JP6196472B2 - 精密鋳造用中子及びその製造方法、精密鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

本発明は、精密鋳造用中子及びその製造方法、精密鋳造用鋳型に関するものである。

精密鋳造品として、例えばガスタービンに用いられる動翼がある。ガスタービンは、作動流体を燃焼器で燃焼させて高温高圧の作動流体とし、この作動流体によりタービンを回転させるようにしている。すなわち、圧縮機で圧縮した作動流体を燃焼器で燃焼させ、エネルギーを高め、そのエネルギーをタービンで回収して回転力を生じさせ、それによって発電を行うようにしている。タービン部には、タービンロータが設けられ、該タービンロータの外周には、ガスタービン動翼が少なくとも一以上設けられている。

ここで、ガスタービン動翼は、高温にさらされる。その対策として、ガスタービン動翼には冷却用の冷却媒体を流すことが行われている。このため、ガスタービン動翼には、内部冷却構造が設けられている。そして、このような内部冷却構造を構成するために、冷却媒体の流通路と同形状をした中子（コア）を配置し、鋳造後その中子を取り除くようにしている。この中子の除去は、アルカリ（例えばＮａＯＨあるいはＫＯＨ等）の溶液中で中子を溶解・除去することにより、例えばタービン動翼の内部冷却構造が形成される。

中子としては、従来セラミックス粒子を用いたセラミックス中子が用いられている（特許文献１）。

ここで、精密鋳造用中子は、溶融シリカ（ＳｉＯ₂）等のシリカ質材料を射出成形あるいはスリップキャストなどの方法により成形した後、熱処理して得られる。
射出成形法は、セラミックスの粉末とワックスを混練した後、ワックスを加熱溶融させた材料を金型内に射出注入し、冷却・固化させる事によって、成形品を得る方法である。
また、スリップキャスト成形は、セラミックスの粉末を水などに混ぜてスラリを作り、これを石こう製などの溶液を吸う材質でできた成形型に注ぎ込んで乾燥し、成形する方法である。

特開平６−３４０４６７号公報

ところで、現状の中子は、アルカリ溶解性を主眼に製造されているため、高温強度が低いなどの課題がある。また、射出成形法において、その成形後、焼結された中子には、その表面に多数の孔があるため、強度が低く、さらには、この孔が起点となって、鋳込時に中子が壊れる可能性が懸念される、という問題がある。
よって、高温強度が向上した精密鋳造用中子の出現が切望されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高温強度が向上した精密鋳造用中子及びその製造方法、精密鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、シリカ質粒子を主成分とする焼結された精密鋳造用中子本体の表面に、粒径の異なる２種類のシリカ質材料の被覆層を形成してなり、前記粒径の異なる２種類のシリカ質材料が、シリカゾルと該シリカゾルよりも粒径が大きいシリカフュームからなることを特徴とする精密鋳造用中子にある。

第２の発明は、第１の発明において、シリカゾルとシリカフュームとの重量割合が１：１〜４：１であることを特徴とする精密鋳造用中子にある。

第３の発明は、鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状の第１又は２の発明の精密鋳造用中子と、前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有ることを特徴とする精密鋳造用鋳型にある。

第４の発明は、シリカ質粒子を主成分とする精密鋳造用中子本体の焼結処理体を、
シリカゾルと該シリカゾルよりも粒径が大きいシリカフュームからなる粒径の異なる２種類のシリカ質材料からなる被覆材料に浸漬し、
次いで乾燥し、その後熱処理をし、精密鋳造用中子本体の表面に被覆層を形成することを特徴とする精密鋳造用中子の製造方法にある。

第５の発明は、第４の発明において、シリカゾルとシリカフュームとの重量割合が１：１〜４：１であることを特徴とする精密鋳造用中子の製造方法にある。

本発明は、焼結された精密鋳造用中子本体の表面に、粒径の異なる２種類のシリカ質材料の被覆層を形成することで、焼結時に発生した表面の孔を封孔することとなり、中子の強度が向上すると共に、孔が封止されるので、鋳込時に中子が壊れることを防止することができる、という効果を奏する。

