JPS6234450B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、チタン又はチタン合金の鋳造用鋳型
材料の改良に関するものであり、歯科用鋳造体や
精密機械用鋳造部品の鋳造に使用するものであ
る。 （従来の技術） 歯科用鋳造体等の精密鋳造品の鋳造には、従前
から金合金、銀―パラジウム合金、ニツケル―ク
ロム、コバルト―クロム合金等が多く利用されて
おり、これ等の金属は、通常シリカを基材とする
石膏系鋳型材料や高温用燐酸系鋳型材料を用いて
鋳造されている。 ところが、前記金合金や銀―パラジウム合金に
は、価格や耐食性（特に銀合金）の点に問題があ
り、またコバルト―クロム合金には、地下資源の
関係からクロムやコバトの安定供給という点に問
題があるうえ、クラウンブリツジ等の金属として
は硬すぎるという難点がある。更に、ニツケル―
クロム合金についても、近年ニツケルの生体為害
性が指摘され、その使用が問題視されてきてい
る。 そのため、近年地下資源として比較的豊富に埋
蔵されており、且つ生体適合性に秀れたチタン及
びチタン合金が、歯科界等に於ては鋳造用金属と
して注目されてきている。即ち、チタンは(a)耐食
性及び生体適合性が秀れていること、(b)機械的性
質（強さ、硬さ）が歯科用金属等として最適であ
ること、(c)ニツケル―クロム合金等に比較して比
重が約1/2であり、軽量であること、(d)比重を考
慮すれば、ニツケル―クロム合金等よりも安価で
あること等の秀れた特性を有するものであり、歯
科界等に於いては、その実用化と普及が切望され
ている。 しかし、チタンには融点が高く（略1720℃）、
高温で酸化され易く、高温活性が極めて高いう
え、鋳造体の収縮量が相当大きいという特質があ
り、従前のままの鋳型材料、例えばシリカを基材
とする高温用燐酸塩系鋳型材やマグネシア系鋳型
材では、所望の寸法精度を有する鋳造体を鋳造す
ることが不可能である。 そのため、チタン又はチタン合金用の新しい鋳
型材料を開発すべく、様々な実験研究が行なわれ
ている。本願発明者も、チタン又はチタン合金の
鋳造用鋳型材料として、(a)マグネシア（MgO）
を主成とする骨材に、硬化促進剤としてアルカリ
金属の炭酸水素塩、アルカリ土類金属の炭酸塩等
を添加したもの、及び(b)マグネシア（MgO）を
主成分とする骨材に、硬化促進剤としてアルカリ
金属の炭酸水素塩、アルカリ土類金属の炭酸塩等
を添加すると共に、膨張促進剤としてアルミニウ
ム微粉末を添加するようにした鋳型材料を開発
し、これを公開している。 ところで、前記マグネシアを主成分とする骨材
に、硬化促進剤と膨張促進剤（アルミニウム微粉
末）を添加した鋳型材料は、(a)水で練和した鋳型
材の凝固が促進され、鋳型製造工程の能率が向上
すること、(b)水で練和した鋳型材（生型）の硬化
時に、該生型が0.7〜0.8％程度膨張すると共に、
鋳込時（約700〜800℃）にも鋳型が0.5〜0.7％膨
張し、全体として約1.5％の鋳型の膨張が得られ
ること、(c)硬化促進剤の作用で鋳型の圧縮強度が
向上すること等の秀れた実用的効用を有するもの
である。 （発明が解決しようとする問題点） しかし、前記鋳型材料にも、下記の如く解決す
べき問題点が多く残されている。 (1) アルミニウム粉末の添加によつて得られる鋳
型の膨張が、最大でも約1.5％程度であり、チ
タン又はチタン合金の場合に必要とされる鋳型
膨張の最適値1.8％にほど遠く、その結果十分
な寸法補償が達成できないこと。 (2) アルミニウムと水とが反応する際に発生する
水素ガスにより、生型硬化時（鋳型凝縮時）に
鋳型を膨張（約0.8％）させるようにしている
が、鋳型は通常型枠内で硬化されるため横方向
への膨張が制約され、その結果、縦方向への膨
張と横方向への膨張がアンバランスになり、歯
