JP6735025B2 - 精密鋳造用消失性模型の製造方法および精密鋳造用消失性模型 - Google Patents

Description

本発明は、精密鋳造用消失性模型の製造方法および精密鋳造用消失性模型に関し、例えば、空力学的に複雑な曲面形状を有する過給機用羽根車などをロストワックス精密鋳造法を用いて製造する場合に好適な精密鋳造用消失性模型の製造方法および精密鋳造用消失性模型に関する。

例えば、一般的なロストワックス鋳造法による精密鋳造プロセスは、製品となる鋳物を造るための湯口部や湯道部を含む消失性模型パターン（鋳造方案）を形成する幾つかの消失性模型の形成プロセス、その消失性模型を用いた鋳造パターンの形成プロセスと、その鋳造パターンを用いた鋳型の形成プロセス、Ｎｉ基超合金などを溶解して溶融金属材料（溶湯）を得る溶解プロセス、その溶湯を鋳型内に注入する鋳造プロセス、冷却後に鋳型内から鋳物を取り出す離型プロセスと、その鋳物から分離した製品部の清浄化プロセス、その製品部（製品鋳物）の検査プロセスなど、幾多のプロセスを含む。

例えば、消失性模型の形成プロセスでは、加熱すると溶け流れて保形性を失うワックスなどの消失性材料から成る成形材料を用いる。かかるプロセスでは、加熱して溶融または半溶融の流動可能な状態とした成形材料を、製品部（製品鋳物）の形状に対応する空間形状を有する金型キャビティ内に注入し、そのまま凝固させて形成したプリフォームを金型キャビティ内から取り出し、余分なバリなどがあれば除去し、消失性模型を得る。また、プリフォームの金型キャビティ内からの取り出し（離型）に際しては、プリフォームの離型性を高めるために、金型キャビティ面に対してブラッシュ法やスプレイ法によって離型剤が塗布される。例えば、特許文献１にはシリコーンオイルからなる離型剤を塗布する記載があり、特許文献２には本質的に適度に水溶性であるとするシリコーン系の特別な離型剤を塗布する記載がある。

特開平１１−４７８８１号公報 特開平６−６３６８８号公報

上述したように金型キャビティ面に離型剤を塗布すると、金型キャビティの空間形状によっては離型剤が流れて集まり、金型キャビティ内の一部に離型剤の溜まりが形成されることがある。かかる離型剤の溜まりが金型キャビティ内にあると、その離型剤の溜まりが成形材料の充填を阻んでプリフォーム形状が所定に形成されず、形状不良の消失性模型が得られてしまう。こうした離型剤の溜まりに起因する消失性模型の形状不良の問題は、どのような離型剤を用いたとしても、液状の離型剤の塗布を行う限り解決することができない。

本発明の目的は、消失性模型の形状不良の原因となる離型剤の溜まりを金型キャビティ内に発生させない、精密鋳造用消失性模型の製造方法および精密鋳造用消失性模型を提供することである。

本発明者は、金型キャビティ内に注入した成形材料の凝固による収縮に着目し、その収縮を利用してプリフォームの表面に離型剤の被膜を形成することにより、金型キャビティ面に対する離型剤の塗布が省略できることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の精密鋳造用消失性模型の製造方法は、消失性材料と有機ケイ素化合物が主成分であるシリコーン系の離型剤を含む成形材料を製品形状に対応する金型キャビティ内に注入し、前記消失性材料を凝固させることによってプリフォームを形成し、前記プリフォームを前記金型キャビティ内から取り出すことによって消失性模型を得る。また、前記成形材料に含まれる前記離型剤の質量比が０．１％〜１．０％であってよい。また、前記成形材料に含まれる前記離型剤の質量比が０．２％〜０．８％であってもよい。

上述した本発明の精密鋳造用消失性模型の製造方法によって効率良く作製することができる健全な精密鋳造用消失性模型は、すなわち、消失性材料と有機ケイ素化合物が主成分であるシリコーン系の離型剤を含む本発明の精密鋳造用消失性模型である。

本発明によれば、金型キャビティ面に離型剤を塗布する必要がなく、この塗布工程を省略することができる。また、塗布された離型剤が金型キャビティ内の一部に溜まることによる消失性模型の形状不良を防ぐことができる。

