JP2851293B2 - 鋳物砂からの鋳型製造用不均質多孔性型具及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、硬化可能な鋳物砂から鋳型及び中子を製造
するためのガス透過性型具及びその製造方法並びにこの
種の型具を使用して鋳型を製造する方法に関する。

鋳物砂からなる鋳型は金属鋳物の量産品の製造で広く
普及している。この種の鋳型は一度だけ使用できる中実
又は殻状の型である。鋳型を製造するために微粒子状鋳
物砂に硬化可能の粘結材を加えるが、これは砂の打ち込
み口を介して型具内に導入され、そこで硬化させられ
る。硬化は熱処理によって起こるか（これには高いエネ
ルギー消費が必要である）又は最近ではそれとは異なり
加圧下に型具内の鋳物砂を通して押し込まれる反応ガス
によって生じるものもある。後者の方法ではガスは砂打
ち込み口で砂に圧入され、穿孔、ノズル又はその他の機
械的に型具壁面に構成された溝及び開口を介して型具か
ら排出される。

公知の一方法（ドイツ連邦共和国特許第2403199号、
同第3039394号明細書参照）によれば、型具の壁面中の
穿孔は型の外側で過圧弁により閉鎖されている。この種
の型具はそのコストが高くつくという欠点を有する。こ
の弁はガスによって引きずられてきた鋳物砂粒子により
しばしば詰まり、その都度洗浄しなければならない。又
特にこの型具の壁面は均一なガス透過性を有さず、従っ
て反応ガスは鋳物砂を均一に流過することができず、そ
の結果鋳物砂は一様には硬化されない。中子は塊状で製
造し得るに過ぎない。

ドイツ連邦共和国特許第3002939号明細書には、種々
異なる寸法のリブ及びスリットが機械的に構成されてい
る壁面を有する型具が記載されている。打ち込み口を介
して鋳物砂に達する反応ガスはスリットを介して吸い取
られる。しかしこの場合スリットは砂で塞がれる。更に
その製造には極めて費用がかかり、スリット及び穿孔の
極めて細かい網目模様を作ることはできない。この型具
の場合にも鋳物砂は反応ガスによって不均一に貫流する
にすぎない。更に反応ガスは過剰に消費される、すなわ
ち所望の反応の化学量論的に必要とされるよりも遥かに
大量の反応ガスが消費される。

型具を多孔質でかつガス透過性の材料から製造するこ
ともすでに要求されてきた。しかしこの要求の実現は、
複雑な形状の鋳物を多孔質材料からなる型具内で処理す
る際に予想される技術的困難性によって、すなわち型具
の壁の微小範囲まで均一にガスが透過すること、その機
械的強度に対する要件を満たすこと、また同時に鋳物砂
が反応ガスでの圧力負荷に際して型具の気孔を閉塞しな
いか又は型具壁の気孔を貫通することを保証することの
困難性によってこれまで見込みがない状態にあった。

従って本発明の課題は、微小範囲まで均一にガスが透
過する壁を有する型具を製造することにある。従って先
に記載した方法及び技術とは区別される。この課題は詳
述すれば、多孔質材料を製造するためのそれ自体は公知
の技術を適当に組み合わせることによって、鋳物砂に隣
接する範囲に適当な微孔質を有し、またこれに接する範
囲で粗孔質の骨格様支持骨組が形成されるような不均質
多孔性型具壁を得ることにある。この種の製造された型
具は鋳物砂から鋳型、特に中実でない殻状鋳型をも大量
生産し得るものであるべきである。このため型具の鋳物
砂に曝される表面は特に耐摩耗性でなければならない。
鋳物砂による気孔の閉塞はもはや型具の主要な破損原因
であってはならない。また鋳物砂によって気孔が閉塞さ
れた場合にも僅かな作業経費で再生、すなわち再び阻害
物を除去し得ることが必要である。

