JPH07314078A - 鋳型材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 アルミナセメント、ジルコニアゾル等の結合
材、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミ
ニウム、ジルコン、ムライト、酸化チタン、スピネル、
炭化珪素、窒化珪素およびシリカ等の骨材を基本成分と
するチタンまたはチタン合金用鋳型材において、更にタ
ングステン金属粉末を結合材に対して５〜４０重量％配
合してなることを特徴とする前記鋳型材。 【効果】 本発明の鋳型材は、タングステン金属粉末を
含有することにより適度な膨張率が得られる。しかも、
速い焼成速度で焼成しても安定な膨張を得ることができ
る利点がある。その結果、簡便に焼成することができ、
しかも本発明の鋳型材を用いてチタンまたはチタン合金
を鋳造すると焼き付きのない鋳肌のきれいな鋳造体が得
られる。また、ジルコニウム金属粉末が空気中で発火し
やすく取扱にくいのに比べて、タングステン金属粉末
は、室温で比較的安定であるため取扱やすい利点もあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンまたはチタン合
金鋳造用鋳型材に関し、膨張率を自由に変えることがで
きる鋳型材を提供する。

【０００２】

【従来の技術】近年、生体適合性の良好なチタンまたは
チタン合金が、従来のニッケル、クロム、コバルトなど
の合金に代わって使用されるようになってきた。

【０００３】しかし、チタンまたはチタン合金は融点が
高く且つ酸化されやすく、従来のシリカ系、リン酸系鋳
型材を模型のワックスパターン上に流し込み、硬化さ
せ、ロストワックスを行った後、チタンを溶解して鋳造
すると、チタン表面が容易に酸化され、硬くて脆くなる
ので、精密な寸法精度や良好な鋳肌が得られなかった。

【０００４】そこで、これらを解決する方法として、特
開昭６０−１８２５０では、酸化マグネシウム、カルシ
アなどの酸化物を主成分とする骨材に、ジルコニウムア
ルコキサイド、ジルコニアゾルなどの酸化ジルコニウム
化合物の結合材を用いることが開示されている。さら
に、特開平４−７５７４４には、コロイド状酸化ジルコ
ニウム粉末、アルカリ性ジルコニアゾルとカルシウムの
酸化物、炭酸物、水酸化物を用いることが開示されてい
る。また、特開平５−２４６８１８には、アルミナセメ
ントの結合材と骨材を主成分とし、さらにアルカリ土類
金属の炭酸塩を硬化助剤として含む鋳型材が提案されて
いる。

【０００５】ところが、これら鋳型材では溶融したチタ
ン金属が鋳造されて固体状になる時に、収縮する問題が
あった。この収縮を補うために特開昭６１−９９４０で
はＺｒ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属
粉末を加え、金属の酸化による膨張を利用する方法が提
案されている。これと同様に特開昭６１−２１３４５９
にはＴｉ金属の微粉末を含有する鋳型材組成物が提案さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記金属の酸化による
膨張を利用する方法では、酸化物生成自由エネルギーが
チタンの酸化物と同等またはより低い金属酸化物となる
金属が好ましく、ジルコニウム、チタンが最も適した金
属であることが記されている。

【０００７】しかしながら、酸化ジルコニウム金属粉末
は酸化されやすく、室温から急激に加熱して焼成を行う
と鋳型材に割れが生じ易くなる。従って、ジルコニウム
金属粉末を含んだ鋳型材では焼成速度を遅くする必要が
ある。

【０００８】本発明は、焼成速度を速くすることがで
き、適当な膨張率が得られ、チタンまたはチタン合金の
焼き付きがない取扱いやすい鋳型材を提供することが課
題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を達成すべく鋭意研究した結果、膨張材としてタングス
テン金属粉末を用いることにより、焼成速度を速くして
焼成でき、適当な膨張率が得られ、しかも鋳肌が荒れな
い鋳型材を見い出し、本発明を完成させるに至った。

