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技術 鋳造用鋳込装置

出願人 国立研究開発法人物質・材料研究機構日新技研株式会社
発明者 小林敏治小泉裕横川忠晴原田広史高木健児菊池捷範杉田薫
出願日 2003年2月13日 (14年9ヶ月経過) 出願番号 2003-034554
公開日 2004年9月2日 (13年2ヶ月経過) 公開番号 2004-243355
状態 特許登録済
技術分野 鋳型中の金属の処理 鋳造後の仕上げ処理 鋳型又は中子及びその造型方法
主要キーワード 障害要素 流水速度 内側空 熱交換板 溶解対 水冷板 昇降シャフト 発電用ガス

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図面 (9)

課題

多数の鋳型に囲まれた内側空間側の鋳型からの輻射熱の放出と、外側空間側の鋳型からの輻射熱の放出との均衡を図ることにより、鋳型に鋳込まれた溶湯を全体にわたって均一速度で凝固させ、もって、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物が得られる鋳造用鋳込装置を実現する。

解決手段

1つの湯口61にそれぞれ連通する8つの湯道63a〜hを設ける。各湯道63a〜hとそれぞれ連通する8つの鋳型64a〜hを、中央部に円孔中空部を有する水冷板21上に、円筒を形成するようにして固定する。水冷板21の中空部と同一径の中空部を有する円筒状の、上下に移動可能な昇降シャフト22により、水冷板21を支持する。水冷板21および昇降シャフト22の各中空部を挿通する、内部に冷却水流通する冷却パイプ11を配設する。

背景

ジェットエンジン発電用ガスタービンを例にとると、これらには多数の同一形状タービン翼が用いられるが、その作製は鋳造によって行われている。その場合、目的形状同一鋳型を多数配置したうえで、溶解した金属である溶湯を、単一の湯口から各鋳型に分配するようにして鋳込む鋳込装置が、従来より用いられており、その構成を図6に示し説明する。

概要

多数の鋳型に囲まれた内側空間側の鋳型からの輻射熱の放出と、外側空間側の鋳型からの輻射熱の放出との均衡をることにより、鋳型に鋳込まれた溶湯を全体にわたって均一速度で凝固させ、もって、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物が得られる鋳造用鋳込装置を実現する。1つの湯口61にそれぞれ連通する8つの湯道63a〜hを設ける。各湯道63a〜hとそれぞれ連通する8つの鋳型64a〜hを、中央部に円孔中空部を有する水冷板21上に、円筒を形成するようにして固定する。水冷板21の中空部と同一径の中空部を有する円筒状の、上下に移動可能な昇降シャフト22により、水冷板21を支持する。水冷板21および昇降シャフト22の各中空部を挿通する、内部に冷却水流通する冷却パイプ11を配設する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
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請求項1

溶湯(M)を注入するための少なくとも1つの湯口(61)と、前記少なくとも1つの湯口にそれぞれ連通する、前記溶湯が通る複数の湯道(63a〜h)と、前記複数の湯道とそれぞれ連通する複数の鋳型(64a〜h)と、前記複数の鋳型が固定された、第1の中空部を有する水冷板(21)と、前記水冷板を支持して上下に移動可能である、第2の中空部を有する昇降シャフト(22)とを含む鋳造用鋳込装置(10)であって、前記鋳込装置の下降に伴って前記第1および第2の中空部を挿通して前記複数の鋳型に囲まれた空間(S)内に突出する、内部に冷却流体流通する冷却手段(11)を具備した鋳造用鋳込装置。

請求項2

前記冷却手段(31)が、前記内部に流通する冷却流体により冷却される気体噴出するものである請求項1記載の鋳造用鋳込装置。

請求項3

前記冷却手段(11B)が、前記複数の鋳型より放出される輻射熱熱交換するための、断熱材からなる熱交換部材(51)が付設されたものである請求項1または2記載の鋳造用鋳込装置。

技術分野

0001

本発明は鋳造用鋳込装置に関する。具体的には、目的形状同一もしくは異形の多数の鋳型を使用して、同時に多数の同一形状および異形の鋳造物を作製する場合に適したものであり、鋳型に注入された溶解金属内に生ずる凝固速度差を解消して、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を作製することができる鋳造用鋳込装置を提供せんとするものである。

0002

ジェットエンジン発電用ガスタービンを例にとると、これらには多数の同一形状のタービン翼が用いられるが、その作製は鋳造によって行われている。その場合、目的形状が同一の鋳型を多数配置したうえで、溶解した金属である溶湯を、単一の湯口から各鋳型に分配するようにして鋳込む鋳込装置が、従来より用いられており、その構成を図6に示し説明する。

