JPWO2016194100A1 - 中子排出装置及び中子排出方法 - Google Patents

Abstract

鋳造成形品粗材中の、水ガラスを含有するバインダーで造形された砂中子に、冷却された加湿ガスを供給することで砂中子の強度を低下させる。

Description

本発明は、中子排出装置及び中子排出方法に係り、更に詳細には、鋳造成形品粗材内の中子の破壊を容易にする中子排出装置及び中子排出方法に関する。

中空品等の鋳造は、鋳砂をバインダーで固めた砂中子を金型内に設置して金属溶湯を供給し、該金属溶湯が凝固したら金型から鋳造成形品粗材を取り出して、衝撃力を加えることで鋳造成形品粗材内の砂中子を破壊して排出することが行われている。

上記鋳砂を固めるバインダーとしては、フェノール樹脂等を用いた有機バインダーや、水ガラスを用いた無機バインダーが知られている。

上記のように、鋳造成形品粗材に衝撃力を加えて砂中子を破壊する方法では、衝撃力を繰り返し与えることで、砂中子が破壊されて排砂口から徐々に排出される。しかし、砂中子の排出には、所定以上の衝撃力を加える必要がある。加えて、鋳砂の排出に伴って鋳造成形品粗材内に残留する鋳砂の密度が低下すると、鋳造成形品粗材内に空隙が生じて内側からの支えがなくなるため、一定の衝撃力を繰り返し与えると、鋳造成形品が塑性変形又は破壊されることがある。

特許文献１の日本国特開平７−３１４１２５号公報には、鋳造成形品粗材を所定の衝撃力で打撃し砂中子を崩壊させた後、該衝撃力よりも小さい衝撃力で打撃して鋳砂を排出することが開示されている。

また、特許文献２の日本国特開平９−１７４１９４公報には、水ガラスを含有するバインダーで造形した砂中子を、鋳造後に水中に没することで砂中子を崩壊させることが開示されている。

日本国特開平７−３１４１２５号公報 日本国特開平９−１７４１９４公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のものにあっては、鋳造成形品粗材内に残留する鋳砂の密度が低下すると、鋳造成形品粗材を介して砂中子に伝わる衝撃力が弱くなってしまう。

特に、砂中子が有機バインダーを用いたものである場合、金属溶湯と接する表面近傍においては、鋳造時の熱によってバインダーが熱分解し崩壊し易くなるが、砂中子内部には樹脂が残存して中子の強度が保たれてしまう。

したがって、衝撃力のみによって砂中子の内部まで完全に破壊し排出することは困難であり、砂中子中心部の有機バインダーまで分解させる熱を加える必要が生じる。

しかし、上記有機バインダーを熱分解するために高温で保持すると、特にシリンダーヘッド等の薄肉の鋳造成形品粗材にあっては、鋳造成形品粗材自体が熱変形してしまうことがある。また、鋳造成形品粗材が肉厚差の大きいものである場合は、冷却時に鋳造成形品粗材の温度差が大きくなって残留応力が発生し、割れが生じることがある。

また、上記特許文献２に記載のものにあっては、鋳造成形品粗材を水中に没するものであるため、冷却速度の調節が困難で、特に薄肉品の場合は残留応力により割れが生じることがある。また、中子排出処理に使用した水が強アルカリ性になり、中和処理が必要となってコストが増大する。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、砂中子の破壊を容易にすると共に、鋳造成形品粗材に残留する応力の調節が可能で、成形品の強度を向上できる中子排出装置及び中子排出方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、水ガラスを含有するバインダーで造形された砂中子に、湿度が付加された加湿ガスを供給することで砂中子の強度を低下させることができ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の中子排出装置は、鋳造成形品内の水ガラスを含有するバインダーを含む砂中子に、加湿ガスを供給する加湿ガス供給装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の中子排出方法は、鋳造成形品内の水ガラスを含有するバインダーを含む砂中子に、加湿ガスを供給し、砂中子の強度を低下させる加湿ガス供給工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、水ガラスを含有するバインダーで造形された砂中子に加湿ガスを供給することとしたため、砂中子を容易に破壊することができると共に、鋳造成形品粗材の冷却速度の調節が可能で、残留応力の発生を抑えつつ、焼入れ効果により鋳造成形品粗材の強度を向上させることができる。

本発明の中子排出装置の一例を示す概略図である。

本発明の中子排出装置及び中子排出方法について詳細に説明する。
本発明は、バインダーを含む砂中子を用いるものであり、該バインダーは水ガラスを含有する。上記水ガラスは、水分の含有量を少なくすることで無機ガラスの性質に近づいて硬化し、水分の含有量を多くすることで粘度が小さくなって流動する性質を有する。

