JP2000254759A - 精密鋳造用鋳型の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳型の破壊を抑制し、同時に鋳型内部の残渣
（スート）を完全に除去できる精密鋳造用鋳型の製造方
法を提供する。 【解決手段】 光硬化樹脂から成り被鋳造物と略同一形
状の消失性模型２の表面に耐火物を被覆して鋳型の前駆
体４を形成し、光硬化樹脂の分解温度以上の温度で前駆
体４の内部に酸素含有気体６を吹き込んで消失性模型２
を燃焼除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光硬化樹脂から成る
消失性模型を用いた精密鋳造用鋳型の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、複雑な形状を有する製品を精密鋳
造する方法としてロストワックス法が広く用いられてい
る。このロストワックス法は、以下のようにして行われ
る。まず、被鋳造物と同一形状の蝋模型を作製して耐火
物を含むスラリ中に浸漬（ディッピング）し、模型の表
面にスラリを付着させる。次に模型を引き上げて耐火物
粗粒をまぶして（サンディング）、乾燥させる。そし
て、上記したディッピング、サンディング、及び乾燥作
業を何度か繰り返して、所定の厚みの耐火物から成る鋳
型前駆体を形成する。さらに、この鋳型前駆体を加熱し
て内部の蝋模型を消失（脱ろう）させて鋳型とし、ここ
に溶湯を流し込んで鋳込みを行う。

【０００３】さらに最近では、樹脂製の模型を用いた精
密鋳造も行われている。例えば、特開平７−４７４４３
号公報には、樹脂型と蝋模型を用いて中空鋳物を鋳造す
るロストワックス法が開示されている。この方法では、
まず、その内面形状が鋳物の中空部と同一である樹脂型
を光造形法によって作製し、これを金型にセットして樹
脂型の外面にワックス（蝋）を射出し、ワックスモデル
を作製する。次に、ワックスモデルの外面と内面にそれ
ぞれ耐火物を被覆して未焼成鋳型を形成する。そして、
この未焼成鋳型を加熱して脱ろうし、さらに高温で加熱
して樹脂型を燃焼除去すると同時に鋳型を焼成し、ここ
に鋳込みを行う。

【０００４】ところで、複雑な形状や薄肉を有する製品
を鋳造する場合、蝋に比べて強度が高い樹脂を用いて模
型を作製すると、鋳物の寸法精度、及び上記形状の再現
性が向上する。特に、光硬化樹脂を用いた光造形法によ
って模型を作製した場合、上記した形状を有する模型の
作製が極めて容易になり、その結果、鋳型の生産性も向
上する。この光造形法は、被鋳造物の３次元形状データ
をコンピュータに入力し、この値に基づいて光硬化樹脂
液に光（レーザ、紫外線等）を照射して樹脂を硬化させ
ることにより行われる。この場合、硬化した部分を高さ
方向に移動させ、樹脂液を順次高さ方向に硬化させてゆ
くことによって、樹脂模型が作製される。

【０００５】そして、このようにして作製された樹脂模
型の表面に耐火物を被覆して鋳型の前駆体を形成し、次
いで樹脂の分解温度以上に前駆体を加熱して樹脂を燃焼
除去することにより、樹脂模型を消失させて鋳型を製造
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た樹脂模型を用いた場合、樹脂の熱膨張係数が鋳型（耐
火物）の熱膨張係数に比べて大きいため、鋳型の前駆体
を加熱した際に樹脂が膨張し、鋳型が破壊される可能性
がある。また、樹脂が完全に燃焼・消失せずに鋳型内部
に残渣（スート）として残り、この残渣が溶湯に混入し
て鋳物品質を低下させる可能性もある。特に、耐熱合金
を鋳込む場合、スートに含まれる炭素によって合金特性
が大きく影響されるので、鋳型内部のスートを完全に除
去することが必要である。

