WO2009133602A1 - 鋳鉄鋳物の引け巣の予測および防止方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for predicting and preventing shrinkage cavities in cast iron castings.
- Typical examples are a method of evaluating by the modulus, which is a value obtained by dividing the volume of the casting proposed by Cibolinov of Czechoslovakia by the surface area, and a value obtained by dividing the temperature gradient G proposed by Niiyama by the square root of the cooling rate R. There are ways to do it.
- shrinkage nest prediction methods have been effective means in cast steel and non-ferrous metals that do not cause expansion due to the formation of graphite, but are not necessarily effective means in cast iron that involves the formation of graphite.
- Patent Document 1 As a method for determining the occurrence of shrinkage cavities in spheroidal graphite cast iron.
- the eutectic solidification time between the inside and the surface of the casting is measured, and the presence or absence of shrinkage cavities is determined from the degree of overlap of the eutectic solidification time, that is, the massy degree.
- Patent Document 2 proposes a method in which the solid phase ratio is obtained from the number of graphite grains and the graphite radius and used for the determination of shrinkage nests.
- Patent Document 3 previously filed by the present inventor, a method for determining a shrinkage cavity by a shape factor in a cast iron casting was proposed.
- the shape factor is derived from the size of the unsolidified elliptical loop of the final solidified portion, and the presence or absence of shrinkage nests is predicted from the value of this shape factor.
- the shrinkage prediction accuracy of cast iron castings has been greatly improved.
- the present invention has invented a method for determining a shrinkage nest using a new parameter in order to enable accurate shrinkage nest prediction even for a product having a shape that cannot be predicted by a shape factor.
- Measures to prevent shrinkage nests include measures such as the construction of hot water and chillers.
- the hot water a method is generally used in which the modulus of a product is calculated and a hot water having a larger modulus than that of the product is formed.
- the modulus method is based on the premise that the hot water is solidified later than the product, so that the size of the hot water becomes the same as the size of the product and the yield is extremely deteriorated.
- Cast iron is less likely to generate shrinkage than cast steel, but if the amount of hot water is reduced, the hot water of the product will be supplied to the hot water, resulting in a larger shrinkage and eventually cast steel. In many cases, it will not be a countermeasure against shrinkage without using the same hot water.
- the location of the shrinkage nesting can be moved by constructing chilling metal, but the shrinkage nesting cannot be eliminated. This is because the generation mechanism of cast iron shrinkage cavities is complicated and the principle is not fully understood.
- the present inventors divided the shape factor (the total of the two longer sides from the shape of the cast product by the remaining one side). Value) was proposed.
- shape factor the total of the two longer sides from the shape of the cast product by the remaining one side. Value
- the present invention paid attention to the differential pressure ⁇ P for compensating for the solidification shrinkage during the solidification progress of the cast iron casting. Whether or not the molten metal can be replenished in the unsolidified portion depends on the value of ⁇ P, and therefore has a good correlation with the presence or absence of shrinkage nests. Therefore, the presence or absence of shrinkage nests can be accurately predicted based on ⁇ P or the value of a parameter proportional to ⁇ P.
- an object of the present invention is to solve the problem that the shrinkage nest cannot be predicted by the shape factor in some products, and to provide a more accurate shrinkage nest prediction method.
- differential pressure ⁇ P for compensating for coagulation contraction during the progress of coagulation was determined as follows.
- the differential pressure in the unsolidified part is expressed as follows using the molten metal flow rate for compensating for the solidification shrinkage, the molten metal replenishment resistance obtained from the shape of the unsolidified part, and the constants a and b.
- melt replenishment resistance obtained from the shape of the unsolidified part is It was discovered that However, L, w, and ts are represented as the diameters of three orthogonal axes of an ellipsoidal sphere in the unsolidified portion obtained by using a temperature distribution or a solidification time distribution by a solidification simulation.
- wts, Lts, and Lw indicate the cross-sectional areas in which the molten metal replenishment flow flows in the directions of L, w, and ts, respectively, and the larger the flow, the easier it is to flow.
- L, w, ts Indicates the distance that the molten metal needs to be replenished in the L, w, and ts directions, respectively. That is, (wts / L + Lts / w + Lw / ts) indicates the ease of replenishment flow in the unsolidified portion, and the reciprocal thereof indicates the resistance to molten metal supply, that is, the molten metal supply resistance.
- the differential pressure ⁇ P corresponds to the voltage
- the molten metal replenishment amount dQ / dt corresponds to the current
- the molten metal replenishment resistance 1 / (wts / L + Lts / w + Lw / ts) obtained from the shape of the unsolidified portion corresponds to the electrical resistance.
