JP2003290873A

JP2003290873A - 消失模型鋳造法

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Publication number: JP2003290873A
Application number: JP2002105353A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kato; 雅之加藤; Shigeo Nakai; 茂夫仲井
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: JP3983583B2

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳物砂の流動性がよく、ポケット部の焼着や
残渣欠陥もなく、鋳物表面も優れた品質の鋳物が得られ
る消失模型鋳造法を提供する。【解決手段】鋳物砂内に塗型が形成された模型を埋設
してなる鋳型に注湯し、注湯した該湯によって前記模型
を消失させながら製品を鋳造する際に、前記鋳物砂とし
て平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ前
記塗型の単位抗折強度を１０Ｎ以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、消失模型鋳造法に
関し、特に模型の消失により発生した気体を、鋳型外部
に放出させつつ鋳造を行う消失模型鋳造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】消失模型鋳造法はフルモールド法とも言
われ、一般に、ポリスチレン発泡体等より成る消失模型
を鋳物砂の中に埋設し、溶湯を注湯して湯の熱で消失模
型を気化消失させるとともに、生じた空隙に溶湯を充填
して、鋳造品を作る鋳造法であり、特にプレス金型の製
作に広く利用されている。

【０００３】消失模型には、鋳物砂との焼着防止、模型
の強度付与（造型時、ハンドリング時の変形、破損防止
等）等の目的で塗型が形成されため、塗型には一定以上
の強度が必要とされる。

【０００４】更に消失模型用塗型には、消失模型の熱分
解ガスを排出する機能が求められており、一般に塗型の
強度を上げようとすると、このような熱分解ガスの排出
機能を損ない残渣欠陥が発生する傾向がある。

【０００５】これまでに球形骨材の使用（特開平１１−
１１８４５４号、特表昭６２−５００３７０号）、通気
性の高い塗型の形成（特開平１１−２５４０８８号）、
消失模型にガス排出のための特定大きさの連通孔の形成
（特開平１１−９０５８３号）等が提案されているが、
何れも焼着防止、残渣欠陥抑制、鋳肌、変形等を全て満
足させることはできなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、鋳型
形成の際の耐火性骨材の充填性を高め、焼着欠陥、残渣
欠陥がなく、鋳物表面の凹凸や変形も少ない消失模型鋳
造法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、鋳物砂内に、
塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型を埋設してなる
鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記模型を消失さ
せながら製品を鋳造する消失模型鋳造法であって、前記
鋳物砂として平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用
い、且つ前記塗型の単位抗折強度を１０Ｎ以上とする消
失模型鋳造法に関する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明では、鋳物砂の流動性を高
め、充填性を向上させるため平均粒径１ｍｍ以上の球形
の耐火性骨材が使用される。ここで、平均粒径は、種々
の目開きのふるいで粒度分布を求め、それから計算した
５０重量％に相当する粒径とする。形状が球形で平均粒
径が１ｍｍ以上であれば、該耐火性骨材の材質は問わな
い。例えばアルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、
クロマイト、マグネシア及びそれらの混合物などが挙げ
られ、ガラスビーズ等の球形骨材の表面を、耐火性物質
でコーティングしたものも使用できるが、耐熱性の点で
好ましくはシリカ、アルミナ、ムライト、マグネシアで
ある。

【０００９】本発明において、耐火性骨材が球形である
ことは、好ましくは粒形係数が１．２以下であることを
意味する。この粒形係数は、砂表面積測定器（ジョージ
・フィッシャー社製）を用いて測定された耐火性骨材の
表面積を、砂粒が全て球であると仮定した場合の理論表
面積で割った値であり、粒形係数が１に近いほど球状に
近い形状であることを表している。

【００１０】小さい鋳物についてはこれらの骨材に粘結
剤を添加しなくてもかまわないが、鋳型強度を上げるた
め粘結剤が添加されるのが好ましい。なお、何れの場合
でも骨材の流動性が高いため、高い充填効果が得られ
る。前記粘結剤としては、フラン樹脂（フラン自硬性、
フランウォームボックス）、水溶性フェノール樹脂（自
硬性蟻酸メチル硬化、炭酸ガス硬化）、シェル、フェノ
ールウレタン、水ガラス等の粘結剤が挙げられるが、好
ましくは強度が得られ、且つ再生の容易なフラン樹脂、
水溶性フェノール樹脂である。添加量は鋳物砂１００重
量部に対し０．１〜５重量部が好ましい。鋳型の形成に
は、粘結剤に、流動性向上剤、強度向上剤等、従来公知
の添加剤を組み合わせて使してもかまわない。

