JP6583603B2 - 鋳造物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、通気性鋳型に鋳造して所望の物品を得る鋳造物品の製造方法に関するものである。

重力注湯における鋳造物品の製造には、通気性鋳型である砂粒子を用いて造型された鋳型、いわゆる砂型が最も一般的に用いられている。このような通気性鋳型を使用すれば、特定形状のキャビティーに溶湯が充填される際に、残留する気体(一般には空気)がキャビティー表面から押し出されることになり、キャビティー全体に金属溶湯（以下、溶湯ともいう）が回り、キャビティーと実質同一の鋳物を得ることができる。鋳型のキャビティーは、一般に湯口部、湯道部、押湯部および製品部を有するものであり、この順で溶湯が供給される。そして、従来において、製品部を満たすだけの溶湯ヘッド高さを湯口部に形成して注湯が終了する。

こうして凝固した鋳造物品を見ると、湯口部、湯道部、押湯部および製品部が鋳物として連結した形態となっている。ここで、押湯部は製品の健全化のために設定されるキャビティーであり不要な部分とはいえないが、湯口部や湯道部は製品部までの溶湯の経路に過ぎず、本来全く不要な部分である。したがって、湯口部や湯道部に溶湯が充填された状態で凝固させる限り、注入歩留りの大幅な改善を図ることはできない。また、不要な部分が連結した鋳物であると、後工程である製品部の分離工程において製品部と不要な部分との仕分け作業に相当な工数を要し、生産効率の低下をきたす。従い、重力注湯において、鋳物として湯口部や湯道部の存在は大きな問題であった。

ところで、最近、上記のような問題に対して画期的な手法が、特許文献１および特許文献２に提案されている。その手法とは、通気性鋳型のキャビティーのうちの一部である所望のキャビティー部分に金属溶湯を充填するため、鋳型キャビティーの全体の体積よりも小さく、所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を重力注湯し、注湯された溶湯が所望のキャビティー部分に充填される前に、湯口部から圧縮ガスを送気して所望のキャビティー部分に溶湯を充填して凝固させるものである。この手法によれば、溶湯ヘッド高さによって必要であった圧力が、圧縮ガスによって補填されるため、湯口部はもちろん、湯道部の溶湯も、ほぼ不要とすることが可能となると期待されている。

特開２００７−７５８６２号公報 特開２０１０−２６９３４５号公報

本発明者らは、上記特許文献１および特許文献２に記載される手法を実現化するために実験を行なった。その結果、湯口部、湯道部で必要とされた溶湯を低減するだけでなく、押湯部として必要な溶湯も低減できれば、注入歩留りや生産効率のさらなる向上になると推定された。この押湯部は、上述したとおり、湯口部や湯道部とは異なり、製品の健全化という効果のために設置される部位である。具体的には、鋳造後の製品部の凝固収縮に対して、これを補う溶湯を供給する作用を持たせるものである。これにより、製品に引け巣や収縮割れといった鋳造欠陥の発生を防止することができる。

上記特許文献１および特許文献２には、圧縮ガスの送気を保持して凝固させると溶湯の流出を止めることができることが開示されている。また、溶湯を止める付加的な手段として圧縮ガスが接触している溶湯部分に冷却ガスを供給して凝固を促進したり、機械的に遮断したり、耐火物粒子を詰め込んだり、金属を導入して融解潜熱による凝固を促進したりして、圧縮ガスの送気時間が短縮できるといった開示もある。しかし、押湯部として必要な溶湯を低減しようとする具体的な構成について開示されていない。

