JPH05208241A - チタンまたはチタン合金の精密鋳造用鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 チタンまたはチタン合金の精密鋳造品の歩留
を向上させ、鋳造後表面にα-Case(アルファケース)と
いわれる変質層のない安価な製品を得る。 【構成】 チタンまたはチタン合金の精密鋳造用の鋳型
が実質的にイットリアからなる耐火材と、水性イットリ
アゾルおよび有機系エマルジョン樹脂からなるバインダ
の混合物で構成され、その内面がチタンまたはチタン合
金の溶湯と接する内層材と、シリカ系耐火物を主成分と
する外層材からなる。内層材の厚さは0.2mm以上とする
とよい。そして外層材が内層材の強度を補強する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はチタンまたはチタン合金
のロストワックス精密鋳造方法における鋳型に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来チタンまたはチタン合金のロストワ
ックス精密鋳造に用いられる鋳型は、（１）特開昭63-1
15644号に開示されている、イットリア粉およびエチル
シリケートのような非水系をベースとしたバインダから
なるスラリーで溶湯の接する鋳型の内面を被覆する方
法、（２）特開昭63-140740号に開示されている、Ｗ，
Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａおよびこれらの酸化物ならびにイット
リアのうちから選ばれた一種の粉末を水、アルコール、
またはアセトン等の有機溶媒、シリカゾル、アルミナゾ
ルあるいはジルコニアゾルのうちの一種類を溶媒として
砂型の溶湯の接する内面に塗布する方法、

【０００３】（３）特開平2-247037号に開示されている
ような、イットリア、ジルコニア、マグネシアの少なく
とも一種の金属酸化物とイットリア、およびジルコニア
またはジルコニウムの不溶性塩からなる粉体成分と水性
媒体とを混合して模型表面に塗布するコーティング組成
物を用いる鋳型、（４）特開平3-155432号に開示されて
いる、水とシリコン酸化物と水酸基イオンとイットリア
からなるスラリーで溶湯の接する鋳型の内面を形成する
方法、（５）本願出願人が出願した特願平3-291270号に
開示されている、溶湯の接する鋳型の内層材の主成分が
イットリアから成り、そのバインダが塩基性水性ジルコ
ニアゾル、アクリル系エマルジョン樹脂から成り、その
外面をシリカ系耐火物の外層材で被覆する精密鋳造用鋳
型、等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の （１）の方法によればアルコール系のバインダであるエ
チルシリケートを使用するので火災、爆発等の危険性が
高く、工業的に生産を行う場合には非常に多くの投資を
必要とし、さらにチタンまたはチタン合金との反応性の
高いシリカ系のバインダを使用するために得られた鋳造
品の表層部に硬さの高いα-Case(アルファケース)と呼
ばれる変質層が発生するという問題点があった。 （２）の方法によれば比較的大型鋳物を製造するための
砂型鋳物には適用できるが、鋳型の内面に該酸化物を塗
布する方法であるために、複雑形状品、高寸法精度を要
求されるロストワックス精密鋳造鋳型には適用できない
という問題点があった。