【００１０】すなわち、本発明は、結合材、骨材を基本
成分とするチタンまたはチタン合金用鋳型材において、
更にタングステン金属粉末を結合材に対して５〜４０重
量％配合してなることを特徴とする前記鋳型材である。

【００１１】本発明で用いるタングステン金属粉末は特
にその製法は限定されず、純度は７０重量％以上あれば
よいが、９５重量％以上のものが好ましく使用される。

【００１２】タングステン金属粉末の粒径は、好ましく
は１μｍ〜１００μｍ、特に３μｍ〜５０μｍの範囲が
好適である。粒径が小さいほど酸化されやすいが、粒径
が小さすぎると練和しにくくなる傾向にある。粒径が大
きすぎるとタングステンが充分な酸化されず、適当な膨
張率が得にくくなる傾向にある。

【００１３】鋳型材中におけるタングステン金属粉末の
含有量は、チタン、チタン合金の鋳造収縮率や鋳型材中
の結合材の割合、水分量によって決定され、結合材に対
して５〜４０重量％の範囲が必須である。この範囲のタ
ングステン金属粉末を含有することにより膨張率は０．
１〜７％の範囲で調整でき、チタンまたはチタン合金の
鋳造収縮を補うことができる。この膨張率はタングステ
ン金属粉体の酸化により酸化タングステンが生成するこ
とに起因するものと考えられる。タングステン金属粉末
の割合が結合材に対して５重量％より少ないとチタンま
たはチタン合金の鋳造後の収縮を補償することができな
い。一方、タングステン金属粉末の割合が結合材に対し
て４０重量％を越えると膨張し過ぎて鋳型材に割れが生
じやすく、実用に適しにくい。

【００１４】ところで、鋳造において、鋳型材と鋳造さ
れる金属との反応により、鋳造体表面に鋳型材の一部が
焼き付くことがあってはならない。このような焼き付き
が生じると、鋳造表面が粗造となり、寸法精度の高い鋳
造体が得られないという問題が起こる。タングステン金
属粉末を含有する本発明の鋳型材を用いて鋳造したチタ
ンまたはチタン合金には焼き付きが見られない。その理
由はよくわからないが、酸化タングステンは、酸化物生
成自由エネルギーがチタンの酸化物より高いにもかかわ
らず、融点が高いので、溶融したチタンまたはチタン合
金と接触しても反応しにくいことによるものと考えられ
る。また、特に骨材に酸化マグネシウムを用いる場合に
は、酸化タングステンと酸化マグネシアとからなる複合
酸化物が生成し、この複合酸化物の酸化物生成自由エネ
ルギーがチタンの酸化物より低いために、尚更にチタン
またはチタン合金との反応が起こりにくいものと考えら
れる。

【００１５】本発明の鋳型材においては、結合材と骨材
はチタン、又はチタン合金鋳造用であれば公知のものが
使用できる。

【００１６】結合材を具体的に示すと、アルミナセメン
ト、ジルコニアゾル等が挙げられる。この中でアルミナ
セメントは得られる鋳型材の硬化体強度が高いので、特
に好適に用いられる。

【００１７】アルミナセメントとしてはＣａＯ・Ａｌ₂
Ｏ₃を主成分とする公知のものがなんら制限なく使用さ
れる。具体的に例示すれば、ホワイトボーキサイトと石
灰石を原料として溶解法により製造された粉末状アルミ
ナセメント、レッドボーキサイトと石灰石を原料として
溶解法により製造された粉末状アルミナセメント等が挙
げられる。アルミナセメントの平均粒径は０．１〜１０
０μｍのものが好適に使用できる。

【００１８】アルミナセメントを用いた場合、鋳型材全
成分に占めるアルミナセメントの割合は通常５〜８０重
量％、好ましくは１０〜７０重量％である。５重量％よ
り少ないと強度が弱く、８０％を越えると鋳造後の強度
が高すぎて割り出しが難しくなる傾向にあり実用的でな
い。

