JPH08224656A - 金属鋳物を熱処理する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属鋳物を熱処理する向上した方法および装
置を提供すること。また、砂型を金属鋳物から取り除く
向上した方法および装置を提供すること。 【解決手段】 砂型を有する金属鋳物を熱処理する向上
した方法および装置であって、該砂型をふるい落とすた
めに鋳物の周りに空気流を通わせるファン（４４）を有
する熱処理炉（１１）を備えている。ふるい落とされた
砂は樋（５０）に落下して集められた後、中央集積容器
（６０）に搬送され、再利用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

関連出願への相互参照 本出願は米国特許出願第07/415,135号の一部継続出願で
ある。

【０００２】本発明は、一般には中空の金属鋳物を熱処
理する方法および装置に関する。詳しくは、砂型を有す
る金属鋳物を熱処理する方法および装置であって、この
砂型を取り除き、また砂型の材料を回収して再利用する
向上した方法および装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】シリンダーヘッド、エンジンブロックな
どの中空の金属鋳物を製造する様々な方法および装置が
知られている。アルミニウムの鋳物を製造する従来のプ
ロセスでは、典型的には、ブロックの外面輪郭を内壁に
形成した鋳鉄製の「フラスコ型」の金型を用いる。砂と
有機結合剤との混合物により予め成形され、また鋳物の
内面輪郭をその外表面に形成した砂型が金型内に配備さ
れる。次に、この金型に溶融アルミニウム合金を充填す
る。アルミニウム合金を固化した後、鋳物を金型から取
り外す。未処理のアルミニウム合金は硬度および強度が
所望のレベルに達しないことがあるため、鋳物を熱処理
して金属を強固にまたは硬化する必要がある場合が多
い。従来の製造プロセスでは、鋳物を熱処理する前に、
砂を鋳物の内部から取り除く。作業者が気圧式チゼルで
素材の内部から砂を掘り出す。次に鋳物は「砂落し」シ
ステムに供給され得る。これは、砂をさらに粉砕して鋳
物の内部からふり落とすために鋳物を激しく揺り動かす
振動テーブルである。砂が取り除かれると、鋳物を高温
で加熱し次に焼入れを行うことによって従来の方法で熱
処理する。場合によっては、鋳物をさらに低温で加熱し
アルミニウム合金の「時効」を行う。

【０００４】後で再利用するために、鋳物の内部から取
り除かれた砂を回収することを望む場合は、砂を処理す
るための工程をさらに行わなければならない。チゼルに
より砂の掘り出しおよび鋳物を振り動かすことによって
取り除かれた砂は砂焼却装置に送られ、そこで結合剤が
焼却される。

【０００５】アルミニウム合金の鋳物を製造する従来の
プロセスには多くの欠点がある。チゼルによる堀り出し
および振り落としによって砂を鋳物の内部から取り除く
工程は、その時点では硬化されていないアルミニウム合
金に損傷またはきずを与える結果となることが多い。さ
らに、砂落しプロセスは手作業で行わなければならず従
って労力集約型であるため、製造プロセスのコストが高
くなる。また、再利用のために砂を回収するのに必要な
追加工程は時間がかかり、また労力および設備費が余分
に必要となる。砂を回収するプロセスはコストがかかる
と共に、結合剤の廃棄生成物の取り扱いに関して環境問
題を引き起こす。

【０００６】金属物体を砂型鋳造する従来の方法および
装置に関連する欠点のいくつかを克服するために様々な
努力がなされている。１つの例が米国特許第4,411,709
号に開示されている。ここでは、アルミニウム合金の鋳
物を製造する方法は、砂と有機樹脂結合剤とから形成さ
れる砂型を内部に有する金型に溶融アルミニウム合金を
鋳込む工程を包含する。合金が固化した後、鋳物を振り
動かして砂型を破壊することにより、砂型を形成するた
めに使用した砂の約半分を容易に鋳物から除去し得る。
続いて、鋳物を加熱して、砂型の残りの部分の有機樹脂
結合剤を焼却する。これにより砂の結合が解かれ、残り
の砂の約８０％（砂型全体の約４０％）が重力により鋳
物から落下する。この後、水浴で鋳物の焼入れを行い、
鋳物に水を流すことにより鋳物中の残りの砂を取り除
く。

【０００７】上述の米国特許第4,411,709号に開示され
た方法では、鋳物から砂型を振動により落とすプロセス
が排除されるため、従来の技術より優る利点がいくつか
得られるが、依然として、熱処理の前に鋳物を振り動か
すまたは激しく揺する必要があるため、および砂を回収
して後で再利用するために必要な工程を追加する必要が
あるため不利である。上述の特許はまた、金属の硬度を
高めるための時効硬化プロセスを包含しない。さらに、
上述の米国特許第4,411,709号で開示された方法は、鋳
物から砂を取り除くのに重力に依存するため、結合剤を
焼却した後、平坦なおよび上側が凹形状の表面では砂が
落下せず残留することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
鋳物を熱処理する向上した方法および装置を提供するこ
とである。

【０００９】本発明の他の目的は、砂型を金属鋳物から
取り除く向上した方法および装置を提供することであ
る。

【００１０】本発明の他の目的は、鋳物が損傷する危険
を最小限にする、砂型を金属鋳物から取り除く方法およ
び装置を提供することである。

【００１１】本発明のさらに他の目的は、従来の方法お
よび装置より労力およびコストが少なくてすむ、砂型を
金属鋳物から取り除く方法および装置を提供することで
ある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、砂型材料を再
利用に適した状態で回収するため、回収された砂をさら
に処理する必要がない、砂型を鋳物から取り除く方法お
よび装置を提供することである。

【００１３】本発明の他の目的、特徴、および利点は、
図面および添付の請求の範囲との関連において、以下の
記述により明かとなる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】後に明らかとなるよう
に、本発明は従来の鋳造プロセスに関連する上記のおよ
び他の欠点を克服する。一般には、本発明は、砂型を有
する金属鋳物を熱処理する方法および装置であって、砂
型を取り除き、また砂型の材料を回収して再利用し得る
向上した方法および装置を提供する。本発明の方法およ
び装置によれば、熱処理の前にチゼルにより堀り出しま
たは鋳物を振り動かす必要がないため、これらの工程に
関連して起こる損傷の可能性が排除される。さらに、本
発明は砂を清浄な状態で回収する。

