JP3895258B2 - 鋳造用金型およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造用金型およびその製造方法に関し、一層詳細には、耐熱衝撃性を特に必要とする部分を別部材で構成し、このために本体部の交換頻度を可及的に少なくすることが可能であり、結局、鋳造品の製造コストを低廉化することが可能な鋳造用金型およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造作業によってアルミニウム製部材等の鋳造品を作製する場合には、鋳造用金型にアルミニウムの溶湯が導入される。この溶湯が高温であることから、鋳造用金型の素材としては、高温での強度に優れるＳＫＤ６１材（鋼材の種類を表すＪＩＳ規格）が一般的に採用される。
【０００３】
ここで、鋳造用金型にヒートクラックが生じると、アルミニウム製部材を所定の寸法精度で得ることが困難となる。すなわち、アルミニウム製部材の製造歩留まりが低下するという不具合を招く。ヒートクラックが生じた鋳造用金型は新品に交換されるが、鋳造用金型は概して高価であるため、交換頻度が多くなるとアルミニウム製部材の製造コストが高騰してしまう。
【０００４】
ヒートクラックは、鋳造用金型に高温の溶湯が接触することに伴って温度が急激に変化すること、すなわち、熱衝撃が加わること等によって起こる。したがって、鋳造用金型には耐熱衝撃性が希求される。
【０００５】
このような観点から、鋳造用金型には、通常、表面処理が施される。具体的には、塩浴法、ガス法あるいはイオン法等による窒化処理や、物理的気相成長（ＰＶＤ）法あるいは化学的気相成長（ＣＶＤ）法によってＴｉＣやＴｉＮ等のセラミックス材をコーティングする被覆処理、硫化鉄と窒化鉄との混合物層を設ける浸硫窒化処理、酸化鉄からなる酸化層を設ける酸化処理等が例示される。
【０００６】
しかしながら、上記したような表面処理を施しても、鋳造用金型の寿命を飛躍的に向上させることは困難である。すなわち、例えば、水平方向に延在する水平側壁部と、略鉛直方向に延在する鉛直底壁部とを有する凹部のうち、溶湯が導入される湯口部分近傍に存在する凹部等、特に著しい熱衝撃が加わる部位には、上記各種表面処理を施してもヒートクラックが生じることを抑制することが困難であるからである。
【０００７】
そして、ヒートクラックが生じた鋳造用金型では、所定の寸法精度の鋳造品を得ることができないので、新たなる鋳造用金型に交換される。すなわち、前記部位にヒートクラックが生じた場合、他の部位にはヒートクラックが生じてなくとも、鋳造用金型全体を新たなるものに交換しなければならない。
【０００８】
そこで、特許文献１では、耐熱衝撃性を向上させようとする部位に対して浸炭処理を行うことが提案されている。しかしながら、この場合においても、耐熱衝撃性を著しく向上させることは困難である。すなわち、製造コストを著しく低廉化するまでには至っていない。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１２１６４３号公報（段落［００１７］）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、交換頻度を可及的に少なくし、しかも、鋳造品の製造コストを著しく低廉化することが可能な鋳造用金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、壁面がキャビティとなる本体部と、前記キャビティの一部となる壁面を有するキャビティ形成部とを有する鋳造用金型であって、
前記本体部は鋼材からなり、
前記キャビティ形成部は、前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなることを特徴とする。
【００１２】
靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材は、概して耐熱衝撃性等にも優れる。このため、鋳造用金型において、キャビティ形成部が配設された箇所は、靱性および耐熱衝撃性に優れる。換言すれば、ヒートクラックが生じ難くなる。したがって、鋳造用金型の寿命を長期化することができ、該鋳造用金型の交換頻度を低減することができるので、結局、鋳造成形品の製造コストを低廉化することができる。
【００１３】
