JP6662293B2 - 鋳造用生型、及びそれを用いた鋳造物品の製造方法 - Google Patents
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Description
前記生型部材の各々は粘結材及び水分を含有する鋳物砂で造型され、
各生型部材の少なくとも前記キャビティ部の表面に硬化樹脂を主体とした被覆層が形成されており、
前記被覆層は、注湯により発生するガスを逃がすのに十分な通気度の通気孔を有し、
前記被覆層を含む前記キャビティの表面から深さ5 mmまでの表層は水分を含有し、かつその水分量が前記表層を除く生型部分の平均水分量より少ないことを特徴とする。
粘結材及び水分を含有する鋳物砂を造型し、各々キャビティ部を有する少なくとも一対の生型部材を造型する工程と、
硬化性樹脂を含有する被覆液を各生型部材の少なくとも前記キャビティ部に塗布する工程と、
前記キャビティ部が整合してキャビティを形成するように前記生型部材を型合わせして、少なくともキャビティ表面に硬化性樹脂を主体とした被覆層が形成された鋳造用生型を形成する工程と、
前記型合わせ工程の前又は後に、前記硬化性樹脂を硬化させて、注湯により発生するガスを逃がすのに十分な通気度の通気孔を有する被覆層を形成する工程と、
前記硬化性樹脂の硬化の際に又はその後に、前記被覆層を含む前記キャビティの表面から深さ5 mmまでの表層が水分を含有し、かつその水分量が生型内部の水分量より少なくなるように乾燥させる工程と、
前記被覆層の表面温度が50℃以上の状態で、前記キャビティに金属溶湯を鋳込む工程とを有することを特徴とする方法。
図1に示すように、本発明の鋳造用生型1は、粘結材及び水分を含有する鋳物砂で造型された第一の生型部材(上型)1aと第二の生型部材(下型)1bを、見切り面1eで型合わせした構成を有する。重ね合わされた上型1a及び下型1bのキャビティ部1ka,1kbは一体化されて、キャビティ1kを構成する。キャビティ1kは、鋳造物品を形成するキャビティ(「製品キャビティ」とも言う)1k-1のみならず、湯道を形成するキャビティ(単に「湯道」とも言う)1k-2を有し、さらに押湯、堰、湯口等を有しても良い。従って、本明細書において単に「キャビティ」という場合、製品キャビティのみならず、金属溶湯が入る全ての空間(湯道、押湯、堰、湯口等)を含むものとする。図1には型枠が省略されているが、通常生型1の周囲に型枠を配置する。
図1及び図2に示すように、鋳造物品の鋳肌品質を向上させるため、上型1a及び下型1bのキャビティ部1ka,1kbの表面及び見切り面1eに樹脂被覆層1fが形成されている。後述のように表層の水分量を低減すると強度が低下するので、被覆層1fは、表層を補強する作用も有する。図示の例では、キャビティ1kだけでなく見切り面1eにも被覆層1fが形成されているが、鋳肌品質の向上という観点からは、少なくとも製品キャビティ1k-1に形成されていれば良い。キャビティ1kの表面に塗布された樹脂被覆液は砂2及び粘結材等の隙間(連通孔)3に浸透するので、得られる被覆層1fは、鋳型表面から内部まで連通する通気孔4を有する。
被覆層1fの通気孔4により、(a) 表層1g中の水分が蒸散でき、もって生型内部1hの水分を維持しつつ表層1gの水分量を最適に制御できるだけでなく、(b) 溶湯から生じるガスが外部へ放出されるので、ガスが鋳物物品に残存するのを防止し、もって湯境、ピンホール等の欠陥を防止することができる。大きな通気度及び良好な湯流れを確保することにより、溶湯中のガスを生型中に逃げやすくして湯境、ピンホール等の欠陥を低減するために、通気孔4は連通する多数の細孔からなるのが好ましい。また、このような効果をキャビティ上の部位に関係なく均一に得るために、細孔は均一に分散しているのが好ましい。被覆層1fを含むキャビティ1kの表層1gの通気度(JIS Z2601で規定される大オリフィスを使用した迅速法で測定)は、50〜200であるのが好ましい。
