JP2008036702A - 金属鋳物用鋳造型 - Google Patents

Abstract

【課題】金属鋳物用鋳造型において、中子の除去に要する時間をより短縮し、金属鋳物の生産性をより向上させることである。
【解決手段】アルミニウム合金溶湯等の金属溶湯を流し込む中空１２が設けられた鋳型部１４と、鋳型部１４の中に配置され、塩化カリウム等の水溶性材料で形成された中子１６とを備える金属鋳物用鋳造型１０であって、中子１６は、金属溶湯と接触する接触面２２に、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられ、金属溶湯が凝固した後に水を流す溝２４を有し、溝２４は、水より表面張力が大きい金属溶湯の浸入を抑える所定の幅で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属鋳物用鋳造型に係り、特に、金属溶湯を流し込む中空が設けられた鋳型部と、鋳型部の中に配置され、水溶性材料で形成された中子とを備える金属鋳物用鋳造型に関する。

車両、例えば、自動車等に用いられる自動車用部品は、例えば、アルミニウム合金等の金属材料を溶かした金属溶湯を、鋳造型に設けられたキャビティ内に流し込んで鋳造することにより製造される。特に、中空部等を有する自動車用部品を鋳造する場合には、鋳造型のキャビティ内に中子が配置される。そして、鋳造型に流し込まれた金属溶湯が凝固した後、金属鋳物が鋳造型から取り出され、更に、金属鋳物から中子が除去されて中空部等を有する自動車用部品が製造される。ここで、特許文献１には、水を溜めた水槽に鋳造物を沈降させて、中子を除去する方法が示されている。

特開昭５３−１２５９３５号公報

ところで、水溶性材料で形成された中子を用いることにより、中子を水に溶解させて金属鋳物から除去することが行われている。図９は、従来の金属鋳物用鋳造型を示す図である。水溶性材料で形成された水溶性中子は、水と接触する一方の端部である巾木部から中子内部に向かって順次、一方向に溶解される。そして、他方の端部に中子の溶解が達して中子全体が溶解することにより、中子を金属鋳物から除去することができる。そのため、中子の除去に要する時間が長くなり、金属鋳物の生産性が低下する場合がある。

そこで、本発明の目的は、中子の除去に要する時間をより短縮し、金属鋳物の生産性を更に向上させた金属鋳物用鋳造型を提供することである。

本発明に係る金属鋳物用鋳造型は、金属溶湯を流し込む中空が設けられた鋳型部と、鋳型部の中に配置され、水溶性材料で形成された中子とを備える金属鋳物用鋳造型であって、中子は、金属溶湯と接触する接触面に、鋳型部から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられ、金属溶湯が凝固した後に水を流す溝を有し、溝は、水より表面張力が大きい金属溶湯の浸入を抑える所定の幅で形成されることを特徴とする。

本発明に係る金属鋳物は、金属溶湯を流し込む中空が設けられた鋳型部と、鋳型部の中に配置され、水溶性材料で形成された中子とを備える金属鋳物用鋳造型であって、中子は、金属溶湯と接触する接触面に、鋳型部から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられ、金属溶湯が凝固した後に水を流す溝を有し、溝は、水より表面張力が大きい金属溶湯の浸入を抑える所定の幅で形成された金属鋳物用鋳造型で鋳造されることを特徴とする。

上記の金属鋳物用鋳造型によれば、中子の除去に要する時間をより短縮し、金属鋳物の生産性を更に向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、金属鋳物用鋳造型１０の断面を示す図である。金属鋳物用鋳造型１０は、金属溶湯を流し込む中空１２が設けられた鋳型部１４と、鋳型部１４の中空１２に配置され、水溶性材料で形成された中子１６とを備えている。

鋳型部１４には、金属材料を溶かした金属溶湯を流し込むキャビティ等の中空１２が設けられる。金属材料には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金等を用いることができる。アルミニウム合金やマグネシウム合金等は比重が小さいため、自動車用部品等を軽量化することができるからである。勿論、金属材料は、上記金属材料に限定されることはない。

金属溶湯は、予め合金成分を調製した金属の鋳塊をルツボ等に入れ、電気炉等で溶解して準備される。例えば、アルミニウム合金溶湯の場合には、予め合金成分を調製したアルミニウム合金の鋳塊を、ルツボ等に入れ電気炉等でアルミニウム合金の融点以上に加熱して準備する。

