JPH0673713B2 - 鋳造中子を製造するための熱可塑性コンパウンド及びかかる中子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鋳造中子の製造に使用される熱可塑性コンパ
ウンド及びかかるコンパウンドを使用した鋳造中子の製
造方法に係る。

所謂「セラミックス」タイプの鋳造中子の使用は、耐高
温性、非反応性、寸法安定性、優れた機械的特性等の品
質特性及び厳密な品質基準を総合的に獲得することが必
要ないくつかの用途で特に知られている。このような用
途として特に航空機産業があり、例えばターボジェット
エンジン用のタービン羽根の鋳造でこのような中子が使
用されている。鋳造方法の改良は等軸鋳造から指向性ま
たは単結晶性凝固による鋳造に進展しており、この改良
に伴って中子に対する要求はより厳しくなっている。例
えば内部冷却型中空羽根の場合のように、製造すべき部
品に高性能が要求されるほど中子の必要性及び複雑さが
増すことになる。

かかる中子の製造に使用される公知の組成物の例はフラ
ンス特許出願公開第2,371,257号に開示されており、該
組成物は主として、溶融シリカと粉末ジルコンと結晶シ
リカの１つの形態であるクリストバライトとを含み、シ
リコーン樹脂が粘結剤として使用され、潤滑剤及び触媒
のごとき少量の追加元素が添加されている。フランス特
許出願公開第2,569,586号においては、使用される樹脂
のいくつかの特性を製造方法において利用することによ
って触媒の添加を削除している。

公知の従来の解決方法は、指向性または単結晶性凝固に
よって鋳造を行なういくつかの特殊用途、例えばタービ
ン羽根の鋳造においては必ずしも十分な効果を与えるこ
とができなかった。中子の製造方法においては、得られ
る中子の表面状態の改良及び粗度の低減を達成すると同
時に、容易に使用できる、ある種の物質に起因する臭気
の発生を阻止する、焼成以前の中子の校正処理ができ
る、焼成サイクルを短縮し簡単にする等の改良が得られ
ることが必要である。従来の解決方法ではまた、いくつ
かの用途に対する中子の脆性の問題が未解決であり、寸
法安定性が不十分である。本発明の熱可塑性コンパウン
ドを使用することによってこれらの問題が解決され改良
された結果が得られる。本発明の熱可塑性コンパウンド
は前述の組成物と同様の成分から成り、その特徴は、無
機充填材100重量部当たり、分子量1400〜1600のポリエ
チレングリコールを少なくとも含んで構成される有機粘
結剤15〜20重量部を含有することである。また、セチル
アルコールのごとき可塑化物質を添加するのが有利であ
る。上記の分子量範囲からはずれたものでは、後記する
ような本発明の作用・効果（焼成時の均一な有機粘結剤
除去、それによる、製造中子の良好な寸法安定性等）が
発揮されない。

本発明の熱可塑性コンパウンドから得られる鋳造中子の
有利な製造方法の特徴は、本方法が焼成サイクルを一回
だけ含むこと、及び、前記焼成サイクルにおいて粘結剤
の除去と中子材料の焼結による緻密化とアモルファスシ
リカからクリストバライトへの変態による組織の安定化
とを同時に確保するために焼成サイクルが４段階、即
ち、 （ａ）30℃〜50℃／時の加熱速度で500℃まで加熱し、 （ｂ）100℃〜200℃／時の加熱速度で500℃から最高温
度まで加熱し、 （ｃ）前記最高温度で４〜５時間安定に維持し、 （ｄ）送風によって急激に冷却する 段階を含み、焼成サイクルの総所要時間が24〜36時間で
あることである。上記のような条件内で焼成を実施する
と、少なくとも、中子の寸法安定性が良い等、本発明所
定の効果が得られる。

