JPH02112848A - インベストメント鋳造用セラミックシェルモールドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、インベストメント鋳造に関し、とくにインベ
ストメント鋳造用高融点金属及び合金用セラミックシェ
ルモールド及びセラミツクンエルモールドの形成方法に
関する。

発明の背景 高融点金属及び合金のインベストメント鋳造では、従来
のシリカ結合セラミックシェルモールドは、溶融金属の
容器及び成形に使用されていた。

従来のシリカ結合セラミックシェルモールドは、曲げ強
度が低く、また高温鋳造温度でのシェルモールドのリー
プ抵抗が低い。このため従来のシリカ結合セラミックシ
ェルモールドを鋳造温度が２　７　０　０　’Ｆ以上の
温度で行なう最近開発された高融点合金のインベストメ
ント鋳造で使用すると、膨張やクラックが形成されるこ
とが判っている。

そして、セラミックシェルモールドが膨張すると、得ら
れる鋳造物の寸法が正確でなくなる。また相当量のクラ
ックが生じると、セラミックシェルモールドが破壊し、
溶融金属が流れ出す。

従来の高い鋳造温度用シリカ結合セラミックシェルモー
ルドよりも高い効率をなすために、アルミナ、ムライト
、または他の高い耐火性酸化物結合材が使用されている
。これらの結合材は、通常セラミック材のスラリーまた
は懸濁物としてからシェルモールド内に組み込まれてい
る。しかし、高い耐火材で結合されたセラミックシェル
モールドは、以下の問題点がある。必要とするセラミッ
クスラリ−は、通常、懸濁物の安定性を制御することが
困難である。更に、スラリーの被覆物は、乾燥や硬化が
困難である。また、これらのシェルモールドは、高温に
焼成して、適切な焼結または化学的な結合をなすように
しなければならない。

またシェルモールドは、鋳造冷却過程で強度が高すぎ、
鋳造金属内で高温分解及び／または再結晶が引き起こさ
れることがある。更に加えて、この様なシェルモールド
は、室温で強度が大きすぎ、かつ化学的に不活性であり
、鋳造物から容易に除去することが困難である。

また、セラミック支持ネットワークで補強することによ
り、従来のシリカ結合セラミックシェルモールドを強化
する試みもなされている。更にまた従来のシリカ結合セ
ラミックシェルモールドの高温特性が不十分であること
を克服するために、鋳造部品の設計変更、又は鋳造工程
の変更なども考えられている。しかし、これらの方法は
、高価であり、労働力がかかり、多くの場合実用的では
ない。

従って、本発明の目的は、高温特性を改良したセラミッ
クシェルモールドを提供することにある。

また本発明の目的は、鋳造物の寸法調整が容易であり、
かつ鋳造物から容易に除去することができるセラミック
シェルモールドを提供することにある。

更に本発明の目的は、高温での機械的特性が改善された
セラミックシェルモールドを製造する方法を提供するこ
とである。

更に本発明の目的および利点の一部は以下の記載にあり
、一部はこの記載から自明であり、また本発明の実施に
より学ぶことができる。

発明の概要 本発明の目的に従って、上記課題を解決するために、こ
こに具体化され、また詳細に記載されているように、本
発明のセラミックシェルモールドは、第一セラミック材
からなる表面層を何する。

この表面層を多数の交互層が被覆している。この被覆層
は、第二セラミック材と第三セラミック材とからなる。

第三セラミック材は、第二セラミック材とは、熱物理的
性質が異なる。必要により、この交互層を更に被覆する
被覆層を設けてもよい。

得られるセラミックシェルモールドは、第二セラミック
材単独又は第三セラミック材単独で形成されたシェルモ
ールドよりも高温クリープ抵抗が大きい。

セラミックシェルモールドを形成する本発明方法によれ
ば、所望の形状の鋳造物を持つパターンを提供すること
ができる。表面層は、パターン上に第一のセラミック材
を適用することにより形成される。好ましくは、このパ
ターンを第一のセラミック材のスラリー内に浸漬するの
がよい。ついでこの表面層を被覆する多数の交互層が形
成される。交互層は、この被覆されたパターンに第二の
セラミック材と第三のセラミック材とを交互に適用する
ことで形成される。この第三のセラミック材は、第二の
セラミック材とは熱物理学的特性が異なる。好ましい具
体例では、交互層は、第二のセラミック材と第三のセラ
ミック材からなるスラリー内に交互にこの被覆パターン
を浸漬するのがよい。それぞれの浸漬工程は、セラミッ
クスラリ−上にセラミックスタッコを適用し、そして乾
燥することによりなされる。必要により、交互層を被覆
する被覆層を形成する工程を有することができる。

