JP3871952B2

JP3871952B2 - 消失模型鋳造法

Info

Publication number: JP3871952B2
Application number: JP2002105352A
Authority: JP
Inventors: 雅之加藤; 茂夫仲井
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: JP2003290874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消失模型鋳造法に関し、特に模型の消失により発生した気体を、特定の排出通路を介して鋳型外部に放出させつつ鋳造を行う消失模型鋳造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消失模型鋳造法はフルモールド法とも言われ、一般に、ポリスチレン発泡体等より成る消失模型を鋳物砂の中に埋設し、溶湯を注湯して湯の熱で消失模型を気化消失させるとともに、生じた空隙に溶湯を充填して、鋳造品を作る鋳造法であり、特にプレス金型の製作に広く利用されている。
【０００３】
一般に、消失模型には、鋳物砂との焼着防止、模型の強度付与（造型時、ハンドリング時の変形、破損防止等）等の目的で塗型が形成される。これらの効果は、塗型剤を厚く塗る、塗型剤に細粒径あるいは鱗片状の骨材を用いる、塗型剤中のバインダー成分の量を増やす等により向上するが、その一方で塗型の通気性を低下させてしまうため、熱分解ガスを十分に排出できずに鋳物表面に残渣欠陥が発生することがあった。
【０００４】
そこで、ガス抜き調整不良による残渣欠陥を解消するために、通気性の高い塗型を形成すること（特開平１１−２５４０８８号）や、消失模型にガス排出のための特定大きさの連通孔（通気孔）を形成すること（特開平１１−９０５８３号）などが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通気性の高い塗型を形成してもなおガス抜きが不十分となって残渣欠陥が発生することがあり、更に塗型強度が低下し焼着欠陥が発生しやすくなる。一方、消失模型に単なる連通孔を形成すると、溶湯の吹き上げや、ガス放出が過度となりすぎて、環境への影響が懸念される。このように従来の消失模型鋳造法では、残渣欠陥の発生及び焼着欠陥の両方が同時に十分に解消されているとは言い難い。
【０００６】
本発明の課題は、焼着欠陥及び焼着欠陥の両方を同時に防止できる消失模型鋳造法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鋳物砂内に、塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型を埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法であって、前記模型の消失により発生した気体を前記鋳型の外部に放出させる排出気体抑制手段を備えた排出通路を塗型とは別に設け、且つ前記塗型の通気度と塗型の厚み（ｍｍ）の比を通気度／厚みで０．１以下とする消失模型鋳造法に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、塗型の通気度と塗型の厚み（ｍｍ）の比が、通気度／厚みで０．１以下、好ましくは０．０００５〜０．０９、より好ましくは０．００１〜０．０５の消失模型が使用される。この比が０．１以下であることで、塗型強度が向上し焼着欠陥が低減される。ここで、通気度Ｐは、「消失模型用塗型剤の特性と標準化」（日本鋳造工学会関西支部、平成８年３月１５日発行）に基づき、以下の式により求められる。
【０００９】
Ｐ＝（ｈｖ）／（ａｐ）
ｈ：塗型の厚み（ｃｍ）
ｖ：空気流量（ｃｍ³／ｍｉｎ）
ａ：試験片断面積（ｃｍ²）
