(57)【要約】【課題】良好な鋳造品を得ることができる中子材と、これを用いた中子、並びに中子材の製造方法、さらに中子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の第一の態様によれば中子材は、シリカ粒子と、イットリア安定化ジルコニアと含む。この構成によれば、シリカ粒子に対してイットリア安定化ジルコニアを添加することによって、中子材の流動性を向上することができる。さらに、イットリア安定化ジルコニアはシリカ粒子との反応性が低いため、ムライトの形成が抑制される。これにより、鋳造後に中子をアルカリ性溶液による溶解除去を容易に行うことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ粒子と、
イットリア安定化ジルコニアと、
を含む中子材。
【請求項２】
前記イットリア安定化ジルコニアの粒径は１０μｍ以下である請求項１に記載の中子材。
【請求項３】
前記イットリア安定化ジルコニアを１０〜３０重量パーセント含む請求項１又は２に記載の中子材。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の中子材を用いて形成された中子。
【請求項５】
シリカ粒子と、粒径１０μｍ以下のイットリア安定化ジルコニアとを混合して中子材を得る混合工程を含む中子材の製造方法。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか一項に記載の中子材とワックスとを混練してコンパウンドを生成する混練工程と、
前記コンパウンドと金型とを用いて中子素体を射出成型する射出成型工程と、
前記中子素体を加熱して脱脂を施して中子成形体を得る脱脂工程と、
前記中子成形体を焼結して中子を得る焼結工程と、
を含む中子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造にて使用される中子と、該中子を形成する中子材、並びに、中子材の製造方法、中子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密鋳造によって内部が中空の鋳造品を得るための技術として、該中空部と同一の形状を有する中子を用いて鋳造を行うことが一般的に知られている。精密鋳造によって製造される製品としては、例えばガスタービンに用いられる動翼がある。ガスタービンの運転中、動翼は高温にさらされる。このため、冷却媒体を流通させるために動翼の内部を中空構造とすることが一般的である。
【０００３】
このような中空構造を得るために、中空部と同一の形状を有する中子を鋳型の内部に配置し、鋳造後にこの中子を取り除くようにしている。さらに、中子を除去するに際しては、アルカリ性溶液によって溶解除去するようにしている。
中子を形成する中子材としては、成型時の流動性が良好であるとともに、鋳造時の強度が高く、かつ鋳造後には容易に溶解除去することができる材料が好適である。そのような材料として、石英のインゴットを粉砕して得られるシリカ粒子が広く用いられている。しかしながら、粉砕によって得られたシリカ粒子は粒度が粗いため、後続の焼結処理を施して得られる焼結体（中子）の強度は限定的である。したがって、シリカ粒子に強化材を添加して焼結体（中子）の強度向上を図る試みが広く行われている。
【０００４】
このような技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載された技術では、強化材としてアルミニウム化合物（Ａｌと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか一種または二種以上の元素を配合したもの）が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８３３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたように、アルミニウム化合物（アルミナを含む）を強化材として用いた場合、高温下ではシリカ粒子と強化材との間で反応を生じて、ムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）が形成される。ムライトは、アルカリ性溶液に溶解しにくいため、上述の中子の溶解除去に際して困難を伴う。これにより、良好な鋳造品を得ることが難しい場合がある。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、良好な鋳造品を得ることができる中子材と、これを用いた中子、並びに中子材の製造方法、さらに中子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様によれば中子材は、シリカ粒子と、ＹＳＺと含む。
