JPS5973172A - セラミック鋳型組立体 - 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】 本発明は金属製品鋳込用鋳型組立体、及びその製造方法
に関するものである。

鋳型を作るために、従来のロストワックス法では、構造
しようとする製品のろう模型が作られ、このろう模型が
液状セラミックの中に浸漬され、セラミック粒子でスタ
ッコ塗りされるという方法でセラミック被覆が施される
。このセラミックは適当な強度と接着性が得られるまで
前記浸漬とスタッコ塗りが数回繰り返される。このセラ
ミック形成が完了すると脱ろうの後、セラミック焼結の
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ッコ塗工程の前にろ
う模型を結合することによって作られる。ろう模型のろ
う部利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な構成する。

上述のロストワックス法には、特に＠型組立体が方向性
を以っ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Ｗｊ込法より
もはるかに長時間、高温に保持される。

この字書のひとつは必要な強度のセラミック層を作るた
めに浸漬とスタッ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ックの構造が層状に
なり、このセラミッ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
に方向性を以って固化して作る製品のための鋳型の焼成
の場合には１５００’Ｏ程度まで加熱しなければならな
いので、セラミッ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
分によって異らせるようにすることも困臭ＩＧ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
上昇管の系統が一体構造になった組立体であり、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ック鋳型を接着結合して組立体［
−１”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ケルためにセラミック
材料で被覆されることが時々あるが、例外７．（（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
。。

四に、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扁い精度で問題
にする鋳造には適さない。

本発明のもうひとつの目的は、７ランジ及び接沼剤を使
わずに伺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個のセラミック構成体を有し、こ
の固定装置は単独で、またはよりψくの固定装５ｑ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っ
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って作るのが好
ましい。

機械式固定装置としてはねじ溝、バヨネット継手、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ろセ
ラミックサークリップを含めて様様の形態が考えられる
。このサークリップは可撓性のある状態でをり付けられ
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詳細な説明する。

図において、鋳型１０は複数のガスタービンエンジン和
動Ｒまたは固定翼を方向性を以った固化によって作るた
めのもので、複数の独立したセラミック鋳型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ック下降柱製置１４
と、共通のセラミック基部１６を有し、このセラミック
基部Ｉ６は前記独立の鋳型に湯を供給するための内部湯
道を含んでいろ。複数の中空のセラミック管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
キャップ１９に摺動可能に結合されて、前記独立した鋳
型を支持１−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っ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ックスターター基部ｆ６と
銅の冷硬鋳型２２０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ックスタータ基部１６を下側
を示すものであるが、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１、この凹部２４
は前記基部に比較的広い開口部２日を有し、この基部１
６の側壁３２の狭い盲溝３０の中で終る。前記四部２４
は機械式固定装置を構成し、この固定装置はねじによっ
て前記銅の冷硬鋳型２２のビン３３と共働するように装
着配置され、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。

前記セラミックスターター基部は押型の中でトランスフ
ァー成形され、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、前記傾斜した四部が前記押型の
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
ミックは組立前例焼成される。

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ック下降柱系統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３６がその内部表面４０に設けられ、
この内面４ｏには凹部４２があり、この四部４２は前記
下降柱装置１４の下部４３を受は入れ、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ｆ’ｊｌ！　４３を受
は入れて固定する一種のバヨネット継手として作用する
。前記突起４Ｇの最も下の端部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ｊｉ？ｉ　成体の而５（１、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■２の下部を受は入れる穴５２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１
２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５６と肩部５８によって個別に形
成され、この両部５６　、５８はセラミックのパテまた
はスラＩＪ　−６１を入れる空間６０を共同で特定する
。このセラミックが凹部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ろ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
セラミンク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はセラミックでトランスファー成形
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ャップ１９に含まれる。

次に、前記独立の鋳型構成体はき一９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
翼を鋳込むセラミック鋳型１２を示し、この鋳型には中
子６４が含まれろ。

