JP2005296980A - 鋳造用砂型 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却速度が速く、安価で、軽量な鋳造用砂型を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係る鋳造用砂型１０は、砂型鋳造法に用いる鋳型であり、砂型のキャビティ１３を取り囲むように、かつ、鋳型面５ｆ，６ｆに臨んで、銅粒４５で構成される銅鋳型部１５ａ，１５ｂを設けたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、砂型鋳造法に用いる砂型に関するものである。

鋳造工法の一つである砂型鋳造法は、図１０に示すように、上型（砂型）１０１と下型（砂型）１０２とを組み合わせてなる鋳型１００を用いて鋳造を行う。この時、上型１０１と下型１０２の各窪み部１０５，１０６で囲まれた空間が、最終製品とほぼ同形状のキャビティ１０３を形成する。このキャビティ１０３内に金属溶湯１０４を注湯し、その金属溶湯１０４を凝固させた後、上型１０１と下型１０２の砂落としを行うことで、鋳造体、結果として鋳造製品（図示せず）が得られる。

鋳造体の強度を向上させる１つの方法として、金属溶湯の冷却速度を高めて鋳造体の鋳造組織を微細化するというものがある。この方法は、冷却速度が速い金型鋳造法に好適である。ところが、金型鋳造法は、鋳型の製造費が高価であり、かつ、一旦鋳型（金型）を作製すると、型変更が困難であることから、大量生産品には適しているものの、試作品や少量生産品にはコスト的に見合わない。

これに対して、砂型鋳造法は、鋳型の製造費が安価であり、かつ、型の変更も容易であることから、試作品や少量生産品に適した鋳造方法である。ところが、砂型鋳造法における金属溶湯の冷却速度は、鋳物砂の熱伝導率に依存しており、冷却速度が極めて遅い。このため、砂型鋳造法においては、冷却速度の向上が各種試みられてきた。

例えば、鋳型の冷却を促進したい部位に、冷し金を埋込んだり、強磁性体で構成される粒状吸熱体を磁着させたりした鋳造用砂型がある（特許文献１参照）。また、熱伝導率の良好な鋳物砂を用いて構成した鋳造用砂型がある（例えば、特許文献２〜５参照）。

特開平８−１７４１４０号公報 特開平７−２１４２３０号公報 特開平８−１１７９２１号公報 特開２０００−２０２５７２号公報 特開２０００−１５８０９０号公報

ところで、前述した冷し金を埋込んだり、粒状吸熱体を磁着させるという手法を、鋳型の広い範囲にわたって適用する場合、金型鋳造法と同様に鋳型の製造費が高価になるという問題があった。

また、熱伝導率の良好な鋳物砂で鋳造用砂型を構成する場合においても、鋳造用砂型全体を鋳物砂で構成していることから、鋳型の製造費が高価になるという問題があった。更に、この場合、鋳型の重量増を招いてしまい、結果的に、鋳造時における人力での鋳型のハンドリングが悪くなってしまうという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、冷却速度が速く、安価で、軽量な鋳造用砂型を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る鋳造用砂型は、砂型鋳造法に用いる鋳型であり、砂型のキャビティを取り囲むように、かつ、鋳型面に臨んで、銅粒で構成される銅鋳型部を設けたものである。

ここで、銅鋳型部を構成する銅粒の平均粒径が0.2〜0.5ｍｍであることが好ましい。銅鋳型部の、キャビティ取り囲み厚さが30〜50ｍｍであることが好ましい。砂型は、少なくとも２つの砂型部材を組み合わせてなるものであってもよい。

一方、本発明に係る鋳造用砂型の製造方法は、
型枠内に最終製品とほぼ同形状の木型を配置するステップＡ、
型枠内に銅粒を装填して木型を覆うように銅粒層を形成するステップＢ、
型枠内に鋳物砂を充填して砂型本体部を構成する鋳物砂層を形成するステップＣ、
及び木型を取り除くステップＤ、
を有するものである。

