JPS63177954A - 鋳造方法及び鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、金属の鋳造方法及びその実施に使用する鋳型
に関するものであり、特にはスーパーアロイ尋の耐熱合
金を殊に対象として介在物の無い、清浄で且つ高純度の
金属を鋳造する方法及びそのための特殊なチツ化ホウ素
（ＢＮ）ｆｌＺ型に関する。本発明は、上記スーパーア
ロイ等の耐熱合金からタービンブレード、航空宇宙工業
部品等の鋳物製造を製造するのに有用であり、この他Ｔ
１、Ｚｒ等の活性な金属及びその合金、２０００”Ｃｍ
、ｐ　　までの高融点金属及びその合金から成る様々の
鋳造製品の製造にも効果的である。更に、本発明は、上
記金属乃至合金の一方向性凝固組織基しくは単結晶の鋳
物を製造するのにも好適である。

従来、ガスタービンのブレード、ロータ、パケット等や
航空用部品その他の比較的精密性を有する耐熱合金製部
品の多くは、精密鋳造法と呼ばれる鋳造法により製造さ
れてきた。精密鋳造法にも幾つか方式があり、一般に次
のように分類されている： ２　セラミックモールド法 ロストワックス法は、模型にろうまたは合成樹脂等の可
溶性物質を用いることを基本とするものであり、このう
ちソリッドモールド法はろう等製の模型の表面を耐火物
粒子と粘結剤とを混合したスラリーに浸漬し、それが乾
かぬうちに粗い耐火物砂粒を振りかけ、これを乾燥して
鋳枠に納め、粘結剤と共に混錬した耐火物砂粒をその周
囲に充填し、乾燥し、その後ろう等の模型を溶融流出し
、鋳型を作るものである。他方、セラミックシェルモー
ルド法は、模型の周囲にスラリーへの浸漬と耐火物匂砂
粒の振りかけを５〜１０回繰返し、模型のまわりだけに
４〜８ｕコーテイング厚のシェルを形成する点でソリッ
ドモールド法と異なるものである。両法とも、鋳型から
ろう等を溶融流出させた後に残留する少量のろう等は高
温度で加熱燃焼させて、鋳型内に完全な空洞を作り、鋳
型を高温状態に保ったまま釣込みが実施される。

セラミックモールド法は、方式によって多少の差異はあ
るが、流動自硬性鋳屋材を鋳型に流し込み、硬化後離型
し更に焼成して鋳型とする点を共通の特徴とする。その
代表例はショープロセスとして知られている。この場合
、セラミックモールドとは、ジルコン、アルミナ、シリ
カ、高アルミナシャモット砂等の耐火物砂を焼成した点
で名づけられたものである。

こうした精密鋳造法は、比較的複雑か形状の鋳造品をか
なりの精度で大量に製造することが出来るので、広く採
用され現在に至っている。

しかしながら、“・これら精密鋳造法は反面で次のよう
な重大な欠点を呈する： （１）＠型の溶湯と接触する表面は基本的に耐火物砂粒
から形成されており、そのため鋳造時にスポーリング等
が原因となって耐火物砂粒の溶湯への巻込みが避けられ
ず、鋳物中の不純物や介在物の原因となる。高純度、高
清浄度（非金属介在物の粒径が小さく且つ少ない状態）
に精製された金属をこうした鋳型に鋳込んでも、汚染の
結果として、所期の性能を十分に生かせず、強度低下そ
の他の弊害が生じる。他の複雑々形状品を大量に適当な
コストで生産する方法が現状では得られない以上、型か
らの介在物混入を見込んだ、より高純度、高清浄度の金
属を精製しなければならない。

（１１）　　型材の物性上またプロセス上割り型にする
ことはできない。型材と溶湯が反応を起こして溶着し、
円滑に離型することが難しい。更には、模型に対し、ス
ラリーの流し込みやスラリーへの浸漬及び砂の振りかゆ
が行われるため、鋳型はどうしても一体物となってしま
う。そのため、鋳造後、鋳造物を取り出すためには型を
破壊しなければならない。

