TWI583458B - 消失模型鑄造方法 - Google Patents
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Description
本發明有關一種用以鑄造具有孔洞之鑄物的消失模型鑄造方法。
按，作為與一般之砂模鑄造相比較尺寸精度更為優異之鑄物的鑄造方法，已開發的有例如包模鑄造法(別名：脫蠟法)、石膏鑄模鑄造法、以及消失模型鑄造法等等。
其中尤以消失模型鑄造法，被認為是最適於用以藉由鑄造而在鑄物之內部形成孔洞(稱為「鑄孔」)。此處，消失模型鑄造法係將於發泡模型之表面塗佈以塗模劑而成之鑄模埋於鑄砂之中後，在鑄模內注入金屬之熔液，令發泡模型消失而以該熔液置換之，藉而鑄造鑄物之方法。
專利文獻1揭示一種消失模型鑄造法，其係相應於模型之係數(模型之體積÷模型之表面積)而設定鑄造時之鑄造時間。
〔專利文獻1〕日本特開2011-110577號公報
且說此類消失模型鑄造法之中，於鑄造中(凝固進行中)，相對塗佈於發泡模型孔洞部之表面之塗模劑、及填充於孔洞部之內部之鑄砂，會有來自周圍之熱負荷及來自熔液之各種外力作用於其上。又，發泡模型之孔洞部，係藉由鑄孔而形成孔洞之部分。因此，如概念圖之第11圖所示，孔洞部23之孔端部23a或是中央部23b處之塗模劑24會有所損傷，以致會有熔液26滲出至孔洞部23內部填充之鑄砂25之情事。特別是鑄成直徑18mm以下之細孔時，因塗模劑24之發生損傷，會產生熔液26與鑄砂25熔黏之「熔傷」，以致難以形成完工狀態良好之細孔。
因此，通常直徑18mm以下且長度50mm以上之細孔並非利用鑄孔法來形成，而是對於鑄物隨後以機械加工來開設細孔。或是，進行數次之試作，在決定塗模劑之材質或鑄造條件(注入熔液時之熔液溫度)後，再鑄成直徑18mm以下且長度50mm以上之細孔，但卻難以進行安定之製造。
本發明之目的係在提供一種可以良好之完工狀態鑄成直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的消失模型鑄造方法。
本發明消失模型鑄造方法，係將於發泡模型之表面塗佈塗模劑而成之鑄模埋入鑄砂之中後，於上述鑄模內注入金屬熔液，令上述發泡模型消失而與上述熔液置換，而據以鑄造鑄物；其特徵在於：藉由鑄造而於上述鑄物中形成直徑18mm以下之孔洞，且若設作為上述孔洞形成之部分的上述發泡模型之孔洞部的直徑為D(mm)、加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之上述塗模劑的抗彎強度為σc(MPa)時，塗佈於上述發泡模型之上述塗模劑之厚度設為1mm以上，且使用符合下式之上述塗模劑：σc≧-0.36+140/D2。
根據本發明，於利用鑄造在鑄物中形成直徑18mm以下之孔洞時，係使塗佈於發泡模型之塗模劑之厚度在1mm以上，且使用符合上式之塗模劑。塗模劑之高溫強度難以直接測定，而且常溫之塗模劑的抗彎強度與塗模劑的高溫強度之相關性小。因此，代替高溫下之塗模劑之強度，若使用加熱至樹脂分解後恢復至常溫之塗模劑的抗彎強度，可獲得上式。是以，藉由使用符合上式之塗模
劑，並使塗佈於發泡模型之塗模劑之厚度在1mm以上，即便是鑄造具有直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物，也可使塗模劑無損傷。藉此，鑄造時熔傷不會發生，因此可鑄成直徑18mm以下且長度100mm以上且完工狀態良好之細孔。
1‧‧‧鑄模
2‧‧‧發泡模型
3‧‧‧孔洞部
3a‧‧‧孔洞端部
4‧‧‧塗模劑
4a‧‧‧端部
5‧‧‧鑄砂
6‧‧‧熔液
23‧‧‧孔洞部
23a‧‧‧孔洞端部
23b‧‧‧中央部
24‧‧‧塗模劑
25‧‧‧鑄砂
26‧‧‧熔液
第1A圖係鑄模之俯視圖。
第1B圖係鑄模之側視圖。