ｐ：通気抵抗（ｃｍＨ₂Ｏ）（測定値）。
【００１０】
ここで、塗型の厚みは、塗型形成後の模型重量から塗型形成前の模型重量を差し引き、その重量を塗型剤が塗布された面積及び乾燥塗型の密度で除した値とする。通気度が０．３以下、更に０．０１〜０．２、特に０．０１〜０．１の塗型は、厚みを厚くする必要が無く簡単に塗布できるため好ましい。
【００１１】
本発明では、上記の通気度／厚み比を達成できれば、塗型剤は従来公知のものを使用することができる。塗型剤のバインダー成分としては、有機バインダー、無機バインダーを用いることができる。有機バインダー成分としては、水系ではポリアクリル酸ナトリウム、澱粉、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウム、アラビアガム等の水溶性高分子や酢酸ビニル系、アクリル系等の各種の樹脂のエマルションを、またアルコール系ではアルコール可溶もしくは分散する各種樹脂を使用できる。無機バインダーとしては、エチルシリケート、水ガラス、セメント、コロイダルシリカ、リン酸アルミニウム等が挙げられる。また、塗型剤の主骨材は、シリカ、シリカ−アルミナ、アルミナ、ムライト、ジルコン、黒鉛等、従来公知の骨材を用いることができる。その他、塗型剤には、界面活性剤、増粘剤、ベントナイト等のチキソトロピー性付与剤等の添加剤を使用できる。
【００１２】
上記の通気度／厚み比を持つ塗型を形成するための具体的な手法として、下記の方法が挙げられる。▲１▼、▲２▼、特には▲２▼が効果的であり、好ましい。
【００１３】
▲１▼塗型剤に細粒径の主骨材を用いる
例えば塗型剤の主骨材として平均粒径２０μｍ以下、好ましくは５〜２０μｍのものを使用することにより、焼着欠陥の解消効果が顕著となり、更に鋳物の表面が平滑になる。
【００１４】
▲２▼無機バインダーを用いる
無機バインダーを用いることにより、塗型からのガス発生が少なくなり、焼着欠陥等の解消効果が向上する。
【００１５】
▲３▼塗型剤を厚く塗布する
例えば塗型剤の塗布厚み（乾燥厚）を１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍとすることにより、焼着欠陥の解消、模型の変形や破損の防止、ハンドリング性の向上などの効果がより顕著に得られる。この場合も、塗型剤は従来公知の方法に準じて塗布すればよいが、重ね塗りやひび割れ防止のために、乾燥砂・骨材をふりかける（スタッコ）などの手法を用いても良い。
【００１６】
▲４▼バインダー成分の添加量を増やす
従来、塗型剤中には１０重量％（対骨材）程度のバインダー成分が配合されているが、これを好ましくは１５重量％以上、更に２０〜５０重量％（対骨材）とする。バインダー成分の増量により、焼着欠陥の解消、模型の変形や破損の防止、ハンドリング性の向上などの効果がより顕著に得られる。
【００１７】
本発明の消失模型鋳造法では、模型の消失により発生した気体を鋳型の外部に放出させる排出気体抑制手段を備えた排出通路が塗型とは別に設けられ、溶湯の吹き上げがなく、且つ発生気体を適度に排出できるため、安全に鋳込みができ、且つ残渣欠陥が低減される。本発明の方法の一例を図１に示した。
【００１８】
図１において、鋳型は、鋳枠４と鋳枠４の内部の鋳物砂７と鋳物砂７に埋設された模型１等からなり、模型１に連通した受口５が左上方に設けられている。模型１は、発泡ポリスチレンによって製品と同一形状に形成されており、貫通孔２が設けられている。鋳物砂７は、５．５号硅砂であり、粘結剤を適量含有させてある。鋳型の形成は、まず、模型１の表面に耐火性に優れた塗型剤３を塗布し、その後充分乾燥させる。そして鋳枠４に湯口６および湯道１０を形成した後、模型１を固定し鋳物砂７で埋設し、受口５を設置する。その際、貫通孔２の内部は空間にしておき、貫通孔２を湯道１０に連通させると共に、貫通孔２に連通する排出管を設け排出通路８とする。排出通路８となる排出管はセラミック製で、排出気体抑制手段としてバインダーで成型されたアルミナ等の耐火物粒子９が充填され、貫通孔２と大気とを連通させるように鋳物砂７に埋設される。
