(57)【要約】【課題】中子と鋳型を用いて、例えばガスタービン動翼の冷却媒体の流通路などの空洞を有する鋳物を製造する際に鋳物の薄肉化を図る。【解決手段】金型８と、製品である鋳物の外面と同形状の外面を形成する外面部と、中子を形成する成形面である内面部とを有する樹脂モデル１との間に固化することでセラミックスとなるスラリーＳＬを射出して、中子及び鋳型構造物からなる中子一体型鋳型を造型する中子一体型鋳型造型工程と、中子及び鋳型構造物を加熱して焼成するとともに、樹脂モデル１を除去する鋳型焼成工程と、を備える中子一体型鋳型製造方法を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型と、
製品である鋳物の外面と同形状の外面を形成する外面部と、中子を形成する成形面である内面部とを有する樹脂モデルと、の間に固化することでセラミックスとなるスラリーを射出して、前記中子及び鋳型構造物からなる中子一体型鋳型を造型する中子一体型鋳型造型工程と、
前記中子及び前記鋳型構造物を加熱して焼成するとともに、前記樹脂モデルを除去する鋳型焼成工程と、を備える中子一体型鋳型製造方法。
【請求項２】
前記樹脂モデルは、前記外面部と前記内面部との間に画成されている複数の空間を有する請求項１に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項３】
前記複数の空間の少なくとも一部は格子状に配置されている請求項２に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項４】
前記樹脂モデルは、融点が１９０℃以上である樹脂によって形成されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項５】
前記樹脂モデルは、３Ｄ積層造形材からなる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項６】
前記中子一体型鋳型造型工程は、
前記スラリーを射出する第一射出工程と、
前記第一射出工程の後で、所定時間経過後に、前記スラリーを射出する第二射出工程と、を含む請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項７】
前記中子一体型鋳型造型工程では、前記樹脂モデルと前記金型との間に前記金型の位置を保持する固定部材を配置する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項８】
前記固定部材は、グリーン体である請求項７に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項９】
前記固定部材は、ボルトである請求項７に記載の中子一体型鋳型製造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の中子一体型鋳型製造方法にて製造された中子一体型鋳型を用いて鋳物を精密鋳造する鋳物の製造方法。
【請求項１１】
中子と、
前記中子と同じ材料で形成され、前記中子に接続されている鋳型構造物と、を有する中子一体型鋳型。
【請求項１２】
前記材料は、シリカを６０質量％以上含有するスラリーを固化させたセラミックスである請求項１１に記載の中子一体型鋳型。
【請求項１３】
前記スラリーは、無機バインダを含む請求項１２に記載の中子一体型鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中子一体型鋳型製造方法、鋳物の製造方法、及び中子一体型鋳型に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばガスタービンの動翼は、高温の作動ガスに曝される。よって、動翼の温度をより低く保持するために、動翼の内部に冷却媒体を流して動翼を冷却している。
内部に冷却媒体を流すために、ガスタービン動翼には内部冷却構造が設けられている。このようなガスタービン動翼の製造は、精密鋳造を用いることが一般的である。精密鋳造を用いて内部冷却構造を有するガスタービン動翼を製造する際には、冷却媒体の流通路と同形状とされた中子（コア）を配置し、鋳造後に中子を取り除いている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような中子の製造方法としては、金型を用いた射出成形や、スラリーから直接成形するスリップキャスト法が知られている。一方、性能向上を図るため、内部冷却構造は複雑・微細化しており、これら製造方法に代わる方法として、例えば、３Ｄ（三次元）プリンタなどの成形装置を用いて複雑・微細な中子を製造する樹脂３Ｄ積層造形法が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８７５１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、中子と鋳型とが異なる材料で形成される場合、中子と鋳型の線膨張係数に差が生じることにより、鋳造プロセス中の各ステージ時において伸び差が生じるため、この伸び差を考慮して、鋳型と中子間のクリアランスが設定されている。即ち、中子の位置ズレを考慮した寸法公差を見込む必要があり、鋳物の薄肉化が難しくなるという課題がある。
