JPS6293041A - 純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材に関す
る。

従来、各種金属用の金属鋳造用鋳型材として、シリカを
主成分とし、硬化剤としてリン酸塩並びに塩基製金属酸
化物を用いたものがある。このシリカとしては硅石や硅
砂、又はリン酸としてはリン酸アンモニウム、塩基製金
属酸化物として電融マグネシア又はマグネシアクリンカ
−などが用いられたものである。

この従来の鋳型材にあっては、これらを混合成形した状
態で、常温から８００℃又は９００°Ｃ程度まで温度を
上昇させて焼却し、その温度の状態で対象とする溶融金
属を鋳込む方法がとられている。

従来の金属、例えばコバルトクロム合金、ニッケルクロ
ム合金等の合金による鋳造の場合は、該金属の融点が１
３００℃〜１４００℃などで代表される如く、殆んどの
金属、とりわけ歯科用金属では約１４００“Ｃ程度まで
であった為に、前記主成分とするシリカの融点が１５５
０°Ｃ〜１６００”ｃである為に充分使用に耐え得る状
態の鋳型材として存在した。しかし、純チタン及びチタ
ン合金用鋳造材としては、これからのチタン並びにチタ
ン合金の融点が１６００°Ｃ〜１７００℃である為、前
記シリカを主成分とする鋳型材を用いた場合にはその融
点を充分に超える為、溶融状態の物性的に不安定なチタ
ンはシリカの組成中に含む酸素と結合し、チタン酸化物
となって、純チタン並びにチタン合金のもつその物性を
利用できず、酸化によるこれら金属の劣化、並びに鋳肌
に焼き付は等が発生して使用に耐え得なかった。

本発明は、このような従来の鋳型材と純チタン並びにチ
タン合金のの融点の関係において、これら純チタンやチ
タン合金に対する鋳造可能な鋳型材を提供せんとするも
のであり、更にはこの鋳型材がこれら純チタン並びにチ
タン合金を１６００℃〜１７００°Ｃの高温で溶解して
も、その溶解途上鋳型材中の成分とこれら金属が反応し
て金属を酸化させたり変質をおこさないような鋳型材を
提供せんとするものであり、更にほこの鋳型材の操作並
びに鋳込み時の取扱いを容易にする為に、従来の鋳型材
にあっては、数百℃の高温で保持しながらその中にいた
のを、常温で該鋳型材を利用可能とすることを開発せん
とするものである。

本発明は、このような目的を前提に、純チタン並びにチ
タン合金の融点において、充分使用が可能でしかも常温
にて鋳造可能な材料を提供せんとして本発明を完成した
ものであり、本出願人は先に純チタン又はチタン合金鋳
造用鋳型材並びに鋳型製造方法としてシリカとアルミナ
を主材としたもの及び純チタン又はチタン合金鋳造用鋳
型材としてスピネルを主材としたもの、更にムライトを
主材としたもの、以上３件を出願中であるが、今回更に
研究の結果本発明を完成させたものであり、その要旨と
するところはその主成分である主材とアルミナに対し強
化用補助材と硬化剤を添加することによりその耐熱性を
付与するとともにその鋳型材の使用に際しては練和、硬
化後１０００°Ｃ以上の温度で焼成して鋳造における精
度、耐火度を向上させ焼固りを防止し、もって酸化、変
色、荒れ等のない鋳造品を安定した状態で製作可能な鋳
型材とした点にある。

以下本発明の内容を更に詳細に説明する。本発明はシリ
カとアルミナを主成分とする主材と；酸化ジルコニウム
、ジルコン、酸化カルシウム、スピネル、ムライト等に
より構成される強化用補助材と；　リン酸塩と塩基製金
属酸化物で構成される硬化剤とで構成されるものであっ
て、ここにシリカは従来も溶融金属の鋳込み時の鋳型材
として使用されているシリカが利用される。このシリカ
としては、硅石、硅砂、粒状硅砂又はクリストパライト
などから選んだ一種又は二種以上のものが利用され、夫
々の純度は９０％以上のものを用いるのが望まれ、好ま
しくは純度９５％以上のものを使用することが求められ
る。このシリカの純度９０％以上ということはシリカの
不純物として、酸化第二鉄、酸化アルミニウム、酸化カ
ルシウム等が含まれ、この不純物中の酸化アルミニウム
、即ちアルミナは不純物として含まれていても鋳型材中
で溶融金属に対する影響がないが、不純物中の酸化第二
鉄や酸化カルシウムは、チタンとの反応が著しい為、最
低純度９０％以上であることが規定さ゛れる。又、アル
ミナは高純度アルミナや高アルミナ質鉱物が選択され、
純度８０％以上のもの、好ましくは９０％以上のものを
使用することが望まれる。

