(57)【要約】【課題】  複数の金属球を加熱接合して形成可能な金属球鋳型を提供することを課題とする。【解決手段】  金属球鋳型１は、直径が０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の複数の金属球４を利用し、金属球４の互いの球面部５同士を接触させた状態で、７００℃以上の高温で加熱することにより、球面部５の表面の一部を溶解させ、金属球４同士を接合することによって形成されている。この金属球鋳型１は、黒鉛等の耐熱性素材からなる母型に空隙６を可能な限り小さくするようにして複数の金属球４を充填し（充填工程）、電気炉内で高温に加熱し、球面部５の一部を溶解させ（加熱工程）、その後に冷却し（冷却工程）、母型から金属球鋳型１を取出す（型出工程）ことによって製造されている。そして、金属球鋳型１の鋳型空間に溶湯を流し込んで充填し、鋳物製品が鋳造される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属球、または前記金属球及び前記金属球と略同一の体積を有する金属片を加熱接合して形成されることを特徴とする金属球鋳型。
【請求項２】
前記金属球は、
０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の直径を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の金属球鋳型。
【請求項３】
少なくとも二種以上の直径の異なる前記金属球が使用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属球鋳型。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の金属球鋳型を製造する金属球鋳型の製造方法であって、
耐熱性材料によって形成された母型に複数の金属球、または前記金属球及び前記金属球と略同一の体積を有する金属片を充填する充填工程と、
前記金属球、または前記金属球及び前記金属片が充填された前記母型を所定温度に加熱する加熱工程と、
所定温度まで冷却し、前記加熱工程によって加熱接合された金属球鋳型を前記母型から抜出す型出工程と
を具備することを特徴とする金属球鋳型の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程は、
前記母型を７００℃以上、１１００℃以下の加熱温度で加熱することを特徴とする請求項４に記載の金属球鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属球鋳型、及び金属球鋳型の製造方法に関するものであり、特に複数の金属球を鋳型形状に加熱接合し、鋳造後に再び金属球を再利用することが可能な金属球鋳型、及び金属球鋳型の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鋳物製品を製造する場合、当該鋳物製品の形状に合わせて作成された砂型または金型等の鋳型を利用し、高温で溶解した金属の溶湯を鋳型空間に充填し、溶湯を鋳型内で冷却させることが行われている。このとき、使用された砂型は鋳物製品を取出す際に崩壊され、砂に戻される。そして、再び砂型の材料として使用することができる。一方、金型は溶湯を金型の空間（キャビティ）内に充填し、冷却した後、製品を金型から抜出している。そして、再び、キャビティ内に溶湯を充填し、上記の作業を繰返すことによって同一形状の製品を多数製造することができる。なお、上述した砂型及び金型において、中子や幅木等の補助手段を用いて複雑な製品形状にすることができる。
【０００３】
一方、樹脂製の金型の一部、特に摩耗の激しい箇所に金属球（スチールボール）を使用するもの（例えば、特許文献１参照）、或いは鋳型内に溶湯を注入して鋳物を製造した後に、金属球やカットワイヤ等の硬化材を用い、鋳物表面に緻密層を形成するもの（例えば、特許文献２参照）等が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５４１２８号公報
【特許文献２】特開２００４−３２２１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した砂型は、複数回の使用によって微細化し、粉塵等が発生することがあった。そして、最終的には、産業廃棄物として処理する必要があり、その処理コストが負担になる場合があった。さらに、砂型を充填する際には、騒音が激しいため、周囲の環境や時間帯を考慮する必要があった。一方、金型は上述したように、繰返しの使用に適するものの、放電加工等によって形成されるため、製作時間が多く必要であった。また、金型の製造に係るコストが高く、多品種少量生産の鋳物製品には適していなかった。
