JP6214266B2 - 砂型鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は砂型鋳造方法に関する。

近時の環境問題に対する世界的な要請の下で自動車や航空機などの業界では一層の燃料消費の低減が急務の課題となっている。その現れを特許文献１に見ることができる。特許文献１は、排気マニホールド、ターボチャージャーなどの自動車用排気系部品の材料として一般的に採用されているフェライト系耐熱鋳鋼に代わるオーステナイト系耐熱鋳鋼を提案している。このオーステナイト系耐熱鋳鋼は高温強度に優れており、また、鋳造時の湯流れが良い。このオーステナイト系耐熱鋳鋼によれば、鋳造欠陥の低減を図りつつ高度な耐熱性の要求に応じることができる。

砂型鋳造法は、骨材としての砂（セラミックを混合する場合もある）をバインダーで互いに結合することで砂型を作り、この砂型の中に、溶けた金属を流し込んで製品を作る金属加工方法である。骨材の砂は天然砂と人工砂とに分類することができ、これらの再生砂を含めて使用目的に応じて使い分けられている。バインダーは、有機（フラン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ガス硬化性粘結剤など）、無機（例えば、水ガラス、セメント）の他にハイブリッドバインダーが知られている。

特許文献２〜５はハイブリッドバインダー及びこれを使ったハイブリッド鋳造法を開示している。このハイブリッドバインダーは、砂型（中子を含む意味である）を造形した時の強度（常温強度）を有機バインダーで確保し、有機バインダーで確保できない高温度域の砂型強度をセラミックで確保するものである。

ハイブリッドバインダーはＸＰアルコール溶液と呼ばれており、このＸＰアルコール溶液は、周期律表４Ａ族または４Ｂ族（炭素を除く）と３Ａ族又は３Ｂ族の金属アルコキシド及びその部分加水分解物から選ばれた１種または２種類以上のアルコール可溶性の金属アルコキシド類と、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のアルコール可溶性のアルカリ化合物とをそれぞれ加水分解が進んでいない状態で含むアルコール溶液を主成分とする溶液である。ＸＰアルコール溶液の詳細は特許文献２〜５を参照されたい。

ハイブリッドバインダーは、砂型（中子を含む意味である）を造形した時の強度（常温強度）を有機バインダー成分で確保し、鋳込み時の砂型の強度（熱間強度）をセラミック成分で確保するものである。このハイブリッドバインダーを使ったハイブリッド鋳造法は、高い温度の溶融金属を砂型に注ぎ込むことができるため、湯流れの悪い金属の鋳造や湯流れが厳しく要求される薄肉製品の鋳造が可能になる。

特開平７−９０５０２号公報 日本国特許３１３９９１８号 特開２０１０−４２９８５号公報 特開２０１２−３５２６９号公報 特開２００２−１４３９８３号公報

鋳造品の薄肉化を目指そうとしたときに、砂型の製品キャビティ部分において、その全体に溶融金属が行き渡らないリスクつまり鋳造欠陥が発生するリスクが高くなる。前述したハイブリッド鋳造法は、例えば１０００℃以上の高温状態でも砂型強度を維持できるため、溶融金属の高温化及び／又は高温に加熱した砂型を使って鋳造する熱間鋳造法を採用することで、上述したリスクを大幅に低減することができる。

しかし、溶けた金属を砂型に注ぎ込む鋳込み温度の高温化は、金属を更に高い温度まで加熱するための熱エネルギが必要となるためコストアップの要因になる。また、準備段階で砂型を高い温度まで加熱することは（熱間鋳造法の採用）、そのための設備投資、熱エネルギ、手間が必要となり、このこともコストアップの要因になる。例えば自動車エンジンの排気系部品やシリンダブロックなどの量産品に対して熱間鋳造法を適用することは事実上難しい。

本発明の目的は、湯流れが相対的に悪い金属の鋳造欠陥や湯流れが厳しく要求される薄肉製品の鋳造欠陥を低減することのできる砂型鋳造方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、重力鋳造法に従い且つ湯流れが相対的に悪い金属を使って比較的薄肉の鋳造品を作ることのできる砂型鋳造方法を提供することにある。

本発明は、溶融金属を注ぎ込んで鋳造するための製品キャビティ部が上型と下型とで形成される砂型であって、前記上型及び／又は前記下型の少なくとも一方を、前記砂型の一部を構成する分割型と、該砂型の残部を構成する本体とに分けた分割構造の砂型を用意し、
前記分割型を加熱する加熱工程と、
加熱した前記分割型を前記本体と合体させる合体工程と、
前記砂型に溶融金属を注ぎ込んで鋳造する鋳造工程とを有する砂型鋳造方法を特徴とする。

砂型は、溶融金属を注ぎ込むための堰鉢を有する。堰鉢に注ぎ込まれた溶融金属は、湯口棒を通り、次いで湯道を通って製品キャビティ部に流入する。上記分割型は、湯道及び/又は製品キャビティ部の上流部分であるのが好ましい。

