(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凍結鋳型を製造するために使用される模型であって、
金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなることを特徴とする凍結鋳造用模型。
【請求項２】
前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の凍結鋳造用模型。
【請求項３】
前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の凍結鋳造用模型。
【請求項４】
前記模型が、組み合わせて使用される一対の模型からなり、
前記一対の模型を組み合わせた状態で、合わせ面を密着させるように締め付けるための締め付け手段を一体に備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の凍結鋳造用模型。
【請求項５】
水分を含んだ鋳物砂を型枠内に設置した模型の周囲に充填し、前記鋳物砂内に冷気を通過させて水分を凍結させることにより凍結鋳型を製造する方法であって、
前記模型として、金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなる模型を使用し、
前記模型に形成された通気孔を介して冷気を吸引することにより前記鋳物砂内に冷気を通過させることを特徴とする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、鋳物砂を凍結させて得られる凍結鋳型を製作するために用いられる凍結鋳造用模型及びこの模型を用いた凍結鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、鋳造作業は、製品と同形状の模型（木型）を造り、この模型の周囲に鋳物砂を充填して鋳物砂を突き固めてから模型を抜き出すことにより鋳型を製作し、この鋳型に加熱溶融した金属（溶湯）を流し込んで冷却し、冷却固化した金属（製品）を鋳物砂から取り出すことにより行われる。
【０００３】
しかしながら、このような従来の鋳造作業は、作業環境の点で多くの改善すべき問題点があった。
例えば、高温の溶湯を鋳型に流し込む鋳込みの際に、周囲環境の温度が著しく上昇し、鋳物砂を固めるために使用されている結合剤が燃焼して異臭が発生する。また、ハンマーや振動機を使った型ばらしの際には、振動や騒音が発生し、多量の粉塵も生じる。更に、結合剤が付着した鋳物砂を再利用するためには研磨処理が必要となり、その際にも騒音や粉塵が生じる。また、研磨後には多量の産業廃棄物が発生する。
【０００４】
上記したような従来の鋳造法の問題点を解決するために、凍結鋳型を使用した鋳造法が提案されている。
凍結鋳型は、水分を含んだ鋳物砂を型枠に内蔵した模型（木型）の周囲に充填し、鋳物砂内に含まれる水分を凍結させることにより製造される。
このような凍結鋳型を使用した鋳造法によれば、鋳込みの際に、周囲環境の温度上昇を抑制することができるとともに、結合剤を使用しないために異臭も発生しない。また、凍結鋳型は常温に戻ると自然に崩壊するため、ハンマーや振動機を使った型ばらしの作業も不要となる。更に、使用後の鋳物砂はそのまま再利用することができるため、研磨処理が不要となり、産業廃棄物の発生量も著しく減少させることができる。
【０００５】
このように凍結鋳型を用いた鋳造法は、従来の鋳造法が抱える問題点の多くを解決できる点において優れているが、凍結鋳型を用いることにより生じる特有の問題点を有していた。
凍結鋳型の製造時において、鋳物砂内に含まれる水分を凍結させる方法としては、模型（木型）にベントホール（通気孔）を形成し、このベントホールを介して冷気を吸引することにより、鋳物砂内に冷気を通過させる方法が知られている（下記特許文献１参照）。
しかしながら、この方法により製造された凍結鋳型は、ベントホール跡が鋳型壁に残るため、できあがった製品の表面にベントホール痕がついてしまい、製品の外観が悪くなるという問題があった。
また、鋳物砂内に含まれる水分が木型からなる模型に出入りするため、模型が劣化し易く、模型の寿命が短くなるという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
本発明は、上記した従来の凍結鋳造法の問題点を解決すべくなされたものであって、ベントホール痕を有さない高品質の製品（鋳物）を製造することができるとともに、模型の寿命を大幅に延ばすことができる凍結鋳造用模型及びこの模型を用いた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】
【０００８】
