JP6042594B2 - 生型造型方法 - Google Patents

Description

本発明は、生型砂で鋳型を造型する生型造型方法に関する。

従来、生型砂で鋳型を造型する際に、枠内に重力で生型砂を落下させ、その後スクィーズする方法や、０．３ＭＰａ程度の高圧力の圧縮空気とともに生型砂を吹き込み、その後スクィーズする方法が主流である。

また、製造現場において、生型砂で造型した後に、表面が脆い箇所がある場合には、従来、表面硬化剤をスプレー塗布したり、スクィーズの圧力を増やして生型の密度を向上させるといった手法が用いられている。

生型による鋳造において、生型の表面が脆い場合、溶湯を注ぎ込む際に生型の表面から、砂が分離され、溶湯に巻き込まれて、鋳造不良の原因となる。造型後の生型の表面が脆くならないように、生型砂には、適度な水分とベントナイト等が添加されている。

生型砂は、重力落下で充填、又は圧縮空気で枠内に吹き込まれて充填された後に、機械的なスクィーズによって、所定の密度まで固められる。枠内へ生型砂を入れる際に、重力落下では、密度の微少なバラツキがあり、小径部への充填が不十分である場合がある。圧縮空気で吹き込む場合には、通常０．３ＭＰａ程度の高圧力で吹き込むため、充填中に水分が低下することがあり、また、高圧力の圧縮空気により砂粒子から細かいベントナイトが吹き飛ばされ、砂粒子間の結合力が低下することがある。そのため、その後のスクィーズで、型表面に十分な強度を確保できないことがある。このような型表面が脆い生型を用いた場合には、鋳造不良が発生してしまうおそれがあった。

特開平１１−２７７１８３号公報

本発明の目的は、表面が脆くない生型を造型することで鋳造不良を防止できる生型を造型する生型造型方法を提供することにある。

本発明に係る生型造型方法は、枠部材内に生型砂を０．０５〜０．１８ＭＰａで浮遊流動化させながら導入する工程と、該導入された生型砂を圧縮する工程とを有し、生型のフライアビリティ数が１０以下となるように生型を造型する。ここで、フライアビリティ数とは、該生型を直径１７７．８ｍｍで８メッシュの円筒状に形成された回転篩部材に投入し、該回転篩部材を回転数５７ｒｐｍで６０秒間回転させ、該回転篩部材の篩部分を通過した砂の重量を投入重量で除算して得られた値に１００を乗算して得られる数値である。

本発明は、０．０５〜０．１８ＭＰａ程度の低圧力のエアレーションにより生型砂を枠内に導き、砂粒子間の強度を維持したままスクィーズを可能とするとともに、フライアビリティ数が１０以下であるため、表面が脆くなく鋳造不良を低減できる生型を造型できる。

本発明が適用された生型造型方法を行うための生型造型装置を模式図である。 該生型造型方法で造型された生型の試験結果を示す図である。 該生型造型方法で用いられるテストパターンの一例を示す図である。 図３を用いて造型した生型により鋳造した鋳物の表面を示す図である。 該生型造型方法における圧力変化を示す図である。

以下、本発明を適用した生型造型方法について図面を参照して説明する。本発明や以下の説明において、生型（ｇｒｅｅｎ ｓａｎｄ ｍｏｌｄ）とは、成型性、強さ、通気性等の性質を持つように処理された、主としてけい砂、粘結剤としてのベントナイト、添加剤、水分で構成される生型砂で造型された鋳型を意味するものとする。まず、該生型造型方法を行う生型造型装置１について図１を用いて説明する。

図１に示す生型造型装置１は、表面が脆くない生型の造型方法を実現する装置であり、低圧力のエアレーション充填方式を採用した装置である。生型造型装置１は、サンドタンク２と、枠部材３とを備える。サンドタンク２内面には、フィルタ部としての多孔質体４を備える。この多孔質体４は、１０μｍ〜８０μｍ程度の孔を多数有し、例えば、超高分子量ポリエチレンを焼結させることにより製作されている。多孔質体４は、サンドタンク２の内面と間隔を有する状態で配置される。すなわち、多孔質体４とサンドタンク２と間には、中空室５が形成される。中空室５には、図示しないエア供給部が接続され、中空室５とエア供給部との間には、エア圧力調整手段としての調整バルブが設けられている。

