(57)【要約】【課題】高温化を抑制して、鋳型の鋳型材が鋳造品表面に焼付くことを低減又は防止でき、かつ、鋳造品表面の品質を維持することが可能な鋳型及び鋳型の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】鋳型１は、鋳型材よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過する材料であり、溶融金属が流し込まれるキャビティ４との境界面近傍に配置される放熱材１０と、鋳型材からなり、放熱材１０よりもキャビティ４との境界面側に配置される表面鋳型部３Ａとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型材よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過する材料であり、前記溶融金属が流し込まれるキャビティとの境界面近傍に配置される放熱部と、
前記鋳型材からなり、前記放熱部よりも前記キャビティとの前記境界面側に配置される表面鋳型部と、
を備える鋳型。
【請求項２】
前記放熱部は、前記キャビティとの前記境界面に対応して配置される請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
前記放熱部は、外部に面する部分まで延在している請求項１又は２に記載の鋳型。
【請求項４】
前記放熱部は、前記溶融金属が注入されたときの前記キャビティ側の表面の温度が、前記放熱部の融点よりも低くなる位置に設置される請求項１から３のいずれか１項に記載の鋳型。
【請求項５】
前記放熱部は、窪んだ凹形状、又は、貫通孔を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の鋳型。
【請求項６】
鋳型材よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過する材料である放熱部を、前記溶融金属が流し込まれるキャビティとの境界面近傍に配置するステップと、
前記鋳型材からなる表面鋳型部を、前記放熱部よりも前記キャビティとの前記境界面側に配置するステップと、
を有する鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属が注入されて鋳造品が形成される鋳型及び鋳型の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋳造に用いられる鋳型として、砂を固めて造られる砂型が知られており、砂型に高温の溶解金属が流し込まれる。砂型に流し込まれた金属が冷却され凝固する過程で、砂型が高温の金属から高い熱に晒される。その結果、砂型表面の砂が、鋳造品の金属表面に焼付くことがある。金属表面に砂が焼付いた場合、砂の除去には、手間と時間がかかっている。
【０００３】
なお、下記の特許文献１では、厚肉鋳物製品を鋳込むときに適用される急速冷却法に関し、鋳込み前に砂型に金属の発泡材をチル材（冷やし金）として埋め込み、鋳物の冷却速度を高めつつ、ボイドの形成を抑制する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−５１８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼付きを防止するため、砂型表面に、耐火度の高い粒子を含むスラリー状の塗型材を刷毛等を用いて塗布することがある。しかし、融点が高い金属、例えば高クロム鋼を鋳造する場合や、砂型のうち放熱しづらく熱のこもりやすい部位（「ホットスポット」とも呼ばれる。）では、高温条件となるため、塗型材による焼付き防止対策が不十分な場合がある。
【０００６】
なお、上記の特許文献１に関する急速冷却法は、焼付き防止とは異なる対策である。仮に、鋳造品表面（鋳肌）に冷やし金を適用した場合、冷やし金が製品部分に溶け込んだり、冷やし金表面が転写されて鋳造品表面が悪化してしまい、鋳造品の品質が低下する。そのため、鋳造品の製品部表面には冷やし金を適用できない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高温化を抑制して、鋳型の鋳型材が鋳造品表面に焼付くことを低減又は防止でき、かつ、鋳造品表面の品質を維持することが可能な鋳型及び鋳型の製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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の鋳型及び鋳型の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る鋳型は、鋳型材よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過する材料であり、前記溶融金属が流し込まれるキャビティとの境界面近傍に配置される放熱部と、前記鋳型材からなり、前記放熱部よりも前記キャビティとの前記境界面側に配置される表面鋳型部とを備える。