ガス透過性の型具を提供する上述の課題は本発明によ
れば、この型具が不均質多孔性に構成された開気孔材料
からなり、型具の壁が鋳物砂に隣接する厚さ02〜2mm、
理論材料密度75〜95％及び孔直径＜50μｍの第１の微孔
性層範囲を有し、この層範囲に理論材料密度＜80％及び
平均孔直径＞100μｍの粗大孔性支持骨格の形で第２の
塊状範囲が直接接していることによって解決される。

上述の各数値限定は、本発明の目的を達成する上で実
際上種々の実験を重ねた結果得られたものである。即
ち、硬化された砂型の均一性を高めること、従ってガス
の流入、流出が僅かの溝ないし孔を通してではなく多数
の溝、孔を通して行われるようにすること、型具内の孔
が吹き込まれた鋳物砂によって塞がれないこと、又その
閉塞が容易に除かれること、型具の内側の表面構造、孔
構造が持続性の耐摩耗性を生じるような物であること、
孔内の毛細管作用によって砂の硬化の微細制御が行われ
るようなものであることを満足するための条件である。

ガス透過性の型具、その製法及びその優れた用途に関
しては請求の範囲第２項ないし第10項にその実施態様が
記載されている。

本発明においては第１の範囲、即ち微孔性層範囲、の
厚さ、理論材料密度、孔直径について各数値範囲を規定
したが、これら３者の量はすべてが各数値範囲内にあっ
て始めて所期の効果を得ることができるものであり、各
数値は以下に示すような意味を有する。

即ち、厚さは0.2〜2mmの範囲であるが、0.2mmより薄
いと孔直径の大きさに拘らず層の微孔に毛細管作用を形
成せず、2mmより厚いと孔を通して鋳物砂上に充分な量
の硬化用ガスを運搬することができない。理論材料密度
は75〜95％の範囲であるが、75％より小さいと内部層の
機械的安定性を低くし過ぎることなく又は上述の毛細管
作用の形成に必要な構造を呈しないようなことなく主と
して50μｍより小さい直径の孔を形成することが純製造
技術的に不可能であり、95％より大きいと経済的に可能
な期間内に鋳物砂を硬化し得るためには内部層領域を通
しての運搬量が少な過ぎる。孔直径は50μｍより小さい
が、50μｍより大きいと孔内に最初に存在する液体に対
する上述の毛細管作用を得ることができない。

また第２の塊状範囲、即ち粗大孔性支持骨格、につい
て理論材料密度、平均孔直径の数値範囲を規定したが、
これらは、内部層領域の作用に悪影響を与えることな
く、外部から型具上に作用する鋳物砂の硬化のためのガ
スが充分均一に型具の内部層と外部層との間の境界に運
搬されることを保証するものであり、各数値は以下のよ
うな意味を有する。

即ち、理論材料密度が80％より大きいと硬化用のガス
の通過が妨げられ、支持骨格内の圧力降下が調整不可能
に不均一となる。孔直径が100μｍより小さいとガスの
通過が妨げられ、通常不均一に厚い外側の壁領域のため
局部的に異なる高い圧力降下が生じ、内部層内及び鋳物
砂表面上に均一な圧力を形成することができない。な
お、特に孔直径を平均孔直径の形で規定したのは、粗大
孔性支持骨格については個々の孔直径の大きさより、流
過するガスに対し型具壁面の全体として使用し得る部分
が重要であり、この観点から、ガスの流過を妨げない値
を平均の値として規定したものである。

型具には鋳型並びに中子、すなわち中実並びに中空の
鋳物部品を製造するための型が含まれる。

本発明による型具壁に必要とされる材料特性及び構造
特性を得るため、多孔質材料の製造にたずさわる当業者
には、有意義に組み合わすことのできる一連の個々の方
法を利用することができる。

