WO2016027672A1

WO2016027672A1 - 消失模型鋳造方法

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Publication number: WO2016027672A1
Application number: PCT/JP2015/072202
Authority: WO
Inventors: 一之堤; 優作高川
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-02-25
Also published as: TWI628015B; KR20170044135A; US9862022B2; JP6470141B2; KR101929134B1; US20170239711A1; TW201628734A; CN106573295A; DE112015003812B4; CN106573295B; JP2016041444A; DE112015003812T5

Abstract

　直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を良好な仕上がり状態で鋳抜くことができる消失模型鋳造方法を提供する。本発明の消失模型鋳造方法は、直径がＤ（ｍｍ）の穴部を有する発泡模型の表面に１ｍｍ以上の厚みの塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋める工程と、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換する工程と、前記溶湯を冷却することにより、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を有する鋳物を形成する工程と、を含み、前記塗型剤を構成する樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度（曲げ強さ）をσｃ（ＭＰａ）とすると、以下の式（０）および式（１）を満たすことを特徴とする。　２＜Ｄ≦１９．７・・・式（０）　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ²・・・式（１）

Description

消失模型鋳造方法

　本発明は、細穴を備えた鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法に関する。

　一般的な砂型鋳造よりも寸法精度の優れた鋳物を鋳造する方法として、例えば、インベストメント鋳造法（別名、ロストワックス法）、石膏鋳型鋳造法、および消失模型鋳造法などが開発されている。

　中でも、消失模型鋳造法は、鋳造によって鋳物の内部に穴を形成する（「鋳抜き」と呼ばれる）ために最も適している。消失模型鋳造法の手順は、まず、発泡模型の表面に塗型剤を塗布することによって鋳型を得る。次に、この鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込むことにより、発泡模型を消失させて溶湯と置換する。そして、この溶湯を鋳造（凝固）することにより鋳物を得る。

　上記消失模型鋳造法を開示する先行文献として、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１に開示の消失模型鋳造法は、模型のモジュラス（模型の体積÷模型の表面積）に応じて鋳造時の鋳込み時間を設定している。この消失模型鋳造法によれば、鋳込み時間を正確かつ高精度に設定することができる。

　図１５は、消失模型鋳造法による鋳抜きの概略断面図である。消失模型鋳造法を用いて鋳抜きする場合、図１５に示すように、穴部２３を設けた発泡模型２２の表面に塗型剤２４を塗布して鋳型２１を作製する。この穴部２３は、鋳抜きによって細穴を形成する部分に相当する。この鋳型２１を鋳砂２５の中に埋めることによって、鋳型２１の外周および穴部２３に鋳砂２５を配置する。そして、鋳型２１内に金属の溶湯を注ぎ込んで、発泡模型２２を溶湯で置換する。最後に、この溶湯を鋳造（凝固）することによって鋳物を得る。

特開２０１１－１１０５７７号公報

　上記鋳造中（凝固進行中）に、穴部２３の表面に塗布された塗型剤２４、および、穴部２３の内部に充填された鋳砂２５に対して、周囲の溶湯からの熱負荷および様々な外力が作用する。これにより図１５に示すように、穴部２３の穴端部２３ａまたは中央部２３ｂにおける塗型剤２４が損傷し、穴部２３内の鋳砂２５に溶湯が染み出して焼き付きが生じることがある。焼き付きとは、溶湯と鋳砂２５が融着することである。特に、穴部２３として直径が１８ｍｍ以下の細穴を鋳抜きする場合には、塗型剤２４が損傷しやすい。焼き付きが生じると、細穴の仕上がり状態が良好でなくなる。

　上記焼き付きを避けるために、通常、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴は、鋳抜きによって形成されずに、鋳物を形成した後に機械加工によって形成される。あるいは、消失模型鋳造法によって数度の試作を行って塗型剤の材質や鋳造条件（注湯時の溶湯温度）を決めてから、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を有する鋳物を作製する。しかしながら、後者の製造方法は安定的に鋳物を製造し難い。