【０００６】
この発明は、鋳物の薄肉化が可能となる中子一体型鋳型製造方法、鋳物の製造方法、及び中子一体型鋳型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、中子一体型鋳型製造方法は、金型と、製品である鋳物の外面と同形状の外面を形成する外面部と、中子を形成する成形面である内面部とを有する樹脂モデルと、の間に固化することでセラミックスとなるスラリーを射出して、前記中子及び鋳型構造物からなる中子一体型鋳型を造型する中子一体型鋳型造型工程と、前記中子及び前記鋳型構造物を加熱して焼成するとともに、前記樹脂モデルを除去する鋳型焼成工程と、を備える。
【０００８】
このような構成によれば、鋳型と中子とを同一の材料で一体造型することにより、鋳型と中子間の線膨張係数差が無くなり、鋳型と中子間の線膨張係数が異なることにより設定されていた鋳型と中子間のクリアランスを低減し、鋳物の薄肉化が可能となる。
【０００９】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記樹脂モデルは、前記外面部と前記内面部との間に画成されている複数の空間を有してよい。
【００１０】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記複数の空間の少なくとも一部は格子状に配置されてよい。
このような構成によれば、樹脂が膨張した際の膨張分を吸収することができる。
【００１１】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記樹脂モデルは、融点が１９０℃以上である樹脂によって形成されてよい。
このような構成によれば、この樹脂モデルを用いて鋳型を製造する際に、雰囲気温度が１９０℃程度までは強度を確保することができる。
【００１２】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記樹脂モデルは、３Ｄ積層造形材からなってよい。
このような構成によれば、既存技術では形成が難しい三次元形状を容易に造形することができる。
【００１３】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記中子一体型鋳型造型工程では、前記スラリーを射出する第一射出工程と、前記第一射出工程の後で、所定時間経過後に、前記スラリーを射出する第二射出工程と、を含んでよい。
【００１４】
このような構成によれば、スラリーを射出成型する際に、スラリーの充填性を向上させることができる。
【００１５】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記中子一体型鋳型造型工程では、前記樹脂モデルと前記金型との間に前記金型の位置を保持する固定部材を配置してよい。
【００１６】
このような構成によれば、樹脂モデルと金型との間の一部に固定部材を予め埋めておくことで、射出成型時において、樹脂モデルの位置ズレを防止することができる。
【００１７】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記固定部材は、グリーン体であってよい。
【００１８】
上記中子一体型鋳型製造方法において、前記固定部材は、ボルトであってよい。
このような構成によれば、汎用部品を用いて樹脂モデルを固定することができる。また、ボルトの位置を容易に調整することができる。
【００１９】
本発明の第二の態様によれば、鋳物の製造方法は、上記いずれかの中子一体型鋳型製造方法にて製造された中子一体型鋳型を用いて鋳物を精密鋳造する。
【００２０】
本発明の第三の態様によれば、中子一体型鋳型は、中子と、前記中子と同じ材料で形成され、前記中子に接続されている鋳型構造物と、を有する。
【００２１】
このような構成によれば、鋳型と中子とを同一の材料で一体造型することにより、鋳型と中子間の線膨張係数差が無くなり、鋳型と中子間の線膨張係数が異なることにより設定されていた鋳型と中子間のクリアランスを低減し、鋳物の薄肉化が可能となる。
【００２２】
上記中子一体型鋳型において、前記材料は、シリカを６０質量％以上含有するスラリーを固化させたセラミックスであってよい。
このような構成によれば、溶融性の高いスラリーとすることができる。
【００２３】
