JPS6045974B2 - チタン製品の鋳造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はチタン製品の鋳造方法に関し、その目的とする
ところはチタンを用いて歯科用補綴物等の極小部品の鋳
造を可能ならしめようというものである。

チタンは軽量かつ機械強度大であり、しかも耐蝕性に優
れているという性質に着目されて最近航空機、宇宙ロケ
ット、化学プラント等に多用されているが、これ等の場
合部品が概ね大型であることから鋳造以外の例えば鍛造
にて製作可能であるも、小型部品特に歯科用補綴物のよ
うに極小部品の場合鋳造以外の方法では事実上製作不可
能であるにも拘らず、チタンの融点が約１７００゜Ｃ以
上と高融点であることと高温下における活性が高く反応
性に富むことから鋳造に際しての溶浴材即ち坩堝材と鋳
込み時の鋳型材に未解決の問題が残されておりチタン製
品特に極小部品の鋳造は不可能であった。

例えばチタン溶融用の坩堝をシリカ−アルミナ製となし
た場合チタン溶湯とシリカＪ（ＳｉＯ０）又はアルミナ
（Ａ１。

Ｏ０）が容易に反応して坩堝が侵蝕されるだけでなくチ
タンが坩堝表面に接触して酸化することによりチタン表
面に脆い性質の酸化チタン（ＴＩＯ０）を生じ、この酸
化チタンを混在したままて鋳込みを行えば鋳造物に脆弱
部７分を生ずるという欠点があり、又銅製坩堝の場合銅
の融点がチタン融点よりも低いという基本的な問題点が
あることからチタン溶融温度を低くせざるを得ず、しか
も銅の熱伝導率即ち放熱効果が高いことからチタン溶融
熱が坩堝に奪われ、溶湯温度が低下し、ひいてはチタン
溶湯の流動性が低下して鋳込み時における鋳込みを困難
にするばかりでなく坩堝内に残留付着する溶融チタン量
が多くなり不経済であつた。一方上述した坩堝の問題点
に加えて鋳型用埋没材即ち鋳型材に関してもチタン溶湯
との反応による耐蝕性、及び耐熱性等の問題があり、例
えば従来公知のリン酸塩系、エチルシリケート系、無結
晶シリカ系等の高温用埋没材からなる鋳型の場合チタン
溶湯との反応が避けられず鋳肌荒れを生じたり巣を生ず
る欠点が残されていた。

本発明のチタン製品鋳造方法は以上のような従来問題な
鑑みて開発されたもので、その要旨とするところはチタ
ンの効率的な溶融を可能にするとともにチタン溶湯と反
応せす鋳肌荒れ、巣等を生ずることのない材質からなる
溶融用坩堝、鋳込み用鋳型でチタン鋳造を可能となした
点にあり、以下本発明の鋳造方法を詳説すれば、本発明
のチタン鋳造方法はチタンを加熱溶融する溶融工程と溶
融されたチタン溶湯を鋳型内に鋳込み工程とからなり、
先づ溶融工程はチタンインコツトを坩堝内に入れて所定
の加熱手段例えばアーク方式又は高周波方式等によつて
加熱、溶融するものであり、坩堝としては酸化マグネシ
ウム及び／又は酸化ジルコニウムのように高融点でかつ
チタン溶湯との反応性が低い材質を成るべく高純．度で
用いるものとし、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の
場合好ましくは約５０メッシュ以上の微粒化した酸化マ
グネシウム１（１）部に結合剤、例えばポリメチルセル
ロース等の有機結合剤や塩化マグネシウム、硫酸マグネ
シウム等の無機結合剤を、約３〜３０部混合し、この混
合物を約１２００〜１４００℃の高温で焼成すれば各結
合剤は焼失するかマグネシウム酸化物となつて酸化マグ
ネシウムのみを主体とする坩堝となすことができる。

