JP7446311B2 - インベストメント鋳造シェルバインダー及び組成物 - Google Patents
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Description
を含む。
増加は、プロセスのコストも増加させる。
透過性が低いと、空気がシェル内に閉じ込められ、溶融金属がシェルのキャビティを満たすのを妨げる可能性がある。また、高温でシェルに亀裂が生じる可能性もある。本発明の文脈における「多孔性(porosity)」という用語は、シェル内の空の(ボイド)スペースの割合を指す。高い多孔性のシェルは、必ずしも透過性が高いとは限らない。
i)親水性フィブリルを水性溶媒中で混合すること;
(ii)バインダーを形成するため、(i)における混合物を、コロイダルシリカを含む容器に添加すること;
(iii)オプションで、ポリマー、消泡剤、pH調整剤、殺菌剤及び殺カビ剤を含む1つ又は複数の追加の薬剤をバインダーに添加すること;
(iv)スラリーを形成するため、前記バインダーを耐火成分と混合すること;
を含む。
インベストメント鋳造プロセス中、インベストメント鋳造シェルは高い内圧と熱応力にさらされる。例えば、シェルは、ワックスの除去に耐えるのに十分なグリーン強度、鋳造金属の圧力に耐えるのに十分な焼成強度、金属注入時の割れを防止する高い耐熱衝撃性、高い化学的安定性、鋳造される金属との低い反応性、金型を介した適切な熱伝達を維持するのに十分な透過性と熱伝導率を備えている必要がある。
MOR=3WL/2BD2
式中、Wは荷重、Lはスパン(pan)、Bは幅、且つDは厚さである。したがって、理論的には、シェル材料の強度(MOR)は厚さに依存せず、且つ関連する材料と処理の特性のみに依存する必要がある。
実施例例1 インベストメント鋳造シェル組成の配合(formulations)
1.1 シェルルーム試験の配合
表1
^ Burst 100は、同量のFumexol(登録商標)(Huntsman Textile Effect)に置き換えることができる。
表中の対訳: Ingredients 構成成分;Conventional (no MFC) 従来の(MFCなし);Example formulation 実施例配合物;[宮崎副所長2]
実施例配合物;
1.2.1 耐火物としての200メッシュの溶融シリカ
表2
^ Burst 100は、同量のFumexol(登録商標)(Huntsman Textile Effect)に置き換えることができる。
# Wet-in(登録商標)は、同量のVictawet(登録商標)12(ILCO Chemie)と置き換えることができる。
表中の対訳: Ingredients 構成成分;Conventional (no MFC) 従来の(MFCなし);Example formulation 実施例配合物;
表3
^ Burst 100は、同量のFumexol(登録商標)(Huntsman Textile Effect)に置き換えることができる。
# Wet-in(登録商標)は、同量のVictawet(登録商標)12(ILCO Chemie)と置き換えることができる。
表中の対訳: Ingredients 構成成分;Conventional (no MFC、WDS) 従来の(MFC、WDSなし);Example formulation 実施例配合物;Ingredients 構成成分;Conventional (no MFC) 従来の(MFCなし);Example formulation 実施例配合物;fused silica 溶融シリカ;colloidal silica コロイダルシリカ;Biocide 殺生物剤;wetting agent 湿潤材;anti-foaming agent 消泡剤;microfibrillated culluose MFC;
表4
^ Burst 100は、同量のFumexol(登録商標)(Huntsman Textile Effect)に置き換えることができる。
表中の対訳: Ingredients 構成成分;Example formulation 実施例配合物;colloidal silica コロイダルシリカ;deionised water 脱イオン水;Biocide 殺生物剤;wetting agent 湿潤材;anti-foaming agent 消泡剤;microfibrillated culluose MFC;
各試験スラリーの粘度は、ザーンカップを使用して測定した(#4)。カップのサンプリング端が浸漬後にサンプルの表面を破壊したときにタイミングを開始し、スラリーの流れの最初の決定的な破壊がサンプリングカップの底部で観察されたときに停止した。テストの前に、各スラリーの粘度を25秒に調整した(特に指定のない限り)。粘度調整は、(粘度を下げるため)脱イオン水を加えることによってか、(粘度を上げるため)スラリーから水を蒸発させることによって実行された。
