(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体が回転する空間をケーシング内側に形成する回転対称形状部と該回転対称形状部の鉛直下方に連続して設けられた非回転対称形状部とを有する複雑形状構造物の製造方法において、
キャビティ内を前記非回転対称形状部と前記回転対称形状部とに区分する高さ方向の境界位置より下側の領域に、前記キャビティの底部に連通する下部の堰から所定量の溶湯を流し込んで鋳込む第１工程と、
前記第１工程の終了後に所定の時間差を設けて前記境界位置より上側の領域に、前記境界位置よりも高い位置に設けられた上部の堰から溶湯を流し込んで鋳込む第２工程と、
を備えていることを特徴とする複雑形状構造物の製造方法。
【請求項２】
前記所定の時間差は、前記非回転対称形状部の容積及び前記第１工程の溶湯供給流量に基づいて予め算出されることを特徴とする請求項１に記載の複雑形状構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば蒸気タービンのタービン車室等のように、大型で複雑な形状を有する複雑形状構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機械のケーシングとなる構造物は、一般的には鋳造により製造されている。このような構造物には、たとえば舶用主機を構成するタービン車室のように、回転体が回転する空間を形成する回転対称形状部と、この回転対称形状部と一体で凹凸部を有する非回転対称形状部と、を備えた複雑な形状の構造物（以下、「複雑形状構造物」と呼ぶ）がある。なお、タービン車室のようなケーシングは、一般的に上下に二分割されたものを各々鋳造し、フランジ部をボルト締めすることで一体化される。
【０００３】
上述した複雑構造物を鋳造によって製造する場合には、材料の金属を加熱して溶かした液体（以下、「溶湯」と呼ぶ）を鋳型の空間（以下、「キャビティ」と呼ぶ）内に流し込み、これを冷やして目的の形状に固めることが行われている。この場合、溶湯を連続的に流し込むことで、製品の金属組織に不連続が生じないようにしている。
また、低圧鋳造法においては、たとえば下記の特許文献１に開示されているように、キャビティの形状に応じて溶湯が早く凝固すべき部位に対面する金型の部材と溶湯が遅れて凝固すべき部位に対面する金型の部材とで、時間差を設けて順次冷却媒体を供給し、溶湯を一定の方向に指向性凝固させながら鋳造することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２３７０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、複雑形状構造物を鋳造する際には、特にタービン車室のような大型の複雑形状構造物を鋳造する際には、キャビティ内に流し込まれた溶湯の落差が大きくなると、溶湯内に空気を巻き込むことが懸念される。このような空気の巻き込みは、鋳造製品に引け巣欠陥が生じる原因となるため好ましくない。
【０００６】
すなわち、通常の鋳造では、鋳型の下部から流し込まれた溶湯が湯道を通って堰からキャビティ内に比較的遅い流速で流入していくことになる。しかし、凹凸部を有する複雑形状構造物の場合には、たとえば凹部において、いったん湯道を上昇した後に上部の堰からキャビティ内に流入した溶湯が、キャビティ内で大きな高低差を落下して凹部に流入することがあり、このような溶湯の落下時に周囲の空気を巻き込みやすい。なお、溶湯の落下時に空気を巻き込むリスクは、一般的に落下する高低差が大きいほど高くなる。
【０００７】
このような背景から、複雑形状構造物を鋳造によって製造する場合には、製品の信頼性向上や歩留まり向上の観点から、空気の巻き込みに起因して鋳造製品に引け巣欠陥を生じるという欠陥発生リスクの低減が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、鋳造製品に引け巣欠陥が生じるという欠陥発生リスクを低減できる複雑形状構造物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る複雑形状構造物の製造方法は、回転体が回転する空間をケーシング内側に形成する回転対称形状部と該回転対称形状部の鉛直下方に連続して設けられた非回転対称形状部とを有する複雑形状構造物の製造方法において、キャビティ内を前記非回転対称形状部と前記回転対称形状部とに区分する高さ方向の境界位置より下側の領域に、前記キャビティの底部に連通する下部の堰から所定量の溶湯を流し込んで鋳込む第１工程と、前記第１工程の終了後に所定の時間差を設けて前記境界位置より上側の領域に、前記境界位置よりも高い位置に設けられた上部の堰から溶湯を流し込んで鋳込む第２工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
