Niigata Dent. 31（2）：129−139,

2001

129

−総説−
チタン歯科鋳造の現状―鋳造機の特徴と利用技術―
渡辺孝一，大川成剛，金谷 貢，宮川 修
新潟大学大学院

医歯学総合研究科

歯科生体材料学

Present Situation of Dental Titanium Casting―Feature and Utility of Casting Unit―
Watanabe Kouichi, Okawa Seigo, Kanatani Mitsugu, Miyakawa Osamu
Dental Biomaterial Science
Graduate School of Medical and Dental Sciences
Niigata University
平成13年12月１日受付

12月１日受理キーワード：チタン鋳造，加圧鋳造機，遠心鋳造機，鋳造性，内部欠陥・腐食，特に電気化学的な研究９）

Ⅰ．はじめに・生体親和性および表面改質についての研究10）
・陶材焼付用金属としての利用11）

歯科領域にチタン鋳造が取り入れられて，およそ20年

・合金についての研究12）が経過し ，その間に，専用鋳造機のみならず，埋没材，・ろう付け，レーザー溶接についての研究13）

あるいは研磨材などチタンの歯科利用に関係する周辺技

・CAD・CAMなどの鋳造以外の加工法14）術も着実に進歩してきた。チタン歯科利用のモチベーシ

・インプラントとしての利用，ハイドロキシアパタイト

１）

ョンとなってきた点は，生体との親和性が実用的な金属のうち最良であるという特性による 。これ以外にも，
２）との接着15）
・Ni-Ti合金を代表とする超弾性，形状記憶効果の歯科

軽くて変色しないことなどの長所をもち，また資源が豊応用16）富なことにより安定な供給が期待できることも有利な点

これだけ多岐に渡る周辺技術の確立が必要であり，未だであろう。金属自体の価格は貴金属合金に比べてはるかにゴールに到達したと実感できない課題が大部分であに安価であるが，修復物として完成させるまでの費用がる。

貴金属合金に比べて高く，現在でも広く利用されている

本稿では，当講座が過去十数年に渡って研究してきたとは言い難い。利用に際して，障害となっているいろい

内容を中心に述べる。文部省（当時）科学研究費などでろな問題点については多くの報告があり，これからもさタイプの異なるチタン鋳造機が設置でき，また，筆者のらに研究が進むものと予想される。

一人が在外研究員として行った研究が，歯科チタン鋳造

チタン歯科利用に関する課題としては，日本歯科理工に関連していたという事情もある。その結果，現在国内

学会で発表されてきた報告を中心に以下のようにまとめ外で市販されている代表的４つのタイプ，全てを使う機られる。ただし，文献は必ずしも網羅されているわけで会に恵まれ，それぞれの特徴を検討できた。以上の経験はない。

もふまえて，基礎的でしかも今でも改良途上にあるチタ・鋳造機の特徴および鋳造体の欠陥についての研究３˜５）ン鋳造技術について，鋳造機の特徴，鋳造欠陥などと関・鋳型との反応についての研究連させて概観してみたい。

６）

・専用埋没材の開発７）
・研削法，研磨法についての研究８）
−1−

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空洞内に導く駆動力に注目して付けられた名前であり，Ⅱ．チタン鋳造の特殊性および各鋳造方式の特徴

細い，あるいは薄い空間に溶けた金属（溶湯）を流し込
むことの重要さを反映している。

伝統的な歯科鋳造用合金とは違い，チタンは多くの場

圧力方式は，鋳型クルシブルに落下した溶湯の上下に合非合金金属として使われており，以後の内容は実用的作用する圧力差を駆動力としており，発生機構の違いにに使われている純チタンを対象とするため，商業レベル

より２つのタイプがある。鋳造リングの上側と底面に予の純チタンを単にチタンと記載する。表１は金属としてめ圧力差を付けておき，溶湯落下により圧力差が生じるのチタンの性質を示し17），参考として銀の値も示した。

タイプは二室型加圧鋳造機，あるいは差圧鋳造機と呼ば融点の高いこと，密度の小さいこと，熱伝導率の小さいれている。他の一つは一室型加圧鋳造機，あるいは全方こと，融解熱が大きいこと，および高温で他の化合物と向加圧鋳造機と呼ばれており，溶湯が落下した後，鋳造激しく反応することなどが主な特徴である。融解熱が大機室内の圧力をバルブ操作により変化させ，溶湯の上下

きいことは凝固に際し，多くの熱を放出することを意味に圧力差が生じるように工夫されている。バルカンTはし，熱伝導率が小さいことは一旦凝固層ができればその鋳込み時にゆっくりと回転し遠心力が多少発生するが，内部を断熱材で囲むように作用する。

