JP5637481B2 - 鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、キャビティを備えた鋳型と、キャビティ内に形成される鋳造体を鋳型の少なくとも一端から強制冷却する強制冷却手段とを有する鋳造装置を用いた鋳造方法に関する。

この種の鋳造方法に関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記された鋳造方法は、鋳型に溶湯を注湯してから鋳造体を鋳型から取り出すまでの時間を短縮する目的で、鋳型への注湯が完了して直ぐに水などによる強制冷却を行うことが提案されている。

特開平９−２２５６２１号公報（０００３〜０００４段落、図１）

一般に、溶湯が緩慢に冷却される場合には、その冷却に伴う鋳造体の収縮に応じて不足する分の溶湯が注湯口などから自然に補充されるため、鋳造体の表面や内部に引け巣が生じる現象が抑制される傾向がある。しかし、特許文献１に記された鋳造方法では、溶湯の注湯完了直後からの強制的な急冷によって、不足分の溶湯が補充されなくなるために、鋳造体の表面や内部に引け巣が生じ易くなる虞があった。

そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術による鋳造方法が与える課題に鑑み、注湯から鋳造体を鋳型から取り出すまでの時間を可及的に短縮しながらも、鋳造体の表面や内部に引け巣が生じ難い鋳造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、二相ステンレス鋼におけるσ相形成域などの回避すべき温度領域を強制冷却によって短時間で通過させることで、所望の金属組織を得ながらも、鋳造体の表面や内部に引け巣が生じ難い鋳造方法を提供することにある。

本発明による鋳造方法の特徴構成は、
キャビティを備えた鋳型と、キャビティ内に形成される鋳造体を鋳型の少なくとも一端から強制冷却する強制冷却手段とを有する鋳造装置を用いた鋳造方法であって、
前記一端から最も離間した鋳造体の遠隔部位に連通する補助キャビティと、前記補助キャビティ内に感熱部が位置するように配置された温度測定手段とを設けておき、
前記鋳造方法は、
注湯完了によって開始される自然放冷工程と、前記強制冷却手段による強制冷却工程とを連続的に備え、
前記温度測定手段による温度測定値の低下速度が、所定の回避すべき温度領域の上限に達する直前に加速されるように、前記強制冷却工程を開始する点にある。

上記の特徴構成による鋳造方法では、強制冷却手段によって強制冷却される鋳型の前記少なくとも一端から最も離間した鋳造体の遠隔部位の温度を、同部位に連通する補助キャビティ内に感熱部が位置する温度測定手段によって直接測定し、その測定値の低下速度が、回避すべき温度領域の上限に達する直前に加速されるように、強制冷却工程を開始するので、回避すべき温度領域の全体が強制冷却の効果で急冷されるため、強制冷却手段から最も離間した鋳造体の遠隔部位も回避すべき温度領域を短時間で通過できる。したがって、強制冷却手段によって強制冷却される鋳型の少なくとも一端から強制冷却手段に隣接する遠隔部位までの中間部位についても当然に回避すべき温度領域を短時間で通過できることになる。

しかも、鋳造体の遠隔部位が回避すべき温度領域を緩慢な冷却速度で冷却されてしまう事態を回避可能な範囲でぎりぎり遅くまで、注湯完了後の自然放冷工程が継続されるので、この可及的に延長された自然放冷工程の間に、冷却に伴う鋳造体の収縮に応じて不足する分の溶湯が自然に補充され、引け巣の発生も抑制される。

本発明の他の特徴構成は、前記自然放冷工程における前記温度測定手段による温度測定値に基づいて、前記強制冷却工程を開始する点にある。

本構成であれば、自然放冷工程における温度測定手段による温度測定値が何度の時に強制冷却工程を開始すれば、遠隔部位に設置された温度測定手段による温度測定値の低下速度が、所定の回避すべき温度領域の上限に達する直前に加速されるかのデータを、複数回の実機による実験または伝熱シミュレーションの結果などによって事前に取得しておくことで、本番の鋳造方法では、自然放冷工程における温度測定手段による温度測定値に基づいて、強制冷却工程を開始するという簡単な方法によって、遠隔部位を含めた鋳造体の全体について、回避すべき温度領域を緩慢な冷却速度で冷却されてしまう問題を回避できる。

