(57)【要約】      （修正有）【課題】抜き勾配がなくても鋳造後の製品からの中子の抜け性を良くする鋳造装置、及び、鋳造方法を提供する。【解決手段】抜き勾配が形成されていないオーステナイト系ステンレス材で形成された中子２０を鋳型１０内に配置し該鋳型内に鋳鉄Ｍを注湯し、熱膨張係数が大きく、表面安定性に優れ、熱間強度の高いオーステナイト系ステンレス材で形成した金属製の中子の特性を活用することにより、冷却後に置き中子を引き抜くことが出来、中子の表面にメッキを施す等の前処理を施す必要がなく、中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造可能とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抜き勾配が形成されていないオーステナイト系ステンレス材で形成された中子を鋳型内に配置し該鋳型内に鋳鉄を注湯して中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造可能としたことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
前記製品はカムを一体化した鋳鉄中空カムシャフトであることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
抜き勾配が形成されていないオーステナイト系ステンレス材で形成された中子を鋳型内に配置し該鋳型内に鋳鉄を注湯し冷却後に置き中子を引き抜いて中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造することを特徴とする鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空の鋳抜き孔を有する製品を鋳造する鋳造装置、及び、鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型鋳造製の製品の中空の鋳抜き孔は、砂中子を用い鋳抜いて成形しており以下の問題点がある。まず、砂中子は、１ショットごとの使い捨てのためコストが高い。また、砂中子のバインダーの燃焼ガス、或いは、大気中より吸蔵したガスのため、製品内部に欠陥が発生する可能性があり、これを防止するためにガス吸引装置が必要となり、作業性がわるい。また、砂落とし工程が必要となり、工程数が増加する。また、砂中子は折れやすく、中子を自動で鋳型内に配置するための速度を上げることができない。
この対策として、繰り返し使用できる、金属製の置き中子、もしくは、金属製の鋳抜きピンを使用する方法がある。繰り返し使用できる金属製の中子、或いは、ピンを使用する場合、鋳鉄の凝固後、製品より引き抜く必要がある。鋳鉄の製品部は凝固後、収縮するため、金属製の中子、或いは、ピンを引き抜くために、抜き勾配を設ける必要がある。そのため、製品の後加工で、抜き勾配をなくする仕上げをする必要があり、サイクルタイムが長くなるという問題がある。
この問題を解決するために、格別に抜け勾配を付けずとも製品との離れ性が良く、後加工で抜け勾配をなくする仕上げ加工を行わずとも済むダイカスト用中子ピンを提供することを課題とし、ピン表面の表面粗さをＲｍａｘ＝１μｍ以下に研磨してなる中子ピンが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３５７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、表面粗さを小さくした置き中子を製作しても、繰り返し使用するうちに、打痕、擦り傷、溶湯の付着などによって表面粗さが大きくなっていき、製品からの抜け性が悪化する恐れがある。また、置き中子の全長軸長が長くなり、製品からの離型時のストロークが大きい場合、表面粗さを小さくしただけでは、製品からの離型は困難である。
本発明は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、抜き勾配がなくても鋳造後の製品からの抜け性が良い中子を用いた鋳造装置、及び、鋳造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、抜き勾配が形成されていないオーステナイト系ステンレス材で形成された中子を鋳型内に配置し該鋳型内に鋳鉄を注湯して中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造可能としたことを特徴とする。
