(57)【要約】【課題】冷却能力を向上させることにより鋳造される鋳物の組織を微細化し、それにより鋳物の機械的性質の改善に寄与する冷凍鋳型を製造することができる凍結鋳型の製造方法を提供する。【解決手段】水を含浸させたアルミナ質の砂粒を凍結させて凍結鋳型を形成する凍結鋳型の製造方法。アルミナ質の砂粒が、球状の砂粒であり、球状の砂粒を採用することによって、鋳造時の通気性を確保し、溶融金属を注湯した際に生ずる水蒸気の排出を促進することが可能である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含浸させたアルミナ質の砂粒を凍結させて凍結鋳型を形成する凍結鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記アルミナ質の砂粒が、球状の砂粒である請求項１に記載の凍結鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記球状の砂粒を採用することによって、鋳造時の通気性を確保し、溶融金属を注湯した際に生ずる水蒸気の排出を促進することが可能である請求項１又は２に記載の凍結鋳型の製造方法。
【請求項４】
形成される前記凍結鋳型が冷却特性の高いものであり、
前記凍結鋳型が、前記凍結鋳型によって鋳造される青銅合金鋳物の組織を微細化することが可能なものである請求項１〜３のいずれかに記載の凍結鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凍結鋳型の製造方法に関し、さらに詳しくは、冷却能力を向上させることにより鋳造される鋳物の組織を微細化し、それにより鋳物の機械的性質の改善に寄与する冷熱源としての効果を十二分に発揮することができる冷凍鋳型を製造することができる凍結鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
砂と水を混ぜ合わせ、これを凍結させることによって造型された凍結鋳型は、鋳造プロセスにおいて発生する振動や騒音、粉塵、臭気などの産業公害を大幅に低減できるという優れた特長をもち、未来型の鋳造システムとして大きな注目を集めている。この新しい鋳造プロセスを実用化するため、これまでに、凍結鋳型の製造方法に関して特許文献１又は２に示す方法などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１４０８７号公報
【特許文献２】特開平１１−１３８２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
凍結鋳型は、氷を結合材としているため、その融解熱に起因した鋳物に対する冷却効果が期待できる。しかしながら、上述の方法によって製造した凍結鋳型は、造型性に着目したものばかりであり、鋳型のもつ冷熱源としての効果を活用したものではなかった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑み、上述の凍結鋳型において、優れた冷却効果を発現させると同時に、この冷却効果によって鋳造した鋳物の組織を微細化することが可能な、新たな凍結鋳型の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
凍結鋳型の冷却効果を向上させるために研究を重ねた結果、熱伝導率が高いアルミナ質の砂粒を用いると同時に、造型した凍結鋳型の通気性を確保することによってこの目的を達成し得ることを見いだした。本発明は、以下の凍結鋳型の製造方法を提供する。
【０００７】
［１］  水を含浸させたアルミナ質の砂粒を凍結させて凍結鋳型を形成する凍結鋳型の製造方法。
【０００８】
［２］  前記アルミナ質の砂粒が、球状の砂粒である［１］に記載の凍結鋳型の製造方法。
【０００９】
［３］  前記球状の砂粒を採用することによって、鋳造時の通気性を確保し、溶融金属を注湯した際に生ずる水蒸気の排出を促進することが可能である［１］又は［２］に記載の凍結鋳型の製造方法。
【００１０】