【００１１】本発明では、単位抗折強度が１０Ｎ以上の
塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型が用いられる。
この単位抗折強度は、下記の式（１）により算出される
塗型の単位長さ・単位幅当たりの抗折強さであり、「消
失模型用塗型剤の特性と標準化」（日本鋳造工学会関西
支部、平成８年３月１５日発行）に従い測定を行い得ら
れる。これは、対象とする塗型の試験片について抗折強
度Ｗを測定し、その数値に、実際に模型に形成された塗
型の厚みｃ（ｍ）の２乗を乗じたものである。単位抗折
強度Ｆ１は、好ましくは２０〜５００Ｎ、より好ましく
は５０〜４００Ｎである。この範囲で鋳物表面の凸凹や
充填時の変形を効果的に抑えることができる。なお、塗
型の厚みは、塗型形成後の模型重量から塗型形成前の模
型重量を差し引き、その重量を塗型剤が塗布された面積
及び乾燥塗型の密度で除した値とする。

【００１２】Ｆ１＝Ｗｃ² （１）ここで、Ｗ：（３ｂＦ）／（２ａｃ₁ ²）により算出される抗折強
度（単位：Ｐａ）ｃ：塗型の厚み（単位：ｍ）ａ：試験片の幅（単位：ｍ）ｂ：支点間距離（単位：ｍ）ｃ₁：試験片の厚み（単位：ｍ）Ｆ：破壊荷重（測定値）（単位：Ｎ）である。

【００１３】本発明では、塗型の単位抗折強度Ｆ１を１
０Ｎ以上とできるものであれば、通常の塗型剤を使用す
ることができる。この単位抗折強度Ｆ１を達成するため
の手法として、（１）塗型剤を厚く塗布する、（２）塗
型剤中のバインダー量を多く用いる、（３）塗型剤中の
骨材として鱗片状骨材を用いる、等の方法が考えられ
る。

【００１４】塗型剤を厚く塗布する場合、乾燥厚みで２
〜１０ｍｍが好ましい。塗型厚さをひび割れなく厚くす
るためには、重ね塗り、乾燥砂をふりかける（スタッ
コ）などの手法を用いても良い。なお、通常、消失模型
に形成される塗型の厚みは１〜２ｍｍである。

【００１５】塗型剤のバインダーとしては、公知の有機
系バインダー、無機系バインダーが使用できるが、無機
系バインダーが耐熱性及びガス発生防止の面で好まし
い。また、塗型剤中のバインダーを多く用いる場合は、
塗型剤中１０重量％以上、更に１５〜３０重量％の比率
が好ましい。特に、水ガラス、コロイダルシリカ、アル
キルシリケート等のシリカ系バインダー、リン酸アルミ
等のリン酸系バインダー、セメント等の無機バインダー
が好ましい。また、塗型剤の主骨材は、シリカ、シリカ
−アルミナ、アルミナ、ムライト、ジルコン、黒鉛等、
従来公知の骨材を用いることができる。その他、塗型剤
には、界面活性剤、増粘剤、ベントナイト等のチキソト
ロピー性付与剤等の添加剤を使用できる。

【００１６】このように、本発明の消失模型鋳造法は、
平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材内に、抗折強度が
１０Ｎ以上の塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型を
埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記
模型を消失させながら製品を鋳造する。単位抗折強度Ｆ
１が１０Ｎ以上の塗型は塗膜強度が高いが、熱分解ガス
の排出機能が十分ではなく、鋳型からの熱分解ガスの排
出を向上させ、より残渣欠陥の少ない鋳物を得るため
に、塗型とは別に、模型の消失により発生した気体を前
記鋳型の外部に放出させる排出通路を設けることが好ま
しい。その一例を図１に基づき説明する。

【００１７】図１において、鋳型は、鋳枠４と鋳枠４の
内部の鋳物砂７と鋳物砂７に埋設された模型１等からな
り、模型１に連通した受口５が左上方に設けられてい
る。模型１は、発泡ポリスチレンによって製品と同一形
状に形成されており、貫通孔２が設けられている。鋳物
砂７は、球形耐火性骨材であり、粘結剤を適量含有させ
てある。鋳型の形成は、まず、模型１の表面に耐火性に
優れた塗型剤３を塗布し、その後充分乾燥させる。そし
て鋳枠４に湯口６および湯道１０を形成した後、模型１
を固定し鋳物砂７で埋設し、受口５を設置する。その
際、貫通孔２の内部は空間にしておき、貫通孔２を湯道
１０に連通させると共に、貫通孔２に連通する排出管を
設け排出通路８とする。排出通路８となる排出管はセラ
ミック製で、排出気体抑制手段としてバインダーで成型
されたアルミナ等の耐火物粒子９が充填され、貫通孔２
と大気とを連通させるように鋳物砂７に埋設される。

