JPH0318448A - セラミック鋳型材料 - 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】 〔発明の背景〕 産業上の技術分野 本発明は、セラミック鋳型の改良に関し、詳細には、鋳
型を作るために使用する材料、および、鋳型の製法に関
する。

従来の技術 金属のインベストメント鋳造用鋳型の製造においては、
鋳型シェルは、ロウ型の回りに、それをセラミック材料
のスラリーに浸漬し、粗耐火グリットを湿潤スラリー上
にスタッコまたは降り注ぐことによって作り上げている
。湿潤スラリーコートは、乾燥または硬化してもよく、
また、未処理鋳型を焼戒する前に前記方法を数回繰り返
して鋳型強度および一体性に十分な厚さの被覆物を作り
上げている。

融解シリカ、融解アルミナ、管状アルミナ、融解アルミ
ナシリケート、焼結アルミナシリケートなどの数種の耐
火材料は、スタッコ材料として使用されている。それら
は、バルク融解または焼結によって製造し、次いで、破
砕し、篩分けて所要のサイズのグリットを分離している
。精製された等級化された天然砂、例えば、ケイ酸ジル
コニウムおよび石英砂も、時々使用されている。特色と
してこれらの材料は、鋭いエッジおよびコーナーをもち
、モしてむらのある充填度がスタツコ層で生ずる傾向を
有する、かどがある粒子からなる。

好適な粒径分布のフラワーを与えるためにより微細に予
備粉砕されたこれらのスタッコグリットは、通常、スラ
リー充填剤のために使用されている。

多層鋳型においては、第一またはプライムコートスラリ
ーは、鋳造金属と接触している鋳型の内面を形成するの
で、通常、その後のコートよりも高い粘度を有し且つス
タツコ耐火グリットは、できるだけ平滑な鋳肌を製造す
るためにより微細な粒径を有する。その後のコートは、
より粗なグリットサイズおよびより低い粘度のスラリー
を使用して調製している。

鋳型は、鋳造すべき合金の種類、鋳造品の幾何学的形状
および冶金構造物の性状に応じて、寸法的に安定であり
、不活性であり且つ良好な熱衝撃特性を有することが必
要である。溶融合金を予熱鋳型に鋳込み、比較的迅速に
凝固させる等軸鋳造においては、鋳型表面温度は、短時
間で最高約１３００℃に達することがある。方向性凝固
単結晶合金鋳造においては、鋳型は、鋳造が比較的長い
時間にわたって漸次凝固できるように合金の融点以上に
加熱する。かくて、鋳型は、寸法的に安定でなければな
らず且つ約１６５０℃までの温度に耐えることができな
ければならない。適当な耐火性なしでは、鋳型または鋳
型システムは、鋳込み時および凝固段階でひずみを生じ
て鋳造品寸法の不良な制御をもたらすことがある。

良好な鋳肌仕上げも必要とされ・、このためにプライム
コートの平滑な表面が必須とされる。初期スラリー粘度
が不適当であるかロウ型が過度にドレンされるならば、
プライムコートスタツコ中のグリットまたは砂は、湿潤
スラリーコートに余りに深く浸透して空気ポケットを金
属／鋳型界面またはその付近に形成させて鋳造金属の鋳
型表面への浸透をもたらし、粗な鋳肌を生ずることがあ
る。

鋳造品への粗な仕上げが望ましい時にさえ、この製法は
、コンシステンシーを達成するのに制御可能でなければ
ならない。

鋳型厚さコンシステンシーも、強度および予測可能な熱
挙動に重要である。鋳型シェル強度は、一方で鋳型の破
損を回避するのに十分な程高くなければならず、他方で
凝固鋳造品の応力適用、引裂または亀裂を回避し且つ容
易なシェル取り外しを容易にするのに十分な程低くなけ
ればならず且つシェルは十分に破砕性でなれればならな
い。

等軸鋳造においては、鋳型は、溶湯を鋳込む時に正確な
温度にあり且つ正確な温度を維持するために良好な熱的
特性も示さなければならない。特に薄い部分を有する鋳
造品の場合に余りに低い温度は、金属の早期急冷および
鋳型温度の局部変動を生じて可変凝固速度を生ずること
があり、この可変凝固速度は完成鋳造品で望ましくない
冶金構造を生ずることがある。このことを回避するため
には、例えば、薄形材等軸タービン羽根を鋳造する時に
は、別個のオーブンが鋳型を加熱して遅延を生ずるため
に使用されるならば、金属を鋳込む前に、鋳型は、通常
、追加の外部絶縁材に包んで正確な鋳型温度を維持し且
つ冷却を回避する。