【０００９】
上記構成によれば、ＹＳＺはシリカ粒子との反応性が低いため、ムライトの形成が抑制される。これにより、鋳造後に中子をアルカリ性溶液による溶解除去を容易に行うことができる。
加えて、シリカ粒子に対してＹＳＺを添加することによって、中子材の流動性を向上することができる。
【００１０】
さらに、本発明の第二の態様によれば、中子材は、前記ＹＳＺの粒径は１０μｍ以下であってもよい。
上記構成によれば、ＹＳＺの粒径が小さいことにより、中子材の流動性がさらに向上する。
【００１１】
さらに、本発明の第三の態様によれば、中子材は、前記ＹＳＺを１０〜３０重量パーセント含んでいてもよい。
上記構成によれば、鋳造時における中子の強度を向上することができる。
【００１２】
本発明の第四の態様によれば、中子は、上述の各態様に記載された中子材を用いて形成される。
【００１３】
さらに、本発明の第五の態様によれば、中子材の製造方法は、シリカ粒子と、粒径１０μｍ以下のＹＳＺとを混合して中子材を得る混合工程を含む。
【００１４】
加えて、本発明の第六の態様によれば、中子の製造方法は、上述の第一から第三の態様に係る中子材と、ワックスとを混練してコンパウンドを生成する混練工程と、コンパウンドと金型とを用いて中子素体を射出成型する射出成型工程と、中子素体を加熱して脱脂を施して中子成形体を得る脱脂工程と、中子成形体を焼結して中子を得る焼結工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、良好な鋳造品を得ることができる中子材、及びこれを用いた中子、並びに中子材の製造方法、中子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る中子の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における曲げ強度試験の結果を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例における曲げ強度試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態の中子材の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態の中子材は、シリカ粒子（ＳｉＯ２粒子）を含むシリカゾル（例えば、日産化学（株）製のスノーテックス（登録商標））と、強化材として添加されるイットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺとする）と、を有している。
【００１８】
シリカゾルは、水を分散媒体とし、メッシュ１００〜４００、好ましくはメッシュ２２０程度のＳｉＯ２粒子を水中に分散させたコロイド溶液（エマルジョン）である。ＳｉＯ２粒子の濃度は、１０ｗｔ％（重量パーセント濃度）〜４０ｗｔ％が好ましく、３０ｗｔ％程度が最も好ましい。
ＳｉＯ２粒子の濃度が低すぎるとスラリー本体の粘度が低くなり好ましくない。ＳｉＯ２粒子の濃度が高すぎると、粒子の凝集が発生するため好ましくない。ＳｉＯ２粒子は球形（粒形）をなしている。
【００１９】
ＹＳＺは、ジルコニアを元とする酸化物であって、ジルコニアに酸化イットリウムを添加して、ジルコニアの結晶構造を安定化させたものである。ＹＳＺの粒径は、０．１μｍ〜１０μｍが好ましく、０．２μｍ〜０．４μｍが最も好ましい。さらに、本実施形態におけるＹＳＺは、３モルパーセントのイットリアを含んでいる。
【００２０】
（中子材の製造方法）
次に、本実施形態の中子材の製造方法について説明する。
本実施形態の中子材の製造方法は、シリカ粒子（シリカゾル）と、粒径１０μｍ以下のＹＳＺとを混合して中子材を得る混合工程を有している。
【００２１】
