(57)【要約】      （修正有）【課題】高い機械的強度を鋳型全体に亘って付与可能なセラミックス鋳型の製造方法の提供。【解決手段】骨材セラミックス粒子１０に樹脂バインダを加えて型を造形しこれを焼結させるセラミックス鋳型の製造方法。造型後の骨材セラミックス粒子１０の間に含浸させ得るサイズの焼結用セラミックス粒子１２を含むセラミックススラリーを含浸させてから焼結させるセラミックス鋳型１の製造方法。骨材セラミックス粒子１０に対する焼結用セラミックス粒子１２の平均粒子径比が１／１００よりも小であり、骨材セラミックス粒子１０の平均粒子径は１００μｍ以上であるセラミックス鋳型１の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨材セラミックス粒子に樹脂バインダを加えて型を造形しこれを焼結させるセラミックス鋳型の製造方法であって、造型後の前記骨材セラミックス粒子の間に含浸させ得るサイズの焼結用セラミックス粒子を含むセラミックススラリーを含浸させてから焼結させることを特徴とするセラミックス鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記骨材セラミックス粒子に対する前記焼結用セラミックス粒子の平均粒子径比が１／１００よりも小であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記骨材セラミックス粒子の平均粒子径は１００ミクロン以上であることを特徴とする請求項２記載のセラミックス鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスからなる鋳型の製造方法に関し、特に、骨材セラミックス粒子に樹脂バインダを加えて型を造形しこれを焼成して得られるセラミックス鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
砂で出来た鋳型（砂型）に溶融金属（溶湯）を流し込んで鋳造金属製品を製造する方法が知られている。このような砂型は、製品形状に対応した木型を枠内に配置するとともにこれにバインダを混練した砂を流し込んで、更に、硬化剤を与えて砂を固化させた上で木型を抜いて製造され得る。かかる製造方法において、砂型に溶湯を流し込んだときに熱によってバインダが分解されるとガスを発生させ、鋳造製品にガス欠陥を生じさせてしまうことがある。また、融点の高い金属の場合、凝固前にバインダが分解し砂型の形状を維持できず、鋳造自体を行い得ない場合もある。
【０００３】
一方、焼成した鋳型を用いる鋳造方法も知られており、一般的には、焼成温度で鋳型が化学的に安定化するため、同焼成温度近傍までは安定した鋳造が可能であり、精密鋳造法として参照される。この代表的なものとしては、シェルモールド法やロストワックス法がある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、シェルモールド法において、レジンコーテッドサンドを焼成温度に加熱した金型に吹き込んで焼成鋳型を製造する方法が開示されている。レジンコーテッドサンドに含まれる粘結剤は焼成時に脱離するため、これによる鋳造時のガス欠陥を防止することが出来る。他方、焼成温度は金型の加熱温度に依存するため、通常の鋼材からなる金型の場合、それほど高い温度に加熱温度を設定できず、粘結剤によっては十分に脱離させ得ないこともある。
【０００５】
また、特許文献２では、製品を象ったワックスからなる「ろう型」を除去しつつ鋳型を焼成させるロストワックス法による鋳型の製造方法が開示されている。ここでは、ろう型に骨材及びバインダからなるスラリーを塗布し乾燥させ、この周囲を覆って外部箱の中に設置し該外部箱の中に更にスラリーを注入し固化させてこれを熱処理している。例えば、最初のスラリーにジルコニア、第２のスラリーにデルタアルミナを用いると、約１０００℃の熱処理で焼成できるとしている。
【０００６】
ところで、上記したような焼成工程を経て得られる鋳型において、スラリーの乾燥時及び／又は焼成時に割れが発生しやすく、大型の鋳造製品用の鋳型には不向きとされる。また、例えば、セラミックス粉体を焼結したようなセラミックス鋳型では、焼結体の機械的強度が不十分であると、溶融金属を流し込んだときにクラックなどを生じやすく鋳肌が不良となってしまうことや、鋳込みが行えなくなる場合がある。
【０００７】
例えば、特許文献３では、焼結が困難とされる１０μｍ以上の粒径を有するセラミックス粗大粒子でありながら、高い機械強度を有するセラミックス多孔体の製造方法が開示されている。粗大粒子間に微粒子、あるいは無機高分子前駆体を分散させてから焼成し、ネック部をより太く形成させることで機械的強度を向上させ得るのである。これを上記した焼成鋳型の製造方法に応用することで、高い機械的強度を鋳型全体に亘って付与できるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−４１９６８号公報
【特許文献２】特開２０１４−７９７６６号公報
【特許文献３】特開２００８−１５６１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３に開示の粗大粒子間に微粒子を分散させて焼成しネック部をより太く形成させたセラミックス多孔体では、マクロポーラスな構造を有しながらも高い機械的強度を得られる。一方で、このような高い機械強度を維持したまま、造型をどのように行うかなど鋳型への応用には工夫を要する。
