JP4444831B2 - 気体透過モールド壁の温度制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、溶融金属の耐火シェルモールド鋳込みの準備として気体透過の耐火シェルモールドを加熱する方法および耐火シェルモールドの温度を調整する方法に関するものである。

通常、インベストメント鋳造法においては、例えばワックスやプラスチック等の消耗模型パターン材の周囲に無機粘結剤によって結合された一連のセラミック粒子層からなる耐火鋳型を使用する。完成した耐火シェルモールドは、消耗模型パターン周囲に形成されるのが通常である。この耐火シェルモールドは、１）蒸気オートクレーブの圧力、あるいは激しい火による模型パターン消失の圧力、２）加熱炉の処理、３）溶融金属投入時の熱圧力や金属静水圧加圧、４）これらの処理における物理的処理に耐えるべく、厚くかつ強く作られる。このような強度を有する耐火シェルモールドを構築するには、通常、５層もの耐火物スラリや耐火物スタッコを要することになる。それにより、耐火シェルモールド厚さは４〜１０ミリメートルとなり、かなりの量の耐火材が必要となる。またこの層は、粘結材が乾燥して硬化するまで長時間が必要となるとともに、かなりの労力となり処理が遅れる。

結合した耐火シェルモールドは、通常、気体やオイルを燃焼して加熱した一回的あるいは連続的な炉に投入され、華氏１６００〜２０００度（摂氏約８７０〜１１３０度）にまで加熱される。この耐火シェルモールドは、その外面への放熱伝導により加熱される。通常、加熱炉により発せられる熱の５％未満を耐火シェルモールドが吸収し、９５％を越える炉熱は、加熱炉の排気システム通路を通じて無駄になる。

この加熱した耐火シェルモールドを炉から取り出し、そこに溶融金属や溶融合金を投入する。鋳造時に耐火シェルモールドの温度を高温にすることは、高い溶融温度の合金（合金鉄など）の投入にとって望ましいものであり、湯回り不良、気体ため込み、熱亀裂、縮み欠陥が防止される。

インベストメント鋳造法においては、耐火シェルモールドをできる限り薄く形成して、コストを削減するという傾向がある。かかる薄い耐火シェルモールドを使用するには、米国特許第５，０６９，２７１号（Ｃｈａｎｄｌｅｙｅｔ等）明細書に開示されているように、耐火シェルモールドの損壊を防ぐために保持手段を使用する必要がある。この特許においては、厚さ０．１２インチ（約３ミリメートル）というようにできるだけ薄く作られた結合セラミック耐火シェルモールドの使用が開示されている。薄い耐火シェルモールドを予熱炉から取り出してから、その加熱した耐火シェルモールド周囲に非結合の粒状保持手段をぎっしり詰める。この非結合の保持手段は、鋳造時に耐火シェルモールドに与えられる応力に耐えて耐火シェルモールド損壊を防ぐように作用するものである。
米国特許第５，０６９，２７１号

しかし、従来、インベストメント鋳造法においては、耐火シェルモールドを予熱炉から取り出して保持手段で包囲するが、薄い耐火シェルモールドは、厚い耐火シェルモールドよりも急速に冷却されてしまう。より急速に冷却されるので、耐火シェルモールドは鋳造時により低温になっている。耐火シェルモールドの温度が低いと、特に薄い鋳造物における湯回不良や収縮、気体混入、高温亀裂といった欠陥が生じうる。

この発明は、高温気体供給源からモールド空洞部および気体透過のモールド壁を通じて前記耐火モールド外側領域へ高温気体を流動させるステップを備える結合耐火モールドのモールド空洞部を構成することを特徴とする。

本発明の実施例は、溶融金属または溶融合金が投入されるモールド空洞部を構成する気体透過のモールド壁を加熱する方法であって、モールド空洞部内およびモールド壁に流れ込む高温気体の熱伝達により加熱するという熱効率の高い方法を提供する。

また、本発明の別の実施例は、耐火シェルモールド周囲に任意配置される粒状の保持手段の大部分を加熱せずに、気体透過のモールド壁を加熱し、溶融金属または溶融合金をモールド空洞部に充填するまでにモールド壁を要望の鋳込温度に維持する方法を提供するものである。

更に、本発明は、一実施例において、高温気体源から一つ以上の耐火経路を介してモールド空洞部に流れるとともに気体透過モールド壁から耐火シェルモールド外へ流れる高温気体により、結合耐火シェルモールドの気体透過モールド壁を加熱する。高温気体の流動は、耐火シェルモールド外部圧力より高圧の高温気体を耐火シェルモールド内のモールド空洞部に導きモールド壁の全領域を通じてほぼ均一に流動するようなモールド壁における圧力差を発生させることで達成される。

