(57)【要約】【課題】精密鋳造法で鋳物を製作する際に、鋳型内部の物質に起因する鋳型反応による鋳造欠陥の発生を極小化できる技術を提供する。【解決手段】請求項１の発明は、鋳型の溶湯接触面から遠くなる部位に後で切断除去する事が出来るダミー部１０を設けて置き、鋳型材注型後の硬化段階で鋳型材のダミー部１０にマイナス電位、溶湯接触面直近部にプラス電位を印加し、鋳型材硬化後速やかにダミー部１０を切断除去する事で、鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物（鋳型反応物質９）を溶湯接触面から取り除く。このほか鋳型反応物質９は鋳型の乾燥焼成工程で取り除くこともでき、急速乾燥により鋳型表面への集中を防止することもできる。【選択図】  図７
2007050436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型の溶湯接触面では無くかつ溶湯接触面から遠くなる部位に後で切断除去する事が出来るダミー部を設けて置き、鋳型材注型後の硬化段階で鋳型材のダミー部にマイナス電位、溶湯接触面直近部にプラス電位を印加し、鋳型材硬化後速やかにダミー部を切断除去する事で、鋳型材もしくはその溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項２】
精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型乾燥焼成時の溶媒蒸発完了までの間、鋳型の溶湯接触面側にプラス電位、溶湯接触面から遠くなる部位にマイナス電位を印加した状態で鋳型を乾燥焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項３】
鋳型の溶湯接触面側に設置する電極材と、その反対側に設置する電極材にイオン化傾向が異なる金属材料を用い、溶湯接触面側により貴な金属材料からなる電極を設置し、これら2つの電極を互いに結線し導通させる事で生じる異種金属間電位差を利用して、電位を印加することを特徴とする請求項１または２記載の精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項４】
精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型を外熱式の乾燥焼成炉で乾燥焼成する際に、鋳型の溶湯接触面を下側に向け、鋳型の溶湯接触面とは反対面を上側にむけた状態で鋳型を乾燥焼成するかぶせ焼きを行なう事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項５】
精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型の溶湯接触面とは反対側を雰囲気の気圧より低い状態に維持し、鋳型の溶湯接触面側からその裏面側への外気の流れを発生させた状態で鋳型を乾燥焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項６】
精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、耐火材と混練して鋳型材をスラリー化する為の溶媒が水を含むものであり、鋳型乾燥焼成工程においてマイクロ波加熱を用いた場合に、鋳型材内部から気化してくる遊離水が水蒸気として鋳型外部に排出される通気性を持った鋳型を、マイクロ波加熱を用いて遊離水を急速除去し、その後に外熱乾燥・焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【請求項７】
乾燥焼成後の鋳型の溶湯接触面側に水を塗布した後、請求項２、４、５、６のいずれかに記載の方法により鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とする精密鋳造鋳物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する際、鋳型と溶湯が反応を起こすことで生じる鋳造欠陥を減少させる技術に関するものである。更に詳しくは、該当鋳造欠陥を引き起こす主要因物質である鋳型中のアルカリ金属系の不純物を、少なくとも鋳型の溶湯接触面からは可能な限り排除する事で、鋳造欠陥発生を防止する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、精密鋳造法には大きく分けるとA：焼失模型法（ロストワックス法）、B：セラミックモールド法、C：石膏鋳造法の３種類が存在している。各鋳造法で用いられる鋳型材は通常、溶媒中に結合剤及び各種耐火材の粉末を混合・スラリー化し、これをゴム型・ロウ材表面などに流し、硬化させ、脱型・脱ロウする方法で作成される事になる。これが精密鋳造法の最大の特徴と言え、複雑な形状を液状化した状態の鋳型材で精密に反転する事で、機械加工では対応できない様な形状品を作成できるのである。従って、鋳型材用の結合材の特性が、各種鋳造法の特徴の大半を決定付けているとも言える。
【０００３】
