(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞部を有する発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法において、
前記鋳型の外部と前記空洞部とを連通させる開口部を前記発泡模型に設けて、前記開口部に前記塗型剤を塗布するとともに、
前記開口部に塗布した前記塗型剤を、断面２次モーメントがＩ（ｍｍ4）、鉛直方向の板厚がｈ（ｍｍ）、長さがＬ（ｍｍ）の梁とみなしたときに、前記空洞部の体積をＶ（ｍｍ3）、前記空洞部に充填する前記鋳砂の密度をρs（ｋｇ／ｍｍ3）、前記溶湯の密度をρm（ｋｇ／ｍｍ3）、重力加速度をｇ（ｍｍ／ｓｅｃ2）、鉛直方向に対する前記開口部の角度をθ、注湯時に最も温度が高くなったときの前記塗型剤の抗折強度をσｂ（ＭＰａ）とすると、以下の式を満たすように、前記開口部の断面形状、前記開口部の角度、および、前記塗型剤の抗折強度を選定することを特徴とする消失模型鋳造方法。
σｂＩ＞Ｖ（ρm−ρs）ｇ｛（ｈＬ／２）ｓｉｎθ−ｃｏｓθ｝
【請求項２】
鉛直方向に対する前記開口部の角度θを９０°とすることを特徴とする請求項１に記載の消失模型鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な砂型鋳造による方法に対して、寸法精度の優れた鋳物を鋳造する方法がいくつか提案されている。例えば、インベストメント鋳造法（別名、ロストワックス法）、石膏鋳型鋳造法、消失模型鋳造法などが開発されている。
【０００３】
消失模型鋳造法は、発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する方法である。
【０００４】
特許文献１には、鋳造時の鋳込み時間を、模型のモジュラス（模型の体積÷模型の表面積）に応じて設定する消失模型鋳造法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１０５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般的なキャビティ鋳造法で、内部空間を有する鋳物を作る場合、側面断面図である図３に示すように、上型２１と下型２２との間に形成される空洞２３内に、鋳物の内部空間に相当する形状の中子２４と呼ばれる砂型を配置する。しかし、側面断面図である図４に示すように、鋳造中、中子２４は溶湯に取り囲まれ、鉛直方向に浮力を受ける。そのため、中子２４を支持する支持部分が無いと中子２４は浮上してしまう。中子２４が浮上すると、内部空間の位置がずれた鋳物が出来上がることになる。
【０００７】
そこで、側面断面図である図５に示すように、水平方向に突出した巾木（はばき）と呼ばれる余剰部２５を中子２４に設けて、余剰部２５を介して上型２１と下型２２とで中子２４を支持することで、中子２４の浮上を防止している。
【０００８】
一方、消失模型鋳造法の場合、発泡模型の内部に鋳砂を充填して内部空間の形状を作るが、製品外の部分に巾木を設けて発泡模型の内部に充填した鋳砂を支持するようなことができない。そのため、鋳造中、発泡模型の内部に充填した鋳砂が溶湯に取り囲まれて、鉛直方向に浮力を受けて浮上する「浮かされ」が生じる。
【０００９】
そこで、側面断面図である図６に示すように、鋳砂１５に取り囲まれた発泡模型１２の外部と発泡模型の内部とを連通させる広い開口部分１７を発泡模型１２の上部に設けて、発泡模型１２の内部に充填した鋳砂１６に浮力以上の積荷重を与えることで、発泡模型１２の内部に充填した鋳砂１６の浮上を防止している。しかし、鋳造する鋳物の形状に制約がある場合には、発泡模型１２に広い開口部分１７を設けることができず、消失模型鋳造法を採用することができない。
