JP2560789B2 - 金型鋳造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は金型鋳造方法に関する。

〈従来の技術〉 従来、金型は一般的に、鋳型例えば珪砂等の無気質粒
子をフェノール樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂で
固めて形成した砂型の中に鋳造金属の溶湯を注入し、そ
の凝固後に砂型を解体することで製造されている。この
砂型は熱伝導性が悪いため、砂型内に注入された溶湯は
徐冷され、合金の結晶粒が粗大化し材料強度が低下する
と共に、樹脂の燃焼で発生するガスによって鋳造金型に
ブローホール、ピンホール等が発生する。

上記徐冷により合金結晶粒が粗大化することは第11図
の急冷組織と第12図の徐冷組織の顕微鏡写真を比較すれ
ば明らかである。ここで第11図は金型（鉄鋳型）を用い
て、また第12図は砂型を用いて鋳造された亜鉛−アルミ
ニウム合金表面組織を表わしている。

そして徐冷により強度が低下することは、種々の冷却
速度で鋳造された試験片の強度を比較した第10図のグラ
フから判る。該グラフ中、曲線Ａは120℃金型を用い亜
鉛−アルミニウム合金の溶湯を急冷させて鋳造したも
の、曲線Ｂは砂型を用い室温で徐冷させて鋳造したも
の、曲線Ｃは350℃金型を用い炉内で徐冷させて鋳造し
たものの各使用温度での引張り強さをを示す。

即ち、強度の高い金型を鋳造するためには、溶湯の冷
却速度を速める鋳型を用いれば良いことが判る。

〈発明が解決しようとする課題〉 溶湯の冷却速度を速めるための鋳型材として、表に示
されるように熱伝導係数の大きな黒煙を用いることが考
えられる。

しかしながら、黒煙製鋳型に溶湯を注ぐと、最初に鋳
型に接した溶湯は鋳型に比べ熱容量が小さいため、溶湯
はすぐさま冷却されて局部的に固まり、鋳造された金型
の表面に流れじわが生じるという問題がある。

本発明は上記問題を解決することを目的としてなされ
たものであり、強度を低下させず且つ表面に流れじわを
生じさせない金型鋳造方法を提供することが解決しよう
とする課題である。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決できる本発明の金型鋳造方法は、垂直
プレスの可動プラテンに、金型凹形状を形成する為の高
剛性・高熱伝導性材料で出来た分割可動凸モデルを取付
け、それをプレスのボルスター上に設置した溶湯浴槽に
沈降せしめ、溶湯の凝固を待って分割可動凸モデルの中
央モデルから先に上昇させ該凸モデルを脱型することを
特徴とする。

いわば、雄型原型を硬化性物質の中に埋没して降下後
に雄型原型を除いて雌型を造る手法であり、かかる技術
は樹脂の弾性体模型の製造にみられるが（特開昭56−21
816号公報参照）、金型の鋳造には採用困難と思われて
いたものである。

上記凸モデルの材料としては熱伝導性が高いものほど
良いが、鋳造用モデルにとって必要な剛性を有していな
ければならないことは当然であり、高熱伝導性と高剛性
を兼ね備えた好ましい材料として例えば黒鉛を挙げるこ
とができる。

分割可動凸モデルは、独立した複数の部分モデルを組
付けたものであって、その全体形状が、鋳造しようとす
る金型の凹形状に対応する凸形状となり、そして各部分
モデルを個々に動かすことができるようにしたモデルで
ある。好ましい形態の分割可動凸モデルとして、中央モ
デルと外側モデル（又は更に中間モデル）とからなり、
中央モデルは楔形であって上方に引抜き可能で、また外
側モデルは鋳造金属の凝固による収縮方向に対して自在
に摺動可能な機構としたものが挙げられる。そのような
凸モデルは鋳造時、凝固金属で締め付けられても脱型が
容易である。更にはこの分割可動凸モデル内に、それぞ
れバルブを有する複数の独立した水冷管を配し、鋳造し
ようとする金型の形状いかんによって溶湯の凝固領域を
制御できるようにするのが有利である。

上記の溶湯浴槽としては、鋳枠（箱）内にシェール砂
等で砂型（浴槽壁）を作り、その熱伝導性が悪くガスの
発生しやすい砂型の内面を薄い鉄板等で覆ってなるもの
が良い。この浴槽内に有害ガスを発生させるような有機
物の使用は極力避けるべきである。

