(57)【要約】少なくとも１種のマイクロシリカをシェルに混ぜることにより、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェル中に、効果的な量の少なくとも一種のマイクロシリカを加える工程を含む、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる方法。
【請求項２】
前記マイクロシリカが、シリカフューム、フュームドシリカ、ポゾラン、およびこれらの混合物からなる群から選択されるものである請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ポゾランが、ケイソウ土、オパラインチャート、オパラインシェール、凝灰岩、火山灰、軽石、フライアッシュからなる群から選択されるものである請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記マイクロシリカがシリカフュームである請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記マイクロシリカが前記シェルに、前記シェルの約０．１〜１５．０質量％添加される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記マイクロシリカが前記シェルに、前記シェルの約０．２〜１０．０質量％添加される請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記マイクロシリカが前記シェルに、前記シェルの約０．５〜５．０質量％添加される請求項１記載の方法。
【請求項８】
シェル中に、シェルの約０．５〜５．０質量％のシリカフュームを加える工程を含む、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して精密鋳造に関し、さらに詳しくは、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロストワックス、ロストパターン、プレシジョンキャスティングともよばれる精密鋳造（インベストメントキャスティング）は、比較的小さな寸法許容差が要求される、高品質な金属製品の製造に使用されてきた。一般的に、精密鋳造は、精密鋳造シェルとして知られ、その中に溶融金属が入れられる、薄壁のセラミックモールドを最初に作成することよって行われる。
【０００３】
シェルは、たいてい最初に、精密鋳造によってつくられる金属製品の複製あるいは原型を、溶融可能基材から作ることによって作成される。好適な溶融可能基材としては、例えば、ワックス、ポリスチレン、あるいはプラスチックが含まれる。
【０００４】
次に、セラミックシェルが原型の周りに形成される。これは、コロイダルシリカやエチルシリケートのような液状耐熱バインダーに、石英、フューズドシリカ、ジルコン、アルミナ、あるいはアルミノシリケートのような耐熱粉を加えた混合物を含むスラリーの中に原型を浸漬し、それから浸漬されたばかりの原型上に乾燥耐熱粒子をふるいかけることによって得られる。最も広く使用されている乾燥耐熱粒子としては、石英、フューズドシリカ、ジルコン、アルミナ、そしてアルミノシリケートが挙げられる。
【０００５】
原型を耐熱スラリーの中に浸漬し、それから浸漬されたばかりの原型上に乾燥耐熱粒子をふるいかける工程は、所望の厚さのシェルが得られるまで繰り返される。しかし、もしそれぞれのスラリーと耐熱粒子の層が、次の層が付けられる前に風乾できたら、好ましいことである。
【０００６】
シェルは、厚さが約１／８〜１／２インチの範囲（約０．３１〜１．２７ｃｍ）になるように作られる。最後の浸漬とふるいかけが終わった後、シェルは十分に風乾される。この方法で作られたシェルは、そのシェル表面の外見のために、「スタッコ状（stuccoed）」シェルと呼ばれてきた。
【０００７】
シェルは、それから少なくとも使用した溶融可能基材の融点まで加熱される。この段階で原型は、シェルと、若干の溶融可能基材の残渣だけを残して溶けてなくなる。それからシェルは、溶融可能基材の残渣がシェルから揮散するのに十分な位の高温に加熱される。通常この高温加熱から冷却される前に、シェルには溶融金属が詰められる。シェルに溶融金属を入れるために、重力、圧力、減圧、遠心分離をはじめ、様々な方法が使用されてきた。鋳造モールド中の溶融金属が固化して十分に冷えたとき、シェルから鋳物が取り除かれる。
【０００８】
精密鋳造は何千年もの間知られ、使用されてきたが、より入り組んだ、複雑な部品の需要の増加につれて、精密鋳造市場は成長し続けている。高品質かつ精密な鋳物に対する多大な要求のために、より能率的で、コスト効率が良く、欠陥のない精密鋳造シェルを作る新規な方法を発展させる必要性が継続的に存在している。例えば、もし精密鋳造シェルの強度が増加できれば、必要な原料は少なくてすむことになる。強度の大きいシェルは、耐クラック性も増し、それによって欠陥が少ない鋳物になる。さらに、もし精密鋳造シェルの固形分含量が増加したら、シェルは速く乾燥するであろうし、余計な時間、材料、コストの節約のために少ない層で作られるであろう。
【０００９】
