JPS61222658A - 精密鋳造用鋳型材とそれを用いた鋳造方法 - 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〕 本発明はチタンおよびチタン合金を始めとする金属やガ
ラスなどの精密鋳造用鋳型材とそれを用いた鋳造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

工業用金属材料のなかでも、チタンおよびチタン合金は
比重が小さく、耐蝕性や機械的性質にもすぐれているこ
とから主として航空、宇宙、海洋、原子力関連産業や化
学工業などの分野に広く利用されている。

そして近年、その生体適合性や生体為害性がないことか
ら、医科用として人工関節や人工心臓弁などに、歯科用
としては人工歯根として切削品や鍛造品が一部使用され
てきた。

特に歯科鋳造用金属材料としては、ステンレスやＮｉ　
−Ｃｒ合金よシも耐蝕性に優れていること、純チタンの
弾性係数は金、銀に近（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃ。

に比べて約半分でアシ、歯科用非貴金属よシ軟らかく、
貴金属に近いこと、一方合金チタンは伸び率では劣るも
のの引張シ強さ、ビッカース硬度がＮｉ　−Ｃｒ合金や
ＣＯ−’　Ｃｒ合金と同等以上であること、そして比重
においては純チタンの比重的４．５は金合金の約１／４
、Ｎｉ　−Ｃｒ合金やＣｏ　−Ｃｒ合金のほぼ半分で、
歯の比重的３に近いことなどすぐれた特徴を有している
ことから、すぐれた歯科鋳造用金属として幅広い用途に
利用される可能性がある。

ところで上述のようなすぐれた特徴を有するチタンおよ
び、チタン合金であるが、歯科鋳造用金中最高の融点を
示すＣｏ　−Ｃｒ合金よりも約２００℃以上もの高い融
点１７２０℃を有すること、９００℃以上では、極めて
酸化されやすく溶融したチタンは、激しく酸素と化合す
るので真空中もしくは不活性ガス中で融解しなければな
らないこと、そして高温時の活性が大きいため、一般の
セラミックス製ルツボで融解すると反応によって１回で
ルツボも、チタンも使用不能になることなど、その高い
歯科用金属としての適性と評価にも拘らず鋳造用として
は種々の制約と困難を有しており、シリカを主成分とす
る従来の歯科用鋳型材は熱論のとと、耐熱性のリン酸塩
糸でも、チタンと反応するので使用に耐えなかった。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

これらの問題点を解決するため、最近、耐熱性の良いマ
グネシア系鋳型材が開発され、ある程度使用゛可能な状
態になってきている。（歯材器誌３８（３）　：　４６
０〜４６７　、１９８１　）　　Ｌかしながらマグネシ
ア系鋳型材を使用する場合、一般にマグネシアは粒度が
粗く、硬化時間が長くかかること、硬化時の収縮が大き
いことセして加熱時の膨張不足な点などまだ操作上の問
題点も多く、粒度の調整、硬化促進剤や膨張剤の添加な
ど現在も改良が検討されてお夛、まだ満足すべきチタン
用鋳型材とけ言えない。そこでマグネシア系鋳型材に代
わるよりすぐれたチタンおよびチタン合金用鋳型材でか
つその他の金属やガラスセラミックスの鋳造にも有効な
鋳型材をもた′らさんとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らはかかる諸問題を解決するため、まず鋳型材
の基材の選定について基礎的研究を行った。その結果、
チタンに対する生成自由エネルギーと化学親和力の熱力
学的な考察からチタン用鋳型材としてはＭｇＯ以外にＺ
ｒＯ霊、　ＣｅｚＯｓ　、　ＢｅＯ。

