JP6277178B2 - 鋳造法による中空金属部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造法（より詳細には、ダイカスト）による中空金属部材の製造方法に関する。

本発明に係る方法は、流体が通る管、半閉鎖式容器（例えばケーシング）等の、直接除去することができない中空空間を有する部材を製造するのに特に有用である。

鋳造法は、金属（即ち、純金属及び合金）の加工方法として用いられており、液体金属を型に注入した後冷却し、その後の仕上げ工程を可能な限り制限して所定の部材を製造するものである。

ダイカスト技術においては、相当な圧力（一般的に、１００〜１２００バール、即ち１０〜１２０ＭＰａ）を加えながら液体金属を型に注入する。一般的に、注入速度は１０〜８０ｍ／ｓ、液体金属の温度は４００〜９８０℃である。

鋳造法において、ダイカストは、工具（型及び切削工具）が高価なため、自動車や家庭用電気器具等の市場での大量生産に用いられることが多い。

現在のところ、管や半閉鎖式容器等の中空部材の加圧鋳造において、作業者は、後で溶接又は接着剤で機械的に組み付けられる２つの半分の部品を鋳造する。しかしながら、このような方法は、２つの鋳造用工具（半分の部品それぞれの工具）が必要であること、また、組付部分の液密性を確保するために組み付け工程の精度に厳しい要求がなされることから、十分ではない。

そのため、他の製造方法が求められている。

本発明は、鋳造法による中空金属部材の製造方法であって、集成された材料から構成される本体と前記本体の周囲に接着された外皮とを含む破壊可能な芯を準備する、芯準備工程と、前記芯を型内に配置する、芯配置工程と、前記芯が前記中空金属部材の中空空間を構成するように、金属を溶かして生成された液体金属を前記型に注入して前記芯の周囲に配置する、注入工程と、前記中空金属部材を固化した後、前記本体の集成された材料をばらばらに分離して前記外皮及び前記中空金属部材に設けられた複数の開口から前記本体を除去する、本体除去工程と、前記外皮を破壊して前記中空金属部材に設けられた複数の開口から前記外皮を除去する、外皮除去工程と、を備えている。

本発明に係る芯は、従来技術に係る重力鋳造で用いられる芯と異なり、芯が液体金属の加圧注入に機械的に耐え得るように外皮を備えている。本発明に係る芯は、外皮がないと、注入時の加圧力によって分離し得る。外皮は、注入時に本体から分離しないように、本体の周囲に接着されている。外皮は本体に支持され、本体は注入時の加圧力の一部を受ける。

本発明に係る製造方法は、ダイカストにおいて特に有用である。なぜなら、注入時の液体金属による力が大きく、外皮が有効に機能するからである。この場合、前記注入工程において、前記液体金属を前記型に加圧注入して前記芯の周囲に配置し、前記外皮が液体金属の加圧注入に耐え得る十分な機械的強度を有する。

しかしながら、本発明に係る製造方法は、ダイカストに限定されず、低圧鋳造法、重力鋳造等の、他の鋳造法（例えば金属又は非金属の型に鉄合金や非鉄合金を注入する鋳造法）にも適用可能である。

外皮の構成材料としては、優れた機械的強度及び本体との良好な接着を呈するものが選択される。外皮の構成材料のいくつかの例を以下に示すが、当業者であれば本願の開示内容に基づいて他の材料にも容易に想到するであろう。

また、外皮の構成材料は、以下の（ａ）〜（ｃ）のうちの１又は複数の性質を有することが好ましい。
（ａ）注入される液体金属に対して化学的に不活性であり、特に液体金属に溶解しない、という性質
（ｂ）加圧注入される液体金属によって貫通されない、という性質
（ｃ）表面状態が良好であり、特に表面多孔性がほとんどない又は全くない、という性質（当該性質により、外皮をより容易に除去することができ、中空金属部材における中空空間を画定する壁の表面状態が良好なものとなる。）