型具壁用の材料としては、金属及び／又はセラミック
材料及び／又はプラスチックが基本的に挙げられる。公
知の構成の単一の型具では勿論大きさには関係するが６
万個までの砂型が製造される。経済性の理由から砂はそ
の都度高速かつ高圧下に型内に詰め込まれる。従って鋳
物砂と接触する型具の表面での耐摩耗性の要求はかなり
高い。この要求は型具の微孔性層に対する材料を選択す
ることによって考慮される。この層には耐摩耗性の鋼鉄
品種並びに耐摩耗性セラミック、金属及び非金属の硬質
物質例えば窒化珪素、窒化硼素、炭化チタン、窒化チタ
ン、炭化珪素が有効である。

型具の不均質多孔性に構成された壁は、起泡及びその
後に硬化される粘性の材料によって形成するか、又はこ
の壁は硬化すべき粉末状の出発材料によって成形するこ
とができる。

鋳物砂と接触する型具壁の層は、粉末をアイソタティ
ックに鋳物部品に応じて模型上に圧着させることにより
形成することができる。粉末は揮発性溶剤と混合してペ
ーストとして模型上に塗布するか又は噴霧することがで
きる。この種の層を形成するには電着的方法及びガス析
出法（PVD法）も挙げられる。最終的に層は可撓性金属
又はセラミック箔の形で模型上に載置することができ
る。この種の箔の可撓性は、後の熱処理に際して揮発性
で固体状態では高可撓性の熱可塑性成分によってもたら
される。更にこれらの箔は粉末状の金属、硬質物質又は
セラミックからなる。

層材料で覆われた模型は引続き発泡させるか又は相応
する外型に埋め込んだ後粗粒子状粉末材料で満たし、有
利にはアイソスタティックプレス処理する。

完成した複合材料を熱的又は化学的に硬化、燃焼又は
焼結することによってコンパクトな複合体が得られる。

開気孔支持骨格を製造するには、砂、ガラス又はセラ
ミック粒体を適当な分散材又は溶液中に浸すことによっ
て薄いプラスチック層で被覆すると良いことが判明して
いる。

こうして前処理した顆粒を形に注入又はプレスし、引
続き化学的にか又は熱処理により硬化させる。

微孔性又は粗大孔性の開気孔材料を得る技術そのもの
は公知である。すなわち例えば電気化学における電極用
隔膜の製造には、本発明においても要求されるような特
定のガス透過性を有する材料構造をもたらす特殊な気孔
形成剤を使用することが行われている。粗大孔性の開気
孔材料を製造する技術は、機械的濾過器或いは自動給油
式滑り軸受の分野で、又は材料Ｂが浸潤されている材料
Ａの多孔質骨格からなる電気接点材料の分野で実施され
ている。

本発明の型具は多くの利点を有する。

この型具は微小範囲まで完全に均質で圧力降下が特定
された開気孔壁構造を有する。この構造によりガスは均
一に壁を通して導かれ、これにより鋳物砂を均一に硬化
させることができる。型具壁の微孔性層範囲の気孔は、
例外的にのみ砂粒が型具壁内に固着するように構成され
ている。しかし重要なことは、この砂粒を通常僅かな費
用でこの気孔から再び除去し得ることであり、このため
には空気を高圧下に場合によっては溶剤蒸気と組み合わ
せて型具壁の粗大孔性支持骨格の方向から微孔性層範囲
を介して吹き込めば良い。

砂打ち込み口を介してガスを吹き付けることにより鋳
物砂をガス硬化する公知の方法とは異なり、本発明によ
る型具を使用する場合、型具内に封入された鋳物砂の圧
力の付勢は不均質多孔性壁を介して実施することができ
る。ガス圧及び時間を適当に調整することによって、封
入さた鋳物砂の硬化を縁帯域でのみ一定の所望深さまで
に限定して実施することが可能である。より一層細かい
配量は、型具を適当な液体で含浸させることによって得
ることができる。この処理により型具壁の微気孔内に、
この圧力を上回った際に初めて反応ガスを放出する特定
の毛管圧が生じる。封入された砂のの中心部はガスが化
学量論的に配量されている場合流動性であり、縁帯域の
硬化後砂打ち込み口を介して除去され、再び使用するこ
とができる。

