JP2019150860A - 鋳型および機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制する。【解決手段】鋳型１は、キャビティ４０を有し、鋳物砂からなる鋳型本体部２０と、鋳型本体部２０のキャビティ４０を取り囲む表面であるキャビティ表面２０Ａを覆うように配置される塗型層３０とを備える。塗型層３０は、塗型剤からなる表面層３１と、鋳型本体部２０を構成する鋳物砂の砂粒２９の間に塗型剤が浸透した層である浸透層３２とを含む。塗型層３０には、キャビティ４０と鋳型本体部２０とを連通する複数の連通穴３９が分散して配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、鋳型および機械部品の製造方法に関するものである。

鋳鋼、鋳鉄などの金属からなる機械部品は、鋳型を用いた鋳造により製造することができる。鋳型は、溶湯を充填して製品（機械部品）を成形するための空間であるキャビティを有する。鋳型の本体部は、たとえばケイ砂に澱粉、ベントナイトなどを添加した鋳型砂からなる。この鋳型の本体部のキャビティ表面には、塗型剤からなる塗型層が形成される場合がある（たとえは、特許文献１参照）。

特開平３−５０６０号公報

上述のようにキャビティ表面に塗型層が形成された場合、製造される製品（機械部品）の表面の上記塗型層に対応する領域に欠陥が発生する場合がある。そこで、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制することを本発明の目的の１つとする。

本発明に従った鋳型は、キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部と、鋳型本体部の上記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面を覆うように配置される塗型層と、を備える。塗型層は、塗型剤からなる表面層と、鋳型本体部を構成する鋳物砂の砂粒の間に塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含む。塗型層には、キャビティと鋳型本体部とを連通する複数の連通穴が分散して配置される。

本発明に従った機械部品の製造方法は、キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部を準備する工程と、鋳型本体部の上記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面に塗型剤を塗布することにより、塗型剤からなる表面層と、鋳型本体部を構成する鋳物砂の砂粒の間に塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含む塗型層を形成する工程と、塗型層に、キャビティと鋳型本体部とを連通する複数の連通穴を分散して形成する工程と、連通穴を有する塗型層が形成された鋳型本体部のキャビティに溶湯を流し込む工程と、溶湯を凝固させる工程と、を備える。

上記鋳型および機械部品の製造方法によれば、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制することができる。

鋳型の構造を示す概略断面図である。 キャビティ表面付近の構造を示す概略断面図である。 機械部品の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。 実施例における機械部品の表面の写真である。 比較例における機械部品の表面の写真である。

［実施形態の概要］
本願の鋳型は、キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部と、鋳型本体部の上記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面を覆うように配置される塗型層と、を備える。塗型層は、塗型剤からなる表面層と、鋳型本体部を構成する鋳物砂の砂粒の間に塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含む。塗型層には、キャビティと鋳型本体部とを連通する複数の連通穴が分散して配置される。

本発明者らは、キャビティ表面に塗型層が形成された場合、製造される製品（機械部品）の表面の塗型層に対応する領域に欠陥が発生する原因について検討を行った。その結果、上記欠陥の発生原因は以下のようなものであることが明らかとなった。キャビティ内に溶湯が充填されると、鋳型本体部を構成する鋳物砂の砂粒間に存在する気体が膨張する。塗型層が形成されたキャビティ表面付近の鋳型本体部の領域では、塗型層によって上記砂粒間の気体がキャビティ内部へと排出されることが抑制され、気体の圧力が上昇する。これにより、鋳型本体部が当該領域において部分的に膨張し、キャビティ表面に部分的な突出部が形成される。その結果、当該突出部に起因した欠陥が製品表面に発生する。

本願の鋳型においては、塗型層に、キャビティと鋳型本体部とを連通する複数の連通穴が分散して配置される。そのため、砂粒間の気体がキャビティ内へと排出され、キャビティ表面に上記部分的な突出部が形成されることを抑制することができる。その結果、本願の鋳型によれば、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制することができる。なお、上記連通穴は、鋳型本体の砂粒間の気体がキャビティ内へと排出されることが可能な経路となっていればよい。そのため、連通穴は塗型剤からなる表面層を貫通している必要があるが、必ずしも浸透層を貫通している必要はない。これは、浸透層はある程度の通気性を有するためである。すなわち、連通穴は塗型層の表面（表面層の表面）に開口を有し、当該開口と反対側の端部が浸透層内に位置していてもよいし、連通穴が表面層および浸透層を貫通していてもよい。