ここで、ステップＢが、
型枠内に、木型を取り囲む内枠を配置するステップＢ１、
その内枠内に銅粒を装填して木型を覆うように銅粒層を形成するステップＢ２、
を備えていてもよい。

ステップＢは、更に、
ステップＢ２の後に銅粒層を粘結剤を用いて固化させるステップＢ３、
を備えている。

また、ステップＢは、更に、
ステップＢ３の後に内枠を取り除くステップＢ４、
を備えている。

また、木型が少なくとも２つの木型部材で構成され、各木型部材を用いて砂型部材を形成し、各砂型部材を組み合わせて砂型を形成するようにしてもよい。

他方、本発明に係る鋳造製品は、上述した鋳造用砂型のキャビティ内に金属溶湯を注湯し、その金属溶湯を凝固させてなるものである。

本発明によれば、金型と同程度の冷却速度を有する鋳造用砂型を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型の横断面図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、上型（砂型）１１の合わせ面１１ａ及び下型（砂型）１２の各合わせ面１１ａ，１２ａを重ね合わせ、組み合わせたものである。

上型１１及び下型１２の各合わせ面１１ａ，１２ａには、それぞれ凹状の窪み部５，６が形成され、各窪み部５，６の表面が鋳型面５ｆ，６ｆとなる。上型１１及び下型１２の各窪み部５，６が、それぞれ上型キャビティ及び下型キャビティを形成する。上型キャビティ（窪み部）５と下型キャビティ（窪み部）６とで囲まれた空間が、最終製品とほぼ同形状のキャビティ１３を形成する。

上型キャビティ５（又は下型キャビティ６）を取り囲むように、かつ、上型１１の鋳型面５ｆ（又は下型１２の鋳型面６ｆ）に臨んで、銅粒で構成される層状の銅鋳型部１５ａ（又は１５ｂ）が設けられる。上型１１（又は下型１２）における銅鋳型部１５ａ（又は１５ｂ）を除いた残部が、砂型本体部１９ａ（又は１９ｂ）となる。

上型１１には、上型１１の垂直方向（図１中では上下方向）に貫通する貫通穴１６ａと溝１７ａとが設けられる。また、下型１２には、穴１６ｂ及び溝１７ｂが設けられる。上型１１と下型１２とを組み合わせることで、貫通穴１６ａと穴１６ｂが重なって湯口１６が形成され、溝１７ａと溝１７ｂが重なって湯道１７が形成される。キャビティ１３は、湯道１７、湯口１６を介して、鋳型１０の外面と連通される。さらに、上型１１には、鋳型面５ｆと上型１１の外面とを連通させるガス抜き穴１８が形成される。

湯口１６及び湯道１７の内、湯道１７におけるキャビティ１３側端部（図１中では左端部）のみが銅鋳型部１５（銅鋳型部１５ａ，１５ｂ）で取り囲まれ、その他の部分は砂型本体部１９ａ，１９ｂで取り囲まれる。

ここで、図１に示した鋳造用砂型１０のキャビティ１３と、図１０に示した鋳造用砂型１００のキャビティ１０３の容積を同じ（又はほぼ同じ）とした場合、鋳造用砂型１０における湯口１６及び湯道１７は、鋳造用砂型１００のそれと比較して、十分に大きな断面積、好ましくは約３倍の断面積となるように形成される。

銅鋳型部１５を構成する銅粒の平均粒径は、熱伝導効率、ガス抜け性を考慮して、例えば0.2〜0.5ｍｍとされる。銅鋳型部１５によるキャビティ１３の取り囲み厚さは、キャビティ１３の大きさ（容積）に応じて適宜変更されるものであり、例えば30〜50ｍｍとされる。

銅粒としては、冷却速度を重視する場合、純銅や熱伝導率の高いＣｕ合金が好ましく、銅粒の耐久性を重視する場合、耐熱性の高いＣｕ合金が好ましい。また、銅粒は、鋳造製品の機械的特性や外観などに悪影響を及ぼす元素を含んでいない（又はその含有量が極めて少ない）ことが重要である。

