、前記内部空間側において前記基層を被膜する被膜層と、を有し、前記基層は、９９％以上のジルコニアで形成されている。
この構成によれば、セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、内部空間側において基層を被膜する被膜層を有するので、ＴｉＡｌ基合金の溶湯に対して被膜層が接触することとなる。この被膜層は、セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成されているので、セラミックスで形成された基層に比べて、ＴｉＡｌ基合金の溶湯が反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを防止することができる。

さらに、ＴｉＡｌ基合金の溶湯の温度を上昇させるとＴｉＡｌ基合金が更に活性になるが、被膜層を有することでＴｉＡｌ基合金の溶湯が反応し難くなるので、溶湯を高温に設定して湯周り性を向上させることができる。
また、隔壁全部を金属酸化物で形成する構成も考えられるが、鋳造用具用製造型にスラリを流し込んで固化させようとすると固化が完了するまでに金属酸化物が沈殿してしまうので、鋳造用具の製作が困難となる。しかしながら、本発明に係る鋳造用具は、セラミックスの基層を金属酸化物で被覆する構成であるので、隔壁全部を金属酸化物で形成する場合に比べて鋳造用具の製作を容易にすることができる。

また、前記金属酸化物は、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであることを特徴とする。
この構成によれば、金属酸化物が酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであるので、酸素との結合がより強い金属酸化物で被膜層を形成することができる。これにより、ＴｉＡｌ基合金の溶湯が更に反応し難くなってＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを十分に防止することができる。

また、前記被膜層は、厚さが０．０８ｍｍ以上０．４８ｍｍ以下であることを特徴とする。
この構成によれば、被膜層の厚さが０．０８ｍｍ以上かつ０．４８ｍｍ未満であるので、後述するように、内部空間に溶湯を貯留した場合において被膜層が剥離するまでの耐久時間を長くすることができる。

この構成によれば、基層がジルコニアであるので、被膜層が基層から不測に剥離した場合であっても、ジルコニアとＴｉＡｌ基合金の溶湯とが接触することとなる。これにより、他のセラミックスと比べて比較的に酸素との結合が強いジルコニアが、ＴｉＡｌ基合金の溶湯と接触するので、ＴｉＡｌ基合金と基層とが反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。

また、本発明に係る鋳造用具の生産方法は、上記のうちいずれかに記載の鋳造用具の生産方法であって、前記金属酸化物の粉体と溶媒とを混合してスラリを製造するスラリ製造工程と、前記基層のうち前記内部空間側に前記スラリを噴霧するスラリ噴霧工程とを有することを特徴とする。
この構成によれば、スラリ製造工程とスラリ噴霧工程とを有するので、被膜層を容易に均一的かつ十分な薄さに形成することができる。

また、前記粉体は、粒径が０．５μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする。
この構成によれば、粉体の粒径が０．５μｍ以上であるので、スラリが乾燥する際の凝集を緩和し、かつ、被膜層が柔らかくなることを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金の溶湯に接触した際の焼結による収縮を緩和して被膜層の剥離を抑止することができる。また、粉体の粒径が３μｍ以下であるので、基層に対する被膜層の良好な付着性を確保することができる。

また、前記溶媒は、水を含まない非水系溶剤であることを特徴とする。
この構成によれば、溶媒が水を含まない非水系溶剤であるので、水を含む溶媒と比べて、金属酸化物の凝集を抑止することができる。すなわち、一般に金属酸化物は水と反応して直ぐに凝集してしまうために、溶媒が水を含むとスラリ製造工程において凝集が進行してしまってスラリ噴霧工程の作業性を悪化させる恐れがある。しかしながら、溶媒に水を含まない非水系溶剤を用いることで凝集が防止されるので、スラリ噴霧工程の作業性を良好なものにすることができる。

また、前記スラリは、アルコール系の分散剤が添加されていることを特徴とする。
この構成によれば、スラリにアルコール系の分散剤が添加されているので、金属酸化物の粉体の分散を図ることができると共に、速乾性があるためにスラリ噴霧工程後の作業性を向上させることができる。

また、本発明に係る精密鋳造方法は、上記のうちいずれかに記載の鋳造用具を用いることを特徴とする。
この構成によれば、上記のうちいずれかの鋳造用具を用いるので、活性で酸素との親和性が高いＴｉＡｌ基合金を用いて精密鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止して、所望の品質の鋳造品を得ることができる。

