技術資料＞チタン合金の減圧吸引鋳造におけるブローホールの生成におよぼす減圧速度の影響

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技術資料
Technical Data

チタン合金の減圧吸引鋳造におけるブローホールの生成におよぼす減圧速度の影響
堀亜由美＊1，松木隆紀＊1，鷲見芳紀＊1，田邉顕＊2，澤田康弘＊2

Influence of Decompression Speed on Blowholes in Countergravity
Investment Casting of Titanium Alloys
Ayumi HORI, Takanori MATSUKI, Yoshinori SUMI, Ken TANABE andYasuhiro SAWADA
Synopsis
Titanium precision casting parts are manufactured by countergravity investment casting. Improper casting conditions may
cause casting defects such as blowholes, so casting must be performed under appropriate conditions. Casting CAE is a powerful
method to predict filling behavior. However, it is important to calibrate the calculation and actual phenomena. So, it is necessary
to elucidate the blowhole formation mechanism and investigate the influences of each manufacturing parameter.
In this study, the filling behavior of molten titanium alloys at a reduced pressure rate was observed by an experimental casting
device and a high-speed camera.
As a result, it was confirmed that the decompression rate plays an important role in blowhole formation, and that the presented
method can be used for accurate prediction of mold filling of titanium alloys.

1．緒言2016 年に発効されたパリ協定以降，温室効果ガスの排出削減に向けた取り組みが各国で行われており，自動め，高温強度が必要である．また，回転効率を向上させるため，軽量化も必要となる．そのため，比強度や耐熱性に優れたチタン合金製のタービンホイールのニーズが高まっている 1），2）．

車業界でも電動化が加速しつつある．一方で，航続距離

チタン合金製のタービンホイールは，精密鋳造法の一や充電インフラの課題に対し，ハイブリッド車や発電用つである減圧吸引鋳造法にて製造される．減圧吸引鋳造

エンジン装置の用途として，内燃機関の高効率化に寄与

法は，他の鋳造方案に比べて，薄肉で複雑形状の製品にできるターボチャージャの需要も高まっている．

も対応でき，他の金属加工（粉末造型や切削加工）よりターボチャージャの重要構成部品であるタービンホ
イールは，高温の排ガスに曝されつつ高速で回転するたも大量生産が可能であるなど，利点が多い 3），4）．
しかし，減圧吸引鋳造法にてチタン合金製のタービン

2022年 5月 9日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 ㈱大同キャスティングス（Daido Castings Co., Ltd.）

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ホイールを製造する上で，ブローホールと呼ばれる鋳造アるつぼ内で溶解する．
次に，溶解室と鋳造室を繋ぐスノートと予熱した鋳型欠陥がしばしば問題となる．
ブローホールの生成要因は大きく分けて 2 つある．一つは，溶融チタン合金を鋳型に充填する過程で生じる気を鋳造室にセットし，鋳造室を下降させることにより，スノート先端をるつぼ内の溶融チタンに浸漬させる．

体の巻き込みにより発生する気泡である．タービンホ

最後に，吸引ポンプを用いて鋳造室を減圧することにイール形状は複雑なため，気体の巻き込みが生じやすい．

より，通気性を有した鋳型内部は減圧され，溶融チタン

もう一つは，耐火物（るつぼや鋳型）とチタン合金が鋳型内部に充填される．の反応により発生する反応ガスである．チタン合金は，鋳造室内の減圧速度を 10 kPa/s ，20 kPa/s，50 kPa/s とニッケル基超合金などの他の耐熱材料と比べて，耐火物なるように，吸引ポンプのバルブ開度を調整した．そのと反応しやすい．

圧力変化を Fig. 3 に示す．再現性を確認するため，それ大同特殊鋼㈱では，反応ガスの抑制として，浮遊溶解が可能なコールドクルーシブル炉による汚染の低減

4）や鋳型の最適化を実施してきた．
一方で，気体の巻き込みにより発生した気泡の抑制を行うには，溶融チタン合金の充填挙動や気体の巻き込みぞれの水準で 3 回実施し，平均値で評価した．

鋳型内における溶融チタン合金の充填挙動を撮影速度
3000 fps の高速度カメラで撮影した．溶融チタン合金が鋳型内に流入した時間と充填が完了した時間の差を充填時間と定義した．におよぼす鋳造条件の影響を把握することが重要である．