【００１０】
本発明の目的は、発泡模型の内部に充填した鋳砂が浮上するのを抑制して、仕上がり状態が良好な鋳物を鋳造することが可能な消失模型鋳造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、内部に空洞部を有する発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂の中に埋めた後に、前記鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、前記発泡模型を消失させて前記溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する消失模型鋳造方法において、前記鋳型の外部と前記空洞部とを連通させる開口部を前記発泡模型に設けて、前記開口部に前記塗型剤を塗布するとともに、前記開口部に塗布した前記塗型剤を、断面２次モーメントがＩ（ｍｍ4）、鉛直方向の板厚がｈ（ｍｍ）、長さがＬ（ｍｍ）の梁とみなしたときに、前記空洞部の体積をＶ（ｍｍ3）、前記空洞部に充填する前記鋳砂の密度をρs（ｋｇ／ｍｍ3）、前記溶湯の密度をρm（ｋｇ／ｍｍ3）、重力加速度をｇ（ｍｍ／ｓｅｃ2）、鉛直方向に対する前記開口部の角度をθ、注湯時に最も温度が高くなったときの前記塗型剤の抗折強度をσｂ（ＭＰａ）とすると、以下の式を満たすように、前記開口部の断面形状、前記開口部の角度、および、前記塗型剤の抗折強度を選定することを特徴とする。
σｂＩ＞Ｖ（ρm−ρs）ｇ｛（ｈＬ／２）ｓｉｎθ−ｃｏｓθ｝
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、鋳型の外部と空洞部とを連通させる開口部を発泡模型に設けて、開口部に塗型剤を塗布する。鋳造に際し、空洞部は、開口部に塗布した塗型剤によって支持される。空洞部を支持する開口部の塗型剤を、断面２次モーメントＩ、鉛直方向の板厚ｈ、長さＬの梁と仮定すると、梁理論から上記の式が導かれる。そこで、開口部の断面形状、開口部の角度、および、塗型剤の抗折強度を、上記の式を満たすように選定することで、開口部の塗型剤が損傷しないようにすることができる。これにより、発泡模型の内部に充填した鋳砂が浮上するのを抑制することができるので、仕上がり状態が良好な鋳物を鋳造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】鋳型の側面断面図である。
【図２】図１をＡ方向から見た側面図である。
【図３】キャビティ鋳造法における側面断面図である。
【図４】キャビティ鋳造法における側面断面図である。
【図５】キャビティ鋳造法における側面断面図である。
【図６】消失模型鋳造法における側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（消失模型鋳造方法）
本発明の実施形態による消失模型鋳造方法は、内部に空洞部を有する発泡模型の表面に塗型剤を塗布してなる鋳型を鋳砂（乾燥砂）の中に埋めた後に、鋳型内に金属の溶湯を注ぎ込み、発泡模型を消失させて溶湯と置換することで、鋳物を鋳造する方法である。なお、発泡模型の空洞部は、鋳造によって製品内に形成される空洞部分である。
【００１６】
消失模型鋳造方法は、金属（鋳鉄）を溶解して溶湯とする溶解工程と、発泡模型を成形する成形工程と、発泡模型の表面に塗型剤を塗布して鋳型とする塗布工程と、を有している。さらに、消失模型鋳造方法は、鋳型を鋳砂の中に埋めて鋳型の隅々にまで鋳砂を充填する造型工程と、鋳型内に溶湯（溶融金属）を注ぎ込むことで、発泡模型を溶かして溶湯と置換する鋳込工程と、鋳型内に注ぎ込んだ溶湯を冷却して鋳物にする冷却工程と、鋳物と鋳砂とを分離する分離工程と、を有している。
