(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型のキャビティー表面を、ニッケルまたはニッケルとリンとからなるメッキマトリックスに、フッ素樹脂またはフッ化カーボンを共析させた分散メッキで被覆処理したことを特徴とする砂鋳型造型用金型。
【請求項２】
前記した金型のキャビティー表面を被覆しているメッキ被膜の化学組成が、重量比で、ニッケル、７８〜９６部、リン、０〜１０部、フッ素樹脂またはフッ化カーボン、４〜１２部である請求項１記載の砂鋳型造型用金型。
【請求項３】
前記したメッキの被膜を２５０℃乃至４００℃で熱処理をすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の砂鋳型造型用金型。
【請求項４】
前記した金型のキャビティー表面の平均面粗度が、Ｒａ０．５０μｍ乃至Ｒａ１０．５０μｍである請求項１〜請求項３いずれかの項に記載の砂鋳型造型用金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はキャビティー表面にメッキ被覆を施した鋳造用砂鋳型造型用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造用砂鋳型は、木型、樹脂型、金型等を用いて造型されているが、自動車、機械、産業車輌等の部品として使用される中量乃至大量生産鋳物の生産において使用される鋳型、あるいは砂やアルミノシリケート等の粒状骨材を用いて作られ、鋳型部材として使われる押し湯スリーブ、湯道、堰鉢等の多く（以下「砂鋳型」と総称する。）は、ほとんどの場合金型を用いて造型されている。金型は、鋳鉄、鋳鋼、あるいはアルミニウム合金などを基材として製作されている。これらの金型は、ブロック状の基材から、切削、および、または研磨加工で所望の形状に仕上げる方法と、鋳造によって所望形状の概要を形成したのち、切削、および、または、研磨加工により仕上げる方法がある。キャビティーの仕上がり表面をさらにクロム、またはニッケルメッキで被覆する方法があるが余り一般的ではない。
【０００３】
金型による砂鋳型の造型は概略次のような工程で行われる。先ず、砂に粘結剤を混練し、得られた混練砂を金型に圧着された圧力チャンバーに導入し、次いで該圧力チャンバーに圧縮空気を導入することにより、該圧力チャンバーと金型を連結する吹き込み孔、または吹き込みチューブを通じて該混練砂を金型に吹き込み充填する。次いで触媒、加熱または加温、あるいは加圧による硬化工程を経て抜型して所望の鋳型を得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記鋳型造型工程において、混練砂は高圧の圧縮空気により金型内部に吹き込まれ、吹き込み孔、または吹き込みチューブの前方のキャビティー表面に高速で衝突する。この時砂粒子表面を被覆している粘結剤の一部が、慣性によって剥離して金型表面に砂の細粒や、混練砂に酸化鉄粉等の微粉状添加剤を使用した場合はかかる微粉とともに付着する。この現象はしみつきと通称されており、砂鋳型の造型においてフェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、フラン系樹脂、あるいはベントナイト等を粘結剤として使用すると現れる現象であり、ウレタン・コールドボックス・バインダーを粘結剤として用いた砂鋳型の造型において特に顕著に発生する。また、金型内部に吹き込まれた混練砂は、前記キャビティー表面への衝突後も、衝突を繰り返しながら方向を変えるが、この場合にも前記よりも程度は軽いが同様のしみつきが発生し易い。続く硬化工程でしみついた粘結剤が硬化すると、そのキャビティー表面への接着力が隣接する砂粒との接着力よりも高いため、硬化済みの鋳型が抜型される際、キャビティー表面にフィルム状で付着したまま残る。そして、キャビティー表面にこの粘結剤のフィルムが一旦形成されると、以後混練砂の吹き込みを繰り返すたびに新たなフィルムが順次積層されていく。この粘結剤の付着量は、吹き込み1回当たりで見ればわずかだが、吹き込み、硬化、抜型を繰り返すに従い厚味を増し、ついには鋳型表面に許容しがたい凹型の欠陥を形成するに至る。また、キャビティー側面へのかかる粘結剤の付着はその厚味を増すに従い、鋳型の抜型抵抗を増大させるばかりか、擦過によって鋳型表面の性状を著しく損なう。これらの問題は、吹き込み孔または吹き込みチューブの下端とキャビティー面の距離が短いほど、また吹き込み圧力が高いほど顕著に発生する傾向がある。このしみつき現象は、粘結剤の粘着性、および/または粘結剤とキャビティー表面の接着性、あるいはキャビティー表面の摩擦係数等が相乗的に作用して発生すると思われる。