更にまた、本発明の実施例において、気体透過の結合耐火シェルモールドは、１０ミリメートルや１ミリメートルの厚さとなりうるが、本発明はこの範囲のモールド壁厚さに限定されるものではない。この耐火シェルモールドは、モールド壁加熱および鋳造作業時の耐火シェルモールドの構造結合性を維持する必要に応じて、任意の非結合の耐火保持手段で包囲される。かかるモールド空洞部は、反重力鋳造や重力鋳造、圧力鋳造によって鋳込まれる。

また、高温気体からモールド壁への熱伝達は、高温気体が気体透過モールド壁および任意たる周囲の粒状保持手段を通過するので、非常に効率的である。粒状の保持手段を使用した場合、高温気体のほぼ全部の熱が耐火シェルモールドおよび非結合の保持手段に伝達される。この場合、周囲環境温度の気体は、保持手段から排出される。非結合の保持手段を結合耐火シェルモールド周囲に使用した場合には、好ましい温度階調（熱勾配）が、非結合の保持手段に生じる。この熱勾配は、高温気体流動を停止し耐火シェルモールド充填を開始するまでの短時間において、モールド空洞部を構成するモールド壁の表面温度の維持に資するものである。

以下、少なくとも一部が図面に示された実施例に基づき本発明をより詳細に説明する。

本発明は、高温気体供給源から一つ以上の耐火経路を介してモールド空洞部に、また気体透過のモールド空洞部の壁を介して耐火シェルモールド外部空間または外部領域に流動する高温気体により、気体透過のモールド壁を加熱することに関するものである。この気体流動は、モールド空洞部がモールド壁の外部領域の圧力よりも高圧になることにより生じるものである。

例示目的で提供される本発明の実施例においては、気体透過の結合耐火シェルモールド１０が設けられる（図１）。この耐火シェルモールド１０は、インベストメント鋳造業界で良く知られた方法、例えばロストワックス法により作られる。例えば、ワックスやプラスチックフォームやその他の消耗模型パターン材で作られた一過性（消耗）パターンアセンブリを準備するが、それは鋳造される物品の形状となった一つ以上のパターンを備えている。この模型パターンは、消耗湯口に連絡して完全なパターンアセンブリとなる。かかるパターンアセンブリは、セラミックまたは無機の結合スラリに繰り返し浸漬し、余分なセラミックスラリーを除出し、耐火物またはセラミック粒子のスタッコ処理をし、大気または乾燥制御された状態で乾燥して、パターン上に結合耐火シェルモールドを構築する。パターン上の耐火シェルモールドが要望の厚さになったら、周知のパターン除去方法、すなわち蒸気オートクレーブ法やフラッシュファイアパターン除去法によりパターンを選択的に除去する。それにより、溶融金属または溶融合金を充填凝固してモールド空洞部１０ａの形状を有する鋳造物品を形成するための、一つ以上のモールド空洞部の１０ａ（一つが図示されている）を有する生（グリーン）耐火シェルモールドが残される。あるいは、結合耐火シェルモールド内にパターンを残して、後で耐火シェルモールド加熱の際に除去することもできる。パターンアセンブリは、耐火シェルモールド１０の一部として組み込まれた一つ以上の予め形成した耐火通路１２（一つが図示されている）を有している。この耐火通路１２は、本発明による耐火シェルモールド予備加熱時に高温気体を流動させるため、また溶融金属または溶融合金をモールド空洞部１０ａに導入するために設けられるものである。耐火シェルモールドを形成した後で、あるいは金属ハウジング２０の鋳造チャンバ２０ａ内に耐火シェルモールド１０を設置する際に、耐火通路１２は、パターンアセンブリではなく耐火シェルモールド１０に取り付けることもできる。反重力鋳造の場合には、耐火通路１２は、通常、耐火シェルモールド１０の底部に配置した長いセラミック管形状となっており、溶融金属または溶融合金の貯留に浸漬して溶融金属または溶融合金をモールド空洞部１０ａに供給する（図２）。例えば同じ構成要素には同じ参照番号を使用した図１Ａに示すように、耐火シェルモールド１０は、中央湯口１０ｓの縦方向およびその周囲に位置する複数のモールド空洞部１０ａを有している。同様に、重力鋳造の場合（図１Ｂ）も、耐火シェルモールド１０は一つ以上のモールド空洞部１０ａを備えている。複合的なモールド空洞部１０ａは、例えば図１Ｂに図示されている。重力鋳造の場合は、耐火シェルモールド１０、粒状の保持手段１６、およびハウジング２０からなるアセンブリの上部に、耐火通路１２を配置する。また、耐火通路１２は、従来の坩堝等の注入容器（図示せず）の溶融金属または溶融合金を供給できるように漏斗の形状を有している。