【００１７】
溶湯にする金属としては、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣ２５０）や片状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣ３００）などを用いることができる。また、発泡模型としては、発泡スチロールなどの発泡樹脂を用いることができる。また、塗型剤としては、シリカ系骨材の塗型剤などを用いることができる。また、鋳砂としては、ＳｉＯ2を主成分とする「けい砂」や、ジルコン砂、クロマイト砂、合成セラミック砂などを用いることができる。なお、鋳砂に粘結剤や硬化剤を添加してもよい。
【００１８】
なお、塗型剤の厚みは３ｍｍ以下が好ましい。塗型剤の厚みが３ｍｍ以上になると、塗型剤の塗布と乾燥とを３回以上繰り返す必要があり手間がかかる上に、厚みが不均一になりやすいからである。
【００１９】
ここで、本実施形態では、鋳型の外部と空洞部とを連通させる開口部を発泡模型に設けて、開口部に塗型剤を塗布するとともに、以下の式（１）を満たすように、開口部の断面形状、開口部の角度、および、塗型剤の抗折強度を選定している。
σｂＩ＞Ｖ（ρm−ρs）ｇ｛（ｈＬ／２）ｓｉｎθ−ｃｏｓθ｝  ・・・式（１）
ここで、σｂは注湯時に最も温度が高くなったときの塗型剤の抗折強度（曲げ強さ）（ＭＰａ）、Ｖは空洞部の体積、ρsは空洞部に充填する砂の密度、ρmは溶湯の密度、ｇは重量加速度、θは鉛直方向に対する開口部の角度である。また、開口部に塗布した塗型剤を梁とみなしたときに、Ｉは断面２次モーメント、ｈは鉛直方向の板厚（ｍｍ）、Ｌは梁の長さ（ｍｍ）である。
【００２０】
（塗型剤の強度）
ここで、鋳型の側面断面図である図１、および、図１をＡ方向から見た側面図である図２に示すように、空洞部３を内部に有する直方体の発泡模型２に、発泡模型２の外部と空洞部３とを連通させる開口部４が水平方向（θ＝９０°）に設けられた鋳型１を用いて、内部に空洞部３を備えた鋳物を鋳造する場合について考える。ここで、発泡模型２は、幅がａ（ｍｍ）、奥行きがｂ（ｍｍ）、高さがｃ（ｍｍ）である。また、空洞部３は、幅がｄ（ｍｍ）、奥行きがｅ（ｍｍ）、高さがｆ（ｍｍ）である。また、開口部４は、直径がＤ（ｍｍ）で長さがｌ（ｍｍ）である。また、鋳型１のまわりは鋳砂５で覆われている。なお、発泡模型２の形状は直方体に限定されない。
【００２１】
まず、アルキメデスの原理から、空洞部３に作用する浮力Ｆは以下の式（２）で求められる。
Ｆ＝Ｖ（ρm−ρs）ｇ  ・・・式（２）
【００２２】
鋳造に際し、空洞部３は、開口部４に塗布した塗型剤によって支持される。空洞部３を支持する開口部４の塗型剤を、断面２次モーメントＩ、鉛直方向の板厚ｈ、長さＬの梁と仮定する。梁理論から、端部に浮力Ｆが作用する片持ち梁の最大応力σmaxを求めると、次の式（３）のように概算される。なお、開口部４内の砂が荷重を負担しないことを前提にしている。
σmax＝Ｍ／Ｉ×ｈ／２＝ｈＦＬ／２Ｉ＝ｈＶ（ρm−ρs）ｇＬ／２Ｉ ・・・式（３）
【００２３】
注湯時に最も温度が高くなったときの塗型剤の抗折強度（熱間強度）をσｂとすると、以下の式（４）が成り立つときに、開口部４の塗型剤が損傷しない、つまり、空洞部３に充填した砂が浮上する「浮かされ」が生じないようにすることができる。
σｂ＞σmax  ・・・式（４）
【００２４】
式（３）を式（４）に代入すると、式（５）となる。
