JP2000510050A - チタン及びチタン―アルミニド合金のインベストメント鋳造のための不活性なカルシア上塗りコート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カルシアの鋳型上塗りコートをチタン及びチタン−アルミニドのような反応性金属より構成される成形品を鋳造するための鋳型に適用する。この上塗りコートは、密な粒子の炭酸カルシウム粉末と水系バインダーを含む炭酸カルシウム系スラリーから成る。この上塗りコートを鋳造シェルを製造するロストワックス法で用いられるワックス又はプラスチック製の原型に適用する。鋳型をアルミナ−シリケートスラリーの多重浸漬法を用いて造り、次いで酸素に富む環境中で高温でカ焼する。金属成形品が鋳造されると、そのカ焼鋳型は約８００℃以下に冷却することができる。有機金属系のスラリーバインダーは避けられ、そして水系懸濁液の性質が環境に優しいことによりコストに著しい節約が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】 チタン及びチタン−アルミニド合金のインベストメント鋳造 のための不活性なカルシア上塗りコート 発明の背景発明の分野 本発明は、反応性金属の鋳造に用いる鋳型、特にその複雑な形状のものの上塗 りコートに関する。従来技術の説明 チタン又はチタンアルミニドのような反応性金属の熔融及び鋳造は、酸素、窒 素及び炭素のような元素に対する熔融金属の親和性のために困難である。鋳造の ために必要な昇温下においては、チタン及びチタンアルミニドは、鋳造において Ｆｅ又はＮｉベースの合金部品に関して通常用いられているセラミックの上塗り コート（facecoat）、例えばジルコニア及びジルコンと反応する。熔融チタン及 びチタンアルミニドの反応によって表面品質が粗くなり、また部品の表面に脆性 のアルファ相が形成する可能性がある。脆性の表面層のために早期にクラックが 形成したり、機械的特性及び部品表面の寿命が不利に低下する。 脆性の表面層の除去は、機械的及び／又は化学的な研磨法によって行うことが できる。しかしながら、これにより、部品のコストが上昇し、形状の複雑さ又は 寸法公差を保持する困難性のために、しばしば実施不能となる。 鋳造チタン及びチタンアルミニド部品において脆性の表面層を形成することは 、熱力学的に安定な上塗りコートを用いることによって行うことができる。熔融 チタン及びチタンアルミニドに匹敵する必要な安定性を有する上塗りコートは殆 ど存在しない。候補となる上塗りコート材料としては、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、 トリア（ＴｈＯ₂）、カルシア（ＣａＯ）及び他のエキゾチック希土類酸化物が 挙げられる。トリアは放射性があり、低い対熱衝撃性を有する。この理由のため に、産業的に開発されていない。イットリアは強力な候補であり、多くの研究者 によって上塗りコートとして研究されている。Lassowらへの米国特許第４，７０ ３，８ ０６号明細書においては、反応性金属の鋳造のためのイットリアスラリーが開示 されている。イットリアの現在のコストは約６０ドル／１ポンドである。ニッケ ル鋳造のために広く用いられている上塗りコートであるジルコンは１ドル／１ポ ンド未満である。チタン及びチタンアルミニド鋳造は幅広い用途においてニッケ ル鋳造と競合するので、イットリア上塗りコートの高いコストのために、チタン 及びチタンアルミニド鋳造が高い値段になって市場から排除されてしまう。これ はコストに敏感な用途、例えば自動車用途に関しては特に重要である。 カルシアもまた、その熱安定性のために、チタン及びチタンアルミニドのため の潜在的な耐熱材料である。Degawaらへの米国特許第４，７１０，４８１号明細 書においては、カルシアるつぼ中でチタン及びチタン合金を熔融することが開示 されている。しかしながら、カルシアは高度に親水性であり、大気レベルの雰囲 気湿分中で自然に水和する。水和は容量の変化を引き起こし、これによってクラ ッキング及び破砕が引き起こされる。カルシアるつぼは、同時に、雰囲気湿分へ 僅か数時間曝露した後に自然に割れる場合がある。この理由のために、カルシア は商業的な工業環境のためには実施不能な材料である。発明の概要 本発明は、上記記載の欠点を克服する、チタン及びチタンアルミニド金属を鋳 造するのに用いる鋳型の製造のための工業的に実施できる低コストの上塗りコー トを提供するものである。本発明の上塗りコートには、また、他の反応性金属鋳 造、例えばジルコニウム合金鋳造のための用途も見出されている。 本発明の特定の目的は、反応性及び非反応性金属を鋳造するためのカルシアを 含む低コストで工業的に実施できる上塗りコートを提供することである。