JP2006504530A - 改良された埋没鋳造法 - Google Patents

Abstract

【課題】既知の埋没鋳造法が抱える１個以上の問題を未然に防ぐ、又は軽減する、そして好ましくはシェルモールドを形成するのに必要な時間を大幅に短縮する改良された埋没鋳造法を提供すること。
【解決手段】本発明は、シェルモールドの製造方法を提供する。本方法は、（i）予備成形された消耗式原型を耐火性粒子とコロイド液状粘結剤とのスラリーの中に浸漬することにより前記原型の上に被覆層を形成する段階、（ii）耐火材料の粒子を前記被覆層の上に堆積する段階、及び（iii）乾燥する段階の逐次段階を含み、段階（i）及び段階（iii）は、一次被覆層及び少なくとも１層の二次被覆層を有するシェルモールドを製造するのに必要とされるような頻度で繰り返されるシェルモールドの製造方法であって、少なくとも段階（ii）の１回の実施過程で、ゲル形成材料も、段階（i）において形成される被覆層の上に堆積されることを特徴とする。本発明は、また、本方法によって製造できるシェルモールドにも関する。

Description

本発明は、改良された埋没鋳造法に関し、そして特に従来の方法より遥かに迅速である方法に関する。

典型的な埋没鋳造法は、消耗式原型を使用する工業的金属鋳物の製造を包含する。この原型は、圧力のもとで金属金型の中に射出される樹脂とフィラーとろう（wax）との複雑な混合物である。そのような幾つかの原型は、凝固されたのち、クラスター（cluster）に組立てられ、ろうの湯道のシステムに載せられる。ろうの組立体は、液状粘結剤と耐火性粉末とから成る耐火性スラリーの中に浸漬される。液切りされたのち、耐火性スタッコの粒子が湿態表面に堆積され、一次耐火性被覆層を生成する（この組立体が耐火材料で被覆されることは“埋没（investing）”として知られ、したがってプロセスの名称となっている）。一次被覆層が硬化してしまうと（普通、粘結剤がゲル化するまでは空気乾燥による）、所要の厚さのモールドシェルが形成されるまで、組立体はスラリーの中へ浸漬されたのち、スタッコされることが繰り返される。各浸漬の合間に各被覆物は完全に硬化されるので、各モールドを調製するには２４〜７２時間を要することがある。スタッコの目的は、いずれの規模の局所的応力も小さくなる多数の応力集中拠点に分散させることにより被覆層の中の乾態応力を最小限に抑えることである。各スタッコの表面は、また、次の被覆層との相性をよくするための粗い表面を提供する。モールドの通気度を最大に維持し且つモールドに嵩高を付与するために、更に被覆物が重ねられるにつれて、スタッコの粒径は大きくなる。

近年、類似の金属部品を凌いで著しい長所を発現する高性能セラミックス（例えば、窒化ケイ素）部品が開発されている。そのようなセラミック部品を製造できる多くの方法は知られていて、それらには、機械加工、射出成形、スリップ鋳造、圧力鋳造及びゲル鋳造が挙げられる。ゲル鋳造では、有機質モノマーの溶液の中にセラミック粉末の入った濃厚スラリーがモールドの中に注入されるとその場で重合し、モールドの空洞部の形状通りのグリーン（green）成形体となる。グリーンセラミック成形体はモールドから取り出されたのち、乾燥され、必要ならば機械加工され、熱分解されて粘結剤が取り除かれたのち、完全密度になるまで焼成される。アクリルアミド系のような水溶性モノマーが使用される水性系が、水を溶媒として開発されてきた。

既知の埋没鋳造法が抱える１個以上の問題を未然に防ぐ、又は軽減する、そして好ましくはシェルモールドを形成するのに必要な時間を大幅に短縮する改良された埋没鋳造法を提供することが本発明の１つの目的である。

本発明に従って、以下の段階を含むシェルモールドの製造方法が提供される：
（i）予備成形された消耗式原型を耐火性粒子とコロイド液状粘結剤とのスラリーの中に浸漬することにより前記原型の上に被覆層を形成する段階、
（ii）耐火材料の粒子を前記被覆層の上に堆積する段階、及び
（iii）乾燥する段階、
の逐次段階を含み、
段階（i）〜段階（iii）は、必要とされる数の被覆層を有するシェルモールドを製造するために必要とされるような頻度で繰り返され、被覆層と接触したのち水分がゲル形成材料によって吸収され、それによってコロイド粘結剤のゲル化が起こるので段階（iii）での乾燥に要する時間を短縮するように、少なくとも段階（ii）の１回の実施過程で、ゲル形成材料の粒子も、段階（i）において形成される被覆層の上に堆積されることを特徴とする、方法。