本発明に係る鋳造用具によれば、ＴｉＡｌ基合金で精密鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
また、本発明に係る鋳造用具の生産方法によれば、被膜層を均一的かつ十分な薄さに容易にすることができる。
また、本発明に係る精密鋳造方法によれば、所望の品質の鋳造品を得ることができる。

本発明の実施形態に係る坩堝１の概略構成斜視図である。 本発明の実施形態に係る鋳型１０の要部断面図である。 図３は図１におけるＩ−Ｉ線断面図（図２における要部IIの拡大図）である。 本発明の実施形態に係る被膜層３ｂの厚さｄと耐久時間ｔとの関係を示すグラフであって、被膜層３ｂを酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）で形成した場合のグラフである。 本発明の実施形態に係る被膜層３ｂの厚さｄと耐久時間ｔとの関係を示すグラフであって、被膜層３ｂを酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）で形成した場合のグラフである。 本発明の実施形態に係る被膜層３ｂの厚さｄと耐久時間ｔとの関係を示すグラフであって、被膜層３ｂを酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）で形成した場合のグラフである。 本発明の実施形態に係る鋳造用具の製造方法を説明する図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
（鋳造用具）
図１は本発明の実施形態に係る坩堝（鋳造用具）１の概略構成斜視図である。
図１に示すように、坩堝１は、有底円筒状に形成されており、ＴｉＡｌ基合金の溶湯を貯留可能な内部空間２が隔壁３によって画定されている。

図２は本発明の実施形態に係る鋳型（鋳造用具）１０の要部断面図である。
鋳型１０は、直方体状に形成されており、ＴｉＡｌ基合金の溶湯を貯留可能である内部空間１２が隔壁３によって画定されている。なお、内部空間１２は、タービン翼の形状に対応して形成された形状の鋳造スペースを複数有している。

図３は図１におけるＩ−Ｉ線断面図（図２における要部IIの拡大図）である。
隔壁３は、図３に示すように、セラミックスＣで形成された基層３ａと、金属酸化物Ｏで形成され、内部空間２（１２）側において基層３ａを被膜する被膜層３ｂとを有している。
被膜層３ｂは、その厚さｄが０．０８ｍｍ以上かつ０．４８ｍｍ以下に形成されている。

基層３ａを形成するセラミックスＣは、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２)を用いることができる。
また、被膜層３ｂを形成する金属酸化物Ｏは、例えば、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）及び酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）のうちいずれか一つを用いることができる。
なお、坩堝１及び鋳型１０の製造方法については、後に詳述する。

ここで、セラミックスＣと酸素との結合の強さ及び金属酸化物Ｏと酸素との結合の強さについて説明する。
ＴｉＡｌ基合金の溶湯の酸化メカニズムは、ＴｉＡｌ基合金の溶湯に含有されるＴｉが坩堝１のセラミックスＣの酸素を奪い取る、以下の反応による。なお、以下の反応におけるＭは、任意の元素を示している。
１／３Ｍ_２Ｏ_３＋Ｔｉ→ＴｉＯ＋２／３Ｍ
表１は、セラミックスＣ及び金属酸化物Ｏの上記反応での各平衡定数Ｋｐを示したものである。表１における各平衡定数Ｋｐは、生成自由エネルギーによる平衡計算によって求めたものであり、対数表記している。

表１に示すように、セラミックスＣのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２)に比べて、金属酸化物Ｏの酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）及び酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）は平衡定数Ｋｐが小さい。このため、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムに対して、ＴｉＡｌ基合金の溶湯が反応し難いことがわかる。

すなわち、上述した坩堝１及び鋳型１０によれば、セラミックスＣよりも酸素との結合が強い金属酸化物Ｏで形成され、内部空間２，１２側において基層３ａを被膜する被膜層３ｂを有するので、ＴｉＡｌ基合金の溶湯に対して被膜層３ｂが接触することとなる。この被膜層３ｂは、セラミックスＣよりも酸素との結合が強い金属酸化物Ｏで形成されているので、セラミックスＣで形成された基層３ａに比べて、ＴｉＡｌ基合金の溶湯が反応し難くなってＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを防止することができる。

