WO2014057914A1 - 精密鋳造用鋳型及びその製造方法 - Google Patents

精密鋳造用鋳型及びその製造方法 Download PDF

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slurry
layer
precision casting
casting
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英隆 小熊
一剛 森
岡田 郁生
幸郎 下畠
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三菱重工業株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02Sand moulds or like moulds for shaped castings
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/02Sand moulds or like moulds for shaped castings
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening

Definitions

  • the present invention relates to a precision casting mold and a manufacturing method thereof.
  • a casting method for producing a casting there is a precision casting method used when producing a casting with high accuracy.
  • slurry is applied around a vanishing model (wax mold) having the same shape as the molded part, and then the first layer stucco (flower) is adhered and dried. Let Thereafter, the three steps of slurry application, stucco attachment, and drying are repeated to produce a mold (outer mold) that covers the outside of the casting.
  • a wax mold is attached to a slurry mainly composed of silica sol, and the slurry is attached to the surface of the wax mold and dried. Since only a small amount of slurry adheres to each operation and only a thin slurry can be formed, the thickness is increased by repeating several times to 10 to several times. Also, coarse particles called stucco material are sprinkled on and adhered to the surface of the slurry in order to speed up drying or to ensure a quick wall thickness in order to prevent dry cracking. Therefore, the mold cross-sectional structure is a dense layer and a layer of coarse particles.
  • silica sol is a liquid in which spherical silica particles having a particle diameter of about 20 nm are dispersed.
  • the silica ultrafine particles adhere to the surface of relatively fine particles (several to several tens of microns) and coarse particles (stucco) (several hundred microns to several mm) such as zircon and alumina contained in the slurry during the drying process.
  • the precision casting mold ensures the thickness and strength by repeatedly applying slurry, stucco, and drying to the wax mold surface a plurality of times.
  • silica or alumina-based particle material is used for the purpose of accelerating drying, ensuring a quick wall thickness, preventing dry cracking, and the like.
  • the mold is manufactured by laminating multiple layers (10 layers) of a slurry layer and a stucco layer, and its cross-sectional structure consists of a dense layer and a coarse particle layer, so the thermal conductivity is low. There is a problem that temperature control during unidirectional solidification is difficult.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a precision casting mold capable of enhancing the thermal conductivity of the mold and a method for manufacturing the same.
  • a first invention of the present invention for solving the above-described problems is a precision casting mold used for manufacturing a casting, wherein the core has a shape corresponding to a hollow portion inside the casting, and an outer peripheral surface of the casting.
  • An outer mold corresponding to the shape of the outer mold, and the outer mold is formed on the inner peripheral surface, and is formed of a slurry film formed by drying using a precision casting mold slurry, and an outer side of the prime layer.
  • the second invention is the precision casting mold according to the first invention, wherein the prime layer has a stucco layer in which a stucco material is adhered to a slurry layer made of precision casting mold slurry.
  • a third invention is a method of manufacturing a precision casting mold used for manufacturing a casting, wherein the precision casting wax mold is dipped in a precision casting mold slurry, pulled up and dried to form a wax mold surface.
  • a first film forming step for forming a prime layer made of a slurry film and a wax mold on which the prime layer is formed are dipped in the precision casting mold slurry and pulled up, and then silicon carbide is shaken as a stucco material on the surface of the slurry.
  • Forming a molded body to obtain a molded body having a multilayer backup layer by repeating the second film forming step of forming a backup layer by applying and then repeating the process of forming the backup layer of the second film forming step a plurality of times And a dewaxing step for melting and removing wax-shaped wax from the obtained molded body, and a mold firing step for firing the dewaxed molded body to obtain a mold.
  • a dewaxing step for melting and removing wax-shaped wax from the obtained molded body
  • a mold firing step for firing the dewaxed molded body to obtain a mold.
  • a stucco layer is formed by adhering silicon carbide as a stucco material to a slurry layer made of the precision casting mold slurry in the first film forming step, and then drying.
  • the present invention provides a method for producing a precision casting mold.
  • the present invention has an effect that a mold having high thermal conductivity and easy temperature control during unidirectional solidification can be obtained by using silicon carbide as the stucco material.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a dry molded body serving as an outer mold.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of another dry molded body serving as an outer mold.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the process of the casting method.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of steps of the mold manufacturing method.
  • FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a core manufacturing process.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a part of the mold.
  • FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a wax mold manufacturing process.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a configuration in which slurry is applied to a wax mold.
  • FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a manufacturing process of the outer mold.
  • FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a part of the mold manufacturing method.
  • FIG. 11 is an explanatory view schematically showing a part of the casting method.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a dry molded body serving as an outer mold.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of another dry molded body serving as an outer mold.
  • the precision casting mold is a precision casting mold used for manufacturing a casting, and corresponds to the shape of the core corresponding to the hollow portion inside the casting and the shape of the outer peripheral surface of the casting.
  • the outer mold is formed on the inner peripheral surface, and is dried using a precision casting mold slurry of alumina ultrafine particles having a particle size of 1.0 ⁇ m or less.
  • the high-purity ultrafine alumina particles which are the binder for forming the slurry in the present invention
  • alumina ultrafine particles which are the binder for forming the slurry in the present invention
  • a ball mill as a dispersing means.
  • the particle size of the ultrafine alumina particles is 1.0 ⁇ m or less, more preferably in the range of 0.3 to 0.6 ⁇ m.
  • the reason why the particle diameter of the ultrafine alumina particles is preferably 1.0 ⁇ m or less is that if it exceeds 1.0 ⁇ m, the result of the bending test strength is not preferable.
  • Zircon powder (for example, 350 mesh) is added as flour to the single dispersed alumina ultrafine particle binder to obtain a precision casting mold slurry. In the present invention, it is acceptable to add no flour.