コロイダルシリカ、エチルシリケート系の結合剤は、焼成後ガラス化する為、耐火材の選択次第で高い温度までの使用が可能となる事から、鉄、ニッケル、銅合金と言った、融点で１０００〜１５００℃程度の合金まで、殆ど全ての合金の鋳造用鋳型として使用出来るのに対し、石膏はそれ自体の耐火性が低い為、８００℃程度までしか耐えられない。これは８００℃近傍から石膏ＣａＳＯ４の熱分解；カルシウムと亜硫酸ガスへの分解；が始まる為である。この為、アルミニウム、亜鉛合金などの比較的融点の低い合金の鋳造までしか出来ないと言える。この事から、石膏鋳造法の場合、耐火材には、耐火性の高い、高価なものを使用せず、むしろ安価で寸法的に安定で鋳肌が平滑になる様な、きめの細かいものが使用される傾向がつよい。
【０００４】
また石膏鋳型は、焼成（乾燥）後の石膏分子の状態がIII型無水石膏（ＣａＳＯ４III）で分子内に結晶水と言う形で水を取り込み易い状態となっており、１５０〜２００℃以下になると、大気中から速やかに再吸湿し鋳造時に鋳物ピンホール欠陥を発生させ易いと言う欠点も存在している。石膏鋳型も７００〜８００℃の高温で焼成すれば、石膏分子の状態を、再吸湿しないII型無水石膏（ＣａＳＯ４II）にもってゆく事が出来るのであるが、III型からII型への変態には非常に大きな『変態収縮』を伴う上、強度低下も著しい事から、鋳型焼成時に『型割れ』や『鋳型変形』を発生させてしまう事が多い為、通常は寸法が最も安定な焼成温度（１５０〜２００℃）で鋳型を乾燥しているのである。この事も有って、先記３種の精密鋳造法の中で、鋳型の寸法精度が最も良好なのは石膏鋳造である。
【０００５】
コロイダルシリカには自硬性が無い為、スラリー状で型に流し込み、自発硬化させ、反転するという方法が採用出来ないという弱点が存在している。この為、コロイダルシリカは消失模型法にしか使用出来ないと言え、この場合でも、スラリーを硬化させる（スラリー中の水分を除去する）のに長い時間を要し、生産性が悪いと言える。（水分除去工程を急速に行なうと、消失模型からスラリーが剥がれたり、ひび割れが入ったりし易い。水分除去後は、８００℃〜１０００℃の焼成でコロイダルシリカをガラス化させ、鋳造に耐える鋳型材として完全硬化させる。）
【０００６】
エチルシリケートの場合は、自硬性を持たせられる代わりに、硬化後に『急速加熱（焼成）』する事が必須となり、これに起因する鋳型の寸法変動が起こりやすいと言う弱点が存在している。（急速加熱の必要が有るのは、鋳型中の溶媒を急速に除去し、『加水分解』反応を停止させて鋳型の寸法変化を押さえると同時に、『マイクロクレージング』を生じさせる事で、鋳型の通気性を向上させる目的も有る。この急速加熱の後に、８００℃〜１０００℃の本焼成を実施し、鋳型を完全にガラス化させるのである。）また、コストの面では、石膏、コロイダルシリカ、エチルシリケートの順にコスト高となって行くと言える。
【０００７】
精密鋳造法が採用される鋳物は、溶湯の鋳型との接触面である『鋳放し面』を、最終製品形状として使用したい物件である事が多い。この為、鋳放し面に鋳造欠陥等が発生すると、不良となってしまう場合が存在する。鋳造欠陥には様々な原因が存在しているが、その中の一つに鋳型と金属溶湯が反応して発生する鋳型反応系（モールドリアクション系）のものがある。これは、
1)  鋳型を構成する物質（結合材・耐火材等）と金属溶湯中の特定の物質（酸化還元性の強い；活性の高い物質）が鋳造時に反応・発熱する事で生じるもの。
2)  鋳型中に存在する特定の物質（酸化還元性の強い；活性の高い物質）が鋳造時に金属溶湯又はその酸化物、および鋳型内物質と反応・発熱する事で生じるもの。
の2つのタイプに分けられる。
なお、この『特定の物質』として問題となるのは、周期律表のIA、IIA属に属するアルカリ土類金属系物質（IA：Li、Na、K、  IIA：Be、Mg、Ca）である事が多い。この点については、特許文献１である特開2002−282995号公報に記載されている。
【０００８】
1）の金属溶湯中の特定の物質による鋳型反応欠陥対策としては、使用する金属材への該当物質の混入の防止（成分配合の厳密な調整）や、溶解中の除去（塩素脱ガスや酸素吹き込み等）が存在し、比較的対処がしやすいのに対し、2）の鋳型中の特定の物質による鋳型反応欠陥の方は、その対策が困難な状況にあった。その理由は、次の通りである。
【０００９】
第１に、鋳型材中への該当物質の混入防止が困難で、制御しづらい。
鋳型材に用いられる耐火材は、天然材を用いる場合が多い。上記アルカリ金属系物質は、この耐火材に付着する形で鋳型材に混入すると言っても良い。従って鋳型材中へのアルカリ金属系不純物の混入防止策としては、耐火材ロットのうち、アルカリ金属系不純物濃度の低いものを優先的に用いて鋳型材を調合する方法や、耐火材を『洗浄』したり『大気中焼成』したりして、アルカリ金属系不純物を取り除くか、鋳造時に溶湯・鋳型内物質と反応し辛い形態に変化させる（大気中焼成の目的は、アルカリ金属系不純物を『酸化物』形態に変化させ、『活性』を低下させ鋳型反応系鋳造欠陥を発生し辛くする事にある。）方法と言ったものが挙げられるが、どちらの方法もコストアップにつながる上、後者の耐火材単体での大気中焼成は、耐火材の結晶構造を変化させてしまう事が有り、必要な物理特性（熱伝導率や熱膨張係数、強度特性など）を損ねてしまう危険性が高い。
【００１０】
第２に、鋳型材中の該当物質が、鋳型の乾燥・焼成中に鋳型の溶湯接触面（鋳型表面）に濃縮される。
