JP3983583B2

JP3983583B2 - 消失模型鋳造法

Info

Publication number: JP3983583B2
Application number: JP2002105353A
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: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-04-08
Also published as: JP2003290873A

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、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】
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ため、塗型には一定以上の強度が必要とされる。
【０００４】
更に消失模型用塗型には、消失模型の熱分解ガスを排出する機能が求められており、一般に塗型の強度を上げようとすると、このような熱分解ガスの排出機能を損ない残渣欠陥が発生する傾向がある。
【０００５】
これまでに球形骨材の使用（特開平１１−１１８４５４号、特表昭６２−５００３７０号）、通気性の高い塗型の形成（特開平１１−２５４０８８号）、消失模型にガス排出のための特定大きさの連通孔の形成（特開平１１−９０５８３号）等が提案されているが、何れも焼着防止、残渣欠陥抑制、鋳肌、変形等を全て満足させることはできなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、鋳型形成の際の耐火性骨材の充填性を高め、焼着欠陥、残渣欠陥がなく、鋳物表面の凹凸や変形も少ない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、前記鋳物砂として平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ前記塗型の単位抗折強度を１０Ｎ以上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、鋳物砂の流動性を高め、充填性を向上させるため平均粒径１ｍｍ以上の球形の耐火性骨材が使用される。ここで、平均粒径は、種々の目開きのふるいで粒度分布を求め、それから計算した５０重量％に相当する粒径とする。形状が球形で平均粒径が１ｍｍ以上であれば、該耐火性骨材の材質は問わない。例えばアルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニア、クロマイト、マグネシア及びそれらの混合物などが挙げられ、ガラスビーズ等の球形骨材の表面を、耐火性物質でコーティングしたものも使用できるが、耐熱性の点で好ましくはシリカ、アルミナ、ムライト、マグネシアである。
【０００９】
本発明において、耐火性骨材が球形であることは、好ましくは粒形係数が１．２以下であることを意味する。この粒形係数は、砂表面積測定器（ジョージ・フィッシャー社製）を用いて測定された耐火性骨材の表面積を、砂粒が全て球であると仮定した場合の理論表面積で割った値であり、粒形係数が１に近いほど球状に近い形状であることを表している。
【００１０】
小さい鋳物についてはこれらの骨材に粘結剤を添加しなくてもかまわないが、鋳型強度を上げるため粘結剤が添加されるのが好ましい。なお、何れの場合でも骨材の流動性が高いため、高い充填効果が得られる。前記粘結剤としては、フラン樹脂（フラン自硬性、フランウォームボックス）、水溶性フェノール樹脂（自硬性蟻酸メチル硬化、炭酸ガス硬化）、シェル、フェノールウレタン、水ガラス等の粘結剤が挙げられるが、好ましくは強度が得られ、且つ再生の容易なフラン樹脂、水溶性フェノール樹脂である。添加量は鋳物砂１００重量部に対し０．１〜５重量部が好ましい。鋳型の形成には、粘結剤に、流動性向上剤、強度向上剤等、従来公知の添加剤を組み合わせて使してもかまわない。
【００１１】
本発明では、単位抗折強度が１０Ｎ以上の塗型が形成された合成樹脂発泡体製模型が用いられる。この単位抗折強度は、下記の式（１）により算出される塗型の単位長さ・単位幅当たりの抗折強さであり、「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）に従い測定を行い得られる。これは、対象とする塗型の試験片について抗折強度Ｗを測定し、その数値に、実際に模型に形成された塗型の厚みｃ（ｍ）の２乗を乗じたものである。単位抗折強度Ｆ１は、好ましくは２０〜５００Ｎ、より好ましくは５０〜４００Ｎである。この範囲で鋳物表面の凸凹や充填時の変形を効果的に抑えることができる。なお、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。