したがって、水ガラスを含むバインダーで結着造形された砂中子は、鋳造時には十分な強度を有する。一方、鋳造成形品粗材からの排出時には、水分を与えることで、水ガラスによる結着力が弱まって砂中子の強度が低下し、弱い衝撃力で、又は鋳造成形品粗材に衝撃力を加えることなく砂中子を破壊することができ、容易に排出することが可能である。

本発明の中子排出装置は、湿度が付加された高湿の加湿ガスを供給する、加湿ガス供給装置を備えるものであり、必要に応じて、上記加湿ガスを回収する回収装置、打撃装置、加振装置等を有して成る。

＜加湿ガス供給装置＞
上記加湿ガス供給装置は、加湿されて高湿となった加湿ガスを、鋳造成形品内の砂中子に供給するものであり、加湿装置、送風装置を備え、必要に応じて、液滴除去装置や供給ノズル等を備える。

上記加湿装置としては、水を沸騰させて湯気を出すスチーム式、水を細かな粒子にしてそのまま吹き出す超音波式、これらを合わせたハイブリット式、また、水を含む多孔質体や水中にガスを通す気化式のいずれであってもよいが、熱効率の観点から超音波式であることが好ましい。

鋳造においては、排熱を利用することが可能であり、高温のガスを利用できる。
したがって、加湿装置が超音波式であると、上記高温のガスに水のミストを接触させることで効率よく加湿することができると共に、上記水のミストによって高温の加湿ガスを所望の温度まで冷却することで加湿ガス中の水蒸気を飽和させることができる。

上記送風装置としては、砂中子に上記加湿ガスを供給できればよく、ファンやブロア等、どのような形式のものであってもかまわないが、圧力比が大きいものであることが好ましい。

上記加湿ガスの風速を高くすることで、水ガラスによる結着力が弱まった鋳砂を吹き飛ばし、砂中子内部まで加湿ガスを到達させることができる。加えて、後述する、高温のガスを回収する回収装置の回収経路に送風装置を設ける必要がなくなり、熱による送風装置の故障を防止できる。

また、上記加湿ガス供給装置は、液滴除去装置を備えることが好ましい。液滴を含む加湿ガスであると、砂中子表面近傍に液膜が生じて加湿ガスが砂中子内部まで到達し難くなることがある。砂中子に加湿ガスを供給する前に、液滴を除去することで加湿ガスが砂中子内部まで透過し、砂中子の表面だけでなく砂中子の内部までも強度を低下させることができ、迅速な砂中子の破壊が可能になる。

上記液滴除去装置としては、デミスターを挙げることができる。デミスターは金属や樹脂等で形成されたニットメッシュで構成される。
加湿ガスが微細な液滴を同伴してデミスターを通過すると、加湿ガス自体はニットメッシュの隙間を通過するが、液滴はメッシュワイヤーの表面に接触する。すると、ワイヤーの濡性と毛細管現象とにより、液滴は一時的にワイヤーに留まるが、表面張力により徐々に液滴径が拡大し、液滴の自重によってワイヤーから落ちることで液滴が除去される。

また、上記加湿ガス供給装置は、供給ノズルを備えることが好ましい。上記供給ノズルを用いて加湿ガスを供給することで、加湿ガスの流量、流速、方向、圧力等の調節が可能になる。
そして、鋳造成形品粗材の排砂口方向に供給ノズルを向け、流速を速くした加湿ガスを供給することで砂中子の自己崩壊と除去が促進される。

上記加湿ガス供給装置によって供給される加湿ガスが含有する水分量は、供給する加湿ガスの温度にもよるが、供給時の温度の飽和水蒸気量に近いことが好ましく、相対湿度８０％以上であることが好ましい。

また、空気が含むことができる水蒸気量には限りがあり、飽和水蒸気量は温度が高いほど多くなるため、水分供給の観点からは加湿ガスの温度が高いことが好ましい。
しかし、本発明は、鋳造成形品粗材の冷却速度をも調節し、鋳造成形品粗材を焼入れするものであり、両者のバランスから供給する加湿ガスの温度は、４０℃〜１００℃であることが好ましく、６０℃〜８０℃であることがより好ましい。

＜回収装置＞
上記回収装置は、鋳造成形品粗材に供給した加湿ガスを回収するものであり、具体的には、鋳造成形品粗材によって熱せられて高温になった高温ガスを回収し、上記加湿ガス供給装置に供給するものである。
上記回収装置はチャンバ、該チャンバと上記加湿装置とを繋ぐ配管等を備える。

上記チャンバは、鋳造成形品粗材に加湿ガスの供給を行う処理ブースを覆うものである。上記チャンバで処理ブースを覆って加湿ガスを供給することで、鋳造成形品粗材で熱せられた高温ガスは、上記配管を通って上記加湿ガス供給装置に供給される。
回収された高温の加湿ガスを、再度加湿・冷却することで、加湿ガス中の水蒸気を飽和させることができる。