本発明の更なる目的、作用効果は、以下の本発明の詳しい説明から明らかになろう。

レジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）を造形したテストピースを加熱したときの強度を示すグラフである。 レジンコーテッドサンド（ＲＣＳ）を造形したテストピースを加熱したときの強度低下を示すグラフである。 ２mmの薄肉のテストピースを鋳造するための砂型のキャビティを説明するための図である。 ２mmの薄肉のテストピースを鋳造するための砂型の側面図である。 図４に図示の砂型の平面図である。 第１の部分砂型を湯道及びキャビティ製品部の上流部分に組み込んだ砂型であって、２mmの薄肉のテストピースを鋳造するための砂型の側面図である。 図６に図示の砂型の平面図である。 第２の部分砂型をキャビティ製品部の側部に組み込んだ砂型であって、２mmの薄肉のテストピースを鋳造するための砂型の側面図である。 図８に図示の砂型の平面図である。 第３の部分砂型をキャビティ製品部の下流部分に組み込んだ砂型であって、２mmの薄肉のテストピースを鋳造するための砂型の側面図である。 図１０に図示の砂型の平面図である。 第１の部分砂型の斜視図である。 第２の部分砂型の斜視図である。 第３の部分砂型の斜視図である。 常温の砂型と３００℃の砂型で鋳造した鋳鉄（ＦＣ）のテストピースを示す図である。 湯道とキャビティ製品部の上流部分に、加熱した第１部分砂型を設置した状態で鋳造した鋳鉄（ＦＣ）のテストピースを示す図である。 湯道とキャビティ製品部の上流部分に、加熱した第１部分砂型を設置した状態で鋳造した耐熱鋼（ＳＣＨ）のテストピースを示す図である。 鋳造欠陥が発生し易いキャビティ製品部の側部に、加熱した第２部分砂型を設置した状態で鋳造した耐熱鋼（ＳＣＨ）のテストピースを示す図である。 キャビティ製品部の下流部分に、加熱した第３部分砂型を設置した状態で鋳造した耐熱鋼（ＳＣＨ）のテストピースを示す図である。 より高い温度の溶融金属を砂型に注ぎ込んだときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 加熱した砂型を使って鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 湯道とキャビティ製品部の上流部分に、加熱した第１部分砂型を設置した状態で鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 鋳造欠陥が発生し易いキャビティ製品部の側部に、加熱した第２部分砂型を設置した状態で鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 キャビティ製品部の下流部分に、加熱した第３部分砂型を設置した状態で鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 湯道部分に、加熱した部分砂型を設置した状態で鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 キャビティ製品部の上流部分に、加熱した部分砂型を設置した状態で鋳造したときの砂型内での溶融金属の温度低下の状態を定性的に説明するための図である。 熱源である部分砂型を湯道の部分に設置した例を説明するための図である。 熱源である部分砂型を湯道の部分と製品キャビティ部の上流部分とに設置した例を説明するための図である。 熱源である部分砂型を湯道の部分と中子とに設置した例を説明するための図である。 熱源である部分砂型を製品キャビティ部の上流部分と中子とに設置した例を説明するための図である。 熱源である部分砂型を湯道と製品キャビティ部と中子とに設置した例を説明するための図である。 堰鉢と湯口棒とを含む高温の上型用分割型を上型本体に組み込んで砂型を作り、この部分的に高温の砂型を使って鋳造する例を説明するための図である。 堰鉢と湯口棒とを含む高温の上型用分割型を上型本体に組み込むと共に、下型の湯道部分に熱源である部分砂型を設置した砂型を使って鋳造する例を説明するための図である。 バーナーの火炎で加熱した堰鉢と湯口棒とを含む高温の上型用分割型と、湯道を含む高温の下型用分割型とを用意し、これらを上型本体及び下型本体に組み込んで砂型を作り、この部分的に高温の砂型を使って鋳造する例を説明するための図である。 湯道を含む高温の下型用分割型を用意し、これを組み込んだ部分的に高温の砂型を使って鋳造する例を説明するための図である。 複数の中子のうち、上流側に位置する中子を加熱した状態で砂型に組み込み、この砂型を使って鋳造する例を説明するための図である。

以下に、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の基本概念を説明する。本願発明者らは、鋳造品の薄肉化を課題として、先ず、次の試験を行った。

（Ａ）有機バインダーを使った砂型の加熱強度試験（図１、図２）：
(i)骨材としてセラビーズ＃６５０を使用した。
(ii)有機バインダーとしてレジンを使用した（1.8mass％）。
(iii)硬化剤としてヘキサミンを使用した。滑剤としてステアリン酸カルシウムを使用した。

上記の材料を混合してＲＣＳ（レジンコーテッドサンド）を作った。そして、ＲＣＳを使ってテストピースを造形し、このテストピースを加熱して強度及び強度低下を測定した。

図１は、常温、２００℃、３００℃でのテストピースの曲げに対する抵抗力つまり抗折力（Kg/cm²）を示す。図２は、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃での加熱に伴うテストピースの強度低下率（％）を示す。この強度低下率（％）は常温を基準として算出した。

上記の試験結果から次のことが分かる。すなわち、有機バインダーは２００〜３００℃であれば約４０％強度低下が見られるものの適当な強度（２００℃で約４０Kg/cm²の抗折力、３００℃で約２４Kg/cm²の抗折力）を有していることが確認できた。測定誤差を含めたときに、実用的には、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃であれば本発明に適用できる。

（Ｂ）前述したハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）は、約１０００℃以上の温度まで砂型強度を維持できる特性を有している。ＸＰアルコール溶液は、前述したように、周期律表４Ａ族または４Ｂ族（炭素を除く）と３Ａ族又は３Ｂ族の金属アルコキシド及びその部分加水分解物から選ばれた１種または２種類以上のアルコール可溶性の金属アルコキシド類と、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のアルコール可溶性のアルカリ化合物とをそれぞれ加水分解が進んでいない状態で含むアルコール溶液を主成分とする溶液である。ＸＰアルコール溶液及びこれを使った砂型に関しては先に引用した日本国特許３１３９９１８号（特許文献２）や特許文献３〜５に詳しく記載されていることから、これらの先行特許文献をここに援用することで、これら特許文献２〜５に記載の全てを本願明細書に組み込む。

