JPS62240138A - 鋳物に使用される押湯のネツクダウンコアの最適形状決定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、鋳物を製造する際に、押湯の付は根に取付け
るネックダウンコアの最適形状の決定法に関するもので
ある。

従来の技術 一般に、鋳造品製作において、鋳型への溶湯鋳込後冷却
までに凝固収縮する性質が問題となっており、特に完成
した鋳物内部に発生してしまう引き巣が大きな問題であ
った。このため、鋳物本体の凝固収縮に伴う不足した分
を補給するため鋳物本体より遅れて凝固する押湯が利用
されている。

第１図（ａ）は、この押湯が利用されている鋳型の断面
を示すものである。同図は、鋳型砂７内に、押湯ｌが満
たされる押湯用スリーブ３が、鋳型本体２が鋳込まれる
空間と直結している構造をしている。特に、該スリーブ
３が設けられる押湯スリ−ブ付根部４の内径とスリーブ
３自体の内径とが同一直径である。

こうした場合、ステンレス鋳鋼のように、鋳物本体の凝
固後、溶断または機械加工等により押湯と鋳物本体との
切断を行なわざるを得ない材質の場合は、上記押湯付根
部４の断面積をいかに縮小するかが作業性改善及びコス
ト低減へつながる。

よって、上記押湯付根部４の断面積縮小のためこの部分
にネックダウンコア（以下単に「コア」と呼ぶ）を取り
付けることが知られている。第１図（ｂ）には、第１図
（ａ）の構造に該ネックダウンコア５を取り付けた押湯
構造の断面図を示す。このコアにより押湯付根部の断面
積縮小が達成される。

このコアを設けることによる効果は、上記断面積縮小の
他に、もし、コアの厚み及び内径が適切であれば、押湯
スリーブ内の溶湯熱及び鋳物本体の溶湯熱により加熱さ
れるコアが、一定時間経過後、そのコア表面温度におい
て、溶湯の凝固点用」二に達し、その後、コア近傍より
溶湯の凝固は進行せず、コアがない場合と同じ状態が得
られることにある。第２図はこのようなコアを用いた場
合の一定時間経過後の凝固の状態を示している。同図よ
り明らかなように、スリーブ３内側部及び鋳物本体型の
上下面部に溶湯の凝固層８が現われ始め、コア５上面、
下面は内径部端より外径部端へ向って序々に現われ始め
ている。さらには、鋳物本体中心領域からコア５の内径
部６は溶湯の未凝固層９となっていることがわかる。こ
のため、コア内径からの凝固が進行しないため押湯スリ
ーブ３から鋳物本体への溶湯補給が可能となっている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、これらネックダウンコアを使用するにあたって
、後述するような種々の問題点があり、高品質要求品、
多品種少量品などの試作ができない鋳造品などにはリス
クが大きく使用できない欠点を有していた。

すなわち、所望鋳物本体の大きさに応じてその熱容量が
異ってくるが、それに対してコア内径部の溶湯の凝固進
行が鋳物本体の溶湯凝固進行よりも遅れるようにすべく
適切な熱容量を有するコアの厚みを求めることは非常に
難しい解析が必要である。さらには、例えコア内径部の
溶湯の凝固進行があったとしても、鋳物本体の凝固完了
時点までは、コア内径部の溶湯凝固はその開口部を完全
に閉塞しない程度のものでなければならない。よって、
上記コアの厚みと共に、その内径寸法も非常に重要な設
計要素となっている。

このため、コア厚みを非常に薄くする設計が行われてき
た。その結果、押湯効果は認められるものの、例えばコ
ア材質が通常の鋳型川砂（珪砂）である場合、コアが鋳
型製造中に割れたり、鋳込時に割れて変形し製品の欠肉
を招くことが多かった。この状態を模式的に第３図に示
す。第３図より明らかなように、変化したコア５が鋳物
本体へ落ち込み、欠肉部１０が生じることがわかる。ま
た、第４図に示すように、このような薄いコアを用いた
場合における凝固後の押湯切断時には、コアを引き抜い
た後にできるネック部５゛は厚さ方向の寸法が小さいた
め、溶接棒、溶断棒等の切断器具がネック部５゛へ挿入
できないため切断作業性が悪い欠点があった。

第２の従来ネックダウンコアの問題点は、コア部の凝固
を遅らせるため及び上記コア欠陥を改善する意味におい
ても、コア材質として低熱伝導性材を用いることが考え
られてきたことに由来する。

