JP4831365B2 - 精密鋳造用スラリー及び鋳型の製造方法 - Google Patents
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Description
二次粒子径2ないし30nmで、pH7ないし12の水性ジルコニアゾルを用いる精密鋳造用バインダーが開示されている(特許文献1)。
カルシニア、マグネシア、又は希土類元素酸化物が固溶したジルコニアゾルを用いる精密鋳造用バインダーが開示されている(特許文献2)。
イットリアとジルコニアの合計量が30ないし95質量%で、Y2O3/ZrO2の重量比0.5ないし40のpH4ないし13のスラリーを乾燥、造粒、焼成した10μmから3mmの粒子からなる精密鋳造用スタッコ材が開示されている(特許文献3)。
精密鋳造用スラリーとして、ジルコニアフィラーとオキシ酢酸ジルコニウムとをバインダーとする鋳型の製造方法が開示されている(特許文献4)。
精密鋳造用スラリーとして、ジルコニアフィラーと炭酸ジルコニウムアンモニウムとをバインダーとする鋳型の製造方法が開示されている(特許文献5)。
本発明は斯かる事情を考慮し、アルカリ性又は酸性で十分に安定なジルコニアゾルを用いて、それらを鋳型作成用の無機バインダーとして使用したスラリーと、該スラリーを使用する精密鋳造鋳型により、表面品質の高い金属精密鋳造品を提供しようとするものである。
第2観点として、第4級アンモニウムの炭酸塩が、(NR4)2CO3、NR4HCO3、又はそれらの混合物(ここで、Rは炭化水素基を表す。)である第1観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第3観点として、第4級アンモニウムの炭酸塩中の第4級アンモニウムイオンが炭素原子数1ないし4の炭化水素基で構成されているものである第1観点又は第2観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第4観点として、ジルコニウム塩(B1)が、オキシジルコニウム塩である第1観点ないし第3観点のいずれか一つに記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第5観点として、ジルコニウム塩(B1)が、オキシ炭酸ジルコニウムである第4観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第6観点として、第1観点に記載のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合する工程を含む方法により得られたアルカリ性ジルコニアゾル(A2)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第7観点として、アルカリ性ジルコニアゾル(A2)が、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(as)及び塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)のZrO2に換算した固形分(bs)の重量比bs/asが0.05ないし4.0となる割合でアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合する工程(i’)、及び得られた混合液を20ないし100℃で熟成させる工程(ii’)を含む方法により得られてなる、第6観点に記載の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第8観点として、塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)が、炭酸ジルコニウムアンモニウムである第6観点又は第7観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第9観点として、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)とジルコニウム塩(B3)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)のZrO2に換算した固形分(As)及びジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Asが0.2ないし5.0となる割合で混合する工程(I)及び得られた混合液を80ないし250℃で反応させる工程(II)を含む方法により得られた酸性ジルコニアゾル(C3)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第10観点として、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)が、第1観点ないし第5観点のいずれか一つに記載のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)である第9観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第11観点として、前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシ塩化ジルコニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、オキシ硫酸ジルコニウム、オキシ酢酸ジルコニウム、及びこれらの混合物からなる群より選択される水溶液を使用する第9観点又は第10観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第12観点として、前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液と酸とを含有する水溶液を使用するか、又は炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液を使用し、続いて混合系に酸を加えて使用する第9観点又は第10観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第13観点として、前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液にアルカリを添加して得られる水溶液を使用する第9観点又は第10観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第14観点として、前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液を陰イオン交換して得られる水溶液を使用する第9観点又は第10観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第15観点として、前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液に水酸化ジルコニウム又はオキシ炭酸ジルコニウムを添加して得られる水溶液を使用する第9観点又は第10観点に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法、
第16観点として、第1観点ないし第15観点のいずれか一つに記載の精密鋳造鋳型作成用スラリーにロウ型を浸漬し、該ロウ型にスタッコ材を付着させ、そしてスタッコ材を付着させたロウ型を加熱して脱ロウし、その後得られた鋳型を焼成することからなる金属の精密鋳造鋳型の製造方法である。
即ち、アルカリ性ジルコニアゾルは第4級アンモニウムの炭酸塩を含むアルカリ性の水性媒体中で、オキシ炭酸ジルコニウム等のジルコニウム塩を加熱することにより、アミン類および二酸化炭素等のガスの発生を伴いながら加水分解が進行し、オキシジルコニウムイオン等が第4級アンモニウムの炭酸塩に由来する第4級アンモニウムイオンとの相互作用により安定化する。このような状態の加水分解液を110℃以上の水熱処理を行うことにより安定なアルカリ性のジルコニアゾル(A1)が得られる。前記アルカリ性ジルコニアゾルは粒子径分布が揃ったものであり、本発明の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーに用いられる。
