JP3948490B2 - 鋳物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鋳物の製造方法に関し、特に従来のシェルモールドプロセスに代えて、除去が容易な鋳型を用いる鋳物の製造方法に関する。

従来の軽合金鋳物の製造方法としては、例えば特開平５−２６１４７８号公報に記載されたように、シェルモールドプロセスが公知である。このシェルモールドプロセスのバインダーとしては、フェノール−ホルムアルデヒド系の樹脂を含むものが採用されている。このバインダーで被覆した砂を加熱された造型用金型に吹き込み充填し、充填した砂に被覆されたバインダーを金型の熱により硬化させている。

しかしながら、このようなシェルモールドプロセスにおいては、注湯後の中子鋳型が比較的に硬いので、この中子鋳型を崩壊させて鋳物から除去するためには、中子鋳型に大きな衝撃力を付与するノックアウト工程を必要とする。このノックアウト工程をなすためには、鋳物の熱処理前に鋳物を充分に冷却する必要がある。また、１Mpa以上の比較的に大きな衝撃力を１０Hz以上で１０sec以上与えても７０〜８０％程度の砂落ししかできないので、熱処理期間中やその後にも、崩壊後の中子鋳型の残滓である中子砂及び中子塊が鋳物に残存してしまう。従ってそれらの再度の除去が要求されることもある。更に、鋳物から除去した中子塊を再生するためには、焙焼を必要とすることが多い。

更に、シェルモールドプロセスにおいては、金型の熱によりバインダーを硬化させる際には揮発ガスの発生を伴う。このような揮発ガスは、不快な臭気を伴い、特にホルムアルデヒド、フェノール、アンモニアなどのガスは人体に悪影響を及ぼす。

従って従来のシェルモールドプロセスに代えて、鋳型の除去が容易であり、揮発ガスの発生を抑制する鋳物の製造方法が望まれる。

本明細書において「粒子状骨材」とは、珪砂、ジルコン、砂、オリビン砂、クロマイト砂、アルミナ砂、ムライト砂、人工砂等のうちの１種或いは２種以上から成るものを意味する。

本明細書において「溶湯が凝固後」とは、溶湯が凝固し硬化した後をいう。この温度はプロセスや溶湯材質により異なっている。

本明細書において「鋳物の冷却期間中」とは、完成鋳型から鋳物を取り出しても変形しない程度に鋳物が冷却された温度よりも低く鋳物を冷やしている期間を示す。例えば、アルミニウム合金のT６処理では、溶体化処理温度である約５２０℃よりも低いが通常の冷却温度である７０乃至１１１℃よりも高い温度、例えば、３００℃まで鋳物を冷却している期間を示す。

本発明の一つの局面によれば鋳物の製造方法が与えられ、この方法は、鋳物の製造方法であって、
少なくとも１種類の粒子状骨材、少なくとも１種類の水溶性バインダー、及び水を混合することにより骨材混合物を形成し、この骨材混合物を攪拌して発泡させる工程と、
発泡させた骨材混合物を鋳型造型用空間に充填し、充填した骨材混合物中の水分を蒸発させて骨材混合物を固化させ、前記粒子状骨材により鋳型を造型する工程と、
この粒子状骨材により造型された造型鋳型に対して、相手方の鋳型を組み合わせて完成鋳型を製作する工程と、
前記完成鋳型に溶湯を注湯する工程と、
前記溶湯が凝固後の鋳物の冷却期間中に前記鋳物から前記造型鋳型を除去する工程と、
前記鋳物を熱処理する工程とを含む。

粒子状骨材により造型された造型鋳型は好ましくは中子鋳型である。この場合、相手方の鋳型（主型鋳型）は金型でもよく、砂型でもよい。

本明細書において「完成鋳型」とは、主鋳型と、粒子状骨材により造型された少なくとも１つの造型鋳型（中子鋳型）との組み合わせからなり、溶湯を注湯可能な鋳型を意味する。従って完成鋳型の構成要素は、主鋳型と中子鋳型の他に、注湯に必要な要素も含み得る。

