JPH021586B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、純チタン又はチタン合金鋳造用の鋳
型に関する。 従来、各種金属用の金属鋳造用鋳型材として、
シリカを主成分とし、硬化剤としてリン酸塩並び
に塩基性金属酸化物を用いたものがある。このシ
リカとしては硅石や硅砂、又はリン酸としてはリ
ン酸アンモニウム、塩基性金属酸化物としては電
融マグネシア又はマグネシアクリンカーなどが用
いられたものである。 この従来の鋳型材にあつては、これらを混合成
形した状態で、常温から800℃又は900℃程度まで
温度を上昇させて焼却し、その温度の状態で対象
とする溶融金属を鋳込む方法がとられている。 従来の金属、例えばコバルトクロム合金、ニル
ケルクロム合金等の合金による鋳造の場合は、該
金属の融点が1300℃〜1400℃などで代表される如
く、殆んどの金属、とりわけ歯科用金属では約
1400℃程度までであつた為に、前記主成分とする
シリカの融点が1550℃〜1600℃である為に充分使
用に耐え得る状態の鋳型材として存在した。しか
し、純チタン及びチタン合金用鋳造材としては、
これらのチタン並びにチタン合金の融点が1600℃
〜1700℃である為、前記シリカを主成分とする鋳
型材を用いた場合にはその融点を充分に超える
為、溶融状態の物性的に不安定なチタンはシリカ
の組成中に含む酸素と結合し、チタン酸化物とな
つて、純チタン並びにチタン合金のもつその物性
を利用できず、酸化によるこれら金属の劣化、並
びに鋳肌に焼き付け等が発生して使用に耐え得な
かつた。 本発明は、このような従来の鋳型材と純チタン
並びにチタン合金の融点の関係において、これら
純チタンやチタン合金に対する鋳造可能な鋳型を
提供せんとするものであり、更にはこの鋳型がこ
れら純チタン並びにチタン合金を1600℃〜1700℃
の高温で溶解しても、その溶解途上鋳型材中の成
分とこれら金属が反応して金属を酸化させたり変
質をおこさないような鋳型を提供せんとするもの
であり、更にはこの鋳型の操作並びに鋳込み時の
取扱いを容易にする為に、従来の鋳型材にあつて
は、数100℃の高温で保持しながらその中に形成
した鋳込み空間に溶融金属を鋳込んでいたのを、
常温で該鋳型を利用可能とすることを開発せんと
するものである。 本発明は、このような目的を前提に、純チタン
並びにチタン合金の融点において、充分使用が可
能でしかも常温にて鋳造可能な鋳型を提供せんと
して本発明を完成したものであり、 その要旨とするところは、１つは従来の鋳型材
における主成分のシリカに対し、アルミナを添加
することで、鋳型材としての融点を上昇させる手
段を与えると同時に鋳型材の使用にあたつては、
これらの練和したものを1000℃以上の温度で焼成
し、もつて完成された鋳型が高温における溶融金
属に対する安定性を付与せしめたものである。 以下、本発明の内容を更に詳細に説明する。 本発明は、シリカとアルミナを主成分とする主
材と、リン酸塩と塩基性金属酸化物で構成される
硬化剤とで構成され、且つ、シリカとアルミナの
和を100部としたときに一方は少なくとも10部以
上配合してなる鋳型材を、水又はコロイダルシリ
カで練和し、鋳型空間を構成するワツクスパター
ンを埋没して自然硬化させ、脱ロー後1000℃以上
の温度で焼成してなることを特徴とする鋳型であ
つて、ここにシリカは従来も溶融金属の鋳込み時
の鋳型材として使用されているシリカが利用され
る。このシリカとしては、硅石、硅砂、粒状硅砂
又はクリストバライトなどから選んだ一種又は二
種以上のものが利用され、夫々の純度は90％以上
のものを用いるのが望まれ、好ましくは純度95％
以上のものを使用することが求められる。このシ
リカの純度90％以上ということはシリカの不純物
として、酸化第二鉄、酸化アルミニウム、酸化カ