　また、穴部が水平方向に対して角度θで発泡模型に配置されている場合には、穴部の表面に塗布された塗型剤に曲げ応力が作用する。この場合、仕上がり状態が良好な細穴を形成することがより困難になる。

　本発明の目的は、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を良好な仕上がり状態で鋳抜くことが可能な消失模型鋳造方法を提供することである。

　本発明は、直径がＤ（ｍｍ）の穴部を有する発泡模型の表面に１ｍｍ以上の厚みの塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋める工程と、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換する工程と、前記溶湯を冷却することにより、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を有する鋳物を形成する工程と、を含み、前記塗型剤を構成する樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した前記塗型剤の抗折強度をσｃ（ＭＰａ）とすると、以下の式（０）及び式（１）を満たすことを特徴とする。
　　２＜Ｄ≦１９．７・・・式（０）
　　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ² ・・・式（１）

実施形態の消失模型鋳造方法に用いる鋳型の上面図である。実施形態の消失模型鋳造方法に用いる鋳型の側面図である。発泡模型を溶湯に置換した後の鋳型の断面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図２の要部ＩＶの拡大図である。溶湯の静圧による曲げ応力の向きを示した鋳型の断面図である。塗型剤の端部に曲げ応力が作用することで穴部が変形した後の状態を示す鋳型の断面図である。発泡模型の燃焼で発生したガスの圧力の向きを示す鋳型の断面図である。図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。図７の要部ＩＸの拡大図である。乾燥させた塗型剤の常温における抗折強度と鋳抜き可能径との関係を示すグラフである。樹脂分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度と、鋳抜き可能径との関係を示すグラフである。穴部の直径と、浮力（溶湯の静圧）により塗型剤の端部に発生する応力との関係を示すグラフである。実施例１の鋳型の上面図である。実施例１の鋳型の側面図である。図１３Ｂの鋳型をＥ方向から見た側面図である。実施例１の鋳型の穴部が水平方向に対してなす角度θで穴部を配置したときの状態を示す鋳型の側面図である。消失模型鋳造法による鋳抜きの概略断面図である。

　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

　（消失模型鋳造方法）
　本実施形態の消失模型鋳造方法は、直径がＤ（ｍｍ）の穴部を有する発泡模型の表面に１ｍｍ以上の厚みの塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂（乾燥砂）の中に埋める工程と、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換する工程と、前記溶湯を冷却することにより、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を有する鋳物鋳物を形成する工程とを含む。

　図１Ａおよび図１Ｂは、本実施形態の消失模型鋳造方法に用いる鋳型の上面図および側面図である。この消失模型鋳造方法は、図１Ａおよび図１Ｂに示される鋳型１を用いることにより、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　本実施形態の消失模型鋳造方法は、上記各工程とは別に金属（鋳鉄）を溶解して溶湯とする工程と、発泡模型を成形する工程と、発泡模型の表面に塗型剤を塗布して鋳型とする工程と、鋳物と鋳砂とを分離する工程と、を有している。

　溶湯にする金属としては、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ－ＦＣ２５０）または片状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ－ＦＣ３００）などを用いることができる。また、発泡模型としては、発泡スチロールなどの発泡樹脂を用いることができる。また、塗型剤としては、シリカ系骨材の塗型剤などを用いることができる。また、鋳砂としては、ＳｉＯ₂を主成分とするけい砂、ジルコン砂、クロマイト砂、または合成セラミック砂などを用いることができる。なお、鋳砂に粘結剤や硬化剤を添加してもよい。