次に、耐熱性に優れた金属材料に関して言えば、HiSiMoダクタイル（球状化黒鉛）鋳鉄やオーステナイト系球状黒煙鋳鉄（ニレジストＤ５Ｓ）は優れた湯流れを備えていることが知られている。他方、鋳鉄（ＦＣ：Ferrum Casting）や耐熱鋼（ＳＣＨ）は相対的に湯流れが悪く、耐熱鋼（ＳＣＨ）は鋳鉄（ＦＣ）よりも湯流れが悪いことが知られている。

鋳造の業界では「肉厚２mm」の壁が立ちはだかっており、この肉厚２mm以下の鋳造品の量産技術は夢の技術と言われている。例えばHiSiMoダクタイル鋳鉄を使うことで肉厚2.5mmの自動車用排気マニホールドの量産が可能と言われているが、未だに肉厚２mmの壁を越えることは難しいと考えられている。

図３〜図５は、平面視長方形の平板状のテストピース（厚さ２mm）を鋳造するための砂型を示す。図３はテストピースを鋳造するための砂型のキャビティを示す。図４は砂型の側面図である。図５は砂型の平面図である。図示のテストピース用の砂型１０はＲＣＳを使って造形した。ＲＣＳは、前述したように、骨材としてのセラビーズとバインダーとしてのレジンとを含むレジンコーテッドサンドである。

テストピース用砂型１０は上型１２と下型１４とで構成されている（図４）。特に図３を参照して、砂型１０のキャビティ１６は、キャビティ製品部１８と湯道２０とで構成されている。堰鉢２２に注ぎ込んだ溶融金属は湯口棒２４を通じて湯道２０に流れ込む。キャビティ製品部１８の下流端部にオーバーフロー道２６が通じており、このオーバーフロー道２６は上型１２の上端面に開口している。キャビティ製品部１８の寸法は長さ300.0 mm、横幅95.0 mm、厚さ2.0mmである。

砂型１０内での湯流れを改善する目的の下で、上記のテストピース用砂型１０を使って次の試験を行った。

テストピース用砂型１０の下型１４の一つの実施形態は、図６、図７に仮想線で示すように、キャビティ製品部１８の上流端部分と湯道２０とに対面した第１凹所３０を有している。第１凹所３０は上方に向けて開放している。

また、砂型１０の下型１４の第２の実施形態は、図８、図９に仮想線で示すように、キャビティ製品部１８の側部（湯口棒２４から遠い側の側部）にその上流端から下流端に亘って延びる第２の凹所３２を有している。この第２凹所３２は上方に向けて開放している。

また、砂型１０の下型１４の第３の実施形態は、図１０、図１１に仮想線で示すように、キャビティ製品部１８の下流端部分の全域と対面した第３凹所３４を有している。第３凹所３４は上方に向けて開放している。

図１２〜図１４は、上述した第１〜第３の凹所３０、３２、３４の夫々に脱着可能な部分砂型４０、４２、４４を示す。図１２の第１の部分砂型４０は平板状の矩形形状を有し、また、前述した第１の凹所３０（図６、図７）の輪郭と相補的な形状を有している。第１の部分砂型４０を第１の凹所３０に組み付けることで、第１の部分砂型４０は下型１４と一体化してキャビティ製品部１８の上流端部分及び湯道２０のキャビティ壁面を形成する。

図１３の第２の部分砂型４２は直方体の形状を有し、また、前述した第２の凹所３２（図８、図９）の輪郭と相補的な形状を有している。第２の部分砂型４２を第２の凹所３２に組み付けることで、第２の部分砂型４２は下型１４と一体化してキャビティ製品部１８の側部（湯口棒２４から遠い側の側部）のキャビティ壁面を形成する。

図１４の第３の部分砂型４４は平板状の矩形形状を有し、また、前述した第３の凹所３４（図１０、図１１）の輪郭と相補的な形状を有している。第３の部分砂型４４を第３の凹所３４に組み付けることで、第３の部分砂型４４は下型１４と一体化してキャビティ製品部１８の下流端部分のキャビティ壁面を形成する。

図１５は、ＲＣＳを使って造形した砂型１０を使って鋳鉄（ＦＣ）を鋳造してテストピースＴpを作製した例を示す。図１５の（Ｉ）乃至（III）で示す第１〜第３のテストピースＴp(1)〜Ｔp(3)の鋳造条件は次の通りであった。

図１５の（Ｉ）の鋳造条件及びその結果：
（１）鋳鉄（ＦＣ）の溶融温度は１３８０℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）出来上がった第１のテストピースＴp(1)は、砂型１０のキャビティ製品部１８の下流部分が欠落した形状であった。

図１５の（II）の鋳造条件及びその結果：
（１）鋳鉄（ＦＣ）の溶融温度は１４６５℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）常温の砂型１０を使って鋳造した第２のテストピースＴp(2)は、砂型１０のキャビティ製品部１８の下流部分が欠落した形状であったが、図１５の（Ｉ）の第１のテストピースＴp(1)よりも欠落部分は小さかった。この結果から、溶融温度が高いほど湯流れを改善できることが分かる。