ルシウム等が含まれ、この不純物中の酸化アルミ
ニウム、即ちアルミナは不純物として含まれてい
ても鋳型材中で溶融金属に対する影響がないが、
不純物中の酸化第二鉄や酸化カルシウムは、チタ
ンとの反応が著しい為、最低純度90％以上である
ことが規定される。又、アルミナは高純度アルミ
ナや高アルミナ質鉱物が選択され、純度80％以上
のもの、好ましくは90％以上のものを使用するこ
とが望まれる。このアルミナの場合も不純物とし
て酸化硅素、酸化カルシウム、酸化第二鉄、酸化
マンガン、酸化ナトリウム、酸化カリウムなどが
含まれ、この成分中酸化硅素であるシリカ以外は
チタンとの反応が著しく、これら不純物の存在が
多いと、前記シリカの場合と同様に鋳型材とチタ
ンとの反応がなされ問題となる。 一般にはアルミナとしてダイアスポア、ベーマ
イトなど純度85％以上の鉱物を用いるが、好まし
くは高純度90％以上のアルミナを用いると溶融金
属鋳込み時における金属と鋳型材との反応を最低
限に落し得ることができる。 リン酸塩並びに塩基性金属酸化物は、前記主材
に対する硬化剤として用いられるものである。該
硬化剤としてのリン酸塩は、リン酸アンモニウム
を常用される。しかし該リン酸アンモニウム以外
にリン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、リン
酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸カリ
ウム等のものも適宜自由な選択対象とされる。し
かし、リン酸塩としてのリン酸アンモニウムは、
その硬化時に膨張する所要凝固膨張の性質を保有
し、チタン又はチタン合金が鋳込み時に硬化収縮
することから、鋳型材の膨張と溶融金属の硬化時
の収縮の度合いが近似することがその製造条件と
して要求される。両条件を勘案すると、凝固膨張
の特性を有するリン酸アンモニウムを本純チタン
又はチタン合金鋳造用鋳型材として用いることは
好ましいものである。ただ、前記した他の各種リ
ン酸塩においては、このような凝固膨張の特性を
保有しないものがあるが、これらを採用するとき
には当然鋳込み空間の設計においてやや大きい状
態で設定し、且つ鋳型を作らなければならない。 次に、硬化剤としての塩基性金属酸化物として
は、酸化マグネシウム、電融マグネシア、マグネ
シアクリンカーなどから選ばれたものが利用され
る。マグネシアは融点が2800℃程度と高いので、
純チタン並びにチタン合金の鋳造用鋳型材として
用いるには、その物性からして耐火度は充分であ
る。 尚、これらの主材並びに硬化剤を鋳型として用
い製造するときには、ここに練和液を用いるが、
この練和液としては通常鋳型強度並びに凝固膨張
をあげる為にコロイダルシリカを用いる。コロイ
ダルシリカとしてはシリカ含有量が20％〜40％の
ものを使用する。現在市販のコロイダルシリカと
しては20％〜40％のものが市販されていることか
ら、これらを選ぶのがそのコスト上使用し易いも
のの、40％以上のコロイダルシリカを用いること
は何等制限事項ではない。 このような本発明に係る純チタン又はチタン合
金鋳造用鋳型は、シリカとアルミナを主成分とす
る主材と、リン酸塩と塩基性金属酸化物で構成さ
れる硬化剤とで構成される鋳型材と、これらの練
和液として水又はコロイダルシリカが用いられる
ものである。これらの配合比は主材としてのシリ
カ、アルミナの和は90〜50重量％とし、硬化剤と
してのリン酸塩は５〜15重量％、塩基性金属酸化
物は５〜30重量％とした巾の中で用いられること
が望まれる。主材としてのシリカ、アルミナの和
が90〜50重量％であることの意味は90重量％以上
においてはリン酸塩と塩基性金属酸化物は凝固膨
張の制約上最低５重量％づつは必要であることか
らシリカ、アルミナの和が90重量％以下としなけ