請求項１に係る発明は、凍結鋳型を製造するために使用される模型であって、金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなることを特徴とする凍結鋳造用模型に関する。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の凍結鋳造用模型に関する。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の凍結鋳造用模型に関する。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記模型が、組み合わせて使用される一対の模型からなり、前記一対の模型を組み合わせた状態で、合わせ面を密着させるように締め付けるための締め付け手段を一体に備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の凍結鋳造用模型に関する。
【００１２】
請求項５に係る発明は、水分を含んだ鋳物砂を型枠に内蔵した模型の周囲に充填し、前記鋳物砂内に冷気を通過させて水分を凍結させることにより凍結鋳型を製造する方法であって、前記模型として、金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなる模型を使用し、前記模型に形成された通気孔を介して冷気を吸引することにより前記鋳物砂内に冷気を通過させることを特徴とする凍結鋳型の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなることを特徴とする凍結鋳造用模型であるから、凍結鋳型製造時において多数の通気孔を介して冷気を吸引することができる。
そのため、従来の凍結鋳型製造方法において用いられていた木型のように冷気を通過させるためのベントホールを設ける必要がなく、ベントホール跡が鋳型壁に残ることが防がれる。これにより、製品（鋳物）の表面にベントホール痕がつくことがなく、製品の品質を向上させることが可能となる。
また、木型のように吸湿現象が起こらないため、木型を使用した場合に比べて模型の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、前記金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の凍結鋳造用模型であるから、熱伝導性に非常に優れた模型となる。そのため、鋳込み後の冷却時間を短縮することができ、製造効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の凍結鋳造用模型であるから、金属粉末が強固に接着される。そのため、高強度で耐久性に優れた模型となる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、前記模型が、組み合わせて使用される一対の模型からなり、前記一対の模型を組み合わせた状態で、合わせ面を密着させるように締め付けるための締め付け手段を一体に備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の凍結鋳造用模型であるから、造型と抜型を繰り返すことにより模型に反りが生じた場合に、締め付け手段を利用して合わせ面を密着させるように締め付けることにより、反りを矯正することが可能となる。
【００１７】
請求項５に係る発明によれば、水分を含んだ鋳物砂を型枠に内蔵した模型の周囲に充填し、前記鋳物砂内に冷気を通過させて水分を凍結させることにより凍結鋳型を製造する方法であって、前記模型として、金属粉末を樹脂で接着することにより形成された多数の通気孔を有する多孔質材料からなる模型を使用し、前記模型に形成された通気孔を介して冷気を吸引することにより前記鋳物砂内に冷気を通過させることを特徴とする凍結鋳型の製造方法であるから、従来の凍結鋳型製造方法のように模型に冷気を通過させるためのベントホールを設ける必要がなく、ベントホール跡が鋳型壁に残ることが防がれる。そのため、製品（鋳物）の表面にベントホール痕がつくことがなく、製品の品質を向上させることが可能となる。
また、木型のように吸湿現象が起こらないため、木型を使用した場合に比べて模型の寿命を大幅に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る凍結鋳造用模型を示す図であって、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は（ａ）図の部分拡大図である。
【図２】本発明に係る凍結鋳造用模型を用いた凍結鋳型の製造方法を工程順に説明する模式断面図である。