σｂＩ＞ｈＶ（ρm−ρs）ｇＬ／２  ・・・式（５）
【００２５】
例えば、開口部４を円柱状とすると、塗型剤は円管状の層となる。開口部４の円柱の直径をＤ、塗型剤の厚みをｔとすると、断面２次モーメントＩは以下の式（６）で表せる。また、鉛直方向の板厚ｈは以下の式（７）で表せる。
Ｉ＝π｛Ｄ4−（Ｄ−２ｔ）4｝／６４  ・・・式（６）
ｈ＝Ｄ  ・・・式（７）
【００２６】
そこで、式（６）および式（７）から得られる値をそれぞれ式（５）に代入したときに、式（５）が成立する熱間強度σｂを持つ塗型剤を選択すればよい。
【００２７】
（開口部の断面形状）
また、式（５）を変形すると、式（８）となる。
Ｉ＞ｈＶ（ρm−ρs）ｇＬ／２σｂ  ・・・式（８）
【００２８】
そこで、断面２次モーメントＩが式（８）を満たすように開口部４の断面形状を設計することで、「浮かされ」が生じないようにすることができる。
【００２９】
（開口部の角度）
ここで、上記した開口部４は、水平方向（θ＝９０°）に設けられている。開口部４を水平方向（θ＝９０°）に設けると、開口部４の塗型剤に作用する応力が最大となる。しかし、開口部４の角度を変えると、開口部４の塗型剤に作用する応力σmaxを低減させることができる。鉛直方向に対する開口部４の角度をθ（０°≦θ≦１８０°）とし、開口部４の塗型剤を梁と仮定すると、浮力の軸方向成分Ｆａは、以下の式（９）となり、その直角方向成分Ｆｖは、以下の式（１０）となる。
Ｆａ＝Ｆｃｏｓθ  ・・・式（９）
Ｆｖ＝Ｆｓｉｎθ  ・・・式（１０）
【００３０】
開口部４の塗型剤の断面積をＡとして、梁理論から、端部に浮力Ｆが作用する片持ち梁の最大応力σmaxを求めると、次の式（１１）のように概算される。
σmax＝Ｍ／Ｉ×ｈ／２−Ｆａ＝ｈＦｖＬ／２Ｉ−Ｆａ
＝Ｖ（ρm−ρs）ｇ｛（ｈＬ／２Ｉ）ｓｉｎθ−ｃｏｓθ｝  ・・・式（１１）
【００３１】
式（１１）を式（４）に代入すると、式（１２）となる。
σｂＩ＞Ｖ（ρm−ρs）ｇ｛（ｈＬ／２）ｓｉｎθ−ｃｏｓθ｝  ・・・式（１２）
【００３２】
そこで、開口部４の断面形状、開口部４の角度θ、および、塗型剤の抗折強度σｂを、式（１２）を満たすように選定することで、開口部４の塗型剤が損傷しないようにすることができる。
【００３３】
例えば、開口部４の断面形状および角度θが決まっている場合、式（１２）を満たす抗折強度σｂの塗型剤を用いることで、開口部４の塗型剤が損傷しないようにすることができる。また、塗型剤の抗折強度σｂが決まっている場合、式（１２）を満たす断面２次モーメントＩとなるように開口部４の断面形状および角度θを設計することで、開口部４の塗型剤が損傷しないようにすることができる。
【００３４】
（実施例）
次に、ねずみ鋳鉄（ＪＩＳ−ＦＣ２５０）を溶湯として用いて、直方体の発泡模型の内部に、直方体の空洞部をもうけ、直径Ｄが１６ｍｍで長さｌが２５ｍｍの開口部を水平方向（θ＝９０°）に配置した鋳型を用いて、鋳物を鋳造した。ここで、発泡模型は、図１および図２において、幅ａが１００ｍｍ、奥行きｂが１００ｍｍ、高さｃが２００ｍｍであった。また、空洞部は、幅ｄが５０ｍｍ、奥行きｅが５０ｍｍ、高さｆが１００ｍｍであった。また、ねずみ鋳鉄の密度ρsは７．１×１０-6ｋｇ／ｍｍ3であった。塗型剤の種類を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0006284468.tif 000002
【００３６】