【００１５】より詳しく述べると、本発明は、結合剤に
より結合された砂を含む砂型を有する金属鋳物を熱処理
する装置である。炉は内部に鋳物を受容する作業室を含
む。鋳物と砂型とが、砂型の結合剤を燃焼させるのに十
分な温度に加熱されるように、加熱手段により作業室が
加熱される。これにより結合剤が焼却して砂型の砂のみ
が残る。装置はさらに、砂の一部が鋳物からふるい落と
されるように、鋳物の周りに空気流を通わせる空気通流
手段を備える。作業室内に配置された、例えばスクリー
ンなどの手段が、砂型のうちの、結合剤が燃焼する前に
鋳物からふるい落とされる部分を保持する。炉と連動す
る手段により、鋳物からふるい落とされた砂が集められ
る。このようにして集められた砂には結合剤は含まれ
ず、再利用に適したものとなる。

【００１６】別の局面では、本発明の装置は、加熱され
た鋳物を浸漬させる水を入れるための焼入れタンクを備
えている。このタンクは鋳物内に残された砂がふるい落
とされるように水を攪拌するための攪拌手段を備えてい
る。タンクと連動した集積手段がふるい落とされた砂と
水の一部をタンクから取り除き、水の大部分を砂から分
離する 本発明の別の局面は、結合剤により結合された砂を含む
砂型を有する金属鋳物を熱処理する方法を包含する。内
部に砂型を有する鋳物は、砂型の結合剤を燃焼させるの
に十分な温度に加熱される。これにより結合剤が焼却し
て砂型の砂のみが残る。次に、砂の一部が鋳物からふる
い落とされるように、鋳物の周りに空気流を通わせる。
結合剤材料が燃焼する前に鋳物からふるい落とされる砂
型材料の塊りは炉内で捕獲および保持され、ここで結合
剤材料を燃焼させる。次に、鋳物からふるい落とされた
砂が集められ、このようにして集められた砂には結合剤
材料は含まれず、再利用に適したものとなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図面において、類似した参照番号
は類似した構成要素を示す。図１は、本発明の、金属鋳
物の熱処理および時効を行う装置を示す。本実施態様に
おいては、金属鋳物は従来の方法でアルミニウム合金か
ら鋳造されるシリンダーヘッドである。鋳造プロセスは
当業者には既知であるため、本発明を構成する部分では
ない。従って、鋳造プロセスについては簡単に述べるに
とどまる。

【００１８】鋳造プロセスは、シリンダーヘッドの外面
輪郭が内表面に形成された、鋳鉄製のフラスコ型の金型
を使用する。砂と適切な結合剤とからなり、鋳物の内面
輪郭を画定する砂型が金型内に配備される。適用に応じ
て、結合剤はフェノール樹脂結合剤、フェノールウレタ
ン「コールドボックス」結合剤、または他の適切な有機
結合材料であり得る。次に、金型に溶融アルミニウム合
金を充填する。合金が固化したら、金型から鋳物を取り
出して熱処理および時効を行う。

【００１９】熱処理および時効を行う装置は、熱処理炉
１１と焼入れタンク１２と時効釜１３とを備えている。
本実施態様では、これら３つの構成要素はＵ形状に配置
され、熱処理炉１１がＵ形の一方の脚部、焼入れタンク
１２がＵ形の基部、および時効釜１３がＵ形の他方の脚
部を構成する。しかし、スペースが制約される場合は、
直列形状またはＬ形状の配置もまた使用し得る。

【００２０】図２および図３に示すように、熱処理炉１
１は内部に作業室１５を形成する。炉１１は多くの異な
る領域１６を有する。これら領域の特徴および目的につ
いては後述する。本実施態様では、炉は参照番号１６Ａ
〜Ｈで表わす８つの領域を有する。しかし、領域１６の
数は重要ではなく、炉を分割する領域の数は、個々の適
用に応じてこれより多くても少なくてもよい。

【００２１】炉１１の各領域内には、一対のバーナー１
８が垂直側壁に取り付けられ、対角に配置されて互いに
対向する方向に発火して炉の作業室１５を加熱する。バ
ーナー１８は従来の、中位の速度の適度な空気バーナー
であり、これらは多くの異なる製造業者により市販され
ている。図３に示すように、各バーナー１８は、バーナ
ーに天然ガスを供給するための燃料ライン２０を有す
る。空気ライン２２によってバーナーと連通する燃焼空
気送風装置２１により燃焼空気がバーナーに供給され
る。空気ライン２２内にはバタフライバルブ２３が配置
され、バーナー１８に送風される空気量を制御するよう
に調整され得る。

【００２２】バーナー１８は、炉１１の作業室１５を約
850゜〜1000°Fの温度に加熱するように設計されてい
る。本実施態様では、作業室１５は約980°Fの温度に加
熱される。第１領域１６Ａおよび第４領域から第８領域
１６Ｄ〜Ｈのバタフライバルブ２３は、各々のバーナー
１８に10〜13%の酸素を導入するように調節される。第
２領域１６Ｂおよび第３領域１６Ｃのバタフライバルブ
２３は、各々のバーナー１８に13〜17%の酸素を導入す
るように調節される。各領域１６に送られる酸素の量を
制御する機能と目的については後述する。

【００２３】炉１１はさらに、加熱領域１６の上流側に
配置される予熱室２４を有する。加熱領域１６からの排
気ガスが予熱室２４を通ってこれを約500゜〜700°Fに
加熱する。予熱室２４を加熱するためにバーナーではな
く排気ガスを利用することによって、相当量のエネルギ
ーが節約される。炉１１は上流端部２６に入口ドア２５
および下流端部２８に排出ドア２７を有する。別のドア
２９により予熱室２４が加熱領域１６から分離される。
炉の壁を通しての熱の損失を防ぐために、セラミックフ
ァイバー絶縁層３０が炉の外壁３１の直内側に設けられ
ている。セラミックファイバー絶縁層の内側面には金属
ライナー３２が設けられている。金属ライナー３２の目
的は、飛散する砂の摩耗効果から絶縁層３１を保護する
ことである。これについては後でさらに詳しく述べる。

