JP6288641B2 - 鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造装置に関する。

例えば、ガスタービン用の動翼、静翼等の部品は、方向性凝固を用いた精密鋳造によって製造される。方向性凝固を用いた精密鋳造によれば、これらの部品の結晶構造が柱状結晶、又は単結晶となる。すなわち、鋳造後の部品のクリープ変形の抑制、及び疲労強度の向上を図ることができる。このような鋳造を行う装置では、溶融金属を流入させた鋳型の一端部から順次冷却を行う構造を採ることで、上述の方向性凝固、又は単結晶凝固を可能にしている。

このような鋳造を行うための技術として、例えば特許文献１に記載された鋳造装置が知られている。この鋳造装置は、外方から加熱される鋳型（モールド）と、該鋳型の下方に設けられたチルプレートとを有している。このチルプレートを冷却することによって、チルプレートと接する鋳型内部のスタータキャビティから順次上方に向かって溶融金属を凝固させて鋳造品が得られる。

特開昭６３−５８６６９号公報

ここで、上述の方向性凝固を適切に進展させるためには、鋳型内部における溶融金属の液相線近傍で、急峻な温度勾配が形成されていることが望ましい。すなわち、鋳型内部における凝固界面よりも上側の領域では対象の金属の融点以上の温度を維持すると共に、凝固界面よりも下側の領域では凝固点よりも低い温度を維持することが要求される。
加えて、方向性凝固によって形成される柱状結晶の方向は、この凝固界面に直交する方向となる。したがって、結晶の方向を、例えば所望の鋳造品の主要軸線と同じ方向にするという要請がある場合、凝固界面をこの主要軸線と概ね直交する方向に維持する必要がある。
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、チルプレートから発散される冷温を、均等に上方に向かって伝搬させることに困難を伴う可能性がある。言い換えると、鋳型内部における凝固界面を上述のような状態に維持することが難しい場合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであって、方向性凝固による精密鋳造を適切に行うことができる鋳造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の一の態様によれば、鋳造装置は、鉛直方向に延びる軸線の径方向外側から内側に向かってヒータによって加熱されるとともに下方に向かって開口する加熱室と、加熱室の開口を閉塞するとともに、軸線を中心として周方向に間隔をあけて孔部が形成された遮熱板と、溶融金属を内部に保持する複数の鋳型を、加熱室から孔部を介して該加熱室の下方に引き下げるリフトと、を備え、遮熱板が、軸線の径方向内側から外側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜角度を有して延びていることを特徴とする。

ここで、上記の遮熱板が水平方向に延びて設けられている場合、鋳型の内部にあっては、該加熱室の中央部に対向する側における溶融金属の温度勾配が緩やかなものとなる。加えて、ヒータの熱が到達しがたい加熱室の中央領域では、鋳型の内部における溶融金属の凝固が進展しがたい。したがって、鋳型の内部における溶融金属の凝固界面は、加熱室の中央領域から外方にかけて下方に向かって傾斜する傾向がある。
しかしながら、上記構成では、遮熱板が軸線の径方向内側から外側にかけて上方に傾斜して設けられる。これにより、溶融金属の凝固界面は略水平に維持される。よって、凝固時における溶融金属の柱状結晶の成長方位を、略垂直方向に維持することができる。

また、本発明の一の態様に係る鋳造装置は、遮熱板の傾斜角度が調節可能であるように構成されていてもよい。

このような構成によれば、遮熱板の傾斜角度を調節することのみによって、鋳造品における柱状結晶の成長方位を容易に調節することができる。

さらに、本発明の一の態様に係る鋳造装置は、加熱室の軸線に沿って延び、複数の鋳型に連通して内部に導入される溶融金属をこれら複数の鋳型に導くセンターポール部を備える構成であってもよい。