なお、上記した諸特性に優れる素材は概して高価であるが、本発明では、そのような高価な素材からなるキャビティ形成部は、キャビティの一部のみに使用される。このため、鋳造用金型が過度に高価になることを回避することができる。
【００１４】
ここで、本体部を構成する鋼材は、ＳＣＭ材またはＳＫＤ材からなる。このうち、より安価なＳＣＭ材であると、鋳造用金型を安価で提供することができるので好適である。
【００１５】
ＳＣＭ材の１種であるＳＣＭ４２０材は、周知のように、プラスチック製成形品を成形するための金型の原材料として広汎に使用されているが、金属の溶湯を用いる鋳造作業においては寿命が充分でないことから、鋳造用金型の素材として採用することは困難であった。本発明によれば、ＳＣＭ材であっても鋳造用金型の本体部を構成する素材として採用することができる。
【００１６】
一方、キャビティ形成部は、ＳＣＭ材またはＳＫＤ材に比して高靱性であるマルエージング鋼材、ＳＫＨ材のいずれかからなる。
【００１７】
なお、キャビティ形成部は、入子として設けられていてもよい。
【００１８】
そして、キャビティが、溶湯が導入される湯口から湾曲ないし屈曲して設けられている場合、前記キャビティ形成部を溶湯が導入される湯口に最も近接した部位に配設することが好ましい。換言すれば、キャビティ形成部を、キャビティ内で比較的大きな熱衝撃が加わる箇所に配設することが好ましい。
【００１９】
この場合、耐熱衝撃性に優れる素材からなるキャビティ形成部が比較的大きな熱衝撃が加わる箇所に配設されている。したがって、鋳造用金型にヒートクラックが生じることが一層抑制される。
【００２０】
また、本発明は、壁面がキャビティとなる本体部と、壁面が前記キャビティの一部となるキャビティ形成部とを有する鋳造用金型の製造方法であって、
鋼材にキャビティを設けて本体部を作製する工程と、
前記キャビティの一部に凹部を設ける工程と、
前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなるキャビティ形成部を、前記本体部の前記凹部に配設する工程と、
を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、凹部を設けた後、該凹部内にキャビティ形成部を配設するという簡便な作業を行うことによって、鋳造用金型を容易に製造することができる。換言すれば、キャビティにキャビティ形成部を配設するようにしたことに伴って鋳造用金型を得る過程が複雑ないし煩雑となることはない。このため、鋳造用金型の作製コスト、ひいては鋳造成形品の製造コストが高騰することもない。
【００２２】
さらに、本発明は、壁面がキャビティとなる本体部と、壁面が前記キャビティの一部となるキャビティ形成部とを有する鋳造用金型の製造方法であって、
鋳造作業に使用された前記本体部における前記キャビティの一部に対し、前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなるキャビティ形成部を配設する工程を有することを特徴とする。
【００２３】
すなわち、本発明によれば、鋳造作業に使用される過程でヒートクラック等が発生したために所定の寸法精度の鋳造成形品が得られなくなった鋳造用金型を、再度使用することができるようになる。このため、鋳造用金型の寿命を一層長期化することができるので、結局、鋳造成形品の製造コストを一層低廉化することができる。
【００２４】
ここで、キャビティ形成部は、例えば、溶接棒を使用した肉盛り溶接によって配設することができる。この場合、本体部との境界部が形成されないので、キャビティ形成部から本体部への熱伝達が妨げられることを回避することができるという利点がある。
【００２５】
または、入子を嵌合または接合することによって前記キャビティ形成部を配設するようにしてもよい。この場合、肉盛り溶接を行う場合に比して簡便かつ容易にキャビティ形成部を設けることができる。
【００２６】
なお、キャビティが、溶湯が導入される湯口から湾曲ないし屈曲して設けられている場合、上記したように、比較的大きな熱衝撃が加わる部位、すなわち、湯口に最も近接した部位にキャビティ形成部を配設することが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋳造用金型およびその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る鋳造用金型１０の概略全体斜視図を図１に示すとともに、該図１の平面図を図２に示す。この鋳造用金型１０は可動金型であり、図示しない固定金型とともに型締めされた際に形成されるキャビティにてミッションケースを鋳造成形するためのもので、本体部１２と、溶接によって該本体部１２に接合されたキャビティ形成部１４とを有する。