- ⁇ P is a differential pressure for compensating for coagulation shrinkage
- ⁇ P is a differential pressure for compensating for coagulation shrinkage
- the molten metal is not easily replenished and shrinkage cavities are likely to occur.
- ⁇ P is small, the molten metal is easily replenished, so that shrinkage nests are less likely to occur.
- the differential pressure ⁇ P itself indicating whether or not self-molten metal can be replenished can be used as a shrinkage nudity determination parameter.
- an element such as Mo or the like that extremely promotes shrinkage nest is not included,
- the present inventors use a rectangular parallelepiped casting, the shape factor proposed in the previous application, and the molten metal replenishment resistance used in the present invention. The pressure was compared. According to the method for predicting the presence or absence of shrinkage nests using the shape factor according to the previous invention, shrinkage nests do not occur when the shape factor is 8 or less, and shrinkage nests occur when the shape factor exceeds 8. That is, the determination value by the shape factor is 8.
- the shrinkage nest occurrence prediction method according to the present invention it is possible to take measures in advance when shrinkage nests are predicted to occur. That is, chilling metal or hot water is applied to the casting to divide the unsolidified elliptical loop. After constructing the chiller and the hot water, recalculate the molten metal replenishment resistance pressure, and the countermeasure is complete if it falls below the judgment value. If it is equal to or greater than the judgment value, the calculation may be repeated while changing the construction position and size of the chiller and the hot water.
- the chill metal construction method that is in direct contact with the molten metal may be used, but it is only necessary to divide the closed solidification loop into a plurality of pieces, so that the chill metal is not directly in contact with the molten metal. There is no problem with the construction method. In addition, if the construction area of the chiller is too large and the closed solidification loop is not broken, a shrinkage nest is naturally generated, so care must be taken.
- the concept of the hot water is the same, and the hot water may be constructed so that one closed solidification loop is divided into a plurality. At this time, it is not always necessary for the final solidified portion to completely enter the hot water portion, and it is desirable that the solidified elliptical loop be constructed as means for dividing.
- the shrinkage nests are generated depends not only on the shape of the product, but also when elements such as Cr and Mo that promote the shrinkage nests enter, and conversely, the amount of C that prevents the shrinkage nests. It also changes depending on the strength of the mold (more precisely, the strength of the mold at a high temperature), the rigidity of the casting frame, and the like. It is preferable to determine the value of the determination value that becomes the boundary of occurrence of shrinkage nests in consideration of these conditions. However, in the case of an organic self-hardening mold generally used, it has been found by experiments of the present inventors that approximately 0.7 ⁇ 10 6 [dyn / cm 2] may be used.
- the difference between the melt replenishment flow rate in the unsolidified part and the melt replenishment resistance obtained from the shape of the unsolidified part represents the differential pressure in the unsolidified part.
- the present invention provides a method for predicting shrinkage cavities in cast iron castings, which is characterized by predicting the occurrence of shrinkage cavities.
- a specific method for calculating the molten metal replenishment resistance obtained from the shape of the unsolidified portion is provided.
- a specific method for calculating the differential pressure ⁇ P for determining the shrinkage nest based on the first aspect is provided.
- the values of the differential pressure ⁇ P and the constants k and b which are the boundaries for shrinkage cavity generation, are determined by the composition of the casting, the properties of the mold, and the casting posture.
- a shrinkage nest prediction and prevention method is provided.
- a method for predicting the occurrence of shrinkage cavities in a cast iron casting is provided.
- the molten metal replenishment resistance pressure is determined by dividing the unsolidified elliptical loop by using the chiller or the hot water or a combination of both.
- the differential pressure ⁇ P is proportional to the product of the molten metal replenishment flow rate and the molten metal replenishment resistance.
- the occurrence of nest defects can be predicted. Furthermore, when it is predicted that shrinkage will occur, the use of cooling metal or hot water can be logically prevented from occurring. Therefore, there are effects such as a reduction in defect rate in casting, an improvement in yield, and a shortened delivery time, and it has become possible to efficiently produce cast iron castings at low cost.
- FIG. 1 is a flowchart of a shrinkage cavity prediction and prevention method for cast iron products.
- FIG. 2 is a diagram showing the calculation results of the shape factor and the melt replenishment resistance pressure by solidification simulation in a cylindrical casting.
- FIG. 3 is a diagram showing calculation results of a shape factor and a molten metal replenishment resistance pressure by solidification simulation in a rectangular parallelepiped plate-shaped casting.
- FIG. 4 is a diagram showing the calculation results of the shape factor and the molten metal replenishment resistance pressure by solidification simulation in the flange portion of the cylinder-shaped casting.