鋳込みの駆動力は主に圧力差と考えられる。
遠心力方式は鋳型を回転させ，溶湯に作用した遠心力

表１を駆動力としている。さらに２つに分類され，一つは予チタンの特徴め鋳型を毎分3000回転で回転させておき，溶湯は回転中
融

チタン：金属としての特徴
1670 ℃（Ag 961）

点

心に落下して鋳込むタイプで，他の一つはインゴットが溶解され鋳込みの際に回転運動がスタートするタイプあ

密
度
熱伝導率

4.50 g/cm３
21.9 W/mK（Ag 10.5）（Ag 427）

る。

融 解 熱

18.8 kJ/mol
0.39 kj/g（Ag 11）（Ag 0.1）

うべき鋳造性に着目しながら概説する。

粘性係数

2.4 cP（Ag 3.7）

以下，各鋳造機の特徴を，鋳造機の鋳込み能力ともい

Ⅱ−１

高温で激しい反応性

二室型加圧鋳造機

図１は二室型加圧鋳造機（サイクラーク）を模式的にこのような特徴を持った金属を日常の技工操作の一環表しており，鋳型クルシブルに溶湯が落下した瞬間であとして使いこなすには特別な装置と技術が要求される。

る。アルゴン（Ar）ガスにより約２気圧に保たれたイ

歯科利用の出発点ともいえる歯科鋳造機についてまず解ンゴット溶解室（上室）と，絶えず排気され減圧状態説する。

（約0.2気圧）の鋳込み室（下室）に分かれた構造をして表２に市販されているチタン鋳造機の一覧を示した。

おり，その境に鋳型がセットされる。圧力は大気圧を基

これらは圧力方式（加圧鋳造）と遠心力方式（遠心鋳造）

準として表す場合と，真空を基準とする場合があるが，に大きく分けられ，いずれもチタン溶湯に作用して鋳型

本稿では後者を採用する。本鋳造機の鋳込み駆動力発生

表２

チタン鋳造機一覧

市販されているチタン鋳造機
機種名

メーカー

特徴

Ⅰ 加圧鋳造機
キャストマチック

ヨシダ

二室型，1-3気圧

サイクラークアルバトロンモリタ
朝日レントゲン

二室型，1-3気圧，アークが回転二室型，1-3気圧，溶解ルツボと鋳型が一体

マイキャスト友和産業

二室型，７気圧ヴァルカンＴ
オートキャストHC-Ⅲ

松風
ジーシー

低速回転，バルブにより加圧2-3気圧，吸引
一室型，７気圧チタニウマー
タイキャスト3000

オハラ
トムヨシダ

鋳込み時に回転スタート
鋳込み時に回転スタート，ヘリウムガス

タイキャストスーパーＲ

セレック

鋳込み時一定回転数（3000 rpm）

Ⅱ 遠心鋳造機

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る。このように鋳型としての通気性は不確定部分が多く，最後は術者の経験や勘に頼らざるを得ない部分もある。
この不確定部分を解消し，ワックスパターン埋没位置に係わらず，安定した圧力差が得られるためには，溶湯落下の前に鋳型空洞を減圧状態にすることが考えられる。つまり，上室と下室の間に遮蔽箔を置き鋳型空洞と上室とを切り離し，溶湯落下時にこの遮蔽箔を溶かし去れば良いことになる。この考えは以前からあったが，遮蔽箔の形状に問題があり，効果が疑問であった。図２に示したように，コーン状に成形した遮蔽箔を鋳型の円錐状クルシブルに密着するように置き，溶湯落下時にこの遮蔽箔が破れ，大きな圧力差が発生するように改良した18）。図３はサイクラークCS-C１を用いて鋳造した例で，左は通常の使用，右は同じスプルー条件および埋没条件
でコーン状遮蔽箔を使用した結果で，遮蔽箔による鋳造性の改善は明瞭である。ただし，この鋳造体のように細図１

くて込み入ったパターンでは問題がないが，比較的流れ

サイクラーク模式図：溶湯落下の瞬間

やすい空洞に対しては，内部欠陥が通常条件より増加す機構，およびその過程をステップに分けて記述すると次るという問題が生じ，ワックスパターン形態により，使のようになる。

用の可否を判断すべきと思われる。

１）図１から分かるように鋳型空洞（メッシュ部分）は，溶湯が落下するまでの間は，スプルーにより上室とつながっているので，上室と同じ２気圧である。一方，下室は真空ポンプに排気されており，減圧状態である。上下室に圧力差があるため，鋳型を通って下室へ漏れてくるアルゴンガスがあり，連続的に排気して減圧を保っている。
２）インゴットが溶解され，溶湯落下によりスプルーが塞がれると（図１の状態），上室と鋳型空洞が遮断

図２

コーンタイプ遮蔽箔：左は分けて撮影，右は使用状態される。一方，鋳型空洞内のアルゴンガスは下室へ排気され続け，しかも上室からの供給が絶たれているため，その圧力が急速に低下する。
３）この結果，溶湯のスプルー側は減圧され，一方溶湯の上面にはほぼ一定の高い圧力が作用しているため圧力差が生じ，溶湯はスプルーを通って鋳型空洞内に引かれ，鋳込みが成立する。
この圧力差発生機構から予想されるように，短時間で圧力差を得るためには，鋳型の通気性が良く（大きく）なければならない。ただし，通気性が良いほど望ましい

10 mm

かというと，そうではなく，良すぎると，インゴット溶
解中の上室から下室への漏れるガス量が大きくなり，上図３ 鋳造体X線透過写真：左は通常法，右はコーンタイプ
遮蔽箔使用

