WO2014109176A1

WO2014109176A1 - 遠心鋳造装置

Info

Publication number: WO2014109176A1
Application number: PCT/JP2013/083505
Authority: WO
Inventors: 茂征佐藤; 一義筑後
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2014-07-17
Also published as: ES2623890T3; EP2944399B1; CN104884190B; US9533348B2; JP6004012B2; CN104884190A; EP2944399A1; EP2944399A4; JPWO2014109176A1; US20150246390A1

Abstract

　遠心鋳造装置（１０）は、回転自在な回転テーブル（１２）上に載置される鋳型ホルダ（１４）と、鋳型ホルダに入れられて保持される鋳型（１６）と、を備え、鋳型ホルダは、金属材料で形成され、有底筒状の鋳型ホルダ本体（１８）と、鋳型ホルダ本体の内周面及び底面に設けられる断熱部材（２６）、（２８）と、鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材に突設された鋳型位置決め部材（３４）、（３６）と、を有し、鋳型は、金属溶湯が注入されるキャビティを有する鋳型本体（４４）と、鋳型本体に設けられ、鋳型位置決め部材と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔を有する鋳型台（４６）と、を有している。

Description

遠心鋳造装置

　本発明は、遠心鋳造装置に係り、特に、チタンアルミナイド精密鋳造品、チタン合金精密鋳造品、ニッケル合金精密鋳造品等を遠心鋳造で精密鋳造するための遠心鋳造装置に関する。

　従来の遠心鋳造装置では、鋳型の取り付けについては、回転テーブルの上に配置された円筒管内に鋳型を挿入し、円筒管と鋳型との隙間にセラミック断熱材等を充填して、鋳型を位置決め固定する方法や、鋳型をベルト等で固縛して、回転テーブルの上に鋳型を位置決め固定する方法が行われている。

　特許文献１には、精密遠心鋳造において、鋳型を遠心鋳造装置の回転台上の固定枠に金属製ベルトで絞め付けて固定することが記載されている。

特開平４－８１２５４号公報

　ところで、上述したように、円筒管と鋳型との隙間にセラミック断熱材等を充填して、鋳型を位置決め固定する方法であると、セラミック断熱材等の充填作業と、鋳型の位置決め作業とに時間がかかり、鋳型の取り付け作業が煩雑となる可能性がある。また、鋳型をベルト等で固縛する場合においても、鋳型の固縛作業と、鋳型の位置決め作業とに時間がかかり、鋳型の取り付け作業が煩雑となる可能性がある。更に、予熱炉で予め加熱した鋳型を取り付ける場合においても、このように鋳型の取り付け作業が煩雑になると、鋳型温度の低下が大きくなり、鋳造品に欠陥等が生じる場合がある。

　そこで本発明の目的は、より簡易に鋳型を取り付けることができる遠心鋳造装置を提供することである。

　本発明に係る遠心鋳造装置は、回転自在な回転テーブル上に載置される鋳型ホルダと、前記鋳型ホルダに入れられて保持される鋳型と、を備え、前記鋳型ホルダは、金属材料で形成され、有底筒状の鋳型ホルダ本体と、前記鋳型ホルダ本体の内周面及び底面に設けられる断熱部材と、前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材に突設され、セラミックスで形成される鋳型位置決め部材と、を有し、前記鋳型は、金属溶湯が注入されるキャビティを有し、酸化物で形成される鋳型本体と、前記鋳型本体に設けられ、前記鋳型位置決め部材と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔を有し、酸化物で形成される鋳型台と、を有していることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型位置決め部材と前記鋳型位置決め部材挿入孔とは、複数設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型位置決め部材は、前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材の中心に１つ設けられると共に、前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材の周縁に複数設けられており、前記鋳型位置決め部材挿入孔は、前記鋳型台の中心に１つ設けられると共に、前記鋳型台の周縁に複数設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型台の周縁に複数設けられている鋳型位置決め部材挿入孔は、切り欠き孔で形成されていることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型位置決め部材は、窒化珪素、炭化珪素または酸化ジルコニウムで形成されていることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型は、前記鋳型本体に放射状に設けられ、先端が前記鋳型ホルダ本体の内周面に設けられる断熱部材と当接し、前記鋳型を支持する複数の支持部材を有していることを特徴とする。