この構成によれば、中子を熱膨張係数の大きいオーステナイト系ステンレス材で形成したため、中子に抜き勾配を形成せずとも、オーステナイト系ステンレス材の熱間と冷間との寸法差を利用して鋳造製品冷却後に中子を引き抜くことができる。これによって、製品の後加工で、抜き勾配をなくする仕上げをする必要がなく、サイクルタイムの短縮を図ることができる。また、この構成によれば、オーステナイト系ステンレス材は、熱間強度が高いため、溶湯の熱で中子が高温になっても、中子の強度が下がることがなく、鋳造時に中子が溶湯の熱で曲がってしまうことがない。さらに、オーステナイト系ステンレス材は表面安定性が高いため、中子の表層に溶湯が触れても、化学的に反応することがなく、中子の表面に損傷が生じない。これによって、製品冷却後に引き抜いた中子を繰り返し再利用することができ、コストの削減を図ることができる。
【０００６】
この構成において、前記製品はカムを一体化した鋳鉄中空カムシャフトである構成としても良い。
この構成によれば、中子を表面安定性の高いオーステナイト系ステンレス材を使用しているため、鋳鉄中空カムシャフトの中空部の表面が荒れることがなく、カムシャフトの重さのバランスが安定するため、カムシャフトの回転バランスの向上を図ることができる。
【０００７】
また、本発明は、抜き勾配が形成されていないオーステナイト系ステンレス材で形成された中子を鋳型内に配置し該鋳型内に鋳鉄を注湯し冷却後に置き中子を引き抜いて中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造することを特徴とする。
この構成によれば、熱膨張係数が大きく、表面安定性に優れ、熱間強度の高いオーステナイト系ステンレス材で形成した金属製の中子を用いたため、中子を鋳型に配置する前に、中子の表面にメッキを施す等の前処理を施す必要がなく、さらに、中子によって形成された抜き勾配をなくする後加工を製品に施す必要もないため、サイクルタイムの短縮を図ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、オーステナイト系ステンレス材で形成された中子を鋳型内に配置し該鋳型内に鋳鉄を注湯して中空の鋳抜き穴を有する製品を鋳造するため、熱膨張が大きいオーステナイト系ステンレス材の熱間と冷間との寸法差を利用して、中子の表面粗さや引き抜き長さに関係なく、抜き勾配がなくても鋳造後の製品からの中子の抜け性を良くすることができるという効果を奏する。
また、オーステナイト系ステンレス材は、表面安定性に優れているため、オーステナイト系ステンレス材の中子によって形成された鋳鉄中空カムシャフトの中空部の表面が荒れることがなく、カムシャフトの重さのバランスが安定するため、カムシャフトの回転バランスの向上を図ることができる。
また、オーステナイト系ステンレス材は、熱間強度が高いため、鋳造時に中子が溶湯の熱で高温になっても、中子の強度が下がることがなく、中子が溶湯の流入する勢いで曲がってしまうことがないため、狙った形状に中空部を形成することができる。
さらに、鋳造時に表面に損傷を負うことがなく、溶湯の熱で曲がることがないオーステナイト系ステンレス材で形成された金属製の置き中子は、鋳造後の製品から引き抜いて繰り返し使用することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の鋳造装置の構造を示す断面図である。
【図２】カムシャフトの構造を示す断面図である。
【図３】中子材質の特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を適用した実施形態に係る鋳造装置１の構造を示す断面図である。鋳造装置１は、鋳型１０と、中子２０とから構成される。鋳型１０は、熱伝導率の高い銅合金等から形成され、鋳造製の製品を成形するための製品キャビティ１１を備える。鋳型１０は、また、溶湯を受ける受口１２と、この受口１２から下方に伸びる湯口１３と、湯口１３から、製品キャビティ１１の入り口である製品ゲート１５につながる湯道１４と、製品キャビティ１１の上部に設けられた湯だまり１６と、を備える。鋳型１０には、一度に複数の製品を鋳造するために、複数の製品キャビティ１１が形成されている。
【００１１】
製品キャビティ１１は、本実施形態においては、鋳鉄中空の回転体の製品、例えばカムシャフト３０を作製するための鋳造空間であり、製品キャビティ１１の上部に設けられた湯だまり１６には、製品の凝固による収縮分を補うために鋳型１０内に余分に注入された溶湯が溜まるように構成されている。