本発明の他の特徴構成は、前記一端と前記補助キャビティとの間に第２補助キャビティと、前記第２補助キャビティ内に露出するように配置された第２の温度測定手段とを設けておき、
前記自然放冷工程における前記温度測定手段による温度測定値及び前記第２の温度測定手段による温度測定値に基づいて、前記強制冷却工程を開始する点にある。

本構成であれば、鋳造体の遠隔部位に関する温度測定値の他に、遠隔部位よりも強制冷却手段に近い鋳造体の部位に関する温度測定値を参照して強制冷却工程を開始すれば良く、注湯温度、鋳型温度、室温などの個々の鋳造毎に変動し得るパラメータを、適切な強制冷却工程の開始時刻の判断に反映させることが可能となる。その結果、温度測定手段による温度測定値の低下速度の加速開始を、回避すべき温度領域の上限に達する直前の時刻により正確に一致させることができる。

また、本構成であれば、第２の温度測定手段による温度測定値の変化具合には、強制冷却の効果が早期に現れるので、この第２の温度測定手段による温度測定値の変化具合に基づいて、鋳造体の全体に対して、引け巣の発生を抑制するために十分な長さの自然放冷工程を与えることができているか否かを判定することが可能となる。

本発明の他の特徴構成は、前記鋳造体が二相ステンレスであり、前記所定の回避すべき温度領域がσ相形成温度領域である点にある。

本構成であれば、鋳造体の全体が７００〜１０００℃のσ相形成域（回避すべき温度領域の一例）を短時間で通過できるため、σ相による脆化層を含まない堅牢な二相ステンレス鋼による鋳造体が得られる。

本発明による鋳造方法で用いる鋳造装置と鋳造体の平面図及び特定箇所の破断側面図である。 本発明による鋳造方法で用いる鋳造装置と鋳造体の平面図及び他の特定箇所の破断側面図である。 鋳造体の各部における温度測定結果を示すグラフである。

以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
（鋳造装置の構成）
図１及び図２は、本発明に係る鋳造方法を実施するための鋳造装置を示す。
この鋳造装置は、キャビティ１０Ａを備えた通気性鋳型１０を有し、後述する８個の押し湯キャビティ５からキャビティ１０Ａに溶湯を注湯することで、キャビティ１０Ａ内に鋳造体２が形成される。

ここでは、溶湯の素材として、オーステナイトとフェライトの二相組織を持ち、応力腐食割れに強く、磁性を有する二相ステンレス鋼を用いる。
本願発明の技術は、一般に冷却が困難とされる大型鋳物（約２００ｋｇ超）へ適用した場合に特に有効であり、以下の実施形態では、鋳造装置および後述する鋳造方法によって得られる鋳造体２から不要部を除去した最終製品７として、直径が約１ｍ、重量が約８００ｋｇの比較的大型のポンプケーシングを想定している。

図１中に記されたＦは最終製品７の上面の位置を示す。
図１及び図２に示すように、最終製品７は上下方向に延びる軸心Ｘを備えた概して円筒状を呈する。
鋳造装置は、注湯完了から所定時間経過後に鋳造体２を強制冷却するための強制冷却手段２０を有する。強制冷却手段２０の具体的な形態としては、金型の内部などに配置した配管への水循環による冷却、通気性のある鋳型（例えばセラミック鋳型や砂型）への空気又は水又はその混合体（ミスト）等の冷媒吹き掛けによる冷却などが例示できる。図１、２に示す強制冷却手段２０では、最終製品７を構成する円筒の内面（強制冷却手段による強制冷却を直接受ける少なくとも一端の一例）に相当する位置に、通気性鋳型１０を介して冷媒が連続的に吹き掛けられる。吹き掛けられた冷媒は通気性鋳型１０の連続気孔を介して鋳造体２の表面に達する。

