JPH07164099A - 特定の熱的特性を有する砂を用いる消耗型鋳造方法 - Google Patents

特定の熱的特性を有する砂を用いる消耗型鋳造方法

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JPH07164099A
JPH07164099A JP6214030A JP21403094A JPH07164099A JP H07164099 A JPH07164099 A JP H07164099A JP 6214030 A JP6214030 A JP 6214030A JP 21403094 A JP21403094 A JP 21403094A JP H07164099 A JPH07164099 A JP H07164099A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 より正確な寸法又は公差を有する鋳物を製造
するための特定の物理的特性を有する砂鋳型材を用いる
消耗型鋳造の方法を提供する。 【構成】 特定の熱的特性を有する結合していない砂と
共に消耗重合泡型を用いる寸法を予測可能な鋳物を製造
する方法に関する。ポリスチレンのような素材で形成さ
れた型は鋳造されるべき物品に対応した形状を有する。
型は外側型枠と共に置かれ、結合していない砂は型内の
空洞を満たすように型を囲む。砂は0°Cから1600
°Cまで1%以下の線膨張を有し、1500J/m2
°K/s1 / 2 より大きな熱拡散性を有し、25から3
3のAFS粒度指数及び450から500のAFS基本
透過率を有する。アルミニウム合金又は鉄を含む合金の
ような融解金属は鋳型に注入されて型と接触することに
より型は蒸発し、該蒸気は結合していない砂の隙間内に
捕捉され、一方金属は泡型により初めに占有された空間
を満たし、それにより鋳造物品を製造する。砂の物理的
特性により鋳造される物品がより正確で予測可能な公差
を有しうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は鋳型材として特定の物理
的及び熱的特性を有する結合していない砂を用いる消耗
型鋳造の方法に関する。
【0002】
【従来の技術】消耗型鋳造はまた消失泡鋳造として知ら
れており、ポリスチレン又はポリメタクリル酸メチルの
ような重合泡材で形成された型が型枠内で保持され、シ
リカ砂のような結合していない粒状の素材により囲まれ
る技術である。融解した金属が型に接触するとき、泡素
材は分解生成物が砂の隙間に進入するように分解され、
一方で融解した金属は型と同一の輪郭の鋳物部分を作る
ように消耗された泡素材により形成された空隙を置き換
える。
【0003】従来技術の消耗型鋳造行程は型を囲み、型
内の空洞を満たす砂が結合しておらず、自由に流動し、
これが伝統的な砂鋳造行程と異なり、ここで砂は種々の
タイプの結合剤と共に用いられる。しかしながら締め固
めの後に結合していない砂の密度は一般に結合している
砂で作られた鋳型の密度より高く、それ故に締め固めら
れた結合していない砂の硬さ又は剛性は結合している砂
鋳型に比べて不充分ではない。伝統的にシリカ砂はすぐ
に手に入り、高価でない故に消耗型鋳造の鋳型材として
専ら用いられてきた。
【0004】従来技術の消耗型鋳造行程は生砂鋳造の精
度に適合しうるのみであり、精密な砂鋳造行程とは考え
られていなかった。泡型を作るために金属鋳型を用いる
行程に対するこの精度の欠如はこの行程の欠点であっ
た。内燃エンジンのためのシリンダーブロックの鋳造で
はシリンダーボアの軸は特定の公差内に維持されねばな
らない。鋳造後にシリンダーボアは自動機械加工装置に
より同時に機械加工される。シリンダーボアの軸が特定
の公差内になければ、ボアは満足に機械加工されず、そ
の結果エンジンブロックはスクラップになるに違いな
い。
【0005】消耗泡鋳造行程を用いるエンジンブロック
の鋳造では泡型は多数の円筒形ボア又は空洞を含み、鋳
造行程ではボアは結合していない砂で満たされる。凝固
での融解金属の収縮は正確に計算でき、故に型内の円筒
形ボアの直径は金属の収縮を反映するように増加され
る。しかしながらボア内に含まれた砂は融解金属の収縮
に適応せず、この収縮に抵抗し、鋳造エンジンブロック
のシリンダー内に精度の欠如を引き起こす予期できない
金属収縮が生ずる。
【0006】金属鋳造技術の当業者はどんな砂鋳造行程
により製造される鋳物の寸法範囲にも顕著に影響を有す