減圧速度の違いによる冷却速度への影響を把握するた

そこで，温度センサや数値シミュレーションによる溶め，鋳造後試料（鋳物）の縦断面をフッ硝酸水溶液で腐融チタン合金の充填挙動の可視化を試みてきたが 5），チ食し，マクロ組織観察により結晶粒サイズを確認した．

タン合金は高融点であり，直接観察が難しいため，気体の巻き込み挙動の実験的な検証はまだ十分ではない．
本研究では，ブローホールの生成におよぼす減圧速度の影響を把握するため，溶融チタン合金の充填挙動を直Suction pump unit
Pressure gauge

Valve接観察できる装置を開発し，気体の巻き込み挙動をその場観察した．
また，鋳造後の試料におけるブローホールの位置や量

Mold
Castingchamber

Windowを X 線 CT（Computed Tomography）の画像解析により確認した．さらに，水モデル試験にて気体の巻き込みによって生じた気泡の浮上挙動を調査した．得られた実験結果と比較することで，鋳造シミュレーションの妥当性

High-speed
video camera

Meltingchamberを検証した．
Fig. 1. Schematics of visualizing apparatus.

2．鋳造可視化試験
2.

1

鋳造可視化試験方法

Suction pump unit
Pressure gauge
30

鋳造可視化装置の構成を Fig. 1，2 に示す．本装置は，ValveMold

減圧吸引鋳造法と同様に溶解室および鋳造室で構成され，装置の一部に覗き窓を設けることで鋳造室内部を観察することができる構造となっている．
鋳型は，タービンホイールを模した厚み 25 mm 十字形

30 1525

Suction snout
20状である．鋳型の一面を厚み 5 mm の石英ガラスに変更し，鋳型内部を観察するための観察面とした．

可視化試験は減圧吸引鋳造と同様の工程から成る．まず，溶解室の誘導加熱炉にて，チタン合金（DAT-TA2；Ti-31.5Al-7.5Nb-1Cr mass%）を φ85 × 230 mm のカルシ

MoltenmetalInduction
heating coil
CrucibleFig. 2. Internal structure of visualizing apparatus.

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Air pressure (kPa)

0中速（20 kPa/s）では，微細なブローホールが点在し，10 kPa高速（50 kPa/s）では，粗大なブローホールが生成され-20-40

マクロ組織において，減圧速度の違いによる結晶粒サイズの変化が見られなかったため，減圧速度の違いによ

50 kPa-60-80た．

20 kPa01

る冷却速度への影響は小さいと推定される．
23Time (s)45Fig. 3. Pressure changes in casting chamber.
さらに，最終的なブローホールの位置や量を確認す

また，鋳物上端のブローホールが表層の凝固シェルの下でトラップされていることを確認した．
これらの結果より，充填時に生じた気泡が浮上し，凝固シェルにトラップされることが，ブローホールの生成要因であると推定される．

るため，X 線 CT の画像解析を実施した．画像解析によるブローホール面積率の算出方法を Fig. 4 に示す．X 線

Initial stage

ルとした．この時，CT 画像の形状から，ひけ巣などの他の鋳巣欠陥と識別し，除外した．全断層に渡って解析し，ブローホール総面積を鋳物の総面積で除した値をブローホール面積率と定義した．

→Final stageLow-speed
10 kPa/s

CT 画像を元に X 線の吸収の少ない黒色部をブローホー…

12
NSampleSample area Wn

High-speed
50 kPa/s

CT Images

Blowhole area SnFig. 5. Behavior of the filling into a mold.

The gross area of blowhole S =S 1+S2…＋Sn
The gross area of sample W= W1 + W2… Wn
The area ratio of blowhole B= S / W ×100 (%)

10 kPa/s

20 kPa/s

50 kPa/s

2. 2 溶融チタン合金の充填挙動観察結果
溶融チタン合金の鋳型内充填挙動を Fig. 5 に示す．減CT Images

Fig. 4. Method for calculating area ratio of the blowhole.

