JP6114121B2 - 鋳造用凍結鋳型及び鋳物の製造方法 - Google Patents
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Description
鋳造用凍結鋳型の技術は、注湯することによって砂型が解凍しても砂粒子間の接着性を維持して機械的強度を確保できると共に、再利用の際には、型ばらしを行った砂をそのまま再使用して凍結時、解凍時の強度を制御することを可能とした鋳造用凍結鋳型及びその作製方法に関する技術が特許文献1等に記載されており公知である。
具体的には、水分を含浸させ、−40℃〜0℃の範囲内の凍結条件下で凍結させることにより、鋳造時の強度を確保するようにした鋳造用凍結鋳型において、注湯することによって砂型の熔解した湯に接触する面の一部が解凍しても、砂粒子間の接着性を維持して強度を確保できるように砂型に無機系のゾルを添加した水分を含浸させた鋳造用砂型で、無機系のゾルをバインダーとし、鋳物砂中に、再利用する際に除去が必要となる材料を配合せず、型ばらしを行った砂をそのまま再使用でき、凍結時並びに解凍時の強度を確保するものである。
ここで、上記鋳造用凍結鋳型は、鋳物砂に含浸させた水分または無機系のゾルを添加した水分を凍結させることにより、鋳造時の鋳型の強度を確保する公知の鋳造技術である。
また、上記シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層は、原型に接触する周囲位置に所定の厚み範囲内の水分を含浸させ、必要に応じてシリカゾルまたはジルコニアゾル等の無機系のゾルを添加した火山灰からなる内部凍結型を形成したものである。ここで、鋳物として得ようとする原型に接触して周囲位置に所定の厚み範囲内とは、シラス層の独立気泡による断熱効果、その熱伝導、使用した水分または無機系のゾルを添加した水分の蒸気圧の排出路の確保等によって、自ずと前記シラス層の厚みが決定される。また、その面積は必ずしも意匠面の全面に限定されるものではなく、例えば、エンブレム、社章、商標、意匠面の要部または精度を上げるのが望ましい操作部の位置のように部分的であってもよい。
更に、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層の周囲には水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂を配し、前記シラス層を形成する火山灰の粒径が前記鋳物砂の珪砂の粒径よりも大きくし、前記珪砂を主成分とする鋳物砂のみで形成したよりも肌理の細かい地肌として鋳造するものである。
加えて、鋳造用凍結鋳型は、鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の鋳物金属に使用され、融点よりも高い温度で液体にし、型に流し込み、冷やして目的の形状に固める鋳物であれば使用できる。
ここで、前記無機系のゾルは、シリカゾルまたはジルコニアゾルとしたものである。
ここで、前記所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層は、中子に接触する周囲位置に形成したものである。この場合には、一般的に意匠面とならない場合がある。
ここで、上記鋳物の製造方法は、鋳物砂に含浸させた水分または無機系のゾルを添加した水分を凍結させることにより、鋳造時の鋳型の強度を確保する公知の鋳造技術である。
更に、上記珪砂で形成した鋳型よりも肌理の細かい肌地として鋳込むとは、珪砂を主成分とする鋳物砂で形成したよりも肌理の細かいことを比較したものである。
加えて、鋳物の製造方法は、鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の金属に使用され、融点よりも高い温度で液体にし、型に流し込み、冷やして目的の形状に固める鋳物であれば使用できる。
ここで、前記無機系のゾルは、シリカゾルまたはジルコニアゾルとしたものであり、有機系ゾルを除く意味である。
ここで、前記所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス層は、中子に接触する周囲位置に形成したものである。
したがって、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層の熱伝導率が低く、断熱効果があり、また、軟化点温度、融点が高く、吸水率も小さいから、注湯したとき、シラス層の吸水率が小さく、少ない水分で形状保持する能力があるが、軽量で微動することによって水蒸気の排出路が形成でき、部分的に高い蒸気圧となる個所ができ難く、それによる部分崩壊が生じ難い。
このように、鋳物の表面の肌理の細かい地肌が形成できることは、鋳物の仕上げ加工が不要となり、かつ、精度の高い鋳物が形成できることになり、鋳物製品の薄肉化、軽量化が可能となり、鋳物の重量も軽量化可能となる。
そして、火山灰からなるシラス層と珪砂を主成分とする鋳物砂とは、混在していてもその後の鋳込みに支障がなく、かつ、鋳物砂に有機系の結合剤を添加する必要がないから、鋳物砂の再生にかかる廃砂が殆ど生じず、産業廃棄物の削減が行える。
加えて、鋳造用凍結鋳型は、鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の金属に使用され、融点よりも高い温度で液体にし、型に流し込み、冷やして目的の形状に固める鋳物の造形に使用できる。