【０００５】（３）の方法によれば複雑形状品、高寸法
精度を要求されるロストワックス精密鋳造鋳型にも適用
できるはずであるが、本方法はワックス模型表面に該コ
ーティング組成物を塗布し、早期にゲル化させるコーテ
ィング組成物であり、歯科用等の小物部品には適してい
るが、それらより大きくなると適用できないという問題
点があった。 （４）の方法によれば上記（１）の方法と同様、チタン
またはチタン合金との反応性の高いシリカ系のバインダ
を使用するために、得られた鋳造品の表層部に硬さの高
いα-Caseと呼ばれる変質層が発生するという問題点が
あった。 （５）の方法によれば使用するバインダがジルコニアゾ
ルであることから、チタンまたはチタン合金の溶湯と接
する鋳型内面を最も安定なイットリア単体にすることが
できず、鋳造時の鋳型温度等ある特定の条件下では得ら
れた鋳造品の表層部に硬さの高いα-Caseと呼ばれる変
質層が発生するという問題点があった。本発明の目的は
チタンまたはチタン合金のロストワックス精密鋳造品を
鋳造するために、工業的に安全な生産を行うことがで
き、また一般のロストワックス精密鋳造品の製造設備を
そのまま利用でき、またさらに高温鋳型等反応性の高い
条件下でチタンまたはチタン合金を鋳造しても、得られ
た鋳造品の表層部に硬さの高いα-Caseと呼ばれる変質
層が発生しない精密鋳造用鋳型を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は実質的にイット
リアからなる耐火材と、水性イットリアゾルおよび有機
系エマルジョン樹脂からなるバインダの混合物で構成さ
れ、その内面がチタンまたはチタン合金の溶湯と接する
内層材と、該内層材の外面に被覆され、シリカ系耐火物
を主成分とする外層材からなり、該外層材が前記内層材
の強度を補強することを特徴とするチタンまたはチタン
合金の精密鋳造用鋳型である。本発明者は鋳型の内層材
に用いるイットリアは、図２に示す各種酸化物の生成自
由エネルギー温度線図によってチタンに対して安定であ
り、チタンまたはチタン合金を鋳造しても反応しないこ
とに着目し、また粘結材として用いるバインダによって
は、その安定性が損なわれることがあり、使用するゾル
を種々検討した結果イットリアゾルを用いてイットリア
単体とすることでα-Caseと呼ばれる変質層発生防止に
関して非常に有効であることを見いだし本願発明を完成
したものである。

【０００７】イットリア系耐火物の厚みは0.2mm以下で
はチタンまたはチタン合金溶湯がシリカ系耐火物の影響
を受け、鋳造品の表層部に硬さの高いα-Caseと呼ばれ
る変質層が発生するので0.2mm以上の厚さが良く、シリ
カ系耐火物の保持層の厚さは鋳型の大きさにより5〜7mm
程度が良い。また、使用しているバインダは水性であり
火気に対しても特別な注意をする必要もない。バインダ
はフィラーであるイットリアが塩基性である場合には酸
性のものを用いると、早期にゲル化が生じコーティング
に使用できないので塩基性叉は中性イットリアゾルを用
いることが望ましい。

【０００８】

【作用】イットリアゾルは鋳型製作過程および鋳型焼結
温度である約1300℃までの間はバインダとしての強度が
ほとんどなく、それ単独で用いると製作途中に鋳型が崩
壊する等の問題が生じ、単独では使用できない。このた
めに鋳型製作過程のグリーン状態での強度を得るために
種々検討を重ねイットリア主成分のスラリー中に有機系
エマルジョン樹脂を配合することにより、その粘結力で
鋳型製作に必要な強度を得られるようにした。配合する
有機樹脂はアクリル系、ビニール系等が使用できるが特
に限定する必要はない。また、鋳型のグリーン状態から
鋳型焼結温度である約1300℃までの昇温過程、特に有機
系エマルジョン樹脂が熱分解でその効果を失う温度であ
る200℃以上についての鋳型強度は、乾燥状態の常温か
ら1300℃までの間その強度を充分に有するシリカ系バイ
ンダにジルコンフィラーを用いて、イットリア系耐火物
の内層材を保持してやることにより確保できることが判
明した。シリカ系バインダにジルコンフィラーを用いた
外層材は、焼結前のグリーン状態から1300℃までの間そ
の結合力が高いので、焼結過程の昇温状態で内層材に含
まれる有機系エマルジョン樹脂が熱分解によりバインダ
の作用をしなくなっても、内層材の外側からこの外層材
が密着保持することにより内層材を補強して、場合によ
っては崩壊するといったような内層材の弱点である低強
度を補償する。鋳型の焼結は1400℃で行うことにより充
分な強度が得られるが、その昇温スピードはイットリア
系耐火物とシリカ系耐火物の熱膨張の違いによるクラッ
クの発生や、鋳型の密度の違いによる熱膨張差によるク
ラックを防止するために20℃/Hr以下が良い。

