(57)【要約】【課題】  冷やし金を用いた鋳物の製造方法において、鋳造物の大きさや形状によらず冷やし金の冷却効果を確実にすることである。【解決手段】  鋳型内に溶湯と直接接するかもしくは近接して常温での熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以上である冷やし金を埋設し、かつ、該冷やし金の両端に常温での熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍である熱伝導材ブロックを溶湯とは接しないように連結させた。【選択図】  図１
2006205228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内に溶湯と直接接するかもしくは近接して常温での熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以上である冷やし金を設置し、かつ、該冷やし金の両端に常温での熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍である熱伝導材ブロックを溶湯とは接しないように連結させることを特徴とする鋳物の製造方法。
【請求項２】
前記冷やし金が黒鉛もしくは黒鉛系混合物よりなり、前記熱伝導材ブロックが黒鉛もしくは黒鉛系混合物、鉄系金属、銅系金属、アルミ系金属のいずれかで作られたことを特徴とする、請求項１に記載の鋳物の製造方法。
【請求項３】
前記冷やし金の周囲を耐熱性の塗付物でコーティングしたことを特徴とする、請求項１または２に記載の鋳物の製造方法。
【請求項４】
前記熱伝導材ブロックが鉄系金属、黒鉛系混合物のいずれかで作られたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳物の製造方法。
【請求項５】
前記冷やし金が黒鉛もしくは黒鉛系混合物から作られ、前記熱伝導材ブロックが鉄系金属で作られたことを特徴とする、請求項１記載の鋳物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型内に設置した冷やし金の冷却効果により、引け巣の防止、組織の緻密化を図る鋳物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷やし金は押し湯と同様に、鋳物の引巣防止する手段の一つとして用いられることが多い。押し湯が凝固に伴って不足する溶湯を補給して引け巣の発生を防止するのに対して、冷やし金は鋳物の高温部分から熱を奪うことにより冷却速度の均一化を計り、引け巣の発生を防止する。また、冷やし金は鋳造品の組織の微細化などにも用いられる。一般に冷やし金の素材には鋳鉄、鋳鋼、銅、黒鉛など熱伝導性が良い物が用いられ、引け巣が発生し易い鋳物の肉厚部に接した状態や離した状態で設置される。例えば、肉厚部に対して冷やし金を中子として用いる方法（特許文献１）や、鋳物体積の３０％以上の直接冷やし金を配置した砂型に鋳込む方法（特許文献２）などがある。
【特許文献１】特開平１０−２６３７９４
【特許文献２】特開２００２−２９２４５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら鋳造しようとする鋳物によっては、形状などの制限により必要とする大きさの冷やし金を設置できない場合がある。例えば、周囲を鋳物で囲まれた中子のような場所では、埋設できる冷やし金は必然的に大きさの制限を受ける。このような場合には、その体積に見合った以上の熱量を冷やし金が受けるために温度が上昇し、冷やし金としての冷却能が低下してしまうことがある。その結果、溶湯から熱を奪う冷やし金の効果が薄れ、鋳物に引け巣等が発生することがある。また、冷やし金に鋳鉄や鋳鋼、銅などを用いると、溶湯からの熱によって冷やし金が溶けてしまうことさえある。
【０００４】
そこで従来は、冷やし金を鋳型外と通じさせることによって空冷したり、水の気化熱などを利用した水冷却などによって冷やし金の温度上昇を防ぐことにより冷却能を保つようにしたものもあるが（特開２００１−１７９３９２）、何れも効果が不十分だったり、冷やし金の設置や取り扱いが不便だったりした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では上記課題を解決するために、鋳物に対して常温での熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以上の熱伝導性の良い物質からなる冷やし金を連結し、この冷やし金が暖まらないように凝固までの間、連続的に冷却することを目的として、常温での熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍である熱伝導材ブロックを溶湯とは接しないように冷やし金の両端に連結する。すなわち、冷やし金の両端を鋳物砂中に延長し、この端を冷やし金冷却用の熱伝導ブロックと連結させることにより、冷やし金が吸熱した熱量を熱伝導材ブロックへと移動させて冷やし金自体の温度が上昇するのを防ぐようにする。なお、熱伝導率は温度によって変化するため、常温での熱伝導率を基準とした。