又、加熱手段にて坩堝内のチタンインゴットを溶融する
に際し・ては酸化マグネシウム製坩堝の場合その耐火温
度が約２８００′Ｃでありチタンの融点（約１７００±
１００゜Ｃ）とは相当の温度差を有していることからチ
タン溶融に十分使用可能であるが、高温下においては雰
囲気に応じて反応性が高まり、例えば還元雰囲気では１
８００℃、酸化雰囲気中では２２００℃で反応性を示し
、チタンの融点との温度差は酸化雰囲気の場合４００℃
と接近し、還元雰囲気の場合温度差無しという条件が考
えられることから加熱溶融時のチタン溶湯温度が高くな
るに伴つてチタン溶湯と酸化マグネシウムが僅かではあ
るが反応して前記した如き従来問題を生ずるおそれがあ
る。従つてこのような状況を考慮して本発明ではチクン
溶ｊ湯温度を出来るだけ低くなし、かつ好ましくはアル
ゴンガス等の不活性ガス雰囲気で加熱溶融することが望
ましく、坩堝１は第１図に示すように内部にチタンイン
ゴット２を収容可能な形状となし常用の加熱手段にて例
えばアルゴンアーク加熱手段で溶融するものであるが、
この坩堝１内のインゴット２に対する加熱手段の付与例
えばアークとインゴット表面の接触状態がインゴット表
面に対し、均一に分散されるような状態が好ましく、こ
の観点からは円柱状の一つのインゴットを用いたり、又
は複数の小インゴットを用いること等が適宜採用される
。これはインゴットの一部のみを集中してアーク等によ
り溶融したときには過加熱されチタン溶湯温度が坩堝材
料である酸化マグネシウムと反応する温度以上になるお
それがあることを防止する為である。しかしインゴット
を適正に溶融した楊合においても現実の坩堝内における
溶融操作終了後においては坩堝内面に極く僅かのチタン
酸化物が生成される場合があるので一回の溶融工程終了
毎に坩堝周壁３の内側面を所定厚さだけ削除して坩堝の
再利用を可能となし、この場合チタンインゴット２は削
除厚さに応じて数種の径のものを用意するものとするか
、若しくは第２図に示すように坩堝１を着脱自在に嵌合
される内外筒１″，１″の多重筒構造となして一回又は
数回の使用の度毎に内筒１″を取替えて使用するものと
してチタン溶湯と坩堝との急加速的な反応を防止するも
のとする。又、多重筒構造の坩堝１を使用する場合には
内筒１″のみを高純度の酸化マグネシウムで成形し、外
筒１″はシリカ−アルミナ等の従来公知の材質又は低純
度の酸化マグネシウム等の適当な坩堝材を互いに着脱可
能又は一体に固定した状態で使用することができる。尚
、前記の坩堝において内部に高純度の酸化マグネシウ１
．製内筒１″を外筒１″に他の材料のものを使用した時
には比較的結合強度の弱い内筒を補強する為に外筒に強
度上の観点から又経済上の観点からも各種の材料を用い
て作成することができ、又当該高純度酸化マグネシウム
製の坩堝の外側金属枠で被覆して強度を高めることも可
能てある。チタンインゴット２の形状は加熱溶融時の熱
分布を考慮して円柱形状となすのが望ましく、又当該円
柱インゴットは縦長細棒状若しくは横拡がりの盤状とな
すことは好ましくなく、円柱の高さと断面直径を出来る
だけ近似値寸法となすことが望ましい。

更に溶融時における溶解電流はチタンイ〉・ゴツトの重
量体積に応じて選択することが肝要であり、特にアルゴ
ンアークによる溶融の場合、電流値が高過ぎると坩堝に
過度の熱を与えることとなつてチタン溶湯と坩堝の反応
を高めるおそれがあることから、本発明者の実験によれ
ば下記の表に示す電流値が望ましいことが明らかとなつ
た。次に上記の溶融工程で溶融されたチタン溶湯を鋳型
内へ鋳込む鋳込工程においては、前記のようにチタンが
高融点でありしかも高温状態即ち溶融状態における反応
性が高いことから鋳型材の選択が極めて重要であり、本
発明では前記した坩堝と．同様に酸化マグネシウム及び
／又は酸化ジルコニウムを鋳型材として用いるものとし
、例えは酸化マグネシウム製の鋳型となす場合約５０メ
ッシュの微粒となした酸化マグネシウム１００部に結合
剤、例えばポリメチルセルロース等の有機結合剤や塩．
化マグネシウム、硫酸マグネシウム等の無機結合剤を３
〜３？混合し、この混合物を約１２００〜１４００℃の
高温で焼成すれば結合剤は焼失するかマグネシウム酸化
物となつて酸化マグネシウムのみを主体とする鋳型とな
すことができる。