【００２４】炉１１の作業室１５内には、素材を支持、
および矢印３８により示す移動方向に炉を通って搬送す
るための複数の駆動ローラ３６を有する炉床３４が設け
られている。ローラ炉床３４およびローラ３６の駆動メ
カニズムは当業者には既知の従来の設計のものである。
炉１１の入口および出口位置では、ローラ炉床３４は、
素材を炉へおよび炉から迅速に搬送するための高速クラ
ッチ作動ローラを備えている。さらに、ローラ炉床３４
の、素材を炉の予熱室２４から加熱領域１６に搬送する
部分もまた、高速のクラッチ作動ローラを備えている。
炉１１内に配置されるローラ炉床の大部分は一定の速度
で駆動される。

【００２５】鋳物の炉１１への積載および炉内での搬送
を容易にするために、鋳物をバスケット４０に積み込ん
で、このバスケットをローラ炉床３４に載置して炉を通
して搬送することが行われる。本実施態様では、各バス
ケット４０は40〜50個の素材を保持する。バスケット４
０は開放構造であるため、素材からふるい落とされた砂
はバスケットから自由に落下する。素材から砂を容易に
除去するために、砂がさらに容易に落下するように素材
はバスケット４０内に斜めに配置される。

【００２６】さらにローラ炉床３４について述べれば、
ローラ炉床が炉１１を通して素材を搬送する速度は、装
置１０の生産能力の関数である。従って、炉１１が新し
い素材バスケットを３５分毎に受け入れるようにされた
本実施態様では、ローラ炉床３４は、先行する素材バス
ケットを３５分以内に、次の素材バスケットを炉内に入
れるのに少なくとも十分な距離だけ離れた地点まで搬送
していなければならない。本実施態様では、バスケット
の大きさおよび装置の生産要件に基づいて、ローラ炉床
３４は時速約６フィートの速度で素材を炉１１を通して
搬送する。

【００２７】ローラ炉床３４の速度が与えられると、ド
エル時間、すなわち素材が炉１１の作業室１５内で露出
される時間は炉の長さの関数である。時速６フィートで
移動するローラ炉床３４で素材を６時間熱処理すること
を望む場合は、炉１１の長さは１個のバスケット４０の
長さおよびドア端部の隙間を加えて少なくとも３６フィ
ートなければならない。

【００２８】各領域の垂直中央線には、炉１１の上部４
５に軸流ファン４４が取り付けられている。ファン４４
は対応する領域内の空気を還流させて毎分3000〜5000フ
ィートの空気流を提供する。炉１１の最初の５つの領域
１６Ａ〜Ｅでは、ファン４４は配管４６によって空気を
作業室１５へと下方向に流す。第６領域１６Ｆでは、側
流配管（図示せず）によって空気は素材の周りを平行に
流れる。第７領域１６Ｇでは、ファン４４は空気を作業
室１５内を通って上方向に流す。第８領域１６Ｈでは、
ファン４４は最初の５つの領域１６Ａ〜Ｅと同様の方法
で配管４６によって、空気を作業室１５へと下方向に流
す。各々の領域１６内で空気流パターンを変える理由に
ついては、後に詳しく説明する。

【００２９】炉１１内のローラ炉床３４の下方には複数
のステンレススチール製の樋５０が配備されている。こ
の目的は、作業室１５内で鋳物から落下する砂を集める
ためである。樋５０の内壁は平坦で水平方向に対して４
５°傾いている。壁は、砂が「ブリッジ」を生じること
なく樋５０の底に落下するのに十分な角度とされる。湿
った砂を扱う従来の樋は典型的には６０°の角度の壁を
有するが、炉１１内の樋５０は極めて乾燥した砂のみを
扱うため、４５°以下の角度の壁でも砂が樋にブリッジ
を生じることなく砂を集め得る。

【００３０】最初の３つの領域１６Ａ〜Ｃの各々には、
ローラ炉床３４の下方および樋５０の上方に1/4インチ
のスクリーン５２が配置されている。スクリーン５２は
鋳物からふるい落とされる、1/4インチより大の粒子を
捕獲して、これら大きい粒子が透過して樋５０に落ちる
のを防ぐ。砂型を融合させているフェノール樹脂結合剤
が完全に焼却する前に素材からふるい落とされ得る砂型
材料の塊りはすべてスクリーン５２上に保持される。ス
クリーン５２上に集められた砂型材料の塊りは、炉１１
内の熱および酸素を多く含む空気流に曝されるうちに、
結合剤が焼却し、この時点で塊りが分解する。塊りが1/
4インチより小さい大きさに分解すると、砂はスクリー
ン５２を透過して落下する。

【００３１】スクリーンの目が細かいと、鋳物からふる
い落とされる砂流により詰まることが多いため、1/4イ
ンチより小さい大きさのスクリーンは実用的でないこと
が分かっている。また、所望であれば、スクリーン５２
は領域１６Ａ〜Ｈのすべてにおいて樋５０を横断して配
置し得るが、砂型材料の塊りが鋳物からふるい落とされ
る危険性が最も大きいのは最初の３つの領域１６Ａ〜Ｃ
内であることが分かっている。従って、本実施態様で
は、スクリーンは領域１６Ａ〜Ｃの樋の上方のみに配置
され、残りの領域１６Ｄ〜Ｈの樋の上方にはスクリーン
は必要ない。

【００３２】本実施態様はさらに、樋５０の上方および
スクリーン５２の下方に複数の逆Ｖ字形のバッフル５３
を配備している。スクリーン５２を透過する砂はバッフ
ル５３に突き当り、バッフルの傾斜側面を転がり落ち
る。このようにして、砂の小さい塊りが落下する場合で
も樋５０に落ちる前にさらに破砕される。本実施態様で
は、バッフル５３は下端部に上向きのフランジを有し、
これらフランジによりバッフルは構造的に強固となり、
また砂粒子が樋５０に落下する前に衝突する別の表面が
提供される。

【００３３】図３に示す配管４６についてさらに詳しく
述べると、配管は下端部５５で終結する垂直壁５４を有
する。配管４６の下端部５５とローラ炉床３４との間に
は狭い間隔５６が形成されている。間隔５６の寸法は、
ローラ炉床３４の上方に戻り空気流路が形成されないよ
うに厳密に制御される。代わりに、空気流はローラ３６
間を通り、スクリーン５２およびバッフル５３をかすめ
て通った後、配管４６の垂直壁５４の外側を上方向に戻
る。この空気流の重要性については後述する。

