(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミック粉末と、液体バインダーとしての塩基性コロイドシリカと、水性スラリーにするための他の成分との混合物であるセラミックスラリーについて、大気雰囲気下での使用における寿命を長くすることのできる方法及び装置を提供する。【解決手段】セラミックスラリー１の周囲空気への暴露を少なくするために、セラミックスラリーを覆うガスブランケット７を設ける。ガスブランケット７は、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ含有物質を含むセラミックスラリーの使用寿命を長くする方法であって、セラミックスラリーの周囲空気への曝露を少なくするために、セラミックスラリーを覆うガスブランケットを設けることを含んでいる方法。
【請求項２】
ガスブランケットは、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択される請求項１の方法。
【請求項３】
不活性ガスは、アルゴンを含んでいる請求項２の方法。
【請求項４】
セラミックスラリーは、周囲空気と接触する容器の中に入れられており、ガスブランケットは、セラミックスラリーの上面を覆うように設けられる請求項１の方法。
【請求項５】
容器は、ディップ用ポットである請求項４の方法。
【請求項６】
シリカ含有物質は、コロイドシリカ又は珪酸アルカリ溶液を含んでいる請求項１の方法。
【請求項７】
空気中にて、経時変化によって悪影響を受ける塩基性シリカ含有物質又は他の物質を含む液体材料の使用寿命を長くする方法であって、混合物の周囲空気への曝露を少なくするために、前記材料を覆うガスブランケットを設けることを含んでいる方法。
【請求項８】
ガスブランケットは、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択される請求項７の方法。
【請求項９】
前記物質は、コロイドバインダー又は水溶液バインダーを含んでいる請求項７の方法。
【請求項１０】
シリカ含有材料の使用寿命を長くする方法であって、前記材料の周囲空気への曝露を少なくするために、前記材料を覆うガスブランケットを設けることを含んでいる方法。
【請求項１１】
前記材料は、コロイドシリカである請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記材料は、珪酸アルカリ水溶液である請求項１０の方法。
【請求項１３】
ガスブランケットは、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択される請求項１０の方法。
【請求項１４】
周囲空気に曝露されると、経時変化によって悪影響を受けるコロイドバインダー又は水溶液バインダーの使用寿命を長くする方法であって、前記バインダーの周囲空気への曝露を少なくするために、前記バインダーを覆うガスブランケットを設けることを含んでいる方法。
【請求項１５】
ガスブランケットは、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択される請求項１４の方法。
【請求項１６】
シリカ含有物質を含む液体材料の使用寿命を長くするための装置であって、前記材料を収容する容器と、周囲空気への曝露を少なくするために、前記材料を覆うガスブランケットを形成する手段と、を具えている装置。
【請求項１７】
容器を覆うように配備されたカバーを含んでおり、ガスブランケットを形成する手段は、カバーと容器内の材料との間にガスブランケットを形成する請求項１６の装置。
【請求項１８】
ガスブランケットを形成する手段は、不活性ガス、窒素及び酸素からなる群から選択されるガス源と、前記材料を覆うガスブランケットを形成するためのガスを供給する導管とを含んでいる請求項１６の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲空気に曝されると経時的に悪影響を受ける液体シリカ含有物質を含むセラミックスラリー又は他の液体材料の安定性を向上させるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インベストメント鋳造法及びロストワックスシェルモールド作製法は、例えば、オーバーホールの米国特許第３１９６５０６号及び第２９６１７５１号に示されるように、広く知られている。ロストワックスシェルモールド作製法は、鋳造されるべき物品のワックス等の消失性模型を、ディップ用ポットの中に入れられたセラミックスラリーの中に繰り返し浸漬して、模型の上にセラミックスラリー層を形成し、余分のスラリーを除去し、粗粒のセラミック粒でスラリーをスタッコイングしてスラリー層上にスタッコ層を形成し、スタッコイングされた単一又は複数のスラリー層を乾燥して所定厚さのセラミックシェルモールドが模型上に形成される。次に、シェルモールド／模型アッセンブリを模型除去工程に付し、シェルモールドから模型を選択的に取り除く。シェルモールドから取り除かれた模型を、高温で焼成することにより、溶融金属又は溶融合金の鋳造に必要な強度が付与される。