　本発明に係る遠心鋳造装置において、前記鋳型ホルダには、予め加熱された鋳型が保持されることを特徴とする。

　上記構成によれば、鋳型ホルダは、鋳型位置決め部材を有し、鋳型は、鋳型位置決め部材と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔を有する鋳型台を備えているので、鋳型ホルダの鋳型位置決め部材に、鋳型台の鋳型位置決め部材挿入孔を係合させて鋳型を取り付けることにより、容易に鋳型を鋳型ホルダ内に位置決めすることができるので、より簡易に鋳型の取り付けが可能となる。

本発明の実施の形態において、遠心鋳造装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態において、鋳型ホルダの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態において、平板状の断熱部材の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態において、鋳型位置決め部材の構成を示す図である。本発明の実施の形態において、蓋体の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態において、鋳型の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態において、鋳型台の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態において、鋳型の製造方法におけるフローチャートである。本発明の実施の形態において、鋳型の製造方法における各工程を説明するための断面図である。本発明の実施の形態において、遠心鋳造装置を用いた遠心鋳造方法を示す模式図である。

　以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、遠心鋳造装置１０の構成を示す断面図である。遠心鋳造装置１０は、回転自在な回転テーブル１２上に載置された鋳型ホルダ１４と、鋳型ホルダ１４に入れられて保持される鋳型１６と、を備えている。

　図２は、鋳型ホルダ１４の構成を示す断面図である。鋳型ホルダ１４は、有底で円筒状等の有底筒状に形成された鋳型ホルダ本体１８と、鋳型ホルダ本体１８の上側の開口を塞ぐ蓋体２０と、を備えている。鋳型ホルダ本体１８は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。鋳型ホルダ本体１８の底面周縁には、外方向へ突出した鍔部２２が周方向に沿って設けられている。鍔部２２には、鋳型ホルダ１４を回転テーブル１２にボルト等の締結部材２３で締結して固定するための締結孔２４が、例えば、周方向に略等間隔で４箇所に設けられている。

　鋳型ホルダ本体１８の内周面には、円筒状等の筒状の断熱部材２６が設けられている。筒状の断熱部材２６の大きさは、例えば、外径４２５ｍｍ、高さ３８０ｍｍ、厚み１０ｍｍである。鋳型ホルダ本体１８の底面には、円盤状等の平板状の断熱部材２８が設けられている。平板状の断熱部材２８の大きさは、例えば、外径４４５ｍｍ、厚さ１０ｍｍである。筒状の断熱部材２６と、平板状の断熱部材２８とは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４），炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等のセラミックスで形成されている。筒状の断熱部材２６と、平板状の断熱部材２８とは、耐熱衝撃性と機械的特性とに優れることから、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または炭化珪素（ＳｉＣ）で形成されることが好ましい。筒状の断熱部材２６と平板状の断熱部材２８とは、別体で構成されていてもよいし、一体的に構成されていてもよい。筒状の断熱部材２６と平板状の断熱部材２８とは、鋳型ホルダ本体１８と固着されていてもよいし、鋳型ホルダ本体１８と取り外し可能に設けられていてもよい。

　平板状の断熱部材２８には、鋳型１６を鋳型ホルダ１４内に位置決めするための鋳型位置決め部材３４、３６が設けられている。鋳型位置決め部材３４、３６は、平板状の断熱部材２８の上面から突設して形成されている。図３は、平板状の断熱部材２８の構成を示す平面図である。図４は、鋳型位置決め部材３４、３６の構成を示す図である。平板状の断熱部材２８の中心には、１つの円孔３０が形成されている。平板状の断熱部材２８の周縁には、半楕円孔３２が周方向に略等間隔で複数箇所、例えば４箇所に形成されている。

　円孔３０には、円柱状の鋳型位置決め部材３４が平板状の断熱部材２８の上面から突出して嵌合されている。円柱状の鋳型位置決め部材３４の大きさは、例えば、外径Ａが２０ｍｍ、高さＢが４０ｍｍである。半楕円孔３２には、半楕円柱状の鋳型位置決め部材３６が平板状の断熱部材２８の上面から突出して嵌合されている。半楕円柱状の鋳型位置決め部材３６の大きさは、例えば、短径Ｃが１５．５ｍｍ、長径の半分の長さＤが１４ｍｍ、高さＥが４０ｍｍである。円柱状の鋳型位置決め部材３４と、半楕円柱状の鋳型位置決め部材３６とは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４），炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等のセラミックスで形成されている。鋳型位置決め部材３４、３６は、平板状の断熱部材２８と別体で構成されていてもよいし、一体的に構成されていてもよい。また、鋳型位置決め部材３４、３６の形状は、円柱状や半楕円柱状に限定されることなく、四角柱等の多角柱状等でもよい。

