JPH10258336A - 消失模型塗型の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消失模型鋳造における塗型の乾燥時間を大幅
に短縮して、生産性を画期的に高めるとともに、所要の
強度と通気度を兼ね備えた塗型を使用して鋳造品の性質
を向上させる。 【解決手段】 発泡樹脂模型の表面に、有機樹脂接着剤
の溶液に骨材としてセラミック粉末を混和したスラリを
塗布し、生塗型をマイクロ波により急速乾燥する操作
を、１回または複数回繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、消失模型鋳造法に
よる鋳物の製造に際して用いる消失模型塗型の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】消失模型鋳造法は比較的新しく開発され
た鋳造技術であるが、すでに10数年も前から少量生産の
大型鋳物から大量生産される自動車部品、電機部品など
の小型鋳物まで、広い分野に亘って利用されている。同
法では発泡樹脂模型を造り、その表面をセラミックスの
塗型により被覆・乾燥した後、模型を乾燥砂の中に埋没
させた状態で注湯する。模型は高温の溶湯に曝されて気
化して消失し、そのとき生じたガスが塗型を透過して鋳
型外へ逃げると同時に、置き換えの形で溶湯が充填され
て鋳造が行われる。

【０００３】消失模型鋳造法において最も重要な役目を
果たすのは塗型である。塗型の所要特性はいろいろであ
るが、その中で特に大切な性質は塗型膜の所定の強度と
通気度の確保である。塗型に強度が必要なのは模型を鋳
型の砂に埋没させる場合に変形を起こさぬためである。
一方通気度を必要とする理由は、鋳造時に熱分解により
多量に発生するガスを鋳型外へ逃すためである。

【０００４】塗型の材料は製品の形状、寸法によって多
少異なるが、接着剤の溶液に骨材としてセラミックスの
粉粒を混合して造ったスラリである。塗型の製造方法は
このスラリを発泡模型に吹付けにより塗布するか、模型
をスラリ中に浸漬した後引き上げて余分の液を振り切
る。次に乾燥させて水分または溶剤を完全に除去して初
めて塗型が仕上がる。なお、本明細書では浸漬の場合も
含めて、スラリを模型に「塗布」するという。

【０００５】塗型の乾燥について従来の方法では、自然
乾燥に近い方法で長時間かけて行っていた。ただ多少乾
燥を促進するために除湿した温風を送ったりしている
が、それでも乾燥に要する時間は10時間以上、場合によ
ってはほぼ丸１日かかっているのが現状である。製品が
大形で少量生産の場合には、乾燥に長時間を要してもコ
ストに対する影響が小さい。しかし自動車部品などの量
産鋳物では、そのように長い乾燥時間が生産性向上を阻
害し、消失模型鋳造法の普及を妨げる最大の障壁であっ
た。

【０００６】一般に乾燥を促進するには温度を上昇させ
ればよい。しかし消失模型は使用樹脂の軟化温度が低
く、乾燥温度を50℃以上に高めると熱変形を起こす。し
たがって温度を上げて乾燥を促進することができない。
また除湿した乾燥風を用いたとしても、消失模型を使っ
て鋳造する製品の多くが中子形状をもつため、空洞内面
の乾燥には効果が薄い。

【０００７】一方、塗型の強度と通気度はその厚みによ
って大きく影響される。この点、従来の技術では塗型の
厚み調節を専ら、塗型材の模型面への付着量の加減に頼
り、また付着量の加減は塗型材の粘度の増減により行っ
ていた。しかしこのやり方では、粘度が増すと厚さは厚
くなるが均一塗布が困難になり、反対に、粘度を減らす
と塗型膜が薄くなり過ぎる。重ね塗りをすれば厚みを増
すことができるが、乾燥時間がさらに大幅に延びるため
に、実用にはならない。

