JP3541228B2

JP3541228B2 - インベストメント精密鋳造鋳型の製造方法

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Publication number: JP3541228B2
Application number: JP2001271208A
Authority: JP
Inventors: 三男二宮; 光秀町田; 一孝鈴木; 勝中西
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003080345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インベストメント（別名、ロストワックス）精密鋳造法で用いる鋳型の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、スラリー粘結剤として、けい酸ソーダ及び／又はけい酸カリ等の作業環境での危険性が低い水溶性のスラリー粘結剤を使用し、しかも、スラリー浸漬及びサイディングにより生成される鋳型層の硬化時間を、従来のコロイダルシリカやエチルシリケートを用いる場合に比べて、大幅に短縮することを可能とするインベストメント精密鋳造鋳型の新規製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インベストメント精密鋳造法で用いる鋳型の製造方法においては、まず、製品と同一形状のろう模型を、粘結剤と耐火物微粉末を主成分とするスラリー中に浸漬し、これをスラリーから引き上げて、直ちに砂状の耐火物粒子を振りかけて（この作業をサンディング又はスタッコという）、薄いシェル状鋳型層を生成させ、これを乾燥硬化して、一つの鋳型層を製作する。この鋳型層で包まれた模型を再びスラリー中に浸漬し、これをスラリーから引き上げて、サンディング後に、生成した第２層目の鋳型層を乾燥硬化する。このスラリー浸漬から鋳型層の硬化までの工程を所定回数（通常、７回程度）繰り返して、インベストメント鋳型を完成する。
【０００３】
従来は、スラリー粘結剤として、揮発性の高いアルコール溶媒のエチルシリケートが使用されていて、各鋳型層の乾燥硬化時間は、１時間程度であったが、近年、作業環境での発火等の危険防止から、水溶媒のコロイダルシリカが使われるようになってきた。ところが、コロイダルシリカを粘結剤とするスラリーの場合は、各鋳型層の乾燥硬化に要する時間が２〜４時間と長くなり、エチルシリケートの場合に比べて、鋳型を完成させるのに要する時間が著しく長くなるという問題が生じている。
これらの先行技術について、（社）日本鋳造工学会誌第６９巻（１９９７年）９月号第７８５及び７９２頁で、エチルシリケート粘結剤は、環境保全及びコスト面から世界各国で制約を受け、水性シリカゾルへ変更されつつあることが、示されている。また、（社）日本鋳造技術協会が発行している「インベストメント鋳造法作業基準（平成１０年版）」８〜９頁で、鋳型層の乾燥硬化に要する時間について、エチルシリケートの場合に１．５〜２時間、コロイダルシリカの場合に２．５〜５時間程度を推奨している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、インベストメント精密鋳造鋳型について、上記従来技術に鑑みて、作業環境での危険性が低い水溶媒のスラリー粘結剤を使用し、かつ鋳型を完成させるのに要する時間を大幅に短縮することが可能な新しい鋳型の製造方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、スラリー粘結剤として、けい酸ソーダ及び／又はけい酸カリ等のアルカリ金属のけい酸塩を用い、スラリー浸漬及びサンディングにより生成される鋳型層を炭酸ガスで処理することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、作業環境での危険性が低い水溶媒のスラリー粘結剤を用いて、鋳型の製造時間を従来のエチルシリケートを用いた場合の製造時間以下に短縮することを可能とする新しい鋳型の製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、インベストメント精密鋳造鋳型の製造工程において、スラリー浸漬及びサイディングにより生成される鋳型層を迅速に硬化させることを可能とする新しい鋳型層の硬化方