浴槽内に注入した溶湯の表面にはノロ（酸化物、不純
物）が発生するが、浮いたノロが凸モデルに付着し、巻
き込まれないように、適当なノロ除去手段を構ずるのが
肝要である。例えば可撓性・耐火性の網を溶湯表面に浮
かせておき、凸モデルが降下し溶湯表面に接触した直後
速やかにその網を引き上げるようにするとノロを都合良
く除去できる。凸モデルを沈降させる際、ノロとともに
オーバーフローする溶湯が飛散せぬよう浴槽上部外周に
堰を設けるのがよい。分割可動凸モデルの脱型タイミン
グを、例えば熱電対による溶湯温度検知で判定するよう
にしてもよい。

〈作用〉 金型鋳造方法を上記のような構成とすれば、次のよう
な作用を奏する。

浴槽内の溶湯中に、金型凹形状を形成する凸モデルを
沈降させるため、鋳造される金型表面には流れじわが生
じない。また凸モデルは高熱伝導性材料でできているた
め、凸モデル表面に接した溶湯は急冷される。この急冷
による、合金結晶粒子の粗大化が阻止され、金型の強度
が高くなる。そして凸モデルを分割可動にしてあるた
め、楔形にした中心モデルを引抜くようにすることで容
易に脱型できる。

〈実施例〉 本発明の金型鋳造方法の一実施例を図面に基きながら
説明するが、これにより本発明はなんら限定されるもの
ではない。

始めに本実施例で使用する鋳造装置を第１図により説
明する。該鋳造装置は、垂直プレスの可動プラテン４
に、金型凹形状を形成するための分割可動凸モデル１を
取付ける一方、プレスのボルスター３に溶湯浴槽２を載
置したものである。

分割可動凸モデル１は、独立した水冷管16a,17a,18,1
7b,16bを配した鉄枠14a,15,14bのまわりに黒鉛（モデル
部分）11a,12a,1,12b,11bを固定したものであり、昇降
プレート10に取付けられた中央モデル1cと、遊動プレー
ト9aに取付けられた左側モデル1aと、もう一方の遊動プ
レート9bに取付けられた右側モデル1bとに分割構成され
ている。中央モデル1cと左右両側モデル1a,1bとは上下
方向のテーパ状アリ溝19,19により摺動可能となってい
る。昇降プレート10はサーボモータ６のボールネジ７に
より上下方向に動く。遊動プレート9a,9bはレール8a,8b
に掛合した状態（横Ｆから視た部分を示した第1a図も参
照）で水平方向に自在に滑動するが、両プレート9a,9b
はコイルバネ５により互いに引き合うようにしてある。
したがって、左右両側モデル1a,1bは中央モデル1cに密
着する。

溶湯浴槽２は、鋳枠29内に砂型20を作り、砂型20の内
面を薄い鉄板等でできた被覆板24,24…で覆ってなるも
のである。該被覆板24は溶湯の熱で膨張するが、それに
よる変形を防ぐためスリット25,25…が設けられてい
る。なお溶湯浴槽２の上部外周には、溢れ出る溶湯が飛
散せぬよう堰21が設けられ、その切欠き部22の下にバケ
ツが置かれている。更に溶湯浴槽２内には熱電対26,27,
28が設けられており、溶湯温度を測定できるようになっ
ている。

次に鋳造方法を説明する。まず第２図に示すように、
溶湯浴槽２に溶湯24を流し込む。なお該浴槽２は注湯直
前に浴槽内面がバーナーで加熱され、揮発成分が予め除
去されている。溶湯34を傾動鍋33から注湯管35を介して
砂型20の湯口54に注ぎ、湯道55を通った溶湯34が所定の
高さ37まで達したところで注湯を止める。

すると第３図に示すように、浴槽中の溶湯34上にノロ
44が発生するが、把手40,41の付いたノロ除去用金網38,
39を浮ばせる。該金網38,39は溶湯よりも比重の軽いセ
ラミック被覆アルミニウムで出来た金網を二分割したも
ので、溶湯表面全体を覆うように金具42,43で押さえつ
ける。

次いで第４図に示すように、垂直プレスの可動プラテ
ン４を降下させ、凸モデル１を溶湯浴槽２に沈める。そ
の際、凸モデル底のモデル部分12a,13,12bが溶湯面に接
し、金網38,39を押し込むタイミングを見計らって矢印
Ａ方向に金網38,39を引き上げ、ノロ44をモデル部分12
a,13,12bから除去する。ノロ44は浮力により、溢れだし
た溶湯とともに堰21の切欠き部からバケツ57中に注ぎ込
まれる。