空洞部には、「フラン自硬性砂」を充填した。この「フラン自硬性砂」は、砂と樹脂と硬化剤とを混練してなるものである。自硬性砂に用いる砂は、けい砂（主成分はＳｉＯ2）である。また、粘結剤として自硬性砂に用いる樹脂は、フルフリルアルコールを含有する酸硬化性のフラン樹脂であって、砂に対する添加量は０．８％である。また、硬化触媒として自硬性砂に用いる硬化剤は、キシレンスルホン酸系硬化剤および硫酸系硬化剤を混合した、フラン樹脂用の硬化剤であって、フラン樹脂に対する添加量は４０％である。この自硬性砂のかさ密度ρsは、１．４×１０-6ｋｇ／ｍｍ3であった。
【００３７】
ねずみ鋳鉄の密度および自硬性砂のかさ密度を式（２）に代入すると、以下のようになる。
Ｆ＝Ｖ（ρm−ρs）ｇ＝５０×５０×１００×（７．１−１．４）×１０-6ｋｇｆ
＝１．４ｋｇｆ＝１４Ｎ
【００３８】
ここで、熱間強度σｂが不明の塗型剤を２度塗りし、塗型剤の平均厚みを０．８ｍｍとした。なお、塗型剤の熱間強度を直接測定することは困難である。式（６）に代入して、開口部の塗型剤の断面２次モーメントＩを求めると、以下のようになる。
Ｉ＝π｛１６4−（１６−２×０．８）4｝／６４＝１．１×１０3
【００３９】
また、式（３）の右辺は、以下のようになる。
ｈＶ（ρm−ρs）ｇＬ／２Ｉ＝１６×１４×２５／（２×（１．１×１０3））
＝８×１４×２５／（１．１×１０3）
＝２．５ＭＰａ
【００４０】
ここで、一般的に、塗型剤の熱間強度（注湯時に最も温度が高くなったときの塗型剤の抗折強度）は、常温の抗折強度（塗型剤を乾燥させて測定した抗折強度）よりも小さい。そこで、「浮かされ」を防止するためには、常温の抗折強度が熱間強度である２．５ＭＰａよりも高い塗型剤を選択すればよい。塗型剤Ａは式（５）を満足しないため不採用とした。塗型剤Ｂは常温の抗折強度が２．５ＭＰａよりも高いため、これを選択した。その結果、「浮かされ」の生じない鋳物を鋳造することができた。
【００４１】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る消失模型鋳造方法によると、鋳型１の外部と空洞部３とを連通させる開口部４を発泡模型２に設けて、開口部４に塗型剤を塗布する。鋳造に際し、空洞部３は、開口部４に塗布した塗型剤によって支持される。空洞部３を支持する開口部４の塗型剤を、断面２次モーメントＩ、鉛直方向の板厚ｈ、長さＬの梁と仮定すると、梁理論から上記の式（１２）が導かれる。そこで、開口部４の断面形状、開口部４の角度、および、塗型剤の抗折強度を、上記の式（１２）を満たすように選定することで、開口部４の塗型剤が損傷しないようにすることができる。これにより、発泡模型２の内部に充填した鋳砂が浮上するのを抑制することができるので、仕上がり状態が良好な鋳物を鋳造することができる。
【００４２】
また、鉛直方向に対する開口部４の角度θを９０°とすると、開口部４の塗型剤に作用する応力が最大となる。しかし、この場合であっても、開口部４の断面形状、および、塗型剤の抗折強度を、上記の式（５）を満たすように選定することで、開口部４の塗型剤が損傷しないようにすることができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４４】
１  鋳型
２  発泡模型
３  空洞部
４  開口部
５  鋳砂
１２  発泡模型
１５  鋳砂
１６  鋳砂
１７  開口部分
２１  上型
２２  下型
２３  空洞
２４  中子
２５  余剰部
【図１】
0006284468.tif 000003
【図２】
0006284468.tif 000004
【図３】
0006284468.tif 000005
【図４】
0006284468.tif 000006
【図５】
0006284468.tif 000007
【図６】
0006284468.tif 000008