キャビティ１０Ａには、最終製品の上面Ｆから上方に延びる幾つかの補助キャビティが含まれている。
補助キャビティは、最終製品の上面Ｆの外周側に形成された比較的薄い環状補助キャビティ３（強制冷却手段２０から最も離間した遠隔部位の一例）と、環状補助キャビティ３の上端の一部から上方に延びる８個の押し湯キャビティ５と、隣接する２個の押し湯キャビティ５の間で上方に延びる小型の第１測温キャビティ４Ａ（特に図２を参照）と、径方向に関して環状補助キャビティ３と円筒の内面との中間の位置で最終製品の上面Ｆから上方に延びる小型の第２測温キャビティ４Ｂ（特に図１を参照）とを有する。

通気性鋳型１０の幾つかの箇所には温度測定手段が設置されている。各温度測定手段は、鉄製で下方が閉じられた円筒状の保護管１２と、保護管１２の内部に上方から挿入された熱電対ＴＣ（温度測定手段の一例）とからなる。熱電対ＴＣの下端は保護管１２の底面付近に配置されている。

保護管１２は、第１測温キャビティ４Ａと、第２測温キャビティ４Ｂと、第２測温キャビティ４Ｂに隣接した押し湯キャビティ５との各々に対して上方から挿入され、各保護管１２の下端は各キャビティ４Ａ，４Ｂ，５の中央部に配置されている。
熱電対ＴＣは、第１測温キャビティ４Ａの保護管１２に挿通された第１熱電対ＴＣ１と、第２測温キャビティ４Ｂの保護管１２に挿通された第２熱電対ＴＣ２と、押し湯キャビティ５の保護管１２に挿通された第３熱電対ＴＣ３とからなる。

（鋳造方法の構成）
上記の鋳造装置を用いて鋳造体２を鋳造する方法は、通気性鋳型１０を注湯される溶湯温度に適した温度に予熱する工程、溶湯を注湯する工程、注湯完了によって開始される自然放冷工程、自然放冷工程に続く強制冷却手段２０による強制冷却工程、及び、強制冷却工程によって鋳造体２が十分に冷却された時点で通気性鋳型１０から鋳造体２を取り出す工程を備えている。

尚、ここで鋳造に使用する二相ステンレス鋼は、注湯完了からの冷却工程における１０００℃〜７００℃の範囲にσ相形成温度域（回避すべき温度領域の一例）を有する。
回避すべき温度領域は、上述した二相ステンレス鋼におけるσ相形成温度域に限らない。例えば、耐熱鋼などリンや硫黄の偏析が生じ易い温度域（回避すべき温度領域）を有する鋼種の鋳造では、本発明の適用によってリンや硫黄の偏析を抑制することで溶接性が改善される。

強制冷却手段２０による強制冷却工程を開始するタイミングは、その強制冷却工程の結果として、強制冷却手段２０から最も離間した鋳造体２の部位の温度低下速度が、１０００℃（σ相形成温度域の上限）に達する直前に加速されるように決定する。この強制冷却手段２０から最も離間した鋳造体２の部位の温度は、第１測温キャビティ４Ａに設置された第１熱電対ＴＣ１（温度測定手段の一例）による温度測定値によって特定できる。

