JPS5954695A - 単結晶物品鋳造用の螺旋を有する鋳型 - 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】 本発明は、成層セラミックシェル材料からなり、単結晶
物品鋳造の方向性凝固の間に溶融金属を入れるために用
いられ、凝固界面が溶融金属を通じて漸進的に移動せし
められる鋳型と、このような鋳型の製作方法とに係る。

金属を鋳造するための方向性疑固過程では、溶融金属で
満たされたセラミックを通して凝固界面を漸進的に移動
させるために、制御された冷却が行われている。単結晶
物品、しかし単一の結晶粒を有する物品はこの過程によ
る最高の技術で鋳造され得る。単結晶鋳造に適した新し
い方法は従来の方法に比べて種々の条件により微妙に影
響される。それにも拘らず、新しい方法は、良好な単結
晶鋳造を行いうる点で有意義である。

単結晶鋳造を行うには種々の方法があるが、その何れに
於ても、所望の結晶構造を有する凝固界面が溶融金属内
に形成されなければならない。そのための一つの方法は
、米国特許第１，７９３，６７２号及び第４，０１５，
６５７号明細書に示されているように、単一の結晶粒を
優勢にするべく、鋳型の非常に小さい局限された点を通
じて凝固界面を移動させる方法である。それよりも抜型
の垂直高さか少なくて済む点で若干優れた他の方法が米
国特許第３，４９４，７０９号及び第３，５３６，１２
１号明細書に開始されている。凝固界面は鋳型内のジグ
ザグ通路を通され、その結果としての方向の変化が、ヒ
ートシンクに於て生成した多数の柱状晶から単一の結晶
粒を迅速に選択する。洗練された一つの方法では、米国
特許第３，６２５，２７５明細書に示されているように
、螺旋形状が用いられている。螺旋管が鋳物内に単結晶
を成長させるために用いられている。

一般的に、凝固界面が螺旋を通って移動させられるとき
に単結晶内に生ずる現象は米国特許第３，５２４，６３
６明細書と、本願と譲受人を同じくする１９８２年１月
２７日付米国特許出願第３４３，０８４号明細書に記載
されている。米国特許第３，５２４，６３６号明細書ほ
かには、鋳型の螺旋セクション更には全アーティクルセ
クションが第二のセラミックシェル構造により、それら
の間に溶融金属で満たされる間隔をおいて、包囲される
べきであることが開示されている。これは、所謂“ｃｏ
ｃｏｏｎ”構造であり、熱勾配を改善し、且鋳物内の結
晶学的欠陥に通ずる外来核生成を回避するために用いら
れた。現在、注意深い炉条件及び鋳型設計が、結晶欠陥
を最小化するために用いられている。螺旋形状を用いる
限り、通路として狭い通路を用いることが有利であるこ
とがこれまでの研究により示されている。米国特許第４
，１３３，３６８号、同第４，１１１，５２５号及び第
４，１８０，１１９号明細書に示されている形状が現在
の螺旋の形状の代表的なものである。

一般に、螺旋を含む抜型は周知の“ロストワックス”法
により製作されている。セラミック材料の層がワックス
型の上に置かれ、その後にワックス型が除去される。鋳
造に先立って、中空のセラミックシェル鋳型が冷たい冷
やし金の上に取付けられる。鋳型の構造は、冷やし金に
最も近い部分が、溶融金属を受入れ、柱状晶が成長する
につれて方向性凝固の開始を助長するのに適する空洞で
あるような構造である。この空洞のすぐ上に、柱状晶成
長を単結晶成長に変換する螺旋状のセレクタセクション
が置かれる。螺旋セクションの上に、ゲーティングを有
するアーティクル空洞が置かれる。従って、鋳型のアー
ティクル部分の全重量は、それをスタータセクションに
接続する比較的虚弱な螺旋の上に支えられている。鋳型
が溶融金属で満たされるとき、この重量は少なからざる
重量となり、鋳造前及び鋳造中に螺旋の破壊が生じ得る
。

