JPH03291333A - 金属物品の製造法及びそれに用いる一方向凝固鋳型 - 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、新規な一方向凝固金属物品及びその製造法に
関する。

［従来の技術〕 金属物品の単結晶は１粒界が無いことから、従来の普通
鋳造品には、みられない優れた特性を示すことが知られ
ている。その１つの例として、Ｎｉ基超超合金単結晶が
ある。Ｎｉ基超超合金高温特性、特に高温クリープ強度
に優れており、航空機用ジェットエンジンの動翼として
既に使用されている。

また、もう一つの例として、ステンレス等の耐食合金が
ある。オーステナイト系ステンレス鋼や、フェライトと
オーステナイトからなる２相ステンレス鋼は、耐応力腐
食割れ性が高い材料であるが。

更に応力腐食割れ性を高めるために、特開昭６２−１８
００３８号に示すように単結晶で使用しようとする状況
にある。

上記単結晶の大部分は、特開昭５３−５１１０２号。

特公昭６２−４３７７７号、特開昭６０−４４１６８号
に示される一方向凝固法で製造されている。この方法は
。

加熱した炉の中から鋳型を下方に引き出し、下端から上
方に漸次凝固させる方法である。

航空用ジェットエンジンに用いられる動翼は長さが１０
ａ１１位でシャンク部の横断面積も大きくて１０ｃｊで
あり、また本体の横方向に張り出したプラットホームの
突出寸法も小さいため全体に小型であり、翼形状の鋳物
を上記方法で一方向凝固させることで、単結晶を製造す
ることが可能であった。また、ステンレス鋼等の耐食性
に優れた材料も、単結晶の形は単純な丸棒や平板形状で
あり。

実際に使用する場合には、ボルトやフック等の形状に機
械で加工していた。したがって、耐食合金を上記方法で
一方凝固させることで、単結晶を製造することが可能で
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術は、断面積１５ｃｄ以上ある大型
物品或いは、凝固進行に対して横方向に大きく張り出し
た部分を有する物品については配慮されておらず、横方
向に大きく張り出した部分を有する物品を従来と同じ方
法で一方向凝固を行っても、鋳物全体を単結晶化するこ
とができなかった。この理由は以下のように考えられる
。横方向に大きく張り出した部分があると一方向凝固を
行っても、横方向に張り出した部分では、鋳物の外周部
からも凝固が始まる。外周部から凝固した部分は、鋳物
本体とは全ったく関係なく凝固しているため、鋳物本体
の結晶方位と異なった結晶方位を持つことになる。した
がって凝固が更に進み、両方の結晶がぶつかると、その
面が結晶粒界となり単結晶が得られない。

上記の理由により、横方向に大きく張り出した部分を有
する治具やボルト等の金属物品を全体にわたり単結晶組
織にすることはできなかった。

本発明の目的は、引っ張り強度、クリープ強度又は熱や
応力に対する耐疲労強度の優れた単結晶の高強度金属物
品及びその製造方法、及び大型の単結晶ボルトを提供す
ることにある。また１本発明の目的は、それらの製造に
用いる鋳型を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、凝固方向に対して垂直な断面における断面積
が異なる金属物品、特にその断面積が１５ａ＃以上であ
る部分に該断面積より大きい断面積を有する部分が一体
に形成された金属物品において、該金属物品の少なくと
もマトリックス組織が単結晶であり、前記大きい断面積
を有する部分がそれより／ＪＸさい断面積の部分より後
に凝固していることを特徴とする高強度金属物品にある
。

前記大きい断面積を有する部分の突出したテーバ角が１
ｏ度以下であり、該突出距離が１１以上であること、金
属物品はＮｉを主成分とするＮｉ基合金又はオーステナ
イト鋼であり、γ相が単結晶であること又は、フェライ
ト又はオーステナイト鋼であり、基地のフェライト又は
オーステナイト相が単結晶であることが、好ましい。

本発明は螺子部と頭部を有するボルトにおいて。

該ボルトはＮｉ基合金又はステンレス鋼よりなり、前記
螺子部より頭部に向って一方向に凝固しており、γ相が
単結晶であることを特徴とする高強度ボルトにある。

本発明は、第１の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積
より大きい断面積を有する第２の鋳型が一体に形成され
たメーン鋳型と、前記第２の鋳型に連通し前記第１の鋳
型に対し別個に設けられたバイパス鋳型とを有すること
を特徴とする一方向凝固鋳型にある。

