JP2005502473A - 鋳物の製造方法、鋳型砂、および該製造方法への該鋳型砂の使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高品質の複雑な鋳物を製造する方法および鋳造後に鋳型部品を単純かつ確実に鋳物から除去する方法に関する。本発明の方法は、下記の工程：溶湯浴に対して不活性であり昇温時の膨張係数が珪砂より小さく流動性のある主鋳型材と、昇温時の膨張挙動がこの主鋳型材とは異なる粘結剤とを混合して鋳型材料を作製する工程、この鋳型材料から鋳型部品を作成する工程、この鋳型部品を用いて鋳型を組み立てる工程、この鋳型に溶湯浴を注湯して鋳物を形成する工程、この鋳物を冷却して凝固および降温させる間に上記鋳型部品が自動的に破砕する工程、鋳物から鋳型部品の破砕片を除去する工程、および鋳型材料の破砕片を再処理して流動性のある主鋳型材にする工程を含む。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶湯、特に軽金属溶湯、例えばアルミニウム溶湯から鋳物を製造する方法に関する。
【０００２】
本発明は更に、金属溶湯、特に軽金属溶湯、例えばアルミニウム溶湯の鋳造に用いる鋳型材料および鋳型部品作製へのその使用にも関する。ここで、鋳型部品としては、例えば鋳物の内部に空洞を形成するための中子がある。同様に、本発明の鋳型部品としては、鋳物の外形を決める分割鋳型の各構成部材も含まれる。
【背景技術】
【０００３】
鋳造法によって金属製の構造部材を製造するには、鋳造対象とする工作物の内部形状と外部形状を決める鋳型部品が必要である。このような鋳型部品としては、鋳物の内部に空洞を形成するための中子があるし、また、鋳物の外形を決める分割鋳型の各構成部材がある。
【０００４】
鋳型部品を製造するには、通常は、主鋳型材と粘結剤とから成る鋳型材料を用いる。これら２成分を混ぜ合わせ、成形し、適切な硬化処理を施して、成形体とする。主鋳型材としては、通常は珪砂が用いられており、多くの場合その結合には有機粘結剤を用いる。
【０００５】
鋳型部品を製造するための主鋳型材として珪砂を用いることは、特に軽金属材料の鋳物分野で多くの利点がある。すなわち、珪砂は安価であり、処理が容易で、個々の鋳物に応じて鋳型構成部材の造型が良好にできる。
【０００６】
有機粘結剤に対して環境適合性が良い代替品として、水ガラス系の粘結剤が提唱されている。この水ガラス粘結剤を鋳型砂と混合する。得られた混合物を造型機の造型ボックス内に投入する。造型ボックス内の空洞は、鋳型部品の形状を表している。次に、加熱により、型内に導入された混合物を脱水する。この加熱は、造型ボックスを加熱するか、あるいは、マイクロ波加熱により混合物を直接加熱する（WO-A-86/00033、EP0917499B1、DE19632293A1)。
【０００７】
金属溶湯の鋳造において最良の結果を確保するには、鋳型部品の作製に用いる鋳型材料は、鋳型作製中および溶湯の鋳造中に負荷される荷重下でも高強度と高い寸法安定性を維持しなくてはならない。また、鋳型材料は、鋳造後に容易に除去できなくてはならない。このことは、鋳物の複雑な内部形状を形作るために中子を用いる場合は特に重要になる。
【０００８】
更に、鋳型材料は使用後に、主鋳型材の再利用率ができるだけ高くなるような仕方で、再生可能でなくてはならない。これは、鋳型部品の作製中に放出物が少なく且つ鋳造プロセス終了後に十分な高温の作用下でほとんど残留物を出さずに焼却できる無機粘結剤を公知の方法で用いることにより達成できる。
【０００９】
実操業の経験では、公知の鋳型材料は、粘結剤が有機であるか無機であるかによらず、通常の条件下では最良の製造結果を得るのに必要な性質を備えている。
【００１０】
しかし特に、例えばエンジンブロックやシリンダーヘッドの鋳造の際に、オイル流路用の中子(mold cores)として用いる肉厚の薄い鋳型部品の場合には、不可避的に発生する熱膨張によって、鋳物に要求される寸法安定性を確保できなくなる。
【００１１】
また、従来方法で製造された鋳型部品を用いる複雑形状の鋳物の問題として、冷却後に鋳物から砂を除去することが非常に困難であった。そのため通常は、鋳物を振動させたり打撃したりして、鋳物内部の中子と鋳物外部に付着している鋳型部品とを崩壊させ、鋳型材料粒子を流出させて回収している。しかし、このような機械的方法で鋳型部品を除去すると鋳物を損傷させる危険がある。例えば、繊細な形状や薄肉の鋳物は割れが発生する可能性がある。
【００１２】
その対策として、鋳物に影響を及ぼす機械的な手段は用いずに、鋳物を十分に加熱して粘結剤を燃焼させ主鋳型材のみを残留させると、主鋳型材を流動性のある材料として鋳物の内部および外部から容易に除去できる。これを実行するにはかなりの設備費が必要になる。その上、粘結剤を燃焼させるのに必要な温度は非常に高いため、金属である鋳物の性質が影響を受けざるを得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、高品質の複雑な形状の鋳物の製造を可能とする方法であって、鋳造プロセス終了後に鋳物の内部および外部から簡単かつ危険なしに鋳型部品を除去できる方法を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は更に、高品質の複雑な形状の鋳物の製造に適した鋳型部品を作製できる鋳型材料であって、鋳造プロセス終了後に鋳物の内部および外部から簡単かつ危険なしに鋳型部品を除去できる鋳型材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、金属溶湯、特に軽金属溶湯から鋳物を製造する方法であって、下記の工程：
