JPS6289559A

JPS6289559A - チタン等の精密鋳造方法

Info

Publication number: JPS6289559A
Application number: JP22760285A
Authority: JP
Inventors: Tsunayo Miura; 三浦　維四; Hitoshi Hamanaka; 浜中　人士; Hisashi Doi; 土居　寿; Yoshimasa Kidowaki; 木戸脇　祥雅
Original assignee: Iwatani Corp
Current assignee: Iwatani Corp
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1987-04-24

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、純チタンやチタン合金のように空気、特に酸
素に対する活性の大きな鋳造材料を用いる精密鋳造方法
に関し、鋳込みに際して溶湯が埋没材の気孔に残留する
空気によって反応を受けることをなくし、もって鋳造品
の物理的・機械的性質を高く維持できるものを提供する
。

〈従来技術〉純チタン若しくはチタンを主成分とする合金（ＮｉＴｉ
合金等）からなるチタン材料は、軽くて耐熱性が高く、
強靭性、耐摩耗性、耐蝕性が大きく、種々の点で優れた
物理的、機械的性質を有する（上記ＮｉＴｉ合金は形状
記憶作用や超弾性等の特殊な性質を持つ）とともに、生
体に対してなじみが良く、手術で生体に埋没しても害に
ならないという特性から、工業界は勿論、義歯や整形華
術等の外科医療界などでも活用されることが待ち望まれ
ていた。

しかしながら、チタン材料は、活性度が非常に高く、酸
素との親和性がきわめて大トいために、鋳型に生成した
酸化物から酸素を抜きとる反応の自由エネルギー変化が
鋳造温度周辺では負になるので、チタン鋳造材料が容易
に酸化されて機械的強度等を劣化させてしまうのが現状
である。

従って、チタン鋳造により義歯などの複雑で精巧な形の
ものを製造しようとすれば、チタン鋳造材料を鋳込んだ
ときの収縮を防がねばならず、このためには、鋳込み前
に鋳型を６００〜８００℃に加熱しておく操作を要する
が、実際には、この鋳型の加熱は鋳造機外で別途に加熱
したのちに鋳込室にセットする方法をとるので、通常の
鋳型、例えば、リン酸塩基、黒鉛でコーティングしたリ
ン酸塩系若しくはマグネシア系の鋳型は６００℃以上の
高温で空気中の酸素により容易に酸化されてしまう。

このため、鋳込室にセットされたときには、鋳型は既に
酸化されてしまっており、これにチタン鋳造材料を鋳込
むと、鋳型の酸化物から酸素を奪ってチタン材料が酸化
してしまい、粗悪なチタン鋳造品しか出来ないという結
果をもたらす。

そこで、本発明者等は、当該発明に先立ってチタン材料
の酸化を引き起こさない精密鋳造機の開発を試み、第７
図に示すような鋳造方法を発明した（昭和５９年１０月
、日本歯料理工学会学術講演会講演集として販布、Ｖｏ
　１　、３　５ｐｅｃｉａｌＩ　５ｓｕｅ　Ｂ　）。

即ち、その鋳造方法を説明すると、　　　　　゛（１）
ＩＩ造造本本体１内溶解室２と鋳込室３とを密閉可能に
形成し、溶解室２にるつば１１と溶解装置５とを設け、
鋳造室３に鋳型７と加熱器８とを設け、溶解室２と鋳造
室３とを真空ポンプ１０で真空引きするように構成した
精密鋳造機を用い、（２）第１工程の鋳型加熱工程では
、溶解室２と鋳造室３とを密閉して真空ポンプ１０で真
空引きし、鋳型７を加熱器８で加熱設定温度に加熱し、
（３）第２工程の溶解工程では、るつぼ１１内の鋳造材
料４を溶解装置５で溶解し、（４）第３工程の鋳造工程では、るつば１１内の溶湯を
鋳型７の埋設材１００の型空間１０１内に鋳込み、（５）第４工程の取出し工程では、鋳型７を密閉した鋳
込室３で冷却設定温度以下に冷却した後に鋳造室３外に
取出し、埋設材１００を割って鋳造品を取り出すもので
ある。

即ち、この方法の特徴は、鋳型な鋳造機内の真空雰囲気
下で加熱する事、及び鋳型を加熱後も外気に触れさせな
いまま鋳造する事により、鋳型の酸化を無くすところに
ある。