【図３】本発明に係る締め付け手段を備えた一対の凍結鋳造用模型の一例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る凍結鋳造用模型及びこの模型を用いた凍結鋳型の製造方法について、図面を適宜参照しながら説明する。
本発明に係る凍結鋳造用模型は、凍結鋳型を製造するために使用される模型であって、全体に亘って多数の通気孔を有する多孔質材料から形成されている。
【００２０】
図１は、本発明に係る凍結鋳造用模型（以下、単に模型という場合がある）を示す図であって、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は（ａ）図の部分拡大図である。
図１（ｂ）に示す如く、本発明に係る凍結鋳造用模型（１）を構成する多孔質材料は、金属粉末（２）が樹脂（３）により接着されることにより形成されている。
金属粉末（２）同士の間には微小な隙間（４）が形成されており、この隙間（４）は凍結鋳造用模型（１）内に冷気を通過させるための通気孔として機能する。
【００２１】
金属粉末（２）を構成する金属の種類は特に限定されないが、例えばアルミニウム、ニッケル、チタン、銅、スズ、ステンレス、鉄等が好適に使用される。本発明においては、アルミニウムが最も好適に使用される。
アルミニウムは熱伝導性に非常に優れているため、鋳込み後の冷却時間を短縮することができ、製品の製造効率を向上させることが可能となる。また、軽量であるために、模型の取り扱い性にも優れたものとなる。
【００２２】
金属粉末（２）の粒径は、２０〜５００μｍに設定することが好ましい。粒径が大きすぎると得られる凍結鋳型の肌が粗くなり、粒径が小さすぎると模型の通気度が低くなり、いずれの場合も好ましくない。
凍結鋳造用模型（１）の通気度は、０．３９〜１．７２リットル／ｃｍ２・ｍｉｎに設定することが好ましい。通気度が低すぎると鋳物砂に含まれる水分を完全に凍結できない虞があり、通気度が高すぎると模型の強度が低くなり、いずれの場合も好ましくない。
【００２３】
金属粉末（２）の粒径は、凍結鋳造用模型（１）の表層と基層で異ならせてもよい（例えば表層に細かい粉末、基層に粗い粉末を使用する等）が、全体に亘って同じ粒径範囲のものを使用することが好ましい。
これは、金属粉末（２）の粒径を表層と基層で異ならせた場合、造型及び抜型を繰り返した時に表層が剥れる虞があるのに対して、全体に亘って同じ粒径範囲のものを使用した場合にはこのような不具合が生じないためである。
【００２４】
樹脂（３）は、金属粉末（２）同士を強固に接着することができ、耐熱性及び耐水性に優れたものであれば特に限定されないが、エポキシ樹脂が好適に使用される。
エポキシ樹脂を使用することにより、金属粉末が強固に接着されるため、高強度で耐久性に優れた模型となる。
より具体的には、エポキシ樹脂をメチレンクロライド（塩化メチレン）溶液中で分散させたものを使用して金属粉末（２）同士を接着することが好ましい。
また、エポキシ樹脂として金属フィラーを充填したものを使用してもよい。金属フィラーとしては、例えば、金属粉末（２）と同じ種類の金属（例えばアルミニウム）からなる粒径２０〜５００μｍのものを使用することができる。
【００２５】
凍結鋳造用模型の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の２つの方法を例示することができる。
第一の方法は、金属粉末同士を樹脂により接着して得られる多孔質材料の塊をＮＣ切削加工により所望形状に削り出す方法である。
第二の方法は、樹脂又は石膏により所望形状のキャビティを有する母型を製作し、この母型のキャビティに金属粉末及び樹脂を流し込んで押圧成型する方法である。
本発明においてはいずれの方法を使用することもできるが、第二の方法は第一の方法に比べて表面が綺麗な凍結鋳造用模型が得られること、母型を製作することにより模型が損傷した場合の再製作が容易となることから、第二の方法を使用することがより好ましい。
【００２６】
次に、図２を参照しながら、本発明に係る凍結鋳造用模型（１）を用いた凍結鋳型の製造方法について説明する。
先ず、凍結鋳造用模型（１）を定盤（５）の上面に固定し、模型（１）の周囲を囲うよう型枠（鋳枠）（６）を定盤（５）の上面に載置する。そして、型枠（６）内に設置した模型（１）の周囲に水分を含んだ鋳物砂（８）を入れ、振動及び／又は突き固めを行うことにより充填する（図２（ａ）参照）。
【００２７】
定盤（５）及び型枠（６）は木材や金属から形成されており、定盤（５）は上面から下面に向けて冷気を通過させるための多数の導管（７）を備えている。
鋳物砂（８）としては硅砂等の公知の鋳物砂を使用することができ、鋳物砂（８）中の水分の含有量は３〜１０％（重量％）とすることが好ましい。
【００２８】