このアルミナの場合も不純物として酸化硅素、酸化カル
シウム、酸化第二鉄、酸化マンガン、酸化ナトリウム、
酸化カリウムなどが含まれ、この成分中酸化硅素である
シリカ以外はチタンとの反応が著しく、これら不純物の
存在が多いと、前記シリカの場合と同様に鋳型材とチタ
ンとの反応がなされ問題となる。

一般にはアルミナとしてダイアスボア、ベーマイトなど
純度８５％以上の鉱物を用いるが、好ましくは高純度９
０％以上のアルミナを用いると溶融金属鋳込み時におけ
る金属と鋳型材との反応を最低限に落し得ることができ
る。

又強化用補助材としてはジルコニウムの酸化物である酸
化ジルコニウム（融点２８５０℃）及び硅酸塩としての
ジルコンとは共に耐火特性により用い、又酸化カルシウ
ムは純度９５％以上のものを使用し、その融点が２５７
０°Ｃと耐火度が高（高温中の化学的安定性、不結合特
性を利用し更にマグネシウムとアルミニウムの酸化物で
あるスピネルはその融点が２１３５”Ｃでアルミナより
耐火度が高く高温負荷時の安定性を有し又シリカとアル
ミナの結合体であるムライトもその融点が１８５０℃と
高く安定した耐火性化合物である。以上のごとく強化用
の各補助材はその融点が高く化学的安定材料であり、こ
れが主材に添加して練和することにより焼成前に鋳型材
内部迄耐火性化合物が混入され鋳型材を耐火特性の更に
良好なものに構成せしむものである。

リン酸塩並びに塩基製金属酸化物は、前記主材に対する
硬化剤として用いられるものである。該硬化剤としての
リン酸塩は、リン酸アンモニウムが常用される。しかし
該リン酸アンモニウム以外にリン酸ナトリウム、リン酸
アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム
、リン酸カリウム等のものも適宜自由な選択対象とされ
る。しかし、リン酸塩としてのリン酸アンモニウムは、
その硬化等に膨張する所要凝固膨張の性質を保有し、チ
タン又はチタン合金が鋳込み時に硬化収縮することから
、鋳型材の膨張と溶融金属の硬化とときの収縮の度合い
が近似することがその製造条件として要求される。両条
件を勘案すると、凝固膨張の特性を有するリン酸化カリ
ウムを本純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材として用
いることは好ましいのである。ただ、前記した他の各種
リン酸塩においては、このような凝固膨張の特性を保有
しないものがあるが、これらを採用するときには当然鋳
込み空間の設計においてやや大きい状態で設定し、且つ
鋳型を作らなければならない。

次に、硬化剤としての塩基製金属酸化物としては、酸化
マグネシウム、電融マグネシア、マグネシアクリンカ−
などから選ばれたものが利用される。マグネシアは融点
で２８００℃程度と高いので、純チタン又はチタン合金
鋳造用鋳型材として用いるには、その物性からして耐火
度は充分である。

尚、これらの主材並びに硬化剤を鋳型として用い製造す
るときには、ここに練和液を用いるが、この練和液とし
ては通常鋳型強度並びに凝固膨張をあげる為にコロイダ
ルシリカを用いる。コロイダルシリカとしてはシリカ含
有量が２０％〜４０％のものを使用する。現在市販のコ
ロイダルシリカとしては２０％〜４０％のものが市販さ
れていることから、これらを選ぶのがそのコスト上使用
し易いも　　　　−のの、４０％以上のコロイダルシリ
カを用いることは何等制限事項ではない。