（Ｎｉ）　　鋳型製作に多数の工程段階を要するため、
工程は長くなり、大きな設備が必要となる。

（１ｖ）　　熱術撃等の関係上、鋳造直前に鋳型自体の
予熱が必要である。

（い　鋳物は応力がかかると、結晶粒界から割れを起こ
しやすい。これは、結晶粒界に微細気孔や非金属介在物
が集中しやすく、弱いからである。

このため、結晶粒界を可能な限り排除若しくは減少する
ために一方向性凝固組織としたりまた単結晶化すること
が従前から実施されている。しかし、この場合、長時間
溶湯と接触することに々るため、型は浸食され、不純物
、介在物の増加のみならず、表面性状も劣化し、製品の
品質低下を招きまた余分な仕上げ加工も必要である。従
来の型では介在物の混入が回避できないので、少なくさ
れた結晶粒界や最終凝固域附近の結晶粒の内外を問わず
介在物が集中し、強度の低下及び信頼性の低下を招き、
本来の合金性能が十分に生かされない。

（■１）　　型の熱伝導度が小さいため、溶湯の温度制
御が容易ではない。（Ｖ）と関連して一方向性凝固や単
結晶化の綿密なコントロールを困難とする。

このように、スーパーアロイ等の耐熱合金の鋳造におい
ては多くの問題点があり、益々高い品質及び信頼性を要
求される現在、新しい鋳造技術の確立が望まれている。

こうした問題は、耐熱合金に限らず、ＴＩ、Ｚｒのよう
な活性な金属及びその合金や高融点の金属及びその合金
についても同様に或いは一層顕著に生じる。

発明の目的 本発明は、耐熱合金、活性金属及びその答金並びに高融
点金属及びその合金を対象として、上述した欠点を呈さ
ない鋳造技術の確立に向け、新たな鋳型を開発すること
を目的とする。

発明の概要 本発明者等は上記目的を実現するに適した新たな溝部材
料を求めて多くの検討を重ねた結果、チツ化ホウ素（Ｂ
Ｎ）が本目的にきわめて適合することを見出すに至った
。チツ化ホウ素は次のような性質を有する： （１）溶湯と非常に反応しにくい。

（２）溶湯との濡れが悪い （３）熱膨張係数が非常に小さく、そのため熱衝繋抵抗
が非常に大きい。

（４）熱伝導度が大きい。

（５）融点が高い。

（６）比重が小さい。

（力　成形品が入手しうる。

（８）成形品の機械加工が容易である。

こうした性質は、融点が高くまた活性に富む金属及び合
金用の精密鋳造用鋳型として最適である。

テラ化ホウ素製鋳型を使用することによって、従来のロ
ストワックス法及びセラミックそ−ルビ法の欠点がこと
ごとく解決され、きわめて高品質の鋳物の製造が可能と
なるのである。

上記知児に基いて、本発明は、耐熱合金、活性金属及び
その合金並びに高融点金属及びその合金から選択される
金属或いは合金の溶湯を真空中もしくは、不活性ガス雰
囲気中でチツ化ホウ素製鋳型に鋳造することを特徴とす
る鋳造方法を提供する。本鋳造方法は、一方向性凝固組
織或いは単結晶組織を好適に生成することが出来る。本
発明は更に、耐熱合金、活性金属及びその合金並びに高
融点金属及びその合金から選択される金属或いは合金の
鋳造用の窒化ホウ素製鋳槃を提供する。本鋳型は割り型
として使用することが出来る。

