JP5643530B2

JP5643530B2 - 鋳物の製造方法及び鋳造装置

Info

Publication number: JP5643530B2
Application number: JP2010070714A
Authority: JP
Inventors: 宏昭岡野; 実日根野
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2011200909A

Description

本発明は、注湯されるべき空間からなる製品キャビティに注湯する溶湯を、積極的に冷却して鋳物を製造する方法及び鋳造装置に関する。

従来、製品キャビティに注湯される金属の強度を上げるために、例えば鉄系金属においては、注湯後の冷却速度を上げて凝固時に形成される結晶組織を細かくするのが良いと言われている。
そこで、一般に砂型では、鋳型内に冷やし金を埋設する方法を採用しても、やはり冷却速度が小さいために、冷却速度の大きい鋳造装置としては、単純に金型を利用することが考えられる（特許文献を示すまでも無く周知技術である）。
また、砂型において大きな冷却速度を得る方法として、砂型内に水を浸透させる方法（例えば、特許文献１参照）や、鋳型内に貫通する空気孔を形成して、その空気孔に空気と水との混合したミストを流通させて、中子や主型との熱交換によって溶湯を冷却する方法（例えば、特許文献２参照）があった。

特許公報第２８７９００５号公報特公平４−４５２６４号公報

上述した従来の金型からなる鋳造装置では、一般的に高価である。溶湯の凝固後に鋳造品を金型から取り出せるようにするために形状に制約がある。大型の鋳造品になると、型の保管も大変である。寸法の変更が困難である。等の問題点がある。
また、砂型を水で冷却する方法は、水を目的とする冷却部位に届かせるには、多くの水量を必要とする上、鋳造後の砂の再利用という点において、砂を乾燥させる工程を必要とするために、エネルギーやコスト的に問題点がある。
また、鋳型内の空気孔にミストを流通させて、主型および中子と熱交換する場合、冷却能力が低いという問題がある。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、安価な鋳型で、鋳込んだ溶湯の冷却が早く出来るようにするところにある。

本発明の第１の鋳物の製造方法の特徴構成は、注湯されるべき空間からなる製品キャビティを形成する鋳型における内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成しておいて、鋳物を冷却する冷却液と不活性ガスとが混合したミストを前記通気性鋳型部を介して製品キャビティの急冷対象領域に向けて噴射して、製品キャビティに注湯した溶湯を凝固させるところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、製品キャビティに鋳込まれた溶湯の急冷対象領域に向けて、通気性鋳型部を介してミストを噴射することにより、ミスト中の冷却液体が溶湯の急冷対象領域に直接接触して溶湯から熱を奪って気化して外方に気体となって逃げる。この時、大きな熱量の気化潜熱を奪うために、溶湯は急冷されて短時間で凝固する。
ミストの噴射は、水だけを供給する場合と異なって、急冷対象領域の表面などに形成される気化膜を、ミスト中に混入される気体である不活性ガスの流れによって強制的に排除できるため、冷却効率が非常に高く、冷却液の使用量を少なくできる。
従って、鋳型内の金属は、急速に凝固して微細な結晶組織になり、強度の大きな製品を作ることができる。
また、気体として不活性ガスを使用することにより、鋳型を形成するバインダーとして有機バインダーを使用しても、その有機バインダーが酸化分解するのを抑制でき、少なくとも鋳型の一部に形成される通気性鋳型部が壊れにくい。
従って、鋳造時に鋳型が壊れ難く、製品キャビティの立体形状を維持しながら鋳造することが可能と成る。
さらに、有機バインダーの炭素成分が鋳物に取り込まれる、いわゆるカーボンピックアップも抑制できる。

本発明の第２の特徴構成は、前記鋳型内に設けたノズル部から前記ミストを噴射するところにある。

本発明の第３の特徴構成は、前記ミストを前記急冷対象領域に向けて噴射する前に、予め不活性ガスのみを前記通気性鋳型部を介して前記急冷対象領域に向けて噴射しておくところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、ミストによる冷却前の気体の噴射により、通流路が確保され、ミスト噴射時の型崩れをなくすことができる。

