JP6651215B2 - 鋳型セット、及び凍結鋳型鋳造品の製造方法 - Google Patents
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Description
式(1):第1排出路の断面積率S=(B×100)/(A+B)
式(2):第1排出路の断面積率S=(B×100)/(A+B)
本発明の鋳型セットの第一実施形態について、以下に説明する。本実施形態の鋳型セットは、砂と水とを含む混合物が凍結された鋳型を用いる凍結鋳型鋳造品の製造において使用する鋳型セットであり、凍結主型と凍結中子とを含んでなる。凍結主型は、砂と水とを含む主型原料が凍結された主型凍結体からなる。凍結中子は、砂と水とを含む中子原料が凍結された中子凍結体からなる。凍結中子は、凍結中子本体と、当該凍結中子を凍結主型に組み付けるための幅木部とから構成される。そして、凍結中子本体及び幅木部に、凍結鋳型鋳造品を製造する鋳造時において、凍結中子内から発生する水蒸気を、凍結中子の外へ排出するための第1排出路が形成されている。また、凍結主型に、上述した凍結中子の外へ排出された水蒸気を凍結主型の外へ排出するための第2排出路が形成されている。また、本実施形態の鋳型セットは、鋳型セットに金属溶湯を注湯するための注湯口が形成されている。本実施形態の鋳型セットは、凍結主型に凍結中子が組み付けられることにより、上記第1排出路と上記第2排出路とが連通する。本実施形態の鋳型セットは、このように構成されていることにより、鋳造時において凍結中子から排出される水蒸気が、第1排出路及び第2排出路を通って、凍結主型の外へ排出される。即ち、鋳造時において、第1排出路の温度と、第2排出路の温度の差により、第1排出路と第2排出路に圧力差が生じ、凍結中子から排出される水蒸気が、第1排出路及び第2排出路を通って凍結主型の外へ排出される。鋳型セットに第1排出路及び第2排出路が形成されていない場合には、鋳造時において凍結中子から排出される水蒸気の一部は、砂粒の隙間を経由し鋳型セットの外に排出されることがある。しかしながら、鋳型セットの外に排出されなかった大部分の水蒸気は、凍結鋳型鋳造品の内部に取り込まれる等し、この結果、凍結鋳型鋳造品に鋳造欠陥が生じることとなる。
本発明の鋳型セット(凍結中子及び凍結主型)の製造方法に特に制限はない。本発明の鋳型セットは、例えば、以下のようにして作製することができる。
図1は、本発明の鋳型セットにおける、凍結中子の作製方法を模式的に示す図である。まず、砂と水とを含む中子原料を調製する。砂は、特に限定されるものではないが、例えば、従来の鋳物砂として使用されるけい砂、ジルコン砂等を用いることができる。次に、この砂に、所望の量の水を添加し、混合器を用いて混合し、中子原料とする。次に、中子原料を、図1のa)に示すような中子造型用型枠1に、手で押し固めながら充填し、中子原料が押し固められたものである未凍結中子3を造型する。次に、未凍結中子3に、凍結後に第1排出路となる未凍結第1排出路を形成するために、図1のb)に示すようなスペーサ2を挿入する。次に、スペーサ2が挿入された状態の未凍結中子3が、中子造型用型枠1に入ったままの状態で、未凍結中子3を、マイナス30℃以下に保持された冷凍庫内に入れて12時間以上保持し、未凍結中子3を凍結させる。次に、冷凍庫から中子造型用型枠1に入ったままの状態の凍結中子5を取出し、図1のc)に示すように凍結中子に挿入されているスペーサ2を引き抜き、続いて、凍結中子5を中子造型用型枠1から取り外す。なお、中子造型用型枠1に予めスペーサ2を配置した状態で、中子造型用型枠1に中子原料を充填してもよい。また、中子造型用型枠1に入ったままの未凍結中子3にスペーサ2を挿入し、その後、スペーサ2を引き抜いて未凍結第1排出路を形成した後、中子造型用型枠1に入ったままの状態の未凍結中子3を凍結させてもよい。なお、図1において、符号4は、第1排出路を示す。