【０００８】いずれにしても塗型の乾燥工程は、消失模
型鋳造法の全工程の中で最も滞留時間が長く、大幅な短
縮の必要性が認められ、そのための改善策が模索されな
がら今日まで妙案がなかったのが現状である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ここに本発明の課題
は、従来の消失模型鋳造法において長時間を要した塗型
の乾燥方法に代わるものとして、塗型の全く新しい乾燥
方法を提供し、生産性の画期的向上のみならず、塗型の
性質を大幅に改良することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】ここに、本発明は、発泡
樹脂模型の表面に、接着剤に骨材としてセラミック粉末
を混ぜて得たスラリを塗布した後、得られた塗型をマイ
クロ波照射により急速乾燥することを特徴とする消失模
型塗型の製造方法である。

【００１１】すなわち、本発明は塗型をマイクロ波によ
り加熱・乾燥することに本質的特徴を有するのである。
一般に乾燥にマイクロ波照射を利用することは、周知の
技術である。それにもかかわらずマイクロ波乾燥技術が
今日まで、消失模型塗型の乾燥に応用されたことはなか
った。その理由は、次のように考えられる。

【００１２】発泡樹脂として広く使用されているポリス
チレンは、軟化温度が低いから、模型を50〜60℃以上の
温度に加熱されると変形する。しかし幸いマイクロ波に
対する損失係数が非常に小さいという特徴をもつから、
マイクロ波照射しても模型本体はほとんど加温されな
い。一方模型に塗布する塗型剤は、水溶性の接着剤にセ
ラミックスの微粉を懸濁させたもので、未乾燥の生塗型
はマイクロ波を非常によく吸収して発熱する。そのため
に蒸発が起こり、塗型が乾燥するが、その場合塗型の温
度が発泡模型の軟化温度を越える恐れがある。もし塗型
がそのような温度まで加熱されると、たとえ模型の内部
には変形などの狂いを生じなくとも、模型表面に膨れ現
象を起こす。したがってマイクロ波乾燥は消失模型塗型
に利用困難と考えられたのであろう。

【００１３】ここに本発明者は、マイクロ波照射により
塗型を乾燥する場合、塗型の温度上昇を防ぐには、水の
蒸発による吸熱反応を利用すればよいことを発見した。
すなわちマイクロ波による発熱と蒸発潜熱による吸熱を
平衡させれば、加温なしに塗型の乾燥ができることを見
い出した。そのためには２通りの方法があり、その１つ
はマイクロ波発振機出力を低く制御する方法である。し
かし出力を低くすれば、当然の結果として乾燥が遅くな
り、本発明の目的である急速乾燥ができなくなる。

【００１４】もう１つの方法は塗型を水蒸気が逃げ易い
ような状態にすることである。一般にある厚みをもつ塗
型にマイクロ波を照射すると、塗型層の表面と内部にお
いて同時に発熱し蒸発が起こる。しかし水蒸気は模型方
向には逃げられないから、深部に発生した水蒸気は表面
に向かって逃げようとする。もし塗型層の通気性がよ
く、水蒸気が自由に逃げられると、蒸発潜熱が持ち去ら
れて塗型の温度が上昇しない。これに対し、もし塗型層
の通気性が低く、水蒸気の逃げが悪いと、塗型の温度が
急上昇する現象が見られる。したがって消失模型塗型の
乾燥にマイクロ波照射を利用するには、通気性のよい塗
型を模型表面に施すことが、何よりも必要である。

【００１５】一般に消失模型塗型の通気性は塗型膜の厚
みに逆比例する。よって塗型膜を薄くして通気性をよく
することは容易である。しかし消失模型鋳造では、鋳造
に先立ち模型を砂中に埋めて鋳型を造る工程があり、そ
の際模型の変形を防ぐために、塗型に模型補強の役目を
果たせるだけの強度が求められている。さらに塗型の通
気性が良過ぎると、溶湯に流入速度が速くなり過ぎて、
気化ガスの発生と排気のバランスが破れ、背圧が高くな
って逆流が起こったり、吹かれのため鋳込がうまく行か
ない。したがって塗型膜の厚みを単に薄くすることは、
鋳物の形状、寸法によっては困難である。

