JPH0413437A - 高融点活性金属鋳造用鋳型材料 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、高融点活性金属鋳造用鋳型材料と、該鋳型材
料を用いる高融点活性金属鋳造品の製造方法に関する。

本発明の鋳型材料は、特に、高融点活性金属鋳造用のロ
ストワックス鋳型のフェースコート材料として好適に用
いることができる。

〈従来の技術〉 チタン、チタン合金等の高融点活性金属を鋳造するに際
して用いるロストワックス鋳型は、通常、溶湯と接する
キャビティー面（フェースコート）と、その外側に位置
し、鋳型自体の形状を維持すると共に鋳型に強度を付与
するバックアップコートからなる。

このようなロストワックス鋳型の溶湯と接するキャビテ
ィー面（フェースコート）には、通常は耐火性材料が用
いられており、そのような耐火性材料としては、Ｗ、Ｍ
ｏ等の高融点金属と、ＺｒＯ２、ＣａＯ等の酸化物が知
られている。　ところが、耐火性材料として前者を用い
ると、鋳造前の鋳型焼成段階で水素還元を行なう必要が
あるため、設備が大型化し、制御が複雑になるという問
題点を有する。　一方、後者のうち、ＺｒＯ，を用いる
と、ＺｒＯ２は鋳込み金属と反応して鋳造品表面に反応
硬化層を生成するために、その除去に多大の工数を必要
とし、また、寸法精度を補償しえなくなるという問題点
を有し、ＣａＯを用いると、ＣａＯは吸湿性が強いため
、造型ならびに造型後の取り扱いが難しいという問題点
を有している。

そこで、鋳型フェースコートに用いる耐火性材料として
、チタン合金等の高融点活性金属との反応が極めて小さ
いといわれているイツトリアの使用が提案された。

具体的に述べると、まず第一に、高融点活性金属鋳造用
鋳型のフェースコート用材料として、Ｙ２Ｏ，スラリー
を用いるという５ｃｈｕｌｙｅｒらの報告がある（　Ｄ
、Ｒ，５ｃｈｕｌｙｅｒ、　Ｊ、Ａ、Ｐｅｔｒｕｓｈａ
ａｎｄ　Ｗ、Ｒ，Ｋｅｕ、　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　
Ｖａｃ、　ＭｅｔａｌｌＣｏｎｆ、、　　Ｒ，Ｃ，Ｈｒ
ｕｔｅｎａｔ編、　　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ発行Ｐｒ１
ｎｃｅｔｏｎ、　ＮＪ、、　１９７７年、　４７５〜５
０３頁）。

５ｃｈｕｌｙｅｒらの報告では、細粒状イツトリアを分
散させたコロイド状珪酸カリウム液に粗粒状イツトリア
を加えたものを、鋳型の表面被覆剤として用いている。

　　５ｃｈｕｌｙｅｒらは、「この表面被覆剤によって
形成された表面被覆層は、工場の技術水準における正常
晶と比較してなめらかではなく、気泡やピットがあり、
スタッコが各所に見られた。」と報告している。

また、特開昭６２−１４３８６４号公報には、溶媒とし
て水、バインダーとしてＹ２Ｏ３ゾルを使用したフェー
スコート用材料（スラリー）が開示されている。　そし
て、特開昭６２−１４３８６４号公報では、バインター
としてＺｒＯ２ゾルを使用した場合についても言及して
いる。　特開昭６２−１４３８６４号公報によれば、こ
のようなスラリーを使用して作製した鋳型で鋳造された
鋳造品は、表面の反応硬化層が薄くてよい。　しかし、
Ｙ２Ｏ３ゾルは不安定な物買であるので、スラリーとし
ての安定性に疑問がある。

さらに、特開昭６３−１１５６４４号公報には、Ｙ２Ｏ
３，溶媒としてのアルコールおよびバインダーとしての
５ｉＯｚゾルを使用したフェースコート用材料（スラリ
ー）が開示され、比較例として、溶媒を水にかえた例が
記載されている。　特開昭６３−１１５６４４号公報に
よれば、このようなスラリーを使用して作製した鋳型で
鋳造された鋳造品は、表面の反応硬化層が薄くてよい。