このように、鋳物の表面の肌理の細かい地肌が形成できることは、鋳物の仕上げ加工が不要となり、かつ、精度の高い鋳物が形成できることになり、鋳物製品の薄肉化、軽量化が可能となり、鋳物の重量も軽量化可能となる。
加えて、鋳物の製造方法では、鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の鋳物金属に使用され、融点よりも高い温度で液体にし、型に流し込み、冷やして目的の鋳物を造形することができる。
[実施の形態1]
本実施の形態において鋳物用珪砂は、粘土分2%以下で、二酸化ケイ素(SiO2)の含有量が95%以上のJIS規格品を使用している。
ここでは二酸化ケイ素(SiO2)が結晶してできた石英を多量に含む砂である珪砂を主成分とする鋳物砂18を前提に説明するが、鋳物砂18は必ずしも珪砂のみの成分ではなく、必要に応じて他の公知の鋳型としての材料が添加されることもある。
図1(a)〜(c)は本実施の形態の鋳造用凍結鋳型の一例を示すもので、下型11、上型12及び中子20を有している。上型12には熔湯50(図13参照)を注入させるための湯口14(図2)が設けられる。下型11及び上型12は下枠15及び上枠16で形成されている。これらは全体が公知の鋳物砂18を用いて鋳型として製品を鋳込む型に形成されるものである。
そして、上型12、下型11から、図3に示すように、それぞれ原型下型13a及び原型上型13bを抜き取り、図4に示すように、予め、別の場所で制作し、乾燥しておいた砂製の中子20を下型11に嵌め込み、上型12をそこに載せる。
なお、ここでは、全体を冷凍状態とする旨を説明したが、本発明を実施する場合には、注湯する湯の流れに沿って冷気を流し、湯路を最高凍結温度としてもよい。
このように、鋳物の表面の肌理の細かい地肌が形成できることは、鋳物の表面の研磨等の仕上げ加工が不要となり、かつ、精度の高い鋳物が形成できることになり、鋳物製品の薄肉化、軽量化が可能となり、鋳物の重量も軽量化可能となる。
加えて、この鋳物の製造方法で使用する鋳造用凍結鋳型は、鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の金属に使用され、融点よりも高い温度で液体にし、型に流し込み、冷やして目的の形状に固める鋳物の造形に使用できる。
本発明で使用する火山灰からなるシラス層17は、水を添加したものであるが、シラス層17に粘りを得たい場合には、水または無機系のゾル、例えば、シリカゾルまたはジルコニアゾル等の無機系のゾルを添加すればよい。
本実施の形態では、このようにして、注湯した後、十分に冷却し、鋳型から取り出すことによって望ましい意匠面を持った図6に示す鋳物30が得られる。
ここで、図13(b)に示すように、下型の空隙21(22)に熔湯50を供給すると熔湯50は高温の時でも水のように粘度が小さいものではなく、比較的粘度が高い流体であります。したがって、図13(a)に示すシラス17aとシラス17bとの間の僅かな隙間には入れないで、図13(b)に示すシラス17a’とシラス17b’との間のように熔湯50が入らない僅かな隙間を残す状態となる。隙間でなくともシラス17d’のように小さいとその先端まで熔湯50が辿り着かない場合がある。
このとき、各シラス17a”,・・・17d”,17e”のシラス面51側は、比較的平面的に流体移動する。この状態で温度が各シラス17a”,・・・17d”,17e”の水分の除去と鋳物砂18への熱伝導、及びシラス層17から鋳物砂18への放熱と共に冷却され、熔湯50の温度が降下し、図13(c)に示すように、熔湯50が硬化する。
したがって、シラス層17が形成するシラス面51は、凹凸の少ない面として仕上げることができる。
[実施の形態2]
即ち、図5において、中子20の外周に所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス層37を形成する。
この実施の形態においても、火山灰としてのシラスを入れシラス層37が形成されているから、十分な耐熱性、耐火性があり、下型11の内面及び上型12の内面の表面を損傷することがない。
また、火山灰のシラスからなるシラス層17及び鋳物砂18は、中子20を有していても、有していなかっても、熔湯50の熱により注湯後20〜30分で自然に崩壊するので、従来の型ばらし作業における振動付加、それによる騒音発生、粉塵の発生を大幅に抑制できる。
[実施例]
ここで、本実施の形態の中位径は、レーザ回折・散乱法によって測定したものである。なお、本発明を実施する場合には、「ふるい分け試験」によって粒径を出してもよい。
なお、本実施の形態での上記数値は、厳格なものでなく、製品毎の誤差があり、測定等による誤差を含むと1割程度以下の誤差の混入を否定するものではない。しかし、この誤差の観点から見ると、正規分布を呈しており、レーザ回折・散乱法によって得られた平均粒子径と中位径の差も数パーセント以下で僅少であった。
資料1として、中位径75μm、嵩比重0.17〜0.21
資料2として、中位径60μm、嵩比重0.28〜0.35
資料3として、中位径0.1mm、嵩比重0.07〜0.16
資料4として、中位径0.2mm、嵩比重0.15〜0.23
資料5として、中位径0.45mm、嵩比重0.10〜0.20
資料6として、中位径1.2mm、嵩比重0.12〜0.26
資料7として、中位径1.6mm、嵩比重0.15〜0.30
で実験を行った。
