JP2012531548A - セラミック射出成形中子構造体を用いて金属部品を製造する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
射出ブロー成形プロセスで使用する予備成形体、およびそのプロセスが本明細書で説明される。予備成形体は、胴体部および首部の両方を有することができ、予備成形体の胴体部外径は、最大限で首部外径の９５％である。胴体部は、共同して側壁を形成する内径および外径を含み、側壁の厚さは２．０ｍｍを超えることができる。上記の予備成形体の射出成形用の成形型も開示される。
Description
相互参照
[0001] 本願は、参照によりその全体を本明細書に援用する、２００９年６月２６日に出願の米国仮特許出願第６１／２６９，６２４号に対する優先権の利益を主張するものである。
[0001] 本願は、参照によりその全体を本明細書に援用する、２００９年６月２６日に出願の米国仮特許出願第６１／２６９，６２４号に対する優先権の利益を主張するものである。
[0002] 本発明は、インベストメント鋳造に関する。より詳細には、本発明は、単一のまたは複数の内部チャンバが形成された単体金属構造体を作製できるロストワックスインベストメント鋳造用のプロセスおよびセラミック中子型で形成された構造体に関する。
[0003] 汚染物質および現在の経済発展に関する環境上の懸念より、従来、鉛（Ｐｂ）を含有する軟質金属合金で構築されてきた水栓の設計および製造の変更が余儀なくされている。この従来の製造プロセスは、１００年以上にわたり、砂型鋳造からシェル鋳造、さらには金型鋳造へと改良されてきた。このプロセスは通常、鋳造温度が１０５０℃未満でなければならない低温金属合金を利用する。このプロセスに樹脂砂中子を使用することで、中空（hollow center）多チャンバの低温合金製水栓本体を形成することができる。
[0004] 今日、水栓本体の多くは、鉛、ならびに、自然に発生する亜鉛族元素であるカドミウムおよびヒ素などの重元素を含有する低温合金からなるものである。したがって、その合金の組成は人間にとって有害であり得る。内部の水通過領域は、水栓を使用する場合には常に水流と接触する。ユニットの通常の寿命の間、ユニットは、流路を空気に曝し、次いで、水が腐食プロセスを加速するという繰り返しの入／切サイクルを繰り返し、その有効寿命全体にわたって重元素がユニットから溶出するのを可能にする。こうして微量の重元素を含有する水流が微量の鉛を搬出し、その結果、この鉛が水と混合されることになり、長期にわたってそのような水を使用して、果物および野菜を洗浄する（または、料理する）ことで、微量の鉛が直接的または間接的に摂取され、人間の体内に吸収される。これらの重金属元素は、人体および器官の許容値または負荷量を超えて蓄積し、最終的に、神経系、知能、骨格系、筋肉系、および血管系に影響を及ぼす様々なタイプの公知の毒性金属鉛中毒をもたらす、または引き起こす。これらの状況は、特に、幼児、妊婦、および高齢者に有害である。人間が長いまたは延長された期間にわたってそのような水を飲んだ場合、人体に有害であり、人間の脳、神経系、腎臓、および赤血球に損傷をもたらす。特に、妊婦および子供がそのような水を飲んだ場合、考えられないほど悲惨な結果となる。
[0005] 低温金属合金内の鉛含有量によっては、人間に重大な害をもたらすと分かった結果、カリフォルニア州、米国環境保護庁（ＥＰＡ）、および欧州連合の特定有害物質使用制限（ＲｏＨＳ）指令は、近年公表された一連の新たな法令を実施し始めた。新たな規制下で、水栓、パイプライン、台所で使用される蛇口、及び飲料水システムの鉛含有量は、それぞれ０．２％および０．２５％を超えてはならない。これらの規定の目的は、過剰なレベルの重金属鉛元素を含んではならない、パイプライン、コンテナ、配管、および水栓などのすべての水道装置と直接的にまたは間接的に接触する人間用の飲料水を保護することである。現状では、黄銅水栓本体用の材料などの、水栓を製造するための素材としての低温金属合金の使用については、大抵の場合、砂型鋳造および／またはシェル鋳造で使用されている。そのような黄銅合金内の鉛含有量の制限は、２０１０年１月１日より前では４％未満とされていた。しかし、２０１０年１月１日以降、配管器具の黄銅合金に対するそのような鉛の制限は、カルフォルニアのＡＢ １９５３で規定されているように、０．２５％未満でなければならない。
