(57)【要約】【課題】内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する際に、前記コーナ部の熱間割れを防止する。【解決手段】内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する鋳造方法であって、鋳型の内部に中子を配置する中子配置工程と、前記鋳型および前記中子によって形成される注湯空間に、可縮性を有する可縮部材を配置する可縮部材配置工程と、前記注湯空間に溶湯を注入する注湯工程と、を備え、前記可縮部材配置工程では、前記鋳物の前記コーナ部と前記中子との間に前記可縮部材が介在するように、前記可縮部材を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する鋳造方法であって、
鋳型の内部に中子を配置する中子配置工程と、
前記鋳型および前記中子によって形成される注湯空間に、可縮性を有する可縮部材を配置する可縮部材配置工程と、
前記注湯空間に溶湯を注入する注湯工程を備え、
前記可縮部材配置工程では、前記鋳物の前記コーナ部と前記中子との間に前記可縮部材が介在するように、前記可縮部材を配置することを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記可縮部材は、前記中子より熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記可縮部材の熱伝導率が０．１０ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以上０．１６ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記可縮部材は、繊維状に結晶化したセラミックスを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の鋳造方法。
【請求項５】
前記セラミックスがＳｉＣであることを特徴とする請求項４に記載の鋳造方法。
【請求項６】
前記可縮部材の横断面における該可縮部材の幅は、前記コーナ部を形成する前記鋳物の厚さ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の鋳造方法。
【請求項７】
内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物の鋳造に用いられる鋳型装置であって、
鋳型と、
前記鋳型の内部に配置される中子と、
前記鋳型および前記中子によって形成される注湯空間に配置され、可縮性を有する可縮部材を備え、
前記可縮部材は、前記鋳物の前記コーナ部と前記中子との間に介在するように、前記注湯空間に配置されることを特徴とする鋳型装置。
【請求項８】
前記可縮部材は、前記中子より熱伝導率が高いことを特徴とする請求項７に記載の鋳造装置。
【請求項９】
前記可縮部材は、前記可縮部材の少なくとも一端が前記鋳型の内側壁に接するように配置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の鋳型装置。
【請求項１０】
前記可縮部材は、繊維状に結晶化したセラミックスを含むものであり、
前記可縮部材は前記セラミックスによって形成された繊維の配置方向に延設され、前記繊維の少なくとも一端が前記鋳型の内側壁に接するように配置されていることを特徴とする請求項９に記載の鋳型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、鋳物の熱間割れを抑制可能にした鋳造方法及び鋳型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する場合、前記コーナ部は熱がこもり易く、そのため、周囲に比べて凝固が遅れる傾向にある。また、鋳物の凝固収縮時に内側から中子の反力を受けて引張り荷重が発生する。この引張り荷重により前記コーナ部に応力集中が起り、き裂が発生するおそれがある。
このコーナ部の熱間割れをなくすために、現状、前記コーナ部のＲ形状を大きくして応力集中を回避したり、あるいは前記コーナ部の冷却速度を増加させてき裂をなくすため、前記コーナ部に面して冷し金を設置している。
【０００３】
しかし、前者の対策は、設計自由度が制限されると共に、必要に応じて後加工を要したり、あるいは肉厚が厚くなるため、引け巣欠陥発生リスクが増加し、あるいは重量増加をまねく等の問題がある。
後者の対策は、熱間割れを無くすには有効であるが、冷し金の重量が大きいため、ハンドリングが容易でなく、かつ設置可能な冷し金の形状に制約がある等の問題がある。
【０００４】