第2圖係鑄模之側視圖。
第3圖係第2圖之A-A剖視圖。
第4圖係第2圖之重要部位B之放大圖。
第5圖係鑄模之側視圖。
第6圖係第5圖之C-C剖視圖。
第7圖係第5圖之重要部位D之放大圖。
第8圖係表示塗模劑之種類與平均鑄孔可能直徑的關係之圖。
第9圖係表示經乾燥之塗模劑常溫下之抗彎強度與鑄孔可能直徑的關係之圖。
第10圖係表示加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度與鑄孔可能直徑的關係之圖。
第11圖係利用消失模型鑄造法進行鑄造之概念圖。
以下，兹就本發明之較佳實施方式，參照圖面進行說明。
(消失模型鑄造方法)
根據本發明實施方式之消失模型鑄造方法，係將於發泡模型之表面塗佈塗模劑而成之鑄模埋入鑄砂(乾燥砂)之中後，於上述鑄模內注入金屬熔液，令上述發泡模型消失而與上述熔液置換，而鑄造鑄物之方法。此一消失模型鑄造方法，被認為是利用「鑄孔」來鑄造具有例如直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物之最適性方法。
消失模型鑄造方法具有：將金屬(鑄鐵)熔解而形成熔液之溶解步驟；將發泡模型成形之成形步驟；以及於發泡模型之表面塗佈以塗模劑而形成鑄模之塗佈步驟。進而，消失模型鑄造方法又具有：將鑄模埋於鑄砂之中並將鑄砂填充至鑄模的各個角落之造型步驟；藉由於鑄模內注入熔液(熔融金屬)，而將發泡模型熔解並與熔液置換之澆鑄步驟；將注入鑄模內之熔液冷卻而予形成為鑄物之冷卻步驟；以及將鑄物與鑄砂分離之分離步驟。
有關形成熔液之金屬，可使用灰口鑄鐵(JIS G 5501：1995 FC250)或片狀石墨鑄鐵(JIS G 5501：1995 FC300)等。又，作為發泡模型，可使用發泡苯乙烯等之發泡樹脂。又，作為塗模劑可使用二氧化矽系骨材之
塗模劑等。又，作為鑄砂，可使用以SiO2為主成分之「矽砂」、鋯砂、鉻鐵礦砂、或合成陶瓷砂等。又，鑄砂中可添加黏結劑或硬化劑。
於此，本實施方式中，塗佈於發泡模型之塗模劑之厚度係設為1mm以上。又，塗模劑之厚度宜為3mm以下。這是因為塗模劑之厚度若為3mm以上，則塗模劑之塗佈及乾燥有必要重複3次以上因而費工，而且厚度也易於變得不均一所致。又，使用符合下式(1)之塗模劑。
σc≧-0.36+140/D2‧‧‧式(1)
其中，D係發泡模型之孔洞部之直徑(mm)，σc係加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度(彎曲強度)(MPa)。又，發泡模型之孔洞部，係指利用鑄孔而形成孔洞之部分。
此處，如俯視圖之第1A圖及側視圖之第1B圖所示，係考慮使用於長方體之發泡模型2之中央部，自上面以至下面貫通設有直徑D(mm)且長度l(mm)之孔洞部3的鑄模1，來鑄造具有直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物之情況。另，孔洞部3係設置成於其孔洞端部3a與發泡模型2之面之間形成角隅。亦即，孔洞端部3a並未被施予倒角等之加工。又，孔洞部3之直徑D係指夾著孔洞部3之中心線之孔洞部3的表面間之長度，並非孔洞部3之表面上所塗佈的塗模劑之表面
間之長度。
於此，細孔之直徑宜為10mm以上。又，細孔之直徑更好的是18mm以下。這是因為，若是在直徑10mm之細孔的表面塗佈厚度3mm之塗模劑，則細孔之內側之空間的內徑將會成為4mm，而難以在細孔之內部置入鑄砂所致。
首先，根據基本之鑄造條件，預測發泡模型2之孔洞部3的表面所塗佈之塗模劑上作用之負荷。此處，在細孔沿鉛直方向設置之情況，孔洞部3之孔洞端部3a所塗佈之塗模劑上會有以下之外力作用。
(1)熔液之靜壓(σp)
(2)熔液之流動所造成之動壓(σm)
(3)塗模劑與熔液凝固時之熱收縮‧膨脹差(σthout)