【００１９】結合材としてジルコニアゾルを用いる場合
には、ジルコニアゾルは酢酸ジルコニアゾル、炭酸ジル
コニウムアンモニウムゾル等が挙げられる。特に酢酸ジ
ルコニアゾルは鋳型の収縮が少ないので特に好適に用い
られる。鋳型材全成分に対するジルコニアゾルの割合は
通常５〜５０重量％である。

【００２０】本鋳型材に用いる骨材としては耐火性のあ
るものであれば制限なく使用できる。骨材を具体的に示
すと、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジル
コニウム、ジルコン、ムライト、酸化チタン、スピネ
ル、炭化珪素、窒化珪素およびシリカ等が挙げられる。
この中で、特に酸化ジルコニウムはチタンの酸化物に対
して安定な化合物なので好ましい。さらに、酸化マグネ
シアはタングステン金属と安定な複合金属酸化物を生成
するのでより好ましい。これらを１種または２種以上組
み合わせて使用することができる。特に酸化ジルコニウ
ムと酸化マグネシウムの組み合わせは焼き付きが生じに
くいので、より好ましい。これら骨材は、結合材１００
重量部に対して通常７０〜９００重量部配合される。

【００２１】本発明では、結合材にアルミナセメントを
用いる場合には、硬化助材としてリチウム化合物を用い
ることができる。リチウム化合物としては、塩化リチウ
ム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、フッ化リチウム及び
炭酸リチウム等の無機リチウム塩、酢酸リチウム、酒石
酸リチウム等の有機リチウム塩、水酸化リチウム等が使
用できる。

【００２２】これらのリチウム化合物の中で、焼成後、
有機成分が分解し、焼失し、不安定な酸化物を作らな
い、しかも無機酸の発生がなく電気炉等の装置に悪影響
を及ぼさない等の理由のより有機リチウム塩が好まし
く、特にクエン酸リチウムは操作余裕時間があり、さら
に鋳型材と練和液とからなるスラリーの流動性があり、
且つ迅速に硬化するので好適に使用される。

【００２３】これらリチウム化合物の含有量はアルミナ
セメントに対して０．０５〜５重量％の範囲が好適であ
る。含有量が０．０５重量％より少ないと硬化が迅速で
なく、５重量％を越えると融点の低下が起こり、金属と
の焼き付き等が起き始める傾向にある。

【００２４】また、操作余裕時間を調整のために、上記
リチウム化合物は高級アルコールで被覆することもでき
る。高級アルコールでリチウム化合物を被覆する場合に
は、この高級アルコールはカーボン数が４個以上のもの
であれば制限なく用いることができる。具体的なものを
例示すれば、ブタノール、2-エチルヘキサノール、ヘプ
タノールトリデカノール、ｎ−オクチルアルコール、ｎ
−デシルアルコール、ラウリルアルコール、セチルアル
コール、オレイルアルコール、ステアリルアルコール等
が挙げられる。

【００２５】高級アルコールによるリチウム化合物の被
覆は、高級アルコールが室温で液状である場合には、リ
チウム化合物を高級アルコールの中に入れ、攪拌しなが
ら分散混合してリチウム化合物表面に高級アルコールを
保持させ、その後、表面が高級アルコールで湿った粉体
またはペーストとして取り出して用いる。また、高級ア
ルコールが室温で固体状である場合には、温度を加えて
液状にした高級アルコールにリチウム化合物を入れ、攪
拌しながら分散してリチウム化合物表面に高級アルコー
ルを被覆させた後、室温に戻し、その後高級アルコール
被覆リチウム化合物が粉末状であればそのまま用い、塊
状であれば、乳鉢、揺動ミキサー、ボールミルなどの解
砕機を用いて粉末状にする。また、必要に応じて、低沸
点の有機溶媒に高級アルコールを溶解させた溶液を用い
て被覆させることも可能である。