外皮は、例えばバインダで結合（集成）された粒子から構成されている。粒子は、セラミックや焼成粘土（ジルコンを含む又は含まないもの）からなってよい。バインダは、有機物（例えばポリウレタン）、無機物（例えば珪酸塩、コロイド状シリカ、珪酸エチル、融点の低い金属等）又は水硬性材料（例えば石膏、セメント、石灰等）からなってよい。また、粒子は、古い外皮をリサイクルしたものから構成されてもよい。その他、外皮は金属からなってもよい。

本体は、例えば、鋳物砂又は鋳型用石膏から構成されており、繊維充填材を含む。本体を構成する材料を結合（集成）するバインダは、水硬性材料、有機物（例えばセルロース）又は無機物（例えば珪酸塩）からなってよい。繊維充填材は、有機物又は無機物（例えば亜麻、木、ガラス等）からなってよい。

本体除去工程では、機械式（例えば衝撃、振動、顆粒爆破、超音波等）及び／又は液圧式（例えば水噴射式）の従来の芯除去法や、化学式の芯除去法（例えばバインダを溶解する方法）を用いてよい。

本発明では、前記芯が、前記本体を通って前記外皮に接続する骨組をさらに含み、前記本体除去工程及び／又は前記外皮除去工程において、前記骨組を破壊し除去する。当該骨組によって、芯の機械的強度が増大する。

本発明では、前記芯準備工程において、複数のピンが内部に設けられた箱の中で前記本体を構成する材料を集成することによって前記本体を作製し、前記箱から前記本体を取り出すことで、前記本体において前記複数のピンの部分に複数の穴を形成し、（例えば本体をスラリーに浸漬すること、スラリーを（低圧下で）容器の中に注入すること、又は、スラリーを重力により容器の中に流し込むことにより、）前記骨組を構成する材料を前記複数の穴に充填することによって前記骨組を形成する。

前記複数の穴、及び、これに対応する前記骨組の要素（即ち、前記複数の穴に前記骨組を構成する材料を充填することで得られた前記骨組の要素）は、前記本体の全体を貫通してよく、又は、前記本体の一部のみを通ってよい。

ある実施形態では、前記芯準備工程において、前記本体を１又は複数のスラリーに１又は複数回浸漬し、前記本体の周囲に硬化性材料からなる１又は複数の層を形成する。スラリーとしては、例えば石膏が用いられる。例えば、前記本体を、最初のスラリーに浸漬して前記骨組（及び、前記外皮の下層部分）を形成し、その後、別のスラリーに浸漬して前記外皮の１又は複数の上層部分を形成する。即ち、前記本体を、最初のスラリーに浸漬して前記骨組と前記外皮の下層部分とを形成した後、さらに１又は複数のスラリーに浸漬して前記外皮の１又は複数の上層部分を形成する。なお、浸漬の代わり、スラリーを注入することで、外皮を形成してもよい。

外皮の構成材料と骨組の構成材料とは、互いに同じであってもよいし、互いに異なってもよい。また、外皮の構成材料の選択基準は、骨組の構成材料の選択基準と一致しなくてもよい。特に、骨組は、注入される液体金属に直接触れないため、当該金属に対して化学的に不活性であることは選択基準にならない。また、骨組は、注入時にかかる圧力が外皮に比べて小さいため、外皮に比べて機械的強度が小さくてよい。さらに、ある実施形態では、本体と同時に骨組を除去することが望ましい。この場合、骨組は、本体と同様の、ばらばらに分離可能な集成された材料から構成されてよい。即ち、本体除去工程の一工程で、本体及び骨組をばらばらに分離して除去することができる。

ある実施形態では、前記芯準備工程において、複数の支持部材が内部に（全体又は一部のみを通るように）設けられた前記箱を用い、前記本体及び前記複数の支持部材の周りを囲みかつ前記複数の支持部材が前記外皮の内部を通るように前記外皮を設ける。

前記注入工程において、前記注入の間、前記複数の支持部材が前記型内において前記芯を所定の位置に保持する。また、複数の支持部材は、芯における位置によるが、芯の機械的強度を増大させる機能も有する。

ある実施形態において、前記複数の支持部材は、中空状であって、前記中空金属部材の鋳造の間に前記芯の構成要素が熱分解されるときに生成されるガスを排出するための複数の流路を画定する。当該構成により、特に中空金属部材が薄い壁を有する場合にガスによって変形し得る問題を抑制することができる。