鋳型材料で鋳型部品を作製する工程であって、該鋳型材料は、上記金属溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との混合物であり、上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動は相互に調整されている、
上記鋳型部品を用いて鋳型を組み立てる工程、
上記金属溶湯を上記鋳型に注湯して鋳物を形成させる工程、
上記鋳物を冷却して凝固および降温させる工程であって、その際に、上記鋳型部品は自発的に崩壊して砕片になる、
上記鋳物の内部および外部から上記砕片を取り除く工程、および
上記鋳型材料の破片を再処理して、流動性のある主鋳型材にする工程
を含む方法が提供される。
【００１６】
また、上記の目的を達成するために、本発明によれば、金属溶湯、特に軽金属溶湯の鋳造用の鋳型部品を作製するための鋳型材料であって、上記溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との流動性混合物から成る鋳型材料において、
上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動が相互に調整されていることを特徴とする鋳型材料も提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、適切な鋳型材料を選択することにより、高品質で寸法安定性を備えた鋳物を簡単にかつ高い信頼性と環境適合性とを持って製造するために必要な性質を兼ね備えた鋳型部品を製造できるという理解に基づいている。
【００１８】
本発明の鋳型材料は、高品質の鋳物を単純な方法で製造するための前提となる諸性質を兼ね備えている。そのために、本発明の鋳型材料の構成成分である主鋳型材は粒状またはそれに相当する状態であり、流動性があり、鋳造中に不可避的に発生する加熱状態における熱膨張が従来用いられていた珪砂よりも大幅に小さい。この主鋳型材は更に、肉厚が薄くても、複雑形状の鋳物を製造する際に高い寸法安定性を確保できる。
【００１９】
非拘束状態において流動性がある本発明の主鋳型材は、熱膨張挙動の異なる粘結剤と混合される。主鋳型材と粘結剤との熱膨張が異なるため、鋳造熱により加熱されると粘結剤が主鋳型材の粒子から離脱する。その結果、主鋳型材よりも強く膨張する粘結剤が鋳型部品を爆破し、それにより一体性を失った鋳型部品は鋳物の内部および外部から容易に除去できる。逆に、主鋳型材の膨張挙動は、昇温過程で生ずる体積変化によって粘結剤との結合が断ち切られ、流動性のある状態に戻る、ということもある。基本的な要因は、昇温に伴い鋳型部材が破壊し、鋳物の冷却後に崩壊してバラバラの分断片になって容易に除去される、ということである。
【００２０】
本発明の鋳型材料の熱膨張挙動を、鋳造する金属溶湯の熱膨張挙動に合わせて調節したことにより、かつ、流動性のある主鋳型材を用いてこの鋳型材料を作製したことにより、鋳物の冷却後に、この鋳物に少なくとも部分的に取り囲まれている鋳型部品やこの鋳物に隣接している鋳型部品が冷却過程で発生する力によってバラバラに破壊されて分断片になり、容易に除去できる。ここで鋳型部品を破壊する力は、鋳造された金属と鋳型材料との熱膨張差によって発生する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、アルミニウム溶湯から鋳物を鋳造する場合に適用すると特に効果が大きい。アルミニウムは熱膨張係数が大きいので、溶湯の鋳造および高温過程において、鋳型部品はそれが接触している鋳物の部位から作用する大きな力によって破壊されて小さい砕片になる。鋳型部品が中子である場合にこれは特に効果的である。
【００２２】
本発明により作製した鋳型材料とその使用による別の特徴として、粘結剤と主鋳型材を互いに調整することにより、この鋳型材料で作製した鋳型部品は、主鋳型材の粒子が熱的に安定であり、かつ粘結剤によって弾性的に接合されない。
【００２３】
このようにして構成した主鋳型材を用いて作製した鋳型部品は、金属溶湯の鋳造過程の全温度領域に渡って、脆い状態で推移し、その結果、本発明の狙いとする鋳型部品崩壊が促進される。
【００２４】
鋳型の粘結剤は熱の作用で崩壊しないように選定することが望ましい。そうすれば、中子内で大量の放出が発生して鋳型の型崩れが起きる、という望ましくない状況を回避できる。
【００２５】
本発明の別の望ましい実施形態においては、主鋳型材の粒子は実質的に丸く、球形である。球形の主鋳型材粒子は相互の接触が点で行なわれるため、溶湯の鋳造および凝固の過程で生ずる機械的な力による鋳型部品の自発的な崩壊が容易になる。この条件に特に良く合致する主鋳型材は、人工的に合成したムライトである。したがって、本発明の望ましい実施形態によれば、主鋳型材は少なくとも一部分として酸化アルミニウム砂（ムライト）を含有しており、望ましくは珪砂の５０％以上あるいは７０％以上を置き換える量で含有している。ムライトは丸い粒子形状をしており、密度は珪砂と同等である。ムライトを用いて製造した鋳型材料は、例えば公知のＺｒＯ２砂と比べて、処理が大幅に容易になる。鋳型部材を機械的手段で崩壊させた場合と比べて、ムライト粒子が丸い球形をしていることにより、これを用いた主鋳型材は処理が非常に単純になるので、鋳型部材の製造に用いる工具および機械の摩耗が低減する。その上、ムライト含有量の多い鋳型材料は熱膨張が少ないので、肉厚の薄い複雑形状の鋳物を製造する際の寸法安定性が高い。
