(57)【要約】      （修正有）【課題】強度が高く、寸法変化の少ない金属又は合金のインベストメント鋳造用シェルモールド製造用の消失性模型を提供する。【解決手段】金属又は合金のインベストメント鋳造用シェルモールドを製造するための消失性模型であって、実質的ランダムなインターポリマーと低分子量ポリマーを所定比率で含んでおり、シェルモールドの製造用に適した特性を具備している。また、前記模型材料から作られ、金属又は合金の鋳造物品の形状を有する消失性模型を配備し、シェルモールドの中で前記模型をインベストメント鋳造し、前記模型を溶解することにより、シェルモールドにクラックを生じることなく、シェルモールドから前記模型を取り外す。【選択図】  図２
2004255465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金の物品鋳造用消失性模型を作るための模型材料であって、
ａ）実質的ランダムなインターポリマーと、
ｂ）前記インターポリマー以外の低分子量ポリマーと、
を含んでいる模型材料。
【請求項２】
インターポリマー及び低分子量ポリマー以外の熱可塑性ポリマーを含んでいる請求項１の模型材料。
【請求項３】
インターポリマーは、１種又は２種以上のαオレフィンを重合することによって調製され、前記αオレフィンは、１種又は２種以上のビニル若しくはビニリデン芳香族モノマー、及び／又は、１種又は２種以上のヒンダード脂肪族若しくは脂環式のビニル若しくはビニリデンモノマーを有している請求項１の模型材料。
【請求項４】
インターポリマーは、１種又は２種以上のビニル若しくはビニリデン芳香族モノマーと、追加のモノマーを含んでいる請求項１の模型材料。
【請求項５】
ビニル若しくはビニリデン芳香族モノマーは、インターポリマーを１〜６５モル％含んでいる請求項３の模型材料。
【請求項６】
ビニル若しくはビニリデン芳香族モノマーは、インターポリマーを１０〜６０モル％含んでいる請求項５の模型材料。
【請求項７】
ビニル若しくはビニリデン芳香族モノマーは、インターポリマーを３０〜５０モル％含んでいる請求項６の模型材料。
【請求項８】
ポリマーは、低分子量ポリスチレン、粘着付与剤、樹脂及びワックスから選択され、平均分子量(Ｍｎ)は１０,０００より小さい請求項１の模型材料。
【請求項９】
平均分子量(Ｍｎ)は５,０００より小さい請求項８の模型材料。
【請求項１０】
平均分子量(Ｍｎ)は２,０００より小さい請求項９の模型材料。
【請求項１１】
インターポリマーを１０〜９５重量％、低分子量ポリマーを５〜６０重量％含んでいる請求項１の模型材料。
【請求項１２】
インターポリマーを３０〜８０重量％、低分子量ポリマーを１０〜５０重量％含んでいる請求項１１の模型材料。
【請求項１３】
インターポリマーを５０〜７０重量％、低分子量ポリマーを２０〜５０重量％含んでいる請求項１２の模型材料。
【請求項１４】
金属又は合金の物品鋳造用消失性模型を作るための模型材料であって、
ａ）エチレンとスチレンのインターポリマーと、
ｂ）低分子量ポリスチレンと、
を含んでいる模型材料。
【請求項１５】
インターポリマーを５０〜７０重量％、低分子量ポリマーを２０〜５０重量％含んでいる請求項１４の模型材料。
【請求項１６】
インターポリマーを６０重量％、低分子量ポリマーを４０重量％含んでいる請求項１５の模型材料。
【請求項１７】
メルトフローレートは、ASTM D1238で３５０以上である請求項１４の模型材料。
【請求項１８】
金属又は合金の鋳造物品の形状を有する消失性模型であって、請求項１又は１４の模型材料からなる消失性模型。
【請求項１９】
物品は、射出成形によって形成された形状を有している請求項１８の模型。
【請求項２０】
形状は、ガスタービンエンジンのブレード又はベーンである請求項１８の模型。
【請求項２１】
Ｉビーム形状の模型の寸法変化は、ワックス模型の場合よりも少ない請求項１８の模型。
【請求項２２】
ワックス模型よりも高い強度を有している請求項１８の模型。
【請求項２３】
ワックス模型よりも靱性が大きく、脆性が小さい請求項１８の模型。
【請求項２４】
メルトフローレートは、ASTM D1238で３５０以上である請求項１８の模型。
【請求項２５】
ワックス模型及びポリスチレン模型よりも収縮が少ない請求項１８の模型。
【請求項２６】
金属又は合金の鋳造物品の形状を有する消失性模型と、該模型にインベストメント鋳造されるシェルモールドとの組合せであって、前記模型は、請求項１又は４の模型材料からなる組合せ。
【請求項２７】
物品は、射出成形によって形成された形状を有している請求項２６の組合せ。
【請求項２８】
模型は、ガスタービンエンジンのブレード又はベーンの形状である請求項２６の組合せ。
【請求項２９】
模型のメルトフローレートは、ASTM D1238で３５０以上である請求項２６の組合せ。
【請求項３０】
形状は、ガスタービンエンジンのブレード又はベーンである請求項２６の組合せ。
【請求項３１】
Ｉビーム形状の模型の寸法変化は、ワックス模型の場合よりも少ない請求項２６の組合せ。
【請求項３２】
ワックス模型よりも高い強度を有している請求項２６の組合せ。
【請求項３３】
ワックス模型よりも靱性が大きく、脆性が小さい請求項２６の組合せ。
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【請求項３５】
ワックス模型及びポリスチレン模型よりも収縮が少ない請求項２６の組合せ。
【請求項３６】
金属又は合金を鋳造するためのシェルモールドを製造する方法であって、金属又は合金の鋳造物品の形状を有し、請求項１又は１４の模型材料からなる消失性模型を配備し、シェルモールドの中で前記模型をインベストメント鋳造し、前記模型を溶解することにより、シェルモールドにクラックを生じることなく、前記模型をシェルモールドから取り外すこと、を含んでいるシェルモールドの製造方法。
【請求項３７】
模型はフラッシュ加熱によって溶解する請求項３６の方法。
【請求項３８】
模型は蒸気オートクレーブ処理によって溶解する請求項３７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属及び合金のインベストメント鋳造に関し、具体的には、インベストメント鋳造用シェルモールドの作製に使用するパターン材料又は模型材料(pattern materials)及び消失性模型(fugitive pattern)に関する。
【背景技術】
【０００２】
「ロストワックス」のインベストメント鋳造は広く知られており、鋳造される物品の消失性模型又は使い捨て式模型の材料は、例えば、ワックス、ポリスチレンその他一般的に使用される消失模型材料が用いられ、その製造は、鋳造される物品の形状に対応する金型の中で、流体模型材料を射出鋳造することによって行われる。即ち、消失性模型は、鋳造される物品のレプリカである。大量生産式のインベストメント鋳造作業では、一般的に、複数の消失性模型が、中央の消失性スプルー及び注湯口(pour cup)へ取り付けられ、ギャング又はクラスターと称される模型組立体(pattern assembly)を形成する。次に、模型組立体はセラミックシェルモールドの中で鋳込み作業が行われ、まず、液体バインダー中にセラミック粉末が含まれたセラミックスラリーの中に消失性模型を繰り返し浸漬し、過剰のスラリーを排出し、粗粒のセラミック粒子又はスタッコで湿らせながらスラリー層をスタッコイングし、その後、所望厚さのセラミックシェルモールドが模型に形成されるまで、空気又は制御された雰囲気中で乾燥させる。最初のセラミックスラリー層及びスタッコ層(例えば、最初の２層)は、シェルモールドの表面被覆層であって、該表面被覆層に、鋳造される溶解金属又は合金が接触する。