【００１９】
受口５から溶湯を注湯すると、溶湯は湯口６および湯道１０を通って模型１に到達し、模型１を溶融させて、鋳型内に溜る。一方、排出通路８からは、溶湯によって溶融、燃焼された模型１の気体が排出されるのが確認される。
【００２０】
排出通路８は、塗型以外から熱分解ガスを排出させるものであればよく、排出通路となる排出管の径、設置位置、数等は、模型の形状や大きさにより決められる。排出通路は、直径３０ｃｍ以下、好ましくは１〜１０ｃｍの円筒状の、好ましくはセラミック製の排気管により形成されるのが好ましい。排出通路のその本数については所望の通気度を確保できるように適宜決定すればよいが、発泡体１千〜１０万ｃｍ³、好ましくは１千〜１万ｃｍ³あたり、１本設けるのが好ましい。
【００２１】
本発明では、図１のように、排出気体抑制手段を排出通路に設ける。この排出気体抑制手段とは、該手段を設けることで徐放（ここで、徐放とは、発生気体をその発生とほぼ同時に強制的に排出するのではなく、その排出量を抑制しつつ排出することをいう。）を達成し得る通気性を有する手段であり、耐火物粒子及びその層、背圧弁、中空細管等が挙げられ、溶湯の吹き出し防止や鋳物品質の点から、耐火物粒子及びその層、背圧弁がより好ましい。
【００２２】
なお、中空細管を排出気体抑制手段とする場合、該細管を模型に接するように設置してもよい。中空細管は排出通路を兼ねることができる。中空細管は、内径０．１〜５ｃｍ、長さ３０ｃｍ〜５ｍ、好ましくは内径０．５〜２ｃｍ、長さ４０ｃｍ〜２ｍで、金属等の耐火性のある材質で構成されるものが好ましい。
【００２３】
排出気体抑制手段となる、通気性のある耐火物層としては、耐火物粒子をバインダー等を添加して成型させたものや、ウレタンフォームにセラミックススラリーを浸漬しその後焼成した、いわゆるセラミックスフォームフィルター等を使用することもでき、好ましくは前者である。耐火物粒子の平均粒径は０．１〜１０ｍｍ、更に０．５〜５ｍｍが好ましく、金属又はその酸化物の粒子、例えばアルミナ、珪砂、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂等が挙げられる。耐火物は、排出通路の面積、形状にもよるが、厚さが０．５〜２０ｃｍ、更に１〜１０ｃｍとなる量で充填されることが好ましい。
【００２４】
また、背圧弁とは、気体の流れ方向の圧力を弁の前側（気体流路の上流）に比して後側（気体流路の下流）を低く設定できる弁のことであり、バネ式低圧バルブ、ニードル式等何れを用いてもよく、これらを排気通路に設置することで排出気体抑制手段が形成される。
【００２５】
模型は、合成樹脂発泡体からなるものが使用される。合成樹脂発泡体としては、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、又はこれらの共重合体等の発泡体が用いられる。
【００２６】
模型には、貫通孔が形成されていることが好ましい。特に、図１のように、排出気体抑制手段を備えた排出通路８、更に湯道６に連通する貫通孔を形成することが好ましい。熱分解ガスの徐放を精度良くコントロールするためには、排出気体抑制手段に集中的にガスを導く必要がある。そのため、模型には排出通路、更に湯道に連通する貫通孔を形成することが好ましい。貫通孔は、模型作製時に形成してもよいし、模型作製後、加熱した金属棒等、あるいはドリル、レーザーにより形成してもよいし、カッターナイフ等で切れ込みを入れた後、接着テープ等を模型表面に貼り付けることで形成させてもよい。貫通孔の径、形成位置、数等は、模型の形状や大きさにより決める。