【０００９】
この構成によれば、キャビティに溶融金属が流し込まれ、金属が凝固するとキャビティの形状に応じた鋳造品が製造される鋳型であって、放熱部が、キャビティとの境界面ではなく境界面近傍に配置される。放熱部よりもキャビティとの境界面側には、鋳型材（例えば砂）からなる表面鋳型部が配置される。放熱部は、鋳型材よりも熱伝導率が高い材料であることから、溶融金属から受ける熱を効率良く外部へ放出でき、鋳造品表面への砂の焼付きを低減又は防止できる。また、溶融金属にて発生するガスが通気する材料であることから、キャビティとの境界面に溶融金属で発生したガスが溜まることがない。さらに、放熱部ではなく、鋳型材からなる表面鋳型部が溶融金属と接触することから、放熱部の鋳造品への溶け込みや、放熱部表面の転写による鋳造品表面の悪化を低減又は防止できる。
【００１０】
上記発明において、前記放熱部は、前記キャビティとの前記境界面に対応して配置される。
【００１１】
この構成によれば、キャビティとの境界面、例えば、鋳型表面の形状、又は、鋳型表面のほぼ全面積に対応するように配置された放熱部が、キャビティ内の溶融金属で発生した熱を受けるため、放熱部を介して外部に熱を効率良く放出できる。
【００１２】
上記発明において、前記放熱部は、外部に面する部分まで延在しているとよい。
【００１３】
この構成によれば、放熱部がキャビティ内の溶融金属から受けた熱は、放熱部を介して、外部に対して放出されやすいことから、効率良く鋳型を冷却することができる。
【００１４】
上記発明において、前記放熱部は、前記溶融金属が注入されたときの前記キャビティ側の表面の温度が、前記放熱部の融点よりも低くなる位置に設置される。
【００１５】
この構成によれば、溶融金属がキャビティ内に注入されたとき、キャビティ内の溶融金属から放熱部まで伝達される熱の温度が、放熱部の融点よりも低下することから、放熱部の溶融を防止できる。
【００１６】
上記発明において、前記放熱部は、窪んだ凹形状、又は、貫通孔を有してもよい。
【００１７】
この構成によれば、放熱部に窪んだ凹形状が形成されている場合、表面鋳型部の鋳型材と放熱部との密着性が向上し、表面鋳型部や放熱部の脱落を防止できる。また、放熱部に貫通孔が形成されている場合、貫通孔を介して、表面鋳型部と、放熱部よりも内側の鋳型材との結合性が高まるため、表面鋳型部や放熱部の脱落を防止できる。
【００１８】
本発明に係る鋳型の製造方法は、鋳型材よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過する材料である放熱部を、溶融金属が流し込まれるキャビティとの境界面近傍に配置するステップと、前記鋳型材からなる表面鋳型部を、前記放熱部よりも前記キャビティとの前記境界面側に配置するステップとを有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高温化を抑制して、鋳型の鋳型材が鋳造品表面に焼付くことを低減又は防止でき、かつ、鋳造品表面の品質を維持することができる。
【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を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る鋳型の下型を示す縦断面図である。
【図３】図２のIII-III線で切断した縦断面図である。
【図４】放熱部の圧力損失と風速の関係を異なる気孔率ごとに示すグラフである。
【図５】図１１に示す中子の測定点１における温度と時間の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る鋳型の組立工程を示す縦断面図である。
【図７】図６のVII-VII線で切断した縦断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る鋳型の中子の第１変形例を示す縦断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る鋳型の中子の第１変形例を示す底面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る鋳型の中子の第２変形例を示す縦断面図である。
【図１１】従来の鋳型を用いた場合の温度分布が表された製品部を示す横断面図である。
【図１２】比較例に係る鋳型を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の一実施形態に係る鋳型について、図面を参照して説明する。
