JP2008012554A - 砂鋳型造型用金型及び砂鋳型の造型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすること。
【解決手段】砂と粘結剤とを混練した混練砂をキャビティ内に吹き込むための吹き込み口を有する砂鋳型造型用金型において、前記キャビティを形成する前記金型の表面のうち、前記吹き込み口に対峙する対峙部分がジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍであることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は砂鋳型の造型技術に関し、特に粘結剤の金型表面へのしみつきを防止する技術に関する。

砂鋳型の造型は、砂と粘結剤とを混練した混練砂を圧縮空気により金型内のキャビティに吹き込み、キャビティ内にこれを充填することにより行なわれる。混練砂を構成する砂は一般に２００μｍ乃至３００μｍ程度の粒径のものが用いられ、また、粘結剤としては、例えば、フェノール樹脂及びポリイソシアネート化合物から構成される。また、金型の材料としては鋳鉄が一般的である。

キャビティに混練砂を吹き込むと、キャビティを形成する金型の表面のうち、混練砂の吹込み口に対峙する対峙部分に混練砂が高速で衝突する。このため、混練砂の吹き込み回数（ショット回数）の増加に伴って対峙部分が磨耗し、混練砂に含まれる粘結剤が対峙部分に付着する、いわゆる染み付きが生じる。粘結剤のしみつきは砂鋳型の表面を陥没させる等、砂鋳型の品質低下の原因となり、その砂鋳型により鋳造される鋳造品の品質低下を招くことになる。粘結剤の染み付きを防止する技術として例えば特許文献１には金型表面をフッ素樹脂等を有するめっきで被覆することが開示されている。

特開２００３−２４５７５２号公報

一般に砂鋳型造型用金型は高価であり、できるだけその寿命が長い方が望ましく、数万回以上の混練砂の吹き込みに耐久できることが望まれる。特許文献１のように金型表面をめっきで被覆すると、吹き込み回数が増えるに従ってめっきが剥がれる畏れがあり、めっきが剥がれると粘結剤の染み付き防止効果が低下する。その結果、砂鋳型の品質が低下し、金型の交換サイクルが短くなる。

従って、本発明の目的は、粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすることにある。

本発明によれば、砂と粘結剤とを混練した混練砂をキャビティ内に吹き込むための吹き込み口を有する砂鋳型造型用金型において、前記キャビティを形成する前記金型の表面のうち、前記吹き込み口に対峙する対峙部分がジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍであることを特徴とする砂鋳型造型用金型が提供される。

本発明の砂鋳型造型用金型では前記対峙部分の表面の平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍにされる。粘結剤の染み付き易さは砂の粒径と金型の表面粗さとに関係し、粒径が０．２乃至０．３ｍｍ程度の一般的な砂を混練砂に用いた場合、前記対峙部分の平均粗さを上記の範囲とすることで粘結剤を染み付きにくくすることができる。そして、前記対峙部分をジュラルミン材料又はダイス鋼で構成し、かつ、ショットピーニング処理で表面粗さを上記の通りにすることで前記対峙部分の耐磨耗性能を向上し、当該対峙部分の表面粗さを長期間維持する。こうして本発明では粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすることができる。

本発明において、前記ジュラルミン材料は好ましくはＡ７０７５である。また、前記ダイス鋼は好ましくはＳＫＤ１１である。

本発明においては、前記対峙部分を含む前記金型全体をジュラルミン材料で構成することもできる。この構成によれば、前記金型の軽量化を図ることができ、前記金型の取扱いを容易にすることができる。

また、本発明によれば、砂と粘結剤とを混練した混練砂を、砂鋳型造型用金型の吹き込み口からそのキャビティ内に吹き込むことにより、砂鋳型を造型する砂鋳型の造型方法において、前記キャビティを形成する前記金型の表面のうち、前記吹き込み口に対峙する対峙部分がジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍである砂鋳型造型用金型を用いることを特徴とする砂鋳型の造型方法が提供される。

この造型方法では、前記砂鋳型造型用金型を用いることにより、粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすることができる。