る砂の温度を予測できない。この見落としの主な理由は
結合していない砂を用いる消耗型鋳造行程を除き、砂鋳
造行程では鋳造工場の床上に見られる半ば制御されない
周囲の温度で用いられる結合している砂鋳型を用いるた
めである。鋳造工場の処理量を達成する経済的、及び鋳
造工場の床上の不必要に高い鋳型の在庫品価格を所有す
るコスト的な点から、結合している砂鋳型はある規則正
しいかんばん方式(just−in−time)で用い
られることが要求される。結果として鋳造工場で別々の
「調整」又は安定領域内の砂鋳型を加熱又は冷却するこ
とは実際には難しく、砂鋳型の温度は鋳型で製造された
結果の鋳物の寸法範囲又は公差に顕著な影響を与えると
いう認識はない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明はより正確な寸
法又は公差を有する鋳物を製造するための特定の物理的
特性を有する砂鋳型材を用いる消耗型鋳造の方法を目的
とする。本発明は内燃エンジンのエンジンブロックの鋳
造に特に応用される。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の方法では、重合
泡型が鋳造されるべき物品に対応する構成を有するよう
に製造される。泡型は型枠内で保持され、型を囲み及び
型内の空洞を満たすように結合していない砂が型枠内に
供される。砂は1500J/m2 /°K/s1 / 2 より
大きな熱拡散性を有し、0°Cから1600°Cまで1
%以下の線膨張を有する。クロム鉄鉱(chromit
e)砂、炭化珪素砂、かんらん石砂、及び炭素砂がこれ
らの特性を有し、用いられうる砂の例である。加えて砂
は25から33のAFS粒度指数及び450から500
のAFS基本透過率を有するべきである。AFS粒度指
数は各ふるいで保持された分画の積(product
s)の和に先行するふるいの寸法を掛けるふるい分析の
結果から計算によりえられた平均粒径の測定値である。
ほとんどの鋳造工場の砂は40(荒い)から220(細
かい)の範囲内にある。基本透過率は、AFS透過率と
して表され、対象の1cm2 の断面積及び1cmの高さ
を通過する1グラム/cm2 の圧力という基準条件下で
空気が砂を通過する速度を1分当たりのミリリットルで
表したものである。
【0009】多数の部分を鋳造する場合、寸法が安定な
又は予想しうる鋳造部品を得るために特定の範囲内に砂
の温度を制御することが重要である。例えば内燃エンジ
ンのシリンダーブロックで各鋳造操作での砂は約±10
°Fの範囲内に維持されるべきであり、一方他の物品を
鋳造する場合各鋳造操作での温度は±10°Fの範囲内
に維持されるべきである。
【0010】泡型が融解金属により接触されたとき、型
は分解し、分解生成物は結合していない砂の隙間内に捕
捉され、一方金属は泡型により初めに占有された空間を
満たし、それにより泡型の輪郭に対応した鋳造物品を製
造する。特定の温度及び物理特性を有する砂の使用は寸
法が予想しうる金属鋳物を結果として生ずることが分か
った。
【0011】更なる利点として、上記特性を有する砂の
使用によりシリカ砂を用いた場合の約50%の収縮の変
動係数に比べて45%より少ない収縮の変動係数を生ず
る凝固における鋳造金属のより均一な収縮を生ずる。該
係数の減少によってより正確な寸法の鋳物が製造され
る。他の目的及び利点は以下の説明により明らかにな
る。
【0012】
【実施例】図は本発明を実施する現在考えられる最良モ
ードを示す。本発明は鋳型材として特定の物理的及び熱
的特性を有する結合していない砂を用いる消耗型鋳造の
方法に関する。本発明の実施において、鋳造されるべき
物品の輪郭に対応した輪郭を有する型を供するために重
合泡型はポリスチレン又はポリメタクリル酸メチルのよ
うな素材から作られる。泡型それ自身は金属鋳型を用い
て従来技術の手順で作られる。
【0013】従来技術の消耗泡鋳造では、型は金属/砂
反応を防ぐように作用し、鋳造金属部分の清掃を促進す
る多孔性セラミック材で被覆されうる。セラミック被覆
は通常型をセラミック洗剤の浴槽に浸け、型から余分な
洗剤を切り、洗剤を乾燥させて多孔性セラミック被覆を
設ける。本発明の行程はどの様な所望の金属又は合金を
も用いられえ、特に亜共晶又は過共晶アルミニウムシリ
コン合金のようなアルミニウム合金又は鋳造鉄又は鋼鉄
のような鉄を含む金属の鋳造に適用される。一般的に本
発明で用いられる過共晶アルミニウムシリコン合金は重
量で12%から30%のシリコンと、0.5%から5.