通気孔を有する高強度の被覆層1fを効率的に形成するために、被覆層1fを構成する硬化性樹脂は熱硬化性樹脂であるのが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド等が挙げられる。熱硬化性樹脂からなる被覆層1fは、高温の金属溶湯に触れると容易に分解してガス化するので、鋳造物品の表面浸炭を抑制できる。被覆層1fは平均50〜95の硬度を有するのが好ましい。被覆層1fの硬度は、自硬性硬度計(株式会社ナカヤマ製、型式:NK-009)により測定する。被覆層1fの硬度が低すぎると、被覆層1fの強度が低くすぎ、生型が型壊れするおそれがある。一方、被覆層1fの硬度が高すぎると、通気孔4が少なすぎて、十分な通気度が確保できず、鋳造物品にガス欠陥が発生するおそれがある。
(A) 第一及び第二の製造方法
鋳造物品の第一の製造方法は図3(a) 示すフローチャートに従って行い、第二の製造方法は図3(b) に示すフローチャートに従って行う。第一の方法S1では、加熱処理工程を型合わせ工程の前に行い、第二の方法S2では、加熱処理工程を型合わせ工程の後に行う。これ以外の点では、両者は異ならない。従って、特に断りがなければ、第一及び第二の製造方法を以下まとめて説明する。
図4(a) に示すように、鋳物砂を造型し、型合わせにより所望の製品キャビティ1kを形成するキャビティ部1ka及び1kbを有する第一の生型部材(上型)1a及び第二の生型部材(下型)1bを作成する。上型1a及び下型1bは、例えば、所望のキャビティ部1ka及び1kbが形成された模型を定盤上にセットし、さらに模型を囲むように鋳枠を定盤上にセットした後、鋳枠内に鋳物砂を投入し、鋳物砂をジョルトスクイーズ法等の方法で圧縮成形し、次いで模型を抜くことにより造型することができる。
図4(b) に示すように、上型1a及び下型1bのキャビティ部1ka及び1kbの表面に硬化性樹脂を含有する被覆液1nを塗布する。被覆液1nは刷毛等により塗布できるが、水平方向に移動する噴霧ノズル10から噴霧すると、被覆液1nの塗布量が安定し、均一な被覆層1fが得られる。
図4(c) に示すように、加熱処理により、上型1a及び下型1bのキャビティ部1ka及び1kbに塗布した被覆液1nの乾燥するとともに、得られる硬化性樹脂層1n’を硬化させ、自硬性硬度計で測定した平均硬度が50〜95の被覆層1fを形成する。硬化性樹脂層1n’の硬化方法は硬化性樹脂の種類に応じて決める。例えば熱硬化性樹脂の場合、水平方向に移動するノズル11から温風を吹き付けるか、水平方向に並列する加熱手段(例えば、白熱灯)により加熱する。また、ガス硬化性樹脂の場合、密閉室の中に生型を配置し、樹脂硬化用ガスを密閉室に注入する。
図4(c) に示すように、加熱処理により、得られた被覆層1fとその内側の領域(表層)1gに存在する水分を蒸発させ、表層1gの水分量を生型内部1hより少なくさせる。表層1gの水分量は2.5質量%以下が好ましい。表層1gの水分量の下限は0.5質量%が好ましい。乾燥方法は特に限定されず、例えば図4(c) に示すように水平方向に移動するノズル11から温風を吹き付けるか、水平方向に並列させた加熱手段(例えば、白熱灯)で乾燥する。
加熱処理工程(S13,S24)の後、図4(d) に示すように、被覆層1fを形成した上型1aと下型1bとを型合わせすると、キャビティ部1ka及び1kbが整合してキャビティ1kを形成し、図1に示す一体的なキャビティ1kを有する鋳造用生型1が得られる。
上型1aと下型1bとを型合わせした鋳造用生型1の製品キャビティ1k-1に湯道1k-2を通じて溶湯を鋳込むことにより、鋳造物品を製造する。注湯工程は被覆層1fの表面温度が50℃以上の状態で開始する。加熱処理工程(S13,S24)の後、時間の経過に伴い被覆層1fの温度が低下するとともに、生型内部1hの水分が表面側に移動することにより表層1gの水分量が増加する。被覆層1fの表面温度が50℃以上であると、表層1gの水分量の増加を抑制できる。また、被覆層1fの表面温度が50℃以上と高いと、キャビティ1kとその中を流れる溶湯との摩擦を小さくすることができ、湯境不良や砂入り不良を効果的に低減できる。被覆層1fの表面温度は熱硬化性樹脂の硬化温度より高くする必要はなく、上限は100℃で良い。