【０００７】本発明は、光硬化樹脂から成る消失性模型
を用いた精密鋳造における上記した問題を解決できる精
密鋳造用鋳型の製造方法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋳型の破
壊を防止し、しかも残渣（スート）を完全に除去するた
めの鋳型の前駆体の加熱条件について検討を行い、ま
ず、樹脂を短時間で激しく燃焼させて大部分の樹脂を一
気に除去し、鋳型の破壊に影響を与える樹脂を取り除い
ておき、その後にスートの除去を確実に行うことを着想
した。

【０００９】そして、樹脂が燃焼する際、その周囲の酸
素濃度が大幅に低下してしまうことから、燃焼部分への
酸素供給を積極的に行うことによって樹脂の燃焼を促進
させたものである。上記した目的を達成するために、本
発明においては、光硬化樹脂から成り被鋳造物と略同一
形状の消失性模型の表面に耐火物を被覆して鋳型の前駆
体を形成し、前記光硬化樹脂の分解温度以上の温度で前
記前駆体の内部に酸素含有気体を吹き込んで前記消失性
模型を燃焼除去することを特徴とする精密鋳造用鋳型の
製造方法が提供される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る精密鋳造用鋳
型の製造方法を、図１に基づいて説明する。図１におい
て、まず、光硬化樹脂から成り、被鋳造物と同一外形の
肉厚０．５ｍｍの中空な消失性模型２を作製する（図１
（ａ））。ここで、被鋳造物であるタービンインペラの
外観は、図３（ａ）に示すようになっていて、高さ５０
ｍｍ、インペラの外径６０ｍｍφ、軸径１８ｍｍφに形
成されている。なお、消失性模型とは、後述する鋳型の
前駆体を形成する際のガイドとなり、最終的に前駆体か
ら除去される模型をいう。

【００１１】光硬化樹脂としては、例えば、エポキシ樹
脂、ビニルエーテル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン系の
樹脂を用いることができる。この場合、上記樹脂のオリ
ゴマの他に、粘度を調整するためのモノマ、光開始剤、
及び所定の添加剤等を加えるのが好ましい。また、オリ
ゴマとモノマは、重量％で６：１〜８：１の配合比とす
るのが好ましい。

【００１２】消失性模型２を作製する方法としては、例
えば、光造形法を用いることができる。光造形法は、被
鋳造物の３次元形状データをコンピュータに入力し、こ
の値に基づいて光硬化樹脂液の所定位置に光（レーザ、
紫外線等）を照射し、樹脂を硬化させて行われる。そし
て、硬化した部分を高さ方向に移動させ、未硬化の樹脂
液に対して同様に光を照射することにより、樹脂液を順
次高さ方向に硬化させて樹脂模型を作製する。光造形法
を用いた場合、３次元形状データから直接模型が作製さ
れるため、複雑な形状や薄肉を有する模型を高い精度
で、容易に作製することができ、鋳型の生産効率も向上
する。なお、上述のように模型２を中空にすると、中実
にした場合に比べて樹脂の使用量が減り、後述する樹脂
の燃焼時間をより一層短縮することができるので好まし
いが、中実に作製してもよい。

【００１３】次に、模型２の表面に耐火物を被覆して鋳
型の前駆体４を形成する（図１（ｂ））。ここで、鋳型
の前駆体４とは、模型２の表面に鋳型材料である耐火物
が被覆された複合体をいい、後述する加熱によって模型
２が除去されて残った耐火物シェルが鋳型となる。耐火
物を被覆する方法としては、例えば、アルミナ、シリカ
等の耐火物から成る骨材に、コロイダルシリカ等のバイ
ンダを混ぜたスラリを用い、このスラリを収容した槽に
模型２を浸漬（ディッピング）してその表面(外面)にス
ラリを付着させ、次いで模型２を槽から引き上げて耐火
物粗粒をまぶし（サンディング）、乾燥させて行うこと
ができる。そして、上記したディッピング、サンディン
グ及び乾燥作業を何度か繰り返し、模型２の外面に所定
厚みの耐火物を被覆すればよい。なお、模型２の外面の
適宜位置(図１（ｂ）における模型２の中心軸の一端部)
には、耐火物を被覆させずに湯口４ａを形成する。