【００３４】スクリューコンベヤーすなわちオーガー５
８の一方の端部が各樋５０の底と連通し、各樋に集まる
砂を取り除く。本実施態様では、スクリューコンベヤー
５８は定期的に運転され樋５０を空にする。砂の大部分
が最初の３つの加熱領域１６Ａ〜Ｃの樋に集められるた
め、これらの領域の樋と連通したオーガー５８は１５分
毎に２分間運転される。残りのスクリューコンベヤー５
８は２５分毎に２分間だけ運転される。すべてのスクリ
ューコンベヤー５８は砂を鋼鉄製の振動砂コンベヤー５
９に空ける。このコンベヤーは、損傷を受けずに900゜F
程度の高温の材料を収容し得る、往復移動を行う鋼鉄製
の床を有する。コンベヤー５９は再生された砂を中央集
積容器６０まで搬送し、ここで再利用のため保管され
る。

【００３５】次に、図４に示すように、熱処理炉の下流
側の端部には焼入れタンク１２が配備されている。焼入
れタンク１２の容量は一度に浸漬される素材の数および
その大きさ、素材を構成する合金の比熱、および素材が
加熱された温度の関数である。好ましくは、焼入れタン
ク１２は、タンクに浸漬される一回分の素材による水温
上昇が１０゜Ｆを超えないように十分な水を貯留すべき
である。本実施態様では、水4,000ガロンの容量を有す
る焼入れタンク１２によってこの要件が満たされる。

【００３６】タンクに素材バスケットを浸漬するため
に、焼入れタンク１２は従来のラックアレンジメント６
２を有する。ラック６２は、素材をラックに送るための
複数の駆動ローラ６４を有する。素材バスケットは、ラ
ック６２が図４に実線で示す上昇位置にあるとき、ラッ
クに積載される。この時点でローラ駆動メカニズムは停
止され、素材を載せたラック６２はエアーシリンダー
（図示せず）によってタンク１２内に下ろされ、素材バ
スケットは図４に点線で示す最も低い位置に到達する。
焼入れタンク１２は完全に自動化され、炉の排出ドア２
７が開口を始めた後１０秒以内には積載物を完全に浸漬
させるように設計されている。焼入れタンク１２は水を
適切な焼入れ温度まで予熱し、各サイクル後に焼入れ温
度に戻すために冷却プレート６６を備えている。焼入れ
タンク１２はまた、タンクの水を攪拌するためのツイン
プロペラ攪拌器６８と方向羽根とを備えている。素材を
約８分間浸漬した後、エアーシリンダーが作動してラッ
ク６２を上昇させ素材をタンク１２から引き上げる。当
業者には周知のように、以上述べた焼入れタンク１２の
特徴のすべては既知である。

【００３７】上述の従来の特徴に加えて、焼入れタンク
１２は、焼入れプロセスの間に素材から解放され得る砂
を回収するための他の特徴を有する。タンク１２は基部
内に樋７２を備えて、鋳物からふるい落とされ水に沈澱
する砂を樋の底に集める。樋７２の底には水密のスクリ
ューオーガー７４が配備され、このオーガーは保持領域
７６と連通している。２重の仕切り板を有するスラリー
ポンプ７８により、保持領域７６の底から材料が吸引さ
れ、振動砂乾燥器８０に搬送される。振動砂乾燥器８０
は従来の設計のものであるため、図面には概略のみを示
す。砂乾燥器８０は振動し回転する150メッシュのスク
リーンを有し、このスクリーンは、水は通すが150メッ
シュより大の粒子物質は通さない。大きすぎてこのスク
リーンの開口部を通過できない粒子物質は振動により砂
コンベヤー５９に移される。スクリーンを透過する水は
落下してスクリーンの下の集水器に収容される。集水器
は３０ガロン容量のタンクと流体連通し、このタンクか
ら水は定期的に焼入れタンク１２に移される。

【００３８】焼入れタンク１２から取り出された素材は
時効釜１３に導入され、析出硬化を行って鋳物の硬度を
増大させる。時効炉は従来の設計のものであるため説明
は簡単にする。図５に示すように、本実施態様の時効釜
１３は４つの領域からなる釜であり作業室８５を有す
る。釜１３は釜外壁８６、セラミックファイバーの絶縁
ブランケット８８、および金属ライナー９０を有する。
釜１３の長さ方向の中心線に沿って配置されたファン９
２により、釜の作業室８５全体に加熱空気が循環する。
作業室８５を通って素材を搬送するために、釜１３は、
素材を釜を通って搬送させるためのローラ炉床９４を有
する。炉１１のローラ炉床３４と同様に、ローラ炉床９
４の、素材を釜１３へ入れるおよび釜から取り出す部分
は、高速のクラッチ作動ローラを備えている。釜１３内
に配置されるローラ炉床９４の大部分は一定の速度で素
材を搬送する。炉１１のローラ炉床３４の速度に関連し
て上記に説明したように、ローラ炉床９４の最低速度は
装置１０の生産要件によって決定される。このようなロ
ーラ炉床９４の必要最低速度による制約が与えられる場
合は、素材が釜１３内に露出される最大ドエル時間は釜
の長さの関数である。本実施態様では、ドエル時間は約
４時間であるが、鋳物に使用される合金および鋳物に必
要とされる特徴に応じて、２０時間までの時効時間に対
しては、より長い釜が所望され得る。

【００３９】釜１３は、釜の内部を加熱するための多く
のバーナー９６を有する。本実施態様では、バーナー９
６は釜の内部を450゜±5゜Fの温度に加熱する。しか
し、時効される合金および所望の硬度に応じて釜内の温
度は250゜〜500゜Fであり得る。

【００４０】時効釜１３は下部分に一連の樋９８を有す
る。しかし、砂のほとんどは熱処理工程および焼入れ工
程の間に取り除かれているため、素材が時効釜１３に導
入されるとき素材に残された砂の量はごく僅かである。
釜１３ではふるい落とされる砂の量は非常に僅かである
ため、砂を自動的に集めて中央再生砂置場に搬送するた
めの設備は設けられていない。これに代わって、樋９８
は比較的長い間隔で釜の定期点検時に空にされ得る。