鋳型材パウダーとしてのアルカリ金属系不純物の濃度が、鋳造時に鋳型反応欠陥を引き起こすレベルの濃度で無い場合であっても、鋳型材をスラリー化し注型・硬化させた後、乾燥焼成を施すとスラリー中の溶媒に溶け込んだアルカリ金属系不純物が、溶媒の気化（蒸発）方向に沿って移動してゆき、最終的に溶媒の蒸気が立ち上ってゆく側の鋳型表面に濃縮される現象が起きる（鋳型乾燥・焼成時の鋳型内物質の局部濃縮現象）。この結果、該当濃縮部が鋳型反応欠陥を引き起こすアルカリ金属系不純物の臨界濃度を超えてしまう場合がある。
【００１１】
この濃縮現象は、1．鋳型の容積／表面積の比率が高いもの（表面積が小さいわりに、容積が大きいもの）、2．鋳型表面の突起形状部周辺、3．平滑な表面の鋳型の場合は鋳型中央部近傍に発生しやすい傾向が強い。この傾向に合わせて、アルカリ金属系不純物の鋳型表面での局部的な濃度も大きく変化する為、鋳型材中のアルカリ金属系不純物濃度がわかっていたとしても、実際の鋳型で乾燥焼成後に、鋳造時に鋳型反応欠陥を生じさせる臨界濃度を越えるか否かについては全く予測する事が出来ない。
【００１２】
上記第１の理由への対処は、コスト増を覚悟すれば実現可能であるといえるが、第２の理由の方は、予測すら出来ない状況である為、実効性のある対策が全く打てていない状況にあった。特に鋳型が大きくなる物件で、かつ鋳造後の溶湯の凝固時間が長くなる物件について、鋳型反応性鋳造欠陥を防止する事は極めて難しい状況にあった。
【００１３】
ここで、鋳型の乾燥焼成中の鋳型表面への鋳型反応物質（請求項における不純物及び添加物）の濃縮と、鋳型反応欠陥について説明する。例えば、図１に示す2種類の鋳型を乾燥焼成させる場合を考える。左側は突起形状有りの鋳型、右側は平滑面鋳型とする。図２の上段に示す鋳型乾燥焼成開始前の時点では、鋳型中の鋳型反応物質濃度は、どちらの鋳型も、均一濃度α（％）となっている。しかし鋳型乾燥焼成開始後、鋳型内部の溶媒が鋳型表面から蒸発してゆく。このとき図２の下段に示すように鋳型内部でも溶媒が下から上及び、蒸発が盛んに起こる部位へと優先的に移動する現象が起きる。溶媒中に溶け込んでいる鋳造時に鋳型反応を引き起こす物質（鋳型反応物質）は、この流れに沿って移動し、鋳型表面部に濃縮されてゆく（溶媒は気化して飛散するが、鋳型反応物質は気化して飛散する事は出来ず、鋳型に残る為である）。
【００１４】
即ち、鋳型内部での鋳型反応物質濃度は初期濃度αより低くなり、鋳型表面の溶媒が優先的に蒸気となって飛散してゆく部位で、局部的に初期濃度αより遥かに高い状態になる。そして図３に示すように乾燥焼成後の鋳型表面に鋳型反応物質が局部的に濃化されたスポットが形成され、鋳型反応物質が臨界濃度を超えた時、鋳造時に鋳型反応欠陥を発生させると推定される。
【００１５】
次に、鋳型反応の中身について説明する。ここでは石膏鋳造法でアルミ合金を鋳造する場合を考える。この場合、問題となりやすい鋳型材中の鋳型反応物質は、（他の物質とは結合せずに遊離元素として単体で存在している）Na、Ca、Mg、Kである。そこでCaを例にとって鋳造時の鋳型反応欠陥発生メカニズムを図４、図５を参照しつつ、以下に解説する。
【００１６】
先ず図４の上段に示すように、鋳型の溶湯接触面に前記した機構で発生した鋳型反応物質（ここではCa）の濃縮層が存在する状態で、アルミ合金溶湯を鋳込むと、溶湯表面に形成された酸化物層（ここではAl2O3やMgOと言ったもの）が鋳型表面に貼りつく形で溶湯が充填されてゆく。Al、Mgに比べてCaの方が酸化力が強い為、図４の下段に示すように鋳型表面のCa濃縮層形成部で、
3Ca＋Al2O3  ＝  2／3Al＋CaO＋74.17kJ／mol（発熱）
Ca＋MgO  ＝  Mg＋CaO＋33.06kJ／mol（発熱）
と言う様に、Caが鋳造時に鋳型表面に貼り付いた溶湯表面酸化物を還元しつつ発熱すると言う反応が生じる。
【００１７】
鋳型表面のCa濃縮層でのCa濃度（単位面積あたりのCa存在量）が閾値を超えかつ、上記の発熱反応が発生している間に溶湯が凝固完了しない場合、鋳型表面での局部発熱により、石膏（CaSO4）が熱分解して亜硫酸ガス（SO2）を発生し、鋳型材中にタルク（3Mg・4SiO2・H2O）等の700〜800℃程度で結晶水（分子状に結合している水）遊離する物質を含有している場合は、この結晶水が遊離して、溶湯中にH（遊離水素）として速やかに溶け込んで行く。（残った酸素は酸化物として鋳型表面に残る。）この状態を図５の上段に示す。
【００１８】
この状態で溶湯が凝固すると、鋳型−溶湯（表面酸化物）間の発熱反応により、溶湯中に水素吸収が行なわれた部位で、凝固過程で溶湯中の水素溶解度が急激に低下する事に起因して、溶存水素が『水素気泡（水素ガス）』として放出される。この状態を図５の中段に示す。この水素ガス放出過程で、鋳物が局部的に膨らむ現象が起きる場合もある。出来上がった鋳物は、発熱反応部位で表面が変色し、その直下に気泡欠陥（ピンホール欠陥）を内在する事になる。また、上記の様に水素気泡欠陥が発生した場合は、鋳物表面が局部的に膨れる『膨れ欠陥』が生じる事もある。この状態を図５の下段に示す。
【００１９】
以上に説明したような鋳造時の鋳型反応による、鋳造欠陥発生メカニズムは一つの例であって、この他にも様々なタイプの反応が存在している。また、前記の解説は、鋳型表面に濃縮された鋳型反応物質と、金属溶湯表面の酸化物との酸化還元反応に関してのものであるが、これ以外にも、鋳造時の入熱で鋳型表面に濃縮された鋳型反応物質と鋳型内物質（SiO2などの耐火材等）とが酸化還元反応を引き起こし発熱する事で鋳造欠陥を発生させる場合も存在している。なお、ここまでは鋳造時に鋳型反応欠陥引き起こす物質（鋳型反応物質）を、全て『不純物』として説明したが、鋳型材中に該当物質を『意図的な添加物』として加える場合もある。