【００１６】マイクロ波照射によって塗型を急速乾燥す
るには、塗型膜を薄くしなければならないが、それでは
肝心の消失模型鋳造が難しくなるという難問を解決する
ために着想されたのが本発明である。

【００１７】ここに、本発明は、その別の面において
は、発泡樹脂模型の表面に、接着剤のコロイド溶液に骨
材としてセラミック粉末を混合して得たスラリの塗布を
行い、得られた塗型のマイクロ波照射による急速乾燥を
行って乾燥塗型とし、次いで、この得られた塗型の上
に、上記スラリまたは別種のスラリの塗布およびマイク
ロ波照射による急速乾燥を少なくとも１回繰り返すこと
を特徴とする消失模型塗型の製造方法である。

【００１８】従来、消失模型塗型膜の厚みの加減は、も
っぱらスラリの粘度の調節に頼ってきた。厚みを増すた
めには、粘りのある濃厚溶液に模型を浸漬する。しかし
肉厚の塗型を自然乾燥するには長時間を要し、あるいは
マイクロ波照射すると、塗型膜が発熱して、模型表面に
異常を生じる。これに対し、本発明のように塗り重ねを
繰り返して膜厚を増せば、各塗りの乾燥が極めて迅速に
行われ、たとえ塗りを繰り返したとしても、厚塗りに比
較して極めて短時間で完全乾燥ができる。

【００１９】なお、本発明において、接着剤としてコロ
イド溶液、特にコロイド水溶液を選んだのは、コロイド
系接着剤が水溶性接着剤に比較して流動性がよく、薄塗
に適しているばかりでなく、一旦乾燥すれば再溶解し難
い特長を持つからである。いずれにしても塗型剤を重ね
塗りする場合には、コロイド系接着剤が好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる消失模型塗
型の製造方法についてさらに具体的に説明する。

【００２１】まず、本発明が適用される消失模型鋳造
は、今日すでに多くの鋳造工場において実用化されてい
る鋳造技術である。消失模型用の発泡樹脂材料として主
として使用されているのはポリスチレン(PS)であるが、
最近ポリメチル・メタアクリレート(PMMA)をPSに混和し
た材料も研究されている。これらはいずれもマイクロ波
に対する損失係数が少ないという特徴をもっている。

【００２２】消失模型に施す塗型の目的は模型の補強
と、鋳造の際背圧を高めて鋳込み速度を抑制するためで
ある。塗型剤は一般には水溶系あるいはコロイド系の有
機樹脂接着剤に、耐火性セラミックスの微粉を懸濁させ
たものである。水溶系としてはポリビニールアルコー
ル、アクリル樹脂、コロイド系としては酢酸ビニール、
PMMAなどが用いられる。

【００２３】塗型は模型をスラリ槽に浸漬するか、スプ
レーによって塗布するが、本発明においてはスラリの粘
度を、普通乾燥の場合に比較して少しゆる目にする。そ
の理由はマイクロ波乾燥する場合、塗型の局部加熱を避
けるには、塗型膜の厚みをなるべく薄く、かつ均一にす
る必要があるためである。特に隅角部や凹部にはスラリ
の溜まりができて、厚みのむらが生じる。したがって模
型の形状、寸法に応じて、塗型剤の粘度すなわち流動性
を適正に選ぶことが、マイクロ波乾燥の成否をきめる重
要な条件である。

【００２４】酢酸ビニールなどコロイド系塗型剤は、一
重塗、多重塗のいずれにも使用できる。一方水溶系は一
重塗にしか利用できない。その理由は、コロイド系の樹
脂は一旦乾燥すれば再湿しないが、水溶性樹脂は容易に
再湿して溶出するから、重ね塗が困難なためである。

