JPH0557396A - セラミツク鋳型の造型方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バックアップ鋳型の焼成時の熱収縮変形によ
る割れや変形を防止する。 【構成】 バックアップ鋳型を構成する耐火材の粘結剤
に，セラミックシェル層の造型に用いられるエチルシリ
ケート４０の加水分解液の粘結剤と同一のものを用いて
バックアップ鋳型の造型を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック鋳型に関し，
特に中・大型鋳物を寸法精度よく，かつ，割れのない鋳
物を製造するのに好適なセラミック鋳型の造型方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から中・大型の精密鋳物を製造する
ための鋳型構造としては，コスト面からセラミックシェ
ル層とバックアップ鋳型からなる二重構造のセラミック
鋳型のものが用いられる。この場合，バックアップ鋳型
としては耐火物にシャモット砂，ジルコン砂，珪砂等を
用いるとともに，粘結剤として水ガラスを使用して造型
し，ＣＯ_２ガスを流通して常温硬化させるＣＯ_２鋳型を
用いるのが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが，前述したよ
うにバックアップ鋳型の造型時に耐火物の粘結剤として
水ガラスを用いるために次のような欠点を有していた。
すなわち， セラミック鋳型の高温焼成（２次焼成）処理中にバ
ックアップ鋳型に割れが発生する。 バックアップ鋳型とセラミックシェル層とで構成される
セラミック鋳型を６００〜１０００℃の高温度で２次焼
成する目的は，耐火物と粘結剤からなるセラミックスラ
リに硬化剤を添加させて硬化させ，これを高温度で焼成
することにより高強度なセラミックシェル層を得るため
のものであり，常温で造型硬化されるバックアップ鋳型
までも高温度で焼成する必要がない。むしろセラミック
シェル層と同温度に昇温することによりバックアップ鋳
型を構成する耐火物の粘結剤として用いられている水ガ
ラスが急激な熱収縮変化を起こしバックアップ鋳型に割
れが発生し，この割れがセラミックシェル層まで伝播す
ることになる。これはセラミック鋳型の２次焼成温度が
６００℃を超えるとセラミックシェル層は熱膨張変化を
起こすのに比べて，バックアップ鋳型は水ガラスの急激
な熱収縮変化によってセラミックシェル層とバックアッ
プ鋳型間で押圧力を生じるためである。

【０００４】 セラミック鋳型の寸法精度が悪い。 上記に述ベたように，高温焼成中に水ガラスの急激な
熱収縮変化により，セラミック鋳型に歪を生じ，その結
果，セラミック鋳型の寸法精度が悪くなる。 砂落ち等の鋳造欠陥が生じる。 バックアップ鋳型に用いられる耐火物の粘結剤に水ガラ
スを用いているため，２次焼成温度の６００℃以上にな
ると硬化し，耐火物同士の結合力が低下する。そのた
め，バックアップ鋳型の耐火物が崩壊しやすくなり，鋳
造前の上型と下型の型合せ時に耐火物がバックアップ鋳
型から脱落し，砂落ち等の鋳造欠陥が生じる。といった
問題点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上述べた問題点を解決
するために，本発明においては，バックアップ鋳型とセ
ラミックシェル層とで構成されるセラミック鋳型を造型
する際にバックアップ用模型を用いてバックアップ鋳型
を造型し，次いで製品用模型とバックアップ鋳型との間
に空隙を形成するようにバックアップ鋳型を製品用模型
にかぶせ，前記空隙にセラミックスラリを流し込み，前
記セラミックスラリがゲル化して固化したら，前記セラ
ミックシェル層を焼成するセラミック鋳型の造型方法に
おいて，前記バックアップ鋳型造型用の粘結剤を，前記
セラミックシェル層の粘結剤と同一組成のものを使用し
て造型するようにした。

【０００６】

【作用】バックアップ鋳型もセラミックシェル鋳型もと
もに同一の粘結剤を用いてセラミック鋳型の造型を行な
う。このため，鋳型の熱膨張差が減少し，鋳型割れ，変
形，砂落ち等がなくなり，寸法精度のよいセラミック鋳
型の造型が可能となる。