【００２７】
鋳造に用いる鋳物砂としては、石英質を主成分とする珪砂の他、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂等の新砂又は再生砂が使用される。鋳物砂は粘結剤を添加せずに用いることもでき、その場合には充填性が良好であるが、強度が必要な場合には、粘結剤を添加し、硬化剤により硬化させるのが好ましい。
【００２８】
本発明においては、排出通路を通過する気体の圧力損失が０．０５〜５０００ｇ／ｃｍ²であることが好ましく、より好ましくは０．１〜１０００ｇ／ｃｍ²であり、更に好ましくは０．５〜１００ｇ／ｃｍ²であり、特に好ましくは１〜５０ｇ／ｃｍ²である。ここで圧力損失とは、排出気体抑制手段の前後（気体流路の上流、下流）の圧力差であり、排出通路の排気側の圧力は何れでもよいが、好ましくは大気圧である。なお、圧力損失は次のような手順に則り、計算により求められる。まず図２に示したように、コンプレッサーから通気量（通常１〜１０Ｌ／分の範囲）の異なる加圧空気を流通させた時のそれぞれの圧力を求め、それに基づき通気量−圧力損失の検量線を作成する。次いで、鋳込み時間と予想される気体発生量Ｖから単位時間あたりの気体発生量（Ｌ／分）を求め、検量線をその気体流量に一次近似外挿して圧力損失を求める。
【００２９】
ここで、「鋳鍛造と熱処理」（１９９５年８月号）の第２７頁図３によれば、１０００℃における熱分解気体発生量として、ポリスチレンで６５０ｃｍ³／ｇ、ポリメチルメタクリレートで９８０ｃｍ³／ｇである。これら以外の材質を用いる場合は計測してＶを求める。
【００３０】
本発明では、特定の排出通路を設け、且つ塗型の通気度と塗型の厚み（ｍｍ）の比を通気度／厚みで０．１以下とするが、それ以外は、従来公知の消失模型鋳造法に準じて行うことができる。
【００３１】
本発明では、塗型を通過する熱分解ガスを効率よく排気するため吸引装置を備えた鋳枠を用いて鋳込みを行ってもよいが、特定の排出通路を有していることから、必ずしも吸引装置を有さなくてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、残渣欠陥及び焼着欠陥がなく美麗な鋳物を製造できる消失模型鋳造法が提供される。特に、厚肉部やポケット部があり焼着欠陥が発生しやすい鋳物や、複雑で薄肉の模型を変形破損しやすい形状の鋳物について、残渣欠陥のない鋳物を作るのに効果がある。
【００３３】
【実施例】
実施例１
１２０ｍｍ×８０ｍｍ×２５０ｍｍの発泡模型（発泡ポリスチレン製）に、直径３ｍｍの金属棒を加熱し、図１のように貫通孔を形成した。貫通孔の直径は約４ｍｍであった。
【００３４】
内径４ｃｍの円筒形の陶管（長さ３０ｃｍ）に、エステル硬化性フェノール樹脂を含有する直径２ｍｍの球状アルミナを厚さ（ｈ）２．５ｃｍとなるように充填し硬化させ、排出気体抑制手段を備えた排出通路とした。この排出通路を通過する気体の圧力損失は４ｇ／ｃｍ²であった。
【００３５】
塗型主骨材として平均粒径８０μｍのシリカ粉４０部（重量基準、以下同様）に、鱗状黒鉛１０部、酢酸ビニル系バインダー５部（固形分として）、水４０部、非イオン界面活性剤０．５部、ベントナイト４．５部を加えた塗型剤を前記形状の発泡模型に膜厚が３ｍｍになるように塗布した。
【００３６】
形成された塗型の通気度は０．１４、抗折強度は３．５ＭＰａ、膜厚は３ｍｍであり、通気度／膜厚は０．０４７であった。なお、この抗折強度は、前記「消失模型用塗型剤の特性と標準化」に基づいてＤＰＸ−２ＴＲ（ＩＭＡＤＡ社製）デジタルフォースゲージにより測定されたものである。
【００３７】
塗型剤を塗布した模型を乾燥し、造型、鋳込みを行った。鋳鉄の材質はＦＣ２５０、鋳込み温度は１４００℃であった。鋳込み後の鋳物の品質（残渣欠陥と焼着欠陥）の評価結果を表１に示す。また、得られた鋳物の表面粗度を表面粗さ計（Taylor-Hobson 社製 Surtronic10)にて測定した結果、Ｒａ＝１８．６であった。
