JPH02143B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属製品鋳込用セラミツク鋳型組立体
に関する。

鋳型を作るために、従来のロストワツクス法で
は、鋳造しようとする製品のろう模型が作られ、
このろう模型が液状セラミツクの中に浸漬され、
セラミツク粒子でスタツコ塗りされるという方法
でセラミツク被覆が施される。このセラミツクは
適当な強度と接着性が得られるまで前記浸漬とス
タツコ塗りが数回繰り返される。このセラミツク
形成が完了すると脱ろうの後、セラミツク焼結の
ための焼成が行なわれる。

個々の鋳型から成る複雑な組立体は上述の方法
で作られ、この組立体は上述の浸漬及びスタツコ
塗工程の前のろう模型を結合することによつて作
られる。ろう模型のろう部材が結合し易いからで
ある。この組立体は通常、共通の下降柱を含み、
この下降柱は完成された組立体の中では全ての鋳
型に対する湯道を構成する。

上述のロストワツクス法には、特に鋳型組立体
が方向性を以つて固化する製品の鋳込に使われる
場合には幾つかの障害があり、単結晶から成る製
品の場合についても同様である。そのために鋳型
組立体は従来の鋳込法よりもはるかに長時間、高
温に保持される。

この障害のひとつは必要な強度のセラミツク層
を作るために浸漬とスタツコ塗りを数回繰り返さ
なければならないことである。この方法ではセラ
ミツクの構造が層状になり、このセラミツク層の
厚さを制御するのが困難である。鋳型を脱ろうま
たは焼成の目的で加熱する場合、特に方向性を以
つて固化して作る製品のための鋳型の焼成の場合
には1500℃程度まで加熱しなければならないの
で、セラミツクの構造が層状であることは亀裂の
原因になり得る。また、この方法で鋳型組立体の
壁厚を部分によつて異らせるようにすることも困
難である。

もうひとつの障害は、この方法で作られる鋳型
が湯道と押湯の系統が一体構造になつた組立体で
あり、何れかの部分に傷があれば組立体全体を廃
棄しなければならないという点である。鋳型が注
湯時に破裂するおそれがあるからである。

本発明の目的は上述の障害の一部または全部を
除去した鋳型組立体及びその製造方法を提供する
ことにある。

鋳造の分野ではセラミツク鋳型を接着結合して
組立体にする方法も知られている。この方法は通
常、鋳型にフランジを設け、このフランジで鋳型
を接着させるものである。このフランジが強度を
上げるためにセラミツク材料で被覆されることが
時々あるが、例外なく鋳型壁厚の不均一化を招い
て鋳型加熱時に問題を起している。

更に、この方法は接着層を設けるので鋳型の寸
法精度を低下させ、そのために仕上寸法を非常に
高い精度で問題にする鋳造には適さない。

本発明のもうひとつの目的は、フランジ及び接
着剤を使わずに何個かの構成体を結合して作る鋳
型組立体を提供することにある。

本発明によれば、鋳型組立体は機械式固定装置
を備えた複数の、少なくとも２個のセラミツク構
成体を有し、この固定装置は単独で、またはより
多くの固定装置と共に、もう一方の構成体上の固
定装置との共同作用によつて前記２つの構成体を
鋳型組立体に固定する。

前記鋳型の構成体の部分は従来のどのような装
置を用いても作ることができるが射出成形法によ
つて作るのが好ましい。

機械式固定装置としてはねじ溝、バヨネツト継
手、または結合すべき２つの部分にある凹部の中
に整合させるセラミツクサークリツプを含めて様
様の形態が考えられる。このサークリツプは可撓
性のある状態で取り付けられた後に焼成されて機
械的な固定が完成するものである。

以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。

図において、鋳型１０は複数のガスタービンエ
ンジン用動翼または固定翼を方向性を以つた固化
によつて作るためのもので、複数の独立したセラ
ミツク鋳型１２を含めて示してあり、この各鋳型
は前記翼の形状を特定する鋳込用空洞と、注湯用
の共通のセラミツク下降柱装置１４と、共通のセ
ラミツク基部１６を有し、このセラミツク基部１
６は前記独立の鋳型に湯を供給するための内部湯
道を含んでいる。複数の中空のセラミツク管１８
は鋳型１２の頂部の中でシールされると共に下降
柱１４の注湯キヤツプ１９に摺動可能に結合され
て、前記独立した鋳型を支持すると共にこの鋳型
の内部からの逃気を行なう。この摺動する結合に
よつて前記中空管が熱膨張できる。

