(57)【要約】  本発明は、硬化した鋳型材料からなる金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型（４）に関する。前記鋳型材料はキャビティを包んで、そして鋳型材料に埋め込まれた金属製冷媒流路（６）を少なくとも１本備え、この冷媒流路が冷媒を導く。この鋳型の場合、少なくとも１本の金属製冷媒流路（６）の外側部分が、キャビティ側を鋳型材料で被覆されず、そして／またはごくわずかだけ被覆されている。
2010502443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化した鋳型材料からなる金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型（４）であって、この鋳型の場合、前記鋳型材料がキャビティを包んで、鋳型材料に埋め込まれた金属製冷媒流路（６）を少なくとも１本備え、この冷媒流路が冷媒を導く、鋳型であって、
少なくとも１本の金属製冷媒流路（６）の外側部分が、キャビティ側を鋳型材料で被覆されず、そして／またはごくわずかだけ被覆されていることを特徴とする鋳型。
【請求項２】
前記少なくとも１本の冷媒流路（６）は、壁が平滑であって、断面が円形または楕円形であることを特徴とする、請求項１に記載の金属鋳造部品用の鋳型（４）。
【請求項３】
前記少なくとも１本の冷媒流路（６）が、柔軟な金属ホース、柔軟な金属波形管、または巻きつけられた金属波形ホースであることを特徴とする、請求項１に記載の金属鋳造部品用の鋳型（４）。
【請求項４】
前記少なくとも１本の冷媒流路（６）が、スチール製または特殊鋼製であることを特徴とする、前記請求項１〜３のいずれかに記載の金属鋳造部品用の鋳型（４）。
【請求項５】
鋳型材料として、石膏またはセラミックス素地が用いられることを特徴とする、前記請求項１〜４のいずれかに記載の金属鋳造部品用の鋳型（４）。
【請求項６】
鋳型材料として粘結剤を含む鋳型材料が用いられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の金属鋳造部品用の鋳型（４）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型（４）を製造する方法であって、
消失模型（３）を形成するステップと、
少なくとも１本の冷媒流路（６）によって、消失模型（３）の選択された領域を包むステップと、
鋳込・押湯システム（１２）を設けられた硬化可能な鋳型材料中に、少なくとも１本の冷媒流路（６）で包まれた消失模型を埋め込むステップと、
鋳型材料を硬化させるステップと、
消失模型（３）を溶融消失、焼滅、または気化させるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記消失模型（３）がワックス模型であることと、前記鋳型材料として石膏が用いられることと、石膏鋳型が硬化した後、前記ワックス模型を溶融消失させることとを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記消失模型（３）がワックス模型であることと、前記鋳型材料としてセラミックス素地が用いられることと、鋳型材料が硬化した後、前記ワックス模型を溶融消失させて、前記セラミックス鋳型を焼成することとを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記消失模型（３）がポリスチレン発泡模型またはプラスチック模型であることと、鋳型材料として粘結剤を含む鋳型材料が用いられることと、溶融金属自体が鋳込まれるとき初めて、消失模型の焼滅または気化が行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属鋳造部品用の一体型の温度調整可能な消失模型鋳型と、この鋳型を製造する方法に関する。金属鋳造部品用の一体型消失模型鋳型の好ましい適用分野は、単品または個数の少ない鋳造部品、すなわち多くの場合いわゆるプロトタイプとして用いられる鋳造部品の、迅速かつ経済的な製造である。この様なプロトタイプ鋳造部品は、たとえばライン生産でダイカスト鋳造法または永久鋳型鋳造法で製造されることになる工作物、かつ複雑な形状のそのような工作物の強度といった特性を、ライン生産用の金属製長寿命鋳型を製造する前に点検するために用いられる。プロトタイプ鋳造部品を現実的に評価できるようにするためには、それら鋳造部品の材料特性が、後日のライン生産製品に対応するか、あるいはできるだけそれに近くなければならない。