本発明の目的は上記課題に鑑み、押湯部として必要な溶湯を低減できる鋳造物品の製造方法を提供することである。

本発明者は、押湯部が有する、鋳造後の製品部の凝固収縮に対して、これを補う溶湯を供給するという作用を得るには、前記ガスの送気圧力を、溶湯の充填後から所定期間増加させることが有効であることを知見した。これにより、単に溶湯の流出を止めるだけではなく、押湯部で確保していた溶湯を供給する作用の一部もしくは全部の代替が可能であることを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、金属溶湯を通気性鋳型に重力注湯して鋳造物品を得る鋳造物品の製造方法において、通気性鋳型のキャビティーのうちの一部である所望のキャビティー部分に金属溶湯を充填するため、前記鋳型キャビティーの全体の体積よりも小さく、前記所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を注湯し、注湯された前記溶湯が前記所望のキャビティー部分に充填される前に、湯口部からガスを送気して前記所望のキャビティー部分に前記溶湯を充填して凝固させるにあたり、前記ガスの送気圧力を、送気初期において前記溶湯の充填に必要なヘッド圧未満とし、送気開始から前記溶湯の充填にかけて増加させ、前記溶湯の充填完了前から前記溶湯の充填に必要な圧力を超えて連続して増加させるとともに、前記溶湯の充填完了後も引き続き所定期間増加させる鋳造物品の製造方法である。

また、本発明において、前記ガスは加熱して供給することが好ましい。

本発明によれば、本来押湯部が担っていた、鋳造後の製品部の凝固収縮に対して、これを補う溶湯を供給する作用の一部または全部を、ガスの送気圧力によって代替することができる。これにより、押湯部として必要な溶湯、言い換えれば押湯部の容積の低減が可能となり、鋳造時の歩留り向上や生産性を向上できる。

本発明の製造工程の一例を工程毎に示す図である。 本発明における、ガスの送気圧力の時間変化の態様を示した図である。

上記に説明したとおり、本発明の重要な特徴は、前記ガスの送気圧力を、溶湯の充填後から所定期間増加させることにある。

本発明に適用する通気性鋳型においては、湯口部からガスを送気すると、湯口部から湯道部にかけて通気性があるためガスが漏れていく。このガスの漏れ量は、ガスにより湯道中で溶湯が押されるに従い、湯道中に占めるガスの空間が増加するため増加していく。そして、仮に一定の圧力で送気を行なった場合、所定のキャビティーに溶湯が充填されると平衡状態となり、溶湯とガスの接触部は、ガス漏れによる圧力損失による実質的に一定の動圧がかかることになる。

一方、溶湯は鋳型に充填後から凝固し始め凝固収縮が起こり始める。このとき、溶湯とガスの接触部から製品部も凝固していくため、溶湯とガスの接触部に一定の動圧がかかっていても、溶湯とガスとの接触部から製品部までの圧力損失が次第に大きくなっていく。本発明においては、押湯部が担っていた、鋳造後の製品部の凝固収縮に対して、これを補う溶湯を供給する作用の一部または全部を、ガスの送気圧力によって代替するために、前記ガスの送気圧力を、溶湯の充填後から所定期間増加させるものである。

また、本発明において、製品部に対する空気等のガスの巻き込みを防止するためには、溶湯が所望のキャビティーに充填されるまでの期間は、充填に必要な圧力以上の圧力をかけないほうがよい。本発明のようにガスの送気圧力を、溶湯の充填後から所定期間増加させることとすれば、充填が完了しているので、圧力を増加させても、そのような問題が起こらないという利点も得ることができる。

また、製品部に対する空気等のガスの巻き込みを効果的に防止するには、前記ガスの送気圧力は、送気初期において溶湯の充填に必要なヘッド圧未満とし、送気開始から溶湯の充填にかけて増加させることが好ましい。これにより、静止状態の溶湯に急激に圧力がかかるのを防止でき、空気等のガスの巻き込みによる欠陥等の発生を防止するのにより有利である。

また、本発明において、前記ガスは加熱して供給すると、最も冷却されやすい溶湯とガスの接触部の凝固を遅らせることができ、押湯部に要求される製品部への溶湯の供給を継続するのに有利となる。

