JPH01186240A - 減圧振動鋳造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は鋳鉄、鋳鋼等の鉄系材料をはじめ、アルミニ
ウム、銅等の非鉄系材料などの金属材料、ざらには非金
属材料にも適用し得る鋳造法において、特に鋳造中に振
動処理を施す減圧振動鋳造法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、主型と中子の模型を組み合せて鋳物と同形の空洞
を造って鋳造するいわゆる空洞鋳型鋳造法では、型と中
子を製作する上で振動が広く利用されているのは周知の
ごとくである。また模型を鋳物砂中に充填させるために
も広く振動が利用されている。一方鋳造の際に振動処理
を行なって、金属および合金鋳物の諸性質を改良しよう
とする試みも、従来からなされてきており、ガス欠陥や
内用ケ巣の減少、鋳物の熱間割れの排除、鋳物の結晶粒
の根本的微細化から検討されてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら鋳物の性質を改良する手段とじての振動処
理法については、振動による型の崩壊の危険性が高く、
また開放鋳型であるため過振動による空気の巻き込み現
象があり、かつ凝固時に鋳物に振動を与えるためこれに
対処する方法及び装置の開発等が未だ不十分である等の
面から問題が多く、実用化されていないのが実情である
。

この発明はかかる課題を解決するところに目的がある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するにあたり種々検討の結果、前記問題
点が、主型と中子の模型を組み合せ鋳物と同形の空洞を
造って製造するいわゆる空洞鋳造法自体にあるとの認識
を１ｑ、この発明では同鋳造法ではなく、発泡ポリエチ
レン等の消失性模型を鋳物砂中に埋設して鋳造するいわ
ゆる消失模型鋳造法において力旧辰処理を加える鋳造法
を採用した。

すなわち発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂中に
埋設し、減圧・加振状態下で鋳鉄、アルミニウム等を注
湯及び凝固させたことを特徴とする減圧振動鋳造法及び
発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂中に埋設し、
減圧状態下で鋳鉄、アルミニウム等を注湯後、ざらに加
振状態下で凝固させたことを特徴とする減圧振動鋳造法
である。

しかしながらあらかじめ黒鉛球状化剤等の溶湯処理剤を
取鍋内にて処理する等の従来から採られてきた方法では
、溶湯の温度降下やフェーディングあるいはＭｇは特有
の爆発的な反応による発煙及びドロスの発生があり、ま
た内用ケ巣の欠陥が生じるので、この発明では黒鉛球状
化剤、接種剤等の溶湯処理剤をあらかじめ含有させた発
泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂中に埋設して減
圧下で模型内で溶湯処理する法をざらに採用し、かかる
方法において加振処理を施して鋳造した。

特に溶湯処理剤を予備発泡させたポリエチレン等の発泡
剤に混合し、製品模型全体にあらかじめ溶湯処理剤を均
質に混入した後に本発泡させた消失性模型を用いて減圧
・加振状態で鋳造する方法が最適であるが、かかる方法
に限定されない。例えば押し上げ方式および落し込み方
式に拘らず、湯道内あるいは反応箱内、あるいは製品模
型の上下もしくは中間位置に一部含有させて鋳造しても
差し支えない。また含有させる方法も他に模型内に埋め
込む等種々採用できる。加振方法及び条件並びに減圧条
件についても格別限定されない。

（作用〕 この発明は上述の通り、従来のいわゆる空洞鋳型鋳造法
ではなく、消失性模型鋳造法において減圧下で加振処理
を施す鋳造なので、振動による型の崩壊はなく、かつ閉
鎖鋳型なので過振動による空気の巻き込み現象もない。

ざらにあらかじめ溶湯処理剤を模型内に含有させ、模型
内において減圧下で注湯するため発煙およびドロスの発
生もなく、通常の球状黒鉛鋳鉄でみられる内用ケ巣など
の欠陥は見られない。また従来のトリベ処理による温度
降下ならびにフェーディングのおそれもない。従ってフ
ェーディングを考慮しなくてもよいことから加熱炉や保
持炉の使用が可能となり、注湯温度の管理が容易となる
゛。また消失性模型が発泡ポリエチレン等の場合、高温
で燃焼・気化する時に生成される炭素を有効利用するこ
とから、従来の酸化性の雰囲気下での凝固である空洞鋳
型鋳造法とは異なり、空気の欠如と一酸化炭素による非
酸化性の雰囲気で溶湯と反応さゼ凝固させるから種々の
処理剤の効果が有効に働き、特に消失性模型内の希望す
る箇所に埋設することにより、希望する黒鉛組織（例え
ば片状、ＣＶおよび球状）の形成が可能であり、かつま
た二段球状化処理によりフェライト化が促進され、薄肉
鋳物への適用が可能となる。