第２図は仕上げられたセラミツクスターター基
部１６と銅の冷硬鋳型２２の分解図であるが、こ
の２つの部分は方向性を持つ固化で作られる製品
を鋳造するのに用いられる。この図は前記セラミ
ツクスターター基部１６を下側に示すものである
が、この基部１６が傾斜面２６を有する４個の凹
部２４から成ることが判る。この凹部２４は前記
基部に比較的広い開口部２８を有し、この基部１
６の側壁３２の狭い盲溝３０の中で終る。前記凹
部２４は機械的固定装置を構成し、この固定装置
はねじによつて前記銅の冷硬鋳型２２のピン３３
と共働するように装置配置され、前記凹部の傾斜
面は基部１６を前記銅の冷硬鋳型に対して「ねじ
のように」着脱させる。

また、前記基部はスターター空洞３４を含み、
このスターター空洞３４は前記冷硬鋳型で発生す
る柱状結晶の成長を止め、または結晶が成長して
前記鋳型１２の鋳込用空洞に達する前に結晶を選
択できるよう作用する。

前記セラミツクスターター基部は押型の中でト
ランスフアー成形され、この押型がこの基部の内
部形状、外部形状、及び厚さを特定し、前記傾斜
した凹部が前記押型の中の前記基部を出せるよう
にするので、１個の継目のない構成体を高い寸法
精度で作ることができる。このセラミツクは組立
前に焼成される。

第３図は前記スターター基部１６の側面断面図
であり、このスターター基部も前記セラミツク下
降柱系統１４の基部３６を含み、この下降柱から
スターターの空洞までの湯道の空洞３８を特定す
ることを示している。また、この下降柱の一部３
６がその内部表面４０に設けられ、この内面４０
には凹部４２があり、この凹部４２は前記下降柱
装置１４の下部４３を受け入れ、また、機械式固
定装置は突起４６を特定する補足的凹部４４の形
で設けられ、これは下降柱装置１４の下部４３を
受け入れて固定する一種のバヨネツト継手として
作用する。前記突起４６の最も下の端面４９は前
記下降柱４３の突起４８に確実に係合するように
角度がつけてあり、下降柱部分が回転するとこの
下降柱部分が下方に引かれて、上記２つの構成体
の面５０，５１がよく係合してシールが形成され
る。

この図から判るように、スターター空洞２４の
頂部には鋳込用鋳型１２の下部を受け入れる穴５
２が設けられている。鋳込用鋳型をスターター空
洞に機械的に固定する方法は第４図に示す。この
図から判るように、各鋳型１２は中空の基部５４
を有し、この基部５４はスターター空洞２４の穴
５２の中に入る。前記鋳型の基部５４とスタータ
ー基部１６とにある前記機械式固定装置は凹部５
６と肩部５８によつて個別に形成され、この両部
５６，５８はセラミツクのパテまたはスラリー６
１を入れる空間６０を共同で特定する。このセラ
ミツクが凹部５６と肩部５８とで作られた空間の
中で圧縮されて焼成されると前記鋳込用鋳型を支
持する機械式固定装置が形成され、更に施された
パテ即ちセラミツク６２，６３と共に前記２つの
構成体をシールして注湯後に溶融金属が漏れるの
を防ぐ作用をする。

前記下降柱装置１４はセラミツクでトランスフ
アー成形し、組立前に焼成するのが好ましい。こ
の装置は第１図に示すように前記注湯キヤツプ１
９に含まれる。

次に、前記独立の鋳型構成体は第９図に示すタ
イプのものである。この図は中空のガスタービン
エンジン用の翼を鋳込むセラミツク鋳型１２を示
し、この鋳型には中子６４が含まれる。

このような鋳型は従来のロストワツクス法で作
れないことはないが、好ましいのは押型の中でト
ランスフアー成形法を用いて作ることである。こ
の方法の工程は次のとおりである。

先づ、前記中子６４がトランスフアー成形さ
れ、「生の状態」に硬化される。この中子はアル
ミナのような強度の大きいセラミツクで作るのが
好ましい。

第５図乃至第９図において、第５図は空洞７６
を有する押型７０を示しこの空洞７６の中には予
備成形されたアルミナの中子６４が装着してあ
る。この中子の内部表面は鋳込まれる製品、この
実施例ではガスタービンエンジン用固定翼の形状
を正確に作り得るように形成される。この中子
は、隣接する端部と縁で支持される。ただし、端
部及び縁７３，７４は露出したままにしておくの
で、この部分は前記押型の中に射出される材料で
被覆されることはない。