強制冷却工程の結果として、第１熱電対ＴＣ１による温度測定値の低下速度が１０００℃に達する直前に加速されるように強制冷却工程を開始するタイミングを決定するための具体的な方法としては、自然放冷工程における第１熱電対ＴＣ１または第２熱電対ＴＣ２による温度測定値が何度（指標温度と呼ぶことにする）の時に強制冷却手段２０による強制冷却工程を開始すれば、第１熱電対ＴＣ１による温度測定値の低下速度が１０００℃に達する直前に加速されるかのデータを、複数回の実機による実験によって事前に取得しておき、実際の鋳造方法では、第１熱電対ＴＣ１または第２熱電対ＴＣ２による温度測定値が指標温度に達したときに強制冷却手段２０による強制冷却工程を開始するという方法が可能である。

尚、自然放冷工程における第１熱電対または第２熱電対による温度測定値が何度（指標温度）の時に強制冷却工程を開始すれば、第１熱電対ＴＣ１による温度測定値の低下速度が１０００℃に達する直前に加速されるかのデータを、室温や鋳造体２の大きさなどの関連パラメータを種々変更しながら取得しておくことで、実験では未確認の条件下における指標温度を伝熱シミュレーションから推定することも可能である。

また、強制冷却手段２０による強制冷却を受ける位置は、最終製品７を構成する円筒の内面に限らず、例えば最終製品７を構成する円筒の外周面でもよく、また、互いに離間した２箇所からの強制冷却であってもよい。

上記の鋳造装置において、前述したような複数回の実機による実験を行った結果、第２熱電対ＴＣ２における指標温度は１１５０℃付近と判明している。
図３に実施例として示すグラフ（ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３の測定値）及び表１の各数値は、鋳造完了後の自然放冷工程において第２熱電対ＴＣ２の測定値が１１５０℃（指標温度）に達した時点で強制冷却手段２０による強制冷却工程を開始した場合の結果を示す。

図３から、第２熱電対ＴＣ２の測定値が１１５０℃に達した時点（注湯完了から約６０分後）で強制冷却工程を開始することで、強制冷却工程の結果として、第１熱電対ＴＣ１の温度測定値の低下速度が、１０００℃（σ相形成温度域の上限）に達する直前（注湯完了から約９７分後）に急激な下降を開始（加速）していることがわかる。
その結果、第１熱電対ＴＣ１の温度は、約１０分という短い時間で１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を通過することができ、表１に示すように第１熱電対ＴＣ１に位置する金属組織からは実質的にσ相は形成されなかった。

尚、第２熱電対ＴＣ２のその後の測定値を見ると、図３から理解されるように、第２熱電対ＴＣ２の測定値が１１５０℃に達した時点（注湯完了から約６０分後）で強制冷却工程を開始することで、強制冷却工程の結果として、第２熱電対ＴＣ２の温度低下速度は約１１５０℃に達する付近で（注湯完了から約５５分後）に急激な下降を開始（加速）している。その結果、約７分という短い時間で１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を通過することができ、やはり表１に示すように第２熱電対ＴＣ２に位置する金属組織からも実質的にσ相は形成されなかった。

因みに、第３熱電対ＴＣ３の測定値を見ると、図３から理解されるように、約１１５０℃に達する付近で（注湯完了から約１１０分後）に幾らか急激な下降を開始（加速）している。１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を何分で通過したかは不明であり、σ相の形成の有無も不明であるが、第３熱電対ＴＣ３の挿通された押し湯キャビティ５は通気性鋳型１０から取り出し後に切除される箇所のため問題はない。

また、強制冷却手段２０から最も離間した鋳造体２の部位に配置された相当する第１熱電対ＴＣ１の温度低下速度が、１０００℃（σ相形成温度域の上限）に達する直前に加速されるように強制冷却手段２０による強制冷却工程を可及的に遅く開始した結果として、通気性鋳型１０から取り出された鋳造体２に引け巣などの冷却中の収縮に起因する欠陥は観察されなかった。

尚、図３から理解されるように、第２熱電対ＴＣ２の測定値が１１５０℃に達した時点では第１熱電対ＴＣ１の測定値は１１２０℃を示している。そこで、第１熱電対ＴＣ１の測定値が１１２０℃（指標温度）に達した時点（注湯完了から約６０分後）で強制冷却工程を開始してもよい。

