JP2018183805A - 消失模型鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造することが可能な消失模型鋳造方法の提供。【解決手段】発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、前期鋳型内に鋳鉄の溶湯を注ぎ込み、前期発泡模型を消失させて前期溶湯と置換することで、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法において、鋳造時に前期塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１３００秒以下、好ましくは１２００秒以下とする消失模型鋳造方法。【選択図】図４

Description

本発明は、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法に関する。

消失模型鋳造法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる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み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する方法である。この消失模型鋳造法は、複雑な形状（自由度が高い形状）の内部空洞を備えた鋳物をニアネットシェイプ（最終形状に近い形状）で鋳造するのに適した方法である。

消失模型鋳造法では、内部空洞や鋳抜き穴の内面も含めて、発泡模型の表面に塗布された塗型剤によって、造型・鋳造時の鋳型の形状が保持される。しかし、塗型剤は、鋳造時に溶湯からの熱負荷や様々な外力（溶湯静圧、湯流れによる動圧など）を受ける。塗型剤が上記の熱負荷や外力に耐えられない場合、塗型剤が損傷し、内部空洞や鋳抜き穴の内部に充填された鋳砂に溶湯が染み出して鋳砂と鋳物とが融着する「焼付き」と呼ばれる鋳造欠陥が生じる。

そこで、特許文献１には、焼着を抑制できる消失模型用塗型剤組成物が開示されている。また、特許文献２には、鋳造時の鋳込み時間を、模型のモジュラス（模型の体積÷模型の表面積）に応じて設定する消失模型鋳造法が開示されている。また、特許文献３には、１２５０℃から１３３０℃の範囲の温度を有する溶湯を鋳型の湯口から注湯する鋳物の製造方法が開示されている。

特開２０１６−１２０５１７号公報 特開２０１１−１１０５７７号公報 特開２００６−１７５４９２号公報

しかしながら、複雑な形状の内部空洞を備えた鋳物を鋳造する際に、焼付きの発生箇所を事前に予測することは、特許文献１乃至３の技術を採用したとしても困難である。特許文献１では、内部空洞の形状が矩形断面の簡易形状であり、複雑な形状の内部空洞には適用できない。特許文献２では、鋳込み時間を巨視的に把握しており、内部空洞の局所的な熱負荷状況や焼付き発生のリスク予測には適用できない。

そこで、複雑な形状の内部空洞を備えた鋳物を鋳造する場合、通常は数度の試作を行って適切な鋳造条件を求めている。しかし、試作段階で更なる設計変更が必要となった場合、開発段階でのリードタイムの増加に繋がる。そのため、複雑な形状の内部空洞を備えた鋳物を鋳造するに際して、設計段階で事前に、焼付きの発生リスクが高い箇所を明確に判定できる技術が望まれている。

本発明の目的は、内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造する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、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に鋳鉄の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法において、鋳造時に前記塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１３００秒以下にすることを特徴とする。

本発明によると、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物の鋳造時に、発泡模型の表面に塗布された塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１３００秒以下にする。鋳鉄の鋳物を鋳造する場合、鋳鉄の溶湯の温度は１１００℃以上であり、塗型剤がその高温に曝される時間が１３００秒よりも長い内部空洞の部位において、焼付きが発生する。そこで、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を１３００秒以下にすることで、内部空洞での焼付きの発生を回避することができる。これにより、内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造することができる。

代表位置（１）の初期形状を示す図である。 代表位置（２）、（３）の初期形状を示す図である。 評価時における鋳物Ａの代表位置（１）の形状を示す図である。 評価時における鋳物Ａの代表位置（２）の形状を示す図である。 評価時における鋳物Ｂの代表位置（１）の形状を示す図である。 評価時における鋳物Ｂの代表位置（３）の形状を示す図である。 塗型剤の熱負荷指標と、焼付き判定結果との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（消失模型鋳造方法）
本発明の実施形態による消失模型鋳造方法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂（乾燥砂）の中に埋めた後に、鋳型内に鋳鉄の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する方法である。この消失模型鋳造方法は、複雑な形状（自由度が高い形状）の内部空洞を備えた鋳物をニアネットシェイプ（最終形状に近い形状）で鋳造するのに適した方法である。