【００２０】
このため石膏鋳造法を用いてアルミ合金鋳物（例えばタイヤ金型）を製作すると、フクレ欠陥が発生し、内在しているピンホール欠陥がブラスト処理により現れる。本発明者は、石膏鋳型材中のNa、Kが鋳型乾燥焼成時に鋳型の特定の部位に濃縮され、その濃縮層のNa、Kが鋳物で鋳型反応欠陥を引き起こす臨界濃度を超えるか否かで、鋳型反応欠陥発生有無を決定している事を確認済みである。
【特許文献１】特開2002−282995号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は上記の様な状況下で考案されたものであり、その第一の目的は精密鋳造法で鋳物を製作する際に、鋳型内部の物質に起因する鋳型反応による鋳造欠陥の発生を極小化できる技術を提供する事にある。またその第二の目的は、鋳型反応に関与する物質を、鋳型の造型工程・もしくは乾燥焼成工程にて、鋳型の溶湯接触面から取り除ける技術を提供する事にある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型の溶湯接触面では無くかつ溶湯接触面から遠くなる部位に後で切断除去する事が出来るダミー部を設けて置き、鋳型材注型後の硬化段階で鋳型材のダミー部にマイナス電位、溶湯接触面直近部にプラス電位を印加し、鋳型材硬化後速やかにダミー部を切断除去する事で、鋳型材もしくはその溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【００２３】
また請求項２の発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型乾燥焼成時の溶媒蒸発完了までの間、鋳型の溶湯接触面側にプラス電位、溶湯接触面から遠くなる部位にマイナス電位を印加した状態で鋳型を乾燥焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【００２４】
これらの請求項１、２の発明においては、鋳型の溶湯接触面側に設置する電極材と、その反対側に設置する電極材にイオン化傾向が異なる金属材料を用い、溶湯接触面側により貴な金属材料からなる電極を設置し、これら2つの電極を互いに結線し導通させる事で生じる異種金属間電位差を利用して、電位を印加することができる。
【００２５】
請求項４の発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型を外熱式の乾燥焼成炉で乾燥焼成する際に、鋳型の溶湯接触面を下側に向け、鋳型の溶湯接触面とは反対面を上側にむけた状態で鋳型を乾燥焼成するかぶせ焼きを行なう事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項５の発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、鋳型の溶湯接触面とは反対側を雰囲気の気圧より低い状態に維持し、鋳型の溶湯接触面側からその裏面側への外気の流れを発生させた状態で鋳型を乾燥焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項６の発明は、精密鋳造法で鋳物を製作する場合において、耐火材と混練して鋳型材をスラリー化する為の溶媒が水を含むものであり、鋳型乾燥焼成工程においてマイクロ波加熱を用いた場合に、鋳型材内部から気化してくる遊離水が水蒸気として鋳型外部に排出される通気性を持った鋳型を、マイクロ波加熱を用いて遊離水を急速除去し、その後に外熱乾燥・焼成する事で、鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項７の発明は、乾燥焼成後の鋳型の溶湯接触面側に水を塗布した後、請求項２、４、５、６のいずれかに記載の方法により鋳型材もしくは溶媒中に存在し、鋳造時に溶湯および鋳型内物質と酸化還元反応を起こし、その際の発熱で鋳造欠陥を生じさせる不純物及び添加物を鋳型の溶湯接触面から取り除くことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明を用いれば精密鋳造法による鋳物製作時に、鋳型材に起因する鋳造欠陥を簡易に安価に防止する事が出来る。これにより、鋳造歩留向上と、鋳物の修正工数減、及び、製品としての鋳物の品質向上が可能となり、本発明が該当分野に持つ技術的意義は極めて大きいと言える。なお、各発明の固有の効果については、以下に各発明の実施形態とともに説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
＜請求項1の発明＞
請求項1の発明は、精密鋳造法で鋳型を製作する際に、鋳型の母型（鋳物として欲しい形状を持った原型もしくはそのレプリカ）接触面から最も遠くなる位置近傍に、後で切断除去しても良いダミー部を形成する様にし、鋳型材スラリーを母型に注型後、スラリー硬化・母型から脱型するまでの間、ダミー部にマイナス電位、母型もしくはその直近部にプラス電位を与えることで、スラリーの溶媒中に溶解・電離している鋳造欠陥を生じさせる物質（鋳型反応物質；アルカリ金属系物質）をダミー部に集め、鋳型脱型直後に鋳型本体からダミー部を切り取り廃棄する事で、鋳型本体側の鋳型反応物質を除去する事を要旨とした技術である。