[0006] ステンレス鋼およびその他の高温合金は、低温品の代替となるのは明らかであるが、異なる製造プロセスを必要とする。インベストメント鋳造は、ガスタービンエンジン部品などの複雑な形状を有する高温金属部品を形成するのに一般的に使用される技術である。しかし、水栓本体の内部流路、構造が複雑で大きさが小さいために、水栓本体を形成するために現状の製造プロセスおよびインベストメント鋳造技術を使用する際に多くの問題がある。この問題には、それらに限定されるものではないが、以下のもの、すなわち、ワックス型内に中空チャンバを形成するための離型可能な支持体がないこと、その後に続くシェル焼成および溶融ステンレス鋼の鋳込みプロセスのために必要とされる十分なシェル強度を有する層を構築する浸漬時に、均一なスラリー浸漬およびコーティングが困難なこと、ならびに、鋳物本体から内部シェルを除去するまたは外に出すことなどがある。したがって、インベストメント鋳造プロセスの様々な段階におけるそのような多数の制約により、内部が複雑な１つまたは複数の中空チャンバを有して構築された精巧な鋳物本体を、低温合金に適合した経済的産業規模で製造することができない。例えば、米国特許出願公開第２００４／０２２１３８５号明細書は、溶解性ワックス中子を使用する単一チャンバの水栓について説明している。この明細書は、概して、ユニットの機能性および美観を制限するだけでなく、溶接などの費用がかかり複雑な補助プロセス、多部品による組立、ならびに酸化、腐食、不具合箇所、および不必要な製造経費をもたらすことがある他のステップを必要とする、形成プロセスに深刻な制約のあるステンレス鋼製の水栓を作製するのに今日利用できるインベストメント鋳造の現在のレベルを示している。
[0007] 現在および将来の健康規制基準を遵守する水道設備器具、ならびにその水道設備器具の経済的な製造方法が必要である。さらに、前述の教示および今日において現在利用できる製造方法の範囲または能力を超える一体構造部と、複数の内部チャンバを有する中空部とで形成できるステンレス鋼製水栓が必要である。
[0008] 本発明は、単一の一体型またはワンピース型（one-piece）シームレス構造で形成された最終製品を製造するセラミック射出成形（ＣＩＭ）製造プロセスおよび構造体を提供する。
[0009] 本発明のコンセプトに従って、単一または複数のチャンバのあるステンレス鋼製の水栓本体、および他の水道設備器具を含む様々な製品を製造することができる。本発明の好ましい実施形態は、複数の分割チャンバを含む内部中空セルを有する本体で形成されたステンレス鋼製水栓本体を提供する。分割チャンバは、冷水入口、熱水入口、および温水流れの方向を制御または管理する混合温水出口を別々に提供するか、それらとして別々に機能することができる。好ましい実施形態では、主水栓本体には、ロストワックスインベストメント鋳造プロセス時に、１つまたは複数の耐熱性セラミック中子を使用することで、アンダーカットされた複数の中空チャンバを構築することができる。主水栓本体は、水栓本体の（内部または外部の）一般面から突出し、張り出し構造を形成することができるアンダーカットされたチャンバまたは構造を有することができる。アンダーカット、または張り出し構造は、およそ、または最大で、水栓本体の幅、長さ、または高さの約５％、約１０％、約２０％、約３０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、または約９５％とすることができる。セラミック中子が鋳物から取り除かれるおよび除去される、または外に出されると、それにより、単一のワンピース型ステンレス鋼製水栓本体が得られ、それ以上の作業なしに完成する。最終的なシームレスステンレス鋼製水栓本体を形成するのに、部品溶接、ねじ組立、または精密圧入などの時間のかかる余分な製造ステップは必要とされない。しかし、当然のことながら、ハンドル、リフトロッド、通気装置などのさらなる構成要素を本明細書で説明する一体型本体のいずれかと組み合わせて、完全な水栓を形成することもできる。
[0010] 本発明の別の態様は、実質的に無鉛、無緑青、および無毒のステンレス鋼製水栓および水道設備器具を提供する。そのような製品は、溶接または機械加工による追加費用をなくすことで製造コストを節約しながらも、ＥＰＡ規制および課された鉛／毒制限を遵守して製造することができる。本発明の他の態様はまた、水栓本体などの単体構造のステンレス製水道設備器具および部品を含む様々な製品を製造するために、ＣＩＭプロセスおよび中子アセンブリとインベストメント鋳造技術とを併用する。好ましくはステンレス鋼など、有害金属をあまり含まない様々なタイプの出発原料を使用することができる。
[0011] 以下の説明および添付図面とともに検討すると、本発明の他の目的および利点がさらに認識および理解されるであろう。以下の説明は、本発明の特定の実施形態について記載した具体的な細部を含むことがあるが、これは、本発明の範囲に対する限定としてではなく、好ましい実施形態の例示と解釈すべきである。本発明の各態様に対して、本明細書に示されるような、当業者にとって公知の多くの変形形態があり得る。本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明の範囲内で様々な変更および修正を行うことができる。