【００２５】骨材としてシリカ、ジルコン、アルミナな
どのセラミック粉末が使用されるが、これらはいずれも
損失係数が小さい点で本発明に適している。塗型膜通気
度の大小は、厚みのほかに骨材の粒度に依存する。マイ
クロ波乾燥する場合には、塗型膜がなるべく薄く、しか
も鋳込みの際は反対に通気度の低いことが求められるか
ら、いずれにしても骨材の粒度は微粉が適している。さ
らに骨材の粒度が小さいことは、比重が軽いことと共
に、塗型剤の懸濁状態を安定にする。

【００２６】マイクロ波乾燥のためには塗型膜の厚みを
薄くする必要がある。しかし厚みを薄くすると当然、模
型を補強するために必要な強度が不足する。鋳物が比較
的小物の場合には差し支えなくとも、寸法が大きくなる
と、薄い塗型では模型を鋳砂に埋没させる際に、変形を
起こす恐れがある。それを防ぐ方法として、本発明者が
先に取得した特許第1844783 号のシェル砂コート消失模
型鋳造法が役立つ。

【００２７】この特許は模型に塗型剤を塗布した後、そ
の全面にフェノール樹脂被覆砂(RCS) を振り掛けて厚い
衣を作る。このようにサンディングした模型塗型は水分
に変わりがないから、マイクロ波乾燥が塗布だけの塗型
よりむしろ急速に行われ、しかも乾燥後の通気度が大き
く強度も優れている。

【００２８】一方重ね塗りすれば同様に強い塗型が得ら
れるが、通気度は厚みが増した分だけ一重塗よりも小さ
くなる。重ね塗りの条件として、接着剤は一旦乾燥すれ
ば再湿しない酢酸ビニール、アクリル樹脂などのコロイ
ド溶液を使用する。その場合でも塗型の乾燥は、各塗り
毎に完全に行うことが重要である。

【００２９】消失模型鋳造の特徴として、発泡模型は複
雑な中子形状をもつものが多い。そのような模型は半割
り、あるいは分割して作られ、糊付けして組み立てる。
糊付けした模型にマイクロ波照射する場合には、水性接
着糊は禁物である。もし接着剤が水分を含むと、照射を
受けて発熱し、水蒸気が逃げないために局部的に温度上
昇し、模型の合わせ面でふくれによる模型の破壊が起こ
る。よって模型の組み立てには、電波を吸収しないパラ
フィンワックスなどを、ホットメルト接着剤として使用
する必要がある。

【００３０】アプリケータ内でマイクロ波乾燥する場合
には、模型のあらゆる面に電波が当たるようにする。そ
れとともに、塗型から蒸発する水蒸気が逃げ易いよう
に、模型を置く姿勢を工夫しなければならない。例えば
模型をハンガーでぶら下げるとか、トレイに載せる場合
には底を浮かせるなどの注意が肝要である。アプリケー
タは電子レンジに見られるようなバッチ式オーブン、あ
るいは大量処理、自動化が求められる場合にはコンベヤ
式オーブンを使用する。乾燥時間は１〜５分で、自然乾
燥に比べて非常に短時間である。しかしマイクロ波の出
力を徒に高めて急速乾燥することは、塗型発熱の恐れが
あり好ましくない。

【００３１】本発明にかかるマイクロ波加熱乾燥によれ
ば模型の表面だけでなく、裏面あるいは中子に相当する
中空部分も同時に乾燥できる。すなわち電波は本体に吸
収されずに模型を貫通し、表裏の塗型を同時に乾燥させ
ることができる。この性能は消失模型鋳造の対象とされ
る製品の多くが複雑な形状をもち、普通の外部加熱方式
では塗型の乾燥が困難であったことを考えると、特に大
きなメリットであろう。