本発明の鋳物の製造方法においては、粒子状骨材を回収工程と、その回収した粒子状骨材を再生する工程とを更に含んでもよい。回収して再生した粒子状骨材を鋳型の造型に再び使用することが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、粒子状骨材を回収して再生する工程は機械的な再生である。

鋳物はアルミニウム合金鋳物としてもよく、又はマグネシウム合金鋳物、或いは銅合金鋳物その他としてもよい。

熱処理はT６処理若しくはT７処理としてもよい。

本発明の一実施形態によれば、鋳型を除去する工程は、鋳型に対して振動を加える工程である。これは例えば、注湯後５分乃至２０分以内の時間において、鋳型に対して１Mpa以下の衝撃力を３０Hz未満で３０sec未満与えることを含む。

本発明の他の局面により与えられる鋳物の製造方法は、粒子状骨材、少なくとも１種類の水溶性バインダー、及び水を混合することにより骨材混合物を形成する工程と、
この骨材混合物を攪拌して発泡させ、発泡させた骨材混合物を鋳型造型用空間に充填し、充填した骨材混合物中の水分を蒸発させて骨材混合物を固化させ、中子鋳型を造型する工程と、
中子鋳型と金型鋳型とを組み合わせて完成鋳型にする工程と、
完成鋳型にアルミニウム合金の溶湯を注湯する工程と、
溶湯が凝固後の鋳物の冷却期間中に鋳物から中子鋳型を除去する工程と、
アルミニウム合金鋳物をT6又はT７熱処理する工程とを含む。

少なくとも１種類の水溶性バインダーは、ポリビニルアルコールとその誘導体との少なくとも一方、或いは、澱粉とその誘導体との少なくとも一方である。

発明を実施するための好ましい形態

図１の工程図には本発明に係る鋳物の製造方法の各工程を概略的に示してある。この工程図に沿って先ず本発明の鋳物の製造方法の原理について説明する。

図１において、第１に、少なくとも１種類の粒子状骨材、少なくとも１種類の水溶性バインダー及び水を混合して骨材混合物を形成して、これを攪拌することにより発泡させる（第１（調製）工程１）。

第２に、前工程で発泡させた骨材混合物を鋳型造型用空間に充填して固化させて、粒子状骨材からなる鋳型を造型する（第２（造型）工程）２）。

第３に、この造型された少なくとも１つ以上の造型鋳型（中子鋳型）を相手方鋳型（主型）に組み合わせて、完成鋳型を製作する（第３（組立）工程３）。

第４に、この完成鋳型に溶湯を注湯する（第４（注湯）工程４）。

第５に、溶湯が凝固後の鋳物の冷却期間中に、この鋳物から中子鋳型を鋳物から除去して抜型する（第５（抜型）工程５）。

第６に、この鋳物を熱処理する（第６（熱処理）工程６）ことにより、完成品の鋳物が製造される。

図１の各工程について更に詳しく説明する。

第１（調製）工程１において、粒子状骨材としては、珪砂、ジルコン、砂、オリビン砂、クロマイト砂、アルミナ砂、ムライト砂、人工砂等のうちの少なくとも１種類以上を用いる。

水溶性バインダーとしては、常温にて水分可溶性を有するものを用いることが好ましい。常温で水分可溶性を有する水溶性バインダーは、加熱することなく骨材混合物を形成できるので、バインダー及び粒子状骨材を加熱するために要する時間やエネルギを節約できる。これは、従来のシェルモールドプロセスにおけるコーテッドサンド製造とは対照的な本発明の利点である。本発明に用いる水溶性バインダーは、水溶性バインダーであるポリビニルアルコール又はその誘導体と、澱粉又はその誘導体との何れか一方、又はその両方が好ましいが、これに限定されるものではない。この水溶性バインダーは容易に揮発または分解させることができるので、後の第５（抜型）工程５においては、溶湯の凝固した鋳物から中子鋳型を容易に除去できる。なお、水溶性バインダーは、粒子状骨材に対し０．１乃至５．０重量部含有されることが好ましい。