上記中子一体型鋳型において、前記スラリーは、無機バインダを含んでよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、鋳型と中子とを同一の材料で一体造型することにより、鋳型と中子間の線膨張係数差が無くなり、鋳型と中子間の線膨張係数が異なることにより設定されていた鋳型と中子間のクリアランスを低減し、鋳物の薄肉化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一実施形態の中子一体型鋳型の製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明の第一実施形態の樹脂モデルの断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態の中子一体型鋳型造型工程を説明する概略図である。
【図４】本発明の第一実施形態の中子一体型鋳型の断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態の中子一体型鋳型の断面図である。
【図６】本発明の第一実施形態の鋳物の製造方法のフローチャートである。
【図７】本発明の第二実施形態の中子一体型鋳型造型工程を説明する概略図である。
【図８】本発明の第二実施形態の変形例の中子一体型鋳型造型工程を説明する概略図である。
【図９】本発明の第二実施形態の変形例の中子一体型鋳型造型工程を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の中子一体型鋳型、中子一体型鋳型製造方法、及び鋳物の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態の中子一体型鋳型は、精密鋳造に用いられる鋳型であって、例えば、内部冷却構造である冷却媒体流通路を有するガスタービン動翼（鋳物）用の鋳型である。
【００２７】
本実施形態の鋳型製造方法は、製品（鋳物）の形状と同等の形状である樹脂モデル１を樹脂３Ｄ積層造形法を用いて製造し、樹脂モデル１と金型を用いて中子と鋳型とを同一の材料で一体造型することを特徴としている。中子は、鋳型で製造する鋳物の内部の空洞に対応する形状である。中子は、鋳物の内部の空洞に対応する部分に配置されることで、鋳造時に鋳物となる金属が流れ込むことを抑制する。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の中子一体型鋳型製造方法は、金型８（図３参照）を製作する金型製作工程Ｓ１１と、中子３及び鋳型構造物１１をなすスラリーＳＬを生成するスラリー生成工程Ｓ１２と、樹脂モデル１を形成する樹脂モデル形成工程Ｓ１３と、スラリーＳＬを樹脂モデル１をセットした金型８（樹脂モデル１の空洞部Ｖ１）に供給してスラリーＳＬを硬化させるとともに乾燥させて中子３及び鋳型構造物１１を造型する中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４と、中子３及び鋳型構造物１１を焼成する中子・鋳型一体焼成工程Ｓ１５（鋳型焼成工程）と、を備えている。
【００２９】
金型製作工程Ｓ１１は、鋳型の金型８を製作する工程である。金型８は、金型８の内側に樹脂モデル１を配置した際、金型８の内面と樹脂モデル１の外面との間に１０ｍｍ程度の空間が形成されるように製作する。
スラリー生成工程Ｓ１２は、固化させることでセラミックスから形成された中子３及び鋳型構造物１１となるスラリーＳＬを生成する工程である。
スラリーＳＬは、シリカ粉末と無機バインダとの混練物である。具体的には、スラリーＳＬは、シリカを６０質量％以上含有し、分散剤、無機バインダ、架橋剤、及び水を溶解することによって生成することができる。
【００３０】
樹脂モデル形成工程Ｓ１３は、樹脂３Ｄ積層造形法を用いて、樹脂から形成されている樹脂モデル１を形成する工程である。
樹脂モデル形成工程Ｓ１３は、図２に示すように、樹脂モデル１の外面を形成する外面部７ａと、樹脂モデル１の内面を形成する内面部７ｂとを成形する内外面成形工程Ｓ１３Ａを含んでいる。更に、樹脂モデル形成工程Ｓ１３は、外面部７ａと内面部７ｂとの間に少なくとも一つの空間Ｓを画成する空間部成形工程Ｓ１３Ｂを含んでいる。
【００３１】
樹脂３Ｄ積層造形法は、例えば、３Ｄ（三次元）プリンタなどの成形装置を用いて、立体的な形状を有する物体を造形する方法である。３Ｄプリンタは、コストのかかる金型８や治具などを必要とせずに、既存技術では形成が難しい三次元形状を容易に造形することができる。
【００３２】
また、樹脂３Ｄ積層造形法としては、光硬化性又は熱硬化性の液体樹脂にセラミックス微粒子を分散させたスラリーを用いるスラリー積層造形技術も採用することができる。スラリー積層造形技術は、レーザー照射により、光硬化又は熱硬化を限定領域で生じさせて任意形状の２次元断面を形成させ、これを繰り返すことで立体形状の成形体を得る技術である。
【００３３】
樹脂モデル１は、中子３の型としての機能を有するとともに、製品である鋳物（ガスタービン動翼）の外形をなす構造物である。
内面部７ｂによって形成される成形面は、中子３に倣った形状となっている。換言すれば、樹脂モデル１は、樹脂モデル１の空洞部Ｖ１にスラリーを流し込むことによって、スラリーの形状が中子３の形状となるように形成されている。
樹脂モデル１の外面部７ａは、製品である鋳物と同形状となるように形成されている。
