JP2009525878A - 消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する方法およびそれを実施する装置 - Google Patents

Abstract

金属溜まりから溶融体を成形されたマスク型に押し出す提案の鋳造方法は、液化温度を超える温度でそして流体状金属で飛散しない最大装填量を行う圧力で実施され、そのとき溶融体の凝固中にこの圧力を、鋳造体の収縮量だけ型に追加充填するために充分な値に上げる。本発明による方法を実施するための装置には、リング状のフランジを有する取り外し自在で内側被覆されたコップ状槽、および成形されたマスク型を有する収容容器を含んでおり、収容容器のネック部に取り外し自在の耐火性スリーブが設けられている。そのフランジは、その内径がスリーブの外径に合うように配設されており、そのときフランジの内径はコップ状槽の内径と較べて小さい寸法になっている。

Description

本発明は、消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する方法、およびそれを実施する装置に関するものである。

圧力下で凝固する時に型に金属を押し出すことにより鋳造する方法が、既に特許第２０１５８２９号により開示されており、それによれば溶融体を、液化温度を３０〜６０℃超える値の鋼過熱温度で押出チャンバーに注入し、押出チャンバーの壁面に金属殻が形成されるまで押出前に保持する。この方法では、押出チャンバー内で金属を保持するときに、溶融体で固形流体相の出来ることがあるということが欠点として作用する。これから流体相をなくすと、圧力が最も効果的に働くことが知られている。よって、既に冷却しており更に凝固が起きている金属を押出チャンバーから型に注入する時には、圧力効率が減少する。これは、流動性がなくなるために、鋳造体の肉薄部分や波状の鋳造体表面形成の品質的に充分でない製造状態として現れることがあり、あるいは供給時に流体相が欠如しているために収縮に起因する欠陥、そして全体として鋳造体品質で問題となるロスを起こすことがある。

次に請求の方法に属するのは、消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する特許第２０４８９５４号による方法であり、その方法によれば、事前に成形されたマスク型を金属溜まりの上方で上側テーブルに固定し、そして溶融体をピストンを使って押し出し、そのとき合金の凝固開始温度および溶融体に作用する圧力０．３〜０．５ＭＰａで、鋳造体が凝固するまで押し出しを行い、鋳込み速度と鋳込み時間を２〜５ｋｇ／ｓの溶融体装填量により設定する。

この公知方法の欠点はセラミックのマスク型の強度が低いことにあり、それは通常、フリー鋳造のためのものであって、圧力下での鋳造用には考えられていない。マスク型の強度、よって最大可能作動圧力は、多層型の製造時に積層される層の数により、使用する材料と接着剤により、製造時の運転データの厳しい遵守、鋳込み容器での成形の条件、鋳造体サイズや材料、鋳込み条件、その他の固有値により決まる。よって、マスク型内部の圧力を理論的に計算することが難しいので、この鋳造方法で新しい製品を製造するときには、その度毎に型の実際強度を前提に推定した圧力をテスト的に試験することが必要となる。加えて、マスク型製造の流れの中で、例えば加熱時に型の外殻に微小クラックを形成することがあり、それがフリー鋳造では鋳造製品の品質に影響しなくても、圧力を使用するときには型の破損に至り兼ねないこととなる。

圧力下で凝固させて鋳造する装置は特許第２１１６８６５号で開示されており、その装置には、下側テーブルに配設された金属溜まり、上側テーブルに設けられマスク型が付いた収容容器が含まれ、そこで金属溜まりはベース台と交換自在のコップ状槽で形成されており、その底部間に断熱層が設けられている一方、収容容器は、ケース、カバー、ネック部で構成されている。そのとき交換自在のコップ状槽は、その下側部分でガス抜きのための開口部を有している。