下室の圧力差が小さくなり，その結果，落下した溶湯に急速に圧力差は生じるが到達圧力差は小さくなる。したがって，この鋳造機を使用する場合，適度な鋳型通気性

Ⅱ−２

一室型加圧鋳造機が要求される。これは厳密に考えると実現は困難である。

一室加圧型鋳造機（オートキャスト）の構造を模式的

なぜならば，鋳型通気性は埋没材自体の通気性とワックに図４に示した。図は溶湯が鋳型クルシブルに落下した

スパターン埋没位置によって決まるため，リング壁から状態を示しており，この瞬間鋳造室内の圧力を低圧からの距離やリング底からの距離を最適に設計する必要があ

高圧へすばやく変化させ，溶湯上面と鋳型空洞に面する

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10 mm
図５ 鋳造体X線透過写真：左は通気性の良い埋没材使用，
右は通気性の小さい埋没材使用（左の約1/30）

Ⅱ−３

遠心鋳造機：定速回転型

具体的記述の前に，遠心鋳造で関連して現れる力を概説する。良く知られているように，回転している物体には遠心力が作用し，その大きさは質量，回転速度の２乗，
図４

および回転中心からの半径の積であり，作用方向は回転

オートキャスト模式図：溶湯落下の瞬間

中心から外向きである。ただし，一般的はこれ以外にコ側に圧力差を生じさせる機構であり，ステップに分ける

リオリの力も作用する。この力は回転している物体の中と以下のようになる。

で運動している場合，例えば鋳型内で溶湯が流れている

１）インゴット溶解中，鋳造機室内はほぼ0.1気圧に減時にのみ発生する。すなわち，鋳型と共に回転している

圧され，鋳型空洞もそれと同じ減圧状態であり，溶座標系から見て，動いている場合にその速度と回転方向

解後，溶湯が鋳型クルシブルに落下する。

が関係するような力となって現れる。鋳込みが終了し，

２）落下直後，バルブが開き高圧アルゴンが供給され圧鋳型内で動きがなければ，鋳型全体として回転していて力が急上昇する。圧力上昇を急速に行う目的で，アもコリオリの力は現れない。この力は速度ベクトルと回ルゴンガスは，本体内部に備えられた高圧タンクか

転速度ベクトルのベクトル積で表され，方向と大きさがら供給される。

複雑に変化する。従来の遠心鋳造では，溶湯速度，回転３）室内つまりチタン溶湯上面が高圧となり，一方鋳型

速度とも比較的小さいため，コリオリの力は流れにわず

空洞内は減圧（0.1気圧）が保たれているため溶湯

かな影響しか及ぼさず重要視されていなかった。しかし

上下面に圧力差が発生する。

チタン鋳造では溶湯の流速が大きく，回転数も大きいた

大きく左右される。なぜならば，アルゴンガスは室内をめ，無視できない影響を与える。
これらの合力 は次式で示され，ベクトルの場合は満たすだけでなく，鋳型の壁を通って空洞内へも浸入し，上に矢印を付けた21）。

この場合も，溶湯に作用する圧力差は鋳型の通気性にその侵入が早いと溶湯が充満する前に鋳型空洞内の圧力も急上昇するからである。そのガス侵入早さは通気性に

ただし，mは質量， は回転速度ベクトル， は位置ベ依存する。一室型加圧鋳造機では，鋳型通気性が小さけ

クトル， は回転座標系での速度ベクトルである。右辺

れば小さいほど大きな圧力差が発生し，鋳造性が増加す

第１項は遠心力，第２項はコリオリの力を表す。第３項

る。図５はオートキャストHC-Ⅲを用いて通気性の異なは加速回転の時の慣性力に関係する。注意しなければな

る２種類の埋没材を用いた鋳造結果

で，同じワックス

らないことは，（１）の力はいずれも重力や電磁気力とパターンで，同じ鋳型寸法で，しかも同じ位置に埋没し同じ体積力のカテゴリーに属し，圧力のような面積力とているため，埋没材の通気性の違いがすなわち鋳型通気は本質的に異なる点である。圧力の場合，何らかの媒体性の違いと見なせる。この図の左は鋳造機メーカー推奨（気体や液体）を通してのみ作用するが，遠心力は媒体の埋没材で，右は通気性を考慮して選んだ埋没材で，左を必要とせず「場の力」として溶湯そのものに作用する。

の約1/30の通気性しかなく，１秒程度の鋳込み期間ではそのため溶湯がクルシブルにあるときも，スプルーや鋳ほとんどガスを通過させない。この現象は鋳型空洞内の型空洞内を流れるときも（１）式に従って作用し流れにガス圧を直接測定した実験結果からも確認されている 。

影響し，また溶湯内に巻き込まれた気泡に対しても作用

19）

20）

し，液体内の気泡の移動に大きく影響する。
図６は遠心鋳造機（タイキャストスーパーR）を模式
−4−

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ほか

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的に示した。この鋳造機はインゴット溶解中に鋳型は高やすい例であるが，鋳造体の左右が非対称で，右側に優速回転しており，溶湯は回転中心のグラファイト受け口