参照による援用
[0012] 本明細書に記載されたすべての出版物、特許、および特許出願は、各個々の出版物、特許、または特許出願が、参照により援用されて具体的に、かつ個別に示されたのと同等に、参照により本明細書に援用されるものとする。
[0012] 本明細書に記載されたすべての出版物、特許、および特許出願は、各個々の出版物、特許、または特許出願が、参照により援用されて具体的に、かつ個別に示されたのと同等に、参照により本明細書に援用されるものとする。
[0013] 本発明の新規の特徴が、添付の特許請求の範囲に詳細に示される。本発明の原理を用いた例示的な実施形態を記載した以下の詳細な説明を参照することで、本発明の特徴および利点についてのより深い理解が得られるであろう。
[0020] 本発明の好ましい実施形態が本明細書に示され、説明されているが、そのような実施形態が単なる例として提示されていることは、当業者には明らかであろう。当業者ならば、本発明から逸脱することなく、多数の変形、変更、および代用を直ちに思いつくであろう。当然のことながら、本発明を実施するのに、本明細書で説明する本発明の実施形態に対する様々な代替案を採用することができる。
[0021] 図１は、本発明に従って作製できるステンレス鋼製の水栓本体を示している。一部の実施形態では、水栓は、シームレスの一体型ステンレス鋼製水栓である本体１を有することができる。一体型水栓は、一体で形成したり、単一の加工ステップ内で形成したり、鍛造加工なしで形成したり、またはフライス加工なしで形成したりすることができる。本体は、インベストメントロストワックス鋳造またはインベストメント消失発泡体（ロストフォーム）鋳造で形成することができる。インベストメント鋳造による形成は、いくつかの利点を有することができる。例えば、インベストメント鋳造により、ステンレス鋼、黄銅などを含む様々な金属および金属合金から本体を形成することが可能になる。一部の実施形態では、例えば、約３％、約２％、約１％、約０．２５％、約０．２％、約０．１％、約０．０５％、約０．０１％、約０．００５％、約０．００１％、または約０．０００１％を下回る、あるいは最大で同％などの、鉛含有量が少ない金属および金属合金を使用して本体を形成することができる。本体は、代替として他の金属で形成することができ、アンダーカットされた複数の中空空洞２、３が、それぞれ１つまたは複数のセラミック中子（図３に示す１４および１９を参照のこと）によって形成される複数の内部チャンバとともに構築することができる。図１に示すような主空洞５は、金属中子ピンを油圧引き抜き装置と併用して形成することができる。図１に示すコーナー４は、好ましくは本発明の他の態様に従って設けられたセラミック中子（図３に示す１９を参照のこと）を使用して形成できるアンダーカット構造で形成することができる。図１に示すような貫通した冷水入口流路６および熱水入口流路７も、それぞれセラミック中子ピン（図３に示す１６および１７を参照のこと）を用いて形成することができる。さらに、本発明の他の態様に従ったさらなるセラミック中子（図３に示す１５および１５Ａを参照のこと）を用いて温水出口９および温水貫通流路８を形成することができる。熱水入口および冷水入口は、外部流体源に接続することができる。熱水入口および冷水入口からの流体は、水栓本体の内部チャンバ内で混合することができ、次いで、温水貫通流路および噴出口を通って水栓から出る。水栓を通過できる熱水および冷水の量および比率は弁によって制御することができ、この弁は、自動式であっても、またはそうでなくてもよいし、あるいはセンサまたは他の任意の機構によって自動化されてもよい。図１の断面図に示すように、好ましくはロストワックスインベストメント鋳造プロセスと耐熱性セラミック中子の結合体とを併用することで製造できるステンレス鋼製本体の一体構造が完全な形で示されている。
[0022] ここで図２に示す半開ワックス型を参照すると、ワックス射出プロセス時に、一対の底部／上部ダイキャビティ対（底部ダイキャビティ６Ｂ−１および上側ダイキャビティ６Ｔ−１を参照のこと）によって、噴出口空洞１０およびベース空洞１１を形成することができる。半開ワックス型の噴出口空洞１０は、セラミック噴出口中子（図３の１４を参照のこと）の形状および外形と合致することができ、半開ワックス型のベース空洞１１は、セラミックベース中子（図３の１９を参照のこと）の形状および外形と合致することができる。図２に示すような最大で３つまたはそれを超える貫通穴１２のグループは、公知の技術を使用するワックス射出プロセス時に、それぞれ１つまたは複数の金属中子ピンを油圧引き抜き装置とともに用いて形成することができる。主空洞５も、様々な技術を使用して形成することができ、例えば、空洞は、セラミック中子ピン、金属中子ピン、または他の任意の技術を使用して形成することができる。