消失模型鋳造方法は、鋳鉄を溶解して溶湯とする溶解工程と、発泡模型を成形する成形工程と、発泡模型の表面に塗型剤を塗布して鋳型とする塗布工程と、を有している。さらに、消失模型鋳造方法は、鋳型を鋳砂の中に埋めて鋳型の隅々にまで鋳砂を充填する造型工程と、鋳型内に鋳鉄の溶湯（溶融金属）を注ぎ込むことで、発泡模型を溶かして溶湯と置換する鋳込工程と、鋳型内に注ぎ込んだ溶湯を冷却して鋳物にする冷却工程と、鋳物と鋳砂とを分離する分離工程と、を有している。

溶湯にする鋳鉄としては、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣ２５０）や球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣＤ４５０）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」や、ジルコン砂、クロマイト砂、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。

発泡模型の表面に塗型剤を塗布して適切に乾燥させることで、発泡模型の表層に塗型剤の膜が形成される。この塗型剤の膜は、内部に、耐火物の骨材と、膜を形成するための樹脂バインダーとを含んでいる。鋳造時、塗型剤の膜が溶湯に曝されることにより、塗型剤の内部において樹脂バインダーの熱分解が進行し、塗型剤自身の強度は低下する。樹脂バインダーの熱分解が完了すると、塗型剤の膜は、骨材同士の結合力だけで支えられている状態となり、ほとんど強度を有しない状態となる。そのため、塗型剤の膜は損傷しやすくなる。

したがって、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する場合、内部空洞の形状に応じて鋳造時に塗型剤が受ける局所的な熱負荷状態を事前に把握し、塗型剤の損傷に伴って焼付きが発生する際の熱負荷状態の閾値を明確にすれば、内部空洞の形状を変更するなどすることによって、鋳造する前段階で、焼付きを回避することが可能になる。

（熱負荷指標）
溶湯成分にもよるが、一般に、鋳鉄の融点は、１１００〜１２００℃の範囲にある。鋳鉄の鋳物を鋳造する場合、鋳鉄の溶湯の温度は１１００℃以上である。今回、塗型剤の膜が溶湯による高温状態に曝される時間が長い部位と、焼付きの発生箇所との間に、相関関係があることが、鋳造実験や数値解析（鋳造シミュレーション）により明らかになった。

特に、内部空洞において、塗型剤の膜が１１００℃以上の高温に曝される時間が１３００秒よりも長い部位において、焼付きが発生することが明らかとなった。別途作成した塗型剤の膜のサンプルに、同程度の熱負荷を与える曝熱試験を実施し、塗型剤の内部状態を調査したところ、樹脂バインダーが完全に熱分解しており、塗型剤自身は強度をほとんど有さず、塗型剤が極めて損傷しやすい状態であることを確認した。

内部空洞において、焼付きが発生しやすい部位に対しては、確実に鋳砂が充填されるようにするための工夫（可能な限りバックサンドで形状保持する）や、内部空洞の表面への塗型剤の塗布回数を増やすなどの追加処置が必要となる。他に焼付きを抑制する手法として、焼付きが発生しやすい部位の周りにおける肉厚を薄くすることにより、この部位への熱負荷を低減させることが考えられる。

内部空洞で局所的に焼付きが発生する鋳物に対して、内部空洞の形状が同じで全体のサイズを小さくした発泡模型を用いて、同様の条件で鋳造したところ、焼付きが発生した部位に相当する箇所において、塗型剤の膜が１１００℃以上の高温に曝される時間は１３００秒以下となり、焼付きを回避することができた。

このように、発泡模型の表面に塗布した塗型剤の膜が１１００℃以上の高温に曝される時間を熱負荷指標（焼付き判定指標）とすることで、内部空洞の形状によらず、焼付き発生のリスクを事前に予測することが可能となる。そして、この指標が１３００秒以下となるように、鋳物の形状設計もしくは鋳造条件を設定することで、内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造することができる。

ここで、熱負荷指標として、「鋳物の表層の凝固が完了するまでの時間」で評価することも考えられるが、鋳造シミュレーションや実測により得られる鋳物の表層近傍の冷却曲線から、凝固完了点を厳密に求めることは困難である。そこで、指標の閾値を明確かつ簡易的に求めることができるようにするため、「塗型剤が１１００℃以上の高温に曝された時間」を熱負荷指標として採用した。