その公知の装置における欠点は、金属溜まりに金属注入後、その側壁の全体高さに亘って凝固した合金層（金属殻）の形成が始まることであり、それが、金属溜まり内でのピストンの動き、および収容容器のネック部を介した型内への溶融体の供給を阻害し、それが型への注入不良のような欠陥に至ることがある。このように装置を構成しているときには、特に溶融体を型に充填した後の金属殻が凝固のときに欠点的に作用することになり、金属溜まりの金属殻がピストンの動作経路で顕著に成長し、そして凝固終了後の収縮中に、鋳造体供給のための押し出し残りから型へ金属の押し出しを妨げる。圧力はもはや溶融体にかからず、金属溜まりの金属殻にかかるので、それは鋳造製品の品質を損なうと共に、圧力下で鋳造することの利点を最小に減らしてしまう。

本発明グループの共通した技術的課題として云えることは、硬化したマスク型にある溶融体に出来るだけ高い圧力をかけることにより、鋳造製品の品質を向上することであり、金属溜まりに形成され溶融体をマスク型に押し出すときに妨げとなる金属殻の、凝固過程で欠点となる要因を同時に除きながら、そのマスク型を凝固中にその内壁（金属外皮）に当接する溶融体層の形成により維持するものである。

課題を解決する手段

方法に関係する本発明グループを実現する時の共通した技術的な成果は、成形したマスク型の空間に溶融体を押し出すことを、液化温度以上の温度で、そしてマスク型を充填中に飛散なく流体状金属の最大装填量が確保される圧力で行い、そのときマスク型に溶融体を充填した後のその空間内の圧力を、押し出し時にマスク型の壁面に当接する溶融体層の凝固時間中に到達した大きさに維持し、その後にその圧力を、マスク型の中の全溶融体の凝固時間中に、鋳造体の収縮値だけ型に追加充填するために充分な圧力に、徐々に高めることにより達成する。

装置に関係する本発明グループを実現する時の共通した技術的な成果は、収容容器のネック部の外側面に取り外し自在の耐火性スリーブを設けて、そして内径が耐火性スリーブの外径に合っていると共に被覆されたリング形状のフランジを、金属溜まりのコップ状槽の開放側縁部に設けており、そのとき被覆されたフランジの内径を、被覆したコップ状槽のそれより小さい寸法とすることにより達成する。そのとき、被覆したコップ状槽の内径と耐火性リング又はスリーブのそれとのラジアル方向における寸法差異は、注入時に被覆したコップ状槽で、そして凝固終了時まで保持するときに耐火性スリーブの壁面で凝固している、片側の溶融体層の概略的な厚みより大きい。

発明対象“方法”に関して記載する特徴グループは新しいものと認められ、そして次の理由から発明性を特徴としている。成形されたマスク型の中空空間への溶融体の押し出しを、液化温度以上にある温度のときに行うので、熱伝導のための有利な条件を得るために、マスク型の内面で金属外殻を形成するときに、良好な流動性および型壁面との溶融体の接触が確保される。流体状の金属による型の充填を特定の速度で飛散なく行うことを前提に、圧力を求める。最大充填量、よって流体状金属の注入速度は理論的に計算できる（Borissow, G.P. “Dawlenie w uprawlenii litejnyzmi prozessami”（鋳造工程を制御するときの圧力）キエフ、ナウクドゥムカ出版、１９８８年、１２１ページ、式IV−１８）。この理論的な圧力は、（例えば、流体駆動装置が問題になるとき）実際に装置技術的に設定でき、そして金属溜まりを動かすための流体駆動装置の圧力計表示を使って監視することができる。セラミックのマスク型の内面において後に形成される金属外殻で、均等な厚みを得られるようにするためには迅速な型の充填が必要である。溶融体で型を満たした後にその空間内の圧力を、押し出し時に到達した値で維持する。この前提条件は、金属外皮がセラミックのマスク型に形成されるときに、マスク型壁面に当接する溶融体層の凝固中にセラミック型が破損しないことに対する最小要求に伴う。この金属外皮の厚みは鋳造体の凝固時間に比例し、当接層に関しては鋳造体で最薄部分の凝固時間に対する５％〜１０％の量と仮定できる。その後、マスク型にある全溶融体の残りの凝固時間において、鋳造体の収縮値だけ型に追加充填するために充分な圧力に徐々に高める。圧力を徐々に上げると、セラミックの型が破損するリスクが減少する。そのときの圧力は、凝固時の収縮量だけを金属溜まりの押し出し残りから鋳造体へ供給することが保証される圧力で充分である。対象となる大抵の鋳造合金に対して、その収縮量は公知の値である。よって充分と云える圧力は、凝固中に型との相対的な金属溜まりの収縮量に比例する移動量により、あるいは鋳造体を品質コントロールする時の収縮に起因する不足による不良により調べることができる。全体として、マスク型内面にある金属外皮により作動圧力が上昇することとなり、そこで鋳造体の良好な品質も確保される。

