JP4751598B2 - 強化されたシェルモールド及び該シェルモールドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融した金属又は合金のセラミックインベストメントシェルモールドに関する。より具体的には、高い鋳込温度におけるモールドの引張強度を向上させ、鋳込後周囲温度への冷却中のシェルモールドの圧縮強度を低下させることによって、鋳造の熱亀裂(割れ)、再結晶その他の欠陥を低減又は解消させるために、繊維強化されたセラミックシェルモールドに関する。

インベストメント鋳造法とロストワックスシェルモールドの作製方法は広く知られており、例えばオーパーホールの米国特許第３１９６５０６号及び第２９６１７５１号に記載されている。ロストワックスシェルモールドの作製方法は、被鋳造物品のワックスその他の消失性模型(fugitive pattern)を、セラミックスラリーの中への浸漬し、セラミックスラリー層を形成し、余分なスラリーを取り除き、該スラリーに粗いセラミック粒子を振りかけて(スタッコイング)、スラリー層の上にスタッコ層を形成し、得られた層を乾燥させることを繰り返して行ない、所定壁厚のシェルモールドを模型上に作製するものである。生(green)即ち未焼成のグリーンシェルモールドと模型の組立体は、次に、模型除去作業が行われ、模型は、シェルモールドから選択的に取り除かれる。一般的に用いられているワックス模型除去技術は、急速脱ワックスであり、グリーンシェルモールド／模型の組立体を高温のオーブンの中に入れると、ワックス模型は速やかに溶解し、グリーンシェルモールドから脱ワックスされる。模型を除去した後、溶融金属又は合金の鋳造に必要なモールド強度を得るために、シェルモールドは高温で焼成される。

しかしながら、従来のロストワックス法のセラミックシェルモールドは、前述の模型除去作業中に、モールドに割れが生じ易いという問題がある。
超合金成分のＤＳ(一方向凝固)鋳造において、セラミックシェルの性能向上を図る技術が提案されている。例えば、米国再発行特許第３４７０２号には、作製工程の中間モールドの厚さ部の周りに、アルミナ基又はムライト質強化繊維を連続螺旋状に巻き付ける実施例が開示されている。米国特許第６３６４０００号には、この目的のために、１又は２種以上の連続したカーボン系強化繊維をセラミックシェルモールド壁に配置する例示的な実施例が開示されている。

しかしながら、セラミックインベストメントシェルモールドは、圧縮強度が、引張強度よりもずっと大きい。シェルモールドは、高温の溶融金属材料が鋳込まれた後、室温まで冷却される。冷却中に、シェルモールド内の溶融材料は凝固して、液相から固相に変化し、鋳物が形成される。金属材料が固体になると、金属材料の膨張率はセラミックシェルモールドよりも遙かに大きい。それゆえ、金属材料(鋳造品)の熱収縮は、セラミックシェルモールドによって拘束される。固体鋳造物とシェルモールドとの間に寸法不一致があると、鋳造物の全体に引張応力、セラミックシェルモールドの全体に圧縮応力が生ずる。固体鋳造物の引張応力は、一般的には、複雑な鋳造形状部分で局部的に大きくなるので、鋳造割れ(熱亀裂)、単結晶鋳造における結晶粒の再結晶化、その他の重大な鋳造欠陥を生ずる。

本発明はセラミックシェルモールドの作製方法に関するもので、被鋳造物品の消失性模型にセラミックスラリー層のコーティングを形成し、該セラミックスラリー層の上に耐火スタッコ(refractory stucco)を付着することを繰り返して行なうことにより、模型上に複数のセラミック層とスタッコ層を形成するものであり、少なくとも一部には、消失性有機質バインダーで固着された複数束の不連続スタッコ繊維により、１層又は２層以上のスタッコ層が形成される。

本発明の望ましい実施例において、１層又は２層以上のスタッコ層の形成は、消失性有機バインダーで固着された複数束の不連続スタッコ繊維を付加(applying)した後、ランダムな方向をもつ不連続スタッコ繊維束の上に、粉末状の粒状スタッコ粒子を付加して、不連続繊維束の基礎になるセラミックスラリー層の上に不連続スタッコ繊維束を充填することにより行なう。充填された不連続スタッコ繊維束の大部分がスラリー層に付着するように、基礎となるスラリー層がまだ濡れている間に、粒状スタッコ粒子を好適には不連続スタッコ繊維束の上に付着させる。粒状スタッコ粒子は、好適にはランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維の上に付着して、スタッコ層が形成され、該スタッコ層は、その表面及び内部に不連続スタッコ繊維束及び粒状スタッコを含むマットから構成される。

本発明の例示であって限定するものではない実施例において、粒状スタッコ粒子(granular stucco particles)は、粒状スタッコ粒子を重力により落下させて不連続スタッコ繊維束(discontinuous stucco fiber bundles)の上に雨のように降らすことによって付加される。