このような構成によれば、複数の鋳型を、センターポール部を介して互いに接続することで、複数の鋳造品を同時に製造することができる。

本発明によれば、方向性凝固による精密鋳造を適切に行うことができる。

本発明の実施形態に係る鋳造装置を側面から見た断面図である。 本発明の実施形態に係る鋳造装置の遮熱板を上方から見た図である。 本発明の実施形態に係る鋳造装置における鋳型内部の温度勾配を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る鋳造装置における鋳型内部の温度勾配を示した模式図である。 本発明の実施形態に係る鋳型の内部における結晶の成長方位を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る鋳型の内部における結晶の成長方位を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る遮熱板４の変形例を示す図である。

〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る鋳造装置について説明する。
鋳造装置１は、例えばガスタービン用の動翼、静翼等の部品を精密鋳造によって製造する製造装置である。図１に示すように、鋳造装置１は、内部空間が略真空状態に保持された真空室２と、真空室２内側における上部に配置されるとともに下方に向かって開口された加熱室３と、加熱室３の下方に設けられる冷却室５と、加熱室３と冷却室５との間に配置されて加熱室３の開口を概ね閉塞する遮熱板４と、加熱室３と冷却室５とにわたって配置されるとともに内部に金属Ｍ（溶融金属Ｍ１）を保持する鋳型６と、鋳型６を下方から支持するステージ９、及び駆動ロッド７（リフト）と、を有している。

真空室２は、内部に空間を有する函体であって、該空間はおおむね真空状態とされている。

加熱室３は、真空室２における上部に配置されるとともに、内部に空間を有する円筒状の鋳造炉である。さらに、加熱室３の内周面にはヒータ８が設けられている。

冷却室５は、加熱室３の下方に設けられた空間である。冷却室５と加熱室３とは、後述する遮熱板４によって互いに仕切られている。冷却室５における温度は、後述の鋳型６に充填される金属Ｍの凝固点よりも低く維持されている。

鋳型６は、セラミックス等の耐火材料で形成された公知の鋳造用鋳型である。鋳型６の内部には、所望の鋳造品の外形に対応した形状を有する空間が形成されている。この空間に、溶融金属Ｍ１が充填されることで鋳造品を得ることができる。

チルプレート９は上面視で円形を成す板状の部材である。チルプレート９の上側の面上には、これら複数の鋳型６が配置されている。本実施形態に係る鋳造装置１では、複数（４つ）の鋳型６が、加熱室３の円周方向に沿って等間隔で配列されている。さらに、ステージ９の下側の面には、駆動ロッド７が接続されている。駆動ロッド７は、不図示の外部動力源によって上下方向に移動可能とされている。これにより、チルプレート９は上下方向に移動することができる。

４つの鋳型６は、チルプレートの中央領域でセンターポール部１０によって互いに連通されている。センターポール部１０は、概ね鉛直方向に沿って延在する円筒状の部材である。センターポール部１０の上部は開口して、溶融金属Ｍ１が注入される湯口１０Ａとされている。さらに、センターポール部１０の下部には、チルプレート９の中央領域から放射状に延在する４つの湯道１１が設けられている。

センターポール部１０と、４つの鋳型６とは、この湯道１１によって互いに接続されて、１つの流路を形成している。すなわち、湯口１０Ａから溶融金属Ｍ１が注入されると、センターポール部１０と湯道１１を介して４つの鋳型６の内部に、この溶融金属Ｍが流通して充填されるようになっている。

続いて、遮熱板４について図２を参照して説明する。図２に示すように、遮熱板４は上面視で円形をなす部材である。遮熱板４は、軸線Ｏを中心として、該軸線Ｏと交差する４つの分割線Ｄによって分割された４つの遮熱板片４０から構成されている。