  • polycarboxylate for example, ammonium salt
  • dispersant for example, ammonium salt
  • dispersing means for example, a ball mill using balls having a diameter of 10 to 20 mm can be exemplified, but the dispersing means is not limited to this as long as it is a single dispersing means.
  • silicon carbide (SiC) is used as the stucco material.
  • Silicon carbide having an average particle size of about 0.8 mm is used.
  • the allowable average particle diameter is preferably about 0.46 to 1.2 mm.
  • the obtained mold has high thermal conductivity, and temperature control during unidirectional solidification becomes easy.
  • the wax mold 30 is immersed using a precision casting mold slurry (hereinafter referred to as “slurry”) of alumina ultrafine particles having a particle size of 1.0 ⁇ m or less that is monodispersed. Pull up and drop excess slurry. Thereafter, a slurry film (first dry film) is obtained on the surface of the wax mold 30 by drying. This slurry film becomes a prime layer 101A in contact with the surface of the wax mold 30 in FIG.
  • slurry precision casting mold slurry
  • the same operation as the second film forming step of the first backup layer 104-1 is repeated a plurality of times (for example, 6 to 10 times), and the slurry layer (n + 1 layer) 102 and the stucco layer (n layer) 103 are alternately arranged.
  • a dry molded body 106A serving as an outer mold having a multilayer backup layer 105A having a predetermined thickness laminated on the substrate is obtained.
  • This dried molded body is put into an autoclave at 150 ° C., for example, and the wax constituting the wax mold 30 is melted and discharged. Thereafter, this mold is heat-treated at 1,000 ° C. to obtain a precision casting mold.
  • the obtained mold for precision casting can obtain a mold having high thermal conductivity and easy temperature control during unidirectional solidification by using silicon carbide particles having high thermal conductivity as the stucco material.
  • silicon carbide particles having high thermal conductivity As the stucco material.
  • silica or alumina-based particles are used as the stucco material, so that the thermal conductivity is low and it is difficult to control the temperature during unidirectional solidification.
  • Table 1 shows a comparison between the heat conduction of silicon carbide and the heat conduction of conventional alumina, zirconia, silica, and fused silica.
  • a prime stucco layer 101b is formed by attaching silicon carbide (SiC) as a stucco material to the prime slurry layer 101a, and then dried to form the prime layer 101B. You may do it.
  • SiC silicon carbide
  • the number of laminations of the slurry layer 102 of the multilayer backup layer 105B and the number of laminations of the stucco layer 103 are both the same number (n layers).
  • a dry molded body 106B serving as an outer mold having the multilayer backup layer 105B is obtained.
  • zircon powder was used as the flour, but in addition to zircon powder, alumina powder was used, and even if alumina stucco particles were used instead of zircon stucco particles, the same precision casting mold was obtained. Can do.
  • the relationship between the flour and the stucco material is not limited, and either zircon powder or alumina powder is used as the flour, and either zircon stucco particle or alumina stucco particle is used as the stucco material. Just do it.
  • the particle size of the flour is 350 mesh, but the present invention is not limited to this.
  • the stucco particles have a particle size of 0.8 mm, but the present invention is not limited to this. For example, particles having a diameter of about 0.4 mm to 2 mm and an average particle size of 0.5 mm or more should be used. Is preferred.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the steps of the casting method.
  • the casting method will be described with reference to FIG.
  • the casting method of this embodiment produces a casting mold (step S1).
  • the mold may be produced in advance or may be produced each time casting is performed.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of steps of the mold manufacturing method.
  • the processing shown in FIG. 4 may be executed fully automatically, or may be executed by an operator operating an apparatus that executes each process.
  • the mold manufacturing method produces a core (core) (step S12).
  • a core is a shape corresponding to the cavity inside the casting produced with a casting_mold
  • FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a core manufacturing process.
  • a mold 12 is prepared as shown in FIG. 5 (step S101).
  • the mold 12 has a hollow area corresponding to the core.
  • the portion that becomes the cavity of the core becomes the convex portion 12a.
  • the mold 12 basically covers the entire circumference of the region corresponding to the core except for an opening for injecting material into the space and a hole for extracting air. It is hollow.
  • the ceramic slurry 16 is injected into the mold 12 through an opening for injecting material into the space of the mold 12 as indicated by an arrow 14.
  • the core 18 is produced by so-called injection molding in which the ceramic slurry 16 is injected into the mold 12.
  • the core 18 is produced inside the mold 12, the core 18 is removed from the mold 12, and the removed core 18 is placed in the firing furnace 20 and fired. Thereby, the core 18 made of ceramic is baked and hardened (step S102).
  • the core 18 is produced as described above.
  • the core 18 is formed of a material that can be removed by a decore process such as a chemical process after the casting is solidified.
  • an external mold is manufactured (step S14).
  • the outer mold has a shape in which the inner peripheral surface corresponds to the outer peripheral surface of the casting.
  • the mold may be made of metal or ceramic.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a part of the mold. In the mold 22a shown in FIG. 6, the recess formed on the inner peripheral surface corresponds to the outer peripheral surface of the casting. In FIG. 6, only the mold 22 a is shown, but a mold corresponding to the mold 22 a and corresponding to the mold 22 a is also produced so as to close the concave portion formed on the inner peripheral surface.
  • two molds are combined to form a mold whose inner peripheral surface corresponds to the outer peripheral surface of the casting.
  • FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a wax mold manufacturing process.
  • the core 18 is installed at a predetermined position of the mold 22a (step S110).
  • a mold 22b corresponding to the mold 22a is placed on the surface of the mold 22a where the recess is formed, the core 18 is surrounded by the molds 22a and 22b, and the core 18 and the molds 22a and 22b are separated.
  • a space 24 is formed therebetween.
  • the mold manufacturing method starts injection of WAX 28 from the pipe connected to the space 24 toward the inside of the space 24 as indicated by an arrow 26 (step S112).