さらに、ＴｉＡｌ基合金の溶湯の温度を上昇させるとＴｉＡｌ基合金が更に活性になるが、被膜層３ｂを有することでＴｉＡｌ基合金の溶湯が反応し難くなるので、溶湯を高温に設定して湯周り性を向上させることができる。
また、金属酸化物Ｏのスラリ２０は安定性が悪いために、スラリ２０を型に流し込んで相当時間放置して固化させることにより、隔壁３全部（鋳造用具全部）を金属酸化物Ｏで形成するのは困難であるが、
また、隔壁３全部を金属酸化物Ｏで形成する構成も考えられるが、鋳造用具用製造型にスラリ２０を流し込んで固化させようとすると固化が完了するまでに金属酸化物Ｏが沈殿してしまうので、坩堝及び鋳型の製作が困難となる。これに対して、坩堝１及び鋳型１０によれば、セラミックスＣの基層３ａを金属酸化物Ｏで被覆する構成であるので、隔壁３全部を金属酸化物Ｏで形成する場合に比べて坩堝１及び鋳型１０の製作を容易にすることができる。

また、金属酸化物Ｏが酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであるので、酸素との結合がより強い金属酸化物Ｏで被膜層３ｂを形成することができる。これにより、ＴｉＡｌ基合金の溶湯が更に反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを十分に防止することができる。

また、被膜層３ｂの厚さｄが０．０８ｍｍ以上かつ０．４８ｍｍ以下であるので、以下の実験結果に示されるように、内部空間２，１２に溶湯を貯留した場合において被膜層３ｂが剥離するまでの耐久時間を長くすることができる。

図４〜図６は、被膜層３ｂの厚さｄと耐久時間ｔとの関係を示すグラフであって、図４が酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、図５が酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）、図６が酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）のグラフを示している。
各グラフは、被膜層３ｂの厚さｄを０．０１，０．１０，０．３５，０．６０ｍｍに代えた坩堝を複数用意し、ＴｉＡｌ基合金の溶湯（１６５０℃）を貯留した状態で各坩堝を炉内に放置し、その後、被膜層３ｂの剥離によって生じるバブリングまでの時間を耐久時間ｔとして測定したものである。なお、バブリングは炉が備える観察窓を介して目視で判定した。

図４〜図６に示すように、被膜層３ｂの厚さｄは、小さ過ぎても大き過ぎても被膜層３ｂの耐久時間ｔが短くなる。一般に、精密鋳造においては坩堝及び鋳型がＴｉＡｌ基合金に接触する時間がそれぞれ３０分以下となるために、被膜層３ｂの厚さｄを０．０８ｍｍ以上０．４８ｍｍ以下に形成すると、坩堝及び鋳型の使用中に被膜層３ｂが剥離してしまうことを防止することができる。

なお、基層３ａを９９％以上のジルコニアにすれば、被膜層３ｂが基層３ａから不測に剥離した場合であっても、ジルコニアとＴｉＡｌ基合金の溶湯とが接触することとなる。これにより、他のセラミックスＣと比べて比較的に酸素との結合が強いジルコニアが、ＴｉＡｌ基合金の溶湯と接触するので（表１参照）、ＴｉＡｌ基合金と基層３ａとが反応し難くなって鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金の酸素濃度が高くなることを抑止することができる。
また、高純度のジルコニアを用いることで更にＴｉＡｌ基合金と基層３ａとが反応することを抑制することができる。さらに、ジルコニアに５％以上の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）あるいは酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）を添加した場合も同様の効果が得られる。

このような坩堝１及び鋳型１０を用いることにより、活性で酸素との親和性が高いＴｉＡｌ基合金を用いて精密鋳造をした場合に鋳造品の表面および内部が酸化物へ変質することを抑止すると共に、ＴｉＡｌ基合金中の酸素濃度が高くなることを抑止して、所望の品質の鋳造品を得ることができる。

（鋳造用具の製造方法）
続いて、本発明に係る鋳造用具の製造方法について説明する。
図７は、本発明に係る鋳造用具の製造方法を説明する図である。
本発明に係る鋳造用具の製造方法は、金属酸化物Ｏの粉体と溶媒とを混合してスラリ２０を製造し（スラリ製造工程）、製造したスラリ２０を隔壁３の基層３ａのうち内部空間２，１２側にスラリ２０を噴霧して（スラリ噴霧工程）、坩堝１及び鋳型１０を得るものである。

スラリ製造工程においては、金属酸化物Ｏの粉体として粒径が０．５μｍ以上３μｍ以下のものを用いると共に、溶媒として水を含まない非水系溶剤のものを用いている。さらに、スラリ２０は、アルコール系の分散剤が添加されている。この際、溶媒に水を含まない非水系溶剤を用いているために、金属酸化物Ｏと溶媒とが反応することなく凝集をすることがない。