【００２９】
この場合、本体部１２は、プレハードン鋼であるＳＣＭ４２０材からなり、湯口１６と、該湯口１６に略直交して設けられ、前記キャビティを形成するキャビティ面１８とを有する。周知のようにＳＣＭ４２０材は安価であり、このために鋳造用金型１０が安価となる。
【００３０】
湯口１６は、鋳造用金型１０の下部に設けられている。すなわち、本実施の形態においては、溶湯は鋳造用金型１０の下部から注湯される。
【００３１】
キャビティ面１８には、ミッションケースを成形するために、水平方向に指向して所定形状の凹部２０および凸部２２が形成されている。
【００３２】
そして、キャビティ形成部１４は、湯口１６からキャビティ面１８に向かう垂直壁２４を形成する。このため、該キャビティ形成部１４の上端面は、キャビティ面１８における湯口１６から最も近接した部位となる。すなわち、このキャビティ形成部１４の上端面は、キャビティ面１８の一部をなす。
【００３３】
ここで、キャビティ形成部１４は、後述するように、いわゆる溶接棒をアーク溶接にて肉盛り溶接することによって設けられた溶接金属である。この場合、キャビティ形成部１４は、本体部１２を構成するＳＣＭ４２０材に比して耐熱衝撃性に優れるマルエージング鋼材からなる。
【００３４】
このように、本実施の形態においては、湯口１６からキャビティ面１８に向かう垂直壁２４、およびキャビティ面１８における湯口１６に最も近接した箇所を、鋳造用金型１０の本体部１２を構成する素材に比して耐熱衝撃性に優れる素材からなるキャビティ形成部１４で形成するようにしている。
【００３５】
本実施の形態に係る鋳造用金型１０を使用しての鋳造作業は、一般的な鋳造用金型を使用しての鋳造作業と同様に遂行される。すなわち、まず、可動金型である鋳造用金型１０を図示しない前記固定金型に密着させることによって型締めを行うとともに、ミッションケースキャビティを形成する。
【００３６】
次いで、型締めされた鋳造用金型１０と固定用金型とを予熱した後、湯口１６を介して前記ミッションケースキャビティに溶湯を注湯する。
【００３７】
この際、溶湯は、湯口１６から垂直壁２４を経由してキャビティ面１８に到達する。このため、キャビティ形成部１４には、注湯された高温の溶湯が即座に接触する。該キャビティ形成部１４には、キャビティ面１８の他の部位に比して大きな熱衝撃が加わる。
【００３８】
しかしながら、このキャビティ形成部１４は、上記したように、熱衝撃性に優れる。このため、垂直壁２４およびキャビティ面１８における湯口１６に最も近接した部位の耐熱衝撃性が確保されるので、鋳造用金型１０にヒートクラックが生じることを抑制することができる。したがって、該鋳造用金型１０の寿命を長期化することができる。
【００３９】
注湯が進行するにつれ、キャビティ面１８における湯口１６から離間した部位は、既に注湯された溶湯からの熱が伝達されることによって温度が上昇する。このため、この部位では熱衝撃が比較的小さいので、この部位に比較的高価なキャビティ形成部１４を配設する必要は特にない。したがって、鋳造用金型１０の製造コストが高騰することを回避することができる。
【００４０】
ミッションケースキャビティが溶湯で満たされると、注湯が終了される。その後、所定の時間保持して溶湯を冷却固化することにより、鋳造成形品であるミッションケースが得られるに至る。
【００４１】
そして、可動金型である鋳造用金型１０を固定金型から離間させて型開きを行った後、ミッションケースを固定金型から離脱させれば、ミッションケースが取り出される。
【００４２】
このミッションケースに対して、バリ取り加工や湯口１６部分の除去加工等が施され、最終製品が得られる。
【００４３】
本実施の形態に係る鋳造用金型１０は、上記したように耐熱衝撃性に優れる。したがって、この鋳造作業を繰り返し行っても、一般的な鋳造用金型に比してヒートクラックが生じ難い。このため、該鋳造用金型１０を長期間に亘り使用することができる。具体的には、一般的な鋳造用金型ではおよそ２０００回程度でヒートクラックが生じるのに対し、本実施の形態に係る鋳造用金型１０では、鋳造作業をおよそ４０００回程度繰り返して行うことが可能である。換言すれば、鋳造用金型１０の交換頻度が著しく低減するので、鋳造成形に要する設備投資を低廉化することができ、結局、鋳造品の製造コストを低廉化することができる。