  • WAX 28 is a substance having a relatively low melting point, such as wax, which melts when heated above a predetermined temperature.
  • the entire space 24 is filled with the WAX 28 (step S113).
  • the wax 28 is solidified to form the wax mold 30 in which the WAX 28 surrounds the core 18.
  • the wax mold 30 basically has the same shape as the casting for which the part formed by the WAX 28 is manufactured.
  • the wax mold 30 is separated from the molds 22a and 22b, and the gate 32 is attached (step S114).
  • the gate 32 is a port into which molten metal, which is a metal melted during casting, is charged.
  • the mold manufacturing method produces the wax mold 30 including the core 18 inside and formed of the WAX 28 having the same shape as the casting.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a configuration in which slurry is applied to a wax mold.
  • the wax mold 30 is immersed in the storage portion 41 in which the slurry 40 is stored, and is taken out and then dried (step S19).
  • the prime layer 101 ⁇ / b> A can be formed on the surface of the wax mold 30.
  • the slurry applied in step S ⁇ b> 18 is a slurry applied directly to the wax mold 30.
  • the slurry 40 uses alumina ultrafine particles.
  • refractory fine particles of about 350 mesh such as zirconia, as flour.
  • polycarboxylate as a dispersing agent.
  • slurry application is performed with the slurry 40, and the solder mold having the prime layer (first dry film) 101A is further applied with slurry (dipping) (step S20).
  • stuccoing is performed by sprinkling silicon carbide grains (average particle diameter 0.8 mm) as the stucco material 54 on the surface of the wet slurry (step S21).
  • the slurry layer with the stucco material attached thereto was dried to form the first backup layer (second dry film) 104-1 on the prime layer (first dry film) 101A (step S22).
  • a predetermined number (n) of n-th backup layers 104-n are stacked (step S23: Yes) to obtain a dry molded body 106A that is an outer mold having a thickness of, for example, 10 mm on which the multilayer backup layer 105A is formed.
  • step S24 the dry molded body 106A is subjected to heat treatment (step S24). Specifically, WAX between the outer mold and the core is removed, and the outer mold and the core are further fired.
  • FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a part of the mold manufacturing method.
  • a dry molded body 106A serving as an outer mold in which a plurality of layers of the prime layer 101A and the multilayer backup layer 105A is formed is placed in the autoclave 60 and heated.
  • the autoclave 60 heats the wax mold 30 in the dry molded body 106A by filling the interior with pressurized steam. As a result, the WAX constituting the wax mold 30 is melted, and the molten WAX 62 is discharged from the space 64 surrounded by the dry molded body 106A. In the mold manufacturing method, the melted WAX 62 is discharged from the space 64, so that, as shown in step S131, an area filled with WAX between the dry molded body 106A serving as the outer mold and the core 18 is filled with the space 64. A mold 72 in which is formed is produced.
  • step S132 the mold 72 in which the space 64 is formed between the dry molded body 106A serving as the outer mold and the core 18 is heated in the firing furnace 70.
  • the mold 72 removes the water component and unnecessary components contained in the dry molded body 106 ⁇ / b> A serving as the outer mold, and is further cured by firing to form the outer mold 61.
  • the mold 72 is produced as described above.
  • FIG. 11 is an explanatory view schematically showing a part of the casting method.
  • the mold is preheated (step S2).
  • the mold is placed in a furnace (vacuum furnace, firing furnace) and heated to 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • a furnace vacuum furnace, firing furnace
  • preheating it is possible to prevent the mold from being damaged when molten metal (melted metal) is injected into the mold at the time of casting production.
  • step S3 when the mold is preheated, pouring is performed (step S3). That is, as shown in step S ⁇ b> 140 of FIG. 11, a molten metal 80, that is, a molten casting material (for example, steel) is injected between the outer mold 61 and the core 18 from the opening of the mold 72.
  • a molten metal 80 that is, a molten casting material (for example, steel) is injected between the outer mold 61 and the core 18 from the opening of the mold 72.
  • step S4 After the molten metal 80 poured into the mold 72 is solidified, the outer mold 61 is removed (step S4). That is, as shown in step S141 of FIG. 11, when the molten metal 80 is solidified into the casting 90 inside the mold 72, the outer mold 61 is crushed and removed from the casting 90 as a broken piece 61a.
  • the core removal process is performed (step S5). That is, as shown in step S142 of FIG. 11, the casting 90 is put into the autoclave 92 and the core removal process is performed by melting the core 18 inside the casting 90, and the molten core 94 is dissolved in the casting 90. Drain from inside. Specifically, the casting 90 is put into an alkaline solution inside the autoclave 92, and the melting core 94 is discharged from the casting 90 by repeating pressurization and decompression.
  • a finishing process is performed (step S6). That is, a finishing process is performed on the surface and inside of the casting 90.
  • the casting is inspected together with the finishing process. Thereby, as shown to step S143 of FIG. 11, the casting 100 can be manufactured.
  • a casting mold is manufactured by using a lost wax casting method using WAX (wax).
  • the mold manufacturing method, the casting method, and the mold according to the present embodiment include an outer mold that is an outer portion of the mold, and a prime layer (first layer that is the first layer) that forms an inner peripheral surface using alumina ultrafine particles as a slurry.
  • (Dry film) 101A is formed, and a multilayer structure is formed by forming a plurality of backup layers 105A composed of a slurry layer and a stucco layer using silicon carbide grains outside the prime layer 101A.
  • the prime layer 101B including the slurry layer 101a to which silicon carbide is added as a stucco material and the stucco layer 101b may be used as the prime layer.
  • the wax mold before the outer mold is formed is a member having a width of 30 mm, a thickness of 8 mm, and a length of 300 mm, and this wax mold has a prime layer (first dry film) made of a slurry layer, A mold was prepared by forming a multilayer backup layer of slurry and stucco material.