【０００９】

【実施例】以下に本発明を実施例によって説明する。 （実施例１）使用するワックス模型は100×50×15mmの
板状を用いて、図１に示す押し湯、注湯口を設けたワッ
クスクラスタを組み立てた。イットリアスラリーは、市
販の濃度25wt.%塩基性イットリアゾル（日本触媒化学
製）を18重量部、有機系エマルジョン樹脂（ヘキスト合
成製 モビニール DC002）を6.5重量部、325メッシュア
ンダーのイットリア粉末（日本研磨材工業製 PC-Y）を7
4.7重量部、分散剤（中京油脂製 セルナD-305）を0.5重
量部、界面活性剤（花王製 アンヒトール 24B）を0.3重
量部および消泡剤とを撹拌機で混合して製作した。この
スラリーに前記のワックスクラスターを浸した後、余分
なスラリーをたらし70〜100メッシュのジルコニア粒を
ふりかけ乾燥させた。さらにこの操作を繰り返し、約1.
0mmの厚さとした。ふりかけに使用するジルコニア粒の
粒度は順次その粒度を粗くすることもある。

【００１０】次いで市販のシリカゾル（日産化学製 ス
ノーテックス 30）を20重量部と、325メッシュアンダー
のジルコン粉末（大阪ジルコン製）80重量部を撹拌機で
混合してスラリーとした。このスラリーに前記の鋳型を
浸した後、粒径 2mmのシャモットサンドをふりかけ乾燥
させ、この操作を繰り返し全体の厚さが約 7.5mmとなる
ようにした。２日間乾燥した後 150℃、7Kg/cm²の水蒸
気オートクレーブ中で脱蝋し，その後電気加熱炉で 20
℃/Hrの昇温スピードで 1400℃まで昇温し、４時間保持
した。この鋳型は製作中のスラリーのゲル化による不具
合もなく、また鋳型の破損もなかった。また、鋳型焼成
過程においてもクラックの発生も認められず、鋳造に供
することができた。この鋳型を用いて鋳造テストを行っ
た。なお、鋳造時の鋳型余熱温度は850℃、鋳造した6Al
-4V-Ti合金の溶湯温度は1900℃である。チタンまたはチ
タン合金の溶湯が鋳型内面の耐火物と反応を生じると、
酸化物である耐火物を還元し、鋳造品の表層部に酸素濃
度が高く、硬さの高いα-Caseと呼ばれる変質層が発生
する。図３に鋳造品のα-Caseの発生状況を硬さで評価
した結果を示す。本実施例のイットリアゾルを使用した
ものは表層部の硬さの高いα-Caseと呼ばれる変質層も
なく、良好な鋳造品を得ることができた。

【００１１】（実施例２）実施例１と同一ワックスクラ
スター、同一イットリアスラリーを使用してこのスラリ
ーに前記のワックスクラスターを浸した後、余分なスラ
リーをたらし 70〜100メッシュのジルコニア粒をふりか
け乾燥させた。一部は１回の操作、他方はさらにこの操
作を繰り返し，約 0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,2.5mmの６種類
の厚さとなるようにした。その後は実施例１と同一条件
で鋳型を製作した。この鋳型を用いて実施例１と同様の
鋳造テストを行った。図４に鋳型の内層材（イットリア
層）の厚さと鋳造品のα-Caseの発生状況を鋳造品表面
下0.05mm位置の硬さで評価した結果を示す。図４からイ
ットリアからなる鋳型の内層材の厚さが0.2mm以下では
鋳造品表層部に硬さの高いα-Caseが発生してチタンま
たはチタン合金用の鋳型としては使用できなかった。内
層材の厚さが0.2mmを越えると表層部の硬さの高いα-Ca
seもなく、良好な鋳造品を得ることができた。