本発明はまた、スタッコ層のうちの少なくとも１層は、不連続なスタッコ繊維束と粒状スタッコ粒子から構成されるセラミックシェルモールドを提供するものである。

本発明によるシェルモールドは、模型除去作業の際に、モールド割れに対して抵抗力を有するという利点があり、さらには、鋳込まれた金属物品が凝固後室温に冷却されるまでのシェルモールドの圧縮強度を小さくして、熱亀裂(割れ)の発生、再結晶及びその他の欠陥を低減又は解消することができる。

本発明の上記及びその他の利点は、図面に基づく以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、本発明に適用できるロストワックス法のセラミックシェルモールド作製工程を示しており、セラミックシェルモールドは、被鋳造物品の消失性模型に、耐火性粉末スラリー(液体バインダーに入れられたセラミック粉末)のコーティングを施してスラリー層を形成し、余分なスラリーを取り除き、該スラリー層に耐火スタッコを振りかけて(スタッコイング)、スラリー層の上にスタッコ層を形成し、これを、シェルモールドが所定壁厚に達するまで繰り返して行なうものである。消失性模型は、当該分野で広く知られているように、ワックス、ワックス／ポリマー混合物、ポリマー又はその他消失性材料を用いて、鋳込まれる物品の形状に形成される。形成された消失性模型は、公知の模型除去技術(例えば、溶融、リーチング(浸出)及び／又は蒸発等)を用いて、その周りを被覆するグリーンシェルモールドから除去される。

図１において、模型Ｐは、容器(10)に収容された耐火材粉末(例えばセラミック粉末)のスラリー(11)の中に浸漬される。次に、模型は、容器(10)の上方にて一時的に所定時間保持することにより、余分な耐火材スラリーを切る。スタッコ付加ステーション(12)では、耐火スラリー層が濡れている間にスタッコイングが行なわれる。模型Ｐは、一般的には、ロボットアームＲによって移動させられる。本発明の実施例において、スタッコ付加ステーション(12)は、不連続なスタッコ繊維束(14)を模型に付着させるための繊維束スタッコ付加装置(12a)と、少なくとも一層のスタッコ層を形成するために粒状スタッコ粒子(15)を付着させるための粒状スタッコ付加装置(12b)とを具えており、本発明の不連続スタッコ繊維束(14)と粒状スタッコ粒子(15)を含んでいる。
他のスタッコ層として、粒状スタッコ粒子だけを含むものであってよく、この粒子は、粒状スタッコ付加装置(12b)で模型に付加される。即ち、スタッコ層をスタッコ粒子だけで構成する場合、繊維束スタッコ付加装置(12a)は使用しない。スタッコ付加装置(12a)(12b)は、夫々、ビン(20a)(20b)を有する従来のスタッコタワーから構成し、該タワーの中に、スタッコ繊維束とスタッコ粒子が夫々入れられる。

スタッコイングされた耐火スラリー層を有する模型Ｐは、次に、空気中又は公知の乾燥装置の中で乾燥される。乾燥後、模型Ｐは、シェルモールドが所定の壁厚になるまで、前記と同様、浸漬、余分スラリーの除去、スタッコイング及び乾燥工程が行われる。セラミックスラリー及びスタッコ層については、米国特許第２９３２８６４号、第４１１４２８５号及びＵＳＳＮ０９／６９０１４４号に開示されている。

ロストワックス法では、まず最初に、１層又は２層以上のいわゆる下地(耐火スラリー)層と下地スタッコ層が模型に施され、シェルモールドの中で鋳込まれる溶融した金属又は合金と接触するフェイスコートとなる。フェイスコートが形成された模型は、シェルモールドが所定の壁厚に達するまで、スラリーの浸漬、余分スラリーの除去、スタッコイング及び乾燥の工程が繰り返して行われ、下地スラリー層の上に仕上げのスラリー層／スタッコ層が形成される。
一般的に、下地層で用いられるスラリーの耐火材粉末は、仕上げ用スラリーのものよりも微細である。同様に、下地スタッコ層の粉末も、仕上げスタッコ層よりも微細である。下地のスラリー／スタッコは、セラミック等の耐火材から構成され、反応に悪影響を及ぼすことなく溶融金属又は合金に接触できるフェイスコートが形成される。仕上げスラリー及び仕上げスタッコは、耐火材粉末及び耐火材スタッコから構成されるが、これらは、下地層スラリー／スタッコに用いられる材料と異なっていてもよいし、同じでもよい。
ニッケル基及びコバルト基の超合金を鋳造するためのシェルモールド層に用いられる耐火材粉末／スタッコは、一般的には、米国特許第４９６６２２５号、第５３３５７１７号、第５９７５１８８号等に記載されたセラミック粉末／スタッコであるが、例えば、米国特許第５２９７６１５号に記載されるように、グラファイト、窒化物、炭化物その等の耐火材を用いることができる。これらの特許は全て、引用を以て本願への記載加入とする。