  • a slurry of high-purity ultrafine alumina (Al 2 O 3 , specific surface area of 10 m 2 / g, particle size of about 0.5 ⁇ m) is kneaded for 24 hours using a ball mill with a dispersing agent of ammonium polycarboxylate. did.
  • the solid content concentration of the obtained slurry is 50 wt%.
  • the alumina particles were monodispersed at 0.5 ⁇ m.
  • 350 mesh zircon powder was added as a flour to obtain a precision casting mold slurry.
  • 0.01% silicon-based antifoaming agent and 0.01% wettability improving agent were added to prepare slurry for use.
  • a wax body with a width of 30 mm, a thickness of 8 mm, and a length of 300 mm, immerse the wax body in the resulting slurry, pull it up and attach the used slurry to the wax surface, then drop the excess used slurry and dry it Thus, a slurry prime layer (first dry film) was obtained on the surface of the wax body.
  • the wax body having the prime layer was immersed in the used slurry, and then the excess slurry was dropped.
  • Silicon carbide grains having an average grain size of 0.8 mm were attached to the wet use slurry and then dried to form a second dry film (first backup layer).
  • Example 2 In Example 1, 350 mesh alumina powder was added as flour instead of zircon powder to obtain a precision casting mold slurry. Further, a mold of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that alumina stucco particles having an average particle diameter of 0.8 mm were used as the stucco material.

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  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

 鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状のコアと、前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有し、前記外側鋳型は、内周面に形成され、精密鋳造用鋳型スラリーを用いて乾燥してなるスラリー膜からなるプライム層(101A)と、前記プライム層(101A)の外側に形成され、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層(102)と、該スラリー層(102)にスタッコ材として炭化珪素(SiC)を付着したスタッコ層(103)とにより形成し、乾燥してなるバックアップ層(104)を、複数回形成してなる複層バックアップ 層(105A)と、からなる。

Description

精密鋳造用鋳型及びその製造方法
 本発明は、精密鋳造用鋳型及びその製造方法に関するものである。
 鋳物を製造する鋳造方法には、鋳物を高い精度で製造する場合に用いられる精密鋳造方法がある。精密鋳造方法は、特許文献1に記載されているように、成形部品と同一形状の消失性模型(ワックス型)の周囲にスラリーを塗布し、その後、初層スタッコ(フラワー)を付着させ、乾燥させる。その後、スラリーの塗布、スタッコの付着、乾燥の3つの工程を繰返し行い、鋳物の外側を覆う型(外側鋳型)を作製する。
 ここで、精密鋳造用鋳型はシリカゾルを主体とするスラリーにワックス型を付け込み、ワックス型の表面にスラリーを付着させ乾燥させる。
 1回の操作では付着するスラリーが少なく、薄いものしかできないので、数回~10数回繰返して厚さを稼いでいる。また、乾燥を早くするため、あるいは、早く肉厚を確保するため、乾燥割れを防止するため、スタッコ材と呼ばれる粗い粒子をスラリー表面にふりかけ、付着させている。そのため、鋳型の断面構造は緻密層、粗い粒子の層の繰り返しとなっている。
 例えばシリカゾルは粒径20nm程度の球状シリカ粒子が分散された液である。このシリカ超微粒子が、乾燥の過程でスラリーに含まれるジルコン、アルミナなどの比較的細かい粒子(数ミクロンから数十ミクロン)及び粗い粒子(スタッコ)(数百ミクロン~数mm)の表面に付着し、乾燥、熱処理により固く結合することにより、鋳型の形状が保たれると同時に強度を保有し、鋳型として利用できるようになっている。
特開2001-18033号公報
 ところで、精密鋳造用鋳型は、ワックス型表面にスラリー付着、スタッコ付着、乾燥を複数回繰り返し行い、厚みと強度を確保している。
 特に、スタッコ付着は、乾燥を早める、早く肉厚を確保する、乾燥割れを防止する等の目的で、シリカやアルミナ系粒子材料が用いられている。
 鋳型は、スラリー層とスタッコ層との複層を何層(10層)も積層して製作され、その断面構造は、緻密層と粗粒子層の繰り返しとなっているため、熱伝導率が低く、一方向凝固時の温度制御が難しい、という問題がある。