以上述べた通り、本発明によれば、粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る砂鋳型造型用金型Ａを用いた砂鋳型の造型装置１００の構成図である。造型装置１００はコールドボックス鋳型造型装置であって、ガス硬化性の混練砂１２２を収容する収容部１１１を有するブローヘッド１１０を備える。混練砂１２２は、例えば、フェノール樹脂及びポリイソシアネート化合物からなる粘結剤と溶剤とを含み、骨材である砂の表面が粘結剤及び溶剤に覆われてなる。

収容部１１１の上方には混練部１１２が設けられている。混練部１１２には砂、粘結剤、溶剤が投入される。混練部１１２には攪拌機１１３が配設されており、混練部１１２に投入された砂、粘結剤、溶剤は攪拌機１１３により均一に混練、混練砂１２２が生成される。混練部１１２と収容部１１１との間はシャッタ１１４により仕切られている。シャッタ１１４は開閉装置１１５により開閉され、その開閉時には混練部１１２で生成された混練砂１２２が収容部１１１へ落下し、収容部１１１へ混練砂１２２が供給されることになる。

ブローヘッド１１０の下方には収容部１１１内の混練砂１２２を砂鋳型造型用金型Ａへ吹き出すための複数のブローノズル１１６が配設されている。収容部１１１の上方にはエアノズル１１７が配設されており、エアノズル１１７から収容部１１１内へ圧縮空気が供給される。この圧縮空気により収容部１１１内の混練砂１２２はブローノズル１１６から吹き出され、砂鋳型造型用金型Ａ内に混練砂１２２が充填されることになる。

エアノズル１１７には制御弁１１８及びエアタンク１１９が接続されている。エアタンク１１９には不図示のコンプレッサが接続されてエアタンク１１９内に所定の圧力の圧縮空気が常時充填される。制御弁１１８は混練砂１２２を砂鋳型造型用金型Ａ内に吹き出す場合に開放し、エアタンク１１９内の圧縮空気がエアノズル１１７から収容部１１１内へ供給されることになる。

溶剤供給装置１２１は収容部１１１内へ溶剤を噴霧する装置である。混練砂１２２を砂鋳型造型用金型Ａへ吹き出すと、混練砂１２２の溶剤がある程度吹き飛ぶため、溶剤供給装置１２１は金型Ａへの混練砂１２２の１回の吹き出し毎に収容部１１１内に残存する混練砂１２２へ溶剤を補充する。

砂鋳型造型用金型Ａは上型１０と下型２０とからなり、両者により混練砂１２２が吹き込まれるキャビティ３０が形成されている。上型１０は各ブローノズル１１６に対応して開口した吹き込み口１１が形成されている。吹き込み口１１はキャビティ３０と連通しており、ブローノズル１１６から吹き出された混練砂１２２は吹き込み口１１を介してキャビティ３０内へ吹き込まれることになる。

キャビティ３０を形成する砂鋳型造型用金型Ａの表面のうち、吹き込み口１１に対峙する、下型２０の対峙部分にはその表面を構成する表面構成部材２１が埋め込まれている。表面構成部材２１はジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面（キャビティ３０形成面）にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）が４乃至１５μｍである。表面構成部材２１をこのように構成することで、後述するように混練砂１２２の粘結剤の染み付きを防止することができる。

本実施形態では表面構成部材２１をジュラルミン材料又はダイス鋼で構成する場合を例示するが、砂鋳型造型用金型Ａ全体をジュラルミン材料で構成することもできる。ジュラルミン材料は、砂鋳型造型用金型Ａとして一般的に用いられている鋳鉄よりも軽いため、その交換、搬送等の取扱いが容易となる。なお、上記ジュラルミン材料としては、超超ジュラルミン材料であるＡ７０７５を用いることが望ましいがＡ６０６１を用いることも可能である。

下型２０にはエアベント２２が設けられている。このエアベント２２は混練砂１２２の吹き込みの際、圧縮空気の逃げ口となるものである。

次に、造型装置１００による砂鋳型の造型方法について説明する。造型装置１００は不図示の制御装置により自動運転される。まず、溶剤供給装置１２１から収容部１１１内へ溶剤が噴霧され、収容部１１１内の混練砂１２２に溶剤が補充される。次に、エアノズル１１７から圧縮空気が収容部１１１内に供給され、これにより収容部１１１内の混練砂１２２がブローノズル１１６から吹き出され、吹き込み口１１からキャビティ３０内に混練砂１２２が吹き込まれ、充填される。

