(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状を有する鋳造用セラミックシェル鋳型であって、
（ａ）当該シェル鋳型の全厚を規定する、セラミック被覆材とセラミックスタッコとの交互反復積層、及び
（ｂ）上記被覆材とスタッコとの交互反復積層中の中間厚の位置に配置されたセラミック系補強マットであって、該セラミック系補強マットが二方向に配向した複数の繊維を互いに１メートル当り５〜１００本の頻度で織り合わせたものからなるセラミック系補強マット
を含んでなるシェル鋳型。
【請求項２】
前記補強マットがアルミナ系材料、アルミン酸塩系材料、炭化ケイ素系材料及びそれらの混合物からなる群から選択される材料からなる、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項３】
前記マット中の繊維が経糸と緯糸の形態で配列していて、マットが経糸と緯糸からなる繊維間に開口を有する、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項４】
前記マットの熱膨張率（ＣＴＥ）が該マットの挿入されるシェル鋳型層のＣＴＥの５０％以内にある、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項５】
当該シェル鋳型が鋳型キャビティに面する内壁と該内壁と反対側の外壁とを含んでいて、内壁と外壁が当該シェル鋳型の全厚だけ離隔し、マットが内壁から全厚の１０〜４０％の範囲内の位置に位置している、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項６】
当該シェル鋳型が鋳型キャビティに面する内壁と該内壁と反対側の外壁とを含んでいて、内壁と外壁が当該シェル鋳型の全厚だけ離隔し、マットが外壁から全厚の１０〜２５％の範囲内の位置に位置している、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項７】
当該シェル鋳型が上記セラミック系補強マットを２枚以上含んでいて、各マットが異なる組の被覆材とセラミックスタッコとの交互反復積層中に配置される、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項８】
前記セラミック系補強マットが２５〜２００ミクロンの厚さを有する、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項９】
前記セラミック被覆材とセラミックスタッコとの交互反復積層が第１の被覆材層及びスタッコ層と後続の被覆材層及びスタッコ層とを含んでいて、第１のスタッコ層中のセラミック粒子の平均粒度が２００ミクロン未満である、請求項１記載のシェル鋳型。
【請求項１０】
所定の形状を有する鋳造用セラミックシェル鋳型であって、
当該シェル鋳型の厚さと形状を規定するセラミック材料の反復積層、及び
上記セラミック材料の積層中に配置されたセラミック系補強マットであって、該セラミック系補強マットが鋳型の形状に適合して鋳型を構造的に補強するとともに、二方向に配向した複数の繊維を互いに１メートル当り５〜１００本の頻度で織り合わせたものからなるセラミック系補強マット
を含んでなる、シェル鋳型。
【請求項１１】
前記反復積層のセラミック材料及び前記マットのセラミック材料がアルミナからなる、請求項１０記載のシェル鋳型。
【請求項１２】
前記セラミック系補強マットが鋳型の壁厚の中心から外れた位置に配置される、請求項１０記載のシェル鋳型。
【請求項１３】
０．５０〜２．５０ｃｍの全壁厚を有する、請求項１０記載のシェル鋳型。
【請求項１４】
鋳造用セラミックシェル鋳型の製造方法であって、当該方法が、
（Ｉ）複数のセラミック層を逐次積層して形成された部分シェル鋳型のセラミック層表面に、二方向に配向した複数の繊維を互いに１メートル当り５〜１００本の頻度で織り合わせたものからなるセラミック系補強マットを付着させる段階、
（II）補強マット上に追加セラミック層を積層してシェル鋳型を完成する段階、及び
（III）シェル鋳型を高温で焼成する段階
を含んでなる方法。
【請求項１５】
インベストメント鋳造セラミックシェル鋳型の製造方法であって、当該方法が、
（ｉ）セラミック材料のスラリーを調製する段階、
