JP2000176601A

JP2000176601A - 鋳造品の製造方法

Info

Publication number: JP2000176601A
Application number: JP10359114A
Authority: JP
Inventors: Masami Takemoto; 正巳武本; Takashi Koyama; 孝小山
Original assignee: NIPPON CASTING CO Ltd; Nippon Chuzo Co Ltd
Current assignee: NIPPON CASTING CO Ltd; Nippon Chuzo Co Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】（１）鋳鋼の最小肉厚が１．５ｍｍの薄肉鋳
鋼品の製造が可能であり、（２）ロストワックス法と比
較して造型法が簡便で、大型薄肉鋳鋼品の製造が可能で
あり、（３）加熱鋳型で、鋳型から発生するガスが無
く、ガス欠陥の少ない鋳鋼品の製造を可能であり、
（４）鋳型の高温強度が１５ｋｇｆ／ｃｍ²以上である
鋳造品の製造方法を提供する。【解決手段】下記ステップからなる鋳造品の製造方
法、（１）ムライト質サンドを主成分とする鋳物砂に、
けい酸ソーダおよび添加剤を加えて混練し、所要の形状
に造型して鋳型を作製し、（２）鋳型を炭酸ガスで硬化
させ、（３）鋳型を５００〜１０００℃の範囲内の温度
に加熱し、そして、（４）加熱した状態の鋳型に溶融金
属を鋳込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温強度のある炭
酸ガス型法による加熱鋳型を用いた鋳造法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、精密鋳造法のロストワックス法が
知られている。ロストワックス法は、ワックス模型にコ
ーティングを施した後脱蝋・焼成して、見切り面のない
殻状（シェル状）の鋳型をセラミックで作り、このよう
に作った鋳型に溶湯を高温状態に保ったまま鋳込んで鋳
物を製造する方法である。ロストワックス法は、複雑形
状の小物量産鋳物を、精度良く作ることができるので、
ジェツトエンジン部品、ガスタービン部品等の製造に使
用されている。

【０００３】しかしながら、ロストワックス法によって
製造される鋳造品の大きさは最大１，０００ｍｍ（作り
やすい長さは３００ｍｍ以下）、重量は最大１２０ｋｇ
（一般的には１０ｋｇ）であり、それ以上の大物の鋳造
品を製造することができなく、更に、金型製作→ワック
スインジェクション→ツリ−組立→コ−ティング→脱蝋
→焼成→鋳込みと工程が複雑であり、製造コストが高い
という欠点がある。

【０００４】また、炭酸ガス型法（以下、「ガス型法」
ともいう）は、文献「ガス型鋳物」牧口利貞、佐藤昌介
共著に記載されているように、鋳物砂（けい砂）に５±
２％のけい酸ソ−ダ（モル比通常２〜２．３）を添加混
練し、造型後、炭酸ガス（ＣＯ₂ガス）を吹き込み（吹
き込み圧１〜１．５ａｔｍ）、生成したシリカゲルの結
合力によって鋳型を常温で硬化させる造型法である。炭
酸ガス型法の原理は、一般には、Ｎａ₂Ｏ・ｍＳｉＯ₂（ｍｎ＋Ｘ）Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＝Ｎａ₂
ＣＯ₃・ＸＨ₂Ｏ＋ｍ（ＳｉＯ₂・ｎＨ₂Ｏ）但し、ｍ:けい酸ソ−ダのモル比ｎ:けい酸ゲルの含水量Ｘ:炭酸ソ−ダの結晶水のモル数で示される。

【０００５】炭酸ガス型法は、使用歴が最も古く、１）
乾燥が不要、２）注湯までの時間の短縮、３）中子の芯
金が省略可能、４）熟練を必要としない、５）生産性の
向上等造型法が簡便なことから一般に広く使われてい
る。

【０００６】

【発明が解決しょうとする課題】しかしながら、従来
の、炭酸ガス型法では、けい砂を骨材とするガス型砂の
高温強度は０であるので加熱鋳型へ適用することは不可
能である。そのため、鋳鋼品の場合、ガス欠陥が発生し
易く、更に、鋳造可能な最小肉厚が通常６．５ｍｍ程度
であるので、薄肉鋳鋼品を鋳造することができないとい
う問題がある。図１を参照して、以下に更に詳細に説明
する。