このような低熱伝導性コアは、余分な弾性を有してしま
い、造型時に寸法変形が生じてしまう。特に、高圧力を
用いて砂をつき固める方法で造型した場合、スプリング
バックでコアが下がったり、脱落することが多く、それ
らの修正のために長時間を費やさなければならない。第
５図には、このスプリングバックでコア５が下がった部
分１２の例が示されている。さらには、これらの低熱伝
導性材はある程度の熱膨張係数を有しており、注湯時の
溶湯熱で熱膨張をきたしてしまう。よって、コアが鋳物
本体側へ突出して欠肉させる欠点があった。第６図には
、熱膨張により突出したコア部１３が示されている。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記押湯に用いられるネックダウンコアの問
題点を解決し、鋳物に使用される押湯のネックダウンコ
アの最適形状決定法を促供するものである。

本発明では、上記問題点を解決するために下記のような
考え方に基いて、ネックダウンコアの改善及び最適形状
決定法を見出した。

１）　コア材質は、上述したような造型時の作業性、鋳
込時の欠肉の危険性を考慮し、低熱伝導性材料を用いず
、通常の鋳物砂を用いる。

２）　熱解析により、溶湯、コア材特有の係数を実験に
より決定し、溶湯、コア部等の経時的温度分布を得、コ
アの厚さを決定する。

３）　コアの内径が溶湯凝固により閉塞せずに常に開口
させるべく、所望される鋳物の厚さに適応したコア内径
を決定し、これらコアの厚さ及び内径を最適形状として
最終決定する。

上記第２）項の目的達成のため、本発明者等は、ネック
ダウンコア近傍の凝固状況を数値的に解析するため、第
７図（ａ）に示されるネックダウンコアが設けられたモ
デルを用いて熱伝導計算を行なった。また、第７図（ａ
）のモデルを用いての熱伝導計算のため、このモデルを
第７図（ｂ）のように９０°回転して座標化し、さらに
計算簡略化のためにコアに開口がないと仮定する。具体
的に、座標化されたコア及び溶湯の断面が第７図（Ｃ）
に示されている。

第７図（Ｃ）には、該断面の各部位における、温度θ、
熱導入度λ、比熱Ｃ１比重量Ｔ、熱伝達度α（α−λ／
Ｃｒ）が示されている。特に、座標の中心Ｏはコア５の
厚み方向の中心に位置され、ｙ軸は同図中におけるコア
５の中心軸に沿っている。すなわち、コア５の厚みを２
１とした場合、コア５と溶湯（又は鋳物本体）との境界
はＯを中心としてＸ軸上の矛、及び−ｌの位置にある。

尚、上記各係数の添字１はコア部、添字２は溶湯部を表
わしている。

以上により、該モデルにおける熱伝導計算を下記の如く
行なった（下記式中、ｔは時間を示す）。

これを解けば、 （ｘ　＞　ｊ！　）　　　　　　（５）（誤差関数） 上記式中、式（１）（２）は熱伝導の微分方程式を示し
、式（３）には初期条件及び境界条件が示されている。

よって、式（３）を微分方程式（１）（２）へ代入し、
解くことによって、式（４）にコア部の温度θ１、式（
５）（６）にコア５の両側にふける溶湯の温度θ２及び
θ２が得られる。尚、上記熱伝導計算は、日本鋳物協会
編「鋳物便覧」改訂３版（１９７３年丸善）　、　１５
６゜１６１、１６２頁を参照し、行なわれた。

これら式（４）（５）（６）の各々に、下記第１表の具
体的係数値を代入し、コア表面の温度及びコア近傍の溶
湯温度の経時的変化を求めた。この計算結果のグラフ化
したものを第８図に示す。

第１表 参考文献−日本鋳鍛鋼会 発熱パッド使用に関する技術研究 報告（第１報）昭和５７年ｐ１７７ 第８図のグラフより、コア厚が厚い程、コア近傍または
コア内径部における溶湯温度はより速く降下している傾
向が現われている。

以上のデータを基に、上記第３）項の所望の鋳物の厚さ
に対応したコアの最大許容厚さ及び最小内径を求める。

この場合、鋳物の凝固が完了するまで、コア内径部が開
口している必要があり、特に鋳物の内部凝固完了時点近
傍で引き巣等を避けるべく押湯の効果が充分発揮される
様に、コア開口部に凝固層が無いことが望まれる。

本発明者等は、上記条件を満足させるべく検討を重ねた
。例えば、コア厚２０ｍｍの場合を考える。

この場合、第８図より明らかなように、鋳込後３９６秒
して、コア表面温度は凝固温度１４７５℃に達している
。この様子を具体化したグラフを第９図に示す。さらに
は、この時点以後、鋳物が凝固し一定時間経過したあと
でなければコアの開口部は凝固しないことも予想される
。一般に、鋳込後の鋳物部は鋳型壁側より凝固が進行し
、チポリノフの法則に従うことが知られている。すなわ
ち、下記の式（７）　（８）に従う。