（ii）当該シェル鋳型で鋳造すべき金属の所定形状を有するワックス模型にセラミックスラリーの層を付着させる段階、
（iii）セラミックスラリー層の上にセラミック系スタッコ凝集物の層を付着させる段階、
（iv）所定の中間厚を有する部分シェル鋳型を得るのに必要な回数だけ段階（ii）及び（iii）を繰り返す段階、
（ｖ）二方向に配向した複数の繊維を互いに１メートル当り５〜１００本の頻度で織り合わせたものからなり、部分シェル鋳型の外面に実質的に適合するセラミック系補強マットを付着させる段階、
（vi）セラミック系補強マット上で段階（ii）及び（iii）を繰り返して、完全シェル鋳型の所望の厚さとなるまで部分シェル鋳型に堆積させる段階、及び
（vii）ワックスを除去し、シェル鋳型を焼成して所望のレベルの引張強さを与える段階
を含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
本願は、米国仮出願第６０／０９３６３３号に関連する。
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は金属の鋳造に関する。さらに具体的には、本発明は超合金製部品のような金属部品の鋳造に用いられるシェル鋳型の製造に関する。
【０００２】
金属の鋳造は、インベストメント鋳造法などの様々な技術で実施される。インベストメント鋳造では、溶融状態の金属を収容して成形するのにセラミックシェル鋳型が用いられる。金属部品が正確な寸法をもつようにするため、鋳型の強度及び完全性は極めて重要な因子である。こうしたシェル鋳型特性は、航空宇宙産業で使用される超合金部品のような高性能部品の製造では特に重要である。
【０００３】
インベストメント鋳造法には、例えば約１４５０〜１７５０℃もの極めて高い温度を要することが多い。従来のシェル鋳型の多くはかかる温度では十分な強度を呈さない。これらの鋳型は溶湯を満たしたとき膨れや割れを起こし易くなる。（膨れは、非常に大形の部品を鋳造する場合には低温でも起こり得る）。膨れは鋳型の寸法を変化させ、鋳造品に不都合なバラツキをもたらしかねない。割れは溶湯が流れ出して鋳型の破壊につながることがある。
【０００４】
いうまでもなく、極めて高い鋳造温度で使用されるシェル鋳型及び非常に大形の部品の鋳造に使用されるシェル鋳型には、一段と高い強度及び寸法安定性が必要とされる。かかる課題は、Ｊ．Ｌａｎｅ他の米国特許第４９９８５８１号で扱われている。その開示によれば、シェル鋳型を製造する際に鋳型の周囲に繊維状補強材を巻き付けることによってシェル鋳型を強化する。好ましい実施形態では、補強材は所定の最低引張強さを有するアルミナ系又はムライト系セラミック組成物であると記載されている。補強材はそれを所定位置に保つのに十分な張力を加えながらシェル鋳型の回りにらせん状に巻付けられ、所望の厚さとなるまでシェル鋳型にセラミック層を付着させる。
【０００５】
Ｌａｎｅの米国特許は、上記課題の部分的な解決手段を与えるものと思料される。しかし、この米国特許に開示された発明の実施には幾つかの重大な短所が認められる。例えば、ムライト系材料は、含シリカ又は含アルミナ化合物を第２相混入物として用いなければ製造は困難である。こうした混入物は鋳型の物理的性質を低下させかねない。さらに、米国特許第４９９８５８１号で用いられる補強材の多くは鋳型よりも格段に小さい熱膨張率を有する。こうした大きな熱膨張率の差のため、割れのない鋳型の製造は一段と困難になる。
【０００６】
そこで、シェル鋳型の性質をさらに改善すれば当技術分野で歓迎されるはずである。シェル鋳型は高い金属鋳造温度に耐え得る強度を有するとともに大形部品の鋳造に適しているべきである。シェル鋳型は、また、高温並びに様々な加熱／冷却サイクル全体を通して寸法安定であるべきである。さらに、補強材の使用でシェル鋳型を改良するときは、特に複雑な金属部品を鋳造するときのシェル鋳型の形状条件を満たすために、焼成前の補強材は十分な柔軟性を有するべきである。最後に、改良シェル鋳型の製造は、追加設備をさほど必要とせずに経済的に実施できるべきである。新型シェル鋳型の使用によって、インベストメント鋳造法での金属部品の製造コストが大幅に増大するようなことがあるべきではない。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の基礎となった発見によって、上述の望ましい改良が得られた。本発明は、その一つの態様では、所定の形状を有する鋳造用セラミックシェル鋳型であって、当該シェル鋳型の厚さと形状を規定するセラミック材料の反復積層、及び上記セラミック材料の積層中に配置されたセラミック系マットを含んでなるシェル鋳型が提供される。マットは、鋳型の形状に適合して鋳型を構造的に補強する。多くの実施形態では、鋳造用シェル鋳型は、