本発明は、第１の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積
より大きい断面積を有する第２の鋳型が一体に形成され
たメーン鋳型と、前記第２の鋳型に連通し前記第１の鋳
型に対し別個に設けられたバイパス鋳型とを有し、前記
メーン鋳型とバイパス鋳型に金属の溶湯を注入し、該溶
湯を前記第１の鋳型より第２の鋳型に向って一方向凝固
させるとともに前記バイパス鋳型の溶湯を前記第１鋳型
の溶湯と同じ速度で一方向凝固させることを特徴とする
金属物品の製造法にある。

〔作用〕

本発明に係る製造法は、鋳造品本体と別個にバイパスを
設けた鋳型を用いてともに一方向凝固させるので、鋳造
品本体の結晶方位とバイパスを通じて凝固した断面積が
急激に大きくなる突起部分の結晶方位とが一致し、突起
を含めて全体が単結晶となる。

本発明に係る高強度金属物品は、断面積が１５−以上の
部分にこれより断面積が大きくなる突起を有する大型の
複雑形状のものが単結晶組織が得られるため、異結晶の
もの同士の結晶粒界が存在するものより強度が向上する
。

本発明で用いられるオーステナイト鋼は重量％で、Ｃ５
０，１５，ＳｉＳ２．０．ＭｎＳ２．０゜Ｃｒ　：　１
５〜２５．Ｎｉ　：　８〜３０、残部がＦｅのものが挙
げられ、特にＣ＜０．０８．ＳｉＳ２．０゜ＭｎＳ２．
０．Ｃｒ　：　１６〜１８．５．Ｎｉ　：　９〜１５ｅ
Ｍｏ：１〜３がよい。フェライト＋オーステナイト鋼は
重量％で、Ｃ５０，１５，ＳｉＳ２．０゜ＭｎＳ２．０
．Ｃｒ　：　１５〜２５．Ｎｉ　：　４〜１２、残部が
Ｆｅのものが挙げられる。Ｃ量はいずれも０．００１〜
０．０２％が好ましい。

本発明は、これらの鋼にＴｉ、Ｎｂ、ＡＱ。

Ｚｒ、Ｖ、’Ｔａ、Ｗを各２％以下、Ｍ　ｇ　ｖ希土類
元素を０．２％以下含有することができる。Ｎｉ基超超
合金は、重量％で、Ｇｏ−０，１６％。

５ｉＯ＝０．５％、ＭｎＯ〜１．４％、Ｃｒ５〜３０％
、ＣｏＯ〜３０％、Ｍｏ０〜１５％、ＷＯ〜１５％、Ｔ
ｉ＋Ａｌｌ”１０％、残部Ｎｉが好ましい、更に、これ
にＮｂｅ　Ｚｒｇ　Ｖｇ　Ｔａ。

Ｈｆを各５％以下、Ｍｇ希土類元素を０．２％以下含む
ことができる。

本発明は、オーステナイト系、フェライト系。

オーステナイト（・フェライト系ステレンス鋼を溶融し
一方向から凝固させること、又は更にその後均質化熱処
理を施したオーステナイト相又はフェライト相が単結晶
である鋼によって構造用部品を製造することにより達成
される。この場合、該ステンレス鋼の場合、溶融は、温
度１５００〜１６５０℃、真空度３　Ｘ　１０−”Ｔｏ
ｒｒ以下または不活性ガス雰囲気で行い、さらに一方向
からの凝固は水冷チル上の鋳型加熱炉内にセットし、鋳
型を１５００〜１６５０℃に加熱後、上記ステンレス鋼
の溶湯を１５００〜１６５０℃で鋳型に鋳込んで数分保
持した後、鋳型を鋳型加熱炉から徐々に引き出す。

この時の雰囲気は真空度２　Ｘ　１０−″”Ｔｏｒｒ以
下または不活性ガス中を採用し、凝固速度を１〜５０＞
／ｈで行う、その後の均質化処理は１２００〜１３５０
℃で１回以上、例えば１３００℃で５ｈ保持し続いて１
１００℃で１ｈアルゴンガス雰囲気で保持した後水焼入
れする方法によって行われる。鋳造後、鋳物本体からバ
イパス部分は切断される。