先的に流れた様子が推定される。この理由は下向きに溶に注がれる。落下した溶湯には最初小さな，その後中心湯が流れると，右方向に向かうコリオリの力が発生するから遠ざかるほど大きな遠心力が作用し，この受け口かからである。AとBの違いはコリオリ力によりスプルー

ら専用鋳型クルシブルへ流れ，鋳型空洞に達する。回転に向かう溶湯の流れ方向が，回転の半径方向から図７の数が一定で，その結果鋳型クルシブルの位置では遠心力

B方向に偏るため，結果的にこれだけの差が生じている。

が一定なため，常に一定の鋳造性が得られるようである

CとDの違いは溶湯落下の受ける側の形状に関連していが，現実には思わぬ因子が鋳造性に影響する。

る。図９は鋳込み後の残りの金属部分でA，B，Cおよ

図７はこの鋳造機専用のクルシブル用ゴム型である。

びDの記号は図７の記号と対応させた位置に付けてあ矩形の穴の部分にワックスを盛りスプルーを植立するのる。バケツのように見える左側部分が溶湯受けグラファ

であるが，A，B，C，Dと記号を付けた植立部位によっ

イト内で凝固したチタンで，右側が鋳型クルシブルとスて鋳造性が異なる。図８にそれぞれの部位に同じ形状のプルーの一部である。溶湯受けグラファイトが少し逆テ

メッシュパターンを植立し，AとBおよびCとDは同時にーパーで底の方が広く，溶湯が遠心力により最底部に集鋳込んだ場合の鋳造性の比較である。代表としてDに矢まる構造になっている。従って，底部に近いほど優先的印で示したように，回転方向は時計回りで，その結果図に溶湯が供給され，CよりもDの位置がスプルー植立部の下方向に遠心力が作用している。いずれの鋳造体を見ても分かるように，遠心力の作用する側に優先的に溶湯が充満しており，図３や図５と比べると遠心力は体積力であるという特徴が明瞭に現れている。またBが分かり

10 mm
図６ タイキャストスーパーR模式図：溶湯落下の前に一定速度で回転

図８ 鋳造体X線透過写真：A, B, C, Dは図７の対応する部位にスプルー植立，矢印は回転方向，AとBはコリオリの力による違い，CとDは専用グラファイト湯口形状の影響

図７

図９

専用クルシブルゴム型−5−

タイキャストスーパーR残り湯凝固部分

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位として望ましい。この因子は理解しづらいが，コーン生じた力は両者とも下向きに働くため，スプルー取り付状の通常の円錐台を例に取るとDは頂点，Cはコーン斜け位置の影響が増幅されて現れたと解釈される。つまり，面途中にスプルーを植立したことに相当する。図９に少回転運動で同じ駆動力が溶湯に作用しても，鋳型空洞内しスプルーの残りが見えるように，日常的には図７のでの流れ抵抗の大小によってこれだけの差が生じる。

ABCDの中心にスプルーを植立すると思われ，図８に示したそれぞれの中間的な鋳造性の状態で使用されているものと推定される。鋳造性を考えた場合，その部位は最適な条件とはいえないことは明らかである。
Ⅱ−４

遠心力鋳造機：鋳込み時回転型

図10にこのタイプの鋳造機（チタニウマーVF）の中心部分を写真で示した。回転方向は写真に付けた矢印のように反時計方向である。このタイプの遠心鋳造機はイ
ンゴット溶解後にバネの力で，回転させる方式で，従来歯科で用いられてきた遠心鋳造機と似ている。ただし，短時間で高速にする必要があるため，強いバネをモーターの力で巻き，鋳込みの瞬間ストッパーを外して急加速回転させている。

電極
バランス

鋳型
溶解
ルツボ
10 mm

図10

図11 単純化した金属床鋳造体：流れ模様観察のためパラジ
ウムで標識

チタニウマーVF中心部写真

この方式もⅡ-３で述べたと同様，遠心力とコリオリの力が作用する。しかも，溶湯を鋳込む瞬間に回転運動を始めるため，さらにもう一つの力，加速運動体で生じⅢ．鋳造に際しての問題点，主に内部欠陥る力が加わる。これは（１）式の第３項（ベクトルωの上の点は時間微分を意味する）で表される力で，乗り物

歯科鋳造の本を開くと，たいてい初めの部分に，望まが動き出す時に，動く方向と反対方向に感じる力である。

しい鋳造体とはとして，外部に欠陥が無いこと，内部にチタン鋳造機は短時間で高速回転させたいため，初期の欠陥が無いこと，適合性の良いこと，と述べられている。

回転加速度が大きく，影響が無視できない。

もちろんチタン鋳造体も例外ではなく，これがそのまま

図11は金属床を単純化したワックスパターンを用い当てはまる。

て，スプルーの取り付け位置だけを変えた場合の結果で外部の欠陥とは，ワックスパターンを再現していないある 。回転方向は右端に矢印で示したように反時計回こと，突起が存在すること，ひびが存在することなどのりであり，湯の流れが白い線となって見えるよう工夫し他に，表面の反応層も加えることができる。この最後のて表している。溶湯は太い矢印で示したように左から流欠陥は，これまでの歯科用合金では着色，および表面の入し，右へ進むと同時に下側に力を受け，その結果，右粗造などとして扱われてきており，無視されているわけ