発明対象である装置に関して記載する特徴全体が新しく、そして収容容器ネック部の外側面に取り外し自在で耐火性のスリーブを設けており、その耐火性スリーブが、被覆されており溶融体で充填されたコップ状槽の壁面に接触しないように、金属溜まりにあることの発明性を特徴としている。そこで被覆されたコップ状槽だけでなく耐火性スリーブの冷壁面に注入時に形成した凝固溶融層は、その間に間隙があるとその相対動作を妨げない。この間隙は、取り外し自在で被覆されたコップ状槽の上側縁部に配設されており被覆されたフランジにより形成されており、フランジの内径は、被覆されたコップ状槽のそれより小さい寸法となっている。耐火性スリーブの外径はスキマ嵌めにより、被覆されたフランジの外径に合わされており、それによりマスク型に溶融体を押し出すときにクローズの空間が得られる。この間隙の大きさは、凝固終了まで保持するときの長い鋳込み過程を前提にまずはテスト的に選択する。ラジアル方向寸法に関する間隙は、注入時および凝固終了まで保持するときに、被覆されたコップ状槽の壁面と耐火性スリーブの壁面で凝固する片側の溶融体層の概略な厚みを超えるように決める。被覆されたフランジの下側面の下方で凝固した溶融体層は、支持するものがないので、動きに対して問題となるような抵抗を示さない。耐火性スリーブは、鋳込み終了後に凝固したプレス残りを側面で拘束するので、取り外し自在で構成されており、下側テーブルの降下時に金属溜まりと一緒に収容容器のネック部から取り外され、金属溜まり中に残ったままである。よって、装置に関する特徴の記載グループが、種々の迅速作業方法の時および停止により固定している時に、収容容器のネック部で金属溜まりの妨げのない動作を保証するので、マスク型を硬化するための技術的課題は、セラミックのマスク型内面に当接する溶融体層の凝固時に、その内面に更に金属外皮を形成することにより達成される。

以下において、提案する方法の具体的な実施形態および装置の作動方法を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造するための装置には、位置を固定した上側テーブル２と下側で流体駆動装置４により駆動可能であり位置変動するテーブル３を有する、スタンド１を含んでいる。上側テーブル２には、充填材を使って成形したマスク型６を有する収容容器５が堅固に結合されている。収容容器５のネック部７には、取り外し自在で耐火性のスリーブ８が嵌っており、そのスリーブはネック部７の下側面で蓋部材９を介して固定保持されている。その蓋部材９は、収容容器５にある充填材、およびマスク型６で開口部１０を有する注入路のためのものでもある。下側テーブル３にはベース台１２を有する金属溜まり１１があり、ベース台の凹み１３にはスキマを確実に備えて、気密性の内側被覆１５を有する取り外し自在のコップ状槽１４が設けられている。蓋部材９と被覆１５は、芯型材料、例えば水ガラス混合物でつくることができる。取り外し自在のコップ状槽１４で外殻の上側部分には、ガス抜きのための開口部１６が設けられている。取り外し自在のコップ状槽１４の上側縁部には、中空空間側を被覆したフランジ１８が配設されている。耐火性スリーブ８および被覆したフランジ１８の中央穴が、その外側面と内側面それぞれにおいてスキマ嵌めの嵌め合いユニットを形成している。被覆されたフランジ１８と耐火性スリーブ８には、お互いで芯だしするために入口面取りが設けられている。図中で示している量Eは、注入して凝固終了に至るまで保持する時に、被覆したコップ状槽１４と耐火性スリーブ８の壁面で凝固している片側の溶融材層の概略な厚みより大きい。下側テーブル３は、スタンド１と堅固に接続している流体駆動装置４のプランジャーに載っている。