【００４１】次に装置１０の操作について説明する。鋳
物の溶融アルミニウム合金が固化すると、鋳物は各々の
金型から取り出されバスケット４０の１つに移される。
バスケット４０の各々は40〜50個の素材を保持するのに
十分な大きさであり、前述のように、開放構造であるた
め砂は自由にこれを通り抜ける。素材の空洞部から砂を
容易に取り除くために、素材をバスケット４０内に斜め
に配置すると有利であり得る。

【００４２】素材バスケット４０は炉１１の上流端部２
６でローラ炉床３４上に載置される。炉１１の入口ドア
２５が開口し、高速のクラッチ作動ローラが素材バスケ
ット４０を予熱室２４に搬送する。炉１１からの排気ガ
スが予熱室２４を通り、素材を約380゜Fの温度まで上昇
させる。素材は、先行するバスケットが、次のバスケッ
トを炉内に入れるのに十分な距離だけ離れた地点に移動
するまで予熱室４８内で露出される。従って、本実施態
様では、素材は予熱室で約３５分間露出される。先行す
るバスケットが炉内の離れた地点まで移動して次のバス
ケットが入るのが可能になると、予熱室２４と作業室１
５との間のドア２９が開いて、高速のクラッチ作動ロー
ラがバスケット４０を作業室に搬送する。

【００４３】天然ガス発火バーナー１８により炉１１の
内部が約980゜Fの温度に加熱される。この温度は、鋳物
を熱処理するだけでなく、砂型を融合している有機結合
剤を焼却するのに十分な温度である。従って、鋳物が炉
１１の作業室１５内で加熱されると、結合剤が焼却し砂
型材料からなくなる。結合剤が焼却すると、砂型を構成
する砂が解放される。砂は重力、およびファン４４によ
り炉内に生成される毎分3000〜5000フィートの空気流に
よって鋳物からふるい落とされる。

【００４４】前述のように、８つの領域１６のうちの第
２領域１６Ｂおよび第３領域１６Ｃでは13〜17%の酸素
が、一方残りの領域１６Ａおよび１６Ｄ〜Ｈでは10〜13
%のみの酸素が供給される。このような燃焼の大部分は
第２領域および第３領域で起こることが分かっている。
第１領域１６Ａでは鋳物および砂型は燃焼温度980°Fま
で加熱され、後の領域１６Ｄ〜Ｈでは燃焼は実質的に完
了している。さらに、燃焼の大部分が起こる領域では、
有機結合剤材料の燃焼は約４〜５％の酸素を消費する。
従って、領域１６Ｂおよび１６Ｃのバーナー１８は、結
合材料の燃焼によって消費される酸素を補償するためお
よび燃焼プロセスを促進するために、他の領域に比べて
約４〜５％だけ多い酸素が供給されるように調節され
る。しかし、残りの領域１６Ａおよび１６Ｄ〜Ｆでは、
バーナー１８は領域１６Ｂおよび１６Ｃが必要とするよ
うな過剰量の空気を供給するようには調節されない。加
熱すべき過剰量の空気がないため、燃焼がより少ないこ
れらの領域のバーナーは、炉のすべての領域に過剰量の
空気が供給されると想定した場合に比べて、より効率的
に作動し得る。

【００４５】素材と素材内の砂型とは約１時間にわたっ
て980゜Fの温度に加熱される。素材が980゜Fの「ソー
ク」温度に達すると、素材は炉内にさらに５時間放置さ
れる。従って、炉内には合計６時間露出される。他の適
用では、使用する合金および所望の金属特性に応じて、
ソーク時間は１２時間程に長くてもまたは４時間ほどに
短くてもよい。

【００４６】素材は、最初の５つの領域１６Ａ〜Ｅを通
って搬送されるとき、下向きの空気の乱流に曝される。
素材が第６領域１６Ｆを通過するときは、側流配管によ
り空気は素材の周りを平行に流れる。次に、素材が炉１
１の第７領域１６Ｇを通過するときは、作業室１５を通
って空気を上向きに送る各ファン４４によって生じる上
向きの空気の乱流に曝される。最後に、素材が第８領域
１６Ｈを通過するときは、素材は再び下向きの空気流に
曝される。この一連の下向き、横向き、上向き、および
下向きの乱流により、砂の約８５％を素材からふるい落
とすことができる。

【００４７】当業者には明らかなように、毎分3000〜50
00フィートの空気流によって炉内に飛散する砂粒子によ
り、炉１１の内表面が摩耗する恐れが十分にある。従っ
て、炉のセラミックファイバー絶縁層３１への損傷を防
ぐために、金属ライナー３２を設け得る。

【００４８】鋳物からふるい落とされる砂はバスケット
４０を通り抜けて落下し、ローラ炉床３４のローラ３６
間の間隙を通り、スクリーン５２を透過して、バッフル
５３に衝突して炉床の下方の樋５０に落ちる。炉の最初
の３つの領域にわたって素材からふるい落とされ得る、
有機樹脂により結合されたままの砂の塊りは、樋５０の
上方のスクリーン５２上に捕獲され、炉の熱により残り
の結合剤が焼却するまでここに留まる。残りの結合剤が
焼却すると、砂の塊りは分離し、砂はスクリーン５２を
透過して落ち、バッフル５３に衝突することによりさら
に塊りが砕かれ、樋５０に落ちる。

【００４９】樋５０に落下する砂はスクリューコンベヤ
ー５８によって通常の砂コンベヤー５９まで搬送され、
次にこのコンベヤーが集積容器６０まで搬送し、砂は再
利用される。このように回収される砂は、熱処理プロセ
スの間に有機樹脂が焼却しているため実質的に純粋であ
る。

【００５０】素材が熱処理炉１１の下流端部から退出す
ると、次に焼入れが行われる。焼入れタンク１２内の水
は適切な焼入れ温度に予熱される。鋳物バスケット４０
は駆動されたローラ６４によってラック６２に積載され
る。ラックは、炉の排出ドアが開口を始めた後１０秒以
内に水に浸漬される。素材が浸漬されている間、ツイン
プロペラ６８によりタンク内の水が攪拌され、また方向
羽根により素材の周りの水の流れの向きが決められる。
攪拌された水により素材の空洞に残った砂がすべて素材
から洗い流されタンク１２に流出する。素材は約８分間
浸漬され、この浸漬が終わるとエアーシリンダーの作動
によりラック６２が持ち上げられてタンク１２から取り
出される。素材が焼入れタンクから取り出されたときに
は、残りの砂の実質的にすべてが鋳物から取り除かれて
いる。次に鋳物の時効が行われる。