混練砂１２２がキャビティ３０に充填されると、ブローヘッド１１０が砂鋳型造型用金型Ａから離れて退避し、砂鋳型造型用金型Ａに不図示の硬化ガス導入装置が接続され、キャビティ３０内に硬化ガス（例えばトリエチルアミンガス）が導入される。これにより混練砂１２２が硬化する。混練砂１２２が硬化すると、これを砂鋳型造型用金型Ａから抜型し、硬化した混練砂１２２からなる砂鋳型が取り出される。以上により一単位の作業が終了する。

＜評価試験＞
表面構成部材２１に相当する試験片を作成し、その評価試験を行なった。図２（ａ）は評価試験に用いた６種類の試験片の仕様の説明図である。試験片は大別するとその材料がダイス鋼（ＳＫＤ１１）のものと、ジュラルミン（Ａ７０７５）とに分けられる。各試験片の表面にはショットピーニング処理を施し、表面粗さを異なるものとした。ショットピーニング処理は、粒径の異なる３種類の鉄鋼球を投射材とし、エアー式（直圧）により行なった。ショットピーニング条件は図２（ａ）に示す通りである。評価試験として上記の試験片を用いて耐久試験と染み付き評価試験とを行なった。まず、耐久試験結果について説明する。

耐久試験は６種類の試験片を造型装置１００相当のブローイング装置の金型の吹き出し口に対峙する部分にセットし、実際に混練砂を吹き込むことにより行い、混練砂の吹き込み回数の増加に伴う試験片の表面粗さの変化を調べた。混練砂は、一般的に用いられる粒径３００μｍ程度の再生砂を用い、粘結剤はフェノール樹脂及びポリイソシアネート化合物から構成されるレジンを用いた。混練砂における粘結剤の添加量は１重量％であり、また、１回の吹き込みに用いた混練砂の重量は約４ｋｇである。吹き込み時の圧縮空気の圧力は０．３ＭＰａであり、吹き込み口から試験片までの距離は１８ｍｍである。

図２（ｂ）は各試験片の耐久試験結果を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の耐久試験結果をグラフ化した図である。なお、いずれの試験片においても、表面粗さの測定は十点平均粗さ（Ｒｚ）に基づく。図２（ｂ）及び（ｃ）の試験結果を見ると、吹き込み回数が１０００回までは試験片の表面粗さが大きく変化しているが、１０００回を超えると概ね安定していることが分かる。

この試験結果から、ダイス鋼（ＳＫＤ１１）及びジュラルミン（Ａ７０７５）は耐磨耗性が高く、また、ショットピーニング処理により形成された表面粗さは、処理後の初期状態（吹き込み回数：１０００回まで）を経過すると安定し、一定の表面粗さを維持できることが分かる。

次に、染み付き評価試験について説明する。染み付き評価試験は耐久試験と同じ仕様の６種類の試験片を用いて行い、試験片の表面粗さと染み付きの程度を調べた。混練砂及びブローイング装置は耐久試験と同じものである。評価試験は、混練砂の吹き込み回数の累積値が５７０回の時点で金型表面を一旦洗浄し、その後、混練砂の吹き込み回数が３４５回の時点で染み付き具合及び表面粗さを測定した。図３は、染み付き評価試験に用いた金型（下型２０に相当）の評価時の平面図（写真）、図４は各試験片の拡大図（写真）である。６種類の試験片をそれぞれ２つずつ金型に埋込み、評価した。

図４において、平均粗さ（Ｒａ）は、各種類毎の２つの試験片について、それぞれ２部位の算術平均粗さ（Ｒａ）を測定し、その４つの測定結果の平均値をとったものである。最大高さ（Ｒｍａｘ）も同様に、各種類毎の２つの試験片について、それぞれ２部位の最大高さ（Ｒｍａｘ）を測定し、その４つの測定結果の平均値をとったものである。