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）インベストメント精密鋳造鋳型の製造工程において、ろう模型又はろう模型を包む鋳型をアルカリ金属のけい酸塩を粘結剤とするスラリー中へ浸漬し、スラリーから引き上げられたろう模型上又はろう模型を包む鋳型上に砂状耐火物をサンディングし、鋳型層を生成させ、この鋳型層を気密室に入れ、この気密室をいったん減圧状態にした後に炭酸ガスを送入することによって、鋳型層を硬化することを特徴とするインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
（２）アルカリ金属のけい酸塩として、けい酸ソーダ、けい酸カリの１種以上を使用することを特徴とする、前記（１）に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
（３）気密室をロータリーポンプで減圧した後に炭酸ガスを送入することを特徴とする、前記（１）に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
（４）炭酸ガスを、２０から３０秒間送入することを特徴とする、前記（１）に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
（５）前記（１）に記載のスラリー浸漬から炭酸ガス処理までの工程を所定回数繰り返して鋳型を作製することを特徴とする、インベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、スラリー粘結剤として、けい酸ソーダ及び／又はけい酸カリ等が用いられ、好適には、例えば、市販品のけい酸ソーダ（主成分：Ｎａ₂ Ｏ、ＳｉＯ₂ 及びＨ₂ Ｏ）、けい酸カリ（主成分：Ｋ₂Ｏ、ＳｉＯ₂ 及びＨ₂ Ｏ）を使用することができるが、これらに限らず、けい酸リチウム（主成分：Ｌｉ₂Ｏ、ＳｉＯ₂ 及びＨ₂ Ｏ）を含め、アルカリ金属（化学周期律表の１ａの族元素）のけい酸塩は、すべて使用可能であり、それらの種類及び組み合わせは制限されない。
本発明においては、スラリーとして、好適には、例えば、上記けい酸ソーダ及び／又はけい酸カリ、溶融シリカ粉末、界面活性剤、消泡剤を配合し、均一に混合したものが用いられるが、これらに限らず、これらの組成と同効のものであれば同様に使用することができる。
本発明では、ろう模型又はろう模型を包む鋳型を上記スラリー中へ浸漬し、次いで、当該スラリーから引き上げられたろう模型上又はろう模型を包む鋳型上に溶融シリカ砂等の砂状耐火物をサンディングし、鋳型層を生成させ、この鋳型層を炭酸ガスで処理することによって、鋳型層を硬化させ、このスラリー浸漬から炭酸ガスによる処理までの工程を適宜回数繰り返して、目的のインベストメント鋳型を作製する。本発明では、上記鋳型層を気密室に入れ、この気密室をいったん減圧状態にした後に炭酸ガスを送入して硬化させる。
【０００７】
本発明においては、ろう模型のスラリーへの浸漬は、好適には、常法により大気中で容器に入れられたスラリー浴中へろう模型を静かに浸漬して、ろう模型の全表面にスラリーが濡れるようにし、５から１０秒後には、これをスラリーから引き上げて、垂れるスラリーをある程度切ってからサンディングを行う。サンディングにより、スラリーから引き上げた上記ろう模型に直ちに砂状の耐火物粒子を振りかけて、薄いシェル状鋳型層を生成させ、これを上記炭酸ガス処理工程に供する。上記スラリー浸漬から炭酸ガス処理までの工程を適宜回数繰り返して鋳型を完成する。
【０００８】
次に、図面に基づいて本発明を具体的に説明する。
本発明の特徴とするところは、図１に示したように、粘結剤として従来のコロイダルシリカに代えてけい酸ソーダ又はけい酸カリあるいはこれらの混合物を用いたスラリー中に、１のろう模型を浸漬し（２）、これをスラリーから引き上げた後に、サンディング（３）し、４の鋳型層を生成させ、この鋳型層を硬化する方法として、従来の自然乾燥に代えて、５の炭酸ガスとの反応により鋳型層を即硬し、これを繰り返して鋳型を完成することである。これによって、鋳型の製造時間を大幅に短縮することができる。鋳型層と炭酸ガスを反応させるには、硬化しようとする鋳型をあらかじめ気密室に入れておいて、気密室をいったん減圧した後に、高圧ガスボンベから取り出して圧力調整された炭酸ガスを吹き込む。これによって、炭酸ガスの反応効率が高くなり、その消費量を節減できる利点がある。