　鋳型ホルダ本体１８の上側の開口には、半割れ構造の蓋体２０が設けられている。図５は、蓋体２０の構成を示す平面図である。蓋体２０は、ステンレス鋼等の金属材料で形成されている。蓋体２０の一方と他方とは、例えば、２箇所に設けられたクランプ部材３８によりお互いを拘束可能に構成されている。蓋体２０の外周縁には、鋳型ホルダ本体１８の上側の外周縁と嵌合する嵌合周溝４０が設けられている。また、蓋体２０の中央部には、鋳型１６の湯口を挿通するための開口部４２が形成されている。

　次に、鋳型１６について説明する。図６は、鋳型１６の構成を示す断面図である。鋳型１６は、チタンアルミナイド、チタン合金、ニッケル合金等の金属溶湯が注入されるキャビティを有する鋳型本体４４と、鋳型本体４４に設けられた鋳型台４６とを備えている。

　鋳型本体４４は、金属溶湯を注入するための湯口４７と、湯口４７と連通する湯道４８と、湯道４８と連通し、製品となる製品部５０と、を有している。例えば、湯口４７は円錐状に形成されており、湯道４８は円筒状に形成されている。製品部５０は、例えば、製品となる翼形状等に形成されている。鋳型本体４４は、酸化物等からなる耐火材料で形成された耐火材層で構成されている。

　鋳型本体４４には、周方向に放射状に設けられ、先端が鋳型ホルダ１４における筒状の断熱部材２６の内周面と当接して鋳型１６を支持する支持部材５２が設けられていることが好ましい。支持部材５２は、例えば、棒状で形成されており、周方向に略水平で放射状に略等間隔で４箇所に設けられている。支持部材５２は、例えば、棒状のセラミックス部材５２ａに耐火材層が被覆されて構成されている。

　鋳型本体４４には、製品部５０を補強する補強部材５４が設けられていることが好ましい。補強部材５４は、例えば、棒状のセラミックス部材５４ａに耐火材層が被覆されて構成されている。

　鋳型本体４４は、鋳型本体４４における湯口４７と反対側に鋳型台４６を取り付けるための円筒状等の筒状の鋳型台接続部５６を有している。鋳型台接続部５６の筒内には、金属溶湯が流出しないようにセラミックボール５８が入れられており、更にセラミック断熱材６０が充填されている。

　鋳型台４６は、鋳型本体４４の下側の鋳型台接続部５６に取り付けられている。図７は、鋳型台４６の構成を示す平面図である。鋳型台４６は、例えば、円盤状等の平板状に形成されている。鋳型台４６は、酸化物等からなる耐火材料で形成されており、鋳型本体４４と同じ耐火材層で構成されていることが好ましい。

　鋳型台４６は、鋳型ホルダ１４における円柱状の鋳型位置決め部材３４及び半楕円状の鋳型位置決め部材３６と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔６２、６４を有している。鋳型台４６の中心には、鋳型ホルダ１４の円柱状の鋳型位置決め部材３４を挿入して係合可能な１つの円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６２が設けられている。鋳型台４６の外周縁には、半楕円柱状の鋳型位置決め部材３６を挿入して係合可能な半楕円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６４が設けられている。半楕円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６４は、周方向に略等間隔で複数箇所、例えば４箇所に鋳型台４６の周縁を切り欠いた切り欠き孔で形成されている。

　次に、鋳型１６の製造方法について説明する。

　図８は、鋳型１６の製造方法におけるフローチャートである。鋳型１６の製造方法は、ロウ型成形工程（Ｓ１０）と、スラリ層形成工程（Ｓ１２）と、脱ロウ工程（Ｓ１４）と、焼成工程（Ｓ１６）と、を備えている。図９は、鋳型１６の製造方法における各工程を説明するための断面図であり、図９（ａ）は、ロウ型成形工程（Ｓ１０）を説明するための断面図であり、図９（ｂ）は、スラリ層形成工程（Ｓ１２）を説明するための断面図であり、図９（ｃ）は、脱ロウ工程（Ｓ１４）を説明するための断面図である。