【０００５】
前述の通り、粘結剤の付着量が目的とする鋳型の品質上許容出来ないレベルになると機械を止め、紙やすり、ワイヤーブラシ、あるいは有機溶剤などを用いて清掃しなければならず、生産性低下の大きな要因になっている。この問題は、吹き込み圧力が大きな原因の一つであるが、この他にも使用する砂の質、粘結剤の種類や添加量なども影響を及ぼしていると考えられる。そこで、鋳物工場では、砂鋳型の充填密度を犠牲にして吹き込み圧力を下げたり、粘結剤の添加量を出来るだけ少なくしたり、離型剤を多用するなどの対策を講じているが、清掃の頻度を多少短くする程度の効果しか上がっていない。キャビティー表面をクロムメッキやニッケルメッキで被覆し、表面平滑度を上げることによりこの問題の軽減を図る試みも為されているがほとんど効果はない。また、粘結剤の改良によってこの問題を解決しようとの試みが為されており、この面では一定の成果が上がっている。しかしかかる成果は多種類の粘結剤の一部において、しかも粘結剤が備えるべき他の性能、例えば鋳型強度、混練砂の可使時間、あるいは経済性を犠牲にして初めて可能となったもので、本質的な解決策とは言い難い。
【０００６】
本発明は、砂に硬化性粘結剤を混練して得られる混練砂を金型に充填して鋳造用砂鋳型を造型する際、キャビティー表面への粘結剤のしみ付きをほぼ完全に防ぐか、または大幅に抑制し、高品質な砂鋳型を生産性よく造型することを可能にする金型を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決する為の方法を鋭意検討した結果、砂鋳型造型用金型のキャビティー表面を、ニッケル又はニッケルとリンとから成るメッキマトリックスにフッ素樹脂またはフッ化カーボンを共析させた分散メッキで被覆処理することにより、粘結剤がキャビティー表面にしみつくことをほぼ完全に防止できるか、または大幅に減少させることができ、高品質な砂鋳型を生産性良く連続生産できることを見出し本発明にいたった。
【０００８】
即ち、本発明は、混練砂と接触する金型のキャビティー表面を、ニッケルまたはニッケルとリンからなるメッキマトリックスに、フッ素樹脂またはフッ化カーボンを共析させた分散メッキで被覆処理したことを特徴とする砂鋳型造型用金型である。また本発明の砂鋳型造型用金型のキャビティー表面を被覆している前記メッキ被膜の化学組成は、重量比で、ニッケル、７８〜９６部、リン、０〜１０部、フッ素樹脂またはフッ化カーボン、４〜１２部とした。また、本発明は２５０℃乃至４００℃で熱処理を行うことを特徴とする前記の各砂鋳型造型用金型であり、さらに、キャビティー表面の平均面粗度が、Ｒａ０．５０μｍ乃至１０．５０μｍである前記の各砂鋳型造型用金型である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる金型基材の材質としては、鋳鉄、鋳鋼、ステンレス鋼、あるいはアルミニウム系の合金のいずれでも良い。
【００１０】
まず、前記材質の中から基材を選択し、鋳造の手法によって所望の金型形状の概略を形成する。次いで、切削による加工を行い、必要に応じて更に研磨仕上げを行う。鋳造の手法を用いず、塊状の基材を直接切削加工し、必要に応じて研磨仕上げを行っても良い。金型キャビティーの仕上がり面は、メッキ後平均面粗度がＲａ０．５０μｍからＲａ１０．５０μｍである事が望ましいが、より好適にはＲａ０．５０μｍからＲａ５．００μｍであることが望ましい。キャビティー表面の平均面粗度がＲａ０．5０μｍを下回るとしみ付きが増加する傾向が強くなり、また、Ｒａ１０．５０μｍを超えると砂細粒のアンカリング効果によりやはりしみ付きが増える傾向が表れる。
【００１１】
粘結剤のしみ付き発生がキャビティー表面の一定部位または範囲に限定される場合は、当該部位または範囲を脱着可能なはめ込み式に製作し、当該はめ込み部品の表面にのみ本発明のメッキ被覆処理を施すことも可能である。この方法によって、メッキ被覆に要する費用を最小限とし、また、当該はめ込み部品を複数個作成し、予備部品として保管しておけば、メッキ被膜の補修が必要になっても、簡単な部品交換作業を行うだけで良く、補修に費やす時間を最小限とすることが可能である。
【００１２】
本発明で用いるメッキ技術は既知の電解メッキ、または無電解メッキのいずれでも良いが、前者はニッケルとフッ化樹脂の複合メッキであるのに対し、後者はニッケル、リン、フッ素樹脂またはフッ化カーボンの複合メッキを可能にし、これを２５０℃から４００℃、望ましくは３００℃から３５０℃で熱処理することにより、硬度が高く耐久性に優れたメッキ被膜となることから、長寿命、あるいは比較的高圧での混練砂吹き込みが要求される複雑形状の砂鋳型用金型の場合は、無電解メッキによる表面形成が望ましい。