このような鋳型は従来のロストワッ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ァー成
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がトランスファー成形され、「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
の大きいセラミッ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′１
−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が装着しである。この中子の内部
表面は鋳込まれろ製品、この実施例ではガスタービンエ
ンジン川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゜７５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ＩＬ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
度は袖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ｆ５Ｍまで硬化するにとどめると共に、前記射
出工程を行なつＣいイ）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１高温」を伺した場合には後述のように
、その型持装置は、セラミック鋳型と中子を焼成する時
に前記セラミック病型に強度が出てその渋型を支持する
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ッ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毬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ッ
ク鋳型が支持を必要とじなくなる温度まで収縮度がセラ
ミッ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
ファイト充鎮剤を加えた熱硬化性フェノール−ホルムア
ルデヒド樹ｌ旨がある。

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７７を示す。

次いでこの模型７７は第７図に示ずように押型８０の中
に設置され、これに前記セラミッ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
っている間動かないように高温型持装置８２がこの模型
の長手方向に沿って設置される。前記押型の中に前記使
捨模型によって特定される空間２４の中にセラミック材
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
の霧出されていた部分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
はプエすべきことは前記使捨模型７７を取り除き、上記
セラミッ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
加熱しなげ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。後述する理由によって、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ｔｒ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。前記契形のスペーサーは件み立てる時に約立体
が円筒形または多角形になるように配置−「ることかで
きる。

第　し１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
ラミック鋳型と同程度の焼成収縮率を１する材料で作る
べきであり、前記「生」のセラミック鋳型と同一の材料
で作ってもよい。

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ック＠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。

上述のように前記同型が中子を一体化構造で組み込むも
のである場合には、前記グラファ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
ミック粉末、例えば再結晶アルミナで満たして支持体の
作用をさせろことができるし、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、ビンを高温用使捨材料例えば上述
のようなグラファ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
ラミッ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ッ
ク材料を従来のロストワックス法よりも広い範囲から選
定することができる。従って前記セラミック材料は、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ックを使うことができる。

前記セラミッ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。

円筒形の組立体のセラミッ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１ｉ／を脂は、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、
そのセラミッ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、例えばしょ糖があり
、これは熱硬化性樹脂結合剤を用いるセラミック鋳型の
通常の射出温度１５０’Ｃを越えるまで適当１よ強度を
保つ。

しょ塘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ツカ好ましく、
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
。代替材料として成る種の低融点合金例えはセロボンド
（ＯＦ！ＲＲＯＢＯＮＤ）またはセＤ　ッに−（ＣＩ！
ＵＲＲＯＴＲＵＥ）（ｒ）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４え得るものでなげれば
ならない。然し乍ら、前記スペーサーは前記セラミック
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って生の状
態まで硬化させておくことが好ましい。前記セラミック
材料は射出工程で生の状態まで硬化しているセラミック
材料に吸収されてこれと均質になり、弱い部分を全く形
成することなく一本化することが判った。従って、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１−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１
、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
ミッ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成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。従って鋳
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、。

高温用型特装Ｒ８２は、前記グラファイト入すコンパウ
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、この金ハは前記グラツ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、トランスファー成形法で作った
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Ａ４は何等」ハなわれない。

上述の方法で従来のロストワッ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ッ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って均一な断面を
作ることができ、従来の溶流精密鋳造によるシェル鋳型
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、その周囲にセラミッ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、セラミック管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
ミック管１８はセラミックシーラントでシールされると
共に注湯キャップ１９の穴を間隙を以って摺動貫通する
。