【０００３】
模型組立体に所望肉厚のシェルモールドが形成されると、模型組立体を、一般的には熱的処理によって未焼成(green)シェルモールドから取り外す。模型組立体は選択的に溶解され、各々が消失性模型の形状を有する複数のモールドキャビティを有するセラミックシェルモールドが形成される。一般的な模型取外し技術は、未焼成シェルモールド／模型組立体を、フラッシュ脱ワックス(flash dewaxing)工程に付すことにより行われる。この工程では、未焼成シェルモールド／模型組立体は、高温のオーブンに入れられ、シェルモールドの模型から急速に溶解する。
その他に、未焼成シェルモールド／模型組立体を蒸気オートクレーブ内に入れることによって行なう模型取外し技術があり、ここでは、高温・高圧の蒸気を用いて模型の取外しが行われ、ワックス模型は未焼成シェルモールドから急速に溶解する。ワックス又はポリスチレンの模型を用いたロストワックス法によってセラミックのシェルモールドを製造する場合、消失性模型は急速に加熱され溶解するので、シェルモールドに内部熱応力が作用する。このため、前述の模型取外し作業の際に、モールドにクラッキング(cracking)又はスプリッティング(splitting)を生じる傾向がある。溶融金属又は合金用のシェルモールドとして使用できるようにするには、模型取外しの際に、モールドのスプリッティング又はクラッキングが発生しないようにせねばならない。
【０００４】
模型を取外した後、シェルモールドを高温で焼成する。これにより、模型の残部を取り外し、溶解金属又は合金を鋳造するのに必要な適当な強度がもたらされる。インベストメント鋳造法及びロストワックス用シェルモールドの製造法は広く知られており、例えば、Operhallの米国特許第３１９６５０６号及び第２９６１７５１号の他、多数の特許に開示されている。セラミックのシェルモールドには、一般的には、溶解金属又は合金が鋳造される。つまり、シェルモールドの漏斗型注湯口へ溶解材料を注ぎ込むと、溶解材料は重力作用でスプルーへ移動し、ゲートを通って、モールドキャビティの中へへ流れ込む。溶解金属又は合金は、モールド内で凝固し、モールドキャビティ内で所望の鋳造品に成形される。即ち、鋳造品の形状は、初めの消失性模型の形をしたモールドキャビティの形状に対応している。鋳造品は、凝固したゲート、スプルー及び注湯口に繋がっている。次に、セラミックのシェルモールドを取り外し、鋳造品を凝固ゲートから切断又は分離して、１又は２以上の仕上加工を施し、検査作業の後、製品として出荷される。
【０００５】
前述のロストワックス式のインベストメント鋳造は、ニッケル基又はコバルト基の超合金を用いて、タービンエンジンのブレード又はベーン(エアフォイルと呼ばれる)などのガスタービンエンジンの構成要素を鋳造するのに、広く用いられている。このような鋳造において、一般的に広く用いられている複数成分のワックスブレンド以外の材料から消失性模型を作ることが試みられている。例えば、ロストワックス法のセラミックシェルモールドを作るために、ポリスチレン又はポリウレタンの成形フォームを用いる試みが行われている。しかしながら、ポリスチレン又はポリウレタンフォームの模型は、模型の表面品質、模型強度に欠点があり、また、シェルモールドから模型を取り外す際、シェルモールドにクラックを生ずる問題があった。
【発明の開示】
【０００６】
＜発明の要旨＞
本発明は、金属又は合金の鋳造物品の消失性模型つまりレプリカを作るのに使用される模型材料を提供する。模型材料は、第１成分Ａ、第２成分Ｂ及び選択的な第３成分Ｃを含んでおり、第１成分Ａは、実質的にランダムインターポリマーであり、望ましくはビニル又はビニリデン芳香族モノマーの少なくとも１種と、追加のモノマー(特にＣ2〜Ｃ20のα-オレフィン)とを約１〜約６５モル％含んでおり、第２成分Ｂは、成分Ａ以外のポリマーであって、望ましくはポリスチレンなどの低分子量ポリマーであり、選択的な第３成分Ｃは、熱可塑性ポリマー又は模型材料の中に一般的に存在する充填剤(filler)などの他の材料の１種又は２種以上を含んでいる。
【０００７】
本発明の一実施例において、成分Ａ、成分Ｂ及び選択成分Ｃの比率は、ロストワックスインベストメント鋳造用シェルモールドを作るのに適した特性を有する消失性模型を射出鋳造できるように選択される。例えば、模型材料は、成分Ａとしてエチレン／スチレンインターポリマー、成分Ｂとして低分子量ポリスチレンを含むものを選択し、その比率については、高速・低コストの射出成形で視覚的にすぐれる表面品質が得られるような模型収縮率(shrinkage rate)と、自動シェルモールド製造の６シグマの製造要件に適合し得る寸法安定性を維持することができる模型の機械的性質と、これまでの熱を利用した模型の急速取外し方法の場合にも、モールドのスプリッティング又はクラッキングを生じることなくシェルモールドから模型を取り外すことができる溶解温度、溶湯流れ速度(メルトフローレート)及び熱膨張係数と、シェルモールドのクリーン燃焼(低灰分)条件とを考慮して選択される。模型材料は、鋳造される物品の消失性模型の作製に用いられ、シェルモールドの中に入れて、次に、シェルモールドから取り除いて、溶解金属材料を鋳造する際のシェルモールドとして使用される。上記の模型材料は、消失フォーム又は他の鋳造において鋳造される物品の消失性模型を作るのに用いられ、消失性模型は破壊され、鋳造される溶解金属材料と置換される。
【０００８】
本発明の上記利点は、以下の発明の詳細な説明と図面により、容易に明らかなものとなるであろう。
【０００９】
＜発明の詳細な記述＞
以下に例示する本発明の模型材料は、図１、図２及び図３に示すロストワックスインベストメント鋳造に使用する消失性模型の製造に有用である。特に、本発明に基づく模型材料は、射出成形その他の鋳造により、鋳造物品の形状を有する複数の消失性模型(10)が形成される。図１に示す模型(10)は、ガスタービンエンジンのブレード形状を示しており、エアフォイル部(12a)、プラットホーム部(12b)及びルート部(12c)を有している。なお、本発明は、タービンブレードに限定されるものではなく、その他どんな模型形状の作製に用いることができる。模型(10)は、夫々の消失性スプルー形成要素(14)に接合され、該要素(14)は、円錐台形の注湯口形成要素(16)の下部に連結され、ギャング又はクラスターの模型組立体(20)を形成する。注湯口形成要素(16)は、金属、プラスチック又はその他材料からなる支持台(21)の上に直立する消失性ポスト要素(18)によって支持される。要素(14)(16)(18)は、模型(10)と同じ消失性材料、又は、異なる消失性材料(パラフィンワックス、実用ワックスその他適当な材料)を、射出成形又は押出することによって作ることができる。模型(10)と要素(14)(16)(18)は、ワックス溶接、高温接着剤、炭化水素樹脂接着剤及び／又は溶剤結合材料を使用して、互いに接合される。完成した模型組立体(20)は、図１に示されている。
【００１０】