鋳型１は、鋳造に用いられる型であり、本実施形態では、鋳型材が鋳砂で構成される砂型である。鋳型１に注入された溶融金属が凝固することで、鋳造品が形成される。鋳型１は、例えば図１に示すような断面形状を有する。鋳型１は、外型２及び中子３等から構成される下型５と、注湯系（図示せず。）及び押湯部７を有する上型６などを備える。
【００２２】
下型５では、鋳造品のうち製品部に相当する部分が形成される。図２は、図１に示した鋳型１のうち下型５を示す縦断面図である。図１〜３に示す鋳型１を用いた例では、鋳型１によって形成される鋳造品のうち製品部は、中空の半円筒形状を有し、断面が半円弧形状である。これに類する鋳造製品としては、タービンのケーシング等が挙げられる。
この場合において、下型５の外型２は、円筒形状に窪んだ内面２ａを有する。下型５の中子３は、外型２の内部に収容可能であり、円筒形状の外面３ａを有する。中子３の両端には、図３に示すように、突出部３Ｂが形成され、突出部３Ｂは、外型２の上側に形成された段差部２Ａに載置される。
【００２３】
図２及び図３に示すように、外型２に対し中子３が載置されることで、外型２の内面２ａと中子３の外面３ａとの間にキャビティ４が形成される。キャビティ４は、溶融金属が注入される部分であり、金属が凝固したとき形成される製品部に相当する部分である。
【００２４】
上型６は、製品部の端面に対応する部分が形成されると共に、湯口、湯道などの注湯系や押湯部７が形成されている。鋳型１は、上型６の下面が下型５の上面に合わせられており、下型５の上に上型６が載置された構成を有する。鋳型１は、注湯系を介して、キャビティ４内に溶融金属が注入される。
【００２５】
次に、中子３の詳細な構成について説明する。
中子３は、外型２と異なり、外部空間に面していないことから、鋳造時に溶融金属の熱が放出されにくい。中子３は、放熱材１０と、表面鋳型部３Ａを有する。
【００２６】
放熱材１０は、鋳型材（例えば砂）よりも熱伝導率が高く、溶融金属にて発生するガスが通過可能な材料である。放熱材１０は、例えば、オープンポアからなる発泡金属であり、具体的には、アルミニウムの発泡金属などである。放熱材１０は、例えば、厚さが均一の板状部材であり、中子３が半円筒形状の場合、放熱材１０は、断面が半円弧形状を有する半円筒形である。
【００２７】
放熱材１０は、キャビティ４との境界面に対応して配置される。たとえば、放熱材１０は、キャビティ４との境界面、例えば、キャビティ４に面する中子３の外面３ａの形状、又は、中子３の外面３ａのほぼ全面積に対応するように配置される。これにより、放熱材１０は、キャビティ４内の溶融金属で発生した熱を広い面積で受けるため、放熱材１０を介して外部に熱を効率良く放出できる。
【００２８】
放熱材１０は、鋳型材よりも熱伝導率が高いため、キャビティ４内の溶融金属から受ける熱を効率良く外部に放出できる。鋳型材が、例えば鋳砂である場合、熱伝導率は約1  W/(m・k)であり、放熱材１０は、この値を超える熱伝導率を有する。そして、放熱材１０は、鋳型材との熱伝導率の差が大きいほど、より高い冷却効果が得られるため、熱伝導率が高い値を有することが望ましい。
【００２９】
また、放熱材１０が発泡金属の場合、緻密な金属材料に比べ軽量化されるため、中子３が外型２に設置されたとき、自重により脱落しにくい。さらに、放熱材１０は、ガスが通過可能な材料であるため、キャビティ４と中子３の境界面、すなわち、中子３の外面３ａに溶融金属で発生したガスが溜まることがない。
【００３０】
放熱材１０の気孔率は、下限が７５％であり、上限が発泡体としての形状を維持できる値である。なお、放熱材１０は、気孔率が低いほど緻密な材料となる。図４は、放熱材１０を発泡金属とした場合の放熱材１０の圧力損失と風速の関係を、異なる気孔率ごとに示すグラフであり、実験から得られたデータである。なお、本実験では、気孔率が７０％の場合、ガスが放熱材１０を通過しなくなった。したがって、気孔率７０％以下の発泡金属は適用が困難である。
【００３１】
放熱材１０の発泡金属は、板厚方向にて、気孔（ポア）が連続していることが望ましく、気孔が連続している部分があれば、キャビティ４側で発生したガスを中子３の中心側へ放出させることができる。その結果、発生ガスは、中子３の中心側部分を介して外部へ放出される。
【００３２】
図４のグラフによれば、放熱材１０の気孔率に関わらず、風速が速いほど圧力損失が高くなることが分かる。また、同一風速では、気孔率が小さいほど圧力損失が高くなることや、気孔率が減少するにつれて圧力損失の上昇率が高くなることが分かる。
【００３３】
図１に示すように、放熱材１０と同一材料の放熱材１１が、上型６内にも設けられる。上型６内の放熱材１１は、外部に面する部分まで延在している。また、放熱材１１は、中子３内の放熱材１０と接触して配置される。これにより、放熱材１０が有する熱を放熱材１１へ伝達することができ、溶融金属から受ける熱を効率良く外部へ放出できる。また、キャビティ４内で発生したガスを効率良く外部へ導くことができる。
【００３４】
