(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定形状のセラミック鋳造シェルモールドであって、当該シェルモールドの壁厚及び形状を画定するセラミック材料の反復層を備えており、セラミック材料層の隣接する２層以上が当該シェルモールドを構造的に補強するウィスカを含有し、上記隣接する層のうち１層のウィスカが他の隣接層のウィスカと整列しておらず、かつ前記隣接する層のうち１層のウィスカが他の隣接層のウィスカに対し６０〜９０°の角度に配向しており、前記ウィスカが耐火材料からなる、セラミック鋳造シェルモールド。
【請求項２】
前記ウィスカがアルミナ基材料、アルミネート基材料、炭化珪素基材料及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材料からなる、請求項１記載のシェルモールド。
【請求項３】
前記ウィスカが当該モールドの壁圧の中心から外れた位置にあるセラミック材料層に含まれている、請求項１又は請求項２記載のシェルモールド。
【請求項４】
モールドキャビティに隣接する内壁と該内壁と反対側の外壁とを有し、内壁と外壁の距離が当該シェルモールドの合計厚さであり、前記ウィスカが当該モールドの内壁から厚さの１０％〜４０％以内に位置するスラリー層に含有されている、請求項３記載のシェルモールド。
【請求項５】
モールドキャビティに隣接する内壁と該内壁と反対側の外壁とを有し、内壁と外壁の距離が当該シェルモールドの合計厚さであり、前記ウィスカが当該モールドの外壁から厚さの１０％〜２５％以内に位置するスラリー層に含有されている、請求項３記載のシェルモールド。
【請求項６】
ウィスカの平均直径が５〜２００μｍである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシェルモールド。
【請求項７】
ウィスカのアスペクト比が１０〜２００である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のシェルモールド。
【請求項８】
セラミック鋳造シェルモールドの製造方法であって、
（ｉ）セラミック層を順次積層して形成した部分的シェルモールドのセラミック層表面に、耐火材料からなるセラミック基ウィスカを含有するスラリーを塗工して、２層以上の隣接ウィスカ含有セラミック層を形成し、その際、上記隣接層のうち１層のウィスカが他の隣接層のウィスカと整列せずに、かつ前記隣接する層のうち１層のウィスカが他の隣接層のウィスカに対し６０〜９０°の角度に配向するように配向せしめ、
（ｉｉ）ウィスカ含有セラミック層の上に追加のセラミック層を塗工することにより、所望の壁圧を有するシェルモールドを完成し、
（ｉｉｉ）シェルモールドを高温で焼成する
工程を含む、セラミック鋳造シェルモールドの製造方法。
【請求項９】
前記ウィスカがアルミナ基材料、アルミネート基材料、炭化珪素基材料及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材料からなる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記２層以上の隣接ウィスカ含有セラミック層がモールドの壁圧の中心から外れた位置に配置される、請求項８又は請求項９記載の方法。
【請求項１１】
セラミック鋳造シェルモールドがモールドキャビティに隣接する内壁と内壁とは反対側の外壁とを有し、内壁と外壁の距離がシェルモールドの合計厚さであり、前記ウィスカ含有セラミック層がシェルモールドの内壁から厚さの１０％〜４０％以内に配置された、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、金属の鋳造、特に金属部品、たとえば超合金から作る部品の鋳造に用いるシェルモールドに関する。
【０００２】
【背景技術】
金属の鋳造はインベストメント鋳造など種々の方法で行われている。セラミックシェルモールドは、インベストメント鋳造時に、溶融状態の金属を収容し成形するのに用いられる。モールドの強度と一体性は、確実に金属部品を適正な寸法とする上で非常に重要な要素である。これらのシェルモールド特性は、高性能部品、たとえば宇宙航空工業で用いられる超合金部品を製造するのに特に重要である。