ＣａＯ、Ｃ、ＴｈＣｈなどが候補として選定された。

これらの中でＣａＯは化学的安定性に欠ける事、ＴｈＯ
＊は放射性物質である点、ＢｅＯは毒性の点、Ｃは耐酸
化性の点、ＣｅｚＯｓは産出ｌの面でいずれも難点があ
る事からＺｒＯ鵞が基材として選定された。Ｚｒ０ｔは
Ｔｈａｔ　、　ＭｇＯＩｃついで高い２７１５℃の融点
をもち、その化学的、安定性は高温においても金属酸化
物の浸食に耐え、溶融金属、ガラスにはぬれず、炉内雰
囲気による影響も受けないというすぐれた高温用耐火材
料としての特性を有しており、かつ−と比較すると熱膨
張率がやや小さく、熱伝導率は１０００℃においては約
１７３と耐熱性、保温性にすぐれ、また１０００℃にお
ける熱応力に対する抵抗性を表わす熱衝撃抵抗係数はほ
ぼ同一であることなどすぐれた鋳型材としての特長を具
有している。加うるにＺｒ０ｚは力〃シア、マグネシア
、イツトリア等を固溶することにより、異常膨張収縮の
ない等輪島系・正方晶系を不変にした安定化ジルコニア
、単斜晶系と正方晶系の二相を共存させた部分安定化ジ
ルコニアなどのようにある程度自由に組成や性状を調整
することにより、化学的安定性や強度、そして熱衝撃抵
抗性を向上させることが可能である。

さて一般的に鋳型材としては、純度が高いほど粒子の物
理化学的性質が一定化し、粒子間の結合性並びに耐火度
が向上して、焼着が起ζりにくくなる傾向にあるが、Ｚ
ｒ０ｔの場合ＦｉＭｇＯに比べて容易に９８％以上の高
純度の市販品が入手し易すい利点がある。また鋳型材の
粒度はより超微粒子である方が表面エネルギーが大とな
り、凝集状態での粒子間結合力が大きくなるので鋳型と
しての強度保持の点で有利であると共に鋳型の内面が滑
沢となυ鋳肌がよくなるが、この点においてもＺｒＯ２
の場合は容易に数μｍオーダーの超微粒子が得られる。

その他校形の点においてもＺｒＯ＊の場合は、容易に球
状のものが得られるため、液体と練和する際流動性に富
み、焼成後の鋳型通気度が向上するという長所を有する
。

このように主としてチタンおよびチタン合金用鋳型材の
基材としてＺｒＯ意はＭｇＯに比較して種々の点でそれ
自身単独でもすぐれた素材と言えるが、他方熱膨張性が
小さいことや熱衝撃抵抗性の点で十分とは言えないため
、これを補強するために引き続いて副基材の選定を行っ
た。

種々のｚｒｏａとの組み合わせ実験の結果、副基材とし
て、最終的にジルコン（Ｚｒ５ｉＯ４）が最適であると
の決論に達した。

ＺｒＳｉＯ４は溶融金属やスフグに対しての安定性に優
れ、熱膨張係数はＺｒＯｚの約４と小さいが、熱衝撃抵
抗係数がＺｒＯ２の約４倍と大きく、熱衝撃に強い２０
００℃近くまでの有用な材料であり、１６７０℃以上で
ＺｒＯ２＋　５ｌｏ２１（Ｃ分解し、体積を増加すると
いう特徴を示す。

以上のことから、チタンおよびチタン合金の鋳込みの場
合、Ｚｒ５ｉＯａの一部熱分解の過程でＳｉｎｇ成分が
鋳型材の粒子間で結合剤として作用し、焼成強度の保持
に有効な役割を果すものと期待できる。そしてＺｒ５ｉ
ＯａはＺｒＯ＊に比較して価格が安いため、ＺｒＳｉＯ
４の副基材としての使用は全体的な原料コストの低減に
もつながり、経済的にも有利である。以下に本発明によ
る主としてチタンおよびチタン合金を始めとする金属や
ガラスなどの精密麺造用鋳型材の組成例と鋳造方法につ
いて実施例に基づいて説明する。