0%のマグネシウムと、0.3%までのマンガンと、
1.4%までの鉄と、5.0%までの銅と、残りのアル
ミニウムとを含む。
【0014】用いられるべき過共晶アルミニウムシリコ
ン合金の特定の例を以下に重量パーセントで示す:例1 シリコン 16.90% 鉄 0.92% 銅 0.14% マンガン 0.12% マグネシウム 0.41% アルミニウム 81.51%例2 シリコン 20.10% 鉄 0.20% 銅 0.33% マンガン 0.18% マグネシウム 0.71% アルミニウム 78.40% 本発明で用いられるべき亜共晶アルミニウムシリコン合
金は重量で12%以下のシリコンと、以下の組成の1つ
の共通の砂鋳造合金とを含む、重量で6.5%から7.
5%のシリコンと、重量で0.25%から0.45%の
マグネシウムと、0.6%までの鉄と、0.2%までの
銅と、0.25までのチタンと、0.35%までの亜鉛
と、0.35%までのマンガンと、残りはアルミニウ
ム。本発明で用いられうる他の共通の過共晶アルミニウ
ムシリコン合金は重量で5.5%から6.5%のシリコ
ンと、重量で3.0%から4.0%の銅と、重量で0.
1%から0.5%のマグネシウムと、1.2%までの鉄
と、0.8%までのマンガンと、0.5%までのニッケ
ルと、3.0%までの亜鉛と、0.25までのチタン
と、残りのアルミニウムとを含む。
【0015】用いられるべき亜共晶アルミニウムシリコ
ン合金の特定の例を以下に重量パーセントで示す:例3 シリコン 7.10% マグネシウム 0.31% 銅 0.05% チタン 0.05% 亜鉛 0.10% マンガン 0.05% アルミニウム 92.21%例4 シリコン 6.21% 銅 3.15% マグネシウム 0.32% 鉄 0.80% マンガン 0.51% ニッケル 0.34% 亜鉛 1.02% チタン 0.20% アルミニウム 87.35% 伝統的に約40AFSの粒径を有するシリカ砂は入手が
容易で安価なために消耗型鋳造で鋳型材として用いられ
てきた。本発明の進展を通して、シリカ砂の使用はこれ
まで意識されずに消耗型鋳造行程内で用いられた場合に
ある欠点があることが見いだされ、正確な鋳造を達成す
るためには結合していない砂鋳型材はシリコン砂では得
られないある物理的な特性を有さねばならないことが更
に見いだされた。
【0016】砂の物理的特性、特に熱的特性は消耗泡鋳
造を用いる場合に鋳造の精度に大きな影響を与えること
が見いだされた。鋳造で改善された精度を供するため
に、砂は1500J/m2 /°K/s1 / 2 より大きな
熱拡散性を有し、0°Cから1600°Cまで1%以下
の全線膨張を有する。クロム鉄鉱(FeCr2 4
砂、炭化珪素砂、かんらん石砂(苦土かんらん石、Mg
2 SiO4 と、鉄かんらん石、Fe2 SiO4 との固溶
体)がこれらの特性を有する砂の例である。
【0017】加えて砂は25から33AFS、好ましく
は約31AFSのAFS粒度指数及び450から50
0、好ましくは約475のAFS基本透過率をまた有す
るべきである。上記のように過去に消耗泡鋳造で用いら
れたシリカ砂は約40AFSの粒径を有する。更にま
た、本発明で用いられたように砂は細かい物から荒い物
まで最小の分布を有する密集した又は狭い粒径分布を有
する。これは該砂の透過率が通常約300のAFS基本
透過率を有する消耗泡鋳造過程で通常用いられる砂の透
過率よりも実質的に大きいという結果を生ずる。
【0018】クロム鉄鉱砂、炭化珪素砂及びシリカ砂の
物理的特性の比較を以下の表に示す。 表1 シリカ砂 クロム鉄鉱 炭化珪素砂 熱伝導率 0.90ー0.61 1.09 3.25 (ワット/m/°K) 密度 1500 2400 2000 (Kg/m3 ) 比熱 1130ー1172 963 840 (J/Kg/°K) 温度拡散率 0.360ー0.512 0.472 2.0 (m2 /s x 10- 6 ) 熱拡散率 1017ー1258 1587 2340 素材の熱伝導率は質量の反対側の面を横切る1°の温度
差がある場合の単位厚さの素材の質量の単位面積を通過
して単位時間当たり流れる熱量である。温度の変化の時
間率は、どの部分でも温度勾配の瞬間の傾斜に比例す
る。比例定数は熱拡散率と呼ばれ、体積熱容量により割
算された熱伝導率として定義され、ここで体積熱容量は
