JPH04187363A - 高強度金属物品及びその製造方法 - 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、新規な一方向凝固柱状結晶金属物品及びその
製造法に関する。

［従来の技術］ 金属物品の柱状結晶品は、結晶が一方向に配列している
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−例として、Ｎｉ基
超超合金柱状結晶がある。

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二相ステンレス鋼は、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５３−５１１０２号公報に示すよ
うに柱状晶や単結晶で使用しようとする状況にある。

この柱状結晶の大部分は、特開昭５３−５１１０２号、
特公平１−２３２２８号、特開昭５１−４１８５１号公
報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ＩＯ
Ｃ［ｎ位でシャンク部の横断面積も大きくて１０ｃｍ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
物をこの方法で一方向凝固させることで、柱状結晶を製
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、柱状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。従って、耐食合金を上
記方法で一方鼾固させることで、柱状結晶を製造するこ
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１５Ｃｍ１以上ある大
型物品、或いは、疑問進行に対して横方向に大きく張り
出した部分をもつ物品については考慮されてお゛らず、
横方向に大きく張り呂した部分をもつ物品を従来と同じ
方法で一方向凝固を行っても、鋳物全体を柱状結晶化す
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、
水冷チルから成長してきた鋳物本体とはまったく関係な
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。柱状結晶は、結晶方位によっ
て材料特性が大きく異なるため、異なった結晶方位を持
った張り出し部分は、鋳物本体とは異なった特性となり
、均一特性を持つ鋳物が得られない。この理由により、
横方向に大きく張り出した部分をもつ治具やボルト等の
金属物品を全体にわたり均一な柱状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柱状結晶の高強度
金属物品、及び、その製造方法、及び、大型の柱状結晶
ボルトを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、それらの製造に用いる鋳型
を提供することにある。

［課頂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１５　ｃｎｆ以
上である部分に断面積より大きい断面積をもつ部分が一
体に形成された金属物品において、前記金属物品の少な
くともマトリックス組織が一方向薯固柱状結晶体であり
、前記大きい断面積をもつ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
属物品にある。

前記大きい断面積をもつ部分の突出したテーバ角が１０
度以下であり、前記突出距離が１ｃｍ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相が柱状結晶であること、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柱状結晶であることが好まし
い。

本発明は螺子部と頭部をもつボルトにおいて、前記ボル
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た柱状結晶体であ
ることを特徴とする高強度ボルトにある。

本発明は、第一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もつ第二の鋳型が一体に形成された
メーン鋳型と、前記第二の鋳型に連通し前記第一の鋳型
に対し別個に設けられたバイパス鋳型とをもつことを特
徴とする一方向凝固柱状結晶物品製造用鋳型にある。

本発明は、第一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もつ第二の鋳型が一体に形成された
メーン鋳型と、前記第二の鋳型に連通し前記第一の鋳型
に対し別個に設けられたバイパス鋳型とをもち、前記メ
ーン鋳型とバイパス鋳型に金属の溶湯を注入し、前記溶
湯を前記第一の鋳型より第二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一の鋳
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
る柱状結晶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
を含めて全体が均一な柱状結晶となる。

本発明に係る高強度金属物品は、断面積が１５ｃｎ！以
上の部分にこれより断面積が大きくなる突起をもつ大型
の複雑形状のものが均一な柱状結晶組織が得られるため
、結晶方位の異なる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　：　９〜１
５、Ｍｏ：１〜３がよい。フェライト十オーステナイト
鋼は重量％で、Ｃ５０，１５，ＳｉＳ２．０゜ＭｎＳ２
．０．　Ｃｒ　：　ｌ　５〜２　’＞、　　Ｎ　ｉ　：
　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、Ｍｇ、希土類元素を
０．２％以下を含有することができる。

Ｎｉ基超超合金は、重量％で、Ｃｏ〜０．１６％。

＄１０〜０．５％、ＭｎＯ〜１．４％、Ｃｒ５〜３０％
、ＣｏＯ〜３０％、Ｍｏｂ−１５％、ＷＯ〜１５％、Ｔ
ｉ＋ＡＱ１〜１０％、残部Ｎｉが好ましい。更に、これ
にＮｂ、Ｚｒ、Ｖ、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、オーステナイト鋼、フェライト系、オーステ
ナイト＋フェライト系ステンレ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柱状結晶である
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、ステンレス鋼の場合、溶融は、温度１５０
０〜１６５０℃、真空度３　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ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１
５００〜１６５０℃に加熱後、ステンレス鋼の溶湯を１
５００〜１６５０℃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１〜５０ｃｍ／ｈで行う。そ
の後の均質化処理は１２００〜１３５０℃で一回以上、
例えば、１３００℃で５ｈ保持して続いて１１００℃で
ｌｈ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２図は、第１表に示す組成（重量％）の合金からなる
Ｍ２Ｏの柱状結晶の一方向凝固させたボルトを示し、第
１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 第１図において、最初、水冷銅チル１の上に本発明に係
る鋳型２を固定し、それを鋳型加熱ヒータ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。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
を下方に引き呂し、一方向凝固させる。一方向凝固させ
ると、最初鋳型２下端の水冷チル面上で多くの結晶が発
生する。