模型組立体(20)は、図２に示すセラミックシェルモールド(30)の中に入れられ、液体バインダー中にセラミック粉末が含まれたセラミックスラリーの中に消失性模型を繰り返し浸漬し、過剰のスラリーを排出し、粗粒のセラミック粒子又はスタッコで湿らせながらスラリー層をスタッコイングし、その後、所望厚さのセラミックシェルモールド(30)が模型に形成されるまで、空気又は制御された雰囲気中で乾燥させる。
模型組立体(20)に所望肉厚の生(未焼成)のシェルモールド(30)が形成されると、模型組立体(20)を、一般的には熱的処理によって未焼成シェルモールドから取り外す。模型組立体は選択的に溶解され、各々が消失性模型の形状を有する複数のモールドキャビティ(30a)を有するセラミックシェルモールド(30)が形成される。各モールドキャビティ(30a)は、夫々のスプルー(30b)に連通しており、該スプルーは、モールド組立体の注湯口(30c)の下部に連通している。各モールドキャビティ(30a)は、最も下位置に選択的に設けられて、結晶開始点となるキャビティ(grain starter cavity)(30d)に連通している。該キャビティは、各模型(10)の最下部(12d)となるもので、部分(12d)は、各模型と一体であってもよく、或いは分離して作られ、接着剤で各模型に取り付けるようにしてもよい。
【００１１】
モールド組立体(30)が模型組立体(20)の周りでインベストメント鋳造された後、模型組立体を、公知の急速熱的処理又は上記オートクレーブ処理によって取り除く。急速熱的処理は、例えば、フラッシュ脱ワックス処理であり、生のシェルモールド／模型組立体を、高温(例えば１５００OＦ)のオーブン(図示せず)に入れて、消失性模型を溶解させ、シェルモールドから除去する。蒸気オートクレーブ処理では、シェルモールド／模型組立体は、蒸気オートクレーブの中に入れる。オートクレーブ内では、高温・高圧の蒸気により、模型組立体は急速に溶解し、焼成シェルモールドから除去される。模型組立体(20)をシェルモールド(30)から取り外すのに、その他の模型取外し方法を用いることもできる。
【００１２】
模型組立体を取り外した後、モールド組立体(30)を高温で加熱し、模型の残部を取り除き、公知の温度及び時間の条件で焼成することにより、溶解金属又は合金を鋳造するのに適当なモールド強度がもたらされる。模型組立体(20)を取り外し、高温焼成した後のシェルモールド組立体を、図３に示している。図示のモールド組立体(30)は、公知の指向性凝固鋳造炉(42)の中の冷却プレート(chill plate)(40)上に配置されており、誘導溶解坩堝(44)から溶解金属又は合金が投入される位置にある。
溶解金属又は合金を、坩堝(44)からモールド注入口(30c)の中に注ぐと、溶解金属又は合金は、モールド注入口(30c)からスプルー(30b)を通って、各々のモールドキャビティ(30a)及びそれに連繋されたキャビティ(30d)の中に流れ込む。キャビティ(30d)では、溶解金属又は合金が冷却プレートと接触し、多くの結晶粒の核が形成され、上向きに成長する。結晶粒は、モールドキャビティ(30a)内の溶解金属又は合金を通って上向きに成長し、周知の如く、柱状結晶のタービンブレード鋳造品が形成される。単結晶タービンブレードは、周知のように、シード(図示せず)を、結晶開始点となるキャビティ(30d)の中に入れ、結晶セレクター通路をシードとモールドキャビティ(30a)の間に配置することにより、各モールドキャビティ(30a)の中で作ることができる。本発明は、指向性凝固鋳造用シェルモールドの製造に限定されるものではなく、結晶開始点となるキャビティ(30d)を必要としないシェルモールドを使用して等軸形結晶鋳物を製造するのに用いられる鋳造法にも使用することができる。
【００１３】
本発明の一実施例に係る消失性模型は、模型(10)の他に選択要素(14)(16)(18)を製造するのに用いられ、第１成分Ａ、第２成分Ｂ及び選択的な第３成分Ｃを含んでおり、第１成分Ａは、実質的にランダムインターポリマーであり、望ましくはビニル又はビニリデン芳香族モノマーの少なくとも１種と、追加のモノマー(特にＣ2〜Ｃ20のα-オレフィン)とを約１〜約６５モル％含んでおり、第２成分Ｂは、望ましくは非常に低分子量のポリマー、より望ましくは低分子量ポリスチレンであり、選択的な第３成分Ｃは、模型材料の充填剤として一般的に存在する１種又は２種以上の熱可塑性ポリマーを含んでいる。
成分Ａ、成分Ｂ及び選択成分Ｃの比率は、高速・低コストの射出成形で視覚的にすぐれる表面品質が得られるような模型収縮率と、自動シェルモールド製造の６シグマの製造要件に適合し得る寸法安定性を維持することができる模型の機械的性質と、これまでの熱を利用した模型の急速取外し方法の場合にも、モールドのスプリッティング又はクラッキングを生じることなくシェルモールドから模型を取り外すことができる溶解温度、メルトフローレート及び熱膨張係数と、シェルモールドのクリーン燃焼(低灰分)条件などの特性を有する模型材料が得られるように選択される。
【００１４】
成分の定義
この明細書の中で記載する族(group)に属する元素又は金属の全ては、１９８９年CRC Press, Inc.が出版し著作権を有する元素周期表に基づいている。また、周期表の族の名称，番号の表記については、IUPAC(国際純正応用化学連合)の方式を用いている。
【００１５】
この明細書で用いられる「インターポリマー」という語は、インターポリマーを作るための２種以上の異なるモノマーが重合されたポリマーを意味する。これには、コポリマー(共重合体)、ターポリマー(三元重合体)などが含まれる。
【００１６】
この明細書の中で「実質的にランダム(substantially random)」という語は、１種又は２種以上のビニル又はビニリデン芳香族モノマー、及び／又はヒンダード脂肪族又は脂環式ビニル若しくはビニリデンモノマーを有する１種又は２種以上のα-オレフィンモノマーに由来するポリマーユニットを含む実質的ランダムなインターポリマーという形で用いられており、これは、インターポリマーのモノマーの分配が、ベルヌーイ統計モデル又は第１若しくは第２オーダのマルコフ統計モデルに記載されていることを意味する［J. C. Randall, POLYMER SEQUENCE DETERMINATION, Carbon-13 NMR Method, Academic Press New York, 1977, pp. 71-78］。実質的にランダムなインターポリマーは、３ユニットより多いビニル又はビニリデン芳香族モノマーのブロックの中に、ビニル又はビニリデン芳香族モノマーが合計量で１５％より多く含まれていないことが望ましい。また、インターポリマーは、高度のアイソタクチック構造或いはシンジオタクチック構造のどちらにも特徴付けられないことがより望ましい。これは、実質的にランダムなインターポリマーの炭素-13ＮＭＲスペクトルにおいて、メソ２連子連鎖(meso diad sequences)又はラセミ２連子連鎖(racemic diad sequences)のどちらかを表す主鎖メチレン及びメチン炭素に対応するピーク面積は、主鎖メチレン及びメチン炭素の合計ピーク面積の７５％を越えてはならないことを意味する。
【００１７】
実質的にランダムなインターポリマー