【０００６】
冷やし金の両端に熱伝導材ブロックを連結する理由は、冷やし金の冷却能力を高める目的もあるが、片側のみに熱伝導材ブロックを連結すると引け巣が発生する最終凝固部がブロックの反対側へ移動するのみで、引け巣をなくすことができないことを発見したからである。
【０００７】
また、熱伝導材ブロックの熱伝導性が良すぎると、ブロック自体が暖まりすぎて、冷やし金を冷却する効果がなくなってしまうことを発見した。言い換えるならば、ブロックと冷やし金に温度勾配がなくなると、冷やし金の冷却効果が急激に低下し、冷やし金の効果がなくなってしまうことを発見した。このために、常温での熱伝導材ブロックの熱伝導性は冷やし金の０．３〜２倍でなくてはならないことを発見した。
【０００８】
鋳物に連結する冷やし金は、直接溶湯と接するようにした方が熱伝導性が良くなるが、金属系の冷やし金では溶湯と反応して冷やし金が除去できなくなるという問題がある。この問題を解決するために、冷やし金の材質を黒鉛もしくは黒鉛系混合物とした。このことにより、冷やし金と溶湯が直接連結できるようになり、熱拡散が容易となった。ただし、黒鉛系の冷やし金を使用しなくても、金属系冷やし金の周りに塗型などの耐火物を塗布してもよい。
【０００９】
冷やし金の両端に連結させる熱伝導材ブロックの材質については、黒鉛、黒鉛系混合物、鉄系金属、銅系金属、アルミ系金属のいずれかであれば問題はない。しかしながら、熱伝導材ブロックを例えば純銅などで製作すると、熱伝導性が良すぎるためにブロックが早く暖まりすぎて、冷やし金とブロックの温度差がなくなり、結果として冷やし金の冷却効果がなくなることを発見した。種々の実験を行った結果、常温でのブロックの熱伝導率は、冷やし金の０．３〜２倍でなくてはならないことを発見した。
【００１０】
溶湯との反応性や作業性および熱伝導材ブロックの冷却効果などを調べた結果、効果の高い冷やし金と熱伝導材ブロックの組み合わせは、冷やし金に黒鉛を用い、熱伝導材ブロックに鉄系金属を用いることであることを見出した。
【発明の効果】
【００１１】
鋳物の近傍に設置した冷やし金は、注湯時に溶湯の熱を受けて冷やし金自体の温度が上昇するため、時間経過とともに鋳物との温度差が小さくなり、冷却効果が低下してくる。特に鋳物の形状的な制約により、小さな冷やし金しか連結できないような場合、冷やし金の冷却能が足りずに、引け巣の発生を招くことがある。そこで、このような場合、冷やし金の両端に同じ鋳型内に設置してはあるが溶湯とは直接接しない熱伝導材ブロックを連結させ、冷やし金が溶湯から受けた熱量をこのブロックに移動させる。熱伝導材ブロックが溶湯と直接接すると、この溶湯の熱によりブロック自体が暖まり、冷やし金を冷却する効果がなくなってしまう。冷やし金を冷却するためのブロックを冷やし金に連結することにより、冷やし金の冷却能が持続するとともに温度上昇が妨げられて、組織の緻密化や引け巣の発生を防止することができる。
【００１２】
鋳物を冷却するための冷やし金と、これに連結させる熱伝導材ブロックについては、いずれも常温での熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以上の物質を用いる。冷やし金とこれに連結させる熱伝導材ブロックの熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以下の物質であった場合、溶湯と冷やし金、冷やし金と熱伝導材ブロック間における熱量の移動が遅くなり過ぎる。その結果、冷やし金が暖まり、鋳物組織の緻密化や引け巣の発生を防止するために必要な冷却効果が得られなくなる。
【００１３】