〔実施例１〕 鋳型材の基材として純度９４％、平均粒径が３２５メツ
ンエバスの電融マグネシア安定化ジルコニアを用い、こ
れに結合剤としてシリカシμ、アクリル系エマルジ１ン
そして微量の界面活性剤および消泡剤を下記の割合いで
調合し、泥状埋没材を形成した。

ワックスパターンとして幅１０ＩＩＩＩＲ長さ３Ｑ　ｓ
ｍ鯛厚さ２朋の板状モデルを使用し、これを上記組成の
鋳型材を用いて、公知のインベストメント法により鋳型
を製作した後、岩谷産業（株）製、アルゴン号アーク溶
解加圧式鋳造機（商品名　ＣＡＳＴＮＬＡＴ工Ｃ）にて
チタンおよびチタン合金Ｔｉ　−６ＡＪ　−４Ｖの鋳造
を行った。この結果、鋳型の表面にかすかなりラックが
発生する場合もあったが表面の反応層はマグネシア系鋳
型材に比べて薄く、鋳造品の酸洗い後の鋳肌表面の性状
４良好ですぐれていた。

〔実施例２〕 鋳型材の基材として、純度９９．５％、　５０％以上が
１μの平均粒径を有する高純度ＺｒＯ２、副成分として
純度９９．０％、３２５メツシュ通過が６０〜８０％の
ＺｒＳ３−０４を選定し、これに結合剤として、無機質
バインダー、有機系バインダー等を次の割合いで添加し
、泥状埋没材を形成した。

ワックスパターンはモデル形態のフルクラウンと己、上
記組成の鋳型材を用いて、内径３Ｑ　ｗｔｍφ、高さ５
９　ｍｍの金属製リング内にカオウールリボンの内張り
を施した円筒内で埋没を行った。ワックスパターンを埋
没後、約１〜２４時間室温で静置し、電気炉中で脱ロウ
、焼成した。鋳造は合金チタンＴｉ、　−６ＡＡ！　−
４Ｖを用い、実施例１と同じ方法で鋳造を行った。

この結果、鋳型表面にはクラックや焼付現象もなく、良
好な鋳肌面を有するフルクラウン鋳造体を得ることがで
きた。

〔実施例３〕 鋳型材の基材として、純度９３．０％、７０％以上が１
０μの平均粒径のカルシア安定化ジルコニア、副成分と
して、実施例２と同様な性状のＺｒＳｉＯ４を選定し、
これに結合剤として以下のような無機質バインダー、有
機系バインダー等を添加し、泥状埋没材を形成した。

上記鋳型材を使用して、前記実施例と同様な鋳造方法で
鋳造を行った結果、実施例２と同様な良い結果が得られ
た。

〔実施例４〕 実施例３と同様に、基材として平均粒径的２０μ、純度
９５％のイツトリア部分安定化ジルコニア、結合剤とし
て以下のような無機質バインダー、有機系バインダー等
を添加し、泥状埋没材を形成した。

ワックス・パターンは臨床形態のフルクラウンとし、上
記鋳型材を使用して、前記と同様な操作方法で鋳造を行
った結果、鋳型は損傷せず、鋳肌のきれいなりラウンが
得られた。

〔実施例５〕 実施例２の組成からなるスラリーへモデル形態のクラウ
ンワックスパターンを浸漬し、コーティング層の厚みを
０．７〜ＩＤｍｙｎとした。次にこれを空気中で自然乾
燥した後、内径４Ｑ　ｍｍφ高さ５０ｔｎｍの金属製リ
ング内にアスベストリボンの内張りを施した円筒内にお
さめ、そのまわりをインベストメント鋳造用の石膏スラ
リーで埋没しバックアップした。