図2は、本発明の鋳型セットにおける凍結主型の作製方法を模式的に示す図である。まず、砂と水とを含む主型原料を調製する。砂は、特に限定されるものではないが、例えば、従来の鋳物砂として使用されるけい砂、ジルコン砂等を用いることができる。次に、この砂に、所望の量の水を添加し、混合器を用いて混合し、主型原料とする。次に、主型原料を、図2のa)に示すような主型造型用型枠6に、手で押し固めながら充填し、主型原料が押し固められたものである未凍結主型を造型する。なお、図2のa)に示す主型造型用型枠6には、凍結後に第2排出路となる未凍結第2排出路を形成するためのスペーサ2が設置されている。次に、未凍結主型が、主型造型用型枠6に入ったままの状態で、未凍結主型をマイナス30℃以下に保持された冷凍庫内に入れて12時間以上保持し、未凍結主型を凍結させる。次に、冷凍庫から凍結主型7が入ったままの状態の主型造型用型枠6を取出した後、凍結主型7を主型造型用型枠6から取り出し、また、スペーサ2も取り除く。なお、図2のc)に示すように、主型造型用型枠6にスペーサ2が設置されていない状態で、主型造型用型枠6に主型原料を充填し、未凍結主型を凍結させてもよい。そして、図2のd)に示すような第2排出路未形成凍結主型の表面の一部を削り取ることによって、図2のb)に示すように凍結主型7に第2排出路8を形成してもよい。
本発明の凍結鋳型鋳造品の製造方法の第一実施形態について、以下に説明する。本実施形態の凍結鋳型鋳造品の製造方法は、凍結中子を凍結主型に組み付け、鋳型セットとする鋳型準備工程と、当該鋳型セットに溶融金属を注湯する注湯工程とを含む。そして、凍結中子は、凍結中子本体と、凍結中子を凍結主型に組み付けるための幅木部とから構成されている。また、凍結中子本体及び幅木部に、鋳造時において凍結中子内から発生する水蒸気を、凍結中子の外へ排出するための第1排出路が形成されている。また、凍結主型に、凍結中子の外へ排出された水蒸気を凍結主型の外へ排出するための第2排出路が形成されている。また、鋳型準備工程において、凍結中子が、凍結主型に組み付けられることにより、凍結中子に形成された第1排出路と、凍結主型に形成された第2排出路とが連通する。また、注湯工程において、凍結中子内から発生する水蒸気を第1排出路及び第2排出路を通じて凍結主型の外へ排出しつつ、凍結鋳型鋳造品を鋳造する。即ち、本実施形態の凍結鋳型鋳造品の製造方法においては、凍結中子内から発生する水蒸気を、鋳型セットに形成された第1排出路及び第2排出路を通じて排出する。したがって、本実施形態の凍結鋳型鋳造品の製造方法によれば、鋳造時に発生する水蒸気に起因する鋳造欠陥のない凍結鋳型鋳造品を製造することができる。
実施例1及び2の鋳型セットは、以下のようにして作製した。まず、砂と水とを含む中子原料を調製した。砂としては、中心粒径が150〜250μmの愛知県岡崎産けい砂(6号けい砂)を用いた。水は、砂と水の質量に対する水の質量の比が5質量%となるように、砂に添加した。水を添加した砂を、混合器にて3分間混練し、中子原料を調製した。この中子原料を中子造型用型枠に手で押し固めながら充填し、底面が直径8mm及び10mmであり、長さが50mmである円柱状の未凍結中子を造型した。
凍結鋳型鋳造品を、下記の評価基準に従って、評価した。
評価「◎(優)」:「凍結鋳型鋳造品に鋳造欠陥が観察されなかった場合」を評価「◎(優)」とする。
評価「〇(良)」:「凍結鋳型鋳造品に鋳造欠陥が観察されたが、凍結鋳型鋳造品として使用可能な程度の鋳造欠陥であった場合」を評価「〇(良)」とする。
評価「×(不可)」:「凍結鋳型鋳造品に鋳造欠陥が観察され、且つ凍結鋳型鋳造品として使用不可能な程度の鋳造欠陥であった場合」を評価「×(不可)」とする。
「中子原料」の「水分量(質量%)」、並びに中子の「直径」「第1排出路の直径」をそれぞれ表1に示すようにしたこと以外は、実施例1及び2と同様にして、鋳型セットを作製した。また、鋳型セットを用いた鋳造も実施例1及び2と同様にして行った。
凍結中子の「直径」をそれぞれ表2に示すようにしたこと以外は、実施例1及び2と同様にして凍結中子を作製した。更に、凍結主型のキャビティサイズを凍結中子の直径に合わせたサイズとした以外は、実施例1及び2と同様にして凍結主型を作製した。また、鋳型セットを用いた鋳造も実施例1及び2と同様にして行った。
凍結主型を作製する際に、主型造型用型枠にスペーサを設置しなかったこと(即ち、凍結主型に第2排出路を形成しなかったこと)以外は、それぞれ順に実施例1及び2と同様にして鋳型セットを作製した。また、鋳型セットを用いた鋳造も、実施例1及び2と同様にして行った。比較例1及び2の鋳型セットを用いた鋳造により、得られた凍結鋳型鋳造品の中空部には、金属溶湯が流れる湯道に向かって鋳造欠陥が発生した。これは、凍結主型に第2排出路が形成されていないため、凍結中子から排出された水蒸気の凍結主型の外への排出が、スムースに行われなかったためと考えられる。