本発明の第４の特徴構成は、前記鋳型の内の少なくとも前記通気性鋳型部は有機バインダーを使用して形成しておいて、前記製品キャビティに注湯した溶湯が凝固した後、前記通気性鋳型部に酸素含有気体を流すところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、溶湯の凝固後に酸素含有気体を流すことにより、少なくとも通気性鋳型部を形成する有機バインダーが、酸化分解して鋳型の強度が低下する。
従って、鋳造品を取り出す際の鋳型の崩し作業が簡単にできる。
その上、酸素含有気体の通気により、鋳型内に残留するミスト成分を排出して、乾燥させることができ、特に、通気性鋳型部が砂型の場合には、砂の回収および再利用がしやすくなる。

本発明の第５の鋳造装置の特徴構成は、注湯されるべき空間からなる製品キャビティを形成する鋳型の内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成し、鋳物を冷却する冷却液と不活性ガスとが混合したミストを前記通気性鋳型部を介して製品キャビティの急冷対象領域に向けて噴射するノズル部を前記鋳型内に設け、前記ノズル部に冷却液と不活性ガスを供給する流体供給路を設けてあるところにある。

本発明の第５の特徴構成によれば、鋳造装置に、鋳型内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成し、ノズルと流体供給路を設けるだけの簡単な構造で、鋳造品の急冷対象箇所の強度を上げられる。

本発明の第６の特徴構成は、前記鋳型が砂型であるところにある。

本発明の第６の特徴構成によれば、大型で安価な鋳型を造る事ができる。
また、自在な寸法変更ができ、その上、通気性が良いために、ミストの気化時には気体が鋳型の外方に速やかに逃がし易く、冷却液の気化時の体積膨張を緩衝吸収することができ、安全性がより高い。

鋳造装置の縦断面図である。鋳造装置の横断面図である。本発明と比較例との冷却曲線を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、例えば鉄系金属の鋳物を製造するに当たって、特に耐熱鋳鋼については、注湯後の冷却速度を上げて凝固時に形成される結晶組織を細かくして、強度の高い製品を製作しなければならず、そのために、耐熱材を鋳造するための砂型４を例に挙げて、次に説明する。

耐熱材の溶湯を注湯されるべき空間からなる製品キャビティ１を内部に形成すると共に、通気性鋳型部を少なくとも製品キャビティ１に向かう内面部に形成する鋳造装置を、鋳砂とフラン樹脂等の有機バインダーとで形成する。
製品キャビティ１の下部に連通する湯口２が、上方に延設されて上端部を外方に開口している。
製品キャビティ１に注湯した溶融金属を冷却するために、冷却液と気体とが混合したミストを形成し、且つ、通気性鋳型部を通して製品キャビティ１の急冷対象領域に向けて噴射するノズル部３を、砂型４内に設け、ノズル部３に冷却液と気体を供給する流体供給路を形成する給液配管５と給気配管６とを設けてある。

ノズル部３と製品キャビティ１における急冷対象領域との間隔は、２０ｍｍ〜５０ｍｍがよい。つまりミストが型内を直進して急冷対象領域にストレートに届き易い間隔である。
また、冷却液には水を使用し、気体には、不活性ガスを使用する。
これは、冷却液に水が最も安価で安全であると共に、気化のための潜熱が大きい材料であるからで、また、ミストを形成するために混入する気体に、不活性ガスを使用するのは、空気の場合であれば、砂型４に混入される有機バインダーが、酸化分解して注湯時に型崩れを発生させ易く、しかも、有機バインダーの分解により生じる炭化物が、溶融金属に混入するいわゆるカーボンピックアップ現象が発生する虞があるのに対し、不活性ガスの吹込みでは、有機バインダーの分解を防止でき、所定の形状でしかも品質の良い鋳造品を製造し易くなる。