【００１４】なお、この実施形態においては、模型２の
外面にのみ耐火物を被覆し、中実鋳物用の鋳型前駆体を
形成したが、中空鋳物を鋳造する場合は、中空部に相当
する模型２の内面にも耐火物を被覆してもよい。次に、
電気炉１０に前駆体４を装入して、光硬化樹脂の分解温
度以上の温度で前駆体４の内部に酸素含有気体６を吹き
込む（図１（ｃ））。酸素含有気体６を吹き込む際の前
駆体４の温度は、少なくとも光硬化樹脂の分解温度以上
になっていればよいが、樹脂を短時間に燃焼させる観点
から、例えば９００〜１１００℃とすることが好まし
い。また、このときの雰囲気については特に限定される
ことはなく、例えば、大気雰囲気とすればよい。

【００１５】前駆体４の内部に酸素含有気体６を吹き込
む方法としては、例えば、湯口４ａに吹込みノズル８の
先端を対向させ、該ノズル８から酸素含有気体６を吹き
込むことができる。酸素含有気体６としては、空気を用
いることができるが、適宜酸素の富化されたガスを用い
てもよい。また、酸素含有気体６の吹込み量は、前駆体
４の大きさや形状によっても異なるが、例えば、３０〜
６０ＮＬ／ｍｉｎとすることが好ましい。３０ＮＬ／ｍ
ｉｎ未満であると、樹脂の燃焼に時間を要し、鋳型の破
壊を招く可能性があり、６０ＮＬ／ｍｉｎを超えても樹
脂の燃焼を促進する効果が飽和するからである。さらに
好ましくは、吹込み量を、３０〜４５ＮＬ／ｍｉｎとす
るのがよい。

【００１６】このように、鋳型の前駆体を加熱する際、
前駆体４の内部に酸素を積極的に供給することにより、
樹脂の燃焼に伴う酸素濃度の低下が抑制され、樹脂の燃
焼が促進される。特に、鋳型の前駆体内部の奥まった場
所に存在する樹脂に対して、燃焼の促進効果が大きくな
る。そして、この場合、樹脂の大部分は短時間に一気に
燃焼除去されるので、樹脂の熱膨張による鋳型への応力
負荷を低減することができる。そして、樹脂の大部分が
除去されれば、樹脂の熱膨張による鋳型への影響は無視
できるので、その後、充分な時間をかけて鋳型内部の残
渣（スート）を完全に燃焼除去すればよい。例えば、通
常は、鋳型の前駆体を加熱して最初の１分程度で樹脂の
大部分が燃焼除去されるので、さらに７〜８分間加熱を
続けて残渣（スート）を完全に除去すればよい。

【００１７】なお、得られた複数個の鋳型を別の湯道鋳
型の周りに接続してツリーを作製し、鋳込みを行うと、
一度に多数の製品を鋳造できるので好ましい。図２は、
２個の鋳型２０、２０を円筒状の湯道鋳型３０の側壁に
モルタル４０で接続したツリー５０を示す。ツリー５０
の高さは１８５ｍｍに形成され、湯道鋳型３０の内径は
３０ｍｍφに形成されている。

【００１８】そして、ツリー５０の湯口から、例えば、
インコネル（１３Ｃｒ−６Ａｌ）等の耐熱合金の溶湯を
流し込み、鋳造を行えばよい。

【００１９】

【実施例】実施例１〜９、比較例１〜３ １．鋳型の製造 図３に示すタービンインペラ（図３（ａ））、バルブシ
ート（図３（ｂ））、及びノズルベーン（図３（ｃ））
をそれぞれ鋳物製品として、光硬化樹脂を用いた光造形
法により消失性模型２を作製した。光硬化樹脂はエポキ
シ系樹脂のモノマ１２重量％に対してオリゴマ８５重量
％を配合し、さらに光開始剤３重量％を添加したものを
用いた。