〔実施例〕

実施例１ 第１図は、第１表に示す組成（重量％）の合金からなる
Ｍ２Ｏの単結晶ボルトを示し、第２図は本発明の鋳型を
用いて、前記ボルトの製造方法の概略を示したものであ
る。

第　　１　　表 発明に係る鋳型２を固定し、それを鋳型加熱ヒーター３
の中にセットし、鋳型２を鋳造合金の融点以上に加熱す
る０次に溶解した合金を鋳型２の中に鋳込み、その後水
冷銅チル１を下方に引き出し、一方向凝固させる。一方
向凝固させると、最初鋳型２下端のスタータ４では多く
の結晶が発生するが、３６０℃旋回させるセレクタ５を
凝固が進行する過程で１つの結晶に絞られ単結晶となる
。更に拡大部６で大きな単結晶と成り、鋳物のボルトネ
ジ部７及びボルト頭部８へと凝固が進行する。

鋳造条件は第２表のとおりである。セレクタ５は屈曲又
はラセン状とすることにより得られるものである。

第 表 メーン鋳型２はネジ山を形成する部分を下方とし、ボル
ト全体を垂直軸に対して１５°傾けた。

そして、ボルト頭部８の一番下端部分とボルト下方２０
閣の位置とを内径４■のバイパス鋳型９で接続した。

鋳物本体を形成する鋳型の型部分と異なるバイパス９の
取り付は位置は、セレクタ法ではセレクタ５より上方、
種付法では種結晶より上方でボルト頭部の位置より下方
であれば、どこでも良いが、単結晶鋳造後、そのバイパ
ス部分を除去する必要があるので、セレクタ５又は種結
晶より上方で鋳物本体部すなわち、第２図で言えばボル
トネジ部７より下方の拡大部６の位置が望ましい。

従来の方法では、ボルト頭部８で形状が拡大するときに
別な結晶が発生し、ボルト形状の単結晶が製造できなか
ったが１本発明の方法により、ボルト形状の単結晶が容
易に製造できた。

本実施例で得られるボルトは軽水炉の上部格子板、炉心
支持板に用いられるボルトとして用いられる。

本実施例ではネジは機械加工で行った。加工後焼鈍を行
うのがよい。

実施例２ 実施例１と同じ一方向凝固法で、第３図に示す軽水炉々
心支持板に用いられるアイボルトを鋳造した。鋳造条件
及び合金組成は実施例１の第１表及び第２表と同じであ
る。

アイボルトの拡大部１０とセレクタ５からアイボルト本
体１１への拡大部６との間にバイパス９を９０°間隔で
４本設けた。バイパスの形状は直径３ｍの線状である。

本発明の方法により、アイボルト拡大部１０で多結晶化
することなく単結晶が得られた。

バイパス鋳型９の数は、２本以上が好ましいが、通常は
四方から凝固させるために４本程度が良い。

また１本でも良いが、この場合には実施例１で示したよ
うに１本体をバイパス鋳型がある方にやや傾ける。拡大
部１０の一番下方に接続する必要がある。

実施例３ Ｎｉ基合金として、重量で６．５％Ｃｒ　−４、３％Ｍ
　ｏ　−７、３％Ｗ−５．１％ＡＱ−７．３％Ｔａ残部
Ｎｉを用いて、厚さ１０ｍ１のＴ字型の平面物品を鋳造
した。従来は、横方向に張り出した部分で単結晶成長し
なかったため、第４図に示した如く拡大部１２にテーパ
角１３を設け、単結晶成長後機械加工する必要があった
。第５図は凝固速度を１ｏａｎ／ｈとしたときのテーパ
角θと単結晶成長する張出し部の距離との関係を示すが
、テーパ角θが約１０°以内で、横方向への張出し距離
が１３以上では、単結晶成長させることができなかった
。このような１字型鋳物１４を第６図に示す鋳型２を用
いて第２表と同条件で一方向凝固を行うことにより、テ
ーパ角をつけることなく、単結晶成長させることができ
た。このような具体的な製品として第７図に示すジェッ
トエンジン用ブレードがあり、翼部１５側より一方向に
凝固させるとともにプラットフォーム１６に対してバイ
パス鋳型を設はプラットフォー・ム１６の翼部側と外側
とから同時に凝固させ、次いでシャンク７及びダブテイ
ル８へと凝固させることによって単結晶ブレードが製造
できる。