【０００６】
そのため、上述した砂型や金型と異なる新規の材料から構成され、リサイクル性に優れ、かつ製造コストや製造時間を抑えることが可能な鋳型が求められていた。
【０００７】
そこで本発明は、上記実情に鑑み、複数の金属球を加熱接合して形成可能な金属球鋳型、及びその製造方法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる金属球鋳型は、「複数の金属球、または前記金属球及び前記金属球と略同一の体積を有する金属片を加熱接合して形成される」ものから主に構成されている。
【０００９】
したがって、本発明の金属球鋳型は、複数の小径の金属球または金属球及び略同一体積の金属片を加熱接合して鋳物を製造するための鋳型が形成される。ここで、金属球は互いに隣合う金属球同士と金属球の球面上の一部（接触点）で接触した状態で凝集している。そのため、金属球と金属球との間に形成される空隙は、ほとんど影響されることなく、形成された鋳型表面はほぼ平坦化したものとなる。そのため、金属球同士が凝集した状態の金属球鋳型の鋳型空間に高温で溶解した溶湯を充填し、冷却することにより、鋳物製品を鋳造することができる。このとき、鋳造された鋳物製品の鋳物表面は、鋳型表面に合致している。ここで、金属球が非常に１ｍｍ以下の細かい直径を有するものであれば、上述した空隙等の影響を考慮することがなく、均一に平坦化した鋳物表面を有する鋳物製品を鋳造することが可能となり、実用上の問題はほとんどない。
【００１０】
加えて、本発明の金属球鋳型の金属球鋳型同士は、金属球の球面部同士がほとんど点接触に近い状態で接合されている。そして、加熱温度等の製造条件を適宜変更することにより、溶湯を充填し、鋳物製品を鋳造した後は、手の力等で負荷を加えることにより、各々の金属球に再び分解することが可能となる。その結果、それぞれの金属球を回収し、再び金属球鋳型を製造するための原材料として用いることが可能となる。特に、複数回の使用によって金属球の球面が摩滅した場合であっても、従来の砂型を形成する砂と異なり、微細化による防塵対策等をとる必要がなく、資源の有効活用に繋げることができる。
【００１１】
また、金属球とともに、略同一体積の金属片を混合した場合、金属球同士の凝集に比べ、金属球及び金属片の接触面積（接触箇所）が増加し、鋳型表面の緻密度を上げることが可能となる。その結果、加熱接合によって製造される金属球鋳型自体の強度を向上させ、使用性（鋳造の作業性）を良好なものとすることができる。さらに、上述した金属球鋳型における空隙率を改善することが可能となり、より平滑性に優れた鋳型表面を形成可能となる。その結果、鋳造される鋳物製品の品質（表面平滑性）を上げることができる。なお、金属球または金属球に使用される素材は、特に限定されないが、例えば、入手容易性、製造コスト、加熱接合等の製造容易性、及び分解後のリサイクル性等を勘案し、鋼製の「スチールボール」と呼ばれる金属球を用いることが可能となる。また、金属片も同様に鋼製の素材を用いるものが上げられる。
【００１２】
さらに、本発明にかかる金属球鋳型は、「前記金属球は、０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の直径を有する」ものである。
【００１３】
したがって、本発明の金属球鋳型は、０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の小径の金属球が利用される。これにより、加熱接合によって金属球鋳型に形成されると、鋳型表面は小径の金属球が緻密化しているため、凹凸等の変化の少ない安定した表面となる。その結果、溶湯を充填し、鋳物製品を製造する場合、該鋳物製品の表面品質が良好となる。一方、０．３ｍｍよりも小さい直径の金属球が使用される場合、従来の砂型と同様に微粉化し、弊害が生じる恐れがある。また、０．８ｍｍよりも大きな直径の金属球を使用する場合、互いの金属球が凝集しても球間の空隙が大きくなり、また形成される鋳型表面の凹凸も激しくなる。その結果、鋳型表面の品質が良好とならないことがある。
【００１４】
さらに、本発明にかかる金属球鋳型は、上記構成に加え、「少なくとも二種以上の直径の異なる前記金属球が使用される」ものであっても構わない。
【００１５】
したがって、本発明の金属球鋳型は、二種類以上の直径の異なる金属球が使用される。これにより、直径の大きな金属球の間に形成された空隙の間に、係る金属球よりも小さな直径を有する金属球が侵入し、この空隙を塞ぐことが可能となる。これにより、さらに鋳型表面が平坦化し、緻密化した構造を呈する金属球鋳型が製造可能となる。これにより、鋳物製品の品質を安定させることが可能となる。
【００１６】