結合耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗの気体透過性は、モールド壁の内側面１０ｆの温度を制御しつつモールド壁を経過してモールド壁内への熱伝達に適する気体流量となるように選択される。

モールド壁１０ｗの加熱速度は、モールド壁１０ｗを通る気体流量に比例する。１００ｓｃｆｍ（標準立方フート／分）までの気体流量は、以下の実施例で実験される耐火シェルモールドのサイズに通常使用されてきた。より大きな耐火シェルモールドや、より迅速な加熱のためには、高温気体の流量増加が必要となる。結合の耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗを通る高温気体の流量は、耐火シェルモールド製造時に使用した耐火微粉の粒子形状および粒度分布、乾燥シェル層またはシェル被覆の空隙率、粘結剤の内容、およびモールド壁１０ｗの厚さにより制御される。結合したモールド壁１０ｗの厚さは、耐火シェルモールドの寸法に応じて、１．０ミリメートルから１０ミリメートルの範囲にある。耐火シェルモールド１０の外部領域Ｒよりも低い気体透過率のモールド壁１０ｗを使用すると、通常、本発明の実施例を実施したモールド壁１０ｗ全体において少なくとも圧力差が０．３気圧となる。米国特許第５，０６９，２７１号（Ｃｈａｎｄｌｅｙｅｔ等）の明細書をもって本願に引用したものとするが、ここに開示された実施例においては、外部領域Ｒは、通常、非結合の粒状保持手段１６（例えば、結合していない乾燥鋳物砂）を含有している。前記圧力差により、高温気体が本発明を実施したモールド壁１０ｗの全領域をほぼ均等に流動することになる。米国特許第５，０４２，５６１号（Ｃｈａｎｄｌｅｙ等）の明細書の明細書をもって本願に引用したものとするが、ここに開示された実施例においては、耐火シェルモールド１０は、鋳造応力に対する十分な強度を有しており鋳造時に鋳造チャンバ２０ａ内の外部保持の必要はないので、耐火シェルモールド１０付近の外部領域Ｒは、空でもよい。

耐火シェルモールド１０用の耐火物の種類は、溶融金属または溶融合金に対して相溶性のあるものを選択すべきである。粒状の保持手段１６を耐火シェルモールド１０の周囲に設けた場合、耐火シェルモールドの熱膨張係数は、その熱膨張係数が異なることによる結合耐火シェルモールド１０の破壊を防ぐため、保持手段の熱膨張係数と近似するものである必要がある。さらに、より大きな部品の場合は、モールド壁１０ｗの熱膨張座屈を防止するために、結合耐火シェルモールド１０および保持手段１６には、石英ガラスのような低熱膨張係数の耐火物を使用すべきである。

結合耐火シェルモールド１０は、ハウジング２０の外部に延長する耐火通路１２とともにハウジング２０の鋳造チャンバ２０ａ内に配置される（図１）。それから耐火シェルモールド１０は、非結合の耐火粒状の保持手段１６で包囲される。保持手段で結合耐火シェルモールド１０を覆って鋳造チャンバ２０ａを充填してから、ハウジング２０の上部を可動上部カバー２２ａまたは仕切板（図示せず）で閉鎖し、粒状保持手段１６に圧縮力を与えて保持手段がぎっしり詰まるようにする。Ｏリングの封止２５とともに上部カバー２５の一部となるスクリーン減圧ポート２４は、スクリーン２４ｓが粒状保持手段１６を中に保持しつつ、鋳造チャンバ２０ａから気体を排出するために設けられる。米国特許第５，０６９，２７１号（Ｃｈａｎｄｌｅｙ等）明細書においては、薄い耐火シェルモールド周囲に設けた粒状保持手段の使用が開示されているが、本開示をもって本願に記載したものとする。

本発明の実施例によると、ハウジング２０は、高温気体供給源３０へ移動させるとともに、耐火通路１２が高温気体流中に位置して高温気体が耐火通路１２を介してモールド空洞部１０ａに流動するように下げられる（図１）。気体は、電気加熱や好ましくは気体燃焼といった任意の手段で加熱される。高温気体は、摂氏４２７度〜１２０４度（華氏８００度〜２２００度）というように、鋳造される金属・合金の性質や要望の耐火シェルモールド加熱量に応じて変化しうる。