質量の温度を1°上昇させるのに必要な単位体積当たり
の熱である。
【0019】他方で熱拡散率は型が熱を吸収しうる、及
び熱伝導率と密度と比熱との積の平方根である比率の尺
度である。そのように熱拡散率は融解した金属の凝固速
度に直接関係する。温度に関する砂の線膨張は正確な鋳
造をもたらす重要な要因であり、砂の線膨張は0°Cか
ら1600°Cまでの温度範囲にわたって1%以下でな
ければならず、好ましくは0°Cから700°Cまでの
温度範囲にわたって0.75%以下であることが見いだ
された。図1にシリカ砂、クロム鉄鉱砂及びかんらん石
砂の温度に関する線膨張の変化を示す。シリカ砂の曲線
はシリカ砂の温度が約550°Cに接近すると膨張は実
質的な増加を示す。上記グラフからクロム鉄鉱及びかん
らん石はシリカ砂が示すような急激な膨張に類似の膨張
は示さない。
【0020】線膨張の重要性はアルミニウム合金のよう
な鋳物金属の熱拡散率と砂のそれを比較する場合に明ら
かである。アルミニウム合金の熱拡散率は約6.2x1
- 5 2 /sであり、これは表1に示した砂の熱拡散
率よりも約150倍大きい。これは所定の時間内に熱が
流れる平均距離は砂よりもアルミニウム合金のほうが約
12倍大きく、その結果砂/金属の境界での熱の蓄積が
生じ、それにより砂鋳型の空洞の拡張が引き起こされる
ことを意味する。シリカ砂の熱膨張係数はクロム鉄鉱砂
のそれよりも約4倍大きいので、金属/砂境界の温度上
昇によりシリカ砂はクロム鉄鉱砂よりも実質的により膨
張し、故により大きな寸法の鋳物が製造される。また融
解金属/砂境界は凝固の開始前に外側に移動するので大
きな鋳物上で得られる計算された収縮値は凝固した金属
に対する収縮値よりも明らかにより低い(及び予想でき
ない)。
【0021】上記のように、砂の熱拡散率は融解金属の
凝固速度に直接関係する。上記表1に示す拡散率データ
から、クロム鉄鉱砂の使用は金属の凝固速度、即ちクロ
ム鉄鉱砂のより大きな熱拡散率のために約26%から5
6%のシリカ砂の使用にわたって液相線と固相線の温度
の間を通過するのに必要な時間を増加させる。凝固速度
それ自身のこの改善は経済的な利点に値する様には見え
ないが、約550°Cでシリカ砂に生ずる大きな膨張に
ついて考えると鋳物の精度の実質的な改善が達成され
る。
【0022】内燃エンジンのエンジンブロックを鋳造す
る場合に型は鋳造ブロック内のシリンダーに対応する複
数の円筒形ボアと共に形成される。型枠内で砂は型を囲
むのみならずボアを満たし、故に砂芯(sand co
re)を供する。鋳造中に融解金属は凝固する時に収縮
する。砂芯が金属が凝固し、その周りで収縮する時に
「与え」られなければ、鋳物中に歪みが引き起こされ
え、シリンダーボア内で予測できない直径が得られる。
故に芯として用いられた砂により芯が凝固する金属の収
縮に追従しうる。
【0023】以下の表に上記例3のアルミニウムシリコ
ン合金を用い、消耗泡鋳造行程での種々の砂鋳型材を用
いた複合60馬力、3シリンダーの船舶用エンジンブロ
ックの25の異なる重要な寸法の平均の繰り返し測定を
まとめたものを示す。結果はクロム鉄鉱砂、炭化珪素
砂、又は炭素砂を用いた場合に合金の収縮は文献で報告
された合金の圧縮されない収縮に近い一致を見た。これ
は全く驚くべき事であり、何故ならば大きな芯を有し、
結合している砂を用いた砂鋳造行程で製造された複合エ
ンジンブロックは合金の圧縮されない収縮にくらべてよ
り小さな収縮結果を通常示すからである。表IIに示す
ように合金の異なる収縮結果は冷却中の砂鋳型(及び
芯)による拘束の異なる程度の結果により生じたと考え
られる。砂の突き固めの硬さ及び化学的に結合した砂の
中のバインダーの割合は収縮に顕著に影響することは認
識されている。上記に基づき、消耗泡鋳造行程内の結合
していない砂は結合している砂よりも冷却中により少な
い拘束を本質的に提供すると見なしえ、故により高い熱
容量の融解金属から、及び/又は熱された砂と共に鋳造
行程の開始から型の膨張の現象により敏感である。この
後者の因子はそれぞれ80°F及び160°Fのシリコ
ンに対し0.00925インチ/インチ及び0.007
インチ/インチの合金内の収縮値に明らかに反映され
る。熱されたシリカ砂の使用から結果として生じた大き