　　しかし、このスラリーは物性が不安定であり、ちな
みに、溶質のＹ２Ｏ５に対する５ｉ０２の割合が７５％
を超えると半日以内に、それ以下の場合でも数日のうち
にスラリーは固化し、スラリーの使用可能期間（寿命）
が非常に短いという問題点があった。

このような問題点に加え、フェースコート中の耐火性材
料としてイツトリアを用いる場合、下記のような問題点
もある。

すなわち、イツトリアを用いる場合、溶湯流によって破
壊されたり押し流されることのない強度を付与するため
には、その焼成温度を１６００℃以上とする必要がある
。　一方、鋳型のバックアップコートには、耐火性材料
として、−数的にジルコンあるいはムライト系耐火性材
料が用いられているが、これらの耐火性材料は、その耐
火度から１１００℃以上での鋳型焼成は不可能であり、
これ以上の温度に保持した場合には、バックアップコー
ト中の耐火性材料が軟化し、鋳型が割れてしまう。　こ
のため、焼成温度の観点から、フェースコートの耐火性
材料としてイツトリアを用い、バックアップコートの耐
火性材料としてジルコンあるいはムライト系耐火性材料
を用いることはできないという問題があった。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記の如く、高融点活性金属鋳造用鋳型のフェースコー
ト用材料として、様々な要求性能を満たすものは知られ
ていない。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり
、肌荒れのない、表面性状にすぐれる鋳造品を与える高
融点活性金属鋳造用鋳型の作製に際して用いるフェース
コート用材料であって、従来よりもその使用可能期間が
長いものと、鋳型の作製に際して前記フェースコート用
材料を用いる工程を有する、表面性状にすぐれる高融点
活性金属鋳造品の製造方法の提供を目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者らは、前記課題を解決するために、希土類酸化
物を主成分とするフェースコートを比較的低温で焼成し
た場合においても、高い強度を得る方策を鋭意検討した
結果、フェースコート用材料（スラリー）として、焼結
助剤である金属フッ化物を少量含有するものを用いると
、スラリーの安定性が増し、使用可能時間（寿命）が長
くなるとともに、焼結性が著しく向上するために、低温
焼成を行なっても、高融点活性金属鋳造用ロストワック
ス鋳型として十分その用に供しつるものが得られること
を確認し、本発明を完成した。

すなわち、本発明第一の態様は、希土類酸化物、金属フ
ッ化物および水溶性有機高分子化合物を含有し、前記金
属フッ化物の含有量は、前記希土類酸化物１００重量部
に対して０．０１〜１０重量部であることを特徴とする
高融点活性金属鋳造用鋳型材料を提供するものである。

また、本発明第二の態様は、所定形状を有するワックス
模型表面に、前記高融点活性金属鋳造用鋳型材料を用い
て被覆層（ａ）を形成し、しかるのちに、該被覆層（ａ
）上にセラミックス粒状物を付着させる工程を１回以上
繰返した後、さらにその上に、耐火性材料による被覆層
（ｂ）を形成して乾燥する工程と、ワックスを溶出し、
焼成する工程を経て鋳型を作製し、該鋳型に溶融金属を
注入し、鋳造品を得ることを特徴とする高融点活性金属
鋳造品の製造方法を提供するものである。

以下に、本発明の詳細な説明する。

はじめに本発明の基礎となった実験結果について説明す
る。

希土類酸化物としてイツトリアを、焼結助剤としてＣａ
Ｆ２を選択し、その混合粉焼成時の線収縮率と焼結助剤
の添加量との関係を調へた。

より具体的に述べると、イツトリア粉１００重量部に対
して０．０１重量部から１０重量部のＣａＦ２を添加し
た混合粉をプレス成形（圧力２００にｇｆ／ｃｍ２）　
Ｌ／、直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円筒状ペレットと
した。　それを、電気炉にて１１００℃に３時間保持し
、その後炉冷した場合について、線収縮率を測定し、結
果を第１図に示した。