また、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合し、それらの液状媒体を熟成することによりアルカリ性ジルコニアゾル(A2)が得られる。アルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(as)及びジルコニウム塩(B2)のZrO2に換算した固形分(bs)の重量比bs/asが0.05ないし4.0となる割合でアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合する工程(i’)、及び得られた混合液を20ないし100℃で反応させる工程(ii’)を含む製法によって得られるアルカリ性ジルコニアゾル(A2)である。
また、酸性ジルコニアゾルは、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)とジルコニウム塩(B3)とを、混合し、それらの液状媒体を水熱処理する方法により得られる酸性ジルコニアゾル(C3)である。
即ち、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)とジルコニウム塩(B3)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)のZrO2に換算した固形分(As)及びジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Asが0.2ないし5.0となる割合で混合する前記工程(I)、及び得られた混合液を80ないし250℃で反応させる前記工程(II)を含む製法によって得られる、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%の割合で含有する酸性ジルコニアゾル(C3)である。即ち、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%の割合で含有し、残部(90ないし50質量%)は20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)である。
前記工程(I)で原料に用いるアルカリ性ジルコニアゾル(A3)は、酸性ジルコニアゾル中で20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)に変化する。ジルコニウム塩(B3)は酸性ジルコニアゾル中で一部は20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)となり、残りは原料のアルカリ性ジルコニアゾル(A3)の粒子の周囲に被覆され、ジルコニア粒子(a)に変化する。従って、得られる酸性ジルコニアゾル(C3)中のジルコニア粒子は、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%の割合で含有し、残部(90ないし50質量%)は20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)である。
この酸性ジルコニアゾル(C3)は粒子性と結合性を有するため、この酸性ジルコニアゾルの硬化物は大粒子と小粒子が緻密にパッキングされているために、被着物との密着性が高く表面硬度も高い。アルカリ性ジルコニアゾルの共存下にジルコニウム塩を加水分解する方法では、最初から存在するジルコニア粒子が安定化の役割を果たし、ジルコニウム塩の加水分解で発生した微小粒子が、ジルコニア粒子の表面に一部は吸着されるので、微小粒子同士が存在する場合に比べて凝集がなく、保存安定性の高い安定なアルカリ性ジルコニアゾルが得られる。そして得られたアルカリ性ジルコニアゾルは20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)と20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)とがバランス良く共存するため、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)に主に由来する結合性と、20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)に主に由来する粒子性とを持ち合わせ、このアルカリ性ジルコニアゾルをバインダーとして用いた場合に高い硬化物性が得られる。この酸性ジルコニアゾル(C3)は本発明の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーに用いられる。
これらアルカリ性ジルコニアゾル(A1)、アルカリ性ジルコニアゾル(A2)又は酸性ジルコニアゾル(C3)を用いる金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーによって得られる鋳型は、前記スラリーの安定性が高いため、スラリーの経時変化によっても凝集が起こらず、スラリー特性に変化がなく、この鋳型によって鋳造された金属は表面の平滑性が高い。
本発明に用いられる精密鋳造鋳型作成用スラリーの無機バインダーは、第4級アンモニウムの炭酸塩を含む水性媒体中でジルコニウム塩(B1)を60ないし110℃で加熱する工程(i)と、110ないし250℃で水熱処理を行う工程(ii)とを含む製造方法により得られたアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を用いる。
前記アルカリ性ジルコニアゾル(A1)は、例えば第4級アンモニウムの炭酸塩を含む水性媒体中でジルコニウム塩を60ないし110℃で加熱する工程と、110ないし250℃で水熱処理を行う工程とを含む方法で得られる。
第4級アンモニウムの炭酸塩は、(NR4)2CO3、NR4HCO3があげられ、それらを単独で用いる事も、混合物として用いる事も可能である。これら第4級アンモニウム炭酸塩中の第4級アンモニウムイオンは炭素原子数1ないし18の炭化水素基を有するものがあげられ、それらの炭化水素基は飽和又は不飽和の鎖式炭化水素基、脂環式又は芳香族の環式炭化水素基が例示される。例えば、飽和又は不飽和の鎖式炭化水素基としてはメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、エチニル基、プロペニル基等があげられる。また、環式炭化水素基としてはフェニル基、トリル基、スチリル基、ベンジル基、ナフチル基、アントリル基等があげられる。中でも、これら第4級アンモニウムイオンは炭素原子数1ないし4の炭化水素基が好ましく、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基があげられ、4つのメチル基で構成される、炭酸水素テトラメチルアンモニウムが好適に使用できる。
上記の炭酸塩が第4級アンモニウムイオン以外のアンモニウムイオンを含有する炭酸塩を用いた場合は、やはり安定なジルコニアゾル(A1)が得られない。例えば、(CH3)3HN等の第3級アンモニウムイオン、(CH3)2H2N等の第2級アンモニウムイオン、(CH3)H3N等の第1級アンモニウムイオン、NH4となるアンモニウムイオンを用いた場合は十分に安定なジルコニアゾル(A1)が得られない。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)の製造において、第4級アンモニウムの炭酸塩は、30ないし60質量%の割合で含有する水溶液の形態で入手可能であり、特に第4級アンモニウムの炭酸塩を水酸化第4級アンモニウムに換算した割合で44.5質量%含有する水溶液は市販品として容易に入手可能である。第4級アンモニウムの炭酸塩の濃度は、水酸化第4級アンモニウムに換算して測定する方法によって得られる。