な寸法の鋳造エンジンブロックはより高い砂の温度の結
果としての砂鋳型の大きな膨張を単に反映するのみであ
る。 表II 砂の種類 砂の温度 平均収縮 収縮の変動係数 (インチ/インチ) シリカ 160°F 0.0070 60% シリカ 80°F 0.0093 50% クロム鉄鉱 80°F 0.0119 35% 炭化珪素 80°F 0.0110 37% 球形炭素砂 80°F 0.0106 36% 上記の表からクロム鉄鉱砂、炭化珪素砂、及び炭素砂の
使用はシリカ砂を使用した場合よりもインチ/インチで
のより大きな金属収縮率を結果として生じ、故に結合し
ていない砂芯が合金の収縮により密接して追従しうる。
【0024】クロム鉄鉱砂、炭化珪素砂、及び炭素砂の
使用はシリカ砂の使用に比べて金属鋳物の実質的により
低い収縮の変動係数を示したことは同様に重要である。
これは測定の種々の位置での収縮はシリカ砂を用いた場
合の測定に比べてより均一かつより変動が少ないことを
意味する。250馬力、Vー6、3リットル船舶用エン
ジンブロック鋳造における繰り返しの測定でも類似の結
果が得られた。周辺温度80°Fのシリカ砂では0.0
094インチ/インチの収縮値が得られ、周辺温度80
°Fのクロム鉄鉱砂では0.0118インチ/インチの
収縮値が得られた。加えて、シリカ砂の周辺温度はクロ
ム鉄鉱砂の使用により得られた値よりも40%以上悪い
(収縮の)変動係数により反映される精度を有する。こ
れらの結果から鋳型材としてシリカ砂はクロム鉄鉱砂の
使用よりもより大きな寸法のエンジンブロック製造する
ことが更に証明される。更にまた砂の温度が上昇する場
合のシリカ砂で得られる精度はクロム鉄鉱砂で得られる
精度より顕著に劣る。試験結果はまたVー6エンジンブ
ロックとインライン3シリンダーブロックとの間の幾何
学的相違は2つの異なる砂の種類から得られた収縮値に
素材として影響しないことも示す。
【0025】図3ー14に上記で概略を説明した物理的
性質を有する砂を用いた消耗泡鋳造行程内で達成された
寸法の予測性又は安定性の向上を示す。図3ー5にVー
6エンジンブロックを鋳造するのに用いられた133の
ポリスチレンの接着された型のボアの中心線でなされた
測定を示す。型は金属鋳型を用いた射出成形により製造
された。各図は6つのシリンダーに対するシリンダーボ
アの中心線の位置又は測定を表す。各図の中心の円は
0.031インチの指定公差(specified t
olerance)を表す。更に詳しくは、図3は6つ
のシリンダーボアのクランク端泡部分の中心線の位置を
示す。図4は図3と類似のボアの長手方向中心部分で泡
型のシリンダーボアの中心線位置を示し、一方図5は泡
型のシリンダーボアのドーム部分端で測定された中心線
を示す。3つの接着された泡部分に対する中心線位置の
配列及び一致は最も重要である。
【0026】図3ー5から泡型内の全てのシリンダーボ
アの中心線は公差の円又は標的内に非常に隙間なく密集
していることがわかる。故にこのデータによりカバーさ
れる接着された泡型のバッチは実質的には公差の限界内
にある全ての型に対しシリンダーボアの中心線に関して
寸法的に安定であることが示された。図6ー8に111
個の鋳造エンジンブロックのシリンダーボアの中心線位
置を示す。図6ー8のデータでは、図3ー5で試験され
たバッチの泡型が用いられ、各泡型は80°Fの温度で
結合していないシリカ砂により型枠内で囲まれた。シリ
カ砂はAFS粒子粒度は31であり、AFS基本透過率
は475である。アルミニウム合金365は鋳造金属と
して用いられた。
【0027】図6にクランク端での鋳造エンジンブロッ
クのシリンダーボアの中心線位置を示し、一方図7にシ
リンダーボアの長手方向中心部分の中心線位置を示し、
また一方図8にシリンダーボアのドーム部分端の中心線
位置を示す。図6ー8を見るに、中心線位置は標的円の
かなり外側に広く分散しており、故に適切に機械加工さ
れえず、シリンダーボア機械加工の後に仕上がりの欠如
を示すエンジンブロックを結果として生ずる。それで図
6ー8に示すようなシリカ砂を用いて製造された鋳造エ
ンジンブロックの大部分は指定公差から外れ、適切に機
械加工されえない。
【0028】図9ー11に消耗泡鋳造により、80°F