上記鋳型において、表面層の厚みは０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。塗型層は、鋳型と製品（機械部品）との焼着を抑制するとともに、鋳型本体部からの気体が無制限にキャビティへと流入して製品に欠陥が生じることを抑制する機能を有する。表面層の厚みが０．５ｍｍ以上となるように塗型層を形成することにより、上記機能をより確実に得ることができる。一方、表面層の厚みが１ｍｍを超えるように塗型層を形成しても、上記機能は大幅には向上しない。そのため、表面層の厚みは１ｍｍ以下とすることができる。

上記鋳型において、上記連通穴の径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。連通穴の径を０．１ｍｍ以上とすることにより、十分な通気性を確保することが容易となる。連通穴の径を２ｍｍ以下とすることにより、塗型層を破損することなく連通穴を形成することが容易となる。

上記鋳型において、隣り合う連通穴の間隔は３ｍｍ以上５０ｍｍ以下であってもよい。隣り合う連通穴の間隔を３ｍｍ以上とすることにより、塗型層を破損することなく連通穴を形成することが容易となる。隣り合う連通穴の間隔を５０ｍｍ以下とすることにより、塗型層に対応する領域に発生する欠陥をより確実に抑制することができる。

上記鋳型において、連通穴は、キャビティ表面を構成する第１の面上に配置される塗型層の表面の全域に分散して配置されてもよい。塗型層に対応する領域に発生する欠陥は、キャビティ表面の特定の面に対応する領域に発生する場合がある。連通穴を当該特定の面である第１の上に配置される塗型層の表面の全域に分散して配置することにより、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を有効に抑制することができる。

上記鋳型は、鋳鋼製の部材の製造に用いられるものであってもよい。本願の鋳型は、鋳鋼製の部材の製造に特に好適である。

本願の機械部品の製造方法は、キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部を準備する工程と、鋳型本体部の上記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面に塗型剤を塗布することにより、塗型剤からなる表面層と、鋳型本体部を構成する鋳物砂の砂粒の間に塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含む塗型層を形成する工程と、塗型層に、キャビティと鋳型本体部とを連通する複数の連通穴を分散して形成する工程と、連通穴を有する塗型層が形成された鋳型本体部のキャビティに溶湯を流し込む工程と、溶湯を凝固させる工程と、を備える。

本願の機械部品の製造方法においては、塗型層に連通穴が分散して形成された鋳型が用いられて鋳造が実施される。そのため、本願の機械部品の製造方法によれば、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制することができる。

上記機械部品の製造方法において、上記溶湯は、溶融状態の鋳鋼であってもよい。本願の機械部品の製造方法は、鋳鋼製の機械部品の製造に特に好適である。

［実施形態の具体例］
次に、本発明の鋳型および機械部品の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態における鋳型について説明する。図１は、本実施の形態における鋳型の構造を示す概略断面図である。図２は、図１の鋳型のキャビティ表面付近の構造を拡大して示す概略断面図である。

図１を参照して、本実施の形態における鋳型１は、鋳枠１０と、鋳型本体部２０と、塗型層３０とを備える。鋳型本体部２０は、溶湯を充填して製品（機械部品）を成形するための内部空間であるキャビティ４０を有する。鋳型１は、たとえば鋳鋼製の部材（たとえば機械部品）の製造に用いられる。本実施の形態の鋳型１は、生型である。

鋳枠１０は、木製または金属製の枠である。鋳枠１０は、鋳型本体部２０を外周側から支持する。鋳型本体部２０は、鋳物砂からなっている。鋳物砂は、たとえばベントナイトなどの粘土、澱粉などがケイ砂に添加されたものとすることができる。鋳型本体部２０は、下型２１と、上型２２とを含む。下型２１は、鋳型１の使用状態において上型２２の鉛直方向下側に配置される。上型２２は、鋳型１の使用状態において下型２１の鉛直方向上側に配置される。

塗型層３０は、鋳型本体部２０のキャビティ４０を取り囲む表面であるキャビティ表面２０Ａの少なくとも一部を覆うように配置される。上型２２と下型２１とが鋳枠１０内において組み合わされることにより、キャビティ４０が形成される。本実施の形態においては、図１に示すように、塗型層３０はキャビティ表面２０Ａのうち底壁面および上壁面に形成されている。塗型層３０は、キャビティ表面２０Ａの全域にわたって形成されていてもよいし、本実施の形態のように一部に形成されていてもよい。塗型層３０は、たとえば鋳造時において製品（機械部品）と鋳型１との固着（焼着）が発生するおそれのある領域に配置することができる。

鋳型１には、鋳型１の外部とキャビティ４０とを連通する連通路としての湯道５０が形成されている。湯道５０は、上型２２の表面に開口を有し、当該開口と反対側の端部においてキャビティ４０に接続されている。湯道５０は、溶湯のキャビティ４０への供給路として機能する。