本発明による型具の重要な利点は、鋳物砂に対向する
表面は所望の鋳型に適合されるが、その反対側の表面は
ほとんど平坦な面例えば直方体状又は円筒状に構成する
ことができることである。型具の多孔質壁を通して鋳物
砂にガスを付勢することにより、型具の壁と鋳物砂との
間に薄いガス層が規則的に形成される。これにより鋳物
砂が砂−硬化処理中に型具壁と接着することは阻止され
る。砂型は硬化処理後容易に型具からはずれる。従って
公知の型具及び鋳型の製造の際に必要とされるような鋳
物砂と型具との接着に対する特殊な手段は一般に用いな
いですむ。模型上に微孔性層範囲及び粗大孔性支持骨格
材料を順次に施す技術は、型具に直接最終形状、表面特
性及び耐摩耗性を付与することを可能にする。従って所
望の形状及び表面粗面性を得るために型具壁の表面を費
用を掛けて機械的に後処理すること及び必要な表面硬度
並びに表面耐摩耗性を得るための後処理、特に熱硬化処
理も不要であり、この点でも多孔性材料から出発しない
従来の型具製造法とは相違する。

本発明を第１図によりまた２つの実施例に基づき詳述
する。

第１図は型具の半殻を示す断面図であり、また優れた
一方法による型具の製造装置を示すものである。詳細に
は第１図に示した断面図は型具の半殻用模型を有する型
板１を示すものである。この場合後の使用に際して型具
の砂打ち込み口1aとなる型板範囲が特に明示されてい
る。封止板２が型板１上に配置され、型板１にねじで取
り付け又は締め付けられる。封止板２は製造すべき型具
の形状に合わせた中心切欠部を有する。鋳物砂に接する
型具の微孔性層範囲３は、２つの半殻の分離面における
狭い範囲を除き、その全表面にわたって一定の層厚を有
する。型具の微孔性層範囲３には粗大孔性支持骨格４が
接している。型具の外部形状は、型板１上にねじで取り
付けられた型枠５によって形成される。この場合型枠５
は材料で完全に満たされるのではなく、流動性又は延性
の材料を充填した際に支持骨格４と型枠５の上面との間
に空間６が残るようにすることも可能である。

例１ 第１図に示した型具を製造するための技術に応じてま
ず製造すべき鋳物部品の半片の模型を有する型板１を、
金属及び又はセラミック材料から又はプラスチックから
慣用の方法で製造する。多くの場合中子及び鋳型では、
２個の半殻から型具を製造することが求められる。型板
１上には予め分離剤を塗布した後、有利には鋼又はセラ
ミックからなる封止板２を置き、型板１とねじで締め付
ける。その際封止板２中の中央切欠部は、型具の両半殻
の分離面の範囲で模型表面（型板１）と封止板２との間
に少なくとも型具の微孔性層範囲３の厚さの間隙が生じ
るような大きさに構成する。

型板１の模型表面にまで、場合によっては予め模型表
面に分離剤を塗布した後、型具の微孔性層範囲３を施
す。このためペーストを塗るか又は噴霧する。ペースト
は、粒径が平均10〜100μｍの微粒子状の耐食性セラミ
ック粉末からなり、これには型具の表面耐摩耗性を高め
るため、ほぼ同じ粒径の炭化チタン粉末が10〜20容量％
（セラミック粉末の量で計算）添加されている。この粉
末は揮発性又は熱的に蒸発可能の粘結剤でペーストに加
工される。粘結剤には場合によっては非揮発性の金属又
は非金属成分又は気孔形成剤が配合されていてもよい。
微孔性層範囲３の塗布は有利には、所望の全層厚が得ら
れるまで数層に塗り重ねて行う。この場合層の塗布は第
１図に示されているように封止板２の縁部上にも及ぶ。