【００１８】鋳物砂７は、平均粒径１ｍｍ以上で球形の
耐火性骨材であり、この混練砂を充填する方法として、
振動機を用いた振動造型、エアーを用いたブロー造型、
減圧を用いた減圧造型、手込め等があるが、これらのい
ずれにも効果がある。特に、振動機、ブロー造型、減圧
造型等、機械を用いた造型では、手込めと違い、充填の
難易度に応じた調整が困難であるため、本発明で選定し
た耐火性骨材による充填性の向上は有意義である。

【００１９】受口５から溶湯を注湯すると、溶湯は湯口
６および湯道１０を通って模型１に到達し、模型１を溶
融させて、鋳型内に溜る。一方、排出通路８からは、湯
によって溶融、燃焼された模型１の気体が排出されるの
が確認される。

【００２０】排出通路８は、塗型以外から熱分解ガスを
排出させるものであればよく、排出通路となる排出管の
径、設置位置、数等は、模型の形状や大きさにより決め
られる。排出通路は、直径３０ｃｍ以下、好ましくは１
〜１０ｃｍの円筒状の、好ましくはセラミック製の排気
管により形成されるのが好ましい。排出通路のその本数
については所望の通気度を確保できるように適宜決定す
ればよいが、発泡体１千〜１０万ｃｍ³、好ましくは１
千〜１万ｃｍ³あたり、１本設けるのが好ましい。

【００２１】本発明では、図１のように、排出気体抑制
手段を排出通路に設けることが好ましい。この排出気体
抑制手段とは、該手段を設けることで徐放（ここで、徐
放とは、発生気体をその発生とほぼ同時に強制的に排出
するのではなく、その排出量を抑制しつつ排出すること
をいう。）を達成し得る通気性を有する手段であり、耐
火物粒子及びその層、背圧弁、中空細管等が挙げられ、
溶湯の吹き出し防止や鋳物品質の点から、耐火物粒子及
びその層、背圧弁がより好ましい。

【００２２】なお、中空細管を排出気体抑制手段とする
場合、該細管を模型に接するように設置してもよい。中
空細管は排出通路を兼ねることができる。中空細管は、
内径０．１〜５ｃｍ、長さ３０ｃｍ〜５ｍ、好ましくは
内径０．５〜２ｃｍ、長さ４０ｃｍ〜２ｍで、金属等の
耐火性のある材質で構成されるものが好ましい。

【００２３】排出気体抑制手段となる、通気性のある耐
火物層としては、耐火物粒子をバインダー等を添加して
成型させたものや、ウレタンフォームにセラミックスス
ラリーを浸漬しその後焼成した、いわゆるセラミックス
フォームフィルター等を使用することもでき、好ましく
は前者である。耐火物粒子の平均粒径は０．１〜１０ｍ
ｍ、更に０．５〜５ｍｍが好ましく、金属又はその酸化
物の粒子、例えばアルミナ、珪砂、ジルコン砂、クロマ
イト砂、合成セラミック砂等が挙げられる。耐火物は、
排出通路の面積、形状にもよるが、厚さが０．５〜２０
ｃｍ、更に１〜１０ｃｍとなる量で充填されることが好
ましい。

【００２４】また、背圧弁とは、気体の流れ方向の圧力
を弁の前側（気体流路の上流）に比して後側（気体流路
の下流）を低く設定できる弁のことであり、バネ式低圧
バルブ、ニードル式等何れを用いてもよく、これらを排
気通路に設置することで排出気体抑制手段が形成され
る。

【００２５】模型は、合成樹脂発泡体からなるものが使
用される。合成樹脂発泡体としては、ポリスチレン、ポ
リメタクリル酸メチル、又はこれらの共重合体等の発泡
体が用いられる。

【００２６】模型には、貫通孔が形成されていることが
好ましい。特に、図１のように、排出気体抑制手段を備
えた排出通路８、更に湯道６に連通する貫通孔を形成す
ることが好ましい。熱分解ガスの徐放を精度良くコント
ロールするためには、排出気体抑制手段に集中的にガス
を導く必要がある。そのため、模型には排出通路、更に
湯道に連通する貫通孔を形成することが好ましい。貫通
孔は、模型作製時に形成してもよいし、模型作製後、加
熱した金属棒等、あるいはドリル、レーザーにより形成
してもよいし、カッターナイフ等で切れ込みを入れた
後、接着テープ等を模型表面に貼り付けることで形成さ
せてもよい。貫通孔の径、形成位置、数等は、模型の形
状や大きさにより決める。

