JP2003311391A - 鋳造物の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単かつ安価な構成で、製品部の一端部から他
端部に向かって所望の温度勾配を維持することができ、
単結晶鋳造物を良好かつ円滑に製造することを可能にす
る。 【解決手段】鋳型２２を構成する製品部２８を加熱する
加熱機構３６と、前記製品部２８の鋳型下部２８ｃに接
触して吸熱するとともに、前記鋳型２２を前記加熱機構
３６に対して凝固方向とは反対方向に相対的に移動させ
ることにより、該製品部２８内の溶融合金を前記鋳型下
部２８ｃから鋳型上部２８ｄに向かって一方向に凝固さ
せる冷却機構３８と、前記製品部２８が前記加熱機構３
６から離脱する部分の加熱を阻止するためのインナーバ
ッフル４８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳型内の溶融物を
一方向に凝固させて鋳造物を製造する鋳造物の製造装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、形状の複雑な製品を精密鋳造
する精密鋳造法として、インベストメント鋳造法が知ら
れている。このインベストメント鋳造法は、ロストワッ
クス法としても知られており、可溶性ろう、または、ポ
リスチレン樹脂等を用いて模型を作製し、この模型の周
囲に耐火物の泥状混合物を浸漬し、耐火物をコーティン
グして乾燥処理する工程を数回から数十回繰り返すこと
により耐火物を積層させた後、該模型を溶融流出させ、
さらに焼成鋳型として注湯するものである。

【０００３】ところで、この種の精密鋳造において、一
方向凝固（方向性凝固）により製品を製造することが行
われている。例えば、ガスタービンエンジンを構成する
タービンロータのブレードのような単結晶合金（例え
ば、Ｎｉ基合金単結晶）の温度勾配を適正化し、単結晶
素材の良品率を向上させるためである。

【０００４】上記の一方向凝固を行う装置として、例え
ば、米国特許第４，６０９，０２９号公報に開示された
装置が知られている。この装置では、図８に示すよう
に、鋳型１がチルプレート２に載置されており、このチ
ルプレート２は、図示しないアクチュエータを介し加熱
機構３の内部に対して昇降可能である。鋳型１内には、
溶湯注入口４ａからランナ（または、湯道）４ｂを介し
てキャビティ５が連通している。

【０００５】加熱機構３は、誘導加熱コイル６が外装さ
れたサセプタ７と断熱材７ａとを備えており、このサセ
プタ７の上部には、上板８を介して漏斗９が接続されて
いる。サセプタ７の下部には、加熱帯域と冷却帯域とを
分離するためにバッフル１０が固定されている。

【０００６】このような構成において、鋳型１を載置し
たチルプレート２が上昇し、この鋳型１が加熱室Ｓに配
置されて加熱機構３の作用下に所定の温度に加熱された
後、漏斗９から前記鋳型１の溶湯注入口４ａに鋳造合金
の溶湯が注入される。この溶湯は、ランナ４ｂを介して
キャビティ５に充填される。その際、鋳型１がチルプレ
ート２に接触しており、このチルプレート２と接する溶
湯部分から上方に向かって一方向凝固が開始される。

【０００７】次いで、チルプレート２が所定の速度で下
方向に移動することにより、キャビティ５内の溶湯は、
上方向に向かって結晶の成長が推進され、前記キャビテ
ィ５内では、一方向凝固により鋳造物（製品）が製造さ
れる、としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、チルプレート２が下降するのに伴って、
バッフル１０と鋳型１との間から輻射や対流による熱の
出入りが多くなる。このため、鋳型１は、冷却すべき製
品部下部側の温度が上昇する一方、製品部上部側の温度
が下降する。これにより、溶湯の凝固に時間がかかって
しまうとともに、単結晶化に必要な温度勾配を得ること
ができず、単結晶の結晶方位がずれたり、新たな結晶が
発生したりするという問題がある。

【０００９】特に、温度勾配が一層必要となる大型翼を
鋳造する際には、１枚のブレードしか配置できない場合
があり、バッフルと鋳型の隙間が非常に大きく、単結晶
化に必要な温度勾配が得られ難い。従って、単結晶鋳造
物を鋳造することができないという問題がある。

【００１０】その際、鋳型の外形寸法に対応したバッフ
ルを用意し、このバッフルを交換して使用することが考
えられている。ところが、バッフルは、通常、冷却部と
サセプタとの間に挟持されているため、このバッフルの
交換作業が相当に煩雑である。