　鋳型１は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、直方体の発泡模型２と、当該発泡模型２の表面に塗布された塗型剤４とを有している。発泡模型２は、その上面の中央部から下面の中央部に向けて貫通する穴部３を有している。穴部３は、鋳抜きによって鋳物に直径が１８ｍｍ以下で長さ５０ｍｍ以上の細穴を形成する部分に相当する。穴部３は、図１Ａに示すように、鋳型１の上面視において直径がＤ（ｍｍ）の略円形であり、穴部３の長さはｌ（ｍｍ）である。なお、穴部３の直径Ｄは、図１Ｂに示すように、穴部３の表面に塗布した塗型剤４の表面同士を結ぶ直径の長さではなく、発泡模型２の表面同士を結ぶ直径の長さである。穴部３の上端近傍および下端近傍は、テーパーなどの加工が施されておらず（面取りされておらず）、発泡模型２の上下面と穴部３の表面とは角張っている。

　上記穴部３によって形成される細穴の直径は１０ｍｍ以上１８ｍｍ以下であることが好ましい。穴部３の直径Ｄが１０ｍｍ未満の場合に穴部３に厚み３ｍｍの塗型剤４を塗布すると、穴部３の内側空間の径が４ｍｍ未満となるため、穴部３の内側空間に鋳砂を投入しにくくなる。穴部３の長さｌは５０ｍｍ以上であることがより好ましい。穴部３の長さｌが５０ｍｍ未満であると、穴部３の直径が１８ｍｍのときに、穴部３の長さｌと直径Ｄとの比（ｌ／Ｄ）が３以下となるため、本実施形態の消失模型鋳造方法を用いなくても通常の鋳造方法で細穴を鋳抜きすることができる。塗型剤４の厚みは１ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましい。塗型剤４の厚みが３ｍｍを超えると、塗型剤の塗布および乾燥を３回以上繰り返す必要があり手間がかかる上に、厚みが不均一になりやすいからである。また、穴部３の直径Ｄおよび塗型剤４の厚みは以下の式（０）及び式（１）を満たす。

　２＜Ｄ≦１９．７・・・式（０）
　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ²・・・式（１）

　ここで、式（０）において、穴部の直径Ｄが２ｍｍ未満であると、１ｍｍ以上の厚みの塗型剤を塗布することができなくなる。一方、穴部の直径Ｄが１９．７を超えると、直径が１８ｍｍ以下の細穴を形成しにくくなる。式（１）において、σｃは塗型剤を構成する樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度（曲げ強さ）（ＭＰａ）である。なお、上記式（１）は、塗型剤の厚みが１ｍｍで、穴部の長さｌが１００ｍｍの場合の実験結果に基づいて得られた数式であり、１００ｍｍ以下の長さの細穴を鋳物に形成する場合に適用することができる。

　ここで、塗型剤の抗折強度は、曲げ強さのことであり、抗折力ということもある。塗型剤の抗折強度は、曲げ試験において試験片が破壊に至るまでの最大荷重に基づいて算出した曲げ応力の値であり、以下の方法によって測定した値を採用するものとする。まず、塗型剤を鋳型に流し込んで、室温又は２５℃で塗型剤を１２時間以上自然乾燥させる。次に、５０℃の恒温乾燥機で２時間以上塗型剤を乾燥させた後に、５０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ２±０．５ｍｍの大きさの測定用試験片を切り出す。この測定用試験片の鋳型と接触していた面に対し、抗折試験機を用いて０．０５～０．１Ｎ／ｓの荷重を負荷し、支点間距離４０ｍｍで支点先端形状がＲ１．５ｍｍの試験用治具を用いて中央集中荷重によって３点曲げ試験により抗折力を測定する。この試験後に、試験片の破断面の厚みを、中央及び両端を含む３箇所以上で測定してその平均値によって塗型剤の抗折強度（ＭＰａ）を算出する。上記と同様にして測定用試験片を２つ作製し、同様の手法で３点曲げ試験を３回行うことによって得られた抗折強度の平均値を塗型剤の抗折強度とする。