(4)孔洞部3內之鑄砂與塗模劑之熱收縮‧膨脹差(σthin)
(5)發泡模型之燃燒所發生之氣體之壓力(Pgout)(σgout)
(6)發泡模型之燃燒所發生之氣體滯留於孔洞部3之內部所生之內壓(Pgin)(σgin)
因此，若設與熔液(熔融金屬)之溫度同等級之高溫下的塗模劑之強度為σb，而下式(2)成立的話，可在沒有塗模劑之損傷所造成之熔液與鑄砂的「熔傷」下進行「鑄孔」。
σb>σp+σm+σthout+σthin+σgout+σgin‧‧‧式(2)
以下，針對上述各外力進行研討。
(熔液之靜壓)
如鑄模1之側視圖即第2圖所示，若令發泡模型2消失而與熔液6置換，則發泡模型2之周圍填充之鑄砂5將會受到熔液6之靜壓。第2圖之A-A剖視圖即第3圖所示，孔洞部3之表面所塗佈之塗模劑4將會在周向受到壓縮力。
此處，發泡模型2之周圍所填充之鑄砂5之量若是充分時，如第2圖之重要部位B之放大圖即第4圖所示，孔洞端部3a上所塗佈之塗模劑4中，熔液6之靜壓與來自鑄砂5之反作用力將會平衡。因此，可忽視孔洞部3之軸向之負荷。
另一方面，當孔洞部3之內部所填充之鑄砂5之量不夠充分時，孔洞端部3a處所塗佈之塗模劑4上將會有源自熔液6之靜壓(浮力)之彎曲應力作用。
此處，若設孔洞部3之直徑為D(mm)，重力加速度為g、熔液6之密度為ρm(kg/mm3)時，則熔液6之靜壓所造成之對於孔洞部3(半圓)之外力w(N/mm)若以平均壓頭差(熔液之澆注口與孔洞部3在鉛直方向高度之差)為h(mm)，可由次式(3)求得。又，熔液之澆注口係指較孔洞部為上方，開口於包圍發泡模型之鑄砂，且供熔液注入之部位。
w=ρ mgh×ʃ(D/2sinθ×θ)dθ=ρ mghD/2×ʃsin2θdθ=ρ mghD/2〔θ/2-sin2θ/4〕=(π/4)ρ mghD‧‧‧式(3)
因熔液6之靜壓，塗佈於孔洞部3之表面的厚度t(mm)之塗模劑4上作用之應力，若假定並無來自填充於孔洞部3內部的鑄砂5之反作用力而近似平板時，根據樑理論成為次式(4)之σp(MPa)。
σp≒M/I×t/2=(π/8)ρ mghl2/t2‧‧‧式(4)
此處，M係作用於孔洞部3兩端之力矩，I係半圓筒之截面2次力矩。
M=(π/48)ρ mghDl2 I=Dt3/12
(熔液之流動所造成之動壓)
熔液之流動所造成之動壓，若以熔液之流動徐緩為前提則可忽視。
(塗模劑與熔液凝固時之熱收縮‧膨脹差)
線膨脹率係以鑄鐵較鑄砂為大。因此，塗模劑與熔液凝固時之熱收縮‧膨脹差，將會對塗模劑之軸向賦予壓縮力。此一壓縮力雖可能成為塗模劑所形成之圓管因挫曲而破壞之原因，但可認為其小至可忽略之程度。又，塗模劑之周向之應力亦可忽略。
(孔洞部內之鑄砂與塗模劑之熱收縮‧膨脹差)
孔洞部3內之鑄砂或塗模劑，其溫度變化較熔液為小。因此，源自孔洞部3內之鑄砂與塗模劑之熱收縮‧膨脹差的影響，較塗模劑與熔液凝固時之熱收縮‧膨脹差為小，可予忽略。
(發泡模型之燃燒所發生之氣體之壓力)
如鑄模1之側視圖即第5圖所示，令發泡模型2消失而以熔液6置換時，填充於發泡模型2之周圍的鑄砂5，將會受到發泡模型2之燃燒所發生之氣體之壓力。
如第5圖之C-C剖視圖即第6圖所示，孔洞部3之表面上所塗佈之塗模劑4，會於周向受到壓縮力。然而，如第5圖之重要部分D之放大圖即第7圖所示，對於孔洞部3之軸向將會賦予次式(5)之拉張力。
又，如第7圖所示，發泡模型2之周圍所填充之鑄砂5之量若是充分時，氣體之壓力與來自鑄砂5之反作用力將會平衡，因此孔洞部3之軸向之負荷可忽略。
(發泡模型之燃燒所發生之氣體滯留於孔洞部之內部所生之內壓)
發泡模型2之燃燒所發生之氣體滯留於孔洞部3之內
部所生之內壓，對於塗模劑產生式(6)之周向之應力、以及式(7)之軸向之應力。
σgin≒D×Pgin/t‧‧‧式(6)
σginz≒D×Pgin/(2t)‧‧‧式(7)