このような少なくとも１種類の水溶性バインダーと、少なくとも１種類の粒子状骨材と、水とを混合して骨材混合物を形成する。これを攪拌することにより発泡させると、骨材混合物はホイップクリーム状になる。

第２（造型）工程２においては、鋳型造型用空間に充填した骨材混合物中の水分を蒸発させて骨材混合物を固化させると、前工程における発泡に起因して、粒子状骨材からなる中空の中子鋳型（中子鋳型）が造型される。この中空鋳型は、空孔率が３％乃至６０％である。また、中空鋳型の厚みが例えば約４０ｍｍの場合、水溶性バインダーは、鋳型の表面と１０ｍｍ深さとの間の鋳型表面層に５０％以上凝集している。即ち、発泡させた骨材混合物による中空鋳型では、骨材混合物中に分散した気泡及びバインダーの含有する水分が鋳型中心部に集まっているので、その水分を蒸発させることにより、鋳型中心部においては骨材の充填密度が低くなる。

第３（組立）工程３においては、粒子状骨材よりなる少なくとも１つの中子鋳型に、主型鋳型（相手方鋳型）を組み合わせて完成鋳型を構成することができる。主型鋳型は金型でもよく、或いは例えば粒子状骨材よりなる砂型でもよい。本実施形態においては、主型鋳型として金型を採用し、低圧鋳造を適用する。しかしながら、金型鋳型を採用する場合には、本発明の方法は、低圧鋳造に限らず、逆圧鋳造、ダイキャスト、重力金型鋳造などの他の処理にも適用可能である。

第４（注湯）工程４において、完成鋳型に注湯する溶湯材質は、本実施形態ではアルミニウム合金であるが、これに限定されるものではなく、他の軽金属合金又は非鉄合金（例えばマグネシウム合金又は銅合金）としてもよい。これに代えて、鋳鉄、鋳鋼、或いは鉄系金属合金を用いてもよい。但し鉄系金属を用いる場合には、中子鋳型に塗型材を塗布することが望ましいであろう。

第５（抜型）工程５において、冷却期間中（完成鋳型から鋳物を取り出しても変形しない程度に鋳物が冷却された温度よりも更に低い温度へ鋳物を冷却する期間）に鋳物から中子鋳型を除去する。ここで第４（注湯）工程４における溶湯材質がアルミニウム合金である場合の「冷却期間中」とは、アルミニウム合金のT６処理における溶体化処理温度である約５２０℃よりも低いが、通常の冷却温度である７０乃至１１１℃よりも高い温度、例えば、３００℃まで鋳物を冷却している期間である。

アルミニウム合金の場合には、第６（熱処理）工程６における熱処理は、T6処理、T７処理その他の熱処理である。

水溶性バインダーとして、ポリビニルアルコール若しくはその誘導体、又は澱粉若しくはその誘導体を用いることにより、バインダーを含む粒子状骨材混合物を混練して調整する調製工程１においても、中子鋳型を造型する造型工程２においても不快なガス臭は生じなかった。

また、造型された中子鋳型に溶湯を注湯する注湯工程４に際し、溶湯の熱でバインダーが加熱されても、中子鋳型からの不快な臭気や不所望な揮発性ガスの発生は認められなかった。

図１に示すように本発明の鋳物の製造方法には、第６（熱処理）工程６に続き、必要に応じて以下の工程を更に追加してもよい。即ち、中子鋳型の粒子状骨材（中子砂）及び中子塊を回収する回収工程７、中子塊を破砕する破砕工程８、及び、回収した粒子状骨材を機械的に再生する機械式再生工程９である。回収して再生した粒子状骨材は中子鋳型の造型に再び使用することができる。

