JP4198957B2 - 精密鋳造方法及びポンプ羽根車の精密鋳造方法及びポンプの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中子を必要とする鋳造品の精密鋳造方法及びポンプ羽根車の精密鋳造方法及びポンプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
中子を必要とする鋳造品の従来の精密鋳造方法の一例として、図３に示すような高圧ポンプのポンプ羽根車１００の鋳造方法について説明する。ここでポンプ羽根車１００は、主板１０１と側板１０３の間に複数枚の翼１０５を設けて構成されており、これを回転することで側板１０３に設けた入口１０７から流体を吸い込んで、主板１０１と側板１０３の間の出口１０９から流体を吐き出すように構成されている。そしてこのポンプ羽根車１００を製造する場合は、まず中子製作用金型を用意し、この中子製作用金型内にワックスを射出成形することで図８（ａ）に示すような中子型（水溶性）１２１を成形する。次に図８（ｂ）に示すように別途製作した主型製作用金型１２３内に前記中子型１２１を組み込んだ状態で、主型製作用金型１２３内に精密鋳造用ワックスを射出し、その後主型製作用金型１２３を取り外し、図８（ｃ）に示すように中子型１２１をいくるんだ状態の消失ワックス模型１２５を製作する。次に図８（ｄ）に示すように前記水溶性の中子型１２１を液につけて溶出させることにより、所望の消失ワックス模型１２５を得る。次に図８（ｅ）に示すようにこの消失ワックス模型１２５にスタッコイングを繰り返し、乾燥させることにより、消失ワックス模型１２５の周囲にセラミック鋳型１２９を形成する。次に図８（ｆ）に示すようにオートクレーブ処理をすることにより、内空間のワックスを消失させる。さらにこのセラミック鋳型１２９を焼成処理した後に、内空間に溶融金属を注湯し、セラミック鋳型１２９を取り除くことで図８（ｇ）に示すような所望の鋳造品（ポンプ羽根車）１００を得る。
【０００３】
しかしながら鋳造しようとする部品が、例えば図３に示すポンプ羽根車１００であって、水の出口１０９の幅Ｌが非常に狭いような場合は、この部分へのスタッコイングが困難になる。即ちスタッコイングは、前記図８（ｄ）に示す消失ワックス模型１２５にセラミックスラリーを付着してスラリー乾燥前に粉末状の耐火材料粉を付着させて乾燥する処理を複数回繰り返して行なうが、前述のように出口１０９の幅Ｌが非常に狭いような場合は、この狭い隙間内にセラミックスラリーや耐火材料粉がうまく付着しなかったり、詰まったりしてしまう。
【０００４】
一方上記鋳造方法の場合、中子型製作用の金型が必要となり、特に多品種少量生産の場合等は、製品当たりの型費用負担が相対的に大きくなり、もっと安価な鋳造方法が求められていた。
【０００５】
そこで他の鋳造方法として、三次元迅速造型装置を使用して、粉末樹脂や、ワックス、又は液体樹脂を選択的にレーザー照射することにより、図８（ｄ）の消失ワックス模型１２５に相当する消失模型を直接作製する方法も考えられる。この方法によれば、中子型１２１を作製しなくてもよく、従って中子型製作用金型も不要になる。
【０００６】
しかしながらこの鋳造方法においても、図８（ｅ）に示すスタッコイングの際に、水の出口１０９の幅Ｌが非常に狭いような場合は、この部分へのスタッコイングが困難になるという問題は同様にある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、中子型製作用の金型を用いないで、例え内部に狭い隙間がある鋳造品であってもこれを容易に鋳造できる精密鋳造方法及びポンプ羽根車の精密鋳造方法及びポンプの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため本願の請求項１にかかる発明は、粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置によりセラミック粉末と常温で固体の有機熱可塑性シリコン樹脂からなる有機バインダーの混合粉末から直接的にセラミック粉末製中子型を造型する工程と、前記セラミック粉末製中子型にエチルシリケートとアルコキシドを含浸して焼成することによりシリケートをエステル交換反応させて得られるシリカ（ＳｉＯ₂）成分と前記シリコン樹脂中のシリカ（ＳｉＯ₂）成分とアルコキシドよりガラス成分を生成して無機化し硬化したセラミック中子型を得る工程と、前記セラミック中子型を消失模型（ワックス製、又は発泡ポリスチレンや発泡ポリウレタン等の消失性樹脂製、又はワックスにポリスチレン等の消失性樹脂を含有させた複合材料製）内に組み込んで消失模型の周囲をスタッコイングすることで鋳型を形成する工程と、前記消失模型を消失させる工程と、鋳型内に溶融金属を注湯して鋳造品を得る工程と、を具備することを特徴とする精密鋳造方法である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置によりセラミック粉末と常温で固体の有機熱可塑性シリコン樹脂からなる有機バインダーの混合粉末から直接的にセラミック粉末製中子型及びセラミック粉末製主型を造型する工程と、前記セラミック粉末製中子型とセラミック粉末製主型とにエチルシリケートとアルコキシドを含浸して焼成することによりシリケートをエステル交換反応させて得られるシリカ（ＳｉＯ₂）成分と前記シリコン樹脂中のシリカ（ＳｉＯ₂）成分とアルコキシドよりガラス成分を生成して無機化し硬化したセラミック中子型とセラミック主型を得る工程と、前記セラミック中子型をセラミック主型内に組み込むことで構成された鋳型内に溶融金属を注湯して鋳造品を得る工程と、を具備することを特徴とする精密鋳造方法である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の精密鋳造方法によって、三次元形状を有するポンプ羽根車を精密鋳造するポンプ羽根車の精密鋳造方法である。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３に記載のポンプ羽根車の精密鋳造方法によってポンプ羽根車を精密鋳造する工程と、前記精密鋳造したポンプ羽根車をポンプに組み込む工程と、を具備することを特徴とするポンプの製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態としてポンプ羽根車の鋳造方法を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明を用いて図３に示すようなポンプ羽根車１００を鋳造する方法を示す図である。まず粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置により金型を用いずに直接的に図１（ａ）に示すようなセラミック粉末製中子型１０を造型する。この工程を具体的に説明すると、まず三次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）を使用して、前記中子型１０の三次元モデルデータを作成する。次に図２に示す粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置（選択レーザ焼結装置）１３０に前記三次元モデルデータを入力して、セラミック粉末と有機バインダーの混合粉末から、セラミック粉末製中子型１０を造型する。ここでセラミック粉末としては、例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ₂Ｏ₃等を使用する。また有機バインダーとしては、シリコン樹脂を使用する。シリコン樹脂はメチル基等の有機基を持った常温で固体の有機熱可塑性シリコン樹脂である。そして図２に示すチャンバー１３２内に、前記セラミック粉末に有機バインダーの粉末を混合してなる粉末状の素材を供給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈの粒子層１３４を形成する。そして炭酸ガスレーザー発生装置等のレーザー光源１３６からのレーザー光をミラー１３８を介して粒子層１３４に照射し、このレーザー光が照射された部分に位置する前記有機バインダーを選択的に溶融硬化（焼結）し、薄片１４０を形成する。以下この工程を繰り返して薄片１４０を順次積層し、所定形状のセラミック粉末製中子型１０を造型する。
