(57)【要約】      （修正有）【課題】寿命の長い鉄系材料の金型鋳造用金型を提供することにある。また、低コストにて簡単に製造することができる鉄系材料の金型鋳造用金型を提供することもこの発明の目的である。【解決手段】鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態しない金属材料によって構成する。このため、固相変態による体積変化を防止できて、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができ、金型としての寿命を長くすることができる。また、電鋳による電着層にて構成する。このため、金属ブロック等の機械加工を行う必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態しない金属材料によって構成したことを特徴とする鉄系材料の金型鋳造用金型。
【請求項２】
原型に上記金属材料を積層させて構成したことを特徴とする請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型。
【請求項３】
電鋳による電着層（１３）にて構成したことを特徴とする請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型。
【請求項４】
ＣＶＤによる堆積層にて構成したことを特徴とする請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型。
【請求項５】
上記金属材料が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの鉄系材料の金型鋳造用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄系材料の金型鋳造用金型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄系材料の金型鋳造用の金型装置は、図１２に示すように、上型５１と下型５２とを備え、この上型５１と下型５２との間に形成されるキャビティ５３内に、湯口５４に注入された溶湯が上型５１の湯道５５を介して供給するものである。この場合、一般的に、上型５１には鋳鉄材の金型が使用され、またときには砂型が使用され、さらに下型５２には鋳鉄材の金型が使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、下型５２に鋳鉄材を使用した場合に、その使用頻度が増加すれば、例えば１０数回を越えれば、下型５２にクラックが多数個生じるおそれがある。特に、溶湯があたる部位５６やその周辺においてクラックが発生して損傷しやすく、金型としての寿命が短いものとなっている。そこで、これについて検討してみると、クラックの発生原因としては、熱応力の繰返しによる熱疲労も考えられるが、最も大きく影響するのは、鋳鉄材のα（フェライト）からγ（オーステナイト）への固相変態による大きな体積変化であることを知見した。すなわち、クラックの主たる発生原因は、固相変態に起因する膨張によって生じる大きな内部応力であるものと考えられる。ちなみに、アルミ鋳物の場合は、注入温度は７００度程度と低く、金型表面温度でも鋳鉄金型材料のαからγへの変態温度以下の温度しかならないので、金型寿命が長いものと考えられる。
【０００４】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、寿命の長い鉄系材料の金型鋳造用金型を提供することにある。また、低コストにて簡単に製造することができる鉄系材料の金型鋳造用金型を提供することもこの発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型は、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態しない金属材料によって構成したことを特徴としている。
【０００６】
請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型では、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態しない金属材料によって構成したので、固相変態による体積変化を防止でき、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。
【０００７】
請求項２の鉄系材料の金型鋳造用金型は、原型に上記金属材料を積層させて構成したことを特徴としている。
【０００８】
上記請求項２の鉄系材料の金型鋳造用金型では、原型に上記金属材料を積層させて構成したものであり、金属ブロック等の機械加工を行う必要がない。
【０００９】
請求項３の鉄系材料の金型鋳造用金型は、電鋳による電着層１３にて構成したことを特徴としている。
【００１０】
上記請求項３の鉄系材料の金型鋳造用金型では、電鋳による電着層１３にて形成するので、金属ブロック等の機械加工を行う必要がない。
【００１１】
請求項４の鉄系材料の金型鋳造用金型は、ＣＶＤによる堆積層にて構成したことを特徴としている。
【００１２】
上記請求項４の鉄系材料の金型鋳造用金型では、ＣＶＤにて形成するので、金属ブロック等の機械加工を行う必要がない。
【００１３】
請求項５の鉄系材料の金型鋳造用金型は、上記金属材料が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等であることを特徴としている。
【００１４】