遮熱板片４０は、軸線Ｏから径方向外側に向かうにしたがって幅方向の寸法が次第に大きくなるように形成された概ね扇形の板状部材である。遮熱板片４０の軸線Ｏ近傍の領域は、上面視で概ね方形に切欠かれて、切欠き部４Ｃ（孔部）とされている。切欠き部４Ｃの長手方向における辺部は、遮熱板片４０の弦に直交する方向に延びている。切欠き部４Ｃの短辺は、遮熱板片４０の弦Ａに平行な方向に延びている。長手方向、短手方向における切欠き部４Ｃの各寸法は、上述の鋳型６における軸線Ｏ方向から見た断面形状と比較して十分に大きくなるように設定されている。

図１に示すように、遮熱板片４０では弦Ａから径方向外側にかけての領域は、概ね水平方向に延在するように形成されて、水平部４Ａとされている。一方で、弦Ａよりも径方向内側の領域は、径方向内側から外側に向かうにしたがって、上方に向かって傾斜するように形成されて、傾斜部４Ｂとされている。さらに、傾斜部４Ｂと水平部４Ａとがなす傾斜角度θは、適宜調節することが可能となっている。本実施形態に係る鋳造装置１では、この傾斜角度θの取り得る値は、概ね水平方向である０°から、約６０°までとされている。

傾斜角度θを調節可能とするためには、例えば水平部４Ａと傾斜部４Ｂとをヒンジによって接続することなどが考えられる。

遮熱板４は、上述のような４つの遮熱板片４０におけるそれぞれの分割線Ｄ，Ｄ同士が周方向に互いに対向するように配列されることで、外形視で円形を成している。

次に、鋳造装置１の動作について説明する。
上述のように、鋳造装置１では、駆動ロッド７によってチルプレート９が上下方向に沿って移動可能とされている。チルプレート９の上下方向における移動に伴って、チルプレート９の上部に配置された鋳型６も上下方向に沿って移動可能となっている。

加えて、鋳型６は遮熱板４に設けられた切欠き部４Ｃの上下にわたって設けられている。すなわち、鋳型６における遮熱板４よりも上側の領域は上述の加熱室３の内部に露出する。一方で、鋳型６における遮熱板４よりも下方の領域は冷却室５の内部に露出する。

加熱室３の内部では、ヒータ８によって鋳型６が加熱される。このとき、鋳型６の内部に充填された金属Ｍの温度は、融点以上となっている。すなわち、遮熱板４よりも上方における領域では金属Ｍは液相の状態（溶融金属Ｍ１）で保持されている。

一方で、冷却室５に位置する領域では、遮熱板４によってヒータ８の熱が遮蔽されている。加えて、冷却室５の温度は、金属Ｍの凝固点以下に設定されている。したがって、遮熱板４よりも下方における領域では溶融金属Ｍ１は鋳型６の内部で凝固して、固体金属Ｍ２となっている。

次に、鋳造装置１による鋳造工程における金属Ｍの挙動について説明する。
鋳造装置１を用いた鋳造工程は、はじめに鋳型６が加熱室３に配置された状態から開始される。すなわち、鋳型６の全体が遮熱板４の上方に配置された状態となっている。この状態で、センターポール部１０の湯口１０Ａから溶融金属Ｍが導入される。溶融金属Ｍは、上述の湯道１１を介して鋳型６の内部に、下部から上部に向かって順次充填される。溶融金属Ｍは、鋳型６の内部における全領域に行き渡るまで充填される。

続いて、チルプレート９の下方への移動に伴って、チルプレート９上に支持された鋳型６が下方へ向かって移動を開始する。これと同時に、上述のように遮熱板４の上方において液相の状態で維持される溶融金属Ｍ１が、遮熱板４の下方（冷却室５）に移動するにしたがって冷却されて順次、凝固を開始する。凝固した溶融金属Ｍ１は、固体金属Ｍ２となる。

このとき、鋳型６の内部における金属Ｍでは、固相線Ｓと液相線Ｌとが形成される。固相線Ｓと液相線Ｌとの間の領域では、液相状態の溶融金属Ｍ１と、固体相状態の固体金属Ｍ２とが混在している。