- FIG. 5 is a diagram showing the calculation results of the shape factor and the melt replenishment resistance pressure by solidification simulation at the bottom surface of the cylinder-shaped casting.
- the molten metal replenishment resistance pressure shown in the present invention has complicated physical quantities such as the liquidus gradient G and the solidification shrinkage flow rate (dQ / dt), so it is incorporated as a subroutine in the existing solidification simulation and linked to the solidification simulation. It is desirable to guide.
- the shrinkage nest prediction and prevention method of the present invention includes the following steps S1 to S5.
- S1 The final solidification time at a solid phase ratio of 0.3 obtained by the solidification simulation is divided into, for example, 99 equal parts. However, there is no problem with divisions other than 99.
- S2 A closed loop with a solid phase ratio of 0.3 is determined for each step of 99, and the shape factor and the melt replenishment resistance pressure are calculated. W, ts, and L are obtained by approximating a closed loop to a rectangular parallelepiped.
- G the gradient in the residual liquid phase in the calculating step is determined according to the program.
- S3 The subroutine is opened, and the final melt replenishment resistance pressure is calculated based on the value at the previous step when the closed loop disappears.
- S4 The judgment value of the final parameter is set to 0.7 ⁇ 106 using cgs unit, and if it is 0.7 ⁇ 106 or less, it is predicted that there is no shrinkage nest. Then, the process returns to step S1 to calculate the melt replenishment resistance pressure again.
- Fig. 2 shows the results of a comparison simulation between the shape factor and the molten metal replenishment resistance pressure using a cylindrical test piece, and the results of the casting test.
- the shape factor is simply increasing to 2.9, 4.0, 4.1, 6.4, and 9.7, but since it is 8 or more in the 98th solidification step, it can be predicted that shrinkage will occur. However, since the shrinkage cavity was not generated in the actual casting test result, it is inconsistent with the experimental result.
- the melt replenishment resistance pressure is simply increased to 2.6, 16, 1.6 ⁇ 102 2.2 ⁇ 104 0.18 ⁇ 106, and the melt replenishment resistance pressure is 0.7 ⁇ 106 or less at all solidification steps. The molten metal can be replenished in steps, and it can be predicted that no shrinkage occurs.
- FIG. 3 shows a comparison of the determination result based on the shape factor and the determination result based on the molten metal replenishment resistance pressure in a rectangular parallelepiped plate-shaped test piece.
- the shape factor of the unsolidified elliptical loop at the center of the rectangular parallelepiped is 13.7, 15.0, 14.8, 17.6, 11.4 and up and down.
- all the shape factors are 8 or more, it can be determined that shrinkage nests are generated even if the shape factors are used, but it can be seen that a determination error may occur when these values are around 8.
- the molten metal replenishment resistance pressure is 3.1, 2.8 ⁇ 102, 2.7 ⁇ 104, 1.9 ⁇ 106, 2.0 ⁇ 106 and the value increases as the solidification progresses, and this value exceeds 0.7 ⁇ 10697 It can be seen that the molten metal cannot be replenished from the second solidification step and a shrinkage nest is generated. From the above, it can be understood that the shrinkage nudity can be more accurately determined by using the molten metal supply resistance pressure than by using the shape factor. In the casting test result in this case, shrinkage cavities are generated.
- FIG. 4 and 5 show the determination of the shrinkage of the flange portion of the cylinder-shaped test piece based on the shape factor and the molten metal replenishment resistance pressure.
- solidification of the upper mold flange portion is shown in FIG.
- the part is shown in FIG.
- the shape factor repeats up, down, 17, 36.1, 29.3, 17.7, and 11.5.
- the shape factor is 8 or more in all the solidification steps, it can be determined that shrinkage occurs.
- all values exceed 8 it is impossible to predict from which coagulation step the shrinkage nest will occur.
- the molten metal replenishment resistance pressure is simply increasing to 2.1 ⁇ 103, 3.0 ⁇ 103, 1.4 ⁇ 105, 8.5 ⁇ 105, and 2.2 ⁇ 106, and the shrinkage nest is reached at the 62nd step exceeding 0.7 ⁇ 106. Can be predicted to occur.
- the results of the actual casting test are similar to the 62nd figure of the solidification step, and the distribution and position of shrinkage nests are similar.
- FIG. 5 shows a state of the 61st to 98th solidification steps of the cylinder-shaped test piece of FIG. 4, that is, a solidification simulation of the lower mold flange.
- the shape factor has changed to 10.7, 11.1, 12.6, 24.6, and 22.4, and up and down are repeated as in the conventional case. Since the shape factor exceeds 8 in all the solidification steps, it can be predicted that shrinkage will occur. However, no shrinkage cavity is generated in the casting test result, and in this case, the shrinkage cavity cannot be predicted by the shape factor.