それでも、シラス層17,37の粒径の細かさが肌地に現れることよりも、断熱効果が生じても、水分による水蒸気圧が随所で高くなり、それによる影響で、シラス層17,37が部分的に崩壊する結果、肌理の細かい地肌が形成できなかった。このとき、水蒸気の流れが、シラス層17,37内で生じている可能性も有る。発明者の私見であるが、火山灰が独立して気泡を有しているが、それが小さすぎて断熱効果が大きくないとも推定される。しかし、鋳物砂18のみで形成した鋳物よりも地肌は綺麗に仕上がった。シラス層17,37の効果は確認された。
したがって、資料3乃至資料5の中位径0.1〜1.2mmは、好ましい状態として使用できる。
Fe2O3が1〜2wt%、Na2Oが3〜4wt%、K2Oが2〜4wt%等を主成分としている。また、吸湿量は0.08〔%〕(24時間・重量%)、熱伝導率が0.05〜0.07kcal/m.hr.c、軟化開始温度が850〜1000〔℃〕、融点が1200〜1300℃、強度が80〜100kg/cm2(2分間静水圧をかける)である。シラスバルーンからなるシラス層17,37も、シラスからなるシラス層17,37も特性的には近似していることが分る。
使用商品は、平均粒径170μmを中心にした白色バルーンからなるウィンライトWBタイプ(白色 粉末状)で、中位径が150〜180μm、嵩比重0.18〜0.24である。
資料8 三河4(800μm程度)と中位径が150〜180μmシラスバルーン
資料9 三河6(200μm程度)と中位径が50〜70μmのシラスバルーン
資料10 三河8(70μm程度)と中位径が30〜50μmのシラスバルーン
に対して実験を行った。結果は、何れも良好な結果を得た。
そして、他との組み合わせ実験を行った。組み合わせを
資料11 三河6(200μm程度)と中位径が150〜180μmのシラスバルーン
資料12 三河8(70μm程度)と中位径が50〜70μmのシラスバルーン
とすると、良好な肌理の細かい肌地として鋳込むことができた。
そこで、発明者は各種の実験を行った結果、鋳物砂18の粒子の中位径の±50%以内の中位径のシラスバルーンと組み合わせるのが好適であることが判明した。より好ましくは、鋳物砂18の粒子の中位径の±30%以内の中位径のシラスバルーンと組み合わせるのが好適である。
また、比重が小さく吸湿量が小さいことから、無機系のゾルを添加させた水分を含浸させると、シラス層17,37に対して無機系のゾルがバインダーとして機能し、注湯によってシラス層17,37の水が解凍しても鋳型形状が維持され、前記珪砂を主成分とする鋳物砂18で形成したよりも肌理の細かい肌地として鋳込むことができた。
このように、鋳物の表面の肌理の細かい地肌が形成できることは、鋳物の表面の研磨等の仕上げ加工が不要となり、かつ、精度の高い鋳物が形成できることになり、鋳物製品の薄肉化、軽量化が可能となり、鋳物の重量も軽量化可能となる。
シラス層17,37の厚みは、0.5〜10mmまで実験を行った。0.5mmではシラス層17,37を均一に形成することが無理であり、和紙等にシラス層17,37の面を形成して使用すると、効果があることが確認できた。しかし、1mm以上の厚みであると直接原型13の周囲に設けることができる。特性的に3〜5mmの範囲の厚みが望ましい。しかし、場所によっては、層を形成し難い位置があるので、その場合には、作業性から厚くならざるを得ないが、水蒸気の排出路を考慮すると火山灰の粒径の中位径0.1〜1.2mmでは10mm厚以内にするのが望ましい。
本発明で使用する火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37及び水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂18は、鋳造作業中に臭気及び煙が発生しないので労働環境が悪くならない。また、熔湯50の熱により注湯後20〜30分で自然に崩壊するので、従来の型ばらし作業における振動や騒音、粉塵の発生を大幅に抑制することができる。
そして、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37と珪砂を主成分とする鋳物砂18とは、当然ながら、鋳物砂18に有機系の結合剤を添加する必要がないから、鋳物砂18の再生にかかる廃砂が殆ど生じず、産業廃棄物の削減が行える。
この実施の形態においても、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層37が形成されているから、十分な耐熱性、耐火性があり、下型11の内面及び上型12の内面の表面を損傷することがない。
また、軟化点及び融点が高く、注湯された湯がシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37に直接触れても、吸水率が小さいから、高い蒸気圧が発生する前による断熱により、水または無機系のゾルを添加した水を含浸させて形成した珪砂を主成分とする鋳物砂18を通過し、それによる部分崩壊が生じ難い。そして、注湯の温度がシラス層17,37から伝熱され、放熱された熱エネルギは、その間に徐々に温度降下し、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37の崩壊が少ないから、珪砂を主成分とする鋳物砂18で形成したよりも肌理の細かい肌地として鋳込むことができる。