2.1 シェルルームトライアル(0.1%及び0.2%MFCバインダー)
2.1.1 サンプル調製
実施例スラリー配合物1及び2は、表1に記載されているように調製された。各スラリーは、それぞれ25秒及び30秒の粘度で試験された。
表5
テストは、BSI BS 1902-4.4:1995及びBS EN 993-6:1995に従って実施された。各ワックスバーの上部又は下部から平らな長方形のシェルサンプルを取り出し、且つMORテストに使用した。幅は2か所で測定され、平均が取られた。シェルのサンプルは、2つのサポートビーム(固定スパン)の間にシェルサンプルを配置すること、及びサンプルの上から均一に荷重を加えることにより、3点曲げ試験で破裂するかどうかをテストした。破壊時の荷重を記録し、破壊の表面積を2箇所で測定し、平均を取った。MORは、:
MOR=3x(破壊時の荷重)xスパン(span))/(2x(幅)x(厚さ)2
のように計算され、結果を図1に示す。各サンプルのシェルの厚さを測定し、結果を図2に示す。
2.2.1 サンプル調製
実施例配合物3は、表2に記載されているように、25秒の粘度に調製された。5本のワックスバー(25mmx150mm)をパターン洗浄液に浸し、水ですすぎ、温度制御された部屋(気流0.6m/s、湿度45%RH、温度25℃)で乾燥させた。次に、各バーを、以下の表6に記載されている浸漬プロトコルに従って、0.3%MFC(表2を参照)を含む試験スラリー組成物に浸漬して、シェルを形成した。
表6
MOR、厚さ、及び破壊力の結果を図4からに示す。
バインダーに0.4%のMFCを含むことを除いて、実施例3のインベストメント鋳造シェル配合物を調製した。スラリーは、従来のスラリーと比較してシェルビルドが大幅に増加したインベストメント鋳造シェルを製造した。例えば、3コートで約68%増加し、4コートで約76%増加する(図7を参照)。しかしながら、スラリーは一貫性のない作業特性を有することが見いだされて、且つバインダー中に0.3%のMFCを含む組成物ほど効果的にワックスバーを覆っていなかった。
3.1 サンプル調製
実施例配合物1、2及び3は、表1に従って調製された。実施例配合物1及び2のスラリーは、それぞれ25秒及び30秒の粘度で試験された。従来のスラリー及び実施例配合物3(表2)を含むスラリーもまた、25秒の粘度に調製された。
表7
K=dV/ptA
計算された。ここで、dはシェルの厚さ(cm)、Vはガスの体積(mL)、pはシェル全体の圧力損失(cmH2O)、tはタイム(秒)、Aはボールの内部面積から挿入されたロッドの面積を引いたものである(cm2)。
表8
従来のスラリーと比較した、バインダー中に0.1%、0.2%、0.3%のMFCを含むスラリー(実施例配合物1から3)のシェルルーム試験の透過性試験の結果を図8A(ホット)及び図8B(コールド)に示す。
実施例4 ミクロンスケールの直径を持つ繊維を含むスラリーとの比較
0.3%MFCの代わりに、平均直径52μm、平均長さ0.5mmのナイロン繊維0.3%(12.4kg)を使用したことを除いて、配合物3に従ってスラリーを調製した。実施例2に記載の方法に従って、MOR、厚さ、及び破壊力の測定を行った。結果を図9から11に示す。結果は、MFCとは対照的に、ミクロン範囲の直径を持つ繊維を追加しても、シェルの構築又は破壊強度が大幅に向上しないことを示す。
実施例配合物3及びMFCを含まない従来のスラリーを表2に従って調製し、スラリーの特性を、以下に記載されるプロトコルを使用して評価した。結果を表9に示す。
%全固形分(% total solids) スラリー中のすべての有効成分、つまり水を除去したすべてのスラリー成分、の測定値。スラリー中の全固形分は、水分バランス(Mettler MJ33)を使用して決定された。安定した重量(weight)が得られるまでスラリーのサンプルを140℃で乾燥させ、固形分のパーセンテージを計算した。あるいは、この測定は、サンプルを140℃で約1時間オーブン乾燥すること、及び固形分パーセンテージを計算することによって行うことができる。
スラリー中のバインダーの特性をテストするため、スラリーサンプルを4600rpmで約30分間遠心分離し、新しいバイアルにデカントし、4600rpmで約30分間再度遠心分離した。上澄みバインダーをバイアルの上部から取り出した。バインダーの特性は、以下に説明するプロトコルを使用して評価した。
6.1 バインダーの調製
実施例5(表4を参照)の調製に使用されるバインダーは、以下のように倉庫で調製された。
スラリーの特性は、実施例5に記載されたプロトコルを使用して評価され、結果は表10に示されている。
表10
