JPH05138296A - 中空鋳物製造用鋳型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、長尺の中空部を有する鋳造品
を製造する場合に有用であり、特に鋳造時における耐熱
性が優れ、砂型の崩壊が少なく、かつ鋳造後における型
ばらしを極めて容易に実施することが可能な、中空鋳物
製造用鋳型を提供することにある。 【構成】本発明に係る中空鋳物製造用鋳型は、外型２ａ
の内部に中子１ａを配設してなり、この中子１ａは、有
機バインダにて固化した砂型４の表面に、セラミックス
粒子を無機バインダにて固化した耐熱シェル層５を設け
て構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は中空部を有する鋳物製品
を製造するために使用される中空鋳物製造用鋳型に係
り、特に長尺な中空部を有する鋳物を容易に、かつ鋳造
欠陥を生じることなく製造することが可能な中空鋳物製
造用鋳型に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＮｉやＣｒを多量に含有した高硬度の金
属材料等で形成され、機械加工による成形が困難な金属
製品は一般に鋳造によって製造されている。これらの金
属製品のなかでも、中空部を有する鋳造管や機械加工に
よる穿孔が困難な鋳抜き孔を有する鋳造品を製造するた
めには、例えば図３に示すように、中空部に相当する中
子１を外型２の内部に配設した中空鋳物製造用鋳型が使
用される。中子１の上端部は、湯口兼押湯部１０におい
て中子支持体１１によって固定される。中子１および外
型２としては、一般に川砂、けい砂等の砂粒に、油脂、
合成樹脂、穀粉、糖類などの有機バインダを粘結剤とし
て添加して所定形状に成形固化した砂型が一般に使用さ
れる。

【０００３】そして中子１と外型２の内面との間に形成
された鋳込み空間３に、湯口兼押湯部１０を経由して金
属溶湯が注入され、金属溶湯が凝固した後に、型ばらし
を行って鋳造品が型内から取り出される。

【０００４】図３に示すように、中空部の幅に対する長
さの比が小さい場合には、金属溶湯から中子１に伝達さ
れる熱は軸方向に迅速に移動するため、中子１に含有さ
れる有機バインダの分解も少なく、分解ガスが溶湯中に
混入して鋳造欠陥を発生する割合も少ない。

【０００５】また鋳込み空間３に注入される金属溶湯の
衝撃力や流速、および金属溶湯によって中子１に作用す
る浮力のいずれも小さいため、金属溶湯が凝固する前に
衝撃力によって砂型が崩壊したり、浮力によって変形し
たりするおそれも少なく所定寸法の鋳造品を製造するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら中空部や
鋳抜き孔が長くなり、特に中子の幅に対する長さの比が
２０倍以上となるような場合では、従来の鋳型を使用し
て鋳造品を製造することは事実上不可能であった。

【０００７】すなわち中子が長尺化した場合には、溶湯
金属を鋳込み空間の底部に落とし込む際の衝撃力も大き
くなるとともに、鋳込み深さに比例して中子に作用する
浮力も増大するため、鋳込み時に中子の崩壊や変形が発
生し易く所定形状の鋳造品が得られない場合が多い。

【０００８】一方中子の軸方向長さが大きくなると、中
子から鋳型外部への伝熱量が急激に低下する。そのため
溶湯金属の鋳込み時に、溶湯金属から中子に伝達された
熱の逃げ場がなく、中子自体の温度が急上昇する。その
ため溶湯金属が凝固する前に、砂型を固化せしめていた
有機バインダが熱分解し、砂型を崩壊せしめたり、爆発
的に発生した分解ガスが溶湯金属を吹き上げたり、また
溶湯金属内に混入してブローホールなどの鋳造欠陥を発
生させるという問題点があった。

【０００９】上記問題点に対する対策として、砂型を固
化するバインダの種類を有機系から、分解のおそれが少
ない珪酸ソーダなどの無機系バインダに転換する試みも
なされた。しかしながら、砂型自体に含有される水分や
空気の急激な膨脹により、やはり、溶湯金属の吹き上げ
や鋳造欠陥を生じる問題点があり、抜本的な解決策には
なっていない。

【００１０】一方砂型とは異なり耐熱性に優れ分解ガス
の発生が少ないシリカや石英材等の耐熱セラミックス材
で中子を形成する方法がロストワックス精密鋳造法など
で実施されている。この場合耐熱性に優れ分解ガスの放
出が少ないため、鋳造時における中子の崩壊や分解ガス
による鋳造欠陥が発生するおそれは少ない。

【００１１】しかしながら中子は凝固した溶湯金属に強
固に固着するため、鋳造後において中子を引抜くことが
困難であり、型ばらし工程に多大な作業工数を要すると
いう問題点がある。