特許文献１には、熱間割れを防止する対策として、溶湯の注入による昇温によって体積が縮小する粒状の可縮剤を砂粒子及び粘結剤と混練して中間砂をつくり、該中間砂を鋳型の内部に配置することで、鋳物に対する鋳型の拘束力を低減し、これによって、熱間割れを防止する手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１５２３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された手段は、特許文献１の図２に示すように、鋳物に対して中子側ではなく、鋳型の内部に前記中間砂を充填している。これでは、鋳物の凝固収縮時に鋳物に対する中子の反力を低減できないおそれがある。そのため、中空構造の鋳物の内側コーナ部の熱間割れを解消できるか疑問がある。
【０００７】
かかる従来技術の課題に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する際に、前記コーナ部の熱間割れを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る鋳造方法は、
内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する鋳造方法であって、
鋳型の内部に中子を配置する中子配置工程と、
前記鋳型および前記中子によって形成される注湯空間に、可縮性を有する可縮部材を配置する可縮部材配置工程と、
前記注湯空間に溶湯を注入する注湯工程と、を備え、
前記可縮部材配置工程では、前記鋳物の前記コーナ部と前記中子との間に前記可縮部材が介在するように、前記可縮部材を配置する。
前記（１）の方法によれば、鋳物の内側コーナ部と中子との間に介在した前記可縮部材が鋳物の凝固時に収縮するため、収縮する鋳物の内側コーナ部に対する中子の反力を低減できる。これによって、内側コーナ部に発生する引張り力を低減でき、内側コーナ部に発生する応力集中を緩和し、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、前記（１）の方法において、
前記可縮部材は、前記中子より熱伝導率が高い。
前記（２）の方法によれば、可縮部材の熱伝導率が中子より高いため、前記内側コーナ部の冷却速度を中子に接する鋳物の他の部位より増大できる。そのため、他の部位に比べて内側コーナ部の凝固の遅れを無くすことができ、内側コーナ部に発生する応力集中が緩和するので、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、前記（２）の方法において、
前記可縮部材の熱伝導率が０．１０ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以上０．１６ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以下である。
前記（３）の方法によれば、可縮部材の熱伝導率を前記数値範囲とすることで、周囲に比べて前記コーナ部の冷却速度を高め、凝固の遅れを無くすことができるので、内側コーナ部に発生する応力集中が緩和するので、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
【００１１】
（４）幾つかの実施形態では、前記（１）〜（３）の方法の何れかにおいて、
前記可縮部材は、繊維状に結晶化したセラミックスを含む。
繊維状に結晶化したセラミックスは繊維の配置方向への熱伝導率が特に高い。
前記（４）の方法によれば、可縮部材が繊維状に結晶化したセラミックスを含むため、鋳物の内側コーナ部の冷却速度を高め、凝固の遅れを無くすことができるので、内側コーナ部に発生する応力集中が緩和するので、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
また、繊維状に結晶化したセラミックスは比重が小さいため、ハンドリングが容易になり、可縮部材の大きさ、形状及び設置場所等の自由度を広げることができる。
【００１２】
（５）幾つかの実施形態では、前記（４）の方法において、
前記セラミックスがＳｉＣである。
繊維状に結晶化したセラミックスのうち、特にＳｉＣは熱伝導率が高い。そのため、可縮部材が繊維状に結晶化したＳｉＣを含むことで、内側コーナ部の冷却速度をさらに高め、内側コーナ部のき裂の発生を効果的に抑制できる。
【００１３】
（６）幾つかの実施形態では、前記（１）〜（５）の方法の何れかにおいて、
前記可縮部材の横断面における該可縮部材の幅は、前記コーナ部を形成する前記鋳物の厚さ以上である。
前記（６）の方法によれば、前記可縮部材による内側コーナ部の冷却効果をさらに高めることができ、これによって、内側コーナ部のき裂の発生をさらに効果的に抑制できる。