次に、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０の製造方法を、添付図面に基づいて説明する。

先ず、図１に示した上型１１を製造する。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、矩形状の型枠４１を準備する。この型枠４１は、定盤４２上に載置される。

型枠４１内に、最終製品とほぼ同形状の木型４３を配置する（ステップＡ）。同様にして、図１に示した湯口１６、湯道１７、及びガス抜き穴１８を形成するための、湯口中子４６、湯道中子４７、及びガス抜き中子４８が、型枠４１内に配置される。

次に、型枠４１内に銅粒４５を装填し、木型４３を覆うように銅粒層を形成する（ステップＢ）。より具体的には、型枠４１内に、木型４３を取り囲むように内枠４４を配置する（ステップＢ１）。その後、内枠４４内に銅粒４５を装填して木型４３を覆うように銅粒層を形成する（ステップＢ２）。その後、粘結剤により、銅粒層を固化させる（ステップＢ３）。その後、銅粒層を固化させてなる銅固化体４５ａ（図５（ａ）、図５（ｂ）参照）から、内枠４４を取り除く（ステップＢ４）。この銅固化体４５ａが、図１に示した銅鋳型部１５ａを構成する。

次に、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、型枠４１内に鋳物砂５１を充填し、鋳物砂層を形成する（ステップＣ）。その後、粘結剤により、この鋳物砂層を固化させる。自硬性の粘結剤を用いた場合、そのままの状態で固化が生じる。また、ＣＯ₂法などのガスタイプの粘結剤を用いた場合、ＣＯ₂などのガスを吹き込むことで固化が生じる。鋳物砂層を固化させてなる砂固化体５１ａが、図１に示した砂型本体部１９ａを構成する。

次に、型枠４１内の銅固化体４５ａ及び砂固化体５１ａから、木型４３を取り除く（ステップＤ）。この木型４３を取り除いた部分が、上型キャビティ５となる。同様にして、型枠４１内の銅固化体４５ａ及び砂固化体５１ａから、湯口中子４６、湯道中子４７、及びガス抜き中子４８を取り除く。これらを取り除いた部分が、それぞれ湯口１６、道１７、及びガス抜き穴１８となる。

以上の手順により、図１に示した上型１１が得られる。また、木型、湯口中子、湯道中子の形状が異なり、かつ、ガス抜き中子を用いない以外は、上型１１の作製手順と同様にして、図１に示した下型１２が得られる。

このようにして得られた上型１１と下型１２の各合わせ面１１ａ，１２ａを重ね合わせ、組み合わせることで、鋳造用砂型１０が得られる。

次に、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０を用いた鋳造方法及びその作用を、添付図面に基づいて説明する。

図２に示すように、鋳造用砂型１０の湯口１６から金属溶湯１４が注湯される。金属溶湯１４は、湯道１７を介してキャビティ１３内に充填される。この時、金属溶湯１４の注湯に伴って発生したガスＧは、ガス抜き穴１８から排出される。

金属溶湯１４が湯口１６及び湯道１７を通過し、キャビティ１３に達すると、熱伝導率の高い銅鋳型部１５ａ，１５ｂに接触される。これによって、金属溶湯１４が急冷される。冷却速度は、例えば、1.0℃/sec以上、好ましくは2.0℃/sec以上とされる。

この急冷によって、金属溶湯１４の湯流れ性の悪化が予測される。そこで、湯口１６についてはその全長を、湯道１７についてはその大部分を、砂固化体５１ａ内部に形成している（砂型本体部１９ａ，１９ｂで取り囲んでいる）。また、湯口１６及び湯道１７の断面積は、図１０に示した従来の鋳造用砂型１００における湯口及び湯道のそれよりも十分に大きく形成している。よって、金属溶湯１４が湯口１６及び湯道１７を通過する際に、注湯時の温度をほぼ保つことができ、また、十分な流速、流量を確保することができる。