【００１２】なお型ばらしを化学的に実施する方法とし
て、５００℃程度に加熱した苛性ソーダ液中に中子と一
体化した鋳造品を浸漬することにより、セラミックス製
中子を溶解して除去する方法も採用されている。しかし
ながら、鋳抜き孔が長く、中子が長大化する場合には、
溶解時間が比例して長くなり、製造効率が低下するとと
もに、苛性ソーダによって鋳造品が腐食し高品質の製品
が得られないという問題点があった。

【００１３】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、長尺の中空部を有する鋳造品を製造
する場合に有用であり、特に鋳造時における耐熱性が優
れ、砂型の崩壊が少なく、かつ鋳造後における型ばらし
を極めて容易に実施することが可能な、中空鋳物製造用
鋳型を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは以上の観点
から耐熱性に優れ、型ばらしが容易な鋳型を得ることを
目的に、中子の構造を種々検討した結果、上記目的を達
成するためには、以下の各項目のような要求特性が長尺
中子に必要となることを確認した。

【００１５】すなわち （１）９００〜１６００℃程度の高温度を有する溶湯金
属に対する十分な耐熱性を有し、溶湯金属が凝固するま
での時間内において、中子自身の形状を保持できる最少
の強度を有すること。 （２）鋳込み時に高流速で流入する溶湯金属の衝撃力や
浮力が作用した場合においても、変形を生じることなく
形状を保持できる強度を中子が備えること。 （３）鋳造後の型ばらし工程が容易となるように砂型の
ように崩壊性が優れた材料を基本として中子が形成され
ること。 （４）鋳造欠陥の発生を防止するために、分解ガスが溶
湯金属に接触せずに鋳型の外部に放出される構造を有す
ること。 （５）溶湯金属が凝固する前に砂型が崩壊しないよう
に、砂型を構成する砂の間隙に溶湯金属が浸透すること
を防止する構造を有すること。 （６）径に対する長さの比が３０以上になる長尺の中子
については、砂型のままでは強度不足となるため、何ら
かの補強材を付設すること。 などの要求特性を満足する必要がある。

【００１６】本発明者らは上記要求特性を満足する中子
構造を種々工夫し、さらに実験による評価を繰り返した
結果、砂型で形成した中子本体表面に、セラミックスで
形成した薄い耐熱シェル層を形成したときに、上記要求
特性を満足し、高品質の鋳造品を得ることができた。本
発明は、この知見に基づいて完成されたものである。

【００１７】すなわち本発明に係る中空鋳物製造溶鋳型
は、外型の内部に中子を配設してなる中空鋳物製造用鋳
型において、上記中子は、有機バインダにて固化した砂
型の表面に、セラミックス粒子を無機バインダにて固化
した耐熱シェル層を設けて形成したことを特徴とする。

【００１８】また耐熱シェル層の厚さを０．３〜１mmの
範囲に設定するとよい。

【００１９】さらに中子の中心軸方向に補強用心材を配
設して構成することもできる。

【００２０】中子を収容する外型としては、一般的に砂
型で構成するが、金型や黒鉛型を使用することもでき
る。一方、中子の本体部は、鋳造後の崩壊性を考慮し
て、有機バインダにて固化した砂型で形成される。有機
バインダとしては例えば、合成樹脂粉、油脂類、穀粉、
糖類、などの粘結材が使用される。

【００２１】また砂型の表面には厚さ０．３〜１mmの緻
密な耐熱シェル層が形成される。この耐熱シェル層は、
ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、マ
グネシア（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒
化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）などの耐熱性を有するセラミッ
クス粒子を無機バインダで固化して形成される。無機バ
インダとしてはコロイダルシリカ、アルミナゾル、珪酸
ソーダ等が使用される。特にセラミックス粒子としてジ
ルコニアを使用する一方、無機バインダとしてコロイダ
ルシリカを使用して形成した耐熱シェル層は、特に強度
が高く頑丈な中子を形成することができる。

【００２２】この耐熱シェル層は、上記のセラミックス
粒子と無機バインダとの混合体スラリーを砂型表面に塗
布し、形成した塗膜を自然乾燥後、ガスバーナ等で加熱
し焼成して形成される。