冷やし金と連結させる熱伝導材ブロックには、常温での熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍である材質を用いる。熱伝導材ブロックの熱伝導率が高すぎると、冷やし金からの熱伝達が速いためにブロックの温度は直ぐに上昇してしまい、冷やし金とブロックの温度差がなくなり、ブロックが冷やし金を冷却する効果が弱まってしまう。これに対して、常温での熱伝導材ブロックの熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍の材料の場合は、ブロックと冷やし金の温度差が十分大きくなるために、冷やし金の冷却効果を凝固終了までの間長時間に渡って持続させることができる。これにより冷やし金の冷却効果が常に維持され、鋳造品に引け巣が発生するのを防ぐことができる。
【００１４】
冷やし金に対する熱伝導材ブロックは、必ず冷やし金の両端にこのブロックを連結させることが重要である。冷やし金の片端だけに熱伝導材ブロックを連結させた場合は、冷やし金からブロックに向かう熱量の流れが一方向のみとなり、冷やし金全体の熱量をスムーズに熱伝道材ブロックに移動させることができない。これに対して冷やし金の両端に熱伝導材ブロックを連結させた場合は、冷やし金からこのブロックに向かう熱量の流れは二方向に分散されるため、冷やし金とその両端で連結する熱伝導材ブロックとの間の熱量移動はスムーズに進み、冷やし金の冷却効果も維持される。
【００１５】
上述したように、熱伝導材ブロックを冷やし金の両端に連結すると、冷やし金から熱伝導材ブロックに向かう熱量の流れは二方向に分散されるため冷却効率が増す効果がある。本発明の特徴はこの冷却効率効果だけでなく、１カ所に集中した最終凝固部を２つに分割することにより、引け巣を防止する効果が含まれることにある。熱伝導材ブロックを冷やし金の片側のみに連結した場合、最終凝固部は一端のブロックと反対側の方向に移動するだけで、最終凝固部を２つに分割することができない。冷やし金の両端にブロックを連結することにより、最終凝固部を２つに分割することができる。その結果、引け巣の発生を防止することができるようになる。
【００１６】
本発明の冷やし金を用いた鋳造方法によれば、溶湯より冷やし金が受けた熱量を熱伝導材ブロックに逃がすことにより、冷やし金自体の温度上昇を防ぎ、鋳物に対する冷却効果を連続的に継続させることができるため、引け巣のない良好な鋳物を形成することができる。
【００１７】
冷やし金は熱伝導材ブロックにより連続的に冷却される条件になっているため、冷やし金自体は小さくても十分に冷却効果を発揮することができる。このため、従来は鋳造品の形状要因より製品に対して大きな冷やし金が設置できず、十分な冷却ができなかった鋳造品に対しても、小さな冷やし金により効率良く冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１９】
図１に本発明による鋳造方法の一実施形態を示す。
【００２０】
図１に示すように、鋳型１は、鋳枠２の内部に鋳物砂３が充填され、鋳造品形状である空間（キャビティー）４が鋳物砂３内に形成されている。キャビティー４には湯口５からの湯道６が連通し、またキャビティー４の中央には鋳造品の形状により、肉厚部を上下に貫通する穴４ａが開いている。この穴４ａには内壁面に連結して熱伝導率０．０６ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃以上の冷やし金７が埋設してあり、その両端には熱伝導材ブロック８、９がそれぞれ冷やし金７と連結し、かつキャビティー４とは連結しないように埋設してある。熱伝導材ブロック８、９は、常温での熱伝導率が冷やし金７の０．３〜２倍の材料からなる。なお、キャビティー４は、消失性模型でもよい。
【００２１】
溶湯を湯口５から注湯すると、湯道６を通ってキャビティー４の内部に充填される。このとき、冷やし金７が設置してある穴４ａの内壁面では、冷やし金７により溶湯が他の箇所よりも早く冷却される。しかし、冷やし金７が設置してある穴４ａの部分が肉厚であるため、冷やし金７のみでは冷却効果が足りずに引け巣が発生してしまう。本発明では冷やし金７の両端に熱伝導材ブロック８、９が連結してあるため、冷やし金７の熱はこのブロック８、９に移動し、注湯により上昇した冷やし金７の温度が低下する。従って、冷やし金７が溶湯の熱を吸熱する作用が持続し、冷やし金７の高い冷却効果により引け巣の発生を防止することができる。
【００２２】
次に、本発明に至るまでの鋳造実験として、冷やし金と熱伝導材ブロックの連結の仕方を変更して行った鋳造実験の一例を示す。
【００２３】