発明の詳細な説明 本発明は、耐熱合金、活性金属（合金）及び高融点金属
（合金）を対象とする。これらは、鋳造に際して、溶湯
温度が高く、溶湯の活性が強（、鋳型への侵食作用が大
きい。しかも、これら合金は高温及び腐食性の苛酷力環
境条件において使用されるため、高度の品質を要求され
、金属介在物等の混入を極度に嫌つ。それ故にこそ、高
温での鋳造に際して、鋳型からの介在物汚染のない新し
い鋳型が求められるのである。耐熱合金としては、斯界
で耐熱合金として分類される合金をすべて包括するが、
特にスーパーアロイ（超合金）として知られるＡ−級ス
ーパーアロイ、Ｂ−ｉ１スーパーアロイ及びＣ−級スー
パーアロイ、中でもＮｉ或いはＣｏを主体とし、Ｃｒを
１５〜３０チ含むＣ−級スーパーアロイを特定例とする
。活性金属（合金）は、Ｔｌ５Ｚｒ、等の金属及び合金
に代表されるような、＠型への侵食作用が窩く、従って
鋳型のスポーリング等が生じやすいものを云う。

高融点金属（合金）は、窒化ホウ素の使用可能温度（不
活性雰囲気中及び真空中で２０００℃まで使用可）より
低い範囲での高融点金属及び合金を云い、Ｍ　ｏ　−Ｓ
　ｉ系を代表例とする。

不発Ｑ１１は、チツ化ホウ素製の鋳型を使用することを
本旨とする。

チツ化ホウ素（ＢＮ）は、先にも述べた通り、非常にユ
ニークな性質を有するセラミックである。

これについて詳述する： （１）化学的に非常に安定で、耐食性に優れ、溶湯と非
常に反応しに（い。そのため、スポーリングが起きにく
く、ＢＮの溶湯への巻込みは発生しにくく、たとえＢＮ
が巻込まれても比重が小さいため溶湯中で懸垂状態とな
りにくい。

（２）　　溶湯との濡れが悪い。これは、（１）と同じ
（スポーリングの発生抑制に効果があり、更には鋳造物
の離聚性に寄与する。鋳似を割り型とすることにより、
鋳型の再使用が可能となる。

鋳肌も清浄で、仕上げ処理の負担を大巾に軽減する。

（３）熱膨張係数が４〜５Ｘ１０　　／℃　と非常に小
さく、熱衝９に対する耐力が太き（、鋳型の破損を実質
上排除しうる。（１）〜（３）が相俟って鋳型の耐久寿
命を延長する。

（４）熱伝導度がセラミック中ではべりリアに次いで大
きく、鉄鉋材に匹敵し、アルミナの約３倍である（　ｃ
Ｌ１６　Ｃａｌ　／ａｎ　、ｓｅｃ、　℃）。そのため
、冷却速度を従来型より大きくすることが出来且つその
制御を容易ならしめる。これは、一方向性凝固組織、単
結晶組織等の凝固組織のコントロールを容易とする。鋳
造前の予熱を省略若しくは短縮し５る（（３）により昇
温速度大きくとれる）。

（５１ＢＮは昇華温度３０００℃と非常に高く、不活性
雰囲気中及び真空中では２０００℃まで使用可能である
。高融点の金属材料の鋳造を可とする。

（６）比重が小さい（真比重２．２６でセラミックス中
で最も軽い材料である）。これは、鋳型の取扱いを容易
ならしめ、また（１）で述べたように万一スポーリング
が起っても介在物を懸垂状態としない。

（７）焼結成型品を市販入手しうる。これこそ、ＢＮ製
鋳型、特に割り型を作ネ１４　Ｌうる基本である。

（８）大方晶結晶であるため、旋盤等の一般金属加工機
で切削加工出来るので、複雑な形態の鋳造物の鋳造を可
能とし、また鋳肌も良好表らしめる。（力及び（８）に
より鋳型作製の工程時間が従来より短縮され、従来のよ
うな面倒な手間を要しない。

このように、チツ化ホウ素の具備する性状はすべての点
から高温／活性金属精密鋳造用鋳型への適性を有し、こ
れに優る材料は無いといっても過言ではない。

（７）で述べた通り、チツ化ホウ素は成形品として入手
しうる。チツ化ホウ素は軟化溶融し々いため、Ｂ、０８
、ＣａＣＩＢ、０．、Ａ　ｂ　Ｏｓ　・Ｓ　ｉ　Ｑｔ　
　等の酸化物バインダーを数チ添加し、１７００　Ｋｙ
／ｃｍ’の圧力下で１７００〜２０００℃で焼結（ホッ
トプレス）することにより成形体となしえ、こうした成
形体は市販されている。常圧焼結晶も入手しつる。こう
した成形体は、メタライズ用るつぼ、連鋳用ダイス、熱
電対保護管、炉材、放熱シート、ロケット部材等に使用
されているが、上述したような金属（合金）鋳造用の鋳
型として用いる試みは本発明が初めてである。