本発明の模型材料及び消失性射出鋳造模型を調製するのに使用されるインターポリマーは、１種又は２種以上のα−オレフィンを、１種又は２種以上のビニル又はビニリデン芳香族モノマー、及び／又は、１種又は２種以上のヒンダード脂肪族若しくは脂環式のビニル若しくはビニリデンモノマーと重合することによって調製されるインターポリマーを含んでいる。
【００１８】
適当なα−オレフィンは、２乃至約２０個、望ましくは２乃至約１２個、より望ましくは２乃至約８個の炭素原子を含んでいる。特に適しているα−オレフィンとして、エチレン、プロピレン、ブテン-1、4-メチル-1-ペンテン、ヘキセン-1若しくはオクテン-1、又はエチレンとプロピレン、ブテン-1、4-メチル-1-ペンテン、ヘキセン-1又はオクテン-1の１種又は２種以上の組合せである。これらのα-オレフィンは、芳香族部位を含んでいない。
【００１９】
インターポリマーの調製に用いることのできる適当なビニル又はビニリデン芳香族モノマー(vinyl or vinylidene aromatic monomers)として、例えば、下記式によって表されるものを挙げることができる。
【化１】
2004255465.tif 000003
該式において、Ｒ1は、水素と、炭素原子を１乃至約４個含むアルキル基とからなる群から選択され、水素又はメチルが望ましく、Ｒ2は、水素と、炭素原子を１乃至約４個含むアルキル基とからなる群から独立して選択され、水素又はメチルが望ましく、Ａｒは、フェニル基、又は、ハロ、Ｃ1-4-アルキル及びＣ1-4-ハロアルキルから成る基から選択される１〜５個の置換基で置換されたフェニル基であり、ｎは、０乃至約４の値であり、０〜２が望ましく、０が最も望ましい。
ビニル又はビニリデンの芳香族モノマーの代表例として、スチレン、ビニルトルエン、α-メチルスチレン、ｔ-ブチルスチレン、クロロスチレンなどがあり、さらにこれら化合物の全ての異性体などを挙げることができる。特に適したモノマーは、スチレンと、その低アルキル又は低ハロゲン置換された誘導体である。望ましいモノマーとして、スチレン、α-メチルスチレン、スチレンの低アルキル-(Ｃ1〜Ｃ4)又はフェニル環置換誘導体(例えば、オルト-メチルスチレン、メタ-メチルスチレン及びパラ-メチルスチレン)、環ハロゲン化スチレン、パラ-ビニルトルエン又はそれらの混合物などがある。より望ましい芳香族モノビニリデンモノマーはスチレンである。
【００２０】
「ヒンダード脂肪族又は脂環式ビニル若しくはビニリデン化合物(hindered aliphatic or cycloaliphatic vinyl or vinylidene compounds)」という語は、下記式に対応する付加重合可能なビニル又はビニリデンモノマーを意味する。
【化２】
2004255465.tif 000004
該式において、Ａ1は、立体的バルク性(sterically bulky)で、炭素数２０以下の脂肪族又は脂環式置換基であり、Ｒ1は、水素と、炭素原子を１乃至約４個含むアルキル基とからなる群から選択され、水素又はメチルが望ましく、Ｒ2は、水素と、炭素原子を１乃至約４個含むアルキル基から成る群から独立して選択され、水素又はメチルが望ましい。また、Ｒ1とＡ1は、共に環系を形成してもよい。最も望ましいヒンダード脂肪族又は脂環式ビニル若しくはビニリデン化合物は、シクロヘキセン及び置換シクロヘキセン、並びに5-エチリデン-2-ノルボルネンの様々な異性体のビニル環置換誘導体である。特に適しているのは、1-、3-、及び4-ビニルシクロヘキセンである。
【００２１】
実質的にランダムなインターポリマーは、一般的には、グラフト化、水素化、機能化(funcitonalization)、又は当該分野の専門家に広く知られたその他反応によって変性させることができる。ポリマーは、確立された技術により、容易にスルホン化又は塩素化され、機能化された誘導体が得られる。
【００２２】
実質的にランダムなインターポリマーは、様々な架橋結合を行なうことによって変性される(modified)。架橋結合法として、ペルオキシド、シラン、硫黄、放射線又はアジドを用いた硬化システムが挙げられるが、これらに限定されるものではない。様々な架橋結合技術に関しては、米国特許第５８６９５９１号及び第５９７７２７１号に十分説明されており、これら特許の内容は、引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００２３】
デュアル硬化システム(Dual cure system)は、加熱工程、湿気硬化(moisture cure)工程及び放射線工程の組合せを使用するもので、これを効果的に利用することもできる。デュアル硬化システムは、米国特許第５９１１９４０号及び第６１２４３７０号に開示されており、これら両特許についても、引用を以て本願に組み入れるものとする。例えば、ペルオキシドの架橋剤とシラン架橋結合剤、ペルオキシド架橋剤と放射線、硫黄含有架橋剤とシラン架橋剤を組み合わせて使用することが望ましい。
【００２４】
実質的ランダムなインターポリマーは、様々な架橋結合を行なうことによって変性される。その方法として、ジエン成分を３量体(termonomer)として含有させ、次に前記方法によって架橋結合することができるが、これに限定されるものではない。また、架橋剤として、例えば硫黄を使用し、ビニル基を介して加硫することもできる。
【００２５】
実質的ランダムなインターポリマーは、疑似ランダムインターポリマーを含むものである。これは、James C. Stevens氏等によるＥＰ公開公報第０４１６８１５号及び第０７６５８８８号と、Francis J. Timmers氏による米国特許第５７０３１８７号に記載されており、これらは引用を以て本願に組み入れるものとする。実質的ランダムなインターポリマーは、米国特許第５８７２２０１号に記載された実質的ランダムなターポリマーを含んでおり、この特許についても引用を以て本願に組み入れるものとする。実質的ランダムなインターポリマーの適当な例として、米国特許第６１９１２４５号に記載されたα-オレフィン／ビニル、芳香族／ビニル、芳香族／α-オレフィンテトラドを挙げることができ、この米国特許についても引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００２６】
実質的ランダムなインターポリマーは、１種又は２種以上のメタロセン又はＣＧＣ触媒(constrained geometry catalysts)が様々な共触媒と存在する中で、重合可能なモノマーの混合物を重合させることによって調製することができる。重合反応の望ましい条件は、大気雰囲気で３０００気圧以下、温度−３０℃〜２００℃である。実質的ランダムなインターポリマーの調製に使用される方法として、例えば、米国特許第６０４８９０９号及び米国特許第６２３１７９５号に記載されており、これらの内容は、引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００２７】
実質的ランダムなインターポリマーを調製するために適当な触媒及び方法の例は、米国特許第５０５５４３８号、第５０５７４７５号、第５０９６８６７号、第５０６４８０２号、第５１３２３８０号、第５１８９１９２号、第５３２１１０６号、第５３４７０２４号、第５３５０７２３号、第５３７４６９６号、第５３９９６３５号、第５４７０９９３号、第５８６６７０４号、第５９５９０４７号、第６１５０２９７号及び第６０１５８６８号の他、ＥＰ公開公報第０４１６８１５号、第５１４８２８号(米国特許第６１１８０１３号)、第５２０７３２号(米国特許第５７２１１８５号)に開示されており、これらの米国特許は全て、引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００２８】