【００２７】本発明においては、排出通路を通過する気
体の圧力損失が０．０５〜５０００ｇ／ｃｍ²であるこ
とが好ましく、より好ましくは０．１〜１０００ｇ／ｃ
ｍ²であり、更に好ましくは０．５〜１００ｇ／ｃｍ²で
あり、特に好ましくは１〜５０ｇ／ｃｍ²である。ここ
で圧力損失とは、排出気体抑制手段の前後（気体流路の
上流、下流）の圧力差であり、排出通路の排気側の圧力
は何れでもよいが、好ましくは大気圧である。なお、圧
力損失は次のような手順に則り、計算により求められ
る。まず図２に示したように、コンプレッサーから通気
量（通常１〜１０Ｌ／分の範囲）の異なる加圧空気を流
通させた時のそれぞれの圧力を求め、それに基づき通気
量−圧力損失の検量線を作成する。次いで、鋳込み時間
と予想される気体発生量Ｖから単位時間あたりの気体発
生量（Ｌ／分）を求め、検量線をその気体流量に一次近
似外挿して圧力損失を求める。

【００２８】ここで、「鋳鍛造と熱処理」（１９９５年
８月号）の第２７頁図３によれば、１０００℃における
熱分解気体発生量として、ポリスチレンで６５０ｃｍ³
／ｇ、ポリメチルメタクリレートで９８０ｃｍ³／ｇで
ある。これら以外の材質を用いる場合は計測してＶを求
める。

【００２９】本発明では、鋳物砂としてとして平均粒径
１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ塗型の抗折強
度を１０Ｎ以上とするが、それ以外は、従来公知の消失
模型鋳造法に準じて行うことができる。なお、排ガスの
排出効率を高めるため吸引装置を用いた減圧鋳造を行っ
てもよいが、排出通路を設ける場合には吸引装置は必ず
しも必要としない。

【００３０】

【発明の効果】本発明の消失模型鋳造法によれば、鋳型
形成の際の耐火性骨材の充填性が向上し、複雑な形状の
模型も破損せずにより低い加振力で充填でき、ポケット
部においても焼着欠陥のない鋳物が得られる。更に鋳物
表面の凹凸、変形も少なく、残渣欠陥もない高品質な鋳
物を製造することができる。

【００３１】

【実施例】実施例１〜４及び比較例１〜３（１）球形アルミナボール１００部（重量基準、以下同
様）に、花王クエーカー（株）製フラン樹脂用硬化剤Ｃ
−１４を０．３５部、フラン樹脂３４０Ｂを０．７部加
えミキサーにて混練した。図４に示す消失模型に下記の
塗型剤を表１の組み合わせで繰り返し塗布し、表１記載
の厚み（乾燥厚）とした模型を用意し、該模型の回り
を、上記の混練砂を用いて、振動機にて充填した。な
お、図４の模型において、空洞部４１の大きさは、図４
中のｘ方向が１００ｍｍ、ｙ方向が６０ｍｍ、ｚ方向が
１５５ｍｍであり、突起部４２の大きさは、ｘ方向が５
０ｍｍ、ｙ方向が２０ｍｍ、ｚ方向が２０ｍｍであっ
た。振動には、東洋機械製作所製の円運動振動機を用
い、振動条件１．５Ｇ、振幅約０．４ｍｍで１分間振動
させた。この鋳型を硬化させ、ＦＣ３００の鋳鉄溶湯を
直接模型に注湯した。その際、一部の例では、図１のよ
うに、内径４ｃｍの円筒形の陶管（長さ３０ｃｍ）に、
エステル硬化性フェノール樹脂を含有する直径２ｍｍの
球状アルミナを厚さ（ｈ）２．５ｃｍとなるように充填
し硬化させ排出通路を設けた。この排出通路を通過する
気体の圧力損失は４ｇ／ｃｍ²であった。鋳物品質とし
て、ポケット部の焼着、鋳物表面の凹凸、鋳物の変形、
残渣欠陥を目視にて観察した。これらの結果を表１に示
した。

