JP4280322B2

JP4280322B2 - 中空金属鋳造品を製造するための鋳型及び方法

Info

Publication number: JP4280322B2
Application number: JP08372098A
Authority: JP
Inventors: ヘーベッガーゲオルグ
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: KR19980081389A; JPH10305347A; EP0872295A1; DE59707494D1; KR100538284B1; CN1199659A; CN1168557C; DK0872295T3; EP0872295B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中空金属鋳物、即ち、鋳造品を製造するための鋳型及び方法と、同鋳型または方法によって製造された中空鋳造品とに関し、同中空鋳造品は互いに異なる壁厚を備えた２つの領域を有する。特に、本発明は内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンのシリンダ・スリーブを製造するための鋳型及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃式往復ピストン・エンジン、特に、船等に使用する大型ディーゼル・エンジンのシリンダ・スリーブは運転中に大きな機械的応力及び熱応力を受ける。シリンダ・スリーブは特に燃料混合物の爆発領域内で高圧及び高温に耐える必要がある。従って、シリンダ・スリーブは燃料混合物の爆発によって生じる応力に耐えるべく高い強度を特に爆発領域内に有する必要がある。
【０００３】
燃料混合物が運転中に爆発する領域内におけるシリンダ・スリーブの強度を高めるべく、同領域内のシリンダ・スリーブは他の領域より更に大きな壁厚を常には有する。これはシリンダ・スリーブが互いに異なる壁厚を備えた２つの領域を実質的に有することを意味する。２つの領域のうちの第１の領域は大きな壁厚を備え、かつ一般的な命名法に基づいてカラー領域（Kragenbereich ）と称される。更に、第２の領域は小さな壁厚を備え、かつ一般的な命名法に基づいてシャツ領域（Hemdbereich ）と称される。
【０００４】
多くの場合、内燃式エンジンのシリンダ・スリーブは鋳造によって鋳鉄、特に、鋳鉄合金から形成される。鋳造材料として使用する合金の化学組成とは別に、構造、強度、伸び及び摩擦特性等のシリンダ・スリーブの物理的特性及び治金学的特性は鋳造材料の凝固の推移によって大きく左右される。従って、使用する鋳型及び鋳造法はシリンダ・スリーブの特性に重大な意味を有する。
【０００５】
シリンダ・スリーブを製造するための２つの鋳造法が知られている。砂型鋳造法では、液体鋳造材料、即ち混合物を砂型内へ充填し、同砂型は製造する鋳造品の所望の形状に基づいて予め成形されている。更に、必要に応じて、余剰の材料を仕上げ代として加える。この種の砂型は予め粘結剤を添加した珪砂または他の砂状鉱物材料から化学的硬化処理または熱硬化処理等を通じて形成され、同砂型は一度だけ使用すべく常には設計されている。これによって製造されたシリンダ・スリーブの問題点としては、同シリンダ・スリーブの冶金学的構造、強度及び伸びが現代の内燃式往復ピストン・エンジン、特に高出力の内燃式往復ピストン・エンジンの要件を満たしていない点が挙げられる。これは砂型内における鋳造材料の凝固の推移、特に凝固時間が冶金学的観点において理想的でないことに主に起因する。
【０００６】
重力ダイカスト法と称される第２の種類の鋳造法では、液体鋳造材料を充填する鋳鉄製鋳型（永久鋳型）が殆どの場合に使用される。従って、鋳造材料をその内部で凝固させる金属鋳型により、鋳造品の外形が成形される。この種の永久鋳型は常には複数回使用できる。しかし、重力ダイカスト法では、鋳造品が凝固した後、即ち冷却した後、永久鋳型を鋳造品から分離する必要がある。このため、製造された鋳造品の外形は比較的大きな幾何学的制約を受ける。この境界条件の制約により、鋳造品の外形の幾何学的詳細を永久鋳型法によって適切なコスト及び労力で常には形成できない。従って、シリンダ・スリーブ等を製造する際、同シリンダ・スリーブの所望の外形を実現すべく比較的大規模な別の機械加工を通じて鋳造品を製造する必要がある。これは鋳造品の外形が所望の最終製品外形から大幅にずれていることを意味する。即ち、時間及びコストを要する別の機械加工を続いて実施する必要があり、同機械加工は切り屑を形成する機械加工プロセス等による大量の材料の切削を要する。この別の機械オペレーションは大量の鋳造材料を使用するため経済的観点において望ましくない。