【００２３】耐熱シェル層の厚さは、中子自体の鋳造時
の構造強度および鋳造後の型ばらしの難易度に大きな影
響を及ぼすものであり、通常０．３〜３mmの範囲に設定
される。耐熱シェル層の厚さが０．３mm未満あるいは中
子直径が１０mm以上の場合、直径の３％未満であると、
中子自体の構造強度が不足し、鋳込み時の溶湯金属の衝
撃力または浮力によって中子が変形したり崩壊し易くな
り、所定形状の鋳造品が得られない一方、耐熱シェル層
の厚さが３mmを超えると、鋳造後において、凝固した鋳
造品に耐熱シェル層が強固に固着し、その型ばらしが困
難になる。従って、耐熱シェル層の厚さは０．３〜３mm
の範囲に設定される。好ましくは、０．４〜０．７mmの
範囲である。

【００２４】一方、中子の径に対する長さの比が３０を
超えるような長尺な中子を使用する場合には、上記の砂
型および耐熱シェル層のみでは、構造強度が不足する。
そのために、耐熱シェル層の厚みを増大化することは、
前記のように型ばらしが困難となる。そこで上記のよう
な長尺中子を形成する場合には中子の中心軸方向に補強
用心材を配設するとよい。

【００２５】特に上記補強用心材として、多数の通気孔
を側面に穿設した金属製管材を使用することにより、砂
型からの分解ガスが通気孔を通り鋳型外部に効果的に排
出されるため、分解ガスの影響が少ない高品質の鋳造品
を形成することができる。

【００２６】

【作用】上記のように構成した中子を外型内に配置した
中空鋳物製造用鋳型内に溶湯金属を鋳込むと、緻密な耐
熱シェル層によって溶湯金属が砂型内に浸透することが
効果的に防止されるため、溶湯金属の凝固前に砂型が崩
壊することが防止でき、寸法精度が高い鋳造品を製造す
ることができる。

【００２７】また金属溶湯から付与された熱によって砂
型内の有機バインダが分解して多量の分解ガスが発生す
る。しかしこれらの分解ガスは耐熱シェル層の内側のみ
を通路として鋳型外部に誘導される。従って分解ガスが
溶湯金属内に混入することがないため、鋳造欠陥のない
高品質の鋳造品を形成することができる。

【００２８】さらに有機バインダが分解ガスとして排出
された砂型は、結合力を失っているが、その外周に配置
した耐熱シェル層の構造強度によって、溶湯金属の静水
圧下においてもその形状を維持する。従って鋳造品の変
形も起こらない。

【００２９】また鋳造後においては、中子の砂型中に含
有されていた有機バインダは鋳造時の熱により分解して
いるため極めて脆くなっており、砂型は簡単に排出する
ことができる。一方、耐熱シェル層は、溶湯金属が凝固
し室温までに冷却される過程で生じる熱収縮により押し
潰されて、ばらばらに壊れた状態で残存するため、中空
部からの排出も容易である。

【００３０】

【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。図１は、本発明に係る中空鋳物製造用
鋳型の一実施例を示す断面図であり、図２は図１に示す
中子を一部破断して示す斜視図である。

【００３１】すなわち、本実施例に係る中空鋳物製造用
鋳型は、砂型で形成した外型２ａの内部に中子１ａを配
設してなる中空鋳物製造用鋳型において、上記中子１ａ
は、有機バインダにて固化した砂型４の表面に、ジルコ
ニア粒子をコロイダルシリカにて固化した厚さ０．３mm
の耐熱シェル層５を設けて構成される。また中子１ａの
中心軸方向には、多数の通気孔６を側面に穿設した外径
８mm、内径６mm、長さ２ｍの金属製管材７が補強用心材
として配設される。上記通気孔６の内径は３mmであり、
その配設ピッチは８０mmとした。

【００３２】上記中子１ａの製造方法は、図２に示すよ
うに、まず金属製管材７を約３００℃に加熱し、やはり
３００℃に加熱した中空金型の中央に金属製管材７を装
着した状態で管材７周囲に、有機バインダとしての樹脂
粉と鋳型砂との混合体を充填し、焼成することにより、
金属製管材７と砂型４とを一体に成形する。

【００３３】次に砂型４の外周に、ジルコニア粉末を分
散させたコロイダルシリカスラリーを塗布し、塗膜を自
然乾燥後にガスバーナ等により約２００℃で加熱焼成し
て耐熱シェル層５（コロイダルシリカ層）を形成する。

【００３４】こうして図２に示すように調製された中子
１ａは、図１に示すように外型２ａ内部に配設される。
中子１ａの下端は外型２ａの底部に形成された凹部に差
し込まれる一方、上端は、中子保持材８によって外型２
ａと一体的に固定される。このように構成された中空鋳
物製造用鋳型を使用して外径５０mm、内径２０mm、長さ
１．５ｍの鋳鉄管を鋳造する状態について図１を参照し
て説明する。