ればならないことから除去され、又50重量％以下
の範囲についてはリン酸と塩基性金属酸化物の和
が45重量％以上は、凝固膨張が出すぎ、又鋳肌荒
れが著しくなるので、硬化剤が45重量％以下とな
ると主材としてのシリカ、アルミナは55重量％以
下は考えられず不純物等を入れると50重量％以下
は除かれる。更に硬化剤としてのリン酸塩は、５
〜15重量％を使用するが、５重量％以下の範囲に
ついては凝固膨張が不足し、寸法精度に問題が出
ることから、又、15重量％以上の範囲については
凝固膨張が大きくなり、異常膨張の原因となると
ともに鋳肌荒れが著しくなることから用いられ
ず、更に塩基性金属酸化物は５〜30重量％用いる
が、この５重量％以下の範囲についてはリン酸塩
との化学反応が不足し鋳型強度の不足、硬化時間
が長くなるので作業性が悪くなり又、スピネルの
生成量にも影響することから、更に30重量％以上
の範囲については、硬化時間が短かくなり、リン
酸塩との化学反応が制御できなくなることから除
外される。 而して、これらのシリカ、アルミナ並びに硬化
剤としてのリン酸塩、塩基性金属酸化物の組合せ
のものが純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材と
して用いられる。 次に、主材としてのシリカ、アルミナは、両成
分の和を100部としたときに、この混合比中の一
方は少なくとも10部以上配合してなることが規定
される。10部以下のとき、 例えばシリカが10部以下のときにおいては、ワ
ツクスパターンを鋳型材中に埋没させ100〜150℃
程度の加熱をして脱ローさせたときに、鋳型の鋳
込空間表面に面荒れをおこし鋳造品に表面荒れを
与える原因となることから、又、アルミナが10部
以下のときにおいてはシリカと反応してムライト
やスピネルの組織を作る為の原材料量として少な
すぎ、作成された鋳型の耐熱性について問題であ
ることから、夫々が本鋳型材としての使用目的か
ら除去される。鋳型製造時の実際からするなら
ば、シリカとアルミナの和を100部とし、一方は
少なくとも20部以上配合してなることが望まれ
る。 本発明においては、鋳型材の主材として、シリ
カとアルミナを用い、且つシリカとアルミナの和
を100部として一方は少なくとも10部以上配合し
てなり、両成分は熱処理をすることによりチタン
の融点1600℃〜1700℃よりも高い融点であるムラ
イト（融点：約1850℃）、スピネル（融点：約
2135℃）、コーデイライト（融点：約2000℃）の
組織を作ることから、これらの組織の一種以上の
ものが主材中、即ち鋳型材中に形成され、アルミ
ナが持つチタン又はチタン合金よりも高い融点、
即ち2050℃と相まつて鋳型材が純チタン又はチタ
ン合金の鋳造用に用いてもこれら金属が型材中の
酸素分子と結合して酸化したり又変色、鋳肌荒れ
などをおこすことはないのである。この鋳型材を
用いて鋳型を作成するときは、前記の如き組成を
作る為に硬化後熱処理をしなければならない。こ
の熱処理をして前記の如き組織が形成された状態
では、純チタン又はチタン合金が鋳型材中の酸素
分子と結合して酸化したり、変色、鋳肌荒れをお
こしたりすることがない。したがつて、純チタン
並びにチタン合金を溶融状態で鋳込む際の鋳型材
料として本発明のシリカ並びにアルミナを主成分
とする主材と、リン酸塩、塩基性金属酸化物の硬
化剤とで構成し、これを熱処理、即ち1000℃以上
の温度で焼成するならば、チタンの物性を変える
ことなく鋳込みすることができるのである。又純
チタン並びにチタン合金は硬化時に体積収縮する
が、本発明の鋳型は加熱時の熱膨張と凝固時に膨
張して、その結果としての全体膨張率は純チタン
並びにチタン合金の冷却時の収縮率とほぼ同等と
なるから、最終製品を形どつたワツクスパターン
を該鋳型中に埋没しておけば、一方の膨張率と他