 よって、鋳型の熱伝導性を高めると共に、凝固温度勾配の制御が容易となり、鋳物の歩留まり向上並びに強度特性の向上が見込める鋳型の出願が切望されている。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鋳型の熱伝導性を高めることができる精密鋳造用鋳型及びその製造方法を提供することを目的とする。
 上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状のコアと、前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有し、前記外側鋳型は、内周面に形成され、精密鋳造用鋳型スラリーを用いて乾燥してなるスラリー膜からなるプライム層と、前記プライム層の外側に形成され、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層と、該スラリー層にスタッコ材として炭化珪素を付着したスタッコ層とにより形成し、乾燥してなるバックアップ層を、複数回形成してなる複層バックアップ層と、からなることを特徴とする精密鋳造用鋳型にある。
 第2の発明は、第1の発明において、前記プライム層が、精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層に、スタッコ材を付着したスタッコ層を有することを特徴とする精密鋳造用鋳型にある。
 第3の発明は、鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型の製造方法であって、精密鋳造用ろう型を、精密鋳造用鋳型スラリーに浸漬し、引き上げた後乾燥して、ろう型の表面にスラリー膜からなるプライム層を形成する第1成膜工程と、前記プライム層を形成したろう型を、前記精密鋳造用鋳型スラリーに浸漬し、引き上げた後、スラリー表面にスタッコ材として炭化珪素を振掛け、その後乾燥してバックアップ層を形成する第2成膜工程と、前記第2成膜工程のバックアップ層を形成する工程を複数回繰り返し、複層バックアップ層を形成した成形体を得る成形体形成工程と、得られた成形体からろう型のワックスを融解・除去する脱ワックス工程と、脱ワックス後の成形体を焼成処理し、鋳型を得る鋳型焼成工程と、を有することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法にある。
 第4の発明は、第3の発明において、前記第1成膜工程の際、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層に、スタッコ材として炭化珪素を付着してスタッコ層を形成し、その後乾燥することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法にある。
 本発明は、スタッコ材として炭化珪素を用いることにより、熱伝導率が高く、一方向凝固時の温度制御が容易な鋳型が得られる、という効果を奏する。
図1は、外側鋳型となる乾燥成形体の構成図である。 図2は、外側鋳型となる他の乾燥成形体の構成図である。 図3は、鋳造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 図4は、鋳型製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 図5は、コアの製造工程を模式的に示す説明図である。 図6は、金型の一部を模式的に示す斜視図である。 図7は、ろう型の製造工程を模式的に示す説明図である。 図8は、ろう型にスラリーを塗布する構成を模式的に示す説明図である。 図9は、外側鋳型の製造工程を模式的に示す説明図である。 図10は、鋳型製造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。 図11は、鋳造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。
 以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
 図1は、外側鋳型となる乾燥成形体の構成図である。図2は、外側鋳型となる他の乾燥成形体の構成図である。
 図1に示すように、精密鋳造用鋳型は、鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状のコアと、前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有し、前記外側鋳型は、内周面に形成され、粒径1.0μm以下の単一分散してなるアルミナ超微粒子の精密鋳造用鋳型スラリーを用いて乾燥してなるスラリー膜からなるプライム層(第1乾燥膜)101Aと、前記プライム層(第1乾燥膜)101Aの外側に形成され、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層102と、該スラリー層にスタッコ材として炭化珪素(SiC)を付着したスタッコ層103とにより形成し、乾燥してなる第1バックアップ層(第2乾燥膜)104-1を、複数回形成してなる複層バックアップ層105Aと、からなるものである。
 ここで、本発明でスラリーを形成するバインダである高純度超微粒のアルミナ微粒子(アルミナ超微粒子)は、分散手段である例えばボールミルを用いて、単一分散されているものを用いる。
 ここで、単一分散されているとは、例えば粒径が約0.5μmのアルミナ超微粒子を用いてスラリーを形成する場合、分散処理をした結果においても、0.5μmに単一分散されている状態をいう。
 ここで、アルミナ超微粒子の粒径としては、1.0μm以下、より好ましくは0.3~0.6μmの範囲とするのが良い。
 本発明では、アルミナ超微粒子の粒径が1.0μm以下が好ましいのは、1.0μmを超えると、曲げ試験強度の結果が好ましくないことによる。
 この単一分散されたアルミナ超微粒子のバインダに、フラワーとして、ジルコン粉(例えば350メッシュ)を添加して精密鋳造用鋳型スラリーを得る。
 なお、本発明では、フラワーを添加しない場合も許容されうる。
 ここで、単一分散させるための分散剤として、例えばポリカルボン酸塩(例えばアンモニウム塩)を用いて、分散させるようにしている。
 また、分散手段としては、例えば直径10~20mmボールを用いたボールミルを例示することができるが、単一分散する手段であれば、これに限定されるものではない。
 本発明では、バインダであるアルミナ超微粒子を単一分散させた良好なスラリーとすることが肝要となる。
 また、本発明では、スタッコ材として、炭化珪素(SiC)を用いている。
 炭化珪素は、平均粒径が0.8mm程度のものを用いている。なお、許容される平均粒径としては、0.46~1.2mm程度のものが好ましい。