このような本発明に係る純チタン又はチタン合金鋳造用
鋳型材はシリカとアルミナを主成分とする主材と酸化ジ
ルコニウム、ジルコン、酸化カルシウム、スピネル、ム
ライトより選んだ１種又は２種以上の強化用補助材とリ
ン酸塩と塩基製金属酸化物で構成される硬化剤とで構成
されて、実際の使用時にはこれに練和液としてのコロイ
ダルシリカが用いられるものである。これらの配合比は
主材としてシリカ、アルミナの和は全材料中９０〜５５
重量％とし、強化用の補助材としては主材の総量に対し
５〜５０重量％の量を置換えて用い、又硬化剤としての
リン酸塩は５〜１５重量％、塩基製金属酸化物は５〜３
０重量％とした幅の中で用いられることが望まれる。

主材としてのシリカ、アルミナの和が９０〜５５重量％
であることの意味は９０重重景以上においてはリン酸塩
と塩基製金属酸化物は凝固膨張の制約上最低５重量％づ
つは必要であることがらシリカ、アルミナの和が９０重
量％以下としなければならないことから除去され、又５
５重量％以下の範囲についてはリン酸と塩基製金属酸化
物の和が４５重重景以上は、凝固膨張が出すぎ、又鋳肌
荒れが著しくなるので、硬化剤が４５重量％以下となる
と主材としてのシリカ、アルミナは５５重量％以下とな
る。

更に強化用の各補助材としての酸化ジルコニウム及びジ
ルコンについては、各々について主材総量の５〜５０重
量％の量を置換して使用するが５重量％以下の範囲につ
いてはその鋳造品表面状態及び巣の発生状態は添加しな
い場合と大差なき為除外し、５０重量％以上の範囲につ
いては表面の荒れ大と青色変色の点より又焼成時の焼固
りにより、鋳型の収縮率が大となる為に凝固及び加熱膨
張によりその差を補うことが出来ず鋳造品の精度が不良
となるので５０重微量以上は除外される。次に酸化カル
シウムについても主材総量の５〜５０重量％とするが５
重量％以下の範囲については、その表面状態及び巣の発
生状態その耐火度等が添加しない場合と大差なき為除外
し、５０重量％以上の範囲については主材、硬化剤間の
化学反応による結合作用を過剰に低減させ脆性大となる
為に除外した。

又スピネル及びムライトも５〜５０重量％とするが５重
量％以］−′の範囲については、無添加の場合と表面状
態、巣の発生状態、変色等大差なき為除外し、又５０重
微量以上の範囲については共に巣が多く、凝固、加熱膨
張係数小となり精度不良となる為除外される。

更に硬化剤としてのリン酸塩は、５〜１５重量％を使用
するが、５重量％以下の範囲については凝固膨張が不足
し、寸法精度に問題が出ることから、又、１５重撥％以
上の範囲については凝固膨張が大きくなり、以上膨張の
原因となるとともに鋳肌荒れが著しくなることから用い
られず、更に塩基製金属酸化物は５〜３０重量％用いる
が、この５重量％以下の範囲についてはリン酸塩との化
学反応が不足し鋳型強度の不足、スピネルの生成量にも
影響することから、更に３０重量％以上の範囲について
は、硬化時間が短かくなり、リン酸塩との化学反応が制
？１１１できなくなることから除外される。

而して、これらのシリカ、アルミナ及び強化用補助材並
びに硬化剤としてのリン酸塩、塩基製金属酸化物の組合
せのものが純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材として
用いられる。

次に、主材としてのシリカ、アルミナは、両成分の和を
１００部としたときに、この混合比中の一方は少なくと
も１０部以上配合してなることが規定される。１０部以
下のとき、 例えばシリカが１０部以下のときにおいては、ワックス
パターンを鋳型材中に埋没させ１００〜１５０゛Ｃ程度
の加熱をして脱ローさせたときに、鋳型の鋳込空間表面
に面荒れをおこし鋳造品に表面荒れを与える原因とな乞
ことから、又、アルミナが１０部以下のときにおいては
シリカと反応してムライトやスピネルの組織を作る為の
原材料量として少なすぎ、作成された鋳型の耐熱性につ
いて問題であることから、夫々が本鋳型材としての使用
目的から除去される。鋳型製造時の実際からするならば
、シリカとアルミナの和を１００部とし、酸化ジルコニ
ウム、ジルコン、酸化カルシウムの補助材を添加の時は
一方は２０部以上配合してなることがより良き結果をう
るちのである。