第4級アンモニウムの炭酸塩を水性媒体に添加し、アルカリ性の水性媒体とする。このとき、第4級アンモニウムの炭酸塩ではなく、水酸化第4級アンモニウムを使用した場合は、十分に安定なジルコニアゾルは得られず、スラリー状の二層分離した状態になる。また、アルカリ性の水性媒体とするために、その他のアルカリ源、例えば水酸化ナトリウム等を用いた場合は、やはり安定なジルコニウム塩の加水分解物が得られず、それらの加水分解物を水熱処理しても安定なジルコニアゾル(A1)は得られない。しかし、第4級アンモニウムの炭酸塩とその他のアルカリ源、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア等の水溶性無機塩、n−プロピルアミン、モノエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアミン、水酸化モノメチルトリエチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム等の水溶性有機塩基等、また第4級アンモニウムの炭酸塩以外の炭酸塩、例えば炭酸アンモニウム等を併用して使用することは可能である。アルカリ性物質を混合物で使用する場合は、第4級アンモニウムの炭酸塩と、その他のアルカリ性物質との重量割合は、(第4級アンモニウムの炭酸塩):(その他のアルカリ性物質)=1:0.01ないし1が好ましい。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)を製造する工程(i)に用いられる水性媒体のpHは9ないし12であり、この水性媒体中では第4級アンモニウムの炭酸塩の含有量は、10ないし35質量%である。また、ジルコニウム塩はこの水性媒体中でZrO2として5ないし20質量%である。工程(i)では加熱温度が60℃以下では十分な加水分解が進行せずに、これらを水熱処理しても安定なジルコニアゾル(A1)は得られない。また、工程(i)が110℃以上では、加水分解の熟成時間がなくなり、直接に水熱処理することとなり好ましくない。前記工程(i)の時間は、通常は1ないし20時間で行われる。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)を製造する工程(ii)は、工程(i)後に110ないし250℃で水熱処理を行う工程である。110℃以下では十分な水熱処理とならず、また250℃以上では装置的に大がかりなものとなる。この水熱処理はオートクレーブ装置を用いて行われる。工程(ii)の時間は、通常は1ないし20時間で行われる。この水熱処理を経て、ジルコニウム塩の加水分解物がジルコニア粒子となる。この工程を経て得られるジルコニア粒子は、透過型電子顕微鏡観察により20ないし300nmの範囲のものである。
前記工程(iii)を経たアルカリ性のジルコニアゾル(A1)は、pH8ないし12、比表面積50m2/gないし300m2/g、濃度30ないし60質量%、電導度2000ないし10000μS/cm、粘度1ないし30mPa・sの物性値を有するものである。また、粒子径分布は20ないし300nmの範囲である。
前記アルカリ性のジルコニアゾル(A1)は50℃の条件下で1ヶ月以上安定に存在する。
アルカリ性のジルコニアゾル(A1)は、所望により水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア等の水溶性無機塩、n−プロピルアミン、モノエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアミン、水酸化モノメチルトリエチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム等の水溶性有機塩基等の添加剤を含有することができる。
前記アルカリ性ジルコニアゾル(A1)は、公知のアルカリ性ジルコニアゾルを用いることもできるが、第一方法で得られるアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を用いることが好ましい。
本発明に用いるアルカリ性ジルコニアゾル(A2)は、原料となるアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(as)及び塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)のZrO2に換算した固形分(bs)の重量比bs/asが0.05ないし4.0となる割合で混合する工程(i’)、及び得られた混合液を20ないし100℃で熟成させる工程(ii’)を含む。
前記工程(i’)ではアルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(as)とジルコニウム塩(B2)のZrO2に換算した固形分(bs)の重量比bs/asが0.05ないし4.0、好ましくは0.2ないし2.0となる割合に混合することが好ましい。
上記bs/asの値が0.2ないし2.0の範囲に設定することでより保存安定性の向上したアルカリ性ジルコニアゾル(A2)を得ることができる。
塩基性炭酸ジルコニウム塩水溶液のpHは8ないし12で、濃度は1ないし20質量%で用いられる。
これらの塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)は水溶液の状態でアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と混合する方法が好ましい。ジルコニウム塩(B2)の水溶液の濃度は、1ないし20質量%の範囲で用いることが好ましい。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)水溶液との混合は、塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)水溶液にアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を添加する方法、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)に塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)水溶液を添加する方法、又は両者を同時に混合する方法によって達成される。
前記重量比bs/asが0.05未満ではアルカリ性ジルコニアゾル(A1)の使用量が多くなり、製造コストが高くなることが懸念され、また4.0を越える場合には20nm未満の粒子径範囲を有する粒子(b)の割合が多くなり、ゾルの安定性が低下する。
本発明の工程(ii’)では前記工程(i’)で得られた混合液を20ないし100℃で熟成させる方法である。この熟成は60ないし100℃の温度で加熱する方法がより好ましい。この熟成は0.5時間から12時間行うことが好ましい。
熟成は放置により生成するコロイド粒子の大きさを調整するものである。
前記工程(ii’)を経て得られるアルカリ性ジルコニアゾルのpHは8ないし12である。
アルカリ性ジルコニアゾル(A2)中のジルコニア粒子(b)は電子顕微鏡で確認できる小粒子径のジルコニア粒子もあるが、電子顕微鏡で確認できない成分は酸化ジルコニウムの極微小コロイドと考えられる。
20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)を含む液は、小粒子径のジルコニア粒子であるか、又は電子顕微鏡でも判別が難しい酸化ジルコニウムの極微小コロイドである。しかし、電子顕微鏡でも判別が難しいほどの物質であっても、その液を蒸発乾固したものは、X線回折により酸化ジルコニウムであることを確認できるので、酸化ジルコニウムの極微小コロイドであると考えられる。
20ないし300nmの粒子径範囲のジルコニア粒子(a)を有するジルコニアゾルは単独でも安定に存在するが、20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子(b)を有するジルコニアゾル及び酸化ジルコニウムの極微小コロイドは単独で安定に存在することは難しく、その製造過程でゲル化を起こし易い。