【００３１】
請求項1の発明を図面を参照しつつ具体的に説明すると、先ず鋳型製作用の母型１（鋳物形状となるものの模型またはその複製品）を準備し、図６に示すようにこの母型１を導電性見切り台２の上に置き、枠３で囲み、枠３内に鋳型材スラリー４を注型する。鋳型材スラリー４を有る程度まで充填したら一旦注型作業を止め、蓋５、絶縁シート６、導電性ダミー枠７を枠３上に設置する。
【００３２】
次に図７に示すように残りの鋳型材スラリー４を注型する。この際、導電性ダミー枠７に届くところまで鋳型材スラリー４を充填する。充填が完了した時点で、導電性見切り台２にプラス、導電性ダミー枠７にマイナス電位が来る様に電池などの直流電源８を取り付け電位差を印加する。これによりスラリーの溶媒中に溶解・電離している不純物及び添加物である鋳型反応物質９（アルカリ金属系物質であるためプラスの電荷を持つ）をダミー部１０に集める。そしてスラリー硬化後、図８のように鋳型を脱型する。
【００３３】
鋳型脱型・電位差印加解除後、図９のように速やかにダミー部１０を鋳型本体から切り離す。この様な電位差印加造型（電解造型）により、鋳型内の鋳型反応物質９を造型作業中に除去する事が出来る。なお、電位差印加を解除した後、ダミー部１０を切り離さずにしばらく放置しておくと、図１０に示すように鋳型内の鋳型反応物質９が再拡散し、元の状態に戻ってしまう事になる。この為、電位差印加解除後は、速やかに鋳型本体からダミー部１０を切り離さなくてはならない。
【００３４】
また図１１の様に、ダミー部１０として別途製作しておいたものを用いても良いし、母型自体に導電化処理を施しておいて、鋳型材スラリー４に電位差を印加しても良い。電解造型に必要な電位差は経験上1V程度もあれば充分な為、市販の乾電池等を用いて簡便に電位差を印加する事が可能である。
【００３５】
以上のように本発明を用いると、鋳型造型工程（鋳型材スラリーの硬化段階）で、鋳型内に存在している鋳型反応物質９を鋳型外部に排出する事が可能となる。鋳型材スラリー４の硬化段階で、鋳型反応物質９は鋳型内部を移動はするものの、鋳型内部に留まることになる為、硬化時間調整や硬化時の鋳型寸法変化を防止する為に意図的に添加されているものが鋳型反応物質９となる場合（このケースは結構多い）であっても、鋳型造型工程で不具合を生じさせること無く、該当物質を鋳型硬化後に鋳型外部に除去する事が出来、鋳造時に反応して鋳造欠陥に結びつく事を防止出来るのである。
【００３６】
＜請求項2の発明＞
請求項1の発明は、鋳型材スラリーの硬化の段階で鋳型反応物質を電気化学的に鋳型本体の外部に排除するというものであったが、請求項2の発明は、鋳型の乾燥焼成中に電気化学的に鋳型内の鋳型反応物質を溶湯接触面とは反対側の面に集め、溶湯接触面から排除する事を要旨とした技術である。
【００３７】
請求項２の発明を図面を参照しつつ具体的に説明する。図１２は母型への鋳型スラリー注型→スラリー硬化→鋳型脱型後、鋳型乾燥焼成前（生型）の状態を示すもので、鋳型反応物質９は、鋳型内に均一に分散している。この鋳型の溶湯接触面側にプラス電極１１、溶湯接触面から遠い部位にマイナス電極１２を取り付け、電位差を印加した状態で、鋳型乾燥焼成を実施する。
【００３８】
鋳型内に『溶媒』が存在している内は、鋳型反応物質９が印加した電位差の影響を受けて、図１３に示すようにマイナス電極１２側に集まって行く。この図の場合は、鋳型の内部で溶媒が溶湯接触面側に移動する溶媒流れが存在している為、これに逆らって鋳型反応物質９をマイナス電極１２側に移動させる必要が有る。従って印加する電位差も、請求項1の場合よりは高めに設定する必要が出てくる。鋳型焼成が完了すると、鋳型内に溶媒が存在しなくなる為、電位差印加を解除しても、鋳型内部の鋳型反応物質の拡散現象は起こり辛くなる為、図１３の下段に示すように電位差印加を解除しても、鋳造までの間に鋳型反応物質９が溶湯接触面側に移動する危険性は低い。
【００３９】
＜請求項3の発明＞
上記の請求項１、２の発明の実施形態では、鋳型に電位差を印加するのに電池等の外部電源を利用したが、請求項１、２の発明を用いる際に特別な電源を用いずに、異種金属間を接触させたときに生じる電位差を利用する事を要旨としたのが請求項3の発明である。具体的には、図１４に示すように前記の導電性見切り台２、導電性ダミー枠７、電極板材質として、表１、表２の様な金属材料の組み合わせを用いれば良い。
【００４０】
【表１】
2007050436.tif 000003
【表２】
2007050436.tif 000004
【００４１】
請求項2の場合は、鋳型乾燥焼成の高温にさらされることになる。鋳型材が石膏であれば、その温度は200℃程度であるので、例１、２、３すべての組み合わせが採用可能であるが、セラミック鋳型を用いる場合は、その温度は800〜1000℃に達する為、例3の組み合わせが最も現実的なものとなる。800℃に達するまでに亜鉛、アルミニウムは溶解してしまうためである。なお、電極板一枚ずつの組み合わせでは、発生する電位差に必要な値が得られない場合には、図１４のように電極板を複数枚、各材質交互に直列に重ね合わせて、起電力を大きくして対応すれば良い。
【００４２】
＜請求項4の発明＞