図１は、精密鋳造用中子の断面構成図である。 図２は、鋳造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 図３は、鋳型製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 図４は、中子の製造工程を模式的に示す説明図である。 図５は、金型の一部を模式的に示す斜視図である。 図６は、ろう型の製造工程を模式的に示す説明図である。 図７は、ろう型にスラリーを塗布する構成を模式的に示す説明図である。 図８は、外側鋳型の製造工程を模式的に示す説明図である。 図９は、鋳型製造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。 図１０は、鋳造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

図１は、精密鋳造用中子の断面構成図である。
本発明に係る精密鋳造用中子は、シリカ質粒子を主成分とする焼結された精密鋳造用中子本体（以下「中子本体」という。）の表面に、粒径の異なる２種類のシリカ質材料の被覆層を形成してなるものである。

図１に示す焼結体の中子本体の断面図の上段に示すように、中子本体１８ａの表面１８ｂには、焼結の際に多数の孔１８ｃが発生する。
本発明では、図１の下段に示すように、この表面に形成された孔１８ｃを被覆層１９ａで被覆することで、孔１８ｃを封孔するようにしている。

ここで、中子本体１８ａは、シリカ質粒子を主成分としており、例えばシリカ砂、シリカフラワー等の溶融シリカ（ＳｉＯ₂）から形成されている。
この中子本体は、公知の方法で製造され、シリカ質粒子として、例えばシリカフラワー（例えば８００メッシュ（１０〜２０μｍ））と、シリカ砂（例えば２２０メッシュ（２０〜７０μｍ））とを用い、１：１の重量割合で混合したものに、ワックスを加えて、加熱混練し、コンパウンドを得る。

この得られたコンパウンドを、射出成形により成形し中子用成形体を得る。
その後、例えば６００℃までの脱脂処理を行い、次いで例えば１，２００℃における焼結処理を行い、中子本体１８ａを得る。

本発明では、この得られた焼結体の中子本体１８ａの表面に、被覆層１９ａを形成する。
被覆層１９ａは、粒径の異なる２種類のシリカ質材料を用いている。
ここで、２種類の粒径の異なるシリカ質材料は、第１の材料としてシリカゾル（ＳｉＯ₂が３０重量％）を用い、第２の材料としてシリカフューム（粒径０．１５μｍ）を用いる。

本発明では、シリカゾルに対し、シリカフュームを添加分散し、シリカゾル−シリカフュームスラリーを調製する。
ここで、シリカゾルとシリカフュームは重量割合１：１〜４：１の割合で混練している。２：１で混練した場合のシリカゾル中のシリカ微粒子の割合は、ゾル固形分：シリカフューム＝３０：５０となる。

得られたシリカゾル−シリカフュームスラリーに焼結した中子本体を浸漬し、その後引き上げ、中子本体１８ａの表面に、シリカゾル−シリカフュームからなる被覆層１９ａを形成する。この被覆層１９ａの形成の際、中子の表面の孔１８ｃにもスラリー成分が浸透し、乾燥後には中子材の孔の中にもシリカゾル−シリカフュームの成分が析出する。
その後乾燥し、次いで例えば１，０００℃で熱処理を行う。この熱処理は、表面に被覆層１９ａが形成されれば、例えば１，０００℃以下であってもよい。

この得られた被覆層１９ａは、構成材料であるシリカ質材料の粒径が大きいシリカフュームの隙間を、粒径が小さいシリカゾルが埋める状態となるので、細密充填となり、緻密層が形成されることとなる。
また、シリカフュームは球状であるため、粒径が小さいシリカゾルが、粒径が大きいシリカフュームの粒子間の隙間に入り込み易いので、細密充填がより高まることとなる。さらに、微粒子のシリカゾルは、粒子間の付着力を向上させるので、強度向上に寄与する。