【００１１】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、簡単かつ安価な構成で、製品部の一端部から他端部
に向かって所望の温度勾配を維持することができ、単結
晶鋳造物を良好かつ円滑に製造することが可能な鋳造物
の製造装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鋳造物の製
造装置では、鋳型を構成する製品部を加熱する加熱機構
と、前記製品部の一端部に接触して吸熱するとともに、
前記鋳型を前記加熱機構に対して凝固方向とは反対方向
に相対的に移動させることにより、該製品部内の前記溶
融物を前記一端部から他端部に向かって一方向に凝固さ
せる冷却機構と、該鋳型と前記加熱機構とを相対的に移
動させる際に、前記製品部の該加熱機構から離脱する部
分が加熱されることを阻止する熱遮蔽部材とを備えてい
る（請求項１記載の発明）。

【００１３】このため、鋳型と加熱機構とが反対方向に
相対的に移動し、前記鋳型を構成する製品部が一端部か
ら他端部に向かって冷却される際に、前記加熱機構から
離脱する部分、すなわち、前記一端部側が加熱されるこ
とがない。従って、製品部では、一端部と他端部とに比
較的大きな温度差が発生し、結晶方位を良好に制御する
ことができ、特に単結晶鋳造物の品質および強度が有効
に向上する。

【００１４】また、加熱機構は、鋳型を囲繞して配設さ
れており、冷却機構に近接して配置されるバッフルを備
え、熱遮蔽部材は、前記バッフルに近接して配置され、
前記鋳型と前記加熱機構とを相対的に移動させる際に、
該加熱機構からの熱が前記バッフルの内方を通って前記
製品部側に伝わることを阻止している（請求項２記載の
発明）。

【００１５】これにより、加熱機構からの熱がバッフル
および熱遮蔽部材を介して確実に遮蔽されるため、簡単
な構成で、製品部の一端部側と他端部側との温度差を有
効に広げることが可能になる。

【００１６】さらに、熱遮蔽部材は、バッフルよりも鋳
型側に突出するプレート形状に設定されている（請求項
３記載の発明）。従って、熱遮蔽部材の加工性が高くな
り、形状や寸法の異なる種々の鋳型にも容易に対応する
ことが可能になる。このため、汎用性に優れるととも
に、種々の熱遮蔽部材を用意する必要がなく経済的であ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
鋳造物の製造装置２０の概略構成説明図であり、図２
は、前記製造装置２０の要部分解斜視図である。

【００１８】製造装置２０は、例えば、タービンロータ
のブレードを鋳造するための鋳型２２を備えている。こ
の鋳型２２は、湯口部２４と、この湯口部２４から放射
状に設けられる複数個、例えば、１８個のランナ部２６
と、前記ランナ部２６の下端側に設けられるブレード用
製品部２８とを備える。

【００１９】各製品部２８には、セレクタ３０およびス
タータ３２が設けられ、前記スタータ３２には、円盤状
ベース３４が一体的に設けられている。スタータ３２
は、溶融金属から結晶核（柱状晶）を生成させる部分で
あり、セレクタ３０は、生成した結晶核の中から一つの
結晶を成長させて単結晶とする部分である。

【００２０】製造装置２０は、鋳型２２を構成する各製
品部２８の鋳型外側面２８ａおよび鋳型内側面２８ｂを
含む周面を加熱する加熱機構３６と、前記鋳型２２に接
触して吸熱するとともに、前記鋳型２２を前記加熱機構
３６に対して凝固方向（矢印Ａ方向）とは反対方向（矢
印Ｂ方向）に移動させることにより、該鋳型２２内の溶
融金属を一方向に凝固させる冷却機構３８と、前記鋳型
２２に設けられる熱遮蔽傘部材４０と、後述するインナ
ーバッフル（熱遮蔽部材）４８とを備える。

【００２１】加熱機構３６は、鋳型２２を囲繞して配設
され、高周波コイル４２により高周波加熱されるカーボ
ンサセプタ４４と断熱材４５とを備える。カーボンサセ
プタ４４は、略円筒形状に設定されており、その下部に
リング状バッフル４６が支持される。カーボンサセプタ
４４の内周面には、バッフル４６上に支持されてインナ
ーバッフル４８が挿入される。

【００２２】インナーバッフル４８は、略円盤状を有し
ており、その内周面４８ａの直径が、鋳型２２を構成す
る円盤状ベース３４の直径と同等以下に設定されてい
る。具体的には、インナーバッフル４８は、厚さ１０ｍ
ｍで、外径５００ｍｍで、内径３８０ｍｍである一方、
鋳型２２の外径が３６０ｍｍである。インナーバッフル
４８は、例えば、グラファイト製の断熱成形体により構
成されている。なお、インナーバッフル４８は、断熱効
果を有していればよく、例えば、アルミナ系耐火物を用
いて構成することができる。

