JPH09506328A - 注型工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、半永久注型工具を製造する方法と、半永久注型工具装置を提供する。高チャー樹脂と耐火物粉末の配合物を有する注型工具と、ゾル−ゲルセラミック先駆物質と耐火物粉末の配合物から造られた注型工具と、抽出可能なコアを有する先駆物質と、それらの製造方法が提供される。この発明の注型工具は、ダイカスト、永久金型注型および圧力浸透注型を有する注型プロセスに用いることができる。同様に、圧力浸透プロセスと両立できる外皮金型注型技術も提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 注型工具技術分野 この発明は、工具を製造するための方法と注型において使用するための工具装 置に関する。特に、この発明は、金型を製造する方法と注型用の金型に関するも のである。背景技術 注型方法は、注型される材料を含み、その材料にある形状を与える金型のよう な工具を必要とする。一般的な注型技術は、圧力浸透注型、ダイカストおよび金 型注型を含んでいる。 圧力浸透注型は、非強化注型品を造るため空の金型内に、あるいは、強化した 注型品を造るため予備形成品を入れた金型にそれぞれ溶融浸透物を、浸透させる ために圧力差が用いられる。そのような圧力差は、例えば、金型を空にし、空に なった金型を、加圧ガスが溶融浸透物を金型に浸透させるのに必要な圧力差を与 える圧力容器に配置することによって作り出される。気孔やガスポケットの取り 込みが、金型容器で造られる完成品に欠陥を作らないように、気密が必要である 。圧力浸透注型を使用することによって、大きな負荷がかけられ、連続的に強化 され、しかも不連続的に、すなわち粒状の強化された複合材料を網形状に且つ４ マイクロインチの表面仕上げや０．１ミクロンの表面仕上げ、すなわち鏡面仕上 げのような超仕上げで寸法公差が±０．０００２インチに調整可能に注型するこ とができる。圧力浸透注型は、同一の寸法精度と平滑性を特徴とする高精密非強 化注型品を製造するために用いることができる。そのような結果を得るために、 機械加工された黒鉛（グラファイト）金型が一般的に用いられる。黒鉛金型で注 型された合金は、アルミニウム、マグネシウムおよび銅合金注型品を含んでいる 。黒鉛は容易に機械加工され、高平滑仕上げができるが、黒鉛材料と黒鉛の機械 加工は高価である。 強化複合物の圧力浸透注型では、予備形成品内に取り込まれたガスを除いて、 気孔やガスポケットが仕上げ注型品に欠陥を作らないようにしなければならない 。取り込まれたガスにより作られたそのような欠陥を取り除くため、圧力浸透中 、空隙を予備形成品で分離する。いかなるガス漏れも浸透の圧力勾配を下げ、不 完全な浸透となり、完成品に気孔を取り込むことになるので、従来の多孔性外囲 注型材料は、本浸透プロセスでは用いることができない。 永久金型注型は、ＡＳＭ金属ハンドブック、９版、１５巻の２７５頁に「重力 ダイカスト、２以上の部分からなる金属金型は、．．．同一形状の多くの注型品 製造にそれぞれ用いられる。」として記載されているプロセスである。ダイカス トは、ＡＳＭ金属ハンドブック、９版、１５巻の２８６頁に「溶融金属を高速に して金属ダイを急速に充填する油圧エネルギー源で特徴づけられる。ダイは、注 入のストレスを吸収し、金属に含まれた熱を放散し、次のサイクルの準備におい て造形部品の取り出しを容易にする。油圧エネルギーは、金属がキャビティを満 たし凝固する際に、金属に関する流れと力の関数にアクチュエータ位置のコント ール、速度、および加速度を最適にする装置によって提供される。」で同様に記 載されているプロセスである。 従来、鋼（スチール）金型は、ダイカストと永久金型注型プロセスに用いられ る。スチール金型でダイカストされた器具と永久金型注型された器具は、アルミ ニウム、マグネシウムおよび亜鉛の合金を含有する。機械加工された黒鉛金型は 、スチールより小さな熱膨張係数を有し、同等の公差のスチール金型より低コス トで高精度の公差を特徴とする注型品を製造する。しかしながら、黒鉛金型は、 ４００℃で酸化し、膜が形成されることになり、ダイカストの略４０，０００回 の注型と永久金型注型の１００，０００回の注型の寿命を一般的に有する同等の スチール金型の寿命より黒鉛金型の寿命が短くなる。従って、多数の部品が注型 される場合、スチール金型が、ダイカストと永久金型注型用の黒鉛金型よりも経 済的である。 多数の部品が上記のいずれかのプロセスによって注型される場合、金型の特性 と製造がその注型プロセスの経済面を決める重要な要因となる。従って、部品形 状の微細部に合った金型材料からなり、部品形状のパターンから金型材料を取り 外すのに十分な未処理強度も特徴とする半永久金型に対する要請がある。半永久 金型は、歪みや過度な収縮を受けずに硬化と脱ガスを行なう必要がある。硬化し た完成金型は強く、耐衝撃性があるはずであり、多くの注型に用いられる。同様 に、高金型熱伝導性が、圧力浸透、ダイカストおよび永久金型注型プロセスにお ける凝固速度を上げるために望ましい。強化複合物製造用圧力浸透プロセスで用 いる気密標準外囲材料の要請もある。発明の開示 この発明は、部品形状の微細部に適合し、部品形状のパターンから金型材料を 取り外すのに十分な未処理強度も特徴とする半永久金型の製造方法と半永久金型 装置を提供する。本発明によって製造された半永久金型は、硬化の際、寸法安定 性を有し、注型プロセスを経済的に実行しながら非常に多くの注型に再使用する のに十分強い。また、この発明の半永久金型は、圧力浸透技術による非強化と強 化注型品の圧力浸透注型で使用可能である。 