こうして塗布した微孔性層範囲３を乾燥又は硬化す
る。引続き型枠５を第１図に相応して型板１又は封止板
２にねじで取り付け、粗大孔性支持骨格４を有する壁範
囲を形成するための材料を型枠５内に装入する。この材
料は粗粒子状セラミック粉末であり、これには例えば多
孔質のセラミックフィルタを製造する際に使用されるよ
うな揮発性気孔形成剤が添加されている。セラミック粉
末を揮発性粘結剤と撹拌してペーストにし、これを型枠
５内に塗り込み、そこで硬化させる。次いで型具を型板
１から分離し、高温炉内で焼結又は熱処理させる。こう
して平坦な分離面を有する耐摩耗性の組立可能な型具の
半殻が得られる。型表面は基本的には表面後処理を必要
としない。最後に型具の砂打ち込み口1aの範囲を気孔充
填材で填隙し、これにより後の作業で反応ガスが型具壁
のこの範囲から侵入することはなくまた鋳物砂がこの範
囲で硬化することはない。

こうして製造した本発明による壁構造を有する型具
は、鋳物砂に隣接する微孔性層範囲の厚さは1mm、理論
材料密度は90％、孔直径は10μｍ、粗大孔性支持骨格の
理論材料密度は60％、平均孔直径は120〜300μｍの分布
において140μｍであった。型具のテスト結果は、粗大
孔性支持骨格と微孔性層範囲との間の境界面で１〜２バ
ールの差圧が生じることを示す。この場合型具壁の種々
の断面又は同じ方法で製造された種々の型具における壁
の粗大孔性部分の境界面前方における絶対ガス圧の変動
幅は0.1〜0.2バールであり、従って型壁の粗大孔性支持
骨格が実際にどの程度の厚さを有するかということはほ
とんど無関係である。粗大孔性支持骨格と微孔性層範囲
との境界面におけるガス圧の飛躍は実際に微孔性層範囲
の構造によってのみ生じる。この圧力の飛躍は、型具を
適当な遮断液で含浸させることによって更に安定化する
ことができる。それというのもこれにより微孔性層範囲
の気孔内に極めて均一の毛管圧が型具の全表面範囲にわ
たって構成されるからである。

本発明による型具を使用して硬化可能の鋳物砂から鋳
型を製造するには次のように実施する。鋳物砂を充填し
た後型具を２バールより大きい圧力の反応ガスで外部か
ら付勢する。反応ガスは型具の微孔性層範囲の毛管から
液体を押し出し、また正確に計測可能のガス圧で鋳物砂
又は砂型の縁帯域に達する。このガスは所望の良好に配
量し得る深さまで鋳物砂を硬化することができる。充填
された鋳物砂の中心範囲は流動性を維持する。これは硬
化の終了後砂打ち込み口を介して除去され、再び使用す
ることができる。ガス圧が２バール以下に降下すると、
遮断液は吸上作用により再び微孔性層範囲の気孔内に戻
される。これは個々の砂型の製造時間が短いこと、また
故障可能性及び不良品発生率が僅かなことを意味する。