請求項4の発明は、鋳型を外熱式の乾燥焼成炉で乾燥焼成する場合に、鋳型の溶湯接触面を下側に向け乾燥焼成炉内に投入して、乾燥焼成時に溶湯接触面から反対面側の鋳型内溶媒流れを生じさせ、鋳型反応物質を鋳型の溶湯接触面から排除し、その反対面側に集める事を要旨とした技術である。
【００４３】
図１５に示すように、母型に鋳型材スラリーを注型→硬化→脱型後、速やかに乾燥焼成に移る。鋳型内に溶媒が残っている状態で乾燥焼成を開始する事がここでのポイントである。鋳型内部には、ほぼ均一に鋳型反応物質が存在している。鋳型を乾燥焼成炉内に投入する際、鋳型の溶湯接触面側を下に向けた状態にする。鋳型の乾燥焼成で、鋳型内部の溶媒が気化し始めると、気化した溶媒は図１６に示すように、下から上へと言う方向性を持って飛散してゆく。この流れに沿うように、鋳型内部の溶媒（まだ気化していない溶媒）も下から上へと言う流れを生み、鋳型の天面側にたどり着いた時点で気化・飛散してゆく。この際に気化するのは溶媒だけで、鋳型反応物質９は鋳型内部に残留する事になる。従って、炉内での鋳型天面側の表面近傍に鋳型反応物質９が濃縮され、溶湯接触面では、その濃度が希薄なものとなって行く。
【００４４】
乾燥焼成が完了した鋳型内部には、溶媒が存在しない状態となる為、鋳型の背面側に濃化した鋳型反応物質９は鋳型内部を自由に移動しづらくなる。この為、鋳型乾燥焼成後、鋳造までの間に鋳型背面側に偏析した鋳型反応物質９が溶湯接触面側に再度拡散してゆくと言う現象が起き辛い。これにより鋳造時に鋳型反応性欠陥を発生しづらくする事が出来るのである。このように鋳型の溶湯接触面（意匠面）を下側に向けて乾燥焼成する事を『かぶせ焼き』と呼称する。請求項4の発明は請求項１〜３の発明に比べると、鋳型の溶湯接触面側から鋳型反応物質９を排除する能力は劣る事になるが、乾燥焼成時の鋳型配置（向き）だけで対処できるという簡便さで優れている。
【００４５】
＜請求項5の発明＞
請求項4の発明は鋳型をかぶせ焼きする事で、鋳型内部に溶湯接触面側からその半対面側への溶媒流れを作り、その流れに沿わせて鋳型反応物質を溶湯接触面側から排除すると言うものであった。その為『重力』を活用した鋳型反応物質排除法とも言える。一方請求項5の発明は、請求項4で重力を活用して作った溶媒流れを、鋳型の溶湯接触面とは反対側にのみ負圧（大気圧より低い圧力）を印加する事で作りだし、鋳型反応物質を溶湯接触面側から排除する事を要旨としたものである。
【００４６】
図１７に示すように、母型に鋳型材スラリーを注型→硬化→脱型後、速やかに乾燥焼成に移る。鋳型内に溶媒が残っている状態で乾燥焼成を開始する事がここでのポイントである。鋳型内部には、ほぼ均一に鋳型反応物質９が存在している。鋳型の溶湯接触面とは反対側に減圧排気装置１３（減圧チャンバー）を取り付け、負圧（大気圧マイナス0.05〜0.7気圧程度）を印加した状態で、鋳型乾燥焼成を実施する。負圧の影響を受けて、図１８に示すように鋳型内部に溶湯接触面側から反対面側への溶媒流れが形成される。（溶媒は減圧チャンバーに触れている面から優先的に気化排出される。）乾燥焼成が完了した鋳型内部には、溶媒が存在しない状態となる為、鋳型の背面側に濃化した鋳型反応物質９は鋳型内部を自由に移動しづらくなる。この為、鋳型乾燥焼成後、鋳造までの間に鋳型背面側に偏析した鋳型反応物質９が溶湯接触面側に再度拡散してゆくと言う現象が起き辛い。これにより鋳造時に鋳型反応性欠陥を発生しづらくする事が出来るのである。
【００４７】
この技術は、請求項１〜３と同等もしくはそれ以上の鋳型の溶湯接触面側から鋳型反応物質９を排除する能力を持っている。また二次的効能として、鋳型表面で加熱された溶媒が鋳型内部に『強制的に』引き込まれる事になる為、鋳型内部の昇温速度が高まり、結果的に鋳型乾燥焼成時間が短くなると言う利点も生まれる。本技術は鋳型の『通気性』が大きいほど高い効果を発揮すると言える。
【００４８】
＜請求項6の発明＞
請求項1〜5までは、鋳型内部の鋳型反応物質を鋳型の溶湯接触面に濃縮されるのを防止する技術であると言うことが出来るのに対し、請求項6は、鋳型乾燥焼成時に鋳型反応物質９を鋳型内部に均一に分布させたままにしておく技術を提供する。その具体的な手法は、『鋳型の内部加熱』である。内部加熱の手法には誘導電流による加熱や、マイクロ波による加熱が存在しているが、鋳型内部に電極を差し込む必要が無く、安全に効率的に内部加熱させられるマイクロ波加熱が、より好ましいと言える。マイクロ波加熱による精密鋳造用鋳型の急速乾燥技術そのものについては、本発明者の特許第3662908号に詳細が記載されている。
【００４９】
請求項6の発明の前提条件は、次の２つである。第１は、鋳型材をスラリー化する為の溶媒に『水』が含まれている事。マイクロ波は水には吸収されやすいがアルコールには吸収されづらいためである。第２は、鋳型内部で気化した水が気体（蒸気）のまま鋳型内部から外部に排出されるのに充分な通気性を鋳型が持っている事。折角鋳型内部から気化させた溶媒も、鋳型表面に向かう途中で冷却され、液体に戻ってしまうと鋳型表面に鋳型反応物質を濃縮させてしまうと言う逆効果を発現する為である。特許第3662908号では、発泡増量を5％以上とする事という定義で、この回避法を提示している。しかしながら、発泡増量による回避法以外にも、鋳型肉厚やスラリー調合時の混水率調整も可能である。
【００５０】