本発明の精密鋳造用消失性模型の製造方法は、精密鋳造用消失性模型（以下、「消失性模型」という。）を製造するに際し、消失性材料と離型剤を含む成形材料を製品形状に対応する金型キャビティ内に注入する。そして、成形材料を注入後、その成形材料を金型キャビティ内で冷却し、成形材料に含まれる消失性材料を凝固させることによってプリフォームを形成する。かかるプリフォームを金型キャビティ内から取り出すことにより、本発明の精密鋳造用消失性模型を得ることができる。なお、金型キャビティ内に注入する成形材料は、実質的な主成分である消失性材料が加熱によって溶融または半溶融した流動性のよい状態であることが好ましく、かかる消失性材料に対する親和性がよい例えばシリコーン系の離型剤を含むことが好ましい。

本発明の製造方法では、成形材料に含まれる消失性材料の凝固が進行する際の収縮を利用し、かかる成形材料に含まれる離型剤を外側に滲出させる。これにより、凝固によって形成されつつあるプリフォームの表面に、離型剤の被膜を形成することができる。したがって、従来のように金型キャビティ面に離型剤を塗布しなくても、プリフォームは金型キャビティ面から容易に分離して離型する。なお、かかる離型剤の被膜の形成に際し、成形材料に含まれる離型剤の全量がプリフォームの表面に滲出することは実質的に起こらない。そのため、本発明の製造方法による消失性模型は、実質的に離型剤を含む消失性材料から成り、その内部に離型剤を含むものとなる。

所望される消失性模型の形状は多様であるため、その消失性模型に対応するプリフォームの形状も多様になる。また、１つのプリフォームの各部も、凸状、凹状、平面状、曲面状などに構成され、その表面形状は球形でない限りは一様でない。そのため、プリフォームの各部の形状の差異により、プリフォームの表面に滲出した離型剤によって形成される被膜の分布に差異が発生する可能性がある。特に、落差の大きい凸凹部、細長い突部、狭隘な隙間や溝や孔、羽根状の薄肉部などの特異な形状を有するプリフォームは、その表面に滲出した離型剤による一様な厚さの被膜が形成されず、プリフォームの表面の離型剤の分布量に差異が発生する可能性が高いと考えられる。

こうしたプリフォームを形成する場合には、金型キャビティ内に注入する成形材料に含まれる離型剤の質量比が、つまり「成形材料に含まれる離型剤の質量」／「成形材料の全質量」×１００（％）で求められる値が０．１％〜１．０％であってよく、また０．２％〜０．８％であってもよい。かかる離型剤の質量比が０．１％〜１．０％であると、プリフォームの表面に離型剤の被膜が好ましい状態で形成される。好ましい状態とは、金型キャビティ面とプリフォームとの間に離型剤の被膜が均質的に形成されている状態であり、離型剤が金型キャビティ面に対して理想的に塗布された状態に近似しているといってもよい。これにより、プリフォームは、金型キャビティ面に離型剤が塗布されていなくても、金型キャビティ面に固着することなく容易に分離され、健全な状態で離型される。

また、離型剤の被膜をより確実かつ安定に形成するための汎用性を考慮すれば、離型剤の質量比が０．２％〜０．８％であるとよい。特に、上述した特異な形状を有するプリフォームを形成する場合は、離型剤の質量比が０．２％〜０．６％であるとよく、プリフォームの表面に滲出した離型剤が特異な形状部へ集まる可能性をより小さくすることができる。なお、離型剤の質量比が０．１％未満であると、プリフォームの形状の影響を受けて離型剤の被膜が不均質に形成される可能性に留意したい。また、離型剤の質量比が１．０％を超えると、プリフォームの表面に過剰な離型剤が滲出する可能性に留意したい。

次に、本発明の消失性模型の製造方法および本発明の消失性模型の特徴について説明する。
本発明の製造方法は、消失性模型の形成プロセス、鋳型の形成プロセス、溶解鋳造プロセス、離型プロセスと順に経ていく一般的なロストワックス精密鋳造プロセスにおいて、製品となる鋳物を造るための湯口部や湯道部を含む消失性模型パターン（鋳造方案）を形成する幾つかの消失性模型の形成プロセスに適用される。

消失性模型の形成プロセスでは、金型キャビティ内に成形材料を射出注入し、消失性模型に対応するプリフォームを形成し、そのプリフォームを金型から取り出して消失性模型を得る。本発明は、消失性材料に対して離型剤を混合した成形材料を用いることを特徴とし、その他にも添加剤などを混合することができる。なお、製品となる鋳物に対応する消失性模型に限らず、鋳造方案を形成するために必要な湯道、湯口、押し湯、湯溜り、ガスベントなどに対応する消失性模型に対しても同様に適用することができる。