（ａ）当該シェル鋳型の全厚を規定する、セラミック被覆材とセラミックスタッコとの交互反復積層、及び
（ｂ）上記被覆材とスタッコとの交互反復積層中の中間厚の位置に配置されたセラミック系マットの補強材
を含んでなる。
【０００８】
マット用補強材は、普通、炭化ケイ素系材料、又はアルミナ系又はアルミン酸塩系材料である。これらの材料の混合物も使用できる。好ましい実施形態では、補強マットは二方向に配向した繊維からなる。さらに、マットは、好ましくは、シェル鋳型の内壁から壁厚の約１０〜約４０％の範囲内の位置又はシェル鋳型の外壁から壁厚の約１０〜約２５％の範囲内の位置に配置される。
【０００９】
さらに、マット表面の開口は、被覆材とスタッコからシェル鋳型を製造する際にセラミック粒子が通過するのに十分な大きさを有する。さらに、好ましい実施形態では、マットの熱膨張率（ＣＴＥ）はマットが挿入されるシェル鋳型層のＣＴＥの約５０％以内にある。
【００１０】
また、鋳造用セラミックシェル鋳型の製造方法であって、当該方法が、
（Ｉ）部分シェル鋳型（例えばインベストメント鋳造プロセスで造形されたものなど）のセラミック層表面にセラミック系補強マットを付着させる段階、
（II）補強マット上に追加セラミック層を積層してシェル鋳型を完成する段階、及び
（III）シェル鋳型を高温で焼成する段階
を含んでなる方法についても開示する。
【００１１】
本発明の方法で製造したシェル鋳型は、従来技術の多くのシェル鋳型に比べて、高温での強度及び寸法安定性が格段に改善されている。かかるシェル鋳型で、ニッケル基超合金のような多くの金属又は合金を効率的に鋳造できる。
【００１２】
【発明の詳しい説明】
本発明で補強されるセラミックシェル鋳型は当技術分野で公知である。さらに、インベストメント鋳造法用のセラミックシェル鋳型に関する情報は広く入手可能である。有益な情報源の例として、Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition, Vol.7, p.798以下；J.R. Walker著，Modern Metalworking, The Goodheart-Willox Co., 1965；  T.C. Du Mond著，Shell Molding and Shell Mold Castings, Reinhold Publishing Corp., 1954；  J.S. Campbell, Jr.著，Casting and Forming Processes in Manufacturing, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1950などがある。
【００１３】
シェル鋳型は、普通、耐火性粒子（耐火性酸化物粒子など）をシリカ又はリン酸塩ゲルで結合したものからなる。典型的な耐火性粒子の例は、アルミナ系材料、アルミン酸塩系材料（アルミン酸イットリウムなど）又はそれらの混合物である。様々な特許文献にも、従来のシェルモールディングプロセスの様々な態様が記載されている。その例として、米国特許第４９９８５８１号（Lane他）、同第４０９７２９２号（Huseby他）、同第４０８６３１１号（Huseby他）、同第４０３１９４５号（Gigliotti, Jr.他）、同第４０２６３４４号（Greskovich）、同第３９７２３６７号（Gigliotti, Jr.他）及び同第３９５５６１６号（Gigliotti, Jr.他）があり、それらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【００１４】