とりわけこれ・等の結合剤の中で硫酸マグネシウムは水
溶液でかつ７０′Ｃ前後で硬化し酸化マグネシウム粒子
との混合成形が容易で約１１４３゜Ｃで完全に分解して
酸化マグネシウムとなつて基材としての酸化マグネシウ
ムとともに焼結されることから結合剤としては硫酸マグ
ネシウムの採用が好ましい。而して以上のように１２０
０゜Ｃ以上の高温にて焼成された鋳型にチタン溶湯を遠
心力等で鋳込むことにより目的とする鋳造物を得るのて
あるが、このチタン溶湯の鋳込みに際しては鋳型温度を
焼成温度近傍で維持した状態若しくは１０００℃程度又
は常温から８００℃程度の温度に設定して用いることが
採用される。

この鋳型温度はチタン溶湯鋳込み後）の冷却時間とも関
係することになり鋳造された後のチタン製品の物性が調
整されることになる。例えばこのような方法で鋳造され
たチタン製品においては鋳込み後急冷、例えば鋳型とし
て常温に近いものを用いた時には、チタン製品は比較的
硬度１の小さいものとなる傾向にあり、又鋳込み後徐冷
例えは８００゜Ｃ程度の鋳型を用いて鋳込み後徐冷した
製品を得た時には、このチタン製品は比較的硬度が大な
るものになる傾向にある。一方酸化マグネシウムは焼結
する際に収縮し、ａ更に上記したように常温から８００
゜Ｃの所定の温度まで冷却することにより幾分収縮する
性質があり、しかもチタンも凝固収縮を生することから
酸化マグネシウｌ、製鋳型の作成時に酸化マグネシウム
の焼結による収縮並びに鋳込時のヂクンの凝固収縮を考
慮して鋳型作成時のベースとなる副模型を予想収縮分だ
け膨張した副模型となすことにより所望の精度を有する
チタン鋳造物を鋳造し得るようになしている。

例えば歯科用補綴物の鋳造の場合第３図に示すような口
腔内印象４を基に図中Ａ工程の如く石膏模型５を作成し
、次いてＢ工程に示す如く寒天印象６を作成しその凹部
に各種埋没材を充填してＣ工程に示すように副模型７を
常法通り作成するものであるが、この副模型作成時に酸
化マグネシウムの焼結による収縮率及び鋳込み時のチタ
ンの凝固による収縮率を補正すべく模型材として凝固時
に膨張しその膨張率を予じめ設定し得る材料、例えばリ
ン酸塩系模型材を用いて目的とする鋳造物寸法よりも収
縮分だけ大寸法（約２〜１０％）とした副模型７となし
、この副模型７をベースとして比較的精度の低いものを
対象とする時例えば鋳造冠等の場合にはＤ工程に示すよ
うにワックスアップした後副模型７を取外してワックス
パターン８を作成し、このワックスパターン８をＥ工程
に示すように前記した酸化マグネシウム鋳型材にて埋没
した後焼成して鋳型９を形成するものとし、高精度の鋳
造物例えば金属床又はインプラント等の場合には上記副
模型７で再び寒天印象１０を作成し（Ｆ工程参照）、こ
の寒天印象１０の凹部に酸化マグネシウム鋳型寺を埋没
してＧ工程に示すように副々模型１１を作成し当該副々
模型にＨ工程の如くワックスアップ８を施した後、更に
Ｉ工程で示すように酸化マグネシウム鋳型材にて二次埋
没し、次いで焼成することによつてワックスを焼去しワ
ックス跡である鋳込室９″を空隙として有する鋳型９を
形成するものである。上述した酸化マグネシウム鋳型材
は酸化マグネシウムと結合剤としての硫酸マグネシウム
及び水によつて水混練物としたものを用いるものであり
、図中Ｅ，Ｇ及びＩ工程における酸化マグネシウム鋳型
材による埋没工程ては埋没後は１〜２日自然乾燥するか
又は温水加熱、乾燥炉中での加熱若しくは電磁波加熱等
による強制乾燥例えは７０〜１００゜Ｃの加熱状態て約
１０分間乾燥することにより硬化させ、その後焼成する
ものとする。尚、鋳型材として用いる酸化マグネシウム
及び／又は酸化ジルコニウムは高純度となすことが望ま
しく、例えば数％のシリカを混入したマグネシアセメン
トを鋳型材として用いた場合には鋳込時においてチタン
溶湯とシリカの反応が避けられず鋳肌荒れ、巣を生ずる
おそれが残されていることから酸化マグネシウム及び／
又は酸化ジルコニウｌ、は純度９９．５％以上が最も好
ましく鋳込温度によつては９５。