本発明は、シェルモールドに、不連続スタッコ繊維束(14)を付加し、付加されたスタッコ繊維束の上に粒状スタッコ粒子(15)を付加ことにより、少なくとも１つ、好ましくは複数のスタッコ層を形成するものである。不連続スタッコ繊維束は、各々が、有機質バインダー(14b)で固着された複数の不連続スタッコ繊維(14a)を含んでいる(図２Ａ参照)。本発明の一実施例において、装置(12a)(図１参照)にて、不連続なスタッコ繊維束を付加し、次に、装置(12b)にて前記スタッコ繊維束に粒状スタッコ粒子を振りかける（図１参照)。最初はランダムな方向性を有する不連続スタッコ繊維束(14)(図２Ａ参照)が、不連続繊維束の下にあるスラリー層に衝突して充填される。粒状スタッコ粒子(15)は、不連続スタッコ繊維束(14)の下にあるスラリー層がまだ濡れている間に、スタッコ繊維束(14)の上に付加されることが好ましい。この場合、スタッコ粒子の落下によって不連続スタッコ繊維束(14)に衝突し、スタッコ繊維束(14)の大部分、望ましくは７５％以上、より望ましくは８０〜９０％が充填されて、スラリーに付着する。スタッコ粒子は、ランダムな方向性を有する不連続スタッコ繊維束の上に振りかけられ、不連続スタッコ繊維束(14)が充填された略二次元マット状のスタッコ層が形成される。粒状スタッコ粒子(15)は、図２Ｂに示されるように、マットの上及び中に存在する。なお、図２Ｂ中、粒状スタッコ粒子は点(ドット)で示している。

不連続なスタッコ繊維束(14)は、例えば、９５重量％よりも高純度の非晶質シリカ繊維、アルミナ繊維、カーボン繊維又はグラファイト繊維の他、形成される具体的シェルモールド及び用いられる具体的鋳造パラメータに適した有機質繊維から構成することができる。繊維(14a)は、その周囲及びその間に存在する消失性有機バインダー(14b)によって、夫々の束の中で固着される。

ニッケル基及びコバルト基の超合金の方向性凝固に使用する場合、スタッコ繊維(14a)は、シェルモールドの鋳込温度に適した高温特性を有している。例えば、超合金の単結晶鋳造に用いられるスタッコ繊維は、有害相が生成する約２７００〜２８５０^OＦのシェルモールドの鋳込温度で、他のシェルモールドの材料と反応してはならないし、そのような鋳込温度でシェルモールドの高温クリープ速度が有意的な上昇してはならない。等軸結晶粒の超合金成分を鋳造するのに用いられるスタッコ繊維の場合、２０００〜２４００^OＦのシェルモールド温度に適合する高温特性を有していなければならない。

消失性有機バインダー(14b)は、一般的には、繊維束(14)の全体の約４重量％であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の実施に際しては、各々の繊維束(14)について含有量を変えることはできる。バインダーは、一般的には、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)、アクリルラテックス、フェノール樹脂等の熱分解性材料から構成することができる。

各繊維束(14)の代表例として、１０００〜５０００繊維、束の直径約０.０１〜約０.０２インチ、束の長さ約０.１〜約０.５インチを挙げることができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の実施に際して、繊維数、束の直径及び束の長さが異なる繊維束を用いることができる。スタッコ繊維(14a)は不連続で比較的短い繊維長であり、長さは繊維径よりも大きい。スタッコ繊維の繊維径は、前記の長さ範囲では、一般的には５〜５０ミクロンであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の実施に際し、他の繊維径のスタッコ繊維を用いることができる。スタッコ繊維の代表的なアスペクト比(直径に対する長さの比)は、約１０〜約５０である。

スタッコ粒子(15)は、ずんぐりした(blocky)形態の粒子でアスペクト比は２よりも小さく、代表的な粒子形状は、これまでのロストワックスシェルモールドプロセスで用いられ、前述の米国特許に記載されている。粒状スタッコ粒子は、シリカ、アルミナの他、形成される具体的なモールド及び用いられる具体的な鋳造パラメータに適した適当な耐火材から構成することができる。不連続なスタッコ繊維(14a)と粒状スタッコ粒子は、同じ耐火材料又はセラミック材料でもよいし、異なる耐火材料又はセラミック材料でもよい。