このように、本発明によれば、精密鋳造用の中子の高温強度が向上する。

＜試験例＞
以下、本発明の効果を確認する試験例について、説明する。
本試験例では、先ずシリカフラワー（８００メッシュ）と、シリカ砂（２２０メッシュ）を１：１の重量割合で混合したものにワックスを加えて、加熱混練し、コンパウンドを得る。ここで、シリカフラワーは、龍森社製「ＭＣＦ-２００Ｃ」（商品名）を、シリカ砂は龍森社製「ＲＤ− １２０」（商品名）、ワックスはパラメルト社製、「Ｃｅｒｉｔａ Ｗａｘ Ｆ３０−７５」（商品名）を各々用いた。
この得られたコンパウンドを、射出成形により成形体を得る。
評価試験体として、幅３０×長２００×厚５ｍｍを得た。

次に、６００℃までの脱脂処理及び１，２００℃における焼結処理を行い、中子本体用の試験体を得た。

次に、シリカゾル（ＳｉＯ₂が３０重量％）に対し、シリカフューム（粒径が０．１５μm、球状）を添加分散して、シリカゾル−シリカフュームスラリーを調製した（シリカゾルとシリカフュームは重量割合２：１で混練した）。この時、シリカゾル中のシリカ微粒子の割合は、ゾル固形分：シリカフューム＝３０：５０であった。
この得られたシリカゾル−シリカフュームスラリーに、中子本体用の試験体を浸漬したのち、引き上げ、表面にシリカゾル−シリカフュームの被覆層１９ａを形成した。次いで乾燥後、１，０００℃で熱処理を行い、中子本体表面１８ｂに、シリカゾル−シリカフュームからなる被覆層１９ａを形成した。

比較例として、被覆層を形成しないものを比較試験体とした。
これらの評価試験体の強度を測定した。
ここで、強度試験は、ＪＩＳ Ｒ １６０１による「セラミックスの曲げ強さ（１９８１）」に準拠しておこなった。
従来法の被覆層が形成されない比較試験体の強度は、２０ＭＰａであったのに対し、本発明法による中子本体用の試験体の強度は、２５ＭＰａであった。この結果、本発明の中子本体用の試験体は、２５％の強度向上が認められた。

以下、本発明の精密鋳造用中子を配した鋳型を用いた鋳造方法について説明する。

図２は、鋳造方法の工程の一例を示すフローチャートである。以下、図２を用いて、鋳造方法について説明する。ここで、図２に示す処理は、全自動で実行しても良いし、オペレータが各工程を実行する装置を操作して実行しても良い。本実施形態の鋳造方法は、鋳型を作製する（ステップＳ１）。鋳型は、予め作製しておいても良いし、鋳造を実行する毎に作製しても良い。

以下、図３から図９を用いて、ステップＳ１の工程で実行する本実施形態の鋳型製造方法について説明する。図３は、鋳型製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。ここで、図３に示す処理は、全自動で実行しても良いし、オペレータが各工程を実行する装置を操作して実行しても良い。

鋳型製造方法は、中子（コア）を作製する（ステップＳ１２）。中子は、鋳型で作製する鋳物の内部の空洞に対応する形状である。つまり、中子は、鋳物の内部の空洞に対応する部分に配置されることで、鋳造時に鋳物となる金属が流れ込むことを抑制する。以下、図４を用いて、中子の製造工程について説明する。

図４は、中子の製造工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、図４に示すように金型１２を準備する（ステップＳ１０１）。金型１２は、中子に対応する領域が空洞となっている。中子の空洞となる部分が凸部１２ａとなる。なお、図４では、金型１２の断面で示しているが、金型１２は、空間に材料を注入する開口や空気を抜く穴以外は、基本的に中子に対応する領域の全周を覆う空洞となっている。鋳型鋳造方法は、矢印１４に示すようにセラミックスラリー１６を、金型１２の空間に材料を注入する開口から金型１２の内部に注入する。具体的には、セラミックスラリー１６を金型１２の内部に噴射する、いわゆる射出成形で中子１８を作製する。鋳型製造方法は、金型１２の内部に中子１８を作製したら、金型１２から中子１８を取り外し、取り外した中子１８を焼成炉２０に設置し、焼成させる。これにより、セラミックで形成された中子１８を焼き固める（ステップＳ１０２）。