【０００３】
インベストメント鋳造法では、しばしば非常に高温、たとえば約１４５０°Ｃ〜１７５０°Ｃの範囲の温度が必要である。従来のシェルモールドにはこのような温度で十分な強度を発揮できないものが多い。このようなモールドは、溶融金属を充填されると、膨れやクラッキング（割れ）を生じやすい。（膨れは非常に大きな部品を鋳造するときにも、もっと低い温度であっても起こりうる。）膨れはモールドの寸法を変化させ、鋳造する部品にばらつきをもたらす原因となり、望ましくない。クラッキングは、溶湯がモールドからあふれ出るので、モールドの破損につながる。
【０００４】
きわめて高い鋳造温度で用いられるシェルモールドまたはきわめて大きな部品を鋳造するのに用いられるシェルモールドには、高い強度と寸法安定性が求められることが明らかである。この問題にＪ．Ｌａｎｅらの米国特許第４，９９８，５８１号が触れている。この特許では、製造時にシェルモールドのまわりに繊維状補強材料を巻き付けることによりシェルモールドを強化している。好適な例では、補強材料が、特定の最小引張強さを有するアルミナ基またはムライト基セラミック組成物であるとされている。補強材料をシェルモールドのまわりに螺旋状に十分な張力で巻き、セラミック層をモールドに塗工してモールドを所望の厚さまで造成する際に、補強材料をその位置に動かないように保つ。
【０００５】
レーンの米国特許は上述した問題のいくつかを解決しているようである。しかし、この米国特許の発明の実施態様を実施すると、いくつかの顕著な欠点が浮かび上がる。たとえば、シリカまたはアルミナ含有化合物いずれかを第２相として介在させずにムライト基材料を製造するのは困難である。これらの介在物はモールドの物理的特性を劣化するおそれがある。さらに、米国特許第４，９９８，５８１号で使用されている補強材料の多くは、熱膨張がモールドよりいちじるしく小さい。熱膨張差がこのように大きいと、クラックのないモールドの製造が一層困難になる。
【０００６】
上述した条件下で用いるシェルモールドの特性のさらなる向上が当業界において望ましいことが明らかである。シェルモールドは、高い金属鋳造温度に耐える強度をもち、大型部品の鋳造に適当である必要がある。モールドは、高温でのかつ種々の加熱／冷却サイクル中の寸法安定性も求められる。さらに補強材料を用いてモールドを改良する場合、このような補強材料は、焼成前にモールドの形状要求を満たすのに十分な可撓性を有する必要があり、特に複雑な金属部品を鋳造する場合にそうである。最後に、優れたシェルモールドの製造は、たとえば有意な量の追加装置の使用を必要としないなど、経済的にも実行可能なものでなければならない。新しいモールドの使用が、インベストメント鋳造法で金属部品を製造するコストを不当に上昇させることになってはならない。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は上述した必要事項の多くを満足する。１つの観点では、本発明は所定の形状を有するセラミック鋳造シェルモールドを提供する。本シェルモールドは、シェルモールドの壁厚さおよび形状を画定するセラミック材料の反復層を備える。本発明の特徴は、セラミック材料層の少なくとも１層がシェルモールドを構造的に補強するウィスカを含有することにある。ウィスカは耐火材料、たとえばアルミナ基材料から形成される。
【０００８】
好適な実施態様では、ウィスカが、モールドの壁厚さの中心から外れた位置に配置されたセラミック材料層、たとえばモールドの内壁から厚さの約１０％〜４０％以内に位置するスラリー層に含有される。多くの場合、セラミック材料層の２層以上がウィスカを含有する。好適な実施態様では、隣接する層のうち１層内のウィスカが他の隣接層内のウィスカと整列されていない、具体的には他の隣接層内のウィスカに対し約６０〜９０°の角度に配向されている。
【０００９】
本発明の別の実施態様は、セラミック鋳造シェルモールドの製造方法を提供し、本方法は