実質的ランダムなインターポリマーを調製する際、高温でビニル又はビニリデン芳香族モノマーを単独重合することにより、所定量のアタクチックビニル又はビニリデン芳香族ホモポリマーが形成される。ビニル又はビニリデン芳香族ホモポリマーは、一般的には、本発明の目的に悪影響をもたらさないので、その存在は許容される。ビニル又はビニリデン芳香族ホモポリマーは、必要に応じて、インターポリマーから分離することができる。この場合、例えば、インターポリマー又はビニル若しくはビニルデン芳香族ホモポリマーのどちらかに非溶媒のものを用いて、溶液から選択的に析出させる抽出技術を用いることができる。本発明の目的では、アタクチックビニル又はビニリデン芳香族ホモポリマーのインターポリマーの総重量に対して、２０重量％以下、好ましくは１５重量％より少ないことが望ましい。
【００２９】
実質的ランダムなα-オレフィン／ビニル又はビニリデン芳香族インターポリマーは、特開平０７／２７８２３０に記載の方法、John G. Bradfute氏等(W.R. Grace & Co.)によるＷＯ９５／３２０９５に記載の方法、R.B. Pannel(Exxon Chemical Patents Inc.)よるＷＯ９４／００５００に記載の方法及びPlastic Technology, p. 25,(１９９２年９月)に記載の方法によっても調製することができ、これらの文献は全て、引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００３０】
模型材料
成分Ａは、望ましくは１種又は２種以上のビニル若しくはビニリデン芳香族モノマー(１〜約６５モル％、望ましい範囲は１０〜６０モル％、より望ましい範囲は３０〜５０モル％)と、追加モノマーを含む実質的ランダムなインターポリマーを１又は２種以上含んでいる。望ましい追加モノマーは、エチレン単独、又は、エチレンと、プロピレン、4-メチル、1 ペンテン、ブテン-1、ヘキセン-1、オクテン-1又はノルボルネンの少なくとも１種との組合せである。
【００３１】
成分Ｂは、例えば、平均分子量(Ｍｎ)が＜１０,０００、望ましくは＜５,０００、最も望ましくは＜２,０００の低分子量ポリスチレン(ＰＳ)の如き、低分子量ポリマーを１種又は２種以上と、粘着付与樹脂又はワックスを含んでいる。
【００３２】
選択成分Ｃは、熱可塑性ポリマーを含んでおり、該ポリマーは、メルトフローレート(ＭＦＲ)(ASTM D1238, 200C, 5Kg)が、１０分当たり１００ｇｍより大きく、望ましくは２００ｇｍより大きく、最も望ましくは３００ｇｍより大きい。さらに、成分Ｃは、模型特性の達成を損なわない範囲で添加剤を含むことができる。添加剤として、酸化防止剤(例えばIrganox(登録商標)1010のような、ヒンダードフェノール)、亜リン酸塩(例えば、Irgafos(登録商標)168)、紫外線安定剤、粘着添加剤(例えば、ポリイソブチレン)、粘着防止添加剤、着色剤、顔料、充填剤などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。ＢＰＡ(ビスフェノールＡ)、架橋結合されたポリスチレン、粉末ポリスチレン又はアクリル粒子のような有機充填剤を、合計量で０〜４０重量％含むことができる。
【００３３】
模型材料は、成分Ａ、成分Ｂ及び選択成分Ｃのブレンドであり、その比率は、ロストワックスインベストメント鋳造法で使用するモールド組立体(30)を製造するのに適した模型特性を発揮できるように選択される。この目的を達成するための構成比率は、重量％にて、成分Ａは、１０〜９５％、望ましくは３０〜８０％、最も望ましくは５０〜７０％であり、成分Ｂは、５〜６０％、望ましくは１０〜５０％、最も望ましくは２０〜５０％であり、選択的に含まれる少なくとも１種の他のポリマー成分Ｃは、２〜４０％、望ましくは５〜２０％、最も望ましくは１０〜１５％である。
【００３４】
上記のロストワックスインベストメント鋳造に用いられるモールド組立体(30)を製造するのに適した模型特性を有する消失性模型材料として、例えば、成分Ａとしてエチレン／スチレンのインターポリマー(ＥＳＩ)を模型材料の約６０重量％、成分Ｂとして低分子量ポリスチレンを模型材料の約４０重量％含むものを例示することができるが、これに限定されるものではない。このような模型材料は、高速・低コストの射出成形で視覚的にすぐれる表面品質が得られるような模型収縮率と、自動シェルモールド製造の６シグマの製造要件に適合し得る寸法安定性を維持することができる模型の機械的性質と、これまでの熱を利用した模型の急速取外し方法の場合にも、モールドのスプリッティング又はクラッキングを生じることなくシェルモールドから模型を取り外すことができる溶解温度、メルトフローレート及び熱膨張係数を発現し、シェルモールドのクリーン燃焼(低灰分で微量金属なし)が達成される。
【実施例】
【００３５】
実施例で使用するエチレン／スチレンのインターポリマー(ＥＳＩ−１)の調製
ＥＳＩ−１インターポリマーは、連続式ループ反応器の中で調製した。インガーソル・ドレッサー(Ingersoll-Dresser)のツインスクリューポンプを用いて混合した。反応器は、４７５psig(３２７５kPa)で液体一杯となる。原材料及び触媒／共触媒の流れを、ループ型反応器の配管内のインジェクター及びKenicsの静的ミキサーにより、反応器へ供給した。ルートポンプの排出物からのプロセスの流れは、ループポンプの吸入管へ戻る前に、２つのシェル及び管状熱交換器を通る。最後の熱交換器を出ると、ループの流れは、インジェクター及び静的ミキサーを通って、ポンプの吸入管へ戻る。必要に応じて、第２モノマー／原料(feed)のインジェクター及びミキサーを用いることができる。ループ温度を制御するために、伝熱オイル又はテンパード水(tempered water)を熱交換器のジャケット中を循環させた。２つの交換器間のループ反応器の出口ストリームを取り除いた。出口ストリームの流れ及び溶液濃度を、Micro-Motion(商標名)質量流量計によって測定した。
【００３６】
エチレンを溶液中に保持するために、溶媒を、主として原料フローの一部として、反応器へ注入した。エチレン注入前に、加圧ポンプにより、スプリットストリームを、ループ反応器のポンプシールのためのフラッシュフロー(flash flow)として供給した。追加の溶媒を、触媒の希釈剤として加えた。溶媒は、加圧ポンプの吸入側で無抑制(uninhibited)スチレンモノマーと混合した。加圧ポンプにより、約６５０psig(４,８６５kPa)で、溶媒とスチレンを反応器へ供給した。スチレンの流れを、Micro-Motion(商標名)質量流量計で測定した。流量計／制御器を用いて、水素を、エチレン制御弁の出口のエチレンストリームへ送り込んだ。
【００３７】