下へ流れている。この場合，コリオリの力と加速回転でではないが，重要視されていなかった。しかしチタンの

22）

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ほか

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場合高温で他の物質と激しく反応するため，単に表面変重力方向と反対に移動することができ，排出されたこと

色や粗造に止まらず，比較的内部まで反応層の影響が及である。合金の密度が大きいことも気泡の排出に役立っ

び，強さなどに関係してくる。この欠陥については埋没ている。
これに対し，チタン鋳造では研究段階の初期から，球材との関係が重要であり ，市販されている各埋没材と23）状の欠陥に悩まされてきた。チタンは密度が小さく，透対応して解説したいが，紙面の都合上割愛する。
また，鋳込み不足，あるいは鋳造性については，鋳造

過X線写真による欠陥検査が比較的容易であるため，鋳機の特徴と共に述べた部分が多く，この章では，主に内造体はまずX線検査を受けることが多い。その際，従来部欠陥について解説したい。

の鋳造体では予想できなかったような形状の内部欠陥が多数確認され，鋳造機の進歩は，鋳造性の改良と共にこ

Ⅲ−１

内部欠陥の分類の丸い内部欠陥の減少にも多大の努力が払われてきた。

これまでの歯科鋳造用合金では，内部欠陥は鋳巣，あ図12は約４mmという厚い鋳造体を約半分の厚さになるいは単に巣とも呼ばれている凝固収縮による内部の空るまで研磨し，現れた典型的な３種の内部欠陥である24）。

洞が重要視されてきた。これは，従来の鋳造では多くの左上（A）に全体像を示しており，鋳造体上部２カ所に場合，溶湯が完全に鋳型空洞に満たされた後に凝固が開スプルー線を付け，サイクラークを用い，標準的使用法

始したためである。湯だまりを付けたり凝固の方向をコで鋳込んでいる。B，C，Dと記号を付けた内部欠陥はX

ントロールする，という工夫は凝固収縮による欠陥を避線マイクロアナライザーで矢印の方向から観察しておけるためである。従来の鋳造でも，ガス巻き込みによるり，2次電子像を同記号の写真に示した。写真Bはほと欠陥も生じたであろうが，次のような理由で影響が少な

んど水平に観察したもので，下方が底面（現れていない）

かったと推定される。一つは流れ速度が小さいため巻きで，欠陥の内壁をほぼ垂直に見ていることになる。この込みの頻度も小さかったこと，もう一つは，凝固まで多写真より側面に積み重なった跡が見られ，これは溶湯が少時間の余裕があるため，巻き込まれたガスは溶湯内をほぼ同じ部位を何回も流れ，凝固層が重なった跡と推定

図12

典型的欠陥形態：サイクラークによる4 mm厚さ鋳造体断面

−7−

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される。一方写真Cは球状の欠陥でその内面が滑らかで心力が作用したりするため，スプルー直上の湯の深さが光沢のあることが特徴である。さらに，鋳造体厚さ方向十分でなく，図13左側のように比較的弱い渦でもガス巻につながった結晶粒界が認められ，この方向で同時に凝き込みの危険性がある。吸い込み渦は加圧鋳造あるいは固したことを示しBとは異なっている。欠陥Cの位置は遠心鋳造いずれでも発生し，ガス巻き込みの危険性が存

溶湯の流入する位置であるため，流入初期には気泡が存在する。ただし，遠心鋳造の場合は大きな遠心力により在しないはずで，鋳込中にこの位置まで移動した気泡の巻き込まれたガスがスプルーなどにより脱出することが周囲が凝固した結果と推定される。写真Dは他の２つのできる。加圧鋳造の場合はいったん溶湯内に巻き込まれ

欠陥より拡大率が大きく，写真Aからも分かるように欠た気泡はほとんど脱出できず欠陥となるため，以下，加陥そのものは小さく形状は複雑である。しかも欠陥内部

圧鋳造を想定して検討する。

の表面に細かい樹枝状突起が観察され，歯科チタン鋳造
体では稀な凝固収縮による欠陥，つまり鋳巣と推定される。チタン鋳造では溶湯と鋳壁との温度差が大きいため
流れながら凝固する割合が多く凝固収縮はその都度保証され，しかも鋳造体は薄い部分や細い部分が多いため，ほとんど凝固収縮による欠陥は現れない。
Bのような大きくしかも流れパターンに直接影響される欠陥は鋳造性を良くすれば消滅すると考えられる。なぜならば，鋳造体内部であっても渦の中心のように，溶湯が最後に到達する部位の欠陥は一種の鋳込み不足と見なせるからである。事実発生頻度は少ない。