成形材料を構成する消失性材料は、ロストワックス鋳造法で一般的に用いられるパラフィン、カルナバ、レジン、ロジン、フィラーなどを原料とする親油性の混合物（以下、単に「ワックス」ともいう。）であってよい。また、成形材料に混合する離型剤は、消失性材料と分離し難く混合が容易であることが好ましいため、消失性材料が親油性であれば親油性を選択し、親水性であれば親水性を選択することが好ましい。例えば、信越化学製のＫＳ−８０５などのシリコーン系の離型剤は、入手性が良く、上述した親油性のワックスとの混合が容易で分離し難く、主成分である有機ケイ素化合物はＦｅ基合金やＮｉ基合金などから成る鋳物の品質を毀損し難い。例えば、上記のワックスと、質量比で０．３％のシリコーン系の離型剤（上記のＫＳ−８０５）を含む成形材料を用いて消失性模型を作製したところ、金型キャビティから損傷なくプリフォームを取り出すことができ、そのプリフォームは変形などの不具合がない健全な状態であった。

金型は、所望の消失性模型に対応する空間形状を有するキャビティや、そのキャビティに成形材料を導くライナーなどを備え、上述したワックスなどの消失性材料と離型剤を含む成形材料の射出注入が可能な構成を有していればよい。また、アンダーカットになる部位を含む消失性模型であっても、キャビティを可動金型（スライドコア）を用いて構成したり、キャビティ内に金属中子、セラミック中子、あるいは水溶性中子を配置するなどの方法によればよい。なお、上述した湯道、湯口、押し湯、湯溜り、ガスベントなどに対応する消失性模型の場合も、金型を同様に構成すればよい。

従来は、上述したワックスなどの消失性材料から成る成形材料を金型キャビティ内に射出注入するに際して、金型キャビティ面への離型剤の塗布が必要であった。しかし、上述したワックスなどの消失性材料とシリコーン系などの離型剤を含む成形材料を用いる本発明では、上述したようにプリフォームの表面に滲出した離型剤による被膜の形成により、金型キャビティ面への離型剤の塗布を略することができる。

具体的には、上述した消失性材料と離型剤を含む成形材料は、射出注入に適する溶融または半溶融の流動可能な状態にするために、例えば４０℃〜８０℃の温度に制御すればよい。また、金型の少なくとも金型キャビティ面は、例えば１０℃〜３０℃の温度に制御することにより、注入後の消失性材料の凝固を速めることができる。また、上記の流動可能な状態の成形材料を金型キャビティ面に注入する射出圧力は、例えば１０ＭＰａ〜３０ＭＰａに制御するなど、金型の耐久性能に従えばよい。

なお、例えば４０℃〜６５℃の温度で半溶融状態になる成形材料は、溶融状態よりも消失性材料の凝固時間が短縮し、消失性材料の凝固による収縮が良好に進み、プリフォーム形状の寸法ばらつきを抑制しやすいなどの利点がある。また、例えば７５℃〜８０℃の温度で溶融状態になる成形材料は、半溶融状態よりも流動性が良く、均質化しやすく、金型キャビティ内での不廻りが抑制されるなどの利点がある。

上述したような条件下で、金型キャビティ面に対して離型剤を塗布することなく、上記の流動可能な状態の成形材料を金型キャビティ内に射出注入すればよい。そして、成形材料を金型キャビティ内に注入した後は、消失性材料が凝固して金型キャビティ内でプリフォームが形成されるまで待つ。この消失性材料の凝固の際に、離型剤がプリフォームの表面に滲出し、プリフォームの表面に離型剤の被膜が形成される。これにより、金型からプリフォームを容易に取り出すことができる。したがって、消失性材料の凝固は、金型を開き、プリフォームを手作業またはロボットなどで取り出せばよい。そして、取り出したプリフォームに、余分なバリやランナーなどがあれば除去し、必要に応じて形状寸法を調整するなど、仕上げ処理を施すことにより、所定の形状を有する消失性模型を得ることができる。

上述した本発明の製造方法を適用した消失性模型の形成プロセスによれば、従来のような離型剤の溜まりに起因する消失性模型の形状不良は発生することがない。また、本発明の製造方法の適用により、特に消失性模型を連続的に形成する場合は、離型剤の塗布や金型キャビティ内に溜まった離型剤の除去に係る作業時間が不要になるため、消失性模型を従来よりも効率良く作製することができる。本発明の製造方法によって作製される本発明の消失性模型は、その表面に離型剤の被膜を有し、例えばシリコーン系の離型剤を用いた場合は離型剤による光沢がその表面に確認される。なお、消失性模型の表面に有する離型剤の被膜は、洗浄して除去することができる。離型剤の被膜を除去した消失性模型の表面には、親水性のスラリーであっても好ましい状態で付着することができる。