エチレン／水素は、溶媒／スチレンのストリームとは雰囲気温度で混合される。フィードストリームが反応器ループに入るとき、その全体温度は、グリコール冷却式熱交換器によって約２℃まで低下させた。３種類の触媒成分は、独立した３つのタンク内で調製した。新しい溶媒と、濃縮触媒／共触媒／第２の共触媒のプレミックスを、夫々のタンクの中で混合し、速度可変式のPulsafeeder(商標名)ダイヤフラムポンプにより、反応器へ供給した。前述したように、３種類の触媒は、反応器ループへ入れられ、インジェクター及び静的ミキサーを通ってツイン式スクリューポンプの吸入側に入る。原材料のストリームは、触媒注入箇所の上流のインジェクター及び静的ミキサーを通って、又は、必要に応じて、２つの交換器の間にある原料インジェクター／ミキサーを通って、反応器の中へ供給される。
【００３８】
Micro-Motion(商標)質量流量計で溶液濃度を測定後、触媒停止物質(水)を反応器の生成物ラインの中へ添加して、重合を終了させた。ラインの静的ミキサーにより、触媒停止物質と添加剤を、反応器の廃液ストリームの中に分散させた。このストリームは、反応器を出た後、ヒータに入り、追加のエネルギーを溶媒瞬間除去のために供給した。廃液がヒータを出た時に瞬間除去が行われ、反応器の圧力制御弁により、圧力を、絶対圧力で４７５psig(３,２７５kPa)から約４５０mmHg(６０kPa)まで低下させた。
【００３９】
溶媒が瞬間除去されたポリマーは、揮発セクションに入る。揮発セクションでフラッシュイングした揮発性物質は、グリコール被覆式熱交換器で凝縮され、真空ポンプによって通過し、蒸気／液体分離容器へ排出される。第１段階の真空システムでは、溶媒／スチレンは、この容器の底部から再利用溶媒として取り出される。一方、未反応エチレンは上部から排出する。エチレンのストリームは、Micro-Motion(商標)質量流量計で測定した。排出されたエチレンの測定値と溶媒／スチレンのストリーム中に溶解したガスの計算値を用いて、エチレン変換を計算した。ポリマーと残留溶媒は、ギアポンプにより、最後の揮発装置(devolatilizer)へ送り込まれる。第２の揮発装置では、絶対圧力約１０mmHg(１.４kPa)で運転し、残留溶媒を除去した。乾燥ポリマー(総揮発物質＜１０００ppm)を、ギアポンプで水中のペレタイザーへ送り込み、遠心力脱水した後、回収した。ＥＳＩ−１の調製条件を表１ａ、特性を表１ｂに夫々示している。
【００４０】
【表１ａ】
2004255465.tif 000005
【００４１】
【表１ｂ】
2004255465.tif 000006
【００４２】
ブレンドの調製
全てのブレンドは、まず最初に、化合を行なう前に十分にドライブレンドした。化合は、Berstorff PTW/25Pのツインスクリュー式押出機を配備したHaake Polylabシステムを用いて行なった。押出機の代表的な温度は、出力量が１２〜２２lbs/hrにて１６０〜１９０℃である。水槽の温度は５℃である。ブレンドの組成は、ブレンド成分の総重量に対する重量％で表している。
【００４３】
試験方法
ＥＳＩサンプルのスチレン分析
インターポリマースチレン含有量及びアタクチックポリスチレン濃度は、米国特許第６４７６１４１号に記載されたプロトン核磁気共鳴(1H N.M.R)によって求めた。この特許の内容は、引用を以て本願に組み入れるものとする。
【００４４】
溶解温度：
模型材料混合物の溶解温度は、ASTM D3418方法に準拠して行ない、示差走査熱量計(ＤＳＣ)により求めた。ここで、
Ｔm＝(ピークで測定した)溶解温度
δＴ＝溶解ゾーンの幅
δＨfus＝融解物の潜熱
である。
【００４５】
メルトフローレート(ＭＦＲ)の測定：
模型材料ブレンドのＭＦＲは、ASTM D1238方法に基づいて決定した。
分子量
特に明記しない限り、本発明で使用するポリマー組成物の分子量は、ASTM D1238方法に基づくメルトインデックス測定、条件２００℃／５ｋｇ(Ｉ5としても知られている)を用いて表示している。
【００４６】
膨張係数−熱機械的分析(ＴＭＡ)
膨張係数は、ASTM E831方法により測定した。ここで、
ＴS＝軟化温度(プローブの穿通)
Ｔm＝オンセット(正接切片)の溶解温度
ε＝膨張による歪｛（ｔexp−ｔinit）／ｔinit×１００｝
ＣＴＥ(max exp)＝熱膨張係数(０℃から最大膨張まで)
ＣＴＥ(max slope)＝熱膨張係数(最大勾配)
δＴ(10〜30% pen)＝温度範囲(１０〜３０％プローブ穿通)
δＴ(Tm-30% pen)＝温度範囲(オンセットの溶解温度から３０％プローブ穿通まで)
である。
ＣＴＥ(最大膨張)
ＣＴＥ(最大膨張)は、ASTM E831方法により測定した。
【００４７】
寸法変化(Ｉビーム)収縮率
寸法変化の測定は、本発明に基づいて模型材料を射出成形したＩビーム模型サンプル(図４Ａ及び４Ｂ参照)を用いて行なった。模型材料は、成分Ａとしてエチレン／スチレンインターポリマー(ＥＳＩ)を６０重量％、成分Ｂとして低分子量ポリスチレンを４０重量％含んでおり、これは、例えばＣＡＳＰＥＲと称される模型材料である。比較のために、同様なＩビーム模型サンプルをポリスチレンを用いて射出成形した。このポリスチレンは、消失性模型の商業生産に現在用いられているもので、供給源が異なるもの(Total FinaELFのAtofinaディビジョンによるLacqrene 1541ポリスチレンと、Deltech Polymers Corp.による高流動性結晶ポリスチレンPS-541)と、異なる２種類の模型用ワックス混合物(5042及び5038と称されている)で作られたものである。模型の寸法収縮は、光学測定式FOV Smart Scope(ＯＧＰ)により、又は以下の方法を用いた同様な光学測定装置を用いて測定した。Ｉビーム模型用のＴ形取付具は、図４Ｃに示すＯＧＰテーブルの所定位置に固定した。Ｉビーム模型サンプルの各々は、ホルダーの中に配置される。模型ターゲットの穴Ｈは平坦部の上面に設けられ、Ｉビーム模型サンプルの厚肉端部(０.０２５０インチ)はホルダーの右側にある。ＯＧＰの照明は、良好な照明コントラストを得るために、バック証明及び補助照明をオフにし、「リング」ライトの値を１０に調節した。穴Ｈの縁部の視認性を高めるために、黒色ハイライト又は白色ペイントを、サンプルの平らな部分に施す。次に、光学素子(optics)が左側の穴Ｈ近傍の平らな部分に焦点が合うように、Ｉビーム模型の左端部が光学素子の下に来るまで、ＯＧＰテーブルを移動させる。光学素子の使用倍率を３５倍に設定した。ＯＧＰテーブルを移動させて、光学式スコープの円形レチクルを左側のサンプル穴Ｈの上に設定した後、レチクルを穴Ｈに合わせる。Ｘ、Ｙ及びＺ座標を、左側の測定穴Ｈでゼロに合わせる。次に、ＯＧＰテーブルを移動させて、サンプルの右側の穴Ｈを円形レチクルと一致させる。測定軸は右側の穴と位置を合わせる。２つの穴Ｈの中心間の距離を測定する。各サンプル群に関し、平均値、最大値、最小値、標準偏差、信号対雑音比(ＳＮ比)、ノミナル最良値(Nominal The Best)(ＮＴＢ)、収縮率、１インチ当たりの収縮量、及びサンプルサイズ(試験サンプルの数)について、統計学的計算を行なった。
【００４８】
フレックスモジュラス
フレックスモジュラスは、ASTM D-790に準拠して測定した。
最大抗張力
最大抗張力は、ASTM D638に準拠して測定した。
【００４９】
射出成形