図１５の（III）の鋳造条件及びその結果：
（１）鋳鉄（ＦＣ）の溶融温度は１４０９℃であった。この温度は、上述した（II）よりも低い温度である。
（２）砂型１０の温度は３００℃であった。
（３）３００℃に加熱した砂型１０を使って鋳造した第３のテストピースＴp(3)は完成品であり、砂型のキャビティ製品部１８の全域に溶融金属が行き渡ることを確認することができた。このことから、加熱した砂型１０を使うことで溶融金属の湯流れを改善できることが分かる。

図１６は、第１の凹所３０を備えた砂型１０（図６、図７）に、加熱した第１の部分砂型４０（図１２）を組み込んで鋳鉄（ＦＣ）を鋳造した例を示す。この第１の部分砂型４０はＲＣＳを使って造形した。ＲＣＳはセラビーズ＃６５０と有機バインダー（レジン）とで調製した。

図１６の（IV）の鋳造条件及びその結果：
（１）鋳鉄（ＦＣ）の溶融温度は１３８０℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）加熱した第１の部分砂型４０を砂型１０（下型１４）の第１凹所３０に組み込んだ（図６、図７）。第１の部分砂型４０（図１２）の温度は３００℃であった。
（４）鋳造した第４のテストピースＴp(4)は、図１６の（IV）から分かるように、砂型１０のキャビティ製品部１８の下流部分が欠落した形状であった。なお、この鋳造条件は、加熱した第１の部分砂型４０を組み込むことを除いて図１５の（Ｉ）の第１のテストピースＴp(1)と同じであるが、図１５の（Ｉ）の第１のテストピースＴp(1)よりも欠落部分は小さかった。この結果から、キャビティ製品部１８の上流部分及び湯道２０に、加熱した第１の部分砂型４０を設置することで、キャビティ製品部１８での湯流れを改善できることが分かった。

図１６の（Ｖ）の鋳造条件及びその結果：
（１）鋳鉄（ＦＣ）の溶融温度は１３９８℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）加熱した第１の部分砂型４０（図１２）を砂型１０（下型１４）の第１凹所３０に組み込んだ（図６、図７）。第１の部分砂型４０の温度は３００℃であった。
（４）鋳造した第５のテストピースＴp(5)は、砂型１０のキャビティ製品部１８の下流端に僅かな欠落が見られるが、ほぼ完成形に近い形状であった。

図１６の（IV）の鋳造条件と（Ｖ）の鋳造条件とを対比したときに、その違いは、砂型１０に注ぎ込む溶融金属の温度だけであり、（Ｖ）の鋳造条件の方が（IV）の鋳造条件よりも約２０℃高温である。このことからも溶融金属の温度は高い方がキャビティ製品部１８での湯流れを改善できることが分かる。

図１７は、前述した第１の部分砂型４０（図１２）を使って耐熱鋼（ＳＣＨ２２）を鋳造してテストピースＴpを作製した例を示す。第１の部分砂型４０はハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）を使って造形した。使用した骨材はセラビーズ＃６５０であった。

図１７の（VI）の鋳造条件及びその結果：
（１）耐熱鋼（ＳＣＨ２２）の溶融温度は１５１４℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）第１の部分砂型４０は１１００℃の炉で６０分間加熱して焼成した直後に砂型１０の第１凹所３０に組み込んだ。
（４）鋳造した第６テストピースＴp(6)には欠落部分が無く、完成品であった。

図１８は、前述した第２の部分砂型４２（図１３）を使って耐熱鋼（ＳＣＨ２２）を鋳造して第７、第８のテストピースＴp(7)、Ｔp(8)を作製した例を示す。第２の部分砂型４２はハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）を使って造形した。使用した骨材はセラビーズ＃６５０であった。

図１８の（VII）の鋳造条件及びその結果：
（１）耐熱鋼（ＳＣＨ２２）の溶融温度は１５２８℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）第２の部分砂型４２は１１００℃の炉で６０分間加熱して焼成した直後に砂型１０の第２凹所３２に組み込んだ。
（４）鋳造した第７テストピースＴp(7)は欠落部分を有していた。この欠落部分は湯口棒２４（図３）から遠い側の側部に見られた。

図１８の（VIII）の鋳造条件及びその結果：
（１）耐熱鋼（ＳＣＨ２２）の溶融温度は１５３６℃であった。
（２）砂型１０の温度は約３００℃であった。
（３）第２の部分砂型４２は１１００℃の炉で６０分間加熱して焼成した直後に砂型１０の第２凹所３２に組み込んだ。
（４）鋳造した第８テストピースＴp(8)は欠落部分が見られず、完成形であった。

図１８の（VII）と（VIII）とを対比したときに、完成形の第８テストピースＴp(8)を得ることができた（VIII）の鋳造条件の方が、(a)溶融温度が約１０℃高く、また、(b)加熱した砂型１０を使用した点で（VII）の鋳造条件と異なっている。したがって、耐熱鋼の溶融温度が高いほど且つ加熱した砂型１０を使用することで湯流れを改善できることが分かる。

また、図８、図９、図１８を参照しながら図１８の鋳造条件(VII)で鋳造した第７テストピースＴp(7)の鋳造欠陥部分を検討すると、キャビティ製品部１８において、湯口棒２４から遠い側の側部の領域に鋳造欠陥が見られる。このことから当該領域の湯流れが悪いことが分かる。この湯流れの悪い領域に熱源（加熱した部分砂型４２）を設置して鋳造したのが鋳造条件（VIII）の第８テストピースＴp(8)であり、この第８テストピースＴp(8)で良好な鋳造結果を得た。この事実から、砂型１０を加熱するだけでなく、鋳造欠陥が発生し易い領域又はその上流部分に熱源（加熱した部分砂型４２）を設置することは、この湯流れの悪い領域での鋳造欠陥の発生を抑えるのに効果的であることが分かった。