以下、本発明の基本技術について説明する。本発明は、特許文献１および特許文献２に提案される如きガスを適用する鋳造物品の製造方法を基本技術とするものであり、これらの特許文献に開示される技術に適用される。ただし、これらの特許文献の開示範囲に限定されるものではない。

まず、本発明は、通気性鋳型のキャビティーのうちの一部である所望のキャビティー部分に金属溶湯を充填する技術に適用する。通気性鋳型を用いない場合は、所望のキャビティーに溶湯が充填された後は、ガスの流れが生じなくなるために、送気圧による溶湯への逆流防止の力が働かなくなって、本発明を適用する効果が得られない。

通気性鋳型とは生砂型、シェル型、自硬性型その他の砂粒子を用いて造型された鋳型が一般的であるが、セラミックス粒子や金属粒子を用いて造型された鋳型も適用できる。また、石膏などのほとんど通気性のない鋳型でも、通気性材料を混在させる、または部分的に通気性材料を用いて十分な通気性を持たせることによって通気性鋳型として使用可能である。また、金型のように全く通気性のない材料を用いた鋳型であっても、ベントホール等その他の通気孔を設けて通気性を持たせた場合には通気性鋳型として使用可能である。

また、本発明では、鋳型キャビティーの全体の体積よりも小さく、所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を重力注湯する。

このように注湯する溶湯の体積を制限するのは、キャビティー体積をすべて充填する量を注湯することは、注入歩留りの向上の意味を成さないことになってしまうためである。従来の通気性鋳型を用いた重力注湯による鋳造法では、製品部だけでなく、一般に製品部以外の全キャビティーにも溶湯を充填して凝固させることが健全な製品を得るために不可欠であることから、注入歩留りは高々７０％程度に留まって、それ以上に大幅な向上は見込めない。これに対して本発明の基本技術を用いれば、原理的には注入歩留りをほぼ１００％にできる可能性が得られる。

また、注湯された溶湯が所望のキャビティー部分に充填される前に、湯口部からガスを送気して所望のキャビティー部分に溶湯を充填して凝固させるのは、注湯するだけで所望のキャビティーに溶湯が充填してしまうキャビティー構成では、充填のためにガスを送気する意味を成さないためである。

なお、前記ガスはコスト面からは空気を使用してもよく、溶湯の酸化防止という面からは非酸化性ガスである例えばアルゴン、窒素または二酸化炭素などを使用してもよい。また、送気するガスの流束は、ファンやブロワ等による旋風を用いてもよいが、コンプレッサー等による圧縮ガスを用いることが、より加圧状態で溶湯を均一に押すことができる点で好ましい。

以下に、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１は、本発明の製造工程の一例を工程毎に示す図である。図２は、本発明における、ガスの送気圧力の時間変化の態様を示した図である。

図１で、鋳型１は通気性鋳型である生砂型を使用する一例として示す。鋳型１は上枠２および下枠３に型合わせされて定盤４の上に配置される。鋳型キャビティー５は、湯口部６、湯道部７、押湯部８、製品部９から構成される。押湯部８は設けられない場合もあるが、図１で説明する実施の形態では、所望のキャビティー１０として製品部９および押湯部８とする。

図１（ａ）は、注湯取鍋１１から、所望のキャビティーの体積とほぼ等しい体積の溶湯１２が、鋳型１の湯口部６より注湯された直後の状態を示すものである。

次いで、図１（ｂ）において、ガス吐出装置１３を湯口部６より挿入し、溶湯１２の凝固が開始する前に、複数の矢印線で示すガス１４をガス吐出装置１３から鋳型キャビティー５内に送気する。この操作により、ガスが溶湯と接触している溶湯部分１５が、ガス１４による風圧を受けて所望のキャビティー１０への向きに押されて、所望のキャビティー１０へ溶湯１２の充填が進行する。このとき、上述したとおり、ガス１４は送気初期において、溶湯の流入口から所望のキャビティー部分の最上部までの高さＨと溶湯の比重との積で求められる、充填に必要なヘッド圧未満とし、送気初期から溶湯の充填にかけて増加させることで、空気等のガスの巻き込みを効果的に防止することができて好ましい。なお、ガス１４の送気圧力のパターンは、凝固までの時間を想定して、適宜選択することができる。