混合工程は、シリカゾルと、ＹＳＺとを混合する工程である。シリカゾルとしては、上述したスノーテックス（登録商標）を購入してもよいし、水を分散媒体として、メッシュ２２０程度のＳｉＯ２粒子を水中に分散させてもよい。
【００２２】
より詳細には、混合工程は、シリカゾルに対し、撹拌羽根で撹拌を行いながら、ＹＳＺを少量ずつ混合する工程である。攪拌は、生成される中子材が適度な粘度を有するように１時間程度継続させる。粘度としては、ザーンカップ（粘度カップ）を用いて測定されるザーンカップ粘度が４５秒程度が好ましい。これにより、イットリアとジルコニアの塩溶液が生成される。
その後、該塩溶液を中和する。ここで、イットリアとジルコニアの塩溶液は、中和されると沈殿を生じる。次に、この沈殿物をろ過し、ろ過物を得る。ろ過物に対して、１０００℃で加熱処理を行うことで、ＹＳＺのインゴットが得られる。最後に、このインゴットを粉砕して、ＹＳＺの粒子を得る。以上の工程により、中子材が生成される。
【００２３】
（中子の製造方法）
次に、上述の中子材を用いた中子の製造方法について、図１を参照して説明する。
本実施形態における中子の製造方法は、中子材とワックスとを混練してコンパウンドを生成する混練工程と、前記コンパウンドと金型とを用いて中子素体を射出成型する射出成型工程と、前記中子素体を加熱して脱脂を施して中子成形体を得る脱脂工程と、前記中子成形体を焼結して中子を得る焼結工程と、を含む。
【００２４】
混練工程では、上述の方法によって得られた、ＹＳＺとシリカゾルの混合物に対して、熱可塑性を有するワックスを加えることで、コンパウンドを生成する。混合物に対するワックスの比率は、１０重量パーセントが望ましい。
以上により、混練工程が完了する。
【００２５】
続いて、射出成形工程について説明する。射出成形工程では、所望の中子の形状に対応する形状の金型と、上述のコンパウンドとを用いて、中子素体を射出成形する。射出成形の態様としては、金属射出成形技術（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）に基づく、セラミック射出成形技術（ＣＩＭ：Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）が一般的に知られている。
【００２６】
ここで、金型に対してコンパウンドを注入するに際しては、所定の圧力が要求される。この圧力は、金型の形状に依存するととともに、注入される中子材の有する流動性にも影響される。すなわち、中子材が比較的高い流動性を有する場合には、低い圧力で中子材を注入することが可能である。一方で、中子材の流動性が比較的低い場合には、高い圧力が要求される。
【００２７】
次いで、脱脂工程により、上述の射出成形工程で得られた中子素体の脱脂を行う。脱脂工程では、中子素体に対して、９００℃程度の温度での加熱処理を行い、中子成形体を得る。
【００２８】
続いて、焼結工程を行う。焼結工程では、脱脂工程によって得られた中子成形体を、１２００℃の温度で加熱することで焼結を施す。中子成形体を焼結することにより、所望の中子を得られる。
【００２９】
［実施例１］
次に、実施例１として、本実施形態における中子材の流動性を実証するための実験結果について説明する。
まず、上述の「中子材の製造方法」の項で説明した方法によって中子材を製造する。
このとき、中子材を射出成型機に注入する際に必要となる圧力は、シリカゾル（シリカ粒子）のみを注入する場合に比して減少した。
すなわち、シリカ粒子のみを注入する場合には、１００ＭＰａの圧力が要求された一方で、上述のＹＳＺを含む中子材を用いた場合は、この圧力が８５ＭＰａまで減少した。
シリカゾルに対してＹＳＺを混合したことによって、中子材の粘性が小さくなるとともに、中子材の密度が増大したものと推認される。これにより、流動時における中子材のレイノルズ数が大きくなり、流動性が向上したものと推認される。
加えて、ＹＳＺは、シリカゾル（ＳｉＯ２）と反応して第三相を生じにくいことが確認された。したがって、上述の中子を用いた精密鋳造によれば、鋳造後の中子の除去（アルカリ性溶液による溶解除去）に際して、第三相成分が鋳造品に残存する可能性が低減される。
【００３０】
［実施例２］
次に、実施例２として、本実施形態における中子の強度を実証するための実験結果について説明する。
【００３１】