【０００７】
現代の大型高出力エンジンに使用するシリンダ・スリーブ等の特に大きな鋳造品を製造する場合、永久鋳型の重量は複数の問題点を招来する。例えば、この種の鋳造材料を充填した永久鋳型は数十トンの重量を有する。そして、充填された永久鋳型の冷却または鋳造品からの永久鋳型の分離を実現すべく、永久鋳型を別の場所へ搬送する必要がある。しかし、多くの鋳造工場は充填された永久鋳型を別の場所へ搬送するための十分に強力なリフティング装置を所有していない。十分に強力なリフティング装置を設置するためには時間及びコストを要する改造作業が必要である。
【０００８】
本発明の目的は鋳造品内における凝固の空間的及び時間的な推移を可能な限り理想的状態とし、かつ仕上げ代として比較的僅かな量の材料を処理するようにした中空金属鋳造品を製造する鋳型及び方法を提供することにある。特に、本発明の目的は別の機械加工の量を比較的少なくし、かつ使用応力に耐える能力（例：強度、伸び）の点で現代の高出力機械の要件を満たす内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンに使用するシリンダ・スリーブ等の中空金属鋳造品の製造を可能にする鋳型及び方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく中空金属鋳造品を鋳造材料から製造するための鋳型、特に、内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンのシリンダ・スリーブを製造するための鋳型は、鋳造材料を鋳造空間内へ案内するための入口を有し、鋳造空間は複数の成形面によって画定され、かつ鋳造材料を受け入れる。本発明に基づく鋳型は永久鋳型及び砂型を含み、永久鋳型は第１の成形面を有し、砂型は鋳造品の形状及び寸法を決定する残りの複数の成形面を有する。
【００１０】
本発明に基づく鋳型及び方法は前記の複数の問題点を伴うことなく砂型法及び永久鋳型法の両方の効果をそれぞれ有する。本発明に基づく永久鋳型及び砂型の組み合わせにより、鋳造材料内での凝固の空間的及び時間的な推移を以下に詳述するように最適化できる。これにより、本発明に基づく中空鋳造品は従来の鋳造法または砂型等を使用して製造された鋳造品より遙かに優れた機械的応力に対する耐性（例：その強度及び硬度）を有する。更に、本発明に基づく鋳型の砂型と、本発明に基づく方法における同砂型の使用とは、同砂型によって成形された中空鋳造品の外形に関する高い柔軟性の実現を可能にする。この結果、比較的僅かな量の余剰材料を仕上げ代として要するのみである。
【００１１】
本発明に基づく鋳型の永久鋳型は一体品であることが好ましい。これは互いに当接する２つの永久鋳型間の境界面において生じる熱による中空鋳造品の損傷を防止できることに起因する。
【００１２】
永久鋳型は熱を同永久鋳型の内側または外側へ伝えるために流体、特に、空気を案内する複数の導管、即ち通路を有することが好ましい。暖気を導管を通じて貫流させることによって、永久鋳型を液体鋳造材料注入前に簡単に予熱できるため、この手段は効果的である。更に、冷気等を使用することによって高温の永久鋳型を中空鋳造品の取出し後に簡単に冷却できる。この結果、新たな鋳造プロセスを実施すべく永久鋳型を短時間の後に使用できる。鋳造材料の注入中及び／または注入後に、永久鋳型から熱を取り除く効果的な可能性が存在する。
【００１３】
好ましい態様では、砂型は砂コア及び砂ジャケットを有し、鋳造空間の一方の側部は砂コアによって画定され、他方の側部は砂ジャケット及び永久鋳型によって画定されている。
【００１４】