凍結中子を作製する際に、中子造型用型枠にスペーサを設置しなかったこと(即ち、凍結中子に第1排出路を形成しなかったこと)以外は、それぞれ順に実施例1及び2と同様にして鋳型セットを作製した。また、鋳型セットを用いた鋳造も、実施例1及び2と同様にして行った。
実施例1及び2とそれぞれ同様に作製した鋳型セットに、CAC902銅合金(融点:約1000℃、密度:約7.7g/cm3)を1150℃にて注湯し、凍結鋳型鋳造品を作製したこと以外は、実施例1及び2と同様にして、鋳造を行った。実施例17及び18の鋳型セットを用いた鋳造では、実施例1及び2における、AC4CHアルミニウム合金を注湯した鋳造の時と同じく、凍結中子から発生した水蒸気は凍結鋳型鋳造品を経由することなく、凍結中子に形成された第1排出路、及び凍結主型に形成された第2排出路を経由し、凍結主型の外に排出された。その結果、外観・中空部ともに鋳造欠陥の無い良好なCAC902銅合金凍結鋳型鋳造品を作製することができた。
実施例1及び2とそれぞれ同様に作製した鋳型セットに、AZCa912マグネシウム合金(融点:約590℃、密度:約1.8g/cm3)を690℃にて注湯し鋳造品を作製したこと以外は、実施例1及び2と同様にして鋳造を行った。実施例19及び20の鋳型セットを用いた鋳造では、実施例1及び2における、AC4CHアルミニウム合金を注湯した鋳造の時と同じく、凍結中子から発生した水蒸気は凍結鋳型鋳造品内部を経由することなく、凍結中子に形成された第1排出路、及び凍結主型に形成された第2排出路を経由して凍結主型の外に排出された。その結果、鋳造欠陥の無い良好なAZCa912マグネシウム合金凍結鋳型鋳造品を作製することができた。
実施例1及び2とそれぞれ同様に作製した鋳型セットに、ピューター(91%錫−7%アンチモン−2%銅;融点:約280℃、密度:約7.0g/cm3)を300℃で注湯し鋳造品を作製したこと以外は、実施例1及び2と同様にして鋳造を行った。実施例21及び22の鋳型セットを用いた鋳造では、実施例1及び2における、AC4CHアルミニウム合金を注湯した鋳造の時と同じく、凍結中子から発生した水蒸気は、凍結鋳型鋳造品を経由することなく、凍結中子に形成された第1排出路、及び凍結主型に形成された第2排出路を経由して、凍結主型の外に排出された。その結果、鋳造欠陥の無い良好なピューター凍結鋳型鋳造品を作製することができた。実施例1、2、及び17〜22の結果より、本発明の鋳型セットは、凍結鋳型鋳造品(注湯する金属)の融点や密度によらず、どのような金属材料に対しても鋳造欠陥のない凍結鋳型鋳造品を作製することができることが明らかである。
以下のように調製された中子原料を用いた。まず、粒径10〜20nmのシリカ粒子と水の割合が質量比で3:7となるようにしてシリカゾルを作製した。このシリカゾルを、中心粒径が150〜250μmの愛知県岡崎産けい砂(6号けい砂)に、けい砂とシリカゾルの合計質量に対し、シリカゾルの質量の比が7質量%となるよう添加し、混合器で3分間混練することにより、中子原料を調製した。得られた中子原料を、図11に示す中子造型用型枠に手で押し固めながら充填し、直径15mm、一辺の長さが150mm、他辺の長さが300mmのL字形状の未凍結中子本体を備える未凍結中子を造型した。なお、未凍結中子は凍結主型に組み付けるためのL字形状の幅木部(幅30mm、厚さ15mm、一辺の長さが330mm、他辺の長さが180mm)を備える。
参考例23と同様の方法にて、「直径15mm、一辺の長さが150mm、他辺の長さが300mmのL字形状の中子本体」と「主型に組み付けるためのL字形状の幅木部(30mm、厚さ15mm、一辺の長さが330mm、他辺の長さが180mm)とから構成される未凍結中子を、中子造型用型枠を用いて造型した。その後、未凍結中子にスペーサを挿入せずに凍結し、第1排出路が形成されていないL字形状凍結中子を作製した。これを、参考例23と同じ凍結主型にセットしAC4CHアルミニウム合金を710℃にて注湯し鋳造を行った。参考例23とは異なり、中実(即ち、第1排出路が形成されていない)の凍結中子を用いた場合には、凍結中子から発生した水蒸気が凍結鋳型鋳造品を通り、湯口や押し湯部から噴出する様子が観察された。図16は、第1排出路が形成されていない鋳型セットを用いて作製されたL字形状のAC4CHアルミニウム合金の凍結鋳型鋳造品の外観を示す図である。凍結鋳型鋳造品外観にも大きな欠陥が観察され、また中空部表面も凹凸があり滑らかではない。