【００２６】被覆する高級アルコールの量は、リチウム
化合物に対して２０〜１００重量％の範囲が好適であ
る。この高級アルコールの量を変えることによりリチウ
ム化合物の水への溶解の時期を変えることができ、鋳型
材の練和物の流動性が保持できる時間、すなわち操作余
裕時間を変えることができる。高級アルコールの被覆量
が多い程、操作余裕時間を長くすることができるが、通
常、有効な操作余裕時間は２分から５分の範囲になるよ
うに被覆量を決定する。高級アルコールの被覆量が１０
０重量％を越えると、高級アルコールが有機物として硬
化体中に残り、焼成後、それらが空洞として残り、焼成
した硬化体表面が荒れ、また空焼成強度が低下する傾向
にあり好ましくない。逆に、被覆量が２０重量％未満で
あると、リチウム化合物を十分に被覆することができ
ず、操作余裕時間を制御する効果が十分に発揮されにく
くなる。

【００２７】更に、結合材としてアルミナセメントを用
いるときは、クエン酸、クエン酸ナトリウム、炭酸ナト
リウム、トリポリリン酸、フミン酸ナトリウム、リグニ
ンスルホン酸、デキストリン、カルボキシメチルセルロ
ース等の硬化遅延剤を添加することにより操作余裕時間
を調整することもできる。これら硬化遅延剤は通常アル
ミナセメントに対して０．１〜１０重量部の範囲で用い
られる。

【００２８】本発明の鋳型材は、結合材、骨材、タング
ステン金属粉末および必要に応じて硬化助材、硬化遅延
剤等をいかなる順序で混合して調製してもよい。また、
その混合方法にも限定はない。ただし、高級アルコール
で被覆したリチウム化合物を硬化助材として用いる態様
では、高級アルコールで被覆したリチウム化合物の鋳型
材に対する添加量が少ない場合には、予め酸化マグネシ
ウム、酸化ジルコニウム等の骨材成分と該高級アルコー
ルで被覆したリチウム化合物を先に高濃度で乳鉢または
揺動ミキサー等で混合してマスターバッチとし、マスタ
ーバッチから必要量を取り、更にアルミナセメント、骨
材、タングステン金属粉末および必要に応じて硬化遅延
剤等と混合して鋳型材とする調整方法が好適に採用され
る。

【００２９】本発明の鋳型材においては、アルミナセメ
ント、酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウム、
有機酸リチウム塩並びにタングステン金属粉末を含有し
てなり、有機リチウム塩がアルミナセメントに対して
０．０５〜５重量％、且つタングステン金属粉末がアル
ミナセメントに対して５〜４０重量％である鋳型材が、
焼成速度を速くすることができ、焼成して適当な膨張率
があり、しかも強度が十分であり、鋳肌が荒れない等に
より特に好適である。

【００３０】本発明の鋳型材を硬化させるために用いる
練和液は、鋳型材の基本的性質に影響を与えない水溶液
であれば制限なく使用できる。例えば、水、コロイダル
シリカ水溶液、アルミナコロイド水溶液、ジルコニアコ
ロイド水溶液等が挙げられる。鋳型材と該練和液の混合
比は、得られる練和物が適当な流動性を有し、物性に影
響を与えない範囲であればよい。 一般には、鋳型材と
練和液の比が１０／１〜１／１の範囲で使用される。本
発明の鋳型材と練和液を混合してワックスパターン上に
流し込んだ後、焼成することにより、ワックスを溶かし
出しさらに強度を高め膨張させる。該焼成の温度は通常
５００〜８５０℃の範囲である。この焼成温度はジルコ
ニア金属粉末を用いる場合の５００〜７００℃に比較す
ると高めである。

【００３１】本発明の鋳型材を用いる場合には、焼成速
度は５〜１５℃／分で行うことが可能となり、ジルコニ
ウム金属粉末を用いる場合の焼成速度約２℃／分に比較
するとかなり速い速度で焼成することができる。この理
由は明かではないが、タングステン金属はジルコニウム
金属に比較して酸化されにくく、室温から４００℃まで
ほとんど酸化されず、酸化熱の発生もなく膨張もしない
ので、急速に加熱することができ、一方、ジルコニウム
は室温から急速に加熱すると酸化熱が急激に発生し、鋳
型材に割れが生じるものと考えられる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の鋳型材は、タングステン金属粉
末を含有することにより適度な膨張率が得られる。しか
も、安定な膨張を得るために、速い焼成速度で焼成する
ことができる利点がある。その結果、簡便に焼成するこ
とができ、経済的である。さらに、本発明の鋳型材を用
いてチタンまたはチタン合金を鋳造すると焼き付きのな
い鋳肌のきれいな鋳造体が得られる。