この発明の一つの態様によれば、高チャー樹脂と耐火物粉末を混合してプラス チックの成形用材料を造り、そのプラスチックの成形用材料を造形して未処理注 型品工具体を作り、そしてその未処理注型品工具体を加熱して高チャー樹脂をチ ャーに変え完成注型品工具にすることによって注型品工具を製造する方法が提供 される。 この発明の別の態様によれば、注型プロセスで使用される圧力に耐えるに十分 な高密度を特徴とし高チャー樹脂と耐火物粉末を含有する注型品工具装置が提供 される。 この発明の態様では、ゾルーゲルセラミック先駆物質と耐火物粉末を混合して プラスチックの成形用材料を造り、そのプラスチックの成形用材料を造形して未 処理注型品工具体を作り、そしてその未処理注型品工具体を加熱してゾルーゲル セラミック先駆物質をセラミックに変え完成注型品工具を製造することによって 注型品工具を製造する方法が提供される。 この発明の別の態様によれば、第１層と第２層を含みそれらの層が第１層と第 ２層の間に配置された抽出可能なコアで分離された連続的な強化繊維をさらに含 む予備形成品とそのような予備形成品を製造する方法が提供される。 最後にこの発明の別の態様は、予備形成品内で空所を分離するために溶融浸透 物で予備形成品を包囲する工程を有する圧力浸透プロセスが提供される。図面の簡単な説明 図１は、バインダー材料における異なる粒度の耐火物粉末の配合物の概略図で ある。 図２は、抽出可能なコア予備形成品の製造における連続モノフィラメント強化 材を包む工程の概略図である。 図３は、図２に示された包まれた連続モノフィラメント強化材上にバインダー スラリーを掻き取る工程の概略図である。 図４は、図３で示した掻き取り工程で塗布されたバインダー内に埋め込まれた 、図２の連続モノフィラメント強化材の単一層の概略断面図である。 図５は、図４に示した層を数層を有する抽出可能なコア予備形成品の概略断面 図である。 図６は、予備形成品の概略図である。 図７は、ワックス層内に入れられた図６の予備形成品の概略図である。 図８は、セラミック外囲金型材料によって包囲された図７のワックス射出成形 用金型の概略図である。 図９は、溶融浸透物で予備形成品を浸透する前に圧力浸透プロセスで用いた図 ７の金型の概略断面図である。 図１０は、溶融浸透物で予備形成品を浸透した後に、図９で示した圧力浸透プ ロセスの概略図である。 図１１は、金型壁と接触する予備形成品の詳細断面図である。発明の実施するための最良の形態 いくつかの態様を有するこの発明は、半永久注型工具と、永久金型注型、ダイ カストおよび圧力浸透注型で一般に用いられた機械加工黒鉛工具又は機械加工ス チール工具の製造より安い注型工具を製造する方法とを提供する。さらに、この 発明で提供された工具は、圧力浸透プロセスで使用できる。この発明の方法によ れば、そのような注型工具は、高チャー（ｃｈａｒ）樹脂を耐火物粉末と混合し て成形可能なプラスチック材料を形成し、その材料を未処理工具体に造形し、そ の未処理工具体を加熱して高チャー樹脂を炭素チャーに変え完成した注型工具を 形成することによって製造することができる。上記高チャー樹脂は、チャー歩留 りを特徴とすることができ、そのチャー歩留りは、この明細書と請求の範囲に用 いられているように、高チャー樹脂が分解する温度にその樹脂を加熱した後に残 る炭素量を言う。 例えば、プラスチック・エンジニアリング・カンパニ製の市販されている材料 ；Ｐｌｅｃｏ １１９６５（商標）液体樹脂は、比重が１．１７５ないし１．２ ３４０ｇ／ｃｃの無充填フェノール樹脂であり、１３５℃で３時間後、元の材料 の８１％ないし８６％すなわち略１ｇ／ｃｃの密度の固体に重合する。もしも揮 発物がなければ、Ｐｌｅｎｃ ｏ １１９６５（商標）液体樹脂は、２．２５ｇ ／ｃｃの密度を有する黒鉛に比べて４４％のチャー歩留りを有するということが できる。市販されている別の製品Ｐｌｅｎｃｏ ０５３５０（商標）は、黒鉛で 満たされ、１．７８ｇ／ｃｃの成形密度を有する。高炭化温度まで加熱すると、 密度は、１．７８８ｇ／ｃｃに上がり、１．７８８ｇ／ｃｃの密度の黒鉛密度に 比べて８０％のチャー歩留りと考えることができる。 樹脂の選択では、いくつかの要因を考慮する必要がある。得られた最終材料は 、約０．８５ないし約１．０の範囲の固体の容積率を有するように高チャー歩留 りが望ましいが、その材料は、加工性、成形性、粘性および稠度を持たなければ ならない。 約３０％ないし約９５％の範囲、より好適には、約４５％ないし約９０％の範 囲、最適には、約６０％ないし約９０％の範囲のチャー歩留りを有する樹脂がこ の発明の方法で使用するために適当である。高チャー樹脂は、フェノールホルム アルデヒド、フェノール樹脂、石油ピッチ、コールタール、ポリアクリロニトリ ルおよびフルフリルアルーコール誘導バインダーのような有機樹脂を含む。 高チャー樹脂は、耐火物粉末と混合される。耐火物粉末は、この明細書と請求 の範囲で用いられているように、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、窒化チタン 、炭化硼素、ムライト、珪酸アルミナ、黒鉛、アルミナ、ジルコニア、イットリ ア、シリカおよびそれらの混合物等の一般的に１０００℃以上の高融点温度を特 徴とする粉末材料をいう。耐火物粉末は、自立した未処理工具体を形成するのに 適当な稠度を有する固い混合物を形成するのに適当な耐火物粉末容積率で、高チ ャー樹脂と混合される。未処理工具体は、高チャー樹脂をチャーに変える加熱中 、高寸法安定性を維持する。その混合物の粘性は、溶剤を高チャー樹脂に添加す ることによってあるいは当業者が理解する別の手段で処理に必要なように調節す ることができる。 充填された耐火物粉末で一杯にならない容積率は、高チャー樹脂で一杯にされ 、その高炭化樹脂は、黒鉛粉末などの充填材をさらに含有することができる。