ある実施形態では、前記中空金属部材を固化した後、前記複数の支持部材を前記中空金属部材から抜き取ることで、前記本体及び／又は前記外皮が除去される複数の開口を形成する。

本体の作製に用いられる箱を示す図である。 図１の箱を用いて作製された本体を示す側面図である。 図２の本体を有する芯を示す斜視図である。 図３の芯が内部に配置された型を示す断面図である。 図４の型を用いた鋳造で得られた中空金属部材を示す斜視図である。

本発明に係る製造方法のさらなる特徴及び効果は、添付の図面を参照しつつ行う以下の詳細な説明において明らかになるであろう。

添付の図面は、本発明の原理を示すことを第一としたもので、概略的であって、正確な縮尺ではない。

添付の図面においては、同一要素（又は要素の中の部分）を同一の符号で示している。

以下、本発明に係る製造方法の一実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。当該実施形態により、本発明の特徴及び効果が明らかになる。しかしながら、本発明は当該実施形態に限定されるものではないことに留意されたい。

図１は、芯２０の本体２２の作製に用いられる箱１０を示す。箱１０は、２つの半分のシェル１０Ａ，１０Ｂを含む。シェル１０Ａ，１０Ｂが互いに組み付けられると、シェル１０Ａ，１０Ｂの間に空間１２が形成される。空間１２には、本体２２を構成する材料が収容される。

箱１０の内部（即ち、空間１２）には、複数のピン１６が延在している。本実施形態において、複数のピン１６は空間１２を貫通している。各ピン１６は、２つの半分のピン１６Ａ，１６Ｂからなる。ピン１６Ａ，１６Ｂは、それぞれシェル１０Ａ，１０Ｂに支持されており、シェル１０Ａ，１０Ｂが互いに組み付けられたときに対応する他方のピンの延長線上に位置するように配置されている。

箱１０の内部には、さらに、複数の支持部材１８が空間１２を部分的に通るように延在している。本実施形態において、各支持部材１８は、中空状かつ管形状であって、先細りの（円錐台形状の）自由端１８Ｅを有する。各支持部材１８における自由端１８Ｅと反対側の他端は、壁１５に支持されている。各支持部材１８は、内部に流路（オリフィス）を有する。各支持部材１８の流路は、当該支持部材１８を貫通し、当該支持部材１８の両端において開口している。

本体２２を作製するには、集成材料（例えば砂粒）を少なくとも１の硬化性樹脂と混合した状態で空間１２に充填する。熱又は触媒ガスにより硬化性樹脂が硬化すると、集成材料が集成（結合）し、本体２２が形成される。その後、箱１０から本体２２を取り出す。

図２に示すように、本体２２において複数のピン１６の部分には、複数の穴２６が形成されている。また、集成体となった本体２２の内部に、複数の支持部材１８が固定されている。

芯２０を作製するには、本体２２を１又は複数の液状ペースト又はスラリーの槽に１又は複数回浸漬して、本体２２の周囲に硬化性材料からなる１又は複数の層を形成する。複数の支持部材１８は、本体２２がスラリー等に浸漬される間、本体２２を所定の位置に保持するのに用いられる。概して、各支持部材１８の内部には栓が設けられ、これにより本体２２を所定の位置に保持すること及び各支持部材１８の内部に設けられた流路を塞いで当該流路が充填されるのを防止することが可能となっている。浸漬が終了する毎に、蒸着層を（例えば空気中で）硬化させる。

最初の浸漬時（即ち、本体２２を最初のスラリーに浸漬する間）に、本体２２の穴２６が充填され、骨組３６が形成される。つまり、骨組３６は、それぞれ本体２２を通って外皮４０に接続する複数の要素から構成される。本実施形態において、骨組３６の構成要素は、穴２６と同様に本体２２の全体を貫通し、その両端が外皮４０に接続している。