前記方法は、耐火性粒子と液状粘結剤とのスラリーを含む密閉被覆を適用し、続いて乾燥するという、最終段階（iii）の後に実施される追加の段階（iv）も包含するのが好ましい。

シェルモールドの成形の際に、消耗式原型に適用される被覆層は、一次被覆層と呼ばれるのが普通であり、それに続くスラリー被覆層は二次被覆層と呼ばれる。典型的には３〜１２層の二次被覆層が適用される。

ゲル形成材料は各二次被覆層の上に適用されるのが好ましい（即ち、最初の段階の後の段階（ii）の各繰り返し過程で）。ゲル形成材料は一次被覆層の上に適用されるのが更に好ましい。

段階（ii）での耐火性粒子及びゲル形成材料の堆積は、レインフォールサンダー（rainfall sander）又は流動床を使用することによるようないずれの従来の方法によっても達成してよいことが理解される。耐火性粒子及びゲル形成材料は、個別に及び／又は順を追って適用されてもよく、或いはそれらは予備混合され得るのが好ましい。特に好ましい実施態様では、耐火性粒子はゲル形成材料でプレコートされる。

段階（ii）で使用されるゲル形成材料の量は、段階（ii）で使用される耐火材料粒子の１０重量％以下が好ましく、５重量％以下が更に好ましく、３重量％以下がなお更に好ましく、そして２重量％以下が最も好ましい。

前記ゲル形成材料はポリマーであるのが好ましく、ポリアクリルアミド及びポリアクリレートを例とする超吸収性ポリマーであるのが更に好ましい。

一般に、（ゲル形成材料が耐火材料粒子を被覆しないこれらの実施態様では）ゲル形成材料粒子の少なくとも５０重量％（そしてなお更に好ましくは少なくとも８０重量％）が１ｍｍ以下であるのが好ましく、３００μｍ以下が更に好ましく、そして２００μｍ以下が最も好ましい。特に好ましい実施態様では、ポリマー粒子の実質的に全て（即ち、少なくとも９５重量％）の寸法は３００μｍ以下である。ゲル形成材料には理論的最小粒径は存在しないけれども、特にレインフォールサンダーが適用されるとき、微細な粉末が問題となることがある。従って、好ましい最小粒径は５０μｍであり、７５μｍが更に好ましい。粒子は全て、実質的に同じ寸法でもよく、或いは最大寸法より小さい粒径分布が存在してもよい。

（吸湿性材料の使用、及び得られる乾燥時間の短縮は別として）本方法は、従来の機械及び材料を使用する普通の埋没鋳造法と実質的に同じであり得るのが好ましい。従って、消耗式原型の特性、段階（i）（及び存在しているならば段階（iv））で使用されるスラリー組成物及び段階（ii）で使用される耐火性粒子は、埋没鋳造の業界の当業者にはこれらのいずれも周知であると理解される。

更に、本方法は、最後段階（iii）（又は存在しているならば段階（iv））の後に消耗式原型をシェルモールドから取り除く段階を包含するのが好ましく、そして本方法は、こうして得られるシェルモールドを焼成する最終段階を包含するのが更に好ましい。

焼成は、９５０℃以上に加熱することによって実施してもよい。しかしながら、多段階焼成方式を採用するのが好ましい。例えば、第１段階は、１〜５℃／分（好ましくは１〜３℃／分）の加熱速度で４００〜７００℃の温度に加熱したのち、５〜１０℃／分の速度で少なくとも９５０℃（好ましくは約１０００℃）に加熱する第２段階を包含してよい。第１段階と第２段階との間の温度は短時間（例えば、１０分未満）の保持でよい。少なくとも９５０℃への加熱は３段階以上で実施することが可能である。

本発明は、更に、本発明の方法によって製造できるシェルモールドに属する。

本発明を、次の実施例を参照しながら更に説明する。

（比較例１）
本比較例は、アルミニウム合金の鋳造に使用される標準的シェルの典型例として、次のように構成された：

充填材入りろうの試験片を第１スラリー（一次）の中に３０秒間浸漬したのち、６０秒間液切りした。次いで、粗粒スタッコ材料を、レインフォールサンダー法により湿態スラリー表面に堆積した（堆積の高さ約２ｍ）。被覆された試験片を乾燥用カルーセル（carousel）の上に載せ、低速空気流の制御された条件のもとで必要とされる時間乾燥させた。乾燥を延長すると、コロイド粘結剤から水分が取り除かれ、粒子のゲル化によって硬いゲルが形成する。