０％以上好ましくは９７．０％以上ても使用可能である
。

又このような高純度の鋳型材を鋳型の全量として用いる
ことはコスト上及び鋳型の機械強度上問題てあることか
ら直接チタン溶湯と接触する鋳込室の内面のみを高純度
鋳型材にて構成し、その他の部分は低純度の同一鋳型材
又は他の鋳型材にて構成することも可能である。例えば
第４図に示すように副模型７にワツクスアツフ化て形成
されるワックスパターン８に高純度の酸化マグネシウム
鋳型材で一次埋没１２した後、次いで低純度の酸化マグ
ネシウム鋳型材で二次埋没１３して前記同様に乾燥硬化
、焼成にて鋳型を成形するものである。次に、本発明に
よる鋳造方法の典型的な実施例を第５図に示す鋳造各装
置の配置例図を基に説明すれば；実施例 純度９９．５％のチタンを高さ１７．５Ｔｆ＄ｔ１断面
直径２０鯨、重量２５ｙの円柱形インゴットとなし、こ
れを酸化マグネシウム製で内径３ｈ１内高２２ＴｎＩｎ
、周壁肉厚５ＷＬとなした坩堝１内に投入し、アルゴン
雰囲気中で電極１４，１５間に電流値１５０Ａでアーク
放電を行わせて４０〜６囲２間加熱してチタンインゴッ
ト２がその上面から溶融して未溶融部分２″が約３ＴＷ
Ｌ残つた状態で放電を中止して溶融工程を終了する。

一方、この溶融工程とは別に５０メッシュの微粒状とな
した酸化マグネシウム１００ｙと硫酸マグネシウム１０
ｙの混合比による硬化物を約１３００゜Ｃで約１時間加
熱焼成して空隙厚さ２朗、体積７１８ＴｗＬ３の鋳込室
９″（内径２４Ｔｆ０ｎ、外径２８ＴＷＬ、幅４．４職
のリング体）を有する鋳型９を作成し、これを約２００
℃に降温させた状態で、坩堝１と鋳型９を同時回転させ
遠心鋳造法にて坩堝１内のチタン溶湯を鋳込室９″内に
鋳込んで前記のチタン製リング体を得た。