【００３３】また、ジルコニウム金属粉末が空気中で発
火しやすく取扱にくいのに比べて、タングステン金属粉
末は、室温で比較的安定であるため取扱やすい利点もあ
る。

【００３４】

【実施例】以下、実施例によって本発明を具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものでは
ない。なお、実施例中に示した試験方法については次の
通りである。

【００３５】１．硬化時間 日本工業規格Ｔ６６０１の凝固時間試験方法に準じ、内
径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍの金属の円筒形の中に混和し
た試料を充填し、混和を開始した時から荷重３００ｇの
ビカー針（針の直径２ｍｍ）が試料の中に入らなくなる
までの時間を硬化時間とする。

【００３６】２．流動性 混和した試料を内径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍの枠内に満
たし、混和開始から２分後に枠を取り外し、硬化後の試
料の広がりを流動性の尺度とした。流動性は、広がった
試料の直径の値で表す。

【００３７】３．操作余裕時間 混和した試料を内径４０ｍｍ、高さ３０ｍｍの容器に充
填し、容器を９０度に傾けて、練和開始から試料が流れ
出なくなるまでの時間を操作余裕時間とする。

【００３８】４．破砕抗力 日本工業規格Ｔ６６０１のの破砕抗力試験方法に準じ、
内径３０ｍｍ、高さ６０ｍｍの金属の円筒形の中の混和
した試料を満たし、取扱いに耐える程度に凝固した後に
型より取り出して、室温に放置し、混和開始より２４時
間後に圧縮試験機を用いて、クロスヘッド１ｍｍ／分で
測定し、その値を鋳型材の生強度とした。

【００３９】空焼き後の強度も同様の方法で試料を作
り、電気炉にて所定の温度まで１０℃／分で昇温し、３
０分係留し、室温まで放冷させた後、圧縮強度を測定し
その値を空焼成強度とした。

【００４０】５．膨張率 日本工業規格Ｔ６６０１の加熱膨張試験方法に準じて測
定した。サンプルの大きさは直径１×１０ｃｍとし、８
５０℃または１０００℃まで加熱、冷却後元の長さから
長くなった長さを測定し、元の長さから長くなった率で
求め、膨張率とした。

【００４１】６．焼き付き 焼き付き荒れに関しては、２０×１０×２ｍｍのワック
スパターンを鋳型材で埋没し、硬化後所定の温度まで焼
成後、鋳造を行い、割り出し後の金属表面に対する荒れ
を目視で観察し次の３段階で評価した。

【００４２】○：ほとんど焼き付かず △：一部焼き付く ×：全体に焼き付く 尚、金属としては、純チタン「チタデント」（Ｔｉ純度
９９．５％、トーワ技研（株））またはチタン合金「チ
タデントII」（Ｔｉ９０％、Ａｌ６％、Ｖ４％、トーワ
技研（株））を用い、鋳造はマイキャスト（友和産業
（株）製）を用いた。

【００４３】実施例１ 結合材としてアルミナセメント（アサノセメント１号、
日本セメント（株）製）１００重量部、骨材として、ア
ルミナ（平均粒径２０μｍ）１００重量部、酸化ジルコ
ニウム（平均１００μｍ）１５０重量部、タングステン
金属粉末４０重量部（和光純薬製、純度９９．９重量
％、平均粒径１０μｍ）、クエン酸リチウム５重量部を
充分に混合し、粉末成分とした。