　ロウ型成形工程（Ｓ１０）は、鋳型本体４４と鋳型台４６とを形成するためのロウ型模型７０をロウ材で成形する工程である。図９（ａ）に示すように、ロウ型模型７０は、鋳型本体４４を形成する部分７２と、鋳型台４６を形成する部分７４とを備えている。鋳型本体４４を形成する部分７２には、支持部材５２を形成するための棒状のセラミックス部材５２ａが接着等で取り付けられることが好ましい。また、鋳型本体４４を形成する部分７２と、鋳型台４６を形成する部分７４とには、補強部材５４を形成するための棒状のセラミックス部材５４ａが接着等で取り付けられることが好ましい。

　スラリ層形成工程（Ｓ１２）は、ロウ型模型７０に耐火材料からなるスラリ層７６を被覆する工程である。まず、ロウ型模型７０にスラリ層７６を被覆する前に、鋳型台４６を形成する部分７４の外周面及び下面を樹脂テープ等でマスキング処理する。次に、ロウ型模型７０にスラリ層７６を被覆する。スラリ層７６の被覆方法については、耐火材料とバインダとを混合したスラリの塗布と、スタッコ処理とを繰り返すことにより行われる。耐火材料には、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等が用いられる。バインダには、コロイダルシリカ等が用いられる。

　そして、ロウ型模型７０にスラリ層７６を被覆した後にマスキングを除去し、十分乾燥させる。それにより、図９（ｂ）に示すように、ロウ型模型７０の周りにはスラリ層７６が被覆される。なお、マスキング処理した鋳型台４６を形成する部分７４の外周面及び下面にはスラリ層７６が被覆されていない。

　脱ロウ工程（Ｓ１４）は、スラリ層７６を被覆したロウ型模型７０を加熱してロウ材を除去し、鋳型成形体７８を成形する工程である。図９（ｃ）に示すように、スラリ層７６を被覆したロウ型模型７０からロウ材を溶融して除去することにより鋳型成形体７８を成形する。脱ロウは、スラリ層７６を被覆したロウ型模型７０をオートクレーブ等に入れて、１００℃から１８０℃、４気圧（０．４ＭＰａ）から８気圧（０．８ＭＰａ）で加熱・加圧処理して行われる。ロウ材を溶融して除去することにより鋳型成形体７８には、湯口４７、湯道４８、製品部５０、円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６２等が形成される。そして、鋳型成形体７８に機械加工等で半楕円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６４を形成する。なお、半楕円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６４については、焼成工程（Ｓ１６）後に機械加工等で形成してもよい。

　焼成工程（Ｓ１６）は、鋳型成形体７８を焼成する工程である。鋳型成形体７８を焼成炉等で９００℃から１３００℃で加熱して焼成することにより、スラリ層７６が焼固められて殻体（シェル）となり鋳型１６が形成される。そして、鋳型台接続部５６の開口にセラミックボール５８を入れて開口を塞ぐと共に、セラミック断熱材６０を充填する。以上により鋳型１６が製造される。なお、上記の鋳型１６の製造方法では、鋳型本体４４と鋳型台４６とを一体的に形成する場合について説明したが、鋳型本体４４と鋳型台４６とを別体で形成した後に接合等して鋳型１６を製造してもよい。

　次に、遠心鋳造装置１０を用いた遠心鋳造方法について説明する。

　図１０は、遠心鋳造装置１０を用いた遠心鋳造方法を示す模式図である。溶解室８０では、チタンアルミナイド合金、チタン合金、ニッケル合金等の真空溶解を行い、溶解坩堝８２中の金属溶湯８４を所定温度に維持する。