このチタン製リング体は表面に黒つぽいチタン酸化物の
形成が見られず、又鋳込み状態も各部の肉は密に存在し
巣の発生は見られなかつた。

実施例に用いた坩堝並びに鋳型材を従来常用されている
シリカ−アルミナ系坩堝に、又鋳型材にはリン酸塩系材
料を用いたものに置換え他の条件を同一として比較実験
をしたところ、先つ坩堝内におけるチタンインゴットの
溶融に際して溶融チタンにスプラッシュが発生し坩堝材
料とチタンと゛の反応の存在が見られるうえに溶融後の
金属にはチタン酸化物や他の化合物の存在が明確に確認
され、鋳型への遠心鋳造時に坩堝内から溶湯が流出せず
殆んどの部分は坩堝内壁面に止まつた状態となるうえに
坩堝中心部分から僅かに鋳込されたチ．タン溶湯は鋳込
室内において鋳型材と更に反応し純チタンの鋳造物が見
られなかつたはかりでなく鋳造物であるリング体には多
数の巣の存在が見られた。以上の説明では歯科用補綴物
のように極小部品ノの鋳造について説明したが、他の工
業製品のチタン鋳造物を得る場合も別途作成されたワッ
クスパターンを鋳型材中に埋没させて鋳造し得ることは
当然である。以上のようになる本発明のチタン製品の鋳
造方法によれば、従来チタン製品の鋳造による製作を不
可能とする原因となつていた溶融用の坩堝及び鋳込み用
の鋳型を酸化マグネシウム及び／又は酸化ジルコニウム
によつて形成したことにより、チタン溶湯と坩堝又は鋳
型材料との反応による諸欠点を除去してチタン製品、特
に歯科用補綴物の如き極小部品の鋳造による製作を可能
となし、初期のチタンインコツトの物性を変化させずに
維持したままで巣の存在しない良質なチタン製品を得る
ことができたのである。

とりわけこのような本発明の鋳造法によれば従来の歯科
鋳造法における坩堝材料と鋳型材料を前記の如き材料に
変更するだけで他の特別な鋳造条件を必要としないこと
から鋳造操作は容易でかつ全工程を短時間で行つて経済
的なチタン製品を得ることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する坩堝の１例を示す断面図、第
２図は同じく坩堝の他実施例を示す断面図である。 第３図は本発明の鋳造方法を示す工程図、第４図は鋳込
方法の一例を示す工程図、第５図は本発明の鋳造方法の
具体構成例を示す鋳造装置の要部配置図てある。１・・
・坩堝、１Ｚ・内筒、１″・・・外筒、２・・・チタン
インゴット、２″・・・チタンインゴット溶融部分、２
″・・・未溶融部分、３・・・周壁、４・・・口腔内印
象、５・・・石膏模型、６・・・寒天印象、７・・・副
模型、８・・・ワックスパターン、９・・・鋳型、１０
・・・再寒天印象、１１・・・副々模型、１２・・・一
次埋没、１３・・・二次埋没、１４，１５・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化マグネシウム及び酸化ジルコニウムと結合剤と
   しての塩化マグネシウム又は硫酸マグネシウムの混泥物
   で成形し且焼結し結合剤を酸化マグネシウムに変位させ
   てなる坩堝にチタンインゴットを入れて加熱手段にて溶
   融してなる溶融工程と；酸化マグネシウム及び又は酸化
   ジルコニウムと結合剤としての塩化マグネシウム又は硫
   酸マグネシウムの混泥物で成形し且焼結し結合剤を酸化
   マグネシウムに変化させてなる鋳型中に上記工程で溶融
   して溶融チタンを鋳込んでなる鋳込工程からなるチタン
   製品の鋳造方法。 ２ 酸化マグネシウム及び／又は酸化ジルコニウムと結
   合剤としての塩化マグネシウム又は硫酸マグネシウムの
   混泥物で成形し且焼結し結合剤を酸化マグネシウムに変
   化させてなる坩堝にチタンインゴットを入れて加熱手段
   にて溶融してなる溶融工程と；印象中にリン酸塩系埋没
   材を充填して副模型を作り、この副模型を基に酸化マグ
   ネシウム及び／又は酸化ジルコニウムと結合剤としての
   塩化マグネシウム又は硫酸マグネシウムの混泥物で成形
   し、且つ焼結し結合剤を酸化マグネシウムに変化させて
   鋳型を作成し、この鋳型中に上記工程で溶融チタンを鋳
   込んでなる鋳込工程からなるチタン製品の鋳造方法。