この破壊の問題を回避するため、種々の方法が用いられ
てきた。

米国特許第４，１３３，３６８号明細書に示されている
方法では、螺旋セクションが強固なモノリシックセラミ
ック材料で予め形成され、それが次いで鋳型内に組込ま
れる。これと類似な方法として米国特許第４，１１１，
２５２号明細書に示されている方法では、螺旋通路領域
がセラミック鋳型材料で完全に満たされる。これらの方
法の欠点は、強固なモノリシックセラミック材料で螺旋
セクションを予め形成するのに費用がかがり、機械的に
困難であり、又螺旋通路を包囲する重いセラミックが熱
伝達を悪くすることである。

他の方法では、螺旋セクションと独立して、鋳型に構造
的支えが設けられている。例えば、垂直な支えが冷し金
からアーティクル空洞の部分に延びており、荷重の一部
分を分担して、螺旋セクションが受けるであろう曲げモ
ーメントに対して鋳型に安定性を与えている。この方法
は有効であるが、鋳型の製造の際に追加的な作業を必要
とする。

加えて、もし支えが不適切に置かれれば、良好な方向性
凝固のために望ましい熱勾配が乱され得る。

他の方法では、螺旋セクションの周りに構造的セラミッ
クシリンダが形成されるように螺旋の周りに小さな“ｃ
ｏｃｏｏｎ”が意図的に形成されている。

この方法は有効であるが、やはり鋳型の製造の際に少な
からざる追加的作業を必要とする。更に他の方法として
米国特許第４，１８０，１１９号明細書に示されている
方法では、型の螺旋部分のワックスが、予め形成された
モノリシックセラミック棒の周りに巻かれる。この方法
は簡単であり且有効であると考えられる。この方法は鋳
型内に追加的な要素を含んでいない。

上記のような方法を用いて単結晶物品が有効に製作され
てきたが、作業を簡単にし且良品率を高めるために一層
の改善が望まれている。

本発明の目的は、単結晶物品を鋳造するためのセラミッ
クシェル鋳型であって、螺旋通路を有するスタータセク
ションを含んでおり、強固であり、しかも高い良品率を
得られる鋳型の制作方法を提供することである。

本発明によれば、単結晶物品の方向性凝固のためのセラ
ミックシェル鋳型はスタータセクションと、アーティク
ルセクションと、スタータセクションをアーティクルセ
クションに接続するセレクタセクションとからなってい
る。セレクタセクションは螺旋状通路を有し、螺旋のピ
ッチ即ち隣接ターン間の間隔は通路の外側のシェルの厚
みの二倍よりも小さい。本発明の一例として、螺旋通路
を郭定するワックス型がそれぞれセラミックの層で、螺
旋の隣接ターン上の層が互いに接するまで被覆される。

その後、セラミック層の被覆を接続して、相続く層が螺
旋の全体外側直径に沿ってセラミックシェルを橋絡し、
それにより螺旋に強度を与える。好ましくは、隣接ター
ン間の間隔は、セラミックシェル鋳型が、基準厚み点で
測って、その最終厚みの約５０〜８０％に達したときに
橋絡される。典型的なセラミックシェル鋳型は、ワック
スが溶融により除去された後、約６〜８ｍｍの厚みを有
する。

また、本発明では螺旋通路の直径は８ｍｍ又はそれ以上
、好ましくは９〜１０ｍｍであり、螺旋の内側直径は５
ｍｍ又はそれ以上、好ましくは９．５〜１６ｍｍである
。ピッチ角は５〜３５°、好ましくは１２〜１６°であ
る。このようなパラメータの選定により、十分な強度を
有する螺旋が得られることが判明した。

通路直径と橋絡部分の形成との間には相互関係が存在す
る。一般に、橋絡部分は螺旋状のセレクタセクションか
らの横方向熱伝達を減少する。従って、もし公知技術に
より知りれている５〜７ｍｍの螺旋通通路が橋絡されれ
ば、鋳造の収率は低下する。しかし、通路の直径を８ｍ
ｍ又はそれ以上にすることにより熱伝達が増大するので
、鋳造の収率は増大し、またモールドクラッキングが減
少する。

