JPH11156525A - 鋳造装置および鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一かつ微細な等軸晶組織の達成が可能な鋳
造装置および鋳造方法を提供する。 【解決手段】 連続可能に仕切られた注湯室と冷却室を
有する鋳造装置において、該注湯室には、溶解坩堝から
鋳型に向かって形成される金属溶湯の流路中に、金属溶
湯の温度制御を行なう溶湯温度制御手段を設け、好まし
くは、鋳型を加熱するための手段を同時に設けた鋳造装
置である。これによって、溶湯温度を、液相線温度から
（液相線温度＋３０℃）の範囲内に温度制御でき、鋳型
の予熱温度も最適に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、溶融金属の鋳造、
特に、ロストワックス精密鋳造にもその使用が可能な鋳
造装置および鋳造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋳造法によって製造される金属鋳造品や
部材は、その用途に応じて健全な鋳造組織を得ること
が、従来よりの課題である。上記の鋳造組織は、その結
晶粒に関して分類すれば、多数の等軸晶から成る等軸晶
組織、結晶粒界が一方向に向かって平行に延びた柱状晶
組織、そして結晶粒界の無い単結晶組織等にて大きく定
義することができる。例えば、ロストワックス精密鋳造
法により製造されるガスタービン用動翼あるいは静翼等
に関して説明すれば、それら翼においても、等軸晶から
なる翼や単結晶からなる翼に加え、使用中の応力軸に対
して結晶粒界が平行に形成するよう一方向凝固させた柱
状晶よりなる翼が使用されており、広い使用分野にて健
全な鋳造組織を得ることは重要である。

【０００３】上記等軸晶よりなる鋳造品の製造には、一
般的に、図２に示すような金属の溶解設備を有する注湯
室５と冷却室６を有する鋳造装置が用いられており、こ
れは、上述したロストワックス鋳造法の実施にも適用さ
れている。また、柱状晶組織や単結晶組織を得るための
鋳造装置は、図２に加えて、結晶の凝固方向や速度を制
御するための鋳型加熱装置２や精密な動作を要する鋳型
引き下げ装置１１、冷却装置１３を備えており、図３
は、その一般的な構造を示すものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】凝固組織を柱状晶ある
いは単結晶に制御することは、上述したガスタービン翼
のごとく、製品に求められる特性に対して、その寿命や
信頼性の向上に有利である。特に、ガスタービン翼につ
いて言えば、ガスタービン入り口の温度を上げられるこ
とによる性能効率の向上等、優れた特性の付与ができ
る。

【０００５】しかし、上記柱状晶や単結晶組織への制御
は、凝固組織の正確な調整に係る製造方法の複雑さから
製造に長時間を要し、また、歩留まりが悪く、更には、
製造コストも高いといった問題が有ることから、航空機
用ガスタービン翼の製造を除き、一般的には採用され難
いのが現状である。

【０００６】一方、等軸晶からなる鋳造品は、柱状晶や
単結晶からなる鋳造品に比べて低コストで製造できるこ
とから、多くのガスタービン翼にも採用されている。し
かし、等軸晶組織は、多数の等軸晶から成っているた
め、製品の厚肉部では粗大に、薄肉部では微細になると
いった大小様々の結晶粒からなる傾向となり、さらに
は、粗大な結晶粒と微細な結晶粒の境界が明瞭に現れた
りする。このような鋳造組織を持つ鋳造品は、その機械
的性質の不足から、採用されず不良となったり、たとえ
組み込まれたとしても、著しくその信頼性に劣るといっ
た問題点が生じる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上述の問題に鑑
み、低コストで均質微細な等軸晶を有する鋳造品の製造
が可能であり、ガスタービン用動翼や静翼の製造にもそ
の適用が可能な鋳造装置および鋳造方法を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ガスタービ
ン用動翼、静翼と言った各種鋳造品の鋳造組織につい
て、その結晶粒径と鋳造温度、鋳型予熱温度の関係を検
討し、等軸晶による鋳造組織を微細均質化し得る条件を
見いだした。すなわち、その液相線温度から（液相線温
度＋３０℃）の範囲内に温度制御した金属溶湯を、予熱
された鋳型に注湯することを特徴とする鋳造方法であ
り、さらには、この方法を低コストかつ適確に制御し得
る鋳造装置をも検討し、本発明に至ったのである。

【０００９】つまり、連続可能に仕切られた注湯室と冷
却室を有する鋳造装置において、その注湯室には、溶解
坩堝から鋳型に向かって形成される金属溶湯の流路中
に、金属溶湯の温度制御を行なう溶湯温度制御手段を設
けた鋳造装置であり、好ましくは、注湯室に鋳型を加熱
するための手段を設けたものである。本発明の鋳造装置
であれば、均一微細な等軸晶組織を得るに有効な「液相
線温度から（液相線温度＋３０℃）の注湯温度」を適確
に制御することが可能であり、さらには、鋳型を最適温
度に予熱できることから、注湯温度のムラや鋳型との温
度勾配による鋳造組織の欠陥を抑制できるのである。な
お、好ましくは、ロストワックス鋳造法への十分な適用
能力を具備させるべく、鋳型の加熱手段は、その鋳型を
９００℃以上に加熱できるものが望ましい。