【０００７】図１は、けい砂を骨材とするガス型砂の熱
間強度を示す図である。けい砂（粒度指数６５）にけい
酸ソ−ダ（モル比２．２５）を５％添加して２分間混練
後、φ５０×５０高さの試験片を造型し、通ガス後、１
００℃の間隔で常温〜１２００℃にそれぞれ１時間加熱
保持し、圧縮強さを測定した。その結果を、図１に示
す。

【０００８】圧縮強さは、シリコニット電気炉（３３ｋ
ｗ、幅３００×高３００×奥行６００mm）と鋳物砂の抗
圧力試験機とを隣接させ、各温度に１時間加熱し、特殊
の鋏でつかんで試験機に移し測定した。

【０００９】３５０℃で最高強度が表れている理由は、
炭酸ガスと反応しなかった未反応けい酸ソ−ダが加熱に
より脱水硬化し、強度が上昇したものと思われる。

【００１０】３５０℃以上の温度ではシリカゲルの脱水
によって強度が低下しているが、５００℃の温度近傍か
らＮａ₂ＯとＳｉＯ₂との間にガラス生成反応が開始さ
れ、さらに昇温すると、急激にガラス化が進行して、け
い砂粒界にガラス物質が進入して結合度が極端に弱くな
り、９００℃以上の温度で熱間強度はＯｋｇｆ／ｃｍ²
になっている。

【００１１】また、近年機械部品、構造部品の軽量化の
観点から薄肉の鋳鋼品の要求がある。

【００１２】本発明はこのような事情に鑑み、以下の目
的を達成するための製造方法を提供することにある。（１）鋳鋼の最小肉厚が１．５ｍｍの薄肉鋳鋼品の製造
を可能とする。（２）ロストワックス法と比較して造型法が簡便で、大
型薄肉鋳鋼品の製造を可能とする。（３）加熱鋳型で、鋳型から発生するガスが無く、ガス
欠陥の少ない鋳鋼品の製造を可能とする。（４）鋳型の高温強度が１５ｋｇｆ／ｃｍ²以上である
こと。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述した
従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その
結果、けい砂の代わりにアルミナを主成分とするムライ
ト質サンドを採用することにより、鋳物砂の熱間強度が
大幅に増大するので、加熱鋳型への適用が可能となるこ
とを知見した。即ち、ムライト質サンドを主成分とする
鋳物砂にけい酸ソーダと添加剤を加えて混練し、造型し
た後、炭酸ガスで硬化させ、その後、その鋳型を５００
〜１０００℃に加熱し、高温のまま鋳込むことによっ
て、上述した目的を達成することができることを知見し
た。

【００１４】この発明は、上記知見に基づいてなされた
ものであって、この発明の鋳造品の製造方法の第１態様
は、下記ステップからなる鋳造品の製造方法である。（１）ムライト質サンドを主成分とする鋳物砂に、けい
酸ソーダおよび添加剤を加えて混練し、所要の形状に造
型して鋳型を作製し、（２）前記鋳型を炭酸ガスで硬化させ、（３）前記鋳型を５００〜１０００℃の範囲内の温度に
加熱し、そして、（４）前記温度に加熱した状態の鋳型に溶融金属を鋳込
む。

【００１５】この発明の鋳造品の製造方法の第２態様
は、前記添加剤が可燃質添加剤であることを特徴とする
ものである。

【００１６】この発明の鋳造品の製造方法の第３態様
は、前記添加剤が抗火石粉またはけい石粉であることを
特徴とするものである。

【００１７】この発明の鋳造品の製造方法の第４態様
は、前記鋳物砂１００％に対して前記けい酸ソーダが４
〜６％、前記添加剤が１〜２％の配合割合であることを
特徴とするものである。