方の収縮率の相殺関係で適正な鋳込み空間を得る
ことができる。 次に、本発明に係る純チタン並びにチタン合金
鋳造用鋳型の製造について、実施例をあげながら
説明する。 先ず、本発明に係る鋳型を作成する一般的製法
を述べる。 主材としてのシリカ並びにアルミナを計量し、
シリカは10〜82重量％の巾で、アルミナは10〜82
重量％の巾で計量するとともに、リン酸塩は５〜
15重量％、塩基性金属酸化物としては酸化マグネ
シウムを５〜30重量％計量し、これらをコロイダ
ルシリカ（シリカ含有量：20〜40重量％）のもの
と、又は水と練和し、鋳型空間を構成するワツク
スパターンを容器中埋設した状態で前記練和物を
充填し、自然硬化させる。 この操作は従来の鋳型、例えば歯科関係の鋳型
形成と同様である。 本発明においては、この硬化させた鋳型を加熱
脱ロー後、更に加熱焼成する為適宜な加熱方法、
例えば電気炉に入れて1000℃以上、好ましくは
1200℃程度まで焼成する。焼成された鋳型は常温
まで冷却して鋳造に供する。通常この鋳型は400
℃以下であれば鋳造可能なものとして用いられ
る。従来の鋳型は、殆んど加熱状態で鋳型に供さ
れるが、本発明においてはこれを冷却して常温状
態で鋳造し得るもので、鋳型の強度が鋳込むべき
溶融金属の融点よりも高く且つ物性的に安定して
いなければならない。 従来の鋳型製造時に800℃〜900℃にて焼成して
利用していたが、従来の鋳型においては、先ず
100℃〜200℃でワツクス型に対する脱ローを行
い、400℃程度〜700℃程度の巾でアンモニアガス
の除去、即ち揮撥を行い、700℃〜900℃程度で五
酸化リンのガスを除去する工程をえていた。 しかし、本発明においては、このような温度以
上、即ち1000℃以上の温度で焼成することによ
り、シリカ、アルミナ、アルミナマグネシア等こ
れらが結合して、ムライト、スピネル、コーデイ
ライトの一種以上の耐火物組織を鋳型中に作成す
ることにより、この鋳型が前記融点の純チタンや
チタン合金に対する鋳型条件を備えせしめること
になる。当然、本鋳型においては、これらの耐火
物組織が形成されると同時にこれに利用するアル
ミナそのものの融点が純チタンやチタン合金の融
点よりもはるかに高く、又シリカも鋳込時間との
関係では充分に耐え得るところであり、且つ前記
焼成時に鋳型表面や鋳込空間表面にムライト等の
耐熱組織が形成されシリカは鋳型内部に位置する
ことから耐熱上問題なくなり、シリカとアルミナ
を主成分とする鋳型は、純チタン並びにチタン合
金の鋳型として充分使用に耐えるものである。 次に本発明に係る鋳型を作成し、純チタンとチ
タン合金を鋳造したところ以下の実験例のとおり
の結果を得た。 実験例 １ 鋳型材中の主材が重量比で80％、硬化剤が重量
比で20％のものを、水にて真空練和し、ワツクス
パターンを埋没し通法通り鋳型を作り、硬化させ
た後電気炉にてこれを1200℃で焼成し、さらに常
温に降下させた鋳型に溶融した純チタンを鋳込ん
だところ表１のとおりの結果であつた。但し、シ
リカとアルミナの量は、両者の和を100として、
双方の配合比を示した、又硬化剤20重量％中の配
合各成分はリン酸アンモニウムが重量比で12％、
マグネシアが重量比で８％である。 なお、判定中で○、△印は使用可能であり、×
印は使用困難なものを示す。実験例２以下におい
ても同様である。

【表】 実験例 ２ 鋳型材中の主材が重量比で55％、硬化剤が重量
比で45％のものを、水にて真空練和し、ワツクス
パターンを埋没し、通法どおり鋳型を作り、硬化
させた後電気炉にてこれを1200℃で焼成し、さら
に常温に降下させた鋳型に溶融した純チタンを鋳
込んだところ表２のとおりの結果であつた。 但し、シリカとアルミナの量は両者の和を100
％として双方の配合比を示した。又硬化剤45％中