例 示のために高チャー樹脂に対し６０％のチャー歩留りに仮定して高チャー樹脂が チャーに変化した場合、高チャー樹脂が占める０．４５の容積率は、元の０．４ ５の容積率のその樹脂の６０％のチャーで一杯になる。従って、高チャー樹脂を チャーに変えた後の高チャー樹脂と耐火物粉末の最終密度は、０．５５＋（０． ６０×０．４５）＝０．８２となる。特定の最終充填密度を得るためには、元も と存在する高チャー樹脂の容積率とそのチャー歩留りの双方を考慮に入れる必要 がある。高チャー樹脂の効果的なチャー歩留りは、樹脂を耐火物粉末と結合する 前に高チャー樹脂内に黒鉛充填材を含有させることによって増大することができ る。これらの技術を用いれば、従来入手可能な黒鉛工具の８５％−９０％になる 最終充填率を達成することができる。 耐火物粉末は、低熱膨張係数と高熱伝導率を有し、これらの望ましい特性を工 具体に与えることができる。従って、例えば、プロセス中、高度な寸法公差を維 持し、十分熱伝導性のある金型を製造することは、約７５Ｗ／ｍ−Ｋないし２５ ０Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の熱伝導率を特徴として調整された凝固が得られる。なお、 比較として、スチールは約４０−８０Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の熱伝導率である。例え ば、炭化珪素は、約４×１０^-6／Ｋの低熱膨張係数と１８０Ｗ／ｍ−Ｋの高熱伝 導率を有する。約３×１０^-6／Ｋないし約１０×１０^-6／Ｋの範囲の熱膨張係数 と約３０Ｗ／ｍ−Ｋないし約３００Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の熱伝導率を有する耐火物 粉末材料は、この発明の方法で使用するために適当である。 高チャー樹脂は、重合体を架橋させ固化する高チャー樹脂を炭素チャーに変え る加熱工程の前に半剛体を造る触媒と混合することもできる。例えば、Ｐｌｅｎ ｃｏ １１９６５（商標）樹脂をＰｌｅｎｃｏ １１７０４（商標）触媒、スル ホン酸、水および燐酸の混合物と混合して樹脂の固化を触媒する。その後、その 樹脂を１０００℃にゆっくり加熱することによりガラス質の炭素に変えた。また 、高チャー樹脂を加熱工程の早い段階で熱硬化することができる。 高チャー樹脂を加熱して炭素チャーに変える際に、樹脂を分解して得られ、ま た炭素への熱分解となる水、二酸化炭素および炭化水素などの揮発性物質は、未 処理工具体から除去される必要があるので、微細セルロースや木粉を高チャー樹 脂と耐火物粉末と混合することができる。加熱プロセス中でしかも高チャー樹脂 が炭素チャーに変わる前に、セルロースあるいは、木粉が燃えきる場合、セルロ ースあるいは木粉は、相互に結合された孔を残す。その孔は、変化している高チ ャー樹脂から揮発性物質を出すことができる。 成形し得るプラスチック材料は、例えば、油圧、射出成形、圧縮成形、注型に よる加圧のような成形技術を用いながらあるいは、パターンの周囲にその成形し 得るプラスチック材料を押しつけることにより造形することができる。 未処理工具体は、約８００℃ないし約２０００℃の範囲、より好適には、約８ ５０℃ないし約１７００℃の範囲、最適には約９００℃ないし約１５００℃の範 囲の温度に加熱することができる。その加熱工程は、炭素の酸化防止のため、真 空又は不活性雰囲気で行なうことができる。約８００℃の温度で高チャー樹脂変 化物は、主にガラス質炭素である。１２００℃以上の温度では、ガラス質炭素は 本質的に黒鉛化する。チャー材が黒鉛化すればする程、熱伝導率が上がる。高度 に黒鉛化したカーボンから造られた工具の熱伝導率が上がる。より高い熱伝導性 の工具は、金型から熱を急速に除去することになり、急速凝固速度になる。これ は工具を使用する注型プロセスを高生産性にする。 完成注型工具は、注型工具が造形部品を注型するための金型として用いること ができる永久金型注型、ダイカストあるいは圧力浸透注型などのプロセス中の圧 力に耐えるため、約６０％ないし約９５％、より好適には約６５％ないし約９５ ％、最適には約７５％ないし約９５％の範囲にある十分に高い密度を特徴として いる。この明細書と請求の範囲で用いられているように、用語「パーセント密度 」は、１００−空隙パーセントあるいは、同様に（１−空隙率）×１００をいう 。この発明は、上記方法と、上記特性を有する高チャー樹脂と耐火物粉末を含有 している注型工具装置によって製造された注型工具も提供する。さらに、耐火物 粉末それ自身は、第１耐火物粉末粒度を特徴とする第１耐火物粉末と第２耐火物 粉末粒度を特徴とする第２耐火物粉末のブレンド（配合物）でもよい。その配合 物は、図１に概略的に示したように所定の容積率を与えるように選択することが できる。その容積率では、−８０ないし＋１００メッンュ（１７７−１４９ミク ロン）セラミック粉末１０の２容積部が、−３２５ないし＋４００メッシュ（４ ４−３７ミクロン）セラミック粉末１２の１容積部と高チャー樹脂１．５容積部 とで混合されている。高チャー樹脂部には６００メッシュ（１５ミクロン）の黒 鉛粒子が添加されており、約０．５０容積率黒鉛を有する配合物になる。そのよ うな配合物は、８５％ないし９０％の稠度の炭化複合物になることができる。こ の発明はゾルーゲルセラミック先駆物質を耐火物粉末と配合して成形し得る材料 を形成する工程と、その成形し得る材料を造形して未処理工具体を形成する工程 と、そしてその未処理工具体を加熱してゾルーゲルセラミック先駆物質をセラミ ックに変え、完成注型工具を造る工程を有する圧力浸透工具を製造する方法を提 供する。