高温気体は、耐火通路１２を介してモールド空洞部１０ａへ、さらに気体透過の結合耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗを通じて流動するが、これは、かかる目的を効果的に達成するモールド空洞部１０ａと鋳造チャンバ２０ａの粒状保持手段１６が占める領域との圧力差によるものである。単なる例示のためであって限定を意図していないが、通常、モールド壁１０ｗにわたって０．３気圧差が生じる。本発明の実施例によると、この圧力差は、ハウジング２０内の結合耐火シェルモールド１０周囲に配置した非結合の粒状保持手段１６と連絡するスクリーン減圧ポート２４を減圧（吸引）することにより生じうる。スクリーン減圧ポート２を吸引することにより、耐火通路１２および耐火シェルモールド内部（モールド空洞部１０ａ）に運ばれる高温気体が大気圧になる。より強い減圧をスクリーン減圧ポート２４に生じさせると、モールド空洞部１０ａおよびモールド壁１０ｗを通じて流動する高温気体の流量が増加する。あるいは、耐火シェルモールド１０内、およびモールド空洞部１０ａ、気体透過のモールド壁１０ｗを流動する高温気体は、耐火シェルモールド１０の外部（例えばハウジング２０内の粒状の保持手段１６）を環境圧に近い圧力に維持しつつ、耐火通路１２ひいては耐火シェルモールド内部に大気圧よりも高圧の高温気体を供給することにより流動する。例えば、ノースアメリカンマニュファクチャー社（Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｍｆｇ． Ｃｏ）により入手可能な高圧バーナを使用して、超大気圧（例えば１５ｐｓｉ（１０３．５ｋＰａ））の高温気体を耐火通路１２に供給してもよい。この実施例により、より多量の高温気体を耐火シェルモールド１０に流動させることができ、よって耐火シェルモールド加熱時間が短縮されることになる。上述の減圧方法および加圧方法の両方を組み合わせた方法を、本発明の実施に用いることもできる。

モールド空洞部１０ａを構成するモールド壁１０ｗは、その気体透過の結合耐火シェルモールドのモールド壁を通じた高温気体の流動を継続することで、モールド空洞部１０ａに溶融金属または溶融合金を鋳込むに適した温度に加熱される。高温気体の温度、加熱時間、および気体透過の結合耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗにおける流量により、モールド壁１０ｗの内側面の温度を制御できる。耐火シェルモールドが要望の鋳造温度に達した場合には、高温気体供給源３０の高温気体供給を停止し、それから溶融金属または溶融合金を加熱したモールド空洞部１０ａに投入する。非結合の粒状の保持手段が耐火シェルモールド１０の周囲に配置してある場合には、高温気体のモールド壁への流動時に、モールド壁１０ｗや非結合の保持手段１６の一部が加熱される。粒状の保持手段１６には好ましい温度階調が生じる（図２）。これは、高温気体流動停止から耐火シェルモールド投入までの間において、モールド空洞部１０ａの表面温度を維持することに資する（図３に例示される）。

本発明によるモールド空洞部の加熱方法の熱効率は、とても高いことが理解されよう。

保持手段１６を用いた場合、結合耐火シェルモールド１０および非結合の保持手段１６は、耐火シェルモールドに入る高温気体熱のほぼ全てを吸収する。これを、インベストメント鋳造法で通常使用される耐火シェルモールド加熱炉内の耐火シェルモールドが吸収する熱は５％未満であることと比較すべきである。通常のインベストメント鋳造の炉においては、高温気体が炉の排気口側に上昇するにつれて、エネルギの９５％以上が無駄になる。

もし結合耐火シェルモールド１０内に消耗パターンアセンブリが残されてしまった場合には、耐火シェルモールド加熱時に取り除くこともできる。高温気体流は、まずパターンアセンブリに導かれ、パターンアセンブリを溶融・蒸発させ、モールド空洞部１０ａは模型パターン材がほぼ除去される。上記のように高温気体を結合耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗを通じて流動させると、特に薄く長い模型パターンの場合には模型パターンをより迅速に除去できる。

高温気体供給源３０からの高温気体は、モールド空洞部１０ａに残存する炭素質パターン除去の要望に応じて、強酸化、中性あるいは還元化能力を有していてもよい。モールド空洞部１０ａ全領域および耐火シェルモールドのモールド壁１０ｗにわたる酸化気体の流動により、炭素質パターンの残存物を酸化させる能力は非常に強化されていることに留意されたい。パターン残留物が酸化すると発熱するが、これは結合耐火シェルモールド１０の温度上昇に利用できる。