前記中子は予備焼成してもよく、この場合この
中子の強度は補助支持体を使わずに済む。然し乍
らこの中子を未焼成の状態まで硬化するにとどめ
ると共に、前記射出工程を行なつている間動いた
りゆがんだりしないように高温用の使捨方式の型
持装置７２を用いて、固定する方が好ましい。

前記型持装置に「高温」を付した場合には後述
のように、その型持装置は、セラミツク鋳型と中
子を焼成する時に前記セラミツク鋳型に強度が出
てその鋳型を支持する必要がなくなる温度まで、
強度が低下しない材料で作らなければならない。
この温度は前記セラミツク鋳型の最終焼成温度よ
りは低いが、前記型持装置はこの温度を越えた時
に燃えてなくなるものでなければならない。

また、前記型持装置の材料は、少なくとも前記
セラミツク鋳型が支持を必要としなくなる温度ま
で収縮度がセラミツク鋳型と同程度であるものが
好ましい。

以上の要求を全て満足し得る材料としては、例
えばグラフアイト充填剤を加えた熱硬化性フエノ
ールホルムアルデヒド樹脂がある。

この方法の次の段階は前記空洞７６の中への使
捨材料の射出でありこの段階で中子６４と型持装
置７２の中子の露出されていた端部及び縁７３，
７４を除く部分が使捨材料に包まれて模型が作ら
れる、第６図に押型８０を取り出した後の模型７
７を示す。

次いでこの模型７７は第７図に示すように押型
８０の中に設置され、これに前記セラミツク材料
が射出されて鋳型が作られる。これは本工程の最
終段階である。前記模型７７はその端部が支持さ
れるが、前記射出作業を行なつている間動かない
ように高温型持装置８２がこの模型の長手方向に
沿つて設置される。前記押型の中に前記使捨模型
によつて特定される空間２４の中にセラミツク材
料が射出され、この鋳型は所謂「生」の状態まで
硬化されると前記押型から取り出される。

熱膨張の差が出ても差支えないようにするため
に、中子の露出されていた部分７３，７４の一方
を除く全ての部分に、鋳型の焼成中に焼滅するポ
リスチレン塗料を塗布する。このようにして前記
埋め込まれた部分の一方の部分だけが前記鋳型に
一体構造で固定され、前記他方の部分が自由に摺
動できる状態になる。

この段階における鋳型を第８図に示すが、これ
についてはなすべきことは前記使捨模型７７を取
り除き、上記セラミツク鋳型と中子を焼成して鋳
型を仕上げることだけである。この仕上げられた
鋳型を第９図に示す。

前記使捨模型に使用した材料は種類に応じて溶
融、焼却、溶解その他適当な方法で除去する。こ
の除去のために加熱しなければならないところは
前記焼成段階に組み入れてもよい。後述する理由
によつて、前記模型は鋳型を焼成する前の予備加
熱段階で取り出す方が好ましい。

前記鋳型の壁が薄いのでこの壁を焼成段階でね
じれないように支持するのが好ましい。この壁体
を支持するには切頭楔形のスペーサーを用いて鋳
型を組み立て、この各スペーサーの１面または両
面に鋳型が整合する凹部を設けるのが好ましい。
この凹部は鋳型の外面の長手方向の各点に接触す
る形状にする。前記楔形のスペーサーは組み立て
る時に組立体が円筒形または多角形になるように
配置することができる。

第１図に、上述のような鋳型とスペーサーから
成る円筒形の組立体を示す。このスペーサーは前
記「生」のセラミツク鋳型と同程度の焼成収縮率
を有する材料で作るべきであり、前記「生」のセ
ラミツク鋳型と同一の材料で作つてもよい。

前記焼成段階を適当に行なう方法は公知であ
る。その方法による時は、前記円筒形の組立体に
耐火性テープをかけ、このテープは加熱されると
前記組立体の構成部材よりも大きく収縮するもの
を使用する。このようにして焼成を行なえば、前
記テープは前記切頭楔形のスペーサーを引き寄せ
て密に結合させるので、このスペーサーの側面が
前記鋳型の壁体を良く支持するようになる。前記
生の状態セラミツク鋳型と中子は可撓性が大き
く、また前記焼成段階の早い時期に前記スペーサ
ーの圧力でどのようなゆがみも矯正される。

