JPS62173048A - 精密鋳造用鋳型の造形方法 - 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］ 本発明は精密鋳造用鋳型の造形方法に係わる。

精密鋳造用鋳型の造形方法には、模型が固定されている
枠内にスラリーを流し込み造形する方式とワックス型に
スラリーを被覆し、鋳物砂層を累積する方式の２つの方
式があり、本発明にはこれら方式の造形方法の改良に関
するものである。

［従来の技術］ 流し込み方式による造形方法では通称ショウプロセス（
特公昭３３−８２６４）やユニキャスト法（特公昭５］
−３２５７９）が広く知られている。これら公知の造形
方法では液状粘結剤にエチルシリケートを酸性触媒下で
加水分解して得られるアルコール性シリカゾルを、また
ゲル化剤にはアルカリを使用する。極めてコスト高な造
形方法である。

一方の累積被覆方式による造形方法は通称ロストワック
ス法あるいはインベストメント法といわれ、広〈実施さ
れている。この造形方法では液状粘結剤に上記アルコー
ル性シリカゾルが使われる。

また、水性シリカゾルも使われる。液状粘結剤と鋳物砂
とから成るスラリー中にワックス等の消失性材料の模型
を浸漬し、粗粒の鋳物砂を全面にふりかけるサンディン
グした後、乾燥する１サイクルに　１〜５時間、数回繰
返しの累積後の鋳物砂層の養成に２４〜４８時間を要し
、いずれの液状粘結剤ても造形全工程は合計４〜５日間
に亘り、極めて非効率である。

［発明が解決しようとする問題点］ アルコール性シリカゾルを使用する造形方法では高価な
エチルシリケートとアルコールを用いるので材料費が高
くなる上に、触媒の酸、溶媒のアルコールおよび焼成時
に発生するアルデヒドが作業環境を著しく汚染する。っ
て工場設備費および維持経費も高額になり、製品コスト
を押上げ改善が望まれている。触媒としての酸は作業者
の保健衛生上好ましくないばかりではなく、治工具、器
物装置等の腐蝕と損傷を招き保守管理上も好ましくない
。また、アルコールは作業環境を汚染するとして厳しく
規制されていて、常に許容濃度以下に保持するよう換気
することが義務づけられている。更に、アルデヒドは焼
成時に発生する悪臭、刺激臭で作業者には大変な苦痛で
あり、長時間の作業を困難にし、作業を継続しろる条件
を維持するには極めて大がかりな排気装置が必要になる
。

本発明の第一の目的は流し込み方式造形方法の液状粘結
剤として水性シリカゾルを使用することであり、酸、ア
ルコールならびにアルデヒドによる作業環境の汚染、治
工具、器物、装置等の腐蝕および損傷、保健衛生上なら
びに保守管理上設置する高価な換気装置の工場設備費や
運転経費等々の問題を解消し、作製される鋳型のコスト
を従来法に比して大幅に低下させることを可能にするこ
とにある。

本発明の第二の目的は累積被覆方式造形方法の液状粘結
剤として水性シリカゾルを使用しても造形全工程が従来
法に比して大幅に短縮させることを可能にすることにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 液状粘結剤と鋳物砂とを主要成分とするスラリーを模型
が固定されている枠内に注入し、ゲル化させて後養成し
、つづいて抜型し、焼成して成る流し込み方式による精
密鋳造用鋳型の造形方法において、液状粘結剤として水
性シリカゾルを使用し、ゲル化剤として強塩基と強酸と
の反応で生じる塩（水溶液はほぼ中性を示す。以下中性
塩という）の少なくとも一種類と強塩基と弱酸との反応
で生しる塩（水溶液は弱塩基性を示す。以下塩基性塩と
いう）の少なくとも一種類との混合物（以下複合ゲル化
剤という）を使用し、ゲル化時間を任意に制御すること
ならびにアルコール性シリカゾルを使用する造形方法の
問題点を解消し、鋳型のコストを低下させることを特徴
とする。

スラリーの模型表面へのぬれ性を補強するために、水性
シリカゾルまたはスラリーに界面活性剤０．００１〜２
．０％を添加し、模型細部を忠実に転写するようにした
ことを特徴とする。

水性シリカゾルおよびそのスラリーは含有する水を全量
保持したままゲル化するので、抜型に耐える強度を得る
までの養生に、３５〜６０℃に熱せられた空気による加
温または波長３〜７μｍの赤外線を照射することを特徴
とする。養生時間の短縮には極めて有効である。