で炭素砂を用いて製造された一連の14個のVー6エン
ジンブロックの類似の試験の結果を示す。炭素砂はAF
S粒子粒度は33、AFS基本透過率は450である。
図6ー8に示されたデータの場合では図3ー5で試験さ
れたバッチの泡型が用いられ、エンジンブロックは鋳造
合金として用いられたアルミニウム合金356から鋳造
された。
【0029】図9にクランク部分端での鋳造シリンダー
ボアの中心線位置を示し、図10にシリンダーボアの長
手方向中心部分の中心線位置を示し、図11にブロック
のシリンダーボアのドーム部分端の中心線位置を示す。
図12ー14に130°Fの温度で炭素砂を用いたこと
を除いて図9ー11と同じ鋳造過程を用いた鋳造エンジ
ンブロックのシリンダーボアの中心線位置を示す。
【0030】図9ー11及び図12ー14に示されたデ
ータを図3ー8に示された泡型に対するボアの中心線の
正しい位置と比べた場合に泡型の中心線位置及び結果と
して生じた鋳物のそれは相互にほとんど一致し、部分か
ら部分へと優れた寸法予測性を示すことが示される。更
にまた図9ー11及び図12ー14のエンジンブロック
の中心線測定のばらつきはシリカ砂を用いた図6ー8に
示された中心線測定のばらつきの小部分にすぎない。更
に図12ー14の高温炭素砂に対するデータ及び図9ー
11の低温炭素砂に対するデータはばらつき又は精度の
大きな差を示さない。
【0031】このデータは上記に概略を示した様な特定
の物理的特性を有する砂の使用はシリカ砂を用いた類似
の過程で得られたそれらよりも消耗泡鋳造過程でより正
確かつ予測可能な鋳物を製造することを結論として示
す。シリカ砂を用いた従来技術の消耗泡鋳造過程により
製造された鋳造エンジンブロックの漏れ気密性は砂の温
度で異なる。例として、80°Fの低温のシリカ砂を用
いた消耗泡鋳造過程で製造されたインライン3シリンダ
ーエンジンアルミニウムブロックの漏れ率は130°F
の高温シリカ砂を用いた場合に見られるそれの3倍であ
る。しかしながら130°Fのシリカ砂はインライン3
シリンダーブロック又はVー6ブロックのどちらの鋳造
でもうまく用いられえない。何故ならば加熱された砂は
より大きな寸法の鋳物を製造し、それは許容されないか
らである。故に、実際には約80°Fの温度のシリカ砂
が商用の生産過程で用いられてきた。低温のシリカ砂の
増加された漏れ率のために漏れ気密性の要求にそわせる
ために鋳造ブロックをロクタイト(Loctite)の
ような漏れ止めで時には3回位含浸させる必要があっ
た。これとは対照的に、120°F又はそれ以上の砂の
温度と、上記物理的特性を有する砂を用いる本発明によ
りインライン3シリンダー設計又はVー6設計のどちら
でも漏れに気密なエンジンブロックを製造し、両方の設
計は機械加工の後のどのボアにも仕上げ不足なしに寸法
的に予測可能である。
【0032】更なる利点として、本発明による方法は切
り離せない部分として製造されるより複雑な鋳物を可能
にする。例えばVー6エンジンブロックを鋳造する場合
に分割板及び覆い板と共に排気マニホールドが鋳造エン
ジンブロックの切り離せない部分として鋳造されえ、斯
くして全体の生産コストは減少する。本発明により達成
されるのと同じ寸法安定性を得るためにVー6エンジン
ブロックは正確に結合された砂を用いた鋳造行程で作ら
れねばならず、その様な行程ではエンジンブロックはマ
ニホルド排気分割板及び覆いから分離して鋳造され、斯
くして分割板及び覆いに対して別の加工の付加的な費用
が必要となる。
【0033】砂の熱特性が正確な鋳物を供給するのに重
要なだけでなく、砂の温度はまた鋳造に影響することも
見いだされた。例えば鋳造工場の冬の条件では砂の温度
は18.3°C(65°F)から29.4°C(85°
F)の範囲である。夏は周囲の温度が32.2°C(9
0°F)又はそれ以上に上昇し、砂の温度は29.4°
C(85°F)から40.5°C(105°F)の範囲
である。夏の高い砂の温度により、鋳物は冬の低い温度
の砂で製造された鋳物よりもいくぶんかより大きな寸法
を有する。故に鋳造部品の寸法のこの差を補正するため
に消耗泡型のサイズは調整されえる。型の寸法は型を取
る前にプラスティックビーズをエージングすることによ
り、又は型を取った後に型を取られた部品をエージング
することにより、又は他の種類の泡ビーズを選択するこ