また、最初のスラリーによって、外皮４０の第１の層又は下層部分が形成される。さらに本体２２を別の硬化性材料の槽に浸漬することで、外皮４０の残りの層が形成される。

浸漬の代わりに又は浸漬に加えて、本体２２の周囲及び／又は内部にスラリーを注入すること又はスラリーを重力により流し込むことで、本体２２の被覆及び穴２６の充填を行ってもよい。

図３は、本体２２の周囲に外皮４０を形成して得られた芯２０を示す。

例えば、以下の材料及び条件で、芯２０を作製することができる。本体２２を作製するため、樹脂で被覆された鋳物砂と硬化剤とを用い、樹脂を硬化剤で硬化する。鋳物砂としては、例えばＡＦＳ５５グレードのシリカが用いられる。鋳物砂の粉末度は、芯２０の形状及びサイズに応じて変更可能である。作製した本体２２を、コロイド状シリカを混合した不活性のスラリーに浸漬する。最初の浸漬時（即ち、本体２２を最初のスラリーに浸漬する間）に、スラリーで穴２６が充填され、骨組３６が形成される。その後、本体２２を乾燥させ、スラリーに再度浸漬する。当該乾燥及び浸漬を、最後に乾燥させたときに所望の厚みの外皮４０を得るのに必要な回数行う。

作製した芯２０を、図４に示すように、型５０の内部５１に配置する。図４は、型５０及び芯２０の断面を示す。芯２０は、中空状のピン５３によって、型５０の内部において所定の位置に保持されている。ピン５３は、型５０の一部に固定されており、支持部材１８の内部に挿入されている。

金属を溶かして生成された液体金属を、型５０に注入して、芯２０の周囲に配置する（注入工程）。注入工程は加圧下で行ってよい。この場合、芯２０が破壊されずに維持されるよう、外皮４０が注入時の加圧力に耐え得るものとする。また、芯２０の構成要素（概してバインダ）が熱分解されるときに生成されるガスを、支持部材１８及びピン５３の内部に形成された流路を介して、型５０の外部に排出することが好ましい。当該ガスの排出は、図４において矢印Ｇで示されている。

液体金属を（全体的又は部分的に）硬化及び冷却した後、芯２０の周囲を囲む中空金属部材６０が型５０から取り出される。芯２０は、中空金属部材６０の中空空間を構成する。芯２０を中空金属部材６０から分離するには、機械式及び／又は液圧式の従来の芯除去法が用いられる。本体２２は、本体２２を構成するバインダの熱分解（液体金属の注入時に液体金属の温度が要因となって生じる熱分解）と芯除去力との双方の作用により、ばらばらに分離する。骨組３６は、本体２２と同時に除去してもよいし、本体２２が除去された後に（例えばもう一度芯除去工程を行って）除去してもよい。本実施形態では、本体２２（及び骨組３６）の分離時に生じた要素が、中空金属部材６０の複数の端部の開口６２を介して除去される。支持部材１８は、当該開口６２を介して、本体２２と同時に除去される。当該開口６２は、外皮４０及び中空金属部材６０を通る。別の実施形態（図示略）において、当該開口は、支持部材１８を芯２０から除去することによって形成される。

以上の工程により、図５に示すような中空金属部材６０が製造される。このとき、中空金属部材６０の内面は外皮４０で覆われている。外皮４０はその後破壊されて開口６２を介して除去され（外皮除去工程）、中空金属部材６０のみとなる。外皮４０は、例えば、ビードブラスト、又は、中空金属部材６０の強度に応じた圧力（５〜５０ＭＰａ）下の水を用いた芯除去法により、破壊される。

例えば、中空金属部材６０は、アルミニウム−珪素−銅合金の従来のダイカストによって製造することができる。注入圧力は１００〜１２００バール（即ち、１０〜１２０ＭＰａ）、液体金属の流速は１０〜８０ｍ／ｓの範囲をそれぞれ取り得る。珪素の割合は２〜２０％、銅の割合は０．１〜１０％の範囲をそれぞれ取り得る。例えば、Al Si 9 Cu 3 (Fe)合金を用いることができる。

本願明細書に記載の実施形態又は実施例は、例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。当業者であれば、本願の開示内容に基づいて、本発明の範囲内において、上述した実施形態に変更を加えたり、他の形態に想到したりし得る。