本発明によれば、得られたアルカリ性ジルコニアゾル(A2)は、原料として用いたアルカリ性ジルコニアゾル(A1)よりも、より粒子径分布が広く、大粒子ジルコニアから小粒子ジルコニア、及びジルコニア極微小コロイドが存在したアルカリ性ジルコニアゾルとなる。小粒子のジルコニアやジルコニア極微小コロイドのみからなるアルカリ性ジルコニアゾルの場合は安定性が低いが、本発明による大粒子のジルコニアの存在下に形成した小粒子のジルコニア、及びジルコニア極微小コロイドを含むアルカリ性ジルコニアゾルは安定性が高い。
原料のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)の存在下に、塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)を熟成又は加熱加水分解することにより、大粒子のジルコニア粒子(a)と酸化ジルコニウム極微小コロイドを含む小粒子のジルコニア粒子(b)を含有する本発明のアルカリ性ジルコニアゾルが得られる。
原料のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を用いず、塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)の水溶液のみで本発明の工程(ii’)を行っても、ゲル状物質が生成しやすく、安定なジルコニアゾルは製造できない。
本発明に用いられる精密鋳造鋳型作成用スラリーの無機バインダーは、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)とジルコニウム塩(B3)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)のZrO2に換算した固形分(As)及びジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Asが0.2ないし5.0となる割合で混合する前記工程(I)、及び得られた混合液を80ないし250℃で反応させる前記工程(II)を含む製造方法により得られた酸性ジルコニアゾル(C3)である。
上記の酸性ジルコニアゾル(C3)は、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%の割合で含有する酸性ジルコニアゾル(C3)である。即ち、20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%の割合で含有し、残部(90ないし50質量%)は20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)である。
前記Bs/Asの値が0.5ないし3.0、より好ましくは0.5ないし2.5の範囲に設定することでより保存安定性の向上した酸性ジルコニアゾルを得ることができる。
アルカリ性ジルコニアゾル(A3)は、好ましくはpH8ないし12のアルカリ性ジルコニアゾルを用いる事が出来る。このアルカリ性ジルコニアゾル(A3)は公知のジルコニアゾルを用いることが出来るが、上記のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を好ましく用いることができる。このアルカリ性ジルコニアゾル(A1)は、pH8ないし12、濃度1ないし20質量%の範囲で本発明の前記工程(I)に使用することができる。
酸性ジルコニアゾル(C3)製造の前記工程(I)ではジルコニウム塩(B3)は、ジルコニウム塩水溶液又はpH調整したジルコニウム塩水溶液として使用するものである。
前記工程(I)のジルコニウム塩(B3)は、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液と酸とを含有する水溶液としてアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用するか、又は炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液としてアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用した後にその混合系に酸を加える(B3−2)がある。(B3−2)の場合では、炭酸ジルコニウムアンモニウム〔(NH4)2ZrO(CO3)2〕に酸を添加して得られるオキシジルコニウム塩の酸性水溶液としてアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用する場合と、炭酸ジルコニウムアンモニウム〔(NH4)2ZrO(CO3)2〕をアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用した後に、更に酸をその混合系に添加する方法が上げられる。ここで用いられる酸としては、塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸、蟻酸、酢酸等の有機酸が上げられるが、特に塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸を用いるのが好ましい。(B3−2)の場合では、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液の濃度は1ないし15質量%で用いられる。炭酸ジルコニウムアンモニウムに酸を添加して得られるオキシジルコニウム塩の酸性水溶液のpHは0.1ないし4.0である。また炭酸ジルコニウムアンモニウム〔(NH4)2ZrO(CO3)2〕を混合に使用した後に、更に酸をその混合系に添加する場合では、その混合系のpHが0.1ないし4.0の範囲に入るまで酸の添加が行われる。
前記工程(I)のジルコニウム塩(B3)は、オキシジルコニウム塩の水溶液にアルカリを添加して得られる水溶液としてアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用する場合(B3−3)では、オキシジルコニウム塩の水溶液にアルカリ成分を添加して得られたオキシジルコニウム塩の酸性水溶液が用いられる。ここで用いるオキシジルコニウム塩は(B3−1)に記載の1種を選択することも、2種以上を混合して使用することも可能である。またアルカリ成分としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア等の水溶性無機塩、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩、水酸化モノメチルトリエチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム等の水溶性有機塩基等があげられる。(B3−3)の場合の水溶液のpHは0.1ないし4.0で、濃度は1ないし15質量%で用いられる。
前記工程(I)のジルコニウム塩(B3)は、オキシジルコニウム塩の水溶液に水酸化ジルコニウム又はオキシ炭酸ジルコニウムを添加して得られる水溶液としてアルカリ性ジルコニアゾル(A1)との混合に使用する場合(B3−5)では、(B3−1)に記載のオキシジルコニウム塩の水溶液に水酸化ジルコニウム〔ZrO(OH)2〕又はオキシ炭酸ジルコニウム〔ZrOCO3〕を添加して得られる酸性の水溶液を用いる。(B3−5)の場合の水溶液のpHは0.1ないし4.0で、濃度は1ないし20質量%である。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)とジルコニウム塩(B3)とを混合する方法では、ジルコニウム塩(B3)の使用は(B3−1)ないし(B3−5)の中から1種の方法を選択することも、又は(B3−1)ないし(B3−5)の中から数種類の方法を選択しそれらを組み合わせて使用することもできる。