液状粘結剤と細粒の鋳物砂とから成るスラリー浴中ヘワ
ックス型を浸漬し、引上げて直ちに粗粒の鋳物砂をふり
かけるサンディングの後、乾燥し、この操作を数回繰返
して鋳物砂層を累積し、養生し、つづいて加熱等の手段
で脱ワックス型し、焼成して成る累積被覆方式による精
密鋳造用鋳型の造形方法において、液状粘結剤が界面活
性剤０．００１〜２．０％を含む水性シリカゾルである
ことならびに波長３〜７μｍの赤外線を照射しながら乾
燥ならびに養生ずることを特徴とし、造形に伴う従来か
らの問題も生じることなく造形全工程時間が大幅に短縮
てきる。

本発明で液状粘結剤として使用する水性シリカゾルは８
〜３０　ｎｍのシリカ微粒子が水中に分散し、活性なシ
ラノール基で覆われている微粒子はナトリウムイオン等
で粒子相互の衝突や付着を防ぎ、安定なゾルを形成して
いるものであるが、金属塩水溶液を加えると瞬時にゲル
化することは既に知られている。したがって、鋳物砂を
配合したスラリーは模型が固定されている枠内に流し込
むまでの一定時間内は流動性を保ち、その後急激に増粘
しゲル化するようゲル化時間を任意に制御することは従
来技術では出来ず、流し込み方式造形方法の粘結剤とし
て水性シリカゾルは使われなかった。

水性シリカゾルと鋳物砂とから成るスラリーのゲル化時
間を任意に制御するには複合ゲル化剤が有効であり、本
発明の流し込み方式造形方法を特徴づけるものである。

本発明で使用する中性塩を構成する陽イオン群は　Ｌ　
ｌ＋　Ｎ　ａ　＋　Ｋ　＋　Ｍｇ　＋Ｃａ　＋　Ｚ　ｎ
　＋　Ｎ　Ｈ４等てあり、陰イオン群はすれば　ＬｉＣ
ｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯＢ　　。

Ｍ　ｇ　Ｓ　０４　　＋　Ｃａ　（Ｎ　Ｏ１＞ａ　　＋
　Ｚ　ｎ　ＣＩ　ａ　　＋ＮＨ４Ｎｏ、　　等である。

また、塩基性塩を構成する陽イオン群は中性塩のそれと
同じてあり、陰イＨＣＯＯ等であって、塩基性塩を例示
すればＬ　　ＩＣＯＨ、ＣＴ（ｓ　　ＣＯＯＮ　ａ　、
Ｋ　ＨＳ　０４　　。

（ＣＨａ　　ＣＯＯ）　ｘ　　Ｃａ　、（ＨＣＯＯ）　
ａ　　Ｚ　ｎ　。

（ＮＨ４）、Ｃｏ、　　　等である。

弱塩基性を呈する水性シリカゾルは上記の塩基性塩を添
加しても飽和溶液のように高濃度で、大過剰員でない限
りゲル化することなく、安定なゾル状態を保つ。しかし
、中性塩にあっては５〜１０％の低濃度水溶液であって
も添加すると急激に増粘し、遅くとも　１〜２分後に流
動性を失い極めて軟らかいゲル状を呈する。ただし、僅
少添加量の場合には若干増粘するが長時間安定なゾル状
を呈する。即ち、添加量に対し臨界的挙動を示す。

ゲル化する場合も「一定時間は流動性を保ち、その後急
激にゲル化する」ことはなく、流動性ある時間が短すぎ
て制御が困難であること等から極めて取扱いにくく実用
的でない。本発明では中性塩と塩基性塩の混合比および
その複合ゲル化剤の水性シリカゾルへの添加量を調節す
ることによって、ゲル化時間を２０分間以内で任意に制
御出来ることが特徴である。

液状粘結剤として水性シリカゾルを使用する本発明をよ
り有用な造形方法たらしめるために講じる積極的手段の
第一は模型細部を忠実に転写するためのｄ誹れ性の補強
であり、界面活性剤を添加することが好ましい。界面活
性剤は通常起泡しやすい性質を有するが、泡は鋳型造形
の障害になりかねないので好ましくない。シリコーン等
の消泡剤を併用すると見かけ上は消泡作用を呈するが、
消泡効果不十分であったり、ぬれ性を妨害したり一様な
効果を得られないことがある。従って、起泡性がなくか
つ浸透性がある界面活性剤を選択し、スラリーまたはバ
インダに０．００１〜２．０％程度添加することが有効
であり好ましい。

本発明で使用する水性シリカゾル中の６０〜８０％は水
であり、水性シリカゾルから生じるヒドロゲルや鋳物砂
層の水を揮発させるための乾燥およびシリカコロイド粒
表面のシラノール基相互間の脱水縮合によってシリカ分
子が巨大化し、抜型に耐えるまでに鋳物砂層の結合が強
固になるための養生には自然放置でも目的を達するが、
本発明をより有効たらしめる積極的手段として水分除去
に費やされる時間を短縮すべきてあって、外部からのエ
ネルギー付与が有効である。その有効手段の一つは３５
〜６０６ｃに熱せ娶られ錦た空気によるゆるやかな加温
である。しかし、高温による急速な加熱は水の揮発には
有効だが、養生には必ずしも良い結果を与えない。即ち
熱せられた空気の直接触れる外側から内部へ順次加温さ
れるため収縮にずれを生し亀裂発生の原因になる場合が
あるので、急速な加熱は避けるへきである。３５〜６０
℃に熱ぜられた空気によるゆるやかな加温が好ましく、
これを得る加熱には既知の方法と既存の装置で十分であ
る。