用途次第で最高温度は1200℃または1250℃である。

本発明の別の特徴及び利点は本発明の実施態様に関する
以下の記載からより十分に理解されよう。

本発明で使用される無機充填材は公知のごとく、溶融
（またはガラス質）シリカとジルコンとクリストバライ
トとの適度な粒度の混合物から成る。100重量部当たり
溶融シリカ60〜85重量％と粒度50μｍ以下のジルコン15
〜35重量％と粉末状クリストバライト１〜５重量％とを
含有する充填材を使用すると良好な結果が得られる。こ
こで示した無機充填材の組成範囲や、離型剤、ポリエチ
レングリコールの含有割合は、種々の用途、特に、薄く
て細い部分と、複雑な形態とを有するセラミック中子を
必要とするタービン冷翼の製造に対応する試験と、その
結果から決定した。無機充填材組成が、上記の範囲から
外れると、製造する中子において、安定なクリストバラ
イト相が形成されなかったり、耐高温性、機械特性等が
不十分となり実用性がなくなる。また、無機充填材以外
の成分であるポリエチレングリコール等の含有割合が、
本発明所定の範囲から外れると、コンパウンドの成型性
が劣ったり、粘結剤の均一な焼成除去に基づく、製造中
子の優れた寸法安定性等の効果が発揮されなくなったり
する。該溶融シリカ自体は、粒度63μｍ以下の品質（等
級）のシリカを充填材15〜80重量％に相当する量で含有
し粒度100μｍ以下の品質（等級）の溶融シリカを充填
材60重量％以下に相当する量で含有する。粉末状クリス
トバライトは粒度50μｍ未満の微粉状物質である。好ま
しくは、粒度20μｍ未満の微粉状クリストバライトを使
用する。

本発明の組成物中では、クリストバライト、好ましくは
極めて微細な粒度をもつクリストバライトの存在が維持
されている。実際、アモルファス（または溶融）シリカ
を含有する物質の耐クリープ性がよくないことは公知で
ある。高温で使用できる鋳造中子を得るためにはアモル
ファスシリカからクリストバライトへの変態が必要であ
る。クリストバライトは1470℃と1710℃との間における
シリカの唯一の安定相であり、またこの相は、鋳造中子
の所望特性たる耐クリープ性が最もよい。上記の本発明
組成物において、クリストバライトはまず、温度上昇中
にクリストバライトに変態する溶融シリカの失透促進剤
として作用する。得られる別の注目すべき結果及び重要
な利点は、焼成後の鋳造中子が1500℃のオーダの使用温
度で顕著な寸法変化を全く生じないことである。

かかる無機充填材は、通常は混合機において有機粘結剤
と離型剤とから成る溶融生成物に２〜３回混入される。
この有機粘結剤は本発明に従って無機充填材100重量部
当たり15〜20重量部のポリエチレングリコールを含有
し、ポリマーは平均分子量1400〜1600の形態である。離
型剤は0.2〜0.5重量部の割合で含まれており好ましくは
ステアリン酸カルシウムから成る。

前記のごとく混合した後に熱可塑性コンパウンドが得ら
れる。得られたコンパウンドを破砕または粉砕した後に
鋳造中子を製造するための公知の段階で処理する。

以下の実施例は本発明の熱可塑性コンパウンドの組成の
非限定例を示す。

実施例１ 熱可塑性コンパウンドは、 −粒度63μｍ以下の溶融シリカ77％と、 −粒度50μｍ以下のジルコン20％と、 −粒度２〜５μｍのクリストバライト３％とから成る無
機充填材100重量部当たり、 −ステアリン酸カルシウム0.5重量部から成る離型剤
と、 −分子量1550のポリエチレングリコール18重量部と、 −セチルアルコール4.5重量部とから成る有機粘結剤と
を含む。

実施例２ 熱可塑性コンパウンドは上記実施例１と同じ組成の無機
充填材100重量部当たり、上記と同じ割合のステアリン
酸カルシウム及びセチルアルコールと分子量1550のポリ
エチレングリコール20重量部とを含む。

実施例３ 分子量1550のポリエチレングリコールを17重量部使用し
粒度50μｍ以下の溶融シリカを選択する以外は実施例１
及び２と同じ成分を同じ割合で含む。

実施例４ 熱可塑性コンパウンドの成分中の溶融シリカだけが実施
例３の熱可塑性コンパウンドとは異なる。この実施例で
は２つの形態の溶融シリカを、 −粒度50μｍ以下の溶融シリカ17％、及び、 −粒度100μｍ以下の溶融シリカ60％ の割合で使用する。