アルミニウムやマグネシウム等の低溶融温度の合金の場合は、パターン残留物除去のために高温度を使用したときは、結合耐火シェルモールド１０の温度を減少させて、モールド壁１０ｗをかかる金属や合金の鋳造に適する温度にまで冷却する。冷却気体供給源（図示せず）からの冷却気体は、モールド壁１０ｗにおける適切な圧力差を維持しつつ、高温気体供給源３０からの高温気体と置き換わる。その圧力差により、冷却気体がモールド壁１０ｗを介して流動し、モールド空洞部１０ａおよびモールド壁１０ｗの温度を減少制御できる。冷却気体供給源は、環境空気やその他の冷却気体の供給源である。

本発明の別の実施例は、保持手段１６に配置した後で予熱した耐火シェルモールド１０の温度調整するための耐火シェルモールド加熱方法に関するものである。この実施例において、結合の耐火シェルモールド１０は、まず加熱炉（図示せず）でパターン残留物を除去するように十分に加熱する。それから、加熱した結合耐火シェルモールド１０を加熱炉から取り出し、ハウジング２０の鋳造チャンバ２０ａ内に配置し、粒状の保持手段１６を耐火シェルモールド１０の周囲に詰め込む。かかる耐火シェルモールド１０は、通常薄いモールド壁厚さとなっているので、耐火シェルモールド損壊を防ぐために、鋳造時に粒状の保持手段１６が必要となる。このような薄い耐火シェルモールドは、耐火シェルモールド予熱炉から取り出して保持手段１６で包囲するが、より厚いモールド壁の場合に比してより急速に冷却される。冷却が早いので、鋳造時には耐火シェルモールド温度がより低温になる。耐火シェルモールド温度が低いと、特に薄い鋳造物における湯回不良や収縮、気体混入、高温亀裂といった欠陥が生じうる。

高温気体供給源３０から耐火通路１２を介してモールド空洞部１０ａに至り気体透過のモールド壁１０ｗから領域Ｒに至る高温気体流により、モールド壁１０ｗの温度を要望の温度範囲まで上昇させる。この高温気体流は、上記の通り、モールド壁１０ｗの外部圧力よりも高いモールド空洞部１０ａの圧力発生により生じる。

耐火シェルモールド１０が要望の温度に達してから高温気体の流動を停止し、溶融金属を再加熱したモールド空洞部１０ａに投入する。

実施例。以下の実施例は、本発明の例示のためであって、限定を意図するものではない。第１実施例は、上述の処理に従って形成された耐火シェルモールド１０のモールド壁１０ｗの温度を環境温度から要望の鋳造温度まで上昇させる本発明の耐火シェルモールド加熱方法の実施例を利用するものである。

自動車のロッカアーム用のパターンは、密度５Ｌｂ／ｆｔ３の発泡ポリスチレンにより成形された。これらのパターンは、熱溶融型接着剤を使用して、直径３インチ（約７．６センチメートル）×長さ１２インチ（約３０．４センチメートル）の発泡ポリスチレン筒状管に組み立てられた。この筒状の発泡発泡ポリスチレン管の底部は、熱溶融型接着剤により耐火通路１２に取り付けられた。耐火通路１２は、粘土接着の石英ガラス耐火物で形成された。

パターンアセンブリは、コロイドシリカ石英ガラス接着の耐火被覆で被覆された。平均粒径が４０ミクロンである薄い０．１ミリメートルの石英ガラス被覆を施し、それから乾燥した。それから、平均粒径が１２０ミクロンであるより厚い１ミリメートルの石英ガラス被覆を行い、これも乾燥した。最終乾燥した気体透過の被覆により、被覆の圧力差のｐｓｉあたりのパターン表面領域の立方インチあたり、０．０３４ｓｃｆｍ（標準立方フート／分）で流動する気体流動となった。この被覆は、パターン周囲の耐火シェルモールドを構成する。

耐火被覆を施したパターンアセンブリは、ハウジング底部孔からハウジング外側に延長する耐火通路１２を備えたハウジング２０の直径１６インチの金属（鋼など）の鋳造チャンバ２０ａ内に配置された。この耐火被覆のパターンアセンブリは、非結合の耐火物保持手段１６で包囲された。ムライト粒子たるカルボセラミックのＡｃｃｕｃａｓｔ ＬＤ３５は、保持手段１６として使用し、振動を利用して充填した。この保持手段を鋳造チャンバへ完全に充填してから、上部カバー２２ａでハウジング２０を閉鎖した。上部カバー２２ａとハウジングとの間の封止２５は、滑り継手を構成し、上部カバーが鋳造チャンバ側にスライドして、保持手段１６と安定接触した。これにより、確実に保持手段が堅く詰まることになった。また、上部カバー２２ａは、中に保持手段を保持しつつ鋳造チャンバ２０ａ外部への気体流動を可能にするスクリーン減圧ポート２４を備えていた。