生型砂６は、サンドタンク２にセットされ、サンドタンク２の側壁部２ａ及びテーパ部２ｂから導入される低圧力のエアレーションにより枠部材３に吹き込まれる。具体的には、側壁部２ａ及びテーパ部２ｂの内面に設けられた多孔質体４の各孔から低圧力のエアが導入され、サンドタンク２内の生型砂６を浮遊流動化させた状態で、枠部材３にこの生型砂６が導入される。サンドタンク２内の圧力は図示していない圧力センサと上述のエア圧力調整手段とによって、０．０５〜０．１８ＭＰａになるように制御されている。以下、ここで説明した低圧エアレーションにより生型砂６を浮遊流動化させながら、枠部材３内に生型砂６を充填することを「エアレーション充填」という。

例えば図１を用いて説明する実施形態（造型方法）においては、枠３の側面部（例えば左側）に円筒状のスリーブ７が配置されており、低圧力のエアレーションによりスリーブ７内に生型砂６が充填される。

エアレーション充填では、わずかな膨張（断熱膨張であることが予想される）で、生型砂表面のベントナイトが活性化し、低圧力の吹込みであるため、水分が低下することなく、ベントナイトも吹き飛ばされることなく、生型砂充填が完了する。

生型砂充填後、生型砂６が充填されたスリーブ７を取り出して、所望の砂重量に調整後、φ５０．８ｍｍ×Ｈ５０．８ｍｍの円柱状のテストピース（生型）を成形し、表面の脆さの試験を実施した。AFS(American Foundry Society)のフライアビリティ（Friability）試験機を用いて実施した。この試験装置では、回転する円筒のメッシュの上を生型砂のテストピースが転がり、重量の変化を計測する。具体的に、該生型を直径１７７．８ｍｍでスクリーン８メッシュ（ここでは、開口２．３８ｍｍの篩が形成されていることを意味する。）の円筒状に形成された回転篩部材に投入し、この回転篩部材を回転数５７ｒｐｍで６０秒間回転させる。そして、該回転篩部材の篩部分を通過した砂の重量を投入重量で除算して得られた値に１００を乗算して得られる鋳物砂特性を示す数値をフライアビリティ数（単位は％）として、表面脆さや表面安定性の指標として用いることとした。すなわち、フライアビリティ数＝{（投入重量−回転後の回転篩部材内のテストピース重量）／投入重量}×１００の関係式によりフライアビリティ数が算出される。尚、以下では、このフライアビリティ数を算出する試験をフライアビリティ試験ともいう。

以上のフライアビリティ試験の結果を図２に示す。ここでは、水分を調整して、コンパクタビリティを３０、３５、４０％の３段階でテストした結果を示す。ここで、コンパクタビリティは、ＣＢ値であり、６メッシュの篩を通して５０φ×１００ｍｍの試験片筒に満たし、余分の砂を静かに掻き落とした後、１０ｋｇ／ｃｍ^２のスクィーズ圧または３回つき固めを行い、加圧後の縮み量(ｍｍ)を測定して、ＣＢ＝（縮み量／１００）×１００の関係式で算出される値である。また、今回の実験では、０．０７ＭＰａを設定圧力としたが、後述の図５の場合と同様に、０．０６ＭＰａ程度の圧力であった。なお、比較のために、ここでは、スリーブ内に重力落下充填して、テストピースを作成して試験した結果もあわせて示す。

また、この試験に用いた砂（Ｌａｋｅ Ｓａｎｄ／Ｍｉｃｈｉｇａｎ）の性状を表１に示す。表１中、ＡＦＳ−ＧＦＮは、ＡＦＳの粒度指数であり、ＡＦＳ Ｃｌａｙ Ｃｏｎｔｅｎｔは、粘土の割合を示し、ＬＯＩは、燃焼残渣を示し、Ｓｈａｐｅは、形状を示し、Ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ／Ｓｐｈｅｒｉｃｉｔｙは、球状係数を示し、Ａｃｉｄ Ｄｅｍａｎｄ Ｖａｌｕｅは、酸消費量を示し、Ｔｕｒｂｉｄｉｔｙは、濁度を示し、Ｍ．Ｂｌｕｅ Ｃｌａｙは、活性粘土分を示す。

水分が低く、コンパクタビリティが低いほど、砂型の表面が脆く、脆さの指数が高くなる。一般的に、脆さ指数が１０％以上となると、鋳造工程において、砂型が欠けて鋳造品に含まれてしまい、鋳造欠陥となりやすいため、望ましくない。この実施例では、重力充填は、コンパクタビリティが４０％でも脆さが１０％であり、コンパクタビリティがさらに低くなると、脆さが増し、鋳造には使えない。一方、エアレーション充填では、コンパクタビリティが３０％でも、脆さが１０％以下であり、鋳造しても砂欠けなどの鋳造欠陥が出ない。換言すると、コンパクタビリティが低くても高い表面安定性が得られる。