上記請求項５の鉄系材料の金型鋳造用金型では、金型金属材料が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等であるので、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態を確実に回避するようにできる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の鉄系材料の金型鋳造用金型によれば、固相変態による体積変化を防止でき、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。これにより、金型としての寿命を長くすることができる。
【００１６】
請求項２の鉄系材料の金型鋳造用金型によれば、金属ブロック等の機械加工を行う必要がないので、機械加工を行うものよりも生産性に優れ、製造コストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項３の鉄系材料の金型鋳造用金型によれば、金属ブロック等の機械加工を行う必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。しかも、電鋳にて形成するものであるので、表面精度に優れ、この金型鋳造用金型にて製造される製品（鋳造品）の品質が向上する。
【００１８】
請求項４の鉄系材料の金型鋳造用金型によれば、金属ブロック等の機械加工を行う必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。しかもＣＶＤにて形成するもので、金型肉厚をより一層均一にでき、しかも生産性の向上を図って一層の低コスト化を達成できる。
【００１９】
請求項５の鉄系材料の金型鋳造用金型によれば、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態を確実に回避するようにできる。これにより、金型としての寿命を安定して長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、この発明の鉄系材料の金型鋳造用金型の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこの鉄系材料の金型鋳造用金型を使用した金型装置の簡略断面図であり、図２〜図６はこの金型鋳造用金型の製造工程図である。この金型装置金型は、上型（金型鋳造用金型）１と下型（金型鋳造用金型）２とを備える。また、上型１及び下型２は、それぞれ、冷却用パイプ５、６とを備える。そして、上型１及び下型２は、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲（この金型装置が使用される温度内）において、固相変態（ひとつの固相から他の固相への変態）しない材料にて構成される。さらに、上型１及び下型２型としては、鉄系材料の注入温度以上の共晶温度（液相と固相の共存範囲）を持つ材質又は注入温度以上でないと変態しないもの、また、酸化しにくいもの、粒界などに不順物を偏析又は晶出させないもの、熱疲労しにくいもの等であるのが好ましい。そのため、上型１及び下型２は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属で構成することによって、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において、固相変態しないものとすることができる。また、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属で構成すれば、同素変態（ひとつの結晶格子から他の結晶格子に変化する変態）しないものとすることになる。
【００２１】
そこで、下型２の製造工程を示している図２〜図６を使用して下型２の製造方法を説明する。この場合、電鋳法を使用することになる。まず、図２に示すように、非電導材からなる模型８を作成する。次に図３に示すように、この模型８の表面に電導性の被膜９を形成して、この被膜９に導線１０を接続する。その後、図４に示すように、浴槽（ニッケル電解浴槽）１１内に、上記被膜９が形成されるとともに導線１０が接続された模型８を浸漬する。さらに、この浴槽１１に陽極となるニッケル電極１２も浸漬する。このため、模型８の被膜９が陰極となる。
【００２２】
そして、対極間に電流を流して電気分解により、模型８の表面にニッケルを電着させて被膜９に付着する。これによって、模型８の表面に、ニッケルの電着層１３を形成する。その後、電着層１３が付着した模型８を浴槽１１から取出して、図５に示すように、模型８から電着層１３を取外す。この電着層１３が上記下型２となり、この下型２に図６に示すように冷却用パイプ６を付設する。また、上記した工程と同様の工程にて、上型１を形成する。すなわち、上型１用の模型を製造して、この模型の表面に電鋳にて電着層を形成するようにすればよい。その後は、図１に示すよう、上型１と下型２とを組み合わせて、金型装置を構成して、この金型装置のキャビティ１４内に溶湯を注入すれば、図７に示すような鋳造品１５を作ることができる。
【００２３】
上記鉄系材料の金型鋳造用金型では、ニッケルを使用するので、鋳造時の固相変態による体積変化を防止でき、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。これにより、金型としての寿命を長くすることができる。また、電鋳にて形成するので、金属ブロック等の機械加工を行う必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。しかも、表面精度に優れ、この金型鋳造用金型にて製造される製品（鋳造品）の品質が向上する。
【００２４】