スタッコ付加装置(12a)(12b)は、夫々、高い位置にビン(20a)(20b)を有する従来のスタッコタワーを具えており、該タワーの中に、スタッコ繊維束(14)とスタッコ粒子(15)が夫々入れられる。
装置(12a)において、不連続なスタッコ繊維束(14)は、ビン(20a)から投下され、重力作用によって、ウエット状態の模型Ｐの耐火材層の上に雨のように降りかかる。なお、模型Ｐは、容器(20a)の下の予め選択された距離(例えば、２０〜６０インチ)に配置され、スタッコ繊維束が、ウエット状態の耐火スラリー層の表面全体に衝突して覆うことができるように、回転させられている。一般的に、不連続なスタッコ繊維束(14)は、耐火スラリー層を完全に被覆した後、さらに付着することなく模型から落下することが観察されるまで、容器(20a)からの投下が続けられる。なお、予め決められた量のスタッコ繊維束をある時間にわたって投下することもできる。図２Ａに示すように、不連続なスタッコ繊維束(14)は、ランダムな向きの繊維束(14)の三次元配列の濡れたスラリー層に付着する。
装置(12b)において、粒状スタッコ粒子(15)は、ビン(20b)から投下され、重力作用によって、模型Ｐのいまだにウエット状態の耐火材層の上に雨のように振りかかる。なお、模型Ｐは、容器(20b)の下の予め選択された距離(例えば、２０〜６０インチ)に配置され、粒状スタッコ粒子が、スタッコ繊維束に衝突して、いまだウエット状態の耐火スラリー層の上に付着するように、回転させられている。一般的に、粒状スタッコ粒子(15)は、先に投下された粒状スタッコ粒子が完全に被覆した後、さらに付着することなく模型から落下することが観察されるまで、ビン(20b)からの投下が続けられる。なお、予め決められた量のスタッコ粒子をある時間にわたって投下することもできる。本発明の実施に際しては、公知のどんなスタッコタワーを用いることもできる。本発明の実施に用いられる具体的なスタッコタワーについては、本願と共通の譲受人に付与された米国特許第６５０３３２４号に記載されており、その開示は引用を以て本願への記載加入とする。

スタッコ繊維束(14)又は粒状スタッコ粒子(15)の模型への付加は、他の手段を用いて行なうこともできる。他の手段として、スプレーコーティング、流動床コーティングがあり、その他にも、スタッコ繊維束に充填して、模型上に二次元型構造体を形成するのに十分なエネルギーを供給できる技術を挙げることができる。

本発明に基づいて、不連続なスタッコ繊維束(14)を付着させた後、ランダムな向きを有する不連続スタッコ繊維束にスタッコ粒子(15)を付着させることによって形成した１又は２以上のスタッコ層は、シェルモールド壁(25)の中間スタッコ層を含むことが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、不連続なスタッコ繊維束(14)とスタッコ粒子(15)を有するスタッコ層は、一層ずつ形成されるので、第３、第４、第５、第６、等々のシェルモールド壁の中間スタッコ層を具えることもできるが、これらは、発明を限定するものではない。。

図２Ｂに示すランダムな向きの不連続スタッコ繊維束(14)の上に粒状スタッコ粒子(15)を付加することによって形成された本発明のスタッコ層は、不連続なスタッコ繊維のみから構成されスタッコ粒子を含まないスタッコ層と比べて、シェルモールドの壁厚部の空隙率は小さく、また、繊維架橋(fiber-bridging)(繊維は互いに橋架けして空隙を生成する)が少ない。粒状スタッコ粒子が付加されることにより、ランダムな方向性をもつ不連続スタッコ繊維が再配列して、粒状スタッコ粒子(15)の一部は、スタッコ繊維束(14)と高密度のシェルモールド壁(25)との間の空間に充填され、繊維充填密度がより高くなる。これについては、図３と図４にその比較が示されている。

本発明に係るシェルモールドは、１又は２以上の複合スタッコ層(不連続スタッコ繊維束(14)と粒状スタッコ粒子(15)からなる)なしのシェルモールドより、大きな引張強度と靱性(クラック伝播に対する抵抗性)を示し、模型除去作業中のモールド割れに対する抵抗力にすぐれる利点がある。
また、本発明に係るシェルモールドは、凝固した鋳造品が周囲温度まで冷却する間の圧縮強度が小さいので、鋳造の熱亀裂(割れ)、再結晶その他の欠陥が低減又は回避される。例えば、グリーン(未焼成の)シェルモールドが、前述の模型組立体の上に作製された後、グリーンシェルモールド／模型の組立体は、模型除去作業に付され、模型は、シェルモールドから選択的に取り除かれる。一般的に用いられているワックス模型除去技術は、急速脱ワックスであり、グリーンシェルモールド／模型の組立体を高温のオーブンの中に入れると、ワックス模型は速やかに溶解し、グリーンシェルモールドから脱ワックスされる。模型を除去した後、溶融金属又は合金の鋳造に必要なモールド強度を得るために、シェルモールドは高温で焼成される。グリーンシェルモールドは、焼成によって消失性有機バインダー(14b)を燃焼させるか又は別な方法で除去され、前記スタッコ繊維束を含む１又は２以上のスタッコ層の中のスタッコ繊維の周囲又は間に空間又は空隙が形成される。個々のスタッコ繊維は柔軟性を具え、鋳造後のシェルモールドに存在する空間及び／又は他の空隙の中で屈曲又は撓むことができるので、シェルモールドの圧縮強度は小さくなり、鋳造時の応力は低下し、それゆえ、シェルモールドの室温への冷却過程における金属鋳造欠陥率は低下する。バインダーを燃焼又はその他の方法で除去すると、前記スタッコ繊維を含む１又は２以上のシェルスタッコ層の中に弱い界面(weak interfaces)が数多く発生し、これもまた、シェルモールドの圧縮強度を低下させるので、室温への冷却過程における鋳造時の応力及び鋳造欠陥は低下する。
結局のところ、シェルモールドの圧縮強度は、シェルモールドが押しつぶされるほどに小さく、十分に小さい応力レベル(又は高温度)で崩壊又は降伏するので、固体金属鋳造時の応力は、割れ(熱亀裂)等の鋳造欠陥を生ずる大きさには達せず、また、模型除去、モールドの取扱い及び鋳造の際にシェルモールドに必要な引張強度を低下しない。また、繊維の撓みと屈曲によって圧縮強度は低下するが、さらにこれに加えて、シリカスタッコ繊維束(14)を用いると、２００℃以下では、圧縮強度がさらに低下する。例えば、繊維束のシリカスタッコ繊維は、単結晶温度(２７００〜２８００^OＦ)で不透明にたってクリストバライトになり、冷却中、２００℃で相変化する。この相変化で体積が大きく減少するので、繊維に割れ及び強度低下をもたらす。もし、カーボンスタッコ繊維束又はグラファイトスタッコ繊維束が用いられると、カーボン又はグラファイトの制御された酸化によって、シェルモールドの圧縮強度が低下する。
次の実施例は、本発明を限定することなく更に例示するためのものである。