しかも留意されるべきことは、鋳造にあたり模型内で減
圧下で溶湯処理を施し、かつ加振することにより凝固後
の鋳物の球状黒鉛組織が良好となり、共晶温度の低下と
冷却速度が増大し、共晶凝固時間が短縮され、残留Ｍｇ
量が増加することであり、かつまた引張強度ならびに伸
びの上昇により機械的性質が改善される。

〔実施例〕

減圧下で注湯直前から凝固終了まで所定の振動を加え、
溶湯処理剤を模型内処理して鋳造した場合の黒鉛・基地
組織、引張強ざおよび残留Ｍｇ量等について検討した。

なお比較のため注湯時に振動を与えない場合についても
検討した。また熱分析により加振の有無によるＥＰＳ模
型（発泡ポリスチレン模型）内への溶湯の充満過程及び
凝固過程の違いについても検討した。なおり１辰法は本
実施例では偏心型の機械的振動とし、加振条件は加振周
波数５８Ｈｚ、ｍ幅Ｑ、２ｍｍおよび振動加速度１．２
Ｇとした。

（ｉ）　　試験条件 に）模型的処理法（以下１．Ｐ、と称す。）１、Ｐ、と
じては、湯道部、反応箱（以下Ｒ０Ｂ、と称す。）、試
料本体ならびにブレンド模型（以下Ｂ、Ｐ、と称す。）
による処理法を採用した。

消失性模型としてのＥＰＳ模型は、第１図に示すように
、市販のスチレン・ホーム（約５０倍の発泡倍率）から
約３０Ｘ３０Ｘ高ざ５Ｑｍｍの大きさに切削成型する場
合（第１図−■〜■）および予備発泡したＥＰＳビーズ
を金型で本発泡成型する場合（第１図−■）の二通りの
方法で作製した。

図中、斜線を入れた箇所が球状化剤の埋没位置を示し、
試料番号■〜■の模型ではそれぞれ所定の箇所に穴をあ
けて球状化剤を直接埋め込み、試料番号■では予備発泡
させたＥＰＳビーズと球状化剤を予め必要母混合した後
、本発泡成型することで扉め込んだ。球状化剤は次の第
１表に示すように、Ｃａおよびレア・アース（Ｒ，Ｅ、
）を含む市販のＦｅ　−３ｉ−Ｍｑ金合金１０．３１％
Ｍ（］　）を、１４〜２０ｍｅｓｈの粒度で、Ｍｇ量と
して０．０８％添加した。

第１表（球状化剤の化学組成） 鋳造方案は、第２図に示すように、一つの湯口で７個の
試料を押し上げ方式によって注湯した。

ＥＰＳ模型は約８０ボーメ度のシリカ・ベース水溶性の
塗型剤にドブ潰した後、室温で３日間自然乾燥したもの
を用いた。

に）溶解・注湯方法 鋳造装置の概略図を第３図に示す。基本的にはＥＰＳ模
型１を砂で充填した鋼製の容器２が、バネで支えられた
アンバランス・モーター２台を取り付けた加振機３の上
に置かれている。注湯方法は、塗型したＥＰＳ模型１を
アルミナ製の陶管の湯口４とともに入れ、振動しながら
砂を充填した後、容器上部にＶプロ・フィルム５を被せ
、真空ロータリー・ポンプ６で圧力調整予備タンク７を
介して容器２内を減圧状態（−５００ｍｍｔ−１＋〜−
７６０ｍｍＨｇ＞にしたままで注湯する場合（無加振系
列）と、同方法に加えて注湯直前に所定の振動条件で振
動しながら注湯し、凝固終了まで加振する場合（加振系
列）の２系列とした。なお８は湯口鉢、９はステンレス
製金網、１０は圧力調整バルブ、１１はＪＩＳ６号珪砂
の非粘結砂である。