- the melt replenishment resistance pressure has increased to 22, 24, 1.8 ⁇ 102, 1.3 ⁇ 105, and 0.21 ⁇ 106, but it is below 0.7 ⁇ 106 in all solidification steps, and is due to the melt replenishment resistance pressure.
- the shrinkage prediction prediction no shrinkage is generated. Even in the actual casting experiment results, no shrinkage occurs, and it can be seen that the molten metal supply resistance pressure can more accurately determine the shrinkage than the shape factor.
- the shrinkage nest prediction method based on the resistance pressure of molten metal supply can not only predict which solidification step will cause shrinkage nests, but also can predict shrinkage nests with higher accuracy than the shape factor. I understand.
- a shrinkage cavity can be formed from the shape of the casting at the time of casting, and can be prevented in advance based on the prediction. Therefore, it is effective in the manufacturing technology of cast iron castings. Can be used.
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Abstract
さまざまな形状の鋳物や鋳物の各部分に対して、鋳造に先立ち引け巣発生の有無を精度よく予測し、防止する方法を提供する。 鋳物製品の凝固シミュレーション過程において、 により計算される差圧ΔPを求め、この値が所定値（判定値）を超えるか否かにより引け巣の発生を予測する。さらに、引け巣が発生すると予測された場合に冷やし金や押し湯を用いて判定値を超えないように最終凝固部を分割し、引け巣の発生を防止する。
Description
本発明は鋳鉄鋳物の引け巣の予測及び防止方法に関する。
引け巣の予測に関しては、古くから各種の方法が提示されている。代表的なものとしては、チェコスロバキアのチボリノフが提案した鋳物の体積を表面積で除した値であるモジュラスにより評価する方法、新山が提案した温度勾配Ｇを冷却速度Ｒの平方根で除した値で評価する方法などがある。
しかしながら、これらの引け巣予測方法は、黒鉛の生成による膨張を伴わない鋳鋼や非鉄金属などにおいては有効な手段となり得てきたが、黒鉛生成を伴う鋳鉄では必ずしも有効な手段とはなっていない。
このため、吉田らは球状黒鉛鋳鉄の引け巣発生の判定法として、特許文献１を提案している。この方法は、鋳物内部と表面の共晶凝固時間を測定し、この共晶凝固時間の重なり度合いすなわちマッシー度より引け巣の有無を判断するものである。また、特許文献２においては、黒鉛の粒数と黒鉛半径から固相率を求め、引け巣の判定に利用する方法を提案している。
これらの吉田らの判定方法は、球状黒鉛鋳鉄の引け巣傾向を判定するにはある程度有益ではあるが、これらの方法で引け巣の予測を行うことは難しい。なぜならば、これらの方法では、大きな鋳物ほど引け巣が発生することになり、鋳型強度が十分に高い場合には引け巣と製品の大きさに相関がないという本発明者らの発見した事実と相反することになるからである。
本発明者が先に出願した特許文献３においては、鋳鉄鋳物において形状係数によって引け巣を判定する方法を提案した。この方法は、最終凝固部の未凝固楕円ループの寸法から形状係数を導き、この形状係数の数値から引け巣の有無を予測するものである。形状係数の概念を導入することで、鋳鉄鋳物の引け巣予測精度は格段に向上した。しかし、この方法においても、一部の製品で引け巣を正確に判定することが出来ないことがあった。そこで本発明では、形状係数では予測できない形状を持つ製品に対しても、正確な引け巣予測を可能とすべく、新しいパラメータによる引け巣判定の方法を発明した。