実施例４ 重量で、Ｃ０，０８％以下、Ｃｒ１４〜２０％。

ＦｅｌＯ％以下、ＡＱ　Ｏ，４〜１．０％、Ｔｉ２〜３
％、Ｎｂ０．５〜１．５％、残部Ｎｉよりなる合金組成
を有するものの一例として、Ｃ０，０２％。

Ｃｒ　１５．６％、Ｆｅ８．０％、’Ｉ’ｉ２．５％。

Ａ　Ｑ　０．８％、Ｎｂ１．０％、Ｃｕ０．３％、残部
Ｎｉよりなる実施例１に示す方法により原子炉炉心に使
用されるボルトを製造した。鋳造のままの組織は大きな
共晶γ′相が形成されているが、これを１，２００〜１
，３５０℃×２〜１０ｈで溶体化処理し、単結晶のγ相
とし、次いで６５０〜７５０℃で時効処理することによ
り微細なγ′相を析出させ強化した６本実施例によるも
のは耐応力腐食割れ性に優れ、０．２％耐カフ０ｋｇ／
１２以上、伸び率２０％以上有するすぐれたものであっ
た。

本実施例においてはネジは機械加工によって形成させた
が、鋳造によって得ることが表面に残留応力を形成させ
ない点で好ましい、加工後は焼鈍を行うのがよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、凝固進行方向に対して横方向への張り
出し部の結晶方位を、鋳物本体の結晶方位と同じにする
ことができるので、大型の単結晶金属物品を効率よく製
造することができる。

また、本発明に係る高強度金属物品は高強度ボルト等に
用いることができ、強度が向上している。

また本発明による鋳造品の製造方法によれば、従来の鋳
造法では製造できなかった複雑形状な部材の単結晶化も
容易である。その場合、鋳造材料は、鉄、コバルト、ス
テンレス、アルミニウム。

銅など溶解可能な材料であれば全て適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る単結晶ボルトの平面図、第２図は
第１図のボルトの製造方法を示す鋳型の断面図、第３図
は実施例で製造したアイボルトのバイパスを付けた説明
図、第４図はＴ字型金属物品の正面図、第５図はテーパ
面と張り出し距離と結晶組織との関係を示す図、第６図
はＴ字型金属物品を鋳造する方法を示す鋳型の縦断面図
、第７図はジェットエンジン用ブレードの斜視図である
６２・・・メーン鋳型、８・・・ボルト頭部、９・・・
バイパス第 図 第 図 第 ３ 図 第 図 第 図 テーパ角（０）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、凝固方向に対して垂直な断面における断面積が異な
   る金属物品において、該金属物品の少なくともマトリッ
   クス組織が単結晶であり、前記大きい断面積を有する部
   分がそれより小さい断面積の部分より後に凝固している
   ことを特徴とする高強度金属物品。 ２、請求項１において、前記大きい断面積を有する部分
   の突出したテーパ角が１０度以下であり、該突出距離が
   １ｃｍ＾２以上である高強度金属物品。 ３、請求項１において、金属物品はＮｉを主成分とする
   Ｎｉ基合金又はオーステナイト鋼であり、γ相が単結晶
   である高強度金属物品。 ４、請求項１において、金属物品はフェライト又はオー
   ステナイト鋼であり、基地のフェライト又はオーステナ
   イト相が単結晶である高強度金属物品。 ５、螺子部と頭部を有するボルトにおいて、該ボルトは
   Ｎｉ基合金又はステンレス鋼よりなり、前記螺子部より
   頭部に向つて一方向に凝固しており、γ相が単結晶であ
   ることを特徴とする高強度ボルト。 ６、第１の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積より大
   きい断面積を有する第２の鋳型が一体に形成されたメー
   ン鋳型と、前記第２の鋳型に連通し前記第１の鋳型に対
   し別個に設けられたバイパス鋳型とを有することを特徴
   とする一方向凝固鋳型。 ７、第１の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積より大
   きい断面積を有する第２の鋳型が一体に形成されたメー
   ン鋳型と、前記第２の鋳型に連通し前記第１の鋳型に対
   し別個に設けられたバイパス鋳型とを有し、前記メーン
   鋳型とバイパス鋳型に金属の溶湯を注入し、該溶湯を前
   記第１の鋳型より第２の鋳型に向つて一方向凝固させる
   とともに前記バイパス鋳型の溶湯を前記第１鋳型の溶湯
   と同じ速度で一方向凝固させることを特徴とする金属物
   品の製造法。