　上記「樹脂が分解するまで加熱する」とは、塗型剤を構成する樹脂が当該樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度まで加熱されることを意味する。上記式（１）を満たし、かつ塗型剤の厚みを１ｍｍ以上とすることで、塗型剤が損傷することなく、直径１８ｍｍ以下で長さ５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　また、穴部３の軸心が水平方向に対してなす角度θは、溶湯の密度と、穴部と溶湯の湯口との鉛直方向高さの差と、塗型剤の材質および厚みとに基づいて決めることが好ましい。具体的には、穴部３の長さをｌ（ｍｍ）とし、溶湯の密度をρ_m（ｋｇ／ｍｍ³）とし、穴部の平均密度をρ_d（ｋｇ／ｍｍ³）とし、重力加速度をｇとすると、以下の式（２）を満たすように前記穴部を配置している。

　ｃｏｓ²θ≦０．０４／｛（ρ_m－ρ_d）ｇ｝×Ｄ／ｌ²・・・式（２）

　なお、穴部の平均密度ρ_dは、穴部の内部に充填された鋳砂の密度ρと、穴部の表面に塗布されて乾燥した塗型剤の密度ρ_cとを、それぞれの厚みに応じて加重平均することによって算出した値である。また、溶湯の湯口とは、溶湯が注ぎ込まれる箇所を意味し、具体的には、穴部よりも上方であって、発泡模型を囲む鋳砂が開口している部分である。

　ここで、鉛直方向に沿って延びる細穴を有する鋳物を鋳造する場合、塗型剤４には以下の外力が作用する。
（１）溶湯の静圧（σｐ）
（２）溶湯の流れによる動圧（σｍ）
（３）塗型剤と溶湯との凝固時の熱収縮・膨張差（σthout）
（４）穴部３内の鋳砂と塗型剤との熱収縮・膨張差（σthin）
（５）発泡模型の燃焼で発生したガスの圧力（Ｐgout）（σgout）
（６）発泡模型の燃焼で発生したガスが穴部３の内部に溜まって生じる内圧（Ｐgin）（σgin）

　したがって、溶湯（溶融金属）の温度と同等の高温下における塗型剤の強度をσｂとすると、以下の式（３）が成立すれば、塗型剤が損傷することなく、鋳抜きすることができる。

　σｂ＞σｐ＋σｍ＋σthout＋σthin＋σgout＋σgin ・・・式（３）

　以下、上記（１）～（６）の各外力について検討する。

（溶湯の静圧σｐ）
　図２は、発泡模型２を溶湯６に置換した後の鋳型１の断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図であり、図４は図２の要部ＩＶの拡大図である。発泡模型２を溶湯６に置換すると、図２に示すように、塗型剤４の周囲に充填された鋳砂５は、溶湯６の静圧を受ける。そして、穴部３の表面に塗布された塗型剤４は、図３に示すように、周方向に圧縮力を受ける。

　ここで、穴部３の内部に充填された鋳砂５の量が十分である場合には、図４に示すように、穴端部３ａに塗布された塗型剤４に作用する溶湯６の静圧と鋳砂５からの反力とが釣り合う。よって、穴部３の軸方向の負荷は無視することができる。

　一方、穴部３の内部に充填された鋳砂５の量が不十分である場合には、穴端部３ａに塗布された塗型剤４に鋳砂５からの反力が作用せず、溶湯６の静圧（浮力）による曲げ応力が作用する。

　ここで、穴部３の直径をＤ（ｍｍ）、重力加速度をｇ、溶湯６の密度をρ_m（ｋｇ／ｍｍ³）、平均ヘッド差（溶湯の湯口と穴部３との鉛直方向高さの差）ｈ（ｍｍ）とすると、溶湯６の静圧による穴部３（半円）への外力ｗ（Ｎ／ｍｍ）は、次式（４）で表される。

ｗ＝ρ_mｇｈ×∫（Ｄ／２ｓｉｎθ×θ）ｄθ
　＝ρ_mｇｈＤ／２×∫ｓｉｎ²θｄθ
　＝ρ_mｇｈＤ／２〔θ／２－ｓｉｎ２θ／４〕
　＝（π／４）ρ_mｇｈＤ・・・式（４）

　穴部３の表面に塗布された厚みｔ（ｍｍ）の塗型剤４に作用する応力σ_c（ＭＰａ）は、穴部３の内部に充填された鋳砂５からの反力が無いと仮定して平板に近似すると、梁理論から次式（５）で表される。