例２ 例１と同様にして型具の半殻用模型又は型板を製造す
る。例１と同様に封止板２を型板１に締め付ける。微孔
性層範囲用型具壁材料を可撓性の金属箔の形で模型上に
載置する。別に作られた約2mmの厚さの金属箔は、場合
によっては相応する粒径を有する耐摩耗性炭化チタン成
分の数容量％で富化されまた場合によっては粉末状の充
填物質及び気孔形成剤を補充された粒径のガウス分布10
〜100μｍの耐摩耗性鋼粒と、より高い温度で揮発可能
の熱可撓性プラスチックとの均一混合物からなる。アイ
ソスタティックな粉末ホースプレス加工に関する公知の
技術を用いてゴム又はプラスチックホースを型枠５の床
部に締め付け、200μｍの平均粒径の合金化鉄粉末及び
気孔形成剤からなる粗粒状粉末混合物を満たし、微孔性
層で覆う。その後ホース内部を真空化し、ホースを密閉
する。完成したユニットをコールドアイソスタティック
法でプレス加工する。型具のこうして製造した成形品を
型から分離し、慣用の焼結法で更に加工し、厚さ1.4m
m、理論材料密度約85％、最大孔直径45μｍの微孔性層
範囲と、理論材料密度約70％、平均孔直径約150μｍの
粗大孔性支持骨格とが同時に形成される。焼結した型具
は必要な場合には機械的に処理し、例えば型具保持体に
収納するため大きさを適合させることができる。

プラスチック又はゴムスリーブにおけるアイソスタテ
ィック粉末プレス法では、通常ゴムスリーブにプレスす
べき鋳型部品の粗い形状又は粗輪郭が形成される。同様
に本発明でもほぼ均一な壁厚を有する型具の半殻を得る
ことができる。

更にすでに上述したように、多孔質鋳型に対する広範
な使用分野に応じて、粉末材料から出発する微孔性又は
粗大孔性鋳型を製造する多くの技術は公知である。従っ
て本発明に相応する型具の製造についての説明は実施例
における各製品群との関連に限定されるものではない。

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】硬化可能な鋳物砂から鋳型及び中子を製造
   するためのガス透過性型具において、この型具が不均質
   多孔性に構成された開気孔材料からなり、型具の壁が鋳
   物砂に隣接する厚さ0.2〜2mm、理論材料密度75〜95％及
   び孔直径＜50μｍの第１の微孔性層範囲を有し、この層
   範囲に理論材料密度＜80％及び平均孔直径＞100μｍの
   粗大孔性支持骨格の形で第２の塊状範囲が直接接してい
   ることを特徴とするガス透過性型具。
2. 【請求項２】材料が硬化された開気孔フォームであるこ
   とを特徴とする請求の範囲第１項記載の型具。
3. 【請求項３】材料がセラミック材料からなることを特徴
   とする請求の範囲第１項記載の型具。
4. 【請求項４】材料が金属材料からなることを特徴とする
   請求の範囲第１項記載の型具。
5. 【請求項５】第１又は第２の範囲がそれぞれ、均質な構
   造及び材料組成を有する２層又は数層からなることを特
   徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１つ
   に記載の型具。
6. 【請求項６】孔径の異なる壁範囲が種々異なる材料から
   なることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項の
   いずれか１つに記載の型具。
7. 【請求項７】型具の内面が製造すべき鋳物部品の複雑な
   形状を有し、型具の外面がほとんど平坦な表面からなる
   ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいず
   れか１つに記載の型具。
8. 【請求項８】型具が２つ以上の部分からなることを特徴
   とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１つに
   記載の型具。
9. 【請求項９】微粒子粉末からなる層を鋳物の模型上に形
   成する工程と、この層の上に粗粒子粉末を圧着により形
   成する工程と、こうして形成した複合体を硬化させる工
   程とを使用することを特徴とする請求の範囲第１項又は
   第３項ないし第８項のいずれか１つに記載の型具の製造
   方法。
10. 【請求項１０】粉末状材料の少なくとも１種にその塗布
    前に気孔形成剤を加えることを特徴とする請求の範囲第
    ９項記載の型具の製造方法。
11. 【請求項１１】複合体の硬化を焼結により行うことを特
    徴とする請求の範囲第10項記載の型具の製造方法。
12. 【請求項１２】鋳物砂から中実でない殻状鋳型を製造す
    るための請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか１つ
    に記載の型具を使用して鋳物砂から中実でない殻状鋳型
    を製造する方法。