【０００７】

【実施例】以下，実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。図１（ａ）〜図１（ｆ）はコンポジットモールド法
の造型順序を示す説明図である。符号２０はセラミック
鋳型であり，バックアップ鋳型７とセラミックシェル層
１３で構成される。本実施例においては，バックアップ
鋳型７とセラミックシェル層１３はそれぞれ耐火物に粘
結剤を加え，さらに硬化剤を加えて調整したものを用い
る。

【０００８】まず，バックアップ鋳型７の粘結剤とし
て，セラミックシェル層１３の造型に用いられるコロイ
ダルシリカ，けい酸ゾル，けい酸ソーダ溶液等を使用し
てもよく，本実施例ではエチルシリケートの加水分解液
を用いた。

【０００９】次いで，バックアップ鋳型７の耐火材とし
ては，一般鋳造用耐火物すべて，例えばジルコン，アル
ミナ，シャモット，けい砂等があげられるが，本実施例
では耐火度，熱膨張性，コスト等を考慮してシャモット
砂を用いた。粒度としては０．２〜０．３ｍｍと１．０
〜１．２ｍｍのものを１：１で混合したものが鋳型強度
面で優れていた。

【００１０】さらに，バックアップ鋳型７の硬化剤とし
ては，セラミックシェル層１３の造型に用いられるアル
カリ性水溶液，マグネシア粉末，アミン類等を使用して
もよく，本実施例では，取扱いが容易で鋳型内に不適当
な成分が残留しない１０％ＮＨ_４ＨＣＯ_３溶液を用いて
固化させ，２次焼成などの熱処理によって硬化させた。
ただし，耐火物に粘結剤を加えた際，粉体状として取扱
い可能な状態（以下，パサパサ状態という）のものを用
いてバックアップ鋳型７を造型し，ＣＯ_２造型法と同様
な方法でＣＯ_２ガスのかわりにアミン類等の塩基性ガス
を吹込んで固化させることも可能であるが，取扱上の問
題点が多いのであまり良い方法とは言えない。

【００１１】バックアップ鋳型７の耐火材と粘結剤の配
合割合は，セラミックシェル層１３の耐火材と粘結剤の
配合割合よりも広範囲に設定することが可能である。す
なわち，スラリ状（耐火物と粘結剤の重量比を１：１以
上）に設定した場合には，バックアップ鋳型７の造型は
セラミックシェル層１３の造型と同様に製品用模型９上
へ流し込むだけでよく，逆に粉体状（耐火物に対し粘結
剤を数〜数１０％）に設定した場合は，ＣＯ_２鋳型等の
一般的な造型法が好適である。

【００１２】次に，本実施例ではバックアップ鋳型７に
粘結剤としてセラミックシェル層１３と同一組成のエチ
ルシリケートの加水分解液を用い，下記に示す条件によ
ってバックアップ鋳型７の造型を種々試みた。なお，セ
ラミック鋳型２０の造型時に，バックアップ鋳型７の造
型（実施例１ないし実施例６）の組合せとして用いられ
るセラミックシェル層１３の配合割合を次のようにし
た。すなわち，耐火材としてジルコンサンドとジルコン
フラワを重量比で２：３に混合したものに，粘結剤とし
てエチルシリケートの加水分解液を重量比で５：１の割
合で添加し，さらに，硬化剤として１０％ＮＨ_４ＨＣＯ
_３を粘結剤に対して重量比で１：０．０３添加した。

【００１３】（実施例１）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
５：１の割合で添加して混合撹拌させ，スラリ状の混合
物を得しめ，さらに，前記粘結剤に対して，硬化剤であ
る１０％ＮＨ_４ＨＣＯ_３溶液を重量比で１：０．０３と
なるように前記スラリ状の混合物に添加撹拌し，これを
バックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠２内
に流し込み硬化させる。硬化後抜型し，７００℃の温度
に保持された電気炉で５時間焼成してバックアップ鋳型
７を得た。セラミックシェル層１３の形成はバックアッ
プ鋳型７の焼成完了後引続き行なった。