ゾルーゲルセラミック先駆物質は、アルミナ、ジルコニアあるいはシリ カゾルーゲル先駆物質などの先駆物質でよく、また耐火物粉末は、炭化珪素、窒 化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭化硼素、ムライト、珪酸アルミナ、黒鉛、 アルミナ、ジルコニア、イットリア、シリカおよびそれらの混合物などの粉末で よい。ゾルーゲルセラミック先駆物質の容積率と結合された耐火物粉末の容積率 は、選択によって、特定の注型プロセスの要求を満たすのに必要な所定の熱伝導 率、熱膨張係数および密度を有する注型工具にすることができる。なお、特定の 注型プロセスではその注型工具が使用される。ゾルーゲルセラミック先駆物質を セラミック適当に変えるために必要な加熱条件は、ゾルーゲル化学の当業者によ り決められる。 ゾルーゲル先駆物質と耐火物粉末を含有する成形し得るプラスチック混合物は 、例えば、油圧、射出成形、圧縮成形、注型による加圧のような成形技術を用い ながらあるいは、パターンの周囲にその成形し得るプラスチック材料を押しつけ ることにより造形することができる。 この発明は、第１層（プライ）および第２層を有する予備成形品を提供するも のであり、各層は各々さらに連続強化繊維を有し、層間に配置された抽出可能な コアで分離される。この明細書と請求の範囲に用いたように、プライ（層）は、 略一定間隔で平面に配された連続強化繊維の層を示している。コアは、溶解可能 なので注型プロセスが完了し、最終仕上げ加工の前に、抽出される。 第１層と第２層は連続強化繊維と混合したバインダーも含有することができる 。この明細書と請求の範囲に用いたように、用語、連続強化繊維は、その層の１ 端から他端までほとんどの部分で連続である繊維を示している。その糸は破れた 繊維をわずかに含んでもよいが、短いか刻まれた繊維、ホイスカーや粒子のよう な不連続補強材と異なり、破れた繊維は、小数である。平均長さ対直系比（１／ ｄ）として知られたパラメーターが、連続補強材を不連続補強材を区別するため に時々用いられる。繊維が互いに並行に配置されていると仮定すれば、複合材料 力学で一般に使われるせん断遅れ方程式で定義されたように、３０より大の１／ ｄを有する繊維は、それら繊維が連続的に強化されるように機械的に挙動する。 連続強化繊維は、炭化珪素、炭化硼素、炭化チタン、ゾルーゲル誘導アルミナ、 サファイヤ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ），イットリアーア ルミナ共融および硼素含有モノフィラメントおよびそれらの混合物などのモノフ ィラメント連続強化繊維と、酸化アルミニウム、有機金属誘導炭化珪素、有機金 属誘導窒化珪素、ピッチ基黒鉛、有機金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニトリ ル基マルチフィラメントトウ（束）およびそれらの混合物などのマルチフィラメ ントトウ連続強化繊維を含む。 バインダーは、１００℃ないし６５０℃の範囲、より好適には、２００℃ない し４５０℃の範囲、最適には、２５０℃ないし３５０℃の範囲の温度で揮発する 材料でよく、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリビニルアルコールあるいはトリ メチルブタノールなどの重合体（ポリマー）でよい。そのバインダーは、真空あ るいは不活性雰囲気で揮発される。アクリル樹脂は、ポリメチルメタクリレート 、アクリル酸、３−クロローシスアクリル酸および３−（２フリル）トランスア クリル酸でよい。さらに、バインダーは、トルエン、エタノール、メタノール、 アセトンあるいはエーテルなど０℃ないし２００℃の範囲、より好適には、２０ ℃ないし１５０℃の範囲、最適には、３０℃ないし１００℃の範囲の温度で揮発 させることができる有機溶媒を含むことができる。混成材料は、二硼化チタン、 酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化硼素、炭化珪素、窒化珪素、炭化チ タン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭 化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウムあるいは窒化ハフニウムセラミック粉末 であり、あるいは、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，ＮｂあるいはＴａなどの金属粉末あるいは それらの混合物である。 抽出可能な予備形成品のコア材料は、合金および超合金マトリックス複合物の 製造に用いられた工程温度に耐えることができる材料であり、抽出されて完成し た注型複合物部品にチャンネルや空隙を残すことが可能なように溶媒に溶ける。 抽出可能なコアは、水性溶媒あるいは溶融苛性アルカリに溶かすことができ、酸 化カルシウム。シリカ、アルミナ、又は珪酸アルミニウムなどの耐火物材料が挙 げられる。抽出可能なコア材料は、連続的な平面材料あるいは丸いロッド状又は バー状の形をしたばらばらの粒子で供される。 予備形成品を製造する方法は、図２ないし図１１に概略的に示すように、少な くとも２つの強化層を設ける工程と、２層間に抽出可能なコア材料を配置する工 程を有する。連続繊維強化材２０が供給スプール２２から解かれ、矢印２６で示 された方向にマンドレル２４に巻かれ図２に示したように強化マットを形成する 。バインダー３０は、図２の９−９断面図である図３に示したように、矢印２６ の方向にマンドレルが回転する際、ゴムのドクターブレード３２を使用しながら 強化マット２８に適用される。バインダーが強化マット２８と結合されると、図 ４に示したようにバインダー３０と連続繊維強化材２０からなる単層を含む強化 層４０が製造される。強化層４０は、モノフィラメントの１列かあるいはマルチ フィラメントトウの１例でよい。