実験では図２に示すように、一辺が３００ｍｍの立方体で直径５０ｍｍの穴４ａが上下面の中心を縦に貫通しているキャビティー４を鋳型内に形成し、温度計１０を穴４ａの部分の鋳造品の表面温度が計測できるように設置した。冷やし金７は直径５０ｍｍの黒鉛棒とし、この穴４ａの上下面より５０ｍｍずつはみ出すように通した。熱伝導材ブロック８，９は何れも重量約３０ｋｇの鋳鉄とし、キャビティー４の上下面よりはみ出した冷やし金７の片側７ａもしくは両側７ａ、７ｂに連結するように設置した。実験ではこの鋳型に合金系ダクタイルの溶湯を鋳込み、鋳込み後の鋳造品の温度推移を比較するとともに、内部に発生する引け巣の有無を調査した。また、各実験についての凝固解析を合わせて行い、実験結果との整合性を図った。
【００２４】
冷やし金と熱伝導材ブロックとの組み合わせについては、
Ａ：冷やし金を設置しない場合（図２において７、８、９がない場合）
Ｂ：冷やし金のみを設置した場合（図２において８、９がない場合）
Ｃ：冷やし金の片端のみにブロックを連結した場合（図２において９がない場合）
Ｄ：冷やし金の両端にブロックを連結した場合（図２に示したもの）
このとき、Ｃで連結した１個のブロックの体積はＤで連結したブロック２個分と同
じ体積とした。
【００２５】
鋳造品の温度測定結果を図３に示す。
【００２６】
図３から、冷やし金を用いない場合Ａや冷やし金のみを設置した場合Ｂと比較して、冷やし金に熱伝導材ブロックを組み合わせた場合Ｃ、Ｄはいずれも鋳造品の冷却が速くなっていることが分かる。また、冷やし金と熱伝導材ブロックの組み合わせでは、冷やし金の片端だけにブロックを連結した場合よりも、両端に連結した場合の方が冷却速度が大幅に速くなっている。
【００２７】
鋳造品内部の引け巣の状況を表１に、凝固解析の結果を図４に示す。
【００２８】
【表１】
2006205228.tif 000003
表１から分かるように、鋳造品内部に引け巣の発生が認められなかったのは、冷やし金の両端にブロックを連結した場合Ｄだけであり、それ以外の場合には引け巣の発生が認められた。これは凝固解析の結果と概ね一致する結果となった。
【００２９】
図４の凝固解析の結果を見ると、冷やし金を連結しない場合（ａ）や冷やし金２２のみを連結した場合（ｂ）には、鋳造品の中心である穴の表面付近に引け巣が発生する最終凝固部２１が存在する。冷やし金２２の片端のみに熱伝導材ブロック２３を連結した場合（ｃ）には、最終凝固部２１は高さ方向でブロックを連結していない側へ移動するものの、横方向への変化はわずかであり、穴の表面付近からはほとんど移動していない。これに対して冷やし金２２の両端に熱伝導材ブロック２３を連結した場合（ｄ）には、最終凝固部２１は高さ方向には変化がないものの、横方向に対して変化が大きく、穴の表面付近より外側に向かって大きく移動している。また移動した最終凝固部２１の大きさも他の場合（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と比べると小さくなっており、引け巣の発生する可能性は極めて小さくなっていることが分かる。この結果から、冷やし金２２に熱伝導材ブロック２３を連結して冷却する場合には、冷やし金２２の両端にブロック２３を連結するのが効果的であることが分かる。
【００３０】
次に、冷やし金の両端に連結させる熱伝導材ブロックの材質を変更して行った鋳造実験の一例を示す。
【００３１】
実験は、図２に示すように、一辺が３００ｍｍの立方体で直径５０ｍｍの穴４ａが上下面の中心を貫通しているキャビティー４を鋳型内に形成し、温度計１０を穴４ａの部分の鋳造品の表面温度が計測できるように設置した。冷やし金７は直径５０ｍｍの黒鉛棒とし、この穴４ａに上下面より５０ｍｍずつはみ出すように通して、その両端に熱伝導材ブロック８、９を連結した。実験ではこの鋳型に合金系ダクタイルの溶湯を鋳込み、鋳込み後の鋳造品の温度推移を比較するとともに、内部に発生する引け巣の有無を調査した。また、各実験についての凝固解析を合わせて行い、実験結果との整合性を図った。
【００３２】
冷やし金の両端に連結する熱伝導材ブロックは次の３種類とした。
Ａ：黒鉛製ブロック（常温の熱伝導率０．３１  ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃、重量
約８ｋｇ／個）
Ｂ：鋳鉄製ブロック（常温の熱伝導率０．１８  ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃、重量
約３０ｋｇ／個）
Ｃ：銅製ブロック（常温の熱伝導率０．９５  ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃、重量約
４０ｋｇ／個）