もう一つの有効手段として、赤外線照射は極めて実用的
である。とりわけ、波長３〜７μｍの赤外線を照射しな
がら乾燥および養生することは極めて好ましい結果とな
る。水は状態によって若干異なるが、凡３〜４　および
６〜７１１．　ｍの赤外線を吸収し、より運動しやすい
状態に励起される。

波長３〜７μｍの赤外線はその性質上スラリーのゲル化
物中の水またはシラノール基以外の物質に対しては透過
または反射して、吸収されることは極めて少ない。従っ
て、照射は鋳物砂層の深部まて達し外側から内部まで同
時に赤外線を受け、若干の強さ勾配は生ずるがいずれの
部位の水も同時に揮発しゃずい状聾になるので、養生手
段としては極めて好ましい。塗装工業等では赤外線ラン
プが溶剤乾燥の手段としてすてに使われているが、この
場合は可視光から　２μｍ程度の赤外線であって、温風
に比へ内部への侵入の可能性はあっても、揮発すべき物
質の赤外線吸収による励起とは異質な、単なる加熱であ
る。

３〜７μｍ赤外線照射体（以下では遠赤外線ヒーターと
いう）も従来の赤外線ランプも電気エネルギーを赤外線
に変換するが、赤外線ランプは一部が可視光に変わり、
残部が揮発すべき物質を外部から加熱するのみであるか
ら低効率であり、これに対し　３〜７μｍにピークをも
つ遠赤外線ヒーターは可視光を全く出さず、水が吸収し
て励起するに有効な波長の赤外線を主体に放射するので
、いうなれば内部からの直接加熱であり、効率が高く同
一電気量による仕事量：よ大差で遠赤外線ヒーターが有
利である。

ただし、加温または赤外線照射によって生じる水蒸気を
速やかに遠ざける、即ち大気中への拡散については十分
に留意すべきで、通常は空気の流れを作ることによって
達せられる。加温または赤外線照射後の抜型において、
十分に徐冷し室温近傍に戻ってから抜型することが模型
と鋳物砂層との接触面からの急激な水蒸気揮発に伴う亀
裂を予防するためにも好ましい。

累積被覆方式造形方法の液状粘結剤として水性シリカゾ
ルはすてに使われているが、鋳物砂層累積時に繰返され
る乾燥と累積後の養生の時間、即ち造形全工程時間が極
めて長く、これを短縮することはこの造形方法の生産性
向上に大いに役立つ。

前記の通り、水の揮発、養生の促進には外部からのエネ
ルギー付与が有効で、その手段として熱せられた空気に
よる加温または赤外線照射をあげられるが、前者は鋳物
砂層が薄いので温度のバラツキを生じ、温度に敏感な模
型材料は局部的に膨張し寸法精度を低下し好ましくない
。これに対し、赤外線注射は何ら支障がなく極めて有効
である。

従って、水性シリカゾルを使う累積被覆方式造形方法に
おいて、本発明の第二は３〜７μｍの赤外線を照射しな
がら鋳物砂層累積時の乾燥および累積後の養生を施すこ
とを特徴とする。この手段を講することによって、造形
全工程時間は大幅に短縮され生産性は著しく向上する。

〔実施例〕

以下に本発明を具体的に説明するために実施例を示すが
、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１ 中性塩（表１中Ｎ−１と表示、１０％ＫＣＩ水溶液）お
よび塩基性塩（Ｂ−１と表示、１０％ＣＨ，Ｃ００Ｋ水
溶液）とを同一ビーカーに採り、よく振とうし均一にし
たゲル化剤をシリカゾル（口座化学■製　商品名１１ス
ノーテツクス３０”）２００ｇの入っているビーカーに
投入し、棒で数回かきまぜてからジルコン（ノントとジ
ルコンフラワーの同重量混合砂を　９００ｇ加えてスラ
リーとし、８×９Ｘ２ｃｍの木目模様を転写したゴム模
型を固定した内寸１５　Ｘ　１３Ｘ　５　ｃｍ　　の木
枠内に流し込み、ゲル化、養生、抜型、焼成を経て、木
目模様を有する凹鋳型を得た。ゲル化時間、抜型まての
時間（養生時間）等を表１に示す。