図４の試験結果を見ると、平均粗さ（Ｒａ）が小さい方が相対的に染み付きが多くなっており、平均粗さ（Ｒａ）が３．９２μｍである試験片：ＳＫＤ１１−０２５の染み付きは砂鋳型の品質に影響を与える程度の染み付きが生じている。また、平均粗さ（Ｒａ）が４．６９μｍである試験片：ＳＫＤ−０６０では染み付きが確認できるが、砂鋳型の品質に大きな影響を与える程度のものではない。このことから、表面構成部材２１の表面粗さ（Ｒａ）は４μｍ以上であれば、砂鋳型の品質に大きな影響を与える程度の染み付きが生じないと考えられる。また、材料の相違で見ると、ダイス鋼（ＳＫＤ１１）よりもジュラルミン（Ａ７０７５）の方が染み付きの程度が小さい。よって、表面構成部材２１の材料は特にジュラルミン（Ａ７０７５）が好適である。

次に、表面粗さ（Ｒａ）の上限について検討すると、図４の試験結果から見ると、表面粗さ（Ｒａ）の値が大きい方が染み付きの度合いが小さくなっている。しかし、混練砂の粒径との関係から、表面粗さ（Ｒａ）の値が大きすぎると、混練砂と表面構成部材２１との接触面積が大きくなり、付着性が高まり、染み付きが大きくなると考えられる。従って、混練砂と表面構成部材２１との接触面積はできるだけ小さい方が望ましい。よって、表面粗さ（Ｒａ）は１５μｍ以下であると、染み付きの低減効果が高められる。この点を図５を参照して説明する。図５は平均粗さ（Ｒａ）と砂の粒径との関係を示す説明図である。

上記の通り、混練砂の砂の粒径は一般には２００μｍ乃至３００μｍである。混練砂の粒径を図５に示すように３００μｍとすると、表面構成部材２１の表面の凹凸のピッチが１５０μｍであると、混練砂と表面構成部材２１との接触面積を最も小さくできる。この時、図５に示すように、表面構成部材２１の表面の凹凸を高さ：幅比が１対５であるとすると、表面構成部材２１の表面粗さ（Ｒａ）は１５μｍである。従って、表面粗さ（Ｒａ）の上限値は１５μｍとなる。

以上のとおり、粘結剤の染み付き易さが砂の粒径と金型の表面粗さとに関係し、粒径が０．２乃至０．３ｍｍ程度の一般的な砂を混練砂に用いた場合、表面構成部材２１の表面の平均粗さ（Ｒａ）を４乃至１５μｍとすると、粘結剤を染み付きにくくすることができる。そして、表面構成部材２１をジュラルミン材料又はダイス鋼で構成し、かつ、ショットピーニング処理で表面粗さを上記の通りにすることで表面構成部材２１の耐磨耗性能を向上し、上記表面粗さを長期間維持する。こうして粘結剤の染み付きを防止し、かつ、金型の交換サイクルをより長くすることができる。

本発明の一実施形態に係る砂鋳型造型用金型Ａを用いた砂鋳型造型装置１００の構成図である。 （ａ）は試験片の仕様の説明図、（ｂ）は各試験片の耐久試験結果を示す図、（ｃ）は図２（ｂ）の耐久試験結果をグラフ化した図である。 染み付き評価試験に用いた金型の平面図（写真）である。 染み付き評価試験結果を示す、各試験片の拡大図（写真）である。 平均粗さ（Ｒａ）と砂の粒径との関係を示す説明図である。

符号の説明

Ａ 砂鋳型造型用金型
１１ 吹き込み口
２１ 表面構成部材（対峙部分）
３０ キャビティ

Claims (3)

1. 砂と粘結剤とを混練した混練砂をキャビティ内に吹き込むための吹き込み口を有する砂鋳型造型用金型において、
   前記キャビティを形成する前記金型の表面のうち、前記吹き込み口に対峙する対峙部分がジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍであることを特徴とする砂鋳型造型用金型。
2. 前記対峙部分を含む前記金型全体がジュラルミン材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の砂鋳型造型用金型。
3. 砂と粘結剤とを混練した混練砂を、砂鋳型造型用金型の吹き込み口からそのキャビティ内に吹き込むことにより、砂鋳型を造型する砂鋳型の造型方法において、
   前記キャビティを形成する前記金型の表面のうち、前記吹き込み口に対峙する対峙部分がジュラルミン材料又はダイス鋼で構成され、かつ、その表面にショットピーニング処理が施され、平均粗さ（Ｒａ）が４乃至１５μｍである砂鋳型造型用金型を用いることを特徴とする砂鋳型の造型方法。