【００３４】
樹脂モデル１は、中空構造をなしている。即ち、樹脂モデル１の内面部７ｂと外面部７ａとの間には、少なくとも一つの空間Ｓが形成されている。空間部成形工程Ｓ１３Ｂでは、樹脂３Ｄ積層造形法を用いて外面部７ａと内面部７ｂとの間に少なくとも空間Ｓを画成する。
【００３５】
中空構造としては、複数の空間Ｓが、３次元的に規則的に配置される構造が好ましい。例えば、樹脂モデル１は、複数の第一壁部５と、複数の第二壁部６と、複数の第三壁部（図示せず）とを有し、これら壁部５，６によって形成される複数の空間Ｓを有してよい。
【００３６】
第一壁部５は、第一方向に所定の間隔をあけて配置されている。第二壁部６は、第一方向と直交する第二方向に所定の間隔をあけて配置されている。第三壁部は、第一方向及び第二方向に直交する第三方向に所定の間隔をあけて配置されている。このような方法で、空間Ｓが配置されることにより、樹脂モデル１を、格子状（メッシュ状）の中空構造とすることができる。即ち、空間Ｓの少なくとも一部が格子状に配置された構造とすることができる。
【００３７】
樹脂モデル１の内部に形成される空間Ｓの構成はこれに限ることはなく、壁部を設けることなく、一つの空間Ｓを設ける構成であってよい。また、第一壁部５のみによって空間Ｓを画成する構成としてもよい。また、ハニカム構造により、複数の空間Ｓを形成してもよい。また、空間Ｓの断面形状は、矩形でも、菱形でもよい。
【００３８】
樹脂は、例えば、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂であり、融点が１９０℃以上の樹脂である。これらの樹脂は、上記の例に限定されることなく、１９０℃程度まで強度を有し、伸縮性を有している樹脂であれば、どのような樹脂を用いてもよい。
【００３９】
図３に示すように、中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４では、金型８の所定位置に樹脂モデル１を配置する。次いで、射出成型、流し込み成型、もしくは、ゲルキャスト成形法により、スラリーの成形体を成形する。
中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４では、スラリーＳＬを複数段階で射出してもよい。具体的には、中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４は、スラリーＳＬを射出する第一射出工程と、第一射出工程の後で、所定時間経過後に、スラリーＳＬを射出する第二射出工程と、を含む。なお、必ずしもスラリーＳＬを複数段階で射出する必要はない。
これにより、金型８の空洞部Ｖ２（金型８と樹脂モデル１との間）と樹脂モデル１の空洞部ＶとにスラリーＳＬが供給される。
【００４０】
スラリーＳＬを供給して、所定の時間が経過すると、スラリーＳＬの硬化が完了し、スラリーＳＬの成形体（中子３及び鋳型構造物１１）となる。
次いで、シリカ中の水分を蒸発させて、スラリーＳＬの成形体を乾燥させる。乾燥方法としては、例えば、所定の水分乾燥炉内に成形体を導入する方法を採用することができる。
乾燥方法としては、上記した方法に限らず、例えば、ガスバーナで発生させた熱風を導入して乾燥を行う熱風乾燥法、室温条件下に放置する自然乾燥法などを採用してもよい。
【００４１】
これにより、図４に示すような中子３と、中子３を外側から覆い、製品である鋳物の外面と同形状の外面を有する樹脂モデル１と、中子３と同じ材料で形成され、中子３に接続されているとともに樹脂モデル１を外側から覆う鋳型構造物１１と、を有する中子樹脂モデル一体型鋳型１２が形成される。
【００４２】
中子・鋳型一体焼成工程Ｓ１５は、中子樹脂モデル一体型鋳型１２を加熱して焼成する工程である。中子・鋳型一体焼成工程Ｓ１５では、例えば、焼成炉で中子樹脂モデル一体型鋳型１２を、例えば、約９００℃まで加熱する。これにより、鋳型構造物１１に含まれる水成分や不要な成分が除去される。さらに、焼成されることで鋳型構造物１１が硬化される。
中子・鋳型一体焼成工程Ｓ１５により、樹脂モデル１が熱によって溶融する。即ち、雰囲気温度が樹脂の融点以上となることによって、樹脂が溶融して消失する。これにより、図５に示すような中子３と鋳型構造物１１とからなり、セラミックスによって形成された中子一体型鋳型２１が完成する。
【００４３】
次に、鋳型製造方法にて製造された鋳型を用いて精密鋳造を行う、鋳物の製造方法について説明する。
図６に示すように、鋳物の製造方法は、中子一体型鋳型２１に注湯を行う鋳込み工程Ｓ２１と、中子一体型鋳型２１を除去する中子一体型鋳型除去工程Ｓ２２と、を備えている。
鋳込み工程Ｓ２１は、中子一体型鋳型製造方法にて製造された中子一体型鋳型２１を予熱（例えば、８００℃〜９００℃）した後、中子一体型鋳型２１に注湯を行う工程である。鋳込み工程Ｓ２１では、溶融した鋳物の原料（例えば、鋼）を、中子一体型鋳型２１の開口を介して鋳型構造物１１と中子３との間に注入する。
【００４４】