【００１０】また、本発明の溶湯温度制御手段におい
て、その金属溶湯が接触する部位は、耐火物よりなるこ
とが望ましく、つまり、ジルコニア、アルミナ、マグネ
シアの少なくとも１種以上からなるものである。そし
て、より正確な注湯温度に制御すべく、溶湯温度制御手
段の金属溶湯が接触する部位は、金属溶湯が通過する管
状であることが望ましい。

【００１１】本発明の鋳型を加熱する手段であるが、こ
れも注湯された溶融金属の凝固挙動を最適に制御すべ
く、その発熱部分が少なくとも２部分からなることが望
ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、鋳造組織を微細
均質化するに必要な鋳造条件の明確化に加え、その条件
を適確に実施し得る鋳造装置、特に、精密な形状と鋳造
組織が求められるロストワックス鋳造法への適用にも効
果を示す鋳造装置を提案したことである。

【００１３】鋳造組織における結晶粒径は、鋳造温度と
鋳型の予熱温度によって大きく変化する。まず、鋳造温
度であるが、鋳込まれる金属種の液相線温度と該金属溶
湯の実際の温度差、すなわち、注湯時のスーパーヒート
を上げれば、その結晶粒径は大きくなり、逆にスーパー
ヒートを小さくすれば、その粒径も小さくなる。よっ
て、微細な鋳造組織を得るにはスーパーヒートを小さく
すればいいのだが、スーパーヒートを小さくし過ぎる
と、金属溶湯の湯流れ性が劣る結果、金属溶湯が鋳型内
に充填されずに不廻りが生じる。

【００１４】また、鋳型予熱温度であるが、その注湯時
の鋳型温度を高くすれば、金属溶湯の凝固における結晶
粒の成長によって結晶粒径は大きくなり、逆に低けれ
ば、粒径は微細になる。よって、微細な鋳造組織を得る
には鋳型の予熱温度を低くすればいいのだが、低くし過
ぎるとスーパーヒートと同様、不廻りが生じたり、さら
には、金属溶湯と鋳型の温度勾配が大きいために著しく
延びた柱状晶が発生するので、均一かつ微細な等軸晶を
達成すべき本発明には好ましくない。

【００１５】本発明者は、均一微細な等軸晶組織を有す
る鋳造品を達成すべく、これらの知見を鑑みて、詳細な
る検討を行なった。その結果、注湯時の金属溶湯は、そ
のスーパーヒートを３０℃以下に抑えると共に、鋳型は
予熱しておくことが有効である結論に到達した。つま
り、均一かつ微細な等軸晶の達成には、注湯の湯流れ性
と鋳型内での等軸晶の健全な成長条件の両立が必須であ
り、本発明の注湯温度と鋳型の予熱によって、その条件
は達成されるのである。本発明であれば、精密な条件管
理が必要とされるロストワックス鋳造法への適用も可能
であり、この場合は、特に鋳型の予熱温度を９００℃以
上にも高める手段が有効となる。

【００１６】次に、上記条件を適確に達成できかつ、そ
の製造コスト性にも優れた本発明の鋳造装置について説
明する。本発明の鋳造装置の最大の特徴は、注湯室に、
均質微細な等軸晶粒を達成するに重要なスーパーヒート
の調整手段を有することであり、さらには、低スーパー
ヒートでも溶湯が充填できかつ、等軸晶の健全な成長が
可能な鋳型温度に予熱・保持できる手段を注湯室内に合
わせ持つことである。

【００１７】本発明の鋳造装置の一例を図１に示すと共
に、その効果について説明する。まず、均一微細な等軸
晶組織を得るには、まさに注湯されている金属溶湯のス
ーパーヒートを適確に調整する必要がある。従来のよう
に、溶解坩堝内でスーパーヒートの調整操作を行うと坩
堝壁と金属溶湯の間に温度勾配が生じるため、注湯時の
坩堝壁への金属の凝固付着が生じるだけでなく、肝心の
スーパーヒートにも誤差が生じることから、健全な等軸
晶の達成はもちろん、次いで行われる溶解にも支障をき
たすので好ましくない。よって、本発明の「金属溶湯温
度の制御手段」は、溶解坩堝から鋳型に向かって形成さ
れる金属溶湯の流路中に設けることによって、上記の課
題を解消できるのである。