次に、上述の固相線Ｓと液相線Ｌの詳細について説明する。
はじめに、遮熱板４の傾斜角度θが０°である場合について、図３を参照して説明する。なお、図３と図４における図示左方は加熱室３の径方向外側に向かう方向である。この方向を、以下では単に径方向外側とする。一方で、図示右方は不図示のセンターポール部１０（径方向内側）に向かう方向である。この方向を、以下では単に径方向内側とする。

この状態にあっては、鋳型６の外方における径方向内側の領域は、遮熱板４の切欠き部４Ｃに囲まれている。換言すると、切欠き部４Ｃの近傍では、遮熱板４が設けられていないため、ヒータ８の熱が十分に遮熱されずに遮熱板４の下方の領域にも伝搬する。
反対に、切欠き部４Ｃの近傍では、冷却室５の冷温も十分に遮られずに遮熱板４の上方の領域に伝搬する。

したがって、遮熱板４を介した上下の領域における鋳型６内部では、径方向外側であるほど急峻な温度勾配が形成され、径方向内側であるほど緩やかな温度勾配が形成される。すなわち、図３に示す温度領域Ｚ１´，Ｚ２´，Ｚ３´がそれぞれ形成される。温度領域Ｚ１´，Ｚ２´，Ｚ３´は、金属Ｍの固相線Ｓ０と、液相線Ｌ０とによって上下方向に囲まれた領域に形成される。

液相線Ｌ０に接する領域である温度領域Ｚ１´は、金属Ｍの融点近傍、及び融点から降下する方向における一定の温度領域である。反対に、固相線Ｓ０に接する領域である温度領域Ｚ３´は、金属Ｍの凝固点近傍、及び凝固点から上昇する方向における一定の温度領域である。また、温度領域Ｚ１´と温度領域Ｚ３´とに上下方向から囲まれた領域である温度領域Ｚ２´、温度領域Ｚ１´と温度領域Ｚ３´との中間における任意の温度領域を示している。

上述したように、鋳型６の径方向内側の領域では、径方向外側の領域ほど、遮熱板４による遮熱の効果が高くない。したがって、液相線Ｌ０は、図３に示すように、径方向内側から外側に向かうにしたがって下方に傾斜する。これにより、金属Ｍにおける結晶の成長方位は、該液相線Ｌ０とおおむね直交する方向である方向Ｃ´となる。
より詳細には、図５に示すように、水平線Ｈに対する液相線Ｌ０の傾斜角度を角度αとした場合、方向Ｃ´は鉛直方向（遮熱板４における軸線Ｏ）に対して角度αだけ傾斜して延びる。
したがって、結晶の成長方位を方向Ｃ´としたい場合には、遮熱板４の傾斜角度θを０°とすればよい。

続いて、遮熱板４の傾斜角度θを、θ＞０°とした場合における金属Ｍの挙動について図４を参照して説明する。この場合にあっても、遮熱板４を介した上下の領域における鋳型６内部では、径方向内側であるほど急峻な温度勾配が形成され、径方向外側であるほど緩やかな温度勾配が形成される。
すなわち、図４に示す温度領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３がそれぞれ形成される。温度領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は、金属Ｍの固相線Ｓと、液相線Ｌとによって上下方向に囲まれた領域に形成される。

液相線Ｌに接する領域である温度領域Ｚ１は、金属Ｍの融点近傍、及び融点から降下する方向における一定の温度領域である。反対に、固相線Ｓに接する領域である温度領域Ｚ３は、金属Ｍの凝固点近傍、及び凝固点から上昇する方向における一定の温度領域である。また、温度領域Ｚ１と温度領域Ｚ３とに上下方向から囲まれた領域である温度領域Ｚ２、温度領域Ｚ１と温度領域Ｚ３との中間における任意の温度領域を示している。