[0023] 半開ワックス型で形成された噴出口空洞１０およびベース空洞１１により、第１のワックス噴射ダイキャビティ（６Ｂ−１および６Ｔ−１を参照のこと）から離型された後、それらの対応するセラミック中子が嵌入可能になる。離型後、次いで、第１の半開ワックス型は、第２のダイキャビティ（６Ｂ−２および６Ｔ−２を参照のこと）の中および上に置くことができる。それにより、セラミック中子を第１の底部半開ワックス型の空洞の中および上に置くことができ、第２の上側半体ワックス型を形成し、仕上がったワックス型の内部にセラミック中子を全体的に包み込む次のワックス射出プロセスの準備が整う。一方、ワックス射出プロセス時に、半溶融した上側半開ワックス型は溶融して、下側半開ワックス型に強固に結合することができる。完全に仕上がった一体構造のワックス型はこうして完成し、結合された２つの半体ワックス型から形成される。
[0024] 本発明の別の態様は、１つまたは複数の結合された中子部分から形成された、インベストメント鋳造用のセラミック中子アセンブリを提供する。セラミック中子またはＣＩＭ中子アセンブリを外側セラミックシェルと結合して、またはつないで、設備器具および本明細書の他の箇所で説明する他の最終製品用の完成したセラミック成形型を形成することができる。例えば、図３、図３Ｓ、図３Ｃ、および図３Ｔに示すようなセラミック中子アセンブリは、噴出口中子ユニット１４およびベース中子ユニット１９で構成することができ、それぞれは、セラミック材料で形成することができる。噴出口中子ユニット１４には、ノズル突起１５を形成することもでき、このノズル突起１５は、この後の、外側（セラミック）シェルに多層を構築する間、好ましいスラリー浸漬およびコーティング時に、結合ブリッジとして機能することができる。図３Ｃはまた、噴出口中子ユニット壁２２およびノズル突起壁２１を示している。温水用貫通流路１５Ａもまた図示されている。さらに、ベース中子ユニット１９の一部としてのネック突起１９Ａは、別の結合ブリッジとして同様に機能することができる。図３に示すように、一対のポスト中子突起１６、１７も、ベース中子ユニット１９の一部として形成することができる。ポスト中子突起１６、１７は、シェルへの同様な結合ブリッジとして機能することができ、シェルは、外側層を構築するスラリー浸漬およびジルコン（またはケイ酸ジルコニウム）コーティングプロセス時に形成される。ポスト中子突起１６、１７は、井戸１８内に配置することができる。井戸は、熱水源および冷水源への接続点を形成することができる。一部の実施形態では、接続点は、接続を容易にするようにねじを切ることができる。本明細書で説明する中子は、中空であっても、そうでなくてもよい。中空中子にすることで、中子材料の利用できる表面積が増加し、必要とされる中子材料の量が減って、その後の中子の除去を容易にすることができる。シェルの形成時に、中子の内部中空面は、中子の中空内部面および空間が外部環境に暴露されるように、外側シェルと融合することができる。
[0025] 図４は、半開ワックス型（図２を参照のこと）の１つまたは複数の空洞内に置かれた中子アセンブリの断面図である。図のように、セラミック中子が、仕上がったワックス型２３の内部に完全に包み込まれ得るように、セラミック中子アセンブリをはめ込んで配置することができる。噴出口セラミック中子２４およびベースセラミック中子２５は、ワックス型２３に形成されたそれぞれの空洞に配置することができる。セラミック中子のそれぞれ、またはいずれかには、１つまたは複数のつなぎ突起２５Ｂを形成することができ、つなぎ突起２５Ｂは、ワックス型の外側面を越えて延びて、セラミック浸漬プロセス時に（完全な）ワックス型を包囲して形成することができる外側セラミックシェルに中子アセンブリをつなぐ。
[0026] 図４Ａに示すように、中子アセンブリは、半開ワックス型の上または中に配置可能な状態にすることができる。ワックス型内に配置する前に、噴出口中子部分１４およびベース中子部分１９を結合して、完全な中子アセンブリを形成してもよいし、あるいは、各個々の中子部分が別々に配置されてもよい。
[0027] 図４Ｂに示すように、中子アセンブリ全体が、半開ワックス型の上または中に配置されている。中子の嵌合および設置は、半開ワックス型内の正確な所望の位置に配置できるのが好ましい。