永久鋳型は一端を開放した容器が好ましい。同容器は内壁及びベースを有し、内壁と、ベースの少なくとも一部とが第１の成形面を成形する。この手段により、大きな接触面が永久鋳型及び鋳造材料の間に形成される。これにより、鋳造材料及び永久鋳型の間の伝熱が改善、より詳細には加速される。
【００１５】
永久鋳型エレメントのベースが凹部を有し、砂コアを同凹部内まで延設することは効果的である。従って、砂コアを砂ジャケット及び永久鋳型の中心へ簡単に位置決めし得る。これにより、中空鋳造品の放射相称が保証される。
【００１６】
砂コアと、永久鋳型の内壁との間の距離を砂コア及び砂ジャケットの間の距離より大きくすることは特にシリンダ・スリーブの製造において効果的である。これによって、シリンダ・スリーブのカラー領域に対応する中空鋳造品の厚壁領域が永久鋳型内で形成される。砂型によって形成される薄壁領域（シャツ領域）より更に迅速に厚壁領域（カラー領域）を凝固できるため、これは中空鋳造品の凝固の進行に特に好ましい。
【００１７】
凝固の最も理想的な空間的及び時間的な推移に関して、永久鋳型のデザインを同永久鋳型によって囲まれた鋳型の領域に整合させることは効果的である。これは特にシリンダ・スリーブの製造において、中空鋳造品のカラー領域の寸法を永久鋳型のデザインにおいて考慮することを意味する。従って、以下の手段を使用することが好ましい。
【００１８】
・永久鋳型によって囲まれた鋳造空間の領域を画定する鋳型の複数の表面のほぼ半分を、第１の成形面によって形成する。これにより、大きな接触面が形成され、熱は同接触面を通じて鋳造材料から永久鋳型へ伝搬可能である。
【００１９】
・中空鋳造品の冷却に必要な永久鋳型の材料体積を永久鋳型によって囲まれた鋳造空間の領域の体積の少なくとも２倍の体積とする。これによって、永久鋳型の熱容量をカラー領域の迅速な凝固を可能にする十分な量とすることが保証される。
【００２０】
・永久鋳型の壁厚を砂コアと、永久鋳型の内壁との間の距離の１．５倍未満、特には約０．９倍にする。
本発明に基づく方法は中空金属鋳造品、特に、内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンのシリンダ・スリーブの製造に使用され、中空鋳造品は第１の領域及び第２の領域を有し、第１の領域内における中空鋳造品の壁厚は第２の領域内における中空鋳造品の壁厚より大きい。本発明に基づく方法では、鋳造材料を鋳型内へ注入し、かつ同鋳型内で凝固させる。本発明に基づき、第１の領域内における中空鋳造品の外形を永久鋳型によって成形し、第２の領域内における中空鋳造品の外形を砂型によって成形する。
【００２１】
本発明に基づく鋳型に関連した前記の理由により、以下のことは本発明の方法に効果的である。
・一体をなす永久鋳型を第１の領域内における中空鋳造品の外形の成形に使用する。
【００２２】
・永久鋳型を鋳造材料の注入前に流体、特に空気で暖める。
・永久鋳型を鋳造材料の注入中及び注入後の少なくともいずれか一方において流体、特に空気で冷却する。
【００２３】
本発明に基づく鋳型及び方法は内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンの互いに異なる壁厚を備えた２つの領域を有するシリンダ・スリーブの製造に特に適する。
【００２４】
本発明に基づく鋳型は本発明の方法の実施に特に適する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
鋳造材料から中空金属鋳造品を製造するための本発明の実施の形態に基づく鋳型に関する以下の説明は、第１の領域及び第２の領域を有し、同第１の領域内における中空鋳造品の壁厚が第２の領域内における中空鋳造品の壁厚より大きい中空金属鋳造品を製造するための本発明の実施の形態に基づく方法の説明にも同様に適用される。
【００２６】
更に、以下の特徴に関する説明は内燃式往復ピストン・エンジン、特に大型ディーゼル・エンジンに使用するシリンダ・スリーブの製造に限定される。しかし、これらは他の中空金属鋳造品の製造にも同様に適用される。“中空鋳造品"という用語は、外側境界面と、その内部空間に面した少なくとも１つの境界面とを有する鋳物を意味する。同鋳物の例としては、中空シリンダ、スリーブまたは管状構造物等が挙げられる。