本発明の消失性模型は、成形材料に含まれていた離型剤が内部に残存することがある。しかし、ほとんどの離型剤は消失性材料の凝固による大きな収縮力によって押され、消失性模型の表面に滲出してしまう。そのため、消失性模型の内部に、鋳物の製造や品質に悪影響を及ぼすほど多量の離型剤が残存するようなことはない。なお、消失性模型の内部に残存する離型剤の有無などを調べる場合は、その離型剤に特有な元素の含有比を調べればよく、例えばシリコーン系の離型剤であればＳｉ（珪素）を調べればよい。

次に、上述した製造方法によって作製した本発明の消失性模型を用いて、精密鋳造用の鋳型のキャビティに対応する所望の形状を有する鋳造方案を作製する。具体的には、製品部に対応する１個または複数の消失性模型と、同様に作製した湯道、湯口、押し湯、湯溜り、ガスベントなどに対応する消失性模型などを組み立てることにより、ツリー状やドラム状などの所望の形状を有する消失性の鋳造方案を作製する。なお、消失性模型の組み立ては、消失性模型の組み立て部位を加熱して溶着する方法や、高粘度の溶融ワックスを用いて接着する方法などであってよい。

次に、消失性の鋳造方案を用いて、精密鋳造用の鋳型を作製する。まず、鋳造方案は、その表面を洗浄し、付着している油分や異物を除去する。次いで、清浄な鋳造方案の表面に、耐火物粉末を含むスラリーをコーティングし、さらに耐火物から成る粉末（スタッコ）をコーティングし、乾燥させて耐火物層を形成する。このスラリーとスタッコを交互にコーティングして形成する耐火物層を所定の層数だけ形成することにより、複数の耐火物層から成る耐火物殻を作製する。

次に、十分に乾燥させた耐火物殻をオートクレーブ処理し、耐火物殻に内包された消失性の鋳造方案を溶融させて外部へ除去する（脱ロウ）ことにより、所望のキャビティ形状を有する鋳型原型（耐火物殻）が得られる。さらに、鋳型原型を３００℃〜９００℃の温度で保持し（一次焼成プロセス）、鋳型原型の内部に残存している消失性材料を燃焼させて除去し、鋳型原型の十分な乾燥もしくは鋳型原型を構成する耐火物の仮焼結を行うことによってハンドリング性を確保する。なお、オートクレーブ処理から直に鋳造プロセスへ移行する場合は、上述した一次焼成プロセスを省略してもよい。

上述した製造方法によって作製した鋳型原型を用いて鋳造を行うに際して、鋳型原型を構成する耐火物の焼結を行うことにより、鋳造に耐えることができる鋳型を得る。具体的には、鋳造室内に鋳型原型を配置し、その鋳型原型を構成する耐火物が焼結する例えば１０００℃〜１２００℃の温度で保持し（本焼成プロセス）、高温かつ質量のある溶融金属材料（溶湯）の注入に耐える機械的強さを有する鋳型にする。

次いで、所望の材質の溶湯を準備し、その溶湯を例えば９００℃〜１２００℃の温度に保持した鋳型内に注入し、その鋳型内の溶湯を冷却して凝固させる。その後、内部で金属材料が凝固した鋳型を鋳造室から取り出し、解砕し、製品鋳物を分離し、清浄処理し、必要に応じて仕上げ加工することにより、健全な鋳物（製品鋳物）を得ることができる。

本発明は、例えば、空力学的に複雑な曲面形状を有する過給機用羽根車などをロストワックス精密鋳造法を適用して製造する場合に、精密鋳造用の鋳型の製造に必要な消失性模型の製造に利用することができる。

Claims (4)

1. 消失性材料と有機ケイ素化合物が主成分であるシリコーン系の離型剤を含む成形材料を製品形状に対応する金型キャビティ内に注入し、前記消失性材料を凝固させることによってプリフォームを形成し、前記プリフォームを前記金型キャビティ内から取り出すことによって消失性模型を得る、精密鋳造用消失性模型の製造方法。
2. 前記成形材料に含まれる前記離型剤の質量比が０．１％〜１．０％である、請求項１に記載の精密鋳造用消失性模型の製造方法。
3. 前記成形材料に含まれる前記離型剤の質量比が０．２％〜０．８％である、請求項２に記載の精密鋳造用消失性模型の製造方法。
4. 消失性材料と有機ケイ素化合物が主成分であるシリコーン系の離型剤を含む、精密鋳造用消失性模型。