本発明はセラミックシェル鋳型に特に有用である。

セラミックシェル鋳型は除去可能な材料例えばワックス
からなる型の表面にセラミック材料の層を積重ねること
により製作される。このような鋳型の製作過程は典型的
に米国特許第２，９６１，７５１号明細書に記載されて
おり、その内容を参照によりここに引入れたものとなる
。シェル鋳型は良く知られており、超合金のインベスト
メント鋳造、特にガスタービンエーロフォイルのような
精密部品の製作に用いられている。好ましい鋳型はジル
コン粒子を主成分として製作されるが、アルミナを主成
分として製作することも耐熱性の点でしばしば好ましい
。シェル鋳型を製作するためには様々な方法がある。本
発明に於て、シェル鋳型という用語は、セラミック材料
の相続く層の集積を含む過程により製作される任意の鋳
型を意味するものとする。このような鋳型は、米国特許
第４，１９０，０９４号を含む前記引用特許に記載され
ているように、方向性凝固を用いるニッケル超合金部品
の鋳造に有用である。

第１図にはｚ軸に沿って延び、約１．５ターンを有する
螺旋状対象物２０が示されている。、第２図には、冷や
し金２４の上に載せられたセラミック鋳型２２の下側部
分の鉛直断面図が示されている。鋳型は、凝固界面が冷
やし金から鉛直上方に鋳型を通って移動した後の状態即
ち凝固した金属で満たされている状態で示されている。

鋳型は三つの部分即ちスタータセクション２６、セレク
タセクション２８及びアーティクルセクション３０を有
し、それらは互いに接続されている。セレクタセクショ
ンは、第１図に示されている対象物の形状を有する金属
で満たされる螺旋状通路３２を有する。

鋳型の使用の際、溶融金属が鋳型内に注入され、それを
満たす。冷やし金２４は冷たいので、スタータセクショ
ン２６内の金属はまず多結晶柱状構造で凝固する。続い
て、鋳型の制御された冷却により、凝固界面が鉛直鋳型
ｚ軸線に沿って鉛直に移動され、螺旋通路３２を上向き
に通過して、鋳型のアーティクルセクションの入口３３
に到達する。第２図に示されているように、アーティク
ルセクション３０の底は通常、凝固界面がセレクタセク
ションの比較的狭い通路から鋳型のアーティクルセクシ
ョン３０の内側の広い空洞内へ広がることを許す移行部
分３４を有する。

本発明では、螺旋通路の構造に臨界性が存在する。第１
図には、本発明で用いられる記号が示されている。この
図面はセレクタセクション内に内部通路を形成するのに
用いられるワックス型のような物品２０の形状を示しく
いる。同様に、この図面は鋳造後に通路内に凝固される
金属物品の形状を示している。螺旋状物品２０は通常、
螺旋の鉛直ｚ軸線に沿って延びる直線通路である上端３
６及び下端３８を有する。これらは螺旋通路の本質的部
分ではないが、結晶学的鋳造欠陥を生ぜずに方向性凝固
が螺旋通路に入り且そこから出るのを容易にするために
設けられている。螺旋物品自体に対して用いられている
用語は、螺旋ばねに対して用いられている用語と同様で
ある。螺旋物品は高さＨ及び平均直径Ｂを有する。ｚ軸
線に対して垂直な平面内で測って、螺旋物品は内側直径
ＩＤ及び外側直径ＯＤを有する。螺旋のピッチＬは隣接
ターン間の中心線間隔である。螺旋はピッチ角Ｂにより
特徴付けられ、これはｚ軸線に対して垂直なｘ−ｙ平面
と螺旋の進行方向がなす角度である。螺旋通路は直径ｔ
の円形横断面を有する。

第１図及び第２図を参照すると、通路３２の隣接ターン
は間隔Ｓをおいている。第１図から、Ｓ＋ｔ＝Ｌである
ことは理解されよう。後で一層詳細に説明するように、
本発明では、間隔Ｓは、螺旋通路３２を包囲するセラミ
ックシェル鋳型の厚みＭに関係付けられている。