第１図から明らかなように、ＣａＦ２が添加されると、
イツトリア単味に比へて焼成後の線収縮率が高くなって
おり、これは焼結かより進行したことを示している。

次に、本発明第一の態様の高融点活性金属鋳造用鋳型材
料について、構成成分等を順次説明する。

本発明では、希土類酸化物は耐火性材料てあり、Ｌａ％
　Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ。

Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の
酸化物、およびＹあるいはＳｃの酸化物から選択される
１種または２種以上の混合物が用いられる。

また、本発明の高融点活性金属鋳造用鋳型材料は、通常
はスラリーとして供給されるが、その構成成分である金
属フッ化物は、スラリー中における希土類酸化物同士の
凝集沈殿防止剤として、さらに、焼結時の焼結助剤とし
て用いられる。　本発明で用いる金属フッ化物は、Ｃａ
、Ｍｇ、Ｓｃ、ＡＩＬ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｙ等のフッ
化物から選択される。

これらの金属フッ化物を用いることにより、希土類酸化
物車味の場合に比べ、鋳型焼成時、とくに低温（９００
℃〜１５００℃）焼成時における焼結性が著しく向上す
る。　なお、焼結性の一つの評価基準である線収縮率に
ついて述べると、１１００℃焼成における線収縮率は、
イツトリア単味では３〜４％であるが、例えば、フッ化
物の一例として、ＣａＦ２をＹ２Ｏ，１００重量部に対
して１０重量部添加した場合には、１８〜２１％と著し
く向上する。

ざらに、これらの金属フッ化物を用いることにより、希
土類酸化物単味の場合に比べ、スラリーの使用可能期間
（寿命）は著しく延長される。

水溶性有機高分子化合物は、バインダーとして用いられ
ており、微粒子状の前記希土類酸化物を分散させ、本発
明の高融点活性金属鋳造用鋳型材料をスラリーとし、か
つ、スラリーを安定に保つために必須の成分であり、ま
た、本発明の前記鋳型材料乾燥時のグリーン強度を維持
するために有用な成分である。

水溶性有機高分子化合物としては、例えば、ポリエチレ
ングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチ
ラール等の水溶性アルコール系高分子化合物、メチルセ
ルロース、エチルセルロース等のセルロース話導体やデ
キストリン、アラビアゴム、カラゲニン等の多糖類、ア
ルギン酸ナトリウム、アルギン酸アンモニウム、アルギ
ン酸アミン、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル
酸アンモニウム等の水溶性ポリカルボン酸の塩等が例示
される。

なお、水溶性有機高分子化合物は、１種でも２種以上の
混合物で用いてもよい。

本発明第一の態様の高融点活性金属鋳造用鋳型材料の必
須構成成分は以上の通りであるが、各々の含有量は、以
下の通りである。

希土類酸化物の含有量は特に限定されないが、水等も含
めた本発明の鋳型材料全量中の４０〜８０ｗｔ％程度と
なるように用いるのがよい。　　４０ｗｔ％未満では、
乾燥時にクラックが生じやすく、一方、８０ｗｔ％超で
は、鋳型材料がスラリー状とならなかったり、スラリー
状となった場合でも、粘度が高くなりすぎ、そのために
、後記の如く、使用時に模型表面に所望の厚さの層を形
成できない。

金属フッ化物は、希土類酸化物１００重量部ニ対シて０
，０１〜１０重量部、好ましくは１〜９重量部含有させ
る。　０．０１重量部未満では、焼結性の改良効果が得
られず、一方、１０重量部を超えると、金属フッ化物と
鋳込み金属溶湯との反応性が増大し、鋳造品の肌荒れが
多発するので好ましくない。