科用鋳造等に於いてはワツクスパターンに変形
を生じる場合がある。 (3) 硬化時の鋳型材内に於ける水素ガス量を所望
の値に制御することは相当困難であり、アルミ
ニウムの混合率が同じでも常に一定の膨張率が
得られるとは限らない。 また、鋳型内に水素ガスが残留したような場合
には、鋳型加熱時に様々な不都合が発生する。 本発明は、従前の鋳型材料に於ける上述の如き
問題の解決を課題とするものであり、鋳型用主骨
材内へ、鋳型の硬化時並びに加熱時にガスを殆ん
ど発生しないZr粉末、Zrを主成分とする合金の粉
末、Sn粉末の内の少なくとも一つを予かじめ混
合し、鋳型加熱時に前記金属粉末を酸化させ、そ
の酸化による膨張を利用せんとするものである。
即ち、溶融金属が室温まで冷えると、溶融時より
もその寸法が収縮する。しかし、鋳型が鋳造時に
前記収縮分だけ伸びていれば、原型（例えばワツ
クスパターン）通りの鋳造体を得ることができ、
完全な寸法補償が達成されることになる。 本発明は、(a)チタン又はチタン合金を溶融鋳造
する場合に、鋳造品の収縮率（約1.8％）を略完
全に寸法補償することができ、しかも(b)鋳型の膨
張が、鋳型の硬化時ではなく鋳型の加熱時に得ら
れ、その結果(c)原型（ワツクスパターン）に変形
を生ずることもなく、且つ寸法誤差の殆んど無い
極めて高精度な鋳造体を鋳造できるようにした鋳
型材料を提供することを目的とするものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明は、鋳型材内に、鋳型材の硬化時及び加
熱時にガスを発生しない金属の粉末を添加し、当
該金属粉末の酸化による膨張を利用して、加熱時
に鋳型を適宜量膨張させることを基本構成とする
ものである。 （作 用） 鋳型材内へ添加された金属粉末が、鋳型を加熱
することによつて酸化され、酸化された金属粉末
はその体積が増加する。その結果、鋳型は全体と
して体積膨張をし、脱蝋をした後の鋳込み空間も
一定の割合でその体積が増加することになる。 尚、金属製の型枠内へ鋳型を収納した状態で、
型枠と共に鋳型を加熱する場合であつても、金属
製型枠自体が加熱によつて膨張するため、鋳型の
硬化時に於ける膨張の様な、半径方向への膨張の
規制に起因する不都合は生じない。 （実施例） 以下、本発明に係る鋳型材料に関する各種実験
とその結果について説明する。 本発明に係る実験に於いては、鋳型材として、
太平商事株式会社製のマグネシア系鋳型材（MD
―105）が使用されており、当該マグネシヤ系鋳
型材の成分は第１表の通りである。

【表】 又、本発明に於いては、金属粉として半井化学
薬品工業株式会社製のZr，Fe，Si，Sn粉末及び
日本粉末治金工業株式会社製のCu，Ni，Cr粉末
が夫々使用されている。更に、前記各金属粉末の
うち、酸化物生成自由エネルギーがチタン又はチ
タン合金より小さなものはZr粉末であり、後述す
る如く、当該Zr粉末がこれ等の金属粉末の中で本
願発明の実施に最も適した金属であることが判明
した。 本実施例に於いては、前記マグネシヤ系鋳型材
と金属粉末を用いて、(イ)鋳型硬化時の寸法変化の
測定、(ロ)鋳型加熱時の寸法変化の測定、(ハ)鋳造並
びに適合性試験を行なつた。前記各試験方法とそ
の試験結果は下記の通りである。 (イ) 鋳型硬化時の寸法変化の測定 第１図に示す如く、内径Ｄ＝25mmφ、高さＬ＝
30mmの金属管１の内側に、カオウール２を内張り
し、蝋３でプラスチツク板４上に固定する。次に
バイブレータで振動を与えながら鋳型材泥漿を流
し込み、その上にプラスチツク板（浮き板）５を
乗せ、差動トランス６で垂直方向の寸法変化を測
定する。 尚、差動トランス６による荷重は約５ｇｒであ
る。 (ロ) 鋳型加熱時の寸法変化の測定 鋳型材泥漿を、第２図ａ及びｂに示す如きシリ
コンゴム製割型７ａ，７ｂ内へ振動を与えながら