【００１３】
前記造型したセラミック粉末製中子型１０は多孔質体なので、これにエチルシリケートとアルコキシド（この実施形態ではナトリウムエトキシド）を含浸して加熱焼成（約１０００℃）することで、このエチルシリケートをエステル交換反応させてＳｉＯ₂を得ると同時に、このＳｉＯ₂成分とシリコン樹脂中のＳｉＯ₂成分から無機化した結合材を生成することで無機化と同時に硬化処理されたセラミック中子型１５（形状は図１（ａ）に示すセラミック粉末製中子型１０と同じである）を得る。
【００１４】
即ち前記加熱焼成（約１０００℃）させる際、含浸したエチルシリケート（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₃Ｓｉ（ＯＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₂）ｎＯＣ₂Ｈ₅とアルコキシドであるナトリウムエトキシドＣ₂Ｈ₅ＯＮａは、それぞれ以下の反応を行なう。なおエチルシリケートの反応〔化学式１〕はエステル交換反応である。
（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₃Ｓｉ（ＯＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₂）ｎＯＣ₂Ｈ₅＋（ｎ＋２）Ｈ₂Ｏ＝（ｎ＋１）ＳｉＯ₂＋２（ｎ＋２）Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ …〔化学式１〕
Ｃ₂Ｈ₅ＯＮａ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋ＮａＯＨ …〔化学式２〕
【００１５】
以上の反応によって、Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ成分は揮発するので、結局ＳｉＯ₂とＮａＯＨが残る。そしてさらにこの焼成時に、両成分が以下に示す硬化反応を行なう。
２ＮａＯＨ＋ＳｉＯ₂＝Ｎａ₂Ｏ・ＳｉＯ₂＋Ｈ₂Ｏ …〔化学式３〕
【００１６】
この反応によって得られたＮａ₂Ｏ・ＳｉＯ₂は無機物のガラス成分であり、この無機物が結合材となって前記セラミック粉末を結合した無機物多孔質体になる。特に有機バインダーとしてシリコン樹脂（ＳｉＯ₂（ＣＨ₃）₂）ｎを使用した場合は、シリコン樹脂中のＳｉＯ₂成分が前記高温（１０００℃）での焼成の際に前記化学式３によってＮａ₂Ｏ・ＳｉＯ₂＋Ｈ₂Ｏになり、結合材の一部を構成することとなる。つまり有機バインダーとしてフェノールを用いた場合は、加熱の際に全てガス成分となってなくなってしまうが、シリコン樹脂を用いた場合はシリコン樹脂中のＳｉＯ₂成分は揮発せず、揮発するのはシリコン樹脂中の一部（２０重量％程度）の部分だけであり、かなりの量が無機物化して結合材として多孔質体中に残り、多孔質体の気孔の容積を小さくでき、好適である。
【００１７】
次に以上のようにして製造されたセラミック中子型１５を、図１（ｂ）に示すように、図３に示す主板１０１と側板１０３の形状を有する消失模型２０内に組み込む。この消失模型２０は、この例では発泡ポリスチレンのブロックを削り出し加工することによって形成されている。ポリスチレンの削り出しは、例えば主板１０１と側板１０３の形状をＣＡＤ設計し、このデータを用いてＮＣ（Numerical Control）加工により削り出す。なお消失模型２０は主型形成用金型を用いて作成しても良い。また消失模型２０は発泡ポリスチレンの代わりに発泡ポリウレタン等の他の樹脂材で形成しても良い。発泡ポリスチレンは発泡倍率１０〜５０倍、発泡ポリウレタンは発泡倍率２０〜４０倍が好ましい。
【００１８】
そして上述のように前記作成済みのセラミック中子型１５の上下にこのポリスチレン製の主板と側板からなる消失模型２０を接着材で貼り付けて図１（ｂ）の状態とする。
【００１９】