　σ_c≒Ｍ／Ｉ×ｔ／２＝（π／８）ρ_mｇｈｌ²／ｔ²・・・式（５）

　ここで、上記式（５）において、Ｍは穴部３の両端に作用する曲げモーメントであり、Ｉは半円筒の断面２次モーメントであり、それぞれ下記の式で表される。

　Ｍ＝（π／４８）ρ_mｇｈＤｌ²
　Ｉ＝Ｄｔ³／１２

　図５は、溶湯の静圧による曲げ応力の向きを示した鋳型の断面図であり、図６は、塗型剤４の端部４ａに曲げ応力が作用することで穴部が変形した後の状態を示す鋳型の断面図である。図５及び図６においては、穴部３の軸心が水平方向に対してなす角度θが０°の場合を示しており、図５及び図６中の左側が鋳型の底面側で、図５及び図６中の右側が鋳型の上面側である。穴部３の内部に充填された鋳砂５の量が十分である場合、図５に示すように、穴部３の表面に塗布された円筒状の塗型剤４には、溶湯６の静圧（浮力）による曲げ応力が作用する。即ち、穴部３の軸心が水平方向に対して角度θで配置された穴部３の表面に塗布された厚みｔの塗型剤４に作用する応力は、梁理論から、塗型剤４の端部４ａが最も大きくなり、その端部４ａに作用する応力σ_d（ＭＰａ）は下記式（６）で表される。この曲げ応力σ_dにより、図６に示すように、穴部３に変形が生じる。

　σ_d＝Ｍ／Ｉ×Ｄ／２
　＝２／３（ｌｃｏｓθ）²×（ρ_m－ρ_d）ｇ／Ｄ・・・式（６）

　ここで、式（６）において、Ｍは穴部３の両端に作用する曲げモーメントであり、Ｉは半円筒の断面２次モーメントである。

　Ｍ＝（πＤ²／４）×（ρ_m－ρ_d）×ｇ×ｌ²／１２
　Ｉ＝π／６４×Ｄ⁴

　以上に述べたように、溶湯の静圧σｐは、塗型剤４に作用する応力σ_cと塗型剤４の端部４ａに作用する応力σ_dの合力であり、下記式（６－２）で表される。

　σｐ＝σ_c＋σ_d ・・・式（６－２）

　（溶湯の流れによる動圧）
　溶湯の流れによる動圧は、溶湯の流れが静かであるため無視することができる。

　（塗型剤と溶湯との凝固時の熱収縮・膨張差）
　線膨張率は、鋳砂より鋳鉄の方が大きい。よって、塗型剤と溶湯との凝固時の熱収縮・膨張差は、塗型剤の軸方向に圧縮力を与える。この圧縮力は、穴部３の表面に塗布された塗型剤が座屈により破壊される原因になりうるが、無視できるほど小さいと考えられる。また、塗型剤の周方向の応力も無視することができる。

　（穴部内の鋳砂と塗型剤との熱収縮・膨張差）
　穴部３内の鋳砂や塗型剤４は、溶湯よりも温度変化が小さい。よって、穴部３内の鋳砂と塗型剤との熱収縮・膨張差による影響は、塗型剤と溶湯との凝固時の熱収縮・膨張差よりも小さく、無視することができる。

　（発泡模型の燃焼で発生したガスの圧力）
　図７は、発泡模型２の燃焼で発生したガスの圧力の向きを示す鋳型１の断面図である。図７に示すように、発泡模型２を消失させて溶湯６と置換すると、発泡模型２の周囲に充填された鋳砂５は、発泡模型２の燃焼で発生したガスの圧力を受ける。

　図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図であり、図９は、図７の要部ＩＸの拡大図である。図８に示すように、穴部３の表面に塗布された塗型剤４は、発泡模型２の燃焼で発生したガスの圧力によって周方向に圧縮力を受ける。穴部３の表面に塗布された塗型剤４は、図９に示すように、穴部３の軸方向に次式（７）の引張力を与える。