（比較例）
図３に比較例として示すグラフ（ＴＣ１、ＴＣ２の測定値）及び下記の表１の各数値は、第２熱電対ＴＣ２の測定値が１０００℃に達した時点（注湯完了から約９３分後）で強制冷却工程を開始した場合の結果を示す。
この比較例では、強制冷却工程の結果として、第１熱電対ＴＣ１の温度測定値の低下速度が、１０００℃（σ相形成温度域の上限）を大きく下回った９００℃付近（注湯完了から約１２０分後以上）でやっと幾らか急な下降を開始（加速）していることがわかる。

その結果、第１熱電対ＴＣ１の温度は、１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を通過するのに約２５分という長い時間を要し、表１に示すように、第１熱電対ＴＣ１に位置する金属組織に３０％のσ相が観察された。
尚、第２熱電対ＴＣ２のその後の測定値を見ると、図３から理解されるように、約９００℃に達する付近（注湯完了から約１１０分後）で幾らか急激な下降を開始（加速）している。その結果、第２熱電対ＴＣ２の温度は、１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を通過するのに約２０分という長い時間を要し、表１に示すように、第２熱電対ＴＣ２に位置する金属組織に５％のσ相が観察された。

このように、比較例の結果からは、強制冷却手段２０による強制冷却工程を、その強制冷却工程の結果として、強制冷却手段２０から最も離間した鋳造体２の部位の温度低下速度が、１０００℃（σ相形成温度域の上限）に達してから後で加速されるように開始した場合には、１０００℃〜７００℃のσ相形成温度域を通過するのに長い時間を要し、金属組織にσ相が形成されるという傾向が確認された。

キャビティを備えた鋳型と、キャビティ内に形成される鋳造体を鋳型の一端から強制冷却する強制冷却手段と、を有する鋳造装置を用い、注湯完了によって開始される自然放冷工程と、強制冷却手段による強制冷却工程とを連続的に備えた鋳造方法の構成として利用できる。

２ 鋳造体
３ 環状補助キャビティ（補助キャビティ）
４Ａ 第１測温キャビティ（補助キャビティ）
４Ｂ 第２測温キャビティ（第２補助キャビティ）
７ 最終製品
１０ 通気性鋳型
１０Ａ キャビティ
２０ 強制冷却手段
ＴＣ１ 第１熱電対（温度測定手段）
ＴＣ２ 第２熱電対（温度測定手段）

Claims (4)

1. キャビティを備えた鋳型と、前記キャビティ内に形成される鋳造体を前記鋳型の少なくとも一端から強制冷却する強制冷却手段と、を有する鋳造装置を用いた鋳造方法であって、
   前記一端から最も離間した鋳造体の遠隔部位に連通する補助キャビティと、前記補助キャビティ内に感熱部が位置するように配置された温度測定手段とを設けておき、
   前記鋳造方法は、
   注湯完了によって開始される自然放冷工程と、前記強制冷却手段による強制冷却工程とを連続的に備え、
   前記温度測定手段による温度測定値の低下速度が、所定の回避すべき温度領域の上限に達する直前に加速されるように、前記強制冷却工程を開始する鋳造方法。
2. 前記自然放冷工程における前記温度測定手段による温度測定値に基づいて、前記強制冷却工程を開始する請求項１に記載の鋳造方法。
3. 前記一端と前記補助キャビティとの間に第２補助キャビティと、前記第２補助キャビティ内に感熱部が位置するように配置された第２の温度測定手段とを設けておき、
   前記自然放冷工程における前記温度測定手段による温度測定値及び前記第２の温度測定手段による温度測定値に基づいて、前記強制冷却工程を開始する請求項２に記載の鋳造方法。
4. 前記鋳造体が二相ステンレスであり、前記所定の回避すべき温度領域がσ相形成温度領域である請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造方法。

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