次にこれに図示しない押し湯部をつけてから、図１（ｃ）に示すように、消失模型２０の周囲にスタッコイングを複数回（１２層程度）繰り返すことで鋳型２５を形成させる。ここでスタッコイングは、図１（ｂ）に示すセラミック中子型１５を収納した消失模型２０を、耐火材であるＳｉＯ₂を骨材とするコロイダルシリカのセラミックスラリー（或いはＡｌ₂Ｏ₃を骨材とするアルミナのセラミックスラリー或いはジルコンを骨材とするジルコンのセラミックスラリー等）中に浸漬して付着させ、さらにスラリー乾燥前にその周囲に粉末状の酸化物耐火材料（ＳｉＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃又はジルコン等）を付着させて乾燥させる処理であり、これを複数回繰り返すことで鋳型（セラミック鋳型）２５が形成される。このスタッコイングは、消失模型２０の周囲のみに行ない、その内部に入り込まないようにする。
【００２０】
そしてこの鋳型２５を高温焼成炉に入れて高温（例えば１０００℃）で加熱処理して鋳型２５を焼成すると同時に、図１（ｄ）に示すように内部の発泡ポリスチレン製の消失模型２０を完全に消失させる。
【００２１】
そして図１（ｅ）に示すように消失模型２０の消失部分とセラミック中子型１５の内部とに形成されている鋳型２５の内部空間に溶融金属を注湯し、鋳型２５とセラミック中子型１５とを取り除けば、図１（ｆ）に示すような所望のポンプ羽根車（鋳造品）１００を得ることができる。
【００２２】
なお消失模型２０は、発泡剤の代わりに、ワックスを射出成形等することによって作成しても良い。ワックスを用いた場合は、図１（ｃ）に示す鋳型２５を高温焼成炉に入れて高温（例えば１０００℃）で加熱処理して鋳型２５を焼成する前に、オートクレーブ（例えば４００℃）することでワックスを溶かし出す。また消失模型２０として、ワックスにポリスチレンやポリウレタン等の樹脂を含有させた複合ブロックを用いても良い。この複合ブロックは例えばポリスチレンの粉末をオーブンで固めて、これにワックスを含浸して作成され、この複合ブロックを削り出すことによって消失模型２０が作成される。なおポリスチレンの含有率は３０〜７０％の範囲が好ましい。
【００２３】
本実施形態においては、セラミック中子型１５と鋳型２５は無機化処理されているので、鋳鉄のみならず、ステンレス鋳鋼の鋳造にも適用可能である。
【００２４】
一方スタッコイングを用いないで鋳造する本願の他の発明の実施形態として、図４に示すように、前記セラミック中子型１５を製造したのと同様の方法によって、ポンプ羽根車１００の外形を形成するためのセラミック上下型２１，２３（セラミック主型２４）を造型し（即ち前記図２に示す粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置１３０を用いてセラミック粉末と有機バインダーの混合粉末からセラミック粉末製主型を造型して、エチルシリケートとアルコキシドを含浸して焼成することにより無機化と硬化処理とを実施してセラミック主型２４を造型し）、これら上下型２１，２３内にセラミック中子型１５を組み付けて、鋳型補修用セラミックペーストで、組み付け部をシールして、再度焼成した後、内部に溶融金属を注湯することで鋳造品（ポンプ羽根車１００）を鋳造する。この方法によればスタッコイング不要の鋳造法とすることができる。本実施形態においても、セラミック主型２４とセラミック中子型１５は無機化処理されているので、鋳鉄のみならず、ステンレス鋳鋼の鋳造にも適用可能である。
【００２５】
以上のようにして鋳造されたポンプ羽根車１００は、図５に示すように、高圧ポンプ３５０内に設置したシャフト３７０に多数枚取り付けられ使用される。
【００２６】
製造される鋳造品は三次元形状を有するものであればどのようなものでも良いが、例えばポンプ、タービン、コンプレッサー、ブロワ等の回転機械を構成する羽根車、ガイドベーン、ガイドケーシング、ノズル（ノズルはタービンやコンプレッサーで使用する場合がある）等の鋳造品の製造に使用できる。鋳造品の他の具体例として、図６は前記鋳造方法によって鋳造された大型ポンプ（オープン型）の羽根車３１０を示している。そしこの羽根車３１０は図７に示すように、大型ポンプ３００内に設置したシャフト３２０の下端に取り付けられ使用される。
【００２７】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば以下のような優れた効果を有する。