図13

鋳型クルシブルで発生する吸い込み渦模式図

これに対し，Cのような球状の欠陥は大きさは様々であるが，たいていのチタン鋳造体に見られる。内部欠陥

この原因による欠陥を減少するためには，渦の発達をを少なくするためには，この種の欠陥発生を抑制する必抑えることと，鋳型クルシブルの液面を高くすることで要がある。この原因は，ガスの巻き込みであるが，それある。渦の発達を抑えるためには，細いスプルーを用いがいつの時点でどこで起こるか，そして，防ぐための工たり，扁平，つまり断面が円形でない鋳型クルシブルや夫はないかと言うことが実際の鋳造方案の中心である。

スプルーを使用すれば避けられる。ただし，これらは鋳鋳型の小片を巻き込んだ場合も溶湯との反応によりガ造性が低下する方向に影響するため極端にはできない。

スが発生し球状の欠陥ができるが ，どちらかと言えば，２番目の工夫は非常に単純であり，大きめのインゴット

埋没材の側に原因があり，流れ途中のガスの巻き込みとを使用することである。このようにすれば図13右のようは別の観点からの注意が必要であるため，詳しくは取りに，渦が多少発達してもガスを巻き込むまでには至らず，上げない。

結果として，球状の内部欠陥は避けられる。

25）

図14は辺縁の全周をショルダータイプとする単純化しⅢ−２

球状内部欠陥の発生原因

た全部鋳造冠の形態にワックスパターンを作り，その隅

球状内部欠陥の原因としては，上で検討したようにガ角部に咬合面に対して45°の方向に長さ５mmのスプルー

スの巻き込みが中心である。このガスの巻き込みの原因

26）を付け，オートキャスト（左と中）およびチタニウマーを検討することは，内部欠陥を減少するために非常に重（右）で作製した咬合面部のX線透過写真である。スプ

要であり，２つの点に分けて述べる。
第一はスプルーを通って，溶湯と共にガスが巻き込まれ，鋳造体内部で比較的大きな球状欠陥となる場合で，図13で模式的に示したように，スプルー部での吸い込み
渦発生の結果である26）。断面積の大きい容器から，断面積の小さい管などに流体が流れ込むとき，程度に差はあるが必ずこの種の渦が発生する。おそらくこれに起因す
る内部欠陥はチタン鋳造独特のものと思われる。なぜならば，漏斗状の鋳型クルーシブルに発生する吸い込み渦
は，圧力差が大きく，急激に溶湯がスプルーに流入する

図14 単純化クラウンの咬合面部のX線透過写真：左と中はオートキャスト使用，左はスプルー直径2.0ｍｍ，中際に成長しやすいからである。しかも，落下した溶湯が鋳型クルーシブル内で静止する前に圧力がかかったり遠−8−はスプルー直径3.2で溶解時間基準の半分，右はチタ
ニウマーVFを使用

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ほか

137

ルー直径は，左は直径２mm，中は直径3.2mmで，しかワックスパターン植立状態，右はサイクラークによる鋳も後者では作為的に図13の左側の条件となるよう30gイ

造体のX線透過写真であり，植立パターンのAとBに対

ンゴットの溶解時間を基準の半分としている。この場合応している。この際，図２で示したコーン型遮蔽箔を適においても，クラウン必要金属量の約5倍が鋳型クルシ用している28）。1.4ｍｍと比較的厚い板状ワックスに直径

ブルに落下しているのであるが，液面が低いため，吸い2.5mmのスプルーを，Aは辺中央に平行に，Bは板面と込み渦で大きな内部欠陥が発生したと推定された。右側

垂直になるように右上コーナーに付け，しかも，後者でX線透過写真から分かるように，遠心鋳造の場合は，小は湯の進行方向は重力に逆らって進むよう埋没していさな内部欠陥は比較的多く認められるが，大きな欠陥はる。この結果は，内部欠陥発生状況から明らかであり，現れない。

B型の流れで鋳込むことの重要性が再認識される。現実

第二の内部欠陥発生原因は，スプルーおよび鋳型空洞のチタン鋳造では全体にこのような理想的なスプルー配を流れる途中で巻き込まれたガスであり，ある意味では置は難しいため，小さな欠陥でも許容できない部位を中チタン鋳造の宿命とも考えられる。この原因を理解する

心に，B型の流れとなるよう鋳造方案を立てるべきであためには，管や板状空間を流れる流れの性質

ろう。

27）

を知る必

要がある。管や板状空間を流れる際，進行方向と直角，
つまり周囲の壁と接しながら流れる場合は管内流と呼ばれている。図15の左に示したように，鋳造学ではB型の流れとして知られており24），スプルー内ではこの流れである。板状の空間では，板に垂直にスプルーを付けると比較的この流れに近くなる。この流れの場合空洞内のガスを押し出しながら進むため，流れ途中でガスを巻き込む危険性は小さく，望ましい流れである。もう一つは，開水路の流れとして知られており，流れ側面の一部が常に自由表面としてガスに接しながら流れる場合である。
この流れは図14の右に示したようにF型の流れとして知られている。この流れは小さな流れ断面積の管から，広い断面積の空間に流入した際に生じる流れである。この
図16