[0028] 図４Ｃは、中子アセンブリを構成することができる複数のセラミック中子を包囲して形成または構築された、完全に完成したワックス型２６の断面図を示している。噴出口中子部分２７およびベース中子部分２８には、図のように、内部中空領域を形成できるのが好ましい。本発明の他の箇所で説明するように、十分な構造強度を付与しつつ、必要とされる中子セラミック材料の量を減らし、中子セラミック材料の除去を可能または容易にする１つまたは複数の空所を中子部分内に十分に残すために、中子部分に対する所望の肉厚を選択することができる。突出部分２９は、図４Ｃに示すように、ベース中子部分２８の一部として形成することができる。突出部分２９は、中空（チャンバ）セラミック成形型の中心部分または中央部分の中またはまわりにセラミック中子２８を強固にかつ確実に固定し、吊すことができる外側シェルへの結合ブリッジとして機能することができる。好ましい実施形態では、突出部分は、鋳造プロセス時に外側シェルと結合して、すべての中子が鋳造プロセス時に破損または崩壊するのを防止するか、または最小限にする。
[0029] 図５に示すように、水栓本体または水道設備器具本体の完全に仕上がったワックス型は、本発明によるワックス射出ダイキャビティ（６Ｂ−２および６Ｔ−２を参照のこと）から良好に構築および作製することができる。ワックス湯口３３は、型３０がツリー化（およびバッチ内の他の型との結合）可能な状態にあるように、図５に示すとおりに形成することができる。さらに、ベース中子突出部分３１およびノズル中子突出部分２９は、ワックス型３０から離れる方向に延び、形成された外側シェルと連結または結合可能な状態にある。水栓本体３０用のワックス型からのこれらおよび他のセラミック突起は、スラリー浸漬プロセス時に外側シェルに結合する結合ブリッジとして機能することができる。前述したように、シェルは、中子の内部中空空間が外部環境に暴露されるように中子に結合することができる。本発明の別の実施形態では、中子は閉じたセル構造であり、内部中空空間は、外部環境に暴露されない。結果的に、完全なワックス型３０は、スラリー浸漬、脱ろう、および鋳造後に、単一または一体構造の本体を提供することができる。
[0030] 図５Ａは、中に中子アセンブリがある完全なワックス型（図５を参照のこと）の断面図を示している。セラミック中子は、ワックス型内に包み込んで配置することができる。例えば、中空噴出口中子３２（クロスハッチング部分）および中空ベース中子３３（クロスハッチング部分）は、図示したように、完全な全ワックス型３４内に閉じ込められている。
[0031] 図６Ｂおよび図６Ｔは、示すように、２つのダイキャビティで設計することができる一組の上部／底部ワックス射出ダイを示している。図６Ｂは、好ましくは２つのキャビティ６Ｂ−１、６Ｂ−２を形成するワックス射出底部ダイ構造の平面図を提示している。２つのキャビティ６Ｂ−１、６Ｂ−２は、水栓本体用の２つの可能な構造を示している。図６Ｔは、好ましくは２つのキャビティ６Ｔ−１、６Ｔ−２を形成するワックス射出上側ダイ構造の平面図を提示している。キャビティ６Ｔ−１は、キャビティとともに配置されるワックス射出成形型を示している。ワックス射出上側ダイは、図６Ｔに示す２つのダイキャビティまたは他の選択された形状で設計することができる。上側ダイは、底部ダイと正確に合致することができ（鏡像）、好ましい実施形態では、対称性の一体型または単一金属製品を提供する。
[0032] さらに、図６Ｂおよび図６Ｔに示すように、主射出ゲートおよび湯道３５を、示すとおりにダイ内に形成することができ、湯道３５は、ワックス流をそれぞれダイキャビティ６Ｂ−１／６Ｂ−２およびダイキャビティ６Ｔ−１／６Ｔ−２に導くために、それぞれ２つの副湯道３６、３７に分割することができる。ワックス流は、１回の単一ステップまたは単一操作のワックス射出で、第１の半開ワックス型および第２の仕上がったワックス型を満たすように導入することができる。あるいは、ワックス型射出プロセスは、本発明の範囲内で半開ワックス型および完全に完成したワックス型をそれぞれ完成させる２つの独立した射出機械を用いて行うこともできる。当然のことながら、本明細書で説明した設備器具および水栓部品のいずれも、前述のワックス射出ダイおよびプロセスを使用して形成することができる。
[0033]セラミック成形型−中子およびシェル
[0034] 本発明の多くの態様は、現状のインベストメント鋳造技術を本明細書に提示した特定の修正および製造上の選択を加えたものと組み合わせることができる。例えば、典型的なプロセスでは、セラミック成形型は、１つ、２つ（二中子）、またはそれを超える数のコーティングされたセラミック中子から作製することができる。一部の好ましい実施形態では、ＣＩＭ中子は、当業者には公知のように、非透水性または実質的に非透水性である封止材料でコーティングすることができる。一部の事例では、防水または耐水コーティングを形成するために、中子の特定の配合に応じて、選択される材料を変えることができる。封止剤は、樹脂および／またはエクスポシ（exposy）材料とすることができる。一部の実施形態では、材料は、ＫＯＨに対して所望の方法で反応することができる。