前記のように、螺旋通通路の機能は、柱状晶構造を単結
晶構造に変換するように凝固界面を移動させることであ
る。螺旋通路は比較的小さな直径を有する。何故ならば
、そうすることが有利であることが既に知られているか
らである。冷やし金の機能はスタータセクションを冷却
し凝固を開始させることである。一旦凝固が開始される
と、凝固界面は、鋳型への（炉からの）熱入力が冷やし
金を通じての熱の取出しと平衡するまで、螺旋に向けて
鉛直に不定の距離を移動する。凝固界面をセレクタセク
ションを通じて鉛直に上方に移動させるため、炉の制御
された冷却が行われる。一層好ましくは、鋳型は炉から
漸進的に下方に引抜かれる。これについては、本願と譲
受人を同じくする米国特許第３，７００，０２３号及び
同第３，７１４，９７７号明細書に記載されている。前
記のように、凝固する螺旋通路に沿いスタータセクショ
ンを通って冷やし金に至る熱伝達と螺旋から半径方向に
外方への熱伝達とが存在する。しかし、これらの熱伝達
モードがどのような意味を有するかについては、これま
で殆ど考察されていなかった。好ましい引抜き方では、
主な熱損失は、冷たい領域に曝される抜型の点からの放
射によるものである。冷やし金からのアーティクルセク
ションの距離が与えられると、金属がアーティクルセク
ション内で凝固を開始するとき、長い金属経路を通じて
冷やし金に至る熱の伝導による熱取出しへの寄与は僅か
である。従来用いられた螺旋通路の小さな寸法では、螺
旋を通る熱束は実際上、移行セクション及びアーティク
ルセクション内の凝固に関して重要であるとはみなされ
なかった。しかし、実験によれば、螺旋通路を通じての
熱伝達が改善されれば、鋳造に有利な結果を生ずること
が示された。これは螺旋通路直径の増大と螺旋の周りの
セラミックの量の最小化とにより行われる。

螺旋通路直径の増大は不利な影響を生ずる。その一つは
、狭い絞りが螺旋通路への最小数の結晶粒の伝播を許し
、比較的短い長さの螺旋の有効性を増すという利点が失
われることである。もう一つは、螺旋の体積が増し、そ
れを満たすのに必要とされる金属の重量が増すことであ
る。スタータセクション及びセレクタセクション内の金
属は、鋳造後に切断され廃棄されるので、無駄になる。

高価な超合金からガスタービンエーロフォイルのような
比較的軽量の中空物品を製造する際、廃棄される部分の
費用は少なからざるものとなる。公知技術では、螺旋通
路の寸法選定に関する解析が十分に行われておらず、好
ましい螺旋直径は約５〜７ｍｍであるとされてきた。

実験及び計算に基いて、好ましい通路直径は７．５〜２
５ｍｍ、一層好ましくは７．５〜１５ｍｍ、最も好まし
くは９〜１０ｍｍであると結論された。勿論、螺旋通路
直径Ｌが増されるならば、螺旋直径Ｄも増されなければ
ならない。何故ならば、前記のように特定の最小値にＩ
Ｄ及びＳを保つとき、ピッチＬも増されなければならな
いからである。

従って、螺旋通路の直径を増すことは、螺旋通路の重量
が下式に従って増大すること意味する。

Ｗ∝（Ａｔ２＋Ｂｔ３） ここに、Ａ及びＢは定数 凝固した金属で満たされた螺旋通路が熱をアーティクル
セクションからスタータセクション又は冷やし金に伝え
る能力は、螺旋通路の横断面積及びその長さの関数であ
る。通路に沿う単位時間当りの熱伝達Ｑは通路の直径に
下式で関係付けられる。

ここに、Ｃは定数 これらの式の導き方は付録で説明する。第３図には上記
の関係がグラフで示されている。Ｑが通路直径の関数と
して示されており、また通路重量Ｗの逆数である“軽さ
”が通路直径の関数として示されている。図面では、任
意の値が定数として用いられている。従って、曲線の正
確な交わりは有意義ではない。図面は、熱伝達能力Ｑが
通路直径と共に実質的に大きくなり、また相対的軽さが
ｔの値に一層敏感に関係して逆に小さくなることを示し
ている。図面には、通路直径の一層好ましい範囲及び最
も好ましい範囲が記入されている。