好適な実施例の説明 以下本発明の具体例について詳細に説明する。

本発明によれば、所望形状の鋳造物のパターンが提供さ
れる。このパターンは、ワックス、プラスチック、冷凍
水銀、又はロストワックス鋳造に適した他の材料である
。

ついでこのパターン上に、第一のセラミック材を適用し
て表面層を形成する。セラミック材は、好ましくは、ア
ルミナ基もしくはジルコン基材であるのがよい。表面層
は、好ましくは、第一セラミック材からなる第一スラリ
ー内にパターンを浸漬することにより形成するのがよい
。被覆バタンから過剰のスラリーを排出した後、セラミ
ックスタッコを適用する。セラミックスタッコは、粗い
アルミナ（１２０メツシユ又はそれよりも粗い）若しく
は、他の適切な耐火材とすることができるそして次の層
を形成する前に、この表面層を乾燥する。

本発明によれば、表面層を被覆する多数の交互層は、第
二のセラミック材と第三のセラミック材とを被覆パター
ン上に交互に被覆することにより形成される。発明の説
明に関して使用されたように、「交互」層の順序は、少
なくとも一つの第二のセラミック材と、少なくとも第三
のセラミック材とを含む任意の層の順序である。従って
、Ａを第二のセラミック材とし、Ｂを第三のセラミック
材とすると、層の順序、例えばＡＢＡＢＡＢ。

ＡＡＡＢＡＡ、ＡＡＢＢＡＡ、及びＢＢＢＡＢＢは、い
ずれも交互層の順序である。

第二および第三のセラミック材は、好ましくは、第二の
セラミック材からなる第二のセラミックスラリ−及び第
三のセラミック材からなる第三のセラミックスラリ−内
に被覆パターンを交互に浸漬するようにするのがよい。

各浸漬工程は、セラミックスラリ−層上にセラミックス
タッコを適用し、そして乾燥する工程によりなされる。

好ましいとはいえないが、各表面被覆層又は任意の交互
層のいずれかに関してセラミックスタッコの適用を省略
することも可能である。

交互層は、表面被覆層もそうであるが、スラリー内に浸
漬する方法に限らず、スプレーコーティング又はフロー
コーティングにより得ることができる。この層がスプレ
ーコーティング又はフローコーティングによる場合、必
要であれば、セラミックスラリ−を適切な溶媒で希釈し
て、作業性のよいものを作るようにしてもよい。

本発明によれば、第三のセラミック材は、第二セラミッ
ク材と異なる熱物理学的性質を持っている。異なる熱物
理学的性質性を持つセラミック材の交互層で形成されて
いるセラミックシェルモールドは、各セラミック材で単
独に形成されているセラミックシェルモールドに比べて
高温特性が優れている。発明の説明に関して使用されて
いるように、「熱物理学的特性」とは、高温での物理的
特性をいう。十分には理解されていないが、交互層間の
強度もしくはクリープ抵抗のような物理的特性に不整合
があると、シェルモールドが複合材として作用すること
となる。すなわち、一つの材料の層が他の材料の層を補
強することとなる。異なる熱物理学的特性を持つこの様
な材料には、アルミナ、ムライト、ジルコニア、イツト
リア、トリア、ジルコン、シリカ、７２重量％未満のア
ルミナを含むアルミノシリケート、もしくはこれらの合
金が挙げられる。但し、これに限定されるものではない
。必ずしも必要とされるものではないが、表面被覆層を
形成するのに使用されるセラミック材は、先に第一セラ
ミック材として引用したが、交互層を形成するのに使用
される第二または第三セラミック材のいずれかと実質的
に同じでもよい。

ここで使用されているように、「実質的に同じ」セラミ
ック材は、同じもの、もしくは一つのセラミック材が他
のセラミック材の特性に材料的に影響を与えない成分を
付加的に含む点で異なるものをいう。

好適な実施例では、交互層は、シリカバインダーを含む
アルミナ基スラリーおよびシリカバインダーを含むジル
コン基スラリー内に被覆パターンを交互に浸漬して形成
される。シェルモールドの形成に必要とされる適切な交
互層の数は、シェルモールドが使用される鋳造作業の特
性に依存する。