　σgout∝Ｐgout／Ｄ²・・・式（７）

　なお、図９に示すように、発泡模型２の周囲に充填された鋳砂５の量が十分である場合には、ガスの圧力と鋳砂５からの反力とが釣り合うので、穴部３の軸方向の負荷は無視することができる。

　（発泡模型の燃焼で発生したガスが穴部の内部に溜まって生じる内圧）
　発泡模型２の燃焼で発生したガスが穴部３の内部に溜まって生じる内圧は、塗型剤４に式（８）の周方向の応力、および、式（９）の軸方向の応力を生じさせる。

　σgin≒Ｄ×Ｐgin／ｔ・・・式（８）
　σginz≒Ｄ×Ｐgin／（２ｔ）・・・式（９）

　ここで、穴部３の直径Ｄが小さいほど鋳抜きし難いことから、式（８）、式（９）で表される外力の影響は無視できるほど小さいといえる。

　以上から、鋳砂の充填量が十分である場合には、塗型剤への負荷は小さい。しかし、実際には、鋳砂からの反力は十分ではなく、塗型剤には、溶湯の静圧による曲げ応力、および、発泡模型２の燃焼で発生したガスの圧力による軸方向の引張力が作用する。よって、塗型剤は、これらに耐えうる強度を有する必要がある。したがって、鋳抜き条件として、式（３）は、式（５）、式（６）、式（６－２）、および、式（７）を用いて、式（１０）のように近似することができる。

　σｂ＞σｐ＋σgout＝（π／８）ρ_mｇｈｌ²／ｔ²＋２／３（ｌｃｏｓθ）²×（ρ_m－ρ_d）ｇ／Ｄ＋ｋＰgout／Ｄ²＋γ・・・式（１０）

　ここで、ｋは比例定数、γ＝σｍ＋σthout＋σthin＋σgin≒０である。

　式（１０）は、鋳砂の反力が無いと仮定した場合の条件である。そこで、鋳砂の反力も加味して各項を係数に置き換えると、穴部３の直径Ｄと、穴部３の長さｌと、塗型剤の厚みｔとの関数は、下記の式（１１）で表すことができる。

　σｂ＞α・ｌ²／ｔ²＋β／Ｄ²＋ωＤ³／｛Ｄ⁴－（Ｄ－２ｔ）⁴｝・・・式（１１）

　ここで、高温下における塗型剤の強度σｂ（ＭＰａ）の代わりに、樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度σｃ（ＭＰａ）を用いる。つまり、樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度と、穴部の鋳抜き可能な直径（鋳抜き可能径）との関係から、式（１１）は下記の式（１２）で表される。なお、樹脂分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度と、鋳抜き可能径との関係については後述する。

　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ²・・・式（１２）

　上記の式（１２）を満たす塗型剤を厚み１ｍｍ以上で発泡模型に塗布することで、塗型剤が損傷することなく、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　さらに、式（１０）において、鋳抜き条件として許容できる応力増加分に基づいて、式（１３）が算出される。

　ｃｏｓ²θ≦０．０４／｛（ρ_m－ρ_d）ｇ｝×Ｄ／ｌ² ・・・式（１３）

　よって、穴部の軸心が水平方向に対してなす角度をθとすると、上記式（１３）を満たすように穴部を配置することで、塗型剤が損傷することなく、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　（鋳抜き評価）
　次に、塗型剤の厚みを１ｍｍとし、鋳抜きで形成する細穴の長さｌを１００ｍｍとし、穴部３の軸心が水平方向に対してなす角度をゼロ（θ＝０）とし、塗型剤の種類および鋳砂の種類をそれぞれ表１および表２に示すように変更することにより、鋳抜きが可能な穴部３の直径を評価した。その結果を表３に示す。