これらの範囲は実際の実験及び計算に基いている。

これらは第３図に示されているデータからは計算されな
い。何故ならば、第３図には定数の値が示されていない
からである。

特に、螺旋直径を少なくとも８ｍｍ、一層好ましくは８
〜１５ｍｍ、また最も好ましくは９〜１０ｍｍに選定す
ることにより、後で説明する他のパラメータの適当な選
定と共に、良好な結果が得られることが見出された。螺
旋直径を大きくすることにより次のような利点が得られ
る。第一に、シェルがセレクタセクションに特に注意を
払うことなく簡単に製作可能であり、また７ｍｍ又はそ
れ以下の螺旋直径の場合に比べて実質的に大きい強度が
得られる。第二に、シェル厚みの増大が（鋳型の他の部
分に比べて）セレクタセクションで必要とされないので
、半径方向に外方への熱伝導が改良され、セレクタセク
ション内での結晶成長の偏差が少なくなる。第三に、螺
旋通路に沿う熱伝達が改善される。後二者の因子は、（
前記米国特許第４，１３３，３６８号及び同第４１１，
２５２号による）重いセラミック構造を有する小さい螺
旋よる場合に比べて高く、“ＣＯＣｏｏｎ法”による場
合と同等な結晶構造収率で単結晶物品の鋳造を可能にす
る。

第１表には、本発明による螺旋状通路のパラメータが示
されている。この表を参照すると、通路直径ｔは少なく
とも２５ｍｍに達するまで大きく選定され得る。しかし
、第３図に示されているように、螺旋セクションの重量
も、前記の関係に従って螺旋の直径Ｄも（最小ＩＤを保
つため）増されなければならないので、著しく増大する
。従って、この範囲の下端が参照される。通路の上方へ
の傾斜が有意義である。何故ならば、それはピッチ角に
反映されるからである。螺旋直径が大きければ、ピッチ
角を小さくすることが幾何学的に可能である。しかし、
大きな螺旋直径は通路の長さを長くするので、それらは
好ましくない。従って、一層好ましい角度は１０〜２０
°、また最も好ましい角度は１２〜１６°である。最も
好ましくは、螺旋通路は９．５〜１６ｍｍの小さな内側
直径ＩＤを存する。６ｍｍまでの更に小さな直径が用い
られ得るが、それらは製造に実際的な問題を生じ、また
螺旋通路の内側直径上に十分なセラミック層厚み及び強
度が得られることを保証するため特定の最小面径を必要
とする。大きな内側直径は望ましくない。何故ならば、
それにより螺旋の平均直径Ｄが増大し、従って何らの利
点なしに通路の長さが増大するからである。後で説明す
る本発明の他の観点から、螺旋は少なくとも１ターンを
存するべきである。多くのターンが用いられ得るが、勿
論それらは通路の長さを大きくするので不利である。

螺旋が２ターンよりも少ないターン数を有することは一
層好ましく、また１．２５〜１．５ターンを存すること
は最も好ましい。螺旋のターン数はセレクタセクション
付近の鋳型の構造的強度に関係を有し、この理由で１タ
ーンよりも若干多いターン数が好ましい。１．２５〜１
．５ターンとすることにより、鉛直ｚ軸線方向に一つの
ターンが他のターンと重なる部分が生ずる。通路の一端
と他端との間の間隔Ｈを最小化することは熱伝達上の理
由で望ましい。間隔Ｈは、ここで定められる他のパラメ
ータにより定められ、好ましい実施例では約４０ｍｍで
ある。

本発明の他の主要な観点は、第１図及び第２図に示され
ているように、通路の隣接ターンの間の間隔Ｓである。

７ｍｍ直径の通路のピッチＬは２１．５ｍｍのオーダー
であり、これは、７ｍｍ又はそれ以下の通路直径と結び
ついて、間隔Ｓが少なくとも約１４〜１５ｍｎ１あるこ
とを意味する。隣接ターン間の間隔は、鋳型の体積を定
めるセラミックシェルの厚みに比べて比較的大きかった
。これは前記米国特許第４，１１１，２５２号明細書の
図面に示されている。間隔Ｓが臨界的に制御されれば、
通常のシェル鋳造法を用いて非常に強固な螺旋通路が製
作され得ることは、これまでに見出されていなかった。