このように金属溶湯１４がキャビティ１３内で急速に冷却され、凝固することで、図３に示すように、微細な鋳造組織の鋳造体３０が得られる。その後、上型１１と下型１２の砂落としを行うことで、鋳造体３０が分離、回収される。回収された鋳造体３０に後処理（砂落し、酸洗い、熱処理など）を施すことで、鋳造製品（図示せず）が得られる。砂落としによって、銅鋳型部１５ａ，１５ｂはブロック状に破砕され、銅粒として回収される。回収された銅粒は、再生処理を施すことで図４（ａ）、図４（ｂ）に示した銅粒４５となり、繰り返し利用される。

本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、鋳造時における冷却速度を速めることで、鋳造組織の微細化を図り、強度向上を達成可能な鋳造用金属（又は合金）に全て適用可能である。例えば、鋳造用砂型１０は、Ａｌ又はＡｌ合金、Ｍｇ又はＭｇ合金、鋳鉄合金などの鋳型として適用され、特に、急冷凝固により特性が大幅に向上されるＭｇ又はＭｇ合金に好適である。

金属溶湯１４として、Ａｌ合金（ＡＣ４Ｃ合金）を用いた場合、鋳造体３０における鋳造組織の微細化程度を、ＤＡＳ（Dendrite Arm Spacing）値を用いて表現すると、例えば、鋳造体３０のＤＡＳ値は40μｍ未満、好ましくは30μｍ未満とされる。また、この場合、鋳造組織の微細化程度を、引張強度を用いて表現すると、例えば、鋳造体３０の引張強度は300MPa以上、好ましくは320MPa以上とされる。

以上に示したように、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０では、銅粒４５は、鋳造用砂型１０の一部である銅鋳型部１５ａ，１５ｂに使用されているだけであり、鋳造用砂型１０全体に占める使用割合は少ない。よって、熱伝導率の良好な鋳物砂を用いて鋳型全体を構成した従来の鋳造用砂型と比較して、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、銅粒４５の使用割合が大幅に少なくて済む。

ここで、鋳造体３０が試作品や少量生産品である場合、コスト的にオートメーション化が困難であることから、必然的に人力による作業が多くなる。鋳型全体を銅粒４５で構成すると、鋳型の大幅な重量増を招いてしまい、結果的に人力によるハンドリングが困難となってしまう。しかし、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０では、銅粒４５で構成した銅鋳型部１５ａ，１５ｂは、キャビティ１３の周辺部のみに限定的に配置されているだけであり、鋳型の重量増を最小限に抑えることができる。

また、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、砂型でありながら金型と同程度の冷却速度を有しており、かつ、銅粒４５の使用割合が少ないことから安価に製造することができる。

さらに、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、冷却速度を金型と同程度に高めながら、製品形状の変更に対する対応性が良好であるといった砂型の利点はそのまま活かすことができる。

また、本実施の形態に係る鋳造用砂型１０は、銅粒４５の使用割合が少ないことから、銅粒４５の再生量も少なくて済み、再生コストの低減を図ることができる。結果的に、鋳造体３０の製造コストの低減を図ることができる。

本実施の形態に係る鋳造用砂型１０を用いて製造した鋳造製品（鋳造体３０）は、軽量、薄肉、高強度な鋳造製品、例えば自動車部品に適用可能であり、特に、内燃機関用のシリンダブロック（又はピストン）、シリンダヘッド、タービン、油圧シリンダボディ等に好適である。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

前実施の形態に係る鋳造用砂型１０においては、鋳型が２つの砂型部材（図１中では上型１１と下型１２）で構成される場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、目的とする鋳造製品の形状が複雑な場合、上型と下型の２分割構造では対応できない場合がある。よって、この場合、鋳造用砂型のキャビティを形成するための木型を３分割以上の寄せ型（割り型）とし、各分割型ごとに砂型部材を作製する。そして、少なくとも３つの砂型部材を組み合わせることで、鋳型が得られる。