好ましくは、本明細書で提示したセラミック中子またはＣＩＭ中子には、鋳造される製品の（水栓本体の）一部または部分に概ね一致する形状をそれぞれが有する内部空洞または内部空所が形成される。中子アセンブリは、完全なワックス型内に実質的に閉じ込めることができ、突起が中子アセンブリから延びて、ブリッジおよび連結点として機能する。一連の１つまたは複数の完全なワックス型を連結することにより、成形型のツリーまたは集合体をバッチ内に作製することができる。型は、鋳造される部品の内部領域の「ポジ」に概ね一致する、本明細書の他の箇所で説明したセラミック中子アセンブリを覆うようにワックスを成形することで形成できるのが好ましい。次に、シェル形成プロセスにおいて、ジルコンに浸すなどの公知の態様で、１つまたは複数のそのような型のまわりにセラミックシェルを形成することができる。その後、高圧釜内で溶融させるなどして、ワックスを除去することができる。次いで、シェルを焼成して、シェルを硬化させることができる。その結果、一連の１つまたは複数の成形型が形成され、成形型はそれぞれ、１つまたは複数の部分的に画定したコンパートメントを有するシェルを含み、このコンパートメントはその中に、水道設備器具または水栓本体などの部品の内部流路およびチャンバを画定する、本発明に従って提供された離間した１つまたは複数のセラミック中子のアセンブリを含む。
[0034] 本発明の多くの態様は、現状のインベストメント鋳造技術を本明細書に提示した特定の修正および製造上の選択を加えたものと組み合わせることができる。例えば、典型的なプロセスでは、セラミック成形型は、１つ、２つ（二中子）、またはそれを超える数のコーティングされたセラミック中子から作製することができる。一部の好ましい実施形態では、ＣＩＭ中子は、当業者には公知のように、非透水性または実質的に非透水性である封止材料でコーティングすることができる。一部の事例では、防水または耐水コーティングを形成するために、中子の特定の配合に応じて、選択される材料を変えることができる。封止剤は、樹脂および／またはエクスポシ（exposy）材料とすることができる。一部の実施形態では、材料は、ＫＯＨに対して所望の方法で反応することができる。好ましくは、本明細書で提示したセラミック中子またはＣＩＭ中子には、鋳造される製品の（水栓本体の）一部または部分に概ね一致する形状をそれぞれが有する内部空洞または内部空所が形成される。中子アセンブリは、完全なワックス型内に実質的に閉じ込めることができ、突起が中子アセンブリから延びて、ブリッジおよび連結点として機能する。一連の１つまたは複数の完全なワックス型を連結することにより、成形型のツリーまたは集合体をバッチ内に作製することができる。型は、鋳造される部品の内部領域の「ポジ」に概ね一致する、本明細書の他の箇所で説明したセラミック中子アセンブリを覆うようにワックスを成形することで形成できるのが好ましい。次に、シェル形成プロセスにおいて、ジルコンに浸すなどの公知の態様で、１つまたは複数のそのような型のまわりにセラミックシェルを形成することができる。その後、高圧釜内で溶融させるなどして、ワックスを除去することができる。次いで、シェルを焼成して、シェルを硬化させることができる。その結果、一連の１つまたは複数の成形型が形成され、成形型はそれぞれ、１つまたは複数の部分的に画定したコンパートメントを有するシェルを含み、このコンパートメントはその中に、水道設備器具または水栓本体などの部品の内部流路およびチャンバを画定する、本発明に従って提供された離間した１つまたは複数のセラミック中子のアセンブリを含む。
[0035] セラミックシェル（本明細書では「シェル」とも言う）は、シリカ、ジルコン、様々なケイ酸アルミニウム、およびアルミナなどの耐熱性材料で形成することができる。シリカは、焼成したシリカの形態で通常使用することができるが、時には、石英が使用できることもある。使用できる他の耐熱性材料として、モロサイト（molochite）およびシャモットがある。
[0036] １つまたは複数の成形型を形成した後、ステンレス鋼などの溶融合金または金属を導入して、１つまたは複数の部品を鋳造することができる。合金または金属の冷却および固化時に、本明細書の他の箇所で説明したように、シェルおよび中子アセンブリを１つまたは複数の成形部品から機械的におよび化学的に除去することができる。次いで、１つまたは複数のさらなる段階で、１つまたは複数の部品に対して、組立、めっき、機械加工、および／または処理をさらに行うことができる。
[0037]セラミック中子−構造および形状
[0038] 本発明に従って提供されるセラミックまたはＣＩＭ中子アセンブリは、水道設備器具または水栓本体などの部品の内部領域と一致する様々な形状および外観で形成することができる。アセンブリは、内部領域の複雑さに応じて、本明細書で説明した半体および／または完全なワックス型内で一緒に組み立てることができる１つまたは複数のセラミック中子部分で形成することができる。好ましい実施形態では、セラミック中子には、本発明の別の態様に従って多数の利点をもたらす中空領域または空所が形成される。