図１９に示すように、母型に鋳型材スラリーを注型→硬化→脱型後、速やかにマイクロ波加熱炉１４に入れ、乾燥焼成に移る。鋳型内に溶媒が残っている状態でマイクロ波加熱を開始する事がここでのポイントである。鋳型内部には、ほぼ均一に鋳型反応物質９が存在している。マイクロ波加熱により、鋳型内部から溶媒が気化・飛散してゆく。このスピードが極めて速い為、内部の鋳型反応物質９は溶媒の流れに乗りづらく、またこの流れに乗ったとしても、鋳型表面全域に均一に分散する形で移動する。このマイクロ波加熱を、少なくとも溶媒が鋳型内部からほぼ完全に飛散するまで実施する。
【００５１】
マイクロ波加熱で鋳型反応物質９を鋳型内部に置き去りにした形で溶媒を除去した後は、鋳型反応物質は鋳型内部での動きが取り辛くなる為、図２０のように外熱式乾燥焼成炉１５による外熱式乾燥焼成を施しても局部濃縮現象は発生しない。外熱式乾燥を必要とするのは、マイクロ波乾燥で除去しようとすると鋳型割れを発生させてしまいやすい『結晶水』除去が必要な鋳型の場合や、溶媒除去後の鋳型がマイクロ波を吸収しづらく、その後も長時間加熱が必要な場合（焼結反応等を進行させたい場合など）である。基本的には外熱式乾燥焼成は必須と言える。乾燥焼成後の鋳型は、生型状態の時とほぼ同様な鋳型反応物質分布となる。このように、請求項6の技術を用いれば、鋳型材のパウダー状態の鋳型反応物質濃度が反応欠陥を生じる臨界濃度を超えていなければ、鋳造欠陥を発生させる事無く、精密鋳造鋳物を製作できるというものである。
【００５２】
＜請求項7の発明＞
以上に説明した請求項1〜6の発明は、鋳型乾燥焼成工程までの段階で、鋳型内部の鋳型反応物質を溶湯接触面から排除したり、表面に局所濃縮させたりしない技術に関するものであった。これに対して請求項7の発明は、乾燥焼成後の鋳型で溶湯接触面に反応性不純物の濃縮層が出来てしまったものに対処出来る技術を提供する。
【００５３】
図２１に示すように、鋳型乾燥焼成工程で鋳型反応物質９を溶湯接触面に局部濃縮させてしまった場合、以下の様に対処する。先ず、鋳型表面から、水（アルカリ金属イオン等を含まない脱イオン水）を染み込ませる。図２１では水槽１６に浸す形で染み込ませているが、鋳型表面に霧吹き等で水の粒を吹き付けても良い。乾燥焼成後の鋳型は、水を良く染み込む為、この流れに沿って鋳型表面に濃縮されていた鋳型反応物質が鋳型内部へと拡散してゆく。充分に水を含浸させた鋳型は、乾燥焼成前の状態の様に、鋳型反応物質９が均一に分布した形となる。（乾燥前状態2に復元出来る。）それ以降、請求項２〜６の発明手法を用いて、含浸させた水分を再乾燥により除去する事で、鋳型反応性鋳造欠陥発生を防止出来るのである。上記の様に、請求項7の発明を用いれば、鋳造直前の鋳型であっても鋳型反応欠陥発生防止のための処置を施す事が出来る様になる。
【００５４】
以上、請求項１〜７の発明をそれぞれ単独で使用することを前提とした説明を行なったが、複数の請求項の発明を組み合わせたり、場合によっては全ての手法を用いたりして対応しても良いことはいうまでもない。
【実施例】
【００５５】
以下に各発明の実施例を比較例とともに示す。全ての実施例を通して製作した精密鋳造鋳物は図２２の通りであり、石膏鋳造法によるアルミ合金鋳物で、農耕タイヤ成形用金型である。図２２に示す鋳型形状を21個を360degに等配し、リング状の鋳物を得る鋳物製法である。実施例の精密鋳造鋳物の基本製法は次の通り。
母型  ：裏打ち付きシリコーンゴム型
鋳型材：ノリタケジプサム製G−6非発泡石膏30重量部
USG製ハイドロパーム発泡石膏70重量部  の混合品
上記混合パウダー100重量部に対して、25℃水70重量部でスラリー調合
調合時にスラリー中に気泡を巻き込ませ、50容積％程発泡させたものを使用
合金材：アルミ合金AC4C  （Si：7重量％、Mg：0.4重量％、Fe：0.4重量％、残Al）
鋳型乾燥条件  ：
＜外熱式乾燥＞  熱風循環式電気炉内にて、室温→（6時間昇温）200℃×64hr後、室温まで徐冷
＜マイクロ波乾燥＞（実施例6のみ）  マイクロ波出力3000Wの乾燥炉にて、マイクロ波加熱30分処理後、100℃に維持してある、上記熱風循環式電気炉に入れ、3hrで200℃まで昇温、以降200℃×48hr後、室温まで徐冷
鋳造条件  ：  鋳込み開始温度670℃  重力鋳造方式
【００５６】
＜実施例1＞請求項1の実施例
図２３の様に、石膏鋳型造型時に鋳型背面側にφ150、高さ100mmのダミー部を付けて、鋳型材スラリーを母型に注型後、ダミー部にマイナス、鋳型本体側面にプラスの3V電位を与えた状態で石膏鋳型を硬化（凝結）させ、母型から石膏鋳型を除去し、電位差印加を解除した直後にダミー部を切り離した。（以降は基本製法どおり。）鋳型乾燥時の鋳型の向きは図２３の下段の図に示す通りである。
【００５７】
＜実施例２＞請求項２の実施例
電位差印加なしの状態で造型した石膏鋳型を外熱式乾燥炉で乾燥する際、図２４のように6Vの電位差印加をかけた状態で乾燥を行ない。乾燥終了後電位差印加を解除した。（以降は基本製法どおり。）
【００５８】
＜実施例３＞請求項３の実施例
電位差印加なしの状態で造型した石膏鋳型を外熱式乾燥炉で乾燥する際、図２５のようにボルタの電池式の電位差印加をかけた状態で乾燥を行ない。乾燥終了後電位差印加を解除した。（以降は基本製法どおり。）
【００５９】
＜実施例４＞請求項４の実施例
電位差印加なしの状態で造型した石膏鋳型を外熱式乾燥炉で乾燥する際、図２６のように鋳型の意匠面（溶湯接触面）を下側に向けた状態で乾燥を行なった。（以降は基本製法どおり。）