図１の工程図を参照して、本発明の鋳物の製造方法の特定の実施形態について説明する。但し、ここに示した材料名は例示の目的のために示すものであり、本発明を限定するものではない。

本実施形態の第１工程（調製工程）１においては、以下のように二種類の骨材混合物Ａ及びＢを得た。

表１ 骨材混合物Ａ
粒子状骨材：珪砂（フラタリーサンド）１００重量部
水溶性バインダー：ポリビニルアルコール（ＪＰ−０５ 日本酢ビ・ポバール製）０．８重量部
架橋剤：ブタンテトラカルボン酸（リカシッドＢＴ−Ｗ 新日本理化製）０．２重量部
表１に示す組成からなる骨材混合物１００重量部と水６重量部とを混合、攪拌、混練して発泡させ、ホイップクリーム状の骨材混合物Ａを得た。

表２ 骨材混合物Ｂ
粒子状骨材：珪砂（フラタリ−サンド）１００重量部
水溶性バインダー：ポリビニルアルコール（ＪＬ−０５ 日本酢ビ・ポバール製）０．２重量部、澱粉（デキストリンＮＤ−Ｓ 日澱化学製）１．０重量部、及びクエン酸（扶桑化学製）０．４重量部
表２に示す組成からなる乾燥した骨材混合物１００重量部と、水６重量部とを混合、攪拌、混練して発泡させ、ホイップクリーム状の骨材混合物Ｂを得た。

なお、本実施形態の調製工程１では、従来のシェルモールドプロセスのレジンコーテッドサンドを製造する工程で必要な加熱装置や、レジンの加熱によって生じる有害ガスを除去する脱臭装置は必要ない。

次いで、２５０℃に保持されている鋳型造型用金型（図示せず）のキャビティ（図示せず）内に、調製工程１で得られた２種類のホイップクリーム状の骨材混合物Ａ及びＢを別々に加圧充填し、１分間保持し、骨材混合物中の水分を気化し、固化させた後、鋳型造型用金型のキャビティ内から中子鋳型を取り出した（第２（造型）工程２）。

既に説明したように、この鋳型を他の鋳型と組み立て、完成鋳型にする（第３（組立）工程３）。ここで本実施形態の組立工程３においては、低圧鋳造装置の主型金型に中子鋳型を組み込んで、完成鋳型を製作し、注湯準備をなした。

この完成鋳型に溶湯を注湯した（第４（注湯）工程４）。本実施形態ではアルミニウム合金鋳物AC４Cの溶湯（温度７２０℃）を低圧鋳造装置（図示せず）を用いて下方から注湯した。溶湯の７２０℃の温度は、バインダーを揮発又は分解させるので、次工程の中子鋳型の除去が容易になる。

溶湯が凝固した後の鋳物の冷却期間中に、この鋳物から中子鋳型を除去した（第５（抜型）工程５）。従来のシェルモードプロセスにおいては、鋳物から中子鋳型を崩壊させて除去するためには、鋳物を充分に冷却した後に、鋳型に対して大きな衝撃力を与える必要があった。本発明の方法によれば、崩壊性が高い中子鋳型を用いているので、中子鋳型を鋳物から除去するために従来要求されていた充分な冷却及びその後の大きな衝撃力は必要としない。従って中子鋳型を簡単な方法、例えば以下に説明する軽振動で除去することができる。本実施形態の抜型工程５においては、注湯から約10分後に、凝固した溶湯を鋳物として取り出した。その直後に、温度３５０℃の鋳物に対して1Mpa以下の衝撃力を２０Hz、２０sec未満の軽振動によって与えて砂落しをなすことにより、中子鋳型を完全に除去できた。また実験によれば、抜型工程５では、注湯後５分乃至２０分以内の時間において、1Mpa以下の衝撃力を３０Hz未満で３０sec未満与える砂落しとしても鋳物から中子鋳型を完全に除去できた。