引け巣の防止方法としては、押し湯や冷やし金などの施工による対策がある。押し湯に関しては、製品のモジュラスを計算して、製品のモジュラスより大きなモジュラスとなる押し湯を立てる方法が一般的である。モジュラスによる方法は、製品より押し湯の方が後から凝固することが前提であるため、押し湯のサイズが製品のサイズと同じ程度になり、歩留まりが極端に悪くなるという問題がある。また、鋳鉄は鋳鋼よりも引け巣が発生しづらいが、押し湯の量を少なくすると、製品の湯が押し湯へ供給されることになり、引け巣が大きくなってしてしまい、結局鋳鋼と同じ押し湯を立てなければ引け巣の対策とならないことが多い。冷やし金による引け巣の防止方法についても、冷やし金を施工することにより、引け巣の場所を移動させることは出来るものの、引け巣をなくすことはできない。これは、鋳鉄の引け巣の発生メカニズムが複雑であるためや、その原理が十分に解明されていないことにある。
そこで、本発明者らは前出願において、鋳鉄の特性に見合った効果的な引け巣予測方法として形状係数（鋳物製品の形状から、長い方の２辺の合計を残りの短い１辺で除した値）を用いた引け巣予測方法を提案した。形状係数による引け巣予測の実施によって、殆どの鋳鉄鋳物の引け巣の有無を予測することを可能とした。しかし、多くの製品の引け巣予測を行っていく中で、一部の特殊な形状（シリンダー形状等）を持つ製品では、鋳造後の実際の引け巣結果が予測に反する結果になる場合があった。
そこで本発明は、鋳鉄鋳物の凝固進行時の凝固収縮を補うための差圧ΔＰに着目した。未凝固部の溶湯補給ができるか否かは、ΔＰの値に依存するため、引け巣発生の有無と良い相関関係が有る。したがってΔＰもしくはΔＰに比例するパラメータの値によって引け巣発生の有無を精度よく予測することが可能となる。
そこで、本発明の目的は、一部の製品において、形状係数では引け巣の予測ができなかったという課題を解決し、さらに精度の良い引け巣予測方法を提供することにある。また、この予測方法を用いて引け巣が発生すると予測される鋳物もしくは鋳物の各部分に対して、健全な鋳物が得られるように適切な鋳造方案や製品形状の変更を行えるようにすることにある。
引け巣発生の有無の判定にあたり、凝固進行時の凝固収縮を補うための差圧ΔＰを以下のようにして求めた。
未凝固部内の差圧は、凝固収縮を補うための溶湯流量と、未凝固部の形状から求められる溶湯補給抵抗と、定数a、ｂとを用いて、次のように表される。
(差圧)＝ａ×(溶湯補給流量)×(鋳造鋳物の未凝固部の形状から求める溶湯補給抵抗)＋ｂ ・・・ （１）
ここで、未凝固部の形状から得られる溶湯補給抵抗は、
で表されることを発見した。ただし、L、ｗ、tsは、凝固シミュレーションによる温度分布もしくは凝固時間分布を用いて求められる未凝固部を楕円球体の直交した３軸の径として表される。wts、Lts、LwはそれぞれＬ、ｗ、tsの方向へ溶湯補給流が流れる断面積を示し、大きいほど流れやすくなることを発明者らは発見した。また、L、w、ts
はそれぞれL、w、ts 方向へ溶湯を補給する必要のある距離を示し、この値が大きいほど補給流が流れにくくなることを発見した。すなわち、（wts/L＋Lts/w＋Lw/ts）は未凝固部内の補給流の流れやすさを示し、その逆数は、溶湯補給に対する抵抗すなわち溶湯補給抵抗を示す。
ここで、未凝固部の形状から得られる溶湯補給抵抗は、
はそれぞれL、w、ts 方向へ溶湯を補給する必要のある距離を示し、この値が大きいほど補給流が流れにくくなることを発見した。すなわち、（wts/L＋Lts/w＋Lw/ts）は未凝固部内の補給流の流れやすさを示し、その逆数は、溶湯補給に対する抵抗すなわち溶湯補給抵抗を示す。
さらに、微小時間ｄｔあたりの体積減少量をdQ とすれば、凝固収縮を補うための溶湯補給量はｄＱ/ｄｔで表される。また、定数ａは未凝固部の液相率勾配をＧの3乗に反比例することがわかっている。そこで、未凝固部内の差圧をΔＰとすれば、式（３）は以下のように表される。
この関係は、電気回路における（電圧）＝（電流）×（電気抵抗）の関係式と比較すると理解しやすい。すなわち、差圧ΔＰが電圧に、溶湯補給量ｄＱ/ｄｔが電流に、未凝固部の形状から求める溶湯補給抵抗1/（wts/L＋Lts/w＋Lw/ts）が電気抵抗にそれぞれ対応する。
ここで、ΔＰは凝固収縮を補うための差圧であるので、ΔＰが大きくなれば、溶湯補給がされにくく引け巣が発生しやすい。逆に、ΔＰが小さくなれば溶湯補給がされ易くなるので、引け巣が発生しにくくなる。溶湯材質、鋳型強度、鋳造姿勢などよりパラメータの値が変化する場合には、ｋ、ｂに所定の値を代入して補正することも可能である。
自己溶湯補給が可能かどうかを表す差圧ΔＰ自体を、引け巣判定のパラメータとして用いることもできるが、Ｍｏ等の極端に引け巣を助長する元素を含まない場合や、鋳型が強固なフラン鋳型などを用いる場合は、ΔＰの導出式でｋ＝１、ｂ＝0とした、