　鋳型室８６の回転テーブル１２の上に鋳型ホルダ１４を載置し、鋳型ホルダ１４をボルト等の締結部材２３で回転テーブル１２に締結して固定する。次に、予熱炉で予め加熱された鋳型１６を鋳型ホルダ１４にセットする。加熱された鋳型１６を鋳型ホルダ１４に挿入し、鋳型１６の円形状の鋳型位置決め部材挿入孔６２に、鋳型ホルダ１４の円柱状の鋳型位置決め部材３４を挿入して係合させると共に、鋳型１６の半楕円状の鋳型位置決め部材挿入孔６４に、鋳型ホルダ１４の半楕円柱状の鋳型位置決め部材３６を挿入して係合させる。そして、鋳型１６の湯口４７を蓋体２０の開口部４２から露出させた状態で、蓋体２０で鋳型ホルダ１４の開口を覆う。これにより、鋳型１６が鋳型ホルダ１４に位置決めされて保持される。

　鋳型室８６の真空引きを行って、鋳型室８６を減圧する。鋳型室８６が所定の真空度に到達したら溶解室８０と鋳型室８６とを仕切る仕切りバルブ８８を開く。昇降体を上昇させて、鋳型ホルダ１４に保持された鋳型１６を鋳型室８６の上方に移動させる。回転テーブル１２を回転させて所定の回転速度に到達した後に、溶解坩堝８２内の金属溶湯８４を鋳型１６に注入して鋳造する。鋳造後、回転テーブル１２の回転を停止し、昇降体を下降させて、鋳型ホルダ１４に保持された鋳型１６を鋳型室８６の下方に移動させて冷却する。そして、冷却後に鋳型ホルダ１４から鋳型１６を取り出す。

　以上、上記構成によれば、鋳型ホルダは、鋳型位置決め部材を有し、鋳型は、鋳型位置決め部材と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔を有する鋳型台を備えているので、鋳型ホルダの鋳型位置決め部材に、鋳型台の鋳型位置決め部材挿入孔を係合させて鋳型を取り付けることにより、容易に鋳型を鋳型ホルダ内に位置決めすることができるので、より簡易に鋳型の取り付けが可能となる。また、予熱炉で予め加熱した鋳型を取り付ける場合においても、より簡易に鋳型の取り付け作業を行うことが可能となり、短時間で鋳型の取り付け作業が完了するので、鋳型温度の低下を低減することができる。

　本発明は、容易に鋳型を鋳型ホルダ内に位置決めすることができることから、チタンアルミナイド精密鋳造品、チタン合金精密鋳造品、ニッケル合金精密鋳造品等の遠心鋳造に有用なものである。

Claims

　遠心鋳造装置であって、
　回転自在な回転テーブル上に載置される鋳型ホルダと、
　前記鋳型ホルダに入れられて保持される鋳型と、
　を備え、
　前記鋳型ホルダは、
　金属材料で形成され、有底筒状の鋳型ホルダ本体と、
　前記鋳型ホルダ本体の内周面及び底面に設けられる断熱部材と、
　前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材に突設され、セラミックスで形成される鋳型位置決め部材と、
　を有し、
　前記鋳型は、
　金属溶湯が注入されるキャビティを有し、酸化物で形成される鋳型本体と、
　前記鋳型本体に設けられ、前記鋳型位置決め部材と係合可能な鋳型位置決め部材挿入孔を有し、酸化物で形成される鋳型台と、
　を有していることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項１に記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型位置決め部材と前記鋳型位置決め部材挿入孔とは、複数設けられていることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項２に記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型位置決め部材は、前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材の中心に１つ設けられると共に、前記鋳型ホルダ本体の底面の断熱部材の周縁に複数設けられており、
　前記鋳型位置決め部材挿入孔は、前記鋳型台の中心に１つ設けられると共に、前記鋳型台の周縁に複数設けられていることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項３に記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型台の周縁に複数設けられている鋳型位置決め部材挿入孔は、切り欠き孔で形成されていることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項１から４のいずれか１つに記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型位置決め部材は、窒化珪素、炭化珪素または酸化ジルコニウムで形成されていることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項１から５のいずれか１つに記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型は、前記鋳型本体に放射状に設けられ、先端が前記鋳型ホルダ本体の内周面に設けられる断熱部材と当接し、前記鋳型を支持する複数の支持部材を有していることを特徴とする遠心鋳造装置。
　請求項１から６のいずれか１つに記載の遠心鋳造装置であって、
　前記鋳型ホルダには、予め加熱された鋳型が保持されることを特徴とする遠心鋳造装置。