本発明の実施の形態で使用する火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37及び水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂18は、鋳造作業中に臭気及び煙が発生しない。また、熔湯50の熱により注湯後20〜30分で自然に崩壊するので、従来の型ばらし作業における振動や騒音、粉塵の発生を大幅に抑制することができる。
また、銅合金鋳物に対して、シリカゾルまたはジルコニアゾルがシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37に対してバインダーとして機能し、注湯によってシラス層17,37の水が解凍しても鋳型形状が維持され、形状が維持されるから、珪砂を主成分とする鋳物砂18で形成したよりも肌理の細かい肌地として鋳込むことができる。
本実施の形態で使用する火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37及び水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂18は、鋳造作業中に臭気、煙が発生しない。また、熔湯50の熱により注湯後20〜30分で自然に崩壊するので、従来の型ばらし作業における振動や騒音、粉塵の発生を大幅に抑制することができる。そして、火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37と珪砂を主成分とする鋳物砂18とは、シラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層17,37は2〜10mmの厚み範囲内で形成したものであるから、通常は、選別作業を行わないことによる支障は生じない。当然ながら、鋳物砂18に有機系の結合剤を添加する必要がないから、鋳物砂18の再生にかかる廃砂が殆ど生じず、産業廃棄物の削減が行える。
この実施の形態においても、実施の形態1に加えて、火山灰としてのシラスを入れシラス層37が形成されているから、十分な耐熱性、耐火性があり、下型11の内面及び上型12の内面の表面を損傷することがない。
また、銅合金鋳物と特定したのは、本発明の実施例にも示しており、製造コストが最も廉価になるが、他に鉄、アルミ合金、銅、銅合金等の金属の鋳込みにも使用できる。
12 上型
13 原型
13a 原型下型
13b 原型上型
14 湯口
15 下枠
16 上枠
17,37 シラス層
18 鋳物砂
20 中子
21 下型の空隙
22 上型の空隙
50 熔湯
51 シラス面
Claims (8)
- 鋳物砂に含浸させた水分または無機系のゾルを添加した水分を凍結させることにより、鋳造時の鋳型の強度を確保して鋳込む鋳造用凍結鋳型において、
前記鋳型の原型に接触する周囲位置には、所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層を形成し、当該シラス層の周囲には水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂を配置してなることを特徴とする鋳造用凍結鋳型。 - 前記無機系のゾルは、シリカゾルまたはジルコニアゾルとしたことを特徴とする請求項1に記載の鋳造用凍結鋳型。
- 更に、前記所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層は、中子に接触する周囲位置にも形成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鋳造用凍結鋳型。
- 前記シラス層のシラス及び/またはシラスバルーンは、粒子の中位径が0.1〜1.2mmの範囲内で、嵩比重が0.1〜0.4g/cm3の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1つに記載の鋳造用凍結鋳型。
- 鋳物砂に含浸させた水分または無機系のゾルを添加した水分を凍結させることにより、鋳造時の鋳型の強度を確保して鋳込む鋳物の製造方法において、
前記鋳造時の鋳型の原型に接触する周囲位置には、所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層を形成し、当該シラス層の周囲には水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた珪砂を主成分とする鋳物砂で形成し、前記珪砂を主成分とする鋳物砂を配し、前記珪砂を主成分とする鋳物砂で形成したよりも肌理の細かい地肌とすべく鋳込んだことを特徴とする鋳物の製造方法。 - 前記無機系のゾルは、シリカゾルまたはジルコニアゾルとしたことを特徴とする請求項5に記載の鋳物の製造方法。
- 更に、前記所定の厚みの範囲内の水分または無機系のゾルを添加した水分を含浸させた火山灰からなるシラス及び/またはシラスバルーンからなるシラス層は、中子の外周にも形成し、それを鋳型に組み込み、鋳込んだことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の鋳物の製造方法。
- 前記シラス層のシラス及び/またはシラスバルーンは、粒子の中位径が0.1mm〜1.2mmの範囲内で、嵩比重が0.1〜0.4g/cm3の範囲内であることを特徴とする請求項5乃至請求項7の何れか1つに記載の鋳物の製造方法。
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