【００３８】
実施例２
塗型剤を繰り返し塗布しての塗布厚みを１０ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして鋳込み試験を行った。結果を表１に示す。このように塗膜の厚みを厚くすると、強度は膜厚の２乗に比例するため、３ｍｍに塗布した塗型に比べて、約１１倍強度が高くなり、模型の変形、破損等の防止にも有用である。
【００３９】
実施例３
塗型剤主骨材に平均粒径１６μｍのシリカを用いた以外は、実施例１と同様にして鋳込み試験を行った。結果を表１に示す。
【００４０】
実施例４
酢酸ビニル系バインダーの代わりに無機バインダーとして水ガラス水溶液５０部（固形分濃度２０重量％、ＰＣ５００、日産化学社製低アルカリ水ガラス系バインダー、対骨材２０重量％）を用い、水を添加しない以外は実施例１と同様に鋳込み試験を行った。この塗型の強度を測定すると、９．６ＭＰａであった。結果を表１に示す。
【００４１】
このような塗型を用いた場合、焼着欠陥が解消するだけでなく、塗型の強度も向上するため、模型の変形、破損等の防止にも有用である。
【００４２】
実施例５
塗型剤として平均粒径１２μｍのシリカ２２５０ｇにコロイダルシリカ水溶液（固形分濃度３０重量％）１０００ｍｌ（重量１２１０ｇ、固形分量が対シリカで１６重量％）、非イオン界面活性剤０．２ｍｌ、消泡剤数滴の比率でスラリーを作った。このスラリーを模型表面に繰り返し塗布し、膜厚（乾燥厚）を５ｍｍとした。実施例１と同様に鋳込み試験を行った。得られた鋳物の表面粗度はＲａ＝６．３であり、実施例１より更に平滑な表面を持つものであった。本発明では、このような細かい主骨材の塗型を用いた場合、焼着欠陥が解消するだけでなく、より平滑な鋳物を作ることが出来る。
【００４３】
比較例１〜３
塗型剤の塗膜厚みと排出通路の形成を表１の通りとした以外は、実施例１と同様にして鋳込み試験を行った。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
実施例３、５は耐火性骨材の平均粒径が小さい場合に塗型膜厚を薄くしても良好な結果が得られることを示している。また、実施例４は、無機バインダーを使用しているため、塗型膜厚が薄くても良好な結果が得られることを示している。特に、実施例５の結果から、本発明では、耐火性骨材の平均粒径が小さく且つ無機バインダーを使用すると、最も良好な結果が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の消失模型鋳造法の一例を示す概略図
【図２】圧力損失を算出するための実験装置の概略図
【符号の説明】
１模型
２貫通孔
８排気通路
９耐火物粒子

Claims

鋳物砂内に、塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型を埋設してなる鋳型に溶湯を注湯し、該溶湯によって前記模型を消失させながら製品を鋳造する消失模型鋳造法であって、前記模型の消失により発生した気体を前記鋳型の外部に放出させる排出気体抑制手段を備えた排出通路を塗型とは別に設け、且つ前記塗型の通気度と塗型の厚み（ｍｍ）の比を通気度／厚みで０．１以下とする消失模型鋳造法。
塗型の通気度が０．３以下である請求項１記載の消失模型鋳造法。
前記塗型が、平均粒径２０μｍ以下の耐火性骨材を含有する請求項１又は２記載の消失模型鋳造法。
前記塗型が、無機バインダーを含有する塗型剤により形成されたものである請求項１〜３の何れか１項記載の消失模型鋳造法。
前記排出気体抑制手段が、圧力損失０．０５〜５０００ｇ／ｃｍ²の排出気体抑制手段である請求項１〜４の何れか１項記載の消失模型鋳造法。