鋳造作業に当っては、第１図に示すように、チツ化ホウ
素製割り型１を機械加工により作製する。

加工精度は５／１００ｖＬまで可能であり、表面粗さは
研磨により１〜１１μｍまで仕上げることが出来る。こ
の鋳型に真空若しくは不活性ガス雰囲気で鋳込みを行い
、冷却後離型し、仕上げ加工を行うと鋳物製品が製造さ
れる。割り型は再使用される。

一方向性凝固組織を得たい場合には、第２図に示すよう
に、ヒータ２と水冷板３上に載せた鋳型１との相対移動
が行われる。単結晶組織を得たい場合には、種板４を収
納しうるよう鋳型を作製し、後は第２図と同様にすれば
よい。冷却速度のコントロールが容易なことから従来よ
り高品質のものが得られる。

こうして、ガスタービンブレード、ロータ等の部品、航
空・宇宙産業用部品等高度の品質を要求される部品が従
来より低コストで且つ高い信頼性の下で得られる。

電子ビーム溶解したＶｉｔａｌｌｉｕｍ　（Ｃｏ　−Ｃ
ｒ系スーパーアロイ）を、ＢＮの鋳型に真空鋳造したと
ころ、次の結果が得られた。

ｔ　母材と鋳造物を比較して、純度の変化、清浄度の変
化は認められなかった。

２　結晶粒界、最終凝固付近に介在物は観察されなかっ
た。

五　良好な一方向性凝固組織、単結晶の鋳物が得られた
。

４　表面状態の良い鋳物が得られた。

５、　　ｎ型を、損傷するとと力く、鋳造物を離型する
ことができた。

６、　鋳型を、予熱なしに使用したが、全く破損しなか
った。

２　冷却速度が大きいため、結晶粒が微細化していた。

比較のため、同様な条件で、通常のセラミック型に鋳造
したところ、次の結果が得られた。

ｔ　結晶粒界、最終凝固付近に５〜３０μｍの大きさの
非金属介在物が多数観察された。

２、組織異常の鋳物（不良品）がときどき発生した。

３、光面状態が、ＢＮの鋳型でつくったものに比べ悪い
。

４、　破壊しないと、離型でき々かった。

５．１０００℃までの予熱が必要であった。

＆　結晶粒が太きかった。

発明の効果 ｔ　？り遺物の品質が向上し、また信頼性が高くなり、
その性能のグレードアップが計れる。

２、＠造設備がコンパクトに々す、場合によっては金属
の精製設備の縮小化が計れる。

五　造型及び鋳造工程全体を通してコストダウンが可能
となる。

第１図は本発明の鋳造方法のフローシートであり、第２
図は一方向性凝固組織を得る場合の実施態様を示し、そ
して第３図は単結晶組織を得る場合の実施態様を示す。

１　　：　　ＢＮ鋳型 ２　：　ヒータ ３　：　水冷板 ４　：　種板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）耐熱合金、活性金属及びその合金並びに高融点金属
   及びその合金から選択される金属或いは合金の溶湯を真
   空中もしくは不活性ガス雰囲気中でチツ化ホウ素製鋳型
   に鋳造することを特徴とする鋳造方法。 ２）鋳造に際して、一方向性凝固組織或いは単結晶組織
   を生成する特許請求の範囲第１項記載の鋳造方法。 ３）耐熱合金、活性金属及びその合金並びに高融点金属
   及びその合金から選択される金属或いは合金の鋳造用の
   窒化ホウ素製鋳型。 ４）鋳型が割り型である特許請求の範囲第３項記載の鋳
   型。