カルシ ア上塗りコートは、炭酸カルシウム前駆上塗りコートを加熱することによって現 場形成される。 本発明の更なる目的は、鋳型と反応性金属との間の反応性を減少又は排除する 、チタン及びチタンアルミニドのような反応性金属を鋳造するための鋳型の製造 において用いるためのカルシア鋳型上塗りコートを提供することである。ここで も、カルシア上塗りコートは炭酸カルシウム前駆上塗りコートから誘導される。 本発明の他の目的は、チタン又はチタンアルミニドのような反応性金属を鋳造 するための鋳造シェルを製造するための、ロストワックス法において用いられる ワックス又はプラスチック製の原型（pattern）に対して比較的スムーズに且つ 均一に施すことができる、炭酸カルシウムベースのスラリーの鋳型上塗りコート を提供することである。炭酸カルシウムは加熱によってカルシアベースの上塗り コートに変換される。 本発明の更なる目的は、チタン及びその合金のような反応性金属、及びニッケ ル及びその合金のような非反応性金属の高精密インベストメント鋳造品を、従来 の方法よりも低いコストで製造する方法を提供することである。 更に他の目的は、チタン及びチタンアルミニドのような反応性金属の精密イン ベストメント鋳造品を製造するのに必要な表面切削又はケミカルミリングの量を 減少又は排除することである。 本発明の更なる目的及び利点は、一部は以下の記載において示されており、ま た一部はその記載から明らかであるか、或いは本発明の実施によって習得するこ とができるものである。本発明の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲におい て特に示されている事項によって且つこれと組み合せることによって認識するこ とができる。 本明細書において具体化され、広範に記載されているように、本発明の目的を 達成するために、本発明は、密度の高い粒状の炭酸カルシウム粉末及び水性ベー スのバインダースラリーを、反応性金属を鋳造するための鋳型の製造における鋳 型上塗りコートとして用いる方法を包含する。 本明細書において具体化され、広範に記載されているように、本発明の目的を 更に達成するためには、本発明は、原型を形成し；その原型を密度の高い粒状の 炭酸カルシウム粉末及び水性ベースのバインダーからなる炭酸カルシウムベース のスラリー中に浸漬し；アルミナ−シリケートスラリーの多重浸漬を用いて鋳型 を形成し；その鋳型を富酸素雰囲気中において高温でカ焼し（fire）；カ焼した 鋳型が約８００℃未満に冷却される前に金属成形品（part）を鋳造する工程を含 むことを特徴とする反応性金属を鋳造するための鋳造シェルを製造する方法を包 含する。 本発明の他の目的は、環境的に有害な金属アルコキシド又はキレートのような 有機金属ベースのスラリーバインダーの使用を避けることである。水性ベースの 懸濁液を用いることによって、環境に対する懸濁液の優しい性質により大きなコ スト削減が得られる。 この方法は、約７５０℃を超える温度における炭酸カルシウムのカルシアへの 周知の化学的変換を利用するものである。これらの高い温度においては、新たに 形成されたカルシアは水和しない。金属鋳造は鋳型が冷却する前に行われるので 、カルシアの水和が防止され、これにより非反応性のカルシア上塗りコートを有 利に用いることが可能になる。第２の利点として、鋳型をカ焼して次に直ちに鋳 造するという逐次操作によって、必要なエネルギーが減少し、製造処理時間が迅 速になる。 図面の簡単な説明 本発明は、本発明の好ましい態様についての以下の詳細な説明と添付図面を参 照することによってより十分に理解され、さらなる利点が明らかになるであろう 。 添付図面において： 図１は、”グリーン”の炭酸カルシウムコーティングのＳＥＭ顕微鏡写真であ り、 図２は、酸化カルシウムに変化した後のコーティングのＳＥＭ顕微鏡写真であ り、 図３は、現場形成された酸化カルシウムの表面コーティングから製造されたγ -ＴｉＡ１ローターの写真である。 好ましい態様の説明 本発明によれば、炭酸カルシウム粉末と水性バインダーを含む炭酸カルシウム をベースとするスラリーが、反応性金属を鋳造するための鋳型の製造における鋳 型の上塗りコートとして用いられる。ここで、”反応性金属”という用語は、金 属の酸化物、窒化物および炭化物の形成に対して高い負の自由エネルギーを有す る金属であるチタニウム、チタニウム合金、およびチタニウム・アルミニウム化 物のような金属を意味する。ここで具体化される反応性金属には、限定はされな いが、チタニウムおよびその合金、チタニウム・アルミニウム化物、およびジル コニウムおよびその合金が含まれる。