【００２６】
本発明による鋳型材料で作製した鋳型部品の崩壊は、金属溶湯の鋳造に対して遅延して自発的に起きるので、既に十分凝固が進んでいる鋳物の品質に対して悪影響を及ぼさない。
【００２７】
本発明の鋳型材料は、その特徴的な性質により、特に中子の製造に適している。鋳造後に鋳物に損傷を及ぼすことなく中子を除去できる。
【００２８】
ムライト−珪砂混合物から成る主鋳型材およびこれを用いて製造した鋳型材料は断熱作用を備えている。これを利用した用途として、珪砂の臨界温度である５７３℃より高温への加熱が実際に起き、ただしその温度では鋳型部品の熱伝導は従属的な役割を演じるかまたは熱伝導が意図的に限定される。
【００２９】
操業実験の結果では、珪砂に十分な量のムライトを添加することによって、薄肉の繊細な鋳物を製造する際に主鋳型材として珪砂のみを用いた場合に起きる自然発生的な形状変化という問題を予め解消できる。この観点で重要なことは、Ａｌ２ＳｉＯ５砂の割合を十分に大きくして、珪砂を用いて臨界温度より高温にしたときに生ずる長さの変化を補償する。
【００３０】
本発明の鋳型材料では更に、この鋳型材料で作製した鋳型部品の熱伝導が低くなるように粘結剤および主鋳型材が調整されていることが望ましい。これによる作用効果は、金属溶湯の鋳造後、鋳物の材料と鋳型部品との温度差がまだ大きいときに、熱的または化学的な原因で鋳型部品が早期崩壊する危険が最少になることである。
【００３１】
更に、鋳型材料の構成成分間の調整により、昇温時の主鋳型材と粘結剤の熱膨張に差を生じさせ、溶湯の鋳造時に発生する加熱下で両者間の結合を破断させることにより、中子の崩壊を促進する。
【００３２】
本発明は、粒などの形態を持つ粒子状で存在し且つ流動性がある主材料と、無機粘結剤との混合物から作製した鋳型材料により特に良く実現される。
【００３３】
無機粘結剤を用いる利点は、環境との適合性が高いこと、そして、これを用いて作製した鋳型部品は問題無く鋳型材料サイクルに戻せることである。この観点から、鋳型材料は水ガラスと本発明による主鋳型材料とを混合して作製することが望ましい。ここで重要な事項は、混合される成分間で膨張挙動が十分に異なることである。
【００３４】
この観点で特に有利なのは、主鋳型材と粘結剤との膨張が異なることである。そうすれば、鋳造熱による入熱が開始すると、粘結剤は主鋳型材の粒から離脱し始める。その結果粘結剤は主鋳型材より膨張が大きいと鋳型部品を破壊し、鋳型部品は一体性を失って崩壊し砕片となる。そして機械的な損傷を与える危険性なく、振動により鋳物の内部および外部から砕片を容易に除去できる。この実施形態において本発明の狙っている鋳型部品の自発的な崩壊を確実に起こさせるために必要なことは、結局は主鋳型材と粘結剤との熱膨張に差があることであり、それにより、鋳造熱の作用下で主鋳型材と粘結剤との間に熱応力が発生して、粘結剤が主鋳型材粒子から小片として剥離してバラバラに破砕することである。鋳型部品の硬化後に粘結剤がこのように脆く破砕する結果、主鋳型材の粒子間の結合が破断し、鋳型部品は崩壊する。その結果発生した、主鋳型材および粘結剤のバラバラな砕片の混合物は流動性があり、鋳物の内部および外部から容易に除去できる。
【００３５】
本発明の方法においては、鋳型部品の作製は、本発明の鋳型材料混合物を中子成形機の中子ボックス内に公知の方法で投入することによっても行なえる。鋳型材料を投入した後に、例えばＤＥ１９６３２２９３Ａ１に記載の方法により硬化させる。すなわち、中子ボックスの中空型内に低圧を負荷し、１００℃〜１６０℃に加熱し、中子型を中子ボックスによって２０〜３０秒加熱する。
【００３６】
この加熱により鋳型部品は硬化するので、中子ボックスから取り出して中子成形ボックスの外部に配置されたマイクロ波炉等の加熱装置内に挿入することができる。この加熱装置内で十分な熱出力で加熱し、十分に水分を除去し完全に硬化させる。
【００３７】
中子成形ボックスの外部に配置されたマイクロ波加熱装置の代替または補助として、水分除去のために中子ボックス自体を十分に加熱したりあるいは高温エアを吹き付けたりしてもよい。これらを中子ボックス外部の加熱と組み合わせることができる。水分除去の別の方法として、中子ボックス内に入れたままの中子型に直接にマイクロ波加熱を行なっても良い。
【００３８】
鋳型部品を中子ボックスの外部で加熱して硬化させる場合は、ここの鋳型部品に粘結剤液を噴霧して表面の硬さを増すことができる。この処理を施した鋳型部品は、安定性と耐摩耗性が高まり、保管に何の問題も生ぜず高い寸法安定性の要求に対応できる。これは、水ガラス粘結剤を用いて高品質の鋳物を製造する際に適用すると特に有利である。
【００３９】
以下に、実施形態を示す図面に基づき本発明をより詳細に説明する。添付図面は、鋳造用アルミニウム合金でシリンダーヘッドを鋳造するための鋳型のカムシャフト中子１を模式的に示す。
【実施例】
【００４０】