上記の方法により製作されるセラミック鋳型では、約８
〜９層が通常集積されている。

本発明の最良の実施例では、第五の層により間隔Ｓが満
たされるように間隔Ｓが十分に小さくされている。その
後の層は螺旋の外側直径の周りの連続的なシースを形成
する。隣接ターンがこうして互いに接続されるとき、螺
旋は追加的な強度を与えられる。

更に小さな間隔も更に大きな間隔も第１表中のデータに
より示されているように用いられ得る。

通路間隔Ｓは、鋳型に与えられるシェル厚みＭの百分率
として最良に表される。第２図を参照すると、Ｍ’は、
鋳型のアーティクルセクションで測ったシェル鋳型の定
格厚みである。一般に、鋳型の異なる部分に異なる大き
さの層を設けることにより異なるセクションに於ける厚
みを容易に変更することができるが、同一の数の層が全
鋳型の上に集積される。従って、セレクタセクションの
付近に於ける厚みＭは一般に（物品又は螺旋の表面輪郭
の最大変化により生じ得る変化を考慮に入れて）厚みＭ
’と同一であるが、間隔Ｓは、通路間隔の付近と同一の
層積層を受ける鋳型の部分に積層されるシェル鋳型の厚
みに従って定められるべきである。第２図では、厚みＭ
はこのような位置を表している。もしセラミックシェル
製造法が厚みＭを代表的にしなければ、他の基準位置が
代替的に用いられ得る。図面で、Ｍは通路の一つのター
ンの最も外側の直径に於て螺旋軸線７に対して垂直な半
径に沿って測られた厚みである。

セレクタセクションが本発明に従って製作されるとき、
螺旋の内部空間４２は、使用されるシェル鋳型のＩＤ、
セラミックシェル厚みＭ及び製作法に関係して、セラミ
ック材料で満たされてもよいし、満たされなくてもよい
。通路の外側の橋絡に相当する内部空間の橋絡が勿論行
われ、それによりセレクタセクションの強度が助長され
る。

上記のように、通路の隣接ターン上に集積するセラミッ
ク材料は、シェル材料の約６０％が集積された後に、つ
ながる。こうして、間隔Ｓは最終的に集積されるセラミ
ック材料の厚みＭの約１２０％となる。何故ならば、セ
ラミック材料は間隔間隔の両側から中心に向けて漸進す
るからである。もし間隔Ｓが小さ過ぎれば、ピッチ角が
望ましくない小さな値となり、通路の隣接ターン間のセ
ラミック構造が虚弱になる。もしＳが大き過ぎれば、本
発明は実施され得ない。何故ならば、隣接ターン間の間
隔がセラミックシェルの通常の形成の間に十分強度を有
するセラミック材料の上に充満又は橋絡されないからで
ある。従って、好ましくは間隔ＳはＭの６０〜１８０％
であり、一層好ましくは１００〜１６０％であり、また
最も好ましくは１２０〜１４０％である。こうして、間
隔Ｓは層好ましい実施例では、セラミックシェルの厚み
Ｍの１倍以上且２倍以下である。

商業的鋳造のために、シェル鋳型厚みは少なくとも２．
５ｍｍ、一層好ましくは５〜１３ｍｍ、また最も好まし
くは６．５〜７．５ｍｍであるべきである。もしシェル
が薄過ぎれば十分な構造的強度が得られず、他方もしシ
ェルが厚過ぎれば、方向性凝固過稈に必要な熱伝達に対
して望ましくない障壁が生じる。６．５〜７．５ｍｍの
好ましいセラミックシェル厚みＭに対して、間隔Ｓは（
もしＭの７０〜１４０％であれば〉約４．５ｍｍと１０
．５ｍｍの間で変化する。従って、第４図には、ＩＤが
一定に保たれるとき、上記の関係を保つために通路直径
の増大と共に螺旋ピッチ１がどのように示されなければ
ならないかが示されている。ピッッチが定数ＩＤと共に
増大するにつれて、螺旋ピッチ角も、図面に示されてい
るように、増大する。