 本発明では、スタッコ材として、熱伝導性が高い炭化珪素(SiC)の粒子を用いることにより、得られた鋳型の熱伝導率が高く、一方向凝固時の温度制御が容易となる。
 次に、精密鋳造用鋳型の製造方法を図1及び図2により説明する。
(第1成膜工程)
 先ず、この第1成膜工程では、この粒径1.0μm以下の単一分散してなるアルミナ超微粒子の精密鋳造用鋳型スラリー(以下「スラリー」という)を用いて、ろう型30を浸漬させ、引き上げ、余分なスラリーを落下させる。その後、乾燥させることで、ろう型30表面に、スラリー膜(第1乾燥膜)を得る。
 このスラリー膜が、図1において、ろう型30の表面と接するプライム層101Aとなる。
(第2成膜工程)
 次いで、このプライム層101Aを有するろう型30を、スラリーに浸漬させた後、引上げ、余分なスラリーを落下させ、スラリー層(2層目)102を形成する。この濡れているスラリー層(2層目)102にスタッコ材として炭化珪素粒(平均粒径0.8mm)を振掛けて(スタッコイングして)、スタッコ材を付着させたスタッコ層(1層目)103を形成する。このスラリー層(2層目)102とスタッコ層(1層目)103との積層体を乾燥して、プライム層(第1乾燥膜)101Aの上に第1バックアップ層(第2乾燥膜)104-1を形成する。
(成形体形成工程)
 この第1バックアップ層104-1の第2成膜工程と同様の操作を複数回(例えば6~10回)繰り返し、スラリー層(n+1層目)102とスタッコ層(n層目)103とが交互に積層された所定厚みの複層バックアップ層105Aを有する外側鋳型となる乾燥成形体106Aを得る。
 この乾燥成形体を例えば150℃のオートクレーブに入れて、ろう型30を構成するワックスを融解し、排出させる。
 その後、この型を1,000℃で熱処理し、精密鋳造用鋳型を得る。
 この得られた精密鋳造用鋳型は、スタッコ材として、熱伝導性が高い炭化珪素の粒子を用いることにより、熱伝導率が高く、一方向凝固時の温度制御が容易な鋳型が得られる。これに対し、従来では、スタッコ材として、シリカやアルミナ系粒子を使用していたので、熱伝導率が低く、一方向凝固時の温度制御が難しかった。
 ここで、炭化珪素の熱伝導と、従来のアルミナ、ジルコニア、シリカ、溶融シリカの熱伝導の比較を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
 
 表1に示すように、本発明では、熱伝導率が高い炭化珪素をスタッコ材として用いるので、熱伝導率が高く、一方向凝固時の温度制御が容易な鋳型が得られる。
 また、図2に示すように、プライム層101Bにおいて、プライムスラリー層101aに、スタッコ材として炭化珪素(SiC)を付着させてプライムスタッコ層101bを形成し、その後乾燥して、プライム層101Bとするようにしても良い。
 なお、このプライム層101Bのように、スタッコ材を付着させた場合には、複層バックアップ層105Bのスラリー層102の積層回数と、スタッコ層103の積層回数とは共に同数(n層)からなる複層バックアップ層105Bを有する外側鋳型となる乾燥成形体106Bを得ることとなる。
 本発明では、フラワーとしてジルコン粉を用いたが、ジルコン粉以外に、アルミナ粉を用いると共に、スタッコ材としてジルコンスタッコ粒の代わりにアルミナスタッコ粒を用いても、同様な精密鋳造用鋳型を得ることができる。
 なお、フラワーとスタッコ材との関係は、限定されるものではなく、フラワーとしてジルコン粉、アルミナ粉のいずれかを用いると共に、スタッコ材として、ジルコンスタッコ粒、アルミナスタッコ粒のいずれかを用いるようにすれば良い。
 このフラワーの粒径は、350メッシュとしているが、本発明ではこれに限定されず、例えば5~80μm程度の粒子、平均粒径としては、例えば50μm以下のものを使用することが好ましい。
 このスタッコ粒の粒径は、0.8mmとしているが、本発明ではこれに限定されず、例えば0.4mm~2mm位の粒子、平均粒径としては例えば0.5mm以上のものを使用することが好ましい。
 以下、本発明の精密鋳造用鋳型を用いた鋳造方法について説明する。
 図3は、鋳造方法の工程の一例を示すフローチャートである。以下、図3を用いて、鋳造方法について説明する。ここで、図3に示す処理は、全自動で実行しても良いし、オペレータが各工程を実行する装置を操作して実行しても良い。本実施形態の鋳造方法は、鋳型を作製する(ステップS1)。鋳型は、予め作製しておいても良いし、鋳造を実行する毎に作製しても良い。
 以下、図4から図10を用いて、ステップS1の工程で実行する本実施形態の鋳型製造方法について説明する。図4は、鋳型製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。ここで、図4に示す処理は、全自動で実行しても良いし、オペレータが各工程を実行する装置を操作して実行しても良い。
 鋳型製造方法は、コア(中子)を作製する(ステップS12)。コアは、鋳型で作製する鋳物の内部の空洞に対応する形状である。つまり、コアは、鋳物の内部の空洞に対応する部分に配置されることで、鋳造時に鋳物となる金属が流れ込むことを抑制する。以下、図5を用いて、コアの製造工程について説明する。図5は、コアの製造工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、図5に示すように金型12を準備する(ステップS101)。金型12は、コアに対応する領域が空洞となっている。コアの空洞となる部分が凸部12aとなる。なお、図5では、金型12の断面で示しているが、金型12は、空間に材料を注入する開口や空気を抜く穴以外は、基本的にコアに対応する領域の全周を覆う空洞となっている。鋳型鋳造方法は、矢印14に示すようにセラミックスラリー16を、金型12の空間に材料を注入する開口から金型12の内部に注入する。具体的には、セラミックスラリー16を金型12の内部に噴射する、いわゆる射出成形でコア18を作製する。鋳型製造方法は、金型12の内部にコア18を作製したら、金型12からコア18を取り外し、取り外したコア18を焼成炉20に設置し、焼成させる。これにより、セラミックで形成されたコア18を焼き固める(ステップS102)。鋳型鋳造方法は、以上のようにしてコア18を作製する。なお、コア18は、鋳物が固まった後に化学処理等の脱コア処理で取り除ける材料で形成される。
 鋳型製造方法は、コア18を作製したら、外部金型の作製を行う(ステップS14)。外部金型は、内周面が鋳物の外周面に対応した形状となる。金型は、金属で形成しても良いし、セラミックで形成しても良い。図6は、金型の一部を模式的に示す斜視図である。図6に示す金型22aは、内周面に形成された凹部が鋳物の外周面に対応している。なお、図6では、金型22aのみを示したが、金型22aに対応し、内周面に形成された凹部を塞ぐ向きに金型22aに対応する金型も作製する。鋳型製造方法は、2つの金型を合わせることで、内周面が鋳物の外周面に対応した型となる。