上記のごとき本発明の熱可塑性コンパウンドを出発材料
とし公知の方法に従い、例えば熱可塑性コンパウンドを
プレスに射出成型することによって鋳造中子を成型す
る。この場合混合物を50℃〜100℃で室温の金型に射出
し、該金型において凝固させる。本発明はまた、鋳造中
子の改良製造方法を提供する。特に、本発明の熱可塑性
コンパウンドから得られた中子に対する焼成サイクルが
後述するごとく改良されている。実際、成型後の鋳造中
子が部品の成形に使用される前に焼成処理される必要が
あることは公知である。この焼成処理において、中子は
予備成形金型に配置されてもよくまたは中子を埋め込む
アルミナ砂床に配置されてもよい。後者の態様が好まし
い。また、砂に導入する前にPTFEタイプの物質のごとき
付着防止剤を用いて中子の表面を被覆するのが好まし
い。「砂型」に保持して行なう焼成モードでは更に、多
数の中子を炉内に装入できるので製造時間が短縮され
る。いずれの場合にも、使用される砂は粘結剤及びPTFE
の分解産物に対して優れた吸収能特性をもつ。

本発明の特徴によれば、焼成サイクルは４つの段階、即
ち （ａ）30℃〜50℃／時の加熱速度で500℃まで加熱し、 （ｂ）100℃〜200℃／時の加熱速度で500℃から最高温
度まで加熱し、 （ｃ）前記最高温度で４〜５時間安定に維持し、 （ｄ）送風によって急激に冷却する 段階を含む。

この方法によって、粘結剤の均一な除去を確保し且つ中
子の寸法の優れた再現性が得られる。

上記のごとき鋳造中子の焼成サイクルは、常にすぐれた
結果を確保しまたサイクルの総所要時間が従来公知の方
法に比較して顕著に短縮されている。特定のポリエチレ
ングリコールから成る有機粘結剤を選択したことがこの
結果を達成できた特に決定的な要因であると考えられ
る。複雑な形状の中子を使用し中子に対する品質基準が
厳しい幾つかの特殊用途の場合、例えば高性能ターボエ
ンジン用タービン羽根製造用の中子の場合は、焼成サイ
クルの段階（ｂ）における温度上昇は最高温度1200℃ま
たは1250℃の場合９時間で終了し、焼成サイクルの段階
（ｄ）における冷却は12時間で終了する。この結果、焼
成サイクルの総所要時間は36時間である。

中子に対して上記焼成サイクルを一回だけ行なえばよい
ことも処理時間の短縮に寄与し、これも方法のコストに
直接反映することに注目されたい。この一回の焼成サイ
クルによって粘結剤の除去と焼結による中子の材料の緻
密化とクリストバライトの存在に起因する組織の安定化
とが同時に確保される。

得られた中子は、特にサンプルに対して行なった一連の
テストにおいて有利な諸特性を示した。

例えば、 −温度1550℃まで使用可能、 −1100℃で５分後の破壊係数110kg/cm²及び1500℃で15
分後の破壊係数95kg/cm²、 −見掛密度1.72及び真密度2.4、 −気孔率28％、 −1000℃の熱膨張率0.13％〜0.16％ であった。