後続の被覆物は、第２（２次）スラリーの中に浸漬（３０秒）したのち、液切り（６０秒）することにより適用し、後続のスタッコを適用（レインフォールサンダー法、堆積の高さ約２ｍ）し、各々のスタッコの適用の後には、必要とされる時間乾燥した。合計で４回の二次被覆を適用した。最終には封鎖塗りを適用（二次スラリーの中に浸漬するがスタッコを適用しない）したのち、乾燥した。

一次及び二次スラリーの各仕様は表１に含まれ、同時にその他の種々のプロセスパラメータは表２に示されている。表１のラテックスの添加は、水性ラテックス系の使用と関連があり、このラテックス系を基本粘結剤に加えると未焼成体の強度が向上する。

実施例１
実施例１によるシェルモールドは、二次被覆層の上に適用したスタッコがポリアクリルアミドの粒子を包含していた（１０部のスタッコに対して１部のポリアクリルアミドの使用量で）こと以外は、表１のスラリーを使用して、比較例１の方法と同じ方法で製造した。プロセスパラメータを表３に示している。ポリアクリルアミドを湿態スラリーの表面に堆積すると、ポリアクリルアミドは周辺のスラリーのコロイド部分から急速に水分を吸収し、乾燥時間を延長する必要はなくゲル化によって硬質のゲルとなってしまう。

一次スラリー被覆に適用されるスタッコの中にポリアクリルアミドポリマーを包含することによって、更に乾燥時間を短縮できることが期待される。

実施例１のシェルモールドは、比較例１と比較して緻密さ及び均一性が少ない。実施例１のシェルは、コロイド粘結剤からの水分の吸収過程で、各々のポリマー粒子の膨潤によって、処々で、多少の小穴が開き、剥離される。この点で、大きい粒径は不利を招く、しかし、より微細で、より高度に制御された粒径のポリアクリルアミド添加物を普通の寸法のスタッコに使用することにより、これらの欠点は大幅に減ることが期待される。

シェルの厚さの比較
アクリルアミド変性シェル系（実施例１）と普通のシェル系（比較例１）で得られたセラミックシェルの厚さの比較を表４に示している。ポリアクリルアミドの粒径はスタッコ自体より遥かに大きいので、ポリアクリルアミドによってシェルの厚さは増加する。粒径が大きいことは、データでの比較的大きい標準偏差によっても表わされている。

室温での平棒の強度測定
強度測定は英国規格（ＢＳ）１９０２に従って実施した。射出成形したろうの棒を、前述の手順によって形成したセラミックシェル用の突き固め原型（ｆｏｒｍｅｒ）として使用した。形成したのち、セラミックシェルをスチーム式ボイラークレーブ（Boilerclave）（商標）で８バールの圧力で４分間脱ろうしたのち、１バール／分で制御された減圧サイクルにかけた。約２０ｍｍ×８０ｍｍの試験片は、研削砥石を使用して切断し、室温で３点曲げモード試験を実施した（一次被覆層は圧縮状態になる）。

シェル試料について３点曲げモード試験を室温で実施した最大強度の比較を表５に示している。比較例１のシェルの高度の乾態のグリーン強度は、ラテックポリマーの含量の直接的な結果であり、このことは、試料が１０００℃で焼成されてラテックスが燃え尽きる（データは示されていない）時の強度の低下によって反映される。実施例１のシェルの強度は比較的低く、これは、極めて大きい粒径のポリアクリルアミドを使用することにより持ち込まれる剥離や欠陥の直接的な結果である。より微細なポリマー粒径を使用することにより、アクリルアミドポリマーの膨潤は、埋没鋳造に対して比較的許容され得るレベルにまで減る筈であることが期待される。

実施例２
前述の問題に対処するために、更なる事例を準備した。実施例１との重要な相違点は：
（i）より微細な粒径で、より吸収性のポリマーを採用した、
（ii）より少量のポリマーを使用した、及び
（ii）ポリマーを一次スタッコ被覆の中に組み入れた、
ことである。