【００２３】カーボンサセプタ４４の上部には上板５０
が設けられ、この上板５０に溶湯供給部５２が設けられ
るとともに、この溶湯供給部５２は、カバー５４を介し
て開閉可能である。カーボンサセプタ４４の内部には、
鋳型２２を配置するための加熱室５５が設けられてい
る。この加熱室５５は、真空雰囲気に維持される。

【００２４】冷却機構３８は、鋳型２２を載置するため
のチルプレート５６を備える。このチルプレート５６
は、内部に冷却水が供給されて水冷により冷却されてお
り、上面５６ａには、鋳型２２を構成する円盤状ベース
３４を配置するための凹部５８が形成される（図２参
照）。チルプレート５６には、円盤状ベース３４が複数
のストッパ（図示せず）を介して取り付けられている。

【００２５】チルプレート５６には、図示しないアクチ
ュエータに連結された昇降ロッド５９が設けられてい
る。この昇降ロッド５９が矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向
に移動することによって、鋳型２２が加熱機構３６に対
して移動可能である。

【００２６】チルプレート５６の外周には、カーボンサ
セプタ４４と同軸的にリング状の冷却配管６４が配設さ
れる。この冷却配管６４には、冷却水が循環供給されて
冷却帯域を構成している。

【００２７】熱遮蔽傘部材４０は、耐熱性布状部材、例
えば、アルミナウールやカーボンフェルト等を布状に構
成している。なお、熱遮蔽傘部材４０としては、加熱温
度（例えば、１５００℃〜１６００℃）に耐えて形状を
維持し得るものであれば、種々の材質が適用可能であ
る。熱遮蔽傘部材４０は、略リング状に形成されてお
り、鋳型２２の湯口部２４からランナ部２６の上部を覆
って配設されている。

【００２８】図３に示すように、鋳型外周面２８ａ側に
は、チルプレート５６の上面５６ａから３０ｍｍ、６０
ｍｍ、９０ｍｍおよび１０５ｍｍの高さ位置にそれぞれ
Ｂ型熱電対６６ａ、６６ｂ、６６ｃおよび６６ｄが接着
されるとともに、鋳型内側面２８ｂ側には、６０ｍｍお
よび９０ｍｍの高さ位置にそれぞれＢ型熱電対６８ａお
よび６８ｂが接着される。６０ｍｍおよび９０ｍｍの高
さ位置は、製品部２８で鋳造されるブレードの翼端およ
び付け根に対応するものである。

【００２９】このように構成される製造装置２０の動作
について、以下に説明する。

【００３０】まず、図２に示すように、チルプレート５
６の凹部５８に鋳型２２の円盤状ベース３４が配置さ
れ、この円盤状ベース３４がストッパ（図示せず）を介
して前記チルプレート５６に支持される。鋳型２２のラ
ンナ部２６には、熱遮蔽傘部材４０が配置される。この
熱遮蔽傘部材４０は、ランナ部２６のＲ部（角部）近傍
に至る位置まで前記ランナ部２６上を覆っている。

【００３１】そこで、鋳型２２を支持したチルプレート
５６は、図示しないアクチュエータの作用下に、加熱機
構３６内に移動して前記鋳型２２が加熱室５５に配置さ
れるとともに、前記加熱機構３６が駆動される（図１参
照）。このため、カーボンサセプタ４４が、高周波コイ
ル４２を介して高周波加熱され、このカーボンサセプタ
４４から発生する輻射熱により鋳型２２が加熱される。

【００３２】その際、加熱雰囲気は真空であり、鋳型２
２が１５００℃に加熱されて型温度が安定した後、高周
波溶解炉（図示せず）で溶解したニッケル基耐熱合金
が、溶湯供給部５２から前記鋳型２２の湯口部２４に注
湯される。なお、注湯温度は１５５０℃である。

【００３３】湯口部２４に注湯された溶融合金は、複数
のランナ部２６から製品部２８に充填され、チルプレー
ト５６の冷却作用下でスタータ３２に上向きに柱状晶が
発生する。さらに、スタータ３２の上方のセレクタ３０
では、多数の柱状晶が導入され、屈曲部位を介し最終的
に１つの結晶が選択的に成長して製品部２８内で単結晶
となる。

【００３４】鋳型２２内で合金温度が安定した後、図示
しないアクチュエータの作用下に、昇降ロッド５９が矢
印Ｂ方向に移動する。具体的には、鋳型２２の引き下げ
速度は、チルプレート５６の上面５６ａから３０ｍｍの
高さまでが３５０ｍｍ／ｈｒであり、その後、２００ｍ
ｍ／ｈｒである。