流し込み、生強度が出た時点（流し込みから約18
時間後）で前記型７ａ，７ｂから取り出し、毎分
５℃の速さで加熱すると共にその寸法変化量を測
定した。 尚、第２図ａの割型によるサンプル（５mmφ×
20mm）は、株式会社理学電機工業社製の熱膨張分
析装置（サーモフレツクス）を用いて、また第２
図ｂの割型によるサンプル（４mm×６mm×10mm）
は、株式会社島津製作所製の熱機械的分析付加装
置（TM―20）を用いて、夫々その寸法変化量を
測定した。測定装置等による測定荷重は約５ｇｒ
である。 (ハ) 鋳造試験並びに鋳造品の適合試験 鋳型材に所定の水を添加し、先ず予備練和をす
る。尚、水の量は操作性を損なわない範囲で最小
とし、且つ予備練和は手で十数秒間練ることによ
り行なつた。 その後、トーワ技研株式会社製の真空自動練和
器（CONEL）で２分間練和した後、バイブレー
タで振動を与えながらワツクスパターンと共に埋
没した理没した鋳型材は室温にて約16時間乾燥し
た後、電気炉にて各種の加熱条件（加熱用リング
の使用又は不使用、加熱速度、加熱温度等）の下
で加熱し、岩谷産業株式会社製のアルゴンアーク
融解式鋳造機（CASTMATIC）によつて鋳造を
行なつた。適合性試験や鋳肌荒れ、焼き付き試験
用の鋳造用金属としては、株式会社神戸製鋼所製
の純チタンKS―50（純度99.8％以上）を使用し
た。 尚、前記埋没したワツクスパターンの形態は、
第３図ａ〜第３図ｄに示す如くａ金型９ａ、
bMOD―インレー９ｂ、ｃ臨床パターン９ｃ及び
ｄブリツジ９ｄの４種であり、各パターンの鋳造
体について鋳肌荒れや焼き付き等を調査した。 (ニ) 鋳造品の適合性試験 鋳造品の適合性は、第４図ａ〜第４図ｃに示す
如く、支台歯８と鋳造体９との間の浮き上り量Ａ
を遊尺顕微鏡を用いて測定することにより調査し
た。尚、浮き上がり量の測定箇所は第４図のＡで
示されているが、ブリツジについては測定箇所が
複雑であるため、浮き上り量を測定していない。 次に、前記各試験の結果について説明する。 (1) 鋳造並びに適合性に関する予備試験 先ず、前記マグネシヤ系鋳型材MD―105を基
材とし、これに各種金属粉を５重量％添加して試
験をした。試験の結果は第２表の通りである。

【表】 (2) 鋳型硬化時の寸法変化の測定結果 前記鋳造並びに適合性の予備試験の結果から、
比較的良好な試験結果が得られたジルコニウム粉
末を添加した場合について、その添加量をパラメ
ータとして寸法変化を測定した。その結果は第５
図に示す通りであり、曲線C₁はZrが3wt％、C₂は
4wt％、C₃は5wt％、C₄は6wt％、C₅は6.54wt％
の場合を夫々示し、またC₆はZr＝0wt％の場合を
示す。Zr粉の添加量と硬化時の寸法変化との間に
は、何ら相関性が見られない。結論として、MD
―105にZr粉を添加した場合には、測定荷重の影
響物（約0.2％）を除けば、硬化時の収縮は最大
で約0.2％位いとなる。 (3) 鋳型加熱時の寸法変化の測定結果 加熱時の寸法変化の測定結果は第６図の通りで
ある。尚、第６図に於いて、曲線D₁はZrが3wt
％、D₂は4wt％、D₃は5wt％、D₄は6wt％、D₅は
6.54wt％の場合を夫々示す。 第６図からも明らかな様に、加熱時の寸法変化
はZr粉の添加量に略比例する。 Zr粉末を5wt％添加した場合、900℃に於ける
寸法変化率が＋2.25％となり、鋳型硬化時の収縮
（約0.2〜0.4）を考慮すると、総膨張量が約1.85％
（900℃）となる。即ち、Zr粉末5wt％の添加で、
必要とする鋳型の膨張が達成されることになる。 (4) 鋳造並びに適合性試験(1)の結果 鋳造時に於ける加熱条件や加熱時に於けるリン
グの使用又は不使用等の条件を変えて、試験を行
なつた。Zr粉末の酸化の程度と鋳造体の適合性の