＜打撃装置＞
上記打撃装置は、鋳造成形品粗材に衝撃力を加えて砂中子を破壊するものであり、エアハンマ等を使用できる。本発明においては、加湿ガスによって砂中子の強度が低下しているのに加えて、鋳造成形品粗材が加湿ガスによって冷却されて収縮し、砂中子が圧縮されて、さらに破壊され易くなる。
したがって、鋳造成形品粗材に加える衝撃力を小さくすることができると共に、打撃を与える時間・回数を少なくすることができ、衝撃力による鋳造成形品の変形・破壊を防止できると共に、打撃装置の保全費を低減できる。

＜加振装置＞
上記加振装置は、鋳造成形品粗材を振動させ、鋳造成形品粗材の排砂口から破壊された砂中子を排出するものであり、機械式、油圧式、動電型のいずれであってもよい。

以下、本発明を実施形態により詳細に説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。

水ガラスを含有するバインダーによって造形された砂中子を金型に設置して、上記金型内に金属溶湯を供給する。金属溶湯が凝固したら、鋳造成形品粗材１を金型から取り出して、中子を排出する処理ブース２内に鋳造成形品粗材１を置く。このときの鋳造成形品粗材の温度は、３５０℃〜５００℃程度である。

上記処理ブース２は、図１に示すように、チャンバ３で覆われており、該チャンバ３内で鋳造成形品粗材１に加湿ガス４を供給して、砂中子５の強度を低下させる。
上記処理ブース２に複数の鋳造成形品粗材１を置き、並行して複数台に加湿ガス４を供給してもよい。加湿ガス４が含有する水蒸気量には限りがあるため、砂中子５の強度が充分低下するまでに時間がかかることがあり、同時に複数台処理することで、効率よく砂中子５を排出することができる。

上記加湿ガス４は、加湿ガス供給装置６の加湿装置７によって生成される。加湿装置７は、供給される高温空気８中に水のミスト９を噴霧して高温空気８を加湿すると共に４０℃〜１００℃まで冷却する。冷却された加湿ガス４は、デミスター１０を通って水滴が除去される。その後、送風装置１１によって運動エネルギーが与えられ、供給ノズル１２を介して処理ブース２内の鋳造成形品粗材１に供給される。

鋳造成形品粗材１に供給された加湿ガス４は、砂中子５に水分を供給して強度を低下させる一方で、鋳造成形品粗材１によって加熱される。加熱された高温空気８は、回収装置１３によって加湿ガス供給装置６の加湿装置７に供給され、再度加湿されて鋳造成形品粗材１に供給される。

上記砂中子５は、加湿ガス４によって水分が供給されて強度が低下する。加えて、鋳造成形品粗材１は、衝撃力を加えることができる温度まで冷却されるため、図示しない打撃装置によって、速やかに衝撃力を加えることができる。破壊された砂中子５は、図示しない加振装置による振動によって鋳造成形品粗材１から排出される。

本発明の中子排出装置及び中子排出方法は、アルミ合金製のシリンダーヘッド等、薄口でかつ複雑な形状の鋳物製品に好適に使用できる。

１ 鋳造成形品粗材
２ 処理ブース
３ チャンバ
４ 加湿ガス
５ 砂中子
６ 加湿ガス供給装置
７ 加湿装置
８ 高温空気
９ ミスト
１０ デミスター
１１ 送風装置
１２ 供給ノズル
１３ 回収装置

Claims (8)

1. 鋳造成形品粗材から中子を排出する中子排出装置であって、
   上記中子が、水ガラスを含有するバインダーを含む砂中子であり、
   上記鋳造成形品内の砂中子に湿度が付加された加湿ガスを供給する加湿ガス供給装置を備えることを特徴とする中子排出装置。
2. 上記加湿ガスの温度が、４０℃〜１００℃であることを特徴とする請求項１に記載の中子排出装置。
3. 上記加湿ガスは、液滴が除去されたガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の中子排出装置。
4. 砂中子に供給した上記加湿ガスを回収し、上記加湿ガス供給装置に供給する回収装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の中子排出装置。
5. 鋳造成形品粗材から中子を排出する中子排出方法であって、
   上記中子が、水ガラスを含有するバインダーを含む砂中子であり、
   上記鋳造成形品内の砂中子に湿度が付加された加湿ガスを供給する加湿ガス供給工程を有することを特徴とする中子排出方法。
6. 上記加湿ガスの温度が、４０℃〜１００℃であることを特徴とする請求項５に記載の中子排出方法。
7. 上記加湿ガスの供給前に、上記加湿ガスから液滴を除去する液滴除去工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の中子排出方法。
8. 砂中子に供給した上記加湿ガスを回収する回収行程を有し、上記加湿ガス供給工程で回収された上記加湿ガスを用いるものであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの項に記載の中子排出方法。

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