【００３５】この場合、図１に示すように、鋳型２２が
加熱室５５に配置されている状態では、カーボンサセプ
タ４４から発生する輻射熱により、製品部２８の鋳型外
側面２８ａおよび鋳型内側面２８ｂを含む周面が良好に
加熱される。

【００３６】具体的には、鋳型外側面２８ａは、この鋳
型外側面２８ａが近接して対向するカーボンサセプタ４
４からの輻射熱により加熱されるとともに、鋳型内側面
２８ｂは、この鋳型内側面２８ｂが離間して対向する前
記カーボンサセプタ４４からの輻射熱によって加熱され
る。これにより、製品部２８では、鋳型外側面２８ａお
よび鋳型内側面２８ｂが均一な温度に加熱されるととも
に、鋳型下部（一端部）２８ｃおよび鋳型上部（他端
部）２８ｄも均一な温度に加熱される。

【００３７】そこで、チルプレート５６と一体的に鋳型
２２が矢印Ｂ方向に移動すると、図４に示すように、こ
の鋳型２２の製品部２８が、加熱機構３６から離脱して
冷却配管６４側に移動する。このため、製品部２８内で
は、冷却配管６４の冷却作用により鋳型下部２８ｃ側か
ら鋳型上部２８ｄ側に向かって指向性凝固（一方向凝
固）が行われ、単結晶が生成されて前記製品部２８内で
単結晶ブレードが製造される。その際、チルプレート５
６がバッフル４６から離間するため、このバッフル４６
と鋳型２２との間から輻射や対流による熱の出入りが多
くなり易い。

【００３８】ここで、本実施形態では、バッフル４６に
近接して鋳型２２側に突出するインナーバッフル４８が
設けられている。従って、鋳型２２を構成する製品部２
８がチルプレート５６側の鋳型下部２８ｃから鋳型上部
２８ｄに向かって冷却される際、加熱機構３６から離脱
する部分、すなわち、前記鋳型下部２８ｃ側への入熱が
惹起されることがない。

【００３９】これにより、製品部２８では、加熱帯域で
ある加熱室５５から冷却帯域である冷却配管６４の内方
に移動する鋳型下部２８ｃと、前記加熱室５５に配置さ
れている鋳型上部２８ｄとの間に、相当に大きな温度差
が発生する。このため、製品部２８内で溶融合金が凝固
する際に、結晶方位を良好に制御することができ、特
に、単結晶鋳造物の品質および強度が良好に向上すると
いう効果が得られる。

【００４０】さらに、インナーバッフル４８は、バッフ
ル４６上に載置されており、このインナーバッフル４８
を交換する際に、製造装置２０の分解作業等が不要にな
る。従って、鋳型２２を設置する際に、その鋳型形状に
応じたインナーバッフル４８を配置するだけでよく、前
記インナーバッフル４８の設置作業が簡単かつ迅速に遂
行される。これにより、鋳型形状に応じてカーボンサセ
プタ４４と冷却配管６４との間に挟持されているバッフ
ル４６を交換する作業に比べ、インナーバッフル４８の
交換作業が一挙に簡素化し、作業の簡素化と該作業にか
かるコストの抑制が有効に図られる。

【００４１】しかも、インナーバッフル４８は、グラフ
ァイト製の断熱成形体で構成されている。このため、イ
ンナーバッフル４８は、カッターナイフ等で容易に切断
することができ、例えば、製品形状によって鋳型方案が
加わった際にも、容易に対応することが可能になる。こ
れにより、汎用性に優れるとともに、種々の異なる鋳型
２２に応じて種々のインナーバッフル４８を用意する必
要がなく、極めて経済的である。

【００４２】さらにまた、鋳型２２に溶融合金を注湯す
る際に、この溶融合金が飛散しても、インナーバッフル
４８に保護されてバッフル４６に付着することはない。
これにより、バッフル４６を有効に保護することがで
き、前記バッフル４６のメンテナンスや交換作業の頻度
を削減することが可能になる。

【００４３】ところで、本実施形態では、具体的に、イ
ンナーバッフル４８の有無による鋳型下部２８ｃ（６０
ｍｍの位置）と、鋳型上部２８ｄ（９０ｍｍの位置）と
の温度差を検出する実験を行った。

【００４４】図５は、インナーバッフル４８を用いずに
上記の鋳造作業を行った際、鋳型２２に接着されている
熱電対６６ａ〜６６ｄおよび６８ａ、６８ｂを介してモ
ニタされた各高さ位置における温度変化を示している。
これにより、製品部２８の鋳型下部２８ｃが液相温度に
なった時点で、鋳型上部２８ｄとの温度差は２０℃であ
った。