カムシャフト１の下面２に長さ方向に間隔を置いて凹部３、４が形成されており、作製対象であるシリンダーヘッドの支持部としてのピロ−ブロックの形状を規定している。凹部３、４の内部にはオイル流路中子８の枝部５、６がそれぞれ入り込んでおり、オイル流路中子８の主部７はカムシャフト中子１と平行かつ間隔を空けて延在している。枝部５、６の長さＡは直径Ｂに対して何倍も大きい。また、オイル流路中子８の主部７の長さＣは直径Ｄに対して何倍も大きい。
【００４１】
オイル流路中子８は、従来の投入成型機にて公知の方法により、ムライトと珪砂から成る主鋳型材に水ガラス粘結剤を混合した本発明の鋳型材料で作製したものである。ムライト砂を配合したことにより、シリンダーヘッドの鋳造に伴う熱の影響下、５７３℃より高温で、オイル流路中子８は均一かつ予測可能な仕方で膨張する。
【００４２】
純然たる珪砂のみから成る従来の主鋳型材で作製したオイル流路中子で発生していた枝部５、６の破壊、枝部５、６の間の主部７の伸び、そして主部７の両端の湾曲は、本発明により確実に回避される。本発明の組成を持つ鋳型材料を用いることにより、細長い流路を持つシリンダーヘッド等の鋳物を軽金属で確実に高精度で大量生産することができる。
【００４３】
金属溶湯、望ましくはアルミニウム等の軽金属溶湯の注湯中に、および、鋳物の金属がまだ流動性を持つ期間中に、中子１、８は主鋳型材と粘結剤の特性が本発明により調節されているため実質的に変形しない。主鋳型材の熱膨張が小さいことにより、鋳物の所要寸法が確実に得られる。
【００４４】
凝固および降温期間の後、鋳物は以降の処理に十分な強度になっており、一方、鋳造熱の作用により、そして、主鋳型材と粘結剤との熱膨張挙動の差によって、中子１、８は自発的に崩壊して砕片になり、鋳物から除去され、再処理される。凝固過程および凝固完了後の降温過程において、中子１、８はこれらより大きく収縮する鋳物金属から大きな機械的応力を受ける。その結果、脆くて弾力性の無い中子１、８は、バラバラに崩壊して粒状の砕片になる。中子砂は元々鋳物から剥離しているため、体積も硬さも小さい砕片は、単に振動エネルギーを付与するだけで鋳物から除去できる。従来技術では砂の除去に必要としていた圧搾空気ハンマーによる打撃は、本発明では必要としない。
【００４５】
中子の砕片は、穏やかに破壊する再処理によって粒状とすることができる。得られた粒状体に金属分離処理とダスト排出を行なって、再利用に適した状態にする。このようにして鋳型部品を粒状体として回収したら、本発明による組成の鋳型材料の主鋳型材として再使用する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明による鋳型材料は、合成ムライト等の主鋳型材に水ガラス粘結剤を混合したものなので、鋳型部品の作製中に実質的な排出物は生成しない。そのため、鋳造欠陥や、ガス吸引抽出用の処理や、従来ガス生成の結果繰り返し必要としていた工具の清浄化処理などを回避することができる。そして、環境への負荷や作業員の負担を最小限に軽減できる。
【００４７】
本発明の鋳型材料の主材料としてムライト等の不活性耐火材料を用いれば、粘結剤および溶湯に対する主鋳型材の化学的な耐性を確保できる。この性質により、本発明の方法によれば、中子等の鋳型部品の砕片を除去した後に、更に清浄化処理をしなくとも、表面に残留鋳型砂の付着が無い鋳物を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図1は、鋳造用アルミニウム合金でシリンダーヘッドを鋳造するための鋳型のカムシャフト中子１を模式的に示す。
【符号の説明】
【００４９】
１…カムシャフト中子
２…カムシャフト中子１の下面
３、４…凹部
５、６…オイル流路中子の枝部
７…オイル流路中子の主部
８…オイル流路中子
Ａ…枝部５、６の長さ
Ｂ…枝部５、６の直径
Ｃ…主部７の長さ
Ｄ…主部７の直径
【０００１】
本発明は、金属溶湯、特に軽金属溶湯、例えばアルミニウム溶湯から鋳物を製造する方法に関する。
【０００２】
本発明は更に、金属溶湯、特に軽金属溶湯、例えばアルミニウム溶湯の鋳造に用いる鋳型材料および鋳型部品作製へのその使用にも関する。ここで、鋳型部品としては、例えば鋳物の内部に空洞を形成するための中子がある。同様に、本発明の鋳型部品としては、鋳物の外形を決める分割鋳型の各構成部材も含まれる。
【背景技術】
【０００３】
鋳造法によって金属製の構造部材を製造するには、鋳造対象とする工作物の内部形状と外部形状を決める鋳型部品が必要である。このような鋳型部品としては、鋳物の内部に空洞を形成するための中子があるし、また、鋳物の外形を決める分割鋳型の各構成部材がある。
【０００４】
鋳型部品を製造するには、通常は、主鋳型材と粘結剤とから成る鋳型材料を用いる。これら２成分を混ぜ合わせ、成形し、適切な硬化処理を施して、成形体とする。主鋳型材としては、通常は珪砂が用いられており、多くの場合その結合には有機粘結剤を用いる。
【０００５】
鋳型部品を製造するための主鋳型材として珪砂を用いることは、特に軽金属材料の鋳物分野で多くの利点がある。すなわち、珪砂は安価であり、処理が容易で、個々の鋳物に応じて鋳型構成部材の造型が良好にできる。
【０００６】
有機粘結剤に対して環境適合性が良い代替品として、水ガラス系の粘結剤が提唱されている。この水ガラス粘結剤を鋳型砂と混合する。得られた混合物を造型機の造型ボックス内に投入する。造型ボックス内の空洞は、鋳型部品の形状を表している。次に、加熱により、型内に導入された混合物を脱水する。この加熱は、造型ボックスを加熱するか、あるいは、マイクロ波加熱により混合物を直接加熱する（WO-A-86/00033、EP0917499B1、DE19632293A1)。