【００１８】この発明の鋳造品の製造方法の第５態様
は、前記加熱温度は９００〜１０００℃であることを特
徴とするものである。

【００１９】この発明の鋳造品の製造方法の第６態様
は、前記造型を消失型模型を用いて行うことを特徴とす
るものである。

【００２０】この発明の鋳造品の製造方法の第７態様
は、前記造型を模型を抜いて行うことを特徴とするもの
である。

【００２１】

【発明の実施の形態】上述したように、けい砂を主骨材
とするガス型砂を使用する炭酸ガス型法では、砂の熱間
強度が０ｋｇｆ／ｃｍ²であり、加熱鋳型への適用は不
可能であった。けい砂の代わりにアルミナを主成分とす
るムライト質サンド（アルミナ（Ａｌ ₂Ｏ₃）を６０％以
上含有し、残りがシリカ（ＳｉＯ₂）からなっている）
を採用することにより、鋳物砂の熱間強度が大幅に増大
するので、加熱鋳型へ適用することが可能となった。

【００２２】この発明の鋳造品の製造方法において、ム
ライト質サンド（アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を６０％以上含
有し、残りがシリカ（ＳｉＯ₂）からなっている）を主
成分とする鋳物砂１００重量％に対してけい酸ソーダが
４〜６重量％、前記添加剤が１〜２重量％の配合割合で
あるべきである。その理由を以下に詳細に述べる。

【００２３】炭酸ガス型法において、ムライト質サンド
を骨材とする鋳物砂の熱間強度と、そして、ムライト質
サンドに対するけい酸ソーダ２号（モル比２．２５）の
適正な配合量とを実験１によって求めた。［実験１］本実験に使用したムライト質サンドの粒度分
布図を図２に示し、そして、ムライト質サンドの性質
を、鋳物砂に使用されるけい砂と比較して、図１０にお
ける表１に示す。

【００２４】図３は、けい酸ソーダの添加量を変化した
場合のガス型砂（骨材はムライト質サンド）の熱間強度
を示す図である。ムライト質サンドに可燃質添加剤１％
を添加したものに、けい酸ソーダ２号（モル比２．２
５）を３％、４％、５％、７％とその添加量を変えて添
加し、混練後φ５０×５０の試験片を造型した。その
後、０〜１２００℃の範囲の温度にわたって、１００℃
の間隔で、試験片をそれぞれ１時間加熱して、その時の
試験片の圧縮強さを測定すると共に、１０００℃の温度
で１時間加熱後・冷却して試験片の残留強度を測定し
た。その結果を、グラフで図３に示す。

【００２５】この図３から明らかなように、けい酸ソーダ３％のときには、常温強度が不足し、砂
型表面にぼろつきがみられた。（不可）けい酸ソーダ４％のときには、圧縮強さは、最低とな
る８００℃の温度においても１５ｋｇｆ／ｃｍ²であ
り、８００℃付近からは、圧縮強さは、急に増大して、
１０００℃の温度で最大となり、また、１０００℃の温
度における残留強度は４５ｋｇｆ／ｃｍ²であり、ほぼ
均衛のとれた値となっている。けい酸ソーダ５％のときには、けい砂を骨材とする従
来のガス型砂の９００℃における圧縮強さは０ｋｇｆ／
ｃｍ²であったのに対して、ムライト質サンドを骨材と
するこの発明のガス型砂の９００℃の温度における圧縮
強さは、２５ｋｇｆ／ｃｍ²と造型時の必要強度である
１５ｋｇｆ／ｃｍ²を上回っており、更に圧縮強さは、
９００℃付近から急に増大して、１０００℃で最大とな
った。けい酸ソーダ７％のときには、１０００℃で加熱・冷
却後の試験片の残留強度が８９ｋｇ／ｃｍ²となり、鋳
込み後の砂落としが困難であった。（不可）なお、図に示していないけれども、けい酸ソーダ６％
のときには、この発明のガス型砂の９００℃の温度にお
ける圧縮強さは、３０〜３５ｋｇｆ／ｃｍ²であり、残
留強度は７０ｋｇｆ／ｃｍ²であった。従って、けい酸
ソーダ６％のときにも、本発明の効果が得られることが
わかる。