【０００３】
セラミックスラリーは、一般的には、上部が開口したディップ用ポット(dip pot)の中に入れられており、シェルモールド製作工程において、模型は、ロボット又は手操作によりスラリーの中に浸漬されることができる。複数のディップ用ポットの各々に、一般的には、シェルモールド製作工程で模型に施されるように異なるセラミックスラリーが入れられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に用いられるセラミックスラリーは、セラミック粉末と、液体バインダーとしての塩基性コロイドシリカと、水性スラリーにするための他の成分との混合物である。このようなセラミックスラリーは、周囲空気にさらされると、時間の経過により、スラリーバインダーの早期ゲル化及び粘度変化が起こり、経時的に不安定化することが観察される。時間経過によるこのようなゲル化及び粘度変化は、インベストメント用シェルモールド製作に用いるセラミックスラリーの適切性に悪影響を与え、セラミックスラリーの使用寿命を短くする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
＜発明の要旨＞
本発明は、塩基性シリカ含有液体物質(basic silica-bearing liquid component)及び／又は該物質の原材料を含むセラミックスラリーについて、大気雰囲気下での使用における寿命を長くすることのできる方法及び装置に関する。本発明はまた、他のコロイド溶液若しくは水溶液の無機バインダー又は大気雰囲気にさらされると経時的に悪影響を受ける物質が含まれる液体材料の使用寿命を長くするのにも有用である。
【０００６】
発明を限定するものではなく例示として挙げる実施例において、セラミックスラリーは、セラミック粉末、塩基性シリカ含有液体バインダー及び他の添加剤を含み、オープン型ポット又は容器の中に入れられる。セラミックスラリーの外気への曝露(exposure)を少なくするために、セラミックスラリーはガスブランケット(gas blanket)で覆われている。ガスブランケットは、空気以外の気体で、二酸化炭素を実質的に含まないものが好ましい。ガスブランケットは、例えば、セラミックスラリーの上面及び／又はセラミックスラリーの中へ、不活性ガスを適当な流速で送り込むことによって形成することができるが、これに限定されるものではない。他の例として、同じ目的のために、塩基性シリカ含有液体又はシリカ含有液体原料を含む水性混合物又は分散物から、ガスブランケットを形成することもできる。
本発明の利点は、以下の詳細な説明からより明らかなものとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
＜発明の詳細な説明＞
発明を限定するものではなく例示として示す実施例において、図１は、大気雰囲気下に置かれた開口容器(2)の中に入れられたセラミックスラリー(1)を示しており、セラミックスラリー(1)の上面は、ガスブランケットで覆われている。該ガスブランケットにより、セラミックスラリーの周囲空気への曝露は低減される。セラミックスラリー(1)は、当該分野で広く知られたロストワックスのセラミックシェルモールド製作工程で用いられるものと同じ種類のものを本発明に適用できるが、これに限定されるものではない。ロストワックスシェルモールドの製作工程において、セラミックシェルモールドは、鋳造品の消失性模型(図示せず)をセラミックスラリーの中でディッピングを繰り返して行なうことによって形成される。セラミックスラリーは、セラミック粉末、塩基性シリカ(ＳｉＯ２)含有液体バインダー及び他の成分の混合物である。スラリーの構成成分として用いられる代表的な塩基性シリカ含有液体バインダーは、塩基性コロイドシリカ液体バインダー(シリカ粒子が水の中に分散されている)を含んでいる。他の塩基性シリカ含有液体バインダーとして、例えば、珪酸ナトリウム又はカリウムの水溶液バインダー等の珪酸アルカリ液バインダーを挙げることができるが、これに限定されるものではない。なお、塩基性シリカ含有液体は、ｐＨが７よりも大きいシリカ含有液体を意味する。