装置には更に、流体駆動装置４の運転データ、例えばプランジャーの経路、時間、移動速度、圧力を自動的にコントロールと制御するための標準的な手段が設けられている（図示していない）。

以下において、装置の作動方法を詳細に説明する。セラミックのマスク型６をつくり、一般に行われている技術により加熱し、そして注入開口部１０の縁部が収容容器５のネック部７の高さになるように、充填材を詰めた収容容器５に装備する。ネック部７には耐火性のスリーブ８を嵌めると同時に、注入開口部１０への入口を残しながら水ガラス混合物を使って、蓋部材９を形成してネック部７の正面側を成形する。ネック部７が金属溜まり１１に対して同軸で動くように、収容容器５をスタンド１の上側テーブル２に固定する。

取り外し自在であるコップ状槽１４の内側空間は、それを金属溜まり１１のベース台１２に据え付ける前に水ガラス混合物で被覆する。コップ状槽１４の上側正面には、水ガラスで被覆したフランジ１８を固定する。ベース台１２にセットしたコップ状槽１４を、ネック部７に対して芯だしする。

まず理論的溶融体装填量７〜８ｋｇ／ｓを前提に、流体駆動装置を使って０．１５〜０．２ｍ／ｓの鋳込み速度および０．２〜０．３ＭＰａの圧力を設定した。
鋳込みを行ったのは、オーステナイト耐蝕鋼であった。液化温度を２５℃±１℃超える温度で溶融体を金属溜まり１１に、フランジ１８の被覆近くにある面に至るまで注入し、その間に遅れることなく流体駆動装置４のスイッチを入れて、金属溜まり１１から流体状の金属を型６に注入した。型６の充填後に流体駆動装置４のプランジャーを、上側位置で停止して留める。この瞬間から設定圧力０．２〜０．３ＭＰａで６〜８秒間、溶融体を保持する。引き続いて流体駆動装置を使って、完全に凝固する１．３〜１．５分（コンピューターを使った鋳込み過程のシミュレーションにより得る）の残り時間内で、圧力を均等に５〜６ＭＰａに上げる。この時間内にプランジャーは２〜２．５％の金属収縮量に比例する僅かな量だけ動き、そのとき場合により、鋳造体の供給時のこの動きは比較的高い圧力の時に収縮に起因する欠陥を起こすが、高い密度と機械的特性を与え、それにより最終的に鋳物体の高品質を確保する。

装置は次のような機能方法を有している。鋳込み前に、収容容器５をその中に成形したマスク型６とネック部７に嵌めた耐火性スリーブ８と共に、スタンド１の上側テーブル２と堅固に結合する。そのとき、収容容器５の充填材と耐火性スリーブ８は、蓋部材９により固定保持される。下側テーブル３上では金属溜まり１１のベース台１２の凹み１３に、事前に被覆したコップ状槽１４をセットする。コップ状槽１４の上側正面には、被覆したフランジ１８を据え付ける。流体駆動装置４のスイッチを入れた後に金属溜まり１１は、耐火性スリーブ８と共にネック部７に至るまで上方に動き、ベース台１２の凹み１３内に間隙が確保されていることから、コップ状槽１４が水平面でスライドすることにより、被覆されたフランジ１８に対して芯だしされる。その後に金属溜まり１１は下方に動いて、原点位置に戻る。そして装置を使用できる態勢となる。