【００１８】本発明の溶湯温度制御手段である図１の溶
湯温度制御装置１は、該装置１を通過した後の溶湯温度
が設定されたスーパーヒートになるように、例えば、予
め計算と実験により求められた温度に保持されるもので
あり、溶解坩堝４により溶解された金属溶湯をその一方
に設けられた溶湯受けカップ８に受け、もう一方に設け
られたノズル９より鋳型３に注がれる機構となってい
る。また、該装置１は、金属溶湯が通過するために、そ
の溶湯との接触部位は耐火物であることが望ましい。こ
れには、ジルコニア、アルミナ、マグネシア等が使用で
き、すなわち、これらの少なくとも１種からなるもので
ある。

【００１９】次に、該装置１における金属溶湯が通過す
る部位の形状について述べれば、その形状は、正確なス
ーパーヒートの調整において外部の熱影響を受けにくい
管状が望ましい。つまり、金属溶湯は管の中を通過する
のであって、その寸法は、溶解される金属の溶湯量によ
って、その都度、変更可能とするものである。なお、該
装置１は、上述するように金属溶湯の注湯温度を正確に
制御できることが必要要件である。この制御方法として
は、例えば、上記耐火物内に温度測定用の熱電対を埋め
込み、その測定温度に則して金属ヒータ７で電気加熱制
御できる構造とする。温度制御範囲は、鋳造される金属
によって液相線温度が変わることから、少なくとも１０
００℃までは制御可能とすることが望ましい。

【００２０】次に、本発明の鋳型加熱手段について説明
する。本発明の鋳型加熱手段は、図１の鋳型加熱装置２
に該当し、上述した溶湯温度制御装置１と同じ注湯室内
に設けられる。この鋳型加熱装置２は、鋳型に注湯され
る時点において、その鋳型を予め設定された最適温度に
保持する装置で、例えば、金属ヒータ１０で電気加熱さ
れている。従来の鋳造装置の場合、鋳型は該鋳造装置外
の加熱炉で予熱された後、鋳造装置に持ち込まれるため
に鋳型の温度低下が著しく、まさに注湯の際に必要とさ
れる最適な鋳型温度への調整が困難となる。このため
に、前述の不廻りや柱状晶の発生などの不具合を生じて
いたのだが、該装置２を用いれば、鋳造直前において最
適な鋳型温度が維持できるので、このような問題は解消
することができる。

【００２１】また、鋳型加熱装置２の発熱部位は、少な
くとも２部分からなることが望ましい。これは、鋳型の
温度制御をその部位ごとに調整するためであり、特に、
鋳型の上部にある押し湯部分を積極的に予熱すること
で、均一微細な等軸晶の更なる達成が可能である。ま
た、これは引け巣の発生を防止するにも優れた効果を示
す。上記発熱部位は、例えば金属ヒータとし、鋳型側壁
に沿ってその全周に上中下３ゾーンに分割して装着す
る。また、好ましくは、鋳型の注湯口を除く全面に沿っ
てヒータを設け、この場合、鋳型の床にもヒータを設け
ることとなる。

【００２２】なお、鋳型加熱装置２の鋳型制御温度は、
５００℃以上、ロストワックス鋳造法への適用にあたっ
ては９００℃以上の鋳型予熱にも対応し得ることが望ま
しく、好ましくは、１３００℃の予熱にも対応し得るも
のとする。

【００２３】また、均一微細な等軸晶組織を得るにあた
っては、鋳造後の鋳型を速やかに冷却する必要もあるた
め、鋳造後は、鋳型昇降装置１１にて鋳型を冷却室６へ
移動させることとなる。この場合、鋳型加熱装置２の少
なくとも鋳型床部は、鋳型昇降装置１１とその動きを兼
ねることとなる。

【００２４】以上、本発明の鋳造装置であれば、３０℃
以下のスーパーヒートに加え、鋳型をも最適に予熱でき
るので、ロストワックス鋳造法においても不廻りの無い
健全な均質微細な等軸晶の実現が可能である。

【００２５】

【実施例】本発明の鋳造装置を使用して、内外シュラウ
ドを有するガスタービン用静翼を鋳造した。この静翼の
寸法は、翼長２００ｍｍ、最大肉厚２５ｍｍ、最小肉厚
１．５ｍｍであり、重量は２０ｋｇである。なお、本製
品の鋳造は、従来のロストワックス精密鋳造法に従っ
た。