【０００２】
この種のプロトタイプ鋳造部品を製造するには、特に石膏鋳型、セラミックス鋳型、砂型であって特に消失模型を用いて製造されるものが適する。石膏鋳型およびセラミックス鋳型は、多くの場合、溶融消失可能なワックス模型、砂型や、たとえば焼滅可能または気化可能な発泡ポリスチレン模型またはプラスチック模型を用いて製造される。石膏、セラミックス、または鋳型砂からなるこの様な鋳型は熱伝導が悪いため、溶融金属の硬化時間が、少なくとも壁厚が大きいものの場合比較的長くなる。ゆっくりと硬化冷却させると、鋳込まれる金属によっては、組織がしばしば比較的粒子の粗いものとなり、したがってかならずしも十分には負荷に耐えない。そのほか、鋳型の個々の領域での硬化が不利な方向性を持つことにより、たとえばポロシティまたは吹かれといった鋳造欠陥を生じる可能性がある。
【背景技術】
【０００３】
従来の技術からは、消失模型を用いて製造される、一体型の石膏鋳型、セラミックス鋳型、または砂型を用いて、プロトタイプ鋳造部品を製造するための、一連の鋳型と方法が公知である。
【０００４】
ＵＳ４５７９１６６号公報は、新たな機械部品の点検に石膏鋳型技術を適用することを記載する。この機械部品は、他の方法では、ダイカスト鋳造法または永久鋳型鋳造法によってのみ製造できるものである。石膏鋳型技術によるこの様な部品を製造は、アルミニウム、亜鉛、マグネシウムおよびこれらの合金から、プロトタイプを製造するのには確かによく適する。しかしこれにより製造されたプロトタイプは、その外側形状だけが、永久鋳型鋳造法またはダイカスト鋳造法で製造される鋳造部品に対応する。そしてマグネシウムまたはその合金からのこの様な部品の鋳造は、保護ガスや冷却処理を用いなければ困難を生じる。この欠点を除くため、多かれ少なかれ多孔性をもつ石膏鋳型の準備が推奨される。この様な石膏鋳型は、か焼後、未結合および結合された水を微量だけ含む。鋳造の際に鋳型は、キャビティに保護ガスをフラッシングすることにより、溶湯との反応から保護される。この保護ガスは、硫黄または六フッ化硫黄（ＳＦ６）を阻害剤として含む。冷却のプロセスをコントロールするため、鋳型中の鋳造部品近くに熱電対を用い、鋳造部品が冷却される間温度を監視して、鋳型内にコントロールされない反応が起こるのを時期に遅れず検知し、たとえば爆発の恐れがあればそれを防止できるようにする。細かい組織を得るために冷却を能動的に制御するのは、この様な鋳型では不可能である。
【０００５】
欧州特許ＥＰ５７１７０３Ｂ１は、沸点が溶湯の鋳込温度よりも低く、かつ鋳型の壁を徐々に透過する液体冷媒を用いて、溶融金属を冷却するという方法を記載する。この鋳型は、その一方の末端から始めて、つねに液体冷媒の中に浸漬される。この浸漬によって、制御された硬化を得ようというものである。このようにして制御された硬化は、部品鋳造の際、偏析、析出、吹かれの各挙動の点で利点があり、これにより鋳造欠陥を回避できる。しかし鋳造部品の組織構造に対する的を絞った調節は、この方法でも不可能である。
【０００６】
国際特許出願ＷＯ９８０５４５０は、液体によって鋳型を冷却するだけでなく、溶湯の制御された硬化を行うため核形成金属板をも使用する。そのため鋳型は、溶湯の制御された硬化のため金属製底板を備え、この底板が冷却浴中に浸漬される。金属製底板に接するところで迅速な冷却が行われることによって溶湯中に結晶核が生じ、この結晶核を出発点として溶湯が凝固する。しかし金属製底板では、溶湯の合金化を予想しなければならない。この理由から、冷媒が貫流する底板がすでに記載されている。底板の材料が溶け出すことによる不純物から溶湯を保護するため、硬化する溶湯と同じ種類の材料からなる中間板をさらに設けている。この解決法によれば、確かに鋳造欠陥は大幅に防止されるが、鋳造部品の組織構造を必要に合わせて制御するのは、これをもってしても不可能である。
【０００７】