【００１４】（実施例２）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
７．５：１の割合で添加して混合撹拌させ，スラリ状の
混合物を得しめ，さらに，前記粘結剤に対して，硬化剤
である１０％ＮＨ_４ＨＣＯ_３溶液を重量比で１：０．０
３となるように前記スラリ状の混合物に添加撹拌し，こ
れをバックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠
２内に流し込み硬化させる。硬化後抜型し，７００℃の
温度に保持された電気炉で５時間焼成してバックアップ
鋳型７を得た。セラミックシェル層１３の形成はバック
アップ鋳型７の焼成完了後引続き行なった。

【００１５】（実施例３）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
７．５：１の割合で添加して混合撹拌させ，スラリ状の
混合物を得しめ，さらに，前記粘結剤に対して硬化剤で
ある１０％ＮＨ_４ＨＣＯ_３溶液を重量比で１：０．０３
となるように前記スラリ状の混合物に添加撹拌し，これ
をバックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠２
内に流し込み硬化させる。硬化後抜型し，バックアップ
鋳型７に直接着火して成形面より気化する粘結剤中のア
ルコールなどの蒸発成分の燃焼のみを行なう。こうし
て，バックアップ鋳型７の焼成完了後，引続いてセラミ
ックシェル層１３の形成を行なった。

【００１６】（実施例４）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
７．５：１の割合で添加して混合撹拌させ，スラリ状の
混合物を得しめ，さらに，前記粘結剤に対して硬化剤で
ある１０％ＮＨ_４ＨＣＯ_３溶液を重量比で１：０．０３
となるように前記スラリ状の混合物に添加撹拌し，これ
をバックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠２
内に流し込み硬化させる。硬化後抜型し，引続いてセラ
ミックシェル層１３の形成後，セラミックシェル層１３
の表面をプロパン用バーナ等で急速加熱（１次焼成）
し，その後６００〜１０００℃に昇温された電気炉中で
高温加熱（２次焼成）する。こうして，バックアップ鋳
型７の焼成はセラミックシェル層１３の焼成時に行な
う。

【００１７】（実施例５）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
１：０．０６の割合で混合し，さらに，１０％ＮＨ_４Ｈ
ＣＯ_３溶液を前記粘結剤に対して重量比で１：０．０３
の割合で添加する。こうしてできたパサパサ状態のもの
をバックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠２
内にチャージして砂込めの要領で造型硬化させる。硬化
後抜型し，７００℃の温度に保持された電気炉で５時間
焼成してバックアップ鋳型７を得た。セラミックシェル
層１３の形成はバックアップ鋳型７の焼成完了後，引続
き行なった。

【００１８】（実施例６）耐火材としてシャモット砂，
粘結剤としてエチルシリケートの加水分解液を重量比で
１：０．０８の割合で混合し，さらに，１０％ＮＨ_４Ｈ
ＣＯ_３溶液を前記粘結剤に対して重量比で１：０．０２
の割合で添加する。こうしてできたパサパサ状態のもの
をバックアップ用模型３を定盤１上にセットした鋳枠２
内にチャージして砂込めの要領で造型硬化させる。硬化
後抜型し，７００℃の温度に保持された電気炉で５時間
焼成してバックアップ鋳型７を得た。セラミックシェル
層１３の形成はバックアップ鋳型７の焼成完了後，引続
き行なった。

【００１９】なお，比較例として，耐火材にシャモット
砂を用い，粘結剤として水ガラスを重量比でそれぞれ
１：０．０４，１：０．０６，１：０．０８の割合で添
加した３種類について実験を行ない，最後にＣＯ_２ガス
を吹込みバックアップ鋳型７を硬化させた。

【００２０】これらの実施例１ないし実施例６および比
較例１ないし比較例３から得られた結果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】本発明におけるバックアップ鋳型７とセラ
ミックシェル層１３とで構成されるセラミック鋳型２０
は次の順序で造型される。なお，バックアップ鋳型７の
造型には前記したように，スラリ状のものと，パサパサ
状態のものと２種類あるが，本実施例では耐火材に対し
て粘結剤の配合割合の高いスラリ状を有した場合につい
て述べる。