本発明に特に適したインベストメント鋳造技術の一つは「ロストワックス法」である。この技術の一例では、ワックス模型（すなわち、鋳造すべき部品のレプリカ）を、シリカ又はリン酸塩含有バインダー中の耐火性酸化物粒子の液体スラリーに繰り返し浸漬する。普通、スラリーは高濃度（例えば４０体積％以上）のセラミック固形分を含んでいて、残部は脱イオン水、有機溶剤又はそれらの混合物である。浸漬作業と次の浸漬作業の間には、スラリーコートがワックス上で部分的又は完全に乾燥するのに十分な時間が置かれる。ワックス上に十分な厚さのセラミックが堆積したら、後で述べるような各種技術によってワックスを除去する。次いで、完成したシェル鋳型を焼成して、鋳造プロセスに耐える十分な強度を与える。
【００１５】
本発明のある実施形態では、まずワックス模型をスラリーに浸漬し、過剰の材料は模型から流出させる。ワックス模型を濡らした直後、模型が乾く前に、それに追加セラミック材料（セラミック酸化物など）を「まぶす（レイニング(raining)という。）」。この堆積作業は標準的な流動層チャンバーで実施されることが多く、付着層は「セラミックスタッコ」と呼ばれることもある。模型のディッピングとセラミック材料レイニングは、所望の厚さになるまで繰り返される。その他の段階（例えば、ワックス除去及び焼成）は従来通りである。
【００１６】
本発明の重要な特徴の一つは、シェル鋳型内部（すなわち、シェル鋳型の壁体内部）に少なくとも１枚のセラミック系マットが存在することである。マットは多種多様な材料から作ることができる。非限定的な例として、アルミナ系材料、アルミン酸塩系材料、炭化ケイ素系材料、及びそれらの混合物がある。ここで用いた「系」という用語は、その物質が約５０重量％を上回る量で存在することをいう。そこで、これらの材料はその他の成分（例えば、二酸化ケイ素、酸化ホウ素などの他のセラミック酸化物）も含んでいることが多々ある。
【００１７】
補強マットの組成は、マットの製造に使用される材料の熱膨張率（ＣＴＥ）によってある程度決まる。約１５００〜約１７５０℃の範囲の使用温度では、通例、マット材料は（後述の通りシェル鋳型層中に挿入されそれらと結合するとき）通例マット材料が挿入されるシェル鋳型層のＣＴＥの約５０％以内に相当するＣＴＥを示すべきである。好ましい実施形態では、ＣＴＥはシェル鋳型層のＣＴＥの約３０％以内にある。
【００１８】
マットは普通上述の材料のセラミック繊維から作られる。幾つかの事例では、繊維はセラミック材料のストランドを数本撚り合わせて作られる。（本明細書中では、「ストランド」とは単「繊維」の形成に用いられるある長さの材料である）。マットの製造に使用し得るストランドの市販品の具体例は、ネクステル（Nextel；登録商標）４４０（酸化アルミニウム７０重量％、二酸化ケイ素２８重量％及び酸化ホウ素２重量％）、ネクステル５５０（酸化アルミニウム７３重量％及び二酸化ケイ素２７重量％）、ネクステル６１０（酸化アルミニウム９９重量％超、二酸化ケイ素０．２〜０．３重量％及び酸化鉄０．４〜０．７重量％）、ネクステル７２０（酸化アルミニウム８５重量％及び二酸化ケイ素１５重量％）などのネクステル（登録商標）材料がある。これらの材料はスリーエム社(3M Company)から市販されており、約１０〜１２ミクロンの直径を有している。これらは、例えば、T.L. Tompkins著，Ceramic Oxide Fibers: Building Blocks for New Applications，Ceramic Industry, April 1995からのリプリントに記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【００１９】
繊維は普通約２５〜約２０００ミクロンの範囲内の直径を有する。好ましい実施形態では、直径は約２５０〜約１０００ミクロンの範囲内にある。そこで、例えば、上記いずれかのネクステル材料のストランド約２５本を撚り合わせて所望の直径の繊維を形成することができる。（なお、ネクステル材料よりも直径の小さい又は大きいストランドを用いることもできる）。繊維は手で撚り合わせることもできるが、織布及びコードに関連した様々な分野ではストランドを撚り合わせて繊維を作るための各種の機械的技術も公知であり、例えばEncyclopedia Americana，Ameicana Corporation, Vol. 7, pp.681-685b(1964)に記載されている（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）。
【００２０】