図１９は、前述した第３の部分砂型４４（キャビティ製品部１８の下流部分に設置：図１９）を使って耐熱鋼（ＳＣＨ２２）を鋳造して第９、第１０のテストピースＴp(9)、Ｔp(10)を作製した例を示す。第３の部分砂型４４はハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）を使って造形した。使用した骨材はセラビーズ＃６５０であった。

図１９の（IX）の鋳造条件及びその結果：
（１）耐熱鋼（ＳＣＨ２２）の溶融温度は１５３０℃であった。
（２）砂型１０の温度は常温であった。
（３）第３の部分砂型４４は１１００℃の炉で６０分間加熱して焼成した直後に砂型１０に設置して鋳造した。
（４）鋳造した第９のテストピースＴp(9)は欠落部分を有していた。

図１９の（Ｘ）の鋳造条件及びその結果：
（１）耐熱鋼（ＳＣＨ２２）の溶融温度は１５３０℃であった（上記（IX）の鋳造条件と同じ）。
（２）砂型１０の温度は約３００℃であった。
（３）第３の部分砂型４４は１１００℃の炉で６０分間加熱して焼成した直後に砂型１０に設置して鋳造した。
（４）鋳造したテストピースＴp(10)は欠落部分を有していた。

キャビティ製品部１８の下流側に、高温に加熱した第３の部分砂型４４を設置しても良好な効果は得られなかった。

以上の試験結果から定性的に次のことが言える。図２０〜図２６に見られる実線は、一般的に採用されている温度の溶融金属を砂型１０に注ぎ込んだときに砂型１０の内部の各所での温度を示す。これを基準温度と呼ぶと、溶融金属が砂型１０の内部を流れる過程で温度が低下する。

図２０は、砂型１０に注ぎ込む溶融金属の温度を高めたときの温度低下（二点鎖線）を示す。溶融金属の温度を高めることで砂型１０の各所での温度を基準温度よりも高いレベルに維持させることができる。この図２０は、溶融金属の温度を高めることで鋳造欠陥発生の可能性を低減できることを教えている。

図２１は、加熱した砂型１０を使用して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。この図２１の二点鎖線は、図１５の（III）の鋳造条件での鋳造が該当する。加熱した砂型１０を使って鋳造したときには、温度低下の勾配を小さくさせることができる。つまり、砂型１０の内部を流れる溶融金属の温度低下の度合いを小さくさせることができる。この図２１は、加熱した砂型１０を使って鋳造することで鋳造欠陥発生の可能性を低減できることを教えている。

図２２は、湯道２０の下流部分とキャビティ製品部１８の上流部分に熱源（第１の部分砂型４０）を設置して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。砂型１０に投入された溶融金属は温度低下しながら湯道２０に入る。湯道２０の下流部分及びキャビティ製品部１８の上流部分に配置された熱源（第１の部分砂型４０）によって湯道２０の下流部分及びキャビティ製品部１８の上流部分での溶融金属の温度低下が抑制される。従って、キャビティ製品部１８の下流部分を含むキャビティ製品部１８の全域での溶融金属の温度を比較的高い温度に維持することができる。この図２２は、キャビティ製品部１８の上流部分及びキャビティ製品部１８の上流に位置する湯道２０に熱源を配置することで鋳造欠陥発生の可能性を低減できることを教えている。

図２３は、キャビティ製品部１８の鋳造欠陥が発生し易い側部に熱源（第２の部分砂型４２（図９、図１３））を設置して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部（特に熱源を配置した側部）を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。砂型１０に投入された溶融金属はキャビティ製品部１８の側部に配置された熱源（第２の部分砂型４２）によって当該側部を流れる溶融金属の温度低下が抑制される。従って、キャビティ製品部１８の鋳造欠陥が生じ易い側部での溶融金属の温度を比較的高い温度に維持して溶融金属の流れを改善することができる。この図２３は、キャビティ製品部１８の鋳造欠陥が発生し易い部分に熱源を配置することで鋳造欠陥発生の可能性を低減できることを教えている。

図２４は、キャビティ製品部１８の下流部分の凹所に熱源（第３の部分砂型４４（図１１、図１４）を設置して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部（特に熱源を配置した側部）を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。砂型１０に投入された溶融金属はキャビティ製品部１８の下流部分の凹所に配置された熱源（第３の部分砂型４４）によって当該下流部分を流れる溶融金属の温度低下が抑制される。これは、図１９に示す鋳造条件(IX)、(X)が相当する。その結果のテストピースＴp(9)、Ｔp(10)に鋳造欠陥が見られたことから、キャビティ製品部１８の下流部分の凹所に配置された熱源（第３の部分砂型４４）による鋳造欠陥抑制効果は限定的であり且つ局所的である。