次に、別途用意した図３に示すテストパターンを用いて、エアレーション充填し機械的にスクィーズして鋳型（生型）を造型し、注湯テストを実施した。尚、図３（ａ）は、模型のモデルを示し、図３（ｂ）は、実際に使用したマッチプレート上の模型（パターン）を示す。注湯後の製品（鋳物）の表面を３次元計測して図４（ａ）に示す。また図４（ｂ）には、上述と同様に比較例として重力充填後にスクィーズ造型した鋳型（生型）に鋳造した結果も示す。尚、今回の実験では、０．０７ＭＰａを設定圧力としたが、図５に示すような圧力変化を示し、充填前後においては０．０６ＭＰａ程度の圧力であった。図５中横軸は、時間を示し、縦軸は、圧力を示す。図４に示すように、明らかに、重力充填では、鋳造品（鋳物）の表面が荒れ砂欠け欠陥となっている。一方、エアレーション充填は表面が滑らかで鋳造欠陥は発生していない。

このように、低圧力のエアレーション充填では、砂粒子間の結合力が強く、砂型（生型）の表面が脆くなく、鋳造製品の表面が滑らかであり、鋳造欠陥も発生しない。

以上のように、本発明によれば、低圧力の圧縮空気とともに生型砂を吹き込むエアレーション充填により、砂粒子に付着した水分やベントナイトが飛ばされることなく、僅かな断熱膨張によりベントナイトが活性化し、十分な砂粒子間の強度を維持したままスクィーズでき、表面が脆くない生型を造型でき、鋳造不良を防止できる。

換言すると、本発明者は、エアレーションが脆さ（表面安定性）に影響することと、脆さが鋳物表面に影響することを見出し、低圧エアレーションの最適範囲と、脆さを示すフライアビリティ数の範囲を試験で確認し、この確認した事項に基づいて本発明を構成したものである。

すなわち、本発明を適用した生型造型方法は、枠部材３内に生型砂を０．０５〜０．１８ＭＰａで浮遊流動化させながら導入する工程と、該導入された生型砂を圧縮（スクィーズ）する工程とを有し、生型のフライアビリティ数が１０以下となるように生型を造型する点に特徴を有しており、低圧力のエアレーションにより生型砂を枠内に導き、砂粒子間の強度を維持したままスクィーズを可能とするとともに、フライアビリティ数が１０以下であるため、表面が脆くなく鋳造不良を低減できる生型を造型できる。また、当該方法は、コンパクタビリティが３０〜４０％の範囲で良好な鋳物を得ることができ、その範囲が拡大されている。さらに、当該方法は、ベントナイトの特性と相性がよく、すなわち水分を飛ばすことなく、活性化することで砂粒子間の結合力の強い砂型を造型して、良好な鋳物を得ることができる。

尚、本発明は、造型される鋳型（砂型）が鋳枠付きである枠付鋳型造型装置を用いた造型方法、造型される鋳型（砂型）が鋳枠無しである抜枠鋳型造型装置を用いた造型方法にも適用可能である。

１ 生型造型装置
２ サンドタンク
３ 枠部材
６ 生型砂

Claims (2)

1. 枠部材内に、コンパクタビリティが３０〜４０％である生型砂を圧力センサとエア圧力調整手段とによって、０．０５〜０．１８ＭＰａに制御されたエアレーションで浮遊流動化させながら導入する工程と、
   該導入された生型砂を圧縮する工程とを有し、
   生型のフライアビリティ数が１０以下となるように生型を造型する生型造型方法であって、
   前記コンパクタビリティは、ＣＢ値であり、６メッシュの篩を通して５０φ×
   １００ｍｍの試験片筒に満たし、余分の砂を静かに掻き落とした後、１０ｋｇ／ｃｍ^２のスクィーズ圧を加え、加圧後の縮み量(ｍｍ)を測定して、ＣＢ＝（縮み量／１００）×１００の関係式で算出される値であり、
   前記フライアビリティ数とは、該生型を直径１７７．８ｍｍで８メッシュの円筒状に形成された回転篩部材に投入し、該回転篩部材を回転数５７ｒｐｍで６０秒間回転させ、該回転篩部材の篩部分を通過した砂の重量を投入重量で除算して得られた値に１００を乗算して得られる数値である、前記生型造型方法。
2. 前記生型砂には、ベントナイトが含まれる請求項１記載の生型造型方法。

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