鋳造品中の中空キャビティーは、鋳型キャビティー内に
配置された予備成形セラミック中子を使用して製造して
いる。例えば、ロストワックスパターン法を使用して、
これらの中子は、別個に形或し、焼威し、外部鋳型シェ
ルを作り上げる前に膨張性パターン内に組み込んでいる
。これらの中子は、硬化「未処理」中子を取り外すため
に分割できる中子ダイの内面上である以外は、外部シェ
ル型と同様の方法で製造できる。主として使用されてい
る他の中子形成法は、鋳造および射出成形を包含する。

しかしながら、前記シェルビルディング法と共通に、こ
れらの方法も、流動性粘結剤の硬化性液体と好適な粒径
の耐火グリットまたは粉末とを併用する。

このような内部中子も、高温安定性、不活性および破砕
性を必要とする。単純な中子成形物は、機械的手段によ
って取り出すことができるが、複雑な成形物は、鋳造品
から浸出することが必要であることがある。後者の要件
は、使用できる材料の選択を主としてシリカまたはアル
ミナをベースとするセラミック組成物などに制限する。

〔発明の具体的説明〕

本発明は、前記問題および困難を解消するであろうセラ
ミック鋳型を提供することを目的とする。

特に、本発明は、鋳型（そのシェルは非常に一様な厚さ
を有し且つ終始一貫して再現性のある厚さを有する）を
製造し；良好な断熱性、高度の寸法安定性を有し、鋳造
後に容易に取り外され且つ必要な場合には良好な「破砕
性」を有するが、溶融合金によって浸透される表面ボイ
ドを含まないかほぼ含まず、かくて良好な表面仕上げを
製造することができる鋳型を製造しようとする。

最も一般的な形態においては、本発明は、バブル形態の
耐火材料を含むセラミックシェル鋳型または中子材料を
提供する。

本発明の１つの態様によれば、金属を鋳造する際に使用
するためのセラミック鋳型または中子材料は、硬化セラ
ミックスラリーによって互いに結合された耐火材料の中
空粒またはバブルを含有する。

耐火材料の中空粒またはバブルは、独立気泡構造を有し
且つアルミナ、好ましくはまたはムライトからなる。セ
ラミックスラリーは、液体粘結剤および粉末状耐火材料
からなる。

本発明の好ましい形態においては、溶湯を鋳造するため
のセラミックシェル型は、硬化セラミックスラリーによ
って結合されたバブル物質の複数の層を有する。前記層
の第一のものを製造するために使用する湿潤セラミック
スラリーの粘度は、その後の層で使用するスラリ一の粘
度よりも比較的高い。

前記の種類のセラミックシェル型の製法は、鋳造すべき
物品のロウ型をセラミックスラリーで被覆し、依然とし
て湿潤である時に前記被覆物に中空球またはバブル耐火
材料の層を適用し、その後セラミックスラリーを硬化し
て耐火材料のバブルまたは球を互いに結合することを包
含する。前記バブルまたは中空球材料の複数の層を有す
るシェル型を製造するためには、前記プロセス工程は、
適当な回数繰り返す。好ましくは、第一層に使用するセ
ラミックスラリーの粘度は、その後の層に使用するもの
よりも比較的高い。

例示としての数例を参照し且つ添付図面を参照して、本
発明を詳述する。

例Ｉセラミックシェル型 内部キャビティーまたは中子なしの中実鋳造品、例えば
、タービン羽根用のセラミックシェル型は、ロウ型組立
体をセラミックスラリーに繰り返して浸漬し、バブルア
ルミナの中空粒のスタッコ被覆物を適用することによっ
て物品のロウ型組立体上に作り上げた。第３図は、この
ような鋳型の一部分の断面を示し且つ鋳型の構成層の組
成を示す。

以下に詳述する一次セラミックスラリー組成物は、多重
二次コートに使用するスラリーよりも粘稠であり且つ一
次被覆物スタッコの粒径は二次被覆物よりも微細であり
、それによってより平滑な仕上げを鋳型の内面に与えた
。

ロウタービン羽根型組立体を、一次コートスラリーを含
有するバットに浸漬し、パターン上に一様な被覆物を残
すのに十分な程ドレンさせた。次いで、バブルアルミナ
粒または中空粒子の一次コートスタッフ材料を未だ濡れ
た状態のスラリーコート上に散布して、全表面が覆われ
るようにした。

次いで、それを空気中に１〜２時間放置して乾燥した。

乾燥後、更に７個の二次コートは、一次被覆型を二次被
覆セラミックスラリーに浸漬し、ドレンさせ、次いで、
バブルアルミナのより大きい粒径の粒の二次コートスタ
ツコを用いることによって作戊した。各段階において、
被覆スラリーは、１７２時間風乾した後、アンモニアの
雰囲気中で１０分間乾燥し、次いで、次の浸漬前に空気
中で１／２時間乾燥することからなる３段法によって硬
化させた。最後に、所要数の層を作戊した後、シェルを
、二次スラリーミックスに浸漬し、スタッコ材料を更に
適用せずに、その後シェルを空気中で約１２時間乾燥さ
せることによってシーリングした。

