インベストメント鋳造プロセス - シェル剥離の問題

数日前、友人が私に、シェルの剥離に関する資料はないか尋ねました。何かの製品に問題があるのか​​と思ったのですが、実はシェルの剥離についての情報を教えてほしいとのことでした。そして案の定、今日はそのようなシェル剥離の問題に遭遇しました。

焼成後、製品の外殻を洗浄したところ、内面の表面層が大きく剥がれていることがわかりました。どんなに洗っても、注いでも、貝殻を適切にきれいにすることはできませんでした。そこで、内部で何が問題になっているのかを確認したかったのです。殻を割って開けたところ、以下の図 1 と 2 に示すように、表層が剥がれただけでなく、いくつかの鋭利な角も損傷していることがわかりました。これは典型的な層間剥離現象であり、表面層が遷移層から分離し、剥離します。では、このシェルの剥離は何が原因で起こるのでしょうか?それを分析してみましょう。

 まず、表面層と遷移層の分離 (または最初の 2 層と裏面層の分離など) は、明らかに表面層と遷移層の間の接続が緩いことによって引き起こされます。この層間剥離の原因については、以前に砂混入欠陥について説明した際に言及しました。積層のため、シェルの局所強度が劣ります。溶融金属の衝撃と浸食により、溶融金属はある場所から膨らんだり、別の場所に漂ったりして、砂の混入やピンホールを形成します。

 インベストメント鋳造シェルは多層構造であることがわかっています。高品質のシェルでは、層が相互に絡み合って、しっかりと統合された構造を形成する必要があります。これらの層は、シェルの骨格を形成するシリカゾルと耐火性粉末、および砂粒子からなる耐火性コーティングによって相互に噛み合い、結合され、最終的には一体化したシェルを形成します。シリカゾルシェルは層間の噛み合いや結合によって形成されているため、層間の剥離は噛み合いや結合の不良によるものと考えられます。したがって、この点で原因を探る必要があります。

 一般に、シリカゾルベースのコーティングの層間剥離は次の状況に分類できます。

  最初のタイプの層間剥離は、表面層の研磨粒子が細かすぎる場合に発生し、コーティング後の表面が比較的滑らかになります。これにより、遷移層の研磨剤が強力な埋め込み構造を形成することが困難になり、結合強度が低下します。さらに、研磨剤中の過剰な塵または水分含有量 ( ≧ 0.5%) は、次のコーティング層の塗布中に遊離した研磨粒子を除去できないことと相まって、接着強度の低下や層間剥離の原因となります。

 2 番目のタイプの層間剥離は、遷移層コーティングの粘度が高すぎて表面層に浸透できず、表面と遷移層の間の結合が弱くなっている場合に発生します。

 3 番目のタイプの層間剥離は、表面層の研磨剤の適用が遅すぎて、研磨剤がコーティング層内に埋め込まれず表面に付着した場合、または研磨剤がまったく適用されていない場合でも発生します。コーティング層間の実際の結合は本質的に弱いです。さらに、層間の事前湿潤が不足すると、接着強度も損なわれます。

 4 番目のタイプの層間剥離は、シリカゾルの再溶解です。遷移層を適用するときに、表面層が完全に乾燥していない場合があります。急いで遷移層を塗布すると、表層剥離が発生する可能性もあります。

 別の状況は、表面層と移行層または裏面層の膨張率が大きく異なる場合であり、焼成中にシェルの層間剥離が発生する可能性があります。

実際には、殻の剥離は多数の影響要因を伴う複雑なプロセスであり、主な原因と二次的な原因を特定することが困難です。したがって、シェルの剥離を改善する場合は、この欠陥を効果的に軽減するために、関連するすべての詳細を考慮し、操作上のあらゆる詳細に注意を払う、包括的なアプローチを採用する必要があります。

実際、シェルの剥離を改善する理由について詳しく説明する必要はありません。上記の分析を逆にするだけで、剥離欠陥のほとんどが改善されます。