ここで、傾斜角度θが０°である場合は、上述のように、水平線Ｈに対する液相線Ｌ０のなす角度はαとなる。一方で、θ＝αとなるように、遮熱板４の傾斜角度θを調節した場合、図４と図６に示すように、液相線Ｌは水平面Ｈと略平行となる。これにより、液相線Ｌと直交する方向である結晶の成長方位は、軸線Ｏと概ね平行な方向である方向Ｃとすることができる。

換言すると、遮熱板４の傾斜角度θが０°である場合における液相線の傾斜角度αを測定したのち、遮熱板４を傾斜角度αだけ傾斜させれば、鋳造品における結晶の成長方位を軸線Ｏと同一の方向に設定することができる。例えば、鋳造品の主要軸線が軸線Ｏと同一の方向であって、結晶の成長方位をこの主要軸線と同一にするという要請がある場合、遮熱板４の傾斜角度θを調節することのみによって、容易にこの要請を満たすことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

上述の実施形態では、遮熱板４は、４つの遮熱板片４０を組み合わせることによって形成される。しかしながら、遮熱板４の構成はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、遮熱板４をカップ状の部材によって一体に形成することも可能である。このとき、傾斜部４Ｂは円錐曲面によって形成される。

また、この場合、水平部４Ａと傾斜部４Ｂとの成す傾斜角度θの値に応じて、予め複数の遮熱板４を用意し、所望の結晶成長方位に応じて、これらを選択的に用いることにより、異なる傾斜角度θに応じた精密鋳造を行うことができる。

さらに、上述の実施形態では鋳型６の設けられる個数は４つとしたが、鋳型６の個数はこれに限定されず、設計に応じて任意に決定されてよい。

加えて、センターポール部１０と、鋳型６とは、センターポール部１０の下部に設けられた湯道１１によって互いに接続される構成とした。しかし、湯道１１が設けられる位置はこれに限定されず、設計に応じて任意に決定されてよい。

さらに加えて、本実施形態に係る鋳造装置１では、方向性凝固による精密鋳造について主に説明した。しかし、鋳造装置１は、鋳型６の形状を変更することによって、単結晶凝固による精密鋳造にも適用することができる。

１ 鋳造装置
２ 真空室
３ 加熱室
４ 遮熱板
４Ａ 水平部
４Ｂ 傾斜部
４Ｃ 切欠き部
５ 冷却室
６ 鋳型
７ 駆動ロッド
８ ヒータ
９ チルプレート
１０ センターポール部
１０Ａ 湯口
１１ 湯道
Ａ 弦
Ｃ、Ｃ´ 結晶成長方位
Ｄ 分割線
Ｈ 水平線
Ｌ、Ｌ０ 液相線
Ｍ 金属
Ｍ１ 溶融金属
Ｍ２ 固体金属
Ｏ 軸線
Ｓ、Ｓ０ 固相線
Ｚ１、Ｚ１´、Ｚ２、Ｚ２´、Ｚ３、Ｚ３´ 温度領域
θ 傾斜角度
α 傾斜角度

Claims (3)

1. 鉛直方向に延びる軸線の径方向外側から内側に向かってヒータによって加熱されるとともに下方に向かって開口する加熱室と、
   前記加熱室の前記開口を閉塞するとともに、前記軸線を中心として周方向に間隔をあけて孔部が形成された遮熱板と、
   溶融金属を内部に保持する複数の鋳型を、前記加熱室から前記孔部を介して該加熱室の下方に引き下げるリフトと、
   を備え、
   前記遮熱板が、前記軸線の径方向内側から外側に向かうにしたがって上方に向かって傾斜角度を有して延びている
   ことを特徴とする鋳造装置。
2. 前記傾斜角度が調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記加熱室の前記軸線に沿って延び、前記複数の鋳型に連通して、内部に導入される前記溶融金属をこれら複数の鋳型に導くセンターポール部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造装置。

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