以下の表１に示されるセラミックスラリー層／スタッコ層を同じワックス模型に適用することにより、米国特許第４９６６２２５号に記載されるロストワックス工程によりシェルモールドを作製した。

表１に示されるように、第１(上面層)、第２、第３，第７及び第８の層のセラミックスラリーとスタッコは同じものである。スラリーＡは、１２ｎｍサイズのコロイドシリカバインダー液体(Grace Chemicals Corp.製LUDOX HS30バインダー)を用いたアルミナ基スラリーから構成した。スラリーＢ、Ｃ及びＤは、それぞれ１２ｎｍサイズのコロイドシリカバインダー液体を用いたジルコン基スラリーから構成した。２種類のスラリーを用いた浸漬用液は、Ｂ／Ｃ(後の試料では、Ｂ／Ｄ)で表しており、広く知られているように、これは、最初に低粘度のスラリーに浸漬した後に標準の高粘度スラリーに浸漬することを表す。第１スタッコ層用のスタッコは、−１２０メッシュの融解アルミナ粒状スタッコ(−１２０メッシュは１２０メッシュより細かい粒子を意味する)である。第２スタッコ層用のスタッコは、−９０メッシュの融解アルミナ粒状スタッコである。第３スタッコ層用のスタッコは、２８×４８メッシュの板状アルミナ粒状スタッコで、スタッコ粒子の粒径は２８メッシュより小さく４８８メッシュよりも大きい。残りの層のスタッコは、１４×２８メッシュの板状アルミナ粒状スタッコである。また、第４、第５及び第６の層に用いたセラミックスラリーは同じものであった。しかし、第４、第５及び第６のスタッコ層については、モールド試料Ａの作製における第４、第５及び第６のスタッコ層が１４×２８の板状アルミナのみにより構成されるのに対して、モールド試料Ｂの作製における第４、第５及び第６のスタッコ層は１／４インチ長さに切り刻まれた(不連続な)「Ｑ」繊維束のみによって構成された点において異なる。モールド試料Ｃの作製においては、第４、第５及び第６のスタッコ層は、１／４インチ長さに切り刻まれた「Ｑ」繊維束により構成した後、本発明に係る繊維スタッコを充填するために粒状の１４×２８スタッコ粒子を付着させた。

不連続に切り刻まれた「Ｑ」繊維束はシリカから成り、個々の繊維径は９〜１４μｍで、繊維束の直径は０.０１〜０.０２インチ、繊維束の長さは１／４インチである。繊維束は、切り刻まれていない「Ｑ」繊維ヤーン(石英シリカ)から作られており、これは、ケンタッキー州ルイスビルリーストリートウエスト１６００のSaint-Gobain Quartzから入手可能である。連続した「Ｑ」繊維は、有機バインダー(例えば、ＰＶＡ又はラテックス)の液槽から引き出され、ノースカロライナ州ラレイのOMNIA LLCで切り刻まれて、ＰＶＡバインダーによって接着された「Ｑ」繊維の束が形成される。１４×２８粒状スタッコ粒子は、２８メッシュよりも小さく４８メッシュより大きい粒径を有する粒子により構成され、また板状のアルミナによる構成である。１４×２８アルミナ粒状スタッコ粒子は、アーカンソー州ボーキサイトのAlcoa Alumina and Chemiclasから入手可能である。メッシュ寸法は、米国標準ふるい分けシステムによっている。モールド試料の作製において、「Ｑ」スタッコ繊維束と１４×２８アルミナ粒状スタッコ粒子はともに、各モールド試料を作製中に、模型の上５フィートの高さから自由落下によって模型に付着させた。