【００１３】
本発明による金型のキャビティー表面を被覆するメッキ被膜の化学組成としては、重量比で、ニッケルが７８〜９６部、より好適には７９〜８６部、リンが０部〜１０部、より好適には９〜１０部、フッ素樹脂またはフッ化カーボンが４部から１２部、より好適には５部から１１部である。
【００１４】
本発明で使用するフッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と言う。）,テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（以下「ＦＥＰ」と言う。）, テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー（以下「ＰＦＡ」と言う。）等があるが、メッキ後の熱処理に必要な耐熱性あるいは非粘着性を勘案すると、他の樹脂より格段に優れるＰＴＦＥが最適である。また、フッ化カーボンも、耐熱性、非粘着性共に優れた材料であり好適に使用できる。これらのフッ素樹脂、あるいはフッ化カーボンはメッキマトリックス中に均一に分散されることが非常に重要であること、およびメッキ被膜の耐摩耗性および耐損傷性を勘案すると、微細である程よく、サブミクロンであることがもっとも望ましい。
【００１５】
本発明による砂鋳型造型用金型は、そのキャビティー表面のニッケルまたはニッケルとリンとから成るメッキマトリックス中に分散したフッ素樹脂、あるいはフッ化カーボンの非粘着性、非接着性、および低摩擦係数により、混練砂の吹き込み、硬化、抜型 のサイクルを長時間繰り返してもキャビティー表面へのしみ付きをほとんど起こすことがないか、または極めて微量に留めることが可能である。従って、従来大量に使用していた離型剤を大幅に減少、または省略し、しみ付き除去のための清掃を省き、高品質、特に表面安定性の高い砂鋳型を長時間にわたって連続的に生産することを可能にするものである。また、本発明による金型のメッキ表面はヴィッカース硬さがＨｖ３００以上と、砂鋳型造型用金型材料として十分な硬さであり、特にニッケル-リンマトリックスの場合、３００℃乃至３５０℃の温度で焼き入れ処理を行うことによってヴィッカース硬さはＨｖ５００以上に達し、高圧での混練砂吹き込み充填による金型の摩耗が従来技術による金型と比較して、はるかに少ない。高圧での混練砂吹き込みが要求される複雑形状の砂型であっても充填密度や強度を下げることなく製造可能となる。また、混練砂をくり返し吹き込むことによる摩耗や、取り扱い時の損傷に対する耐久性も向上することから、金型の寿命延長効果を得ることができる。
【００１６】
【実施例】
以下に本発明を実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
本発明の効果の測定を行う方法としてパッドスティッキング法を採用した。パッドスティッキング法は、図１のように、直径５０ｍｍの金属板（以下、「パッド」という）を精秤後金型底部に脱着可能な方法で取り付け、上型兼ブロープレートの該パッドに正対する位置に設けた直径１５ｍｍの混練砂吹き込み口から該パッドに向かって混練砂を吹き込み、硬化させた後鋳型を取り出す。次いで、前記パッドを金型から取り外し精秤し、混練砂吹き込み前の重量と比較する。この操作を繰り返し、一定条件下でのしみ付き量の増加量を測る。
【００１７】
試験用パッドは、本発明に基づくメッキ被覆表面を持つ鋳鉄製のもの、パッド＃１からパッド＃４までの４種類と、現在鋳造業界で最も一般的に使用されている鋳鉄を基材としその表面を研磨処理したもの、パッド＃５、を製作した。各パッドの表面性状を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
試験用の各パッドは、事前にその表面を＃１２００のサンドペーパーで磨いて清浄にした。
【表２】
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【００２０】
試験用粘結剤は、各種粘結剤の中でしみ付きが最も起こり易いウレタンコールドボックス法用粘結剤を選択し、ＩＳＯＣＵＲＥ Ｐａｒｔ Ｉ ３０８ＳＲ/ＩＳＯＣＵＲＥ Ｐａｒｔ ＩＩ ６０８ＴＴ（保土谷アシュランド株式会社製）を使用した。粘結剤は、ＩＳＯＣＵＲＥ Ｐａｒｔ Ｉ ３０８ＳＲ、ＩＳＯＣＵＲＥ Ｐａｒｔ ＩＩ ６０８ＴＴの各々を、オーストラリア産珪砂、フリマントル１００部に対し重量比で各１部を添加し、遠州ミキサー（能力：３０ｋｇ/バッチ、赤坂鉄工株式会社製）によって２分間混練し、試験用混練砂を調整した。得られた混練砂は蓋付きのプラスチック容器に取り保持した。