パターンを埋没後、約１〜２時間室温で放置し、更に湯
口表面にスラリーを塗付し、石膏表面をコーティングし
た。

これを電気炉中で加熱し、脱ロウ焼成した後、前記と同
様な純チタンの鋳造を行った。この結果、純チタンの溶
湯に対するコーティング層の耐熱性と１機械的強度は十
分でバックアツプ材としての石膏との反応は認められず
、鋳型の損傷も発生しなかった。そして得られた鋳造体
の酸処理後の表面性状は美麗で、実施例１〜４と比較し
て遜色が表かった。゛ 〔実施例６〕 モデル形態の指関節ワックスパターンに実施例３の組成
からなるスラリーを第１層コーディングし、この表面に
＃５００のＺｒＯｚ粉末を第１層サンディングした後、
１時間自然乾燥を行い、その後コーディング、サンディ
ングを交互に繰シ返し最終的に約５　ｐｍｍ厚のシェル
を形成した。　この工程中、第２層目以降のサンディン
グはその粒径がす３２５、す２００．す１００のものを
順次使用した。このようにして得られたシェルの最終乾
燥を恒温、恒温下で約２４時間〜４８時間行った後、脱
ロウ、焼成してバックアップなしのシェルモールドｔ−
Ｓ作した。次にこのシェルモールドを使用して真空溶解
鋳造炉で合金チタンＴｉ、　−６Ａｌ−４Ｖの鋳造を行
った。この結果、シェルの耐熱衝撃性および耐火強度は
良好であシ、鋳造体の表面性状は繊細な鋳肌゛を有して
いた。

〔実施例７〕 鋳型材の基材として純度９０％、平均粒径３２５、メツ
シュパスの酸化ジルコニアを用い、実施例１と同様な鋳
造方法でステンレス鋼ＳＵＳ　４２０Ｊ　−２の鋳造を
行った。その結果、溶湯と鋳型の化学度広はほとんどな
く、表面の肌荒れのない精密な鋳造品が得られた。

〔実施例８〕 実施例５と同様な鋳造方法で、下記の組成からなるガラ
スセラミックスの鋳造を行った。この結果、クラックの
入らない機械強度にすぐれたガラス鋳造体が得られた。

ガラス組成 以上の実施例で示した本発明による主としてチタンおよ
びチタン合金を始めとする金属とガラスセラミックス用
鋳型材の性能を調べるために、同一サイズの鋳造体を鋳
造し、リン酸塩素鋳型材およびマグネシア系鋳型材との
比較実験を純チタンおよび合金チタンＴｉ　−６Ａ／−
４Ｖで行った。その結果を第１表に示す。

第１表 この第１！！！に褐げ九チタンおよびチタン合金鋳造体
の機械的性賀の測定結果から、本発明の鋳型材の場合、
リン酸塩・やマグネンア系と比較して、ｚｒｓｔｏ４　
を補強材として添加しないＺｒ０ｔ　単独の場合におい
てもすぐれた性能を示し、かつＺｒ５１．０４を添加し
た場合は鋳造時におけるクラックの発生や損傷もほとん
どなく、十分な鋳型強度と耐久性を有し、一層すぐれた
性能を示した。

またいずれの鋳造体の表面性状もリン酸塩系やマグネシ
ア系埋没材を使用したものよシも表面反応層が薄く、酸
洗い後の鋳肌表面は繊細で清らかであった。なお、この
第１表には示さないが、実施例７に挙げたステンレス鋳
造品の場合も従来の鋳造型材を用いたものに比較してい
ささかも遜色が無く、むしろ機械的強度にすぐれ、鋳肌
のきれいな鋳造品が得られた。また金属以外の実施例８
に挙げたガラスセラミックスの鋳造品の場合も熱歪みに
よるガラス表面のクラックの発生もほとんどなく、抗折
強度の向上が見られた。

とζろで、本発明で使用されるｚｒｏ　＊の素材は非安
定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコ
ニアから単独または組み合わせて使用できる。また補強
材のＺｒＳｉ、０４はＺｒ（ｈの物理化学的特性を大幅
に低下せしめない適正範囲内において任意に配合せしめ
ることができる。