Fanuc Roboshot EV110トンの射出成形機を用いて、サンプルの射出成形を行なった。射出サイクル時間は、ポリスチレン材料及びＥＳＩブレンド材料から作ったサンプルについては３０秒、模型ワックスで作ったサンプルについては６０秒とした。ワックス製サンプルの射出成形は、サンプルの形状に応じて、温度１４０〜１６０OＦ、パック圧力１５０〜２００ｐｓｉで行なった。ポリスチレン製サンプルの射出成形は、サンプルの形状に応じて、温度３９０〜５５０OＦ、パック圧力６０００〜１００００ｐｓｉで行なった。ＥＳＩブレンドサンプル(表１のＣＡＳＰＥＲ材料と称されるNo.５以外の実験材料)の射出成形は、サンプルの形状に応じて、温度２３５〜３３０OＦ、パック圧力３５００〜１１０００ｐｓｉで行なった。ＣＡＳＰＥＲブレンドサンプル(表１の実験材料No.５)の射出成形は、サンプルの形状(Ｉビーム、引張強度試験棒、楔形試験片)に応じて、温度２６０〜２９０OＦ、パック圧力６５００〜８０００ｐｓｉで行なった。
【００５０】
燃焼性能(Burnout Performance)
図５Ａの楔形ブロック模型を用いて、フラッシュ脱ワックス処理による模型の取外し中に、燃焼性能(モールドスプリットに対する感受性)を評価した。この楔形模型は、楔の縁部に沿って、シェルモールドにクラックを生じさせることがしばしばある。試験用楔形シェルモールドは、各楔形ブロック模型とは異なる模型材料をブレンドしたのものを用いて組み立てたものである。６つの異なる楔形模型を、夫々のドレンチューブＴに連結し、注湯カップＰＣに取り付けられた共通のリングゲートＧの上に配置し、図５Ａに示す模型組立体を形成した。模型組立体の各々は、従来のワックスによる楔形模型と、ポリスチレン製楔形模型を対照として含んでいる。次に、各模型組立体は、ＤＳ／ＳＣ(指向性凝固／単結晶)セラミックシェルモールドの製造と同じ要領でインベスト鋳造した。シェルモールドは、市販のシェルモールド構造であり、アルミナ及びアルミン酸コバルトを用いて形成したセラミックのスラリー／スタッコの表面コート、４層のセラミック(ジルコン)のスラリー／スタッコからなるバックアップ層、及びスラリー被覆層からなり、模型材料の評価を行なうのに適当な製造方法を用いて、燃焼による処理を行なった。
本発明に係る模型用ブレンド材料を有するシェルモールド(図５Ｂ)を、１４５０OＦのガス燃焼式トンネル型キルン炉の中でフラッシュ加熱した。従来のワックス模型だけを含むシェルモールドは、ボイラークレーブ内でワックスの大部分を取り除いた後、１４５０OＦのガス燃焼式トンネル型キルン炉の中でフラッシュ脱ワックスした。シェルモールドのスプリットのタイプ、位置(楔形の尖端、側部又は表面)、及び深刻度(スプリットの長さ)に関して、目視検査を行なった。異なる模型材料でブレンドしたサンプルについて、模型を取り外す際のモールドスプリットを対照ワックス模型と比較し、「劣る」「同等」「優れる」を評価した。
【００５１】
成分ＡとしてＥＳＩ−１を使用し、混合組成の異なる模型材料ブレンドについて試験した。試験した材料の成分を表１に、試験結果を表２に示している。
【００５２】
【表１】
2004255465.tif 000007
【００５３】
【表２】
2004255465.tif 000008
【００５４】
【表３】
2004255465.tif 000009
【００５５】
備考：
比較例１は、Deltech Polymers Corp.製の高流動性PS-541ポリスチレンである。比較例２は、高流動性Atofina Lacqrene 1541ポリスチレンである。比較例３及び４は、夫々、Howmet Castings Corporation製のこれまでの模型ワックス材料(WM5042及びWM5038)である。
Piccolaastic(商標名)A-75は、Eastman/Hercules Chemicalによる低分子量ポリスチレンである。
Piccolaastic(商標名)S-125は、Eastman/Hercules Chemicalによるポリ-ベータ-ピネン由来の低分子量樹脂である。
Escorene(商標)は、ExxonMobil Chemicalによるエチレン-ビニル-アセテート共重合体である。
WM5042は、Howmet Castings Corporation製のこれまでの模型ワックス材料である。
Paraffin Wax 1278は、The International Group, Incorporatedから入手した特別ブレンドのパラフィンワックスである。
Valtec(商標名)は、Basell North America, Incorporatedによる高流動性ポリプロピレンである。
【００５６】
表２に示す燃焼性能は、シェルモールドにクラック、スプリット、破砕が起こったり、表面コートの反応又は鋳造介在物(casting inclusions)などの欠陥を生ずることなく、未焼成シェルモールドから取り外すことのできる模型材料の能力である。燃焼性能は、多くの熱機械的材料特性による影響を受ける。この熱機械的材料特性として、例えば、軟化温度(Ｔs)、溶解温度(Ｔm)、膨張係数(％)、ＣＴＥ(最大膨張及び最大傾斜)、メルトフローレート(ＭＦＲ)が挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
業界の経験では、模型材料は、Ｔs値、Ｔm値及び膨張係数が低く、ＭＦＲが高い場合には、燃焼性能が最も良いとされている。模型材料の軟化及び溶解温度が１００℃よりも高いか、及び／又は膨張係数が３.０％より大きいと、通常の場合、材料は速やかに溶解温度に達することができず、未焼成シェルモールドから流れ出すことができない。従って、膨張によってシェルモールドにスプリット又はクラックが生ずる前に、シェル欠陥を生ずる。ＭＦＲも同様に、熱による模型材料の取外しプロセスに影響を及ぼす重要な材料特性である。例えば、模型材料が溶解すると、溶解材料は、加熱されたシェルモールドから速やかに流れ出ることができるため、内部圧力によって生じる欠陥の液体模型材料への拡大は防止される。ＭＦＲが３５０よりも小さいと、模型材料のシェルモールド内での滞留時間が長くなり過ぎるので、商業的規模で生産を行なう燃焼プロセスでは受け入れ難いことが分かった。
【００５７】
表２から明らかなように、ＥＳＩ模型材料ブレンドについて試験した全ての特性について、No.３、No.５及びNo.６のブレンドの場合、Ｔs及びＴmは従来の模型ワックス材料(比較例No.３及びNo.４)と同等か又はそれ以下であるが、燃焼性能ではすぐれている。No.３、No.５及びNo.６のＥＳＩ模型材料ブレンドはまた、ポリスチレン模型材料(比較例No.１及びNo.２)よりも遙かに高いＭＦＲを示した。実験でのＣＡＳＰＥＲブレンド５(No.５)の場合、そのＭＦＲは、ポリスチレンよりも１０倍大きかった。これにより、フラッシュ加熱又は蒸気オートクレーブのような熱処理を用いて、模型取外し作業を行なう場合、模型材料のメルトフローは増大する。
【００５８】
No.３、No.５及びNo.６の模型材料は、溶解温度が低く、膨張率が小さく、ＭＦＲが大きいため、燃焼性能については、模型ワックス材料と同等であるが、ポリスチレン模型材料よりは遙かにすぐれた結果を示した。本発明に基づくこれらの模型材料ブレンドは、模型ワックス材料と同様、燃焼性能は適正乃至良好レベルであり、ポリスチレン模型材料に一般的に現れるシェル関連欠陥については、低減又は解消させることができる。
【００５９】