（ｉ）セラミック層を順次積層することにより形成した部分的シェルモールドのセラミック層表面に、セラミック基ウィスカを含有するスラリーを塗工し、ウィスカ含有セラミック層を形成し、
（ｉｉ）ウィスカ含有セラミック層の上に追加のセラミック層を塗工することにより、所望の壁厚さを有するシェルモールドを完成し、
（ｉｉｉ）シェルモールドを高温で焼成する
工程を含む。
【００１０】
後述するように、ウィスカ含有セラミック層は通常モールドの壁厚さの中心から外れた位置に配置される。さらに、セラミック層の２層以上がウィスカを含有することができる。ウィスカが互いに隣接するか、互いに比較的近接した多数のセラミック層に含有されるとき、ある層内のウィスカが隣接するか近隣の層内のウィスカと整列しないようにウィスカを配向するのが好ましい。
【００１１】
本発明の方法により製造したシェルモールドも本発明の１実施態様をなし、このシェルモールドで鋳造した金属または合金部品も本発明の１実施態様をなす。このような部品の例としてタービンエンジン部品がある。
【００１２】
本発明の特徴に関する細部を以下に説明する。
【００１３】
【好適な実施態様】
シェルモールドは通常耐火粒子（たとえば耐火酸化物粒子）をシリカまたはホスフェートゲルで結着して構成される。代表的な耐火粒子の例としては、アルミナ基材料、アルミネート基材料（たとえばアルミン酸イットリウム）またはこれら材料の混合物がある。従来のシェルモールド法のいろいろな観点が多数の特許に記載されている。たとえば、米国特許第４，９９８，５８１号（Laneら）、第４，０９７，２９２号（Husebyら）、第４，０８６，３１１号（Husebyら）、第４，０３１，９４５号（Gigliottiら）、第４，０２６，３４４号（Greskovich）、第３，９７２，３６７号（Gigliottiら）および第３，９５５，６１６号（Gigliottiら）が挙げられ、これらをすべて本発明の先行技術として援用する。
【００１４】
本発明に特に適当なインベストメント鋳造法は「ロストワックス」法である。この技術の１例では、ワックス模型（すなわち鋳造する部品のレプリカ）を、耐火酸化物（セラミック）粒子のシリカまたはホスフェート含有バインダへのスラリーに繰り返し浸漬する。粒子は代表的には球形または管形状である。通常スラリーにセラミック固形分を高濃度に、たとえば約４０容量％以上充填し、残部を脱イオン化水、有機溶剤またはこれらの混合物とする。浸漬とつぎの浸漬との間に十分な時間をとり、スラリー被覆をワックス上で部分的にまたは完全に乾燥させる。ワックス上にセラミックを十分な厚さに造成した後、ワックスを後述するような種々の方法で除去する。完成したモールドをつぎに焼成し、鋳造プロセスに耐える十分な強度を与える。
【００１５】
シェルモールドの製造は通常、ワックス模型にスラリーの層を塗工し、ついでスラリー層にスタッコ骨材（たとえば市販の溶融アルミナから製造する）の層を塗工し、このプロセスを多数回繰り返すことにより行われている。適当なスラリー被覆用の代表的な化学的組成は、乾燥後（そしてスタッコ組成を無視して）、約８０〜１００重量％のアルミナ基材料および約２０〜０重量％のバインダ材料を含有する。場合によってはジルコンなどの他の成分が少量含まれる。
【００１６】
設層工程を繰り返す回数はもちろんモールドの所望厚さに依存する。通常シェルモールドには合計約４〜２０対のセラミックスラリー層／スタッコ層を使用する。特定の目的用途には約１０〜１８対の層を適用する。（なおセラミック被覆およびセラミックスタッコの個別の層の数はモールドの壁厚さの中心にいつも一致するわけではない。これは部分的には、たとえばセラミック粒度のばらつきによる個別の層の厚さのばらつきのせいである。）