【００１０】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、骨材セラミックス粒子に樹脂バインダを加えて型を造形しこれを焼成して得られるセラミックス鋳型の製造法において、高い機械的強度を鋳型全体に亘って付与可能なセラミックス鋳型の製造方法の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるセラミックス鋳型の製造方法は、骨材セラミックス粒子に樹脂バインダを加えて型を造形しこれを焼結させるセラミックス鋳型の製造方法であって、造型後の前記骨材セラミックス粒子の間に含浸させ得るサイズの焼結用セラミックス粒子を含むセラミックススラリーを含浸させてから焼結させることを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、骨材セラミックス粒子の焼結を確実にして高い機械的強度を鋳型全体に亘って付与できて、健全な鋳造製品を与えるセラミックス鋳型を提供できるのである。
【００１３】
上記した発明において、前記骨材セラミックス粒子に対する前記焼結用セラミックス粒子の平均粒子径比が１／１００よりも小であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、骨材セラミックス粒子の間に焼結用セラミックス粒子を確実に配置できて、焼結を確実にしてより高い機械的強度を鋳型全体に亘って付与できるのである。
【００１４】
上記した発明において、前記骨材セラミックス粒子の平均粒子径は１００ミクロン以上であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、良好な鋳肌を与えるセラミックス鋳型を提供できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるセラミックス鋳型の骨材セラミックス粒子の接合状態を示す拡大断面図である。
【図２】本発明によるセラミックス鋳型の製造方法の工程図である。
【図３】本発明によるセラミックス鋳型の焼結部を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明によるセラミックス鋳型の破断面の走査電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明によるセラミックス鋳型の破断面の走査電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明によるセラミックス鋳型の破断面の走査電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明によるセラミックス鋳型における抗折強度のグラフである。
【図８】本発明によるセラミックス鋳型の破断面の走査電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明によるセラミックス鋳型の製造方法の１つの実施例についてその詳細を説明する。
【００１７】
図１に示すように、得られる鋳型１の断面構造は、骨材セラミックス１０を焼結用セラミックス１２で結合した多孔質構造となっており、骨材セラミックス１０を単に焼結させた場合と比較して、ネック部Ａをより太くできる。結果として、高い機械強度を得ることが出来るのである。
【００１８】
このような鋳型１の典型的な製造方法について、図２に沿って説明する。なお、以下では、砂型による造形法についてのみ述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガス硬化法や３Ｄ造型法などでも同様に可能であることはいうまでもない。
【００１９】
まず、骨材セラミックス１０に粘結剤（バインダ）１４を混練する（図２、Ｓ１）。後述するように、粘結剤１４が硬化剤によって骨材セラミックス１０の粒子同士の結合力を付与する場合にあっては、硬化剤も一緒に混練する。
【００２０】
骨材セラミックス１０は、セラミックス鋳型の本体となるものである。このような骨材セラミックとしては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、ジルコン（ＺｒＯ2・ＳｉＯ2）、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）などの耐火性材料を選択し得る。
【００２１】
骨材セラミックス１０の粒径は、鋳型１としてこれから得られる製品の鋳物肌を良好に与えるものであれば良く、特に限定されるものではない。しかしながら、本発明の方法によれば、より大なる粒径のものであっても使用できて、後述する焼結用セラミックス粒子１２を確実にその間に配置する観点から、大なる粒径であることが好ましい。つまり、好適には、平均粒径で５０〜２００μｍであって、特に、１００μｍ以上である。
【００２２】
粘結剤１４は、特に限定されるものではないが、例えば、フェノール樹脂バインダであって、水溶性アルカリフェノール樹脂からなり、硬化剤としてエステルを与えることで、加水分解により生成する酸でフェノール樹脂を高分子化して骨材セラミックス１０の粒子同士の結合力を付与するものである。
【００２３】
次に、木枠内に木型等を配置しこれに混練した骨材セラミックス１０及び粘結剤１４（硬化剤を含む）を流し込んで造型し（図２、Ｓ２）、この木型等を抜き取って砂型を得る（図２、Ｓ３）。
【００２４】
次に、砂型に焼結用セラミックス１２の粒子を含むセラミックススラリーを含浸させ（図２、Ｓ４）、これを乾燥させる（図２、Ｓ５）。セラミックススラリーは、水に所定の粒径の焼結用セラミックス１２の粒子を与え、必要に応じてセラミックス粒子用の分散剤を混合してもよい。また、撹拌は、超音波撹拌や真空中で脱泡しながら行っても良い。更に、含浸は、撹拌したセラミックススラリーを真空中で行ってもよい。
【００２５】