また、高さＨも増大する。最小の高さが望まれるので、
このことは８ｍｍ前後の通路直径が望ましいことを意味
する。

本発明では、間隔Ｓが臨界的であり、前記のように制御
されなければならない。従って、このことは、他のパラ
メータが従属的であり、利用可能な範囲内で自由に変更
されてはならないことを意味する。一例として、もしシ
ェル厚みＭが７ｍｍであり且通路直径ｔが８ｍｍであれ
ば、１２ｍｍ（Ｍの１５０％）を用いて、螺旋のピッチ
は２０ｍｍとなる。もし内側直径ＩＤが１２．５ｍｍに
選定されれば、直径Ｄは２０．５ｍｍとなる。このこと
は、ピッチ角が１７．３°であることを意味する。もし
ピッチ角が利用可能な範囲又は好ましい範囲よりも小さ
ければ、それに順応するようにＳ、ｔ又はＩＤが変更さ
れなければならない。

螺旋通路のターンが従来の鋳型の場合に比べて互いに接
近していることは理解されよう。例えば、ピッチ角が大
きく、ピッチが相応に大きく、且通路直径が小さい米国
特許第４，１１１，２５２号明細書による模型では、隣
接螺旋ターンの間の広い間隔に特に追加的なセラミック
材料が充填されなければならない。

１００以上の実験的な鋳型及び鋳造により、第２表に示
されているように公知の方法に比べて本発明による方法
が有用であることが実証された。

ひび割れのない正常な鋳型の製作し得る割合が約３％増
大した。鋳物の収率は約１４％増大した。

（鋳物の収率は、偏差する結集粒構造から単結晶鋳物が
自由であることの反映である。鋳造過程の間の鋳型のひ
び割れは、螺旋構造による良好でない熱伝達に加えて、
しばしばこのような偏差の原因となる）。

本発明の最も簡単で最も一般的な実施例は、図面に示さ
れているように、螺旋通路が鉛直ｚ軸線の周りに延びて
おり、且鋳型のスタータセクション及びアーティクルセ
クションもｚ軸線に沿って延びているものである。しか
し、他の考察から解るように、スタータセクション及び
アーティクルセクションが鉛直に一直線上に並んでいな
い螺旋通路を有するセレクタセクションを用いることも
可能である。例えば、米国特許第３，５６８，７５７号
明細書を参照されたい。以上の説明では螺旋通路が円形
の横断面を有するものとしてきた。

他の横断面形状を有する螺旋通路により本発明を実施す
ることもできる。しかし、長方形などの鋭い角を有する
横断面形状に比べて円形の横断面形状は遥かに好ましい
。何故ならば、円形の横断面形状を有する通路では、外
来核生成が少なく、且構造的強度が高いからである。

第１表 鋳型のセレクタセクション内の 螺旋通路の寸法 　　　　　　　　　　　　　　　好ましい　　一層好ま
しい　　　最も好ましい通路直径、ｍｍ　　　　　　　
　８−２５　　　　８−１５　　　　　９−１０ピッチ
角、　　　　　　　　　　５−３５　　　１０−２０　
　　　１２−１６セラミックシェル厚み、ｍｍ　　２．
５＋　　　　５−１３　　６．５−７．５螺旋通路の内
側半径、ｍｍ　　　　　６＋　　６．５−２０　　　９
．５−１６螺旋通路のターン数　　　　　　　　１＋　
　　　　１−２　１．２５−１．５Ｍの％としての通路
間隔　　６０−１８０　１００−１６０　　１２０−１
４０第２表 ニッケル基合金に対する 相対単結晶鋳物収率 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　正常な鋳型の相対数　欠陥のない結晶の
相対収率Ｂ＝２０°及びＬ＝２１．４ｍｍの７ｍｍ直径
の螺旋の周りの“ｃｏｃｏｏｎ”　１．００　　　　　
　　　　１．００Ｂ＝１３°及びＬ＝１７ｍｍの９．５
ｍｍ直径の単純螺旋　　　　　　　　　　　１．０３　
　　　　　　　　１．１４付録 Ａ．通路直径ｔ、通路横断面積Ｘ、螺旋内側直径ＩＤ、
螺旋平均半径Ｄ及び一定のピッチ角を有する螺旋通路に
沿う熱伝達Ｑの求め方。