【００１２】（比較例１）実施例１のイットリアスラリ
ーに配合する濃度 25wt.%塩基性イットリアゾル（日本
触媒化学製）18重量部をシリカゾルに置き換えた以外は
すべて同一な条件で鋳型を製作した。この鋳型は製作中
のスラリーのゲル化による不具合もなく、また鋳型の破
損もなかった。また、鋳型焼成過程においてもクラック
の発生も認められず、鋳造に供することができた。この
鋳型を用いて実施例１と同様の鋳造テストを行った。図
３に実施例１と同様、鋳造品のα-Caseの発生状況を硬
さで評価した結果を示す。本比較例１の様にシリカゾル
を配合した鋳型は表層部に硬さの高いα-Caseが発生し
てチタンまたはチタン合金用の鋳型としては使用できな
かった。

【００１３】（比較例２）実施例１のイットリアスラリ
ーに配合する濃度 25wt.%塩基性イットリアゾル（日本
触媒化学製）18重量部をジルコニアゾルに置き換えた以
外はすべて同一な条件で鋳型を製作した。この鋳型は製
作中のスラリーのゲル化による不具合もなく、また鋳型
の破損もなかった。また、鋳型焼成過程においてもクラ
ックの発生も認められず、鋳造に供することができた。
この鋳型を用いて実施例１と同様の鋳造テストを行っ
た。図３に実施例１と同様、鋳造品のα-Caseの発生状
況を硬さで評価した結果を示す。本比較例１の様にジル
コニアゾルを配合した鋳型は表層部に硬さの高いα-Cas
eが発生してチタンまたはチタン合金用の鋳型としては
使用できなかった。

【００１４】（比較例３）実施例１のイットリアスラリ
ーに配合する濃度 25wt.%塩基性イットリアゾル（日本
触媒化学製）18重量部を濃度 25wt.%酸性イットリアゾ
ルに置き換えた以外はすべて同一な条件で鋳型を製作し
ようとしたが、配合、撹拌後短時間でゲル化を生じて作
業を中断した。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば従来不充分であったチタ
ンまたはチタン合金用鋳型が歩留まり良く、簡単に得ら
れ、しかも通常のロストワックス精密鋳造品の製造設備
を使用してチタンまたはチタン合金のロストワックス精
密鋳造品が得られる。さらに得られた精密鋳造品の鋳造
後の鋳物の表面変質層の発生がないので、この変質層を
除去する工程も不要であり大幅な工程短縮ができるう
え、火災や爆発等の心配がないので火気に対する特別の
配慮もする必要がなく、工業的効果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すチタンまたはチタン合
金の精密鋳造用鋳型の断面図である。

【図２】各種酸化物生成自由エネルギー温度線図であ
る。

【図３】鋳型の内層材に用いた各種バインダ（主材はイ
ットリア紛）と鋳造品のα-Caseの発生状況を硬さで評
価した図である。

【図４】鋳型の内層材（イットリア層）の厚さと鋳造品
のα-Caseの発生状況を鋳造品表面下0.05mm位置の硬さ
で評価した図である。

【符号の説明】

１ 内層材 ２ 外層材 ３０ ワックス模型 ３１ 押し湯 ３２ 注湯口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的にイットリアからなる耐火材と、
   水性イットリアゾルおよび有機系エマルジョン樹脂から
   なるバインダの混合物で構成され、その内面がチタンま
   たはチタン合金の溶湯と接する内層材と、該内層材の外
   面に被覆され、シリカ系耐火物を主成分とする外層材か
   ら成り、該外層材が前記内層材の強度を補強することを
   特徴とするチタンまたはチタン合金の精密鋳造用鋳型。
2. 【請求項２】 鋳型の内層材の厚さが0.2mm以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載のチタンまたはチタン
   合金の精密鋳造用鋳型。