この場合、鋳型７を真空中で加熱すると分解が起こり、
変質するのではないかという疑問があるが、本発明者等
の実験では、リン酸塩系鋳型材料が変質したり分解して
ガスが発生するということはなく、真空中で加熱しても
全く問題はなかった。

〈発明が解決しようとする問題点〉上記先行技術では、鋳型の酸化が防がれるため、チタン
等の鋳造品が鋳型の酸化物から酸素を琴って酸化する事
を大幅に改善する事ができたが、実際には、最終の鋳造
品に若干の酸化が認められ、鋳造材料が本来的に有する
物理的・機械的性質を再現するには充分とは言えない。

本発明方法は、これにさらに改良を加えて、チタン等の
鋳造品が鋳造時に酸化する事を無くすことを目的とする
。

く問題点を解決するだめの手段〉本発明者等は、まず、上記先行技術においてチタン等の
鋳造品が酸化する原因を究明し、この原因を取除くこと
によりその酸化を解消したものである。

上記先行技術においては、鋳型は鋳造機内で真空引きさ
れながら加熱されるために、外気の接触による酸化が確
実に防止されている。

しかし、鋳型の肉壁は連続気泡の多孔質の埋没材１００
からなり、鋳型７の型空洞１０１内を真空にしただけで
は、多孔質の鋳型内壁内の気孔１０３内に未だ空気、即
ち、酸素分子或いは窒素分子が吸着残留していることに
発明者等は着目した（例えば、この状態を模式的に表現
すれば第２図のようになる）。

この場合、鋳造室は真空ポンプで真空引きしているので
、鋳型埋没材１００内に残留している空気は実際には少
量であるが、冒述のようにチタン系材料はきわめて活性
が高く、酸素、窒素ガスが少量でも残留しておれば、迅
速にこれらと結合して酸化物或いは、窒化物をつくり、
完成品たるチタン鋳造物の機械的・化学的特性に敏感に
影響を与えて、その品質を低下させることになる。

このため、溶湯チタンを如何にしてこの残留空気に接触
させないかということが、チタン鋳造、特に、チタンを
用いた歯科鋳造の場合には重要な課題となり、鋳造品の
品質の良否を決定する要因となる。

そこで、上記埋没材１００の気孔１０３内に残留した空
気がチタン等の溶湯を如何なる機構で汚染するかについ
て考察した結果、るつぼ内の溶湯を鋳型７の型空洞１０
１内に鋳込んだ場合、型空洞１０１の周囲の空洞周内壁
部分１０２が溶湯で急速に加熱され、空洞周内壁部分１
０１内の気孔１０２内に吸着している０２分子、Ｎ２分
子が脱着して型空洞１０１内に放出され、型空洞１０１
に流入した溶湯に接触して、これを酸化或いは窒化させ
る事を解明した。

しかも、溶湯の表面が酸化すると、この酸化層が触媒的
に作用して、鋳型７どの酸化反応を促進する事をも究明
したのである。

そこで、本発明者等は、チタンを初めとする溶解金属の
汚染をなくすために次の方法を発明した。

即ち、（１）第１工程の鋳型加熱工程において、鋳型７
の埋設材１００のうち、少なくとも型空洞１０１の周囲
の空洞高肉壁部１０２の気孔１０３から空気を充分に排
除するまで真空引きを強力に行って、（２）第３工程の鋳造工程において、溶湯を型空洞１０
１内に鋳込んだときに、空洞高肉壁部１０２が溶湯によ
り急速に加熱されても、空洞高肉壁部１０２の気孔１０
３内から空気が型空洞１０１内へ放出せず、（３）溶湯が型空洞１０１内で空気に接触して酸化した
り窒化したりすることがないようにしたものである。

〈発明の効果〉本発明は、鋳造室内を真空状態にして鋳型を加熱すると
いう先行技術をさらに改良したもので、通常の真空引き
では未だに鋳型の埋没材内に残留ガス、即ち、０２分子
やＮ２分子ががなりの割合で吸着していることに新たに
着目し、少なくとも埋没材の型空洞周囲の気孔から空気
を充分に排除するまで真空引きを強力に行なうことによ
り、溶湯金属の酸化或いは窒化をなくし、ひいては完成
品たるチタン等の鋳造品を高品質に維持することができ
るようにしたものである。