流れの場合は壁に衝突した時や流れが分かれる場所など

スプルー植立写真と鋳造体透過X線写真

でガスの巻き込みを避けることが難しい。その気泡が鋳造体に欠陥となって残ったものが，大小さまざまな球状

Ⅳ．現状での対処の内部欠陥である。

これまで，検討してきたように，加圧鋳造と遠心鋳造
では鋳造性を良くするための注意点が異なり，しかも内部欠陥軽減に対する考え方もまた異なる。現状での対処をそれぞれの鋳造機で分けて検討する。
加圧鋳造の場合，埋没材の選択がまず重要であり，通気性を常に念頭に置いて選択しなければならない。また，圧力による鋳込み駆動力が重力の作用より大きいため，
重力は溶湯の流れにあまり影響を与えない。このことを活用すると，スプルーをワックスパターンに付ける位置
図15

は遠心鋳造よりも選択の幅は広く，工夫することで湯の鋳型内の流れの代表パターン

流れ方をある程度制御することができる。このようにしこの原因でのガスの巻き込みを減少するためには，まず，なるべく管内流，つまりB型の流れとなるようスプて，鋳造性，およびガスの巻き込みを少なくすることで，質の高い鋳造体が得られる。

ルーを付ける位置，および流れの方向を工夫することで遠心鋳造の場合は，溶湯が遠心力やコリオリの力などある。具体的には急激な断面増加とならないよう工夫すで進む方向が決まるため，鋳造リングに埋没する時のス

ることと，流れ速度を多少犠牲にしても，周囲の鋳壁とプルーの位置，および遠心鋳造機に取り付けた時の遠心接するように流れるようにすることである。図16は左に力などの合力の作用方向を十分考慮して，決めなければ

−9−

138

新潟歯学会誌

31（2）
：2001

ならない。遠心鋳造の良いところは，スプルーを適切に

本年６月にIADRに引き続いて開かれた第１回国際歯取り付け，ワックスパターンの埋没位置も適切ならば，科チタン技工シンポジウムで，チタン鋳造セッションがたとえ内部にガスが巻き込まれても遠心力で不必要な部あり，そこで，日常的にチタン鋳造に取り組んでいる技

位に排出できる点である。

工士からの報告があった。決して容易とはいえないチタ

これまでの説明においては，欠陥の著しい例が多かったが，実際にはいろいろ工夫をしながらチタン鋳造を行

ン鋳造技術をマスターして，臨床的な基準を満足する鋳造体が作製されている。

っている。図17はそれぞれ工夫して鋳造した例で，上は2001年秋期日本歯科理工学会学術講演会で，理工21世

オートキャスト，下はチタニウマーによる鋳造体である。

紀研究チームにより報告された宿題報告「チタンおよび有床義歯メタルフレーム作製は最も困難な鋳造とされてチタン合金の応用と発展」においても，１番目のテーマ

いるが，非常に微細な球状欠陥は散見されるが臨床上はとして，チタン鋳造と加工方法が挙げられ，その中で問題ない程度に作られている。

「適合性改良のために安定した膨張性鋳型材の開発，鋳巣の発生のコントロール」などが重要課題として挙げられている。適合に関しては未知の部分が多い29）。
チタン鋳造技術は今後も絶え間なく改良されていくで
あろう。

文

献

１）井田一夫，竹内正敏，都賀谷紀宏，堤 定美：チタン合金の歯科鋳造に関する研究

第１報

純チ

タンの鋳造，歯材器誌，37（1），45−52，1980
２）三浦維四，井田一夫：チタンの歯科利用，第一版，
クインテッセンス，1988
３）Kouichi Watanabe, Seigo Okawa, Osamu
Miyakawa, Syuji Nakano, Nobuhiro Shiokawa,
Masayoshi Kobayashi: Molten Titanium Flow ina Mesh Cavity by the Flow Visualization
Technique, Dental Materials J, 10（2）, 128−137,
1991４）渡辺孝一，大川成剛，宮川 修，中野周二，本間ヒロ，塩川延洋，小林正義：チタン湯流れに関す

10 mm

る遠心鋳造と圧力鋳造の比較検討，歯材器，12

図17 臨床的形態のX線透過写真：上はオートキャスト，下はチタニウマ ーVFを使用（4），496−505，1993
５）尾崎康子，草刈 玄，宮川 修：チタン鋳造冠の内部欠陥に関する研究，補綴誌，40（4），738−748，

おわりに

1996
６）Osamu Miyakawa, Kouichi Watanabe, Seigo

チタン鋳造機は技工器具として，決して安くはなく，Okawa, Syuji Nakano, Masayoshi Kobayashi,

一般の技工所でいろいろ種類をそろえることは難しい。

Nobuhiro Shiokawa: Layered Structure of Cast

そのため，市販されている鋳造機の中でどれがよいか，

Titanium Surface, Dental Materials J,８（2）,または加圧鋳造機と遠心鋳造とではどちらがチタン鋳造

175−185, 1989に適しているか，これまでたびたび提起された質問であ

７）大川成剛：チタン鋳造用スピネル埋没材に関する研究る。
その解答としては，本稿で一貫して述べたように，加圧鋳造，遠心鋳造それぞれ長所短所があり，一つを取り第１報