溶湯組成は、次の第２表に示す高純度ダクタイル銑鉄、
フェロマンガンおよび電解鉄を黒鉛の球状化に適した溶
湯組成により配合し、３．８７％Ｃ１２，０６％Ｓｉ、
Ｏ，ａ％Ｍｎおよび０．０１％Ｓ以下になるように最高
加熱温度１５００℃〜１５５０°Ｃで高周波溶解し、約
１４２０℃〜１４５０℃の温度で注湯した。

（ｉｉ）　　結果 （ロ）注湯時の状況 減圧下の注湯であるため、Ｍｇ特有の爆発的な反応や反
応に伴う煙の発生及び振動に伴う型崩れは認められず、
所定寸法形状の製品が得られた。

注湯直復の容器内の減圧度は加振の有無に関係なく、−
７６０ｍｍ１−Ｉｔから一４００ｍｍＨ（１前後に低下
するが、溶湯が模型内に充満すると直ちに一５００ｍｍ
Ｈｇ前後に回復し、その減圧は凝固終了まで持続した。

（へ）溶湯の充満過程 湯道部処理の場合、球状化剤および加振の有無、それぞ
れについて模型（試料）の中心部にＰｔ−Ｐｔ　Ｒｈ熱
電対の熱接点を設置して熱分析を行ない、溶湯の模型へ
の充満過程（第４図）と模型での凝固過程（第３表）を
検討した。

（以下余白） 第３表 （湯遊部処理溶瀉の模型充満時の熱分析データー）無力
１辰系列および加振系列ともｉ、ｐ、の有無で、溶湯の
立ち上がり温度と最高温度到達時間でそれぞれ、約２〜
５　ｓｅｃ程度の差が認められる。

この現象は明らかに溶湯がＦｅ　−ｓ；−ｖｇ金合金反
応する時間的遅れに対応するものである。

これらの遅れは加振することで１．Ｐ、の有無にかかわ
らず短時間側にズレ、その差も小ざくなる傾向が認めら
れ、ざらに溶湯がＥＰＳ模型内に充満する速度は速くな
る。このことは、最高到達温度が加振することで、１．
Ｐ、の有無にかかわらずいずれも高くなることからも明
白である。

すなわち、溶湯が注湯された時、ＥＰＳ模型は溶湯の一
時的な直接接触によって、次にはふく射熱によって気化
し、溶湯の前面は前進しながら、固体ＥＰＳ模型の前面
は後退し、溶湯は次第に模型内に充満していくと考えら
れる。この時、溶湯がＥＰＳ模型内に充満する速度は、
ＥＰＳ模型の気化速度に律速され、分解ガスの温度と圧
力に依存することになる。従って、加振することで、空
間ガス層と接触する溶湯の前面が乱れて分解ガスの温度
ならびに圧力に変動が生じるために、ＥＰＳ模型の気化
が速くなりその結果として、溶湯の模型への充満が速く
なるものと考えられる。

（ハ）溶湯の凝固過程 第５図に無加娠系列、第６図に加振系列について、それ
ぞれ１．Ｐ、の有無による溶湯の冷却凝固熱分析曲線を
、また第４表に模型内冷即熱分析データを示す。

（以下余白〉 第４表 （湯道部処理溶湯の模型内冷即熱分析データー）＊冷却
速度：　　１２５０℃〜１２００　’Ｃの平均冷却速度
。

溶湯がＥＰＳ模型内を充満する過程でのＦｅ　−３１−
Ｍ！；＋合金の反応時間に相当する時間的な遅れは、加
振の有無にかかわらず凝固終了時まで続いている。

無加振系列の無処理試料（元湯）の共晶反転温度は、１
１５２°Ｃであるが、１．Ｐ、することにより１１４８
°Ｃに低下する。本来、Ｆｅ　−３ｉ　−Ｍ（］合金の
添加による３ｉ量（約０．３％相当）の増加に伴う共晶
温度の上昇がおるにもかかわらず、加振の有無にかかわ
らず１．Ｐ、試料の方が、低温度側にあることは、Ｆｅ
　−３１−Ｍｇ合金の溶は込みの過渡的な減少によるも
ので、まさにフェーディングの無い球状化処理溶湯とし
ての凝固過程を示している。

一方、共晶凝固時間は１．Ｐ、により若干長くなり、加
振することでいずれの場合も短くなる傾向が認められる
。このことは、凝固開始前（１２５０℃〜１２００’Ｃ
）における平均冷却速度がＩ。