〈実　施　例〉以下、本発明を実施する装置を図面に基いて説明し、こ
の装置を用いた鋳造方法並びに出来上がった鋳造物の機
械的特性を従来品との比較において示す。

第１図は鋳型の縦断面図、第３図は精密鋳造機の要部切
欠斜視図、第４図は同鋳造磯の縦断正面図、第５図は加
熱器及び鋳型の横断平面図であって、鋳造機本体１の内
部を区画壁１５を介して上方を溶解室２に、また、下方
を鋳造室３に各々構成し、両室２及び３を区画壁１５の
中央に空けた出湯口１６及び連通溝１７により連通状に
形成す上記鋳造機本体１の左側面を開口し、当該開口面
にヒンジ１６を介して扉式蓋１８を開閉自在に取り付け
る。

尚、符号１９は開閉レバー、符号２０はのぞき窓である
。

前記溶解室２の出湯口１６の上方にるっぽ１１を載置し
て、鋳造機本体の上壁２２にアーク放電電極棒５を突出
し、その先端をるっば１１に臨ませる。

るつば１１は、黒鉛を材質として皿状に形成し、その中
央に流出孔２１を空けて溶解した合金を鋳造室３に流出
可能に構成する。

尚、るつぼ１１は、合金量の多い場合、溶湯温度を調整
できるように、割り型形式のものにしても良い。

一方、鋳造室３から見て溶解室２とは反対側に、即九、
鋳造室３の下方に待避室１２を連設し、溶解室２に対し
て鋳型受台６を上下摺動自在に配置する。

上記鋳型受台６に外嵌するように円筒形状の電気ヒータ
８を配置し、電気ヒータ８を移動装置１４に載置して待
避室１２と鋳造室３に亘って待避移動及び進出移動可能
に構成する。

電気ヒータ８は、第３図に示すように、円筒内壁２２の
上下に亘って凹溝２３を刻み、内壁表面全体を断熱材で
覆うとともに、凹溝２３に沿って抵抗線２４を埋設して
これを電源２５に接続したものである。

移動装置１４は、第１図に示すように、電気ヒータ８を
載置する昇降台２６と昇降台２６を案内する〃イド棒２
７と昇降台２６を昇降捏作するリンク機構２８とから構
成される。

昇降台２６は中央に開口部２９を開けて鋳型受台６及び
鋳型７を遊嵌可能にし、鋳造室３及び待避室１２に亘っ
て上下に立設した二本の〃イド棒２７に昇降可能に取り
付けられる。

リンク機構２８は、鋳造機本体１の側壁１ａに支点３４
を介して取り付けたＶ型リンク３１と底壁１ｂに支点棒
３５を介して取付けた基端リンク３２と両リンク３１及
び３２を連結する中間リンク３３とから成り、■型リン
ク３１のうち、鋳造機本体１内に配置されるリンク３６
の先端に係止突起３７を突出し、これを昇降台２６に空
けた係止溝３８に係合させるとともに、本体１外に配置
されるリンク４０に中間リンク３３の一端を連結する。

支点棒３５の一端から、その長さ方向に直交する方向に
基端リンク３２を連出し、当該基端リンク３２に中間リ
ンク３３の他端を連結し、支点棒３５の他端に昇降用レ
バー４１を取付ける。

尚、符号４３は鋳造機本体１に取付けた移動装置１４の
上昇限界ストッパー、符号４５は支点棒３５に取付けた
上限調整ボルトである。従って、調整ボルト４５を進退
することにより電気ヒータ８の上昇位置を微量調整でき
る。

他方、溶解室２に不活性がス注入孔５０を空け、Ａｒガ
ス供給源Ｓｌａ・５１ｂ二基をソレノイド弁Ｓ２ａ・５
２ｂを各々介して当該注入孔５０に並列状に接続する。

また、鋳造室３及び溶解室２に夫々吸引孔５３・５４を
空け、鋳造室３から導出する吸引ライン５５を二股状に
分岐し、一方にソレノイド弁５６を、他方にソレノイド
弁５７及び手動弁５８を各々接続し、これらをロータリ
ー真空ポンプ１０に接続する。

溶解室２から導出する吸引ライン５９を二股状に分岐し
、一方にソレノイド弁６０を、他方に二基の手動アング
ル弁６１を介して油拡散ポンプ１０ａを各々接続し、こ
れらを上記真空ポンプ１０に接続する。