次に、図８は他の金型装置を示し、この金型装置は、下型としてのニッケル型１６と、上型としての砂型１７とを備える。このニッケル型１６は、上記図２から図６に示す工程にて製造したものであり、この場合、図２における模型８を相違させればよい。そして、ニッケル型１６は、下段１６ａと中段１６ｂと上段１６ｃと有し、砂型１７は、ニッケル型１６に嵌合した際に、上段１６ｃの底面２１にその鍔部２２が載置状とされ、これによって、中段１６ｂ及び下段１６ａと、砂型１７との間にキャビティ２３が形成される。また、砂型１７にはキャビティ２３に開口する湯道２４が形成され、この湯道２４の開口部に湯口２５が設けられている。このため、湯口２５に注入された溶湯は、湯道２４を介してキャビティ２３に供給され、鋳造品を鋳造することができる。なお、ニッケル型１６には冷却用パイプ２５が付設されている。
【００２５】
この図８に示す金型装置では、湯道２４のキャビティ側開口部は、その一部がニッケル型１６の上段１６ｃの底面２１に対応している。そのため、湯道２４を流れる溶湯は、上段１６ｃの底面２１の一部である部位２６に当たることになる。しかしながら、溶湯を投入する際に、この部位２６に溶湯が当たるが、下型をニッケル型１６としたので、この部位２６及びこの近傍さらにはニッケル型１６全体における固相変態による体積変化を防止でき、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。これによってこの金型装置の下型寿命を長くすることができる。
【００２６】
また、図９は別の金型装置を示し、この金型装置は、下型３０と、左型３１と、右型３２と、中子３３とを備えたものである。この場合、下型３０と左型３１と右型３２とは、それぞれ、冷却用パイプ３４、３５、３６が付設される。そして、下型３０と左型３１と右型３２は、上記図２〜図６に示す工程等に基づいて形成される。このため、下型３０と左型３１と右型３２とは、ニッケル型となっている。そして、下型３０と左型３１と右型３２とで形成される金型本体部３７に中子３３を嵌合した際にはキャビティ３８が形成される。この場合、中子３３は砂中子であって、湯道４０が形成されて、この湯道４０のキャビティ側開口部が下型３０の突隆部４１に対応している。また、湯道４０の上方開口部に湯口４２が開設されている。
【００２７】
この金型装置において、湯口４２に溶湯を注入すれば、湯道４０を介してキャビティ３８に溶湯が供給され、鋳造品を鋳造することができる。この際、湯道４０を流れる溶湯は、下型３０の突隆部４１に当たることになる。しかしながら、この金型装置は、突隆部４１を有する下型３０、及び左型３１と右型３２とを、ニッケル型としたので、この突隆部４１及びその近傍さらには金型全体における固相変態による体積変化を防止でき、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。このため、この金型装置であっても金型寿命を長くすることができる。
【００２８】
次に図１０はさらに別の金型装置を示し、この金型装置は、左型４３と右型４４とを備え、左型４３と右型４４とが合わされた際に、キャビティ４５が形成される。そして、左型４３と右型４４とは上記図２〜図６に示す工程に基づいて形成される。このため、左型４３と右型４４とはニッケル型である。そして、左型４３と右型４４とには冷却用パイプ４７、４８が付設される。また、キャビティ４５には湯口４６が接続され、この湯口４６を介してキャビティ４５に溶湯が供給される。このため、このよう金型装置であっても、左型４３と右型４４とはニッケル型であるので、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を回避することができる。
【００２９】
次に、図８に示すような金型装置にて鋳造品を鋳造する場合と、図１２で示した金型装置にて鋳造品を鋳造する場合とで、耐久性について調べた。この際、図８に示す金型装置のニッケル型１６は、各段１６ａ、１６ｂ、１６ｃの肉厚Ｔを１０ｍｍとし、下段１６ａの底面１９から中段１６ｂの底面２０までの高さＨ１を５０ｍｍとし、下段１６ａの底面１９から上段１６ｃの底面２１までの高さＨ２を１００ｍｍとし、中段１６ｂの底面２０の径寸法Ｄを１５０ｍｍとする。また、キャビティ２３の隙間寸法Ｓを１０ｍｍとする。
【００３０】
また、図１２に示す従来の金型装置としては、上型５１には砂型が使用され、下型５２には鋳鉄材（ＦＣＤ４５０）が使用される。この際、キャビティ５３の大きさを上記図８に示した金型装置のキャビティ２３と略同一とした。また、下型５２には、冷却用パイプ５７が埋設されている。
【００３１】
この図８と図１２の金型装置を使用する場合、鋳込材をＦＣＤ４５０とし、鋳込温度を１４２０℃とし、金型温度を２００℃とし、鋳込量を３．６ｋｇとし、製品重量（鋳造品重量）を３ｋｇとする。ここで、ＦＣＤとは球状黒鉛鋳鉄であり、ＦＣＤ４５０とは１平方あたり４５０Ｎ（４５．８９ｋｇｆ）の引張り強さを持つ材質ものをいう。
【００３２】
ところで、図８に示す金型装置では、湯道２４のキャビティ側開口部は、その一部がニッケル型１６の上段１６ｃの底面２１に対応している。そのため、湯道２４を流れる溶湯は、上段１６ｃの底面２１の一部である部位２５に当たることになる。また、図１２に示す従来の金型装置においても、溶湯が部位５６に当たることになる。
【００３３】
このため、図１２で示す金型装置では３５回程度使用すれば使用できない状態となった。これは、下型５２をＦＣＤ４５０にて構成しているので、鋳造中の温度変化によって、α（フェライト）からγ（オーステナイト）へ変態し、この変態によって大きな体積変化が生じたことによる。すなわち、膨張により生じる大きな内部応力によりクラックが発生したためである。特に部位５６及びこの近傍において多数のクラックが発生した。これに対して、図８に示す金型装置では、２０００回使用しても、上記部位２５においてのみ熱疲労によると思われるクラックが僅かに発生した程度である。これは、固相変態による体積変化を防止できて、膨張による内部応力の発生に起因するクラック発生を押えることができたからである。