表面鋳型部３Ａは、鋳型材（砂型の場合、鋳砂）からなり、放熱材１０の表面に設置される。すなわち、表面鋳型部３Ａは、放熱材１０よりもキャビティ４との境界面側に配置される。表面鋳型部３Ａは、ほぼ等しい厚さで設けられ、放熱材１０全体を覆うように設置される。
【００３５】
これにより、鋳造時において、鋳型材からなる表面鋳型部３Ａが溶融金属と接触し、放熱材１０は溶融金属と接触しない。したがって、鋳造品へ放熱材１０が溶け込んだり、放熱材１０の表面形状が転写されることにより鋳造品表面が悪化したりすることを低減又は防止できる。
【００３６】
また、表面鋳型部３Ａの厚さは、放熱材１０のキャビティ４側の表面において、キャビティ４内の溶融金属から伝達される熱の温度が、放熱材１０の融点よりも低くなる厚さであればよい。したがって、放熱材１０がアルミニウム発泡体の場合、表面鋳型部３Ａの厚さが50mm程度になるように設けられると、キャビティ４内の溶融金属から放熱材１０まで伝達される熱の温度がアルミニウム発泡体の融点よりも低下することから、放熱材１０の溶融を防止できる。
【００３７】
なお、表面鋳型部３Ａの厚さが薄すぎると、表面鋳型部３Ａが放熱材１０の融点よりも高くなるおそれがあるだけでなく、表面鋳型部３Ａの強度が低下し、鋳砂からなる表面鋳型部３Ａが鋳込み前に脱落し、砂噛み（鋳造品内に砂が介在する状態）が生じる恐れがある。一方、表面鋳型部３Ａの厚さが厚すぎると、放熱材１０によって溶融金属から受ける熱を外部へ放出しにくくなるため、十分な冷却効果が得られなくなる。
【００３８】
以上、本実施形態によれば、鋳型１に用いられる鋳型材よりも熱伝導率が高い材料である放熱材１０を中子３内に設置することで、放熱材１０を設置しない従来の鋳造に比べ、キャビティ４内の金属の熱を外部へ早く放出できる。その結果、キャビティ４で従来熱がこもりやすかった部分（ホットスポット）の温度低下が促進され、砂の鋳造品への焼付きを低減又は防止できる。
【００３９】
また、従来の冷やし金を用いた方法では、冷やし金がキャビティ側に露出している。一方、本実施形態では、鋳砂からなる表面鋳型部３Ａが放熱材１０よりもキャビティ４との境界面側に設置される。したがって、放熱材１０の鋳造品への溶け込みや、放熱材１０の表面形状の転写による鋳造品表面の悪化を低減又は防止できる。
【００４０】
さらに、放熱材１０は、ガスが通気する材料であることから、溶融金属が凝固する際に発生するガスが、放熱材１０の下側で溜まることがなく、中子３の内側へ通過していく。その結果、鋳造品表面表面があばた状になる等のガス欠陥の発生を防止できる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る鋳型１の製造方法について説明する。
まず、外型２用の鋳枠内に、完成品の外面に対応する模型を配置しつつ鋳砂を充填する。そして、鋳枠から模型を抜くことで、内側に凹部が形成された外型２が形成される。
【００４２】
また、中子３用の凹部が形成された模型に鋳砂を充填し、模型から中子３を抜くことで、半円筒形状の中子３が形成される。中子３の形成では、まず、表面鋳型部３Ａの部分となる鋳砂を50mm程度の厚さで配置し、次に、放熱材１０を表面鋳型部３Ａとなる部分の上に載置する。そして、放熱材１０の内側に鋳砂を更に充填して、中子３を完成させる。なお、中子３を形成する順序は、この手順に限られない。
【００４３】
さらに、上型６用の鋳枠内に、湯口、湯道などの注湯系や押湯部７に対応する模型を配置しつつ、鋳砂を充填する。そして、鋳枠から模型を抜くことで、注湯系や押湯部７が形成された上型６が形成される。上型６には、図１に示すように、中子３の放熱材１０延長上に、上型６の放熱材１１が接続されるように、放熱材１１が配置される。
【００４４】
外型２及び中子３が形成された後、外型２の内部に中子３を配置する。中子３は、図６及び図７に示すように、中子３を持ち上げて、外型２の中心部分に挿入することで配置される。中子３は、例えば、中子３の形成時に中子３に予め取り付けられたワイヤ２１にチェーンブロック等の揚重機のフック２０を引っ掛けることで持ち上げられ、所定位置に配置される。
【００４５】
そして、中子３の両端に形成された突出部３Ｂが、外型２の上側に載置されることで、鋳型１の下型５が完成する。このとき、外型２と中子３の間には、製品部分に相当するキャビティ４が形成される。
【００４６】
上型６が形成された後、中子３と同様に揚重機を用いて、上型６を持ち上げ、外型２と中子３の上に上型６を載置する。これにより、図１に示すような鋳型１が完成する。
【００４７】
次に、本実施形態に係る鋳型１を用いた鋳造方法について説明する。
鋳型１の注湯系を通して溶融金属がキャビティ４や押湯部７に注入される。そして、注入された金属が凝固することで、鋳造品が形成され、形成された鋳造品は鋳型１から取り出される。
【００４８】