【００３２】

【実施例】

実施例１ 本例では、試験片としてポリスチレンを倍率50倍に発泡
させて得た正方体15×15×15 cm の模型に、内径６cmお
よび３cmの円筒状の縦穴を複数個明けたものを使用し
た。塗型剤としては水溶性PVAL樹脂の８％水溶液100 部
にシリカ系骨材100 部を混ぜ、それを表面活性剤を少量
添加したものを用い、塗布方法は浸漬によった。

【００３３】湿塗型の乾燥は定格高周波出力500 Ｗの電
子レンジを用いて行った。通電時間は３分間で完全に乾
燥し、しかも模型寸法の狂い、表面欠陥が全くなかっ
た。乾燥塗型の厚みは0.15mmであった。

【００３４】実施例２ 本例では、自動車用ブレーキキャリパの発泡模型を、塗
型剤として酢酸ビニールの20％コロイド溶液100 部にア
ルミナ微粉末100 部を混ぜ、少量の表面活性剤を添加し
たスラリ槽に浸漬し、引き上げた模型の全面にフェノー
ル樹脂含有量３％の６号RCS を振り掛けた。サンディン
グした湿模型は200 Ｗの電子レンジ内で２分間で乾燥し
た後、乾燥砂に埋めて球状黒鉛鋳鉄を鋳込んだ。製品の
鋳肌は美しく、鋳物は健全であった。

【００３５】実施例３ 本例では、上記の模型を分割して造り、パラフィンワッ
クスで接合して一体とした。塗型剤は酢酸ビニール18％
のコロイド溶液100 部にアルミナフラワ100 部を混和し
て造った。塗型剤を塗布した模型は、電子レンジで２分
間照射して乾燥したが、得られた塗型膜厚は0.15mmであ
った。この模型に再度塗布と乾燥を繰り返して得た塗型
膜厚は0.30mmであった。

【００３６】一般にキャリパのように量産鋳物を消失模
型鋳造法で鋳造する場合には、生産性を高めるためにツ
リー状に模型を立体に組み立てて鋳造する。その場合に
は高さに応じて、下段の模型塗型は通気度を小さく、上
段は通気度を大きくしなければ鋳込みがうまく行かな
い。しかし従来の塗型方法による限り、塗型通気度を上
下で自由にかえることは非常に難しかった。

【００３７】しかし、本発明によれば重ね塗りによっ
て、塗型厚を変えることが容易にできるから、通気度も
自由に変えることができる。本例ではツリーを５段に
し、下２段を２回塗り、上３段を１回塗りとしたが、鋳
造は全段うまく行った。

【００３８】

【発明の効果】消失模型鋳造法は従来の鋳造法に代わる
画期的新鋳造法と期待されながら伸び悩んでいる理由
は、塗型に難点があったからである。従来の塗型法は生
塗型の乾燥に半日以上の長時間を要したばかりでなく、
得られた塗型の性質、すなわち強度と通気性を所要のレ
ベルにすることが困難であった。これに対し本発明によ
れば、塗型の乾燥時間を数分以下に短縮すると共に、塗
型の性質についても、強度および通気度を自由に要求に
合わせることができるから、量産ラインの生産性を飛躍
的に高めることができるばかりでなく、鋳物の品質を各
段に向上させることが可能である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発泡樹脂模型の表面に、接着剤に骨材と
   してセラミック粉末を混ぜて得たスラリを塗布した後、
   得られた塗型をマイクロ波照射により急速乾燥すること
   を特徴とする消失模型塗型の製造方法。
2. 【請求項２】 発泡樹脂模型の表面に、接着剤のコロイ
   ド溶液に骨材としてセラミックス粉末を混合して得たス
   ラリの塗布を行い、得られた塗型のマイクロ波照射によ
   る急速乾燥を行って乾燥塗型とし、次いで、この得られ
   た塗型の上に、上記スラリまたは別種のスラリの塗布お
   よびマイクロ波照射による急速乾燥を少なくとも１回繰
   り返すことを特徴とする消失模型塗型の製造方法。