【００２７】
この種のシリンダ・スリーブを特に大型ディーゼル・エンジンに使用することは今日において一般的である。シリンダ・スリーブはカラー領域と称される第１の領域と、シャツ領域と称される第２の領域とを有し、シリンダ・スリーブの平均壁厚はシャツ領域よりもカラー領域の方が大きい（例：２倍の大きさ）。カラー領域はエンジンの運転中に燃料混合物の爆発が生じる領域である。従って、カラー領域は最大の圧力及び温度に露出されるため、同カラー領域は最大の応力を受ける。この応力に耐えるために、カラー領域は他の領域より大きい壁厚を常には有する。
【００２８】
図１は本発明の好ましい実施の形態に基づく鋳型１の縦断面図である。鋳型１は鋳造材料６を鋳造空間５内へ案内するための入口４を有する。鋳造空間５は複数の成形面７，８，９によって画定されている。中空鋳造品の形状に実質的な影響を及ぼす複数の鋳物成形面は“成形面"と称する。複数の成形面７，８，９は全体として鋳造品の形状を決定し、これによって同鋳造品を形成する。複数の成形面７，８，９は鋳造材料６及び鋳型１の間の接触面に実質的に等しい。
【００２９】
図１は充填状態、即ち鋳造材料６を鋳造空間５に充填した状態にある鋳型１を示す。理解しやすいように、鋳造材料６を図１では２つの部分に分けて示しており、同２つの部分は互いに異なるハッチングでそれぞれ示す。符合６ｂで示す大きい方の部分は完成品シリンダ・スリーブ、即ち完成品の形状を示す。符合６ａで示す小さい方の部分は仕上げ代を示す。当然のことながら、この鋳造材料６の２つの部分による表示は単なる象徴である。
【００３０】
本発明に基づき、鋳型１は永久鋳型３及び砂型２を有する。永久鋳型３は第１の成形面９を有し、砂型２は残りの複数の成形面７，８を有する。
図１に示す実施の形態では、永久鋳型３は内壁３１及びベース３２を備え、かつ一端が開放された一体容器である（図２参照）。内壁３１はベース３２の一部３２ａと協働して第１の成形面９を形成している。永久鋳型３のベース３２は凹部３２２（図２参照）を有し、同凹部３２２の機能は以下に詳述する。更に、永久鋳型３は流体、好ましくは空気を通す複数の導管３３を有する。複数の導管３３は永久鋳型壁の内部に設けられた複数の通路、即ち、パイプラインであり得る。同複数の通路は永久鋳型の壁の内部に鋳造されている。熱を永久鋳型３に加えるか、または熱を同永久鋳型３から取り除くために、空気は複数の導管３３内を流動可能である。更に、永久鋳型３は同永久鋳型３の持ち上げを可能にするキャリヤ装置３４をその外壁上に有する。永久鋳型３は鋳鉄から従来の方法等に基づいて製造される。
【００３１】
図１に示す実施の形態に基づく砂型２は砂コア２１及び砂ジャケット２２を有する。砂コア２１は永久鋳型３のベース３２内に設けられた凹部３２２内へ延設されている。砂コア２１の外面は成形面７を形成している。砂ジャケット２２は実質的に中空円筒または中空円錐台の形態をなし、かつ砂コア２１をほぼ同心状に取り囲んでいる。砂コア２１に隣接する砂ジャケット２２の境界面は成形面８を形成している。製造する中空鋳造品の外形に基づいて、砂ジャケット２２を一体品とするか、または複数の型枠２２ａ，２２ｂ，２２ｃ（図１参照）から組立得る。砂型２の製造は従来の砂型法に等しい方法で実施可能であり、更に詳細な説明は不必要である。砂ジャケット２２は永久鋳型３に対してシールを維持した状態で着脱可能に連結されている。永久鋳型３及び砂型２２の間に位置する液体鋳造材料６の流出は従来のシール手段によって防止可能である。
【００３２】
従って、鋳造空間５の一方の側部は砂コア２１、即ち成形面７によって画定され、他方の側部は砂ジャケット２２及び永久鋳型３、即ち付随する複数の成形面８，９によって画定されている。これは中空鋳造品の外形が永久鋳型３の第１の成形面９と、砂ジャケット２２の成形面８とによって実質的に決定されることを意味する。
【００３３】
図１に示す好ましい実施の形態では、別の砂エレメント１０が永久鋳型３のベース３２内に設けられた凹部３２２内に配置されており、同砂エレメント１０は砂コア２１の一端を面一で収容している。従来の砂型法と同じ方法で製造し得る砂エレメント１０は、砂コア２１を永久鋳型３の中心に位置決めすべく形成されている。中空鋳造品の放射相称はこの手段によって実現可能である。