シェルビルドの厚さに対するポリマー濃度の影響を評価するために、バインダーに6%3%及び0%のスチレンブタジエンポリマー(Adbond(登録商標)BV、RemetCorporation又はLipatonSB 5843、Synthomer plc)を含むスラリーを調製した。MOR、シェルの厚さ、及び破壊力のテストは、グリーン及びホット(1000°C)で実行された。サンプルの準備とテストプロトコルについては、実施例2を参照。結果を図12から14に示す。
シェルビルドの厚さに対する耐火材料の影響を評価するために、鋳造シェルスラリーは、広範囲に分布するシリカ耐火物(EZ CastTM; Remet UK Ltd)を使用して調製した。溶融シリカ200メッシュ、溶融シリカ270メッシュ、広範囲に分布する溶融シリカの粒度分布を図15に示す。粒度分布はMalvern Mastersizer3000で測定した。
バインダー粘度試験を実施して、バインダー中にさまざまな濃度のMFC(0%、0.225%、0.25%、及び0.275%)を含むバインダーを比較した。各バインダーシステムについてテストを5回繰り返し、結果を図19に示す。結果は、バインダーの粘度がMFCの濃度の増加に比例して増加することを示す。
インベストメント鋳造シェルバインダーのレオロジーに対するMFCの影響を調査した。表11に示すように、5つの異なるバインダーシステムを準備した。
表11
^ Burst 100は、同量のFumexol(登録商標)(Huntsman Textile Effect)に置き換えることができる。
# Wet-in(登録商標)は、同量のVictawet(登録商標)12(ILCO Chemie)と置き換えることができる。
表中の対訳: Binder system バインダーシステム;Binder componentes バインダー成分;Percentage amount パーセンテージ量;colloidal silica コロイダルシリカ;wetting agent 湿潤剤;anti-foaming agent 消泡剤;
0.3%のMFCを含む配合物3に使用されバインダーの化学的安定性を、代わりに0.3%のナイロン繊維(平均直径52μm;平均長さ0.5mm)を含む同等のバインダーと比較した。
表12
配合物3のバインダー(0.3%MFC)
配合3のバインダー(0.3%MFCを0.3%ナイロン繊維に置き換え)
Observations 観察
71日後にゲル化なし;ファイバードロップアウトなし
41日後にゲル化なし;繊維は数時間後に懸濁液からドロップアウト
実施例配合物3(実施例1を参照)のキャスティングシェルスラリーは、2つの異なるスチレンポリマーを有するバインダーシステムを用いて調製された。
一連の3つの鋳造シェルスラリーを比較した。テストされたスラリーは、表13に示されているものである。
表13
* Lipaton SB 5843は、同量のAdbond(登録商標)BV(Remet Corporation)と置き換えることができる。
# Victawet(登録商標)12は、同量のWet-in(登録商標)(Remet Corporation)と置き換えることができる。
表15
(付記1)
インベストメント鋳造シェル組成物バインダーであって、平均直径が約1nmより大きく且つ約1μm未満の親水性フィブリルを含むバインダー。
(付記2)
前記親水性フィブリルが、約10nmから約1μmの間、好ましくは約50nmから約500nmの間、より好ましくは約100nmから300nmの間の平均直径を有する、付記1に記載のバインダー。
(付記3)
親水性フィブリルが約100nmから約100μmの間の平均長さを有する、付記1又は付記2に記載のバインダー。
(付記4)
前記親水性フィブリルが15以上、好ましくは20以上、より好ましくは25以上のアスペクト比を有する、付記1に記載のバインダー。
(付記5)
親水性フィブリルがセルロースフィブリルを含む、付記1に記載のバインダー。
(付記6)
前記親水性フィブリルが天然源に由来する、付記1から5のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記7)
前記親水性フィブリルが、樹木、野菜、テンサイ、柑橘類及びそれらの組み合わせからなる群から選択される原料に由来する、付記6に記載のバインダー。
(付記8)
前記親水性フィブリルがフィブリル化繊維を含む、付記1から7のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記9)
前記親水性フィブリルがミクロフィブリル化セルロース(MFC)を含む、付記1から8のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記10)