本発明は、ニッケルおよびその合金のよう な非反応性金属にも適している。現存する上塗りコート材料、例えばジルコンは 、ニッケルの鋳造において広範囲の商業的成功を成しているが、カルシアの変化 プロセスに対する炭酸カルシウムは、炭酸カルシウムの低い原材料コストのため にコスト上の利点を提供する。 本発明の目的のために、水性ベースのバインダーは低い温度でのグリーン強度 を有し、またそれは高温セラミックバインダーであるのが好ましい。好ましくは 、水性ベースのバインダーは無機物質（例えばジルコニア、チタニア、ハフニア 、またはシリカ）のコロイド懸濁液である。 本発明の目的のために、水性ベースのバインダーは、また、バインダーの粘性 の制御またはｐＨの調整のような他の所望の特性がもたらされるような追加の添 加剤または溶媒を含んでいてもよい。 本発明の好ましい態様によれば、炭酸カルシウム粉末と調製された水性ベース のバインダーを含む炭酸カルシウムをベースとするスラリーが、”ロストワック ス”法によるインベストメント鋳造シェルの製造において鋳型の上塗りコートを 形成するために用いられる。ここで具体化されるように、所望の鋳造物の形状を 有するワックスまたはプラスチックからなる原型が調製され、炭酸カルシウムを ベースとするスラリーの中に浸漬される。浸漬コーティング層を部分的に乾燥お よび／または硬化させた後、セラミックのスタッコと浸漬コーティングの層が交 互に、所望の厚さのシェルが形成されるまで塗布される。鋳型は完全に乾燥され 、次いで鋳型は空気のような酸化雰囲気中で０.５時間以上で約１０００℃の温 度でカ焼される。カ焼は”ロストワックス”技術の当業者に周知の仕方で模鋳型 の完全な揮発をもたらす。カ焼は、また、グリーンの炭酸カルシウムの上塗りコ ートをカルシアの上塗りコートに変化させるという別の目的も有する。次いで、 鋳型は高温になっている間に鋳造チャンバーに移されて、重力、圧力または遠心 力、または当業者に周知の他の方法を利用して熔融金属で満たされる。金属は冷 却される。冷却後、最初の模鋳型の形状になっている鋳造金属は模鋳型から取り 出される。カ焼されてまだ約７５０℃以上になっている鋳型を用いることによっ てカルシアの有害な水和が防がれ、水和していないカルシアを含む不活性な上塗 りコートが低コストで得られる。 以下の例は、本発明のより完全な理解を与えるために提示される。特定の技術 、条件、材料、比率、および報告されたデータは原理を例証するために示される ものであり、本発明の実施例は例示的なものであって、本発明の範囲を限定する ものであるとみなされるべきでない。 実施例１ 本実施例は、炭酸カルシウムのスラリーの先駆物質を用いた酸化カルシウムの 上塗りコートの製造を例証するものである。炭酸カルシウムのスラリーが、１７ ００グラムの炭酸カルシウム、２３３.５グラムのコロイドシリカバインダー（L udox Remet ３０）、５５０グラムの脱イオン水および４５グラムのDarvan ８２ １Ａ分散剤をボールミル粉砕することによって調製された。ボールミル粉砕は、 ０.３７５インチのジルコニア円筒材を７３５４グラム添加して行われた。粉砕 は２.５時間行われた。次いで、Brookline II粘度計を用いて粘度が測定された 。炭酸カルシウムの粉末またはキサンタムガム（xanthum gum）を添加すること によって粘度が調整され、次いでボールミル粉砕が再び始められた。ボールミル 粉砕および粘度の測定と調整が２０時間のトータル時間で周期的に行われて、Br ookline II粘度計によって測定された５０〜１００の目標粘度が得られた。ｐＨ ９.５および０.３〜３ミクロンの粒子サイズを目標にして、ｐＨと粒子サイズも モニターされた。ｐＨを上昇させるために、水酸化ナトリウムまたはＴＭＡ（水 酸化テトラメチルアンモニウム）のいずれかを添加することによって、ｐＨが調 整された。 スラリーをボールミル粉砕する目的は、炭酸カルシウムの粉末を再凝集させる ことである。再凝集させることによって、乾燥の間の亀裂が抑制される。それは また、コーティングの“隠蔽”力が著しく高められる、という二次的な効果も有 する。 次いで、この溶液が支持体に塗布され、周囲温度で乾燥されて、図１に示すよ うな”グリーン”の炭酸カルシウムコーティングが形成される。ついで、このコ ーティングは１０００℃に加熱されて、図２に示すような粘着性の酸化カルシウ ムのコーティングに変化する。 実施例２〜１０ 実施例２〜１０のものが実施例１と同様にして製造された。ただし、コロイド シリカからの異なるバインダーを用いるか、またはバインダーを全く用いなかっ た。組成物を表１に挙げる。 