本発明においては鋳型材の主材としてシリカとアルミナ
を用い、更に強化用補助材として酸化ジルコニウム、ジ
ルコン、酸化カルシウム、スピネル、ムライトを１種又
は２種以上添加した鋳型材を熱処理することにより、チ
タンの融点１６００°Ｃ−１７００“Ｃより高い融点を
有するムライト　（融点的１８５０’Ｃ）スピネル（融
点的２１３５°Ｃ）コープイライト（融点的２０００℃
）の組織の１種以上のものが主材中、即ぢ鋳型材中に形
成されるとともに更に強化用補助剤の添加効果も加わる
ものである。即ち、酸化ジルコニウム又はジルコンの添
加はその融点が２８５０℃と高いことによる耐火度の向
上及び焼付防止とともに適量例えば２０重量％〜３０重
量％の添加によりコープイライトの生成が同じ焼成温度
でも促進され焼成組織の緻密性向上の効果がある。

酸化カルシウムの添加により、この融点が２５７０度と
高いことから鋳型材の耐火度の向上とともに高温中にお
ける化学的な結合性を有することから組織の過剰係合を
阻止し型ばなれの良好な鋳型材形成の効果がある。更に
スピネル、ムライトの添加は、従来の焼成によるスピネ
ル、ムライと、コープイライトの生成組織は主にその表
面層に形成されたがこれが補助材の焼成前の事前練和に
より鋳型材内部迄均等混合される為その焼成条件が改善
され耐火度の高い均質的な組織が得られる。

又スピネルの適量添加により高温度の化学的安定組織と
なることから荷重を受けた時の変形度も少く、鋳肌の表
面状態も良好である。更に、ムライトの適量添加は耐火
度、化学的安定性がより向上し、熱衝撃に対する抵抗性
の大きい緻密な強固組織が得られ、鋳物巣等の発生が減
少するものである。即ち、以上のごとく主材に強化用補
助材を添加、焼成した鋳型材は、その耐火性、高温時の
化学的安定性が更に向上することからアルミナの持つチ
タン又はチタン合金よりも高い融点（２０５０℃）と相
まって純チタン又はチタン合金の鋳造用に用いても化学
的安定度が高いことによりこれらの金属が型材中の酸素
分子と結合して酸化したり、又変色、鋳肌荒れなどをお
こすことはないのである。

したがって、純チタン並びにチタン合金を溶融状態で鋳
込む際の鋳型材料として本発明のシリカ並びにアルミナ
を主成分とする主材と、酸化ジルコニウム、ジルコン、
酸化カルシウム、スピネル、ムライトから選んだ１種又
は２種以上の強化用補助材と、リン酸塩、塩基製金属酸
化物の硬化剤とで構成するならば、チタンの物性を変え
ることなく鋳込みすることができるのである。又純チタ
ン並びにチタン合金は硬化時に体積収縮するが、本発明
の鋳型は加熱時の熱膨張と凝固時に膨張して、その結果
としての全体膨張率は純チタン並びにチタン合金の冷却
時の収縮率とほぼ同等となるから、最終製品を形どった
ワックスパターンを該鋳型中に埋没しておけば、一方の
膨張率と他方の収縮率の相殺関係で適正な鋳込み空間を
得ることができる。