上記ジルコニウム塩(B3)の使用方法では、塩基性の炭酸ジルコニウムアンモニウム〔(NH4)2ZrO(CO3)2〕に硝酸あるいは塩酸等の酸を添加し、酸性にする方法(B3−2)が用いられる。また、ジルコニウム塩(B3)にアンモニア等のアルカリを添加したもの、あるいはイオン交換樹脂で処理したもの、あるいは水酸化ジルコニウムあるいはオキシ炭酸ジルコニウムを添加する方法(B3−3ないしB3−5)が用いられる。ジルコニウム塩(B3)に前記の処理(B3−2ないしB3−5)を行うことにより、ジルコニウム塩(B3)のオキシジルコニウムイオンと酸イオンのバランスが変化し、これにより加水分解反応が促進される。また、ジルコニウム塩(B3)にアンモニア等のアルカリを添加する場合、あるいはイオン交換樹脂で処理する場合には、前記の処理をした後に得られるジルコニウム塩は、オキシジルコニウムイオンの電荷がプラスのままである必要があるので、処理後のpHとしては、pH5以下、好ましくはpH4以下、更に好ましくはpH3以下とすることが望ましい。また、ジルコニウム塩(B3)に水酸化ジルコニウムあるいはオキシ炭酸ジルコニウムを添加する場合には、水酸化ジルコニウムあるいはオキシ炭酸ジルコニウムのZrO2に換算した固形分(Bs’)とジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Bs’が1.0ないし10.0、好ましくは2.0ないし10.0となる割合で混合することが好ましい。更には、ジルコニウム塩(B3)に水酸化ジルコニウムあるいはオキシ炭酸ジルコニウムを添加した後に加熱処理すると、更に加水分解反応が促進されるのでなお好ましい。
前記工程(I)では、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)とジルコニウム塩(B3)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(As)及びジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Asが0.2ないし5.0となる割合に混合するものである。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)とジルコニウム塩(B3)水溶液との混合は、ジルコニウム塩(B3)水溶液にアルカリ性ジルコニアゾル(A1)を添加する方法によって達成される。
前記重量比Bs/Asが0.2未満ではアルカリ性ジルコニアゾル(A1)の使用量が多くなり、製造コストが高くなることが懸念され、また5.0を越える場合には20nm未満の粒子径範囲を有する粒子(b)の割合が多くなり、ゾルの安定性が低下する。
前記工程(II)では前記工程(I)で得られた混合液を80ないし250℃で反応させることである。80℃未満では十分な水熱処理とならず、また250℃を越える温度では装置的に大がかりなものとなる。この水熱処理はオートクレーブ装置を用いて行われる。前記工程(II)の時間は、通常1ないし20時間で行われる。この水熱処理を経て本発明に用いられる酸性ジルコニアゾル(C3)が得られる。
前記工程(II)を経て得られる酸性ジルコニアゾルのpHは0.1ないし5.0、好ましくは0.1ないし2.0である。
例えば、酸性ジルコニアゾル中の20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子の含有量の測定方法としては次の方法が挙げられる。酸性ジルコニアゾルを純水で希釈して、ZrO2として0.5質量%を含有する希釈液を30g調製する。この希釈液を所定の容器に15gずつ2本測り取る。この希釈液の入った容器を遠心分離機(例えば、トミー精工製、商品名SRX−201)に仕掛け、20000r.p.mで1時間遠心分離処理を行う。遠心分離処理後、容器内のサンプルは、ほぼ無色透明な上澄みの部分と白色をした沈降物の部分の2つに分離される。この上澄みの部分を透過型電子顕微鏡にて観察したところ、20nm未満のジルコニア粒子のみが見られ、20nm以上のジルコニア粒子は見られなかった。その後、上澄みの部分を全量回収し、回収した液の重量を測定する。この回収した液を全量、磁性のるつぼに移し替え、100℃で水分を蒸発させた後、800℃の電気炉で30分焼成し、冷却後、るつぼに残った残渣の重量を測定する。20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子は、全てこの上澄み部分中に存在すると定義し、次に示す計算式にて20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子の含有量を計算する。
20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子の含有量(%)=〔(上澄みの部分の焼成残渣)/(容器に仕込んだ希釈液中のZrO2に換算した固形分)〕×100
酸性ジルコニアゾル(C3)は20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)が全ジルコニア粒子中に10ないし50質量%に含有し、残部(90ないし50質量%)は20ないし300nmの粒子径範囲を有するジルコニア粒子(a)である。
20nm未満の粒子径のジルコニア粒子(b)を含む液は、小粒子径のジルコニア粒子であるか、又は電子顕微鏡でも判別が難しい酸化ジルコニウムの極微小コロイドである。しかし、電子顕微鏡でも判別が難しいほどの物質であっても、その液を蒸発乾固したものは、X線回折により酸化ジルコニウムであることを確認できるので、酸化ジルコニウムの極微小コロイドであると考えられる。
20ないし300nmの粒子径範囲のジルコニア粒子(a)を有するジルコニアゾルは単独でも安定に存在するが、20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子(b)を有するジルコニアゾル及び酸化ジルコニウムの極微小コロイドは単独で安定に存在することは難しく、その製造過程でゲル化を起こし易い。従って、20ないし300nmの粒子径範囲のジルコニア粒子(a)のジルコニアゾルと20nm未満の粒子径範囲のジルコニア粒子(b)のジルコニアゾル及び酸化ジルコニウムの極微小コロイドとをただ単に混合する方法では、本発明に使用する酸性ジルコニアゾルは得られない。
ところが、前記工程(I)でアルカリ性ジルコニアゾル(A1)にオキシ硝酸ジルコニウム(B3)の水溶液を添加する場合は、オキシ硝酸ジルコニウム(B3)の水溶液が酸性水溶液であるため、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のpHが低下し、場合によっては酸性となり、ジルコニア粒子の表面のマイナス電荷が低下し、場合によってはプラスの電荷を帯びてくるため、その粒子表面にジルコニウム塩(B3)に由来するオキシジルコニウムイオンZrO2+を吸着する能力が低下するので、ジルコニア粒子表面においてオキシジルコニウムイオンZrO2+から微少なジルコニア粒子への変化が起こり難く、むしろジルコニア粒子に固定されず液中にフリーな状態で水熱反応時にZrO2+が加水分解を生ずるので微少なジルコニア粒子や極微小コロイド同士がゲル化を起こし易い。
本発明によれば、得られた酸性ジルコニアゾルは、原料として用いたアルカリ性ジルコニアゾルよりも、より粒子径分布が広く、大粒子ジルコニアから小粒子ジルコニア、及びジルコニア極微小コロイドが存在した酸性ジルコニアゾルとなる。小粒子のジルコニアやジルコニア極微小コロイドのみからなる酸性ジルコニアゾルの場合は安定性が低いが、本発明による大粒子のジルコニアの存在下に形成した小粒子のジルコニア、及びジルコニア極微小コロイドを含む酸性ジルコニアゾルは安定性が高い。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)の存在下に、ジルコニウム塩(B3)を加熱加水分解することにより、大粒子のジルコニア粒子(a)と酸化ジルコニウム極微小コロイドを含む小粒子のジルコニア粒子(b)を含有する本発明に用いる酸性ジルコニアゾル(C3)が得られる。
アルカリ性ジルコニアゾル(A1)を用いず、ジルコニウム塩(B3)の水溶液のみで工程(II)を行っても、ゲル状物質が生成するのみであり、安定なジルコニアゾルは製造できない。
得られたジルコニアゾルはpH0.1ないし5.0、好ましくは1.5ないし4.5の酸性ジルコニアゾル(C3)である。
前記酸性ジルコニアゾル(C3)は、pH調整剤として塩酸、硝酸、酢酸 等の酸性物質を添加してpHを下げることや、水酸化ナトリウム、アンモニア、第四級アンモニウム等のアルカリ性物質を添加してpHを上げることやアルカリ性ジルコニアゾルとすることもできる。