　上記評価は、同じ成分のねずみ鋳鉄（ＪＩＳ－ＦＣ２５０）を用いて、同じ鋳造方法で行っている。よって、表１中の３種類の塗型剤はいずれも、高温下の強度（最高温度約１２００℃）が式（１１）を満たすものと推定できる。

　ここで、高温下の塗型剤の強度を直接測定することは困難であるため、高温下の塗型剤の強度を間接的に推定する方法を検討した。図１０は、乾燥させた塗型剤の常温における抗折強度（曲げ強さ）（表１）と鋳抜き可能径（表３）との関係を示すグラフである。図１０から明らかなように常温の塗型剤の抗折強度と、塗型剤の高温強度との相関は小さい。この理由は、塗型剤が乾燥した後の抗折強度は、粘結剤（樹脂分）の特性が強く影響する一方、鋳造時に塗型剤が２００～４００℃以上に加熱されると、粘結剤が分解して生じる炭素（あるいは炭化物）に関係する別のメカニズムによる強度特性が支配的になるためと考えられる。

　そこで、乾燥した塗型剤を樹脂分解するまで加熱して焼結体とし、それを常温に冷却してから抗折強度を測定した。本実施形態では乾燥した塗型剤を１１００℃に加熱した後、常温まで冷却して抗折強度試験を実施した。図１１は、樹脂分解するまで加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度と、鋳抜き可能径との関係を示している。

　図１１に示す関係から、鋳抜きで形成する穴の直径をＤ（ｍｍ）、樹脂分解するまで一度加熱した後に常温に戻した塗型剤の抗折強度（曲げ強さ）をσｃ（ＭＰａ）とすると、次式（１４）が得られる。

　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ² ・・・式（１４）

　よって、式（１４）を満たす塗型剤を用いることで、塗型剤が損傷することなく、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができることが示された。

　さらに、穴部３の直径Ｄを１０ｍｍ～１６ｍｍの間で１ｍｍごとに変えて穴部３の軸心が水平方向に対してなす角度を４５度（θ＝４５°）として同様の実験を行った。なお、式（１４）が成立する塗型剤３種を用いた。図１２は、穴部３の直径Ｄと、浮力（溶湯の静圧）により塗型剤の端部に発生する応力との関係を示すグラフである。

　図１２のグラフと、鋳抜きの可否結果とから、式（１０）において、鋳抜き条件として許容できる応力増加分は、０．０２７５ＭＰａ以下である。つまり、下記の式（１５）を満たすときに鋳抜きができる。

　０．０２７５≧２／３（ｌｃｏｓθ）²×（ρ_m－ρ_d）ｇ／Ｄ・・・式（１５）

　したがって、発泡模型２の内部に直径Ｄで長さｌの穴部３を設ける場合、穴部３の軸心が水平方向に対してなす角度θが下記の式（１６）を満足するように、穴部３を配置すればよい。

　ｃｏｓ²θ≦０．０４／｛（ρ_m－ρ_d）ｇ｝×Ｄ／ｌ²・・・式（１６）

　図１３Ａおよび図１３Ｂはそれぞれ実施例１の鋳型の上面図および側面図であり、図１３Ｃは、図１３Ｂの鋳型をＥ方向から見た側面図である。実施例１の鋳型は、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃに示すように、１００（ｍｍ）×１００（ｍｍ）×２００（ｍｍ）の直方体の発泡模型１２に、上面から下面にかけて貫通する直径１４ｍｍの穴部１３、および、対向する一対の側面の一方から他方にかけて貫通する直径１０ｍｍの穴部１４をそれぞれ設けたものである。この穴部１３，１４の長さはいずれも１００ｍｍである。この鋳型１１を用いて、細穴を２つ備えた鋳物を鋳造した。

　溶湯には、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ－ＦＣ２５０）を用いた。鋳造には、式（１）にＤ＝１４（ｍｍ）を代入することで得られた、骨材径が１００μｍ以下のシリカ系骨材の塗型剤（表１のＢ）を用いた。また、鋳砂としてＳｉＯ₂を主成分とするけい砂を用いた。