次に、本発明に係る純チタン並びにチタン合金鋳造用鋳
型の製造について、実施例をあげながら説明する。

先ず、本発明による鋳型材を用いて鋳型を作成する一般
的製法を述べる。

全材料中９０重量％〜５０重重量を主材としてのシリカ
並びにアルミナを計量し、シリカは主材中１０〜９０重
景％の重量、アルミナは主材中１０〜９０重景％の重量
計量するとともに、添加する補、助材の１種又は２種以
上を主材総量の５重量％〜５０重量％計量し、リン酸塩
は全材料中５〜１５重量％、塩基製金属酸化物としては
酸化マグネジリムを全材料中５〜３０重景％重量し、こ
れらをコロイダルシリカ　（シリカ含有ｉｔ　：　２０
〜４０重景％）重量のと、又は水と練和し、鋳型空間を
構成するワックスパターンを容器中埋設した状態で前記
練和物を充填し、自然に硬化させる。

この操作は従来の鋳型、例えば歯科関係の鋳型形成と同
様である。

本発明においては、この硬化させた鋳型を加熱脱ロー後
、更に加熱焼成する為適宜な加熱方法、例えば電気炉に
入れて１０００℃以上、好ましくは１２００℃程度まで
焼成する。焼成された鋳型は常温まで冷却して鋳造に供
する。通常この鋳型は４００℃以下であれば鋳造可能な
ものとして用いられる。

従来の鋳型は、殆んど加熱状態で鋳型に供されるが、本
発明においてはこれを冷却して常温状態で鋳造し得るも
ので、鋳型の強度か鋳込むべき溶融金属の融点よりも高
く且つ物性的に安定していなければならない。

従来の鋳型製造時に８００℃〜９００℃にて焼成して利
用していたが、従来の鋳型においては、先ず１００°Ｃ
〜２００℃でワックス型に対する脱ローを行い、４００
″Ｃ程度〜７００°Ｃ程度の巾でアンモニアガスの除去
、即ち揮撥を行い、７００℃〜９００°Ｃ程度で五酸化
リンのガスを除去する工程をえていた。

しかし、本発明においては、このような温度基］７、即
ち１０００°Ｃ以上の温度で焼成することにより、シ」
ツカ、アルミナ、マグネシア等が結合して、ムライと、
スピネル、コープイライトの一種以上の耐火物組織を鋳
型中に作成するとともに更に強化用補助材の添加により
耐火度が高く化学的に安定した組織となり、この鋳型が
前記融点の純チタンやチタン合金に対する鋳型条件を備
えせしめることになる。当然、本鋳型においては、これ
らの耐火物組織が形成されると同時に、これに利用する
アルミナそのものの融点が純チタンやチタン合金の融点
よりもはるかに高く、又シリカも鋳込時間との関係では
充分に耐え得るところであり、且つ前記焼成時に鋳型表
面や鋳込空間表面にムライト等の耐熱組織が形成され更
に内部にも強化用補助材の添加により耐火度の高い組織
が形成され、かくして主材に補助材を添加した鋳型は純
チタン並びにチタン合金の鋳型材として充分使用に耐え
るものである。

次に本発明に係る鋳型材を用いて鋳型を作成し、純チタ
ンとチタン合、？、・え：１篩’ｊ、　ＬＪ　７ｊ　？
Ｊ’、、　’、−べ、以：・１ｅフ゛訣例のとおりの結
果走〜１−２１だ。

実験例 重量比で主材が９０亀推％、硬化剤が１０重世％のもの
を水にて真空練和したものに、長さ４０ｍｍｘ巾３０ｍ
ｍ　ｘ　ＦＴみ５ｍｍの厚板の・Ｌノクスパターンを埋
Ｃ′し、通法通り鋳型を作り、硬化させた後、電気炉に
てこれを１２００℃で焼成しさらに常温に降下させて作
成した鋳型に溶融した純チタンを鋳込んだところ、別表
の通りの結果であった。

但し、主゛材は全材料中９０重量％をしめ、これを１．
００％として、シリカとアルミナの和の一部を酸化ジル
コニウムに置き換えて行い、色・表面の焼付・あらさ・
巣（数の多少）をチェックした。

なお、判定中で×は使用不可の状態、△は問題は少しあ
るが使用可能の状態、Ｏは使用可能の状態、◎は使用好
適の状態を示す。

以上第１表に示すごと（酸化ジルコニウムは主材の５０
％までは使用可能であり、好ましくは１０％〜４０％で
あるという結果が知見された。又、酸化ジルコニウムを
添加することにより鋳型の耐火度を更に向上させ焼付を
防止し、酸化、変色を少なく又巣の発生も少ない。これ
は酸化ジルコニウムの融点が２８５０°Ｃである結果、
全体の耐火性能を高められた結果であると推測される。