板部の凝固：ε−ｑ　（Ｔ　　　　　　　　　　（？）
円柱部（押湯部）の凝固： ε、　　（１−）−Ｑ　、／Ｔ　　　　　　（８）ここ
で、第１０図（ｂ）及び（Ｃ）に示されるようにε、ε
、は各々の凝固層の厚み、Ｄは押湯部の直径、ｔは時間
、ｑは凝固定数をそれぞれ示している。

例えば、ステンレス鋼（ＪＩＳ　Ｇ５１２１５Ｃ３Ｉ３
）の場合の凝固状態は、上記チポリノフの法則に従い、
第１０図（ａ）のグラフの如く得られる（係数は実験に
より求めた）。このグラフより、３９６秒経過後２４．
５ｍｍの凝固層が形成されることが判明する。さらに、
この凝固は、鋳物部の両端より進むと考えられるため、
３９６秒後には併せて４９＋＋ｕｎの凝固層が形成され
ることになる。換言すれば、所望の鋳物の厚みが４９ｍ
ｍであれば、厚み２０＋ｎｍを有したコアを用いた場合
、鋳物内部の凝固完了時点までコア内径部は凝固せずに
完全に開口していることになる。しかし、所望の鋳物の
厚みが４９ｍ＋ｎの場合、上記した第８図のグラフ特性
であるコア厚が厚い程、コア近傍またはコア内径部にお
ける溶湯温度はより速く降下する傾向からみて、コア厚
みを２０＋ｎｍ以上にすれば、鋳物内部の凝固完了時点
までの間に、コア内径部に凝固層が形成されてしまい、
押湯の効果が削減されてしまう。

逆に、コア厚みを２０ｍｍ以下とすると、鋳物内部の凝
固完了時点及びその以後のある一定時までコア内径は凝
固層が形成されず完全に開口している。

しかし、これはコアを最大限厚くするという本発明の目
的より逸れてしまうため、所望の鋳物の厚さが４９ｍｍ
の時のコア最大許容厚みは２０＋＋ｉｎと決定し得る。

さらに、コア内径部の溶湯は三方向より加熱され、鋳物
本体の凝固形態とは多少異なると考えられる。しかし、
コア内径部内の溶湯は鋳物本体部と同様の凝固速さで進
むと仮定すれば、先のようにチポリノフの法則に従って
鋳物本体内溶湯が２４．５ｍｍ凝固した時、同時にコア
内径部でも片側２４．５ｍｍ凝固が進むと考えられる。

よって、所望鋳物の厚さが４９ｍｍの場合、コア内径を
４９ｍｍ以上にすれば、該鋳物内部の凝固完了時までコ
ア内径部内の溶湯は凝固しつつも、完全には該内径を閉
塞せず、安全圏内の値といえる。すなわち、コア内径の
最小値は所望鋳物の厚さと同一寸法と決定し得る。

第１１図のグラフは、上記の方法により求めた、鋳物肉
厚とコア最大許容厚及びコア最小内径の関係を示す。

新月 本発明によれば、予め試作することなしに上記計算によ
り、押湯用ネックダウンコア寸法、すなわち、コア厚の
最大許容値及びコア内径の必要最小値が求められる。該
ネックダウンコアの材質は鋳型と同一の砂が使用でき、
例えば珪砂をはじめ、クロマイトサンド、ジルコンサン
ド、アルミナサンド等が挙げられる。さらには、フラン
造型法、シェルモールド法等の造型法によるコアでも、
本発明方法は適用できる。また、ロストワックス法、イ
ンベストメント法等の高温鋳型へにも本発明方法により
決定されるネックダウンコアは使用可能である。このよ
うにして、鋳型製作及び押湯切断の作業性を改善でき、
しかも鋳肌が整い、鋳物本体と押湯下の差が最小限に抑
えられる。ひいては本発明の方法によって、コア製作費
用削減へつながる。

実施例 本発明による一実施例を以下述べる。第１２図は、本実
施例で用いられたネックダウンコア付き鋳型モデルの断
面図である。同図中、前出図面の参照番号と同一番号の
ものは、同一構成部分であるが、湯口１４及びセキ１５
が追加されている。実施条件を下の第２表に示す。

第２表 本実施例では、板状鋳物本体２の直径３００ｍｍ、厚さ
を７０ｍｍ、及びネックダウンコア５の内径５０＋ｎｍ
として固定し、コア５の厚みのみを１０．２０．３０ｍ
ｍと変化させた。