本発明ではアルカリ性ジルコニアゾル(A1)、アルカリ性ジルコニアゾル(A2)、又は酸性ジルコニアゾル(C3)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法である。
耐火物粉末(D)は、アルミナ、ジルコニア、電融カルシア、焼結カルシア、電融カルシア安定化ジルコニア、電融マグネシア安定化ジルコニア、ジルコン、イットリア、チタニア、ジルコン酸カルシウム、イットリア安定化ジルコニア、ムライト、セリア、アルミン酸リチウム、チタン酸リチウム、アルミン酸カルシウム、ベリリア、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、アルミン酸カルシウム等の一種又は二種以上の耐火物粉末の組み合わせが用いられる。これらの耐火物粉末(D)は粒子径40μmないし150μmである。
ジルコニアゾル(A1、A2又はC3)のZrO2としての固形分と、耐火物粉末(D)との重量比は、1:5ないし1:15である。
有機バインダーは、ポリ酢酸ビニルエマルジョン、エチレン酢酸ビニル共重合体エマルジョン、ポリ酢酸ビニルマレイン酸エステル共重合体エマルジョン、ポリ酢酸ビニル共重合体アクリル酸エステルエマルジョン、ポリ酢酸ビニルベオバ共重合体エマルジョンなどの酢酸ビニル系樹脂エマルジョン、エチレンポリアクリル酸エマルジョン、スチレンポリアクリル酸エステル共重合体エマルジョンなどのアクリル酸系エマルジョン、スチレンブタジエン共重合体樹脂エマルジョンなどのスチレン系エマルジョン、メチルセルロース、エチルセルロール、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンなどの水溶性高分子化合物等が挙げられる。
ジルコニアゾル(A1、A2又はC3)のZrO2としての固形分と、有機バインダーの固形分との重量比は、1:0.05ないし1:2である。
ジルコニアゾル(A1、A2又はC3)のZrO2としての固形分と、界面活性剤の固形分との重量比は、1:0.005ないし1:0.05である。
消泡剤は、例えばオクタノール、ジエチレングリコールなどのアルコール系消泡剤、或いはノニオン系界面活性剤も消泡剤として用いることができる。
ジルコニアゾル(A1、A2又はC3)のZrO2としての固形分と、消泡剤の固形分との重量比は、1:0.005ないし1:0.05である。
このスラリーは通常、固形分が75ないし90質量%、pH3ないし11、粘度10ないし45秒(ザーンカップ法によりNo4のカップを用いて測定)である。
スタッコ材は、例えばアルミナ、ジルコニア、電融カルシア安定化ジルコニア、ベリリア、電融カルシア、焼結カルシア、電融マグネシア安定化ジルコニア、ジルコン、イットリア、チタニア、ジルコン酸カルシウム、イットリア安定化ジルコニア、ムライト、セリア、アルミン酸リチウム、チタン酸リチウム、アルミン酸カルシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、アルミン酸カルシウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上のスタッコ材を組み合わせて用いることができる。これらのスタッコ材は粒径10ないし200メッシュの範囲で用いることができる。
スタッコ材を付着させたロウ型は、110ないし150℃の圧力釜に、15分から1時間の加熱を行ってロウを消失させて脱ロウさせることにより生鋳型を得ることが出来る。または焼成炉で鋳型を焼成すると同時にロウを焼失させて脱ロウさせることができる。この生鋳型は700ないし1500℃の範囲に30分から12時間の焼成を行うことにより金属の鋳造鋳型となる。
ちなみに従来から存在するシリカゾルをバインダーとするスラリーによって得られた鋳型を用いる鋳造方法では、仮に真空鋳造法を用いても上記活性金属を鋳造した場合にはシリカゾル中のSiO2粒子の酸素によってαケースと呼ばれる酸化層を生成し、金属の強度低下が発生する。
また、本発明の鋳造方法では、金属表面の酸化層が発生しても金属の強度低下に支障のない金属、例えば鉄やアルミニウムなどの金属のための鋳型であれば、開放下で行われる鋳込み方法に用いることもできる。
3リットルのガラス製容器に、炭酸水素テトラメチルアンモニウム(多摩化学工業(株)製、水酸化テトラメチルアンモニウムに換算して44.5質量%を含有する。)水溶液950gと、純水950gを投入し希釈水溶液とする。この水溶液を攪拌しながら95℃まで加熱した後、炭酸ジルコニル粉末(ZrOCO3、第一稀元素化学工業(株)製、ZrO2として42.1質量%を含有する。)を水溶液中に徐々に添加し、トータル585.2g投入した。添加終了後、更に加熱熟成を継続し、95℃で3時間熟成した。この熟成終了時点では混合液はスラリー状であり、ZrO2として9.9質量%含有し、pH9.5であった。このスラリーを、ステンレス製オートクレーブ容器に移し替え、攪拌下140℃で3時間の水熱合成反応を行った。この反応後に得られたものは、未溶解物もなく完全にゾル化しており、ZrO2として9.9質量%含有し、pH8.8であった。次いで、このゾルを限外ろ過装置を使用して、純水を徐々に添加しながら、ゾルを洗浄、濃縮したところ、ZrO2濃度48.9質量%の高濃度のジルコニアゾルが得られた。この得られたゾルは、比重1.722、pH8.8、粘度5.5mPa・s、水酸化テトラメチルアンモニウム濃度(滴定法)1.2質量%、動的光散乱法による粒子径は82nmであった。
動的光散乱法ではゾル中の粒子の粒子径が観測され、粒子同士の凝集があるときはそれらの凝集粒子の平均粒子径が観測される。
透過型電子顕微鏡により粒子を確認したところ、10nm前後の一次粒子が凝集や結合した凝集粒子がほとんどで、その凝集粒子1個の大きさは30ないし200nmであった。また、このジルコニアゾルは、沈降物もなく、50℃の条件下で1ヶ月以上安定であった。
このアルカリ性ジルコニアゾル150gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA #325メッシュアンダー)615gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.05gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.45gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S11)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で34.9秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
また市販のアルカリ性シリカゾル(日産化学工業(株)製、商品名:スノーテックス30、SiO2として30wt%含有する)200gと市販のケイ酸ジルコニウム粉(キンセイマテック(株)製、商品名:ジルコンフラワー#200)615gと市販のノニオン系界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.4gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.6gを混合し、バックアップ用スラリー(S21)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で20.3秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
真鍮板(3mm×20mm×150mm)に市販の精密鋳造用ロウ(信和レジン(株)製、商品名:信和レジン338)を溶かして付着させた後、アセトンで表面を洗浄して試験用ワックスパターンとした。
このワックスパターンをS11のスラリーに浸漬した後、初層用スタッコとして用意したカルシウム安定型酸化ジルコニウム粒(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、16ないし100メッシュ)を振りかけた。その後、室温23℃、相対湿度50ないし60%の室内に3時間置いて乾燥させた(初層の作成)。