Ｐ、により若干遅くなり、加振することでいずれも速く
なる現象で裏付けられる。

に）組織観察 加振の有無にかかわらず、１．Ｐ、Ｌない場合の黒鉛・
基地組織は、それぞれ第７図に示すように、一般に見ら
れるＡ型の片状黒鉛で、基地はパーライトである。加振
することで黒鉛の大きざは（Ｎ　０．４からＮｏ、３へ
）幾分大きくなる傾向が認められる。なおＳＲは湯道部
、Ｓは試料本体である。

次に湯道部（ＳＲ）、反応箱（Ｒ，Ｂ、＞、試料本体（
Ｓ）およびブレンド模型（Ｂ、Ｐ、）による１、Ｐ、後
の減圧振動凝固組織（黒鉛・基地）をそれぞれ第８図〜
第１３図に示す。なおＴは溶湯処理剤であり、また同組
織は倍率×３０及び１２０の顕微鏡写真で示されている
。また、それぞれの試料のＣ，Ｓ＊およびＭ！ＩＩ量を
第５表に示す。

第５表（実験結果） 無加振系列においては、それぞれの１．Ｐ、に対応した
球状黒鉛組織を示している。そのなかでもＲ，Ｂ、によ
る処理がとくに黒鉛の球状化が良好であり、加振するこ
とでいずれも残留ＩＶＩＩ量は増加している。

（ホ）機械的性質 第１４図に示す様に、３０Ｘ３０Ｘ６０　ｍｍとして採
取された試料１２から第１５図に示す様に、直径５ｍｍ
、平行部長さ’１３ｍｍの引張試験片１３を作製し、イ
ンストロン社製１３５０型電気油圧サーボ式ダイナミッ
ク試験機により引張強度および伸びを測定した。その結
果を第６表に示す。

（以下余白） 第６表（機械的性質） 加振系列試料すべてにおいて、強度の上昇が認められる
。待にＲ，Ｂ、（ａ）の伸びは１３％にもなり、機械的
性質の向上が認められる。強度の上からは、ブレンド模
型Ｂ、Ｐ、による１、Ｐ、に加振を適用することで、６
９．８　ｋｃ＋／　ｍｍ２と著しい効果が認められる。

（発明の効果） 上述の様にこの発明は、消失性模型を用い、減圧下で、
注湯中に振動を加える方法なので、従来のいわゆる空洞
鋳型鋳造法において技術的課題とされていた型の崩壊も
なく、空気の巻き込み魂象もないことから、簡易に、か
つ安定良好に加振条件下での鋳造ができる。また溶湯処
理を減圧下で模型内において行なう方法なので、発煙及
びドロスの発生やフェーディングもなく、作業性及び安
全性は勿論、鋳造上の管理もきわめて容易である。

しかも残留Ｍｇ量が多くなることから球状化剤の使用量
の低減化が図られる他、引張強度及び伸び等の機械的性
質の顕著な向上が図られる。なお本鋳造法はセラミック
シェル鋳型にも適用でき、また鋳造材料も鋳鉄等の金属
８料をはじめ、非金属材料にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る鋳造法の実施例を示す押し上げ
方式および落し込み方式による模型的処理の概略図、 第２図は同鋳造方案を示す概略図、 第３図は同鋳造装置の概略図、 第４図は同加振および無加振系列（比較例）における溶
湯の模型内への充満過程を示す図、第５図、第６図はそ
れぞれ無加振系列及び力旧辰系列における溶湯の模型内
での凝固過程を示す図、第７図ないし第１３図は模型的
処理後の減圧振動凝固組織における顕微鏡写真の拡大図
、第１４図及び第１５図は引張試験にかかわる説明図で
ある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂中に埋
   設し、減圧・加振状態下で鋳鉄、アルミニウム等を注湯
   及び凝固させたことを特徴とする減圧振動鋳造法。
2. （２）発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂中に埋
   設し、減圧状態下で鋳鉄、アルミニウム等を注湯後、さ
   らに加振状態下で凝固させたことを特徴とする減圧振動
   鋳造法。
3. （３）黒鉛球状化剤、接種剤等の溶湯処理剤をあらかじ
   め含有させた発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂
   中に埋設した請求項１又は２記載の減圧振動鋳造法。
4. （４）溶湯処理剤を予備発泡させた発泡剤に混合し、し
   かる後本発泡させ、消失性模型を成型した請求項３記載
   の減圧振動鋳造法。