焼結用セラミックス１２は、粉体として与えられ、骨材セラミックス１０の粒子同士の連結を与えるものであれば良く、特に限定されるものではない。また、骨材セラミックス１０の融点よりも低い融点を有するセラミックスが好ましい。例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、ジルコン（ＺｒＯ2・ＳｉＯ2）、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）などである。
【００２６】
ところで、図３に示すように、セラミックススラリーは、粘結剤１４によって形状を与えられた砂型の骨材セラミックス１０の粒子と粒子との間に浸透して焼結用セラミックス粒子１２を配置させる。故に、焼結用セラミックス粒子１２の粒径は、骨材セラミックス１０の粒径に依存し、１／１００以下であることが好ましい。また、粒径が細かすぎると分散剤を与えても凝集しやすくなってしまう。そこで、例えば、２μｍ以下、好ましくは、０.５μｍ以上である。
【００２７】
次に、焼結用セラミックス粒子１２が骨材セラミックス１０の粒子の間にネックを与える温度で焼成する（図２、Ｓ６）。かかる温度は一般的には粘結剤１４を脱離するのに十分な温度である。
【００２８】
以上のような工程で鋳型１を与える。かかる鋳型１は、骨材セラミックス１０の粒子の焼結を確実にして高い機械的強度を鋳型１全体に亘って付与できて、健全な鋳造製品を与えるのである。
【００２９】
[実施例]
次に、実施例について述べる。
【００３０】
骨材セラミックス１０には、平均粒径１１０μｍのほぼ真球形状の溶融ムライト粒子を用いた（花王クエーカー株式会社製、商品名：ルナモスＭＳ）。また、粘結剤（バインダ）１４には市販のフェノール樹脂バインダ及び硬化剤を用いた。骨材セラミックス１０に２.３重量比のバインダ１４を混練し、木型に込めて砂型とした。
【００３１】
セラミックススラリーは、焼結用セラミックス１２としての粒径０.１５ｍｍのアルミナ粉末と水を３：２の割合で混合、更に、分散剤としてセラミックス粒子用分散剤（サンノプコ株式会社製、商品名：ノプコスパース５６００）を１.５重量比だけ加えて撹拌して作製した。
【００３２】
１日放置して硬化させた砂型を十分に撹拌したセラミックススラリーを浸漬させ、砂型内部にセラミックススラリーを含浸させた。そして、これを乾燥させ、大気炉中で所定の温度で３時間焼成してセラミックス鋳型１を作製した。かかるセラミックス鋳型１には、骨材セラミックス重量に対して２０〜２５重量比の焼結用セラミックスを導入できた。
【００３３】
図４には、焼成温度として比較的低温の５００℃で３時間焼成したセラミックス鋳型１の破面の走査電子顕微鏡写真を示した。骨材セラミックス１０のネック部Ａ（図１参照）に凝集した焼結用セラミックス１２が確認できる。セラミックススラリー内の微細な焼結用セラミックス１２は、乾燥工程（図１、Ｓ５）において粘性流動によって表面張力を駆動力とし、骨材セラミックス１０のネック部Ａに凝集するからである。
【００３４】
また、図５には、ネック部Ａ（図１参照）の破断面におけるバインダが分解したあとのギャップＢを示した。含浸工程（図２、Ｓ４）において骨材セラミックス１０のネック部Ａに粘結剤１４が存在するが、図３で述べたように、粘結剤１４を覆うように微細粒である焼結用セラミックス１２が凝集する。そして、焼成工程（図２、Ｓ６）で粘結剤１４は分解され、ガスとなって焼結用セラミックス１２同士の隙間から排出される。そしてギャップＢが形成されるのである。
【００３５】
次に、曲げ試験（抗折強度試験）の結果について説明する。
【００３６】
図６には、１０×１６×５０ｍｍの木型からセラミックス鋳型１を作製し、かかる試験片を用いて曲げ試験による抗折強度の結果を示した。焼成工程（図２、Ｓ６）の焼結温度を１３００〜１６００℃の範囲で１００℃ずつ変化させ、各温度の試験片について測定を５回ずつ行って、その平均強度を図に示した。
【００３７】
また、図７には、抗折試験片の破断部の走査電子顕微鏡写真を示した。矢印は、骨材セラミックス１０の内部で破壊した部分を示す。
【００３８】
抗折強度は、焼結温度の上昇に伴って上昇した。また、焼結温度が上がると、破断は骨材セラミックス１０の間のネック部ではなく、骨材セラミックス１０内で生じており、骨材セラミックス１０の製造時に導入された内部空孔が起点となって破断していると考えられる。
【００３９】
図８には、３個の骨材セラミックス１０が隣接する部分での走査電子顕微鏡写真を示した。焼成温度は、（ａ）１３００℃、（ｂ）１４００℃、（ｃ）１５００℃、（ｄ）１６００℃である。（ａ）や（ｂ）のように、低い焼成（焼結）温度では、焼結用セラミックス１２の緻密化が進まず、ネック部には多くのクラックが確認できる（矢印参照）。一方、（ｃ）や（ｄ）のように、焼結温度が上昇するに伴い、焼結用セラミックス１２の緻密化が進行し、特に、（ｄ）では、ネック部で「鱗（うろこ）状組織」が確認できることから、骨材セラミックス１０からの拡散によりアルミナからなる焼結用セラミックス１２によるネック部までムライト化していることが示唆される。かかるネック部の強化により抗折強度が上昇するのである。  
【００４０】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１      鋳型
１０      骨材セラミックス
１２      焼結用セラミックス
１４      粘結剤（バインダ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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