【０００９】
本発明で使用するアルカリ金属のけい酸塩のうち、けい酸ソーダ及びけい酸カリは、市販の水ガラス状のもので十分であって、これらのモル比（ＳｉＯ₂ ／Ｎａ₂ Ｏ及びＳｉＯ₂ ／Ｋ₂ Ｏ）は、いずれも約２〜４が適している。また、炭酸ガスの品質（純度）は、一般の市販品で十分に効果がある。
サンディング用の砂状耐火物としては、鋳造金属の温度に耐える耐熱度をもち、なるべく熱膨張率の低い材料が好ましいが、経済性（価格）も考慮して、好適には、例えば、ジルコン、溶融シリカ、ムライト、シャモット、クロマイト、オリビン等が使用できる。
本発明において、ろう模型とは、通常のろう模型（ワックス模型ともいう）及びそれと同効のものを含むことを意味し、また、ろう模型を包む鋳型とは、上記ろう模型に単層ないし複層の鋳型層を形成したものを意味する。
【００１０】
【作用】
本発明では、粘結剤として、けい酸ソーダ及び／又はけい酸カリ等を用いてスラリーを構成し、当該スラリー中にろう模型を浸漬し、これをスラリーから引き上げた後に、サンディングし、生成した鋳型層に、炭酸ガスを反応させることにより、鋳型層は、短時間で硬化されるが、その反応式は、けい酸ソーダの場合は、
Ｎａ₂ Ｏ・ｎＳｉＯ₂ ・（ｍｎ＋ｘ）Ｈ₂ Ｏ＋ＣＯ₂ →Ｎａ₂ ＣＯ₃ ・ｘＨ₂ Ｏ＋ｎ（ＳｉＯ₂ ・ｍＨ₂ Ｏ）であり、また、けい酸カリの場合は、Ｎａ₂ Ｏの代わりにＫ₂Ｏと置き換えて、
Ｋ₂ Ｏ・ｎＳｉＯ₂ ・（ｍｎ＋ｘ）Ｈ₂ Ｏ＋ＣＯ₂→Ｋ₂ ＣＯ₃ ・ｘＨ₂ Ｏ＋ｎ（ＳｉＯ₂・ｍＨ₂Ｏ）であり、これを繰り返して鋳型を製造する。これらの反応速度は、室温でも十分に大きく、鋳型層中の粘結剤部分が急速にゾル状態からゲル状態に変化（硬化）するために、鋳型の製造時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００１１】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
参考例１
けい酸ソーダ（以下、すべてＪＩＳ３号の市販品、主成分：Ｎａ₂ Ｏ１８ｗｔ％，ＳｉＯ₂ ３６ｗｔ％，Ｈ₂ Ｏ４５ｗｔ％）１ｋｇに対して、溶融シリカ粉末（以下、すべて市販品、粒度：２７０メッシュピーク）を１ｋｇ、界面活性剤（以下、すべて市販品）を０．５ｇ及び消泡剤（以下、すべて市販品）を０．５ｇの配合比で均一に混合した初層用スラリー中に、板状ろう試験片（以下、すべて幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）を浸漬した。次いで、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：１５０メッシュピーク）をサンディングしてできた鋳型層（初層）に、炭酸ガス（以下、すべて高圧ガスボンベから取り出した市販品で、吹き出し圧力を１気圧に調整したもの）を大気中で６０秒間吹きかけた。これによって、十分に硬化した鋳型層が得られた。
【００１２】
参考例２
けい酸ソーダ１ｋｇに対して、溶融シリカ粉末８００ｇを均一に混合したバックアップ層（２層目以降）用スラリー中に、上記の板状ろう試験片に初層を被覆した鋳型を浸漬した。次いで、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：１００メッシュピーク）をサンディングしてできた鋳型層（２層目）に、炭酸ガスを大気中で６０秒間吹きかけた。これによって、十分に硬化した鋳型層が得られた。
【００１３】
実施例１
上記のバックアップ層用スラリー中に、上記の板状ろう試験片に第２層を被覆した鋳型を浸漬し、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：６５メッシュピーク）をサンディングして鋳型層（３層目）を生成させた。この鋳型層を気密室（以下、すべて内寸：幅３００ｍｍ×奥行３００ｍｍ×高さ２９０ｍｍ）に入れてから、この気密室をロータリーポンプで１分間減圧（以下、すべて減圧度：−７５ｃｍＨｇ）した後に、炭酸ガスを３０秒間送入したところ、鋳型層は十分に硬化した。
【００１４】
参考例３