前記親水性フィブリルは、当該バインダーの総質量(total mass)に基づいて、約0.1重量%(wt%)から約20重量%、好ましくは、当該バインダーの総質量に基づいて約0.1重量%から約5重量%、より好ましくは、当該バインダーの総質量に基づいて約0.2重量%から約4重量%の量で存在する、付記1から9のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記11)
コロイドダルシリカをさらに含む、付記1から10のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記12)
少なくとも1つの追加のポリマーをさらに含む、付記1から11のいずれか一項に記載のバインダー。
(付記13)
前記少なくとも1つの追加のポリマーが、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、スチレン、ブタジエン、塩化ビニル、酢酸ビニル、及びそれらの組み合わせからなるリストから選択される1つ又は複数のモノマーを含む、付記12に記載のバインダー。
(付記14)
前記少なくとも1つの追加のポリマーがスチレンポリマーを含む、付記13に記載のバインダー。
(付記15)
付記1から14のいずれか一項に記載のバインダーよび耐火性成分を含むインベストメント鋳造シェル組成物。
(付記16)
付記15に記載の組成物であって、ここで、前記バインダー中の前記親水性フィブリルは、当該組成物の総質量(total mass)に基づいて約0.01重量%(wt%)から約1重量%、好ましくは、当該組成物の総質量に基づいて約0.01重量%から約0.5重量%、より好ましくは、当該組成物の総質量に基づいて約0.05重量%から約0.2重量%、さらにより好ましくは、当該組成物の総質量に基づいて、0.05重量%から約0.15重量%の量で存在する、組成物。
(付記17)
前記耐火性成分が、溶融シリカ、アルミノケイ酸塩、アルミナ、ケイ酸ジルコニウム、マイクロシリカ、ジルコニア、ジルコン、イットリア、石英、炭素、及びそれらの組み合わせからなるリストから選択される少なくとも1つを含む、付記15又は付記16に記載の組成物。
(付記18)
ここで、前記耐火性成分は、リスト: 溶融シリカメッシュ120、溶融シリカメッシュ140、溶融シリカメッシュ170、溶融シリカメッシュ200、溶融シリカメッシュ270、溶融シリカメッシュ325、及びそれらの組み合わせ、から選択される溶融シリカを含む、付記15から17のいずれか一項に記載の組成物。
(付記19)
付記15から18のいずれか一項に記載の組成物であって、ここで、前記耐火性成分は、広い分布の溶融シリカを含み、ここで、前記広い分布の溶融シリカは、好ましくは、85%の溶融シリカ50から80メッシュと15%の溶融シリカ120メッシュとの組み合わせを含む、組成物。
(付記20)
付記15から19のいずれか一項に記載の組成物から調製されたインベストメント鋳造シェル。
(付記21)
付記15から19のいずれか一項に記載のインベストメント鋳造シェル組成物を調製する方法であって、当該方法は以下:
(i)前記親水性フィブリルを水性溶媒中で混合すること;
(ii)バインダーを形成するため、(i)における混合物を、コロイダルシリカを含む容器に添加すること;
(iii)オプションで、ポリマー、消泡剤、pH調整剤、殺菌剤及び殺カビ剤を含む1つ又は複数の追加の薬剤を前記バインダーに添加すること;
(iv)スラリーを形成するため、前記バインダーを耐火成分と混合すること;
を含む方法。
(付記22)
物品を作製するためのインベストメント鋳造方法であって、当該方法は、インベストメント鋳造シェルスラリーの少なくとも1つのコートで消耗性プリフォームをコーティングすることを含み、ここで、前記スラリーコートのうち少なくとも1つは、付記15から19のいずれか一項に記載のインベストメント鋳造シェル組成物を含む、インベストメント鋳造方法。
(付記23)
第2の層以上のスラリーコートが、付記15から19のいずれか一項に記載のインベストメント鋳造シェル組成物を含む、付記22に記載のインベストメント鋳造方法。
(付記24)
前記少なくとも1つのスラリーコートのうちの1つ又は複数をオプションでスタッコすることをさらに含み、ここで、スラリーコート及びスタッコ加工によって生成された前記1つ(the a)のスタッココートは、シェル層を作成し、ここで、一度乾燥した各シェル層は、少なくとも1mmの厚さ、好ましくは少なくとも1.1mmの厚さ、より好ましくは少なくとも1.2mmの厚さ、さらにより好ましくは少なくとも1.3mmの厚さである、付記22又は付記23に記載のインベストメント鋳造方法。
(付記25)
付記1から14のいずれか一項に記載のバインダー;及び
耐火性成分(component);
を含むインベストメント鋳造シェル組成物を調製するためのキット。