図２５は、湯道２０の下流部分の凹所に熱源（部分砂型４０（図１２、図１６）を設置して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部（特に熱源を配置した側部）を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。砂型１０に投入された溶融金属は湯道２０の下流部分に配置された熱源によって当該湯道２０の下流部分を流れる溶融金属の温度低下が抑制され、キャビティ製品部１８の各部での溶融金属の温度を比較的高く維持することができる。この図２５は、湯道２０の下流部分に熱源（加熱した部分砂型）を配置することでキャビティ製品部１８の全域での溶融金属の流れを改善できることを教えている。勿論、湯道２０の流れ方向全域に熱源（加熱した部分砂型）を配置してもよいし、湯道２０の流れ方向上流部分や中間部分に熱源（加熱した部分砂型）を配置してもよい。

図２６は、キャビティ製品部１８の上流部分の凹所に熱源（加熱した部分砂型）を設置して鋳造したときに、溶融金属が砂型１０の内部を流れる過程で低下する温度を二点鎖線で示す。キャビティ製品部１８に流入した溶融金属は、キャビティ製品部１８の上流部分に配置された熱源（加熱した部分砂型）によって温度低下が抑制されることからキャビティ製品部１８の全域での溶融金属の温度を比較的高い温度に維持することができる。この図２６は、キャビティ製品部１８の上流部分に熱源（加熱した部分砂型）を配置することで鋳造欠陥発生の可能性を低減できることを教えている。

以上のテスト結果から、溶融金属を注ぎ込む前段階で砂型を局部的に相対的に高温にすることが湯流れ改善に効果的であることが分かる。砂型を局部的に高温状態にした後に鋳造を実行する手法の具体例を図２７以降の図面に基づいて以下に例示的に説明する。

図２７を参照して、砂型１００は主型１０２と中子１０４とで構成され、主型１０２は上型１０６と下型１０８とで構成されている。

主型１０２及び中子１０４の骨材は、天然砂、人工砂のいずれであってもよいし、これを混合した合成砂であってもよい。採用可能な骨材を列挙すれば次のとおりである。すなわち、珪砂、ムライト、合成ムライト、アルミナ、石英、ジルコン、溶融シリカ、シリカフラワー、シャモット、合成シャモットの群から選ばれた少なくとも１種類の鋳造砂を骨材として採用することができる。また、骨材に添加するバインダーは、有機、無機のバインダーのいずれのバインダーであってもよい。

図２７を引き続き参照して、図２７は、加熱した部分砂型１２０を上型１０６に設置した例を示す。この部分砂型１２０の設置場所として湯道２０を例示的に図示してあるが、部分砂型１２０の設置場所及びその個数は任意であり、キャビティ製品部１８の全域に溶融金属を円滑に行き渡らせるのに効果的な場所を実験により決定すればよい。

図２８は、加熱した部分砂型１２０を下型１０８の湯道２０に対面する部分の凹所に設置した例を示す。下型１０８に設置した部分砂型１２０は湯道２０に露出しており、湯道２０を規定するキャビティ面を形成する。この図２８は、また、加熱した部分砂型１２０をキャビティ製品部１８の上流部分の凹所に設置した例を示す。部分砂型１２０はキャビティ製品部１８に露出しており、キャビティ製品部１８を規定するキャビティ面を形成する。

図２９は、加熱した部分砂型１２０を上型１０６と下型１０８とに設置した例を示す。この部分砂型１２０の設置場所として湯道２０に臨む凹所を例示的に図示してあるが、設置場所は任意であり、キャビティ製品部１８の全域に溶融金属を円滑に行き渡らせるのに効果的な場所を実験により決定すればよい。上型１０６と下型１０８に設置した部分砂型１２０は湯道２０に露出しており、湯道２０を規定するキャビティ面を形成する。

また、図２９は、中子１０４に部分砂型１２０を設置した例を示している。中子１０４に設置した部分砂型１２０はキャビティ製品部１８に露出した状態にある。中子１０４に設置する部分砂型１２０は単数であってもよいし、複数であってもよい。

部分砂型１２０の設置場所や個数は例えば図３０、図３１にも示すように任意であり、キャビティ製品部１８の全域に溶融金属を円滑に行き渡らせるのに効果的な場所を実験により決定すればよい。

部分砂型１２０の骨材やバインダーは任意に選択すればよい。骨材とバインダーを混合して調整したコーテッドサンドを使って部分砂型１２０を造形してもよいし、部分砂型１２０を造形した後にバインダーをコーティングしてもよい。バインダーは有機、無機のバインダー、水ガラス、セメントの他に、ハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）のように超高温でも砂型強度を維持できるバインダーであってもよい。砂型１００に複数の部分砂型１２０を設置する場合、材料及び温度が共通の部分砂型１２０を使ってもよいし、材料が共通であるが温度が異なる部分砂型１２０を使ってもよいし、材料及び温度が異なる部分砂型１２０を使ってもよい。

加熱した主型１０２、加熱した中子１０４、加熱した部分砂型１２０の組み合わせを例示的に列挙すれば次の通りである。

（１）主型１０２を加熱する。典型的には有機バインダーを使って造形した主型１０２の場合には、少なくともキャビティ面が約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃の主型１０２を使って鋳造する。ハイブリッドバインダーを使って造形した主型１０２の場合には少なくともキャビティ面が約３５０℃〜約８００℃の主型１０２を使って鋳造する。

（２）有機バインダーを使って造形した中子１０４の場合には約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃の中子１０４を使って鋳造する。ハイブリッドバインダーを使って造形した中子１０４の場合には、焼成した後の約３５０℃〜約８００℃の中子を使って鋳造する。