【００３４】
中空鋳造品の外形は永久鋳型３によって第１の領域、即ち、更に大きな壁厚を有する領域（カラー領域）内で形成される。従って、砂コア２１と、永久鋳型３の内壁３１との間の距離は、図１に示す鋳型１内の砂コア２１及び砂ジャケット２２の間の距離より大きい。更に、本実施の形態に基づく鋳型１は液体鋳造材料６を鋳型１の下端から鋳造空間５内へ案内する下注ぎ鋳造のために設計されている。このために、入口４は入口通路４１を有する。入口通路４１は砂コア２１の軸線に沿って同砂コア２１内の中心を貫通して延びている。入口通路４１はディストリビュータ４２に連通しており、同ディストリビュータ４２は砂エレメント１０内に設けられた凹部３２２内に配置されている。ディストリビュータ４２は入口通路４１を鋳造空間５に連通している。この結果、液体鋳造材料６は入口通路４１及びディストリビュータ４２を通って鋳造空間５の下端まで案内される。鋳造空間５が一杯になった際に鋳造材料６で満たされるオーバーフロー・コンテナ１１は鋳造空間５の上端に設けられている（図１参照）。オーバーフロー・コンテナ１１は補償コンテナとしても機能する。鋳造空間５内の鋳造材料６の体積が凝固中に減少した際に、鋳造材料６をオーバーフロー・コンテナ１１から鋳造空間５内へ戻し得る。
【００３５】
本発明に基づく鋳型及び方法を上注ぎ鋳造のために設計可能である。上注ぎ鋳造では、鋳造空間５は上から注がれた鋳造材料６（図１参照）によって充填される。上注ぎは鋳型１の上端に配置されたリング・フィーダ（Ringspeisers）の手段等を通じて実施できる。
【００３６】
図２は永久鋳型３の別例を示す縦断面図である。図２に示す殆どの符合は図１に関連して既に説明済みである。これらを図２に関連して再び説明する。図２に示す永久鋳型３の別例における違いは、内壁３１が平坦でなく、段差部３１１を有する点が挙げられる。段差部３１１により、ブランクを最終製品の形状に更に近づけることが可能である。この結果、必要とされる次の機械加工の量を減少できる。図２に示す永久鋳型３の別例において、熱を永久鋳型３の内外へ伝えるための流体を案内する２つの独立した導管３３１，３３２が永久鋳型３の壁の内部に設けられている。各導管３３１，３３２は永久鋳型３の壁内に鋳造されたパイプとして形成されており、同パイプは永久鋳型３の周囲を２周している。第１の開口３３１ａまたは３３２ａから延出するパイプは永久鋳型３の外面に平行をなすように同永久鋳型３の壁の内部を延び、次いで壁の中を上方に向かって延び、さらには永久鋳型３の周りを周方向に再び延びて第２の開口３３１ｂまたは３３２ｂに達する。熱を永久鋳型に加えるか、または同永久鋳型から取り除くために、流体、好ましくは空気を複数の導管３３１，３３２内に通し得る。従って、例えば、高温の鋳造材料６との接触中に生じる熱による損傷を防止すべく永久鋳型３を暖気で簡単に予熱できる。鋳造材料６を注入する前に、永久鋳型３を１００℃を越す温度まで予熱することは効果的である。中空鋳造品を永久鋳型３から分離した後、永久鋳型３を更に迅速に冷却すべく冷気を複数の導管３３１，３３２内に通し得る。これによって、次の鋳造プロセスに永久鋳型３を使用すべく同永久鋳型３を更に迅速に準備できる。中空鋳造品の第１の領域（カラー領域）内における凝固を加速すべく、鋳造材料６の凝固中、即ち冷却中に熱を永久鋳型３から除去できる。更に、分離及び保護手段を適用した後、残留水分を除去すべく永久鋳型３を暖気で加熱し得る。
【００３７】
大型ディーゼル・エンジンに使用するシリンダ・スリーブの鋳型１による製造を以下に詳述する。最初に、砂コア２１（図１参照）、砂エレメント１０及び砂ジャケット２２と、砂ジャケット２２を形成する複数の型枠２２ａ，２２ｂ，２２ｃとの少なくともいずれか一方を中空鋳造品の所望の形状に基づいて従来の方法で形作る。次いで、鋳型１を複数の部品及び永久鋳型３から組み立て、砂コア２１を調整及び／または中心に位置決めし、砂ジャケット２２を永久鋳型３に対してネジ等で固定し、さらには砂ジャケット２２及び永久鋳型３の間の連結部品をシーリング手段によってシールする。
【００３８】