図２を参照して、塗型層３０は、塗型剤からなる表面層３１と、鋳型本体部２０を構成する鋳物砂の砂粒２９の間に塗型剤が浸透した層である浸透層３２とを含む。塗型剤としては、たとえば、黒鉛、シリカ、マイカ、ジルコン、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウムおよび酸化鉄からなる群から選択される少なくともいずれか１つを含むものを採用することができる。

塗型層３０には、キャビティ４０と鋳型本体部２０とを連通する複数の連通穴３９が分散して配置されている。連通穴３９は、鋳型本体部２０を構成する鋳物砂の砂粒２９間の気体をキャビティ４０内へと排出可能な経路となっている。本実施の形態において、連通穴３９は、表面層３１および浸透層３２を貫通している。

本実施の形態の鋳型１においては、塗型層３０に、キャビティ４０と鋳型本体部２０とを連通する複数の連通穴３９が分散して配置されている。これにより、砂粒２９間の気体がキャビティ４０内部へと排出される。そのため、鋳型本体部２０内の気体の圧力の上昇による鋳型本体部２０の部分的な膨張に起因した部分的な突出部の形成が抑制される。その結果、鋳型１は、塗型層３０に対応する領域に発生する欠陥を抑制することが可能な鋳型となっている。

図２を参照して、表面層３１の厚みｔは０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、鋳型本体部２０と製品（機械部品）との焼着を抑制するとともに、鋳型本体部２０からの気体が無制限にキャビティ４０へと流入して製品に欠陥が生じることを抑制することが容易となる。

連通穴３９の径ｄは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、十分な通気性を確保するとともに、塗型層３０を破損することなく連通穴３９を形成することが容易となる。ここで、連通穴３９の径ｄとは、キャビティ表面２０Ａに垂直な方向から平面的に見た連通穴３９の面積に対応する面積を有する円の直径を意味する。

隣り合う連通穴３９の間隔ａは３ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、塗型層３０を破損することなく連通穴３９を形成することが容易となるとともに、塗型層３０に対応する領域に発生する欠陥をより確実に抑制することができる。

連通穴３９は、キャビティ表面２０Ａを構成する特定の面上に配置される塗型層３０の表面の全域に分散して配置されていてもよい。具体的には、図１を参照して、たとえば塗型層３０に対応する領域に発生する欠陥が、主にキャビティ表面２０Ａのうち底壁面（下型２１側の面）上の塗型層３０に対応する領域に発生する場合、当該底壁面上に配置される塗型層３０の表面の全域に分散するように連通穴３９が形成されてもよい。これにより、塗型層３０に対応する領域に発生する欠陥を有効に抑制することができる。

次に、本実施の形態における機械部品の製造方法の概略を説明する。図３は、機械部品の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。本実施の形態の機械部品の製造方法では、上記本実施の形態の鋳型１を用いた鋳造によって機械部品が製造される。

図３を参照して、本実施の形態の機械部品の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として鋳型本体部準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図１を参照して、たとえばケイ砂に対して所定の割合でベントナイトなどの粘土、澱粉などが添加された鋳物砂内に、キャビティ４０に対応する形状（製品である機械部品の形状）を有する模型を埋め込む。鋳物砂が固化した後、鋳物砂を下型２１および上型２２に分離して模型を取り出すことにより、キャビティ４０を有する鋳型本体部２０（下型２１および上型２２）が得られる。このとき、湯道５０に対応する模型を合わせて埋め込み、その後取り出すことで、湯道５０を形成することができる。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ２０）として塗型層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、下型２１および上型２２に塗型層３０が形成される。具体的には、塗型層３０を形成すべきキャビティ表面２０Ａの領域に、塗型剤を塗布する。塗型剤としては、たとえばアルコールを含むジルコン系塗型剤を採用することができる。その後、塗型剤を乾燥させて固化させる。乾燥に際しては、たとえば塗型剤に着火し、アルコールを蒸発させてもよい。これにより、図２を参照して、塗型剤からなる表面層３１と、鋳型本体部２０を構成する鋳物砂の砂粒２９の間に塗型剤が浸透した層である浸透層３２とを含む塗型層３０が形成される。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ３０）として連通穴形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において形成された塗型層３０に連通穴３９が形成される。具体的には、図１および図２を参照して、たとえば所望の連通穴３９の径ｄに対応する直径を有する金属製の棒状部材を、キャビティ４０側から塗型層３０を貫通させることにより、キャビティ表面２０Ａ上の塗型層３０の所望の領域に分散するように、複数の連通穴３９を形成する。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ４０）として溶湯供給工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１を参照して、まずキャビティ表面２０Ａに連通穴３９を有する塗型層３０が形成された下型２１および上型２２を鋳枠１０内において組み合わせて鋳型１を完成させる。次に、湯道５０を通してキャビティ４０内に溶湯を充填する。溶湯は、たとえば溶融状態の鋳鋼とすることができる。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ５０）として凝固工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）においてキャビティ４０内に充填された溶湯を冷却して凝固させる。冷却は、たとえば放冷により実施することができる。これにより、鋳鋼が所望の形状に成形される。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ６０）として取り出し工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において溶湯が凝固して形成された製品（機械部品）が鋳型１から取り出される。具体的には、たとえば鋳型本体部２０を破壊することにより、内部から製品（機械部品）を取り出す。その後、必要に応じてたとえば切断、切削、研削などの機械加工などが実施され、機械部品が完成する。得られた機械部品に対しては、必要に応じて熱処理が実施されてもよい。