【００１２】
Ｆ１＝Ｗｃ² （１）
ここで、
Ｗ：（３ｂＦ）／（２ａｃ₁ ²）により算出される抗折強度（単位：Ｐａ）
ｃ：塗型の厚み（単位：ｍ）
ａ：試験片の幅（単位：ｍ）
ｂ：支点間距離（単位：ｍ）
ｃ₁：試験片の厚み（単位：ｍ）
Ｆ：破壊荷重（測定値）（単位：Ｎ）
である。
【００１３】
本発明では、塗型の単位抗折強度Ｆ１を１０Ｎ以上とできるものであれば、通常の塗型剤を使用することができる。この単位抗折強度Ｆ１を達成するための手法として、（１）塗型剤を厚く塗布する、（２）塗型剤中のバインダー量を多く用いる、（３）塗型剤中の骨材として鱗片状骨材を用いる、等の方法が考えられる。
【００１４】
塗型剤を厚く塗布する場合、乾燥厚みで２〜１０ｍｍが好ましい。塗型厚さをひび割れなく厚くするためには、重ね塗り、乾燥砂をふりかける（スタッコ）などの手法を用いても良い。なお、通常、消失模型に形成される塗型の厚みは１〜２ｍｍである。
【００１５】
塗型剤のバインダーとしては、公知の有機系バインダー、無機系バインダーが使用できるが、無機系バインダーが耐熱性及びガス発生防止の面で好ましい。また、塗型剤中のバインダーを多く用いる場合は、塗型剤中１０重量％以上、更に１５〜３０重量％の比率が好ましい。特に、水ガラス、コロイダルシリカ、アルキルシリケート等のシリカ系バインダー、リン酸アルミ等のリン酸系バインダー、セメント等の無機バインダーが好ましい。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。
【００１６】
このように、本発明の消失模型鋳造法は、平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材内に、抗折強度が１０Ｎ以上の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。単位抗折強度Ｆ１が１０Ｎ以上の塗型は塗膜強度が高いが、熱分解ガスの排出機能が十分ではなく、鋳型からの熱分解ガスの排出を向上させ、より残渣欠陥の少ない鋳物を得るために、塗型とは別に、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通路を設けることが好ましい。その一例を図１に基づき説明する。
【００１７】
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、球形耐火性骨材であり、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。
【００１８】
鋳物砂７は、平均粒径１ｍｍ以上で球形の耐火性骨材であり、この混練砂を充填する方法として、振動機を用いた振動造型、エアーを用いたブロー造型、減圧を用いた減圧造型、手込め等があるが、これらのいずれにも効果がある。特に、振動機、ブロー造型、減圧造型等、機械を用いた造型では、手込めと違い、充填の難易度に応じた調整が困難であるため、本発明で選定した耐火性骨材による充填性の向上は有意義である。
【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、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とが好ましい。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】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
本発明では、鋳物砂としてとして平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ塗型の抗折強度を１０Ｎ以上とするが、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。なお、排ガスの排出効率を高めるため吸引装置を用いた減圧鋳造を行ってもよいが、排出通路を設ける場合には吸引装置は必ずしも必要としない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の消失模型鋳造法によれば、鋳型形成の際の耐火性骨材の充填性が向上し、複雑な形状の模型も破損せずにより低い加振力で充填でき、ポケット部においても焼着欠陥のない鋳物が得られる。更に鋳物表面の凹凸、変形も少なく、残渣欠陥もない高品質な鋳物を製造することができる。
【００３１】
【実施例】
実施例１〜４及び比較例１〜３