９層のシェルモールドが一例として挙げられる。

ここでは、交互層はアルミナ基材（Ａで示す）と、ジル
コン基材（Ｚで示す）から形成され、ＺＺＺＡＺＡＺＡ
Ｚ、ＺＡＺＡＺＡＺＡＺ。

ＡＺＡＺＡＺＡＺＡ、ＺＺＡＺＺＺＺＺＺ。

ＺＺＺＺＺＺＺＺＡ、ＺＡＡＺＡＡＺＡＡ。

ＺＺＡＺＺＡＺＺＡ、　　ＺＺＡＺＡＺＺＺＺ。

ＺＺＡＺＺＺＺＡＡ、およびＺＺＺＡＡＡＺＺＺなどが
−ある。

最も好適な具体例では、表面被覆層を被覆する７つの交
互層が形成されている。１，２，４．６番目の層は、ジ
ルコン基スラリー内にパターンを浸漬することにより形
成される。３，５．及び７番目の層は、アルミナ基スラ
リー内にパターンを浸漬することにより形成される。上
述のように、各浸漬工程の後にセラミックスタッコを適
用するのが好ましい。

必要であれば、多数の交互層を更に被覆する被覆層若し
くはシール層を形成することもできる。

スタッコは、この被覆層には適用されない。被覆層は、
第一、第二、又は第三のセラミック材、若しくは、異な
るセラミック拐で形成することができる。多数回の被覆
浸漬もおこなうことができる。

−旦シエルモールドを所望数の層に形成すると、全体を
乾燥し、そこからパターンを除去する。従来の技術では
、溶融、溶解、及び／又は燃焼を使用して、シェルモー
ルドからパターンを除去していた。以下のパターン除去
は、シェルモールドにほぼ１８００　’Ｆでほぼ１時間
、酸化、還元、また不活性雰囲気中で燃焼することが望
ましい。

この点で、燃焼されたシェルモールドは、高融点金属又
は合金などの金属及び合金のインベストメント鋳造で使
用できるようになる。しかし、鋳造前に、シェルモール
ドを２００°Ｆから２８００°Ｆの範囲内の温度で予備
処理して、湿気のない有効なものとし、シェルモールド
の全ての位置で溶融金属の充填が良好に行われるように
することもできる。

高融点合金の等軸、方向性凝固、及び単結晶鋳造、特に
ニッケル基スーパーアロイは、本発明のセラミックシェ
ルモールドを使用して、従来のインベスト鋳造技術によ
り製造することができる。

溶融金属が冷却した後、鋳造物は当初のワックスパター
ンの形状であると推Δｐ１されるが、これが従来の方法
により除去され、完了する。

上記のように広く記載された本発明の原理は、以下の特
定の実施例により説明される。

実施例　１ 本発明及び従来のシェルモールドに関して、機械的性質
の評価をおこなった。従来の浸漬及びスタッコ技術でワ
ックスパターン上にシェルプレート（６インチＸ１イン
チ）を作製した。使用した浸漬順序は、次のとおりであ
る。

Ａ−アルミナ基スラリー ２−ジルコン基スラリー 次のもの、は、シェルモールドを乾燥し、上記オートク
レーブ内でワックスを除去し１．１８５０°Ｆで、１時
間、空気雰囲気で燃焼した。ついでシェルモールドをダ
イヤモンド鋸カッタで所望の試験片に削った。各シェル
モールドに対して、空気中で、２８００°Ｆで４点破壊
率（ＭＯＲ）及び片持梁スランプ（クリープ又はたわみ
としても知られている）を測定した。ＭＯＲ試験は、１
インチ上部スパンと２インチ下部スパンとで負荷された
「フラット」な３．４５インチＸ　Ｏ，７５インチの試
料でおこなわれた。クロスヘツドスピードは、０．２イ
ンチ／分であった。スランプ試験は、高温試験雰囲気中
で、「フラット」な５インチＸ　Ｏ，７５インチの試料
でおこなわれ、そのうち試料の１．５インチを固定して
保持し、３．５インチを支持していない（片持ち梁）。

２８００°ＦでのＭＯＲとスランプ試験の結果を以下に
示す。

上記のように、本発明の交互層を持つシェルモールドＮ
ｏ、３のものは、シェルモールドＮｏ、１　（ジルコン
基材で単独に形成されている）よりも強度が高く、また
シェルモールドＮｏ、２（アルミナ基材で単独に形成さ
れている）よりも強度が低いという利点をもち、しかも
Ｎｏ、ｌ。