▲１▼三次元迅速造型装置により直接的にセラミック粉末製中子型を造型して無機化と硬化処理とをすることでセラミック中子型を製造したので、中子製作用金型を用いないで鋳造品が製作できる。従って特に多品種少量生産の製品に対して適用すると、リードタイムの短縮とコスト低減を可能にすることができ、効果的である。また中子製作用金型が不要なので、これらを保管する手段も必要も無くなる。
【００２９】
▲２▼セラミック中子型を用いて鋳造するので、例え内部に狭い隙間がある鋳造品であっても鋳造欠陥なく、これを容易に歩留まり良く鋳造できる。
【００３０】
▲３▼無機化したセラミック中子型を用いたので、浸炭が起こらず、鋳鉄のみならず、ステンレス鋳鋼の鋳造にも適用可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いてポンプ羽根車１００を鋳造する方法を示す図である。
【図２】粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置（選択レーザ焼結装置）１３０を示す図である。
【図３】高圧ポンプのポンプ羽根車１００の斜視図である。
【図４】本発明の他の鋳造方法の説明図である。
【図５】高圧ポンプ３５０を示す概略断面図である。
【図６】大型ポンプの羽根車３１０を示す斜視図である。
【図７】大型ポンプ３００を示す概略断面図である。
【図８】従来のポンプ羽根車１００の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１０ セラミック粉末製中子型
１５ セラミック中子型
２０ 消失模型
２１，２３ セラミック上下型
２４ セラミック主型
２５ 鋳型
１００ ポンプ羽根車（鋳造品）
１０１ 主板
１０３ 側板
１０９ 出口
１３０ 三次元迅速造型装置
３００ 大型ポンプ
３１０ 羽根車
３２０ シャフト
３５０ 高圧ポンプ
３７０ シャフト

Claims (4)

1. 粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置によりセラミック粉末と常温で固体の有機熱可塑性シリコン樹脂からなる有機バインダーの混合粉末から直接的にセラミック粉末製中子型を造型する工程と、
   前記セラミック粉末製中子型にエチルシリケートとアルコキシドを含浸して焼成することによりシリケートをエステル交換反応させて得られるシリカ（ＳｉＯ₂）成分と前記シリコン樹脂中のシリカ（ＳｉＯ₂）成分とアルコキシドよりガラス成分を生成して無機化し硬化したセラミック中子型を得る工程と、
   前記セラミック中子型を消失模型内に組み込んで消失模型の周囲をスタッコイングすることで鋳型を形成する工程と、
   前記消失模型を消失させる工程と、
   鋳型内に溶融金属を注湯して鋳造品を得る工程と、を具備することを特徴とする精密鋳造方法。
2. 粉末焼結タイプの三次元迅速造型装置によりセラミック粉末と常温で固体の有機熱可塑性シリコン樹脂からなる有機バインダーの混合粉末から直接的にセラミック粉末製中子型及びセラミック粉末製主型を造型する工程と、
   前記セラミック粉末製中子型とセラミック粉末製主型とにエチルシリケートとアルコキシドを含浸して焼成することによりシリケートをエステル交換反応させて得られるシリカ（ＳｉＯ₂）成分と前記シリコン樹脂中のシリカ（ＳｉＯ₂）成分とアルコキシドよりガラス成分を生成して無機化し硬化したセラミック中子型とセラミック主型を得る工程と、
   前記セラミック中子型をセラミック主型内に組み込むことで構成された鋳型内に溶融金属を注湯して鋳造品を得る工程と、を具備することを特徴とする精密鋳造方法。
3. 請求項１又は２に記載の精密鋳造方法によって、三次元形状を有するポンプ羽根車を精密鋳造するポンプ羽根車の精密鋳造方法。
4. 請求項３に記載のポンプ羽根車の精密鋳造方法によってポンプ羽根車を精密鋳造する工程と、前記精密鋳造したポンプ羽根車をポンプに組み込む工程と、を具備することを特徴とするポンプの製造方法。

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