　ねずみ鋳鉄の密度ρ_m＝７．３×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、鋳砂の密度ρ＝１．３×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、および、塗型剤の密度ρ_c＝１．３×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）をそれぞれ式（２）に代入し、さらに、Ｄ＝１０（ｍｍ）、Ｄ＝１４（ｍｍ）をそれぞれ式（２）に代入することにより、次の式（１７）、式（１８）の関係式を得た。

　（Ｄ＝１０のとき）
　ｌｃｏｓθ≦８２（ｍｍ）・・・式（１７）
　（Ｄ＝１４のとき）
　ｌｃｏｓθ≦９８（ｍｍ）・・・式（１８）

　図１４は、実施例１の鋳型の穴部が水平方向に対してなす角度θで穴部を配置したときの状態を示す鋳型の側面図である。上記式（１７）および式（１８）を満たすためには、図１４に示すように、穴部の軸心が水平方向に対してなす角度θが下記の範囲を満たすように穴部を傾ける必要がある。
　０．６０≦θ≦１．３５（ラジアン）
　このような角度で穴部１３，１４を配置して鋳造することにより、焼き付きを生じさせることなく、仕上がり状態が良好な細穴を鋳抜くことができた。

　一方、鋳造時に鋳型１１が傾けられない場合、直径が１０ｍｍの穴部１４を垂直方向に沿って配置してもよい。ここで、直径１４ｍｍの細穴については、本実施形態の条件では長さが９８ｍｍまでしか鋳抜くことができない。そこで、穴部１３の内部にジルコン砂を充填するなどして、穴部１３の平均密度ρ_d（穴部１３の内部に充填された鋳砂の密度ρと、穴部１３の表面に塗布された塗型剤の密度ρcとを平均した値）を１．８×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）以上とすることにより、直径が１４ｍｍで長さが１００ｍｍの細穴を鋳抜くことができた。また、設計上許される場合には、穴部１３の周辺に２ｍｍのザグリ加工を施し、穴部１３の実質的な長さを９８ｍｍ以下にしてもよい。これにより、仕上がり状態が良好な細穴を鋳抜くことができた。

　（効果）
　以上に述べたように、本実施形態に係る消失模型鋳造方法によれば塗型剤が損傷しにくくなるため、鋳造時に焼き付きが生じにくくなり、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の仕上がり状態が良好な細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　さらに、直径がＤ（ｍｍ）で長さがｌ（ｍｍ）の穴部３の軸心を、水平方向に対して上記の式（２）を満たす角度θとなるように配置する。上記の式（２）を満たす角度θとなるように穴部３を配置することで、塗型剤が損傷することなく、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を備えた鋳物を鋳造することができる。

　以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

Claims

　直径がＤ（ｍｍ）の穴部を有する発泡模型の表面に１ｍｍ以上の厚みの塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋める工程と、
　前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換する工程と、
　前記溶湯を冷却することにより、直径が１８ｍｍ以下で長さが５０ｍｍ以上の細穴を有する鋳物を形成する工程と、を含み、
　前記塗型剤を構成する樹脂が分解するまで加熱した後に常温に戻した前記塗型剤の抗折強度をσｃ（ＭＰａ）とすると、以下の式（０）及び式（１）を満たすことを特徴とする消失模型鋳造方法。
　　２＜Ｄ≦１９．７・・・式（０）
　　σｃ≧－０．３６＋１４０／Ｄ²・・・式（１）
　前記穴部の長さをｌ（ｍｍ）とし、前記穴部の軸心が水平方向に対してなす角度をθとし、前記溶湯の密度をρ_m（ｋｇ／ｍｍ³）とし、前記穴部の平均密度をρ_d（ｋｇ／ｍｍ³）とし、重力加速度をｇとすると、以下の式（２）を満たすように前記穴部を配置することを特徴とする請求項１に記載の消失模型鋳造方法。
　　ｃｏｓ²θ≦０．０４／｛（ρ_m－ρ_d）ｇ｝×Ｄ／ｌ²・・・式（２）