したがって、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる改良した方法を提供することが望まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の方法においては、精密鋳造シェルに、少なくとも１種のマイクロシリカを入れることを必要とする。マイクロシリカの添加は、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を効果的に増加させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を増加させる方法に関する。本発明に基づき、少なくとも１種のマイクロシリカがシェルの中に入れられる。マイクロシリカは、当業者によく知られた従来の方法でスラリー中にマイクロシリカを添加することによって、精密鋳造シェルの中に入れることができる。
【００１２】
本発明の実施に使用されるマイクロシリカとしては、シリカフュームやフュームドシリカのような人工マイクロシリカ、ポゾランとして知られる天然マイクロシリカ、そしてこれらの混合物等が挙げられる。好適なポゾランの例としては、ケイソウ土、オパラインチャート、オパラインシェール、凝灰岩、火山灰、軽石、フライアッシュ等が挙げられる。精密鋳造シェルの強度と固形分含量の増加に有用な好ましいマイクロシリカは、シリカフュームである。定義によれば、「シリカフューム」は、シリコン、フェロシリコン、あるいはフューズドシリカ製造における副生成物である。
【００１３】
マイクロシリカは、精密鋳造シェルの強度と固形分含量を効果的に増加させる濃度で使用される。シェルに添加されるマイクロシリカの量は、シェルの質量に対し、約０．１〜１５．０質量％の範囲であることが好ましい。さらに好ましくは、マイクロシリカの量は約０．２〜１０．０％の範囲であり、約０．５〜５．０％の範囲が最も好ましい。
【００１４】
本発明者は、少なくとも１種のマイクロシリカを精密鋳造シェルに入れることが、シェルの強度と固形分含量の増加に効果的であることを発見した。発明者は、マイクロシリカの添加が、少ない欠陥の鋳物を製造できる高品質のモールドだけでなく、原料の節約と生産性の向上につながる、少ない層からなる強いシェルを作り出すことも見出した。
【実施例】
【００１５】
以下の実施例は、本発明の具体例であり、当業者に本発明の作り方と使用の仕方を教示することを意図するものである。これらの例は、決して本発明やその保護範囲を限定するものではない。
【００１６】
（実施例１）
スラリーは、以下の処方を使用して作成された。：
【００１７】
【表１】
2004528988.tif 000002
【００１８】
７２時間の混合の後、スラリーの粘度は、Ｎｏ．５ザーンカップを使用して測定および調節された。粘度は９〜１２秒の範囲であった。バインダーの副添加物（コロイダルシリカ＋水＋ポリマー）が、所望の流動性を得るために少量添加された。ひとたび調節されると、スラリーは浸漬可能な状態となった。
【００１９】
ワックス原型は、Nalco（登録商標）6270パターンクリーナーを使用して洗浄、エッチング処理された後、水洗された。ワックス棒は各々のスラリー中へ浸漬され、その後にNalcast（登録商標）S2（30×50メッシュ）フューズドシリカスタッコを付けた（レインフォール法による）。乾燥時間は１．５時間から始めて、層が増加するにつれて３．５時間まで増やしていった。最後のシェルは、Nalcast（登録商標）S2スタッコ４つの層と、１つのシール層（スタッコなし）を有していた。全ての層は７３〜７５°Ｆ、相対湿度３５〜４５％、２００〜３００フィート毎分の気流中で乾燥された。２４時間の最後の乾燥の後、シェルはテストのためさらに２４時間デシケーター中に置かれた。
【００２０】
実施例のスラリーから作成された曲げ破壊係数（ＭＯＲ）棒を使用して、いくつかのシェル特性が評価された。棒は、ＡＴＳ万能試験機の３点曲げフィクスチャ（ペンシルバニア州、バトラーのアプライドテストシステムズ株式会社より入手可能）で破壊した。アナログの出力（電圧）は、アナログ−デジタル変換基板と、データ収集ソフトを備えたパーソナルコンピューターに送られた。データは荷重対時間、あるいは荷重対変位プロットとして保存された。計算と分析は、データ収集ソフトあるいは表計算プログラムを使用して行われた。以下の物理的特性が、ＭＯＲ試験片について決定された。
【００２１】
破壊荷重
破壊荷重は、試験片が支持することのできる最大荷重である。荷重が大きい程、試験片が頑丈である。それは、シェルの厚さ、スラリーとシェルの組成に影響を受ける。この特性は、シェルの亀裂と、それと相関する鋳物欠陥を予測するのに重要である。破壊荷重は、試験片について、グリーン状態（空気乾燥）、ファイアード状態（１８００°Ｆで１時間保持し、室温に冷却）、およびホット状態（１８００°Ｆで１時間保持し、同温度で破壊）で測定、記録された。結果は標準化され、修正破壊荷重(Adjusted Fracture Load, ＡＦＬ)として表される。ＡＦＬは、単に２インチの試験長での破壊荷重を、試験片の幅で割ったものである。
【００２２】
シェル厚さ