【００１４】
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る鋳型装置は、
内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物の鋳造に用いられる鋳型装置であって、
鋳型と、
前記鋳型の内部に配置される中子と、
前記鋳型および前記中子によって形成される注湯空間に配置され、可縮性を有する可縮部材と、を備え、
前記可縮部材は、前記鋳物の前記コーナ部と前記中子との間に介在するように、前記注湯空間に配置される。
【００１５】
前記構成（７）によれば、鋳物の内側コーナ部と中子との間に介在した可縮部材が鋳物の凝固収縮時に収縮するため、収縮する鋳物の内側コーナ部に対する中子の反力を低減できる。これによって、内側コーナ部に発生する引張り力を低減でき、内側コーナ部に発生する応力集中を緩和し、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
【００１６】
（８）幾つかの実施形態では、前記構成（７）において、
前記可縮部材は、前記中子より熱伝導率が高い。
前記構成（８）によれば、可縮部材の熱伝導率が中子より高いため、前記内側コーナ部の冷却速度を中子に接する鋳物の他の部位より増大できる。そのため、他の部位に比べて内側コーナ部の凝固の遅れを無くすことができ、内側コーナ部に発生する応力集中が緩和するので、内側コーナ部のき裂の発生を抑制できる。
【００１７】
（９）幾つかの実施形態では、前記構成（７）又は（８）において、
前記可縮部材は、前記可縮部材の少なくとも一端が前記鋳型の内側壁に接するように配置されている。
前記構成（９）によれば、溶湯は、可縮部材及び可縮部材に接した鋳型の内側壁から鋳型を介した経路で放熱量を増大できる。そのため、鋳物の内側コーナ部の冷却速度をさらに高め、内側コーナ部のき裂発生を効果的に抑制できる。
【００１８】
（１０）幾つかの実施形態では、前記構成（９）において、
前記可縮部材は、繊維状に結晶化したセラミックスを含むものであり、
前記可縮部材は前記セラミックスによって形成された繊維の配置方向に延設され、前記繊維の少なくとも一端が前記鋳型の内側壁に接するように配置されている。
繊維状に結晶化したセラミックスは、繊維の配置方向と該配置方向と交差する方向とでは異方性を有するものがある。そこで、前記可縮部材として、繊維の配置方向への熱伝導率が特に高い前記セラミックスを用い、この可縮部材を繊維の配置方向に延設し、前記繊維の少なくとも一端が前記鋳型の内側壁に接するように配置することで、鋳物の内側コーナ部の冷却速度を向上でき、内側コーナ部のき裂発生を効果的に抑制できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する際に、前記コーナ部と中子との間に可縮部材を介在させることで、前記コーナ部の熱間割れを抑制できる。これによって、内側コーナ部の形状を自由に設定できる。これにより従来の割れ対策であった余肉の設置やそれに伴う後処理等が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋳型装置の正面視断面図である。
【図２】前記鋳型装置に用いられる中子の製造工程を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鋳造方法の工程図である。
【図４】前記実施形態で製造された鋳物の斜視図である。
【図５】可縮部材として用いられる結晶質のＳｉＣ繊維の組成等を示す図表である。
【図６】冷却速度の算出対象とする鋳物及び可縮部材の配置を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６に示す鋳物の内側コーナ部の冷却速度を示す線図である。
【図８】冷却過程における鋳物の温度分布を示す斜視図である。
【図９】冷却過程で鋳物に加わる中子の反力分布を示す説明図である。
【図１０】冷却過程で鋳物に加わる引張り力を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２２】
図８〜図１０は、中空構造を有する鋳物１００を従来の鋳造方法で鋳造する場合を示している。鋳物１００を従来の鋳造方法で鋳造する場合に、内側空間１０２に面した内側コーナ部１００ａに応力集中が発生する。
図８に示すように、鋳造後の冷却過程では、鋳物１００の軸方向では中央部ａに熱がこもる傾向にある。切断位置Ｃの切断面において、特に内側コーナ部１００ａに熱がこもり、ホットスポットになりやすい。
図９に示すように、鋳物１００の収縮過程で中子１０４に鋳物１００の収縮変形に伴う収縮力Ｆｃが加わるが、逆に鋳物１００は中子１０４から反力Ｆｒを受ける。