砂型４は、４号〜７号の鋳砂で通気性の良いものであれば使用できるが、自硬性鋳型、熱硬化性鋳型、ガス硬化性鋳型等を通常使用する。
前記自硬性鋳型の場合は、鋳砂として、珪砂、ジルコン砂、クロマイト砂、オリビン砂、ムライト砂、アルミナ砂等を使用し、その砂に対して、樹脂同士が反応して硬化するフラン、アルカリフェノール、フェノールウレタン等の樹脂を、質量％で０．５〜２％添加する。
前記熱硬化性鋳型の場合は、質量％で、前記鋳砂に対して加熱によって硬化する水ガラスを５〜１０％添加するか、フェノール樹脂等を１〜３％添加する。
前記ガス硬化性鋳型の場合は、前記鋳砂に対してガスとの接触により硬化反応するアミン、フェノールウレタン等を質量％で１〜３％添加する。
前記砂型４の強度は、製品キャビティ１を形成する上で常温圧縮強度が１Ｎ/ｍｍ²以上が必要で、鋳造後の砂型４の分解のためには、上限は３〜７Ｎ/ｍｍ²と考えられる。

前述の砂型４からなる鋳造装置を使用して鋳物を製造するのに、次の手順で行う。
１．湯口２より溶湯を注湯する前に、予めアルゴンガスのみをノズル部３から噴射して、鋳型内に通流路を確保しておく。
２．湯口２より製品キャビティ１内に、溶湯を注湯する。
３．給液配管５および給気配管６を介して水と不活性ガスのアルゴンガス（Ａｒ）を供給して、ノズル部３から水のミストを、急冷対象領域に向けて噴射する。この時、気体の気流に乗って、ミストが型内を抵抗少なく移動するばかりか、製品キャビティ１周りで水が気化して滞留した水蒸気が、新しいミスト気流により追い出され、新鮮なミストが鋳物の急冷対象領域と接触し易く、冷却能が向上する。
４．前記製品キャビティ１に注湯した溶湯が凝固した後、通気性鋳型部に空気等の酸素含有気体を流す。つまり、溶湯の凝固後に、酸素含有気体をノズル部３より噴射することにより、砂型４の有機バインダーが酸化分解し易く、製品取り出し時に砂型４を崩壊させて、取り出しやすくなる。

次に、前記鋳造装置により、２種類の実施例１の材質と実施例２の材質とで、本発明の方法で製造した本発明１〜６と、従来例の方法で製造した比較例１〜４との実験結果の対比を、次に示す。
尚、製造したサンプルは、外径１４０ｍｍ×内径４０ｍｍ×全長２００ｍｍの大きさのものを、使用した。

〔実施例１〕
材料は、４８Ｎｉ−２７Ｃｒの耐熱鋳鋼で、その組成は、次の表１に示す。

本発明と比較例との対比を、次の表２に示す。

つまり、本発明１〜３は、鋳造時の型崩れがなく、製品物性の伸びや引っ張り強度も高いのに対し、比較例１（水のみをノズル装置から吐出して冷却する方法）では、吐出水による砂型４の流出により鋳造時の型崩れが発生すると共に、製品物性においても、伸び特性や引張強度は、低い。また、比較例２（水および気体の供給はなく、一般的な砂型鋳造）では、製品物性において、伸び特性も引張強度も低い。

〔実施例２〕
材料は、３５Ｎｉ−２７Ｃｒの耐熱鋳鋼で、その組成は、次の表３で示す。

本発明と比較例との対比を、次の表４に示す。

つまり、実施例１と同様に、本発明４〜６は、鋳造時の型崩れがなく、製品物性の伸びや引っ張り強度も高いのに対し、比較例３（水のみをノズル装置から吐出して冷却する方法）では、吐出水による砂型４の流出により鋳造時の型崩れが発生すると共に、製品物性においても、伸び特性および引張強度は、低い。また、比較例４（水および気体の供給はなく、一般的な砂型鋳造）では、製品物性において、伸び特性も引張強度も低い。
〔実施例３〕