【００４４】この粉末成分と練和液（水）の比（Ｐ／
Ｌ）を１００対２０の重量部で混合し、前出の方法に従
って硬化時間、流動性、操作余裕時間、破砕抗力、膨張
率について調べた。なお、焼成温度は８５０℃である。
その結果、硬化時間は１３分、生強度１８ＭＰａ、空焼
成強度は８ＭＰａ、流動性 １１５ｍｍ、操作余裕時間
５分３０秒、膨張率２．４％であり、充分な膨張率があ
った。また、鋳型材には割れは生じなかった。焼成温度
を１０００℃としても膨張率は２．４％であり、安定な
膨張率を得るには８００℃〜８５０℃の低い焼成温度で
充分であった。なお、焼成速度は１０℃／分とした。

【００４５】つぎに、鋳造して、焼き付きを調べたとこ
ろ、ほとんど焼き付きがなかった。 実施例２〜１０、比較例１〜４ 表１に示す如く、実施例１におけるタングステン金属粉
末の種類または結合材、骨材を代え、比較例としてタン
グステン金属粉末を用いない場合とジルコニウム金属粉
末を用いた。これ以外は実施例１と同様に行ったが、結
合材として酢酸ゾルを使用した場合はクエン酸リチウム
は用いなかった。結果を表２に示す。

【００４６】比較例３のジルコニウム金属粉末を用いた
場合には、焼成速度は１０℃／分にすると、焼成途中で
割れが生じたので、膨張率、空焼成強度および焼き付き
は測定できなかった。実施例２〜１０までの鋳型材では
焼き付きがほとんどなく「○」と判定した。その中で
も、実施例２〜５および実施例７と８は焼き付きが極め
て少なく良好な鋳肌が得られた。タングステン金属粉末
を含有しない比較例１と２では膨張が起こらず、むしろ
収縮が生じた。比較例４では、タングステン金属粉末の
含有量が５０重量部である場合には、膨張が大きすぎて
焼成途中で割れが生じたので、膨張率、空焼成強度およ
び焼き付きは測定できなかった。

【００４７】なお表中の酢酸ゾルは、第一稀元素化学工
業（株）の酢酸ジルコニルを、アルミナセメントはアサ
ノセメント１号を使用した。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】実施例１３ ステアリルアルコール１００重量部に温度を加えて溶解
した中に炭酸リチウム３００重量部を入れ、充分に混合
し、室温に戻し固体状になったステアリルアルコールに
よって被覆された炭酸リチウムを得た。これをさらに粉
砕しておよそ５００μｍの粉末にして、この粉末１重量
部と酸化マグネシウム（平均粒径５μｍ）９９重量部を
充分に混合した。この混合物すなわち酸化マグネシウム
希釈のステアリルアルコール被覆の炭酸リチウムは、炭
酸リチウムのマスターバッチとした。

【００５１】結合材としてアルミナセメント（アサノア
ルミナセメント１号：日本セメント（株）製）１００重
量部、骨材として酸化マグネシウム（平均粒径５μｍ）
１５０重量部、酸化ジルコニウム１５０重量部および上
記炭酸リチウムのマスターバッチ４重量部（炭酸リチウ
ム０．３重量部、ステアリルアルコール０．１重量
部）、さらにタングステン金属粉末２０重量部（平均粒
子径１０μｍ）十分に混合し粉末成分とした。この粉末
成分１００ｇを２０％コロイダルシリカ水溶液（カタロ
イドＳＩ４０：触媒化成工業）３０ｍｌで混和し実施例
１と同様に硬化時間、流動性、操作余裕時間、空焼成強
度、膨張率について調べた。その結果、硬化時間１１
分、流動性６９ｍｍ、操作余裕時間４分３０秒、空焼成
強度７．１ＭＰａで膨張率２．０％であった。焼成速度
８℃／分としたが、鋳型材には割れが生じなかった。焼
き付けを調べたところ、焼き付けはほとんど見られなく
「○」と評価した。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 14:34）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結合材、骨材を基本成分とするチタンま
   たはチタン合金用鋳型材において、更にタングステン金
   属粉末を結合材に対して５〜４０重量％配合してなるこ
   とを特徴とする前記鋳型材。