消失性模型模型の製作を説明すると、公知のように、模型をセラミックスラリー(1)の中へ浸漬し、過剰なスラリーを模型から取り除いた後、模型上のスラリー層をスタッコイング(stuccoing)し、スタッコイングされたスラリー層を空気中又は公知の乾燥装置の中で乾燥する。乾燥した模型を、同じように、浸漬、過剰スラリーの除去、スタッコイング及び乾燥の作業を行なう。この作業は、模型上のシェルモールドの肉厚が所望の厚さになるまで行なう。セラミックスラリー及び／又はスタッコ層の乾燥については、本願と同じ譲受人に付与された米国特許第２９３２８６４号、第４１１４２８５号及び６７４９００６号に記載されている。消失性模型は、公知のワックス、ワックス／ポリマー配合物の他、鋳造品のモールディング又はその形状形成用として当該分野で広く知られた材料からなる。この消失性模型は、溶融(melting)、浸出(leaching)及び／又は蒸発等の公知の模型除去技術を用いて、模型の周りに形成されたシェルモールドから取り除くことができる。
【０００８】
ロストワックスプロセスの実施において、消失性模型には、シェルモールドの中で鋳造されるべき溶融金属又は合金と接触するフェイスコートを形成するために、消失性模型には、最初に、いわゆるプライムコート(prime coat)として、１又は２以上のセラミックスラリー層とスタッコ層が設けられる。次に、フェイスコートが形成された模型は、シェルモールドの肉厚が所望厚さになるまで、スラリーへの浸漬、過剰スラリー除去、スタッコイング及び乾燥工程を繰り返して行ない、プライムコートのスラリー層の上にスラリー層／スタッコ層のバックアップが形成される。一般的に、プライムコートのスラリーの耐火材粉末は、バックアップスラリーのものよりも細かい粉末を用いる。プライムコートのスタッコは、バックアップのスタッコよりも粗くないスタッコである。プライムコートのスラリー／スタッコは、鋳造される溶融金属又は合金と有害反応を起こすことなく、溶融金属又は合金と接触するのに適したフェイスコートを形成するために、典型的には、セラミックのような夫々の耐火材料を含んでいる。バックアップスラリー及びバックアップスタッコは、耐火材粉末及び耐火材スタッコを含むことができ、プライムコートのスラリー／スタッコに用いられるものと同じでもよいし、異なるものでもよい。ニッケル基及びコバルト基の超合金を鋳造するためのシェルモールドに用いられる耐火材の粉末／スタッコは、典型的には、米国特許第４９６６２２５号、第５３３５７１７号、第５９７５１８８号等に記載されたセラミック酸化物を含むものであるが、例えば米国特許第５２９７６１５号に記載されたグラファイト、ナイトライド、カーバイド等も用いることができ、これら特許の開示は、引用を以て本願への記載加入とする。
【０００９】
本発明は、シェルモールドの製作に用いられるフェイスコート用セラミックスラリーの使用寿命の長寿命化に特に有用であるが、本発明はフェイスコート用スラリーに限定されるものではなく、シェルモールドの製作に用いられるバックアップ用セラミックスラリーの使用寿命の長寿命化にも有用である。
【００１０】
図１において、セラミックスラリーは、しばしばディップ用ポットと称される公知の容器(2)の中に入れられ、セラミックスラリーを撹拌する手段を含んでいる。例えば、ディップ用ポットは、スラリー(1)を撹拌するための内部パドル又は他の撹拌器を含むことができるし、同じ目的のために、ディップ用ポット内に配置された固定撹拌器の垂直軸の周りを回転可能にすることもできる。
【００１１】
図１に示された本発明の実施例は、ディップ用ポット(2)に入れられたセラミックスラリー(1)の上表面を、符号(7)で示されるガスブランケットで覆うことにより、ディップ用ポット(2)のセラミックスラリー(1)の使用寿命を長くするものである。ガスブランケット(7)は、空気以外の気体で、二酸化炭素を実質的に含まない気体からなる。セラミックスラリー(1)をそのようなガスブランケット(7)で覆うことにより、セラミックスラリーの周囲空気への曝露を少なくし、特に、空気中の二酸化炭素に対する曝露を少なくすることができる。
【００１２】
図１を参照すると、導管又はパイプ(6)を介して、適当な気体をディップ用ポット(2)のセラミックスラリー(1)の上に排出することにより、セラミックスラリー(1)の上にガスブランケット(7)が形成される。導管又はパイプ(6)は、その排出口がセラミックスラリー(1)の上面の上方に位置するように配置される。導管又はパイプ(6)は、ガス流量調節器(4)及びニードル弁(5)を介してガス源(3)に連通している。なお、ニードル弁は、セラミックスラリーの周囲空気への曝露を効果的に少なくできるガスブランケットを形成できるように、導管(6)からセラミックスラリーの上に排出されるガスの流量を調節することができる。
【００１３】