とにより変更されうる。故にビーズの適切なエージング
又は選択によりより低い砂の温度を補正するのに冬に用
いられるうるより大きな型が得られ、故に砂の周囲の季
節的な温度に左右されない同じ寸法を有する鋳造部品が
結果として得られる。
【0034】図2に鋳造の精度に及ぼす砂の温度の重要
性を更に示す。図2に消耗型鋳造行程で用いられる結合
していないシリカ砂の温度の関数としてエンジンブロッ
ク寸法の平均測定値をインチで示す曲線を示す。エンジ
ンブロックは上記例3の組成を有する亜共晶アルミニウ
ムシリコン合金から鋳造される。図2を見るに80°F
の周囲の温度の砂を用いた場合の平均のエンジンブロッ
ク寸法は9.53インチである。砂の温度が160°F
に上昇すると平均ブロック寸法もまた約9.59インチ
にの値まで増加し、又は0.06インチの増加である。
【0035】上記曲線が種々の温度のシリカ砂を用いる
ことにより得られる寸法の差を示す一方で約4倍小さい
が類似の膨張の結果がクロム鉄鉱砂、炭化珪素砂、又は
炭素砂を用いて得られ、それ故に砂の温度は正確な寸法
の鋳物を得る因子である事が示される。砂の温度を鋳造
部分から鋳造部分へと特定の範囲内に制御することはま
た重要である。寸法上の精度を得るために砂の温度は一
群の又は多くの部品を鋳造する場合に特定の範囲内に維
持されねばならない。例えばエンジンブロックを鋳造す
る場合に各鋳物の砂の温度は±10°F以内に維持され
なければならない一方で、他の物品に対して砂は各鋳物
に対して±20°Fの範囲以内に維持されなければなら
ない。
【0036】鋳造中に砂の温度は通常約200°Fまで
増加され、それから砂は冷却機へ送られ、冷却機を通る
砂の流れは砂を次の鋳造操作のために上記の特定の範囲
内に維持するように制御される。本発明はより正確な鋳
物は特定の物理的及び熱的特性を有する砂を用いること
により及び砂の温度を制御し又は型のサイズに砂の温度
を相関させることにより消耗型鋳造行程で製造されうる
という発見に基づく。
【0037】本発明の実施の種々のモードは本発明と見
なせる内容を特に指摘し、個別に請求する請求項の範囲
内でなされうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度に対する種々の砂の線膨張を示す図であ
る。
【図2】異なる温度でシリカ砂を用いた場合の3つのシ
リンダーエンジンブロックの寸法の変動を示す図であ
る。
【図3】各シリンダーボアのクランク部分で測定したV
−6エンジンブロックを鋳造するのに用いられる複数の
消耗泡型のシリンダーボアの中心線位置を示す一群の図
である。
【図4】シリンダーボアの長手方向中心部分でシリンダ
ーボアの中心線位置を示す図3と類似の一連の図であ
る。
【図5】シリンダーボアのドーム部分端に位置する中心
線位置を示す図3と類似の一連の図である。
【図6】シリンダーボアのクランク端で測定した80°
Fの温度で消耗泡型及びシリカ砂を用いて製造された複
数の鋳造V−6エンジンブロックのシリンダーボアの中
心線位置を示す一連の図である。
【図7】シリンダーボアの長手方向中心部分で測定した
図6と類似の一連の図である。
【図8】シリンダーボアのドーム部分端で測定した図6
と類似の一連の図である。
【図9】シリンダーボアのクランク端で測定した80°
Fの温度で消耗泡型及び炭素砂を用いて製造された複数
の鋳造V−6エンジンブロックのシリンダーボアの中心
線位置を示す一連の図である。
【図10】シリンダーボアの長手方向中心部分で測定し
た図9と類似の一連の図である。
【図11】シリンダーボアのドーム部分端で測定した図
9と類似の一連の図である。
【図12】シリンダーボアのクランク端で測定した13
0°Fの温度で消耗泡型及び炭素砂を用いて製造された
一連の鋳造V−6エンジンブロックのシリンダーボアの
中心線位置を示す一連の図である。
【図13】シリンダーボアの長手方向中心部分で測定し
た図12と類似の一連の図である。
【図14】シリンダーボアのドーム部分端で測定した図