MgO-Al２O３-ZrO２系の組成およびチタンとの反応について，歯材器，13（3），253−
259，1994

出すことは難しいという点である。そのような選択より

８）宮川 修，渡辺孝一，大川成剛，中野周二，塩川も，各鋳造機が潜在的に持っている能力を理解し，十分延洋，小林正義，田村久司：チタンの研削に関すその性能を発揮させることが重要と思われる。

る研究（第１報）炭化珪素系の市販および試作ホ
−10−

渡辺

孝一

139

20）大川成剛，渡辺孝一，金谷 貢，中野周二，宮川ィール，歯材器，9（1），30−41，1990
９）三村博史，宮川行男：チタン鋳造体の電気化学的腐食挙動，第１報

ほか

表面研磨の程度および溶液の

修：鋳造時の鋳型空洞の圧力挙動−一室加圧型鋳造機の場合−，歯材器，19（1），108−114，
2000

種類の影響，歯材器，15（4），283−295，1996
10）Takao Hanawa, Mamoru Ohta: Calcium
phosphate naturally formed on titanium inelectrolyte solution, Biomaterials, 12, 767−774,21）渡辺孝一：遠心鋳造において現れる見かけの力，
日本金属学会誌，61（7），662，199722）Kouichi Watanabe, Seigo Okawa, Osamu
Miyakawa, Syuji Nakano, Nobuhiro Shiokawa,

199111）渡辺孝一，大川成剛，宮川 修，中野周二，本間Masayoshi Kobayashi: The Flow Observation in

ヒロ，塩川延洋，小林正義：チタンと陶材の焼成

Titanium Denture Base Casting, proceedings,

時界面反応，歯材器，12（5），620−629，1993

2nd , International Symposium on Titanium in12）渡辺孝一，大川成剛，金谷 貢，中野周二，宮川修，小林正義：純チタンとTi-6Al-4V合金の湯流

Dentistry, 109, 1992
23）大川成剛，渡辺孝一，宮川 修，中野周二，本間ヒロ，塩川延洋，小林正義：チタン鋳造においてれの相違点，歯材器，15（2），137−145，1996
13）坂野智三：16カラット金ろうによるチタンの歯科

新しくわかったこと−特に市販埋没材とチタン

鋳造体表面の反応層について，歯科技工，21（7），ろう付け，補綴誌，40（1），185−194，1996
14）白井将樹，新谷明喜，横塚繁雄：CAD/CAMによるチタンクラウン内面の加工精度，補綴誌，43673−686，1993
24）渡辺孝一，大川成剛，宮川 修，中野周二，塩川延洋，小林正義：歯科精密鋳造における「標識元（1），160−170，1999
15）Ioana Baltag, Kouichi Watanabe, Haruka
Kusakari, Naoyuki Taguti, Osamu Miyakawa,
Masayoshi Kobayashi, Naoko Ito: Long-term

素溶解法」を用いたチタン湯流れの研究

第２報

板状鋳型における湯流れと欠陥との関係，歯材器，10（1），77−96，1991

Changes of Hydroxyapatite−Coated Dental25）Osamu Miyakawa, Kouichi Watanabe, Seigo

Implants, J Biomed Mater Res.（ Appl

Okawa, Syuji Nakano, Hiro Honma, Masayoshi

Biomater）, 53, 76−85, 2000

Kobayashi, Nobuhiro Shiokawa: Skin Holes of16）米山隆之：超弾性Ni-Ti合金の新しい歯科応用，
17）大木道則，大沢利昭，田中元治，千原秀昭

Titanium Casting, Dental Materials J, 12（2）,171−181, 1993

生体材料，15（1），18−23，1997
編：26）渡辺孝一，大川成剛，金谷 貢，中野周二，宮川

化学事典，東京化学同人，第１版，847，1994

修，小林正義：加圧鋳造による規格クラウン空洞18）Kouichi Watanabe, Seigo Okawa, Mitsugu

内のチタン湯流れと内部欠陥，第10回歯科チタン

Kanatani, Syuji Nakano, Osamu Miyakawa,
Masayoshi Kobayashi: New Partition Techniquefor Two-chamber Pressure Casting Unit for
Titanium, Dental Materials J, 19（3）, 307−316,

裕：流れ学，朝倉書店，

初版，46−75，1989
28）渡辺孝一，大川成剛，金谷 貢，中野周二，宮川修，小林正義：圧力遮蔽箔を用いたチタン用二室

200019）渡辺孝一，大川成剛，金谷 貢，中野周二，宮川修，小林正義：一室加圧型チタン鋳造機に関する研究

研究会講演予稿集，110−111，1997
27）森川敬信，鮎川恭三，辻第２報

鋳型通気性が鋳造欠陥に及ぼす影型加圧鋳造機の特性，−スプルー設計と内部欠陥との関係−歯材器，20（特別号），107，2001
29）星野浩之，草刈 玄，宮川 修：チタン鋳造冠の適合に関する研究，補綴誌，40（4），796−805，

響，歯材器，14（6），669−677，1995

1996−11−