尚、５０％以上に添加率等を大にすると焼成時の焼固り
により、鋳型の収縮が大きくなり、凝固及び加熱膨張に
より補うことが難しくなり歯科用としては不向きとなる
。よって合否判定は×となる。

第２表はシリカとアルミナの主材相互の配合率を変化さ
せて酸化ジルコニウムを添加した結果、第１表と同じ結
果であった。

更に他の補助剤であるジルコン、酸化カルシウム、スピ
ネル、ムライトについても略々同様の実験結果が得られ
た。

即ち、 ジルコンの使用可能範囲　　　　１０％〜５０％、好適
範囲　　　　２０％〜４０％、 酸化カルシウムの使用可能範囲　１０％〜５０％、好適
範囲　　　　２０％〜４０％、 スピネルの使用可能範囲　　　　１０％〜５０％、好適
範囲　　　　２０％〜４０％、 ムライトの使用可能範囲　　　　１０％〜５０％、好適
範囲　　　　２０％〜４０％、 以上の通り主材の５０％迄は使用可能であり好ましくは
２０％〜４０％であった。

互いに補助材２種以上を等量配合して主材の一部に置き
換えて実験した結果において、酸化ジルコニウムと酸化
カルシウムとスピネルの混合物の使用可能範囲は１０％
〜５０％、酸化ジルコニウムと酸化カルシウムとムライ
トの混合物の使用可能範囲は１０％〜５０％、等であり
補助材単独添加の場合と略々同様の結果が得られた。

以上の実験結果により本発明の主材への補助材の添加に
より、各補助材の耐火性能及び化学的安定性の大なるこ
とから焼固り、鋳型の収縮等において問題なく、５０％
迄の添加範囲においては表面状態、色相、巣の発生等に
おいて使用可能な鋳型材であることが確認された。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）シリカとアルミナを主成分とする主材と、酸化ジル
   コニウム、ジルコン、酸化カルシウム、スピネル、ムラ
   イトから選んだ１種又は２種以上の強化用補助材と、 リン酸塩と塩基性金属酸化物からなる硬化剤と、よりな
   る純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材。 ２）主材としての総量は全材料中９０〜５５重量％とし
   た特許請求の範囲第１項記載の純チタン又はチタン合金
   鋳造用鋳型材。 ３）主材としての１方の量が主材総量の１０〜９０重量
   ％とした特許請求の範囲第１項〜第２項記載の純チタン
   又はチタン合金鋳造用鋳型材。 ４）主材総量の５〜５０重量％を強化用補助剤で置換し
   てなる特許請求の範囲第１項〜第３項記載の純チタン又
   はチタン合金鋳造用鋳型材。 ５）シリカとして、硅石、硅砂、粒状硅砂又はクリスト
   パライトから選んだ一種又は二種以上のもので純度９０
   ％以上のものを利用してなる特許請求の範囲第１項〜第
   ３項記載の純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材。 ６）アルミナとして、純度８０％以上の高純度アルミナ
   又は高アルミナ質鉱物を用いてなる特許請求の範囲第１
   項〜第３項記載の純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材
   。 ７）リン酸塩として、全材料中５〜１５重量％としリン
   酸アンモニウム、リン酸カリウム、リン酸ソーダから選
   んだ１種以上のものを用いてなる特許請求の範囲第１項
   〜第４項記載の純チタン又はチタン合金鋳造用鋳型材。 ８）塩基製金属酸化物として、全材料中５〜３０重量％
   とし酸化マグネシウム、電融マグネシア、マグネシアク
   リンカーから選んだ１種以上のものを用いてなる特許請
   求の範囲第１項記載の純チタン又はチタン合金鋳造用鋳
   型材。 ９）第１項記載の鋳型材に練和液として２０〜４０％の
   コロイダルシリカ液を混入してなる純チタン又はチタン
   合金鋳造用鋳型材。