Claims (5)
- 砂と水とを含む混合物が凍結された鋳型を用いる凍結鋳型鋳造において使用する、凍結主型と凍結中子とを含んでなる鋳型セットであって、
前記凍結主型は、砂と水とを含む主型原料が凍結された主型凍結体からなり、
前記凍結中子は、砂と水とを含む中子原料が凍結された中子凍結体からなり、
前記凍結中子は、凍結中子本体と、前記凍結中子を前記凍結主型に組み付けるための幅木部とから構成され、
前記凍結中子本体及び前記幅木部に、鋳造時において前記凍結中子内から発生する水蒸気を、前記凍結中子の外へ排出するための第1排出路が形成され、
前記凍結主型に、前記凍結中子の外へ排出された水蒸気を前記凍結主型の外へ排出するための第2排出路が形成され、
前記凍結主型に前記凍結中子が組み付けられることにより、前記第1排出路と前記第2排出路とが連通し、
前記第1排出路の形状が直線形状であり、且つ前記第2排出路の形状が直線形状であり、
前記第2排出路が、前記第1排出路の延長線上にあり、
前記凍結中子本体の形状が、前記第1排出路が延びる方向を軸方向とする棒状であり、且つ、前記第1排出路が前記凍結中子本体を貫通するように形成され、
前記凍結中子の前記第1排出路の直線状に延びる方向と直交する方向における断面であって、当該凍結中子内に当該第1排出路が直線状に形成されている部位における前記断面を第1断面とし、当該第1断面における前記凍結中子の実体部分の断面積をAとし、且つ当該第1断面における前記第1排出路の断面積をBとし、前記凍結中子は、当該凍結中子内に前記第1排出路が直線状に形成されている範囲において、各前記第1断面の下記式(1)で示される前記第1排出路の断面積率Sが、2%より大きく25%未満となるように構成されている、鋳型セット。
式(1):第1排出路の断面積率S=(B×100)/(A+B) - 前記中子原料が、無機材料粒子を含む、請求項1に記載の鋳型セット。
- 前記無機材料粒子がシリカである、請求項2に記載の鋳型セット。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の鋳型セットを用いて凍結鋳型鋳造品を製造する、凍結鋳型鋳造品の製造方法。
- 砂と水とを含む混合物が凍結された鋳型を用いる凍結鋳型鋳造品の製造方法であって、
凍結中子を凍結主型に組み付け、鋳型セットとする鋳型準備工程と、
前記鋳型セットに溶融金属を注湯する注湯工程と、を含み、
前記凍結中子は、凍結中子本体と、前記凍結中子を前記凍結主型に組み付けるための幅木部とから構成され、
前記凍結中子本体及び前記幅木部に、鋳造時において前記凍結中子内から発生する水蒸気を、前記凍結中子の外へ排出するための第1排出路が形成され、
前記凍結主型に、前記凍結中子の外へ排出された水蒸気を前記凍結主型の外へ排出するための第2排出路が形成され、
前記鋳型準備工程において、前記凍結中子が、前記凍結主型に組み付けられることにより、前記第1排出路と前記第2排出路とが連通した前記鋳型セットを用いて凍結鋳型鋳造品を製造する、凍結鋳型鋳造品の製造方法であって、
前記第1排出路の形状が直線形状であり、且つ前記第2排出路の形状が直線形状であり、
前記第2排出路が、前記第1排出路の延長線上にあり、
前記凍結中子本体の形状が、前記第1排出路が延びる方向を軸方向とする棒状であり、且つ、前記第1排出路が前記凍結中子本体を貫通するように形成され、
前記凍結中子の前記第1排出路の直線状に延びる方向と直交する方向における断面であって、当該凍結中子内に当該第1排出路が直線状に形成されている部位における前記断面を第1断面とし、当該第1断面における前記凍結中子の実体部分の断面積をAとし、且つ当該第1断面における前記第1排出路の断面積をBとし、前記凍結中子は、当該凍結中子内に前記第1排出路が直線状に形成されている範囲において、各前記第1断面の下記式(2)で示される前記第1排出路の断面積率Sが、2%より大きく25%未満となるように構成される、凍結鋳型鋳造品の製造方法。
式(2):第1排出路の断面積率S=(B×100)/(A+B)
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