【００３５】鋳鉄溶湯９を、外型２ａと中子１ａとの間
の鋳込み空間３ａに鋳込むと、溶湯９の熱によって中子
１ａの砂型４に含有されていた有機バインダが分解して
多量の分解ガスＧが発生する。しかしこれらの分解ガス
Ｇは、耐熱シェル層５の内側のみを通路として矢印で示
すように上方に流れるとともに、下部分は通気孔６を通
り金属製管材７を上方に流れ、鋳型外部に排出される。

【００３６】従って分解ガスＧが鋳鉄溶湯９内に混入す
ることがないため、ブローホールなどの鋳造欠陥がない
高品質の鋳造品を形成することができる。

【００３７】また緻密な耐熱シェル層５によって鋳鉄溶
湯９が、中子１ａの砂型４内に浸透することが効果的に
防止されるため、鋳鉄溶湯９の凝固前に砂型４が崩壊す
ることが防止でき、寸法精度が高い鋳造品を製造するこ
とができる。

【００３８】さらに鋳造後の砂型除去工程（砂落し）で
は、中子１ａの砂型４の結合剤として使用された有機バ
インダが既に分解して除去されているため、砂型４は容
易に崩壊し、排出することが容易である。一方耐熱シェ
ル層５も鋳造品の冷却過程において発生する熱収縮によ
って、ばらばらに圧潰されているため、排出が極めて容
易である。

【００３９】また中子１ａの砂型４表面に緻密で滑らか
な耐熱シェル層５を形成しているため、鋳造品の表面粗
さも最大表面粗さ（Ｒ_max ）基準で０．３〜１０μｍ程
度であり、従来の精密鋳造法に準じる滑らかな表面を得
ることができた。

【００４０】このように本実施例に係る中空鋳物製造用
鋳型によれば、中子の鋳造時における構造強度、耐熱性
および分解ガスの排除特性が優れるとともに、鋳造後に
おける中子の崩壊性が優れているため、高い寸法精度
と、高品質を有する鋳造品を高い製造効率で安価に製造
することができる。

【００４１】一方、比較例１として、耐熱シェル層を形
成しない中子を用いた点を除いて実施例と同一条件で同
一寸法の鋳造管を製造した。しかしながら、鋳込み時に
発生した分解ガスが鋳鉄溶湯内を急速度で浮上するため
溶湯が多量に吹上げてしまう一方、鋳造管内部に多数の
ブローホールが形成され、実用化は不可能であることが
改めて確認された。

【００４２】また比較例２として分解ガスを発生しない
アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）棒にて実施例と同一寸法の中子
を形成し、同一寸法の鋳造管を製造した。しかしながら
鋳鉄溶湯が凝固した状態を観察すると、鋳造管と中子と
が焼きばめ状態で強固に接合されており、鋳造管内面側
に亀裂が発生したものも検出された。いずれにしろ、型
ばらし工程に多大な工数を要し、鋳造管の品質規準にも
満たず実用化は困難であった。

【００４３】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る中空鋳物製
造用鋳型によれば、熱分解性が良い有機性バインダにて
固化した砂型の外表面に、耐熱性に優れた耐熱シェル層
を形成した中子を使用しているため、鋳造時における分
解ガスの排除特性および耐熱強度を満足するとともに、
鋳造後における鋳型の崩壊性も優れており、特に長尺の
中空部や鋳抜き孔を有する高品質の鋳造品を効率的に製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中空鋳物製造用鋳型の一実施例を
示す断面図。

【図２】図１に示す鋳型で使用される中子の構造例を示
す斜視図。

【図３】従来の中空鋳物製造用鋳型の構成例を示す断面
図。

【符号の説明】 １，１ａ 中子 ２，２ａ 外型 ３，３ａ 鋳込み空間 ４ 砂型 ５ 耐熱シェル層 ６ 通気孔 ７ 金属製管材 ８ 中子保持材 ９ 鋳鉄溶湯 １０ 湯口兼押湯部 １１ 中子支持体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 基夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外型の内部に中子を配設してなる中空鋳
   物製造用鋳型において、上記中子は、有機バインダにて
   固化した砂型の表面に、セラミックス粒子を無機バイン
   ダにて固化した耐熱シェル層を設けて形成したことを特
   徴とする中空鋳物製造用鋳型。
2. 【請求項２】 セラミックス粒子がジルコニアである一
   方、無機バインダがコロイダルシリカであることを特徴
   とする請求項１記載の中空鋳物製造用鋳型。
3. 【請求項３】 中子の中心軸方向に補強用心材を配設し
   たことを特徴とする請求項１記載の中空鋳物製造用鋳
   型。
4. 【請求項４】 補強用心材は、通気孔を側面に穿設した
   金属製管材であることを特徴とする請求項３記載の中空
   鋳物製造用鋳型。