シェル組立体の仕様を下記の表６に示している。スラリーは表１に示している通りであった。

実施例２のグリーン乾態強度を測定すると、２．８３＋／−０．６３ＭＰａ．であった。これは、実施例１の場合とは異なるレインフォールサンダー装置を使用して得たのであり、砂は、強度値を下げることが知られている比較的低い高さ（約１０ｃｍ）から堆積させた。比較のために、比較例１を繰り返すと（本明細書では以後、比較例２と呼ぶ）、グリーン乾態強度は４．８６＋／−０．５４ＭＰａ．であることが判った。従って、普通のシェルモールドを製造するのに要する時間の２％未満で、本発明の方法によって６０％近い強度を有するモールドを製造でき、下記で説明するように、このモールドは鋳造には充分である。

グリーン乾態強度の測定の他に、実施例２及び比較例２は、グリーン湿態強度（脱ろう過程での強度をシミュレーションするために）、及び異なる加熱状況のもとでのこれらの例の焼成体の強度について試験した。これらの結果を下記の表７に示している。

実施例２のモールドは、脱ろう過程で亀裂を生じなかった。従って、本発明の方法によって、普通の方法を使用することにより必要とされる時間の何分の１かで埋没鋳造には充分に強いシェルモールドの製造が可能であることが示された。

Claims (19)

1. シェルモールドの製造方法であって、
   （i）耐火性粒子とコロイド液状粘結剤とのスラリーの中に、予備成形された消耗式原型を浸漬することにより前記原型の上に被覆層を形成する段階、
   （ii）耐火材料の粒子を前記被覆層の上に堆積する段階、
   及び
   （iii）乾燥する段階、
   の逐次段階を含み、
   段階（i）〜段階（iii）は、一次被覆層及び少なくとも１層の二次被覆層を有するシェルモールドを製造するのに必要とされるような頻度で繰り返され、少なくとも段階（ii）の１回の実施過程で、ゲル形成材料も段階（i）において形成される被覆層の上に堆積されることを特徴とする、方法。
2. 前記方法が、耐火性粒子と液状粘結剤とのスラリーを含む密閉被覆を適用し、続いて乾燥するという、最終段階（iii）の後に実施される追加の段階（iv）も包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ゲル形成材料が各二次被覆層の上に適用される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ゲル形成材料が一次被覆層の上に適用される、先行の請求項いずれかに記載の方法。
5. 前記ゲル形成材料が超吸収性ポリマーである、先行の請求項いずれかに記載の方法。
6. 前記ポリマーがポリアクリルアミド又はポリアクリレートである、請求項５に記載の方法。
7. 前記ポリマーが粒状物質であり、且つ前記ポリマー粒子の少なくとも５０重量％が３００μｍ以下である、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記ポリマー粒子の少なくとも９５重量％が３００μｍ以下である、請求項７に記載の方法。
9. 前記耐火性粒子がゲル形成材料で被覆される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
10. 段階（iii）の後又は段階（iv）が存在すればその後に前記消耗式原型を前記シェルモールドから取り除く段階を含み、好ましくは得られたシェルモールドを焼成する最終段階を含む、先行の請求項いずれかに記載の方法。
11. 焼成が、１〜５℃／分の加熱速度で４００〜７００℃の温度に加熱したのち、５℃／分以上の加熱速度で少なくとも９５０℃に加熱することにより実施される、請求項１０に記載の方法。
12. 各段階（ii）の過程で加えられる前記ゲル形成材料が、その段階（ii）の過程で加えられる耐火性粒子の１０重量％未満を占める、先行の請求項いずれかに記載の方法。
13. 前記ゲル形成材料が前記耐火性粒子の３重量％未満を占める、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１〜１３のいずれかによって製造できるシェルモールド。
15. 鋳物を製造するシェルモールドであって、前記シェルモールドは内部に前記鋳物の形状をした空洞部を有するシェルを含み、前記シェルは複数の層を含み、前記層の少なくとも１層は、ゲル形成材料、耐火性粒子及びゲル化コロイド液状粘結剤を含むことを特徴とする、シェルモールド。
16. 前記ゲル形成材料が超吸収性ポリマーである、請求項１５に記載のシェルモールド。
17. 前記ポリマーがポリアクリルアミドである、請求項１６に記載のシェルモールド。
18. 前記ポリマー粒子の少なくとも９５重量％が３００μｍ以下である、請求項１６又は１７に記載のシェルモールド。
19. いずれの層のゲル形成材料の量も、その層の中の前記耐火性粒子の１０重量％以下である、請求項１５〜１８のいずれかに記載のシェルモールド。