シェル厚さは、シェル形成工程と相まって、スラリーとシェルの組成に影響を受ける。厚さのばらつきは、工程の不安定性を示す。不均一なシェルの厚さは、乾燥、脱ろう、予熱、流し込みにおいて、シェルの中にストレスを作る。ひどい場合には、モールドの不具合につながる。モールドは冷却金属を取り囲み、隔離する。厚さの変化は鋳物の微細構造、縮み、充填量、固化速度に影響を与える。
【００２３】
曲げ破壊係数
原型として長方形のワックス棒を使用して、平面状セラミック板が作成される。標準的寸法は、１×８×１／４インチである。棒は、望ましいシェルシステムを使用して鋳造された。乾燥後、エッジはベルトサンダーで取り除かれる。２つの残った板は、ワックスから離され、２つの試験片が作られる。試験片はＡＴＳ万能試験機の３点荷重装置を使用して破壊される。ＭＯＲがグリーン状態、ファイアード状態、ホット状態について計算される。
【００２４】
【数１】
2004528988.tif 000003
ここで、Ｐ＝ポンド単位の破壊荷重
Ｌ＝インチ単位の試験片長（支え間の距離）
ｂ＝インチ単位の破壊点における試験片幅
ｈ＝インチ単位の破壊点における試験片厚さ
である。
【００２５】
ＭＯＲは破壊応力である。これは、破壊荷重と試験片寸法に影響される。応力はシェル厚さの値の二乗に反比例するので、シェル厚さは、特に重要である。シェル表面がむらのある性状であると、寸法を正確に測ることができなくなり、結果として大きな標準偏差となってしまうこととなる。この欠点は、十分な数の試験片を破壊、測定することによって克服することができる。
【００２６】
曲がり、あるいはたわみ
試験片は、負荷がかけられるにつれて曲がる。最大たわみは試験片の破壊の時に記録される。柔軟性とポリマー濃度にともない曲がりは増加する。柔軟なシェルは、シェル形成工程の間の、ワックス原型の膨張と収縮に耐えることができる。曲がりはグリーン状態における棒で測定した。
【００２７】
割れ指数(fracture index)
割れ指数(fracture index)は、グリーン状態でのシェルの破壊に必要な仕事あるいはエネルギーを測定するものである。これはシェルの「強靭性」の指標となるものである。すなわち、指数が高いほど材料が強靱である。例えば、ポリプロピレン瓶は、ガラス瓶より「強靱」であり、それゆえ高い割れ指数を有する。この指数はクラック耐性の指標となる。高い指数のシェルは低い指数の系に比べて、それらを破壊するのにより多くのエネルギーを要する。
【００２８】
割れ指数は、スラリーとシェルの組成に影響を受ける。ポリマー添加物は指数を増加させる。軟らかいポリマーは、固いものより高い指数のシェルを作る。この指数はシェルの柔らかさに比例する。曲がることのできるシェルは、固く、もろいものと比較してより多くのエネルギーを吸収する。
【００２９】
割れ指数は、ＭＯＲ試験片の荷重／変位曲線の下部領域を積分することにより決定される。指数は、変位を観測するときの（力）×（距離）を、あるいは荷重時間を観測するときの（力）×（時間）を測定する。（力）×（時間）から（力）×（距離）に変換するために、荷重率（loading rate）が使用される。試験結果は、単純に指数値を２インチの試験長の試験片幅で割ることによって標準化される。
【００３０】
下の表２に示すように、シリカヒュームはファイアードの強度を減少させるが、強度と硬さを増加させる。最良の系（Ｐ１／Ｐ２／ヒューム）では、ヒュームなしのＰ１／Ｐ２の繊維強化系と比較して、割れ指数が６５％、ＭＯＲが２９％、強靱さが６７％の増加を示した。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
（実施例２）
スラリーは、以下の処方を使用して作成された。：
【００３３】
【表３】
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【００３４】
スラリーとシェルの作成は、上記実施例１で述べた手順と同じである。シェルテストもまた同じである。
【００３５】
下の表４に示すように、シリカフュームの添加は、スラリーの粘度を下げ、固形分とシェル強度を増加させた。高い固形分含量は、乾燥時間を短縮させ、シェルの強度を上げ、生産性を改良させることにつながる。ポリプロピレンファイバーと組み合わせて使用したときに、最小限度の層で高性能のモールドが作られる。シリカフューム添加ありとなしでのスラリーの、それぞれグリーン、ホット、ファイアードのＭＯＲ結果は、以下のとおりである：
【００３６】
【表４】
2004528988.tif 000006
【００３７】
本発明では好ましいあるいは具体的な形態に関して上で説明してきたが、これらの形態は、本発明を網羅あるいは限定するものではない。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義されるように、本発明の趣旨および範囲に入る全ての代替物、変形物、均等物を網羅するものである。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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