マットに使われる繊維は二方向に配向している。換言すれば、繊維は概して互いに直交している。それらは普通織り合わされている。織物はその経糸（縦方向繊維）と緯糸（横方向繊維）で説明されることが多い。本発明の場合、縦方向繊維と横方向繊維は普通互いに約９０°の角度をなす。製造プロセスでかかる配向を生じるのが普通だからである。ただし、配向度が幾分変わることもある。
【００２１】
マットは、紡織技術分野で周知の機械を用いて繊維を織ることによって製造することができる。紡織、紡織機械及び織物について情報は、例えば、Encyclopedia Americana，Ameicana Corporation, Vol. 26, pp.467b-481(1964)及び同Vol.29, pp.651-652(1964)に見出すことができ、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。繊維の手織りも可能である。マットは通例約２５〜約２０００ミクロンの厚さ、好ましくは約２５０〜約１０００ミクロンの厚さを有する。
【００２２】
本発明者らは、二方向に配向したセラミック繊維から製造したマットが他の種類の繊維状補強材に比べて格段に大きな強度をシェル鋳型に与えることを見出した。例えば、本発明のシェル鋳型は、J. Lane他の米国特許第４９９８５８１号の教示に従って製造したシェル鋳型よりも強いことが判明した。Laneの米国特許には、シェル鋳型の一部の周り連続繊維を一方向に巻付けたものを使用することが記載されている。
【００２３】
上述の通り、マット中の繊維は通常経糸と緯糸の形態で配列している。通常、経糸と緯糸は各々独立に１メートル当り約５〜約１００本の頻度で（通常は互いに平行に）配置された繊維からなる。ある好ましい実施形態では、頻度は１メートル当り約１０〜約５０本である。
【００２４】
経糸と緯糸の特性の決定因子の一つは交差繊維間の開口である。かかる開口は、シェル鋳型の製造時にスラリーに存在する耐火性粒子が通過できる十分な大きさをもつべきである。アルミナの場合、スラリー粒子は普通はディスク形（すなわち、平板状アルミナ）又は球形であり、約４０〜約７５ミクロンの平均直径を有する。他のセラミック材料からなる粒子は異なる形状を有し得るが、普通はアルミナ粒子とほぼ同じ直径を有する。経糸と緯糸の間の開口の平均面積は通常は約１０8 平方ミクロン以上であり、好ましくは約４×１０10平方ミクロン以上である。
【００２５】
本発明にはどんなインベストメント鋳造技術を用いてもよい。好ましい実施形態では、「ロストワックス」プロセスを行う。シェル鋳型の製造に用いられるセラミック材料は、補強マットの製造に関して述べたものと同種又は同一である。アルミナ系材料、アルミン酸塩系材料（アルミン酸イットリウムなど）又はこれらの任意の混合物が往々にして好ましい。セラミック材料とシリカやコロイダルシリカのような適当なバインダーからスラリーを調製する。スラリーは、湿潤剤、消泡剤その他適当な添加剤を含んでいてもよく、その幾つかは上記で引用したGreskovichの米国特許第４０２６３４４号に記載されている。当業者であれば、この種のスラリーを調製する際に注意を要する通常のパラメータに精通しているはずである。かかるパラメータの例には、混合速度と粘度、さらには混合物及び周囲環境の温度と湿度がある。
【００２６】
前述の通り、シェル鋳型の製造は、普通、ワックス模型にスラリーの層を付着させてから、スタッコ凝集物（市販の溶融アルミナでできたものなど）の層をスラリー層に付着させ、次いで以上のプロセスを数回繰り返すことによって行われる。（初回の積層は最終的に鋳型キャビティに最も近い層となる）。適当なスラリーコートについて乾燥後の（かつスタッコの組成を無視した）典型的な化学組成には、約８０〜約１００重量％のアルミナ系材料と約１０〜約０重量％のバインダーが含まれる。ジルコニウムのような他の成分が少量存在することもある。
【００２７】
積層を繰り返す回数がシェル鋳型の所望の厚さに依存することはいうまでもない。シェル鋳型には、普通、セラミックスラリー層／スタッコ層の対が合計４〜約２０対用いられる。最終用途によっては、約１０〜約１８対の層を付着させる。スラリー層とスタッコ凝集物層とを逐次付着させる１以上の段階で、層の付着をいったん止めて、後で述べるように部分シェル鋳型に補強マットを組み込む。