Ｎｏ、２のいずれのシェルモールドよりもスランプが低
いことを示している。この様な優れたスランプ特性結果
は、混合物のモデルの法則からは予想できなかったこと
である。第１図はアルミナ基層とジルコン基層との界面
の顕微鏡写真を示すが、本発明のシェルモールドの機械
的特性の改良を示すような反応もしくは新しい層の形成
は見られなかった。またＸ線解析で調べたがこの結果か
らも上記新しい層が無いという観察を支持していた。

第１図では、顕微鏡写真の下半分は、ジルコン基層であ
る。また上半分は、アルミナ基層である。

上部左手角の大な白い粒子は、アルミナスタッコ粒子で
ある。

実施例　１１ 以下のシェルモールド系を上記実施例■の方法で試験し
た。

以下に示すように、試験結果は、本発明で囲まれたシェ
ルモールドの高温機械的特性が改良されていることを示
す。

実施例　１１１ 次のシェルモールド系もまた上記実施例Ｉの方法で試験
した。

Ａ−アルミナ基スラリー ２−ジルコン基スラリー Ａ−アルミナ基スラリー Ｚ−ジルコン基スラリー 以下の試験結果は、本発明のシェルモールド（Ｎｏ、８
．９，１０．及び１１）の高温機械的特性が従来のシェ
ルモールド（Ｎｏ、７）と比べて改良されていることを
示す。