流体状の金属を金属溜まり１１に、ほぼフランジ被覆の下側面の近くまで注入する。流体駆動装置４のスイッチを入れる。金属溜まり１１がコップ状槽１４と共に上昇し、被覆されたフランジ１８と共にネック部７の耐火性スリーブ８に合流し、流体状の金属が注入開口部１０を介してマスク型６内に押し込まれる。そのときマスク型６からその外皮を通過して、そしてコップ状槽１４からその気密性被覆を通ってガス（空気）が押し出される。流体状の金属をマスク型６に注入した後に流体駆動装置４のプランジャーを、上側位置で数秒間静止して留める。そこで金属溜まり１１にある流体状の金属は、コップ状槽１４の被覆１５の壁面で、フランジ１８の被覆面で、そして耐火性スリーブ８のあるネック部７で層を形成しながら凝固する。保持した後に流体駆動装置４の圧力を、鋳造体全体の流体状金属が凝固終了するまでその運転値に上げる。被覆されたコップ状槽１４とフランジ１８の内径と間に差異Ｅがあることにより、保持する時にこれらは固まった金属層により拘束されないので、流体駆動装置４のプランジャーは可動であり、結果として鋳物体には金属溜まり１１から凝固終了まで流体状金属が供給される。

凝固の終了後、流体駆動装置４を戻り駆動に切り替える。金属溜まり１１は下方に動いてその原点に戻り、同時に中で凝固金属が形成されていることにより耐火性スリーブ８が一緒に動く。ネック部７の下側正面では蓋部材９の被覆が脆いことにより、押し出し残りの分離が促進される。鋳物体を取り出せるようにするために、完成した鋳物体を有する収容容器５をスタンド１の上側テーブル２から取り外す。被覆を交換するために、金属溜まり１１のコップ状槽１４を取り外す。ネック部に耐火性スリーブ８を嵌めた収容容器および金属溜まり１５のコップ状槽１４で構成される、別のセットを装置に固定する。サイクルを繰り返す。

本発明は、鋳物工場で、すなわち消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する時に、利点を有して金属製品を製造するために利用できる。

消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造するための装置を示す図である。

符号の説明

１ スタンド ２ 上側テーブル
３ 下側テーブル ４ 流体駆動装置
５ 収容容器 ６ マスク型
７ ネック部 ８ 耐火性スリーブ
９ 蓋部材 １０ 開口部
１１ 金属溜まり １２ ベース台
１３ 凹み １４ コップ状槽
１５ 内側被覆 １６ 開口部
１８ フランジ

Claims (3)

1. 消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する方法であって、耐火性材料で被覆された金属溜まりから、成形されており金属溜まりの上方に配設されたマスク型に溶融体を押し出す過程、および凝固終了まで圧力をかけて保持する過程を含んでいる方法において、
   成形されたマスク型の空間に溶融体を押し出す過程を、液化温度より高い温度で、そして流体状金属を飛散なしの最大装填量でマスク型に充填するときの圧力で行い、そこでマスク型を溶融体で充填した後にその空間内の圧力を、マスク型壁面に当接する溶融体層の凝固時間内は押し出し時と同じ値で維持し、それに続いてマスク型にある全溶融体の残りの凝固時間では、鋳造体の収縮量だけ型に追加充填するために充分な値に、徐々に増加することを特徴とする方法。
2. 消失鋳造型を使い圧力下で凝固させて鋳造する請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、下側テーブルに配設されていると共に、取り外し自在で内側被覆されたコップ状槽を備えたベース台として、間に断熱層を有して構成されている金属溜まりと、金属溜まりの上方の上側テーブルに固定されていると共に、カバーおよび金属溜まり軸と同軸のネック部を有するケースとして構成されている、成形されたマスク型を有する収容容器とを含んでいる装置において、
   収容容器ネック部の外側面に、取り外し自在の耐火性スリーブが設けられている一方、金属溜まりのコップ状槽の開放縁部に、被覆されたリング状フランジが配設されており、その内径が耐火性スリーブの外径に合っており、そのとき被覆されたフランジの内径が、被覆されたコップ状槽の内径と較べて小さい寸法になっていることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、
   被覆されたコップ状槽の内径と耐火性スリーブのそれとのラジアル方向における差異が、注入時および凝固終了まで保持するときに、被覆されたコップ状槽の壁面と耐火性スリーブの壁面で凝固した片側の溶融体層の概略な厚みを超えることを特徴とする装置。

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