【００２８】
さらに具体的に例示すると、米国特許第４０２６３４４号に教示されているように、金属部品（タービンブレードやノズルなど）のワックス模型をスラリーに浸漬し、取出して余分な液を切る。次いで、スラリーコートしたワックス模型の湿表面に流動層中のスタッコ凝集物をまぶして風乾する。このプロセスを、交互に連続して並んだセラミックスラリー層とスタッコ凝集物層とが所望の厚さになるまで必要な回数繰り返す。
【００２９】
普通、セラミックスラリー層／スタッコ層の最初の対（及び場合によっては第２の対）の中のセラミック粒子は、後続の層の中の粒子よりも粒度が小さい。例えば、最初の対の層におけるスタッコのセラミック粒子の平均粒度は好ましくは約２００ミクロン未満である。後続の層におけるスタッコの平均粒度は普通約２００〜約８００ミクロンである。後続の層の粒度を大きくすると、鋳型の厚さを速やかに増すことができる。大きな粒度は、シェル鋳型の収縮率の制御にも用いられる。
【００３０】
補強マットに隣接したスラリー層及び／又はスタッコ層中の粒子は、追加スラリー層及びスタッコ層を付着させてシェル鋳型を完成させる際に、マットの開口を通して流れる傾向がある。こうした開口を通しての粒子の移動は、完成シェル鋳型の焼成時にマットの強度と剛性を高めるので、本発明の幾つかの実施形態で重要である。
【００３１】
前述の通り、セラミック系補強マットは、普通、所定の中間厚の部分的に形成されたシェル鋳型（つまり、その壁体内）に組み込まれる。鋳型中でのマットの正確な「深さ」は、マット厚、鋳型層の組成、マットの製造に用いられた繊維の種類及び鋳型の形状など、様々な因子に依存する。便宜上、シェル鋳型は、成形鋳造品を製造するため溶湯の注入されるキャビティを規定する「内壁」を有するとみなされる。「外壁」は内壁の反対側、つまりキャビティから最も離れた壁面である。
【００３２】
補強マットをシェル鋳型の壁厚の中心から外れた位置に配置するのが好ましいことが多い。本発明者らの知見によれば、そうした位置でシェル鋳型の強度が高まるらしいからである。特に好ましい実施形態では、マットは、キャビティ面に悪影響を与えずに（例えば表面粗さを生じずに）、鋳型の内壁にできるだけ近い位置に配置される。例えば、マットは好ましくは鋳型の内壁から厚さの約１０〜約４０％の範囲内の位置、最も好ましくは鋳型の内壁から厚さの約１０〜約２５％の範囲内の位置に配置される。別の好ましい実施形態では、マットは鋳型の外壁にできるだけ近い位置、例えば外壁から厚さの約１０〜約２５％の範囲内の位置に配置される。（マットの位置が外壁に近すぎると、シェル鋳型の内部に望ましい強度を与えないこともある）。マットに関する最も適切な位置を決定するためには、マットの位置を変えながら、本明細書中の説明に基づいて得られるシェル鋳型の物理的性質を評価すればよいことは当業者にとって自明であろう。
マットの最適な位置を求めるに当たり、マットの位置を種々変更して鋳型の物性を本明細書の教示に基づいて評価するのは当業者が容易になし得る事項である。
【００３３】
シェル鋳型に２枚以上の補強マットを用いてもよい。例えば、シェル鋳型の内壁から約１０〜約４０％の範囲内の位置に第１のマットを配置し、外壁から約１０〜約２５％の範囲内の位置に第２のマットを配置してもよい。シェル鋳型に非常に高度の強度が必要とされるとき、２枚のマットを使用できる。
【００３４】
補強マットの面を、部分シェル鋳型の最外層の実質的に平行な面に付着させる。普通、後続のスラリー層／スタッコ層を付着させる際にマットを所定位置に保つような若干の接着力が自然と存在し、言い換えれば、鋳型堆積プロセスで他の層が普通所定位置に保たれるのと同様にマットを所定位置に保つことができる。補強マットの挿入後、適当な鋳型厚となるまで、後続のセラミックスラリー層／スタッコ凝集物層の堆積を上記と同様に続ける。通常、焼成後の鋳型は約０．５０〜約２．５０ｃｍの全壁厚（すなわち、内壁から外壁までの厚さ）を有し、好ましくは約０．５０〜約１．２５ｃｍの範囲内の全壁厚を有する。
【００３５】