ガスブランケットは、二酸化炭素を実質的に含まない気体から構成される。ガスブランケットを構成する気体は、希ガス及び／又は不活性ガス(例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ)、窒素、酸素、ガス状化合物(例えば、ハロカーボン)、合成ガス(例えば、Ｏ3)、及びそれらの混合物からなる群から選択され、二酸化炭素は実質的に含まれない(例えば、０.０１体積％よりも少ない)。アルゴンを含む不活性ガスが、ガスブランケット(7)として好ましい。
【００１４】
ガスブランケット(7)により、ディップ用ポット(2)内のセラミックスラリー(1)の上面の、周囲空気、特に大気中の二酸化炭素への曝露は効果的に低減される。いかなる理論に拘束されることも望まないけれども、出願人は、空気中の微量成分(例えば、二酸化炭素)が、塩基性シリカ含有液体バインダー(塩基性コロイドシリカバインダー)によって吸収されると、バインダーが不安定化すると考えている。二酸化炭素の捕獲による不安定化は、スラリーの早期ゲル化及びスラリーバインダーのレオロジーの経時的変化によって明らかであり、そのようなスラリーをさらに使用することは具合が悪く、廃棄せねばならなくなる。即ち、そのようなゲル化及び粘度の経時的変化は、インベストメント鋳造用シェルモールドの製作に用いるスラリーの適切性に悪影響を及ぼす。
【００１５】
本発明の実施において、ガスブランケット(7)はディップ用ポット(2)内のセラミックスラリー(1)を覆うように、交互に又は追加的に形成される。このガスブランケットは、アルゴン又は他の適当なガスをセラミックスラリー(1)の中へバブリングすることにより、ガスがセラミックスラリーの上面から出て、スラリーの上面に形成される。バブリングを行なうために、ディップ用ポット(2)内のセラミックスラリーの上面より下位置にガスバブラー(図示せず)が配置され、アルゴン又はその他ガスがセラミックスラリーから上向きに移動するように、前記ガスをセラミックスラリーの中へ放出すると、ガスはスラリーの上面から出て、該上面を覆うガスブランケットが形成される。
【００１６】
本発明はまた、図３に示されるように、ディップ用ポット(1)内のセラミックスラリーの上表面の少なくとも一部を覆うカバー(15)を配置することもできる。このカバーは、ガスブランケット(7)を閉じ込める作用を有し、また、セラミックスラリーの上面を保護するガスブランケットを崩壊させる可能性のある周囲空気の流れを低減する。
【００１７】
本発明はさらにまた、二酸化炭素がスラリーから優先的に除かれるように、ディップ用ポット(2)内のセラミックスラリー(1)の中及び／又は上の適当位置に、二酸化炭素用ゲッター剤(図示せず)を施すことができる。二酸化炭素は、周囲空気中、及び／又はスラリーの構成物質中、例えばスラリーの水分中に存在する。このために、ゲッター剤を用いて、周囲雰囲気から二酸化炭素を取り除き、セラミックスラリー系への進入を防止する。
【００１８】
以下の実施例は、本発明をさらに説明するためのものであり、それに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
試験のために、同じ組成のセラミックスラリーを作製した。符号Ａ及びＢで示されるセラミックスラリーは両方とも、イットリア粉末、コロイドシリカ液体バインダー、ｐＨ調整剤及び他の公知の成分(例えば、泡止め剤、界面活性剤、ラテックスエマルジョン等)を含んでいる。撹拌器付きで２つの開放型１ガロン容量のポットの中に高密度ポリプロピレンを入れ、これに同量のスラリーＡ及びＢを入れ、２４時間／７日の週ベースにて試験した。スラリーへの追加は、水の蒸発分の補給とｐＨ調整のためにだけ行なった。スラリーの撹拌は、１ガロン容量の開放型ポットの中で、該ポットに配備されたミキサーを用いて行なった。スラリーの粘度は、ザーンカップ＃４で１７〜２０秒の範囲に維持されるようにした。スラリーＡの表面では、アルゴンガスが、ゆっくりと連続的に流れるようにした。スラリーＢは、周囲空気に曝露されるようにした。
【００２０】
各スラリーについて、ｐＨ、粘度、プレート重量(３平方インチプレート、ドレン１分)、密度及びシリカ含有量を所定間隔でチェックした。プレート重量(plate weight)は、ウエットフィルムの厚さを測定する。スラリーＡ及びＢの開始シリカ含有量は１５重量％であった。
【００２１】
図２に示されるように、アルゴンで覆われたスラリーＡは、適当なスラリー特性(例えば、実用的最少限のシリカ含有量９重量％)を有する期間は約４１日であった。これに対し、アルゴンブランケット無しのスラリーＢが適当なスラリー特性を有する期間は約１０日にすぎなかった。
【００２２】
試験結果は、開放型ポットの中のセラミックスラリーにアルゴンガスのブランケットを設けると、セラミックスラリーの寿命を長くするのに非常に効果があることを示している。即ち、スラリーＡの使用寿命は、本発明の実施例を実行することにより、実質的に長くすることができた。また、アルゴンガスのブランケットを用いることにより、試験期間中、水とｐＨ調整剤のスラリーへの追加量を少なくすることができた。例えば、アルゴンブランケットを有するスラリーＡは、試験中に加えた水は約５０％少なく、ｐＨ調整剤は約４０〜６４％少なかった。