強化層４０がモノフィラメントを有するならば 、充填材か混成材料がそれらを定位に保持するために必要である。マルチフィラ メントトウは、「自己容積化体」であり、巻きつけ工程によって、あるいは繊維 容積率が０．５５のオーダーより十分に高いならばクランプで簡単に定位に保持 することができる。抽出可能なコアは、適所に配されるロッドでよく、所定の厚 さの層が適所に配され積層され、予め取付けられたコア間に充填される。 その結果得られた予備形成品５０は、バインダー３０と連続繊維強化材２０と で囲まれた抽出できる酸化カルシウムのコア５２を有する。抽出可能なコアは、 溶融シリカのような別のセラミック材料から造ることも可能である。酸化カルシ ウムコアは、水で抽出でき、溶融シリカコアは、苛性アルカリの所定の融点にな るように選択したＮａＯＨ，ＫＯＨ，ＣａＯＨあるいはそれらのブレンド（配合 物）などの溶融苛性アルカリ、すなわち、ＮａＯＨ，ＫＯＨ，ＣａＯＨあるいは それらのブレンドなどの高温水性苛性アルカリであるいはフッ化水素酸浴で抽出 することができる。 強化複合物の圧力浸透注型の方法と装置も同様に提供される。この方法の１工 程によれば、空になった予備成形品は、その空所を隔離するために溶融浸透材で 包囲される。その浸透材は、ＮｉＡｌ，Ｎｉ₃Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ａｌ基合金、Ｍ ｇ基合金、Ｃｕ基合金、Ｚｎ基合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金ある いはステンレスチールなどの合金でよい。 圧力浸透法は、炭化珪素、炭化硼素、炭化チタン、ゾルーゲル誘導アルミナ、 サファイヤ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ），イットリアーア ルミナ共融および硼素含有モノフィラメントなどのモノフィラメント連続強化繊 維、あるいは酸化アルミニウム、有機金属誘導炭化珪素、有機金属誘導窒化珪素 、ヒッチ基黒鉛、有機金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニトリル基マルチフィ ラメントトウ（束）あるいはバインダーと結合されたそれらの混合物を含有する 予備形成品を用いることができる。炭化珪素、炭化硼素、炭化チタン、ゾルーゲ ル誘導アルミナ、サファイヤ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ） ，イットリアーアルミナ共融および硼素含有モノフィラメント、および酸化アル ミニウム、有機金属誘導炭化珪素、有機金属誘導窒化珪素、ピッチ基黒鉛、有機 金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニトリル基マルチフィラメントトウおよびこ れらの混合物などの連続強化繊維は、バインダーと、二硼化チタン、酸化アルミ ニウム、酸化イットリウム、窒化硼素、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、炭化 ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化硼素、窒 化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｎｂ、Ｔａあ るいはそれらの混合物などの粒状補強材とで結合して混成予備形成品を造ること もできる。その予備形成品は、適当な溶媒中で溶融し、通常、機械加工前に完成 した注型品に空隙を造る抽出可能な層を有することができる。 この方法は、図６の上面図に示されたように、連続強化繊維２０とバインダー ３０から造られた予備形成品６０をアルミナ布（クロス）などの柔軟な耐火物材 料６２で包む工程を有することができる。柔軟な耐火物材料６２は、もしも強化 層が酸化に敏感であれば、完成した注型品外面の強化層を酸化から保護する。 予備形成品６０は、摩擦嵌合により適当な位置で保持するか、高温ロウで接着 されたスペーサ７２でロウ射出金型７０内に吊るされ、ロウ射出金型７０と予備 形成品６０の間で隙間をつくる。スペーサ７２は、図７に示すように、ロウ射出 開口７１を通してロウ射出金型７０内に射出されるロウ層７４に埋め込まれる。 スペーサは、圧力浸透工程温度に耐えることができ、浸透物に対して不活性であ る耐火物から造ることが可能であり、アルミナ、イットリア、カルシア、シリカ あるいはニッケル金属などの金属又は濡れ性のセラミック材料でよい。 次に、予備形成品６０は、ロウ射出金型７０から外され、外囲金型が、図８に 示すように、外囲コンパウンド層７６を有する皮膜ロウ層７４により直接ロウ層 ７４の周囲に形成することができる。外囲コンパウンドは、溶融浸透物と両立で きる外囲コンパウンドであれば全て可能である。典型的な外囲注型コンパウンド は、フリット、シリカ、粘土などを有する商標登録された配合物を有する。外囲 注型コンパウンドは、アルミナ対シリカ、純粋なアルミナ対純粋なシリカ、ムラ イトおよびジルコン砂の様々な比のアルミナシリケートを有して外囲注型コンパ ウンドの所定の耐火物特性を有することもできる。アルミナ含有量が増せば増す 程、そのコンパウンドの耐火性も増す。外囲注型コンパウンドバインダーは、コ ロイド状シリカ、珪酸エチル、珪酸ナトリウムおよびゾルーゲルアルミナ、ジル コニアおよび前述の化合物をベースにしたコロイド状材料を含むことができる。 図８に示した外囲金型形状は、ロウ層とバインダーが溶融され、空になり、外 囲金型にスペーサで吊られた金型を残すように加熱される。 図９と図１０は、圧力浸透プロセスでの外囲金型の使用を示す。図９に示すよ うに、外囲金型９０は、空容器９２内に配置され、浸透物材料９６の融点以上の 温度に加熱される。