場合によっては、本発明で製造するシェル鋳型にはコアを組み込むこともできる。コアは、鋳型内で穴又はキャビティを生み出すために多用され、石英ガラス、アルミナ、アルミン酸塩又はそれらの任意の組合せからなるインサートの使用によって形成し得る。コア材料は最終鋳造品から慣用技術で除去される。コアの使用については、上掲のModern Metalworking、Casting and Forming Processes in Manufacturing、並びに米国特許第４０９７２９２号及び同第４０８６３１１号など、多数の参考文献に記載されている。本発明の補強マットは、特に鋳型が高温でクリープや変形を起こしやすいときに、鋳型内でのコア付近の適正な金属厚さを保つのに役立つ。複雑な形状の及び／又は寸法条件が非常に厳しい金属部品を製造する際には、鋳型内のキャビティの寸法を正確に制御することが極めて重要であることが多い。
【００３６】
シェル鋳型が完成したら、ワックスを適当な慣用技術で除去する。例えば、（約９０〜１２０ｐｓｉの）蒸気圧下約１００〜２００℃の温度で運転される蒸気オートクレーブに鋳型を入れて約１０〜２０分間加熱することによってフラッシュ脱ロウを行うことができる。通常、鋳型は次に予備焼成される。典型的な予備焼成法では、鋳型を約９５０〜約１１５０℃で約６０〜約１２０分間加熱する。
【００３７】
シェル鋳型を次いで慣用技術で焼成すればよい。焼成段階に必要とされる温度及び時間条件は、いうまでもなく、壁厚、鋳型組成などの因子に応じて異なる。典型的には、焼成は約１３５０〜約１７５０℃の温度で約５〜約６０分間行われる。鋳型を焼成すると、補強マットの繊維がシェル鋳型のセラミック材料と反応する。この反応で繊維がシェル鋳型に結合し、鋳型の強度及びクリープ抵抗性が増大する。
【００３８】
この時点で、直ちに金属を鋳型に注入して所望の鋳造作業を実施してもよい。或いは、鋳型を室温まで放冷してもよい。鋳型の製造で慣用される後段階を行ってもよい。かかる段階は鋳型分野で周知である。例として、鋳型の補修及び表面平滑化などがある。
以上の説明から明らかな通り、本発明のもう一つの実施形態は、鋳造用セラミックシェル鋳型の製造方法であって、当該方法が、
（Ｉ）複数のセラミック層を逐次積層して形成された部分シェル鋳型のセラミック層表面にセラミック系補強マットを付着させる段階、
（II）補強マット上に追加セラミック層を積層してシェル鋳型を完成する段階、及び
（III）シェル鋳型を高温で焼成する段階
を含んでなる方法に関する。
【００３９】
本発明の方法についての詳細は、本明細書（例えば、以下の実施例）に記載されている。
【００４０】
本発明に係るもののようなシェル鋳型は、チタン及びニッケル基超合金のような多種多様な金属及び合金の鋳造に使用されている。そこで、かかる材料から補強シェル鋳型で製造された部品も本発明の範囲に属する。
【００４１】
【実施例】
以下の実施例は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４２】
実施例１
従来のシェル鋳型技術を用いてサンプル鋳型を製造した。その段階は以下の通りであった（鋳型の補強は、後述の通り、これら一連の段階の途中で行った）。
（１）ワックス模型を−３２５メッシュの平板状アルミナとシリカバインダーのスラリーに浸漬し、
（２）被覆ワックス模型から余分の液を切り、
（３）被覆ワックス模型を、８０グリットの溶融アルミナのレイニング装置に例えば１５〜２０秒間入れ、
（４）ワックス模型を風乾し、
（５）段階１〜４を繰り返し、
（６）ワックス模型を−２４０メッシュ及び−３２５メッシュのアルミナとシリカバインダーの懸濁液に浸漬し、
（７）ワックス模型を−５４メッシュのアルミナの流動層に浸漬し、
（８）ワックス模型を風乾し、
（９）段階６〜８を６回繰り返す。
【００４３】
本明細書では、段階１〜４で付着させる最初の２つの層を「一次コート」と定義し、段階６〜９で付着させる層を「二次コート」と定義する。直方体ワックス模型を用いて鋳型を製造した。製造後、鋳型の両壁を削り取って２つの平らな試験片を得た。この試験片（長さ２０．３２ｃｍで幅２．５４ｃｍ）を空気中１０００℃で焼成し、取扱強さを高めた。鋳型を次いで約１５５０℃で焼成してから、評価した。試験片は焼成後も割れを生じなかった。
【００４４】
マットの製造は、まずネクステル（登録商標）４４０材料のストランド数本を撚り合わせて経糸及び緯糸用繊維を作った。この繊維は約１０００ミクロンの平均直径を有していた。次いで、約１０ｍｍの平行繊維間隔で実質的にスクエア模様に繊維を手織りしてマットを製造した。こうして、約１００００ミクロン×約１００００ミクロンの開口がマットに得られた。