このような本発明の複雑形状構造物の製造方法によれば、キャビティ内を非回転対称形状部と回転対称形状部とに区分する高さ方向の境界位置より下側の領域に、キャビティの底部に連通する下部の堰から所定量の溶湯を流し込んで鋳込む第１工程と、第１工程の終了後に所定の時間差を設けて境界位置より上側の領域に、境界位置よりも高い位置に設けられた上部の堰から溶湯を流し込んで鋳込む第２工程とを備えているので、第２工程の溶湯流し込みは、キャビティ内の非回転対称形状部に下部の堰からゆっくりとした流速で流し込まれた溶湯の湯面が、所定時間の時間差経過によりある程度上昇するのを待って行われる。このため、キャビティ内においては、第２工程で上部の堰から流し込まれる溶湯と、第１工程で流し込まれた溶湯の湯面との間に生じる高低差を小さくすることができ、この結果、高低差を落下する溶湯が空気を巻き込むリスクを低減できる。
【００１０】
上記の発明において、前記所定の時間差は、前記非回転対称形状部の容積及び前記第１工程の溶湯供給流量に基づいて予め算出されることが好ましく、これにより、第二工程で流し込まれる溶湯が湯面に落下する高低差を略所望の範囲内に設定することが可能になり、さらに、金属組織に不連続面が形成されることを確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、第１工程から第２工程までの時間差を最適化することで、溶湯が落下する高低差を最小限に抑えて空気の巻き込みを防止し、しかも、金属組織に不連続面が形成されることも防止できるので、空気の巻き込みに起因して鋳造製品に引け巣欠陥を生じるという欠陥発生リスクを低減し、製品の信頼性向上や歩留まり向上に顕著な効果を奏する。
【００１２】
すなわち、上述した本発明の製造方法は、製品に金属組織に不連続面が形成されるなどの問題から、通常は実施されることのない２段階鋳込みをあえて所定の時間差で行うようにしたので、たとえば上下に二分割して製造されるタービン車室のように、回転対称形状部及び凹凸部のある非回転対称形状部が一体に構成される大型の複雑形状構造物を鋳造によって製造する製品においても、鋳造製品に引け巣欠陥が生じるという欠陥発生リスクを低減し、信頼性や歩留まりの高い複雑形状構造物の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る複雑形状構造物の製造方法の一実施形態を示す図で、（ａ）は第１工程で溶湯を流す湯道構成例を示す図、（ｂ）は（ａ）に第２工程で溶湯を流す湯道を追記して示す図である。
【図２】本発明との比較例として、複雑形状構造物を鋳造で製造する際の一般的な湯道構成例を示す図である。
【図３】複雑形状構造物の一例として、上下二分割したタービン車室の下部ケーシングについて、形状例を示す斜視図である。
【図４】図１に示した湯道構成例について、下面側から見た斜視図である。
【図５】図１に示した湯道構成例について、上面側から見た斜視図である。
【図６】図１に示した実施形態について、複雑形状構造物の形状と湯道との関係を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る複雑形状構造物の製造方法について、一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、以下では、複雑構造物の一例として、舶用主機に適用される蒸気タービンのタービン車室について説明するが、これに限定されることはない。
蒸気タービンのタービン車室は、上下に二分割して製造される上部ケーシング及び下部ケーシングのフランジ部が多数のボルトを用いて一体に締結され、たとえば９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｉ−Ｖ−Ｎｂ−Ｎ鋼等のＣｒ−Ｍｏ含有鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｖ他含有鋼が素材として使用される高温高圧用鋳鋼品である。
【００１５】