鋼のハウジング２０は、ＭＩＦＣＯ（イリノイ州ダンヴィル）により入手可能な３２５，０００イギリス熱単位／時間を発熱可能な小さな気体燃焼「スピーディーメルト（ＳｐｅｅｄｙＭｅｌｔ）」炉に移動した。そして、ハウジング２０は、耐火通路１２が炉から放出される高温気体流中に位置するように降下した。鋼ハウジングの鋳造チャンバ内の保持手段１６は、上部カバー２２ａのスクリーン減圧ポート２４を通じて、約２０Ｈｇの減圧がなされた。そのために、減圧ポンプＰがスクリーン減圧ポート２４に連結していた。

耐火通路１２に入る高温気体の温度は、摂氏約１１００度（華氏約２０１２度）に制御された。発泡ポリスチレン模型パターン材は、高温気体流を施すことにより、ロッカアーム形状のモールド空洞部から除去された。またロッカアーム形状のモールド空洞部から炭素質パターン残留物を除去するための強酸化能力を有するように、高温気体は、重量比８〜１０％の酸素含有量に制御された。

パターンを除去してから、モールド空洞部は、気体透過の耐火シェルモールドを介した約１４分間の高温気体流により、摂氏１０２５度まで加熱された（図３）。非結合の保持手段中のモールド壁から約６ミリメートルの位置に配置した熱電対で測定した温度曲線は、高温気体流動時にモールド壁や非結合保持手段の一定距離が加熱されたことを示した。非結合の保持手段には、好ましい温度階調勾配が生じたが（図２）、これは高温気体流停止後から耐火シェルモールド注型までモールド空洞部の表面温度を維持するように補助するものであった。

このことは、減圧高温気体流を停止してから耐火シェルモールドに注型をするまでの３０秒以上、耐火シェルモールドの温度が変化しなかったことを示す図３の耐火シェルモールド温度曲線に明らかに示されている。

耐火シェルモールド温度が要望の鋳造予熱温度にまで達してから、高温気体流を停止するとともに、耐火通路１２を溶融鋼に液浸して（図２）溶融鋼を加熱したモールド空洞部に反重力投入し、再びハウジング２０の鋳造チャンバ２０ａを減圧した。図５は、鋳鋼ロッカアームの一実施例を示すものである。

第２実施例は、保持手段１６に配置した後での予熱した耐火シェルモールド１０の温度調整を行うための耐火シェルモールド加熱方法の実施例を使用するものである。

２２５個ものレバー部品を含む直径約９インチ（約２２．９センチメートル）×高さ２８インチ（約７１．１センチメートル）の非常に薄い結合耐火シェルモールドが、周知のセラミックシェル・ロストワックスインベストメント鋳造法により製造された。４つのシェル層を備えており２〜３ミリメートル厚さの結合セラミックモールド壁となった、ムライト基の耐火シェルモールドが製造された。耐火シェルモールドを蒸気オートクレーブ処理をし、パターンワックスの大部分が除去された。パターン残留物を除去するとともに耐火シェルモールドを予熱するために、耐火シェルモールドを華氏１９００度（摂氏約１０３８度）に加熱した。それから高温になった結合耐火シェルモールドを加熱炉から取り出し、耐火通路１２と結合させ、ハウジング底部の孔から突出する耐火通路１２を備えたハウジング２０の鋳造チャンバ２０ａ内に配置した。ムライト粒状保持手段１６は、耐火シェルモールドの周囲に詰められた。この保持手段は、耐火シェルモールド鋳造時の耐火シェルモールド損壊を防ぐために必要となるものである。

耐火シェルモールドを予熱炉から取り出し非結合の保持手段で包囲したが、耐火シェルモールドの底付近および中央付近に配置した熱電対で測定されたように、この薄い耐火シェルモールドは急速に冷却された（図４）。華氏４００〜７００度（摂氏２０４〜３７１度）の温度損失が生じたので、鋳造時に耐火シェルモールド温度が低下している。耐火シェルモールド温度が低いと、特に薄い鋳造物における湯回不良や収縮、気体混入、高温亀裂といった欠陥が生じうる。