まず、上述の「中子の製造方法」の項で説明した方法によって中子の試験片を製造する。本実験では、メッシュ２２０のシリカゾルとＹＳＺとを含むとともに、ＹＳＺの添加量（重量パーセント）が異なる複数の試験片を用いた。試験片の寸法は、３０×２００×５ｍｍに設定した。
【００３２】
これらの試験片を用いて、曲げ強度試験を実施した。曲げ強度試験としては、雰囲気温度を１５００℃とした状態で、いわゆる３点曲げ強度試験を行った。
３点曲げ強度試験では、試験片に対して厚さ方向一方側の面に２つの支点を設けるとともに、他方側の面であって２つの支点の中央に相当する箇所に、荷重点を設定する。この荷重点に対して荷重を付加することで試験片の曲げ強度が測定される。
【００３３】
図２に、本実施例における曲げ強度試験の結果を示す。本実験では、ＹＳＺの添加量の異なる６つの試験片を用いて、それぞれの試験片の曲げ強度を比較した。具体的には、ＹＳＺ添加量が０重量パーセントから５０重量パーセントまで、１０重量パーセント刻みで６つの試験片を用意した。
【００３４】
図２に示すように、ＹＳＺ添加量が１０から３０重量パーセントの試験片を用いた場合に、良好な強度を示すことが分かった。より詳細には、ＹＳＺ添加量が１０重量パーセントの試験片では、約１２ＭＰａの曲げ強度を示した。次いで、ＹＳＺ添加量が２０重量パーセント、３０重量パーセントの試験片では、ともに約１３ＭＰａの曲げ強度を示した。
【００３５】
ＹＳＺ添加量が４０重量パーセントの試験片では、約１０ＭＰａの曲げ強度を示し、やや良好な強度を得られるが、ＹＳＺ添加量が１０〜３０重量パーセントである場合に比して、曲げ強度の減少がみられる。さらに、ＹＳＺ添加量が５０重量パーセントの試験片では、さらに強度が減少し、約８ＭＰａの曲げ強度にとどまった。
【００３６】
これは、ＹＳＺが微粒子であることから、添加量が過大になると中子材の緻密化が亢進することに起因するものと推認される。
【００３７】
［実施例３］
次いで、実施例３として、本実施形態における中子の強度を実証するための他の実験結果について説明する。
【００３８】
まず、上述の「中子の製造方法」の項で説明した方法によって中子の試験片を製造する。本実験では、メッシュ３５０のシリカゾルと、ＹＳＺとを含むとともに、ＹＳＺの添加量（重量パーセント）が異なる複数の試験片を用いた。試験片の寸法、および各試験片におけるＹＳＺの濃度は、実施例１と同様である。
【００３９】
これらの試験片を用いて、曲げ強度試験を実施した。曲げ強度試験としては、雰囲気温度を１５００℃とした状態で、いわゆる３点曲げ強度試験を行った。
【００４０】
図３に、本実施例における曲げ強度試験の結果を示す。本実験では、ＹＳＺの添加量の異なる６つの試験片を用いて、それぞれの試験片の曲げ強度を比較した。具体的には、ＹＳＺ添加量が０重量パーセントから５０重量パーセントまで、１０重量パーセント刻みで６つの試験片を用意した。
【００４１】
図３に示すように、ＹＳＺ添加量が１０から３０重量パーセントの試験片を用いた場合に、良好な強度を示すことが分かった。より詳細には、ＹＳＺ添加量が１０重量パーセントの試験片では、約１５ＭＰａの曲げ強度を示した。次いで、ＹＳＺ添加量が２０重量パーセント、３０重量パーセントの試験片では、ともに約１６ＭＰａの曲げ強度を示した。
【００４２】
ＹＳＺ添加量が４０重量パーセントの試験片では、約１３ＭＰａの曲げ強度を示し、やや良好な強度を得られるが、ＹＳＺ添加量が１０〜３０重量パーセントである場合に比して、曲げ強度の減少がみられる。さらに、ＹＳＺ添加量が５０重量パーセントの試験片では、さらに曲げ強度が減少し、約９ＭＰａの曲げ強度にとどまった。
【００４３】
以上のように、シリカゾルに対する強化材としてＹＳＺを用いた中子材では、中子製造時における流動性の向上と、中子の強度の向上が得られることが分かった。
加えて、ＹＳＺは、シリカゾル（ＳｉＯ２）と反応して第三相を生じにくいことが確認された。したがって、上述の中子を用いた精密鋳造によれば、鋳造後の中子の除去（アルカリ性溶液による溶解除去）に際して、第三相成分が鋳造品に残存する可能性が低減される。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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