放熱材１０を設置しない従来例の場合、鋳造している過程において、図１１に示すように、キャビティ４には外部へ放熱しづらい部位があり、熱がこもりやすい領域（ホットスポット）が発生する。図１１では、色が濃い部分が、薄い部分よりも高温であることを示している。また、従来例の場合、図１１に示す中子３の測定点１では、図５のプロット丸印に示すように、温度が過剰に上昇した後、低下していく傾向にある。中子３の測定点１は、ホットスポットに近接する点である。こうした場合、中子３の鋳砂が高い温度に晒されるため、中子３の表面の鋳砂が鋳造品に焼付いてしまう。
【００４９】
一方、放熱材１０を設置する本実施形態では、中子３の測定点１において、図５のプロット四角印に示すように、過剰な温度上昇が生じることなく、時間の経過とともに一定の温度に落ち着いていく。これは、従来例で生じたホットスポットに相当する部分に熱が溜まることなく、キャビティ４内の金属が有する熱が外部に放出されるためである。これにより、中子３の温度が異常に高い温度に晒されることがないため、中子３の表面の鋳砂が鋳造品に焼付くことを低減又は防止できる。
【００５０】
図１２には、比較例として、中子３３内に、本実施形態の放熱材１０に相当する部分にガスが通過しない緻密な金属材料４０を設けた場合を示す。図１２に示す比較例の場合、キャビティ３４内に注入された溶融金属３０から発生したガス３２は、金属材料４０を通過できず、表面鋳型部３３Ａ側、すなわち中子３３の外面３３ａと溶融金属３０との境界面に溜まってしまう。これにより、鋳造品の表面にガス欠陥が生じる。
【００５１】
一方、ガスが通過可能な材料である放熱材１０を用いた本実施形態の場合、キャビティ４内に注入された溶融金属から発生したガスは、放熱材１０を通過する。その結果、鋳造品の表面にガス欠陥を生じさせることなく、金属を凝固させて鋳造品を形成することができる。
【００５２】
なお、上述した実施形態では、放熱材１０におけるキャビティ４側の表面が、凹凸の無い半円筒形状である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。
例えば、図８に示すように、放熱材１２は、縦断面形状が凹凸形状を有する。凹部１３は、例えば放熱材１２が中子３内に設置されたとき、最下部となる位置に設けられ、上側に窪んだ断面形状であって、図９に示すように、平面視した形状が円形状である。この場合、凹部１３は、放熱材１２の長手方向に適切な間隔を設けて、複数箇所に形成される。これにより、表面鋳型部３Ａと放熱材１４との密着性が向上し、表面鋳型部３Ａや放熱材１４の脱落を防止できる。
【００５３】
さらに、図１０に示すように、放熱材１４は、一部に貫通孔１５を有する。貫通孔１５は、上述の凹部１３と同様に、例えば放熱材１４が中子３内に設置されたとき、最下部となる位置に設けられ、平面視した形状が円形状である。貫通孔１５は、放熱材１４の長手方向に適切な間隔を設けて、複数箇所に形成される。これにより、表面鋳型部３Ａと、放熱材１０よりも内側の鋳型材との結合性が高まるため、表面鋳型部３Ａや放熱材１２の脱落を防止できる。
なお、放熱材１４に形成される凹部１３又は貫通孔１５の形状や設置個数、設置場所などは、上述した例に限定されない。
【００５４】
図８に示した放熱材１２や図１０に示した放熱材１４は、端部１２ａ，１４ａが中子３の表面まで到達していない。これにより、放熱材１２，１４よりも内側の鋳型材と、表面鋳型部３Ａの鋳型材とが結合する。これにより、放熱材１２，１４がキャビティ４の表面全体にわたるような広い面積の場合や、放熱材１２，１４が下向きに設置される場合でも、表面鋳型部３Ａや放熱材１２，１４の脱落の可能性を更に低減できる。
【００５５】
また、上述した実施形態では、放熱材１０，１２，１４の設置位置が、中子３の内部である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。放熱部は、鋳型のうち、キャビティに注入される溶融金属において熱がこもり高温となる位置の近傍に設置されればよい。このとき、放熱部は、上記実施形態のように、キャビティとの境界面に対応して配置されたり、外部に面する部分まで延在して設置されることが望ましい。
【符号の説明】
【００５６】
１  鋳型
２  外型
２Ａ  段差部
２ａ  内面
３，３３  中子
３Ａ，３３Ａ  表面鋳型部
３Ｂ  突出部
３ａ，３３ａ  外面
４，３４  キャビティ
５  下型
６  上型
７  押湯部
１０，１１，１２，１４  放熱材（放熱部）
１２ａ，１４ａ  端部
１３  凹部
１５  貫通孔
２０  フック
２１  ワイヤ
３０  溶融金属
３２  ガス
４０  金属材料
【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１２】
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【図１１】
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