冷却される石膏鋳型は、日本の公開特許公報ＪＰ６３１６８２５０Ａ１と、ＪＰ０２１８７２３６Ａ１に記載されている。鋳型を製造する際に、鋳型のキャビティをプラスチック製の閉鎖板で閉じ、石膏鋳型を硬化させるとき、この閉鎖板が焼滅される。閉鎖板の代わりに、鋳造の際に冷却板を用いると、それにより鋳型の局部的な冷却を得る。ＪＰ０２１８７２３６Ａ１でも、石膏鋳型中に冷却材が挿入される。製品部分とランナー部分からなるワックス模型が、鉄製の鋳型枠に挿入される。冷却材と同じ形状のひな型材料が、生成物部分で冷却速度を加速させるための部品に載せられる。石膏は、ひな型材料およびワックスひな型の下のスペースと、鋳型枠の中に充填される。全体が約７００℃でか焼され、その際ワックスひな型が溶融消滅する。続いて石膏鋳型は回転されて、冷却材が挿入される。最後に溶融金属が注入される。これにより鋳造片の厚い方の部分で冷却が加速され、収縮が防止される。欠点は、冷却プレートまたは冷却材を使用するため、制御された硬化が可能なのは、鋳造片の一方の側からだけとなることである。この理由から、上記の石膏鋳型によっては、ダイカスト鋳造物または永久鋳型鋳造物に類似した鋳造片、かつその組織構造が十分細かい鋳造片は得られない。
【０００８】
そのほか欧州特許ＥＰ０００４８４４Ｂ１からは、プラスチック目的物を製造するために、石膏からなる鋳型中に冷媒導管を設けることが公知である。この冷媒導管は鋳型の石膏中に埋め込まれている。すでに述べたように、この石膏鋳型は、鋳型キャビティに注入されるプラスチックから部品やプロトタイプを製造するのに用いられる。この場合、石膏中に埋め込まれた冷媒導管は、プラスチック素地を急速に冷却して製造プロセスを加速するのに用いられる。しかし石膏の熱伝導性が悪いため、石膏中に全体を埋め込まれた冷媒導管は、金属鋳造部品の迅速な冷却と、制御された硬化とに必要な熱排出を保証できない。金属製のダイカスト鋳型または永久鋳型と比べると、石膏中に冷媒導管を埋め込まれたこの様な石膏鋳型の熱伝導性は、依然としてその何分の１にあたるほど小さい。したがってこの鋳型も、こうして得られた鋳造片に、ダイカスト鋳造や永久鋳型鋳造で知られている硬化時間や、それらに匹敵する細かい組織構造を得るには適さない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の課題は、単品の鋳造部品や個数の少ない鋳造部品を製造するための金属鋳造部品用鋳型として、溶融金属注入後、鋳造物の硬化の方向や速度を、冷媒を用いて制御できるような鋳型を開発することである。そのほか、この様な鋳型を製造する単純で安価な方法を開発することも、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は鋳型に関する課題を請求項１の特徴によって、そして鋳型を製造する方法に関する課題を、請求項７の特徴によって解決する。本発明の有利な実施形態を、従属請求項に記載した。
【００１１】
下記では１つの実施例を用い、図１〜図５を引用しながら、本発明を詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に模式的に示したひな型または原模型１は、図５に示す鋳造部品２の正確な形状を指定するものであって、この鋳造部品は、金属鋳造部品用の本発明による鋳型４を用いて製造される。ひな型１がまだ存在しない場合、まずいわゆる原模型１を製造しなければならない。この様な原模型１の製造は、多くの場合、ステレオリソグラフィを用いて行われる。原模型１を積層造形するために、その他の形成的な生成方法を用いることもできる。その他の適切な方法とは、たとえば選択的レーザ焼結法、熱溶解積層法、薄膜積層法、および３Ｄプリンティングである。
【００１３】
原模型１を新たに作成しなければならない場合、製造されるべき鋳造部品２がただ１つなら、融解消失可能なワックス、融点の低い模型用合金、焼滅可能なプラスチックまたは発泡プラスチックから、本発明による鋳型の製造に適した消失模型を製造すれば、この鋳造部品をただちに製造できる。製造される鋳造片のひな型が１つ存在するか、あるいは原模型１がまだ消失模型となっていない場合、存在するひな型または原模型１から本発明による鋳型を製造するためには、まず消失模型を製造しなければならない。これは、鋳型枠内で液体シリコーンにより、ひな型または原模型１の型を取ることによって行われる。その模様を図２に記載した。シリコーンが硬化した後、この方法で形成されたシリコーン成形型５を、型合わせ面１５に沿って切断することにより分割する。形成されたキャビティからひな型または原模型１を取り出して、シリコーン成形型５に鋳込・押湯システムを設ける（詳細は図示しない）。その後このシリコーン成形型５を、鋳型枠内で再び正確に組み合わせ、たとえば液体ワックスを注入する（やはり図示しない）。ワックスの硬化後にシリコーン成形型から、たとえばワックスからなる消失模型３を取り出すことができる。