【０００７】
金属溶湯の鋳造において最良の結果を確保するには、鋳型部品の作製に用いる鋳型材料は、鋳型作製中および溶湯の鋳造中に負荷される荷重下でも高強度と高い寸法安定性を維持しなくてはならない。また、鋳型材料は、鋳造後に容易に除去できなくてはならない。このことは、鋳物の複雑な内部形状を形作るために中子を用いる場合は特に重要になる。
【０００８】
更に、鋳型材料は使用後に、主鋳型材の再利用率ができるだけ高くなるような仕方で、再生可能でなくてはならない。これは、鋳型部品の作製中に放出物が少なく且つ鋳造プロセス終了後に十分な高温の作用下でほとんど残留物を出さずに焼却できる無機粘結剤を公知の方法で用いることにより達成できる。
【０００９】
実操業の経験では、公知の鋳型材料は、粘結剤が有機であるか無機であるかによらず、通常の条件下では最良の製造結果を得るのに必要な性質を備えている。
【００１０】
しかし特に、例えばエンジンブロックやシリンダーヘッドの鋳造の際に、オイル流路用の中子(mold cores)として用いる肉厚の薄い鋳型部品の場合には、不可避的に発生する熱膨張によって、鋳物に要求される寸法安定性を確保できなくなる。
【００１１】
また、従来方法で製造された鋳型部品を用いる複雑形状の鋳物の問題として、冷却後に鋳物から砂を除去することが非常に困難であった。そのため通常は、鋳物を振動させたり打撃したりして、鋳物内部の中子と鋳物外部に付着している鋳型部品とを崩壊させ、鋳型材料粒子を流出させて回収している。しかし、このような機械的方法で鋳型部品を除去すると鋳物を損傷させる危険がある。例えば、繊細な形状や薄肉の鋳物は割れが発生する可能性がある。
【００１２】
その対策として、鋳物に影響を及ぼす機械的な手段は用いずに、鋳物を十分に加熱して粘結剤を燃焼させ主鋳型材のみを残留させると、主鋳型材を流動性のある材料として鋳物の内部および外部から容易に除去できる。これを実行するにはかなりの設備費が必要になる。その上、粘結剤を燃焼させるのに必要な温度は非常に高いため、金属である鋳物の性質が影響を受けざるを得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、高品質の複雑な形状の鋳物の製造を可能とする方法であって、鋳造プロセス終了後に鋳物の内部および外部から簡単かつ危険なしに鋳型部品を除去できる方法を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は更に、高品質の複雑な形状の鋳物の製造に適した鋳型部品を作製できる鋳型材料であって、鋳造プロセス終了後に鋳物の内部および外部から簡単かつ危険なしに鋳型部品を除去できる鋳型材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、金属溶湯、特に軽金属溶湯から鋳物を製造する方法であって、下記の工程：
鋳型材料で鋳型部品を作製する工程であって、該鋳型材料は、上記金属溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との混合物であり、上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動は相互に調整されている、
上記鋳型部品を用いて鋳型を組み立てる工程、
上記金属溶湯を上記鋳型に注湯して鋳物を形成させる工程、
上記鋳物を冷却して凝固および降温させる工程であって、その際に、上記鋳型部品は自発的に崩壊して砕片になる、
上記鋳物の内部および外部から上記砕片を取り除く工程、および
上記鋳型材料の破片を再処理して、流動性のある主鋳型材にする工程
を含む方法が提供される。
【００１６】
また、上記の目的を達成するために、本発明によれば、金属溶湯、特に軽金属溶湯の鋳造用の鋳型部品を作製するための鋳型材料であって、上記溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との流動性混合物から成る鋳型材料において、
上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動が相互に調整されていることを特徴とする鋳型材料も提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、適切な鋳型材料を選択することにより、高品質で寸法安定性を備えた鋳物を簡単にかつ高い信頼性と環境適合性とを持って製造するために必要な性質を兼ね備えた鋳型部品を製造できるという理解に基づいている。
【００１８】
本発明の鋳型材料は、高品質の鋳物を単純な方法で製造するための前提となる諸性質を兼ね備えている。そのために、本発明の鋳型材料の構成成分である主鋳型材は粒状またはそれに相当する状態であり、流動性があり、鋳造中に不可避的に発生する加熱状態における熱膨張が従来用いられていた珪砂よりも大幅に小さい。この主鋳型材は更に、肉厚が薄くても、複雑形状の鋳物を製造する際に高い寸法安定性を確保できる。
【００１９】