水溶性有機高分子化合物の含有量は特に限定されないが
、水溶性アルコール系高分子化合物および多糖類からな
る群から選択される化合物を用いる場合は、その含有量
は、前記希土類酸化物１００重量部に対して０１〜１０
重量部とするのがよい。　０．１重量部未満ては、バイ
ンダーとしての効果がなく、一方、１００重量部超は、
焼成後の空隙が増し、密度が低下するために、強度が低
下する。

また、水溶性アルコール系高分子化合物および多糖類か
らなる群から選択される化合物は、その含有量が水等も
含めた本発明の鋳型材料全量中の０．１〜１０ｗｔ％程
度となるように用、いるのがよい。　　Ｏ，１ｗｔ％未
満では、バインダーとしての効果がなく、一方、１゜ｗ
ｔ％超では、鋳型材料がスラリー状とならなかったり、
スラリー状となった場合でも、粘度が高くなりすぎ、そ
のために、後記の如く、使用時に模型表面に所望の厚さ
の層を形成できない。

水溶性ポリカルボン酸の塩を用いる場合は、その含有量
は、前記希土類酸化物１００重量部に対して０１〜２．
５重量部とするのがよい。　　０．１重量部未満では、
乾燥時にクラックが生じ易く、一方、２．５重量部超で
は、鋳型材料がスラリー状とならなかったり、スラリー
状となった場合でも、粘度が高くなりすぎ、そのために
、後記の如く、使用時に模型表面に所望の厚さの層を形
成できない。

また、水溶性ポリカルボン酸の塩は、その含有量が水等
も含めた本発明のの鋳型材料全量中の０．１〜５ｗｔ％
程度となるように用いるのがよい。　　Ｏ，１ｗｔ％未
満では、バインダーとしての効果がなく、一方、５ｗｔ
％超では、鋳型材料がスラリー状とならなかったり、ス
ラリー状となった場合でも、粘度が高くなりすぎ、その
ために、後記の如く、使用時に模型表面に所望の厚さの
層を形成できない。

本発明の高融点活性金属鋳造用鋳型材料の製法は、常法
に従えばよい。　具体的には、水溶性有機高分子化合物
を未溶解分のない所望の濃度の水溶液に溶解調製し、こ
れを撹拌しつつ、粒度調整した希土類酸化物および金属
フッ化物の微粉末を少量づつ添加し、所定濃度のスラリ
ーとする。　なお、粒度調整した希土類酸化物および金
属フッ化物の微粉末に、水溶性有機高分子化合物の水溶
液を加えていってもよい。　次いで、このスラリーをボ
ールミル動乳鉢等に仕込み、未分散粒子が消滅するまで
充分混練する。

スラリー製造時に気泡の混入を防止するため、必要に応
じて消泡剤を添加することが好ましく、シリコーン系、
ＰＯＥ−ＰＯＰ縮合物系等が消泡剤として用いられる。

　消泡剤は、希土類酸化物１００重量部に対して０．０
１〜１、０重量部含有させることが好ましい。

次に、本発明第二の態様について説明する。

本発明第二の態様は、上記本発明第一の態様の高融点活
性金属鋳造用鋳型材料を用いたロストワックス鋳造法に
よる高融点活性金属鋳造品の製造方法であり、その好適
例は下記の通りである。

［フェースコートの形成］ ■　目的とする鋳造品と同じ大きさ、形状のワックス模
型を１個以上準備し、これをワックス製の湯口、湯道に
接着し、いわゆるツリーとする。

ここで用いるワックスば、パラフィンを主体とする公知
のものでよいが、それに限定されるものではない。

■　上記ツリーをスラリー状の本発明第一の態様の高融
点活性金属鋳造用鋳型材料に浸漬し、ワックス模型表面
に、該鋳型材料にて被覆層（ａ）を形成させる。

■　ワックス模型表面に形成された被覆層（ａ）が乾く
前に、被覆層（ａ）上にセラミックス粒状物（スタッコ
）を万遍なく付着させる。

ここで用いるセラミックス粒状物は、耐火度の高い耐火
性材料であればその種類は問わないが、■の工程で用い
た高融点活性金属鋳造用鋳型材料中に含有される希土類
酸化物が好ましい。