【００２６】鋳造装置は、その概要を図１に従うものと
した。なお、その詳細を説明すると、溶湯温度制御装置
１は、溶湯の通る部分が、外形２２０ｍｍ−内径１９０
ｍｍ−長さ８００ｍｍのアルミナ製管である。そして、
鋳型加熱装置２の発熱部位は、鋳型側壁の全周に設けた
上中下の３ゾーンおよび鋳型の床に設けられた金属ヒー
タ１０とし、鋳型の湯口を除く全面に対して取り付け
た。また、その有効加熱寸法は、幅７００ｍｍ−奥行き
７００ｍｍ−高さ７００ｍｍ、制御温度は、５００〜１
３００℃とし、鋳型の所定位置を別個に温度制御できる
ものである。鋳造に用いた溶湯金属は、Ｃｏ基鋳造母合
金（重量％にて、２５．５％Ｃｒ−１０．５％Ｎｉ−
７．５％Ｗ−１．２％Ｆｅ−０．２５％Ｃ−０．００１
％Ｂ−０．８％Ｍｎ−０．７％Ｓｉ−０．０２％Ｐ−
０．０１％Ｓ−Ｃｏ）である。

【００２７】まず、予め所定の成分に調整された母合金
３５Ｋｇを、真空排気された鋳造装置の注湯室５中に設
置された溶解坩堝４に挿入し、溶解を開始した。次い
で、鋳造装置外の加熱炉で１０００℃に予熱された鋳型
を、冷却室６内にある鋳型昇降装置１１の鋳型設置プレ
ート上にセットし、冷却室６を真空排気した。真空排気
後、真空仕切りバルブ１２を解放して、該鋳型を鋳型加
熱装置２内に上昇させ、該加熱装置２にて、所定の保持
温度とする予熱を開始した。なお、予熱温度は、３ゾー
ンの上部が１１００℃、中部が１０００℃、下部そして
炉床部が９００℃である。

【００２８】予熱開始の１５分後、前記坩堝４にて母合
金の溶解を終え、続いて、その溶湯を、注湯のスーパー
ヒートが２５℃になるように制御された溶湯温度制御装
置１を介して鋳型内に注湯した。なお、この時の溶湯温
度制御装置１の保持温度は２５０℃である。注湯後は、
鋳型を速やかに冷却室６まで引き下げて、真空仕切りバ
ルブ１２を閉じ、冷却室６を大気に解放した。

【００２９】このようにして鋳造・製作された静翼につ
いて、鋳造組織を評価した。なお、組織中の結晶粒を評
価・確認するにあたっては、重量％にて９０％の塩酸水
溶液で鋳造品表面を腐食させた。上記組織中の結晶粒径
は、２５ｍｍの厚肉部で２．５〜３ｍｍ、１．５ｍｍの
薄肉部でも約１ｍｍであった。また全域にわたって柱状
晶や引け巣もなく、結晶粒径の急激な変化もない均質微
細な鋳造組織であった。

【００３０】

【発明の効果】本発明であれば、従来の等軸晶を有する
鋳造品において問題点であった不均一な結晶粒を生じる
ことなく、低コストでしかも信頼性の高い鋳造品の提供
が可能である。また、本発明は、精密な制御・形状が必
要とされるロストワックス鋳造法にもその適用が有効で
あり、その工業的効果は非常に高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の鋳造装置の一例を示す構成図である。

【図２】等軸晶組織を得るための鋳造装置を示す構成図
である。

【図３】単結晶あるいは柱状晶組織を得るための鋳造装
置を示す構成図である。

【符号の説明】

１．溶湯温度制御装置、２．鋳型加熱装置、３．鋳型、
４．溶解坩堝、５．注湯室、６．冷却室、７．金属ヒー
タ、８．溶湯受けカップ、９．ノズル、１０．金属ヒー
タ、１１．鋳型昇降装置、１２．真空仕切りバルブ、１
３．冷却装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続可能に仕切られた注湯室と冷却室を
   有する鋳造装置において、該注湯室には、溶解坩堝から
   鋳型に向かって形成される金属溶湯の流路中に、金属溶
   湯の温度制御を行なう溶湯温度制御手段を設けることを
   特徴とする鋳造装置。
2. 【請求項２】 注湯室には、鋳型を加熱するための手段
   を設けることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 【請求項３】 溶湯温度制御手段の金属溶湯が接触する
   部位は、ジルコニア、アルミナ、マグネシアの少なくと
   も１種以上からなることを特徴とする請求項１ないし２
   に記載の鋳造装置。
4. 【請求項４】 溶湯温度制御手段の金属溶湯が接触する
   部位は、金属溶湯が通過する管状であることを特徴とす
   る請求項１ないし３に記載の鋳造装置。
5. 【請求項５】 鋳型を加熱する手段は、その発熱部分が
   少なくとも２部分からなることを特徴とする請求項２な
   いし４に記載の鋳造装置。
6. 【請求項６】 溶解坩堝から鋳型に向かって形成される
   金属溶湯の流路中に設けられた溶湯温度制御手段にて、
   液相線温度から（液相線温度＋３０℃）の範囲内に温度
   制御した金属溶湯を、予熱された鋳型に注湯することを
   特徴とする鋳造方法。