螺旋通路の１ターンの巻回長さＳは下式で表される。

ここに、Ｄ：螺旋ピッチ角、Ｋ１及びＫ２：定数従って
、 ここに、Ｋ：熱伝導率、Ｋ３及びＣ：定数Ｂ．上記のＡ
で示した一定の内側直径ＩＤ及び他のパラメータを有す
る螺旋通路の重量Ｗの導き方Ｗ＝ＸＳ−Ｋ４ｔ２（Ｋ１
＋Ｋ２ｔ） Ａｔ２１Ｂｔ３

【図面の簡単な説明】

第１図は螺旋通路を有するセレクタセクションを有する
鋳型の製造に用いられる、螺旋状物品と同一形状のワッ
クス型を示す図である。 第２図は冷やし金の上に載っており金属で満たされたセ
ラミックの鉛直断面図であり、特にセレクタセクション
の詳細を示す図である。 第３図は、金属螺旋の軽さ（重量の逆数）の相対的変化
と比較して、金属からなる螺旋に沿う熱伝達の相対的変
化を示すグラフである。 第４図は本発明に於て通路直径ｔの増大と共にピッチＬ
（従ってまた螺旋の全ターンの高さ）が如何に増大する
かを示すグラフである。 ２０・・・螺旋、２６・・・スタータセクション、２５
・・・セレクタセクション、３０・・・アーティクルセ
クション、Ｌ・・・ピッチ、ｚ・・・螺旋軸線’Ｉ！Ｔ
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Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）成層セラミックシェル材料からなり、単結晶物品
   鋳造の方向性凝固の間に溶融金属を入れるために用いら
   れ、凝固界面が溶融金属を通じで漸進的に移動せしめら
   れる鋳型であって、ａ）凝固界面が最初に開始される溶
   融金属の部分を入れるためのスタータセクション（２６
   ）と、ｂ）所望の単結晶物品を郭定するため形状を有す
   るアーティクルセクション（３０）と、（ｃ）スタータ
   セクション（２６）をアーティクルセクション（３０）
   と接続しており、所望の単結晶特性を得るように凝固界
   面をスタータセクション（２６）からアーティクルセク
   ション（３０）へ向けて漸進的に移動させる役割をし、
   また１ターンよりも多いターン数の螺旋（２０）として
   形成された通路を含んでいるセレクタセクション（２８
   ）と、 を含んでいる鋳型に於て、 螺旋（２０）を形成する通路の軸線（ｚ）間で測った通
   路の隣接ターン間のピッチ（Ｌ）が、通路のターンの最
   も外側の直径に於ける前記軸線（ｚ）に対して垂直な半
   径に沿って測ったセラミックシェル材料の厚みの１／２
   以上但し２倍以下であり、成層セラミックシェル材料が
   通路の外側直径に於ける通路の隣接ターンを結んでいる
   ことを特徴とする単結晶物品鋳造用の螺旋を有する鋳型
   。
2. （２）方向性凝固を用いて単結晶物品を鋳造するための
   セラミックシェル抜型を製作する方法に於て、 ａ）セラミック鋳型の内部に必要とされる寸法を有し、
   また鋳型内部の部分としてスタータセフション（２６）
   と、スタータセクション（２６）に接続される螺旋形状
   を有するセレクタセクション（２８）と、セレクタセク
   ション（２８）に接続されるアーティクルセクション（
   ３０）とを郭定する除去可能材料、例えばワックス、の
   型を製作する過程と、 ｂ）除去可能な型の外部にセラミック材料を層状に積ん
   で、セラミックの多重層を型の外部に集積させる過程と
   、 （ｃ）型のセレクタセクションの螺旋部分の隣接ターン
   の間の間隔を橋絡するのに十分な第一の厚みにセラミッ
   クの層を集積する過程と、 （ｄ）前記過稈が完了した後に、２０〜５０％の追加的
   なセラミック材料厚みが集積されるように、型のセレフ
   タセクション（２８）上に層に集積し続け、それにセレ
   クタセクションに強固なセラミック構造を形成する過程
   と、 （ｅ）こうして形成されたセラミック構造の内部から除
   去可能な型材料を除去する過程と、を含んでいることを
   特微とする単結晶物品鋳造用の螺旋を存する鋳型の制作
   方法。