 鋳型製造方法は、外部金型を作製したら、ろう型(ワックス型)の作製を行う(ステップS16)。以下、図7を用いて説明する。図7は、ろう型の製造工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、金型22aの所定位置にコア18を設置する(ステップS110)。その後、金型22aに対応する金型22bを、金型22aの凹部が形成されている面に被せ、コア18の周囲を金型22a、22bで囲み、コア18と金型22a、22bとの間に空間24を形成する。鋳型製造方法は、矢印26に示すように、空間24と連結された配管から空間24の内部に向けてWAX28の注入を開始する(ステップS112)。WAX28は、所定の温度以上に加熱されると溶けるような、融点が比較的低温の物質、例えばろうである。鋳型製造方法は、空間24の全域にWAX28を充填させる(ステップS113)。その後、WAX28を固化させることで、コア18の周囲をWAX28が囲んだろう型30を形成する。ろう型30は、基本的にWAX28で形成される部分が製造する目的の鋳物と同じ形状となる。その後、鋳物製造方法は、ろう型30を金型22a、22bから分離し、湯口32を取り付ける(ステップS114)。湯口32は、鋳造時に溶けた金属である溶湯が投入される口である。鋳型製造方法は、以上のようにして、内部にコア18を含み、鋳物と同一の形状のWAX28で形成されたろう型30を作製する。
 鋳型製造方法は、ろう型30を作製したら、スラリー塗布(ディッピング)を行う(ステップS18)。図8は、ろう型にスラリーを塗布する構成を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、図8に示すように、スラリー40が貯留された貯留部41にろう型30を浸漬させ、取り出した後、乾燥を行う(ステップS19)。これにより、ろう型30の表面にプライム層101Aを形成することができる。
 ここで、ステップS18で塗布するスラリーは、ろう型30に直接塗布されるスラリーである。このスラリー40は、アルミナ超微粒子を用いる。このスラリー40には、フラワーとして350メッシュ程度の耐火性の微粒子、例えばジルコニアを用いることが好ましい。また、分散剤としてポリカルボン酸塩を用いることが好ましい。また、スラリー40には、消泡剤(シリコン系の物質)や、濡れ性改善剤を微量、例えば0.01%添加することが好ましい。濡れ性改善剤を添加することで、スラリー40のろう型30への付着性を向上させることができる。
 鋳型製造方法は、図8に示すように、スラリー40でスラリー塗布を行って、乾燥しプライム層(第1乾燥膜)101Aを有するろう型を、さらにスラリー塗布(ディッピング)を行う(ステップS20)。図9に示すように、この濡れているスラリーの表面にスタッコ材54として炭化珪素粒(平均粒径0.8mm)を振掛けるスタッコイングを行う(ステップS21)。その後スラリー層の表面にスタッコ材が付着されたものを乾燥し、プライム層(第1乾燥膜)101Aの上に第1バックアップ層(第2乾燥膜)104-1を形成した(ステップS22)。
 この第1バックアップ層(第2乾燥膜)104-1の形成工程と同様の操作を複数回(例えばn:6~10回)繰り返す判断を行う(ステップS23)。所定回数(n)の第nバックアップ層104-nを積層させ(ステップS23:Yes)、複層バックアップ層105Aが形成された厚みが例えば10mmの外側鋳型となる乾燥成形体106Aを得る。
 鋳型製造方法は、プライム層101Aと複層バックアップ層105Aの複数層が形成された乾燥成形体106Aを得たら、当該乾燥成形体106Aに対して熱処理を行う(ステップS24)。具体的には、外側鋳型とコアとの間にあるWAXを除去し、さらに外側鋳型とコアとを焼成させる。以下、図10を用いて説明する。図10は、鋳型製造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。鋳型製造方法は、ステップS130に示すように、プライム層101Aと複層バックアップ層105Aの複数層が形成された外側鋳型となる乾燥成形体106Aをオートクレーブ60の内部に入れ、加熱する。オートクレーブ60は、内部を加圧蒸気で満たすことで、乾燥成形体106A内のろう型30を加熱する。これにより、ろう型30を構成するWAXが溶け、溶融WAX62が乾燥成形体106Aで囲まれた空間64から排出される。
 鋳型製造方法は、溶けたWAX62を空間64から排出することで、ステップS131に示すように、外側鋳型となる乾燥成形体106Aと、コア18との間のWAXが充填されていた領域に空間64が形成された鋳型72が作製される。その後、鋳型製造方法は、ステップS132に示すように、外側鋳型となる乾燥成形体106Aとコア18との間に空間64が形成された鋳型72を、焼成炉70で加熱する。これにより、鋳型72は、外側鋳型となる乾燥成形体106Aに含まれる水成分や不要な成分が除去され、さらに、焼成されることで硬化され、外側鋳型61が形成される。鋳物製造方法は、以上のようにして鋳型72を作製する。
 図3と図11を用いて、鋳造方法の説明を続ける。図11は、鋳造方法の一部工程を模式的に示す説明図である。鋳造方法は、ステップS1で鋳型を作製したら、鋳型の予熱を行う(ステップS2)。例えば、鋳型を炉(真空炉、焼成炉)内に配置し、800℃以上900℃以下まで加熱する。予熱を行うことで、鋳物の製造時に鋳型に溶湯(溶けた金属)を注入した際に鋳型が損傷することを抑制することができる。
 鋳造方法は、鋳型を予熱したら、注湯を行う(ステップS3)。つまり、図11のステップS140に示すように、溶湯80、つまり溶解した鋳物の原料(例えば鋼)を鋳型72の開口から外側鋳型61とコア18との間に注入する。
 鋳造方法は、鋳型72に注いだ溶湯80を固化させたら、外側鋳型61を除去する(ステップS4)。つまり、図11のステップS141に示すように、鋳型72の内部で溶湯80が固まって鋳物90となったら、外側鋳型61を粉砕して破片61aとして、鋳物90から取り外す。
 鋳造方法は、外側鋳型61を鋳物90から除去したら、脱コア処理を行う(ステップS5)。つまり、図11のステップS142に示すように、オートクレーブ92の内部に鋳物90を入れ、脱コア処理を行うことで、鋳物90の内部のコア18を溶解し、溶解した溶解コア94を鋳物90の内部から排出する。具体的にはオートクレーブ92の内部で鋳物90をアルカリ溶液に投入し、加圧、減圧を繰り返すことで、鋳物90から溶解コア94を排出する。