その後凝、固が進行する過程で柱状結晶となる。更に鋳
物のボルトねじ部４及びボルト頭部５へと凝固が進行す
る。鋳造条件は第２表のとおりである。

第２表 鋳物本体を形成する鋳型の型部分と異なるバイパス６の
取り付は位置は、ボルト頭部の位置より下方であれば、
どこでも良いが、柱状結晶鋳造後、そのバイパス部分を
除去する必要があるので、水冷チル１より直接ボルト頭
部５に取り付けるのが望ましい。従来の方法では、ボル
ト頭部５で形状が拡大するときに別な結晶が発生し、ボ
ルト頭部の結晶方位が異なり均一な柱状結晶が製造でき
なかったが、本発明の方法により、ボルト形状の均一柱
状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。

本実施例ではねじ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７に水冷チルからバイパス６を９０
°間隔が四本設けた。バイパスの形状は直経３＋ａｍの
線状である。

本発明の方法により、アイボルト拡大部７で結晶方位の
異なった結晶を発生させることなく、均一方位の柱状結
晶が得られた。

バイパス６の数は、二本以上が好ましいが、通常は四方
から凝固させるために四本程度が良い。

〈実施例３〉 Ｎｉ基合金として、重量で８．０％Ｃｒ−０，６％Ｍｏ
−９，５％Ｗ−５，６％ＡＱ−３，０％Ｔａ−〇、８％
Ｔｉ−９．５％Ｃｏ−０，０７％Ｃ−０，０１５％Ｂ−
０．０１５％Ｚｒ−１．４％Ｈｆ残部Ｎｉを用いて、厚
さ１０ｍｍの１字型の平面物品を鋳造した。従来は、横
方向に張り呂した部分で新しい結晶が発生し、結晶方位
がばらついたため第４図に示したように拡大部８にテー
パ角９を設け、横方向に柱状結晶を成長させ、その後機
械加工する必要があった。第５図は凝固速度を１０ｃｍ
／ｈとしたときのテーパ角θと柱状結晶が横方向へ成長
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１工以上では、
柱状結晶を成長させることができなかった。このような
１字型鋳物１０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、同一方位を持った柱状結晶を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
。

本実施例によるものは耐応力腐食割れ性に優れ、０．２
％酎耐フ０ｋｇ／卿２以上、伸び率２０％以上のすぐれ
たものであった。

本実施例ではねじ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。

また、本実施例の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柱状結晶化
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、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１１側より一方向に凝固
させるとともにプラットフォーム１２に対してバイパス
鋳型を設はプラットフォーム１２の翼部側と外側とから
同時に凝固させ、次いでシャンク１３及びダブテイル１
４へと凝固させることによって柱状結晶ブレードが製造
できる。

〈実施例４〉 重量で、ＣＯ，０８％以下、Ｃｒ１４〜２０％。

ＦｅｌＯ％以下、ＡＱｏ、４〜１．０％、Ｔ１２〜３％
、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％。

Ｃｒ１５．６％、Ｆｅ８．○％、Ｔｉ２，５％、ＡＱ０
．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〜ｌｏｈで溶体化処理し、柱状結晶のγ相とし、
次いで６５０〜銅など溶解可能な材料であれば全て適用
できる。

［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、大型の柱状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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のボルトの製造方法を示す鋳
物の断面図、第２図は本発明に係る柱状結晶ボルトの平
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
す特性図、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。 ２・・・メーン鋳型、８・・・ボルト頭部、９・・・バ
イパス第　１　図 第２区 第３図 第４図 第５図 チー八’ｊｌ（つ

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、前記金属物品の少なくともマトリ
   ックス組織が一方向凝固した柱状結晶であり、大きい断
   面積をもつ部分がそれより小さい断面積の部分よりも後
   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もつ、部分
   の突出したテーパ角が１０度以下であり、前記突出距離
   が１ｃｍ以上である高強度金属物品。 ３、請求項１において、前記金属物品はＮｉを主成分と
   するＮｉ基合金、又は、オーステナイト鋼である、高強
   度金属物品。 ４、請求項１において、前記金属物品はフェライト又は
   フェライト及びオーステナイト相をもつ鋼である高強度
   金属物品。 ５、螺子部と頭部をもつボルトにおいて、前記ボルトは
   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た柱状結晶体であることを
   特徴とする高強度ボルト。 ６、第一の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積より大
   きい断面積をもつ第二の鋳型が一体に形成されたメーン
   鋳型と、前記第二の鋳型に連通し前記第一の鋳型に対し
   別個に設けられたバイパス鋳型とをもつことを特徴とす
   る一方向凝固柱状結晶物品製造用鋳型。 ７、第一の鋳型の凝固方向に垂直な断面の断面積より大
   きい断面積をもつ第二の鋳型が一体に形成されたメーン
   鋳型と、前記第二の鋳型に連通し前記第一の鋳型に対し
   別個に設けられたバイパス鋳型とをもち、前記メーン鋳
   型と前記バイパス鋳型に金属の溶湯を注入し、前記溶湯
   を前記第一の鋳型より第二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一の鋳型
   の溶湯と同じ速度で一方向に凝固させることを特徴とす
   る柱状結晶金属物品の製造方法。