【００４４】
鋳造用金型１０は、以下のようにして製造することができる。まず、鋼材のインゴットに対して切削加工や研削加工等を施すことによってキャビティ面１８や湯口１６等を粗い寸法で形成し、本体部１２を設ける。
【００４５】
次いで、図３に示すように、本体部１２に対し、キャビティ形成部１４を配設する場所、換言すれば、湯口１６から略垂直に立ち上がった壁面をエンドミル３０にて切削加工することによって、凹部３２を設ける。
【００４６】
次いで、図４に示すように、マルエージング鋼材からなる溶接棒３６をアーク溶接ガン３８にて溶解し、溶解金属で凹部３２を充填する。換言すれば、マルエージング鋼材にて凹部３２を肉盛り溶接する。この溶解金属を冷却固化させれば、キャビティ形成部１４が設けられる。すなわち、凹部３２がキャビティ形成部１４で埋設される。
【００４７】
次いで、図５に示すように、キャビティ形成部１４の露呈面に対してエンドミル４０で仕上げ加工を施す。すなわち、キャビティ形成部１４に対して、該ミッションケースが所定の寸法精度で得られるように切削加工等を施し、垂直壁２４を設ける。これにより、鋳造用金型１０にミッションケース用のキャビティ面１８が形成されるに至る。
【００４８】
次いで、必要に応じて、鋳造用金型１０に対し、窒化処理、浸硫窒化処理、酸化処理等の表面処理を施す。これにより、鋼材からなる本体部１２およびキャビティ形成部１４の硬度や靱性等の諸特性を向上させることができる。
【００４９】
ここで、本体部１２としては、鋳造作業に使用されたものであってもよい。この場合、ヒートクラックが生じた箇所に対してキャビティ形成部１４を配設するようにすればよい。キャビティ形成部１４の配設は、上記に準拠して遂行することができる。
【００５０】
すなわち、この場合、鋳造作業を繰り返し行うことによってヒートクラックが生じた鋳造用金型１０を再度使用可能な状態とすることができる。このため、鋳造用金型１０の寿命が一層長期化し、ミッションケースの製造コストを一層低廉化することができる。
【００５１】
このように、本実施の形態に係る製造方法によれば、本体部１２のキャビティ面に凹部３２を設け、該凹部３２にキャビティ形成部１４を配設するという簡便な作業を行うことによって、長寿命の鋳造用金型１０を製造することができる。
【００５２】
なお、上記した実施の形態においては、溶接棒３６を溶解した溶解金属で凹部３２を充填した後、該溶解金属を冷却固化することによってキャビティ形成部１４を設けるようにしているが、マルエージング鋼材からなる板状部材（入子）を凹部３２に嵌合するようにしてもよい。嵌合された板状部材を、溶接等によって本体部１２に接合するようにしてもよい。
【００５３】
また、マルエージング鋼材に代替して、高硬度のＳＫＨ材や、熱伝導度が良好なＣｕ合金材等からなるキャビティ形成部１４を設けるようにしてもよい。この場合においても、溶接棒を使用してキャビティ形成部１４を設けるようにしてもよい。勿論、板状部材（入子）を凹部３２に嵌合するようにしてもよいし、該板状部材を溶接等にて本体部１２と接合するようにしてもよい。
【００５４】
さらに、キャビティ形成部１４は、セラミックス材からなるものであってもよい。セラミックス材製のキャビティ形成部１４は、プラズマパウダー溶接法によって形成することができる。プラズマパウダー溶接法は、上記したマルエージング鋼材、ＳＫＨ材またはＣｕ合金材でキャビティ形成部１４を設ける際にも採用することができる。
【００５５】
さらにまた、鋳造用金型の本体部を構成する素材は、一般的な鋳造用金型を構成する素材であるＳＫＤ材であってもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る鋳造用金型によれば、キャビティの一部、特に、比較的大きな熱衝撃が加わる部位に、本体部に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなるキャビティ形成部を配設するようにしている。このため、該鋳造用金型にヒートクラック等が生じることを抑制することができるので、該鋳造用金型の交換頻度が低減する。結局、設備投資を低廉化することができるので、鋳造成形品の製造コストを低廉化することができるという効果が達成される。