このような鋳物の湯口を除去し、鋳物の鋳ばりを除去してから、この鋳物を熱処理した（第６（熱処理）工程６）。鋳物の湯口及び鋳ばりの除去は、本実施形態では鋳物の熱処理の前になしたが、熱処理後に実施してもよい。本実施形態においても、第６（熱処理）工程６に続き、図１に示す中子砂回収工程７、破砕工程８、及び機械式再生工程１１０を追加してもよい。

金型鋳型を用いた鋳造方法では、中子鋳型からのみ粒子状骨材及び中子塊が回収されるので、回収して再生した粒子状骨材を鋳型の造型に容易に再使用することができる。

比較のために示す図２（従来技術）は、先述の特開平５−２６１４７８号公報に記載されたシェルモールドプロセスを用いた従来の鋳物の製造方法の工程図である。

図２の従来方法においては、レジンコーテッドサンドを用いる。通常、レジンコーテッドサンドは鋳物製造業者とは別の業者によって製造販売されているので、レジンコーテッドサンドを製造する工程（１１）は、鋳物製造現場とは別の場所でなされる。従って、レジンコーテッドサンドを回収して再生しても、本発明の方法とは対照的に、鋳型の造型に再使用することは困難である。

図２の従来方法によれば、鋳物製造業者は、市販のレジンコーテッドサンドを加熱して中子鋳型を造型し（１２）、造型された中子鋳型を他の鋳型と組み立てて、完成鋳型を製造し（１３）、この完成鋳型に注湯する（１４）。次いで砂落し炉により中子鋳型を抜型し（１５）、鋳物を充分に冷却した（１６）後、ノックアウト工程により鋳物砂を完全に除去し（１７）、この鋳物を熱処理する（１８）。更に、ノックアウト工程１７、熱処理工程１８及びその後の工程から中子塊を含んだ中子砂を回収している（１９）。この回収した中子砂には、この回収工程１９をなす場所とは通常は別の場所であるレジンコーテッドサンド製造場において、中子塊の破砕２０、焙焼２１、機械的な再生２２がなされる。

図１に示す本発明の鋳物製造方法では、図２に示す従来方法に比べて工程数が削減されることが明らかである。例えば本発明の方法（図１）では第５（鋳型除去）工程５は、鋳型の崩壊が容易であるので、簡単な工程、例えば軽振動による砂落としで達成することができる。ところが、鋳型を崩壊させにくい従来方法（図２）では、鋳型除去のために砂落し炉による除去１５、鋳物の充分な冷却１６、ノックアウト工程１７を必要とする。また本発明の方法は従来方法の回収再生における焙焼２１を必要としない。

図３は本発明の実施形態の第５（鋳型除去）工程５及び第６（熱処理）工程６における温度と時間との関係を示すグラフである。比較のために示す図４（従来技術）は、本発明の方法における鋳型除去及び熱処理工程に対応する従来工程についての同様なグラフである。

従来方法においては、上述のように鋳物の充分な冷却（図２の工程１６）の後に、ノックアウト工程による砂落しをなし（図２の工程１７）、その後、T６処理のために改めて昇温をしていた。このため、図４に示すように冷却に時間を要する上に、熱処理のための再加熱の時間及びエネルギが必要である。

図３に示す本発明の実施形態においては、７２０℃で注湯した後、鋳型除去工程５で溶湯が凝固後の鋳物を取り出した直後に、この鋳物から中子鋳型を除去している。従って、中子鋳型の除去のために、充分に鋳物製品を冷却した後に大きな衝撃を付与することが不要となり、溶体化処理（熱処理）を直ちに開始することができる。このため、冷却に要する時間を短縮でき、熱処理のための再加熱時間も短縮できるので、消費エネルギを省くことができ、工程数も削減できる。鋳物は必ずしも１００℃まで冷却する必要は無く、３００℃までの冷却でも省エネルギの効果が得られる。

上述の実施形態は本発明を単に例示するものであって、限定を意図するものではなく、当業者には添付の請求項に記載された目的及び要旨を逸脱することなく、様々な変更や変形をなせることが明らかである。