本発明においては、スラリー層の少なくとも１層が耐火材料、たとえば耐火酸化物材料のウィスカを含有する。適当な耐火材料の例には代表的なシェルモールドスラリーに用いられるものがあり、具体的にはアルミナ基材料、アルミネート基材料（たとえばアルミン酸イットリウム）、炭化珪素基材料およびこれら材料の２種以上の混合物が挙げられる。ここで、用語「基」は当該物質が約５０重量％を超えるレベルで存在することを意味する。したがって、これらの材料は通常他の構成成分も含有し、たとえば他のセラミック酸化物、たとえば二酸化珪素、酸化ホウ素などを含有する。ウィスカの使用は種々の技術で、たとえばプラスチックスとの複合構造などで知られている。「実用化学辞典」（The Condensed Chemical Dictionary, Tenth Edition, Van Nostrand Reinhold Company Inc., 1981, p. 1095）に記載されているように、ウィスカは技術的には「軸方向に配向した単結晶フィラメント」と呼ばれる。
【００１７】
しかし、本発明ではより広義での「ウィスカ」を考慮している。この用語は、平均直径が約５〜２００μｍであり、アスペクト比が約５〜３００である耐火材料の繊維すべてを包含する。好適な実施態様では、ウィスカの平均直径が約８〜１２０μｍの範囲にある。好適なアスペクト比は約１０〜２００である。ウィスカは適当なセラミック材料のストランドを細断（チョップ）することにより製造できる。適当なウィスカがたとえば３Ｍ社から商業的に入手できる。好適な実施態様では、ウィスカを製造する材料は熱膨張係数（ＣＴＥ＝coefficient of thermal expansion）が、そのウィスカを導入するシェルモールド層の熱膨張係数の約５０％以内である。特に好適な実施態様では、ウィスカ材料の熱膨張係数がシェルモールド層の熱膨張係数の約３０％以内である。
【００１８】
ウィスカを１層以上のスラリー層内の他のセラミック粒子と完全に置き換えることができる。あるいは、ウィスカを他のセラミック粒子の一部と置き換えることができる。たとえば、セラミックウィスカと従来のセラミック成分、すなわち球形または管状セラミック粒子との混合物も多くの例で可能である。ウィスカの使用量は種々の要因、たとえばウィスカの組成、モールドの形状および厚さ、モールドに必要とされる強度および寸法安定性、バインダ材料およびウィスカを導入する層材料の組成などによって決まる（これらについては後述する）。
【００１９】
ウィスカは通常二次スラリー層の少なくとも１層に含有させる。ここで「一次」層またはコートは塗工するスラリーの最初の２層の一方として、すなわち１組の交互のスラリー／骨材含有コーティングの一部として定義される。「二次」層またはコートは、一次層を塗工した後塗工される層として定義される。ウィスカを順次の２または３層に含有させることもある。
【００２０】
ある好適な実施態様では、モールドの壁厚さの中心から外れた、部分的に形成されたシェルモールドの１層以上の二次スラリー層（互いに隣接することもある、すなわち順次塗工される層）にウィスカを含有させる。本発明者らはこのような位置がモールド強度を増強させることを確認した。特に好適な実施態様では、キャビティ表面に悪影響を与えることなく（たとえば表面粗さを生じることなく）、モールドの内壁にできるだけ近い壁厚さに位置する１層以上のスラリー層にウィスカを含有させる。具体的には、モールドの内壁から厚さの約１０〜４０％以内、特に好ましくはモールドの内壁から厚さの約１０〜２５％以内に位置するスラリー層にウィスカを含有させることができる。
【００２１】
他の好適な実施態様では、モールドの外壁にできるだけ近い、たとえば外壁から厚さの約１０〜２５％以内にある１層以上のスラリー層（互いに隣接することもある）にウィスカを含有させる。（モールドの外壁にあまりに近いスラリー層にウィスカを含有させてもモールドの内部領域に所望の強度を付与できない。）ウィスカにとってもっとも適切な位置を決定するには、当業者はここでの教示にしたがってウィスカの添加位置を変え、得られるモールドの物性を評価すればよい。
【００２２】
上述したように、ウィスカを２層以上のスラリー層に含有させることができる。さらに、ウィスカをモールドの厚さ内の２個所以上に含有させることができる。たとえば、ウィスカをまずモールドの内壁から厚さの約１０〜４０％に対応する１層以上のスラリー層に導入することができる。その後モールドを造成するにつれて、ウィスカを外壁に近い１層以上のスラリー層、たとえば外壁から厚さの約１０〜２５％に対応する層に導入することもできる。きわめて高いモールド強度が必要とされる状況では、シェルモールド内の多数の位置にウィスカを使用することができる。当業者であれば実験を通して、ウィスカ含有層の数と位置を変え、得られるシェルモールドの物性を評価することにより、ウィスカの最適な配置を決定することができる。