鋳型部１４は、上型１８と下型２０とを含んで構成される。そして、上型１８と下型２０とを組むことにより、金属材料を溶かした金属溶湯を流し込む中空１２が設けられる。上型１８と下型２０とは、例えば、砂型や金型等により製造されることが好ましい。勿論、他の条件次第では、上型１８と下型２０とは、砂型や金型等に限定されることはない。そして、鋳型部１４には図示されない湯口が形成され、金属溶湯が、湯口から鋳型部１４に設けられた中空１２に注湯される。

中子１６は、鋳型部１４の中に配置され、水溶性材料で形成される。中子１６が鋳型部１４の中空１２に配置されるのは、金属鋳物に中空部を形成するためである。中子１６は、例えば、巾木等を有しており、巾木を上型１８または下型２０で支持することにより、中子１６を鋳型部１４の中空１２に配置することができる。勿論、鋳型部１４の中空１２に中子１６を配置するための配置方法は、巾木を用いた上記配置方法に限定されることはない。

中子１６が水溶性材料で形成されるのは、金属溶湯が凝固した後、中子１６を水で溶解して金属鋳物から除去するためである。水溶性材料には、例えば、水溶性の塩類と人工砂との混合物等を用いることができる。

アルミニウム合金鋳物を鋳造する場合には、水溶性の塩には、例えば、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）や塩化カリウム（ＫＣｌ）等を用いることが好ましい。人工砂には、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等のセラミックスを用いることが好ましい。勿論、他の条件次第では、水溶性の塩や人工砂は、上記材料に限定されることはない。そして、水溶性の塩と人工砂との混合物を所定の温度に加熱して、溶融塩（ソルト）と人工砂との溶融混合物とし、溶融混合物を所定の形状の型等に流し込むことにより中子１６を造型することができる。

中子１６は、金属溶湯と接触する接触面２２に、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられ、金属溶湯が凝固した後に水を流す溝２４を有している。中子１６に溝２４を設けるのは、金属溶湯が凝固した後、溝２４に水を流して中子１６を溶解させるためである。水を流す溝２４が金属溶湯と接触する接触面２２に設けられるのは、金属鋳物と接する面から中子１６を溶解させることにより、中子１６を全て溶解させずに塊として金属鋳物から取り出せるからである。それにより、中子１６を全て溶解させる必要がないため、金属鋳物から中子１６を除去する時間がより短縮される。また、溝２４が、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられるのは、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面から溝２４に水を流すためである。

溝２４は、水より表面張力が大きい金属溶湯の浸入を抑える所定の幅で形成される。溝２４に金属溶湯が浸入すると、溝２４に水を通して中子１６を溶解させることができないからである。溝２４の幅は、金属溶湯の表面張力に基づいて定めることが好ましい。金属溶湯の表面張力は、一般的に、水の表面張力よりも大きいため、金属溶湯と水との表面張力の差から金属溶湯の浸入を抑えて水を流すことができる溝２４の幅を定めることができるからである。また、溝２４の幅を定める場合には、更に、鋳造圧力、鋳造型温度、金属溶湯温度等を考慮してもよい。

表１は、水とアルミニウム溶湯とについて、表面張力の比較を示す表である。

表１に示すように、アルミニウム溶湯の表面張力は９００ｍＮ/ｍであり、水の表面張力は７３ｍＮ/ｍである。このように、金属溶湯であるアルミニウム溶湯の表面張力は、水の表面張力よりも大きくなる。金属溶湯にアルミニウム溶湯を用いる場合には、溝２４の幅は、例えば、０．３ｍｍとすることが好ましい。溝２４の幅を０．３ｍｍで形成することにより、アルミニウム溶湯の浸入を抑えて水を流すことができる。勿論、他の条件次第では、アルミニウム溶湯を用いる場合における溝２４の幅は、上記サイズに限定されることはない。

溝２４の断面形状は、例えば、図１に示すように四角形とすることができる。勿論、溝２４の断面形状は、四角形に限定されることはなく、三角形等の他の多角形状や円弧状であってもよい。また、溝２４は、金属溶湯と接触する接触面２２に、略直線状に設けられることが好ましい。溝２４を略直線状に設けることにより、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される一方の面から他方の面まで、より速く水を流すことができるからである。勿論、他の条件次第では、溝２４は、金属溶湯と接触する接触面２２に、曲線状に設けられてもよい。

金属溶湯と接触する接触面２２に設けられる溝２４は、複数個設けられることが好ましい。溝２４を金属溶湯と接触する接触面２２に複数個設けることにより、中子１６をより速く溶解させることができるからである。例えば、図１には、金属溶湯と接触する各々接触面２２に３個の溝２４が設けられた中子１６が示されている。金属溶湯と接触する各々接触面２２に設けられる溝２４の数は、３個に限定されることはなく、２個でもよく、４個でもよい。勿論、他の条件次第では、金属溶湯と接触する各々接触面２２に設けられる溝２４の数は１個でもよい。また、図１には、中子１６の上側と下側の接触面２２に溝２４が設けられた金属鋳物用鋳造型１０を示したが、更に、金属溶湯と接触する側面２５に溝を設けてもよい。