一方、本発明にかかる金属球鋳型の製造方法は、「上記のいずれか一つに記載の金属球鋳型を製造する金属球鋳型の製造方法であって、耐熱性材料によって形成された母型に複数の金属球、または前記金属球及び前記金属球と略同一の体積を有する金属片を充填する充填工程と、前記金属球、または前記金属球及び前記金属片が充填された前記母型を所定温度に加熱する加熱工程と、所定温度まで冷却し、前記加熱工程によって加熱接合された金属球鋳型を前記母型から抜出す型出工程と」を主に具備して構成されている。
【００１７】
したがって、本発明の金属球鋳型の製造方法によれば、複数の金属球または金属球及び金属片を母型に充填し、所定の温度に加熱することにより、金属球同士または金属球及び金属片の接触点を加熱接合することによって形成されている。その結果、複数の金属球が凝集して緻密化した金属球鋳型が形成される。かかる金属球鋳型の製作の過程において、従来の砂型及び金型等の製作に比して振動及び騒音を感じることが少なく、比較的簡易に製作することが可能となる。
【００１８】
さらに、本発明にかかる金属球鋳型の製造方法は、上記構成に加え、「前記加熱工程は、前記母型を７００℃以上、１１００℃以下の加熱温度で加熱する」ものであっても構わない。
【００１９】
したがって、本発明の金属球鋳型の製造方法によれば、加熱工程が７００℃以上、１１００℃以下の加熱温度によって行われる。すなわち、金属球に使用される材質によるものの、上記の温度であれば、金属球表面の一部の部分的な加熱接合によって互いに隣り合う金属球同士が接触し、さらに冷却されることにより、その接触状態が維持され、金属球鋳型が製作される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の効果として、複数の金属球を鋳型の原材料として用い、高温で加熱接合することによって鋳型形状に成型することで、従来の砂型等にない優れた機能を有することができる。特に、金属球を凝集し、緻密化することにより、鋳物表面の品質を安定させることができる。さらに、直径の異なる複数の金属球を混在させることにより、金属球の間の空隙に、小さな金属球が侵入し、緻密度を増すことができる。また、鋳造後は再び金属球に戻し、再利用することが可能であるとともに、使用によって摩滅化し、直径が変化した場合であっても上述の理由によって再利用が可能である。すなわち、資源を有効に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態である金属球鋳型１、及び金属球鋳型の製造方法２について、図１乃至図４に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の金属球鋳型１の一例を示す説明図であり、図２は金属球鋳型１の構成を示す（ａ）拡大斜視図、（ｂ）拡大模式図であり、図３は金属球鋳型の製造方法２の各工程の流れを示すフローチャートであり、図４は金属球鋳型１の（ａ）加熱温度に対する強度変化、（ｂ）加熱時間による強度変化をそれぞれ示すグラフである。なお、図１及び図２は、いずれも説明を簡略化するため、本実施形態の金属球鋳型１を模式化して示している。
【００２２】
本実施形態の金属球鋳型１は、図１及び図２に示すように、直径が０．８ｍｍの鋼製のスチールボールからなる複数の金属球４によって鋼製されている。すなわち、図２（ａ）及び図２（ｂ）に拡大して示すように、複数の金属球４が互いの球面部５同士を接触させた状態で、鋳型の形状に形成されている。なお、図１は、説明を簡略化するため、簡易な形状の金属球鋳型１の一例を示すものであり、鋳物製品（図示しない）を形成する鋳型空間（キャビティ）３の形状は、任意のものとすることができる。さらに、複雑な形状の鋳物製品を鋳造する場合には、鋳型空間３の中に嵌入可能な中子や幅木などの従来の鋳物製品の鋳造の際に使用する補助手段を用いることも勿論可能である。
【００２３】
ここで、金属球鋳型の製造方法２について、説明すると、まず、原材料となる複数の金属球４を、金属球鋳型１の製造するための黒鉛等の耐熱性素材からなる母型（図示しない）に充填する（充填工程Ｓ１）。このとき、互いの金属球４の球面部５同士が密に接触するように、可能な限り空隙６がないように充填することが好ましい。ここで、金属球４が真球状であり、かつ本実施形態で示したように同一直径（半径）のものから構成される場合、充填される金属球鋳型１は、立方最密充填構造（面心立方格子構造：ｆｃｃ）或いは六方最密充填構造（ｈｃｐ）のような構造にすることによって、理論的には空隙６を最小に抑えることができる。なお、実際の作業では、母型に金属球４を十分に充填し、例えば、母型に僅かな振動等を加えることによって、金属球４自体を移動させ、空隙６の大きさをできる限り小さくしている。