【００２３】
ウィスカをモールドのスラリー層に導入する場合、ウィスカの存在によりスラリーの粘度がいちじるしく上昇する。したがって、スラリー中のウィスカの量は、所望のレベルの補強を行うのに十分高いが、シェルモールド造成工程の間「加工可能な」粘度を維持するのに十分低い値とする必要がある。アルミナ基ウィスカをアルミナ基セラミックシェル材料とともに使用する場合、所定のスラリー層に用いるウィスカの使用量は、その層を形成するのに用いるスラリー材料の全容量に基づいて約３５容量％以下とするのが好ましい。
【００２４】
ウィスカを２層以上のシェルモールド層に含有させる場合、通常ウィスカを層毎に非整列状態に維持するのが望ましい。（ここで、整列（アライメント）とは、ウィスカが位置する平面内での整列を意味する。層は前後の層とほぼ面−面接触しているので、層毎の平面は互いにほぼ平行である。）このランダム整列は、ウィスカを互いに隣接するシェルモールド層に使用する場合特に望ましい。もしもウィスカが隣接する層内のウィスカとほぼ整列していると（すなわちその長軸に沿って整列していると）、そのようなウィスカでは本発明の特定の実施例に望ましいレベルの補強を達成できないと考えられる。たとえば、（層毎のウィスカは通常物理的接触状態にないが）ある層内のウィスカの配向を、隣接層内のウィスカに対して横方向とすることができる。特に好適な実施態様では、ウィスカを隣接層のウィスカに対して約６０〜９０°の角度、もっとも好ましくは隣接層のウィスカに対して約９０°の角度に配向させる。
【００２５】
ウィスカを層毎に非整列状態に維持するのに種々の方法を採用できる。１例としてロストワックス法を挙げることができ、これについて以下に詳述する。セラミック被覆材料のスラリーで被覆したワックス模型を、ウィスカ含有スラリーの各層を塗工した後配置し直すことができる。再配置はスラリー排液の方向に対して行う。たとえば、模型を９０°回転すると、スラリー材料は先行する層のスラリー材料から９０°の方向に流出し、ウィスカはこの新しい排液方向に整列する傾向がある。排液過程に自動化装置を使用すれば、所望のウィスカ整列を実現するのに必要な調節が簡単になる。
【００２６】
ウィスカが存在すると、見かけの弾性率を高くすることによりシェルモールドが強靱になる。さらに、ウィスカは、スラリー層が球形または管状セラミック粒子のみを含有する場合、深刻な問題となることのあったモールド内のいちじるしいクリープを防止する。モールドの寸法安定性、特に高温（たとえば約１４５０〜１７５０°Ｃの鋳造温度）でのそれは、本発明の重要な属性である。さらにウィスカの形状および寸法のせいで、ウィスカをモールドの選択層に完全に導入するのが比較的容易である。この特徴は、モールドが複雑な形状、たとえばコーナや鋭い角度や角度変動がある複雑な形状である状況では特に有利である。場合によっては、ウィスカをこのようなモールドに、前記レーンの米国特許に記載された螺旋状繊維の組込みと比較して、はるかに容易にかつ効果的に導入することができる。
【００２７】
追加のセラミックスラリー／スタッコ骨材層の堆積をモールド厚さが適当な値に達するまで続ける。通常モールドは焼成後に合計壁厚さ（すなわち内壁から外壁まで）が約０．５０〜２．５０ｃｍ、好ましくは約０．５０〜１．２５ｃｍの範囲となる。
【００２８】
場合によっては、本発明にしたがって製造するシェルモールドにコアを導入する。コアはモールド内に孔またはキャビティを形成するためにしばしば用いられ、たとえばガラス質シリカ、アルミナ、アルミン酸塩またはこれらの組合せのインサートを用いてコアを形成することができる。コア材料を最終鋳造物から除去するには通常の方法でよい。コアの使用については種々の刊行物、たとえば「最新金属加工」（Modern Metalworking）、「鋳造および成形方法」（Casting and Forming Processes in Manufacturing）および米国特許第４，０９７，２９２号および第４，０８６，３１１号（前掲）に記載がある。本発明の補強用ウィスカは、モールド内のコアのまわりに適切な金属厚さを維持するのに役立ち、特にモールドが通常高温でクリープやひずみを受けやすい場合にそうである。モールド内のキャビティの寸法を精密に制御することは、複雑な形状および／またはきわめて厳密な寸法要求を有する金属部品を形成する場合にしばしば重要である。