鋳込後の一定時間経過後鋳型を反転し未凝固の溶湯を鋳
型外へ流出させる。さらに、常温まで冷却後鋳造品を縦
方向に２分割して凝固層形態を観察した。

その結果を、第１３図の（ａ）から（ｆ）に示す。

板厚７０ｍｍの鋳造品に対し、１０＋ｎｍのコアを使用
した場合の、７分後及び１１分後の凝固状態を第１３図
（ａ）及び（ｂ）に示し、同一厚みの鋳造品に対し、２
０ｍｍのコアを使用した場合の、３分後及び７分３０秒
後の凝固状態を第１３図（Ｃ）及び（ｄ）に示す。同図
より明らかな如く、いずれの場合もコア上下面に凝固層
が形成されるがコア内径内には凝固層がなく開口してい
る。また、図示しないが、上記のように、凝固の途中で
溶湯を流し出さず鋳物を完成してみた場合、その凝固完
了後の該本体には、空隙は観察されなかった。これは、
コア部温度が凝固意思上に上昇し、少なくとも鋳物本体
の凝固完了までコア内径部の凝固がなく、最後まて押湯
から該本体部へ溶湯補給が行われていたと考えられる。

一方、３０ｍｍ厚のコアを使用した場合の、２分３０秒
後、及び７分後の凝固状態を第１３図（ｅ）及び（ｆ）
に示す。

同図より明らかな如く、２分３０秒後には、コア上下面
はもちろん、コア内径部にも凝固が進んでいるこが観察
され、７分後には、少量であるが鋳物本体に空隙を残し
たまま、コア内径は完全に凝固している。これは、７０
ｍｍ厚の鋳物に対しては、第１１図より明らかなように
少なくとも２８ｍｍ以下の厚みのコアが必要であったた
めである。よって、鋳物本体部凝固完了以前にコア内径
の溶湯凝固が進み、開口部を閉塞してしまい溶湯補給が
なされなかったと考えられる。その結果、空隙を生じた
と考えられる。

本実施例は、所望鋳物本体の厚みが７０ｍｍであるので
、本発明効果を期待するには、第１１図よりコア内径を
７０ｍｍ以上としなければならないものを、上記のよう
に５０ｍｍとして、より本発明効果を実証したことを意
味する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（Ｉ））は、従来の押湯構造鋳型の断
面図及びネックダウンコア付押湯構造鋳型の断面図を示
し、 第２図は、ネックダウンコア付鋳型における溶湯の凝固
状態を示し、 第３図は、従来のネックダウンコアによる鋳物本体の欠
肉する例を示し、 第４図は、従来のネックダウンコアによるネック部へ切
断器具が入らない例を示し、 第５図及び第６図は、従来ネックダウンコアの欠点を示
し、 第７図（ａ）、ら）、（Ｃ）は本発明に用いられる押湯
用ネックダウンコア付釦型の凝固解析のためのモデルを
示し、 第８図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、ω）、（ｅ）は、コア
近傍の溶湯温度分布を示し、 第９図は、コア厚２０ｍｍの場合のコア近傍溶湯温度状
況を示し、 第１０図（ａ）は、本発明に用いられるチポリノフの法
則に基く凝固速さを示すグラフであり、第１Ｏ図ら）お
よび（Ｃ）は、第１０図（ａ）のグラフを求めるために
使われた部材の形状を示し、 第１１図は、鋳物肉厚とコアの最大許容厚さ及びコアの
最小内径の関係を示すグラフであり、’：ｉ’、　１２
図は、実施例に用いられたモデルを示し、第１３図（ａ
）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（［）は、実施
例の結果得られた溶湯の凝固状態を示している。 （主な参照番号） １・・押湯部、　　　　２・・鋳物部、３・・押湯部ス
リーブ、４・・押湯付根、５・・ネックダウンコア、 ６・・ネックダウンコア内径、 ７・・鋳型砂、　　　　８・・凝固層、９・・空隙 特許出願人　　住友重機械工業株式会社復代理人　　　
弁理士　新居　正彦 朗 会− ぜ ト　　　　　　　　　　　　　−　ヮ　ト１・・押湯部
　　　　　２・鋳燗部 ３・・・押潰スリーフ゛５−゛ネツタダウン６・・・ネ
ックタ゛つ〉コア四イ蚤　７・°゛鋳型板第１２図 １・・・押湯部 ２・・儒物部 ５・・・ネックダウンコア ６・・・・ネックタ゛ウンコ７内掻 ７・・・・儲型砂

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）砂型を使用して製作する開口部を有したネックダ
   ウンコア形成方法において、所望鋳物用溶湯中のネック
   ダウンコアのモデルを想定し、該ネックダウンコア及び
   その両側面近傍における溶湯についての熱伝導方程式を
   たて該当する初期条件及び境界条件を該熱伝導方程式へ
   代入することにより解き該ネックダウンコア近傍の溶湯
   温度の経時的変化データを得ることより該ネックダウン
   コアの厚みを決定し、チポリノフの法則を用い該溶湯の
   凝固進行速度データを得、該溶湯温度の経時的変化デー
   タ及び該溶湯の凝固進行速度データの経時的一致点解析
   により該ネックダウンコアの開口径を決定することを特
   徴とする鋳物に使用される押湯のネックダウンコアの最
   適形状決定法。