鋳造物品の第三の製造方法を図5及び図6を参照して説明する。図6において図4と同じ部位に同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。図5に示すように、第三の方法S3は熱硬化性樹脂を使用し、第一及び第二の加熱処理工程S33、S35により熱硬化性樹脂の硬化処理及び表層1gの乾燥処理を行う。造型工程S31、塗布工程S32、型合わせ工程S34及び注湯工程S36は基本的に第一の方法と同じである。
図3(b) に示す手順で第二の方法S2を実施する。
100質量部の珪砂に5質量部の粘結材及び水分を混練することにより、水分量が4.5質量%の鋳物砂を調製した。鋳造用模型を定盤上にセットした後、模型を囲むように内側が0.5 m×0.6 mの鋳枠(図示せず)を定盤上にセットし、鋳枠の内側に鋳物砂を投入した後、ジョルトスキーズ法で圧縮造型し、図4(a) に示すキャビティ部1ka及び1kbを有する上型1a及び下型1bを2個ずつ形成した。自硬性硬度計(株式会社ナカヤマ製のNK-009)を使用し、鋳枠から50 mm以上離れた位置で、上型及び下型1a,1bの各キャビティ1kの表面の硬度を5か所測定し、平均硬度を求めた。その結果、上型及び下型1a,1bの平均硬度はいずれも20であった。
2組の上型及び下型1a,1bのキャビティ部1ka,1kbの表面及び型合わせ面(見切り面)1eに、ノズル10より、300 g/m2の被覆液1n(フェノール樹脂のエタノール溶液、フェノール樹脂濃度:30質量%、粘度:15 mPa・S)をスプレー塗布した。
被覆液1nを塗布した2組の上型及び下型1a,1bを型合わせし、2つの生型1を形成した。
各生型1の湯口より105℃の温風をキャビティ1kに圧送することにより、被覆液1nを乾燥させてフェノール樹脂を加熱硬化させるとともに、キャビティ1kの表層1gを乾燥させ、通気孔4を有する被覆層1fを有するとともに、表層1gの水分量を低減させた2つの(第一及び第二の)生型1を得た。乾燥した第一及び第二の被覆生型1のキャビティ表層温度(非接触表面温度計で測定)はいずれも50℃であった。第一の被覆生型1について、上型及び下型1a,1bの被覆層1fの通気度をJIS Z2601で規定される大オリフィスを使用した迅速法によりそれぞれ測定した。その結果、被覆層1fの通気度は平均110であった。
第一の被覆生型1に、EU Standard EN10295で規定された1.4848材(C:0.4質量%、Si:1.7質量%、Mn:1.8質量%、P:0.03質量%、Cr:25.0質量%、Mo:0.4質量%、Ni:19.0質量%、及びS:0.03質量%)の溶湯を1600℃で注湯した。
得られた鋳鋼品の外観を観察し、ピンホールや砂入り欠陥等の外観不良の発生割合を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
◎:ピンホールや砂入り欠陥等の外観不良の発生割合が1%以下。
○:上記外観不良の発生割合が1%を超え2%以下。
×:上記外観不良の発生割合が2%超。
塗布工程S22及び加熱処理工程S24を省略した以外実施例1と同様にして、生型1を形成し、鋳鋼品を製造した。鋳鋼品の外観の観察結果を表1に示す。比較例1の生型1は被覆層を有さないので、溶湯は鋳物砂に直接接触し、生型中の水分の蒸発により鋳物表面に広範囲にピンホール欠陥が発生した。
実施例1と被覆液の塗布量を変更した以外実施例1と同様にして被覆生型1を形成し、鋳鋼品を製造した。鋳鋼品の外観の観察結果を表1に示す。
被覆液の粘度及び塗布量を変更した以外実施例1と同様にして、被覆生型1を形成し、鋳鋼品を製造した。鋳鋼品の外観の観察結果を表1に示す。実施例4では実施例1より被覆液の塗布量が多いために被覆層1fの通気度が小さく、得られた鋳鋼品に僅かにピンホールが認められた。また、実施例5では実施例1より被覆液の粘度が高く、塗布量が少なかったので、被覆層1fの硬度が実施例1より低く、得られた鋳鋼品に僅かに砂入りが認められた。
1a 第一の生型部材(上型)
1b 第二の生型部材(下型)
1k キャビティ
1ka,1kb キャビティ部
1k-1 製品キャビティ
1k-2 湯道
1e 見切り面
1f 被覆層
1g 表層