非拘束状態において流動性がある本発明の主鋳型材は、熱膨張挙動の異なる粘結剤と混合される。主鋳型材と粘結剤との熱膨張が異なるため、鋳造熱により加熱されると粘結剤が主鋳型材の粒子から離脱する。その結果、主鋳型材よりも強く膨張する粘結剤が鋳型部品を爆破し、それにより一体性を失った鋳型部品は鋳物の内部および外部から容易に除去できる。逆に、主鋳型材の膨張挙動は、昇温過程で生ずる体積変化によって粘結剤との結合が断ち切られ、流動性のある状態に戻る、ということもある。基本的な要因は、昇温に伴い鋳型部材が破壊し、鋳物の冷却後に崩壊してバラバラの分断片になって容易に除去される、ということである。
【００２０】
本発明の鋳型材料の熱膨張挙動を、鋳造する金属溶湯の熱膨張挙動に合わせて調節したことにより、かつ、流動性のある主鋳型材を用いてこの鋳型材料を作製したことにより、鋳物の冷却後に、この鋳物に少なくとも部分的に取り囲まれている鋳型部品やこの鋳物に隣接している鋳型部品が冷却過程で発生する力によってバラバラに破壊されて分断片になり、容易に除去できる。ここで鋳型部品を破壊する力は、鋳造された金属と鋳型材料との熱膨張差によって発生する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、アルミニウム溶湯から鋳物を鋳造する場合に適用すると特に効果が大きい。アルミニウムは熱膨張係数が大きいので、溶湯の鋳造および高温過程において、鋳型部品はそれが接触している鋳物の部位から作用する大きな力によって破壊されて小さい砕片になる。鋳型部品が中子である場合にこれは特に効果的である。
【００２２】
本発明により作製した鋳型材料とその使用による別の特徴として、粘結剤と主鋳型材を互いに調整することにより、この鋳型材料で作製した鋳型部品は、主鋳型材の粒子が熱的に安定であり、かつ粘結剤によって弾性的に接合されない。
【００２３】
このようにして構成した主鋳型材を用いて作製した鋳型部品は、金属溶湯の鋳造過程の全温度領域に渡って、脆い状態で推移し、その結果、本発明の狙いとする鋳型部品崩壊が促進される。
【００２４】
鋳型の粘結剤は熱の作用で崩壊しないように選定することが望ましい。そうすれば、中子内で大量の放出が発生して鋳型の型崩れが起きる、という望ましくない状況を回避できる。
【００２５】
本発明の別の望ましい実施形態においては、主鋳型材の粒子は実質的に丸く、球形である。球形の主鋳型材粒子は相互の接触が点で行なわれるため、溶湯の鋳造および凝固の過程で生ずる機械的な力による鋳型部品の自発的な崩壊が容易になる。この条件に特に良く合致する主鋳型材は、人工的に合成したムライトである。したがって、本発明の望ましい実施形態によれば、主鋳型材は少なくとも一部分として酸化アルミニウム砂（ムライト）を含有しており、望ましくは珪砂の５０％以上あるいは７０％以上を置き換える量で含有している。ムライトは丸い粒子形状をしており、密度は珪砂と同等である。ムライトを用いて製造した鋳型材料は、例えば公知のＺｒＯ２砂と比べて、処理が大幅に容易になる。鋳型部材を機械的手段で崩壊させた場合と比べて、ムライト粒子が丸い球形をしていることにより、これを用いた主鋳型材は処理が非常に単純になるので、鋳型部材の製造に用いる工具および機械の摩耗が低減する。その上、ムライト含有量の多い鋳型材料は熱膨張が少ないので、肉厚の薄い複雑形状の鋳物を製造する際の寸法安定性が高い。
【００２６】
本発明による鋳型材料で作製した鋳型部品の崩壊は、金属溶湯の鋳造に対して遅延して自発的に起きるので、既に十分凝固が進んでいる鋳物の品質に対して悪影響を及ぼさない。
【００２７】
本発明の鋳型材料は、その特徴的な性質により、特に中子の製造に適している。鋳造後に鋳物に損傷を及ぼすことなく中子を除去できる。
【００２８】
ムライト−珪砂混合物から成る主鋳型材およびこれを用いて製造した鋳型材料は断熱作用を備えている。これを利用した用途として、珪砂の臨界温度である５７３℃より高温への加熱が実際に起き、ただしその温度では鋳型部品の熱伝導は従属的な役割を演じるかまたは熱伝導が意図的に限定される。
【００２９】
操業実験の結果では、珪砂に十分な量のムライトを添加することによって、薄肉の繊細な鋳物を製造する際に主鋳型材として珪砂のみを用いた場合に起きる自然発生的な形状変化という問題を予め解消できる。この観点で重要なことは、Ａｌ２ＳｉＯ５砂の割合を十分に大きくして、珪砂を用いて臨界温度より高温にしたときに生ずる長さの変化を補償する。
【００３０】
本発明の鋳型材料では更に、この鋳型材料で作製した鋳型部品の熱伝導が低くなるように粘結剤および主鋳型材が調整されていることが望ましい。これによる作用効果は、金属溶湯の鋳造後、鋳物の材料と鋳型部品との温度差がまだ大きいときに、熱的または化学的な原因で鋳型部品が早期崩壊する危険が最少になることである。
【００３１】
更に、鋳型材料の構成成分間の調整により、昇温時の主鋳型材と粘結剤の熱膨張に差を生じさせ、溶湯の鋳造時に発生する加熱下で両者間の結合を破断させることにより、中子の崩壊を促進する。
【００３２】
本発明は、粒などの形態を持つ粒子状で存在し且つ流動性がある主材料と、無機粘結剤との混合物から作製した鋳型材料により特に良く実現される。
【００３３】
無機粘結剤を用いる利点は、環境との適合性が高いこと、そして、これを用いて作製した鋳型部品は問題無く鋳型材料サイクルに戻せることである。この観点から、鋳型材料は水ガラスと本発明による主鋳型材料とを混合して作製することが望ましい。ここで重要な事項は、混合される成分間で膨張挙動が十分に異なることである。
【００３４】