■　上記■および■の工程を、必要により、さらに１回
以上繰返す。

［バックアップコートの形成］ ■　■〜■の処理がなされたワックス模型を、コロイダ
ルシリカあるいはエチルシリケート加水分解液、及びジ
ルコンフラワーあるいは溶融シリカフラワー等のセラミ
ックス微粉を含有する公知のバックアップコート用スラ
リーに浸漬した後、ムライト質あるいはジルコン等のセ
ラミックス（耐火性材料）にて被覆層（ｂ）を形成する
。

■　上記■の工程を、被覆層（ｂ）の厚さが所定の厚さ
となるまで繰返す。

■　被覆層（ｂ）を十分に乾燥する。

［焼成コ ■　約１８０℃程度でワックスを溶出させた後、約１０
００〜１１００℃で鋳型を焼成する。

［鋳造］ ■　チタンあるいはチタン合金等の高融点活性金属を融
解し、前記鋳型に注湯する。

前記金属の融解方法は問わないが、真空あるいは非酸化
性雰囲気中での融解が望ましい。

［相］　鋳型内で金属が冷却、凝固した後、鋳型を除去
して鋳造品を取出し、湯道、湯口等を除去して製品とす
る。

なお、上記工程のうち■〜［相］の工程は、従来から実
施されている公知の方法がいずれも適用可能である。

〈実施例〉 以下に、実施例により、本発明を具体的に説明する。

なお、下記の実施例では、本発明をＴｉ合金の鋳造に適
用した例について説明するが、本発明はこれら実施例に
限定されるものではない。

（実施例１） イツトリア粉１００重量部とＣａＦ２３重量部とをボー
ルミルに入れ、ここに７ｗｔ％のポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）水溶液５４重量部を添加して５０分間混練し
、スラリーを作製した。

なお、このスラリーは、９０日以上経過してもなお使用
可能であった。

次に、２５ｍｍｘｌＯＯｍｍＸ１０ｍｍのワックス製の
模型を準備し、上記スラリーにこの模型を浸漬し、模型
表面にスラリー被覆層（ａ）を形成させ、スラリーが乾
く前に、スラリー被覆層（ａ）の上からイツトリア粉（
平均粒径２５０μｍ）をスタッコとして付着させた。　
この工程をさらに２回繰返し、フェースコートを形成し
た。

以降は、従来から実施されている公知の方法に基いて行
なった。

すなわち、フェースコート形成後の模型について、これ
をコロイダルシリカ及びジルコンフラワーからなるスラ
リーに浸漬した後、ムライト質スタッコにより被覆層（
ｂ）を形成するという工程を７回行ない、バックアップ
゛コートを形成した。

乾燥後、オートクレーブで１８０℃にて脱口つし、続い
て、電気炉にて１１００℃で焼成して試験鋳型を得た。

電子ビーム溶解炉にて、ＡＪ２６ｗｔ％とＶ４ｗｔ％と
を含むチタン合金を融解し、これを鋳込み温度１９５０
℃で、真空（１０−３Ｔｏｒｒ）にて、上記試験鋳型に
注湯した。

チタン合金が冷却、凝固後、試験鋳型を除去し、サンド
ブラストにて鋳造品表面を仕上げた後、鋳造品表面に存
在する鋳型に起因する介在物およびピンホールを数えた
。

また、鋳造品中央部の表面から深さ方向の硬さをマイク
ロビッカース硬度計にて測定し、反応硬化層深さを求め
た。

結果は表１に示した。

（実施例２） ＣａＦ２３重量部の代りにＡｕＦ３１重量部を用いた以
外は、実施例１と同様に実施した。

（実施例３） ＣａＦｚ３重量部の代りにＭｇＦｚ６重量部を用いた以
外は、実施例１と同様に実施した。

（実施例４） ＣａＦ２３重量部の代りにＹＦｓ２重量部を用いた以外
は、実施例１と同様に実施した。

（実施例５） Ｃａ　Ｆ　２は９重量部用い、バインダーとして、７ｗ
ｔ％ＰＶ、Ａ水溶液の代りに１ｗｔ％アルギン酸アンモ
ニウム水溶液を用い、消泡剤（０，１重量部）も添加し
た以外は、実施例１と同様に実施した。