［４］  形成される前記凍結鋳型が冷却特性の高いものであり、前記凍結鋳型が、前記凍結鋳型によって鋳造される青銅合金鋳物の組織を微細化することが可能なものである［１］〜［３］のいずれかに記載の凍結鋳型の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、鋳造した鋳物の組織微細化を可能にする凍結鋳型を製造することができる凍結鋳型の製造方法に関するものである。凍結鋳型は、その冷熱源としての性格から通常の鋳型に比べて高い冷却性能を有する。しかし、通常の鋳型に用いられる硅砂を原料とした凍結鋳型では、その冷却効果が鋳造組織の微細化に関して十分な能力を有しているとは言い難い。これに対し、鋳型材料を熱伝導率の高いアルミナ質の砂粒に変えることにより鋳物の冷却速度は向上する。また、当該アルミナ質の砂粒の形状を球状にすることによって、さらなる冷却速度の加速が可能となる。鋳造する材料の冷却速度を速めることにより、鋳造組織の微細化が可能となり、鋳造品の機械的性質を向上させるとともに、鋳造品を薄肉化することが可能となる。これにより、製品（鋳造品）の歩留まりの向上が図られ、製品価格の引き下げにつながるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】上側凍結鋳型を造型するための型枠である鋳型造型用型枠を示す斜視図である。
【図２】下側凍結鋳型を造型するための型枠である鋳型造型用型枠を示す斜視図である。
【図３】上側凍結鋳型を示す写真である。
【図４】下側凍結鋳型を示す写真である。
【図５】凍結鋳型を示す写真である。
【図６】凍結鋳型の内部を透視した状態を模式的に示す斜視図である。
【図７】鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。
【図８】鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。
【図９】鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。
【図１０】鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。
【図１１】参考例１によって得られた鋳型を用いて鋳造した青銅鋳物のマクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１２】実施例４によって得られた鋳型を用いて鋳造した青銅鋳物のマクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１３】破砕状のアルミナ質の砂粒を示す顕微鏡写真である。
【図１４】珪砂を示す顕微鏡写真である。
【図１５】球状のアルミナ質の砂粒を示す顕微鏡写真である。
【図１６】鉱磨処理を施したアルミナ質の砂粒を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１４】
本発明の凍結鋳型の製造方法は、水を含浸させたアルミナ質の砂粒を凍結させて凍結鋳型を形成するものである。凍結鋳型の原料として一般的に使用される硅砂に替えて、アルミナ質の砂粒を使用することによって、冷却効果に優れた凍結鋳型を製造するものである。更に詳細には、アルミナ質の砂粒に水を添加し、ニーダー等を用いて混練して原料砂を調製し、調製した原料砂を所望の鋳型造型用型枠に流し込んで鋳型を形成し、得られた鋳型を凍結させて凍結鋳型を製造するものである。
【００１５】
「水を含浸させたアルミナ質の砂粒」全体における水の含有率は、４〜１０質量％が好ましい。水の含有率が小さすぎると、凍結鋳型における冷却効果が低下すると同時に、凍結鋳型の強度が不足する恐れがある。また、水の含有率が大きすぎると、水蒸気爆発を引き起こす危険性が増大する懸念が生じる。
【００１６】
水を含浸させたアルミナ質の砂粒を凍結させるときの温度及び時間は、水を含浸させたアルミナ質の砂粒が十分に凍結する条件であれば特に限定されるものではないが、温度は、−３０℃以下が好ましい。時間は、例えば、最大肉厚３０ｍｍ程度の凍結鋳型であれば、冷凍庫内に１２時間以上保持することが好ましい。凍結時に減圧凍結手法を用いる場合には、これを大幅に短縮できる。ここで、減圧凍結手法とは、凍結鋳型内に、−３０℃以下の冷気を強制的に通気させて凍結させる方法である。
【００１７】