【００２６】従って、けい酸ソーダの配合割合は、鋳物
砂１００重量％に対して４〜６重量％の範囲である。け
い酸ソーダの好ましい配合割合は、鋳物砂１００重量％
に対して４〜５重量％の範囲である。なお、ＶＲＨ法
（減圧造型法）を適用するときには、けい酸ソーダの配
合割合は、ムライト質サンド１００重量％に対して１〜
３重量％であっても良い結果が得られる。

【００２７】次に、ムライト質サンドの使用によって炭
酸ガス型砂の熱間強度が大幅に増大する理由は次の通り
である。１）ムライト質サンドの耐火度が高く、けい砂に比して
膨張量が少ない。

【００２８】表１に示すように、耐火度に関しては、け
い砂のＳＫ３３に対して、ムライト質サンドはＳＫ３７
であり、ムライト質サンドの方が、約９５℃高い。また
熱膨張率に関しては、けい砂の１．３９％に対して、ム
ライト質サンドは殆どなく、特に、けい砂において現れ
る５７５℃のα石英→β石英の急膨張（約１．１％）
は、ムライト質サンドには存在しない。２）ムライト質サンドの粒子表面は、けい砂の表面に比
して凹凸が激しく、砂粒子表面へのケイ酸ソ−ダの付着
面積が広く、強固に接着している。３）ケイ酸ソ−ダの反応生成物であるＮａ₂Ｏ−ＳｉＯ₂
系ガラスは、９００℃で粘度が下がり強度が低下する
が、これにＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃が添加されると生成ガラ
スの粘度が上昇する。ムライト質サンドの場合、高粘度
のＮａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ ₃−ＳｉＯ₂系化合物のガラスが生成
して、熱間強度が大幅に上昇する。

【００２９】可燃質添加剤の添加量は、２％を越えると
熱間強度が低下して鋳型の表面安定性が低下する。一
方、可燃質添加剤の添加量が１％未満では残留強度の改
善に寄与しない。従って、可燃質添加剤の添加量は、１
〜２重量％の範囲に限定する。可燃質添加剤としては、
カーボンパウダー、コークス粉、木屑等の可燃性のもの
であればよい。

【００３０】この発明の鋳造品の製造方法において、鋳
型を５００〜１０００℃の範囲内の温度に加熱する。そ
の理由を以下に説明する。

【００３１】鋳型の加熱は、溶湯の温度低下を防ぎ、湯
流れ性を改善し、また鋳物砂の中の揮発性物質を除去し
て鋳型からの発生ガスの影響をなくすために行う。

【００３２】鋳型の加熱温度が５００℃未満では、砂型
中の揮発性物質の除去が不十分であり、薄肉鋳鋼品の鋳
込みの場合に溶鋼先端の温度が低下し、湯廻り不良が発
生する。

【００３３】一方、鋳型の加熱温度が１０００℃を超え
ると、図３に示す通り、鋳型の熱間圧縮強さが低下す
る。従って、鋳型の加熱温度は、５００〜１０００℃の
範囲に限定する。上述した温度範囲内で、鋳型の加熱温
度の最も望ましい範囲は、９００〜１０００℃である。

【００３４】次に、この発明の鋳造品の製造方法におい
て、添加剤として抗火石粉またはけい石粉を使用するこ
とができる。その理由を、実験２において説明する。［実験２］ムライト質サンドにケイ酸ソ−ダ５％と添加
剤として抗火石粉またはけい石粉を１％添加した後、実
験１と同様の条件で実験２を行なった。その結果、９０
０℃において、添加剤として可燃質添加物１％加えた実
験１では、熱間強度は２５ｋｇ／ｃｍ²であったのに対
して、抗火石粉またはけい石粉を１％添加すると、熱間
強度は、３８及び３９ｋｇ／ｃｍ²であった。