を引け巣判定のパラメータ（以後、溶湯補給抵抗圧と呼ぶ）として使うのが、現場的には簡便である。逆説的にはＭｏ量や鋳型の強度に合わせて変化させることも可能である。
本発明者らは、溶湯補給抵抗圧による判定値（引け巣の有無の境目の数値）を求めるために、直方体の鋳物を用いて、前出願で提案した形状係数と本発明で用いる溶湯補給抵抗圧を比較した。なお、旧発明である形状係数による引け巣有無の予測方法によれば、形状係数が8以下では引け巣が発生せず、8を超える場合は引け巣が発生する。すなわち、形状係数での判定値は8となる。
形状係数と溶湯補給抵抗圧の比較試験により、溶湯補給抵抗圧をc.g.s単位で表示すると、0.7×106〔dyn/cm2〕以下では引け巣が発生せず、0.7×106〔dyn/cm2〕を超える場合は引け巣が発生することを発明した。ちなみに、大気圧は約1.0×106〔dyn/cm2〕であり、大気圧の7割の圧力があれば引け巣が発生しないことを発明したことにもなる。すなわち、溶湯補給抵抗圧による引け巣発生の判定値は0.7×106
［dyn/cm2］となることがわかった。
［dyn/cm2］となることがわかった。
また、本発明よる引け巣発生の予測方法を用いれば、引け巣が発生すると予測された場合に事前に対策を打つことも可能である。すなわち、鋳物に冷やし金や押し湯を施工し、未凝固楕円ループを分割するのである。冷やし金や押し湯を施工した後、溶湯補給抵抗圧を再計算し、判定値以下になれば対策は完了である。判定値以上であれば、冷やし金や押し湯の施工位置やサイズを変えて計算を繰り返せばよい。
冷やし金の施工については、溶湯と直接接する冷やし金の施工方法でもよいが、１つであった閉塞した凝固のループが複数に分断されればよいだけなので、直接溶湯と接しないような冷やし金の施工方法でも問題はない。また、冷やし金の施工面積が多くなりすぎて、閉塞した凝固のループが分断されない場合は、当然引け巣が発生するので注意を要する。押し湯についても考え方は同様で、１つであった閉塞した凝固のループが複数に分断されるように押し湯を施工すればよい。このとき、最終凝固部が必ずしも押し湯部の中に完全に入るようにする必要はなく、未凝固楕円ループを分割する手段として施工することが望ましい。
引け巣が発生するかどうかは製品形状のみならず、引け巣を助長するＣｒやＭｏなどの元素が入った場合や、逆に引け巣を防止するＣの量などによって変化する。また、鋳型の強度（正確には鋳型の高温での強度）、鋳枠の剛性などによっても変化する。引け巣発生の有無の境となる判定値の値は、これらの条件を加味して決定することが好ましい。ただし、一般に用いられている有機自硬性鋳型の場合では、概ね0.7×106［dyn/cm2］を用いればよいことが、本発明者らの実験で分かっている。
以上を要約すると、本発明の第１の態様によれば、未凝固部内の溶湯補給流量と、未凝固部の形状から求められる溶湯補給抵抗とを用いて表される未凝固部内の差圧により、引け巣の発生を予測することを特徴とする鋳鉄鋳物における引け巣の予測方法が提供される。
本発明の第２の態様によれば、未凝固部の形状から求められる溶湯補給抵抗の具体的な算出方法が提供される。
本発明の第３の態様によれば、第１の態様に基づき引け巣を判定する差圧ΔＰの具体的な算出方法が提供される。
本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様において、引け巣発生の境界となる差圧ΔP及び定数ｋ、ｂの値を、鋳物の成分、鋳型の性質、鋳造姿勢によって決定することを特徴とする引け巣の予測及び防止方法が提供される。
本発明の第５の態様によれば、ｋ＝１、ｂ＝０とした場合の引け巣発生の境界となる差圧ΔPの値を鋳物の成分、鋳型の性質、鋳造姿勢によって決定することを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法が提供される。
本発明の第６の態様によれば、球状黒鉛鋳鉄において、差圧ΔPの具体的な判定値による鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法が提供される。
本発明の第７の態様によれば、差圧ΔＰが判定値を越える場合に、冷やし金もしくは押し湯もしくは両者を併用して未凝固楕円ループを分割することにより、溶湯補給抵抗圧を判定値以下にすることを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣の防止方法が提供される。
本発明では、差圧ΔＰは、溶湯補給流量と溶湯補給抵抗との積に比例するという概念に基づき、差圧ΔＰを引け巣発生予測のパラメータに用いることで、非常に精度良くかつ簡単に引け巣欠陥の発生を予測することができるようにした。さらに、引け巣が発生すると予測される場合は、冷し金もしくは押し湯を有効に使用することにより、論理的に引け巣の発生を防止することを可能とした。よって、鋳物鋳造における不良率の低減、歩留まりの向上、納期短縮等の効果があり、低コストで効率よく鋳鉄鋳物を製造することが可能となった。