セラミックシェル型を十分に乾燥した時に、ロウをスチ
ームオートクレープ中で除去した。次いで、脱ロウされ
た「未処理」セラミック鋳型をガスオーブン中で８５０
℃の温度において１時間焼戊した。鋳造の準備ができた
完成シェルは、同様のスラリー組成物および管状アルミ
ナグリットを使用して製造されたより通常の鋳型の重量
の２７３のみであった。断熱試験も、バブルアルミナを
使用して製造された鋳型が比較的はるかに断熱性であり
、かなり軽いことを示した。また、このようにして製造
されたシェルは、亀裂に対して良好な抵抗性を有するこ
とが見出され、シェルにメチレンブルー染料で着色され
たイソプロバノールを充填することによって実施された
試験は亀裂を示さず且つ鋳造部品の寸法の測定によって
判定して寸法的に安定である一方、同時に鋳型は、鋳造
後に取り外すことが容易であることが証明された。

前記で詳述した方法に従って作られたシェル型のバッチ
を方向性凝固法で試験した。鋳型を真空炉内で１４７０
℃の温度に加熱した。次いで、合金装入物を溶融し、溶
湯を鋳型に鋳込み、既知の方向性凝固技術に従って９０
分にわたって漸次凝固した。鋳型は、取り外すことが容
易であることが証明され、且つ、鋳造部品は良好な寸法
制御を示した。また、部品の表面仕上げは平滑であり、
金属浸透欠陥または鋳造粗面はなかった。

しかしながら、このようにして作られた鋳型が有する高
められた断熱性は、方向性凝固および単結晶鋳造には必
ずしも理想的ではなく、より長い熱時間定数が、排出／
冷却段階で、結晶凝固フロントの進行を制御することを
一層困難にさせる。

一方、これらの性質は、鋳型のいくつかの部品中の熱を
保持して、例えば、物品の端およびより薄形材の早期凝
固を防止することが望ましい等軸鋳造においてははっき
りと有益であることが見出される。

一次コートスラリー 一次コートスラリーの成分は、次の通りであった。

粘結剤：シリカ３０％ｗ　／　ｗを含有する水性コロイ
ドシリカ溶媒 充填剤：公称装入８４．８ｋｇ／粘結剤Ｄの２００メッ
シュのケイ酸ジルコニウムフラワー湿潤剤１０ｍｌ／粘
結剤ｇ１および、消泡剤５ｍｌ／粘結剤ｐ ＢＳ３９００８５粘度カップを使用して、スラリーの粘
度を３０秒に調整して最初の７０ｍｌを空にした。

一次コートスタッコ 直径０．２５＋＋ｕ＊〜０．５０關の粒径範囲を有する
バブルアルミナ 二次コートスラリー 二次コートスラリーの成分は、次の通りであった。

粘結剤：シリカ２５％Ｗ　／　Ｗを含有するイソブロバ
ノール溶媒中の加水分解ケイ酸エチル充填剤：公称装入
ｆｆｉ３．　６ｋｇ／粘結剤ｇの２００メッシュのケイ
酸ジルコニウムフラワーＢＳ３９００８４粘度カップを
使用して、スラリーの粘度を４０秒に調整して完全に空
にした。

二次コートスタッコ 直径０．５Ｃ）＋ｍ〜１．００ｍｍの粒径範囲を有する
バブルアルミナ 例■寸法試験用試験片 バブルアルミナシェルの試験片を例Ｉで前記の方法によ
って作成した。前記と同じスラリーミックスを使用して
、１　１　０ｍｍＸ　２　３ｍｍＸ　２ｍ＋＊の金属の
長方形のロウ被覆ストリップを被覆した。シェル製作が
完了し、試験片を乾燥した後に、各試験片のエッジを研
削して２個の平らなセラミック試験片またはストリップ
を離型した。背合せ試験のためにバブルアルミナの代わ
りに管状アルミナグリットを使用して、同様の大きさの
試験片も作り上げた。

熱膨張試験を空気中で実施した。試験片を１０℃／分の
速度で室温２０℃から１５００℃まで加熱し、次いで、
１５分の滞留時間実質上一定の最高温度１５００℃に保
持した後、１０℃／分の速度で冷却させた。２種の試験
片の各々の測定結果を第１図および第２図にグラフとし
て図示する。