尚、符号７０及び７１は、鋳型加熱で発生するアンモニ
アやワックスの残渣蒸気を除去するための、オイルフィ
ルターである。

そして、アーク電源６２の一端を前記アーク放電電極棒
５に、また、その他端を鋳造機本体の底壁１ｂに各々接
続する。

斯くしてなる精密鋳造機を用いて例えば純チタンを鋳造
する方法を以下に述べる。

但し、鋳型７は、ワックスパターンに黒鉛粉末でコーテ
ィングした上からリン酸塩系埋没材１００で埋没したも
のを用いた。

（１）用意した鋳型７を鋳造機とは別の加熱炉で３００
℃まで加熱して脱ろうする。

このとき、電気ヒータ８を移動装置１４で鋳込室３の下
方の待避室１２に待避移動し、予熱を開始する。

上記待避移動においては、支点棒３５を中心として昇降
用ハンドル４１を矢印Ａ方向に回動すると、リンク機構
２８により■型リンク３１の先端の係止突起３７は下方
に移動し、昇降台２６を下降せしめるので、電気ヒータ
８を待避室１２に移動することができる。

（２）要式蓋１８を開いて鋳型町を鋳込室３にセットし
、溶解室２のるつぼ１１上に純チタン４を載置して、要
式蓋１８を閉じる。

そして、鋳型７のセットを終わると、下方の電気ヒータ
８を移動装置１４で鋳込室３に進出移動し、電気ヒータ
８の予熱を継続して鋳型７が冷えるのを防ぐ。

この場合、既述したように、鋳込室３に空気がかなりの
割合で残留しているが、鋳型７の温度は未だ低いので、
鋳型が酸化反応を起こすことはな−１゜上記進出移動においては、支点棒３５を中心として昇降
用ハンドル４１を矢印Ｂ方向に回動すると、リンク機構
２８によりＶ型リンク３１の先端の係止突起３７は上方
に移動し、昇降台２６を上昇せしめるので、電気ヒータ
８を鋳込室３に進出させることができる。

このとき、鋳型７は、電気ヒータ８によって内嵌状に配
置され、ヒータの輻射熱を集中的に受けることができる
（第５図参照）。

（３）油拡散ポンプ１０ａを稼動して溶解室２及び鋳込
室３を真空引きし、鋳込室３の内圧が１０″″−ｍＨＨ
になるまで排気操作を継続し、鋳造室３の空間のみなら
ず、鋳型の埋没材１００のうち、少なくとも型空洞の周
内壁部１０２の気孔１０３からも空気を充分に排除せし
める。

（４）鋳型７は電気ヒータ８で加熱され、略６００°Ｃ
の鋳造温度まで加熱される。

この場合、電気ヒータ８は予め加熱操作を施されている
ので、ヒータの立ち上がり加熱時間を省略して、鋳型７
が所定の鋳造温度に達する時間を短縮できる。

（５）上記鋳造温度に達すればこの状態を略１０分間係
留したのち、Ａｒ供給源５１ａ及び５１ｂを開いて注入
孔５０から溶解室２にＡＩ”スを流入させ、純チタン４
を７−ク放電電極棒５でアーク溶解する。

（６）るつぼ１１上の純チタン４が溶解し、溶湯が出湯
孔１６から鋳型７に向って流下すると同時に、溶解室２
にＡｒガスを流入させて略４ｋｇ／ｃａｂ２に加圧し、
鋳込室３をロータリー真空ポンプ１０で略１ｋｇ／ｃｍ
２の負圧になるように真空引きして、鋳込みを円滑に行
なう。

（７）鋳込み終了に伴い、電気ヒータ８を移動装置１４
で待避室−１２に待避移動する。

待避操作は上記（３）で既述した通りである。

このとき、鋳型７は鋳込室３に、また、電気ヒータ８は
待避室１２に各々上下に離間して配置され、前記（１）
のヒータ予熱捏作時の状態に戻る。

そして、鋳型７を囲む電気ヒータ８の囲続面積は減少し
、鋳型７の外方に放熱空間は拡大するので、鋳型７の放
熱が促進され、冷却に要する時間が短縮される。

（８）鋳型７の冷却が終了するに伴い、鋳型７を鋳造機
本体１外に出し、これを割って純チタンを　　　　゛材
質とする所望の鋳造物を取り出す。

以上のようにして、本発明の最大の特徴は、鋳造室を真
空引きする工程で、鋳型埋没材１００のうち、少なくと
も型空洞の周内壁部１０２の気孔１０３に残留する空気
を充分に排除する点にあり、空気徘除撮作は、上記実施
例めように強力な油拡故ポンプを使用して高度の真空状
態を造り出しても良いし、鋳造室３にアルゴンガスを充
填して空気をこの不活性ガスで置き換える操作を繰り返
えして、高い無酸素・無窒素雰囲気を造り出しても差し
支えない。