ついで、初層をコートした試験鋳型をS11のスラリーに浸漬した後、2層用スタッコとして用意した電融アルミナ粒(太平洋ランダム(株)製、商品名:電融アルミナ50R、粒度は1.0mm)を振りかけた。その後、室温21ないし23℃、相対湿度50ないし60%の室内に3時間置いて乾燥させた(2層目の作成)。
ついで、2層をコートした試験鋳型をS21のスラリーに浸漬した後、バックアップ用スタッコとして用意したムライトサンド(キンセイマテック(株)製、商品名:ムライトサンド、粒度は0.7ないし1.0mm)を振りかけた。その後、室温23℃、相対湿度50ないし60%の室内に3時間置いて乾燥させた(バックアップ層の作成)。
このバックアップ層の作成工程を更に3回繰り返し、バックアップ層を4層重ね、乾燥後、最後にバックアップ用スラリー(S21)に浸漬して計7層コートした鋳型を、室温23℃、相対湿度50ないし60%の室内に24時間置いて乾燥させ、試験用鋳型を作成した。
作成した鋳型の真鍮部分を加熱してロウを溶かし、真鍮から外して生型とした。
生型を1000℃の電気炉で30分間焼成して焼成鋳型を作成した。
また、生型を沸騰した湯浴に10分間浸漬した後に引き上げ、水蒸気圧力釜による脱型鋳型相当の鋳型試験片(煮沸鋳型)とした。
生型(生型試験片)、焼成鋳型(焼成鋳型試験片)、圧力釜相当鋳型(煮沸鋳型試験片)の強度を抗折強度試験機((株)オリエンテック製、商品名:テンシロン、UCT−10T型)を用いて測定した。
得られた強度を用いてJIS R1601に記載の計算方法に準じて破壊荷重を求めた。
実施例1と同様に作成したアルカリ性ジルコニアゾル2915gに純水614gを加え、この中に攪拌しながら炭酸ジルコニウムアンモニウム(第一稀元素化学工業(株)製、商品名;ジルコゾールAC−20、ZrO2として20.0質量%を含有する)1532gを加えて30分攪拌した。攪拌したゾルを内容量5Lのステンレス製の攪拌機付きの水熱反応機に入れ、80℃まで昇温し、30分保持した。その後、冷却し取り出したゾルのpHは9.52、電気伝導度は33.3mS/cm、比重1.404、ZrO2として30.5質量%、粘度5.3mPa・s、動的光散乱法による粒子径は103nmであった。動的光散乱法ではゾル中の粒子の粒子径が観測され、粒子同士の凝集があるときはそれらの凝集粒子の平均粒子径が観測される。
透過型電子顕微鏡により粒子を確認したところ、20nm未満のほぼ単分散状態で存在する微小な一次粒子と、10nm前後の一次粒子が凝集や結合した凝集粒子が共存しており、その凝集粒子1個の大きさは30ないし200nmであった。また、このジルコニアゾルは、沈降物もなく、50℃の条件下で1ヶ月以上安定であった。
このアルカリ性ジルコニアゾル185gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、#325メッシュアンダー)615gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.3gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.56gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S12)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で34.2秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
前記S12を初層及び2層用のスラリーに用いた以外は実施例1と同様の操作を行って作成鋳型試験片を作成し、鋳型抗折強度を測定した。
実施例1と同様に作成したアルカリ性ジルコニアゾル1230gに純水383.5gを加え、この中に攪拌しながら10wt%の硝酸水溶液165gを
加えて3時間攪拌した。攪拌後のゾルのpHは3.28、電気伝導度は2.81mS/cmであった。攪拌したゾルを限外ろ過装置を使用して徐々に純水を添加しながらゾルを洗浄、濃縮したところ、ZrO2濃度30.9質量%の高濃度のジルコニアゾルを得られた。この得られたゾルは、比重1.360、pH3.86、粘度2.6mPa・s、硝酸濃度(滴定法)0.73質量%、動的光散乱法による粒子径は93nmであった。動的光散乱法ではゾル中の粒子の粒子径が観測され、粒子同士の凝集があるときはそれらの凝集粒子の平均粒子径が観測される。透過型電子顕微鏡により粒子を確認したところ、10nm前後の一次粒子が凝集や結合した凝集粒子がほとんどで、その凝集粒子1個の大きさは30ないし200nmであった。また、このジルコニアゾルは、沈降物もなく、50℃の条件下で1ヶ月以上安定であった。
この酸性ジルコニアゾル150gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、#325メッシュアンダー)660gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.05gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.45gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S13)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で35.3秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
前記S13を初層及び2層用のスラリーに用いた以外は実施例1と同様の操作を行って作成鋳型試験片を作成し、鋳型抗折強度を測定した。
実施例1と同様に作成したアルカリ性ジルコニアゾル4131gに純水42895gを加え、この中に攪拌しながらオキシ硝酸ジルコニウム(第一稀元素化学工業(株)製、商品名;ジルコゾールZN、ZrO2として25.2質量%含有する)2977gを加えて1時間攪拌した。攪拌後のゾルのpHは1.71、電気伝導度は16.22mS/cmであった。攪拌したゾルを内容量50Lのグラスライニング製の攪拌機付きの水熱反応機に入れ、145℃まで昇温し、5時間保持した。その後、冷却し取り出したゾルのpHは1.18、電気伝導度は41.7mS/cmであった。この冷却したゾルを限外ろ過装置を使用して徐々に純水を添加しながらゾルを洗浄、濃縮したところ、ZrO2濃度30.6質量%の高濃度のジルコニアゾルを得られた。この得られたゾルは、比重1.368、pH3.74、粘度5.4mPa・s、硝酸濃度(滴定法)1.67質量%、動的光散乱法による粒子径は92nmであった。動的光散乱法ではゾル中の粒子の粒子径が観測され、粒子同士の凝集があるときはそれらの凝集粒子の平均粒子径が観測される。透過型電子顕微鏡により粒子を確認したところ、20nm未満のほぼ単分散状態で存在する微小な一次粒子と、10nm前後の一次粒子が凝集や結合した凝集粒子が共存しており、その凝集粒子1個の大きさは30ないし200nmであった。また、このジルコニアゾルは、沈降物もなく、50℃の条件下で1ヶ月以上安定であった。
この酸性ジルコニアゾル150gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、#325メッシュアンダー)645gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.05gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)
0.45gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S14)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で35.4秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
前記S14を初層及び2層用のスラリーに用いた以外は実施例1と同様の操作を行って作成鋳型試験片を作成し、鋳型抗折強度を測定した。