Claims (21)
- インベストメント鋳造シェル組成物バインダーであって、平均直径が1nmより大きく且つ1μm未満の親水性フィブリルを含み、
前記親水性フィブリルは、0.1から0.3%のミクロフィブリル化セルロース(MFC)を含む、バインダー。 - 前記親水性フィブリルが、10nmから1μm未満の間、50nmから500nmの間、又は100nmから300nmの間の平均直径を有する、請求項1に記載のバインダー。
- 前記親水性フィブリルがセルロースフィブリルを含む、請求項1又は請求項2に記載のバインダー。
- 前記親水性フィブリルがフィブリル化繊維を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のバインダー。
- 前記親水性フィブリルは、当該バインダーの総質量(total mass)に基づいて0.1重量%(wt%)から20重量%の量で存在する、請求項1から4のいずれか一項に記載のバインダー。
- 前記親水性フィブリルは、当該バインダーの総質量に基づいて0.1重量%から5重量%の量で存在する、請求項5に記載のバインダー。
- 前記親水性フィブリルは、当該バインダーの総質量に基づいて0.2重量%から4重量%の量で存在する、請求項5に記載のバインダー。
- 少なくとも1つの追加のポリマーをさらに含み、
前記少なくとも1つの追加のポリマーが、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、スチレン、ブタジエン、塩化ビニル、酢酸ビニル、及びそれらの組み合わせからなるリストから選択される1つ又は複数のモノマーを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のバインダー。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載のバインダー及び耐火性成分を含むインベストメント鋳造シェル組成物。
- 請求項9に記載の組成物であって、ここで、前記バインダー中の前記親水性フィブリルは、当該組成物の総質量(total mass)に基づいて0.01重量%(wt%)から1重量%、当該組成物の総質量に基づいて0.01重量%から0.5重量%、当該組成物の総質量に基づいて0.05重量%から0.2重量%、又は当該組成物の総質量に基づいて、0.05重量%から0.15重量%の量で存在する、組成物。
- ここで、前記耐火性成分は、リスト: 溶融シリカメッシュ120、溶融シリカメッシュ140、溶融シリカメッシュ170、溶融シリカメッシュ200、溶融シリカメッシュ270、溶融シリカメッシュ325、及びそれらの組み合わせ、から選択される溶融シリカを含む、請求項9又は請求項10に記載の組成物。
- 請求項9から11のいずれか一項に記載の組成物であって、ここで、前記耐火性成分は、広い分布の溶融シリカを含む、組成物。
- 前記広い分布の溶融シリカは、85%の溶融シリカ50から80メッシュと15%の溶融シリカ120メッシュとの組み合わせを含む、請求項12に記載の組成物。
- 請求項9から13のいずれか一項に記載の組成物から調製されたインベストメント鋳造シェル。
- 物品を作製するためのインベストメント鋳造方法であって、当該方法は、インベストメント鋳造シェルスラリーの少なくとも1つのコートで消耗性プリフォームをコーティングすることを含み、ここで、スラリーコートのうち少なくとも1つは、請求項9から13のいずれか一項に記載のインベストメント鋳造シェル組成物を含む、インベストメント鋳造方法。
- 第2の層以上のスラリーコートが、請求項9から13のいずれか一項に記載のインベストメント鋳造シェル組成物を含む、請求項15に記載のインベストメント鋳造方法。
- 前記少なくとも1つのスラリーコートのうちの1つ又は複数にスタッココートを塗布することをさらに含み、ここで、スラリーコート及び前記スタッココートは、シェル層を作成し、ここで、一度乾燥した各シェル層は、少なくとも1mmの厚さである、請求項15又は請求項16に記載のインベストメント鋳造方法。
- 一度乾燥した各シェル層は、少なくとも1.1mmの厚さである、請求項17に記載のインベストメント鋳造方法。
- 一度乾燥した各シェル層は、少なくとも1.2mmの厚さである、請求項17に記載のインベストメント鋳造方法。
- 一度乾燥した各シェル層は、少なくとも1.3mmの厚さである、請求項17に記載のインベストメント鋳造方法。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載のバインダー;及び
耐火性成分(component);
を含むインベストメント鋳造シェル組成物を調製するためのキット。
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