中子１６には、水溶性の塗型材を塗布してもよい。鋳造圧が、例えば、２０ＭＰａと高いダイカスト鋳造等の鋳造法において、中子１６に設けられた溝２４に金属溶湯が浸入するのを、更に抑えることができるからである。

水溶性の塗型材には、例えば、バーミキュライト塗型材を用いることができる。バーミキュライト塗型材は、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の耐火物微粒子を水に懸濁させた塗型材である。中子１６に塗型材を塗布または浸漬した後、水分を蒸発させることで中子１６に塗型被覆層を形成することができる。勿論、塗型材は、上記バーミキュライト塗型材に限定されることはなく、他の水溶性塗型材を用いてもよい。なお、塗型塗布層の厚みは、例えば、５０μｍから１００μｍとすることができる。

図２は、塗型被覆層２６を形成した中子１６の断面を示す図である。図２に示すように、塗型被覆層２６は、中子１６の金属溶湯と接触する接触面２２に設けられる。また、塗型材は、中子１６に設けられた溝２４にも充填される。これにより、中子１６に設けられた溝２４へ金属溶湯の浸入を抑制することができる。勿論、他の条件次第では、塗型材は、中子１６に設けられた溝２４にのみ充填されるようにしてもよい。

塗型塗布層２６は、断熱性や通気性等を向上させるために、その内部に微細な空隙を有している。そのため、塗型塗布層２６の空隙から水を浸透させることにより、塗型塗布層２６と中子１６との溶解を進行させて、中子１６全体を溶解させることなく金属鋳物から容易に除去することができる。例えば、上述したように、鋳造圧２０ＭＰａでダイカスト鋳造された金属鋳物の場合には、塗型材で被覆された中子１６を２分間から３分間で除去することができる。

中子１６に設けられた溝２４に水を流して中子１６を溶解させるには、鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面に高圧水を吹付けることが好ましい。鋳型部１４から金属鋳物を取り出したときに露出される面に高圧で水を吹付けることにより、中子１６に設けられた溝２４に水がより多く流れるからである。

また、中子１６に設けられた溝２４に水を流すには、水を溜めた水槽の中に金属鋳物を浸漬させてもよいし、更に、水槽の中の水を攪拌してもよい。勿論、他の条件次第では、中子１６に設けられた溝２４に水を流す方法は、上記方法に限定されることはない。また、中子１６に設けられた溝２４に流す液体は、水に限定されることはなく、水に他の成分を含んだ水溶液等を用いてもよい。

次に、上記における金属鋳物用鋳造型１０の作用について説明する。図３は、金属鋳物用鋳造型１０の作用を示す図であり、図３（Ａ）は、金属溶湯が凝固して、鋳型部１４から取り出された金属鋳物２８を示す図であり、図３（Ｂ）は、中子１６に設けられた溝２４に水を流して中子１６を溶解させる様子を示す図である。

まず、図３（Ａ）に示すように、鋳型部１４に設けられた中空１２に流し込まれた金属溶湯が凝固することにより、溝２４が設けられた中子１６の周囲に金属鋳物２８が鋳造される。そして、例えば、水を溜めた水槽の中に中子１６が付着した金属鋳物２８を浸漬させることにより、図３（Ｂ）に示すように、鋳型部１４から金属鋳物２８を取り出したときに露出される面から水が溝２４に浸入する。

浸入した水は、中子１６に設けられた溝２４を流れて、中子１６の先端２９まで到達する。中子１６は水溶性材料で形成させているので、溝２４を流れる水は、溝２４の幅方向及び溝２４の深さ方向に中子１６を溶解する。そして、溝２４は金属溶湯と接触する接触面２２に設けられているので、中子１６の溶解は、金属鋳物２８と接触する界面から進行する。これにより、中子１６全体を溶解させることなく、中子１６を金属鋳物２８から塊として除去することができる。

図４は、鋳造直後の中子１６が付着した金属鋳物２８を水槽等に溜めた水の中に浸漬させた状態を示す図である。鋳造直後の金属鋳物２８は、十分に冷却されていないため高温である。そのため、中子１６の溝２４または塗型被覆層２６の空隙に浸入した水は、金属鋳物２８の熱により加熱されて急速に沸騰し、急激な体積膨張を生じる。その結果、中子１６に設けられた溝２４の中に、気泡が生成する。そして、気泡が溝２４や塗型被覆層２６の空隙に生成することにより、中子１６と金属鋳物２８との界面に剥離が生じて、更に水が浸入しやすくなる。それにより、中子１６の溶解が更に進行し、より短時間で中子１６を除去することができる。