【００２４】
このとき本実施形態では、直径が０．８ｍｍの金属球４を用いている。すなわち、個々の金属球４が所定の重量を有し、空気中に微粉となって飛散することがない。そのため、従来の砂型のように、充填作業中に粉塵となることがなく、防塵対策等を施す必要性がない。加えて、従来の砂型製造の過程では、母型に充填後、空隙を十分に無くすため、砂型に力を加え、砂粒間の空隙を小さくする作業が行われていた。そのため、係る作業による騒音や振動等が発生することがあった。しかしながら、本実施形態の金属球鋳型１の場合、後述する加熱工程Ｓ２（詳細は後述する）によって、金属球４同士を接合するため、上述の騒音や振動等に対する弊害及びそれに対する対策を講じる必要がほとんどない。
【００２５】
そして、金属球４が密に充填された母型を電気炉（図示しない）の中に投入し、予め設定した加熱条件に基づいて加熱温度及び加熱時間を調整し、加熱する（加熱工程Ｓ２）。このとき、本実施形態の金属球鋳型１の加熱条件は、加熱温度＝９００度、加熱時間＝２０ｍｉｎに設定されている。さらに、電気炉内は、大気中の酸素の侵入が容易な大気雰囲気下で実施されている。なお、加熱温度及び加熱時間に係る加熱条件は、使用する金属球のサイズや金属球鋳型１の強度等に応じて適宜変更することが可能であり、また、加熱工程Ｓ２も大気雰囲気下に限られず、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で実施し、加熱工程Ｓ２中の金属球の酸化を防ぐものであっても構わない。これにより、加熱工程Ｓ２の間で高温に晒された金属球４は、球面部５の接点同士において拡散接合、或いはその一部が溶解し、隣接する金属球４と加熱接合した状態が創成される。
【００２６】
そして、所定の加熱時間を経過した後、電気炉による加熱を停止し、冷却する（冷却工程Ｓ３）。その後、母型から加熱接合された複数の金属球４によって構築された金属球鋳型１を取出す（型出工程Ｓ４）。これにより、金属球４からなる金属球鋳型１が製造される。
【００２７】
このとき、金属球鋳型１は、図１及び図２示されるように、複数の金属球４が凝集した状態で接合されているため、上記工程によって製造された金属球鋳型１の鋳型空間３に高温の溶湯（図示しない）を充填した場合であっても、溶湯が金属球鋳型１から漏出するようなおそれがない。さらに、直径が０．８ｍｍの小径の金属球４が使用されるため、鋳造される鋳物製品の表面形状を比較的平面化したものとすることが可能となり、金属球４の形状が鋳物製品に残存するようなことはほとんどない。その結果、鋳型空間３に充填された溶湯が冷却によって固化した後、金属球鋳型１から鋳物製品を取出すことによって鋳物製品が製造される。
【００２８】
前述したように加熱工程Ｓ２において、適用する加熱温度及び加熱時間は、使用する金属球４の質量、素材、直径等のサイズ、形状、さらには鋳物製品の鋳造後の分解容易性を勘案して適宜設定される。ここで、鋳物製品を鋳造し、金属球鋳型１から取出す際には、金属球鋳型１に負荷を与え、球面部５同士が接合した金属球４をバラバラに分解する。すなわち、従来の砂型を用いた鋳造と同様の作業を行う。これにより、金属球鋳型１が個々の金属球４に戻り、鋳物製品が取出される。
【００２９】
なお、加熱工程Ｓ２の加熱条件等を変更し、金属球鋳型１の強度の上げることによって、鋳物製品を取り出した後でも、金属球鋳型１の形状をそのままの状態に保持することも可能である。これにより、再び鋳型空間３に溶湯を充填し、従来の金型と同様に同一形状の鋳物製品を繰返し鋳造することが可能となる。なお、砂型のように崩壊させた後の金属球４は回収し、再び金属球鋳型１を製造する際の原料とすることができる。このとき、金属球４は、従来の砂型に使用される砂と比べ、サイズが大きいため、使用による摩滅によって微粉化することがない。そのため、リサイクル性に優れている。さらに、摩滅して直径が変化した場合であっても、金属球４の間の空隙に侵入し、より充填率を上げることができる。
【００３０】
次に、製造される金属球鋳型１の加熱時間に対する強度変化について、図４（ａ）のグラフに基づいて説明する。ここで、金属球鋳型１は、上述したように製造後及び鋳造時等において、安定してその形状を維持する必要がある。そこで、金属球４同士の接合強度を決定する一のパラメータである加熱温度を変化させ、その強度指数を測定した。ここで、試験に使用する金属球４の直径は、０．８ｍｍものであり、加熱時間は各温度で２０分にした。また、金属球４を利用して形成される金属球鋳型１の代用として、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの鋼球試験片を金属球鋳型１と同様の製造方法で作成した。その結果を図４（ａ）に示す。