図３はシェルモールド試料Ｂ、図４はシェルモールド試料Ｃについて作製された壁を示している。シェルモールドＢとＣとの大きな違いは、モールド試料Ｃが所定のシェルモールド壁厚に対する空隙率が小さく、繊維架橋が少ない(繊維が互いに架橋すると空隙が形成される)という点にある。スタッコ繊維束がランダムな方向性をもち、繊維架橋が形成されていることは、図３の試料Ｂにおいて明らかであり、その両方とも、壁の空隙率が増加し、モールド壁中のボイド欠陥の数が増えて、モールド強度が低下する。例えば、外側モールド試料表面の突起部ＰＪ(図３の左手側)は、試料壁の面の外側方向でかつ横方向を向いた不連続スタッコ「Ｑ」繊維束である。幾つかの大きなボイドＶが見られ、ランダムで不連続なスタッコ繊維束に連繋されている。図４に示されるように、粒状スタッコ粒子の付着によって、不連続スタッコ繊維が再配列し、繊維の充填密度はより高くなり、粒状のスタッコ粒子がスタッコ繊維間の空間に充満して、より高密度で高強度のシェルモールド壁が形成される。

試料Ａ、Ｂ及びＣについて求められた機械的特性を、以下の表２に示す。

結果に示されるように、モールド試料Ｃは、試料Ａと同様な強度と空隙率を保持し、ＥＢＰ(ＥＢＰは破断点までのエネルギーで、単位はlbf-inである)は向上している。しかし、試料Ｂは強度が低下し、繊維架橋のために空隙が多くなっている。本発明の試料Ｃは、全体的な機械的特性は著しく向上しており、模型の除去、模型の取扱い及び鋳造時におけるシェルモールドの割れ発生の可能性は少なくなる。

この実施例は、模型除去中のシェルモールド性能が本発明の実施によってどのように向上するかを示すものである。図５の楔形ワックス模型を用いて、シェルモールドの割れ可能性を試験した。この楔形模型は、楔の端部に沿ってシェルモールド割れがしばしば発生する。

試験用の楔形シェルモールドを、以下の表３に示すように作製した。スラリーＡ及びＢは、実施例１のスラリーＡおよびＢと同じである。スラリーＤは、実施例１のスラリーＣと同様、有機バインダー濃度が高い。楔型モールドＡ１、Ｂ１及びＣ１は、繊維強化材料を用いずに作製され、別のセットＡ２、Ｂ２及びＣ２は、「Ｑ」繊維強化材料を用いて作製した後、実施例１に記載した１４×２８板状アルミナスタッコ(表３中、１４−２８で示される)の繊維束の上に付着させた。蒸気による脱ワックス作業で模型を取り除いた後、各々の楔形モールドを検査し、全てのシェルモールドに対して、割れた楔形モールドの割合を計算し、割れの発生率を調べた。なお、表３中、「２８−４８」と「１４−２８」は、表１のメッシュサイズ「２８×４８」と「１４×２８」の粒状スタッコに対応する。

楔形シェルモールド試料Ａ１〜Ｃ２を蒸気オートクレーブの中に入れて、ワックス模型を除去する。蒸気による脱ワックスを行なった後、各々の楔形モールドを検査し、全てのシェルモールドに対して、割れた楔形モールドの割合を計算し、割れの発生率を調べた。その結果を表４に示す。

蒸気オートクレーブによる脱ワックスでは、Ｑ繊維強化シェルモールドＡ２、Ｂ２及びＣ２は、どのモールド試験に対しても割れの発生は認められなかった。これに対して、標準(Ｑ繊維強化せず)のシェルモールドＡ１、Ｂ１及びＣ１では割れが発生した。２層のＱ繊維束層を含む７層のモールド試料Ｃ２に割れ発生はなかったが、これより厚い９層のモールド試料では１００％割れが発生した。本発明により作製されたシェルモールドは、脱ワックス性能が実質的に向上していることがわかる。

また、上記のシェルモールド試料について、始めに１６００^OＦまで加熱された炉の中で脱ワックスを行なった。楔形試料シェルモールドを炉の中に押し込み、ワックス模型を除去し、炉から取り出して検査した。各々のシェルモールド試料の割れ発生率を計算し、その結果を表５に示す。

加熱された炉の中での急速脱ワックスの実験結果では、本発明の実施例のシェルモールドは、割れは著しく減少することを示している。例えば、Ｑ繊維強化材料を有する８層シェルモールド(試料Ｂ２)では割れは発生しなかったが、Ｑ繊維強化材料を含まない標準シェルモールド(試料Ｂ１)では全てに割れが発生した。