ハウジング２０は、３２５，０００イギリス熱単位／時間を発熱可能な小さな気体燃焼「スピーディーメルト」炉に移動させるとともに、耐火通路１２が炉から放出される高温気体流中に位置するように下げられた。鋳造チャンバ内の保持手段は、上部カバー２２ａのスクリーン減圧ポート２４を通じて、約２０Ｈｇの減圧がなされた。

モールド空洞部は、約２０分間の耐火通路１２および気体透過モールド壁を介した高温気体流により華氏１８５０度（摂氏１０１０度）にまで加熱された（図４を参照）。非結合の粒状保持手段には好ましい熱勾配が生じたが、これは高温気体流動停止後から耐火シェルモールド鋳込みまでの間のモールド空洞部の温度維持に資するものであった。これは、図４の耐火シェルモールド温度曲線に明らかに示されている。すなわち、図４には、熱電対により測定された耐火シェルモールド底部と中部の温度は、減圧停止後すなわち高温気体流動停止後から耐火シェルモールド鋳込みまでの間の３０秒間、変化しなかったことが示されている。

耐火シェルモールドが要望の予熱温度にまで達し、高温気体流を停止させ、そして耐火通路を溶融鋼に液浸させるとともに鋳造チャンバを減圧することで、加熱したモールド空洞部に溶融鋼を反重力鋳造した。

この結果、本発明の実施例は、溶融金属または溶融合金が投入されるモールド空洞部を構成する気体透過のモールド壁を加熱する方法であって、モールド空洞部内およびモールド壁に流れ込む高温気体の熱伝達により加熱するという熱効率の高い方法を提供する。

また、本発明の別の実施例は、耐火シェルモールド周囲に任意配置される粒状の保持手段の大部分を加熱せずに、気体透過のモールド壁を加熱し、溶融金属または溶融合金をモールド空洞部に充填するまでにモールド壁を要望の鋳込温度に維持する方法を提供するものである。

更に、本発明は、一実施例において、高温気体源から一つ以上の耐火経路を介してモールド空洞部に流れるとともに気体透過モールド壁から耐火シェルモールド外へ流れる高温気体により、結合耐火シェルモールドの気体透過モールド壁を加熱する。高温気体の流動は、耐火シェルモールド外部圧力より高圧の高温気体を耐火シェルモールド内のモールド空洞部に導きモールド壁の全領域を通じてほぼ均一に流動するようなモールド壁における圧力差を発生させることで達成される。

更にまた、本発明の実施例において、気体透過の結合耐火シェルモールドは、１０ミリメートルや１ミリメートルの厚さとなりうるが、本発明はこの範囲のモールド壁厚さに限定されるものではない。この耐火シェルモールドは、モールド壁加熱および鋳造作業時の耐火シェルモールドの構造結合性を維持する必要に応じて、任意の非結合の耐火保持手段で包囲される。かかるモールド空洞部は、反重力鋳造や重力鋳造、圧力鋳造によって鋳込まれる。

また、高温気体からモールド壁への熱伝達は、高温気体が気体透過モールド壁および任意たる周囲の粒状保持手段を通過するので、非常に効率的である。粒状の保持手段を使用した場合、高温気体のほぼ全部の熱が耐火シェルモールドおよび非結合の保持手段に伝達される。この場合、周囲環境温度の気体は、保持手段から排出される。非結合の保持手段を結合耐火シェルモールド周囲に使用した場合には、好ましい温度階調（熱勾配）が、非結合の保持手段に生じる。この熱勾配は、高温気体流動を停止し耐火シェルモールド充填を開始するまでの短時間において、モールド空洞部を構成するモールド壁の表面温度の維持に資するものである。

上記の実施例においては、溶融鋼の反重力鋳造を用いたものを示したが、本発明により予熱した耐火シェルモールドは、金属鋳造業者に良く知られた方法により重力鋳造や圧力鋳造に用いてもよい。

さらに、上記の実施例は、耐火シェルモールド損壊を防ぐために非結合の粒状保持手段で包囲された薄い結合の気体透過耐火シェルモールドの加熱に関して示したが、この耐火シェルモールド加熱方法は、既に述べたとおり結合耐火シェルモールドが保持手段１６を必要としない場合は、ハウジング２０内の耐火シェルモールド１０の周囲に保持手段１６を設けずに使用することもできる。