上述のように前記鋳型が中子を一体化構造で組
み込むものである場合には、前記グラフアイト入
りスペーサーが鋳型の内側へのゆがみを防ぐ。ま
た、鋳型が中子を組み込まないものである場合に
は支持体をその鋳型の内部に設けるのが好まし
く、その場合には鋳型を非焼結性セラミツク粉
末、例えば再結晶アルミナで満たして支持体の作
用をさせることができるし、前記鋳型の空洞の内
部に幾つもの支持体を置くこともできる。後者即
ち多数の支持体を置く場合は、従来どおり支持体
を使捨模型の中に埋め込むように設け、ピンを高
温用使捨材料例えば上述のようなグラフアイト入
り樹脂で作ることができる。これらの部材は前記
使捨材料が取り除かれた後に残るがセラミツク鋳
型が最高焼結温度になる前に焼滅する。

次ぎに上述の方法に使用する材料について見れ
ば本発明に基づく方法の長所のひとつであるが鋳
型用のセラミツク材料を従来のロストワツクス法
よりも広い範囲から選定することができる。従つ
て前記セラミツク材料は、従来の組成のシリカま
たはアルミナやジルコニアのような強度の大きい
セラミツクを使うことができる。

前記セラミツク材料は射出工程のために樹脂結
合剤と混合される。この結合剤は熱可塑性樹脂で
よく、この樹脂は冷えた押型に射出されれば固ま
るが加熱すればまた柔らかくなる。このような樹
脂を用いれば前記使捨模型は従来のろうの模型と
同じになる。

円筒型の組立体のセラミツク鋳型を焼成するこ
との利益を大きくするためには、上述のように、
熱硬化性樹脂を用いるのが良く、この樹脂は高温
の押型の中に射出されて硬化する。この硬化した
樹脂は、前記焼成工程の初期における強度が大き
いし、再度軟化することがない。勿論２つのタイ
プの樹脂を混合すれば適当な強さを維持すること
ができる。

熱硬化性樹脂を用いる場合には前記使捨模型の
材料は、そのセラミツク材料を射出している間、
変形することなく、その射出温度と圧力に耐え得
るものでなければならないが、焼滅、溶融、溶解
等の比較的単純な方法で除去できるものであるこ
とも必要である。そのための好ましい材料として
は水溶性有機化合物、例えばしよ糖があり、これ
は熱硬化性樹脂結合剤を用いるセラミツク鋳型の
通常の射出温度150℃を越えるまで適当な強度を
保つ。

しよ糖は雲母や粉末スレートを含んでいるが、
可溶性増量剤、例えば塩化アンモニウムを用いる
のが好ましく、この増量剤は発泡剤を含んでいる
ものでも差し支えない。代替材料として或る種の
低融点合金例えばセロボンド（CERROBOND）
またはセロツルー（CERROTRUE）の商品名で
市販されている錫と亜鉛の合金を使うこともでき
る。

前記押型７０の中に模型７７を支持する型持装
置７２も、前記射出工程の温度と圧力に耐え得る
ものでなければならない。然し乍ら、前記スペー
サーは前記セラミツクが射出される空間２４を横
断するように伸びるのでこのスペーサーは射出さ
れる材料と同じもので作つて生の状態まで硬化さ
せておくことが好ましい。前記セラミツク材料は
射出工程で生の状態まで硬化しているセラミツク
材料に吸収されてこれと均質になり、弱い部分を
全く形成することなく一体化することが判つた。
従つて、前記支持体は前記鋳型の一部になる。

前記中子の材料はアルミナである必要はないが
鋳込法の要求に応じて選択する必要がある。この
ようにして、シリカ、その他公知の中子材料を用
いることができる。然し乍ら、本発明個有のもう
ひとつの長所は前記中子と鋳型を同一の熱硬化性
樹脂結合剤を用いる同一のセラミツク材料で作る
ことができる点である。この結合は高温で射出さ
れると中程度の強度と或る程度の可撓性を有する
生の状態まで硬化する。中子とその支持体を有す
る鋳型は全て同一温度で焼成することができ、熱
による膨張収縮の差がないのでゆがみが全く生じ
ない。従つて鋳型の中の中子の位置は鋳型が仕上
げられた後も全く変わらない。

高温用型持装置８２は、前記グラフアイト入り
コンパウンドの代わりに、鋳造用金属と類似の金
属で作ることができ、この金属は前記グラフヤイ
トのスペーサーのように焼滅されるのではなく鋳
込中に溶融することができる。

上述の方法は都合よく、トランスフアー成形法
で作つた鋳型の中に中子を高い精度で設置できる
ので射出工程で作られる鋳型の精度等は何等損な
われない。

上述の方法で従来のロストワツクス法より優れ
ていることのひとつは鋳型を作るセラミツク材料
を正確に射出して極めて薄くかつ均質な壁体を作
り得ることである。そのために熱伝導性を良くし
て鋳込後の冷却工程を促進することができる。上
記均質な材料によつて均一な断面を作ることがで
き、従来の焼流精密鋳造によるシエル鋳型のよう
に表面剥離や亀裂が生じない。前記方法に利用し
得る材料は選択できるので、実施する鋳込法に応
じて強度と熱伝導度を最適にするように選択して
組み合わせることができる。鋳型の壁厚を必要に
応じて変更できることは勿論である。