導管３３内を貫流する暖気等の手段によって、永久鋳型３を例えば１００℃を越す温度まで予熱する。予熱は鋳型１の組立前に実施してもよい。液体鋳造材料６（常には鋳鉄合金）を入口通路４１及びディストリビュータ４２を通じて鋳造空間５内へ案内する。
【００３９】
鋳造材料６は鋳造空間５内で凝固し、これによって中空鋳造品が形成される。中空鋳造品の外形は永久鋳型３の第１の成形面９によって第１の領域（カラー領域）内で形成され、同中空鋳造品の残りの外形は砂型２の砂ジャケット２２によって第２の領域（シャツ領域）内で形成される。鋳造材料６が凝固した後、砂型２を中空鋳造品とともに永久鋳型３から持ち上げ、さらには冷却のために別の場所へ移動させ得る。従って、永久鋳型３を次の鋳造プロセスで使用すべく同永久鋳型３の準備を既に実施できる。中空鋳造品を砂型２内で十分に冷却した後、同中空鋳造品を砂型２から取出し、さらにはシリンダ・スリーブが最終形状を呈するまで後処理を行い得る。
【００４０】
鋳造材料６の凝固の特に好ましい時間的及び空間的な推移を実現できるため、本発明の永久鋳型３及び砂型２の協働はシリンダ・スリーブ、即ち壁厚の大きく異なる２つの領域を有する中空鋳造品の製造に効果的である。厚壁を有する第１の領域（カラー領域）では、熱は永久鋳型３を通じて中空鋳造品から放散される。永久鋳型３は砂型２より遙かに効果的な伝熱を行う。この結果、大きな熱流束が鋳造材料及び永久鋳型３間の接触面に存在する。従って、中空鋳造品はカラー領域において迅速に凝固する。カラー領域における短い凝固時間は冶金学的な観点において望ましい。これは短い凝固時間によって更に微細な構造、即ち小さな共晶セルを含む構造が中空鋳造品内で形成されることに起因する。これによって、運転状態にあるシリンダー・スリーブのうちの最も大きな応力が加わるカラー領域内では、高い強度及び大きな伸び等の効果的な機械的特性が実現される。
【００４１】
更に小さい壁厚を有する中空鋳造品のシャツ領域では、鋳造材料６及び砂型２間の接触面に存在する更に小さな熱流束は十分な効果を示す。これは凝固のために放散される単位面積当たりの熱量が更に小さいことに起因する。更に、運転状態にあるシリンダ・スリーブに加わる機械的応力は、シャツ領域ではカラー領域ほど高くない。このため、シャツ領域内における短い凝固時間はカラー領域における短い凝固時間ほど重要ではない。従って、砂型法の効果、特に中空鋳造品の外形の大きな柔軟性をシャツ領域に活かし得る。更に、鋳型の重量は同鋳型の全てを永久鋳型から形成した場合と比べて小さい。この結果、鋳型の操作は簡単になる。
【００４２】
砂型２及び永久鋳型３を組み合わせることにより、砂型２及び永久鋳型３の互いに異なる熱伝導性によって、第１の領域（カラー領域）における中空鋳造品の凝固を第２の領域（シャツ領域）における中空鋳造品の凝固より更に迅速に行い得る。この種の空間的凝固は効果的である。これはカラー領域内における凝固が既に進行している際に、シャツ領域内の鋳造材料６が依然として液体であることに起因する。この結果、凝固による鋳造材料体積の減少を補償すべく、依然液体の状態にある鋳造材料６はシャツ領域からカラー領域内へ逆流し得る。これによって、パイプまたは鋳縮みによる穴の形成の問題を防止できる。これはシリンダー・スリーブのカラー領域の機械的特性の改善に効果を示す。
【００４３】
凝固中におけるカラー領域から永久鋳型３への熱流束は同永久鋳型３の一体構造によって空間的に均一になる。これは形成中の構造物の組織に効果的に作用するため、同永久鋳型３の一体構造は特に好ましい。
【００４４】
更に、鋳造材料の凝固中に、例えば、冷気を導管３３内に通すことによって、熱をカラー領域の永久鋳型３から除去することが可能である。これによって、永久鋳型壁を介した温度勾配に影響を及ぼすことが可能であり、かつカラー領域内における中空鋳造品の凝固を更に加速できる。
【００４５】
第１の成形面９が前記のように永久鋳型３のベース３２の一部３２ａを有することはカラー領域内における中空鋳造品の迅速な凝固に効果を示す。これにより、熱を鋳造材料６から永久鋳型３へ伝える接触面が大きくなる。大きな接触面はカラー領域の迅速な凝固に貢献する。
【００４６】