このようにして完成状態の組立体はトランスファー成形
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、全ての部利は（し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１１−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南は本発明に基づくセラミッ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・・・セラミック鋳型組立体、１２・・・ガスター
ビンエンジン用の翼、１４・・・下降柱、１６・・・セ
ラミック基部、１８・・・中空セラミック管、１９・・
・注湯キャップ、２２・・・銅の冷硬鋳型、２４・・・
凹部、２６・・・仙斜面、３６・・・下降柱基部、３８
・・・湯道空間、４６　、４８・・・突起。 出願人代理人　　　猪　　股　　　　清図面の浄書（内
容に変更なし） 手続補正書（方式） ｌｌｉ（ｆｉｌ　５Ｂ　Ｍ’　１１　月ｌｌ　日！ｈ’
ｊ　＃’＋庁長官　　若　杉　和　夫　殿１　事件の表
示 昭和関年特許願第１２１４７５号 ２、発明の名称 金属鋳造用鋳型およびその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係４３胃′「出願人 ロールスーロイス、す５テツド ７、補正の対象 明細書１図面。 ８、補正の内容 −：

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）方向性を以って固化される構成体を鋳込むセラミッ
   ク鋳型組立体であって、少くとも１個の薄肉の鋳型に結
   合される湯道及び上昇装置を含むものを製造する方法に
   おいて、前記組立体の部拐を分離した構成体として射出
   成形する工程と、前記組立体の前記分離構成体を合せて
   保持するために相互係合可能の機械式固定装置を形成し
   または前記固定装置と共同作動する装置を前記構成体の
   各々に設ける工程と、前記組立体構成体を固定するため
   に係合する相互係合可能の固定装置を有する前記組立体
   構成体の間に継手を形成する工程と、セラミックシーラ
   ントをコーティングすることによって前記組立体の継手
   をシールする工程とを設けることを特徴とする金属鋳造
   用鋳型を製造する方法、。 ２）前記構成体の少なくとも１個が前記組立体のために
   湯道下降柱を特定することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 ３）前記構成体の少なくとも１個がスターター基部を％
   定し、このスターター基部が前記組立体用の湯道装置を
   含み、この湯道装置が前記湯道下降柱を構成体特定用鋳
   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
   項に記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 ４）前記構成体の少なくとも何個かの前記機械式固定装
   置が相互係合可能のねじ溝の形であることを特徴とする
   特許請求の範囲の前記各項の何れかに記載の金属鋳造用
   鋳型を製造する方法。 ５）前記構成体の少ｌＬ（とも何個かの前記機械式固定
   装置がバヨネット継手の相互係合可能の突起と凹部の形
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３
   項に記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 ６）前記構成体の少なくとも１個がセラミックサークリ
   ップを受容装着する四部を有し、このサークリップが隣
   接する構成体の装着と共同で前記２つの構成体を合せて
   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項の何れかに記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 ７）前記セラミックシーラントを前記四部にパテの形で
   施した後に焼成して前記機械式固定を形成することを特
   徴とする特許請求の範Ｆｆ１ｉ第６項に記載の金属鋳造
   用鋳型を製造する方法。 ８）樹脂結合剤を加えたトランスファー成形用セラミッ
   ク材料を用いて、使捨模型を収めた押型の中に継目のな
   い薄肉のｉｉ４型として前記舎！１込用鋳型を形成する
   ことを特徴とする特許請求の範囲の前記各項の何れかに
   記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 ９）ＭｉＪ記トランスファー成形工程前に前記使捨模型
   の中にセラミックの中子を設ける工程をおくことにより
   中空品を鋳込むために中子を内部に一体的に固定した鋳
   型を作ることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載
   の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 １の前記鴻型利刺と同一の材料で生の状態の前記セラミ
   ックの中子を作り、前記中子と鋳型とを合せて焼成して
   前記セラミックを焼結することを特徴とする特許請求の
   範囲第９項に記載の金属鋳造用鋳型を製造する方法。 １１）特許請求の範囲の前記各項の何れかに記載の方法
   によって製造されたことを特徴とする金属鋳造用鋳型。 １２）前記基部構成体が冷硬鋳型ブロックを挿入する空
   間を特定すると共に、前記冷硬鋳型ブロックを前記湯道
   構成体の中に固定するために前記冷硬鋳型に更に設けら
   れた機械式固定装置と共同動作をするように配設した機
   械式固定装置を含むことを特徴とする特許Ｒｈ求の範囲
   第１１項に記載の金属鋳造用鋳型１．