（１）球形アルミナボール１００部（重量基準、以下同様）に、花王クエーカー（株）製フラン樹脂用硬化剤Ｃ−１４を０．３５部、フラン樹脂３４０Ｂを０．７部加えミキサーにて混練した。図４に示す消失模型に下記の塗型剤を表１の組み合わせで繰り返し塗布し、表１記載の厚み（乾燥厚）とした模型を用意し、該模型の回りを、上記の混練砂を用いて、振動機にて充填した。なお、図４の模型において、空洞部４１の大きさは、図４中のｘ方向が１００ｍｍ、ｙ方向が６０ｍｍ、ｚ方向が１５５ｍｍであり、突起部４２の大きさは、ｘ方向が５０ｍｍ、ｙ方向が２０ｍｍ、ｚ方向が２０ｍｍであった。振動には、東洋機械製作所製の円運動振動機を用い、振動条件１．５Ｇ、振幅約０．４ｍｍで１分間振動させた。この鋳型を硬化させ、ＦＣ３００の鋳鉄溶湯を直接模型に注湯した。その際、一部の例では、図１のように、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通路を設けた。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。鋳物品質として、ポケット部の焼着、鋳物表面の凹凸、鋳物の変形、残渣欠陥を目視にて観察した。これらの結果を表１に示した。
【００３２】
＜塗型剤１＞
塗型主骨材として平均粒径８０μｍのシリカ粉４０部に、燐状黒鉛１０部、酢酸ビニル系バインダー５部、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。この塗型剤１の通気度は０．１４、抗折強度Ｗは３．５ＭＰａであった。本塗型剤１は、膜厚３ｍｍに塗布した場合、通気度／膜厚（ｍｍ）は０．０５、単位抗折強度Ｆ１は３１．５Ｎとなる。
【００３３】
＜塗型剤２＞
平均粒径１３μｍのシリカ２２５０ｇ、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調製した。この塗型剤２の通気度は０．０２、抗折強度Ｗは４．５ＭＰａであった。本塗型剤２は、膜厚５ｍｍに塗布した場合、単位抗折強度Ｆ１は１１３Ｎとなる。
【００３４】
（２）また、上記混練砂から、硬化剤を除いた系（以下、試験砂という）について流動性を評価した。すなわち、図３に示すような、略Ｕ字状の中空部（Ａ−Ｂ−Ｃ）を持つ箱体を準備した。図３中、ＰＳは発泡ポリスチレン体であり、表面にはＰＣ１００（花王クエーカー（株）製、塗型剤）が塗布されている。また、この箱体の寸法は、Ｌ₁が８ｃｍ、Ｌ₂が２０ｃｍ、Ｌ₃が１７ｃｍ、Ｌ₄が８ｃｍ、Ｌ₅が８ｃｍ、Ｌ₆が１２ｃｍである。この箱体の中空部Ａに入るだけ、試験砂を投入し、振動を開始した。振動を１分間行うと、試験砂は中空部Ｂへ移動し、中空部Ａの上部に空間が生じた。この空間に更に試験砂を、全部で８ｋｇになるように投入し、今度は１０分間振動を与えた。そうすると、試験砂は、箱体の中空部Ｃに入って行き、図３に示すような状態（山状）となった。そして、発泡ポリスチレン体の底面から、山状混練砂の頂上までの距離をａとし、試験砂の裾までの距離をｂとし、その平均値〔（ａ＋ｂ）／２〕を求め、これを充填高さ（ｃｍ）とし、その結果を表１に示した。充填高さが高いほど、試験砂の流動性が良好であることを示している。なお、上記した振動は、東洋機械製作所製の垂直面真円運動振動機を用い、振動条件１．５Ｇ、振幅０．４ｍｍで行った。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１に示されるように、平均粒径が１ｍｍ未満の耐火性骨材を用いた場合（比較例１、２）は、混練砂の流動性が悪くなり充填不足によるポケット部の焼着が生じ、一方、骨材平均粒径が１ｍｍ以上でも塗型の単位抗折強度が１０Ｎ未満であると（比較例３）、鋳物表面状態が悪くなり変形も生じる。この結果から、良質な鋳物を得るには、鋳物砂として平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ塗型の単位抗折強度を１０Ｎ以上とする必要があることがわかる。
【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】通気抵抗の測定方法を示す概略図
【図３】試験例で鋳物砂組成物の流動性を評価するために用いた箱体の模式的斜視図
【図４】実施例で用いた消失模型の概略図
【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、前記鋳物砂として平均粒径１ｍｍ以上の球形耐火性骨材を用い、且つ前記塗型の単位抗折強度を１０Ｎ以上とする消失模型鋳造法。
前記塗型とは別に、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通路を設ける請求項１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又は２記載の消失模型鋳造法。
前記排出通路が、排出気体抑制手段を備える請求項２又は３記載の消失模型鋳造法。
鋳物砂に粘結剤が添加されている請求項１〜４の何れか１項記載の消失模型鋳造法。