[0038] 本発明に従って提供されるセラミックまたはＣＩＭ中子アセンブリは、水道設備器具または水栓本体などの部品の内部領域と一致する様々な形状および外観で形成することができる。アセンブリは、内部領域の複雑さに応じて、本明細書で説明した半体および／または完全なワックス型内で一緒に組み立てることができる１つまたは複数のセラミック中子部分で形成することができる。好ましい実施形態では、セラミック中子には、本発明の別の態様に従って多数の利点をもたらす中空領域または空所が形成される。
[0039] 例えば、シェルがセラミック成形型から除去されると、セラミック中子の後処理を行うことができる。好ましい後処理ステップには、セラミック中子を有する鋳物製品全体をアルカリ塩溶液につける、または浸すことが含まれる。使用されるセラミック中子材料のタイプに応じて、様々な溶液を選択することができる。好ましい実施形態では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用することができ、水酸化カリウムは、鋳物製品内にある中子材料を分解する。本発明の一部の実施形態では、中子材料は、ほんの１日かまたは２日（２４時間〜４８時間）で、あるいは最大で数日の間に溶けてなくなることができる。その一方で、好ましい実施形態では、セラミック中子は、約１０分〜約２０分で溶けてなくなることもできる。１つまたは複数の中空領域または空所を有するセラミック中子を機械的に設計することにより、内部に置かれたセラミック中子を素速く分解させて鋳物製品から除去することができる。溶液または溶媒をセラミック中子の内側面に暴露することで、溶媒が１つまたは複数のセラミック中子と反応してこれを分解することができる表面積がかなり大きくなる。溶液が中子の内部空洞に浸入すると、溶液が浸食する表面積が実際上ほぼ２倍（２ｘ）になる。さらに、溶液が浸透する材料が少なくなり、これは、セラミック中子の壁の厚さで測定することができる。中子には、溶液がその中を通過するのを可能にする穴または開口を前もって形成することができるか、または溶液は、補助なしに浸透して中子の壁を分解することもできる。溶液を撹拌することも、セラミック中子を除去する際の助けとなり得る。
[0040]セラミック材料
[0041] 本発明の様々な態様に従って使用できるように、様々なセラミックを選択することができる。例えば、ジルコン、シリカ、またはジルコンおよびシリカの組み合わせを浸漬プロセスに使用して、セラミック成形型の外側シェルを形成することができる。本発明の好ましい実施形態では、セラミック中子部分およびアセンブリは、浴プロセスで除去できるセラミック材料から形成される。
[0041] 本発明の様々な態様に従って使用できるように、様々なセラミックを選択することができる。例えば、ジルコン、シリカ、またはジルコンおよびシリカの組み合わせを浸漬プロセスに使用して、セラミック成形型の外側シェルを形成することができる。本発明の好ましい実施形態では、セラミック中子部分およびアセンブリは、浴プロセスで除去できるセラミック材料から形成される。
[0042] 本発明の好ましい実施形態では、セラミック中子アセンブリおよびシェルは、異なるセラミック材料で形成される。例えば、セラミック中子およびその部品は、セラミックＡで形成することができ、一方、セラミック中子アセンブリ／完全なワックス型合体品は、セラミックＢで浸漬するか、あるいはセラミックＢで覆うことができる。一部の用途では、異なる耐久性または硬度（セラミックＡがセラミックＢよりも低い）と、異なる乾燥時間および高温許容度（セラミックＢがセラミックＡよりも大きい）とを有するセラミックを選択するのが好ましい。本発明のこの態様によれば、水栓本体または水道設備器具の内側部分内に最終的に固定される１つまたは複数の中子を形成するのに、特定のセラミック（中子セラミック）を選択することができる。中子セラミック、好ましくは、例えば、結合するように約６時間〜約８時間にわたり焼成されるアルミノケイ酸塩（Ａｌｘ（ＳｉＯ２）ｙ、例えば、Ａｌ２ＳｉＯ５など）およびか焼ジルコンケイ酸塩（例えば、ＺｒＳｉＯ４）の微細パワーなどの半有機セラミック材料は、外側セラミックシェルの除去時に受ける機械的な力に耐えるために、シェルセラミックとは異なる特性を示しつつ、鋳物製品の内側部分から中子を除去するために、選択された溶液（アルカリ塩溶液）内で可溶性を呈することができる。しかし、選択されたセラミック材料はいずれも、ジルコン浸漬時、ステンレス鋼（融点が１４７５℃を超える）および他の高温金属の鋳込みおよび鋳造時、または本明細書で説明したプロセスの他のステップ時にかかる温度に耐えなければならない。