ここで第５図に示すように、凸モデル１内に備え付け
られている水冷管18→17a,17b→16a,16bに順次通水し、
中央部57から矢印Ｄで示されるように外側に向って溶湯
34が凝固するようにバルブ（図示せず）を順次開いてい
く。バルブを開いていくタイミングは浴槽中に設置した
熱電対26,27,28による測定温度により判断する。溶湯が
凝固すると、大きく“ひけ"49が生じるので柄杓47で、
つぎ湯48を補充する。微細な結晶は熱伝導性の良い凸モ
デル１側から成長していく。

溶湯全体が凝固温度に達すると、こんどは固体の冷却
に伴なう収縮が始まり、分割可動凸モデル１を圧縮し始
めるため、今度も又、凝固金属の温度を熱電対26,27,28
により測定しながら、第６図に示すようにサーボモータ
６を駆動させてボールネジ７を回転させ、中央モデル1c
を矢印Ｂ方向に引き上げる。左右両側モデル1a,1bは矢
印Ｃ方向に僅かに移動し、モデル部分11a,11b,12a,12b,
13及び鋳造金属の応力集中部58,58の応力を解除する。

第７図に示すように、鋳造金型59の冷却に伴なう収縮
変形が心配なくなるような温度に達したら、垂直プレス
の可動プラテン４を上昇させ、分割可動凸モデル１を脱
型する。その後、浴槽２をプレスのボルスター３から取
り出し、鋳枠19を開き、砂型20を解体し、鋳造金型59を
取り出す。

こうして取り出された鋳造金型の第９図に示す寸法誤
差δを調べたところ、δ＜1mmであった。このような亜
鉛−アルミニウム合金金型を通常の砂型モデルで鋳造す
るとδ＝６〜7mmに達することから本実施例の方法は鋳
造変形が極めて少ない鋳造法といえる。しかも樹脂をバ
インダとして使用する砂型と違い、切削加工した黒鉛で
凸モデルを製作してあるため、鋳造した金型の使用面に
はガスによるブローホール、ピンホール等が全く見られ
ない。

なお凸モデルの底の一部に凹形状61があり、溶湯中に
空気を巻き込む虞れのある場合、第８図に示すように、
空気抜き穴60を設けることで解決できる。

〈発明の効果〉 本発明の金型鋳造方法によれば、緻密な結晶粒組織の
表面を持つ金型が得られるため、金型の強度を高め耐摩
耗度を向上させることができる。

また表面に流れじわの無い金型が得られるため、黒鉛
モデル表面に高精度の仕上加工を施すことによって、磨
き加工を要さずに即使用できる金型を鋳造することがで
きる。

そのうえでモデルを分割して準備することで支持材等
の繰り返し利用できる部分が生れ、しかも鋳造金型を２
個以上造る場合は、モデル全体が繰り返し使用出来る。
以上のことから大幅なコストダウンを図ることができ
る。

更に本発明方法によれば、モデル材として剛性の高い
黒鉛を用い、分割可動にしたモデル内に独立した複数の
水冷管を設け、合金の冷却収縮に伴なう応力状態を常に
一定の中に制御しておくことが可能であるため、鋳造変
形を小さくできるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の金型鋳造方法の一実施例で使用される
装置を一部断面で示す概要図、 第1a図は該装置の一部分を示す側面図、 第２図乃至第７図は一実施例の各工程を連続的に示す説
明図、 第８図は他の実施例に係る凸モデルを示す部分断面図 第９図は鋳造された金型の寸法を示す図、 第10図は従来の種々の条件で鋳造された各試験片の、温
度と引張り強さとの関係を比較して示すグラフ、 第11図及び第12図はそれぞれ金型及び砂型による鋳造品
の急冷組織及び徐冷組織を対比して示す金属組織の顕微
鏡写真である。 図中： １……分割可動凸モデル、1a……左側モデル 1b……右側モデル、1c……中央モデル ２……溶湯浴槽、３……ボルスター ４……可動プラテン 11a,11b,12a,12b,13……黒鉛（モデル部分） 16a,16b,17a,17b,18……水冷管 20……砂型、24……被覆板 26,27,28……熱電対、34……溶湯 38,39……ノロ除去用金網

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】垂直プレスの可動プラテンに、金型凹形状
   を形成する為の高剛性・高熱伝導性材料で出来た分割可
   動凸モデルを取付け、それをプレスのボルスター上に設
   置した溶湯浴槽に沈降せしせ、溶湯の凝固を待って分割
   可動凸モデルの中央モデルから先に上昇させ該凸モデル
   を脱型することを特徴とする金型鋳造方法