また、中子１６に設けられた溝２４を流れる水の温度は上昇して高温になるため、中子１６の溶解速度が大きくなり、中子１６の溶解が更に進行する。中子１６を形成する水溶性材料は塩化カリウム等の塩類を含むため、水温の上昇に伴って塩類の溶解速度が大きくなるからである。そして、水槽内へ金属鋳物２８を同時に複数個浸漬させる場合や、水槽内へ金属鋳物２８を連続して浸漬させる場合には、水槽内の水温は更に上昇し、中子１６の溶解速度はより大きくなる。また、水槽中の水温を上昇させる加熱エネルギは、鋳造直後の十分に冷却されていない金属鋳物２８が有している熱であるので、新たな加熱装置を設置するためのコストや、加熱装置で加熱するときのエネルギ費等のコスト等を抑えることができる。勿論、他の条件次第では、加熱装置を用いて水を加熱してもよい。

以上、上記構成によれば、水溶性材料で形成された中子に溝を設けて、溝に水を流して中子を溶解させることにより、中子全体を溶解させることなく金属鋳物から除去することができるので、中子を除去するために要する時間を更に短縮し、金属鋳物の生産性をより向上させることができる。

上記構成によれば、金属溶湯と接触する中子の接触面に、水溶性の塗型材を被覆することにより、ダイカスト鋳造等の高圧で鋳造する場合でも、塗型被覆層の空隙を通して水を流すことにより塗型被覆層と中子との溶解を進行させることで、中子全体を溶解させることなく金属鋳物から除去することができる。それにより、中子を除去するために要する時間を更に短縮し、金属鋳物の生産性をより向上させることができる。

上記構成によれば、鋳造直後の十分に冷却されていない中子が付着した金属鋳物を水槽等に溜めた水の中に浸漬させて、中子に設けられた溝の中で気泡を生成させることにより、中子と金属鋳物との界面に剥離を生じさせて更に水を浸入しやすくすることができる。それにより、中子の溶解を更に進行させて、より短時間で金属鋳物から中子を除去することができる。

上記構成によれば、鋳造直後の十分に冷却されていない複数個の中子が付着した金属鋳物を水槽等に溜めた水の中に浸漬させる等により、水槽等に溜めた水の水温を上昇させることで、水溶性材料で形成された中子の溶解速度を大きくすることができる。それにより、中子の溶解を更に進行させて、より短時間で金属鋳物から中子を除去することができる。

上記金属鋳物用鋳造型を用いてアルミニウム合金鋳物を鋳造した。まず、金属鋳物用鋳造型に使用した中子の造型について説明する。図５は、金属鋳物用鋳造型に使用した中子３０を示す図であり、図５（Ａ）は、造型した中子３０の斜視図であり、図５（Ｂ）は、造型した中子３０の断面図である。

中子３０用材料には、水溶性の塩として塩化カリウム（融点７７０℃）を使用し、人工砂としてムライト系セラミックス砂であるセラビーズ＃１７００（伊藤忠セラテック株式会社製）を使用した。そして、４０質量％の塩化カリウムと、６０質量％のセラビーズとを混合し、８５０℃で加熱して溶融混合物とし、溶融混合物を型に流し込んで中子３０を造型した。

中子３０の形状は、図５（Ａ）に示すように、縦１０ｍｍ、横１５ｍｍ、高さ９０ｍｍの略直方体である。中子３０には、金属溶湯と接触する接触面に、金属鋳物を取り出したときに露出される一方の面から他方の面まで直線状に溝３１を設けた。そして、溝３１を、図５（Ｂ）に示すように、中子３０の上面に３箇所、下面に３箇所設けた。溝３１の形状は、溝３１の幅を０．３ｍｍとし、溝３１の深さを０．５ｍｍとし、いずれの溝３１も略同じ形状となるように形成した。また、比較のため、溝３１を設けない中子３０についても造型した。

次に、重力鋳造法によりアルミニウム合金鋳物を鋳造した。図６は、アルミニウム合金鋳物３２の重力鋳造法を示す図である。上型３３と下型３４とで形成された中空のキャビティ内に造型した中子３０を巾木で支持して２個配置し、アルミニウム合金溶湯３６を湯口から注湯して鋳造した。アルミニウム合金には、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金であるＡＤＣ１２を使用した。また、アルミニウム合金溶湯３６の注湯温度は６６０℃とした。