次いで、中子１８の表面に被覆層を形成するために、スラリー１９が貯留された貯留部１７に焼結した中子１８を浸漬させ、取り出した後、乾燥を行う（ステップ１０３）。次いで浸漬した中子１８を取り出し、焼成炉２０に設置し、焼成させる。これにより、セラミックで形成された中子１８の表面に被覆層１９ａを形成する（ステップＳ１０４）。
鋳型鋳造方法は、以上のようにして被覆層１９ａが形成された中子１８を作製する。なお、中子１８は、鋳物が固まった後に化学処理等の脱中子処理で取り除ける材料で形成される。

鋳型製造方法は、中子１８を作製したら、外部金型の作製を行う（ステップＳ１４）。外部金型は、内周面が鋳物の外周面に対応した形状となる。金型は、金属で形成しても良いし、セラミックで形成しても良い。図５は、金型の一部を模式的に示す斜視図である。図５に示す金型２２ａは、内周面に形成された凹部が鋳物の外周面に対応している。なお、図５では、金型２２ａのみを示したが、金型２２ａに対応し、内周面に形成された凹部を塞ぐ向きに金型２２ａに対応する金型も作製する。鋳型製造方法は、２つの金型を合わせることで、内周面が鋳物の外周面に対応した型となる。

鋳型製造方法は、外部金型を作製したら、ろう型（ワックス型）の作製を行う（ステップＳ１６）。以下、図６を用いて説明する。図６は、ろう型の製造工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、金型２２ａの所定位置に中子１８を設置する（ステップＳ１１０）。その後、金型２２ａに対応する金型２２ｂを、金型２２ａの凹部が形成されている面に被せ、中子１８の周囲を金型２２ａ、２２ｂで囲み、中子１８と金型２２ａ、２２ｂとの間に空間２４を形成する。鋳型製造方法は、矢印２６に示すように、空間２４と連結された配管から空間２４の内部に向けてＷＡＸ２８の注入を開始する（ステップＳ１１２）。ＷＡＸ２８は、所定の温度以上に加熱されると溶けるような、融点が比較的低温の物質、例えばろうである。鋳型製造方法は、空間２４の全域にＷＡＸ２８を充填させる（ステップＳ１１３）。その後、ＷＡＸ２８を固化させることで、中子１８の周囲をＷＡＸ２８が囲んだろう型３０を形成する。ろう型３０は、基本的にＷＡＸ２８で形成される部分が製造する目的の鋳物と同じ形状となる。その後、鋳物製造方法は、ろう型３０を金型２２ａ、２２ｂから分離し、湯口３２を取り付ける（ステップＳ１１４）。湯口３２は、鋳造時に溶けた金属である溶湯が投入される口である。鋳型製造方法は、以上のようにして、内部に中子１８を含み、鋳物と同一の形状のＷＡＸ２８で形成されたろう型３０を作製する。

鋳型製造方法は、ろう型３０を作製したら、スラリー塗布（ディッピング）を行う（ステップＳ１８）。図７は、ろう型にスラリーを塗布する構成を模式的に示す説明図である。図８は、外側鋳型の製造工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、図７に示すように、スラリー４０が貯留された貯留部４１にろう型３０を浸漬させ、取り出した後、乾燥を行う（ステップＳ１９）。これにより、ろう型３０の表面にプライム層１０１Ａを形成することができる。
ここで、ステップＳ１８で塗布するスラリーは、ろう型３０に直接塗布されるスラリーである。このスラリー４０は、アルミナ超微粒子が単一分散されたスラリーを用いる。このスラリー４０には、フラワーとして３５０メッシュ程度の耐火性の微粒子、例えばジルコニアを用いることが好ましい。また、分散剤としてポリカルボン酸を用いることが好ましい。また、スラリー４０には、消泡剤（シリコン系の物質）や、濡れ性改善剤を微量、例えば０．０１％添加することが好ましい。濡れ性改善剤を添加することで、スラリー４０のろう型３０への付着性を向上させることができる。