【００１４】
表面品質と正確性の高いプロトタイプ鋳造部品、いわゆる精密鋳造部品が必要とされる場合、石膏またはセラミックス素地からなる一体型の消失模型鋳型が、考慮される。表面品質に対する要求がそれよりも低い鋳造部品の場合は、金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型２の鋳型材料として、粘結剤を含む鋳型材料（たとえば珪砂）をも用いることができる。一体型の砂型を製造するためには、特に発泡ポリスチレンからなる次のような消失模型が特に適する。それは発泡成形型において発泡により製造される消失模型、あるいは発泡ポリスチレンブロックの機械的加工、たとえば研削により製造される消失模型である。
【００１５】
図３に記載する消失模型３は、本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４を製造するため、ワックス、プラスチック（たとえば発泡ポリスチレン）、または融点の低い模型用合金から、上記いずれかの方法で製造されたものである。この消失模型は少なくともその一部が、屈曲可能な冷媒流路６に包まれている。包まれる領域は、特に次のような領域、すなわち鋳造欠陥を防止するため、鋳型内の溶融金属に制御された硬化を生じたい領域、そして粒子が細かくて十分に負荷に耐える材料組織を得るため、硬化を比較的迅速に行いたい領域である。これら問題のある領域の選択は、たとえば硬化プロセスのシミュレーション（鋳造シミュレーション）によって効果的に行うことができる。冷媒流路６によって消失模型３を包んだ後、消失模型は、鋳込・押湯システム１２を設けられて、硬化可能な鋳型材料中に埋め込まれる。消失模型３がワックス模型であって、かつ鋳型材料に石膏が用いられる場合、石膏鋳型が硬化した後で、ワックス模型を溶融消失させる。ワックス模型と、鋳型材料としてセラミック素地とを用いる場合、鋳型材料が硬化した後、やはりワックス模型を溶融消失させ、続いてセラミックス鋳型を焼結する。消失模型がポリスチレン発泡剤模型またはプラスチック模型であって、鋳型材料として粘結剤を含む鋳型材料を用いる場合、本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４は、図４に示すように、粘結剤を含む鋳型材料が硬化した後すでに使用準備ができている。消失模型の焼滅または気化は、この場合、溶融金属自体の鋳込によって生じる。
【００１６】
金属製冷媒流路６には、溶融金属に対して耐性ある金属材料を選択する。この金属製流路６は、壁が平滑なものとし、断面を円形または楕円形とすることができる。消失模型３の形状がジオメトリー的に単純である場合、冷媒流路６は壁が平滑なものとし、曲げ工具を用いて、その表面を消失模型３の周りに接触させながら曲げることができる。
【００１７】
好ましくは、金属製冷媒流路６のために、柔軟な金属ホース、柔軟な金属波形管、または巻きつけられた金属波形ホースを用いる。金属製冷媒流路６の材料としては、鋼材または特殊鋼が実績あるものである。柔軟な特殊鋼波形ホースは、湾曲半径が小さい場合でも消失模型３に簡単に巻きつけることができる。この種の特殊鋼波形ホースは、波形管の形状に製造されるか、あるいは鋼材波形ホースとして巻きつけられる。この様な波形ホースを用いれば、湾曲して消失模型３を包むとき、管断面の望ましからぬ変形、および冷媒流路６のひずみを回避できる。ホースの波形付けは、滑らかな波形輪郭あるいは四角形凹凸輪郭とすることができる。この様な輪郭によって、急な湾曲部を形成することができ、また比較的大きな冷却面が得られる。この輪郭は同時に、溶融金属と冷媒流路６を導かれる冷媒との間の熱交換を改善する。少なくとも１本の冷媒流路６の末端に接続フランジ７、８が設けられ、これら接続フランジはそれぞれ、これ以上詳細を図示しない冷媒供給管９および冷媒排出管１０に接続されている。冷媒としては、たとえば空気または冷却水のような気体物質と液体物質が使用される。