【００２０】次に、アルミナから成る耐火物粉末をコロ
イダルシリカのバインダと混ぜたスラリを用意し、この
スラリに上記模型２を浸漬して模型２の外面にスラリを
付着させ、模型２を引き上げてアルミナの耐火物粗粒を
まぶし、乾燥させた。これらの作業を繰り返し、模型２
の外面に厚さ５ｍｍの主としてアルミナから成る鋳型の
前駆体４を形成した。

【００２１】そして、１１００℃に保持した電気炉１０
に前駆体４を装入し、吹込みノズル８を湯口４ａに対向
配置して前駆体４の内部に空気６を１０分間吹き込ん
だ。空気吹込み量はそれぞれ表１に示す値になってい
る。比較のために、鋳型の前駆体内部への空気の吹込み
を行わず、その他については実施例と同様にして、模型
を燃焼除去して鋳型を製造した。これを比較例１〜３と
する。

【００２２】なお、タービンインペラ、ノズルベーン及
びバルブシートの鋳型はそれぞれの実施例について５０
個ずつ製造して、評価に供した。 ２．鋳型の評価 鋳型の破壊の有無、及び鋳型内部の残渣の有無を目視で
判定し、鋳型破壊の発生率及び鋳型内部のスート残存率
を求めた。鋳型破壊と残渣のいずれも発生しなかったも
のを良品として個数を数え、良品率で表した。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から次のことが明らかである。 (１)鋳型の前駆体内部に空気を吹き込んだ本発明の場
合、空気を吹き込まなかった比較例１〜３に比べて、鋳
型破壊の発生率、及び鋳型内部のスート残存率がともに
大幅に低減し、鋳型の良品率が向上している。このよう
なことから、鋳型の前駆体内部に空気を吹き込んで樹脂
模型を燃焼除去する本発明の優位性が明らかである。特
に、実施例１と実施例２，３を比較して明らかなよう
に、空気の吹込み量が多いほど、鋳型破壊の発生率、及
び鋳型内部のスート残存率が低減する。 (２)鋳型の前駆体内部に空気を吹き込まなかった比較例
１〜３の場合は、鋳型破壊の発生率、及び鋳型内部のス
ート残存率が実施例１〜９に比べて増大した。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、従来の光硬化樹脂から成る消失性模型を用いた
鋳型の製造方法に比べて、樹脂を燃焼させる際に充分な
酸素を供給することができ、樹脂の燃焼に伴って周囲の
酸素濃度が低下するのを抑制することができる。

【００２６】その結果、樹脂の燃焼が促進され、樹脂の
大部分は短時間に一気に燃焼除去されるので、樹脂の熱
膨張による鋳型への応力負荷が低減され、鋳型の破壊を
防止することができる。そして、樹脂の大部分が除去さ
れれば、樹脂の熱膨張による鋳型への影響は無視できる
ので、その後、充分な時間をかけて鋳型内部の残渣（ス
ート）を完全に燃焼除去することができる。

【００２７】特に、鋳型の前駆体内部の奥まった場所に
存在する樹脂に対し、上記した燃焼促進効果が大とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る精密鋳造用鋳型の製造方法を示す
工程図である。

【図２】鋳型を別の湯道鋳型に接続したツリーを示す断
面図である。

【図３】鋳造製品の外観を示す斜視図である。

【符号の説明】

２ 光硬化樹脂から成る模型 ４ 鋳型の前駆体 ４ａ 湯口 ６ 吹込みノズル ８ 酸素含有気体 １０ 電気炉 ２０ 鋳型 ３０ 湯道鋳型 ５０ ツリー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化樹脂から成り被鋳造物と略同一形
   状の消失性模型の表面に耐火物を被覆して鋳型の前駆体
   を形成し、 前記光硬化樹脂の分解温度以上の温度で前記前駆体の内
   部に酸素含有気体を吹き込んで前記消失性模型を燃焼除
   去することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。