【００３２】＜塗型剤１＞塗型主骨材として平均粒径８
０μｍのシリカ粉４０部に、燐状黒鉛１０部、酢酸ビニ
ル系バインダー５部、水４０部、非イオン界面活性剤
０．５部、ベントナイト４．５部を加えた塗型剤。この
塗型剤１の通気度は０．１４、抗折強度Ｗは３．５ＭＰ
ａであった。本塗型剤１は、膜厚３ｍｍに塗布した場
合、通気度／膜厚（ｍｍ）は０．０５、単位抗折強度Ｆ
１は３１．５Ｎとなる。

【００３３】＜塗型剤２＞平均粒径１３μｍのシリカ２
２５０ｇ、コロイダルシリカ水溶液（固形分濃度３０重
量％）１０００ｍｌ（重量１２１０ｇ、固形分量が対シ
リカで１６重量％）、非イオン界面活性剤０．２ｍｌ、
消泡剤数滴の比率で調製した。この塗型剤２の通気度は
０．０２、抗折強度Ｗは４．５ＭＰａであった。本塗型
剤２は、膜厚５ｍｍに塗布した場合、単位抗折強度Ｆ１
は１１３Ｎとなる。

【００３４】（２）また、上記混練砂から、硬化剤を除
いた系（以下、試験砂という）について流動性を評価し
た。すなわち、図３に示すような、略Ｕ字状の中空部
（Ａ−Ｂ−Ｃ）を持つ箱体を準備した。図３中、ＰＳは
発泡ポリスチレン体であり、表面にはＰＣ１００（花王
クエーカー（株）製、塗型剤）が塗布されている。ま
た、この箱体の寸法は、Ｌ₁が８ｃｍ、Ｌ₂が２０ｃｍ、
Ｌ₃が１７ｃｍ、Ｌ₄が８ｃｍ、Ｌ₅が８ｃｍ、Ｌ₆が１２
ｃｍである。この箱体の中空部Ａに入るだけ、試験砂を
投入し、振動を開始した。振動を１分間行うと、試験砂
は中空部Ｂへ移動し、中空部Ａの上部に空間が生じた。
この空間に更に試験砂を、全部で８ｋｇになるように投
入し、今度は１０分間振動を与えた。そうすると、試験
砂は、箱体の中空部Ｃに入って行き、図３に示すような
状態（山状）となった。そして、発泡ポリスチレン体の
底面から、山状混練砂の頂上までの距離をａとし、試験
砂の裾までの距離をｂとし、その平均値〔（ａ＋ｂ）／
２〕を求め、これを充填高さ（ｃｍ）とし、その結果を
表１に示した。充填高さが高いほど、試験砂の流動性が
良好であることを示している。なお、上記した振動は、
東洋機械製作所製の垂直面真円運動振動機を用い、振動
条件１．５Ｇ、振幅０．４ｍｍで行った。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１に示されるように、平均粒径が１ｍｍ
未満の耐火性骨材を用いた場合（比較例１、２）は、混
練砂の流動性が悪くなり充填不足によるポケット部の焼
着が生じ、一方、骨材平均粒径が１ｍｍ以上でも塗型の
単位抗折強度が１０Ｎ未満であると（比較例３）、鋳物
表面状態が悪くなり変形も生じる。この結果から、良質
な鋳物を得るには、鋳物砂として平均粒径１ｍｍ以上の
球形耐火性骨材を用い、且つ塗型の単位抗折強度を１０
Ｎ以上とする必要があることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の消失模型鋳造法の一例を示す概略図

【図２】通気抵抗の測定方法を示す概略図

【図３】試験例で鋳物砂組成物の流動性を評価するため
に用いた箱体の模式的斜視図

【図４】実施例で用いた消失模型の概略図

【符号の説明】

１模型２貫通孔８排気通路９耐火物粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳物砂内に、塗型が形成された合成樹脂
発泡体製模型を埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶
湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消
失模型鋳造法であって、前記鋳物砂として平均粒径１ｍ
ｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ前記塗型の単位抗
折強度を１０Ｎ以上とする消失模型鋳造法。
【請求項２】前記塗型とは別に、前記模型の消失によ
り発生した気体を前記鋳型の外部に放出させる排出通路
を設ける請求項１記載の消失模型鋳造法。
【請求項３】前記塗型が、無機バインダーを含有する
塗型剤により形成されたものである請求項１又は２記載
の消失模型鋳造法。
【請求項４】前記排出通路が、排出気体抑制手段を備
える請求項２又は３記載の消失模型鋳造法。
【請求項５】鋳物砂に粘結剤が添加されている請求項
１〜４の何れか１項記載の消失模型鋳造法。