フィルター（ろ過装置）９８は、加圧工程前に溶融浸透物材 料９６が予備形成品６０内に早期に入らないように防止する。しかしながら、溶 融浸透物層１００は、ロウ層を除去して残ったスペースで予備形成品６０を包囲 する。溶融浸透物は、多数の方法でフィルターを通り抜けることができる。フィ ルターは、濡れないセラミックから造られ、溶融浸透物材料が金型を通るが予備 形成品内には入れないわずかな圧力がかけられるまで、その材料の流れを防止す る。金型材料面は、コロイド状でガラス化したアルミナあるいは珪酸アルミナで 密閉して、低温で外囲材料からのガスの通過を防止する。 また、重力で溶融浸透物を予備形成品周囲にに流し込み包囲させる粗なフィル ターも設けることができる。そのようなフィルターは、溶融浸透物からフィルタ ーかすに寄与するだけであろう。 溶融浸透物層は、予備形成品における空隙を隔離する働きをする。 図１０は、圧力容器１１０における外囲金型９０を示す。圧力容器１１０は、 加圧ガス入り口１１２を通して加圧ガスを導入することによって加圧される。加 圧ガスは、矢印１１４で示された方向に力をかける。その力によってすでに溶融 した浸透物９６はフィルター９８を通り、空になった予備形成品６０内に入り込 む。すでに説明した浸透プロセスが完了した後、外囲金型９０は、矢印１１６で 示される方向に冷却ゾーン内へ下ろされ、方向凝固を行なうことができ、溶融浸 透物が凝固する。この発明で提供された全ての金型は、注型されている溶融材料 が金型に対してかける圧力に耐えることができる。予備形成品６０が柔軟な耐火 物層６２で包囲されている領域１２０は、図１１で詳細に示すように、凝固後、 外囲金型９０と接触する。図１１では、浸透済の予備形成品６０は、柔軟な耐火 物層６２により溶融浸透物層１２２と分離している。この発明の金型は、コロイ ド状の黒鉛又は窒化硼素などの離型材で覆うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 注型工具を製造する方法であって、 （１）高チャー樹脂を用意する工程と、 （２）耐火物粉末を用意する工程と、 （３）前記高チャー樹脂を耐火物粉末と混合して成形可能なプラスチック材料 を形成する工程と、 （４）前記成形可能なプラスチック材料を造形して未処理工具体を形成する工 程と、 （５）前記未処理工具体を加熱して高チャー樹脂をカーボンチャーに変えて前 記注型工具を形成する工程を有する注型工具を製造する方法。 ２． 前記高チャー樹脂が、工程（４）で造形し、工程（５）の加熱後、約０ ．８５ないし約１．０の容積率の範囲の固体含有量を有するための成形可能な材 料を形成するように選択される請求項１の方法。 ３． 前記高チャー樹脂は、フェノールホルムアルデヒド、フェノール樹脂、 石油ピッチ、コールタール、ポリアクリロニトリルおよびフルフリルアルーコー ル誘導バインダーからなる群から選択された高チャー樹脂である請求項２の方法 。 ４． 前記耐火物粉末容積率は、約０．４５ないし約０．８５の範囲、より好 適には約０．５０ないし約０．８０の範囲、および最適には約０．５５ないし約 ０．７５の範囲にあり、残りは、耐火物樹脂とそれらの混合物からなる群から選 択される請求項２の方法。 ５． 工程（３）は、耐火物容積率を前記高チャー樹脂と混合して、前記未処 理工具体の工程（５）中に高寸法安定性を特徴とする自立した未処理工具体を形 成する固い混合物を形成する工程をさらに有する請求項１の方法。 ６． 耐火物粉末は、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭化硼 素、ムライト、珪酸アルミナ、黒鉛、アルミナ、ジルコニア、イットリア、シリ カおよびそれらの混合物からなる群から選択された耐火物粉末である請求項４の 方法。 ７． 前記耐火物粉末は、低熱膨張係数と高熱伝導率をさらに特徴とする請求 項１の方法。 ８． 前記成形し得るプラスチック材料の造形工程（４）は、加圧、射出成形 、圧縮成形、注型および押し込みからなる群から選択された成形技術を用いて達 成される請求項１の方法。 ９． 前記成形し得るプラスチック材料は、前記未処理工具体を、約８００℃ ないし約２０００℃の範囲、より好適には、約８５０℃ないし約１７００℃の範 囲、最適には約９００℃ないし約１５００℃の範囲の温度にさらに加熱する請求 項１の方法。 １０． 前記注型工具は、注型圧力に耐えるのに十分な密度を特徴とする請求 項１の方法。 １１． 請求項１の方法によって製造された注型工具。 １２． （１）高チャー樹脂と、 （２）耐火物粉末を有する注型圧力に耐えるのに十分な高密度を特徴とする注 型工具装置。 １３． 前記高チャー樹脂が、造形可能で成形し得る材料を形成し且つ該注型 装置で約０．８５ないし約１．０容積率の範囲の固体含有量を製造するように選 択される請求項１２の装置。 １４． 前記高チャー樹脂は、フェノールホルムアルデヒド、フルフリルアル ーコール誘導バインダーフェノール樹脂、石油ピッチ、コールタール、およびポ リアクリロニトリルからなる群から選択された高チャー樹脂である請求項１３の 装置。 １５． 前記耐火物粉末は、約０．５０ないし約０．８５の範囲、より好適に は約０．５５ないし約０．８０の範囲、および最適には約０．５５ないし約０． ７５の範囲の容積率にある請求項１３の装置。 １６． 前記耐火物粉末は、第１耐火物粉末粒度を特徴とする第１耐火物粉末 と第２耐火物粉末粒度を特徴とする第２耐火物粉末の配合物であり、前記第１耐 火物粉末粒度は、前記第２耐火物粉末粒度より大きい請求項１５の装置。 １７． 耐火物粉末は、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭化 硼素、ムライト、珪酸アルミナ、黒鉛、アルミナ、ジルコニア、イットリア、シ リカおよびそれらの混合物からなる群から選択された耐火物粉末である請求項１ ５の装置。 １８． 前記高密度は、約６０％ないし約９５％の範囲、より好適には約６５ ％ないし約９５％の範囲、最適には約７５％ないし約９５％の範囲にある請求項 １２の装置。 １９． （１）ゾルーゲルセラミック先駆物質を用意する工程と、 （２）耐火物粉末を用意する工程と、 （３）前記ゾルーゲルセラミック先駆物質を前記耐火物粉末と配合して成形し 得るプラスチック材料を形成する工程と、 （４）前記成形し得るプラスチック材料を造形して未処理工具体を形成する工 程と、 （５）前記未処理工具体を加熱してゾルーゲルセラミック先駆物質をセラミッ クに変え、完成注型工具を造る工程を有する注型工具の製造方法。 ２０． 前記ゾルーゲルセラミック先駆物質は、シリカ、ジルコニアおよびア ルミナゾルーゲル先駆物質からなる群から選択される請求項１９の方法。 ２１． 前記成形し得るプラスチック材料の造形工程（４）は、加圧、射出成 形、圧縮成形、注型および押し込みからなる群から選択された成形技術を用いて 達成される請求項１９の方法。 ２２． 前記耐火物粉末は、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、窒化チタン、 炭化硼素、ムライト、珪酸アルミナ、黒鉛、アルミナ、ジルコニア、イットリア 、シリカおよびそれらの混合物からなる群から選択される請求項１９の方法。 ２３． 請求項１９の方法のよって製造された注型工具装置。 ２４． （１）連続強化繊維を有する第１層と、 （２）連続強化繊維を有する第２層と、 （３）前記第１層と前記第２層間に配置された抽出可能なコアを有する予備形 成品。 ２５． 前記第１層と前記第２層は、さらにバインダーを有する請求項２４の 予備形成品。 ２６． 前記連続強化繊維は、炭化珪素、炭化硼素、炭化チタン、ゾルーゲル 誘導アルミナ、サファイヤ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）， イットリアーアルミナ共融および硼素含有モノフィラメントおよびそれらの混合 物からなる群から選択されたモノフィラメント連続強化繊維である請求項２５の 予備形成品。 ２７． 前記連続強化繊維は、酸化アルミニウム、有機金属誘導炭化珪素、有 機金属誘導窒化珪素、ピッチ基黒鉛、有機金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニ トリル基マルチフィラメントトウ（束）およびそれらの混合物からなるマルチフ ィラメントトウ連続強化繊維である請求項２５の予備形成品。 ２８． 前記バインダーは、１００℃ないし６５０℃の範囲、より好適には、 ２００℃ないし４５０℃の範囲、最適には、２５０℃ないし３５０℃の範囲の温 度で揮発する材料である請求項２５の予備形成品。 ２９． 前記バインダーは、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリビニルアルコ ールおよびトリメチルブタノール揮発性有機化合物からなる群から選択されたポ リマーである請求項２８の予備形成品。 ３０． 前記アクリル樹脂は、ポリメチルメタクリレート、アクリル酸、３− クロロ−シスアクリル酸および３−（２フリル）トランスアクリル酸からなる群 から選択されたアクリル樹脂である請求項２８の予備形成品。 ３１． 前記バインダーは、０℃ないし２００℃の範囲、より好適には、２０ ℃ないし１５０℃の範囲、最適には、３０℃ないし１００℃の範囲の温度で揮発 させることができる有機溶媒を含む請求項２５の予備形成品。 ３２． 前記有機溶媒は、トルエン、エタノール、メタノール、アセトンおよ びエーテルからなる群から選択された有機溶媒である請求項３１の予備形成品。 ３３． 前記バインダーは、さらに混成材料を有する請求項２５の予備形成品 。 ３４． 前記混成材料は、二硼化チタン、酸化アルミニウム、酸化イットリウ ム、窒化硼素、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフ ニウム、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニ ウム、窒化ハフニウムおよびそれらの混合物からなる群から選択されたセラミッ ク粉末である請求項３３の予備形成品。 ３５． 前記混成材料は、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，ＮｂおよびＴａからなる群から選 択された金属粉末である請求項３３の予備形成品。 ３６． 前記抽出可能なコアは、合金および超合金マトリックス複合物の製造 に用いられた工程温度に耐えることができる耐火物材料であり、前記耐火物材料 は、溶媒中で可溶である請求項２４の予備形成品。 ３７． 前記溶媒は、水性溶媒である請求項３６の予備形成品。 ３８． 前記溶媒は、溶融苛性アルカリ溶媒である請求項３６の予備形成品。 ３９． 前記耐火物材料は、酸化カルシウム。シリカ、アルミナ、および珪酸 アルミニウムからなる群から選択された耐火物材料である請求項３６の予備形成 品。 ４０． 前記抽出可能なコアは、連続的な平面の抽出可能なコア材料である請 求項２４の予備形成品。 ４１． 前記抽出可能なコア材料は、主にばらばらの粒子からなる請求項２４ の予備形成品。 ４２． （１）第１および第２強化層を用意する工程と、 （２）抽出可能なコアを用意する工程と、 （３）前記抽出可能なコアを前記第１および第２強化層間に配置して前記予備 形成品を形成する工程を有する予備形成品を製造する方法。 ４３． 