（３）加熱した主型１０２と加熱した中子１０４を使って鋳造する。主型１０２の温度は、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃（有機バインダーの場合）又は約３５０℃〜約８００℃（ハイブリッドバインダーの場合）を選択できる。中子１０４は、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃（有機バインダーの場合）又はハイブリッドバインダーの場合には約３５０℃〜約１１００℃、好ましくは約３５０℃〜約１０００℃、更に好ましくは約３５０℃〜約８００℃を選択できる。

（４）加熱した部分砂型１２０を主型１０２に組み込んで鋳造する場合には、常温の主型１０２を使ってもよいし、加熱した主型１０２を使ってもよい。加熱した主型１０２の温度は約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃を典型例として挙げることができる。部分砂型１２０の温度は、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃（有機バインダーの場合）であってもよいし、それよりも高温（例えば約３５０℃〜約１１００℃、好ましくは約３５０℃〜約８００℃）であってもよい（ハイブリッドバインダーの場合）。

（５）上記（４）において、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃又は約３５０℃〜約１１００℃、好ましくは約３５０℃〜約１０００℃、更に好ましくは約３５０℃〜約８００℃の中子１０４を組み込んで鋳造する。

（６）上記（４）において、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００の中子に、約３５０℃〜約１１００℃、好ましくは約３５０℃〜約１０００℃、更に好ましくは約３５０℃〜約８００℃の部分砂型１２０を組み込んで鋳造する。

（７）加熱した部分砂型１２０を主型１０２に組み込んで鋳造する。常温の主型１０２を使ってもよいし、少なくともキャビティ面が約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃又は例えば約３５０℃〜約８００℃の主型１０２を使ってもよい。部分砂型１２０の温度は、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃（有機バインダーの場合）であってもよいし、それよりも高温（例えば約３５０℃〜約８００℃）であってもよい（ハイブリッドバインダーの場合）。

（８）上記（７）において、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃又は約３５０℃〜約１１００℃（好ましくは例えば約３５０℃〜約８００℃）の中子１０４を組み込んで鋳造する。

（９）上記（７）において、約２００℃〜約３５０℃、好ましくは約２００℃〜約３００℃の中子に、約３５０℃〜約１１００℃、好ましくは例えば約３５０℃〜約８００℃の部分砂型１２０を組み込んで鋳造する。

砂型を局部的に高温状態にする手法の他の具体例を図３２以降の図面に基づいて以下に例示的に説明する。図３２に例示の砂型１００は主型１０２と中子１０４とで構成されている。主型１０２は上型１０６と下型１０８とで構成されている。上型１０６は分割型１０６Aと上型本体１０６Bとを含み、溶融金属を堰鉢２２に注ぎ込む前に、上型用分割型１０６Aは上型本体１０６Bに合体される。図示の例では、上型用分割型１０６Aは堰鉢２２と湯口棒２４を含んでいる。

例えば上型用分割型１０６Aを有機バインダーを使って造形したときには、この分割型１０６Aは約２００〜約３００℃の温度まで加熱した後に、上型本体１０６Bと合体される。この上型本体１０６Bは常温である。

上型用分割型１０６Aをハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）を使って造形した場合には、例えば１０００℃以上の温度の上型用分割型１０６Aが上型本体１０６Bと合体される。変形例として、ハイブリッドバインダーを使って造形した上型用分割型１０６Aを焼成した後に約３５０℃〜約８００℃の温度の上型用分割型１０６Aを上型本体１０６Bと合体して鋳造工程を実行してもよい。勿論、このように比較的高温状態で上型本体１０６Bと合体する上型用分割型１０６Aは水ガラスを使って造形されてもよい。このように上型用分割型１０６Aを比較的高温状態で使う場合には、上型本体１０６Bは常温であってもよいし、上型本体１０６Bを約２００〜約３００℃の温度まで加熱した後に、この上型本体１０６Bと上型用分割型１０６Aとを合体して鋳造を実行するようにしてもよい。

更に、上型本体１０６Bに前述した熱源としての部分砂型１２０を組み込むようにしてもよい。図３３は、上型本体１０６Bの湯道２０に部分砂型１２０を組み込んだ例を示す。常温状態の上型本体１０６Bを使って鋳造する場合には、約２００〜約３００℃の温度まで加熱した部分砂型１２０が上型本体１０６Bに組み込まれる。約２００〜約３００℃の上型本体１０６Bを使って鋳造する場合には、約３５０℃〜約１０００℃の温度まで加熱した部分砂型１２０が上型本体１０６Bに組み込まれる。勿論、同じ要領で下型１０８に、加熱した部分砂型１２０を組み込むようにしてもよい。

図３４は、砂型１００は、上型１０６、下型１０８に上型用分割型１０６A、下型用分割型１０８Aを設けた例を示す。すなわち、上型１０６は、上型用分割型１０６Aと上型本体１０６Bとで構成されている。他方、下型１０８は、下型用分割型１０８Aと下型本体１０８Bとで構成されている。上型用分割型１０６Aは堰鉢２２と湯口棒２４を含む。下型用分割型１０８Aは湯道２０を含む。

上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aを有機バインダーを使って造形したときには、この上型用分割型１０６A又は下型用分割型１０８Aは少なくともキャビティ面を約２００〜約３００℃の温度まで加熱した後に、上型本体１０６B、下型本体１０８Bと合体される。上型用分割型１０６A又は下型用分割型１０８Aの加熱は加熱炉を使ってもよいし熱風を使ってもよい。上型本体１０６B、下型本体１０８Bは常温である。この上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aに前述した熱源としての部分砂型１２０を組み込むようにしてもよい。また、上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aを有機バインダーを使って造形したときには、上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aに、約３００℃よりも高温の熱源としての部分砂型１２０を組み込むようにしてもよい。