【００５１】一方、焼入れタンク１２で鋳物から洗い流
された砂は沈澱してタンクの底の樋７２に集められる。
スクリューオーガー７４により砂と水とよりなるスラリ
ーが保持領域７６に搬送され、また２重の仕切り板を有
するポンプ７８によりスラリーは振動砂乾燥器８０へと
移動する。スラリーに含まれる水は振動スクリーンを透
過してスクリーンに隣接した集水器に落下する。このよ
うにして砂から分離した水は保持タンク８２に搬送さ
れ、ここから焼入れタンク１２に戻される。振動スクリ
ーンの上部に残された砂はスクリーンから砂コンベヤー
５９に排出され、ここで炉１１の樋５０からの砂と合流
して再生容器６０へと搬送される。

【００５２】焼入れプロセスが完了すると、素材は時効
釜１３に導入される。バーナー９６が釜１３の作業室８
５を約450゜Fに加熱する。素材バスケット４０はローラ
炉床９４により、釜１３の作業室８５をゆっくりと搬送
され、約４時間にわたって本実施例の釜の温度450゜Fに
曝される。前に示唆したように、時効釜１３内でのドエ
ル時間は、使用される特定の合金および鋳物の所望の金
属特性に応じて４〜１２時間であり得る。作業室８５内
の空気をファン９２によって還流させることにより、素
材の均一な加熱が促進される。時効プロセスの間に素材
からふるい落とされる砂は沈下して釜１３の底の樋９８
に集められる。素材が時効釜１３から送り出されると、
加熱および時効プロセスが終了する。

【００５３】上述の装置１０の操作の説明により理解さ
れるように、本発明の第１の特徴は、鋳物および砂型を
炉１１の熱に露出することによって、砂型を結合してい
るフェノール樹脂を燃焼させることである。このような
燃焼の大部分は８つの領域のうちの第２領域および第３
領域でおこることが分かっている。第１領域１６Ａでは
鋳物および砂型は燃焼温度980°Fまで加熱され、後の領
域１６Ｄ〜Ｈでは燃焼は実質的に完了している。従っ
て、領域１６Ｂおよび１６Ｃのバーナー１８は、これら
バーナーに必要な過剰量の空気が供給されるように調節
され、これによって、これらの領域では燃焼プロセスを
促進するのに十分な酸素が確実に供給されるようにす
る。本実施例では、領域１６Ｂおよび１６Ｃのバーナー
は13〜17%の酸素を供給するように調節される。しか
し、残りの領域１６Ａおよび１６Ｄ〜１６Ｆでは、バー
ナー１８は10〜13%のみの酸素を供給するように調節さ
れる。加熱すべき過剰量の空気がないため、燃焼がより
少ないこれらの領域のバーナーは、炉のすべての領域に
同じ過剰量の空気が供給されると想定した場合に比べ
て、より効率的に作動し得る。

【００５４】上述の実施態様は連続プロセスに関して開
示している。すなわち、素材は装置１０に連続的に導入
される。従って、複数の素材がプロセスの異なる工程で
同時に処理されている。この連続工程では、素材のいく
つかに対して熱処理が行われているとき、同時に他の素
材に対しては焼入れ処理が行われており、さらに他の素
材に対しては時効が行われている。実際、あらゆる特定
の時間において、複数の素材バスケットが炉１１内の様
々な位置で処理されている。いくつかは熱処理プロセス
が始まったばかりであり、一方、いくつかはこのプロセ
スがさらに進んだ位置で処理されている。すべてが装置
内で連続的に前進している。しかし、本発明は、いかな
る所定の時間においても１つのバッチの材料のみが処理
されるバッチ処理にとってもまた同様に適切である。

【００５５】図６は本発明のバッチ式熱処理装置１１０
を開示している。バッチ装置１１０の構成部品のいくつ
かは前述の構成部品と同一であるため前述の参照番号と
同じ参照番号により示す。従って、前述の構成部品は１
００より小さい参照番号によって認識され得る。連続型
の熱処理炉に関連して述べていない構成部品は１００よ
り大きい参照番号によって示す。

【００５６】装置１１０は脚部１１４上に持ち上げれら
れた高架式底開き炉１１１を有する。空気圧、油圧、ま
たは機械的な力によって動力が与えられる昇降メカニズ
ム１１６の動作によって、素材は炉１１１へ上昇および
これから下降される。本実施態様では、昇降メカニズム
１１６は素材バスケット４０をひっかけるためのフック
１１８を備え、これによりバスケット全体が持ち上げら
れ炉に入る。炉の底のスライディングドア１２０は内部
に一対の集砂樋１２２を形成している。樋１２２の上方
に設けられたスクリーン５２により、1/4インチより大
きい粒子が樋に落下するのを防ぐ。空気圧により作動す
る高温のスライディングゲートは、選択的に作動して樋
１２２に集められた砂を排出する。

【００５７】連続炉１１におけるように、バッチ炉１１
０は、炉内の熱を保持するためのセラミックファイバー
絶縁ブランケット１２４、およびこのセラミックファイ
バー絶縁体を飛散する砂から保護するための金属ライナ
ー１２６を備えている。炉の上部に取り付けられたファ
ン４４により毎分3000〜5000フィートの速度で炉内の空
気が還流する。炉１１０の側壁に取り付けられたバーナ
ー１８が炉の作業室１３０を加熱する。バーナー１８は
ここでも120〜160%過剰の空気をバーナーに供給する手
段を有し、この結果、炉内の環境は10〜12%の酸素を含
有する。

【００５８】高架式の炉１１０の下方には一対のトラッ
ク１４０が敷かれている。焼入れタンク１４８と集砂容
器１５０とバスケット移送領域１５２とを備えた焼入れ
タンク兼移送車１４５が、トラック１４０に沿ってホイ
ール１４６上を移動する。移送車１４５は選択的に作動
して、底開き炉の作業室１３０の下方に、バスケット移
送領域１５２、焼入れタンク１４８、または砂集積容器
１５０のいずれかを配置する。