次いで、図１（ｃ）において、溶湯の充填が完了した時点から、ガス１４の送気圧力を増加させる。

図２において、ガスの送気圧力の増加は、実線で示す送気圧力パターンＡのように溶湯充填完了前後で連続して増加させてもよいし、破線で示す送気圧力パターンＢのように溶湯充填完了後に増加させてもよい。

また、図２において、一点鎖線で示す送気圧力パターンＣは、上述したように、ガスの送気圧力を送気初期においては充填に必要なヘッド圧Ｐ未満として、送気開始から溶湯充填完了にかけて増加させ、溶湯の充填完了後も引き続き増加させる好ましい態様である。

以上のように、溶湯の充填後から送気圧力を増加させることによって、図１において押湯部８が担っていた、鋳造後の製品部の凝固収縮に対して、これを補う溶湯を供給する作用の一部または全部を、ガス１４の送気圧力によって代替することが可能となる。このため、押湯部として必要な溶湯を低減でき、押湯部８を小さくすることができる等、鋳造歩留りの向上に寄与する。図２で、溶湯の充填完了から送気圧力を増加させる所定期間Ｔは、事前の実験やコンピュータによる解析等によって、凝固後の製品部９に生じる引け巣を最も小さくするために必要な時間を把握して適宜決定できる。

その後、送気を止めて鋳造が完了する。送気を止めるタイミングは、図１（ｃ）において、ガスが溶湯と接触している溶湯部分１５の凝固が完了して、溶湯が流れ出ない状態となった後が好ましい。

なお、ガス１４の送気圧力を高くするほど、ガスが溶湯と接触している溶湯部分１５の抜熱が促進されて凝固しやすくもなるため、ガスは加熱して供給することが好ましい。

１ 鋳型
２ 上枠
３ 下枠
４ 定盤
５ 鋳型キャビティー
６ 湯口部
７ 湯道部
８ 押湯部
９ 製品部
１０ 所望のキャビティー
１１ 注湯取鍋
１２ 溶湯
１３ ガス吐出装置
１４ ガス
１５ ガスが溶湯と接触している溶湯部分
Ｈ 溶湯の流入口から所望のキャビティー部分の最上部までの高さ
Ａ 送気圧力パターン
Ｂ 送気圧力パターン
Ｃ 送気圧力パターン
Ｐ 充填に必要なヘッド圧
Ｔ 溶湯の充填後から送気圧力を増加させる所定期間

Claims (2)

1. 金属溶湯を通気性鋳型に重力注湯して鋳造物品を得る鋳造物品の製造方法において、通気性鋳型のキャビティーのうちの一部である所望のキャビティー部分に金属溶湯を充填するため、前記鋳型キャビティーの全体の体積よりも小さく、前記所望のキャビティー部分とほぼ等しい体積の溶湯を注湯し、注湯された前記溶湯が前記所望のキャビティー部分に充填される前に、湯口部からガスを送気して前記所望のキャビティー部分に前記溶湯を充填して凝固させるにあたり、前記ガスの送気圧力を、送気初期において前記溶湯の充填に必要なヘッド圧未満とし、送気開始から前記溶湯の充填にかけて増加させ、前記溶湯の充填完了前から前記溶湯の充填に必要な圧力を超えて連続して増加させるとともに、前記溶湯の充填完了後も引き続き所定期間増加させることを特徴とする鋳造物品の製造方法。
2. 前記ガスは加熱して供給する請求項１に記載の鋳造物品の製造方法。

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