燃焼性能の他に、模型材料を経済的に機能させる上で、機械的性質が重要である。これまでの模型用ワックス材料は、非常に弱くて脆いために、破損し易く、模型組立体の組立中の取扱いで損傷を受け易いため、自動工程には適さない。換言すれば、ポリスチレン模型材料は、強度が高く、靱性にすぐれている。ポリスチレン模型材料から作られた模型は、組立及びシェルプロセスにおける取扱いでも頑丈であるので、タービンホイールのような複雑な模型構造に使用できるし、また、ゲート、ダウンフィード(downfeeds)、スプルー、結晶スタータ(crystal starter)の他、シェル形成工程で高強度及び剛性が要求される薄い組立体構成要素として使用することができる。
【００６０】
表２は、ＥＳＩ模型材料ブレンドと、これまでの模型ワックス材料及びポリスチレン材料の重要な機械的特性について、比較を示したものである。最大抗張力及びフレックスモジュラス(靱性の指標)に対するデータについて、No.３、No.５及びNo.６のＥＳＩ模型材料ブレンドは、ワックス模型と比べると、最大抗張力が約３〜約１０倍高く、フレックスモジュラスははるかに大きいことを示すと共に、上記の有利な特性を有することを示している。
【００６１】
ＥＳＩ模型材料ブレンドについて、表２に掲げた全ての特性に関して試験を行なったが、No.５のＣＡＳＰＥＲブレンドは、強度及び靱性に関してはポリスチレン模型材料とほぼ似ている。ポリスチレン模型材料の選択が機械的特性に基づいて行われる用途、例えば、ターボチャージャーのホイール模型又は大型鋳造用ゲート構成部材(gating components)では、ＥＳＩ６０重量％及び低分子量ポリスチレン(Picolastic A75)４０重量％を含む本発明に係るNo.５のＣＡＳＰＥＲブレンドを、直接交換品として用いることができる。
【００６２】
燃焼特性及び機械的性質が良好である結果として、ＥＳＩ６０重量％及び低分子量ポリスチレン(Picolastic A75)４０重量％を含むNo.５のＣＡＳＰＥＲブレンドについて、寸法特性、収縮及び変動性(variability)を評価した。比較のために、２種類のポリスチレン模型材料(Deltech PS-541及びAtofina 1541)と、２種類のこれまでの模型ワックス材料(WM5038及びWM5042)について、寸法特性を評価した。
【００６３】
模型の寸法特性を評価するために、図４Ａ及び４Ｂに示すＩビーム模型について、標的とする穴と穴の間の距離を測定した。測定方法、工具、取付具及び装置は、上記の「試験方法」の項に記載している。この評価と分析に際し、全ての模型の鋳造は、１００トン縦型電気射出成形機械にて、全自動エジェクター付きの温度制御された工具を使用して行なった。各模型材料の射出プロセスは、標準の非結合(decoupled)２段階サイクルであり、材料温度及びパック圧力以外については、全て同じ条件である。材料温度とパック圧力は、視覚的品質を最適化するために、各模型材料に合わせて調節した。
【００６４】
表３は、寸法特性の評価及び分析に関する統計値の結果をまとめたものである。収縮は、平均収縮率と、統計値１インチ当たりの収縮インチにより評価した。寸法変化は、最大、最小、標準偏差、及びＳ／Ｎ比の名目的最良統計値(nominal the best statistics)について評価した。表３に示されるように、本発明のNo.５のＣＡＳＰＥＲブレンドから作られたＩビーム模型の収縮は、ポリスチレン及び従来のワックス模型材料から作られたＩビーム模型の収縮よりも、著しく少なかった。この特性は、インベストメント鋳造の製造コストの上昇を招くことなく、模型ツールの設計に影響を及ぼす。さらに重要なことには、ＣＡＳＰＥＲブレンドから作られたＩビーム模型の寸法変化は、従来のポリスチレン模型材料から作られたＩビーム模型の寸法変化と同等であり、模型ワックス材料より３〜６倍少ないことである。また、５.５００インチのＩビーム模型の標準偏差は０.０００５インチであるのに対し、ワックス材料5042から作られたＩビーム模型の０.００１７インチ、ワックス材料5038から作られたＩビーム模型の０.００３２インチである。本発明に基づくＣＡＳＰＥＲブレンドは、常温強度、寸法安定性の点で、剛性ポリスチレン模型材料の全ての利点を具えており、模型ワックス材料と比べて、寸法変化は大きく低減する。
【００６５】
本発明の望ましい模型材料は、約５０〜約７０重量％のＥＳＩと約２０〜約５０重量％の低分子量ポリスチレンを含んでいる。
【００６６】
このように、本発明の模型材料ブレンドは、模型燃焼時、シェルにクラッキングを生じさせることなく、従来の模型ワックスと同等の性能を発揮することができる。本発明の模型材料ブレンドはまた、従来の模型ワックスと比べて、次の利点を有している。
射出成形の温度範囲が７０〜２００℃、圧力範囲が１００〜２０００ｐｓｉであり、従来の模型ワックス材料の７０℃及び１００ｐｓｉに比べて、はるかに広範囲である。
射出サイクル時間が短い。
寸法安定性にすぐれている。
引張強度が大きく、自動装置による模型組立体への適合性に優れており、且つ寸法変化が著しく少ない。
【００６７】
金属又は合金をインベストメント鋳造するための構成部材組立体(例えば、ゲート、スプルーなど)の他、模型及び模型組立体を製造する場合の実施例を参照して、本発明を詳細に説明したが、本発明は、それらに限定されるものではなく、金属又は合金を鋳造するための他の種類の消失性模型を製造するために用いることができる。例えば、本発明は、消失フォーム鋳造(lost foam casting)の消失性模型を製造するために用いることができる。この鋳造では、耐火物粒子のベッドに模型を配置し、溶解金属又は合金を、模型と接触するように流動させて、耐火物粒子のベッドにある模型を破壊(例えば、蒸発)し、模型と置換する。実質的ランダムなインターポリマー(成分Ａ)、低分子量ポリマー(成分Ｂ)及び選択的熱可塑性ポリマー(成分Ｃ)からなる混合物は、消失フォーム鋳造に適した模型特性、例えば低密度、高抗張力及び低灰分化がもたらされるように選択される。
【００６８】
本発明を特定の実施例に関連して詳細に説明したが、本発明はそれら実施例に限定されるものではなく、当該分野の専門家であれば、添付の請求の範囲に規定された発明の範囲内で、変更、変形等を加えることができることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ギャング又はクラスターモールド用模型組立体の斜視図である。
【図２】セラミック製シェルモールドの中でインベストメント鋳造される図１の模型組立体の断面図である。
【図３】模型組立体を取り外したセラミックシェルモールドの断面図であって、鋳造炉の中で、坩堝から溶融金属が投入される状態を示す図である。
【図４Ａ】寸法変化の測定に用いられるＩビームサンプルの斜視図である。
【図４Ｂ】寸法変化の測定に用いられるＩビームサンプルの斜視図である。
【図４Ｃ】Ｉビームサンプル用ホルダーの平面図である。
【図５Ａ】楔形模型の模型組立体の斜視図である。
【図５Ｂ】フラッシュ脱ワックスを行なうことを目的とするシェルモールドの中でインベストメント鋳造された模型組立体の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【外国語明細書】
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