【００３５】熱間強度を上昇させるためには、抗火石粉
（Ａｌ₂Ｏ₃：７７、ＳｉＯ₂：１２）またはけい石粉を
添加するとよく、抗火石粉またはけい石粉の量が２％を
超えると骨材の表面積が増加し、けい酸ソーダの添加量
が増加し、高粘度ガラスが生成して熱間強度が高くなり
過ぎ、砂おとしが悪くなる。一方、抗火石粉またはけい
石粉の量が１％未満では高温強度の増加に寄与しない。
従って、抗火石粉またはけい石粉の添加量は、１〜２重
量％に限定する。

【００３６】

【実施例】次に本発明の鋳造品の製造方法を実施例によ
って詳細に説明する。実施例１本実施例の製品「架台−１」（３０×１００×３ｍｍ、
５０×１００×１．５ｍｍ、３０×１００×１．５ｍ
ｍ）を図４に示す。鋳込み方案は、図５に示す通りであり、まず、この方
案図に基づいて光造型樹脂模型（エキポシ樹脂）を製作
した。

【００３７】＜鋳込み方案の概要＞縦湯口：頂部φ３０ｍｍ、底部φ２５ｍｍ、高さ８０ｍ
ｍ湯道：１５×１５ｍｍ、２ヶ所堰：１０×２０ｍｍ、２ヶ所湯口比：１：０．９：０．８とし、堰を絞って圧力がか
かる湯口比として鋳込み速度を速く計画した。

【００３８】揚り：両板状端面に４ケ所、底面に１ケ
所計５ケ所。

【００３９】鋳枠：木質で１２０×１６０×７０（下
型用）、１２０×１６０×８０（上型用）の寸法枠を使
用し、砂付きを充分確保した。次に、ムライト質サンド１００重量％、けい酸ソーダ
５重量％、可燃質添加剤１重量％の配合で鋳物砂を混練
し、まず上型を造型し、ＣＯ₂ガスを通ガス後反転し、
下型を造型し、再反転してＣＯ₂ガスを通ガスし、硬化
後上型下型を割り模型を抜き去った後再度上型下型を合
わせて接合した。接合後その鋳型を、１０００℃に加熱
したシリコニット電気炉に投入し、砂厚５０ｍｍにつき
１時間の割合で総時間２時間１５分間加熱保持した。溶解は、３０ｋｇ高周波電気炉を用いてステンレス系
鋳鋼（ＪＩＳＳＣＳ１７）を溶製し、１６６９℃（ＩＰ
値）にて出鋼し、鋳込み温度１６１５℃で、加熱状態の
鋳型を炉から取り出して鋳込んだ。鋳込み後、放冷し、ショット施工後、図６のＡ，Ｂ，
Ｃ面肉厚寸法及び本体寸法を測定した。

【００４０】図６に示す通り、１．５ｍｍ肉厚部分を含
めて湯回り状況は良好であり、ガス欠陥もなく健全な鋳
造品が製作できた。

【００４１】一般的には、鋳鋼では最小肉厚は６．５ｍ
ｍとされているが、本実施例の加熱鋳型を採用すれば
１．５ｍｍ程度までの製品の鋳造が可能である。実施例２本実施例の製品「架台−２」（３０×１００×３ｍｍ、
５０×１００×１．５ｍｍ、３０×１００×１．５ｍ
ｍ、５０×３０×１．５ｍｍ２片）を図７に示す。

【００４２】模型は樹脂模型を使用した。本実施例にお
いては、使用した樹脂模型を抜型せず、埋め込んだまま
の状態で炭酸ガスを通ガス、硬化し、そのまま１０００
℃の温度に加熱した炉に鋳型を投入して、樹脂模型を消
失させて空洞部を形成し、加熱状態のまま空洞部に溶湯
を鋳込む他は実施例１と同じ条件で製造した。図８に架
台−２の鋳込み方案を示す。

【００４３】図９に示す通り、１．５ｍｍ肉厚部分を含
めて湯回り状況は良好であり、ガス欠陥もなく健全な鋳
造品が製作できた。本体の炭素（Ｃ）含有量は、０．０
５％であった。