間には緊密な関係があるからである。 第３表の(a)は適合性試験の結果であり、第３表
(b)は加熱条件を示すものであり、何れの場合も各
鋳造体に焼き付きや鋳肌荒れやを生ずることは無
い。

【表】

【表】

【表】 第３表の(1)と(2)，(2)と(3)，(5)と(6)は夫々同一組
成の鋳型材料を加熱する場合に、鋳型にリングを
嵌着したまま加熱した方が良いか、或いはリング
を嵌めないで加熱した方が良いのかを比較したも
のであり、何れの場合も、リングを使用した方
が、リングを使用しない場合よりも適合性が向上
している。 又、(7)と(8)と(9)は、ワツクスパターンの埋設位
置による酸化の違いを検討したものであり、第６
図からZrの酸化物生成温度範囲が約600〜700℃で
あるので、この温度区間を低い加熱速度で加熱し
たものである。その結果(7)では表面側はよく伸び
ていて、中央側は伸びが少なく、かなりのゆがみ
を生じていた。(8)と(9)の鋳型が横に広い場合と縦
に長い場合では、ほとんど差異はみられなかつ
た。つまり、埋没するワツクスパターンは鋳型の
中央に位置するように固定すれば、ゆがみもほと
んどない鋳造体が得られる。 最後に(10)と(11)，(12)と（13）についてであるが、
Zrの酸化物生成温度範囲約600〜700℃間）をゆつ
くり加熱した時、リングとリングレスでは違いを
生じるかを検討してみた。ゆつくり加熱する温度
範囲は安全を見こして600〜750℃とし、昇温速度
は0.8℃／分であつた。(12)と（13）では、明らか
にリングのほうがリングレスより、より適合して
いる。(10)と(11)を比べてみると、リングレスのほう
が適合性が良いように思われるが、(11)の鋳造体は
埋没不良による気泡がカツプの内側についていた
ため、気泡分をけずり落としたが、これがはめ合
いの際の適合の低下をまねいたと考えられる。故
にこの場合（600〜750℃間をゆつくり加熱）も、
リングを使用したほうが、リングレスより有効で
あることがわかつた。 また、Zrを5wt％添加した(1)と（13）を比べて
みると、（13）のほうが適合性がかなり良くなつ
ている。このことからZrの酸化物生成温度範囲
（600〜700℃間）において、ゆつくり加熱するほ
うがより適合性があがることが判明した。 以上の結果をまとめると、鋳型材中のZr粉を鋳
造体の変形なく、完全に酸化させるには、加熱速
度をゆつくりにし（特に600〜700℃間）、リング
を使用し、その内側にはカオウールをまく方法が
最適であると思われるので、以後の加熱はこの方
法で行なつた。 (5) 鋳造並びに適合性試験(2)の結果 第７図に示す様に、ステンレス製リング１０ａ
の内側にカオウールペーパー１０ｂを張り付けて
形成した埋没用リング１０を使用し、ワツクスパ
ターン１１をスプール１２にて円錐台１３に固定
して鋳型泥奨を流し込んだ後、約16時間これを乾
燥する。その後台１４及び円錐台１３を取り外
し、そのまま電気炉にて900℃まで第８図に示す
如きスケジユールで加熱し、各種ワツクスパター
ンについて鋳造を行なつた。 尚、鋳造の結果は第１実施例の場合と同様に、
どの鋳造体にも鋳肌荒れや焼き付きが見られな
い。 次に、前記方法によつて鋳造した各鋳造体につ
いて、適合性試験を実施した。第４表はその結果
を示すものである。

【表】 臨床パターンによる適合試験では、Zr粉末の添
加量が増えるに従つて、適合性が良くなつてい
る。しかし、Zr5wt％添加とZr6wt％添加では
0.02mmしか違わず、鋳型は使い捨てなので、経済
面を考慮に入れるとZr粉の添加量は5wt％ぐらい
が適当であると思われる。臨床応用上、現在使用
中の合金と浮き上がり量が略同程度（約0.06mm）
であり、問題はないと思われるからである。 また、Zr粉末を5wt％添加したMOD―インレー
による適合試験では、浮き上がり量が0.44mmで、