また、鋳型造型用型枠は、凍結鋳型を形成した後に抜き取るものであってもよいし、発泡ポリスチレン等の消失性のものにすることにより、凍結鋳型を形成した後にも抜き取らないものであってもよい。鋳型造型用型枠を消失性のものとした場合には、凍結鋳型を形成した後に、鋳型造型用型枠を抜き取らずに溶融金属を注湯し、鋳型造型用型枠を消失させながら鋳造を行う。
【００１８】
近年、青銅鋳物を取り巻く状況として、環境保護や健康管理の観点から脱鉛の動きが加速している。鉛フリーの青銅鋳物としてビスマスを使用したＣＡＣ９０２がＪＩＳ化されたが、レアメタルの一種であるビスマスは資源としての偏在性が著しく、価格も高いためにＣＡＣ９０２製品の価格上昇を招いている。そのため、青銅鋳物メーカーでは、鉛を含んだ従来品との価格差が縮まらない限り、採用に踏み切れない状況にある。本発明の凍結鋳型の製造方法によって製造される凍結鋳型は、鋳造する金属材料を急冷することによって微細組織化し、それにより鋳造品の機械的性質の向上に寄与するものである。機械的性質を向上させることによって製品の薄肉化が可能となり、製品歩留まりの向上による原材料費の引き下げにつながる。凍結鋳型による鋳造プロセスは、産業廃棄物の発生を極力抑制すると同時に、従来の鋳造作業では避けられなかった騒音や振動、粉塵、臭気などの産業公害を低減して作業環境を大幅に改善できるという優れた特長をもつ。凍結鋳型による鋳造プロセスを実用化することによって、鋳造製品の品質向上のみならず、未来志向の都市型鋳造工場を実現できると期待される。
【００１９】
また、本発明の凍結鋳型の製造方法は、凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒が、球状の砂粒であることが好ましい。球状の砂粒を採用することによって、鋳造時の通気性を確保し、溶融金属を注湯した際に生ずる水蒸気の排出を促進することが可能である。そして、水蒸気の排出が促進されることにより、優れた冷却効果を発揮することができる。換言すれば、原料であるアルミナ質の砂粒が球状であることにより、得られた凍結鋳型が、冷却特性の高いものになる。更に、得られた凍結鋳型が、冷却特性の高いものであることにより、凍結鋳型によって鋳造される青銅合金鋳物の組織を微細化することが可能になる。ここで、アルミナ質の砂粒とは、アルミナを原料として形成された砂粒のことを意味する。また、「凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒が、球状の砂粒である」とは、「凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒の顕微鏡写真において、任意に選んだ１０個の砂粒の外周形状が曲面によって形成されると共に、当該１０個の砂粒の平均円形度係数が０．８〜１．０である」ことを意味する。「円形度係数」とは、「４π×（面積）／（周長）２」の式により得られた値である。式中の「面積」及び「周長」は、顕微鏡写真における一粒の砂粒の「面積」及び「周長」のことである。そして、「凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒」は、「顕微鏡写真において、任意に選んだ１０個の砂粒の外周形状が曲面によって形成されると共に、当該１０個の砂粒の全ての円形度係数が０．８〜１．０である」ことが好ましい。そして、「凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒」は、「２０個以上の砂粒が撮影された顕微鏡写真において、顕微鏡写真で撮影された全ての砂粒の外周形状が曲面によって形成されると共に、顕微鏡写真で撮影された全ての砂粒の円形度係数が０．８〜１．０である」ことが更に好ましい。本発明の凍結鋳型の製造方法によって作製される凍結鋳型の冷却効果は、アルミナ質の砂粒の形状が完全な球体に近づくほど向上する。
【００２０】
凍結鋳型の原料であるアルミナ質の砂粒は、ＡＦＳ粒度指数が４０〜８０であることが好ましい。ＡＦＳ粒度指数が大きいと、溶融金属を注湯した際の水蒸気排出効果が低下することがある。ＡＦＳ粒度指数が小さすぎると、保水性が悪くなり均質な冷凍鋳型を作製できなくなる恐れがあると同時に、鋳肌が粗くなることがある。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲で、本実施例以外の態様あるいは変形を全て包含するものである。
