インベストメント鋳造品の寸法安定性と精度

インベストメント鋳造の寸法精度を継続的に向上させ、寸法異常によって生じる無駄を減らすことは、インベストメント鋳造作業者の主な目標の 1 つです。

1.ワックス型の寸法安定性とその影響要因

図1は、ペンシルバニア大学のロバート・C・ヴォイト教授が29種類の精密鋳造を追跡・測定した結果です。ほとんどの場合、ワックス型のサイズが大きく変動すると、鋳造のサイズの変動も大きくなり、例外は少ないことがわかります。全体的な観点から見ると、ワックス型のサイズの変動は、鋳造のサイズの変動の10％から70％を占めています。

図1 精密鋳造とワックス鋳型のサイズ変動の比較

注: σ - 標準偏差

プロセスパラメータはワックス型の寸法安定性に決定的な影響を及ぼします。主な要因は次のとおりです。

1）ワックスプレス温度

ワックスプレス温度の影響は、金型によって異なります（図2を参照）。図2からわかるように、ワックスベースの金型を使用する場合、ワックスプレス温度がワックス金型の寸法安定性に与える影響は非常に敏感ですが、樹脂ベースの金型の場合、影響は小さいです。

2）射出圧力

図3からわかるように、圧力が小さい場合と圧力が増加する場合ではワックス型の収縮率が大幅に減少しますが、圧力がある程度（> 1.6MPa）増加すると、圧力はワックス型のサイズにほとんど影響を与えなくなります。

ワックスプレス温度 /℃

図2 ワックスプレス温度とワックス成形収縮率の関係

射出圧力 /MPa

図3 射出圧力とワックス金型の収縮率の関係

3）流速

金型の流速は、次の 2 つの方法で変更できますが、ワックス金型のサイズに与える影響は同じではありません。ワックスプレス設定の流速を変更することで、この方法はワックス金型の収縮率にあまり影響を与えません。ただし、複雑な薄肉部品やコアのあるワックス金型の充填と表面品質に重要な影響を及ぼします。ワックス注入口の断面積を変更することで、この方法はより大きな影響を与えます。ワックス注入口の断面積を増やすと、ワックスプレス温度が下がるだけでなく、ワックス注入口での金型材料の凝固時間が長くなり、ワックス金型の圧縮度が上がり、収縮率と表面収縮が減少するためです。

4）注入時間

ここでのいわゆる加圧射出時間には、充填、圧縮、保持の 3 つの期間が含まれます。充填時間とは、金型が圧縮物で満たされている時間を指します。

圧縮とは、最大圧力からワックス ノズルが閉じるまでの時間を指します。保持とは、ノズルが閉じてから金型が引き出されるまでの時間を指します。

射出時間はワックス型の収縮率に大きな影響を与えます（図4）。射出時間を長くすると、より多くの型材料がキャビティに押し込まれ、ワックス型がより大きく圧縮されるため、収縮率が低下します。これは、圧縮時間の延長に伴うワックス型の重量の増加によって実証できます（図5を参照）。圧縮時間は適切である必要があります。圧縮時間が長すぎると、ワックス注入口の型材料が完全に固化し、圧縮が機能しなくなります。また、図4から、射出時間が比較的短い場合（15〜25秒）はワックスプレス温度が上昇して収縮率が高くなりますが、射出時間を25〜35秒に延長すると（実際には、充填時間が一定であるという前提で圧縮時間を延長します）、ワックスプレス温度の影響が小さくなることが分かります。射出時間を35秒以上に増やすと、逆の状況が発生します。つまり、ワックスプレス温度が上昇すると、ワックス型の収縮率が小さくなります（図5を参照）。この現象は、金型温度の上昇と圧縮時間の延長がワックス型の圧縮度の増加と同じ効果をもたらすという事実によって説明できます。

5）成形温度とワックスプレス装置

ワックス型はゆっくりと冷え、成形温度が高いほど収縮率が高くなります。これは、型抜き前にワックス型がまだプレス機内にあるため収縮が制限され、型抜き後は自由収縮になるためです。したがって、金型温度が高いと最終収縮率は大きくなり、逆の場合は収縮率は小さくなります。

同様に、ワックスプレスの冷却システムはワックス型のサイズに約 0.3% の影響を与える可能性があります。

最後に、ワックスベースの成形材料を使用する場合、ワックスペーストは固体、液体、気体の3相共存システムであることを強調する価値があります。3つの相間の体積比はワックス型のサイズに大きな影響を与えます。実際の生産では、3つの間の比例関係を制御できず、これもワックスベースモールドでプレスされたワックスモールドの寸法安定性が悪い重要な原因です。

図4 ワックス金型の収縮に対する射出時間とワックス温度の総合的な影響

注入時間 / 秒

図5 加圧時間がワックス型の圧縮度に与える影響

2.鋳物の寸法安定性に対するシェル材質とシェル製造プロセスの影響

シェルが鋳物のサイズに与える影響は、主に熱膨張、熱変形（高温でのクリープ）、および鋳物の冷却収縮に対するシェルの拘束（阻害）によって生じます。

1）シェルの熱膨張

主にシェルの材質に依存します。異なる耐火物の膨張率は異なります。一般的に使用されている耐火物の中で、溶融石英の膨張率は最も小さく、次にアルミニウムケイ酸塩、シリカが最も大きくて不均一です。アルミニウムケイ酸塩シェルを室温から1000℃に加熱してテストした後、シェルは約0.25％の膨張を生み出すことができ、鋳造物のサイズの全体的な収縮の割合は大きくないため、このような耐火物を使用すると、シェルの寸法安定性が良好になり、溶融石英を使用する方が間違いなく優れています。ただし、シリカを使用すると、シェルのサイズが大きく変動します。

2）熱変形

例えば、水ガラスをバインダーとしたシェルのクリープ度は、1000℃を超える高温ではシリカゾルやエチルシリケートシェルのクリープ度よりも大幅に大きくなります。

溶融コランダム自体は耐火性が高いのですが、酸化ナトリウムなどの不純物が存在するため、殻の焙焼温度が1000℃を超えるとクリープが発生し、寸法安定性が悪くなることがあります。

3）鋳造物の収縮に対するシェルの制約 - シェルの調和性と収縮性は主にシェルの材料に依存します。
まとめると、シェルが鋳物のサイズ変動に与える影響は、耐火物が主な役割を果たしますが、バインダーの役割も無視できません。対照的に、シェル製造プロセスの影響は小さくなります。

3.鋳物の不均一な冷却による応力の寸法安定性への影響
鋳物の各部（注湯システムを含む）の冷却速度は異なり、熱応力により鋳物が変形し、寸法安定性に影響を及ぼします。これは実際の生産でよく発生します。鋳物の冷却速度を下げ、湯口の組み合わせを改善することが効果的な予防策です。