凝固の最も効果的な空間的及び時間的な推移、特に、カラー領域における迅速な凝固の実現において、永久鋳型３によって囲まれた鋳造空間５を画定する鋳型１の複数の成形面の約半分を第１の成形面９によって形成すること、即ち、第１の成形面９が熱を放散するカラー領域表面の約半分の大きさを占めることは効果的である。また、中空鋳造品の冷却に必要な永久鋳型３の材料体積が永久鋳型３によって囲まれた鋳造空間５の領域の体積の少なくとも２倍の大きさであること、即ち、熱の除去に必要な永久鋳型３の材料体積がカラー領域の体積の少なくとも２倍であることは効果的である。永久鋳型３の壁厚は砂コア２と、同永久鋳型３の内壁３１との間の距離の好ましくは１．５倍未満、特には約０．９倍である。この距離は中空鋳造品のカラー領域の壁厚に等しい。
【００４７】
これらの効果的な手段を図３に基づいて以下に詳述する。図３は中空鋳造品の回転対称をなすカラー領域の一部（左側）と、同カラー領域の外形を成形する永久鋳型３の一部（右側）との概略をそれぞれ示す。図３は図１の下右隅の部分に対応する。
【００４８】
図３において、永久鋳型３の壁厚は符合ＤＫで示し、冷却に必要な永久鋳型３の材料体積は符合ＶＫで示す。“冷却に必要な材料体積"という用語は成形面９に直接面する永久鋳型壁の体積領域を意味する。例えば、図１に示す支持装置３４と、永久鋳型３を載せる砂コア２１の下側に配置された部分とは冷却に必要な材料体積の部分ではない。
【００４９】
図３の左側に示す中空鋳造品のカラー領域は符号ＶＧで示す全体積と、符号ＤＧで示す壁厚とを有する。鋳造材料６の凝固中、熱はカラー領域の放熱面ＯＧを通じて放散可能であり、熱は図３の砂コア２１内に位置する放熱面ＯＧの左部分と、永久鋳型３内に位置する放熱面ＯＧの右下部分とをそれぞれ通って伝搬される。放熱面ＯＧは永久鋳型によって囲まれた鋳造空間５の領域を画定する鋳型１の複数の表面と同じ大きさの表面積を有する。
【００５０】
図３に示す例における凝固の推移を最適化する前記の効果的手段は以下の通りである。
・永久鋳型３の内壁３１と、同永久鋳型３のベースの一部３２ａとによって形成された第１の成形面９はカラー領域の放熱面ＯＧの約半分の大きさである。これにより、大きな接触面がカラー領域及び永久鋳型３の間に形成され、同接触面は効果的な熱伝導体である。
・永久鋳型の材料体積ＶＫはカラー領域の体積ＶＧの少なくとも２倍である。従って、永久鋳型３の熱容量はカラー領域内における迅速な凝固を可能にする十分な量である。
・永久鋳型３の壁厚ＤＫはカラー領域の壁厚ＤＧの１．５倍未満、特には約０．９倍である。更に、永久鋳型３の内壁３１から同永久鋳型３の壁厚ＤＫの約３分の１の長さＤＬ離間した複数の導管３３を永久鋳型の壁の中に延設することは効果的である。
【００５１】
更に、カラー領域の迅速な凝固を促進すべく、金属冷却版等の形態をなす冷却エレメント１５（図１参照）をカラー領域及びシャツ領域の間の遷移領域内に位置する鋳型１の部分に設けることは効果的である。
【００５２】
本発明に基づく鋳型及び方法を使用した場合、鋳造材料６の凝固の最適化された空間的及び時間的な推移によって、内燃式往復ピストン・エンジン、特にディーゼル・エンジンに使用するシリンダ・スリーブを製造可能であり、同シリンダ・スリーブは高い強度及び大きな伸び等の効果的な機械的特性を有する。この結果、このシリンダ・スリーブは現代の高出力機械への使用にも適する。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、別の機械加工の量を比較的少なくし、かつ使用応力に耐える能力の点で現代の高出力機械の要件を満たす内燃式往復ピストン・エンジン、特に、大型ディーゼル・エンジンに使用するシリンダ・スリーブ等の中空金属鋳造品の製造を可能にするという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】充填状態にある本発明の実施の形態に基づく鋳型の縦断面図。
【図２】図１に示す実施の形態における永久鋳型の別例を示す縦断面図。
【図３】シリンダ・スリーブの一部及び永久鋳型の一部をそれぞれ示す部分縦断面図。
【符号の説明】