本発明は、好適な実施例により開示された。本発明はこ
れに限定されない。また本発明は、特許請求の範囲及び
その均等なものにより規定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明で形成されたセラミックシェルモール
ド中のアルミナ基層とジルコン基層との界面を透過光顕
微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、インベストメント鋳造用高融点金属及び合金用セラ
   ミックシェルモールドを形成するための方法であり、上
   記方法は、 所望鋳型の形状を持つパターンを用意する工程と、 第一のセラミック材からなる第一のスラリー内に上記パ
   ターンを浸漬して表面被覆層を形成する工程と、 この被覆パターンを、第二のセラミック材からなる第二
   のスラリーと第三のセラミック材からなる第三のスラリ
   ーとの中に交互に浸漬することにより、上記表面被覆層
   に多数の交互の層を被覆形成する工程とを具備し、各浸
   漬工程の後にセラミックスラリー層上にセラミックスタ
   ッコを適用し、そして乾燥させる工程を行ない、上記第
   三のセラミック材は、上記第二のセラミック材と熱物理
   学的特性が異なり、得られるセラミックシェルモールド
   は、単に上記第二のセラミック材または単に第三のセラ
   ミック材から形成されるシェルモールドよりも高温クリ
   ープ抵抗特性が大きい、 上記方法。 ２、請求項１の方法において、上記第二及び第三のセラ
   ミック材は、アルミナ、ムライト、ジルコニア、イット
   リア、トリア、ジルコン、シリカ、７２重量％未満のア
   ルミナを含むアルミノシリケート、及びそれらの化合物
   、混合物または合金から選択されたものである上記方法
   。 ３、請求項１の方法において、上記第一及び第二セラミ
   ック材は、実質的に同じである上記方法。 ４、請求項１の方法において、上記第一及び第三セラミ
   ック材は、実質的に同じである上記方法。 ５、請求項１の方法において、少なくとも一つの交互層
   は、セラミックスタッコで被覆されていない上記方法。 ６、請求項１の方法において、上記交互層を被覆するカ
   バー層をさらに形成する工程を含む上記方法。 ７、請求項１の方法において、多数の交互層を形成する
   工程は、 上記表面被覆層を被覆する７つの層を形成し、上記１、
   ２、４、及び６番目の層は、ジルコン基スラリー内に上
   記パターンを浸漬して形成し、上記３、５、及び７番目
   の層は、アルミナ基スラリー内に上記パターンを浸漬し
   て形成される上記方法。 ８、インベストメント鋳造用高融点金属及び合金用セラ
   ミックシェルモールドを形成するための方法であり、上
   記方法は、 所望鋳型の形状を持つパターンを用意する工程と、 第一のセラミック材からなる第一のスラリー内に上記パ
   ターンを浸漬して表面被覆層を形成する工程と、 この被覆パターンを、アルミナ基及びジルコン基スラリ
   ー内に交互に浸漬して、上記表面被覆層に多数の交互の
   層を被覆形成する工程であって、各浸漬工程の後にセラ
   ミックスラリー層上にセラミックスタッコを適用し、そ
   して乾燥させる工程とを備えた方法。 ９、請求項８の方法であって、上記表面被覆層上に多数
   の交互層を形成する工程は、 上記表面被覆層を被覆する７つの層を形成し、上記１、
   ２、４、及び６番目の層は、ジルコン基スラリー内に上
   記パターンを浸漬して形成し、上記３、５、及び７番目
   の層は、アルミナ基スラリー内に上記パターンを浸漬し
   て形成される上記方法。 １０、請求項８の方法であって、上記交互層を被覆する
   カバー層をさらに形成する工程を含む上記方法。 １１、特許請求の範囲第８項の方法であって、少なくと
   も一つの交互層は、セラミックスタッコでは被覆されて
   いない上記方法。 １２、インベストメント鋳造用高融点金属及び合金用セ
   ラミックシェルモールドを形成するための方法であり、
   上記方法は、 所望鋳型の形状を持つパターンを用意する工程と、 第一のセラミック材からなる第一のスラリー内に上記パ
   ターンを浸漬して表面被覆層を形成する工程と、 この被覆パターンを、第二のセラミック材からなる第二
   のスラリーと第三のセラミック材からなる第三のスラリ
   ーとの中に交互に浸漬することにより、上記表面被覆層
   に多数の交互の層を被覆形成する工程とを備え、上記第
   三のセラミック材は、第二のセラミック材と熱物理学的
   特性が異なり、得られるセラミックシェルモールドは、
   単に上記第二のセラミック材または単に第三のセラミッ
   ク材から形成されるシェルモールドよりも高温クリープ
   抵抗特性が大きい、 上記方法。 １３、請求項１２の方法において、上記第二及び第三の
   セラミック材は、アルミナ、ムライト、ジルコニア、イ
   ットリア、トリア、ジルコン、シリカ、７２重量％未満
   のアルミナを含むアルミノシリケート、及びそれらの化
   合物、混合物または合金から選択されたものである上記
   方法。 １４、請求項１２の方法において、上記第一及び第二セ
   ラミック材は、実質的に同じである上記方法。 １５、請求項１２の方法において、上記第一及び第三セ
   ラミック材は、実質的に同じである上記方法。 １６、請求項１２の方法において、上記交互層を被覆す
   るカバー層をさらに形成する工程を含む上記方法。 １７、請求項１２の方法において、上記表面被覆層上に
   多数の交互層を形成する工程は、上記表面被覆層を被覆
   する７つの層を形成し、上記１、２、４、及び６番目の
   層は、ジルコン基スラリー内に上記パターンを浸漬して
   形成し、上記３、５、及び７番目の層は、アルミナ基ス
   ラリー内に上記パターンを浸漬して形成される上記方法
   。 １８、インベストメント鋳造用高融点金属及び合金用セ
   ラミックシェルモールドであり、上記セラミックシェル
   モールドは、 第一のセラミック材からなる表面被覆層と、第二のセラ
   ミック材と第三のセラミック材からなり上記表面層上に
   交互に被覆される多数の層とを備え、上記第三のセラミ
   ック材は、上記第二のセラミック材と熱物理学的特性が
   異なり、また上記セラミックシェルモールドは、単に上
   記第二のセラミック材または単に第三のセラミック材か
   ら形成されるシェルモールドよりも高温クリープ抵抗特
   性が大きい、 上記セラミックシェルモールド。 １９、請求項１８のセラミックシェルモールドにおいて
   、上記第二及び第三のセラミック材は、アルミナ、ムラ
   イト、ジルコニア、イットリア、トリア、ジルコン、シ
   リカ、７２重量％未満のアルミナを含むアルミノシリケ
   ート、及びそれらの化合物、混合物または合金から選択
   されたものである上記セラミックシェルモールド。 ２０、請求項１８のセラミックシェルモールドにおいて
   、上記第一及び第二セラミック材は、実質的に同じであ
   る上記セラミックシェルモールド。 ２１、請求項１８のセラミックシェルモールドにおいて
   、上記第一及び第三セラミック材は、実質的に同じであ
   る上記セラミックシェルモールド。 ２２、インベストメント鋳造用高融点金属及び合金用セ
   ラミックシェルモールドであり、上記セラミックシェル
   モールドは、 第一のセラミック材からなる表面被覆層と、アルミナ基
   材とジルコン基材からなり上記表面層上に交互に被覆さ
   れる多数の層とを具備している、 上記セラミックシェルモールド。 ２３、請求項２２のセラミックシェルモールドにおいて
   、上記表面被覆層上に形成される多数の交互層は、少な
   くとも上記表面被覆層を被覆する７つの層を備え、上記
   １、２、４、及び６番目の層は、ジルコン基材からなり
   、上記３、５、及び７番目の層は、アルミナ基材からな
   る上記セラミックシェルモールド。