（比較例１） ＣａＦ２を無添加とした以外は実施例１と同様に実施し
た。

（比較例２） イツトリア粉１００重量部に１０ｗｔ％のシリカゾル５
４重量部を添加し、ボールミルで混合してスラリーを作
製し、以後の工程は、実施例１と同様に実施した。

（比較例３） ジルコニア粉１００重量部に２０　ｗ　ｔ％のジルコニ
アゾル３０重量部を添加し、ボールミルで混合してスラ
リーを作製した。

フェースコートの形成にあたり、このスラリーと、スタ
ッコとしてイツトリア粉に代ってジルコニア粉（平均粒
径３５０μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様に実施
した。

表１から明らかなように、本発明の高融点活性金属鋳造
用鋳型材料をフェースコートの形成に用いてロストワッ
クス鋳型を作製し、その鋳型でチタン合金鋳造品を製造
すると、フェースコートの剥離、巻き込みがなく、かつ
反応硬化層の少ない鋳造品が得られた。

〈発明の効果〉 本発明により、肌荒れのない、表面性状にすぐれる鋳造
品を与える高融点活性金属鋳造用鋳型の作製に際して用
いるフェースコート用材料であって、従来よりもその使
用可能時間が長いものと、鋳型の作製に際して前記フェ
ースコート用材料を用いる工程を有する、表面性状にす
ぐれる高融点活性金属鋳造品の製造方法が提供される。

本発明の前記フェースコート用材料（スラリー）中には
、金属フッ化物が含有されているために、スラリーの使
用可能期間が延長される。　また、鋳型焼成温度か低い
場合でも、高融点活性金属鋳造用鋳型のフェースコート
が高強度となる。　従って、鋳型作製時の消費エネルギ
ーが低減される。

また、本発明の前記フェースコート用材料を用いて作製
した鋳型で高融点活性金属鋳造品を製造すると、反応硬
化層が薄く、表面欠陥の殆どない鋳造品が得られる。

さらに、本発明の製造方法では、バックアップコートの
形成以降の工程には従来の方法を通用でき、従って、バ
ックアップコート用耐火性材料として、比較的安価なジ
ルコンおよびムライト貿耐火性材料を使用できるので、
鋳型の材料費を節約しうる。　そして、前記消費エネル
ギーの低減とあわせて、鋳型の製造コストを低減できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、イツトリア粉にＣａＦ２　を添加したものを
焼成した場合における、ＣａＦ２添加量と線収縮率との
関係を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）希土類酸化物、金属フッ化物および水溶性有機高
   分子化合物を含有し、前記金属フッ化物の含有量は、前
   記希土類酸化物１００重量部に対して０．０１〜１０重
   量部であることを特徴とする高融点活性金属鋳造用鋳型
   材料。
2. （２）所定形状を有するワックス模型表面に、請求項１
   に記載の高融点活性金属鋳造用鋳型材料を用いて被覆層
   （ａ）を形成し、しかるのちに、該被覆層（ａ）上にセ
   ラミックス粒状物を付着させる工程を１回以上繰返した
   後、さらにその上に、耐火性材料による被覆層（ｂ）を
   形成して乾燥する工程と、ワックスを溶出し、焼成する
   工程を経て鋳型を作製し、該鋳型に溶融金属を注入し、
   鋳造品を得ることを特徴とする高融点活性金属鋳造品の
   製造方法。