0003

図6(斜視図)において、ここに示した鋳込装置60は、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製する場合に用いられるものであり、底部が開口した8つの鋳型64a〜hが、銅製の円板状の水冷板65の上に、円筒を形成するようにして等間隔に固定されている。これらの鋳型64a〜hの上部開口は、図7(縦断面図)に示すように、状の湯道配設部62にそれぞれ穿設された、溶湯が通る8つの湯道63a〜hとそれぞれ連通している。ここにおける湯道配設部62の上部には、溶湯を各鋳型64a〜hに注入するための盃状の湯口61が一体となって形成されており、各湯道63a〜hは、湯口61の底部とそれぞれ連通している。

0004

他方、各鋳型64a〜hが固定された水冷板65は、円柱状の昇降シャフト66により支持されており、昇降シャフト66の上下動に応じて、鋳込装置60全体が上下に移動するようになっている。

0005

以上のように構成された鋳込装置60は、ここでは図示されてはいない円筒状のスリーブ内に配置され、スリーブ外周壁には、その全面を覆うようにして、高周波電流を流す誘導コイルが配設されている。なお、誘導コイルが配設されたスリーブは、溶解対象金属を溶解するための溶解炉とともに、密閉されたチャンバー内に配置される。

0006

図8は、図6に示した鋳込装置60を用いて、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製する場合の様子を示している。この鋳込装置60による場合は、まず、スリーブの外周壁に配設された誘導コイルに高周波電流を流して、各鋳型64a〜hを溶解対象金属の融点以上の高温加熱する。

0007

そこで、チャンバー内に配設された溶解炉により溶解対象金属が溶解されて溶湯が得られたならば、図8(a)に示すように、湯口61から各湯道63a〜hを介して、溶湯Mを各鋳型64a〜hに鋳込む。溶湯Mが鋳込まれた各鋳型64a〜hは、一定の時間にわたって溶解対象金属の融点以上の高温(例えば、1600℃)に保持される。

背景技術

0008

その後、図8(b)に示すように、上下動機構を駆動して昇降シャフト66を微速度で下降させることにより、鋳込装置60を徐々に下方に移動させて、スリーブ70から外れるように引き下げる。これに伴い、各鋳型64a〜hの熱は奪われ、これらに鋳込まれた溶湯Mは凝固することになる。

0009

しかしながら、図6に示した従来例によると、つぎのような解決すべき課題がある。すなわち、上述のように、溶湯Mが鋳込まれた各鋳型64a〜hを一定時間高温に保持した後、鋳込装置60をスリーブ70外に引き下げると、各鋳型64a〜hの熱が奪われて、鋳込まれた溶湯Mは凝固する。その際、凝固は溶湯Mの下部から始まるが、暫時経過すると、各鋳型64a〜hからの輻射熱の放出が凝固の主たる原因になってくる。

0010

この輻射熱の放出は、各鋳型64a〜hにより囲まれた内側空間S(図7)に面した側では小さく、その反対側の外側空間に面した側では大きい。そのため、溶湯Mが、その全体にわたって均一速度で凝固することなく、内側空間S側と外側空間側との間で凝固速度に差が生じることになる。

発明が解決しようとする課題

0011

溶湯M内に凝固速度差が生じれば、内側空間Sに面した部位では大きな粒径結晶が、外側空間に面した部位では小さな粒径の結晶が生成され、結晶粒径に差が生じてしまう。その結果、鋳造物に部位によって強度差が生ずることになり、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を実現し得ないことになる。とくに、近時は、ジェット・エンジンや発電用ガス・タービンのタービン翼の材料として、高温強度の優れた合金が求められており、これを実現するうえで、鋳造物に部位によって強度差が生ずることは障害要素となっている。以上のような解決すべき課題が、図6に示した従来例にはあった。

0012

そこで、上記課題に照らし、本発明はなされたものである。そのために、本発明では、少なくとも1つの湯口と、この湯口にそれぞれ連通する複数の湯道と、これらの湯道とそれぞれ連通する複数の鋳型と、これらの鋳型が固定される水冷板と、この水冷板を支持する昇降シャフトを含む鋳造用の鋳込装置において、水冷板および昇降シャフトにそれぞれ中空部を設けるとともに、鋳込装置が下降するに伴い水冷板および昇降シャフトの各中空部を挿通して複数の鋳型に囲まれた空間内に突出する、内部に冷却流体(例えば、冷却水)が流通する冷却手段(例えば冷却パイプ)を配設するようにした。