これによって、図１０に示すように、凝固が遅い内側コーナ部１００ａに両側から引張り力Ｆｔが加わって応力集中が起り、き裂ｃが発生しやすい。
【００２３】
図１は本発明の一実施形態に係る鋳型装置１０を示す。
鋳型装置１０は、鋳枠１２の内側に鋳型１４が設けられ、鋳型１４の内部に中子１６が設けられる。そして、鋳型１４及び中子１６によって注湯空間ｓが形成される。例示的な実施形態では、鋳型１４には、湯道１８及びガス抜き孔２０が形成される。
さらに、後述する可縮部材２６が注湯空間ｓに配置される。該可縮部材は注湯工程後の鋳物の冷却過程で収縮する可縮性を有する。後述するように、注湯空間ｓに注入される溶湯で形成される鋳物の内側コーナ部と中子１６との間に介在するように配置される。
【００２４】
図２は一実施形態に係る中子の製造工程を示している。図２は平面図及び正面図で構成され、一部が斜視図で構成されている。
まず、注湯空間ｓに対応した形状を有する木型２２が用意される。次に、木型２２に形成された内側空間２４のコーナ部２４ａに可縮部材２６を配置する。さらに、内側空間２４に、例えば、樹脂及び硬化材等を混合した砂を充填し、中子１６を形成する。その後、木型２２を解体して中子１６を取り出す。
可縮部材２６は中子１６の四隅コーナ部に埋設され、表面に露出した状態となる。
【００２５】
次に、一実施形態に係る鋳造方法を図３に基づいて説明する。
まず、鋳型１４の内部に中子１６を配置する（中子配置工程Ｓ１０）。次に、鋳型１４及び中子１６によって形成される注湯空間ｓに、可縮部材２６を配置する（可縮部材配置工程Ｓ１２）。可縮部材２６は、後の注湯工程Ｓ１４で注湯空間ｓに形成される鋳物のコーナ部と中子１６との間に介在するように配置される。ここでは、例示的な実施形態として、図２に示すように、予め中子１６の四隅に可縮部材２６を埋設しておき、中子１６と共に可縮部材２６を鋳型１４に配置してもよい。
その後、注湯空間ｓに溶湯を注入して鋳物を製造する（注湯工程Ｓ１４）。
【００２６】
図４は前記実施形態に係る鋳造方法によって鋳造された鋳物３０と可縮部材２６との配置関係を示す斜視図である。
可縮部材２６の横断面における可縮部材２６の幅ｗは、鋳物３０の内側コーナ部３０ａを形成する鋳物３０の厚さｔ以上となっている。
これによって、内側コーナ部３０ａの冷却速度をさらに高め、内側コーナ部３０ａのき裂発生を効果的に抑制できる。
なお、可縮部材２６の幅ｗは、例えば、可縮部材２６の横断面が正方形である場合該正方形の一辺の長さであり、長方形である場合該長方形の短辺の長さであり、円形である場合該円形の直径であり、楕円形である場合該楕円形の単軸の長さである。
【００２７】
少なくとも一実施形態によれば、注湯工程Ｓ１４において、注湯空間ｓに注入された溶湯の冷却過程で、鋳物３０の凝固収縮と共に可縮部材２６（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）が収縮するため、収縮する鋳物３０の内側コーナ部３０ａに作用する中子１６（３２）の反力を低減できる。
これによって、内側コーナ部３０ａに発生する引張り力Ｆｔを低減でき、内側コーナ部３４に発生する応力集中を緩和し、内側コーナ部３４のき裂の発生を抑制できる。そのため、内側コーナー部３４に自由にＲ形状を設定できる。これにより従来の割れ対策であった余肉の設置やそれに伴う後処理等が不要になる。
【００２８】
例示的な実施形態では、可縮部材は中子１６（３２）より熱伝導率が高い材料で構成される。これによって、内側コーナ部３０ａの冷却速度を中子１６（３２）に接する鋳物３０の他の部位より増大できる。そのため、他の部位に比べて内側コーナ部３０ａの凝固の遅れを無くすことができ、これによって、内側コーナ部３０ａに発生する応力集中が緩和するので、内側コーナ部３０ａのき裂の発生を抑制できる。
【００２９】
例えば、熱伝導率が０．１０ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以上０．１６ｃａｌ／℃・ｓ・ｍｍ以下の可縮部材を選択することで、内側コーナ部３０ａの冷却速度をさらに高め、凝固の遅れを無くすことができる。これによって、内側コーナ部３０ａに発生する応力集中を緩和でき、き裂の発生を抑制できる。
【００３０】
また、可縮部材として、繊維状に結晶化したセラミックスを用いることで、鋳物３０の内側コーナ部３４の冷却速度を高めることができる。
繊維状に結晶化したセラミックスは可縮性を有すると共に、繊維の配置方向への熱伝導率が特に高く、鋳物３０の内側コーナ部３０ａの冷却速度を高めることができる。また、繊維状に結晶化したセラミックスは比重が小さいため、ハンドリングが容易になり、可縮部材の大きさ、形状及び設置場所等の自由度を広げることができると共に、中子１６からの脱落を抑制できる。