この観点で特に有利なのは、主鋳型材と粘結剤との膨張が異なることである。そうすれば、鋳造熱による入熱が開始すると、粘結剤は主鋳型材の粒から離脱し始める。その結果粘結剤は主鋳型材より膨張が大きいと鋳型部品を破壊し、鋳型部品は一体性を失って崩壊し砕片となる。そして機械的な損傷を与える危険性なく、振動により鋳物の内部および外部から砕片を容易に除去できる。この実施形態において本発明の狙っている鋳型部品の自発的な崩壊を確実に起こさせるために必要なことは、結局は主鋳型材と粘結剤との熱膨張に差があることであり、それにより、鋳造熱の作用下で主鋳型材と粘結剤との間に熱応力が発生して、粘結剤が主鋳型材粒子から小片として剥離してバラバラに破砕することである。鋳型部品の硬化後に粘結剤がこのように脆く破砕する結果、主鋳型材の粒子間の結合が破断し、鋳型部品は崩壊する。その結果発生した、主鋳型材および粘結剤のバラバラな砕片の混合物は流動性があり、鋳物の内部および外部から容易に除去できる。
【００３５】
本発明の方法においては、鋳型部品の作製は、本発明の鋳型材料混合物を中子成形機の中子ボックス内に公知の方法で投入することによっても行なえる。鋳型材料を投入した後に、例えばＤＥ１９６３２２９３Ａ１に記載の方法により硬化させる。すなわち、中子ボックスの中空型内に低圧を負荷し、１００℃〜１６０℃に加熱し、中子型を中子ボックスによって２０〜３０秒加熱する。
【００３６】
この加熱により鋳型部品は硬化するので、中子ボックスから取り出して中子成形ボックスの外部に配置されたマイクロ波炉等の加熱装置内に挿入することができる。この加熱装置内で十分な熱出力で加熱し、十分に水分を除去し完全に硬化させる。
【００３７】
中子成形ボックスの外部に配置されたマイクロ波加熱装置の代替または補助として、水分除去のために中子ボックス自体を十分に加熱したりあるいは高温エアを吹き付けたりしてもよい。これらを中子ボックス外部の加熱と組み合わせることができる。水分除去の別の方法として、中子ボックス内に入れたままの中子型に直接にマイクロ波加熱を行なっても良い。
【００３８】
鋳型部品を中子ボックスの外部で加熱して硬化させる場合は、ここの鋳型部品に粘結剤液を噴霧して表面の硬さを増すことができる。この処理を施した鋳型部品は、安定性と耐摩耗性が高まり、保管に何の問題も生ぜず高い寸法安定性の要求に対応できる。これは、水ガラス粘結剤を用いて高品質の鋳物を製造する際に適用すると特に有利である。
【００３９】
以下に、実施形態を示す図面に基づき本発明をより詳細に説明する。添付図面は、鋳造用アルミニウム合金でシリンダーヘッドを鋳造するための鋳型のカムシャフト中子１を模式的に示す。
【実施例】
【００４０】
カムシャフト１の下面２に長さ方向に間隔を置いて凹部３、４が形成されており、作製対象であるシリンダーヘッドの支持部としてのピロ−ブロックの形状を規定している。凹部３、４の内部にはオイル流路中子８の枝部５、６がそれぞれ入り込んでおり、オイル流路中子８の主部７はカムシャフト中子１と平行かつ間隔を空けて延在している。枝部５、６の長さＡは直径Ｂに対して何倍も大きい。また、オイル流路中子８の主部７の長さＣは直径Ｄに対して何倍も大きい。
【００４１】
オイル流路中子８は、従来の投入成型機にて公知の方法により、ムライトと珪砂から成る主鋳型材に水ガラス粘結剤を混合した本発明の鋳型材料で作製したものである。ムライト砂を配合したことにより、シリンダーヘッドの鋳造に伴う熱の影響下、５７３℃より高温で、オイル流路中子８は均一かつ予測可能な仕方で膨張する。
【００４２】
純然たる珪砂のみから成る従来の主鋳型材で作製したオイル流路中子で発生していた枝部５、６の破壊、枝部５、６の間の主部７の伸び、そして主部７の両端の湾曲は、本発明により確実に回避される。本発明の組成を持つ鋳型材料を用いることにより、細長い流路を持つシリンダーヘッド等の鋳物を軽金属で確実に高精度で大量生産することができる。
【００４３】
金属溶湯、望ましくはアルミニウム等の軽金属溶湯の注湯中に、および、鋳物の金属がまだ流動性を持つ期間中に、中子１、８は主鋳型材と粘結剤の特性が本発明により調節されているため実質的に変形しない。主鋳型材の熱膨張が小さいことにより、鋳物の所要寸法が確実に得られる。
【００４４】
凝固および降温期間の後、鋳物は以降の処理に十分な強度になっており、一方、鋳造熱の作用により、そして、主鋳型材と粘結剤との熱膨張挙動の差によって、中子１、８は自発的に崩壊して砕片になり、鋳物から除去され、再処理される。凝固過程および凝固完了後の降温過程において、中子１、８はこれらより大きく収縮する鋳物金属から大きな機械的応力を受ける。その結果、脆くて弾力性の無い中子１、８は、バラバラに崩壊して粒状の砕片になる。中子砂は元々鋳物から剥離しているため、体積も硬さも小さい砕片は、単に振動エネルギーを付与するだけで鋳物から除去できる。従来技術では砂の除去に必要としていた圧搾空気ハンマーによる打撃は、本発明では必要としない。
【００４５】
中子の砕片は、穏やかに破壊する再処理によって粒状とすることができる。得られた粒状体に金属分離処理とダスト排出を行なって、再利用に適した状態にする。このようにして鋳型部品を粒状体として回収したら、本発明による組成の鋳型材料の主鋳型材として再使用する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明による鋳型材料は、合成ムライト等の主鋳型材に水ガラス粘結剤を混合したものなので、鋳型部品の作製中に実質的な排出物は生成しない。そのため、鋳造欠陥や、ガス吸引抽出用の処理や、従来ガス生成の結果繰り返し必要としていた工具の清浄化処理などを回避することができる。そして、環境への負荷や作業員の負担を最小限に軽減できる。