【実施例２】
【００２３】
符号Ｃで示されるセラミックスラリーは、ジルコン粉末、アルミン酸コバルト粉末、コロイドシリカ液体バインダー及び他の公知の成分(例えば、泡止め剤、界面活性剤、ラテックスエマルジョン等)を含んでいる。１０ガロン容量の開放型回転式スラリーディップ用ポットの中に、大気雰囲気下にて、スラリーＣを入れた。別の１０ガロン容量の開放型回転式スラリーディップ用ポットの中に、同一成分のスラリーＤを同量入れ、セラミックスラリーの上面にはアルゴンブランケットを形成した。スラリー表面の上に配置した１/４インチ径のゴムホースから約６ＳＣＦＭの流量のアルゴンガスを、スラリーＤの表面に導入した。アルゴンブランケットの存在は、酸素測定器を用いて監視し、アルゴンで覆われたスラリーの酸素量は、空気中の酸素量よりも有意に少なかった。図３に示されるように、スラリーの上の空気の流れを少なくするために、ポットの前に、ポット蓋又はカバーを設けてあり、その結果、測定された酸素量は６体積％まで低下した(空気中の酸素量は２１％)。
【００２４】
スラリーのプレート重量、粘度及び密度の監視は毎日行なった。水の添加は、蒸発分を補うために、週末を除き、毎日１回行なった。ディップ用ポット内のスラリーは、使用可能範囲内に維持できなくなるまで、同じ密度及び粘度になるように、水及び／又はコロイドシリカを必要に応じて添加することによって調整し、粘度とプレート重量を所定の使用範囲内に維持した。
【００２５】
アルゴンブランケットを有するスラリーＣは、所定の使用範囲を維持することができた期間は７０日であった。これに対し、アルゴンブランケット無しのスラリーＤが所定の使用範囲を維持することができた期間は４５日にすぎなかった。このように、アルゴンガスのブランケットを設けると、スラリーＣの寿命を、アルゴンブランケット無しのスラリーＤと比べて、３.５週、即ち５６％使用寿命が長くなった。
【００２６】
図４を参照すると、スラリーＣでは、本質的に同じ粘度にあり、プレート重量(６平方インチプレート、ドレン３分)が所定の実用的最大レベル以下にある期間は、スラリーＤよりもかなり長かった。
【００２７】
本発明は、前述のインベストメント鋳造用シェルモールドの製作に用いられるセラミックスラリーへの適用に限定されるものではない。本発明は、塩基性シリカ含有液体物質を含む水性混合物又は溶液又は分散物に適用することができる。この混合物又は分散物は、限定するものでないが、ペイント、コーティング、トリートメント、及びコロイドシリカ、珪酸アルカリ溶液を含むスラリー、及び他の塩基性シリカ含有液体を含んでいる。さらにまた、本発明は、限定するものではないが、コロイドシリカ及び珪酸アルカリ溶液などのシリカ含有液体材料そのものの使用寿命を長くするのに適用することができる。本発明はまた、周囲空気に曝露されると、経時による悪影響を受ける他の無機コロイドバインダー又は水溶液バインダーの使用寿命を長くすることを含むものである。
【００２８】
本発明の具体的実施例について説明したが、本発明の範囲はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定された発明の精神及び範囲内で変形できることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】インベストメント鋳造用シェルモールドの製作に用いられるディップ用ポットに使用するセラミックスラリーの使用寿命を延ばすために、本発明の一実施例の方法を実施する装置の模式図である。
【図２】スラリーＡ及びＢのシリカ％と、経過日数との関係を示すグラフである。
【図３】インベストメント鋳造用シェルモールドの製作に用いられるディップ用ポットに使用するセラミックスラリーの使用寿命を延ばすために、本発明の他の実施例の方法を実施する装置の模式図である。
【図４】スラリーＣ及びＤのプレート重量と、経過日数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
(1)  セラミックスラリー
(2)  ディップ用ポット
(7)  ガスブランケット
(15)  蓋又はカバー
【図１】
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【図２】
2006088223.tif 000004
【図３】
2006088223.tif 000005
【図４】
2006088223.tif 000006
【外国語明細書】
2006088223000001.pdf