【００１２】
カムシャフト３０は、図２に示すように、中空部（鋳抜き孔）３１、コマ３２、シャフト表面３３を備える。中空部３１は、カムシャフト３０の軽量化、及び、カムシャフト３０の慣性質量の低減のために設けられるカムシャフト３０は、中空部３１を備えるため、中空部３１とシャフト表面３３の間の肉厚が薄い薄肉の製品となる。
【００１３】
中空部３１は、図１に示すように、製品キャビティ１１内に配置された中子２０によって鋳抜かれて形成される。中子２０は、略真円の円柱状に形成され、中子２０の中心がカムシャフト３０の回転軸中心と同心になるように配置される。中子２０によって、カムシャフト３０の中空の鋳抜き穴が、１本の真っ直ぐな深穴形状に形成される。詳述すると、まず、製品キャビティ１１に中子２０を配置して、鋳型１０を閉じた後、不図示の鋳鉄炉にて溶解されたＦＣＤ７００材等の鋳鉄溶湯Ｍを、取鍋Ｌを用いて例えば溶湯温度１３８０度で、受口１２から温度制御された鋳型１０内に注湯する。中子２０は、製品キャビティ１１内に注湯された鋳鉄溶湯Ｍによって鋳包まれる。次に、所定時間のキュアタイムの後に製品キャビティ１１からカムシャフト３０を離型する。中子２０は、カムシャフト３０の離型時にはカムシャフト３０内に挿入されたままとなる置き中子であり、中子２０は、カムシャフト３０を常温まで冷却した後に、引き抜かれ、中空部３１が形成される。
【００１４】
中子２０は、主成分がクロムとニッケルとからなるオーステナイト系ステンレス材、例えばＳＵＳ３０４、で形成される金属製の置き中子である。中子２０には、抜き勾配は形成されていない。また、中子２０には、表面コーティングは施されていない。さらに、中子２０は、鋳型１０内に配置する前に冷却等をせず、常温におかれていた中子２０が鋳型１０内に配置される。
【００１５】
図３は、鋳鉄溶湯に対しての融点、及び、コスト等の条件に基づいて選択した、中子２０として利用可能な金属である、オーステナイト系ステンレス材、フェライト系ステンレス材、フェライト系スチール材、フェライト系スチール材の表面にメッキを施した材質、及び、純銅の特性を示す図である。ＳＵＳ３０４は、オーステナイト系ステンレス材である。ＳＵＳ４３０は、フェライト系ステンレス材である。Ｓ４５Ｃは、フェライト系スチール材である。Ｓ４５Ｃ＋Ｓｎメッキは、フェライト系スチール材の表面に錫メッキを施した材質である。Ｓ４５Ｃ＋Ｎｉメッキは、フェライト系スチール材の表面にニッケルメッキを施した材質である。純Ｃｕは、純銅である。
【００１６】
図３に示すように、ＳＵＳ３０４の熱膨張係数は、純Ｃｕと同じ高さであり、他の材質の膨張係数よりも著しく高い。熱膨張係数が高いということは、つまり、熱間と冷間との寸法差が大きいという事である。製品であるカムシャフト３０は、冷却（凝固）によって収縮する。そのため、中子２０を熱膨張係数が低い材質で形成した場合には、カムシャフト３０が凝固するさいに、中子２０が、カムシャフト３０によって抱き込まれるように拘束されてしまう。ＳＵＳ３０４、或いは、純Ｃｕを中子２０の材質に用いた場合には、熱膨張係数が高いため、熱間と冷間との寸法差が大きく、カムシャフト３０が凝固時に収縮しても、中子２０がカムシャフト３０によって拘束されることがない。よって、中子２０に抜き勾配を形成しなくても、中子２０をカムシャフト３０の冷却後に引き抜いて、容易に取り出すことができる。
また、図３に示すように、ＳＵＳ３０４の抗張力は、他の材質と比べて高い。ＳＵＳ３０４は、抗張力が４９０ＭＰａ以上の高張力鋼であり、強度の高い材質である。強度の高いＳＵＳ３０４を中子２０の材質として用いることで、中子２０を繰り返し再利用することが可能となる。
【００１７】
さらに、図３に示すように、ＳＵＳ３０４、及び、ＳＵＳ４３０の表面安定性は、Ｓ４５Ｃの表面にメッキを施した材質と略同じか、或いは、それ以上である。これは、ステンレス材においては、ステンレス材に含まれるクロムと空気中の酸素とが結びつくことによって、ステンレス材の表層に不動態膜が生成されるためである。中子２０の表層は、溶湯に触れるため、表面安定性が悪いと、溶湯と化学的に反応し、ガス欠陥が発生して、カムシャフト３０中に空孔等が形成される場合がある。純Ｃｕは、熱膨張係数は高いが、表面安定性が悪いため、中子２０の材質としては適していない。
また、表面安定性が高い材質で中子２０を形成することで、カムシャフト３０の製品表面の荒れを防ぐことができるため、カムシャフト３０の重さのバランスを安定させることができ、カムシャフト３０の回転バランスの向上を図ることができる。