【００２９】
代表的なロストワックス法でシェルモールドを完成した後、ワックスを通常の方法で除去する。たとえば、モールドを温度約１００〜２００°Ｃおよび水蒸気圧力約９０〜１２０psiのスチームオートクレーブに約１０〜２０分間投入することにより、急速脱ろうを行うことができる。つぎに通常モールドを予備焼成する。代表的な予備焼成過程では、モールドを約９５０〜１１５０°Ｃに約６０〜１２０分加熱する。
【００３０】
つぎにシェルモールドを通常の方法で焼成することができる。焼成段階に必要な温度および時間の範囲は、当然、壁厚さ、モールド組成などの因子に依存する。代表的には、焼成を約１３５０〜１７５０°Ｃの温度で約５〜６０分間行う。モールドを焼成するにつれて、ウィスカはシェルモールド内のセラミック材料と反応する。この反応によりウィスカがシェルモールドに結合され、モールドの強度と耐クリープ性が高くなる。
【００３１】
この時点ですぐに金属をモールド内に注ぎ、所望の鋳造操作を行うことができる。あるいはまた、モールドを室温まで放冷してもよい。さらにモールド製造で従来から行われている工程を更に採用することができる。これらの工程はシェルモールドの分野で周知である。たとえばモールドの表面を修理し平滑にする方法などである。
【００３２】
本発明のシェルモールドのようなシェルモールドは、チタンやニッケル基超合金などの種々広範な金属および合金を鋳造するのに使用する。補強シェルモールドでこのような材料から製造した部品も本発明の範囲に包含される。
【００３３】
本発明にしたがってシェルモールドを製造する一連のプロセス工程の具体例を以下に示すが、本発明はこれに限定されない。
（１）ワックス模型を−３２５メッシュ管状アルミナおよびシリカバインダのスラリーに浸漬する。
（２）被覆された模型を抜き出す（排液）。
（３）つぎに被覆された模型を８０グリット溶融アルミナのレインマシンに約１５〜２０秒間入れる。
（４）模型を風乾する。
（５）工程１で用いたスラリーまたはウィスカ含有スラリーを用いて、後述するように、工程１〜４を２〜８回繰り返す。
（６）模型を−２４０メッシュおよび−３２５メッシュのアルミナおよびシリカバインダの懸濁液に浸漬する。
（７）模型を−５４メッシュのアルミナの流動床に浸漬する。
（８）つぎに模型を風乾する。
（９）工程６〜８を約８回繰り返す。
（工程１〜４で塗工した最初の２層を「一次コート」と称し、工程６〜９で塗工した層を「二次コート」と称することがある。）
具体的な例（これに限定されない）では、ウィスカを第３および第４スラリー層に、あるいは第３、第４および第５スラリー層に導入することができる。ウィスカを導入する工程は、前述したように、部分的にはウィスカにふさわしい位置に基づいて選択する。さらに、前述したようにウィスカ含有スラリーへの浸漬毎にワックス模型を約９０°回転するのが好ましい。この回転により、モールド壁のある部に含有されるウィスカがモールド壁の別の部分に含有されるウィスカに対して約９０°に配向された焼成モールドが確実に得られる。
【００３４】
モールドの製造が完了した後、通常モールドを空気中約１０００°Ｃで焼成し、取り扱い強度を増す。つぎにモールドを約１５５０°Ｃで焼成することができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施態様を示して本発明を具体的に説明したが、上述した説明は本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。したがって、当業者には本発明の要旨の範囲内で種々の変更、改変、置き換えが自明である。
【００３６】
前掲の特許、論文および成書はすべて本発明の先行技術として援用する。