此處，孔洞部3之直徑D愈小則愈難鑄孔，因此可謂式(6)、式(7)所表示之外力之影響乃小至可忽略之程度。
由以上可知，鑄砂之填充量充分時，對於塗模劑之負荷小。然而，實際上來自鑄砂之反作用力並不充分，而在塗模劑上有源自熔液之靜壓的彎曲應力、以及發泡模型2之燃燒所發生之氣體的壓力所造成之軸向的拉張力作用。因此，塗模劑有必要具有能耐此等之強度。是以，作為鑄孔條件，式(2)可利用式(4)與式(5)，如同式(8)之方式般之近似。
σb>σp+σgout=(π/8)ρ mghl2/t2+kPgout/D2+γ‧‧‧式(8)
此處，k為比例常數，γ=σm+σthout+σthin+σgin≒0。
式(8)係無鑄砂之反作用力時成立，為最嚴苛的條件。因之，若亦將鑄砂之反作用力加入而將各項置換為係數，則可設為如式(9)般之孔洞部3之直徑D與長度l及塗模劑之厚度t的函數。
σb>α‧l2/t2+β/D2‧‧‧式(9)
此處，代替高溫下之塗模劑之強度σb(MPa)，係使用加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度σc(MPa)。如此，基於加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度、與孔洞部之可鑄孔直徑(鑄孔可能直徑)之關係，式(9)可以下式(10)表示。又，加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度與鑄孔可能直徑的關係將於後述。
σc≧-0.36+140/D2‧‧‧式(10)
因此，藉由使用符合上式(10)之塗模劑，並將塗佈於發泡模型之塗模劑的厚度設為1mm以上，即便是鑄造具有直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物，也可使塗模劑無損傷。
(鑄孔評估)
其次，針對將塗佈於發泡模型之塗模劑的厚度設為1mm，將鑄孔所形成之細孔之長度設為100mm之情況下，使塗模劑、鑄砂、及孔洞部3之直徑分別相異化，藉而評估鑄孔之可否。塗模劑之種類係示於表1，鑄砂之種類係示於表2。又，鑄孔可否之結果係示於表3。又，塗模劑之種類與平均鑄孔可能直徑之關係係示於第8圖。
此一評估係使用相同成分之灰口鑄鐵(JIS G 5501：1995 FC250)，依相同之鑄造方法進行。因此，表1中之3種塗模劑均可推定為高溫下之強度(最高溫度約1200℃)符合式(9)。
此處，因高溫下之塗模劑的強度其難以直接測定，因此乃研討間接推定高溫下之塗模劑的強度之方法。第9圖係表示經乾燥之塗模劑於常溫下之抗彎強度(彎曲強度)(表1)與鑄孔可能直徑(表3)的關係之圖。由第9圖可知，兩者之相關性低。因此，常溫的塗模劑的抗彎強度與塗模劑的高溫強度之相關性很小。其理由可考慮為：塗模劑乾燥後之抗彎強度，黏結劑(樹脂分)
之特性對其有強烈影響，但另一方面，在實際之鑄造中塗模劑若被加熱至200~400℃以上，則源自與黏結劑分解所生成之碳(或碳化物)有關之其他機制的強度特性將會成為支配性因素。
因此，將乾燥之塗模劑加熱至樹脂分解而形成燒結體，並將其冷卻至常溫後再測定其抗彎強度。本實施方式中，所乾燥之塗模劑係於加熱至1100℃後，冷卻至常溫而實施抗彎強度試驗。第10圖係表示加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度與鑄孔可能直徑之關係。
又，抗彎強度試驗係依以下之要領實施。
(1)將塗模劑流入模具中，以室溫或25℃自然乾燥12小時以上後，以50℃之恆溫乾燥機乾燥2小時以上，而後將其切成特定之大小，製作50mm×10mm，厚度2±0.5mm之測定用試驗片。