米国特許第４９６６２２５号に記載されたロストワックス法を使用し、次の表６に示すセラミックスラリー層／スタッコ層を、同じワックス模型に付加することにより、圧縮モールドスプールの試料を作製した。

セラミックスラリーＡ、Ｂ及びＣは、表１に記載のものと同じである。板状アルミナについても同様、表１に記載のものと同じである。不連続に切り刻まれた「Ｈ」繊維束は９５％以上がシリカから成り、個々の繊維径は５〜１０μｍで、繊維束の直径は０.０１〜０.０２インチ、繊維束の長さは１／４インチであり、メーカーから入手した消失性ＰＶＡバインダーが含まれている。ＰＶＡバインダーを有し、所定長さに切り刻まれた「Ｈ」繊維ヤーンは、デラウエア州１９８０８、ウイルミントン、グリーンバンクロード９００のAmetek Chemical Products Divisionより入手した。

不連続に切り刻まれた「Ｑ」繊維束は、シリカから成り、個々の繊維径は９〜１４μｍで、繊維束の直径は０.０１〜０.０２インチ、繊維束の長さは１／４又は３／８インチである。切り刻まれていない「Ｑ」繊維ヤーン(石英シリカ繊維)は、ケンタッキー州ルイスビルリーストリートウエスト１６００のSaint-Gobain Quartzから入手可能である。連続した「Ｑ」繊維ヤーンは、有機バインダー(例えば、ＰＶＡ又はラテックス)の液槽から引き出され、ノースカロライナ州ラレイのOMNIA LLCで切り刻まれて、ＰＶＡバインダーによって接着された「Ｑ」繊維の束が形成される。

図６Ａに示すスプール形状のワックス模型を用いて、試験用スプールを作製した。模型を浸漬し、表６に示す様々な手順に基づいてスタッコイングを施した。シェルモールド層を完全に乾燥させた後、セラミックで被覆された各々の試験用スプール試料の両端部を、図６に示すとおり切断した。作製された圧縮試験用スプール試料の１つを図６Ｃに示す。切断された試験用スプール試料を蒸気で脱ワックスして、ワックス模型を除去する。試験用試料は、大気中で、１６００^OＦで２時間焼成した後、室温まで冷却した。次に、焼成された試験用試料を、圧縮試験前に、カオウール断熱材で被覆した。

圧縮試験を行なうために、試験用試料を炉の中に入れ、２２００^OＦで４時間加熱した。表６の各グループの４つの試験用試料を炉から引き出し、試験用オーブンの中で高温圧縮強度を調べた。圧縮試験中、熱電対を取り付けておき、各グループの１つの試験試料について、実際の試験温度を測定した。次に、オーブンの温度を２０００^OＦ、１５００^OＦ及び室温へと夫々降温した。各温度で、４つの試験用試料の実際の温度を調べた。実際の温度は、図７及び図８において、括弧で示している。

図７及び図８は、各グループの試験用スプール試料Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４について、様々な温度における高温圧縮試験の結果を示している。標準の試験用試料Ａ１は、温度が２２００^OＦから１５００^OＦに降温したとき、圧縮強度と耐荷重能力は増加することを示した。２２００^OＦで圧縮強度が低くなるのは、シリカセラミックスラリーバインダーの軟化によるものである。焼成された試験用試料が室温まで冷却すると、圧縮強度は、１５００^OＦでの強度の約５５％まで低下した。高温でシリカからクリストバライトへ移行し、次に冷却されて、約２００^OＦでクリストバライトに変化していると、マイクロクラッキングの原因となり、シェルの強度が弱くなる。

これに対して、本発明の実施例であって、繊維束で強化されたシェルモールドの試験用試料Ａ２、Ａ３及びＡ４は、表４の比較用シェルモールドと比べて、高温圧縮強度は最大４９％低下することを示した。このように、圧縮強度が低下すると、高温亀裂が少なくなり、単結晶鋳造品の再結晶欠陥は抑えられる。

例えば、６つのシェルモールドを、以下の表７に示す浸漬・スタッコ作業例Ａ又はＢによって作製した。各モールドは、１８個のコアを有するエアフォイル(航空機の翼)用ワックス模型の組立体の周りに作製された。これらモールドのうちの３つは、標準の作業例Ａを用いて作製し、他の３つは、作業例Ｂに基づいて作製し、繊維束の後に１４−２８アルミナスタッコを用いて、本発明に係る第４モールド層が形成されている。蒸気オートクレービングとガス燃焼式キルンの中で燃焼させて、模型を除去した後、公知の一方向凝固鋳造法によって６つのモールドを鋳込んで、単結晶ニッケル基超合金エアフォイルを作製した。作業例Ａのシェルモールドで作製された５４の単結晶鋳造エアフォイルのうちの６つ(即ち、鋳造エアフォイルの１１％)が、鋳込み後の冷却中の応力で生じた再結晶(ＲＸ)発生による欠陥があった。これに対し、モールドの第４層に繊維束を有する作業法Ｂのシェルモールドを用いた場合、作製された５４の単結晶鋳造エアフォイルのうちの１つ(即ち、鋳造エアフォイルの２％)だけが、再結晶発生による欠陥があった。これは、再結晶による廃棄品の減少率が８３％であることを示す。