【００２２】
（実施例１）
図１３に示すような、ＡＦＳ粒度指数が５７．１である破砕された状態（破砕状）のアルミナ質の砂粒３１（アルミナＡ）に、質量比５％となるように水を加え、ニーダーで３分間混練することにより凍結鋳型用の原料砂を調製した。得られた原料砂を図１に示す鋳型造型用型枠１と、図２に示す鋳型造型用型枠２に流し込み、直径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板を鋳造するための鋳型に造型した。造型した鋳型を水分が蒸発しないようポリ袋で包み、−３０℃以下に保った冷凍庫へ１２時間以上保持することによって凍結させて、図３に示す上側凍結鋳型３及び図４に示す下側凍結鋳型４を得た。上側凍結鋳型３と下側凍結鋳型４とを重ね合わせることにより、図５，６に示す凍結鋳型５を得た。アルミナＡの平均円形度係数は０．７９３であった。ここで、図１は、上側凍結鋳型３を造型するための型枠である鋳型造型用型枠１を示す斜視図である。図２は、下側凍結鋳型４を造型するための型枠である鋳型造型用型枠２を示す斜視図である。図３は、上側凍結鋳型３を示す写真である。図４は、下側凍結鋳型４を示す写真である。図５は、凍結鋳型５を示す写真である。図６は、凍結鋳型５の内部を透視した状態を模式的に示す斜視図である。尚、図６に示される円板形成用空間６が、鋳造される円板の形状（直径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状）に形成されている。図６においては、凍結鋳型５の内部空間の一部を省略している。また、図１３は、破砕状のアルミナ質の砂粒３１を示す顕微鏡写真である。
【００２３】
得られた凍結鋳型５に、ビスマス系鉛フリー青銅合金（ＣＡＣ９０２）を注湯し、青銅鋳物を鋳造した。そして、青銅鋳物の鋳造の際に、鋳物の冷却挙動を調べた。具体的には、直径０．３ｍｍのＫタイプ熱電対素線によって鋳物中心部の温度変化を測定した。その結果を図７に示す。図７は、鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。これは、凍結鋳型の冷却特性について検証するために、従来の生型、珪砂製凍結鋳型およびアルミナ砂粒製凍結鋳型の冷却特性について比較を行ったものである。図７において、温度変化グラフ１１が、実施例１で得られた鋳型における温度変化を示す。
【００２４】
（比較例１）
凍結鋳型用の原料砂として、ＡＦＳ粒度指数が５８．３である珪砂３２（図１４参照）に質量比で５％となるよう水を加え、ニーダで３分間混練して得られた原料砂を使用した以外は、実施例１と同様にして凍結鋳型を作製した。珪砂３２の平均円形度係数は０．８２５であった。実施例１と同様にして、得られた凍結鋳型に、ビスマス系鉛フリー青銅合金（ＣＡＣ９０２）を注湯し、鋳物中心部の温度変化を測定した。その結果を図７に示す。図７において、温度変化グラフ１２が、比較例１で得られた鋳型における温度変化を示す。尚、図１４は、珪砂３２を示す顕微鏡写真である。
【００２５】
（参考例１）
図１に示す鋳型造型用型枠１と、図２に示す鋳型造型用型枠２を使用して、直径３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板を鋳造するために、一般的な組成（水分量約２．６質量％、粘土分約１０．６質量％、残りは、砂）の生型を作製した。得られた生型に、ビスマス系鉛フリー青銅合金（ＣＡＣ９０２）を注湯し、直径０．３ｍｍのＫタイプ熱電対素線によって鋳物中心部の温度変化を測定した。その結果を図７に示す。図７において、温度変化グラフ１３が、参考例１で得られた鋳型における温度変化を示す。
【００２６】
図７より、凍結鋳型には鋳物に対する冷却効果があり（温度変化グラフ１２と温度変化グラフ１３との比較）、アルミナ粒を鋳型材料とすることによってその効果を加速できること（温度変化グラフ１１と温度変化グラフ１２との比較）が確認できる。
【００２７】
（実施例２）