【００３４】
次に、図９に示すような金型装置にて鋳造品を鋳造する場合と、図１１に示す金型装置にて鋳造品を鋳造する場合とで、耐久性について調べた。図１１に示す金型装置では、図９に示す金型装置と同様、下型５８と、左型５９と、右型６０と、中子６１とを備えたものである。この場合、下型５８と、左型５９と、右型６０とは、それぞれ、ＦＣＤ４５０にて構成され、内部に冷却用パイプ６２、６３、６４が埋設されている。そして、図１０に示す金型と同様、中子６１は砂中子であり、湯道６５が形成されてこの湯道６５のキャビティ側開口部が下型５８の突隆部６６に対応する。湯道６５の上方開口部には湯口６７が開設されている。
【００３５】
この際、各金型装置では、２００℃に加熱した金型に、黒鉛塗型を０．３ｍｍ程度施した後、１４５０℃の溶湯（鋳物材質：ＦＣＤ５５０）を注入し、各冷却用パイプ３６・・、５０・・に常時１８０℃程度のシリコンオイルを供給して、各下型３０、５８と、左型３１、５９と、右型３２、６０とを冷却した。なお、上記ＦＣＤ５５０は、１平方あたり５５０Ｎ（５６．０８ｋｇｆ）の引張り強さを持つ球状黒鉛鋳鉄である。
【００３６】
図１１に示す金型装置では、５００回〜８００回程度で損傷して金型寿命に達した。この際、図例のように、下型５８の突隆部６６及びその近傍を入子６８として取り換え可能とすれば、この入子６８を取り換えることによって、金型としての寿命を多少延ばすことができる。しかしながら、突隆部５４以外の他の部位も、１８００回〜２０００回で損傷して寿命に達したものとなって、全体としてあまり寿命を延ばすことができなかった。これに対して、図９に示す金型装置では、５０００回〜６０００回使用しても寿命に達しなかった。このため、図９に示す金型装置と図１１に示す金型装置では、図９に示す金型装置において鋳物コストを１５〜２０％低減することができる。
【００３７】
ところで、金型鋳造用金型を形成する場合、電鋳法以外にＣＶＤ法にて行なうことができる。ここで、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）とは、原料物質を含むガスに、熱や光によってエネルギーを与えたり、高周波でプラズマ化したりすることにより、原料物質がラジカル化して、反応性に富むようになって、基板上に吸着されて堆積するものである。そして、温度を上げて堆積させるものを「熱ＣＶＤ」、化学反応や熱分解を促進させるために光を照射するものを「光ＣＶＤ」、ガスをプラズマ状態に励起する方法を「プラズマＣＶＤ」という。この場合、電鋳法と相違して、基板上に形成した被膜（堆積層）をこの基板から取外さないものであって、この基板と被膜にて金型鋳造用金型を構成することになる。このように、このＣＶＤ法にて成形すれば、原型（基板）に上記金属材料を積層させてこれを金型鋳造用金型とすることになる。このため、ＣＶＤ法以外に、原型に金属材料を積層させることが可能な他の方法にてこの金型を構成することができる。このように、金属材料を積層させて金型を構成すれば、金属ブロック等の機械加工を行う必要がないので、生産性に優れ、製造コストの低減を図ることができる。また、このＣＶＤ法にて金型鋳造用金型を成形すれば、金型肉厚をより一層均一にでき、しかも生産性の向上を図って一層の低コスト化を達成できる。
【００３８】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、金型鋳造用金型の金属材料としてニッケルを使用したが、もちろん上記したように、ニッケル以外に、鉄系材料の溶湯の注入温度以下の温度範囲において固相変態しない金属材料となるクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属とすることも可能であり、さらには、上記金属材料としては、Ｎｉ系金属材料、Ｃｒ系金属材料、Ｍｏ系金属材料、Ｗ系金属材料等であってもよい。また、鋳造する鋳造品の形状としては、図８等に示すものに限るものではなく、種々の形状のものが可能であり、その際、図２に示す模型の形状を変更すればよい。なお、鉄系材料の溶湯の注入温度は、金属材料の融点以上の場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の金型鋳造用金型を使用した金型装置の要部断面図である。
【図２】上記金型鋳造用金型の製造に使用する模型の簡略図である。
【図３】上記模型に被膜を形成した状態の簡略図である。
【図４】上記金型鋳造用金型の製造に使用する浴槽の簡略図である。
【図５】上記金型装置の下金型の簡略図である。
【図６】上記金型装置の要部断面図である。
【図７】上記金型装置にて鋳造した鋳造品の簡略図である。
【図８】この発明の他の金型鋳造用金型を使用した金型装置の断面図である。
【図９】この発明の別の金型鋳造用金型を使用した金型装置の断面図である。
【図１０】この発明のさらに別の金型鋳造用金型を使用した金型装置の断面図である。
【図１１】比較例を示す金型装置を示す簡略図である。
【図１２】従来の金型装置を示す簡略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１３・・電着層
【図１】
2006015390.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１１】
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【図１２】
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