【００２３】 定盤１上に製品用模型９より大きい形
状を有したバックアップ用模型３および鋳枠２をセット
する。（図１（ａ）） 予め作っておいたバックアップスラリ１５を鋳枠２
内に注入開始する。（図１（ｂ）） バックアップスラリ１５の注入を鋳枠２の上面と同
一レベルまで注入する。（図１（ｃ）） バックアップスラリ１５が固化したら鋳枠２を反転
して製品用模型９を抜型する。この後，バックアップ鋳
型７を焼成してもよく，あるいは，簡単な１次焼成まで
としておき，セラミックシェル層１３の焼成時に２次焼
成まで同時に行なってもよい。（図１（ｄ）） 次いで，製品用模型９および鋳枠２を定盤１上にセ
ットする。なお，バックアップ鋳型７は製品用模型９よ
り一回り大きいバックアップ用模型３と相似形状を有し
ており，バックアップ鋳型７と製品用模型９との間に空
隙部１１を形成する。この空隙部１１にセラミックスラ
リ注入口１０よりセラミックスラリ１２を注入する。
（図１（ｅ）） 注入したセラミックスラリ１２がゲル化して固化し
たら製品用模型９を抜型して，セラミックシェル層１３
の表面をプロパン用バーナ等で急速加熱（１次焼成）さ
せ，その後，高温度に保持された電気炉中で２次焼成を
行なう。（図１（ｆ））

【００２４】以上，耐火材に対して粘結剤の配合割合の
高いスラリ状を有した場合について述べたが，逆に粘結
剤の配合割合の低いパサパサ状態の場合は，一般的なバ
ックアップ鋳型７の造型法で造型を行なう。この場合，
造型に時間を要するので硬化剤の添加量を下げて硬化時
間を調整する必要がある。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したことからも明らかなよう
に，本発明においては，バックアップ鋳型とセラミック
シェル層とで構成されるセラミック鋳型を造型する際に
バックアップ用模型を用いてバックアップ鋳型を造型
し，次いで製品用模型とバックアップ鋳型との間に空隙
を形成するようにバックアップ鋳型を製品用模型にかぶ
せ，前記空隙にセラミックスラリを流し込み，前記セラ
ミックスラリがゲル化して固化したら，前記セラミック
シェル層を焼成するセラミック鋳型の造型方法におい
て，前記バックアップ鋳型造型用の粘結剤を，前記セラ
ミックシェル層の粘結剤と同一組成のものを使用して造
型したことにより， セラミックシェル層の焼成中に粘結剤の熱膨張差に起
因したバックアップ鋳型の割れ発生が防止できる。 バックアップ鋳型の変形から生じるセラミック鋳型
の歪や変形防止が可能となり，寸法精度のよいセラミッ
ク鋳型の製作が可能となった。 バックアップ鋳型の強度向上により，砂落ち等の鋳
造欠陥が皆無となった。 バックアップ鋳型材としてバックアップスラリを用
いた場合は，バックアップ用模型上へ流し込むだけでよ
く，鋳型の造型が極めて容易である。（熟練度を必要と
しない）また，バックアップ用模型の抜型時もバックア
ップ鋳型に弾力性を保持している間に行なえば抜き勾配
も必要とせず極めて簡単にできる。 バックアップ鋳型の強度向上により，鋳枠そのもの
を取除く，いわゆる無鋳枠とすることも可能となり，こ
のため，高温焼成中に鋳枠の熱変形に起因したバックア
ップ鋳型の割れや変形を防止できる。 といった優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミック鋳型の造型方法を示す
説明図である。

【符号の説明】

１ 定盤 ２ 鋳枠 ３ バックアップ用模型 ７ バックアップ鋳型 ９ 製品用模型 １１ 空隙部 １２ セラミックスラリ １３ セラミックシェル層 １５ バックアップスラリ ２０ セラミック鋳型

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バックアップ鋳型とセラミックシェル層
   とで構成されるセラミック鋳型を造型する際にバックア
   ップ用模型を用いてバックアップ鋳型を造型し，次いで
   製品用模型とバックアップ鋳型との間に空隙を形成する
   ようにバックアップ鋳型を製品用模型にかぶせ，前記空
   隙にセラミックスラリを流し込み，前記セラミックスラ
   リがゲル化して固化したら，前記セラミックシェル層を
   焼成するセラミック鋳型の造型方法において，前記バッ
   クアップ鋳型造型用の粘結剤を，前記セラミックシェル
   層の粘結剤と同一組成のものを使用して造型することを
   特徴とするセラミック鋳型の造型方法。