本発明の熱可塑性コンパウンドは可鍛性を有するので射
出後の中子をジグ内で整形することによって任意に補正
することが可能である。この利点及び成型後の諸処理中
の中子の非変形性はいずれも、ポリエチレングリコール
から成る有機粘結剤の効果であると考えられる。実際こ
の成分は、従来使用されてきた多くの粘結剤と対照的
に、50℃〜100℃の範囲で粘度特性の急激な破壊を伴う
ことなく漸進的に凝固する特性をもつ。寸法安定性及び
非クリープ性も本発明の熱可塑性コンパウンドを出発材
料とし本発明の製造方法によって得られた鋳造中子を重
要な利点である。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】60〜85重量％の溶融シリカと15〜35重量％
   のジルコンと１〜５重量％のクリストバライトとから成
   る無機充填材100重量部と、離型剤0.2〜0.5重量部とを
   含み、更に分子量1400〜1600のポリエチレングリコール
   を少なくとも含んで構成される有機粘結剤15〜20重量部
   を含有することを特徴とする鋳造中子の製造に使用され
   る熱可塑性コンパウンド。
2. 【請求項２】１〜５重量部のセチルアルコールから成る
   可塑化物質が混入されていることを特徴とする請求項１
   に記載の熱可塑性コンパウンド。
3. 【請求項３】ジルコンが50μｍ以下の粒度をもつことを
   特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の熱可
   塑性コンパウンド。
4. 【請求項４】クリストバライトが20μｍ以下の粒度をも
   つことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記
   載の熱可塑性コンパウンド。
5. 【請求項５】前記溶融シリカのうち、63μｍ以下の粒度
   をもつ溶融シリカは無機充填材の15〜80重量％含まれて
   いることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に
   記載の熱可塑性コンパウンド。
6. 【請求項６】前記溶融シリカのうち、100μｍ以下の粒
   度をもつ溶融シリカは無機充填材の60重量％以下含まれ
   ていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項
   に記載の熱可塑性コンパウンド。
7. 【請求項７】粒度63μｍ以下の溶融シリカ77重量％と粒
   度50μｍ以下の粉末状ジルコン20重量％とクリストバラ
   イト３重量％とから成る無機充填材100重量部当たり、
   ステアリン酸カルシウム0.5重量部と、平均分子量1550
   のポリエチレングリコール18重量部と、セチルアルコー
   ル4.5重量部とを含む請求項１から５のいずれか一項に
   記載の熱可塑性コンパウンド。
8. 【請求項８】粒度63μｍ以下の溶融シリカ77重量％と粒
   度50μｍ以下の粉末状ジルコン20重量％と粒度２〜５μ
   ｍのクリストバライト３重量％とから成る無機充填材10
   0重量部当たり、ステアリン酸カルシウム0.5重量部と、
   平均分子量1550のポリエチレングリコール20重量部と、
   セチルアルコール4.5重量部とを含む請求項１から５の
   いずれか一項に記載の熱可塑性コンパウンド。
9. 【請求項９】粒度50μｍ以下の溶融シリカ77重量％と粒
   度50μｍ以下の粉末状ジルコン20重量％とクリストバラ
   イト３重量％とから成る無機充填材100重量部当たり、
   ステアリン酸カルシウム0.5重量部と、平均分子量1550
   のポリエチレングリコール17重量部と、セチルアルコー
   ル4.5重量部とを含む請求項１から５のいずれか一項に
   記載の熱可塑性コンパウンド。
10. 【請求項１０】粒度100μｍ以下の溶融シリカ60重量％
    と粒度50μｍ以下の溶融シリカ17重量％と粒度50μｍ以
    下の粉末状ジルコン20重量％とクリストバライト３重量
    ％とから成る無機充填材100重量部当たり、ステアリン
    酸カルシウム0.5重量部と、平均分子量1550のポリエチ
    レングリコール17重量部と、セチルアルコール4.5重量
    部とを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の熱可
    塑性コンパウンド。
11. 【請求項１１】中子への成型処理を含む請求項１から10
    のいずれかに記載の熱可塑性コンパウンドを用いた鋳造
    中子の製造方法において、前記成型処理後に一回の焼成
    サイクルを行なうこと、及び、前記焼成サイクルにおい
    て粘結剤の除去と中子材料の焼結による緻密化とアモル
    ファスシリカからクリストバライトへの変態による中子
    組織の安定化とを同時に確保するために焼成サイクルが
    ４段階、即ち、 （ａ）30℃〜50℃／時の加熱速度で500℃まで加熱し、 （ｂ）100℃〜200℃／時の加熱速度で500℃から最高温
    度まで加熱し、 （ｃ）前記最高温度で４〜５時間一定に維持し、 （ｄ）送風によって急激に冷却する 段階を含み、焼成サイクルの総所要時間が24〜36時間で
    あることを特徴とする鋳造中子の製造方法。
12. 【請求項１２】焼成サイクルの段階（ｂ）で500℃から
    最高温度まで温度を上昇させる時間が９時間であり、段
    階（ｄ）の冷却時間が12時間であり、サイクルの総所要
    時間が36時間であることを特徴とする請求項11に記載の
    鋳造中子の製造方法。
13. 【請求項１３】焼成サイクルの段階（ｂ）で到達し段階
    （ｃ）で維持される最高温度が1200℃であることを特徴
    とする請求項11または12に記載の鋳造中子の製造方法。
14. 【請求項１４】焼成サイクルの段階（ｂ）で到達し段階
    （ｃ）で維持される最高温度が1250℃であることを特徴
    とする請求項11または12に記載の鋳造中子の製造方法。
15. 【請求項１５】焼成以前の成型が熱可塑性材料の射出に
    よって行なわれることを特徴とする請求項11から14のい
    ずれか一項に記載の鋳造中子の製造方法。
16. 【請求項１６】中子を焼成するために中子をアルミナ砂
    に埋め込むことを特徴とする請求項11から15のいずれか
    一項に記載の鋳造中子の製造方法。
17. 【請求項１７】温度50℃〜100℃のコンパウンドを室温
    の金型に射出することを特徴とする請求項15または16に
    記載の鋳造中子の製造方法。