このとき各材質のブロックとも同じ体積とした。
【００３３】
鋳造品の温度測定結果を図５に、引け巣の発生状況を表２に示す。
【００３４】
【表２】
2006205228.tif 000004
図５から、鋳鉄製ブロックの場合Ｂが最も温度低下が速く、次いで黒鉛製ブロックＢ、銅製ブロックＣの順になっていることが分かる。また、表２に示したように、冷やし金の両端に銅製ブロックを連結した場合Ｃには引け巣の発生が認められたが、黒鉛製ブロックと鋳鉄製ブロックの場合Ｂ、Ａには引け巣の発生は認められなかった。
【００３５】
実験に使用した各熱伝導材ブロックの熱伝導率を表３に示す。
【００３６】
【表３】
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各材質の熱伝導率を比べると、銅が０．９５ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃と最も高く、次いで黒鉛が０．３１ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃、鋳鉄が０．１８ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・℃となっている。
【００３７】
図５と表３から、冷やし金に熱伝導率の高いブロックを組み合わせた場合ほど鋳造品の冷却が遅くなっていることが分かる。これは冷やし金よりも熱伝導率が高いブロックを用いると、冷やし金からの熱移動が速いためにブロック自体が速く暖まってしまうため、短時間しか冷やし金を冷却する能力を維持できないことに原因がある。
【００３８】
凝固解析の結果を図６に示す。
【００３９】
図６から、引け巣が発生する最終凝固部の位置を比較すると、最終凝固部２１が鋳造品の中心より最も離れているのが鋳鉄製ブロック２３を用いた場合（ｂ）であり、次いで黒鉛製ブロック２４を用いた場合（ａ）、銅製ブロック２５を用いた場合（ｃ）の順である。特に銅製ブロック２５を用いた場合（ｃ）に至っては、最終凝固部２１は鋳造品の中心より殆ど移動していないことが分かる。この結果は鋳造実験の結果とよく一致している。
【００４０】
図５および図６から、冷やし金の両端に連結するブロック材は、冷やし金よりも熱伝導率が低い材料を用いる方が冷やし金との温度差が十分大きくなり、冷やし金の冷却効果を凝固終了までの間長時間に渡って持続させることができる。これにより冷やし金の冷却効果が常に維持され、鋳造品に引け巣が発生するのを防ぐことができることが分かる。ただし、冷やし金に連結する熱伝導材ブロックについては、必ずしも冷やし金より熱伝導率が低い必要はなく、常温での熱伝導率が冷やし金の０．３〜２倍の材料であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による鋳物の製造方法の一実施の形態を実施するための鋳型の断面図である。
【図２】本発明に至るまでの鋳造実験ための鋳型の断面図である。
【図３】熱伝導材ブロックの冷却効果を示す実験結果を示すグラフである。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本発明における冷却方法を用いた実験結果を比較する鋳物の断面図である。
【図５】冷やし金と組み合わせる熱伝導材ブロックの材質を変えて行った実験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明における冷却方法において熱伝導材ブロックの材質を変えて行った実験結果を比較する鋳物の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  鋳型                      
２  鋳枠                      
３  鋳物砂                    
４  鋳造品形状                
５  湯口                    
６  湯道
７  冷やし金
８、９  熱伝導材ブロック
１０  温度計
２１  最終凝固部
２２  冷やし金（黒鉛）
２３  鋳鉄製ブロック
２４  黒鉛製ブロック
２５  銅製ブロック
【図１】
2006205228.tif 000006
【図２】
2006205228.tif 000007
【図３】
2006205228.tif 000008
【図４】
2006205228.tif 000009
【図５】
2006205228.tif 000010
【図６】
2006205228.tif 000011