(2)針對製作之試驗片，根據中央集中荷重方式而以3點彎曲試驗測定抗彎力。此時，相對試驗片製作時與模具接觸而乾燥之面，令其負荷(0.05~0.1N/s)之荷重。
(3)試驗後，以包含中央及兩端之3個部位以上測定試驗片之破斷面之厚度，使用其平均值算出抗彎力。
(4)使用相同條件所製作之試驗片，將上述3點彎曲試驗進行3次以上，求取其抗彎力之平均值，將此平均值作為塗模劑之抗彎強度。
(5)上述3點彎曲試驗係使用具有0.05~0.1N/s之負荷能力的抗彎試驗機，採用支點間距離40mm且支點前端形狀為R1.5mm之試驗用治具。
由第10圖所示之關係，若設鑄孔所形成之孔洞之直徑為D(mm)，設一旦加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之塗模劑之抗彎強度(彎曲強度)為σc(MPa)，可獲得下式(11)。
σc≧-0.36+140/D2‧‧‧式(11)
因此可知，藉由使用符合式(11)之塗模劑，即便是鑄造具有直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物，也可使塗模劑無損傷。
其次，使用灰口鑄鐵(JIS G 5501：1995 FC250)作成熔液，使用於100(mm)×100(mm)×200(mm)之長方體之發泡模型中配置自上面貫通至下面之長度100mm且直徑14mm之孔洞部而成的鑄模，據以鑄造具有細孔之鑄物。
鑄造中係使用於式(1)代入D=14(mm)所獲得之骨材徑為100μm以下之二氧化矽系骨材的塗模劑(表1之B)。又，作為鑄砂係使用以SiO2為主成分之矽砂。
於發泡模型上塗佈1mm以上之塗模劑進行鑄
造之結果發現，可在不會造成「熔傷」下，鑄成完工狀態良好之細孔。
如以上所述，根據本實施方式之消失模型鑄造方法，於藉由鑄造在鑄物形成直徑18mm以下之孔洞時，將塗佈於發泡模型2之塗模劑的厚度設為1mm以上，且使用符合上式(1)之塗模劑。塗模劑之高溫強度難以直接測定，且常溫之塗模劑的抗彎強度與塗模劑的高溫強度之相關小。因此，代替高溫下之塗模劑之強度，若使用加熱至樹脂分解後恢復至常溫之塗模劑的抗彎強度，可獲得上述之式(1)。因此，藉由使用符合上述之式(1)的塗模劑，並使塗佈於發泡模型2之塗模劑的厚度設為1mm以上，即便是鑄造具有直徑18mm以下且長度100mm以上之細孔的鑄物，也可使塗模劑不致損傷。由此，由於鑄造時不會發生熔傷，因此可鑄成直徑18mm以下且長度100mm以上之完工狀態良好的細孔。
(本實施方式之變形例)
以上，雖就本發明之實施方式進行了說明，然其無非為具體例之例示，並無特別限定本發明之意義，有關其具體構成等係可適宜地作設計變更。又，發明之實施方式中所記載之作用及效果，無非是列擧由本發明所產生之最適性作用以及效果，本發明之作用及效果，並不受本發明之
實施方式中所記載者之限定。
本申請案主張以申請日2014年8月18日之日本發明專利申請特願第2014-165865號為基礎出願之優先權，伴隨於此，將該特願第2014-165865號作為參照納入本說明書中。
1‧‧‧鑄模
2‧‧‧發泡模型
3‧‧‧孔洞部
3a‧‧‧孔端部
l‧‧‧長度
D‧‧‧直徑
Claims (1)
- 一種消失模型鑄造方法，係將於發泡模型之表面塗佈塗模劑而成之鑄模埋入鑄砂之中後，於上述鑄模內注入金屬熔液，令上述發泡模型消失而與上述熔液置換，而據以鑄造鑄物；其特徵在於：藉由鑄造而於上述鑄物中形成直徑18mm以下之孔洞，且若設作為上述孔洞形成之部分的上述發泡模型之孔洞部的直徑為D(mm)、加熱至樹脂分解後再恢復至常溫之上述塗模劑的抗彎強度為σc(MPa)時，塗佈於上述發泡模型之上述塗模劑之厚度設為1mm以上，且使用符合下式之上述塗模劑：σc≧-0.36+140/D2。
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