12と類似の一連の図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テランス エム クリアリ アメリカ合衆国 ウィスコンシン 53002, アレントン,メイン ストリート 511 (72)発明者 ウィリアム ジィー ヘスターバーグ アメリカ合衆国 ウィスコンシン 54974, ローゼンデール,ポール ドライブ エヌ 7288 (72)発明者 テリー シー ホルムグレン アメリカ合衆国 ミシガン 49849,アイ シュペミング,エヌ サード ストリート 1113

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋳造されるべき物品に対応した形状を有
    する消耗泡重合材の型を形成し、外側の型枠に空間的に
    関連して型を位置決めし、型を囲む型枠内に1500J
    /m2 /°K/s1 / 2 より大きな熱拡散性を有し、0
    °Cから1600°Cまで1%以下の線膨張を有し、2
    5から33のAFS粒度指数及び450から500のA
    FS基本透過率を有する第一の量の結合していない砂を
    配置し、分解生成物を砂の隙間内に捕捉させるように重
    合材を分解するために型を融解金属に接触させ、鋳造物
    品を製造するために融解金属を凝固させ、鋳型から鋳造
    物品を除去する各段階からなる、寸法が予測可能な金属
    鋳物を製造する方法。
  2. 【請求項2】 該物品に対応した形状を有する第二の型
    を形成し、第二の型枠内に該第二の型を位置決めし、第
    二の型枠内に第二の量の砂を配置して該第二の型を囲
    み、第一の量の該砂の温度の±20°F以内に該第二の
    量の砂の温度を維し、第二の型を融解金属に接触させ、
    第二の鋳造物品を製造するために該融解金属を凝固させ
    る各段階を更に有する請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 第一の量及び第二の量の砂の両方の温度
    を100°Fから120°Fの範囲に維持する段階を更
    に有する請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 重合材はポリスチレン及びポリメタクリ
    ル酸メチルからなる群から選択される請求項1記載の方
    法。
  5. 【請求項5】 砂はクロム鉄鉱砂、炭化珪素砂、かんら
    ん石砂、炭素砂、及びそれの混合物からなる群から選択
    される請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 型を融解金属に接触させる段階は型を1
    2%以上のシリコンを含む過共晶アルミニウムシリコン
    合金に接触させることからなる請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 型を融解金属に接触させる段階は型を鉄
    を含む金属に接触させることからなる請求項1記載の方
    法。
  8. 【請求項8】 該砂は0°Cから700°Cまで0.7
    5%以下の線膨張を有する請求項1記載の方法。
  9. 【請求項9】 鋳造されるべき少なくとも1つの円筒形
    ボアを含むエンジンブロックに対応した形状を有する消
    耗泡重合材の型を形成し、外側の型枠に空間的に関連し
    て型を位置決めし、型を囲む型枠内及びボア内に結合し
    ていない砂を配置し、1500J/m2 /°K/s
    1 / 2 より大きな熱拡散性を有し、0°Cから1600
    °Cまで1%以下の線膨張を有し、25から33のAF
    S粒度指数及び450から500のAFS基本透過率を
    有し分解生成物を結合していない砂の隙間内に捕捉させ
    るように重合材を分解するために型を融解金属に接触さ
    せ、少なくとも1つの円筒形ボアを含む鋳造エンジンブ
    ロックを製造するために融解金属を凝固し、型枠からブ
    ロックを除去し、その後にシリンダーボアを機械加工す
    る各段階からなる、寸法が予測可能な内燃エンジン用の
    エンジンブロックを製造する方法。
  10. 【請求項10】 融解金属はアルミニウム合金である請
    求項9記載の方法。
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