一方、Ｚｒ（ｈの平均粒径であるが１．Ｑ　ｔ＊ｍ以上
では、通気度は十分あるものの鋳型強度の保持の点で結
合力が十分でなく又、鋳造の際、繊細な鋳肌面が得にく
い。他方ジルコンの平均粒径も２．３５１１１８以上で
は均一な混線を行うことが困難でＴｏ）、操作上問題が
ある。次に結合剤としては、シリカゾル、アルミナゾル
、ジルコニアゾルなどの無機バインダー、力〜ボキシメ
チルセルロース（ＣＭＣ）ポリビニ−ルア〃コーｉｖ　
（ＰＶＡ　）　、アクリル樹脂系エマルジ薦ン、ワック
スエマルジ翳ン、尿素１１ｆｌｌ、フェノール樹脂など
の有機バインダーから適切なものを選択できる。またス
ラリーの流動性を良好ニジ、ワックスパターンへのスラ
リーの付ｊｌｌｔ−！＜ｔ’るための界面活性剤は陰イ
オン系、非イオン糸などのぬれ性のよいものを、一方泡
の発生による鋳物表面の欠陥を防止し、鋳物表面の不均
一なむらをなくすための消泡剤としては、シリコン系、
石油系などから任意に選択でき、これらは結合剤に添加
しても凝集しないものを適正な範囲内で自由に組み合わ
せて使用できる。更にワックスパターンへのスラリーの
コーティングおよびサングイング工程でのスコツタ材（
耐火砂）としては、第１層目はＺｒＯｘが好ましいが第
２層目以降はマグネシア、ジルコンサンド、ハイアルミ
ナサンドなど公知のスコツタ材を使用してもよい。最後
に鋳造方法については、公知の全ての方法が適用できる
が、特にシェルモールド法においては、バックアップを
石膏で行うことにより、基材としてのＺｒＯ２の使用量
の大幅な低減による鋳型材のコストの低下と石膏をバッ
クアツプ材として用いることから簡便に寸法精度のすぐ
れた鋳造品を鋳造できる。

〈発明の効果〉 叙上の如く本発明による精密鋳造用鋳型材は高温時での
化学的安定性にすぐれ耐、熱性、耐蝕性そ１゜ して耐久性に富む酸化ジμコニウムを基材とし、かつ耐
熱衝撃性にすぐれたジルコンを補強材として配合せしめ
た鋳型材であることから、高融点金属やチタンを始めと
する非常に活性の高い金属で鋳造困難な金属そしてガラ
スセラミックスなどの鋳造に使用することができるなど
従来にない広範囲な金属その他の鋳造材料の精密鋳造を
行うことができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒径が１．０ｍｍ以下の酸化ジルコニウムを
   基材とし、これに平均粒径が２．３５ｍｍ以下のジルコ
   ンを補強材として最大４０重量％添加したことを特徴と
   する精密鋳造用鋳型材。
2. （２）鋳造対象物形状をしたろう模型を型枠中にセット
   し、該型枠中に平均粒径が１．０ｍｍ以下の酸化ジルコ
   ニウムを基材とし、これに平均粒径が２．３５ｍｍ以下
   のジルコンを補強材として最大４０重量％添加してなる
   粉末状の鋳型材を充填する工程の後、脱ろう工程を経て
   形成された殻中に溶湯を注入することを特徴とする精密
   鋳造方法。
3. （３）平均粒径が１．０ｍｍ以下の酸化ジルコニウムを
   基材とし、これに平均粒径が２．３５ｍｍ以下のジルコ
   ンを補強材として最大４０重量％添加してなる粉末状の
   鋳造材と結合剤を含んだ溶液とを混練してスラリーを作
   る工程を経た後、そのスラリー中に鋳造対象物形状を成
   するう模型を浸漬もしくは、上記スラリーを表面に塗付
   して、少なくともろう模型表面に鋳型材のコート層を備
   えたろう模型を型枠中に石膏、ケイ酸塩、リン酸塩など
   のバックアップ材を充填し、脱ろう工程後の殻中に溶湯
   を注入せしめることを特徴とする精密鋳造方法。