 鋳造方法は、脱コア処理を行ったら、仕上げ処理を行う(ステップS6)。つまり、鋳物90の表面や内部に仕上げ処理を行う。また、鋳造方法では、仕上げ処理と共に鋳物の検品を行う。これにより、図11のステップS143に示すように、鋳物100を製造することができる。
 本実施形態の鋳造方法は、以上のように、WAX(ワックス)を用いたロストワックス鋳造法を用いて鋳型を作製し、鋳物を作製する。ここで、本実施形態の鋳型製造方法、鋳造方法及び鋳型は、鋳型の外側の部分である外側鋳型を、スラリーとしてアルミナ超微粒子を用いて内周面となるプライム層(初層である第1乾燥膜)101Aを形成し、このプライム層101Aの外部にスラリー層と炭化珪素粒を用いたスタッコ層からなる複数層のバックアップ層105Aを形成しての多層構造としている。
 なお、前述したように、プライム層として、スタッコ材として炭化珪素を添加したスラリー層101aとスタッコ層101bとからなるプライム層101Bとしてもよい。
 (実施例1)
 以下、実施例を用いて、本実施形態の鋳型製造方法及び鋳造方法について説明する。なお、以下の実施例では、外側鋳型が形成される前のろう型を幅30mm、厚さ8mm、長さ300mmの部材とし、このろう型にスラリー層からなるプライム層(第1乾燥膜)、スラリーとスタッコ材による複層のバックアップ層を形成して鋳型を作製した。
 高純度超微粒のアルミナ(Al23、比表面積10m2/g、粒径約0.5μm)のスラリーを、分散剤をポリカルボン酸アンモニウムとして、ボールミルを用いて24時間混練してスラリー化した。得られたスラリーの固形分濃度は50wt%である。
 このスラリーでは、分散処理の結果、アルミナ粒子は0.5μmに単一分散されていることが確認された。
 このスラリーに、フラワーとして350メッシュのジルコン粉を添加して、精密鋳造用鋳型スラリーとした。
 また、同時に、消泡剤としてシリコン系のものを0.01%、濡れ性改善剤を0.01%添加して、使用スラリーとした。
 幅30mm、厚さ8mm、長さ300mmのワックス体を準備し、得られたスラリーにワックス体を浸漬し、引き上げてワックス表面に使用スラリーを付着させた後、余分な使用スラリーを落下させ、乾燥することによりワックス体の表面にスラリーのプライム層(第1乾燥膜)を得た。
 次に、第2乾燥膜を得るため、プライム層を有するワックス体を使用スラリーに浸漬した後、引き上げ余分なスラリーを落下させた。
 濡れている使用スラリーに、平均粒系0.8mmの炭化珪素粒を付着させた後乾燥し、第2乾燥膜(第1バックアップ層)を形成した。
 この第2乾燥膜(第1バックアップ層)の形成と同等の操作を6回繰り返して複層のバックアップ層を有する、厚み約10mmの成形体を得た。
 この得られた乾燥成形体を150℃のオートクレーブに入れて、ワックスを融解し、排出した。
 次いで、この型を1000℃で熱処理し、実施例1の鋳型を得た。
 (実施例2)
 実施例1において、フラワーとして、ジルコン粉の代わりに、350メッシュのアルミナ粉を添加して、精密鋳造用鋳型スラリーとした。
 また、スタッコ材として、平均粒径0.8mmのアルミナスタッコ粒を用いた以外は、実施例1と同様に操作して、実施例2の鋳型を得た。
 スタッコ材として、熱伝導性が高い炭化珪素の粒子を用いることにより、熱伝導率が高く、一方向凝固時の温度制御が容易な鋳型が得られた。
 鋳型の熱伝導率向上により、凝固時温度勾配を高めることができ、鋳物の歩留まり向上並びに強度特性向上を図ることができる。
 12、22a、22b 金型
 12a 凸部
 14、26 矢印
 16 セラミックスラリー
 18 コア(中子)
 20、70 焼成炉
 24、64 空間
 28 WAX(ろう)
 30 ろう型
 32 湯口
 40 スラリー
 60、92 オートクレーブ
 61 外側鋳型
 61a 破片
 62 溶融WAX
 72 鋳型
 80 溶湯
 90、100 鋳物
 94 溶解コア
 101A、101B プライム層
 102 スラリー層
 103 スタッコ層
 104-1 第1バックアップ層
 104-n 第nバックアップ層
 105A、105B 複層バックアップ層

Claims (4)

  1.  鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型であって、
     前記鋳物の内部の空洞部分に対応する形状のコアと、
     前記鋳物の外周面の形状に対応する外側鋳型と、を有し、
     前記外側鋳型は、内周面に形成され、精密鋳造用鋳型スラリーを用いて乾燥してなるスラリー膜からなるプライム層と、
     前記プライム層の外側に形成され、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層と、該スラリー層にスタッコ材として炭化珪素を付着したスタッコ層とにより形成し、乾燥してなるバックアップ層を、複数回形成してなる複層バックアップ層と、からなることを特徴とする精密鋳造用鋳型。
  2.  請求項1において、
     前記プライム層が、精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層に、スタッコ材を付着したスタッコ層を有することを特徴とする精密鋳造用鋳型。
  3.  鋳物の製造に用いる精密鋳造用鋳型の製造方法であって、
     精密鋳造用ろう型を、精密鋳造用鋳型スラリーに浸漬し、引き上げた後乾燥して、ろう型の表面にスラリー膜からなるプライム層を形成する第1成膜工程と、
     前記プライム層を形成したろう型を、前記精密鋳造用鋳型スラリーに浸漬し、引き上げた後、スラリー表面にスタッコ材として炭化珪素を振掛け、その後乾燥してバックアップ層を形成する第2成膜工程と、
     前記第2成膜工程のバックアップ層を形成する工程を複数回繰り返し、複層バックアップ層を形成した成形体を得る成形体形成工程と、
     得られた成形体からろう型のワックスを融解・除去する脱ワックス工程と、
     脱ワックス後の成形体を焼成処理し、鋳型を得る鋳型焼成工程と、を有することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
  4.  請求項3において、
     前記第1成膜工程の際、前記精密鋳造用鋳型スラリーからなるスラリー層に、スタッコ材として炭化珪素を付着してスタッコ層を形成し、その後乾燥することを特徴とする精密鋳造用鋳型の製造方法。
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