（焼付き評価）
次に、消失模型鋳造方法により鋳物を試作鋳造して焼付きを評価するとともに、塗型剤の膜が受ける熱負荷状況を鋳造シミュレーションにより評価した。

まず、ねずみ鋳鉄を溶湯とし、内部空洞の形状が同じで全体のサイズを異ならせた２種類の鋳物（鋳物Ａ、鋳物Ｂ）を消失模型鋳造方法により試作鋳造した。ここで、鋳物Ａは、鋳物Ｂよりもサイズが大きい。そして、鋳造後の２種類の鋳物をそれぞれ切断して、内部空洞内の代表位置（１）〜（３）における焼付きの発生状況を調査した。代表位置（１）の初期形状を図１Ａに示す。また、代表位置（２）、（３）の初期形状を図１Ｂに示す。なお、代表位置（２）、（３）は、初期形状が同じであるが、内部空洞内での位置が異なる。

評価結果を表１に示す。また、評価時における鋳物Ａの代表位置（１）の形状を図２Ａに示し、評価時における鋳物Ａの代表位置（２）の形状を図２Ｂに示す。また、評価時における鋳物Ｂの代表位置（１）の形状を図３Ａに示し、評価時における鋳物Ｂの代表位置（３）の形状を図３Ｂに示す。

焼付きが発生した鋳物Ａの代表位置（１）、および、鋳物Ａの代表位置（２）では、本来空洞が形成されるべき箇所において、内部に充填された鋳砂が焼付いている状況を確認できる。

次に、２種類の鋳物（鋳物Ａ、鋳物Ｂ）を鋳造した際に、代表位置（１）〜（３）において塗型剤の膜が受ける熱負荷状況を、鋳造シミュレーションにより評価した。その評価指標として、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝された時間（秒）を用いた。その結果を表２に示す。

また、代表位置（２）については、２種類の鋳物（鋳物Ａ、鋳物Ｂ）を消失模型鋳造方法により２回試作鋳造した際に、それぞれ測温を実施し、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間をそれぞれ計測することで、実測結果に基づく熱負荷指標をそれぞれ求めた。その結果を表２に合わせて示す。

ここで、測温には、発泡模型の表面に貼付することで発泡模型と塗型剤の膜との間に配置した熱電対を用い、熱電対で塗型剤の鋳物側表層の温度を計測した。

表２の熱負荷状態と、表１の焼付き発生状況とを比較したところ、塗型剤の膜が１１００℃以上の高温に曝される時間が１７００秒以上と長い、鋳物Ａの代表位置（１）、および、鋳物Ａの代表位置（２）において焼付きが発生しており、焼付きの発生と塗型剤の膜が受ける熱負荷状態との間に相関があることがわかる。

今回の塗型剤の熱負荷指標と、焼付き判定結果との関係を図４に示す。図４において、Ａ−（１）は、鋳物Ａの代表位置（１）を意味する。Ａ−（２）なども同様である。また、図４において、数値解析結果が、鋳造シミュレーションによる評価結果である。また、実測（１）が１回目の試作鋳造の際に計測した実測結果であり、実測（２）が２回目の試作鋳造の際に計測した実測結果である。

今回の熱負荷指標を用いて、焼付き欠陥が発生する閾値を求めた結果、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を１３００秒以下（望ましくは１２００秒以下）にすれば、内部空洞での焼付きの発生を回避することができることがわかる。ここで、１３００秒は、数値解析結果から導出し、１２００秒は、実測結果から導出した。

以上の結果から、発泡模型の表面に塗布した塗型剤の膜が１１００℃以上の高温に曝される時間を熱負荷指標（焼付き判定指標）とすることで、内部空洞の形状によらず、焼付き発生のリスクを事前に予測することが可能となることがわかる。そして、この指標が１３００秒以下となるように、鋳物の形状設計もしくは鋳造条件を設定することで、内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造することができることがわかる。

（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ると、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物の鋳造時に、発泡模型の表面に塗布された塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１３００秒以下にする。鋳鉄の鋳物を鋳造する場合、鋳鉄の溶湯の温度は１１００℃以上であり、塗型剤がその高温に曝される時間が１３００秒よりも長い内部空洞の部位において、焼付きが発生する。そこで、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を１３００秒以下にすることで、内部空洞での焼付きの発生を回避することができる。これにより、内部空洞に焼付きがない鋳物を鋳造することができる。

また、塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を１２００秒以下にすることで、内部空洞での焼付きの発生を好適に回避することができる。

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、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、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 (2)

1. 発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に鋳鉄の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、内部空洞を備えた鋳鉄の鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法において、
   鋳造時に前記塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１３００秒以下にすることを特徴とする消失模型鋳造方法。
2. 鋳造時に前記塗型剤が１１００℃以上の高温に曝される時間を、１２００秒以下に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。