図３は、タービン車室の下部ケーシング（複雑形状構造物）１について、外観形状を示す斜視図である。なお、上部ケーシングの基本構造は実質的に下部ケーシング１と同じであり、回転体が回転する空間を形成する回転対称形状部と、この回転対称形状部と一体で凹凸部を有する非回転対称形状部と、を備えた複雑な形状の構造物となる。従って、上部ケーシングについても、以下に説明する下部ケーシング１と同様の製造方法を適用可能である。
【００１６】
図示の下部ケーシング１は、タービンロータ（回転体）が回転する空間２をケーシング１の内側に形成する回転対称形状部３と、この回転対称形状部３と一体で各種の凹凸部５（たとえば、凹凸部５ａ〜５ｃ等）を有する非回転対称形状部６と、を備えた複雑な形状の構造物である。この場合、回転対称形状部３が上方に位置し、その鉛直下方に非回転対称形状部６が連続して一体に設けられている。また、図中の符号４は、タービンロータの回転軸（不図示）を通す貫通部であり、符号７はフランジ部である。なお、フランジ部７のボルト穴については、図示が省略されている。
【００１７】
上述した下部ケーシング１は、以下に説明する複雑形状構造物の製造方法により製造される鋳造部品である。すなわち、下部ケーシング１の形状を有するキャビティＣ（図１参照）の内部に対して、素材の溶湯を第１工程及び第２工程の２段階に分けて流し込む製造方法を採用する。
図１（ａ）には、第１工程で溶湯を流す湯道１０の構成例が示されている。なお、第２工程で使用する湯道２０については、図１（ａ）への図示が省略され、図１（ｂ）に追記して示されている。
【００１８】
この第１工程は、非回転対称形状部６と回転対称形状部３とに区分する高さ方向の境界位置となる境界線ＢＬ（図３参照）より下側の領域に対して、すなわち、主に非回転対称形状部６となる領域に対して、キャビティＣの下部に設けた湯道１０に連通する複数の下方堰１１から、所定量の溶湯をゆっくりと流し込んで鋳込むものである。
【００１９】
第１工程で使用する湯道１０の主流路１０ａは、たとえば図４〜図６に示す構成例のように、キャビティＣの側端部近傍において上方に開口する湯口１２から下方へ向かい、キャビティＣの下面より下方で略９０度の方向転換をした後、キャビティＣの下方中央部付近を通って反対側の側端部近傍まで設けられている。なお、湯口１２は、キャビティＣより高い位置に開口している。
主流路１０ａには、キャビティＣの下方中央部付近を通る水平部において、複数本（図示の構成例では５本）の分岐流路１０ｂが連結されている。各分岐流路１０ｂの出口側には、キャビティＣに開口する下方堰１１が設けられている。
【００２０】
第２工程は、第１工程の終了後に所定の時間差を設けて、境界位置ＢＬより上側の領域に対して、すなわち、主に回転対称形状部３となる領域に対して、キャビティＣの中央付近外周部に設けた湯道２０に連通する複数の上方堰２１から、所定量の溶湯を追加してゆっくりと流し込んで鋳込むものである。
【００２１】
第２工程で使用する湯道２０は、たとえば図４〜図６に示す構成例のように、主流路２０ａ及び出口側に上方堰２１を備えた分岐流路２０ｂにより構成されており、基本的には第１工程の湯道１０と同様である。
図示の主流路２０ａは、主流路１０ａより高い位置で、具体的には境界線ＢＬ付近のレベルで、水平部がキャビティＣの周囲三方を取り囲むように設けられ、キャビティＣより高い位置に開口する３か所の湯口２２から溶湯を流し込むようになっている。すなわち、主流路２０ａは、キャビティＣの側端部近傍において上方に開口する３か所の湯口２２から下方へ向かい、境界線ＢＬ付近のレベルで略９０度の方向転換をして、キャビティＣの外周部に沿って三方を囲むように設けられた水平部となる。
【００２２】
また、主流路２０ａの水平部には、キャビティＣに開口する上方堰２１を出口側に備えた８本の分岐流路２０ｂが連結されている。なお、上方堰２１が開口するレベルは、主流路２０ａから上向きの流路を備えた分岐流路２０ｂを通ることから、下方堰１１の開口レベルより高い位置にある。
【００２３】
以下、複雑形状構造物を鋳造する製造方法の手順について、具体的に説明する。
最初の第１工程では、連結流路３０を閉じた状態にして、湯口１２から所定量の溶湯を流し込む。この結果、溶湯は、湯道１０の主流路１０ａに設けられた鉛直部を通って水平部まで流下し、主流路１０ａ及び分岐流路１０ｂの内部に満たされる。この状態からさらに溶湯を流し込むと、湯口１２が下方堰１１より高い位置にあるため、溶湯の湯面が上昇して各下方堰１１からゆっくりとキャビティＣの内部に流入する。この場合、第１工程で流し込む溶湯の所定量は、溶湯の湯面が境界線ＢＬ付近まで上昇する値となる。