【００４７】
本発明の鋳型材料の主材料としてムライト等の不活性耐火材料を用いれば、粘結剤および溶湯に対する主鋳型材の化学的な耐性を確保できる。この性質により、本発明の方法によれば、中子等の鋳型部品の砕片を除去した後に、更に清浄化処理をしなくとも、表面に残留鋳型砂の付着が無い鋳物を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図1は、鋳造用アルミニウム合金でシリンダーヘッドを鋳造するための鋳型のカムシャフト中子１を模式的に示す。
【符号の説明】
【００４９】
１…カムシャフト中子
２…カムシャフト中子１の下面
３、４…凹部
５、６…オイル流路中子の枝部
７…オイル流路中子の主部
８…オイル流路中子
Ａ…枝部５、６の長さ
Ｂ…枝部５、６の直径
Ｃ…主部７の長さ
Ｄ…主部７の直径
Claims (17)
- 金属溶湯、特に軽金属溶湯から鋳物を製造する方法であって、下記の工程：
鋳型材料で鋳型部品を作製する工程であって、該鋳型材料は、上記金属溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との混合物であり、上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動は相互に調整されている、
上記鋳型部品を用いて鋳型を組み立てる工程、
上記金属溶湯を上記鋳型に注湯して鋳物を形成させる工程、
上記鋳物を冷却して凝固および降温させる工程であって、その際に、上記鋳型部品は自発的に崩壊して砕片になる、
上記鋳物の内部および外部から上記砕片を取り除く工程、および
上記鋳型材料の破片を再処理して、流動性のある主鋳型材にする工程
を含む方法。 - 先行する請求項のうちの１項に記載の方法であって、前記鋳型部品を作製する工程において、
上記鋳型材料を中子ボックス内に形成された中空型内に投入し、
上記中子ボックス内に投入された上記鋳型材料を加熱により予備硬化させて上記鋳型部品を形成し、
上記上記中子ボックスの外部に配置された加熱装置内で上記鋳型部品を硬化させることを特徴とする方法。 - 請求項２記載の方法において、上記加熱装置がマイクロ波加熱手段を備えていることを特徴とする方法。
- 請求項２または３記載の方法において、上記硬化させる前に、上記鋳型部品に粘結剤を噴霧することを特徴とする方法。
- 先行する請求項のうちの１項記載の方法において、上記鋳型材料の砕片を再処理する工程が、上記砕片の破壊、金属の分離、粒子間の分離、および／または粉塵除去を含むことを特徴とする方法。
- 金属溶湯、特に軽金属溶湯の鋳造用の鋳型部品を作製するための鋳型材料であって、上記溶湯に対して不活性であり流動性のある主鋳型材と、粘結剤との混合物から成る鋳型材料において、
上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品の熱膨張係数より上記金属溶湯の熱膨張係数が大きくなるように、該主鋳型材および該粘結剤の熱膨張挙動が相互に調整されていることを特徴とする鋳型材料。 - 請求項６記載の鋳型材料において、上記粘結剤は加熱された際に上記主鋳型材とは異なる膨張をすることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項６または７記載の鋳型材料において、上記粘結剤は鋳造時の熱の影響下で安定であることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項６から８までの１項記載の鋳型材料において、上記粘結剤は水ガラス粘結剤であることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項６から９までの１項記載の鋳型材料において、上記主鋳型材が合成ムライトを含有していることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項１０記載の鋳型材料において、上記主鋳型材が完全にムライトから成ることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項７から１１までの１項記載の鋳型材料において、上記金属溶湯がアルミニウム溶湯であることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項７から１２までの１項記載の鋳型材料において、上記主鋳型材料が、実質的に球形である粒子から成ることを特徴とする鋳型材料。
- 請求項７から１３までの１項記載の鋳型材料において、鋳造する金属よりも熱伝導率が低いことを特徴とする鋳型材料。
- 請求項１から５までの１項記載の方法を実施するための、請求項７から１４までの１項記載の主鋳型材料の使用。
- 請求項１５記載の使用において、上記鋳型材料で作製された上記鋳型部品が中子であることを特徴とする使用。
- 請求項１６記載の使用において、鋳型部品の長さ（Ａ、Ｃ）が直径（Ｂ、Ｄ）より何倍も大きいことを特徴とする使用。
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