中子のない鋳型を作るためには、前記方法は前
記第１の段階を省略して簡単化する。使捨品は中
子なしで作られるし、その周囲にセラミツクを射
出する時に上述のように押型の中に支持される。

例えば上述の鋳型には湯道に結合するための開
口部が既に設けられている。

完成された組立体では、セラミツク管１８が中
空の支持体７９の中に挿入されており、この挿入
されているセラミツク管１８はセラミツクシーラ
ントでシールされると共に注湯キヤツプ１９の穴
を間隙を以つて摺動貫通する。

このようにして完成状態の組立体はトランスフ
アー成形された精度の高い部材で作ることがで
き、その部材は工程中の任意の位置で検査できる
し、欠陥が発見されれば交換することができる。
個々の部材の厚さは要求される特性が取扱強度か
熱伝導性かに応じて変えることができるし、全て
の部材は機械的に固定することができる。前記組
立体を仕上げるために残されたことは、結合部の
周囲に漏湯防止用シーラントを塗布するだけであ
る。

前記組立体は１個の大きな構成体を鋳込むため
に１個の大形の鋳型を形成するようにすることも
でき、その場合は各個の部材はこの大きな鋳型の
一部となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づくセラミツク鋳型組立体
の全体図、第２図乃至第４図は第１図の組立体の
各種構成体を示す図、第５図乃至第９図は第１図
の組立体の各個の鋳型の製造工程の各段階を示す
図である。 １０……セラミツク鋳型組立体、１２……セラ
ミツク鋳型、１４……下降柱、１６……セラミツ
ク基部、１８……中空セラミツク管、１９……注
湯キヤツプ、２２……銅の冷硬鋳型、２４……凹
部、２６……傾斜面、３６……下降柱基部、３８
……湯道空間、４６，４８……突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 方向性をもつて固化される製品を鋳造する湯
   道、押湯及び少なくとも１個の薄肉鋳型とからな
   る複数個の鋳型構成体を備えたセラミツク鋳型組
   立体において、前記複数個の鋳型構成体は射出成
   形により別々に成形され、接続されるように形成
   され、かつ、前記複数個の鋳型構成体の一方の形
   状は、これと対応する他方の鋳型構成体の形状の
   係合して固定装置を形成し、この固定装置により
   前記複数個の鋳型構成体が互いに接続されて一体
   化された鋳型組立体とされ、さらに、前記複数個
   の鋳型構成体の接続部分にセラミツクシーラント
   を塗布してシールすることを特徴とするセラミツ
   ク鋳型組立体。 ２ 前記鋳型構成体の少なくとも１個が鋳型組立
   体のための湯道下降柱を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のセラミツク鋳型組
   立体。 ３ 前記鋳型構成体の少なくとも１個がスタータ
   ー基部を有し、このスターター基部が鋳型組立体
   用の湯道を含み、この湯道が前記湯道下降柱を鋳
   込空洞に結合することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載のセラミツク鋳型組立体。 ４ 前記鋳型構成体の少なくとも何個かの前記固
   定装置が相互に係合可能なねじ溝を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の何
   れか１項に記載のセラミツク鋳型組立体。 ５ 前記鋳型構成体の少なくとも何個かの前記固
   定装置がバヨネツト継手の相互に係合可能な突起
   と凹部を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第３項の何れか１項に記載のセラミツ
   ク鋳型組立体。 ６ 前記鋳型構成体の少なくとも１個がセラミツ
   クサークリツプを受容装着する凹部を有し、この
   サークリツプが隣接する鋳型構成体の装着と共働
   して２つの鋳型構成体を合せて固定することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れ
   か１項に記載のセラミツク鋳型組立体。 ７ 前記セラミツクシーラントを前記凹部にパテ
   の形で施した後に焼成して前記固定装置を形成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   のセラミツク鋳型組立体。 ８ 前記湯道は冷硬鋳型ブロツクを挿入する空間
   を特定する基部構成体を含み、前記基部構成体に
   はこの中に前記冷硬鋳型ブロツクを固定するた
   め、冷硬鋳型金属ブロツクに更に設けられた固定
   装置と協働するように配置された機械式固定装置
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のセラミツク鋳型組立体。