なお、この境界線ＢＬは、決定した値に対して±１０％の差があっても所定の鋳込みが可能である。また、第１工程及び後述する第２工程で鋳込む溶湯としては、高温高圧用鋳鋼品である、たとえば９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｉ−Ｖ−Ｎｂ−Ｎ鋼等のＣｒ−Ｍｏ含有鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｖ他含有鋼が適用でき、溶湯の温度としては１５５０℃〜１６００℃程度である。
【００２４】
こうして所定量の溶湯が全量湯口１２から流し込まれると、所定の時間差を設けて第２工程に移行する。この時間差は、全量を流し込んだ溶湯が予め想定した湯面に到達するまでの時間を考慮したもので、経験値等に基づいて決めることができる。しかし、より正確な時間差を定めるためには、たとえば非回転対称形状部６の容積及び第１工程の溶湯供給流量に基づいて予め算出することや、試作段階において適宜条件を変更して最適値を定めてもよい。なお、この時間差は、決定した値に対して±１０％の差があっても所定の鋳込みが可能である。
このようにして、第１工程から第２工程に移行する時間差の最適値を定めると、第二工程で流し込まれる溶湯が湯面に落下する高低差を低減して、略所望の範囲内に設定することが可能になる。また、時間差の最適化は、湯面の温度変化を最小限に抑えることにもなるので、鋳造後の製品においては、金属組織に不連続面が形成されることの防止にも有効である。
【００２５】
ここで、第２工程で流し込まれた溶湯が上方堰２１から湯面に落下する高低差の低減について、図２に示す一般的な一段階の鋳込みを行う湯道の構成例と比較して説明する。なお、図２において、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２に示す湯道４０は、主流路４０ａと、主流路４０ａから分岐する複数の分岐流路４０ｂとを備えている。各分岐流路４０ｂには、出口側をキャビティＣに開口させた堰４１が設けられている。なお、図２の主流路４０ａ及び分岐流路４０ｂは、前後方向に重なるものがあるため、全てが図示されているわけではない。
【００２６】
湯道４０の主流路４０ａには、複数の湯口４２が設けられている。この湯口４２から流し込まれた溶湯は、主流路４０ａの鉛直部を通って流下し、主流路４０ａの水平部に流入する。この後、主流路４０ａを満たした溶湯は、上向きの流路を備えた分岐流路４０ｂを通って堰４１からゆっくりとキャビティＣ内に流入する。
このとき、堰４１とキャビティＣの最下面との間には、たとえば図中に破線表示で囲んだ領域Ｓ１〜Ｓ４付近において、堰４１が高い位置になることから大きな高低差が形成される。すなわち、堰４１からキャビティＣ内に流入する溶湯は、大きな高低差を矢印ｆのように落下することとなり、従って、溶湯の流れは流速を増すとともに乱れが生じたものとなり、結果として空気を巻き込みやすい状況となる。
【００２７】
一方、上述した二段階に分けた場合、たとえば図１（ｂ）に示す領域Ｓａでは、溶湯の液面がＬ付近に上昇した状態において、上方堰２１との高低差はＨである。この高低差Ｈは、上述した矢印ｆの流れと比較すれば、その減少量は顕著である。従って、高低差Ｈを流下する溶湯の流れは、ほとんど流速を増すことなくゆっくりとしたものとなり、流れに生じる乱れもほとんどない。
このため、高低差Ｈを落下する溶湯が空気を巻き込むリスクを低減でき、空気の巻き込みに起因して鋳造製品に引け巣欠陥を生じる欠陥発生リスクの低減が可能となる。
【００２８】
このように、上述した実施形態によれば、第１工程から第２工程までの時間差を最適化することで、溶湯が落下する高低差Ｈを最小限に抑えて空気の巻き込みを防止でき、しかも、金属組織に不連続面が形成されることも防止できるので、空気の巻き込みに起因して鋳造製品に引け巣欠陥を生じるという欠陥発生リスクを低減し、製品の信頼性や歩留まりを向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１    下部ケーシング（複雑形状構造物）
３    回転対称形状部
６    非回転対称形状部
１０，２０，４０    湯道
１０ａ，２０ａ，４０ａ    主流路
１０ｂ，２０ｂ，４０ｂ    分岐流路
１１    下方堰
１２，２２，４２    湯口
２１    上方堰
４１    堰
Ｃ    キャビティ
ＢＬ    境界線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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