具体的には、図４（ａ）に示した上型１１を形成するための木型４３、湯口中子４６、湯道中子４７、及びガス抜き中子４８の内、木型４３が、図６に示すように、分割面Ｆ１，Ｆ２により分割可能な３分割構造とされる。つまり、木型４３が分割体（木型部材）６３ａ，６３ｂ，６３ｃで構成される。

この場合、図７に示すように、分割体６３ａとガス抜き中子４８は、図６に示した状態のまま、型枠７１内に配置される。その後、型枠７１内に銅粒７４を装填し、分割体６３ａを覆うように銅粒層が形成される。

また、図７に示すように、分割体６３ｂは、分割面Ｆ１を下にした状態で型枠７２内に配置される。その後、型枠７２内に銅粒７４を装填し、分割体６３ｂを覆うように銅粒層が形成される。この時、型枠７２内に仕切り板７５を配置し、型枠７２の内面における斜線領域７６に銅粒７４が装填されないようにする。または、仕切り板７５を配置せず、型枠７２の内面全体に銅粒７４を装填するようにしてもよい。

さらに、図７に示すように、分割体６３ｃ、湯口中子４６、及び湯道中子４７は、分割体６３ｃの分割面Ｆ２を下にした状態で型枠７３内に配置される。その後、型枠７３内に銅粒７４を装填し、分割体６３ｃを覆うように銅粒層が形成される。この時、型枠７３内に仕切り板７７を配置し、型枠７３の内面における斜線領域７８に銅粒７４が装填されないようにする。または、仕切り板７７を配置せず、型枠７３の内面全体に銅粒７４を装填するようにしてもよい。

その後、各型枠７１，７２，７３内の銅粒層を、粘結剤により固化させ、銅固化体７４ａ（図８参照）を形成する。

次に、図８に示すように、型枠７１内に鋳物砂８４を充填し、銅粒層の上に鋳物砂層が形成される。これによって、上型本体部（砂型部材）８１が形成される。また、図８に示すように、型枠７２内に鋳物砂８４を充填し、銅粒層の上に鋳物砂層が形成される。これによって、第１寄せ型（砂型部材）８２が形成される。さらに、図８に示すように、型枠７３内に鋳物砂８４を充填し、銅粒層の上に鋳物砂層が形成される。これによって、第２寄せ型（砂型部材）８３が形成される。

その後、各型枠７１，７２，７３内の鋳物砂層を、粘結剤により固化させ、砂固化体８４ａ（図９参照）を形成する。

次に、図９に示すように、上型本体部８１の合わせ面８１ａと第１寄せ型８２の合わせ面８２ａ、及び上型本体部８１の合わせ面８１ｂと第２寄せ型８３の合わせ面８３ａを重ね合わせ、組み合わせる。これにより、３分割構造の上型９１が得られる。上型９１における銅固化体７４ａ、砂固化体８４ａが、それぞれ図１に示した上型１１における銅鋳型部１５ａ、砂型本体部１９ａに相当する。

以上のようにして得られた上型９１を、図１に示した下型１２、又は上型９１の作製手順と同様にして作製した下型（図示せず）と重ね合わせ、組み合わせることで、少なくとも４つの砂型部材で構成される鋳造用砂型が得られる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本発明の鋳造用砂型（図１に示した鋳造用砂型１０を参照）と従来の鋳造用砂型（図１０に示した鋳造用砂型１００を参照）を用い、それぞれＡｌ合金（ＡＣ４Ｃ合金）製の鋳造製品を作製した。

各鋳造製品の鋳造工程において、Ａｌ合金溶湯の凝固時の冷却速度を、熱電対を用いて実測した。その結果、従来の鋳造用砂型の冷却速度が0.4℃/secであったのに対し、本発明の鋳造用砂型の冷却速度は2.6℃/secであった。このことから、本発明の鋳造用砂型を用いて鋳造を行うことで、鋳造時の冷却速度を大幅に向上できることが確認された。