【００４５】
本発明のサンプルについては、第３の二次コートを付着させてから第４の二次コートを付着させるまでの部分シェル鋳型に上記マットを挿入した。この位置は、シェル鋳型が約３０％完成した状態に相当していた。（なお、セラミック被覆材とセラミックスタッコの個々の層の中点は鋳型の壁厚の中心と必ずしも一致しない。その一つの理由は、例えば上述の通りセラミック粒子の粒度の変動のため、個々の層の厚さが変動するためである）。
【００４６】
試験用に３組のサンプルを製造した。（各組は普通約３個のサンプルを含んでおり、結果は測定値の範囲として表わした）。第１組は上述の通り製造した比較用のシェル鋳型であり、補強材は全く含んでいなかった。第２組のシェル鋳型は同様にして製造したが、一方向補強材を含んでいた。この補強材は、シェル鋳型が約３０％完成した後で（本実施例で上記マットに用いたものと同じ種類の）セラミック繊維を巻付けて得た。シェル鋳型の造形時の繊維の巻付けはＬａｎｅの米国特許第４９９８５８１号の記載と同様にして行った。巻線間の平均間隔は約１０ｍｍであった。第３組は本発明によるものであり、二方向補強材として上記のマットを含んでいた。
【００４７】
試験のため、表に記載の鋳型を焼成した後、鋳型から機械加工によって試験片を作った。鋳型の外面だけを機械加工して厚さを０．７９ｃｍとした。機械加工後の試験片の幅は２．３ｃｍであった。一次コートは機械加工時に無傷のまま残った。
【００４８】
各試験片について、４ｃｍスパンでの三点曲げ強度試験を１５５０℃で実施した。この試験では、各試験片が２つの断片に破断するまで荷重を加えた。試験後の各試験片の強度（メガパスカル単位）を表１に示す。
【００４９】
【表１】
0004409769.tif 000002
【００５０】
上記のデータから明らかな通り、高温では、本発明によって補強したシェル鋳型で強度が格段に向上している。
【００５１】
さらに、本発明のシェル鋳型は、補強材を全く含まないシェル鋳型に比べ、１５５０℃での寸法変化がかなり少なかった。
実施例２
対比試験用に２組の試験片を製造した。Ａ組は本発明の技術的範囲に属さないものであり、Ｂ組は本発明の技術的範囲に属するものであった。各試験片は、長さ６インチ（１５．２ｃｍ）、幅０．７５インチ（１．９１ｃｍ）及び厚さ０．２５インチ（０．６４ｃｍ）であった。Ａ組の試験片は、いかなる補強マットも用いずに実施例１と同様にして製造した。Ｂ組の試験片は、ネクステル（登録商標）４４０のストランドを撚り合わせて作った手製セラミック繊維織布を部分シェル鋳型に付着させたものである。この織布は、（１ｃｍ間隔の）横方向繊維と（同じく１ｃｍ間隔の）縦方向繊維を織り合わせて作った。次いで、織布がシェル鋳型の内壁から約３０％の位置に設置されるように、スラリーとバインダーの二次コートを実施例１と同様に用いてＢ組の試験片用のシェル鋳型を完成させた。シェル鋳型の焼成後、上記の寸法の試験片を機械加工によって製造した。
【００５２】
各試料を一定のスパンで、「垂れ下がり固定具」（その２つの支持体は高さ１．５インチ（３．８ｃｍ）で間隔は４．５インチ（１１．４ｃｍ）であった）に配置した。この構造では、試料が垂れ下がると試料の中心が何の制限も受けずに移動できるようになる。各試料を１６００℃に加熱して、その温度に１時間保った後、炉内冷却した。（補強材を全く含まない）Ａ組の試験片は、Ｂ組の試験片よりも垂れ下がりが大きかった。
【００５３】
この垂れ下がり試験の結果は、本発明に係るシェル鋳型の補強によって高温での垂れ下がり抵抗が増大することを実証している。実施例１に記載した曲げ強度試験は補強シェル鋳型で強度が増すことを実証している。これらの性質は、金属の鋳造前にシェル鋳型を加熱する際、並びに注湯後（ただし凝固前）に鋳型をゆっくりと冷却する際のシェル鋳型の変形を低減させる。
【００５４】
以上、例示のため本発明の好ましい実施形態を開示してきたが、以上の説明は本発明の範囲を限定するものではない。従って、当業者であれば本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく様々な修正、改変、変更に想到するであろう。
【００５５】
上記で引用した特許、論文及び文献の開示内容はすべて援用によって本明細書の内容の一部をなす。