圧速度が低速（10 kPa/s）の場合，溶融チタンが鋳型のて静かに充填した．充填過程の観察面において，気体の巻き込みは見られなかった．
一方，減圧速度が高速（50 kPa/s）の場合，溶融チタン合金が鋳型下面に接触することなく水平方向に流入

Macro- structures

下面に向かって流入した．その後，鋳型の上面に向かっ10 mm

10 mm

し，鋳型側面で跳ね返った．その後，鋳型の上下面で気体の巻き込みを確認した．

2. 3 ブローホールの発生位置・量の結果
CT 画像とマクロ組織の観察結果を Fig. 6 に示す．CT

画像 に お い て， 減 圧速度が低速（10 kPa/s）では， ブローホールは確認できなかった．一方，中速（20 kPa/s）以上では，ブローホールを鋳物上端で確認した．また，

2 mm

Fig. 6. CT Images and macro-structures.

2 mm

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減圧速度がブローホール面積率および充填時間におよ

低速と高速では，気泡の浮上速度はほとんど変化しなかった．

ブローホール面積率は増加するのに対し，鋳型内の充填よって，ブローホールが鋳物上端の凝固シェル直下に時間は短くなった．これは，減圧速度が速いほど，気体残存する理由は，以下のように推定される．気泡が鋳型の巻き込みが発生し，粗大なブローホールが生成される上端に到達後，粗大な気泡は，気泡の曲率が大きいた

ため，ブローホール面積率が増加したと推定される．

め，膜切れ（気泡崩壊）が起こりにくく，気泡が液面か

0.03

1.5

0.02

1.0

0.01

0.5
Filling time0.000204060
Speed of reduced pressure (kPa/s)

ルが形成され，気泡は凝固シェル直下に残存した．

0.0Fig. 7. Effect of speed of reduced pressure on area ratioof blowhole and filling time.

3．水モデル試験
3.

1Initial stageで発生した気泡の浮上挙動を把握するため，鋳造可視化装置を用いた水モデル試験を実施した．
鋳造可視化試験時のカルシアるつぼと同じ体積の水槽（φ85 × 230 mm）を用いた．水槽下端から 220 mm まで精製水を充填し，鋳造可視化試験時の溶融チタン合金と同じ体積，水面高さにした．また，溶融チタン合金の充填速度を再現するため，鋳造可視化試験時の減圧速
度 10 kPa/s，50 kPa/s における溶融チタン合金の充填速

度と水の充填速度をフルード数（Fr = v /gl ここで，v：
2

流れの代表速度，l：代表長さ，g：重力加速度）が一致

4 ．鋳造シミュレーションの検証
4.

1

シミュレーション条件

鋳造シミュレーションのモデル形状を Fig. 9 に示す．

解析には有限体積法に基づいたソルバーである Siemens

社の STAR-CCM ＋を用いた．溶融チタン合金と気体の流れは乱流を加味した k-ε モデルを用いており，溶融チタン合金の流れと気体の流れを連成した 2 相流解析を実施した．自由表面の計算には，VOF（Volume Of Fluid）法を用いた．

30するようにバルブ開度を調整した．再現性を確認するため，同一条件で 3 回実施し，平均値で評価した．鋳型内で発生した気泡の挙動を撮影速度 3000 fps の高速度カメ

1530ラで観察した．

2Final stageFig. 8. Result of water model.

水モデル試験方法

鋳造可視化装置の観察面からは確認できない鋳型内部

3.

→Low-speed
10 kPa/s

Area ratio of blowhole

ら排出されず液面に長時間留まる．この間に，凝固シェ

2.0High-speed
50 kPa/s

0.04Filling time (s)Area ratio of blowhole (%)

ぼす影響を Fig. 7 に示す．鋳型内の減圧速度が速いほど，

Mold

20

気泡の浮上挙動観察結果

水モデル試験における鋳型内の気泡の浮上挙動を

Suction snout

120Fig. 8 に示す．青線が水面，赤丸が気泡を示す．

減圧速度が低速（10 kPa/s）の場合，微細な気泡が発生するものの，気泡は水面近傍まで浮上し，水面が鋳型上面に到達する直前に鋳型内へ除去された．
一方，高速（50 kPa/s）の場合，粗大な気泡が発生し，鋳型上端まで浮上するが，鋳型内壁と接したまましばらくの間鋳型内に除去されず，水面下に留まった．また，

230

145

φ30Crucible

φ85Fig. 9. Simulation model.