【００５９】焼入れタンク１４８はタンク内の水を適切
な焼入れ温度に予熱するためのヒータを備えている。一
対のプロペラ攪拌器６８により焼入れタンク内の水が還
流される。タンクの底のヒータ１５６は、タンクの内部
を振動砂乾燥器８０と流体連通させるための複数の開口
部を有する。２重の仕切り板を有するポンプ７８は選択
的に作動して、砂を焼入れタンク１４８の底から吸引し
て振動砂乾燥器８０に搬送する。振動砂乾燥器の動作に
ついては既に説明した。振動砂乾燥器８０によって水を
砂から取り除いた後、水を保持タンク８２に吸入し、ま
た砂を集砂容器１５０に搬送する。

【００６０】次にバッチ式の炉１１０の操作について説
明する。鋳物を前述のように形成し各々の金型から取り
出す。鋳物をバスケット４０内に置き、素材バスケット
を焼入れタンク兼移送車１４５のバスケット移送領域１
５２に載置する。次に移送車１４５をトラック１４０に
沿って移動させて、バスケット移送領域１５２を加熱炉
１１１の直下に配置する。炉の底ドア１２０を開口し、
昇降メカニズム１１６を降下させて、昇降メカニズムの
フック１１８によりバスケット４０をひっかける。次に
昇降メカニズム１１６を作動させて素材バスケット４０
を持ち上げて炉１１１の作業室１３０に入れ、炉の底１
２０を閉鎖する。

【００６１】バーナー１８により炉１１１の作業室１３
０が約980゜Fの温度に加熱される。しかし、ここでも、
使用する合金および所望の金属特性に応じて、素材は85
0〜1000゜Fに加熱され得る。バーナー１８には120〜160
%過剰の空気が導入され、得られる炉内の空気が10〜12%
の酸素を含有するようにされる。ファン４４が炉内の空
気を還流させ、毎分3000〜5000フィートの空気流を得
る。

【００６２】鋳物および砂型が加熱されると、樹脂結合
剤が燃焼を始める。解放された砂が空気流によっておよ
び重力によって素材からふるい落とされ、ふるい落とさ
れた砂が樋１２２に落下する。結合剤の成分が完全に焼
却されていない砂型材料の塊りは、樋１２２の上方のス
クリーン５２上に捕獲され、結合剤が焼却するまで保持
される。結合剤が焼却すると、結合が解かれた砂はスク
リーンを透過して落下し、逆Ｖ字型バッフル５３で転が
って樋に落ちる。金属ライナー１２６により炉１１１の
内部が飛散する砂による摩耗から保護される。

【００６３】素材が所望の時間（本実施例では６時間）
にわたって熱処理されると、バーナー１８は閉じられ
る。移送車１４５はトラック１４０に沿って移動して、
焼入れタンク１４８を炉１１１の作業室１３０の直下に
配置し、また炉の底１２０が開口する。次に昇降メカニ
ズム１１６が作動して、素材バスケット４０を焼入れタ
ンク１４８内へ下降させる。素材は所望の時間浸漬さ
れ、この間にツインプロペラ６８によりタンク内の水を
攪拌して鋳物から残りの砂を解放する。このように素材
からふるい落とされた砂はタンク１４８の底に沈澱す
る。焼入れプロセスが終わると、昇降メカニズム１１６
が再び作動して、素材をタンク１４８から持ち上げる。
時効を所望する場合は、炉１１１を約450゜Fに下げて、
バスケットを再び作業室１３０内に持ち上げて炉のドア
１２０を閉鎖する。次に所望の時間だけ素材の時効を行
う。

【００６４】焼入れプロセスが完了すると、移送車１４
５を移動させて、集砂容器１５０を砂樋１２２のスライ
ディングゲートの直下に配置する。ゲートを開口して、
集められた砂を樋から集砂容器に排出する。ここでも、
このように回収された砂は、結合剤材料のすべてが炉の
熱によって焼却されているため、清浄で再利用可能な状
態である。

【００６５】炉１１の作業室１５内に高速の空気流が通
されると、摩耗性の砂粒子が炉内を高速で飛散すること
は当業者には明かである。従って本実施態様では、炉の
内部の過剰な摩耗および損傷を防ぐ特別な予防措置を有
する。例えば、炉の内壁には、摩耗に耐え得る4130合金
よりなる１１ゲージのライナーが配備される。また、フ
ァン４４は作業室１５内の摩耗性の環境に耐え得るよう
に設計された特徴を有する。例えば、飛散する砂粒子は
中空のブレードの穴部を、特に継目にそって摩耗させ、
またブレード内に蓄積することが知られているため、フ
ァン４４のブレードは中空ではない中味の詰まった構造
である。中空のブレード内に少しの砂が蓄積するだけで
ファン４４のバランスが崩れ、ファン駆動メカニズムに
とって致命的な損傷をもたらし得る。別の予防手段とし
ては、ファン４４のブレードの先端部を先細にして砂粒
子を偏向させる方法もある。

【００６６】本発明は、砂型鋳造物の処理のための従来
の方法および装置に勝る以下の著しい利点を提供する。
第１に、熱処理前に砂型材料の大部分を取り除く必要が
なくなる。この結果、砂型を手作業でチゼルにより堀り
出したり、または素材を攪拌および振動させることに伴
う労力、装置、コスト、および素材に損傷またはきずを
もたらす危険が排除される。

【００６７】さらに、砂型材料を炉内の熱および空気流
に曝すことによって、砂型の砂を融合させている樹脂結
合剤が焼却する。実質的にすべての結合剤を確実に燃焼
させるために、スクリーン５２は、特定の大きさより大
きい砂型材料の塊りが炉から落下するのを防ぎ、また十
分な量の結合剤が焼却して塊りが分解しスクリーンを透
過し得るまではこのような塊りを作業室１５内に保持す
る。スクリーン５２を透過し得るほどに十分小さい材料
の塊りは、逆Ｖ字形のバッフル５３に衝突してバッフル
の傾斜した壁に沿って転げ落ち、これにより材料をさら
に個々の砂粒子に分解する。このようにして、砂は清浄
で再利用可能な状態で回収される。