表７において、スラリーＥは、１２ｎｍのコロイド状シリカバインダーを用いたジルコニア基スラリーであり、スラリーＦは、１２ｎｍのコロイド状シリカバインダーを用いたアルミナ基スラリーである。スラリーＢとＣは、前述のものと同じである。アルミナスタッコの９０、１２０、２８−４８及び１４−２８についても前述の通りである。

本発明をある特定の例示的な実施例に関して説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載される本発明の精神及び範囲内において、改良および変更が可能である。

本発明の例示的な実施例に係るインベストメントシェルモールドを作製する方法の概略図である。 模型上のシェルモールド壁の一部分の概略図であって、一般的に二次元のマットを形成するためのスタッコ繊維束を充填する前の段階で、まだ濡れている耐火スラリー層の上に、ランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維束が付着した状態を示している。 模型上のシェルモールド壁の一部分の概略図であって、一般的に二次元のマットを形成するためのスタッコ繊維束を充填した後の段階で、まだ濡れている耐火スラリー層の上に、ランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維束が付着した状態を示している。 不連続なスタッコ繊維束の上に粒状スタッコ粒子なしに作製されたシェルモールドの断面を示す図である。 本発明の好適な方法により作製されたシェルモールド壁の断面を示す図である。 模型除去試験用シェルモールドを作製するために用いられた楔型模型の斜視図である。 圧縮試験用スプールを作るために用いられるワックス模型の斜視図である。 ワックス模型の周囲を被覆するシェルモールドの切断部を示す分解斜視図である。 圧縮試験に用いられる圧縮試験用スプールを示す図である。 試験用スプールを２２００^OＦで４時間予熱した後、異なる冷却温度で冷却したときの圧縮強度を示す棒グラフである。 試験用スプールを２２００^OＦで４時間予熱した後、異なる冷却温度で冷却したときの破壊荷重を示す棒グラフである。

符号の説明

Ｐ 模型
Ｒ ロボットアーム
(10) 容器
(11) スラリー
(12) スタッコ付加ステーション
(12a) 繊維束スタッコ付加装置
(12b) 粒状スタッコ付加装置
(14) 不連続スタッコ繊維束
(15) 粒状スタッコ粒子
(25) シェルモールド壁

Claims (11)

1. セラミックシェルモールドを作製する方法であって、鋳込まれる物品の消失性模型にセラミックスラリー層のコーティングを形成し、該セラミックスラリー層の上に耐火スタッコを付加することを繰り返して行なうことにより、前記模型の上に複数のセラミックスラリー層とスタッコ層を形成することを含んでおり、少なくとも１つのスタッコ層は、少なくとも一部分が、消失性バインダーによって付着された不連続スタッコ繊維の束を、セラミックスラリー層の上に付加することによって形成される方法。
2. 粒状スタッコ粒子を、不連続なスタッコ繊維束の束の上に付加することをさらに含んでいる請求項１の方法。
3. 粒状スタッコ粒子をランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維束の上に付加して、不連続繊維の基礎になるスラリー層の上に不連続スタッコ繊維束を充填する請求項２の方法。
4. 基礎となるスラリー層がまだ濡れている間に、粒状スタッコ粒子をランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維束の上に付加することにより、充填された不連続スタッコ繊維束の大部分がスラリー層に貼り付けられる請求項３の方法。
5. 粒状スタッコ粒子をランダムな方向性を持つ不連続スタッコ繊維束の上に付加することにより、充填された不連続スタッコ繊維束と粒状スタッコから成るスタッコ層を形成する請求項３の方法。
6. 粒状スタッコ粒子の一部は、充填された不連続スタッコ繊維束の間の空間を満たす請求項５の方法。
7. 粒状スタッコ粒子は、粒状スタッコ粒子を重力により落下させて不連続スタッコ繊維束の上に雨のように降らすことによって付加される請求項１の方法。
8. 不連続スタッコ繊維束と粒状スタッコ粒子は、同じセラミック材料又は異なるセラミック材料から構成される請求項６の方法。
9. シェルモールドの圧縮強度を小さくするために、シェルモールドを高温で焼成して消失性バインダーを除去し、スタッコ繊維の間に空間を形成することをさらに含んでいる請求項１の方法。
10. 単結晶鋳造品を作るための一方向凝固鋳造法において、単結晶鋳造品の再結晶の発生を少なくするために、請求項９に規定されたセラミックシェルモールドの中で溶融金属を鋳込むことを特徴とする鋳造法。
11. 金属材料は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金であるである請求項１０の鋳造法。
    

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