中子一体型鋳型除去工程Ｓ２２は、鋳込み工程Ｓ２１にて注入された鋳物の原料が固化した後、中子一体型鋳型２１を除去する工程である。中子一体型鋳型２１の内部で鋳物の原料が固化して鋳物となったら、中子一体型鋳型２１を溶出して除去する。中子一体型鋳型除去工程Ｓ２２では、例えば、オートクレーブの内部に中子一体型鋳型２１を入れ、高温アルカリ溶液中にて加圧、減圧を繰り返すことによって中子一体型鋳型２１を溶出する。
【００４５】
中子一体型鋳型除去工程Ｓ２２を行ったら、仕上げ処理、熱処理を行い、寸法検査、Ｘ線検査などを経て鋳物が完成する。
【００４６】
上記実施形態によれば、中子３と鋳型構造物１１とを同一の材料で一体造型することによって、中子３と鋳型構造物１１との間の線膨張係数差が無くなる。これにより、中子３と鋳型構造物１１との間の線膨張係数が異なることにより設定されていた中子３と鋳型構造物１１との間のクリアランスを低減し、鋳物の薄肉化が可能となる。
【００４７】
また、製造工程の短縮を図ることができる。また、製品部分を樹脂３Ｄ積層造形法を用いて形成することによって、内部冷却構造の複雑・微細化を実現することができ、タービン翼の冷却効率向上も可能となる。
【００４８】
また、中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４でゲルキャスト成形法を用いることにより、型内でモノマーがラジカル重合（ゲル硬化）することにより分散媒中にポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体が得られる。この方法では，スラリーＳＬの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されるため、スラリー性状がそのまま反映され、成形体中の不均一や欠陥が発生しにくい。
【００４９】
また、中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４において、スラリーＳＬを複数段階で射出することによって、スラリーＳＬの充填性を向上させることができる。
【００５０】
〔第二実施形態〕
以下、本発明の第二実施形態の中子一体型鋳型製造方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態の中子一体型鋳型製造方法では、中子一体型鋳型造型工程Ｓ１４にて、樹脂モデル１と金型８との間に、固定部材１３を予め埋めることを特徴としている。固定部材１３としてはグリーン体（中子材）を用いてもよい。グリーン体とは、鋳型を形成するためのスラリーＳＬを射出成型することによって得られるもので、未焼結状態の部材である。
【００５１】
上記実施形態によれば、樹脂モデル１と金型８との間の一部に固定部材１３を予め埋めておくことで、射出成型時において、樹脂モデル１の位置ズレを防止することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、鋳物としてタービン動翼を例に説明を行ったが、これに限ることはない。本発明の樹脂一体型中子の製造方法、鋳型製造方法、及び樹脂一体型中子は、その他の精密鋳造品にも適用することができる。
【００５３】
また、図８に示すように、スラリーＳＬの供給口１４を複数個所に設けてもよい。このように、複数個所にスラリーＳＬの供給口１４を設けることによって、鋳物が複雑な構造であっても確実にスラリーＳＬを供給することができる。
また、図９に示すように、スラリーＳＬの供給口１４Ｂを、鋳型構造物１１と中子３との連結部に近い、金型８の最下部に設けてもよい。このように、スラリーＳＬの供給口１４Ｂを金型８の最下部に設けることによって、中子３にもスラリーＳＬを十分に供給することができる。
【００５４】
また、図９に示すように、固定部材１３の代替としてボルトＢを用いてもよい。ボルトＢでの固定位置は湯口など樹脂面が開放してある位置が望ましい。
固定部材１３としてボルトＢを用いることによって、汎用部品を用いて樹脂モデル１を固定することができる。また、ボルトＢの位置を容易に調整することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  樹脂モデル
３  中子
５  第一壁部
６  第二壁部
７ａ  外面部
７ｂ  内面部
８  金型
１０  湯口
１１  鋳型構造物
１２  中子樹脂モデル一体型鋳型
１３  固定部材
２１  中子一体型鋳型
Ｂ  ボルト
Ｓ  空間
Ｖ１  空洞部
Ｖ２  空洞部
【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】
2019188426.tif 000008
【図７】
2019188426.tif 000009
【図８】
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【図９】
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