本実施の形態の機械部品の製造方法においては、工程（Ｓ４０）および（Ｓ５０）において鋳型本体部２０を構成する鋳物砂の砂粒２９間に存在する気体が膨張しても、当該気体が連通穴３９を介してキャビティ４０内部へと排出され、キャビティ表面２０Ａに部分的な突出部が形成されることが抑制される。そのため、本実施の形態の機械部品の製造方法によれば、塗型層３０に対応する領域に発生する欠陥が抑制された機械部品を製造することができる。

本発明の鋳型および機械部品の製造方法の効果を確認する実験を行った。上記実施の形態と同様の構成を有する鋳型１を準備し、上記実施の形態の機械部品の製造方法と同様の手順により、履帯式足回りを構成する機械部品を製造した（実施例）。また、比較のため、同様の鋳型、同様の手順において、連通穴３９の形成のみを省略して、同様に機械部品を製造した（比較例）。実施例および比較例の機械部品の表面の写真を、それぞれ図４および図５に示す。

図５を参照して、比較例のサンプルの表面には、鋳型のキャビティ表面に形成された部分的な突起に起因した複数の欠陥（凹み）が観察される。これに対し、図４に示す実施例のサンプルの表面には、そのような欠陥は観察されない。以上の実験結果より、本発明の鋳型および機械部品の製造方法によれば、塗型層に対応する領域に発生する欠陥を抑制できることが確認される。

なお、上記実施の形態および実施例においては、機械部品（溶湯）を構成する金属として鋳鋼を例示したが、採用可能な金属はこれに限られず、鋳鉄のほか、銅合金、アルミニウム合金など種々の金属を採用することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 鋳型、１０ 鋳枠、２０ 鋳型本体部、２０Ａ キャビティ表面、２１ 下型、２２ 上型、２９ 砂粒、３０ 塗型層、３１ 表面層、３２ 浸透層、３９ 連通穴、４０ キャビティ、５０ 湯道。

Claims (8)

1. キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部と、
   前記鋳型本体部の前記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面を覆うように配置される塗型層と、を備え、
   前記塗型層は、
   塗型剤からなる表面層と、
   前記鋳型本体部を構成する前記鋳物砂の砂粒の間に前記塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含み、
   前記塗型層には、前記キャビティと前記鋳型本体部とを連通する複数の連通穴が分散して配置される、鋳型。
2. 前記表面層の厚みは０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１に記載の鋳型。
3. 前記連通穴の径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の鋳型。
4. 隣り合う前記連通穴の間隔は３ｍｍ以上５０ｍｍ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鋳型。
5. 前記連通穴は、前記キャビティ表面を構成する第１の面上に配置される前記塗型層の表面の全域に分散して配置される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の鋳型。
6. 鋳鋼製の部材の製造に用いられる、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の鋳型。
7. キャビティを有し、鋳物砂からなる鋳型本体部を準備する工程と、
   前記鋳型本体部の前記キャビティを取り囲む表面であるキャビティ表面に塗型剤を塗布することにより、塗型剤からなる表面層と、前記鋳型本体部を構成する前記鋳物砂の砂粒の間に前記塗型剤が浸透した層である浸透層と、を含む塗型層を形成する工程と、
   前記塗型層に、前記キャビティと前記鋳型本体部とを連通する複数の連通穴を分散して形成する工程と、
   前記連通穴を有する前記塗型層が形成された前記鋳型本体部の前記キャビティに溶湯を流し込む工程と、
   前記溶湯を凝固させる工程と、を備える、機械部品の製造方法。
8. 前記溶湯は、溶融状態の鋳鋼である、請求項７に記載の機械部品の製造方法。