本発明の最良の実施形態を以下に説明するが、本発明の技術的範囲は、添付の図面に示される実施例に限定されるものではない。以下に本発明を具体的な実施形態および実施例に基づき詳細に説明する。
本発明で示される溶湯補給抵抗圧は、液相線勾配Gや凝固収縮流量（ｄQ／ｄｔ）など扱う物理量が複雑であるので、既存の凝固シミュレーションの中に、サブルーチンとして組み込み、凝固シミュレーションとリンクさせて導くのが望ましい。
具体的には、本発明の引け巣予測及び防止方法は、以下のステップＳ１～Ｓ５から成り立っている。
Ｓ１：凝固シミュレーションによって得られた鋳物の固相率0.3における最終凝固時間を例えば99等分する。ただし99等分以外の分割でも何ら問題はない。
Ｓ２：99のステップ毎に固相率0.3の閉ループを判定し、形状係数および溶湯補給抵抗圧を計算する。Ｗ、ts、Lについては、閉ループを直方体に近似して求める。Gについては計算するステップにおける残留液相内の勾配をプログラムに従って求める。
Ｓ３：サブルーチンを開き、閉ループの消滅する1回前のステップでの値で最終溶湯補給抵抗圧を計算する。
Ｓ４： 最終パラメータの判定値をc.g.s.単位を用いて0.7×106とし、0.7×106以下であれば引け巣無しと予測する
Ｓ５：0.7×106以上であれば、冷やし金や押し湯によって閉ループを分割し、ステップＳ１に戻り再び溶湯補給抵抗圧を計算する。
Ｓ１：凝固シミュレーションによって得られた鋳物の固相率0.3における最終凝固時間を例えば99等分する。ただし99等分以外の分割でも何ら問題はない。
Ｓ２：99のステップ毎に固相率0.3の閉ループを判定し、形状係数および溶湯補給抵抗圧を計算する。Ｗ、ts、Lについては、閉ループを直方体に近似して求める。Gについては計算するステップにおける残留液相内の勾配をプログラムに従って求める。
Ｓ３：サブルーチンを開き、閉ループの消滅する1回前のステップでの値で最終溶湯補給抵抗圧を計算する。
Ｓ４： 最終パラメータの判定値をc.g.s.単位を用いて0.7×106とし、0.7×106以下であれば引け巣無しと予測する
Ｓ５：0.7×106以上であれば、冷やし金や押し湯によって閉ループを分割し、ステップＳ１に戻り再び溶湯補給抵抗圧を計算する。
図２は、円筒形試験片による形状係数と溶湯補給抵抗圧の比較シミュレーション結果及びその鋳造試験の結果である。
形状係数は2.9、4.0、4.1、6.4、9.7と単純に増加しているが、98番目の凝固ステップでは8以上となっているため引け巣が発生すると予測することができる。ただし、実際の鋳造試験結果では引け巣が発生していなかったので、実験結果とは矛盾することになる。これに対して、溶湯補給抵抗圧は、2.6、16、1.6×102 2.2×104 0.18×106と単純に増加しており、すべての凝固ステップにおいて溶湯補給抵抗圧が0.7×106以下なので、全凝固ステップで溶湯補給が可能であり、引け巣が発生しないと予測できる。
以上より図２の実施例では、溶湯補給抵抗圧の方が形状係数による引け巣の巣の判定よりも精度が高いといえる。
図３は、直方体の板状試験片において、形状係数による判定結果と溶湯補給抵抗圧による判定結果を比較したものである。
直方体中心部の未凝固楕円ループの形状係数は13.7、15.0、14.8、17.6、11.4とアップダウンを繰返している。この場合は、すべての形状係数が8以上なので形状係数を用いても引け巣が発生すると判定できるが、これらの値が8付近では判定ミスが発生する可能性があることがわかる。これに対して、溶湯補給抵抗圧は3.1、2.8×102、2.7×104、1.9×106、2.0×106と凝固が進行するにつれて数値が上昇しており、この値が0.7×106を超えた97番目の凝固ステップから溶湯補給が不可能となり、引け巣が発生することがわかる。以上より形状係数を用いた場合よりも溶湯補給抵抗圧を用いた方が、より正確な引け巣判定が可能なことがわかる。この場合の鋳造試験結果においては引け巣が発生している。
図４および図５は、シリンダー形状の試験片におけるフランジ部のひけ巣判定を形状係数と溶湯補給抵抗圧により行ったものであり、特に上型フランジ部の凝固について図４に示し、下型フランジ部について図５に示したものである。
図４において、形状係数は17、36.1、29.3、17.7、11.5とアップダウンを繰返すが、すべての凝固ステップにおいて形状係数が8以上であるので引け巣が発生すると判定できる。ただし、この場合は、すべての値が8を超えているため、どの凝固ステップから引け巣が発生するかの予測をすることはできない。これに対して溶湯補給抵抗圧は、2.1×103、3.0×103、1.4×105、8.5×105、2.2×106と単純に増加しており、0.7×106を超える62番目のステップで引け巣が発生すると予測できる。実際の鋳造試験の結果も凝固ステップ62番目の図と引け巣の分布や位置が類似しており、溶湯補給抵抗圧の方がより精度の高いひけ巣予測が可能なことがわかった。