本発明は、上述の実施例のみに限定されるものではなく、請求項に記載の本発明の趣旨の範囲内では変更や改変をなしうることは当業者が理解できる。

本発明の実施例による装置の断面図である。 図１に類似しているが、複数のモールド空洞部を備えた耐火シェルモールドを図示しており、このモールド空洞部は粒状の保持手段に埋め込まれており、反重力鋳造のために耐火通路が下部に取り付けられている状態の断面図である。 図１に類似しているが、複数のモールド空洞部を備えた耐火シェルモールドを図示しており、このモールド空洞部は粒状の保持手段に埋め込まれており、重力鋳造のために耐火通路が上部に取り付けられている状態の断面図である。 図１に類似しているが、モールド壁全体および粒状の保持手段に短距離生じた熱勾配を示した断面図である。 本発明の実施例による反重力鋳造を行う場合の、高温気体および耐火シェルモールドの温度の時間に対するグラフ、および減圧差の時間に対するグラフの図である。 本発明の実施例による耐火シェルモールド再加熱時における、耐火シェルモールド温度、気体流量、減圧差の時間に対するグラフの図である。 本発明の別の実施例における反重力鋳造の鋳鋼ロッカアームの斜視図である。

符号の説明

１０ 耐火シェルモールド
１０ａ モールド空洞部
１０ｗ モールド壁
１２ 耐火通路
１６ 保持手段
２０ 鋳造チャンバ
２４ スクリーン減圧ポート
３０ 高温気体供給源

Claims (12)

1. 溶融金属または溶融合金を結合耐火モールドのモールド空洞部に投入する前に、前記モールド空洞部を形成する気体透過のモールド壁の温度を制御する気体透過モールド壁の温度制御方法であって、
   前記モールド壁の厚さは１．０〜１０．０ミリメートルであり、
   前記モールド壁の内面に要望の鋳込温度を生じさせるとともに、高温気体の流動を停止してから前記溶融金属または溶融合金を前記モールド空洞部に投入するまで前記鋳込温度の損失を少なくするように前記モールド壁の内面から前記結合耐火モールドの外部領域に温度勾配を生じさせて、前記モールド空洞部で前記溶融金属または溶融合金を固化させる際の鋳造欠陥を減少するように、
   前記結合耐火モールドを包囲する粒状の保持手段によって前記モールド壁の内面から前記粒状の保持手段側に温度勾配が生じるステップと、
   前記溶融金属または溶融合金を前記モールド空洞部に投入する前に、前記高温気体を高温気体供給源から前記モールド空洞部および前記モールド壁を通じて前記結合耐火モールドの外部領域へ流動させるステップとを備えることを特徴とする気体透過モールド壁の温度制御方法。
2. 前記結合耐火モールドの外側領域は、前記モールド空洞部の気圧よりも低圧であることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
3. 前記モールド壁は、該モールド壁全体にわたって前記モールド空洞部から前記結合耐火モールドの外部領域側に圧力降下を生じさせる気体透過性能を有していることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
4. 前記モールド壁での圧力降下は、該モールド壁の全領域を通じて前記高温気体を均一に前記結合耐火モールドの外部領域側へ流動させることを特徴とする請求項３に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
5. 前記結合耐火モールドの温度は、該結合耐火モールドを介して流動する前記高温気体の温度制御により調整されることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
6. 前記モールド空洞部および前記モールド壁に前記高温気体を流動させることで温度を上昇して前記結合耐火モールドを予熱するステップと、
   前記モールド空洞部および前記モールド壁に冷却気体を流動させることで前記上昇させた温度を低下して前記結合耐火モールドを低温側にするステップと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
7. 前記モールド空洞部および前記モールド壁を通る前記高温気体の流量を増加して、前記モールド壁の加熱を促進するステップを備えたことを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
8. 前記高温気体の流動を停止してから前記溶融金属または溶融合金を前記モールド空洞部に投入するまで前記モールド壁の温度損失を少なくするように、前記モールド壁の内面から前記結合耐火モールドを包囲する粒状の保持手段側に温度勾配が生じることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
9. 前記溶融金属または溶融合金を前記モールド空洞部に投入する前に、前記モールド壁に隣接する前記粒状の保持手段の一定距離は、前記モールド空洞部および前記モールド壁に流動する前記高温気体の熱伝達によって要望の鋳込温度になるまで予熱されることを特徴とする請求項８に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
10. 前記結合耐火モールドを高温にするよう加熱室で予熱するステップと、
    前記結合耐火モールドが低温側に冷却される鋳造室へ前記結合耐火モールドを前記加熱室から移動させるステップと、
    前記結合耐火モールドを前記高温にするよう前記モールド空洞部および前記モールド壁を通じた前記高温気体の流動により再加熱するステップと、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
11. 前記高温気体は、その燃焼により前記モールド空洞部から残留パターン材を除去する酸化性質を有していることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。
12. 前記高温気体は、非酸化性質を有していることを特徴とする請求項１に記載の気体透過モールド壁の温度制御方法。

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