また、上述した実施形態又は実施例における複数の異なる特徴を組み合わせてよい。複数の異なる特徴は、組み合わせる場合、上述のように組み合わせてもよいし、上述とは異なる態様で組み合わせてもよい。本発明において、複数の異なる特徴の組み合わせは、本願明細書に記載のものに限定されない。特に明記しない限り、一の実施形態又は実施例に関連して述べた特徴は、他の実施形態又は実施例に適用可能である。

Claims (10)

1. 鋳造法による中空金属部材の製造方法であって、
   集成された材料から構成される本体（２２）と前記本体の周囲に接着された外皮（４０）とを含む破壊可能な芯（２０）を準備する、芯準備工程と、
   前記芯（２０）を型（５０）内に配置する、芯配置工程と、
   前記芯（２０）が前記中空金属部材（６０）の中空空間を構成するように、金属を溶かして生成された液体金属を前記型（５０）に注入して前記芯（２０）の周囲に配置する、注入工程と、
   前記中空金属部材（６０）を固化した後、前記本体（２２）の集成された材料をばらばらに分離して前記外皮（４０）及び前記中空金属部材（６０）に設けられた複数の開口（６２）から前記本体（２２）を除去する、本体除去工程と、
   前記外皮（４０）を破壊して前記中空金属部材（６０）に設けられた複数の開口（６２）から前記外皮（４０）を除去する、外皮除去工程と、を備え、
   前記芯（２０）が、前記本体（２２）を通って前記外皮（４０）に接続する骨組（３６）をさらに含み、
   前記芯準備工程において、複数のピン（１６）が内部に設けられた箱（１０）の中で前記本体（２２）を構成する材料を集成することによって前記本体（２２）を作製し、前記箱から前記本体（２２）を取り出すことで、前記本体（２２）において前記複数のピン（１６）の部分に複数の穴（２６）を形成し、前記骨組（３６）を構成する材料を前記複数の穴（２６）に充填することによって前記骨組（３６）を形成し、
   前記本体除去工程及び／又は前記外皮除去工程において、前記骨組（３６）を破壊し除去することを特徴とする、鋳造法による中空金属部材の製造方法。
2. 前記注入工程において、前記液体金属を前記型（５０）に加圧注入して前記芯（２０）の周囲に配置し、
   前記外皮（４０）が前記液体金属の加圧注入に耐え得る十分な機械的強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記複数の穴（２６）及びこれに対応する前記骨組（３６）の要素が前記本体（２２）を貫通していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記芯準備工程において、前記本体（２２）に前記複数の穴（２６）を形成した後、
   前記本体（２２）を、最初のスラリーに浸漬して前記骨組（３６）と前記外皮（４０）の下層部分とを形成し、その後、さらに１又は複数のスラリーに浸漬して前記外皮（４０）の１又は複数の上層部分を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記芯準備工程において、複数の支持部材（１８）が内部に設けられた前記箱（１０）を用い、前記本体（２２）及び前記複数の支持部材（１８）の周りを囲みかつ前記複数の支持部材（１８）が前記外皮（４０）の内部を通るように前記外皮（４０）を設け、
   前記注入工程において、前記注入の間、前記複数の支持部材（１８）が前記型（５０）内において前記芯（２０）を所定の位置に保持することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記複数の支持部材（１８）は、中空状であって、前記中空金属部材（６０）の鋳造の間に前記芯（２０）の構成要素が熱分解されるときに生成されるガスを排出するための複数の流路を画定することを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記中空金属部材（６０）を固化した後、前記複数の支持部材（１８）を前記中空金属部材（６０）から抜き取ることで、前記本体（２２）及び／又は前記外皮（４０）が除去される複数の開口（６２）を形成することを特徴とする、請求項５又は６に記載の製造方法。
8. 前記本体（２２）が、鋳物砂又は鋳型用石膏から構成されており、繊維充填材を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法。
9. 前記外皮（４０）がセラミックから構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法。
10. 前記本体除去工程において、機械式及び／又は液圧式の芯除去法を用いて、前記本体（２２）の構成要素をばらばらに分離して除去することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の製造方法。

Images