鋳型製造方法は、図７に示すように、スラリー４０でスラリー塗布を行って、乾燥しプライム層（第１乾燥膜）１０１Ａを有するろう型を、さらにスラリー塗布（ディッピング）を行う（ステップＳ２０）。次いで、図８に示すように、この濡れているスラリーの表面にスタッコ材５４としてジルコンスタッコ粒（平均粒径０．８ｍｍ）を振掛けるスタッコイングを行う（ステップＳ２１）。その後スラリー層の表面にスタッコ材５４が付着されたものを乾燥し、プライム層（第１乾燥膜）１０１Ａの上に第１バックアップ層（第２乾燥膜）１０４−１を形成した（ステップＳ２２）。
この第１バックアップ層（第２乾燥膜）１０４−１の形成工程と同様の操作を複数回（例えばｎ：６〜１０回）繰り返す判断を行う（ステップＳ２３）。所定回数（ｎ）の第ｎバックアップ層１０４−ｎを積層させ（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、複層バックアップ層１０５Ａが形成された厚みが例えば１０ｍｍの外側鋳型となる乾燥成形体１０６Ａを得る。

鋳型製造方法は、プライム層１０１Ａと複層バックアップ層１０５Ａの複数層が形成された乾燥成形体１０６Ａを得たら、当該乾燥成形体１０６Ａに対して熱処理を行う（ステップＳ２４）。具体的には、外側鋳型と中子との間にあるＷＡＸを除去し、さらに外側鋳型と中子とを焼成させる。以下、図９を用いて説明する。図９は、鋳型製造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、ステップＳ１３０に示すように、プライム層１０１Ａと複層バックアップ層１０５Ａの複数層が形成された外側鋳型となる乾燥成形体１０６をオートクレーブ６０の内部に入れ、加熱する。オートクレーブ６０は、内部を加圧蒸気で満たすことで、乾燥成形体１０６内のろう型３０を加熱する。これにより、ろう型３０を構成するＷＡＸが溶け、溶融ＷＡＸ６２が乾燥成形体１０６で囲まれた空間６４から排出される。
鋳型製造方法は、溶けたＷＡＸ６２を空間６４から排出することで、ステップＳ１３１に示すように、外側鋳型となる乾燥成形体１０６と、中子１８との間のＷＡＸが充填されていた領域に空間６４が形成された鋳型７２が作製される。その後、鋳型製造方法は、ステップＳ１３２に示すように、外側鋳型となる乾燥成形体１０６と中子１８との間に空間６４が形成された鋳型７２を、焼成炉７０で加熱する。これにより、鋳型７２は、外側鋳型となる乾燥成形体１０６に含まれる水成分や不要な成分が除去され、さらに、焼成されることで硬化され、外側鋳型６１が形成される。鋳物製造方法は、以上のようにして鋳型７２を作製する。

図２と図１０を用いて、鋳造方法の説明を続ける。図１０は、鋳造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。鋳造方法は、ステップＳ１で鋳型を作製したら、鋳型の予熱を行う（ステップＳ２）。例えば、鋳型を炉（真空炉、焼成炉）内に配置し、８００℃以上９００℃以下まで加熱する。予熱を行うことで、鋳物の製造時に鋳型に溶湯（溶けた金属）を注入した際に鋳型が損傷することを抑制することができる。

鋳造方法は、鋳型を予熱したら、注湯を行う（ステップＳ３）。つまり、図１０のステップＳ１４０に示すように、溶湯８０、つまり溶解した鋳物の原料（例えば鋼）を鋳型７２の開口から外側鋳型６１と中子１８との間に注入する。

鋳造方法は、鋳型７２に注いだ溶湯８０を固化させたら、外側鋳型６１を除去する（ステップＳ４）。つまり、図１０のステップＳ１４１に示すように、鋳型７２の内部で溶湯が固まって鋳物９０となったら、外側鋳型６１を粉砕して破片６１ａとして、鋳物９０から取り外す。