【００３１】
前記セラミックスのうち、特に繊維状に結晶化したＳｉＣは可縮性があり、特に熱伝導率が高いので、可縮部材として好適である。
図５に、結晶質のＳｉＣ繊維の組成及び物性を示す。
【００３２】
また、図４に示すように、可縮部材２６の横断面における可縮部材２６の幅ｗが、鋳物３０の内側コーナ部３０ａを形成する鋳物３０の厚さｔ以上となっているので、内側コーナ部３０ａの冷却速度をさらに高め、内側コーナ部３０ａのき裂発生を効果的に抑制できる。
【００３３】
また、図１及び図２に示すように、可縮部材２６が中子１６の四隅で中子１６の軸方向に延設され、可縮部材２６の両端が鋳型１４の内側壁に接するように配置されている。
かかる構成によって、注湯空間ｓに注入された溶湯は、可縮部材２６及び可縮部材２６に接した鋳型１４の内側壁から鋳型１４を介した経路で放熱量を増大できる。そのため、鋳物の内側コーナ部の冷却速度をさらに高め、内側コーナ部のき裂発生を効果的に抑制できる。
【００３４】
さらに、図１及び図２に示す実施形態において、可縮部材２６を繊維状に結晶化したセラミックス（例えば、結晶質のＳｉＣ繊維）で構成し、該セラミックスによって形成された繊維を可縮部材２６の長手方向に延設し、前記繊維の両端が鋳型１４の内側壁に接するように配置してもよい。これによって、前記繊維の配置方向への熱伝導率を特に高くできるので、鋳物の内側コーナ部の冷却速度をさらに向上でき、内側コーナ部のき裂発生を効果的に抑制できる。
【００３５】
図６は、注湯空間に形成される直方体形状の鋳物３０の４か所の内側コーナ部３０ａのうちの３か所に夫々異なる形状の可縮部材３４ａ、３４ｂ及び３４ｃを配置した状態を模式的に示している。
ここで、次の条件のときに、図６に示す鋳物３０の冷却過程における各内側コーナ部３０ａの冷却速度を計算した結果を図７に示している。
（条件）
（１）鋳物材料はステンレス鋼（ＳＣＨ２２／板厚ｔ＝５ｍｍ。鋳込み温度１６００℃、液相線温度１３８０℃、固相線温度１２６０℃）である。
（２）可縮部材３４ａ；一辺５ｍｍの正方形断面を有する。
可縮部材３４ｂ；直径１０ｍｍのほぼ円形断面を有する。
可縮部材３４ｃ；直径５ｍｍのほぼ円形断面を有する。
なお、可縮部材３４ａ、３４ｂ及び３４ｃは、いずれも結晶質のＳｉＣ繊維で構成されている。
【００３６】
図７から、可縮部材３４ａ及び３４ｃの冷却速度はほぼ同等である。また、可縮部材の横断面における可縮部材の幅ｗが内側コーナ部３０ａを形成する鋳物３０の厚さｔ以上であれば、液相線温度到達までの時間は各可縮部材ともほぼ同等であるが、固相線温度到達までの時間は、可縮部材の横断面における可縮部材の幅と相関があることがわかる。
さらに、可縮部材の幅ｗが鋳物３０の厚さｔ以上である場合、可縮部材が配置された内側コーナ部３０ａのほうが他の部位より早く冷却され、最終凝固部にならないことがわかり、可縮部材が配置されない内側コーナ部は最終凝固部となることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、内側にコーナ部を有する中空構造の鋳物を鋳造する際に、簡易かつ低コストな手段で、前記コーナ部の熱間割れを抑制できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０        鋳型装置
１２        鋳枠
１４        鋳型
１６、１０４    中子
１８        湯道
２０        ガス抜き孔
２２        木型
２４      内側空間
２４ａ    コーナ部
２６、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ    可縮部材
３０，１００    鋳物
３０ａ、１００ａ    内側コーナ部
１０２      内側空間
Ｃ          切断位置
Ｆｃ        収縮力
Ｆｒ        反力
Ｆｔ        引張り力
【図１】
2016155142.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016155142.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016155142.tif 000007
【図６】
2016155142.tif 000008
【図７】
2016155142.tif 000009
【図９】
2016155142.tif 000010
【図１０】
2016155142.tif 000011
【図８】
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