アルミニウム合金溶湯３６が凝固した後、アルミニウム合金鋳物３２を上型３３と下型３４とから取り出した。図７は、中子３０が付着したアルミニウム合金鋳物３２の形状を示す図であり、図７（Ａ）は、中子３０が付着したアルミニウム合金鋳物３２を上から見た図であり、図７（Ｂ）は、中子３０が付着したアルミニウム合金鋳物３２を横から見た図である。

次に、アルミニウム合金鋳物３２に付着した中子３０の除去方法について説明する。図８は、アルミニウム合金鋳物３２に付着した中子３０の除去方法を示す図であり、図８（Ａ）は、鋳型部から取り出した中子３０が付着したアルミニウム合金鋳物３２を示す図であり、図８（Ｂ）は、中子３０に設けられた巾木３８を除去したアルミニウム合金鋳物３２を示す図であり、図８（Ｃ）は、中子３０の露出面に向けて水道水を流して中子３０を除去する様子を示す図である。

図８（Ａ）に示すように、アルミニウム合金鋳物３２に付着した中子３０には、鋳型部のキャビティ内に中子３０を支持するための巾木３８が設けられている。そのため、図８（Ｂ）に示すように、中子３０が付着したアルミニウム合金鋳物３２を放冷させた後、中子３０に設けられた巾木３８をハンマ等で折って除去した。なお、中子３０に設けられた溝３１には、アルミニウム合金溶湯３６の浸入は認められなかった。

そして、中子３０を水で溶解させて除去するために、図８（Ｃ）に示すように、水道ホースの先端を中子３０の露出面に押し当て水道水を流した。水道水の流量は、開放流量で１４Ｌ/ｍｉｎとした。そして、中子３０に設けられた溝３１に水を流して中子３０を溶解させることにより、中子３０全体を溶解させることなく塊としてアルミニウム合金鋳物３２から取り出した。その結果、水道水を流してから中子３０をアルミニウム合金鋳物３２から取り出すまでに要した時間は、２分間から３分間であった。

溝を設けない中子を配置した金属鋳物用鋳造型を用いて、上記重力鋳造法と同様の条件でアルミニウム合金鋳物の鋳造を行った。そして、アルミニウム合金鋳物に付着した中子を、水道水を流すことにより中子全体を溶解させて除去した。この結果、水道水を流してから中子の溶解除去が完了するまで要した時間は、５分間から７分間であった。したがって、溝を設けた中子を配置した金属鋳物用鋳造型を用いることにより、中子全体を溶解させることなくアルミニウム合金鋳物から除去できるので、中子の除去に要する時間をより短縮し、アルミニウム合金鋳物の生産性を、更に向上させることができることがわかった。

本発明の実施の形態において、金属鋳物用鋳造型の断面を示す図である。 本発明の実施の形態において、塗型被覆層を形成した中子の断面を示す図である。 本発明の実施の形態において、金属鋳物用鋳造型の作用を示す図である。 本発明の実施の形態において、鋳造直後の中子が付着した金属鋳物を水槽等に溜めた水の中に浸漬させた状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、金属鋳物用鋳造型に使用した中子を示す図である。 本発明の実施の形態において、アルミニウム合金鋳物の重力鋳造法を示す図である。 本発明の実施の形態において、中子が付着したアルミニウム合金鋳物の形状を示す図である。 本発明の実施の形態において、アルミニウム合金鋳物に付着した中子の除去方法を示す図である。 従来の金属鋳物用鋳造型を示す図である。

符号の説明

１０ 金属鋳物用鋳造型、１２ 中空、１４ 鋳型部、１６，３０ 中子、１８，３３ 上型、２０，３４ 下型、２２ 接触面、２４，３１ 溝、２６ 塗型被覆層、２８ 金属鋳物、３２ アルミニウム合金鋳物、３６ アルミニウム合金溶湯、３８ 巾木。

Claims (2)

1. 金属溶湯を流し込む中空が設けられた鋳型部と、
   鋳型部の中に配置され、水溶性材料で形成された中子と、
   を備える金属鋳物用鋳造型であって、
   中子は、金属溶湯と接触する接触面に、鋳型部から金属鋳物を取り出したときに露出される面から設けられ、金属溶湯が凝固した後に水を流す溝を有し、
   溝は、水より表面張力が大きい金属溶湯の浸入を抑える所定の幅で形成されることを特徴とする金属鋳物用鋳造型。
2. 請求項１に記載の金属鋳物用鋳造型で鋳造されることを特徴とする金属鋳物。
   
   

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