少なくとも２つの連続強化繊維とバインンダーを用意する工程と、前 記バインダーを前記少なくとも２つの連続強化繊維に適用して前記少なくとも２ つの連続強化繊維を保持して単層を形成する工程と、前記単層から強化層を切断 する工程をさらに有する請求項４２の方法。 ４４． 前記単層は、前記少なくとも２つの連続強化繊維をマンドレルの周囲 に巻き付けそして前記バインダーを前記少なくとも２つの連続強化繊維上に調節 塗布することによって形成する請求項４３の方法。 ４５． 圧力浸透注型方法であって、 （１）予備形成品を製造する工程と、 （２）溶融浸透物を用意する工程と、 （３）予備形成品金型を製造する工程と、 （４）前記予備形成品を前記予備形成品金型に配置する工程と、 （５）前記予備形成品と前記予備形成品金型を空にする工程と、 （６）前記予備形成品に空隙を隔離するために前記溶融浸透物が前記予備形成 品に浸透しないように、前記予備形成品を前記溶融浸透物で包囲する工程と、 （７）前記予備形成品に前記溶融浸透物を浸透させて浸透された予備形成品を 形成する工程と、 （８）前記浸透された予備形成品を凝固して完成注型品を形成する工程と、 （９）前記完成注型品を前記予備形成品金型から取り除く工程を有する圧力浸 透注型方法。 ４６． 前記予備形成品を製造する工程（１）は、炭化珪素、炭化硼素、炭化 チタン、ゾルーゲル誘導アルミナ、サファイヤ、イットリウムアルミニウムガー ネット（ＹＡＧ）、イットリアーアルミナ共融および硼素含有モノフィラメント および酸化アルミニウム、有機金属誘導炭化珪素、有機金属誘導窒化珪素、ピッ チ基黒鉛、有機金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニトリル基マルチフィラメン トトウ（束）およびそれらの混合物からなる群から選択された連続強化繊維を用 意し、前記連続強化繊維をバインダーと結合する工程をさらに有する請求項４５ の方法。 ４７． 前記予備形成品を製造する工程（１）において、炭化珪素、炭化硼素 、炭化チタン、ゾルーゲル誘導アルミナ、サファイヤ、イットリウムアルミニウ ムガーネット（ＹＡＧ），イットリアーアルミナ共融および硼素含有モノフィラ メント、および酸化アルミニウムモノフィラメント、有機金属誘導炭化珪素、有 機金属誘導窒化珪素、ピッチ基黒鉛、有機金属誘導炭化チタン、ポリアクリロニ トリル基マルチフィラメントトウおよびこれらの混合物からなる群から選択され た連続強化繊維と、二硼化チタン、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化 硼素、炭化珪素、窒化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、 炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒 化ハフニウム、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａおよびこれらの混合物からなる群か ら選択された粒状補強材をバインダーと結合して混成予備形成品を造る請求項４ ５の方法。 ４８． 前記予備形成品に抽出可能な相を備える工程と、前記抽出可能な相を 溶媒中で溶融することにより前記抽出可能な相取り除き空隙を形成する工程をさ らに有する請求項４５の方法。 ４９． 前記溶融浸透物を用意する工程（２）において、前記溶融浸透物は、 ＮｉＡｌ，Ｎｉ₃Ａｌ，ＴｉＡｌ，Ａｌ基合金、Ｍｇ基合金、Ｃｕ基合金、Ｚｎ 基合金、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金あるいはステンレスチールからな る群から選択される請求項４５の方法。 ５０． 前記予備形成品は、強化相をさらに有し、前記完成注型品は、完成注 型品外面をさらに有し、そして前記予備形成品を柔軟な耐火物材料で巻いて完成 注型品外面での酸化から前記強化相保護する工程をさらに有する請求項４５の方 法。 ５１． ロウ射出金型を用意し、前記ロウ射出金型内でスペーサを付けて前記 予備形成品を吊るし、前記予備形成品と前記ロウ射出金型間に隙間を形成する工 程をさらに有する請求項４５の方法。 ５２． 前記予備形成品の周りにロウを射出し、前記予備形成品と前記ロウ射 出金型間の前記隙間をロウ層で充填する工程をさらに有する請求項５１の方法。 ５３． 前記ロウ層を外皮材料で被覆することによって前記ロウ層の周りに外 皮金型を形成する工程をさらに有する請求項５２の方法。 ５４． 前記予備形成品は、バインダーをさらに有し、そして前記予備形成品 と前記外皮金型を加熱して前記ロウ層と前記バインダーを除去して前記予備形成 品が前記予備形成品金型内で前記スペーサにより吊るされる請求項５３の方法。 ５５． 前記外皮金型と前記予備形成品を空にする工程と、前記溶融浸透物を 前記予備形成品と前記ロウ射出金型間の前記隙間に流し込ませるのに十分な第１ 圧力をかける工程をさらに有する請求項５４の方法。 ５６． 前記予備形成品に浸透させる工程（７）は、前記溶融浸透物を前記予 備形成品に浸透させるのに十分な第１圧力をかける工程をさらに有する請求項５ ５の方法。 ５７． 前記完成注型品を前記予備形成品金型から取り除く工程（９）の後、 前記予備形成品金型を再使用する工程をさらに有する請求項４５の方法。 ５８． 圧力浸透注型中に予備形成品を保持するための装置であって、 （１）外皮金型の内面金型壁面と外皮金型の外面金型壁面を有する外皮材料金 型と、 （２）前記外皮金型の内面金型壁面を前記予備形成品から分離するチャンネル と、 （３）前記予備形成品を前記外皮金型内で吊るために、前記外皮金型の内面金 型壁面を前記予備形成品間の前記チャンネル内に配置されたスペーサを備えた装 置。 ５９． 前記チャンネルは、圧力浸透中に前記装置を加熱することによって空 にされるロウ層をさらに有する請求項５８の装置。