図５は、図４のシリンダー形状試験片の61から98番目の凝固ステップの様子、すなわち下型フランジの凝固シミュレーションを行ったものである。形状係数は10.7、11.1、12.6、24.6、22.4と変化しており、従来同様にアップダウンを繰返している。すべての凝固ステップにおいて形状係数は８を超えていることより引け巣が発生すると予測できる。しかしながら、鋳造試験結果では引け巣が発生しておらず、この場合は形状係数では引け巣の予測ができていないことになる。
これに対して、溶湯補給抵抗圧は22、24、1.8×102、1.3×105、0.21×106と増加しているが、すべての凝固ステップにおいて0.7×106を下回っており、溶湯補給抵抗圧による引け巣予測判定では、引け巣が発生しないことになる。実際の鋳造実験結果でも引け巣は発生しておらず、形状係数よりも溶湯補給抵抗圧の方が、より正確な引け巣判定ができることがわかる。
以上の結果より、溶湯補給抵抗圧による引け巣予測法では、どの凝固ステップから引け巣が発生するかの予測が可能なばかりでなく、形状係数よりも精度の高い引け巣予測が可能であることがわかる。
本発明によれば、鋳物鋳造の際鋳物の形状から引け巣ができるか否かを鋳造前に予測でき、またその予測に基づいて事前に予防することができるので、鋳鉄鋳物の製造技術において有効な利用が可能である。
Claims (7)
- 差圧＝ａ×(溶湯補給流量)×(鋳鉄鋳物の未凝固部の形状から求めた溶湯補給抵抗)＋ｂ
ａ、ｂは定数とする。
の概念式により引け巣発生の判定を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物のひけ巣予測方法。 - 前記溶湯補給抵抗を
で表すことを特徴とする請求項１に記載の引け巣予測方法。但し、ｗ、Ｌ、tsは、凝固シミュレーションにおける温度分布もしくは凝固時間分布を用いて求められる未凝固部を、楕円球体の直交した３軸の径として表したものである。
- 請求項１において比例定数ａを液相率勾配の３乗に反比例する値とし、かつ請求項２に記載の形状から求める溶湯補給抵抗を用いて、請求項１に記載の概念式（１）を式（３）のように表したとき、差圧ΔPを引け巣発生予測のパラメータとして用いることを特徴とするひけ巣予測方法。
但し、dQ/dtは未凝固楕円ループの体積減少量dQを微小時間dtで割った値であり、凝固収縮を補うのに必要な補給流量を表す。Gは未凝固部の液相率勾配である。また、ｋ、ｂは定数である。
- 請求項３に記載のパラメータにおいて、引け巣発生の境界となる差圧ΔP及び定数ｋ、ｂの値を、鋳物の成分、鋳型の性質、鋳造姿勢によって決定することを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法。
- 請求項３に記載のパラメータにおいて、ｋ＝１、ｂ＝0のとき、引け巣発生の境界となる差圧ΔPの値を鋳物の成分、鋳型の性質、鋳造姿勢によって決定することを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法。
- 球状黒鉛鋳鉄において、請求項５に記載の差圧ΔＰが0.7×106〔dyn/cm2〕以下ならば引け巣が発生しないと判定し、この値を超える場合は引け巣が発生すると判定することを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法。
- 請求項４、５に記載の引け巣発生の境界となる差圧ΔPの値を引け巣予測の判定値とするとき、請求項３に記載のパラメータが判定値を超える場合に、冷やし金もしくは押湯もしくは両者を施工することによって、未凝固楕円ループを分割し、分割後のパラメータを判定値以下にすることを特徴とする鋳鉄鋳物の引け巣発生の予測方法。
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| PCT/JP2008/058212 WO2009133602A1 (ja) | 2008-04-28 | 2008-04-28 | 鋳鉄鋳物の引け巣の予測および防止方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
- 2008-04-28 WO PCT/JP2008/058212 patent/WO2009133602A1/ja active Application Filing
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