図１は本発明に係る鋳物の製造方法の工程図である。 図２はシェルモールドプロセスを用いた従来の鋳物の製造方法の工程図である。 図３は本実施形態の鋳型除去及び熱処理工程における鋳物の温度と時間との関係を示すグラフである。 図４は図３の工程に対応し、シェルモールドプロセスを用いる従来技術の工程について示す図３と同様なグラフである。

Claims (15)

1. 鋳物の製造方法であって、
   少なくとも１種類の粒子状骨材、少なくとも１種類の水溶性バインダー、及び水を混合することにより骨材混合物を形成し、この骨材混合物を攪拌して発泡させる工程と、
   発泡させた骨材混合物を鋳型造型用空間に充填し、充填した骨材混合物中の水分を蒸発させて骨材混合物を固化させ、前記粒子状骨材により鋳型を造型する工程と、
   この粒子状骨材により造型された少なくとも１つの造型鋳型に対して、相手方の鋳型を組み合わせて完成鋳型を製作する工程と、
   前記完成鋳型に溶湯を注湯する工程と、
   前記溶湯が凝固後の鋳物の冷却期間中に前記鋳物から前記造型鋳型を除去する工程と、
   前記鋳物を熱処理する工程とを含む鋳物の製造方法。
2. 請求項1に記載の方法において、前記粒子状骨材により造型された少なくとも１つの造型鋳型が中子鋳型であり、前記相手方の鋳型が主型鋳型である方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記主型鋳型が金型である方法。
4. 請求項２に記載の方法において、前記主型鋳型が砂型である方法。
5. 請求項1乃至４の何れか一項に記載の方法において、前記粒子状骨材を回収する工程と、その回収した粒子状骨材を再生する工程とを更に含む方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記回収し再生した粒子状骨材を鋳型の造型に再び使用する方法。
7. 請求項５又は６に記載の方法において、前記粒子状骨材を回収し再生する工程が機械的な再生である方法。
8. 請求項1乃至７の何れか一項に記載の方法において、前記鋳物がアルミニウム合金鋳物又はマグネシウム合金鋳物である方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記熱処理がT６処理若しくはT７処理である方法。
10. 請求項1乃至７の何れか一項に記載の方法において、前記鋳物が鋳鉄、鋳鋼、又は鉄系金属合金による鋳物である方法。
11. 請求項1乃至７の何れか一項に記載の方法において、前記鋳物が銅合金鋳物である方法。
12. 請求項1乃至１１の何れか一項に記載の方法において、前記鋳型を除去する工程が、前記鋳型に振動を加える方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記鋳型に振動を加えることが、注湯後５分乃至２０分以内の時間において、前記鋳型に対して1Mpa以下の衝撃力を３０Hz未満で３０sec未満与えることを含む方法。
14. 鋳物の製造方法であって、
    少なくとも１種類の粒子状骨材、少なくとも１種類の水溶性バインダー、及び水を混合することにより骨材混合物を形成する工程と、
    この骨材混合物を攪拌して発泡させ、発泡させた骨材混合物を鋳型造型用空間に充填し、充填した骨材混合物中の水分を蒸発させて骨材混合物を固化させ、前記粒子状骨材による中子鋳型を造型する工程と、
    少なくとも１つの前記中子鋳型と金型鋳型とを組み合わせて完成鋳型にする工程と、
    前記完成鋳型にアルミニウム合金の溶湯を注湯する工程と、
    前記溶湯が凝固後の鋳物の冷却期間中に前記鋳物から前記中子鋳型を除去する工程と、
    前記アルミニウム合金鋳物をT6又はT７熱処理する工程とを含む鋳物の製造方法。
15. 請求項1乃至１４の何れか一項に記載の方法において、前記少なくとも１種類の水溶性バインダーが、ポリビニルアルコールとその誘導体との少なくとも一方、
    或いは、澱粉とその誘導体との少なくとも一方である方法。

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