0013

また、冷却手段として、内部に流通する冷却流体により冷却される気体(例えば、アルゴンガス)を噴出するものを用いるようにもした。

課題を解決するための手段

0014

さらに、加熱された複数の鋳型より放出される輻射熱と熱交換するための、断熱材からなる熱交換部材を、内部に冷却流体が流通する冷却手段に付設するようにもした。

0015

本発明の1つの実施の形態(第1の実施の形態)を、図1に示し説明する。ここで、図1は、本実施の形態における鋳造用鋳込装置の構成を示す部分縦断面図であり、図6および図7における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付している。

0016

図1において、図6に示した従来例の構成と異なるところを説明する。本発明による鋳込装置10では、各鋳型64a〜hが固定される水冷板21は、中央部に円孔の中空部を有し、平面形状が円環状に形成されている。また、この水冷板21を支持する昇降シャフト22は、円筒状に形成され、水冷板21の中空部と同一径の中空部を有している。

0017

そして、水冷板21および昇降シャフト22の各中空部を挿通するようにして、各中空部の径よりは若干小さい径の、内部に冷却水が流通する冷却パイプ11が配設されている。この冷却パイプ11は、各鋳型64a〜hにより囲まれた内側空間S(図7)を冷やすためのものであり、その構成の詳細は、図2に示されている。なお、以上の構成要素以外の構成要素は、図6に示した従来例と同じである。

0018

図2(中間部分を省略した縦断面図)において、冷却パイプ11は、上端が閉口し下端が開口した銅製の外筒12と、外筒12の内部に配設され上端下端ともに開口した銅製の内筒13との二重構造になっている。ここにおける内筒13の下端部には、冷却水を注入する流水注入口19を有するジョイント18が装着され、外筒12の下端部には、流水を排出する流水排出口17を有するジョイント16が装着されている。

0019

すなわち、内筒13の中空部は、矢印で示すように、注入された冷却水が内筒13の上端に向けて進む流水往路14となっている。これに対して、外筒12と内筒13との間の空隙部は、内筒13上端からオーバーフローした冷却水が、外筒12下端部に向けて戻る流水復路15となっている。

0020

このように構成された冷却パイプ11は、図示されてはいない上下動機構の駆動により、上下方向における位置が調整できるようになっている。

0021

つぎに、以上のように構成された鋳込装置10を用いて鋳造物を作製する場合の様子について、図3により説明する。ここで、図8における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付している。

0022

図3(a)は、外周壁に誘導コイル80が配設されたスリーブ70内の鋳込装置10の各鋳型64a〜hに、溶湯Mが鋳込まれ、各鋳型64a〜hが、溶解対象金属の融点以上の高温に保持されている状態を示している。このとき、冷却パイプ11は、加熱されないように、その上端がスリーブ70の下端付近に位置している。

0023

そこで、この状態で一定時間が経過すると、昇降シャフト22を微速度で下降させることにより、鋳込装置10をスリーブ70外に徐々に引き下げる。すると、鋳込装置10の引き下げに伴い、冷却パイプ11は、図3(b)に示すように、各鋳型64a〜hにより囲まれた内側空間S内の中央部に立設するように突き出る。冷却パイプ11が、この内側空間S内に突き出れば、各鋳型64a〜hからの輻射熱の吸収が多くなり、熱勾配も大きく取れる。

0024

その結果、溶湯Mは、内側空間S側および外側空間側の双方における凝固速度の均衡が図れることになる。したがって、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物が得られることになる。ここに用いる冷却パイプ11の径、その内部で流通する冷却水の流水量流水速度等、あるいは冷却パイプ11が内側空間S内に突き出す長さなどは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。

0025

図4は、本発明の第2の実施の形態の要部の構成を示す、中間部分を省略した縦断面図であり、図2における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付して説明する。ここで、図4は、各鋳型64a〜hにより囲まれた内側空間S内に突き出す冷却パイプの他の構成を示しており、以下では、図2に示した冷却パイプ11の構成と異なるところを説明する。

0026

図4において、冷却パイプ31の外筒32には、ガスが流通するガス流路33が、外筒32の下端部から上端部にわたって設けられるとともに、その外壁に、ガスが噴出する多数のガス噴出孔34が穿設されている。また、外筒32の下端部には、流水を排出する流水排出口17に加えて、ガスを注入するガス注入口42を有するジョイント41が装着されている。その他の構成は、図2に示した冷却パイプ11の構成と実質的には同じである。

0027

このような構成の冷却パイプ31を用いるならば、流通する冷却水により冷却されたガスが、各鋳型64a〜hに向けて噴射されるので、とくに雰囲気温度が高い場合に有効である。ガス圧やガスの噴出量等、あるいは冷却パイプ31が内側空間S内に突き出す長さなどは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。また、ここに用いるガスは、溶解金属の酸化・窒化を防ぐため、アルゴン・ガスなどの不活性ガスが好ましい。