【００４４】一般的には、鋳鋼では最小肉厚は６．５ｍ
ｍとされているが、本実施例の加熱鋳型を採用すれば
１．５ｍｍ程度までの製品の鋳造が可能である。

【００４５】一般の消失模型鋳造法は、注湯される溶湯
熱によって、直接有機質発泡体模型又は樹脂を燃焼させ
るので、有機質発泡体又は樹脂の分解ガス中に含まれる
炭素（Ｃ）が溶鋼へ侵入して、鋼中の炭素分が０．０５
〜０．４５％上昇する。従って、一般の消失模型鋳造法
は、比較的炭素含有量の低い鋳鋼には採用することがで
きず、炭素侵入が問題とならない鋳鉄に使用されてい
る。これに対して、本発明の方法においては、実施例で
示したように、砂型中の有機質模型を、鋳込む前に加熱
・燃焼させ、高温強度を保持した鋳型の空洞部に溶湯を
流し込むので、炭素侵入はなく低炭素鋳鋼を含む全ての
材質の鋳鋼に適用が可能である。

【００４６】

【発明の効果】（１）従来通常の製造法では鋳鋼の最小
肉厚は６．５ｍｍであったが、本発明により１．５ｍｍ
までの薄肉鋳鋼品の製造が可能になった。（２）ロストワックス法と比較して工程が以下の通り大
幅に省略され、リ−ドタイムが大きく短縮された。

【００４７】ロストワックス法：金型製作→ワックスイ
ンゼクション→ツリ−組立→コ−ティング→脱蝋→焼成
→鋳込み本発明の方法：模型を抜く場合：模型製作→造型→抜型→被せ（上型
下型を組立）→加熱→鋳込み模型を消失させる場合：模型製作→造型→加熱→鋳込
み（３）加熱鋳型であるため、鋳型から発生するガスが無
く、ガス欠陥の少ない鋳鋼品の鋳造が可能である。
（４）低炭素から高炭素合金元素の多少にかかわらず、
全ての材質の鋳造に応用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、けい砂を骨材とするガス型砂の熱間強
度を示す図である。

【図２】図２は、ムライト質サンドの粒度分布を示す図
である。

【図３】図３は、けい酸ソーダの添加量を変化した場合
のガス型砂（骨材はムライト質サンド）の熱間強度を示
す図である。

【図４】図４は、この発明の実施例で用いた「架台−
１」を示す図である。

【図５】図５は、この発明の実施例で行った「架台−
１」の鋳込み方案を示す図である。

【図６】図６は、この発明の実施例で鋳造した「架台−
１」の寸法結果を示す図である。

【図７】図７は、この発明の実施例で用いた「架台−
２」を示す図である。

【図８】図８は、この発明の実施例で行った「架台−
２」の鋳込み方案を示す図である。

【図９】図９は、この発明の実施例で鋳造した「架台−
２」の寸法結果を示す図である。

【図１０】図１０は、表１を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記ステップからなる鋳造品の製造方
法。（１）ムライト質サンドを主成分とする鋳物砂に、けい
酸ソーダおよび添加剤を加えて混練し、所要の形状に造
型して鋳型を作製し、（２）前記鋳型を炭酸ガスで硬化
させ、（３）前記鋳型を５００〜１０００℃の範囲内の
温度に加熱し、そして、（４）前記温度に加熱した状態
の鋳型に溶融金属を鋳込む。
【請求項２】前記添加剤が可燃質添加剤であることを
特徴とする、請求項１に記載の鋳造品の製造方法。
【請求項３】前記添加剤が抗火石粉またはけい石粉で
あることを特徴とする、請求項１に記載の鋳造品の製造
方法。
【請求項４】前記鋳物砂１００重量％に対して前記け
い酸ソーダが４〜６重量％、前記添加剤が１〜２重量％
の配合割合であることを特徴とする、請求項１から３の
何れか１項に記載の鋳造品の製造方法。
【請求項５】前記加熱温度は９００〜１０００℃であ
ることを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記
載の鋳造品の製造方法。
【請求項６】前記造型を消失型模型を用いて行うこと
を特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載の鋳
造品の製造方法。
【請求項７】前記造型を模型を抜いて行うことを特徴
とする、請求項１から５の何れか１項に記載の鋳造品の
製造方法。