【００２１】
しみ付き試験は次の要領で行った。
１）  コアシューター（佐藤製作所製ＹＯＭＡＲ中子成形機）のホッパーからサンドマガジンに混練砂を５Ｋｇ投入する。混練砂吹き込み孔直下の底部中心にパッドを装着した金型（下型）に上型兼ブロープレートを乗せ、コアシューターにセットし、クランプした後、混練砂を、吹き込み圧力０．１５ＭＰａで金型に吹き込み充填する。サンドマガジン内混練砂が投入時の３分の１程度に減少したら補充する。
２）  混練砂充填後、金型をコアシューターから硬化用ガッシングボックス（正和技研（株）製）に移しガス状トリエチルアミンを０．０２ＭＰａの圧力で２秒間、パージング用エアーを０．０６ＭＰａの圧力で５秒間、順次金型中を通過させ、混練砂を硬化させる。
３）  硬化した砂型を金型から抜型し、パッドをはずす。はずしたパッドの表面をエアーガンで吹き、ルースサンド（パッド表面に固着せず、単に付着している砂）を除去し、パッドの重量を測る。混練砂吹き込み前のパッド重量との差を求め記録する。重量の測定は０．０１グラムの単位まで求める。
４）  上記パッドをそのまま金型にセットし、前記１）から３）の操作を１実験につき３０回繰り返した。
【００２２】
（実施例1）
表１に記載のパッド＃1を試験用金型に装着し、前記の要領で粘結剤のしみ付き試験を行った。結果を表2に記載する。
パッド＃1は、混練砂の吹き込み、硬化サイクルをを３０回繰り返してもパッドの重量変化は全く認められなかった。また造型された砂型のパッドに接触する面は滑らかで何ら問題の無いものであった。
【００２３】
（実施例２）試験用パッド＃２を試験用金型に装着し、前記の要領でしみ付き試験を行った。結果を表２に記載する。パッド＃２は、試験前半は全く重量変化が無かったが２３回目にわずかな増加が認められ、その後漸増の傾向を示した。しかし砂型のパッド接触面は滑らかで問題は認められなかった。
【００２４】
（実施例３）試験用パッド＃３を試験用金型に装着し、前記の要領でしみ付き試験を行った。結果を表２に記載する。パッド＃３は、吹き込み、硬化サイクルの１９回目に重量の微増が認められ、その後漸増の傾向を示した。砂型のパッド接触面には第一回目のサイクル以後全く変化は観察されなかった。
【００２５】
（実施例４）パッド＃４を金型に装着し、前記要領でしみ付き試験を行った。結果を表２に示す。パッド＃４は、吹き込み、硬化サイクル９回目にわずかな重量増加が認められた後最後まで漸増傾向が続いた。１５回目から砂型のパッド接触面に砂粒が欠落した跡が認められるようになり、２０回目からは手で触るとざらつきが感じられるようになった。３０回目でも同様のざらつきは感じられたが、砂型の品質としては未だ許容できるものであった。
【００２６】
（比較例１）試験用パッド＃５を金型に装着し、前記要領でしみ付き試験を行った。結果を表２に示す。パッド＃５は、吹き込み、硬化サイクル２回目にわずかな重量増加が認められた後、増加傾向が続き、１２回目にはパッド面に砂粒が付着しているのが認められ、その後、砂粒が塊状に成長し、パッド接触面に窪みが観察されるようになり、１７回目乃至１８回目には砂型として実用に供する表面品質の限度を超えた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による砂鋳型造型用金型は、その表面を形成するメッキ被膜がニッケルとリンからなるメッキマトリックスに、非粘着性、非接着性、及び低摩擦係数を持ったフッ素樹脂あるいはフッ化カーボンを分散していることにより、前記実施例および比較例からも明らかなように、従来技術による砂鋳型造型用金型に比べ格段に優れたしみ付き抑制効果を発揮する。この効果により、離型剤の塗布、しみ付きの清掃、及びしみ付きによる不良砂鋳型の発生とその補完、等に要する原材料、時間、人手が不要になるか、または大幅に節減される。また、従来しみ付きが問題で、吹き込み圧力をあげることが出来ず、十分な強度を得ることが出来なかった砂鋳型も、本発明による高い耐しみ付き性と、硬度を持った表面を備えた金型により、問題無く製造可能となる。即ち、本発明は、良質の砂鋳型を生産性良く、安価に製造することを可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例で使用した金型の下型の略図（パッド装着位置および混練砂吹き込み位置を示す）
【図１】
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