[0043]めっき
[0044] 本発明の別の好ましい実施形態によれば、本明細書で提示された水道設備器具および水栓本体は、電気めっきおよび／または無電解化学めっきなどのさらなるプロセスを行うことによって仕上げることができる。外側（または外部）面は、ニッケル、硬質クロム、またはその２つの組み合わせで電気めっきを施すことができる。例えば、本明細書で提示された水栓本体の外側面または内側面は、ニッケル（Ｎｉ）などの、錆に対して耐性のある金属でめっきを施すことができる。特に、公知の技術で形成された従来の水栓の内側面は、多孔質または粗面すぎることから、本明細書で提示された単一の一体型水栓本体は、工業用金属仕上げにとってより有利であり、水栓本体の内部流路または内壁を封止および保護するためにめっきを施すことができる平滑な面を含む。これにより、本明細書のＣＩＭ中子アセンブリの平滑な外側面が少なくとも部分的に寄与していると考えることができる。特定の好ましい実施形態の場合、ニッケルのコーティングまたはめっきは、最大で５μｍの厚さまで堆積することができる。
[0044] 本発明の別の好ましい実施形態によれば、本明細書で提示された水道設備器具および水栓本体は、電気めっきおよび／または無電解化学めっきなどのさらなるプロセスを行うことによって仕上げることができる。外側（または外部）面は、ニッケル、硬質クロム、またはその２つの組み合わせで電気めっきを施すことができる。例えば、本明細書で提示された水栓本体の外側面または内側面は、ニッケル（Ｎｉ）などの、錆に対して耐性のある金属でめっきを施すことができる。特に、公知の技術で形成された従来の水栓の内側面は、多孔質または粗面すぎることから、本明細書で提示された単一の一体型水栓本体は、工業用金属仕上げにとってより有利であり、水栓本体の内部流路または内壁を封止および保護するためにめっきを施すことができる平滑な面を含む。これにより、本明細書のＣＩＭ中子アセンブリの平滑な外側面が少なくとも部分的に寄与していると考えることができる。特定の好ましい実施形態の場合、ニッケルのコーティングまたはめっきは、最大で５μｍの厚さまで堆積することができる。
[0045] 本明細書で提示された本発明の原理は、様々な態様の公知のセラミック中子用途、ならびに参照により本明細書にその全体をすべて援用される米国特許第４，５６９，３８４号、米国特許第５，３８７，２８０号、米国特許第５，７７９，８０９号、および米国特許第６，５０５，６７８号に記載のプロセスおよびシステムなどのインベストメント鋳造技術に適用することができる。
[0046] 本発明の好ましい実施形態が本明細書に示され、説明されたが、そのような実施形態が単なる例として提示されていることは、当業者には明らかであろう。当業者ならば、本発明から逸脱することなく、多数の変形、変更、および代用を直ちに思いつくであろう。当然のことながら、本発明を実施するのに、本明細書で説明した本発明の実施形態に対する様々な代替案を採用することができる。添付の特許請求の範囲は本発明の範囲を定義し、この特許請求の範囲内の方法および構造、ならびにその均等物はそれによって保護されるものとする。
Claims (6)
- 少なくとも冷水入口、熱水入口、および水流の方向制御用の温水出口を形成する１つまたは複数の中空内部チャンバを有するシームレス一体構造のステンレス鋼製水栓本体を含む水栓部品。
- １つまたは複数のワックス射出プロセスにより、中空領域および複数の内部チャンバを有する製品の一体構造ワックス型が形成されるように、互いに対して空間的に配置された複数のセラミック中子を含む、インベストメント鋳造用のセラミック中子アセンブリ。
- 外側シェルを構築するスラリー浸漬およびコーティングと、以下のもの、すなわち、ロストワックス、シェル焼成、および溶融ステンレス鋼鋳込みのうちの少なくとも１つと、を行うための型ツリーアセンブリを形成する追加の完全ワックス型をさらに含む、請求項２に記載のセラミック中子アセンブリ。
- 中空一体構造のステンレス製水栓本体をさらに含み、前記本体は、内部に配置された前記複数のセラミック中子を実質的に包囲する内部領域を含む、請求項３に記載のセラミック中子アセンブリ。
- その中に形成された複数の空洞に予め設置された中子アセンブリを有する、仕上がったワックス型を形成するために互いに接合される第１および第２の半開ワックス型を含む、完全ワックス型および中子アセンブリ。
- インベストメント鋳造プロセスにより、水流用の中空領域および複数のチャンバを有する一体構造のステンレス鋼製水栓本体が作製されるように、水道設備器具の内部領域に配置された複数の耐熱性セラミック中子を含む、水道設備器具用のセラミック中子アセンブリ。
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