【００３１】
これにより、加熱温度の上昇に伴って強度指数も増す傾向が確認された。すなわち、安定した形状を維持するための強度を獲得するためには、高温の加熱温度で金属球４を加熱し、接合する必要があることが示された。しかしながら、強度指数が高くなると、金属球鋳型１の分解容易性が損なわれることが予測される。すなわち、前述した砂型と同様の作業で鋳物製品を鋳造する場合は、鋳造後の金属球鋳型１を、速やかに元の金属球４に分解する必要ある。そのため、過度に高温の加熱温度で加熱接合することによって分解容易性が悪くなり、鋳造時のハンドリングが悪化する。また、加熱接合が強固になると、真球状の金属球４が変形することがある。そのため、再利用しようとする場合であっても歪んだ形状の金属球４によって金属球４の間の空隙が大きくなり、良好な表面の鋳物製品を鋳造できなくなるおそれもある。そのため、使用する金属球の直径等を考慮し、７００℃以上、１１００℃以下の温度範囲で加熱することが好適である。なお、図４（ａ）には図示しないが、加熱温度が７００℃よりも低い場合、金属球４同士の加熱接合が十分に行われず、鋳造時に耐えうるだけの強度を獲得することができない。そのため、分解容易性が高くなり、実用性に乏しいものとなる。
【００３２】
一方、上記に示したものと同様の鋼球試験片を利用し、加熱温度を８００℃に固定し、加熱時間に対する強度の変化を測定したものを図４（ｂ）のグラフに示す。これにより、加熱時間を１０分から６０分に徐々に変化させた場合、加熱温度の場合と同様に、加熱時間の増加とともに、強度指数が増加することが示された。なお、加熱時間も前述の加熱温度と同様に鋳造時等の強度及び分解容易性を勘案し、適宜最適な条件を設定する必要がある。
【００３３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００３４】
すなわち、本実施形態において、金属球鋳型１に使用する金属球４として、直径が０．８ｍｍのもの利用したが、これに限定されるものではなく、例えば、０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下の範囲で任意に使用することが可能である。ここで、０．３ｍｍよりも金属球の直径が小さいと、金属球同士の接触面積が大となり、強度が大となるおそれがある。そのため、鋳造後の分解容易性が損なわれる可能性がある。また、微細径の金属球を利用することにより、母型に充填して金属球鋳型を製造することが困難となり、実用性に乏しくなる。一方、０．８ｍｍよりも大きな金属球を使用する場合は、金属球同士の接触面積が小となり、空隙が大きくなりやすい。そのため、表面の凹凸が激しい、金属球鋳型が製造されることとなり、良好な表面平滑性を有する鋳物製品を鋳造することが困難となる。
【００３５】
さらに、本実施形態において、一種類の直径の金属球４のみを用いて金属球鋳型１を製造するものを示したが、これに限定されるものではなく少なくとも二種以上の異なる直径を有する金属球１１ａ，１１ｂ、及び／または金属球１１ａ，１１ｂと略同一の体積を有する金属片１２ａ，１２ｂを混合し、金属球鋳型１０を製造するものであっても構わない（図５参照）。これにより、金属球１１ａ，１１ｂ同士との接触面積が増大し、空隙１３の少ない金属球鋳型１を製造することができる。これにより、鋳型空間の鋳型表面がさらに平滑化し、鋳造される鋳物製品の表面平滑性を優れたものとすることができる。さらに、略同一体積の金属片１２ａ，１２ｂを用いることにより、既存の金属ワイヤ等の廃材を有効な資源として活用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】金属球鋳型の概略構成を示す説明図である。
【図２】金属球鋳型の構成を示す（ａ）拡大斜視図、（ｂ）拡大模式図である。
【図３】金属球鋳型の製造方法の各工程の流れを示すフローチャートである。
【図４】金属球鋳型の（ａ）加熱温度による強度変化、及び（ｂ）加熱時間による強度変化をそれぞれ示すグラフである。
【図５】金属球鋳型の別例を示す拡大説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１０  金属球鋳型
２  金属球鋳型の製造方法
３  鋳型空間
４，１１ａ，１１ｂ  金属球
５  球面部
６，１３  空隙
１２ａ，１２ｂ  金属片
Ｓ１  充填工程
Ｓ２  加熱工程
Ｓ３  冷却工程
Ｓ４  型出工程
【図１】
2006263733.tif 000003
【図２】
2006263733.tif 000004
【図３】
2006263733.tif 000005
【図４】
2006263733.tif 000006
【図５】
2006263733.tif 000007