【００６０】
＜実施例５＞請求項５の実施例
電位差印加なしの状態で造型した石膏鋳型を外熱式乾燥炉で乾燥する際、図２７のように鋳型の意匠面（溶湯接触面）を下側に向け、鋳型下面に大気圧マイナス400mmHgの負圧を印加した状態で乾燥を行なった。減圧印加は200℃×64hr保持の最後の時点で解除し、以降負圧を印加しない状態で徐冷した。（以降は基本製法どおり。）
【００６１】
＜実施例６＞請求項６の実施例
電位差印加なしの状態で造型した石膏鋳型に図２８のようにマイクロ波乾燥処理を施し、その遊離水も90％ほどを除去した直後に、100℃に保持して熱風循環炉に投入し、外熱乾燥にて鋳型乾燥（結晶水除去）を完了させた。（以降は基本製法どおり。）
【００６２】
＜比較例１＞本発明を用いなかった場合
本発明を一切用いずに、従来どおり鋳型を製作し、外熱式乾燥で鋳型乾燥を実施した後、鋳造を行なった。（図２９）
【００６３】
＜実施例７＞請求項７の実施例
比較例1の様にして、乾燥を完了させた石膏鋳型の溶湯接触面（意匠面）に、霧吹きを用いて脱イオン水を鋳型一個当たり200ccほど吹き付けた後、図３０の様に熱風循環炉内で200℃×12hrの鋳型かぶせ焼きを行ない、鋳造を実施した。
【００６４】
各実施例・比較例の結果を、鋳物での鋳造欠陥（鋳型反応欠陥）の多さで比較した。その一覧を表３に示す。なお図３１は鋳型反応欠陥発生部位の解説図である。経験上、左記模式図のA部、B部に鋳型乾燥時に鋳型内鋳型反応物質（アルカリ金属系不純物）が集まりやすく、ここで鋳物の鋳造欠陥数（鋳型反応欠陥数）を計測比較すれば、各実施例の差が明確になると言える。）
請求項1〜7の発明は、それぞれ単独で用いても、何の改善処置を施さなかった比較例1と比べて、大幅に鋳造欠陥（鋳型反応性欠陥）を減少させる事が出来た。（比較例1は不良判定。実施例1〜7は合格判定となった。）
【００６５】
【表３】
2007050436.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】突起形状有り鋳型と突起形状無し鋳型の模式図である。
【図２】鋳型乾燥焼成開始前と開始後の鋳型反応物質の分布図である。
【図３】鋳型反応物質の濃縮スポットが形成された鋳型の模式図である。
【図４】鋳造時の鋳型反応欠陥発生メカニズムの説明図（前半）である。
【図５】鋳造時の鋳型反応欠陥発生メカニズムの説明図（後半）である。
【図６】請求項１の発明の実施形態を示す工程説明図である。
【図７】図６の続きの工程説明図である。
【図８】図７の続きの工程説明図である。
【図９】図８の続きの工程説明図である。
【図１０】電位差印加解除後の鋳型反応物質の拡散を示す説明図である。
【図１１】請求項１の発明の変形例を示す説明図である。
【図１２】請求項２の発明の実施形態を示す工程説明図である。
【図１３】図１２の続きの工程説明図である。
【図１４】請求項３の発明の実施形態を示す説明図である。
【図１５】請求項４の発明の実施形態を示す説明図である。
【図１６】図１５の続きの工程説明図である。
【図１７】請求項５の発明の実施形態を示す説明図である。
【図１８】図１７の続きの工程説明図である。
【図１９】請求項６の発明の実施形態を示す説明図である。
【図２０】図１９の続きの工程説明図である。
【図２１】請求項７の発明の実施形態を示す工程説明図である。
【図２２】全実施例で製作される精密鋳造鋳物の説明図である。
【図２３】実施例１の説明図であり、下段は乾燥時の鋳型の向きを示す。
【図２４】実施例２の説明図である。
【図２５】実施例３の説明図である。
【図２６】実施例４の説明図である。
【図２７】実施例５の説明図である。
【図２８】実施例６の説明図である。
【図２９】比較例の説明図である。
【図３０】実施例７の説明図である。
【図３１】鋳型反応欠陥発生部位の説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  母型
２  導電性見切り台
３  枠
４  鋳型材スラリー
５  蓋
６  絶縁シート
７  導電性ダミー枠
８  直流電源
９  鋳型反応物質
１０  ダミー部
１１  プラス電極
１２  マイナス電極
１３  減圧排気装置
１４  マイクロ波加熱炉
１５  外熱式乾燥焼成炉
１６  水槽
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007050436.tif 000022
【図１８】
2007050436.tif 000023
【図１９】
2007050436.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2007050436.tif 000028
【図２４】
2007050436.tif 000029
【図２５】
2007050436.tif 000030
【図２６】
2007050436.tif 000031
【図２７】
2007050436.tif 000032
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2007050436.tif 000035
【図３１】
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