けい酸カリ（以下、すべて市販品、主成分：Ｋ₂ Ｏ１４ｗｔ％，ＳｉＯ₂ ２７ｗｔ％，Ｈ₂ Ｏ５９ｗｔ％）１ｋｇに対して、溶融シリカ粉末を１ｋｇ、界面活性剤を０．５ｇ及び消泡剤を０．５ｇの配合比で均一に混合した初層用スラリー中に、上記の板状ろう試験片を浸漬した。次いで、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：１５０メッシュピーク）をサンディングしてできた鋳型層（初層）に、炭酸ガスを大気中で４０秒間吹きかけた。これによって、十分に硬化した鋳型層が得られた。
【００１５】
参考例４
けい酸カリ１ｋｇに対して、溶融シリカ粉末８００ｇを均一に混合したバックアップ層用スラリー中に、上記の板状ろう試験片に初層を被覆した鋳型を浸漬した。次いで、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：１００メッシュピーク）をサンディングしてできた鋳型層（２層目）に、炭酸ガスを大気中で４０秒間吹きかけたところ、鋳型層は十分に硬化した。
【００１６】
実施例２
上記のバックアップ用スラリー中に、上記の板状ろう試験片に第２層を被覆した鋳型を浸漬し、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：６５メッシュピーク）をサンディングして鋳型層（３層目）を生成させた。この鋳型層を気密室に入れてから、この気密室をロータリーポンプで１分間減圧した後に、炭酸ガスを２０秒間送入したところ、鋳型層は十分に硬化した。
【００１７】
参考例５
けい酸カリ５００ｇとけい酸ソーダ５００ｇの混合品に対して、溶融シリカ粉末８００ｇを均一に混合したバックアップ層用スラリー中に、上記の板状ろう試験片に第３層を被覆した鋳型を浸漬した。次いで、これをスラリーから引き上げて、溶融シリカ砂（市販品、粒度：４８メッシュピーク）をサンディングしてできた鋳型層（４層目）に、炭酸ガスを大気中で４０秒間吹きかけた。これによって、十分に硬化した鋳型層が得られた。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、けい酸ソーダ又はけい酸カリあるいはこれらの混合物を粘結剤としたスラリー中にろう模型又はろう模型を包む鋳型を浸漬し、これをスラリーから引き上げて、サンディングすることによってできる鋳型層を、炭酸ガスと反応させることを特徴とするものであり、本発明によって、鋳型層を約１分間程度で硬化させることができる。すなわち、本発明の方法による鋳型の製造時間は、スラリー粘結剤としてコロイダルシリカを用いる場合のみならず、従来のエチルシリケートを用いる場合に比べても大幅に短縮される。また、気密室内での減圧による空気とのガス置換を利用すれば、鋳型層の硬化に要する炭酸ガスの消費量を節減できる効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の概要図である。
【符号の説明】
１ろう模型（ワックス模型ともいう）
２スラリーへの浸漬（スラリーは容器に入っている）
３サンディング（スラリーで被覆されたろう模型又は鋳型層の回りに砂を振りかける）
４インベストメント鋳型（通常、７層から成る）
５炭酸ガス（高圧ガスボンベからの圧力を１気圧程度に減圧して使う）

Claims

インベストメント精密鋳造鋳型の製造工程において、ろう模型又はろう模型を包む鋳型をアルカリ金属のけい酸塩を粘結剤とするスラリー中へ浸漬し、スラリーから引き上げられたろう模型上又はろう模型を包む鋳型上に砂状耐火物をサンディングし、鋳型層を生成させ、この鋳型層を気密室に入れ、この気密室をいったん減圧状態にした後に炭酸ガスを送入することによって、鋳型層を硬化することを特徴とするインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
アルカリ金属のけい酸塩として、けい酸ソーダ、けい酸カリの１種以上を使用することを特徴とする、請求項１に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
気密室をロータリーポンプで減圧した後に炭酸ガスを送入することを特徴とする、請求項１に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
炭酸ガスを、２０から３０秒間送入することを特徴とする、請求項１に記載のインベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。
請求項１に記載のスラリー浸漬から炭酸ガス処理までの工程を所定回数繰り返して鋳型を作製することを特徴とする、インベストメント精密鋳造鋳型の製造方法。