例えていえば、１回のアルゴン置換で埋没材１ＯＯの気
孔１０３中の空気の１７２を排除できるすれば、これを
１０回繰り返えせぽ、（１／２＞１゜坤１／１０００と
なって、気孔１０３に残留する空気を１ｏｏｏ分の１に
排除できることになり、実際の空気徘除捏作としてはこ
のアルゴン置換を採用した方が高価な油拡散ポンプを用
いるよりは安価になると思われる。

そこで、上記実施例によって製造した純チタン鋳造品に
引張力を加えれば伸び率がどのように変化するかを、前
記先行技術を用いて製造した純チタン鋳造品との比較に
おいて実験した。

第６図は、その結果を示す応力−ひずみ曲線であって、
本発明に係る鋳造品は先行技術に係るそれに比べて応力
が低く、伸び率が大きいことが判る。

純チタンが酸素或いは窒素と多少とも結合すると、その
鋳造品の機械的強度は高くなるが伸び率は減少し、全体
に脆くなることが知られている。

そのうえ、強度の点においても、全体が一様に強くなる
というのではなく、表面だけが硬くて脆くなり、薄肉部
分では折損してしまうことが多いのが実情である。

このチタンの特性に鑑みれば、先行技術に係る鋳造品で
は鋳込み時に放出した残留ガスの悪影響がみられるのに
反し、本発明に係るそれでは、残留がス、特に酸素〃ス
による影響ははるかに少ないと思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳型の縦断面図、第２図は鋳型埋没材の型空洞
馬肉壁部の拡大断面模式図、第３図は本発明を実施する
ための精密鋳造機の要部切欠斜視図、第４図は同鋳造磯
の縦断正面図、第５図は加熱器及び鋳型の横断平面図、
第６図は本発明及び先行技術に係る鋳造品の応力−ひす
み曲線図、第７図は先行技術を示す第４図相当図である
。１・・・鋳造機本体、　２・・・溶解室、　３・・・鋳
造室、４・・・鋳造材料、　５・・・溶解装置、　７・
・・鋳型、８・・・加熱器、　　１０・・・真空ポンプ
、　　１１・・・るつぼ、　１００・・・埋没材、　　
１０１・・・型空洞、１０２・・・空洞周内壁部、　　
１０３・・・１０２の気孔。

Claims

【特許請求の範囲】１、鋳造機本体１内に溶解室２と鋳造室３とを密閉可能
に形成し、溶解室２にるつぼ１１と溶解装置５とを設け
、鋳造室３に鋳型７と加熱器８とを設け、溶解室２と鋳
造室３とを真空ポンプ１０で真空引きするように構成し
た精密鋳造機を用い、第１工程の鋳型加熱工程では、溶解室２と鋳造室３とを密閉して真空ポンプ１０で真空引きし、鋳
型７を加熱器８で加熱設定温度に加熱し、第２工程の溶解工程では、るつぼ１１内の鋳造材料４を溶解装置５で溶解し、第３工程の鋳造工程では、るつぼ１１内の溶湯を鋳型７の埋設材１００の型空間１０１内に鋳込み
、第４工程の取出し工程では、鋳型７を密閉した鋳造室３で冷却設定温度以下に冷却した後に鋳造室
３外に取出し、埋設材１００を割つて鋳造品を取出すよ
うにしたチタン等の精密鋳造方法において、第１工程の鋳型加熱工程において、鋳型７の埋設材１００のうち、少なくとも型空洞１０１の周囲
の空洞周肉壁部１０２の気孔１０３から空気を充分に排
除するまで真空引きを強力に行つて、第３工程の鋳造工程において、溶湯を型空洞１０１内に鋳込んだときに、空洞周肉壁部１０２が溶
湯により急速に加熱されても、空洞周肉壁部１０２の気
孔１０３内から空気が型空洞１０１内へ放出せず、溶湯が型空洞１０１内で空気に接触して酸化したり窒化したりすることがないようにした事を特徴
とするチタン等の精密鋳造方法