【００６８】結合剤材料が焼却されたという意味では回
収された砂は清浄であるが、設備によっては、砂は再利
用される前にさらに所定の処理を必要とし得る。例え
ば、砂を類別するために再生された砂をふるいにかけ、
砂に混じっている屑を除去することが望ましいことがあ
る。

【００６９】スクリーン５２に保持されている砂の塊り
から結合剤材料を容易に燃焼させるために、本実施態様
の炉１１は、図３の矢印によって示すように、スクリー
ンの周りに富裕酸素化空気が連続して確実に流れるよう
にする。所望の空気流パターンを得るために、配管４６
の壁５４の下端部５５との間の隙間５６の大きさを最小
限に保ち、これにより壁の下端部の周りおよびローラ炉
床３４の上方に空気流路が形成されないようにする。従
って、配管４６を通って下向きに流れる空気は、ローラ
３６間を通り抜けまたスクリーン５２横断する下向きの
流路をたどった後、配管の外表面と炉のライナー３２と
の間を上向きに戻らなければならない。

【００７０】本発明の別の利点は、結合剤の成分が燃焼
するため、固形の廃棄材料の処分に関連する生態学上の
問題が回避される。排気ガスが許容し得ない量の有機物
またはフェニルを含有する場合は、排気ガスをさらに焼
却させることが必要となり得る。このような場合には、
排気ガスが予熱室から排出されると直ちに、1400゜〜14
50゜Fの温度で作動する直列の焼却炉に送り、遊離有機
物すなわちフェニルを焼却し得る。

【００７１】本実施例の炉内の空気の酸素含有量を制御
することにより、樹脂結合剤の焼却に関していくつかの
利点が提供される。炉における、燃焼プロセスの大部分
が行われる領域のみで空気を過剰にバーナーに導入する
ことにより、炉のこれらの領域内では10〜12%の酸素レ
ベルが維持される。このレベルの酸素であれば、砂型を
融合させる有機樹脂結合剤の燃焼が容易となり、これに
より結合剤の破壊が加速され、また廃棄生成物の効果的
な燃焼が促進される。しかし、残りの領域のバーナー
は、燃焼プロセスの大部分が行われる上記領域で必要な
極端な過剰量の空気を供給するようには調整されないた
め、バーナーは効率的に作動し得る。

【００７２】上記に述べた本発明は加熱供給源として天
然ガスバーナーを使用する炉に関して開示した。しか
し、加熱手段の性質は重要ではなく、プロパンバーナ
ー、ガスを燃料とする間接放射ヒータ、電熱器、石油を
燃料とするバーナー、または石炭を燃料とするバーナー
などの他の型の加熱システムも使用し得る。ガスを燃料
とする間接放射ヒータまたは電熱器を使用するときは、
炉内の酸素レベルを所望の10〜12%のレベルに維持する
ために空気注入システムを使用すべきである。

【００７３】また、本実施態様は８つの領域を有する炉
であるが、結合剤の燃焼の大部分は第２領域および第３
領域で行われることから、炉内をこれより多いまたは少
ない数の領域に分けてもよい。このような場合には、結
合剤の燃焼の大部分が行われる正確な領域は、炉内の温
度、鋳物および砂型の大きさおよび形状、鋳物が炉内を
移動する速度、および炉内に導入されるときの鋳物の温
度などを含むがこれらに限定されない様々な要因によっ
て変動し得る。

【００７４】以上、好適な実施態様に即して開示した
が、他の変形も添付のクレームの範囲および精神から離
れることなく当業者により行われ得る。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、金属鋳物を熱処理する
向上した方法および装置を提供することができる。ま
た、砂型を金属鋳物から取り除く向上した方法および装
置を提供することができる。さらに、鋳物が損傷する危
険を最小限にする、砂型を金属鋳物から取り除く方法お
よび装置を提供することができる。さらに、従来の方法
および装置より労力およびコストが少なくてすむ、砂型
を金属鋳物から取り除く方法および装置を提供すること
ができる。さらに、砂型材料を再利用に適した状態で回
収するため、回収された砂をさらに処理する必要がな
い、砂型を鋳物から取り除く方法および装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の、金属鋳物の熱処理、焼入
れ、および時効を行う装置の第１の実施態様の平面図で
ある。

【図２】図２は、図１の装置の熱処理炉の一部破砕側面
図である。

【図３】図３は、図２の熱処理炉の一部破砕端面図であ
る。

【図４】図４は、図１の装置の焼入れタンクの一部破砕
側面図である。

【図５】図５は、図１の装置の時効釜の一部破砕端面図
である。

【図６】図６は、本発明の、金属鋳物の熱処理、焼入
れ、および時効を行う装置の変形実施態様の一部破砕側
面図である。

【符号の説明】

４４ ファン １１ 熱処理炉 ５０ 樋 ６０ 中央集積容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595181221 2871 ＭｃＣｏｌｌｕｍ Ｐａｒｋｗａ ｙ，Ｎ．Ｗ．，Ｋｅｎｎｅｓａｗ，Ｇｅｏ ｒｇｉａ 30144−3651，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ (72)発明者 スコット ピー． クラフトン アメリカ合衆国 ジョージア 30144，ケ ネソー，エッジウォーター レイン 743

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 砂型を有する鋳物を熱処理する方法であ
   って、該砂型は、少なくとも結合剤材料によって結合さ
   れた砂粒子、また鋳物内に、空洞を形成しており、 該砂型をその中に有する該金属鋳物を炉に導入する工程
   と、 該炉を、該結合剤材料の燃焼温度を超える温度に加熱す
   る工程と、 富裕酸素化空気を該加熱炉内に供給する工程と、 該結合材料を燃焼させ、これにより該砂型を構成する該
   砂粒子を該砂型から解放させるために、該富裕酸素化空
   気を有する該加熱炉内に、該砂型をその中に有する該金
   属鋳物を入れる工程と、 該解放された砂粒子を該空洞から取り除く工程と、 該結合材料が燃焼する前に該鋳物からふるい落とされる
   砂型材料の塊りを捕獲する工程と、 該結合剤材料を燃焼させるために、ふるい落とされた砂
   型材料の該塊りを保持する工程と、を包含する方法。