表１ （以下余白） 実施例２ 中性塩および塩基性塩に表２で示す塩を用い、水性シリ
カゾルに０．０８％相当量の界面活性剤ビクタウエット
を添加し、実施例１同様の操作で鋳型を得た。その結果
を表３に示す。表中“温３５″または“温６０”は３５
または６０℃の温風を、“赤外”は３．３μｍをピーク
とする赤外線を当てながら養生したことをしめす。ただ
し、その場合は３０分間の放冷後に抜型するので養生時
間は抜型迄の時間とした。

−】６− 実施例３ 赤面活性剤ビクタウエッ）　、０．０５％を含む水性シ
リカゾル２１（８にジルコンフラワー８．５ｋｇを加え
てコーティング用スラリーを調合し、これにワックス模
型（厚さ　１１３１５　ｍｍ　％幅と各部位長さ２０ｍ
ｍの階段状）を浸漬し、引上げて液切り後ジルコンサン
ドをサンディングして、第１〜２層では１５分間、第３
〜４Ｎでは３０分間、第５層では５０分間、３．３μｍ
をピークとする赤外線を照射しながら乾燥して、スラリ
ーへの浸漬からの操作を繰返して鋳物砂層を累積し、最
終浸漬後は上記の赤外線を２００分間照射しながら養生
し、オートクレーブ中で脱ワックス型して焼成し、健全
な鋳型を得た。

赤外線を照射せず室温で乾燥する場合には、５０分間の
後に再度スラリーへ浸漬すると前層が溶出崩壊し、鋳物
砂層の累積は出来なかった。また、１８０分間の室温乾
燥の後に浸漬して累積操作を繰返した場合、最終浸漬後
室温て２００分間の養生ではオートクレーブ内で脱ワッ
クス型すると鋳物砂層が崩壊し、健全な鋳型は得られな
かフた。

〔発明の効果〕

本発明の流し込み方式造形方法は水性シリカゾルを使用
するので、アルコール性シリカゾルによる従来法に比べ
てゲル化時間をより任意に制御することが出来、廉価な
材料と環境浄化に費やされる設備およびその運転のため
の経費が不要となって、製品コストを大幅に低減するこ
とが出来、精密鋳造品の使われる分野もプラスチック射
出成型用の特殊金型なとの高額製品だＣｊに限らず、普
通鋳型用模型なとへも安易に応用することを可能にした
。また、３５〜６０℃に熱せられた空気による加温また
は波長３〜７μｍの赤外線照射を施すことによって養生
時間を極めて大幅に短縮することを可能とした。総して
従来法に比べて、生産性を向上させた工業的価値は極め
て著しいものがある。

本発明の累積被覆方式造形方法は波長　３〜７μｍの赤
外線を照射しながら乾燥ならびに養生するので、室温に
よる従来法に比べて累積時の乾燥ならびに脱ワックス型
までの養生の時間が極めて大幅に短縮出来、造形全工程
時間が４〜５日から１〜２Ｅｌになることを可能にした
。用途も高精度で他の製法への転換を不可能視されてい
て、かつ計画性の高い宇宙・航空機部品等に限らず、高
精度ではあっても短納期で要求されるために他の製法に
譲らざるをえなかった産業機械等の部品も廉価に供給す
ることが可能になる。総じて従来法に比して、需要の範
囲を拡大させた工業的価値は極めて著しいものである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）液状粘結剤と鋳物砂とを主要成分とするスラリー
   を注型し、養生し、つづいて抜型し、焼成して成る流し
   込み方式による精密鋳造用鋳型の造形方法において、液
   状粘結剤が水性シリカゾルであること、強塩基と強酸と
   の反応で生じる塩の少なくとも一種類と強塩基と弱酸と
   の反応で生じる塩の少なくとも一種類との混合物から成
   る複合ゲル化剤を含有するスラリーであることを特徴と
   する造形方法。
2. （２）スラリーの模型表面へのぬれ性を補強のために、
   水性シリカゾルまたはスラリーに界面活性剤０．００１
   〜２．０％を添加し、模型細部を忠実に転写するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項の造形方法
   。
3. （３）３５〜６０℃に熱せられた空気で加温しながら養
   生することを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項の造形方法。。
4. （４）波長３〜７μｍの赤外線を照射しながら養生する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項の
   造形方法。
5. （５）液状粘結剤と鋳物砂とから成るスラリーでワック
   ス型を被覆し、乾燥することを繰返して鋳物砂層を累積
   し、養成し、つづいて脱ワックス型し、焼成して成る累
   積被覆方式による精密鋳造用鋳型の造形方法において、
   液状粘結剤が界面活性剤０．００１〜２．０％を含む水
   性シリカゾルであり、波長３〜７μｍの赤外線を照射し
   ながら乾燥ならびに養成することを特徴とする造形方法
   。