最高温度での長期滞留約１５分は、高温でのシェル材料
の寸法安定性を示す手段として好ましい。

結果の比較からわかるように、バブルアルミナシェル材
料は、全温度範囲にわたって優秀な安定性を示すが、管
状アルミナシェルは、１４５０℃で焼結し始め、１５０
０℃での滞留時に収縮する。

管状アルミナ材料を使用して製造された鋳型は、冷却時
に実質上収縮するであろうが、バブルアルミナを使用し
て製造された同様の鋳型は、冷却時に非常にわずかしか
収縮せず、それによって鋳造品をはるかに低い応力にし
か付さない。

例■セラミック中子材料 中子材料として使用するための例Ｉに関して記載の種類
と同様の種類のセラミック材料は、下記成分からなる。

粘結剤：過酸化物触媒とナフテン酸コバルト促進剤とを
含有する２０℃での粘度２５０センチストークの粘度を
有する低粘度ポリエステル樹脂。

この混合物は、硬化時間約１０分を有する。

充填剤：粉末対バブルアルミナの重量比３０：７０で混
合された２００メッシュの融解アルミナフラワーと公称
粒径範囲０〜０．　　２５ｍ−のバブルアルミナとを含
有する粉末ブレンド。

液体粘結剤およびブレンド充填剤を充填剤対粘結剤の重
量比４．５二１で混合した。次いで、得られたスラリー
を振動により穏やかに助長された重力供給によって中子
ダイのキャビテイーに導入し、十分な硬さに冷間硬化さ
せた。次いで、硬化「未処理ｊ中子をダイから取り出し
た後、下記加熱サイクルを使用して、空気中で炉におい
て焼成した。

１０℃／分の速度で２０℃〜１８０℃ ２℃／分の速度で１８０℃〜４５０℃ １０℃／分の速度で４５０℃〜１５５０℃次いで、冷却
させる前に、炉の温度を４時間１５５０℃に保持した。

このようにして作られた中子は、寸法的に安定であり且
つ高い耐火性で優秀な平滑な表面仕上げを有することが
見出されるであろう。更に、中子は、英国特許第２，１
２６．５６９Ｂ号明細書および第２．１２６．９３１Ｂ
号明細書に記載の技術に従って化学浸出によって鋳造後
に容易に取り外すことができる。

これらの特許に記載の浸出技術の基本は、無水苛性塩に
よってセラミック中子の浸出性を大幅に高めることが見
出された所定量の水素を中子の物質中に与えることにあ
る。本発明の文脈で、水素供与体は、調製時にアルミナ
バブル内にトラップされたガスによって与えてもよい。

この雰囲気は、最終中子の浸出性を変化させるために制
御または調整してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は既知の鋳型材料の熱膨張特性を示す図、第２図
は本発明に従って耐火材料のバブルを含む鋳型材料の熱
膨張特性を示す図、第３図は鋳型の部分の断面図である
。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．硬化セラミックスラリーによって互いに結合された
   耐火材料の中空粒の複数の層を具備してなり、第一層中
   の中空材料は残りの他の層中の中空材料よりも比較的小
   さい粒径を有し且つ第一層を形成する際に使用するセラ
   ミックスラリーの粘度は残りの他の層で使用するものよ
   りも高いことを特徴とする、金属を鋳造する際に使用す
   るためのセラミック鋳型または中子材料。
2. ２．中空粒材料が、アルミナまたはムライトのバブルか
   らなる、請求項１に記載のセラミック材料。
3. ３．第一層中のバブル材料の粒径が、残りの他の層中の
   バブル材料の粒径のおよそ半分である、請求項１または
   ２に記載のセラミック材料。
4. ４．第一層のバブル材料の粒径が、実質上直径０．０２
   ５ｍｍ〜０．５０ｍｍの範囲内であり且つ残りの他の層
   の粒径が実質上直径０．５０ｍｍ〜１．００ｍｍの範囲
   内である、請求項３に記載のセラミック材料。
5. ５．耐火材料の中空粒が、ガス状水素を含有する、請求
   項１ないし４のいずれか１項に記載のセラミック材料。
6. ６．除去可能な物品の型をセラミックスラリーによって
   被覆し、中空粒状またはバブル材料の１以上の層を適用
   することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１
   項に記載のセラミック鋳型の製法。
7. ７．粒状またはバブル材料を結合するのに使用するセラ
   ミックスラリーを各工程後に硬化する、請求項６に記載
   の方法。
8. ８．材料をダイ中に鋳込むことからなる、請求項１ない
   し５のいずれか１項に記載の材料を使用したセラミック
   中子の形成法。
9. ９．セラミック中子材料を、振動により促進された重力
   供給によってダイに導入する、セラミック中子の形成法
   。