また、各鋳造製品について、ＤＡＳ値による鋳造組織の大きさを測定した。その結果、従来の鋳造用砂型を用いて作製した鋳造製品のＤＡＳ値が約50μｍであったのに対し、本発明の鋳造用砂型を用いて作製した鋳造製品のＤＡＳ値は約25μｍであった。このことから、本発明の鋳造用砂型を用いて鋳造を行うことで、鋳造製品の鋳造組織が微細化されることが確認された。

さらに、各鋳造製品について、引張強度を測定した。その結果、従来の鋳造用砂型を用いて作製した鋳造製品の引張強度が295MPaであったのに対し、本発明の鋳造用砂型を用いて作製した鋳造製品の引張強度は328MPaであった。このことから、本発明の鋳造用砂型を用いて鋳造を行うことで、鋳造製品の引張強度が約10％以上も向上することが確認された。

本発明の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型の横断面図である。 図１の鋳造用砂型の、金属溶湯注湯時の状態を示す横断面図である。 図１の鋳造用砂型の、金属溶湯凝固時の状態を示す横断面図である。 本発明の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型を製造する際の、ステップＢを説明するための図である。図４（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は平面図を示している。 本発明の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型を製造する際の、ステップＣを説明するための図である。図５（ａ）は横断面図、図５（ｂ）は平面図を示している。 本発明の他の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型を製造する際の、ステップＡを説明するための横断面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型を製造する際の、ステップＢを説明するための横断面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型を製造する際の、ステップＣを説明するための横断面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る鋳造用砂型における上型の横断面図である。 従来における鋳造用砂型の、金属溶湯注湯時の状態を示す断面図である。

符号の説明

５ｆ，６ｆ 鋳型面
１０ 鋳造用砂型
１３ キャビティ
１５ａ，１５ｂ 銅鋳型部
４５ 銅粒

Claims (10)

1. 砂型鋳造法に用いる鋳造用砂型において、砂型のキャビティを取り囲むように、かつ、鋳型面に臨んで、銅粒で構成される銅鋳型部を設けたことを特徴とする鋳造用砂型。
2. 上記銅鋳型部を構成する銅粒の平均粒径が0.2〜0.5ｍｍである請求項１記載の鋳造用砂型。
3. 上記銅鋳型部の、キャビティ取り囲み厚さが30〜50ｍｍである請求項１又は２記載の鋳造用砂型。
4. 上記砂型が、少なくとも２つの砂型部材を組み合わせてなる請求項１から３いずれかに記載の鋳造用砂型。
5. 砂型鋳造法に用いる鋳造用砂型の製造方法において、
   型枠内に最終製品とほぼ同形状の木型を配置するステップＡ、
   型枠内に銅粒を装填して木型を覆うように銅粒層を形成するステップＢ、
   型枠内に鋳物砂を充填して砂型本体部を構成する鋳物砂層を形成するステップＣ、
   及び木型を取り除くステップＤ、
   を有することを特徴とする鋳造用砂型の製造方法。
6. 上記ステップＢが、
   上記型枠内に、木型を取り囲む内枠を配置するステップＢ１、
   その内枠内に銅粒を装填して木型を覆うように銅粒層を形成するステップＢ２、
   を備えた請求項５記載の鋳造用砂型の製造方法。
7. 上記ステップＢが、更に、
   上記ステップＢ２の後に上記銅粒層を粘結剤を用いて固化させるステップＢ３、
   を備えた請求項５又は６記載の鋳造用砂型の製造方法。
8. 上記ステップＢが、更に、
   上記ステップＢ３の後に上記内枠を取り除くステップＢ４、
   を備えた請求項６又は７記載の鋳造用砂型の製造方法。
9. 上記木型が少なくとも２つの木型部材で構成され、各木型部材を用いてそれぞれ砂型部材を形成し、各砂型部材を組み合わせて砂型を形成する請求項５から８いずれかに記載の鋳造用砂型の製造方法。
10. 上記請求項１から４いずれかに記載の鋳造用砂型のキャビティ内に金属溶湯を注湯し、その金属溶湯を凝固させてなることを特徴とする鋳造製品。
    

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