あまり適合していないように思えるが、従来の歯
科合金を用いた場合でも、この程度の浮き上がり
量となる。 MOD―インレーは鋳造体が大きすぎても小さ
すぎても支台歯にはまらないものだからである。
MOD―インレーによる適合試験からも、Zr粉の
添加量は5wt％ぐらいが適合であると思われる。 ブリツジによる適合試験も、従来の歯科用合金
を用いた場合と同等の適合性を示している。 上述の如く、本実施例に於いては、マグネシア
系鋳型材であるMD―105に、２〜7wt％、望まし
くは5wt％のZr粉末を添加することで、鋳肌荒れ
や焼き付きの無い鋳造体を得ることができ、且つ
略完全な寸法補償が達成できる。 また、本実施例では高純度（純度99.8％以上）
のチタンを鋳造金属としているが、これよりも低
純度のチタンであつても、或いはチタンと他の金
属との合金であつても、前記各実施例の場合と略
同様の結果を得ることができる。例えば、チタン
を50〜60wt％含む合金の場合には、Zr粉末を２
〜３％添加することにより、十分所期の目的を達
成し得ることが確認されている。そのうえ、本実
施例に於いては高純度のZr粉末を使用している
が、純度の低いZrの粉末やZrを主成分とする合金
の粉末、Snの粉末であつても、十分に所期の目
的を達成することができる。 更に、本実施例に於いては、鋳型材として前記
MD―105を使用しているが、鋳型材は当該MD―
105に限定されるものではなく、他の種類の鋳型
材であつてもよいことは勿論である。 （発明の効果） 本発明に於いては、鋳型材に金属粉末を適宜量
だけ添加し、その酸化による膨張を利用する様に
しているため、加熱時に極めて高い鋳型の膨張率
を得ることができ、略完全な寸法補償を容易に達
成することができると共に、鋳肌荒れや焼き付き
の無い鋳造が行なえる。 また、本発明に於いては、先行技術の様に発生
したガスによつて鋳型を膨張せしめるものでない
ため、ガスによる悪影響が全く無く、原型に略一
致する鋳造体を得ることが出来る。 更に、本発明に於いては、鋳型を加熱時に於い
てのみ膨張させ、鋳型硬化時には膨張が起らない
ため、先行技術に比較してワツクスパターンに与
える悪影響が皆無となり、極めて高精度な鋳造体
を得ることができる。 本発明は上述の通り、秀れた実用的効用を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋳型硬化時の寸法変化の測定法の説
明図である。第２図は、鋳型加熱時の寸法変化の
測定に使用したシリコンゴム製割型の斜面図であ
る。第３図は、鋳造試験に用いた各種ワツクスパ
ターンの斜面図である。第４図は、各種ワツクス
パターンの浮き上がり量の測定箇所を示す説明図
である。第５図は、鋳型の硬化時に於ける寸法変
化率を示すものである。第６図は、鋳型の加熱時
に於ける寸法変化率を示すものである。第７図
は、別の鋳造試験に於ける鋳造装置の斜面図であ
る。第８図は、鋳型の加熱スケジール曲線であ
る。 １……金属管、２……カオウール、３……蝋、
４……プラスチツク板、５……浮き板、６……差
動トランス、７ａ，７ｂ……割型、８……支台
歯、９……鋳造体、Ａ……浮き上り量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウムの粉末、ジルコニウムを主成分
   とする合金の粉末及び錫の粉末の中の少なくとも
   １つを鋳型の膨張促進剤として鋳型用主骨材内に
   添加して成る、チタン又はチタン合金の鋳造用鋳
   型材料。 ２ 鋳型用主骨材をマグネシア系の鋳型用骨材と
   した特許請求の範囲第１項に記載のチタン又はチ
   タン合金の鋳造用鋳型材料。 ３ 添加するジルコニウムの成分を２重量％〜７
   重量％とした特許請求の範囲第１項に記載のチタ
   ン又はチタン合金の鋳造用鋳型材料。