次に、本発明のミストによる溶湯冷却曲線と、水のみ供給した場合の冷却曲線と、従来の砂型４の自然冷却を利用した場合の冷却曲線とを、比較のために図３のグラフに示した。
つまり、冷却速度は、
ミストによる冷却＞水のみによる冷却＞従来の砂型冷却
の順に示すように、ミストによる冷却が最も冷却効率は高く、早く鋳造品が冷却されて強度の高い製品としてとりだせることを示す。

〔別実施形態〕
以下に他の実施の形態を説明する。

〈１〉本実施形態の前記製品キャビティ１は、単なる空間の例で示したが、その製品キャビティ１に発泡樹脂等の消失模型を配置してあるものであっても良い。
〈２〉鋳型全体が鋳砂から成る砂型４で形成されるものを示したが、製品キャビティ１を形成する鋳型内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成するだけで、残部は、通気性が無いか、もしくは、少ない生型や金属型から成る鋳型部があってもよい。つまり、急冷すべき箇所には、少なくとも通気性鋳型部を設ける必要がある。
〈３〉ミストに混入する気体は、アルゴンガスに限らず不活性ガスとして、窒素ガスやヘリウムガス等であれば、有機バインダーの分解を抑えることができる。また、砂型４のバインダーとして、無機バインダーや、耐熱性の有機バインダーを使用する場合は、給気配管６に空気を供給してミストを形成しても良い。
〈４〉前記通気性鋳型部を、砂型４以外にセラミックなどの多孔質の耐火物で形成しても良い。
〈５〉ノズル部３は、図２では周方向の４箇所に設けた例で示したが、２箇所でも又は５箇所以上に設けてもよく、また、急冷対象領域の大きさや数に応じて適宜設けても良い。
〈６〉図１，２では、急冷対象領域に水平に向けた配置となっているが、残留する冷却液の排出を促すために、ミストノズルを上方又は斜め上方から急冷対象領域に向けた配置であっても良い。
〈７〉図１，２では、ミスト発生ノズルを鋳型内に設けた空間に設置した例を示したが、特に砂型である場合は、砂型内に埋設しても良い。つまり、砂型内にミストノズルを埋設することは、製品キャビティとミストノズルの距離を小さくし易くなるため、特に大型鋳物の鋳造時において、砂型の厚みを確保した上でミストノズルをキャビティ近傍に設置でき、鋳型強度を高く維持することができる。さらに、噴射されたミストが鋳型の表面ではじかれることが回避されることも相まって、供給されるミストが鋳物の冷却に使用される効率が高まるという格別の効果を奏する。

尚、上述のように、図面との対照を便利にするために符号を記したが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１製品キャビティ
３ノズル部
４砂型

Claims

注湯されるべき空間からなる製品キャビティを形成する鋳型における内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成しておいて、
鋳物を冷却する冷却液と不活性ガスとが混合したミストを前記通気性鋳型部を介して製品キャビティの急冷対象領域に向けて噴射して、
製品キャビティに注湯した溶湯を凝固させる鋳物の製造方法。
前記鋳型内に設けたノズル部から前記ミストを噴射する請求項１に記載の鋳物の製造方法。
前記ミストを前記急冷対象領域に向けて噴射する前に、予め不活性ガスのみを前記通気性鋳型部を介して前記急冷対象領域に向けて噴射しておく請求項１に記載の鋳物の製造方法。
前記鋳型の内の少なくとも前記通気性鋳型部は有機バインダーを使用して形成しておいて、前記製品キャビティに注湯した溶湯が凝固した後、前記通気性鋳型部に酸素含有気体を流す請求項１に記載の鋳物の製造方法。
注湯されるべき空間からなる製品キャビティを形成する鋳型の内面部の少なくとも一部に通気性鋳型部を形成し、
鋳物を冷却する冷却液と不活性ガスとが混合したミストを前記通気性鋳型部を介して製品キャビティの急冷対象領域に向けて噴射するノズル部を前記鋳型内に設け、
前記ノズル部に冷却液と不活性ガスを供給する流体供給路を設けてある鋳造装置。
前記鋳型が砂型である請求項５に記載の鋳造装置。