技術資料＞チタン合金の減圧吸引鋳造におけるブローホールの生成におよぼす減圧速度の影響

47ない．一方で，高速（50 kPa/s）の場合は，溶融チタン鋳型内の背圧を加味した気体の流れを計算するためには，鋳型室と鋳型内の圧力変化を実測し，鋳型透過率 K合金の跳ね返りが生じ，気体の巻き込みも発生した．こを算出する必要がある．そこで，鋳型透過率 K を求めのことから，シミュレーションでの溶融チタン合金の充るため，鋳型の通気度試験を行った．

填挙動は妥当であると思われる．
シミュレーションによる充填完了時と凝固完了時の気試験方法を Fig. 10 に示す．湯口を密閉にした空鋳型泡の浮上挙動を Fig. 12 に示す．青色の部分がガス（気を鋳造室に設置し，鋳造可視化試験時の減圧速度と同じ泡）である．

減圧速度で鋳造室を減圧する．その時の鋳造室（圧力計低速（10 kPa/s）の場合，気体の巻き込みにより生成A）と鋳型内（圧力計 B）の圧力変化を測定し，その圧力変化と一致する鋳型透過率 K をシミュレーションでされたガス（気泡）は凝固完了までに鋳型内へ除去される．一方，高速（50 kPa/s）の場合，鋳型上部で発生し求めた．
溶融チタン合金の流動停止条件は，伝熱解析によりた気体の巻き込みによるガス（気泡）は鋳型内に除去さ溶融チタン合金の冷却速度を算出し，チタン合金（DAT-れるが，鋳型下部で発生した気体の巻き込みガス（気TA2）の状態図計算で求めた固相率 0.9 以上の温度まで冷泡）は，鋳型上端まで浮上するものの，気泡崩壊の前に却された時とした．

凝固シェルが発達し，鋳型内に除去されず，そのまま巨鋳造可視化試験時の減圧速度が低速（10 kPa/s），高速大なブローホールとして残存した．

（50 kPa/s）の場合を模したシミュレーションを実施した．

Suction pump unit

鋳造可視化試験における溶融チタン合金の充填挙動やValve

水モデル試験における気泡の浮上挙動と比較し，鋳造シPressure gauge-Aミュレーションの妥当性を検証した．

4.

2

Suction snoutO-ringMold

数値解析結果Metal cup

シミュレーションによる充填挙動と可視化試験の結果
を Fig. 11 に示す．シミュレーションは溶融チタン合金

Sealing tapeの体積率を示している．

シミュレーションによる溶融チタン合金の充填挙動

Pressure gauge-B

は，可視化試験と同様に，減圧速度が低速（10 kPa/s）の場合は，下から静かに充填し，気体の巻き込みが生じ
Initial stage

Fig. 10. Air flow test of mold.
→Final stage

Experiment
Lowspeed
10 kPa/s
Simulation

Volume fraction of metalExperimentHigh-speed
50 kPa/s
Simulation

Fig. 11. Filling behavior of experiments and simulations.

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電気製鋼 第 93 巻第 1 号 2022 年

Low-speed 10 kPa/s

Outside of mold

High-speed 50 kPa/s

Completion offilling

Outside of mold

Completion ofsolidification

Macro-structure（文献）1）京谷美智男：電気製鋼，70（1999），223．

2）高橋恭，丸井勇治：鋳造工学，73（2001），814．
3）鈴木信雄：電気製鋼，60（1989），53．
4）佐藤敬：鋳造工学，73（2001），791．

5）山本和巳，鈴木寿穂：電気製鋼，80（2009），157．

Blowhole
Move
10 mm

Fig. 12. Behavior of air bubbles by simulation.
これは，水モデルにおける気泡の浮上挙動や鋳造可視化試験におけるブローホールの発生位置・サイズと類似している．このことからシミュレーションによるブローホールの予測が妥当であるといえる．

5.

結言

鋳型内充填挙動を観察できる鋳造可視化装置を構築
し，溶融チタン合金の鋳造可視化試験と水モデル試験により，ブローホールの生成におよぼす減圧速度の影響を把握し，以下の知見を得た．
1）減圧速度が速くなる程，ブローホールが増加する．
2）これは，減圧速度が速い程，湯の鋳型内充填時間が短く，溶融チタンの跳ね返りや気体の巻き込みにより粗大な気泡が生成されるためである．

堀亜由美

松木隆紀

田邉

澤田康弘

3）ブローホールは鋳物上面表層付近で発生する．これは，充填過程で生成された気泡が鋳型上端まで移動し，表層の凝固シェルでトラップされるためである．
また，得られた実験結果との比較から，鋳造シミュレーションを用いた精度の高いブローホールの予測が可能であることを確認した．

顕

鷲見芳紀