スラリ噴霧工程においては、図７に示すように、スプレーガンＧを用いてスラリ２０を噴霧している。すなわち、基層３ａのみで隔壁（３）が構成された坩堝１に対して、基層３ａのうち内部空間２側にスラリ２０を噴霧する。
同様に、基層３ａのみで隔壁（３）が構成された鋳型１０に対して、基層３ａのうち内部空間１２側にスラリ２０を噴霧する。

そして、基層３ａに噴霧したスラリ２０を乾燥させて坩堝１及び鋳型１０を得る。
この乾燥の際、分散剤成分が速やかに揮発する。また、金属酸化物Ｏの粉体の粒径が０．５μｍ以上であるので、スラリ２０が乾燥する際の凝集が緩和され、かつ、被膜層３ｂが適度な硬さに維持される。
また、粉体の粒径が３μｍ以下となっているために、基層３ａに対して被膜層３ｂが良好に付着する。

すなわち、上述した鋳造用具の製造方法によれば、スラリ製造工程と、スラリ噴霧工程とを有するので、被膜層３ｂを均一的かつ十分な薄さに容易にすることができる。
この際、スラリ２０にアルコール系の分散剤が添加されているので、スラリ２０における金属酸化物Ｏの粉体の分散が良好に維持された状態で、スラリ２０を噴霧することができる。

また、粉体の粒径が０．５μｍ以上であるので、スラリ２０が乾燥する際の凝集を緩和し、かつ、被膜層３ｂが柔らかくなることを抑止すると共に、溶湯に接触した際の焼結による収縮を緩和して被膜層３ｂの剥離を抑止することができる。また、粉体の粒径が３μｍ以下であるので、基層３ａに対する良好な付着性を確保することができる。

また、溶媒が水を含まない非水系溶剤であるので、溶媒が水を含まない非水系溶剤であるので、水を含む溶媒と比べて、金属酸化物Ｏの凝集を抑止することができる。すなわち、一般に金属酸化物Ｏは水と反応して直ぐに凝集してしまうために、溶媒が水を含むとスラリ製造工程において凝集が進行してしまってスラリ噴霧工程の作業性を悪化させる恐れがあるが、溶媒に水を含まない非水系溶剤を用いることで凝集を抑止するので、スラリ噴霧工程の作業性を良好なものにすることができる。

また、スラリ２０にアルコール系の分散剤が添加されているので、スラリ２０にアルコール系の分散剤が添加されているので、金属酸化物Ｏの粉体の分散を図ることができると共に、速乾性があるためにスラリ噴霧工程後の作業性を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施形態においては、鋳型１０の内部空間１２がタービン翼の鋳造スペースを有する構成としたが、他の部品であってもよい。
また、坩堝１と鋳型１０とは必ずしもセットで用いる必要はなく、単独で用いてもよい。

１…坩堝
２，１２…内部空間
３…隔壁
３ａ…基層
３ｂ…被覆層
３ｂ…被膜層
１０…鋳型
２０…スラリ
Ｃ…セラミックス
Ｇ…スプレーガン
Ｏ…金属酸化物

Claims (8)

1. ＴｉＡｌ基合金の精密鋳造に用いられる鋳造用具であって、
   前記ＴｉＡｌ基合金の溶湯を貯留可能な内部空間を画定する隔壁を備え、
   前記隔壁は、セラミックスで形成された基層と、
   前記セラミックスよりも酸素との結合が強い金属酸化物で形成され、前記内部空間側において前記基層を被膜する被膜層と、
   を有し、
   前記基層は、９９％以上のジルコニアで形成されていることを特徴とする鋳造用具。
2. 前記金属酸化物は、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化エルビウムのうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用具。
3. 前記被膜層は、厚さが０．０８ｍｍ以上０．４８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造用具。
4. 請求項１から３のうちいずれか一項に記載の鋳造用具の生産方法であって、
   前記金属酸化物の粉体と溶媒とを混合してスラリを製造するスラリ製造工程と、
   前記基層のうち前記内部空間側に前記スラリを噴霧するスラリ噴霧工程とを有することを特徴とする鋳造用具の生産方法。
5. 前記粉体は、粒径が０．５μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の鋳造用具の生産方法。
6. 前記溶媒は、水を含まない非水系溶剤であることを特徴とする請求項４又は５に記載の鋳造用具の生産方法。
7. 前記スラリは、アルコール系の分散剤が添加されていることを特徴とする請求項４から６のうちいずれか一項に記載の鋳造用具の生産方法。
8. 請求項１から３のうちいずれか一項に記載の鋳造用具を用いることを特徴とする精密鋳造方法。

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