0028

本実施の形態における冷却パイプ31以外の構成要素は、水冷板21(図1)および昇降シャフト22それぞれの円孔の中空部の径を若干大きくする他は、図1に示した第1の実施の形態と同じであり、鋳造物を作製する場合の様子も、第1の実施の形態について図3により説明したところと同じである。

0029

図5は、本発明の第3の実施の形態を示す部分縦断面図であり、図1における構成要素と同一の構成要素については、同じ符号を付して説明する。

0030

図5において、図1に示した第1の実施の形態と異なるところは、冷却パイプ11Bの上端に、耐熱合金耐火レンガカーボンフェルトなどの断熱材を用いた円板状の熱交換板51を、冷却パイプ11Bの上端に固着して付設していることである。冷却パイプ11Bの構成は、上端部が半球状に形成されていない点を除き、図2に示した冷却パイプ11の構成と同じである。

0031

このように、冷却パイプ11Bに熱交換板51を付設するならば、各鋳型64a〜hからの輻射熱をより多く吸収することが可能となる。したがって、図4に示した第2の実施の形態と同様、とくに雰囲気温度が高い場合に有効である。熱交換板51のサイズは、雰囲気温度や鋳造物のサイズなどに応じて適宜設定するようにする。本実施の形態における鋳込装置50により鋳造物を作製する場合の様子は、第1の実施の形態について図3により説明したところと同じである。

0032

なお、このような熱交換板51は、図4に示したガスを噴出する冷却パイプ31に付設するようにしてもよい。また、図5では、熱交換をするための部材として円板状のものを例として説明したが、その形状は、これに限られるものではない。任意の形状の部材であってよい。

0033

以上においては、鋳込装置10,50に8つの鋳型64a〜hが用いられる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。複数の鋳型が配置され、これらにより囲まれる空間が形成される場合に、本発明は適用され得るものである。

0034

したがって、如上においては、一方向凝固合金からなる鋳造物を作製するための鋳込装置について説明したが、これに限られるものではない。単結晶合金からなる鋳造物を作製するための、螺旋状あるいはジグザグ状などの形状に形成された細管状のセレクタ部が、その下部に設けられた鋳型を使用する鋳込装置、さらには、広く多数の鋳型を使用して同時に多数の鋳造物を作製する鋳込装置にも、本発明は適用し得るものである。

発明を実施するための最良の形態

0035

また、水冷板21(図1)および冷却パイプ11(図1),31(図4)の素材として銅を用いる場合について説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、その他の素材を用いる場合にも、本発明は適用することができるものである。

発明の効果

0036

以上の説明から明らかなように、本発明では、多数の鋳型を用いて多数の鋳造物を同時に作製する鋳造用の鋳込装置において、鋳型に溶湯が鋳込まれた後、多数の鋳型により囲まれる内側空間を冷却するようにした。その結果、鋳型に鋳込まれた溶湯は、内側空間側および外側空間側の双方における凝固速度の均衡が得られることになる。

図面の簡単な説明

0037

すなわち、溶湯は、その全体にわたって均一速度で凝固することから、内側空間に面した部位と外側空間に面した部位との間における結晶粒径の差を解消することができ、鋳造物全体にわたって均一強度の高品質の鋳造物を実現することが可能となる。このことは、とりわけ、高温強度の優れた合金が要求されるジェット・エンジンや発電用ガス・タービンのタービン翼などを鋳造する場合にとって有益である。したがって、本発明がもたらす効果は、実用上極めて大きい。

図1
本発明の第1の実施の形態を示す部分縦断面図である。
図2
図1に示した冷却パイプの構成を示す中間部分を省略した縦断面図である。
図3
図1に示した鋳込装置により鋳造物を作製する場合の様子を説明するための説明図である。
図4
本発明の第2の実施の形態の要部の構成を示す中間部分を省略した縦断面図である。
図5
本発明の第3の実施の形態を示す部分縦断面図である。
図6
従来例の構成を示す斜視図である。
図7
図6に示した従来例の縦断面図である。
図8
図6に示した鋳込装置により鋳造物を作製する場合の様子を説明するための説明図である。
【符号の説明】
10 鋳込装置
11,11B 冷却パイプ
12外筒
13内筒
14流水往路
15 流水復路
16ジョイント
17流水排出口
18 ジョイント
19 流水注入口
21水冷板
22昇降シャフト
31 冷却パイプ
32 外筒
33ガス流路
34ガス噴出孔
41 ジョイント
42ガス注入口
50 鋳込装置
51熱交換板
60 鋳込装置
61 湯口
62湯道配設部
63a〜63h 湯道
64a〜64h鋳型
65 水冷板
66 昇降シャフト
70スリーブ
80誘導コイル
M 溶湯
S 内側空間

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