【００１８】
金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４に供給される熱量は、永久鋳型またはダイカスト鋳型のように、対流や輻射によって直接周囲に排出されるのではない。むしろ本発明はこの熱を、冷媒流路６を経由して、冷媒によって大量に取り出し、硬化する鋳造部品２をできるだけ迅速に冷却する。この冷媒流路は、鋳型材料中に埋め込まれ、キャビティに対して被覆を置かず、あるいは極めてわずか被覆されるだけである。冷却には液体熱媒を用いることができ、この熱媒によって、金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４を、鋳造前に温度調整できる。鋳造部品用の金属からなる鋳型４に遅くとも溶湯が鋳込まれるときに、冷却が開始されるならば、冷媒流路６における溶湯材料の初期融解を防止できる。金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４に用いられる鋳型材料は、悪い熱導体であるけれども、金属製冷媒流路６の外側部分が、キャビティに対して被覆されず、またはきわめてわずか被覆されているだけである。この冷媒流路を経由して、溶融金属から供給された熱を、冷媒流路６に存在する温度勾配によって、冷媒から排出することができる。金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４において、少なくとも１つの冷媒流路６を適切に配置することにより、制御された硬化が得られ、吹かれやポロシティのような鋳造欠陥の形成に対処できる。冷媒流路６における溶融金属材料の初期融解を防止することにより、冷却後、鋳造部品２を問題なく取り出すことができる。冷媒流路６は、金属鋳造部品用の一体型消失模型鋳型４の鋳型材料とともに、容易に鋳造部品２から取り除くことができる。
【００１９】
本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４を用いて、鋳造部品２が迅速かつ制御されて冷却される結果、鋳造部品２の鋳造欠陥が大幅に防止され、そして鋳造部品２において粒子の細かい組織構造が得られる。したがって本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４で得られる鋳造部品２は、永久鋳型またはダイカスト鋳型で鋳造するときに得られるのと同じ特性、または類似の特性を持つ。特に鋳造部品のプロトタイプの使用特性たとえば強度を、ライン生産のための永久鋳型またはダイカスト鋳型を製造する前に検査する場合、本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４は、そのようなプロトタイプを製造するのに適する。
【００２０】
ここに明らかに指摘しておくが、本発明による金属鋳造部品用の一体型の消失模型鋳型４の実施形態について、そしてまたそれらを製造する方法について、前記の記述は説明的な性格だけを持つものであって、特許権保護範囲を限定する作用を持つものではない。本発明の保護範囲は、添付の請求項の文言に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】製造される鋳造部品のひな型または原模型の模式図である。
【図２】消失模型の型を取るシリコーン成形型の模式図である。
【図３】図２に記載のシリコーン成形型で製造された消失模型であって、冷媒流路で包まれたものの側面図を模式的に示す。
【図４】図３の冷媒流路で包まれた消失模型を用いて製造された鋳型の側面図を模式的に示す。
【図５】図４の鋳型を用いて製造された鋳造部品であって、鋳型から取り出されたものの模式図である。
【図１】
2010502443.tif 000003
【図２】
2010502443.tif 000004
【図３】
2010502443.tif 000005
【図４】
2010502443.tif 000006
【図５】
2010502443.tif 000007
【国際調査報告】
2010502443.tif 000008
2010502443.tif 000009
2010502443.tif 000010
2010502443.tif 000011