原料砂として、ＡＦＳ粒度指数が９６．４である破砕された状態（破砕状）のアルミナ質の砂粒（アルミナＣ）を用いた以外は、実施例１と同様にして凍結鋳型を作製した。得られた鋳型を用いて実施例１の場合と同様にして青銅鋳物を鋳造し、鋳物の冷却挙動を調べた。その結果を図８に示す。図８は、鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。これは、凍結鋳型の冷却特性に対するアルミナ砂粒の粒径の影響について示したものである。図８において、温度変化グラフ１４が、実施例２で得られた鋳型における温度変化を示す。また、温度変化グラフ１１は、実施例１で得られた鋳型における温度変化を示し、温度変化グラフ１２は、比較例１で得られた鋳型における温度変化を示す。
【００２８】
図８より、凍結鋳型の冷却特性は、粒度が粗いほど向上することがわかる（温度変化グラフ１１と温度変化グラフ１４との比較）。
【００２９】
（実施例３）
原料砂として、ＡＦＳ粒度指数が６０．８である球状のアルミナ質の砂粒３３（図１５参照）を用いた以外は、実施例１と同様にして凍結鋳型を作製した。球状のアルミナ質の砂粒３３の平均円形度係数は０．９８１であった。得られた鋳型を用いて実施例１の場合と同様にして青銅鋳物を鋳造し、鋳物の冷却挙動を調べた。その結果を図９に示す。図９は、鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。これは、凍結鋳型の冷却特性に対するアルミナ砂粒の形状（球状、破砕状）の影響について示したものである。図９において、温度変化グラフ１５が、実施例３で得られた鋳型における温度変化を示す。また、温度変化グラフ１１は、実施例１で得られた鋳型における温度変化を示し、温度変化グラフ１２は、比較例１で得られた鋳型における温度変化を示す。尚、図１５は、球状のアルミナ質の砂粒３３を示す顕微鏡写真である。
【００３０】
図９より、凍結鋳型における鋳物砂の形状を球体（完全な球体）に近づける（球状にする）ことによって、鋳物に対する冷却効果が増大することがわかる。
【００３１】
（実施例４）
原料砂として、破砕状のアルミナ（アルミナＡ）を鉱磨処理して形成した、図１６に示すような球状のアルミナ質の砂粒（鉱磨処理を施したアルミナ質の砂粒３４）を用いた以外は実施例１と同様にして凍結鋳型を作製した。鉱磨処理を施したアルミナ質の砂粒３４の平均円形度係数は、０．８２８であった。得られた鋳型を用いて実施例１の場合と同様にして青銅鋳物を鋳造し、鋳物の冷却挙動を調べた。その結果を図１０に示す。図１０は、鋳型内に注湯された鋳物の中心部の温度変化を示すグラフである。図１０において、温度変化グラフ１６が、実施例４で得られた鋳型における温度変化を示す。また、温度変化グラフ１３は、参考例１で得られた鋳型における温度変化を示す。また、参考例１によって得られた鋳型を用いて鋳造した青銅鋳物のマクロ組織２１を図１１に示し、実施例４によって得られた鋳型を用いて鋳造した青銅鋳物のマクロ組織２２を図１２に示す。また、図１６は、鉱磨処理を施したアルミナ質の砂粒３４を示す顕微鏡写真である。
【００３２】
図１０より、球状に近い形状の、粒の粗いアルミナ質の砂粒を用いて造型された凍結鋳型によれば、鋳造時の冷却速度が大幅に加速されることがわかる。そして、図１１、図１２に示すように、球状に近い形状の粒の粗いアルミナ質の砂粒を用いて造型された凍結鋳型によれば、冷却速度が大きくなることにより、鋳造する鋳物の組織を微細化できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の凍結鋳型の製造方法は、金属の鋳造に用いる凍結鋳型を製造するために好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１，２：鋳物造型用型枠、３：上側凍結鋳型、４：下側凍結鋳型、５：凍結鋳型、６：円板形成用空間、１１，１２，１３，１４，１５，１６：温度変化グラフ、２１，２２：青銅鋳物のマクロ組織、３１：破砕状のアルミナ質の砂粒、３２：珪砂、３３：球状のアルミナ質の砂粒、３４：鉱磨処理を施したアルミナ質の砂粒。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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