【００４５】これに対して、インナーバッフル４８を用
いる本実施形態では、図６に示すように、鋳型下部２８
ｃが液相温度になった時点で、鋳型上部２８ｄとの温度
差が約６０℃となり、鋳型２２の上下で温度差が有効に
拡大した。

【００４６】次いで、インナーバッフル４８を用いない
場合と用いた場合とにおいて、溶湯凝固が終了した後、
鋳型２２からの鋳造素材であるブレードを取り出してエ
ッチング処理を施し、それぞれの結晶形態を観測した。
その結果が、図７に示されている。

【００４７】すなわち、インナーバッフル４８を用いな
い場合（比較例１、２）には、１８枚のブレード中、８
枚（４４％）に異結晶が発生したのに対し、インナーバ
ッフル４８を用いた場合には、１８枚のブレード全てに
異結晶の発生がなく、良好な単結晶形態が得られた。そ
の後、２０回以上の鋳造を行ったところ、インナーバッ
フル４８を用いた場合には、異結晶の発生がトータルで
３％以下となった。

【００４８】さらに、インナーバッフル４８を用いない
場合には、単結晶が成長する結晶方位に不良が発生して
いた。この結晶方位とは、チルプレート５６に接するス
タータ３２からセレクタ３０にかけて一方向に凝固して
いく凝固方向をいう。一方、インナーバッフル４８を用
いた場合には、結晶方位も良好となった。

【００４９】なお、本実施形態では、冷却機構３８を構
成するチルプレート５６が、図示しないアクチュエータ
を介して矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向に移動可能に構成
されているが、これに代えて加熱機構３６を移動可能に
構成してもよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明に係る鋳造物の製造装置では、鋳
型と加熱機構とが相対的に移動して、前記鋳型を構成す
る製品部が一端部から他端部に向かって冷却される際、
前記一端部が加熱されることを阻止する。このため、製
品部の一端部と他端部とに比較的大きな温度差が発生し
て結晶方位を良好に制御することができ、特に単結晶鋳
造物の品質および強度が有効に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る鋳造物の製造装置の概
略構成説明図である。

【図２】前記製造装置の要部分解斜視図である。

【図３】前記製造装置を構成する鋳型の熱電対取り付け
位置の説明図である。

【図４】前記製造装置を構成するチルプレートが加熱機
構に対して下降した際の動作説明図である。

【図５】インナーバッフルを用いない場合の鋳型の各部
位の温度変化説明図である。

【図６】前記インナーバッフルを用いた場合の前記鋳型
の各部位の温度変化説明図である。

【図７】前記インナーバッフルの有無による各種欠陥の
発生率の説明図である。

【図８】従来技術に係る装置の概略構成説明図である。

【符号の説明】

２０…製造装置 ２２…鋳型 ２４…湯口部 ２６…ランナ部 ２８…製品部 ２８ａ…鋳型外側
面 ２８ｂ…鋳型内側面 ３０…セレクタ ３２…スタータ ３６…加熱機構 ３８…冷却機構 ４０…熱遮蔽傘部
材 ４４…カーボンサセプタ ４６…バッフル ４８…インナーバッフル ５６…チルプレー
ト ６４…冷却配管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳型内の溶融物を一方向に凝固させて鋳造
   物を製造する鋳造物の製造装置であって、 前記鋳型を構成する製品部を加熱する加熱機構と、 前記製品部の一端部に接触して吸熱するとともに、前記
   鋳型を前記加熱機構に対して凝固方向とは反対方向に相
   対的に移動させることにより、該製品部内の前記溶融物
   を前記一端部から他端部に向かって一方向に凝固させる
   冷却機構と、 該鋳型と前記加熱機構とを相対的に移動させる際に、前
   記製品部の該加熱機構から離脱する部分が加熱されるこ
   とを阻止する熱遮蔽部材と、 を備えることを特徴とする鋳造物の製造装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の製造装置において、前記加
   熱機構は、前記鋳型を囲繞して配設されており、前記冷
   却機構に近接して配置されるバッフルを備え、 前記熱遮蔽部材は、前記バッフルに近接して配置され、
   前記鋳型と前記加熱機構とを相対的に移動させる際に、
   該加熱機構からの熱が前記バッフルの内方を通って前記
   製品部側に伝わることを阻止することを特徴とする鋳造
   物の製造装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の製造装置において、前記熱
   遮蔽部材は、前記バッフルよりも前記鋳型側に突出する
   プレート形状に設定されることを特徴とする鋳造物の製
   造装置。