上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aをハイブリッドバインダー（ＸＰアルコール溶液）を使って造形した場合には、例えば１０００℃以上の温度の上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aが上型本体１０６B及び/又は下型本体１０８Bと合体される。変形例として、ハイブリッドバインダーを使って造形した上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aを焼成した後に約３５０℃〜約８００℃の温度の上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aを上型本体１０６B、下型本体１０８Bと合体して鋳造工程を実行してもよい。勿論、上型本体１０６B、下型本体１０８Bと合体する、比較的高温状態の上型用分割型１０６A又は下型用分割型１０８Aは水ガラスを使って造形されてもよいし、水ガラスやハイブリッドバインダーを上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aにコーティングしてもよい。

上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aの加熱を行うのに加熱炉を使ってもよいし熱風を使ってもよいが、図３４は、上型用分割型１０６Aの堰鉢２２と湯口棒２４をバーナー１１０の火炎で加熱する例を示している。

このように上型用分割型１０６A又は下型用分割型１０８Aを比較的高温状態で使う場合には、上型本体１０６B、下型本体１０８Bは常温であってもよいし、少なくともキャビティ面を約２００〜約３００℃の温度まで加熱した後に上型用分割型１０６A及び/又は下型用分割型１０８Aを合体して鋳造を実行するようにしてもよい。更に、上型本体１０６B又は下型本体１０８Bに３００℃以上に加熱した熱源としての部分砂型を組み込むようにしてもよい。

図３５は、下型１０８を下型用分割型１０８Aと下型本体１０８Bとで構成した例を示す。この下型用分割型１０８Aについても、上型１０６の分割型１０６Aと同じであるので、その具体的な説明は省略する。

図３６は、中子１０４が第１、第２の中子１０４A、１０４Bで構成された例を説明する。主型１０２に関しては、前述した部分砂型、分割型１０６Aを含んでいてもよい。図示の例では２つの中子１０４A、１０４Bであるが、３以上の中子を含んでいてもよい。第１、第２の中子１０４A、１０４Bのうち、上流側に位置する第１の中子１０４Aが約２００℃以上、好ましくは約３５０℃〜約１１００℃、最も好ましくは約３５０℃〜約８００℃に加熱した状態で主型１０２の中に設置された状態で鋳造が実行される。第２の中子１０４Bは常温状態で主型１０２に設置される。この第１、第２の中子１０４A、１０４Bを含む砂型１００において、主型１０２に前述した熱源としての部分砂型１２０を組み込んでもよい。

以上、本発明を説明したが、主型の材料（骨材及びバインダー）及び温度、中子の材料及び温度、主型に組み込む部分砂型の材料及び温度、中子に組み込む部分砂型の材料及び温度は任意であり、また、これらの組み合わせも任意である。キャビティ製品部での金属の流れを円滑化して鋳造欠陥の発生を抑制できる範疇で、主型の材料及び温度、部分砂型、分割型の材料及び温度などを選択すればよい。

主型、中子、部分砂型、分割型の温度は、採用した骨材及びバインダーを実際に試験して一定の強度が維持できる範囲で決定すればよい。また、部分砂型として単純な形状を選択することで、必要とされる強度（抗折力）を比較的小さな値に抑えることができる。

本発明は金属の鋳造に広く適用できる。本発明を適用することにより溶融金属が相対的に低い温度でも鋳造欠陥の発生を抑えることができる。これにより金属を加熱するための熱エネルギの量を低下させることができる。また、本発明は溶融金属の流動性が乏しい金属の鋳造欠陥を抑制するのに効果的である。また、本発明に従うことで２mm以下の薄肉の製品の量産化が実現できる。

１００ 砂型
１０２ 主型
１０４ 中子
１０６ 上型
１０６A 上型用分割型
１０６B 上型本体
１０８ 下型
１０８A 下型用分割型
１０８B 下型本体
１２０ 部分砂型
１８ 砂型のキャビティ製品部
２０ 砂型の湯道
２２ 砂型の堰鉢
２４ 砂型の湯口棒

Claims (4)

1. 溶融金属を注ぎ込んで鋳造するための製品キャビティ部が上型と下型とで形成される砂型であって、前記上型及び／又は前記下型の少なくとも一方を、前記砂型の一部を構成する分割型と、該砂型の残部を構成する本体とに分けた分割構造の砂型を用意し、
   前記分割型を加熱する加熱工程と、
   加熱した前記分割型を前記本体と合体させる合体工程と、
   前記砂型に溶融金属を注ぎ込んで鋳造する鋳造工程とを有する砂型鋳造方法。
2. 前記砂型が、前記製品キャビティ部に開口した凹所と、該凹所に脱着可能な且つ前記製品キャビティ部の壁面を構成する部分砂型とを更に有し、
   前記合体工程の前に、前記部分砂型を前記本体よりも高い温度に加熱する部分砂型加熱工程と、
   加熱した前記部分砂型を前記本体の凹所に設置する部分砂型設置工程とを有し、
   前記合体工程において、前記部分砂型を組み込んだ前記本体に、前記加熱した分割型を合体させる、請求項１に記載の砂型鋳造方法。
3. 前記分割型が湯道を含む、請求項１又は２に記載の砂型鋳造方法。
4. 前記分割型が堰鉢と湯口棒を含む、請求項３に記載の砂型鋳造方法。

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