の配合、各成分はリン酸アンモニウムが重量比で
15％、マグネシアが重量比で30％である。

【表】 実験例 ３ 鋳型材中の主材が重量比で40％、硬化剤が重量
比で60％のものを、水にて真空練和し、ワツクス
パターンを埋没し、通法どおり鋳型を作り、硬化
させた後、電気炉にてこれを1200℃で焼成し、さ
らに常温に降下させた鋳型に溶融した純チタンを
鋳込んだところ表３のとおりの結果であつた。 但し、シリカとアルミナの量は両者の和を100
％として双方の配合比を示した、又硬比剤60％中
の配合、各成分はリン酸アンモニウムが重量比で
20％、マグネシアが重量比で30％である。

【表】 実験例 ４ 鋳型材中の主材が重量比で90％、硬比剤が重量
比で10％のものを、水にて真空練和し、ワツクス
パターンを埋没し、通法どおり鋳型を作り、硬化
させた後、電気炉にてこれを1200℃で焼成し、さ
らに常温に降下させた鋳型に、溶融した純チタン
を鋳込んだところ表４のとおりの結果であつた。 但し、シリカとアルミナの量は両者の和を100
％として双方の配合比を示した、又硬化剤10％中
の配合各成分はリン酸アンモニウムが重量比で５
％、マグネシアが重量比で５％である。

【表】 実験例 ５ シリカとアルミナの和が90重量％以上となり、
硬化剤としてリン酸アンモニウム５重量％以下、
マグネシアが５重量％以下となる時は、機械的強
度（引張強度、伸び、硬度）は良好であるが、 歯科用においては、リン酸アンモニウム５重量
％以下となると凝固膨張が不足し、鋳造体の寸
法、金属（チタン）の収縮分を補うことができな
い。又マグネシア５重量％以下では硬化後の鋳型
生強度がないため、脱ロー時の面荒れが起こる。
以上の２点より歯科用としては不向きとなる。 しかし、一般工業界の部品等においては、凝固
膨張を出す必要性はなく、ワツクスパターンをあ
らかじめ鋳造用金属としてのチタンの収縮分２〜
３％を見込んで作ることが可能なところであり、
又脱ロー作業も注意深く時間をかけて行えば肌荒
れを防止できることから硬化剤の和が10重量％以
下の場合も使用可能となる。

【表】 実験例 ６ 鋳型材中の主材が重量比で80％、硬化剤が重量
比で20％のものを、コロイダルシリカ又は水にて
真空練和し、ワツクスパターンを埋没し、通法ど
おり、鋳型を作り硬化させた後、電気炉にてこれ
を1200℃で焼成し、さらに常温に降下させた鋳型
に溶融したチタン合金（Ti−6Al−4V）を鋳込
んだところ、表６のとおりの結果であつた。但
し、シリカとアルミナの量は、両者の和を100と
して双方の配合比を示した、又硬化剤20重量％中
の配合各成分はリン酸アンモニウムが重量比で12
％、マグネシアが重量比で８％である。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリカとアルミナを主成分とする主材と、リ
   ン酸塩と塩基性金属酸化物で構成される硬化剤
   と、よりなり、且つ前記シリカとアルミナの和を
   100部とし一方は少なくとも10部以上配合してな
   る鋳型材を、水又はコロイダルシリカと練和し、
   鋳型空間を構成するワツクスパターンを埋没して
   自然硬化させ、脱ロー後1000℃以上の温度で焼成
   してなることを特徴とする純チタン又はチタン合
   金鋳造用鋳型。 ２ シリカとアルミナの和を100部とし、一方は
   少なくとも20部以上配合してなる特許請求の範囲
   第１項記載の純チタン又はチタン合金鋳造用鋳
   型。 ３ 主材としてのシリカ、アルミナの和を90〜50
   重量％とし、硬化剤としてのリン酸塩を５〜15重
   量％、塩基性金属酸化物を５〜30重量％としてな
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の純チタ
   ン又はチタン合金鋳造用鋳型。