【００５７】
また、本発明に係る鋳造用金型の製造方法によれば、キャビティの一部に凹部を設け、該凹部にキャビティ形成部を配設するようにしている。このように簡便な作業を行うことによって上記した鋳造用金型を容易に作製することができるので、鋳造用金型の作製コスト、ひいては鋳造成形品の製造コストを高騰させることなく鋳造用金型を得ることができるという効果が達成される。
【００５８】
さらに、本発明に係る鋳造用金型の製造方法によれば、鋳造作業に使用されてヒートクラック等が生じた鋳造用金型に対してキャビティ形成部を配設して、該鋳造用金型を再度使用することができるようにしている。このため、鋳造用金型の寿命が一層長期化するので、鋳造成形品の製造コストを一層低廉化することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る鋳造用金型（可動金型）の概略全体斜視図である。
【図２】図１の可動金型の平面図である。
【図３】本体部に凹部を設けている作業状態を示す概略全体斜視図である。
【図４】凹部にキャビティ形成部を配設している作業状態を示す概略全体斜視図である。
【図５】キャビティ形成部に対して切削加工を施している作業状態を示す概略全体斜視図である。
【符号の説明】
１０…鋳造用金型 １２…本体部
１４…キャビティ形成部 １６…湯口
１８…キャビティ面 ３２…凹部
３６…溶接棒 ３８…溶接ガン

Claims (8)

1. 壁面がキャビティとなる本体部と、前記キャビティの一部となる壁面を有するキャビティ形成部とを有する鋳造用金型であって、
   前記本体部は鋼材であるＳＣＭ材またはＳＫＤ材からなり、
   前記キャビティ形成部は、前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れるマルエージング鋼材またはＳＫＨ材からなることを特徴とする鋳造用金型。
2. 請求項１記載の金型において、前記キャビティ形成部が入子として設けられていることを特徴とする鋳造用金型。
3. 請求項１または２記載の金型において、前記キャビティは、溶湯が導入される湯口から湾曲ないし屈曲して設けられており、かつ前記キャビティ形成部は、溶湯が導入される湯口に最も近接した部位に配設されていることを特徴とする鋳造用金型。
4. 壁面がキャビティとなる本体部と、壁面が前記キャビティの一部となるキャビティ形成部とを有する鋳造用金型の製造方法であって、
   鋼材にキャビティを設けて本体部を作製する工程と、
   前記キャビティの一部に凹部を設ける工程と、
   前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなるキャビティ形成部を、前記本体部の前記凹部に配設する工程と、
   を有することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
5. 壁面がキャビティとなる本体部と、壁面が前記キャビティの一部となるキャビティ形成部とを有する鋳造用金型の製造方法であって、
   鋳造作業に使用された前記本体部における前記キャビティの一部に対し、前記本体部を構成する鋼材に比して靱性、硬度または熱伝導度の少なくともいずれかが優れる素材からなるキャビティ形成部を配設する工程を有することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
6. 請求項４または５記載の製造方法において、前記キャビティ形成部を肉盛り溶接によって配設することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
7. 請求項４または５記載の製造方法において、入子を嵌合または接合することによって前記キャビティ形成部を配設することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の製造方法において、前記キャビティを溶湯が導入される湯口から湾曲ないし屈曲して設け、かつ前記キャビティ形成部を溶湯が導入される湯口に最も近接した部位に配設することを特徴とする鋳造用金型の製造方法。

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