【００１８】
上述した、熱膨張係数の高さ、抗張力の高さ、及び、表面安定性の良さから、ＳＵＳ３０４は、鋳鉄溶湯に対しての融点、及び、コスト等の条件に基づいて選択した金属材質の中で最も金属性の置き中子の材質として適していると判明した。
さらに、図示は省略したが、ＳＵＳ３０４は、熱間強度が高いため、ＳＵＳ３０４から形成された中子２０は、溶湯の熱で熱せられても、強度が高温によって下がることがなく、溶湯の流れで中子２０が曲がってしまうことがない。よって、溶湯の熱による中子２０の曲がりを防止して、狙った形状の中空部３１を形成することができる。
【００１９】
ＳＵＳ３０４と比べて、フェライト系ステンレス材であるＳＵＳ４３０は、表面安定性は良いものの、熱膨張係数が高くない。よって、ＳＵＳ４３０で形成した中子２０を用いた場合には、カムシャフト３０を常温まで冷却したさいに、中子２０が製品によって抱き込まれるように拘束されてしまう可能性があり、ＳＵＳ４３０は、中子２０の材質としては適していない。
また、フェライト系スチール材であるＳ４５Ｃは、熱膨張係数が低く、表面安定性も悪いため、中子２０の材質としては適していない。
【００２０】
Ｓ４５Ｃの表面に錫（Ｓｎ）メッキ、或いは、ニッケル（Ｎｉ）メッキを施した中子２０を使用した場合には、中子２０の表面安定性が向上し、また、メッキが溶湯中で熔解するため、中子２０の抜け性も向上されるが、１ショット毎に、中子２０を製品キャビティ１１内に配置する前に、中子２０の表面にメッキを施す前処理を行う必要があり、繰り返して中子２０を再利用という点では、工程が増し、不十分である。
中子２０の材質として純Ｃｕを用いた場合には、熱膨張係数は高いものの、表面安定性が良くないため、カムシャフト３０の中空部３１の表面が荒れ、また、熱間強度が低いので曲がる。そのため、カムシャフト３０の重さのバランスが不安定になることが考えられるため、純銅は中子２０の材質としては適していない。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、中子２０を表面コーティングの施されていない金属製としたことで、中子を表面コーティングを施す等の前処理無しで繰り返し使用することができるようになり、中子２０が金属のため、扱いやすく、中子２０の鋳型へのセットが迅速にでき、中子２０を鋳型内に配置するまでにかかる時間が短縮されるため、結果的にラインのサイクルタイムの短縮を図ることができる。
また、本実施形態によれば、砂中子に換えて、中子２０を金属製としたことで、中子２０が再利用可能となり、製造コストの削減を図ることができる。
また、本実施形態によれば、中子２０を金属の中でも、熱膨張係数の高いオーステナイト系ステンレス材で形成したため、中子２０に抜き勾配を形成しなくても、中子２０の熱間と冷間との寸法差を利用して、製品冷却後に中子２０を容易に製品から引き抜くことができる。これによって、製品の後加工で、抜き勾配をなくする仕上げをする必要がなく、サイクルタイムの短縮を図ることができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、中子２０をオーステナイト系ステンレス材で形成したため、中子２０の表層に不動態膜が生成され、中子２０の表面安定性を向上することができ、砂中子を使用した場合の砂起因のガス欠陥の発生、或いは、金属の酸化層と溶湯が触れることによるガス欠陥の発生を防ぐことができ、品質歩留まりを向上することができる。また、中子２０をオーステナイト系ステンレス材で形成したため、中子２０に表面コーティングを施すなどの表面処理を行わなくても中子２０の表面安定性を得ることができ、中空部３１の表面が荒れることがないため、カムシャフト３０の重さのバランスが安定し、カムシャフト３０の回転バランスの向上を図ることができる。
また、本実施形態によれば、砂中子に換えて、中子２０を金属製としたことで、中子砂落としを行う必要がなく、さらに、砂処理を廃止することができため、製造工程で砂の使用がなくなり、作業環境の改善を図ることができる。
【符号の説明】
【００２３】
１  鋳造装置
１０  鋳型
２０  中子
３０  カムシャフト（製品）
３１  中空部（鋳抜き孔）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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