市販の炭酸ジルコニウムアンモニウム(第一稀元素化学工業(株)製、商品名:ジルコゾールAC−20、ZrO2として20.0質量%含有する)150gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、#325メッシュアンダー)645gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.05gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.45gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S15)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップ法(No4のカップにより測定)で35.1秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
前記S15を初層及び2層用のスラリーに用いた以外は実施例1と同様の操作を行って作成鋳型試験片を作成し、鋳型抗折強度を測定した。
比較例2
市販の酢酸ジルコニウム (第一稀元素化学工業(株)製、商品名;ジルコゾールZA−20、ZrO2として20.0質量%含有する)150gと市販のカルシウム安定型酸化ジルコニウム粉(福島製鋼(株)製、商品名:ジルボンGA、#325メッシュアンダー)650gと市販の界面活性剤(日本フリーマン(株)製、商品名:ビクターウェット12)1.05gと市販の消泡剤(関東化学(株)製、成分:2−オクタノール)0.45gを混合し、初層用及び2層目用スラリー(S16)を用意した。このスラリーの粘度はザーンカップNo4で34.9秒であった。このスラリーは密閉した容器の中に室温で1ヶ月放置しても増粘することがなく、安定であった。
前記S16を初層及び2層用のスラリーに用いた以外は実施例1と同様の操作を行って作成鋳型試験片を作成し、鋳型抗折強度を測定した。
実施例1ないし4、比較例1及び2で行った鋳型試験片による抗折強度試験結果を表1に示す。
比較例2と実施例3及び4と比較すると、本発明に従う実施例1及び2の方が煮沸強度は高く、焼成鋳型強度は同等以上の結果が得られた。
また、焼成鋳型表面の硬度については実施例1ないし4は比較例1及び2と比べても同等であり、粉立ちなどの不具合は無かった。
従来例の様にジルコニウム塩と耐火物粉末を混合したスラリーを用いた場合では十分な鋳型抗折強度は得られないが、本発明の様にジルコニウム塩から特定条件下で製造されたジルコニアゾルを用いる方法では高い鋳型抗折強度が得られた。
Claims (16)
- 第4級アンモニウムの炭酸塩を含む水性媒体中でジルコニウム塩(B1)を60ないし110℃で加熱する工程(i)及び110ないし250℃で水熱処理を行う工程(ii)を含む方法により得られたアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記第4級アンモニウムの炭酸塩が、(NR4)2CO3、NR4HCO3、又はそれらの混合物(ここで、Rは炭化水素基を表す。)である請求項1に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記第4級アンモニウムの炭酸塩中の第4級アンモニウムイオンが炭素原子数1ないし4の炭化水素基で構成されているものである請求項1又は請求項2に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記ジルコニウム塩(B1)が、オキシジルコニウム塩である請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記ジルコニウム塩(B1)が、オキシ炭酸ジルコニウムである請求項4に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 請求項1記載のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合する工程を含む方法により得られたアルカリ性ジルコニアゾル(A2)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記アルカリ性ジルコニアゾル(A2)が、アルカリ性ジルコニアゾル(A1)のZrO2に換算した固形分(as)及び塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)のZrO2に換算した固形分(bs)の重量比bs/asが0.05ないし4.0となる割合でアルカリ性ジルコニアゾル(A1)と塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)とを混合する工程(i’)、及び得られた混合液を20ないし100℃で熟成させる工程(ii’)を含む方法により得られてなる、請求項6に記載の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記塩基性炭酸ジルコニウム塩(B2)が、炭酸ジルコニウムアンモニウムである請求項6又は請求項7に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- アルカリ性ジルコニアゾル(A3)とジルコニウム塩(B3)とを、アルカリ性ジルコニアゾル(A3)のZrO2に換算した固形分(As)及びジルコニウム塩(B3)のZrO2に換算した固形分(Bs)の重量比Bs/Asが0.2ないし5.0となる割合で混合する工程(I)及び得られた混合液を80ないし250℃で反応させる工程(II)を含む方法により得られた酸性ジルコニアゾル(C3)と、耐火物粉末(D)とを混合する工程を含む金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記アルカリ性ジルコニアゾル(A3)が、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のアルカリ性ジルコニアゾル(A1)である請求項9に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシ塩化ジルコニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、オキシ硫酸ジルコニウム、オキシ酢酸ジルコニウム、及びこれらの混合物からなる群より選択される水溶液を使用する請求項9又は請求項10に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液と酸とを含有する水溶液を使用するか、又は炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液を使用し、続いて混合系に酸を加えて使用する請求項9又は請求項10に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液にアルカリを添加して得られる水溶液を使用する方法による請求項9又は請求項10に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液を陰イオン交換して得られる水溶液を使用する方法による請求項9又は請求項10に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 前記工程(I)におけるジルコニウム塩(B3)として、オキシジルコニウム塩の水溶液に水酸化ジルコニウム又はオキシ炭酸ジルコニウムを添加して得られる水溶液を使用する請求項9又は請求項10に記載の金属の精密鋳造鋳型作成用スラリーの製造方法。
- 請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載の精密鋳造鋳型作成用スラリーにロウ型を浸漬し、該ロウ型にスタッコ材を付着させ、次にスタッコ材を付着させたロウ型を加熱して脱ロウし、その後得られた鋳型を焼成することからなる、金属の精密鋳造鋳型の製造方法。
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