実施例１１ 実施例１で説明した炭酸カルシウムのスラリーを調製し、ターボ過吸機（turb ocharger）ローターを浸漬することによってそのローターのポリスチレンプレフ ォームに適用する。そのコーティングを周囲条件下で乾燥させてターボ過吸機ロ ーターの原型の上に上塗りコートを形成する。続いて、それをフリントグレーン （flintgrain）及びアルミナシリケート粉末の仕上げコーティング（backup coa ting）に複数回再浸漬して標準のインベストメント鋳型を作る。このような方法 はインベストメント鋳造工業では広く用いられ、理解されている。その完成イン ベストメント鋳型を次に９００℃乃至１１００℃の炉に通して上記プラスチック プレフォームを熔融し、同時に炭酸カルシウムの上塗りコートを酸化カルシウム に変換させる。次に、なおも熱い鋳型に適当な大きさにされた装填材料としての チタン−アルミニド（aluminide）合金を充填し、真空中に置いて誘導熔融させ （inductively melted）、そしてターボ過吸機ローターのキャビティーに流し込 む。この鋳型は、鋳造前は、常に約８００℃以上の温度に保持されているので、 その上塗りコートは依然として熔融チタン−アルミニド合金に対して不活性な酸 化カルシウムである。このことで、室温で生じて、上塗りコートの非反応性特性 を損なわしめることになろう酸化カルシウムの水和が防止される。室温法ではこ のような酸化カルシウムの上塗りコートを形成することはできないであろう。周 囲環境にある酸化カルシウムは水和されてその酸化カルシウムを上塗りコート材 料として使用できなくするからである。上記のプラスチック製原型の除去中に行 われる炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの現場変換と鋳造でのその即時使用は 、本発明の１つの新規な態様をなすものである。この方法により作られた鋳造Ｔ ｉＡｌローターの写真を図３に示す。 以上、本発明を十分詳しく説明したが、そのような細部に厳密に固執する必要 はなく、当業者であれば種々の変更及び修正に思い至ることができるだろうし、 そのような変更及び修正も全て添付請求の範囲で定義される本発明の範囲に入る ことは理解されるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＺ，ＰＬ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 バリー，イーオイン・ジョゼフ アイルランド国カウンティ・オブ・リメリ ック，リメリック・シティ，クレアヴュ ー，マーバル・ドライブ 12 (72)発明者 スノー，ブライアン・ジェフリー アメリカ合衆国ニュージャージー州07054, パーシッパニー，アラン・ドライブ 22

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次の： 炭酸カルシウムの粉末と水性バインダーとを含んで成る上塗りコート用スラリ ーを調製し； 該スラリーを鋳造原型に適用し； 該鋳造原型を覆って鋳造シェルを形成して鋳型を作り； 該鋳型をカ焼し； 該鋳型を鋳造室に移し； 該鋳型に熔融金属を満たし； 該金属を冷却し；そして 該鋳型を該鋳造金属成形品から取り外す 工程を含んで成る金属の鋳造方法。 ２．鋳型のカ焼工程を約１０００℃で０．５時間より長い時間行う、請求の範 囲第１項に記載の方法。 ３．カ焼工程を酸化性雰囲気中で更に行う、請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．鋳型を移す工程と該鋳型に熔融金属を満たす工程を、鋳型温度をカ焼工程 から約７５０℃以上にして置きながら達成する請求の範囲第１項に記載の方法。 ５．鋳型のカ焼工程を、炭酸カルシウムの上塗りコートをカルシアの上塗りコ ートに転化するに足る十分な温度で行う、請求の範囲第１項に記載の方法。 ６．水性バインダーが無機物質のコロイド懸濁液より成る、請求の範囲第１項 に記載の方法。 ７．コロイド懸濁液の無機物質がジルコニア、チタニア、ハフニア及びシリカ の群から選ばれる、請求の範囲第６項に記載の方法。 ８．鋳造シェルを形成する工程が、次の： スラリーを部分的に乾燥させ；そして セラミック製スタッコラミネートを適用して、鋳型に所望される厚さのシェル を形成する 工程を含んで成る、請求の範囲第１項に記載の方法。 ９．セラミック製スタッコラミネートを適用する工程が、セラミック製スタッ コ層とスラリー層とを交互に適用することから成る、請求の範囲第８項に記載の 方法。 １０．鋳造用の熔融金属がチタン、チタン−アルミニド、ジルコニウム、チタ ン合金及びジルコニウム合金の群から選ばれる反応性金属から成る、請求の範囲 第６項に記載の方法。