1h 生型内部
1n 被覆液
1n’ 被覆液の層(硬化性樹脂層)
1L 半硬化層
2 砂粒子
3 隙間
4 通気孔
10,11 ノズル
T1 被覆層の厚さ
T2 表層の厚さ
Claims (12)
- 各々キャビティ部を有する少なくとも一対の生型部材を有し、前記生型部材は前記キャビティ部が整合するように重ねられて、金属溶湯が流入するキャビティが形成された鋳造用生型であって、
前記生型部材の各々は粘結材及び水分を含有する鋳物砂で造型され、
各生型部材の少なくとも前記キャビティ部の表面に硬化樹脂を主体とした被覆層が形成されており、
前記被覆層は、注湯により発生するガスを逃がすのに十分な通気度の通気孔を有し、
前記被覆層を含む前記キャビティの表面から深さ5 mmまでの表層は水分を含有し、かつその水分量が前記表層を除く生型部分の平均水分量より少ないことを特徴とする鋳造用生型。 - 請求項1に記載の鋳造用生型において、前記通気孔が前記被覆層にほぼ均一に分布し、かつ連通する多数の細孔であることを特徴とする鋳造用生型。
- 請求項1又は2に記載の鋳造用生型において、前記被覆層の通気度(JIS Z2601で規定される大オリフィスを使用した迅速法で測定)が50〜200であることを特徴とする鋳造用生型。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の鋳造用生型において、前記被覆層の自硬性硬度計で測定した平均硬度が50〜95の範囲内であることを特徴とする鋳造用生型。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の鋳造用生型において、前記表層における水分量が0.5質量%以上2.5質量%以下であることを特徴とする鋳造用生型。
- 鋳造物品の製造方法であって、
粘結材及び水分を含有する鋳物砂を造型し、各々キャビティ部を有する少なくとも一対の生型部材を造型する工程と、
硬化性樹脂を含有する被覆液を各生型部材の少なくとも前記キャビティ部に塗布する工程と、
前記キャビティ部が整合してキャビティを形成するように前記生型部材を型合わせして、少なくともキャビティ表面に硬化性樹脂を主体とした被覆層が形成された鋳造用生型を形成する工程と、
前記型合わせ工程の前又は後に、前記硬化性樹脂を硬化させて、注湯により発生するガスを逃がすのに十分な通気度の通気孔を有する被覆層を形成する工程と、
前記硬化性樹脂の硬化と同時に又はその後に、前記被覆層を含む前記キャビティの表面から深さ5 mmまでの表層が水分を含有し、かつその水分量が生型内部の水分量より少なくなるように乾燥させる工程と、
前記被覆層の表面温度が50℃以上の状態で、前記キャビティに金属溶湯を鋳込む工程とを有することを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の鋳造物品の製造方法において、
前記被覆液が熱硬化性樹脂を含有し、
前記型合わせ工程の前又は後に、前記被覆液を塗布した前記生型部材を加熱処理することにより、前記熱硬化性樹脂を硬化させるとともに前記表層を乾燥させることを特徴とする方法。 - 請求項6又は7に記載の鋳造物品の製造方法において、前記被覆液の塗布量が単位面積当たり100〜550 g/m2であることを特徴とする方法。
- 請求項6〜8のいずれかに記載の鋳造物品の製造方法において、前記通気孔が前記被覆層にほぼ均一に分布し、連通した多数の細孔であることを特徴とする方法。
- 請求項6〜9のいずれかに記載の鋳造物品の製造方法において、前記被覆層の通気度(JIS Z2601で規定される大オリフィスを使用した迅速法で測定)が50〜200であることを特徴とする方法。
- 請求項6〜10のいずれかに記載の鋳造物品の製造方法において、前記被覆層の自硬性硬度計で測定した平均硬度値が50〜95の範囲内であることを特徴とする方法。
- 請求項6〜11のいずれかに記載の鋳造物品の製造方法において、前記乾燥工程で前記表層における水分量を0.5質量%以上2.5質量%以下にすることを特徴とする方法。
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