次いで、定盤（５）上において模型（１）の周囲に鋳物砂（８）を充填した型枠（６）（以下、砂型構造物という）を冷凍庫（９）内に収容して冷凍する（図２（ｂ）参照）。
冷凍庫（９）には庫内の冷気を庫外に取り出して再び庫内に戻す循環路（１０）が接続されている。循環路（１０）には、庫内の冷気を吸引して庫外に排出する吸引ブロワ（１１）と、吸引ブロワ（１１）にて庫外に排出された冷気を冷却する冷却ユニット（１２）が設けられている。
吸引ブロワ（１１）の駆動により、定盤（５）の導管（７）に吸引力が生じ、庫内の冷気は模型（１）内の隙間（通気孔）を通過する。このときの吸引力（真空圧）は、０〜−１００ｋＰａの範囲（例えば−４〜−１６ｋＰａ）に設定することが好ましい。冷気が模型（１）内の隙間（通気孔）を通過することにより、鋳物砂（８）に含まれる水分が急速に凍結される。
凍結時の鋳物砂の温度は−４０℃以下、より好ましくは−６０℃以下に設定される。
具体的な冷凍処理条件としては、−４０℃（鋳物砂温度）で１０分間冷凍した後、−２０℃で２時間以上保管するという条件を例示することができる。
【００２９】
その後、砂型構造物を冷凍庫（９）から取り出し、模型（１）と共に定盤（５）を取り外すことにより、型枠（６）で囲繞された凍結した鋳物砂（８）からなる凍結鋳型（１３）が得られる（図２（ｃ）参照）。
【００３０】
上記の方法により上下一対（又は左右一対）の凍結鋳型（１３）を夫々製造し、これら一対の凍結鋳型（１３）を重ね合わせて内部にキャビティ（１４）を形成し、このキャビティ（１４）内に溶融した金属を流し込んで固化させる（図２（ｄ）参照）。
時間が経過すると、凍結した水分が融解及び蒸発することにより凍結した鋳物砂（砂型）は自然に崩壊するので、固化した金属を鋳造品（Ｃ）として取り出すことができる（図２（ｅ）参照）。
【００３１】
上記した本発明に係る凍結鋳造用模型（１）を使用した鋳造法によれば、従来の凍結鋳型を使用した鋳造法の利点を維持しつつ欠点を解消することが可能となる。
維持できる利点としては、鋳込みの際に、周囲環境の温度上昇を抑制することができるとともに、結合剤を使用しないために異臭も発生しない。また、凍結鋳型は常温に戻ると自然に崩壊するため、ハンマーや振動機を使った型ばらしの作業も不要となる。更に、使用後の鋳物砂はそのまま再利用することができるため、研磨処理が不要となり、産業廃棄物の発生量も著しく減少させることができる。
解消できる欠点としては、冷気を通過させるためのベントホールを設けることなく模型内に冷気を通過させることができるため、ベントホール跡が凍結鋳型壁に残ることが防がれる。そのため、できあがった製品（鋳物）の表面にベントホール痕がつくことがなく、製品の品質を向上させることが可能となる。また、ベントホールを設けた木型を使用する場合に比べて、冷気の通過が円滑に行われるため、冷凍時間（冷気を通過させる時間）を短縮することができ、製造効率を向上させることが可能となる。更に、木型のように水分の吸湿現象が起こらないため、木型を使用した場合に比べて模型の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００３２】
本発明に係る凍結鋳造用模型（１）は、一対の模型を組み合わせた状態で、合わせ面を密着させるように締め付けるための締め付け手段を一体に備えていることが好ましい。
具体的には、一対の模型（１）の一方にナット（Ｎ）を埋め込み、他方にボルト（Ｂ）を埋め込んで、ボルト（Ｂ）をナット（Ｎ）に螺合することができるように構成することが好ましい（図３参照）。
模型（１）は、造型と抜型を繰り返すと溶湯の熱により反りが生じて一対の型の合わせ面に隙間が生じる場合があるが、このような構成とするとボルト（Ｂ）をナット（Ｎ）に螺合して締め付けることにより、反りを矯正することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る凍結鋳造用模型及びこの模型を用いた凍結鋳型の製造方法は、自動車産業や機械製造業等の様々な分野において幅広く利用することができ、製造現場における作業環境の改善に大きく貢献することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１      凍結鋳造用模型
２      金属粉末
３      樹脂
４      隙間（通気孔）
５      定盤
６      型枠
７      導管
８      鋳物砂
９      冷凍庫
１０    循環路
１１    吸引ブロワ
１２    冷却ユニット
【図１】
0005437950.tif 000002
【図２】
0005437950.tif 000003
【図３】
0005437950.tif 000004