鋳造方法は、外側鋳型６１を鋳物９０から除去したら、脱中子処理を行う（ステップＳ５）。つまり、図１０のステップＳ１４２に示すように、オートクレーブ９２の内部に鋳物９０を入れ、脱中子処理を行うことで、鋳物９０の内部の中子１８を溶解し、溶解した溶解中子９４を鋳物９０の内部から排出する。具体的にはオートクレーブ９２の内部で鋳物９０をアルカリ溶液に投入し、加圧、減圧を繰り返すことで、鋳物９０から溶解中子９４を排出する。

鋳造方法は、脱中子処理を行ったら、仕上げ処理を行う（ステップＳ６）。つまり、鋳物９０の表面や内部に仕上げ処理を行う。また、鋳造方法では、仕上げ処理と共に鋳物の検品を行う。これにより、図１０のステップＳ１４３に示すように、鋳物１００を製造することができる。

本実施形態の鋳造方法は、以上のように、ＷＡＸ（ワックス）を用いたロストワックス鋳造法を用いて鋳型を作製し、鋳物を作製する。ここで、本実施形態の鋳型製造方法、鋳造方法及び鋳型は、鋳型の外側の部分である外側鋳型を、スラリーとしてアルミナ超微粒子を用いて内周面となるプライム層（初層である第１乾燥膜）１０１Ａを形成し、このプライム層１０１Ａの外部に複数層のバックアップ層１０５Ａを形成しての多層構造としている。

本実施形態の鋳造方法の際、中子の表面に被覆層が形成されているので、寸法精度が向上し、鋳込み温度が高温であっても耐久性が向上する。
また、鋳込みプロセス時間が長時間となった場合でも、高強度の中子であるので、鋳込み設計の自由度（例えば引き下げ速度を低く設定すること等）が向上する。
さらに、製品の薄肉化を図り、熱効率の良好なタービン動翼等の精密鋳造品を製造することができる。

本発明に係る精密鋳造品としては、ガスタービン動翼以外に、例えばガスタービン静翼、ガスタービン燃焼器、ガスタービン分割環等を挙げることができる。

１２、２２ａ、２２ｂ 金型
１２ａ 凸部
１４、２６ 矢印
１６ セラミックスラリー
１８ 中子（コア）
１８ａ 中子本体
１８ｂ 表面
１８ｃ 孔
１９ スラリー
１９ａ 被覆層
２０、７０ 焼成炉
２４、６４ 空間
２８ ＷＡＸ（ろう）
３０ ろう型
３２ 湯口
４０ スラリー
６０、９２ オートクレーブ
６１ 外側鋳型
６１ａ 破片
６２ 溶融ＷＡＸ
７２ 鋳型
８０ 溶湯
９０、１００ 鋳物
９４ 溶解中子
１０１Ａ、１０１Ｂ プライム層

Claims (5)

1. シリカ質粒子を主成分とする焼結された精密鋳造用中子本体の表面に、粒径の異なる２種類のシリカ質材料の被覆層を形成してなり、
   前記粒径の異なる２種類のシリカ質材料が、シリカゾルと該シリカゾルよりも粒径が大きいシリカフュームからなることを特徴とする精密鋳造用中子。
2. 請求項１において、
   シリカゾルとシリカフュームとの重量割合が１：１〜４：１であることを特徴とする精密鋳造用中子。
3. 鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、
   前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状の請求項１又は２の精密鋳造用中子と、
   前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有ることを特徴とする精密鋳造用鋳型。
4. シリカ質粒子を主成分とする精密鋳造用中子本体の焼結処理体を、
   シリカゾルと該シリカゾルよりも粒径が大きいシリカフュームからなる粒径の異なる２種類のシリカ質材料からなる被覆材料に浸漬し、
   次いで乾燥し、その後熱処理をし、精密鋳造用中子本体の表面に被覆層を形成することを特徴とする精密鋳造用中子の製造方法。
5. 請求項４において、
   シリカゾルとシリカフュームとの重量割合が１：１〜４：１であることを特徴とする精密鋳造用中子の製造方法。

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