JPH0675744B2 - 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

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ックシェ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ブ抵抗が低い。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2700゜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、膨脹やクラ
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
ックスラリーは、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、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
クスラリー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。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。

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。被覆パター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メッシュ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,AABBA
A,及びBBBABBは、いす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ー
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
リー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、セラミックスラリー層上にセラミ
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、セラミックスラリー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
理学的特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、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,ZAAZAAZA
A,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、異なるセラミック材
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。

一旦シェ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
ールト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測される
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 Ｉ 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×１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。

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、、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（クリーブ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×0.75インチの試料でおこなわれた。クラス
ヘッドスピードは、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
×0.75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.1,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が支持していた。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 II 以下のシェルモールド系を上記実施例Ｉ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 III 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。

以下の試験結果は、本発明のシェルモールド（No.8,9,1
0,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の金属組織
の透過光顕微鏡写真である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   に複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
   の化合物又は混合物から選択されたものである上記方
   法。
3. 【請求項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７】請求項１の方法において、複数の交互層を
   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. 【請求項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、上記表面被覆層に複数の交互の
   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９】請求項８の方法であって、上記表面被覆層
   上に複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、第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. 【請求項１１】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、 セラミック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、アルミナ基およびジルコン基スラ
    リー内に交互に浸漬することにより、上記表面被覆層に
    複数の交互の層を被覆形成する工程とを備え、一又は複
    数の交互の層を浸漬する工程の後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う、 上記方法。