１…鋳型、２…砂型、３…永久鋳型、４…入口、５…鋳造空間、６…鋳造材料、７，８，９…成形面、２１…砂コア、２２…砂ジャケット、３１…永久鋳型の内壁、３２…永久鋳型のベース、３２ａ…永久鋳型のベースの一部、３３，３３１，３３２…導管、３２２…永久鋳型のベースの凹部、ＤＫ…永久鋳型の壁厚、ＶＫ…永久鋳型の材料体積、ＶＧ…永久鋳型によって囲まれた鋳造空間の領域の体積。

Claims

中空金属鋳造品を製造するための鋳型であって、前記鋳造品は第１の領域及び第２の領域を有し、かつ前記第１の領域内における鋳造品の壁厚は前記第２の領域内における鋳造品の壁厚よりも大きく、前記鋳型は鋳造材料（６）を鋳造空間（５）内へ案内するための入口（４）を有し、前記鋳造空間（５）は複数の成形面（７，８，９）によって画定されるとともに前記鋳造材料（６）を受け入れ、かつ、前記鋳型（１）は永久鋳型（３）及び砂型（２）を含み、前記永久鋳型（３）は第１の成形面（９）を有し、砂型（２）は前記鋳造品の寸法を決定する残りの複数の成形面（７，８）を有する鋳型において、
前記永久鋳型（３）は一端が開放された容器であり、同容器は内壁（３１）及びベース（３２）を有し、前記内壁（３１）と、ベース（３２）の少なくとも一部（３２ａ）とが前記第１の成形面（９）を形成し、
前記第１の成形面（９）は前記鋳造品の第１の領域における外形を成形し、かつ前記砂型（２）の複数の形成面（７，８）は前記鋳造品の第２の領域内における外形及び前記鋳造品の内側の境界面を成形することを特徴とする鋳型。
永久鋳型（３）は一体品として形成されている請求項１に記載の鋳型。
前記永久鋳型（３）は熱を同永久鋳型（３）の内側または外側へ伝えるために流体を案内する複数の導管（３３；３３１，３３２）を有する請求項１または２に記載の鋳型。
前記砂型（２）は砂コア（２１）及び砂ジャケット（２２）を有し、前記鋳造空間（５）の一方の側部は砂コア（２１）によって画定され、他方の側部は砂ジャケット（２２）及び永久鋳型（３）によって画定されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋳型。
前記永久鋳型（３）のベース（３２）は凹部（３２２）を有し、砂コア（２１）は前記凹部（３２２）内へ延設されている請求項１に記載の鋳型。
前記砂コア（２１）と、永久鋳型（３）の内壁（３１）との
間の距離は砂コア（２１）及び砂ジャケット（２２）の間の距離より大きい請求項１または５に記載の鋳型。
前記第１の成形面（９）は永久鋳型（３）によって囲まれた領域内の鋳造空間（５）を画定する鋳型（１）の複数の表面の半分を形成している請求項１、５及び６のいずれか一項に記載の鋳型。
前記中空鋳造品の冷却に必要な永久鋳型（３）の材料体積（ＶＫ）は永久鋳型（３）によって囲まれた鋳造空間（５）の領域の体積（ＶＧ）の少なくとも２倍の体積である請求項１、５乃至７のいずれか一項に記載の鋳型。
永久鋳型（３）の壁厚（ＤＫ）は砂コア（２１）と、永久鋳型（３）の内壁（３１）との間の距離の１．５倍未満である請求項１、５乃至８のいずれか一項に記載の鋳型。
永久鋳型（３）の壁厚（ＤＫ）は砂コア（２１）と、永久鋳型（３）の内壁（３１）との間の距離の０．９倍である請求項１、５乃至９のいずれか一項に記載の鋳型。
請求項１に記載の鋳型（１）内へ鋳造材料（６）を注入し、かつ同鋳型（１）内で凝固させることにより、中空金属鋳造品を製造する方法であって、前記中空鋳造品は第１の領域及び第２の領域を有し、前記第１の領域内における中空鋳造品の壁厚は第２の領域内における中空鋳造品の壁厚より大きく、第１の領域内における中空鋳造品の外形を永久鋳型（３）によって成形し、第２の領域内における中空鋳造品の外形及び前記鋳造品の内側の境界面を砂型（２）によって成形する工程を含む方法。
一体をなす永久鋳型（３）を第１の領域内における中空鋳造品の外形の成形に使用する工程を有する請求項１１に記載の方法。
永久鋳型（３）を鋳造材料（６）の注入前に流体で暖める工程を有する請求項１１または１２に記載の方法。
前記永久鋳型（３）を鋳造材料（６）の注入中及び注入後の少なくともいずれか一方において流体で冷却する工程を有する請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
前記流体は空気である請求項１３または１４に記載の方法。