(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動センサ４を取り付けた試験片固定用治具２に砂型試験片１を固定した後、砂型試験片１を金属溶湯中７に浸漬保持し、砂型試験片１から生じる振動を振動センサ４で感知して電気量の変化として変換表示することを特徴とする型割れ試験方法。
【請求項２】
振動を電気量の変化に変換する振動センサ４を取り付けた砂型試験片固定用治具２、該砂型試験片１を挿入する金属溶湯用容器１０、電気量の変化の表示部６を有することを特徴とする型割れ試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、砂型を用いた鋳造、特に非鉄系鋳造において、砂型の割れないし亀裂に起因する鋳造欠陥の発生を予測する手段として有用な型割れ試験方法及びその試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム合金・マグネシウム合金・銅合金等の非鉄系や鋳鋼・鋳鉄等の鉄系の砂型鋳造では、主としてレジンコーテッドサンドで作製した中子や主型、所謂、砂型が用いられている。しかし、この種の鋳造には、しばしば鋳造時に生じた砂型の割れ部ないし亀裂部( 以下、型割れという) に溶湯が侵入して鋳バリを形成するという、型割れに起因する鋳造欠陥の発生がみられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような型割れに起因する鋳造欠陥( 以下、型割れ欠陥という) の発生を予測するための試験方法としては、熱膨張差による砂型歪みを利用した熱間亀裂試験方法( ＪＡＣＴ試験法ＳＭ−９) 、具体的には、砂型材料で成型した円板( 直径１３０ｍｍ×厚み５ｍｍ) の外周部と、その円板に偏心して設けた円孔 (直径６５ｍｍ) の外端部との間に形成されたブリッジ部( 幅５ｍｍ) を有する円板状砂型試験片を作製した後、該円板状砂型試験片のブリッジ部の反対側（幅広部）をバーナーで加熱して、前記ブリッジ部の割れるまでの時間を測定する方法が知られている。しかし、この試験方法では、鋳鉄など溶湯温度が高い鉄系鋳造では、型割れ欠陥と測定結果の間にある程度の相関性がみられるものの、型割れ欠陥を正確に予測し、それを回避する試験方法としては不充分であり、特に、アルミニウム合金など溶湯温度が低い非鉄系鋳造では、両者間に相関は全くみられないという欠点があり、鋳造欠陥を予測する試験方法として採用することができなかった。
【０００４】
本発明は、このような事情に基づきなされたものであり、砂型を用いる鋳造、特に非鉄系鋳造において、砂型の割れないし亀裂に起因する鋳造欠陥の発生を正確に予測できる型割れ試験方法及びその試験装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、砂型試験片を溶湯、特にアルミニウム合金溶湯中に浸漬した際に、該砂型試験片、すなわち砂型が溶湯の高熱の影響を受けて変質・変形して砂型に割れないし亀裂（以下、砂型の割れ等という）が生じることがあるが、その砂型の割れ等に起因して生じる振動を振動センサ（圧電計、ひずみ計など）で感知して電気量の変化（電圧、電流など）に変換して、表示することにより、鋳造時の型割れ欠陥の発生を予測できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、振動センサ４を取り付けた試験片固定用治具２に砂型試験片１を固定した後、砂型試験片１を金属溶湯中７に浸漬保持し、砂型試験片１から生じる振動を振動センサ４で感知して電気量の変化として変換表示することを特徴とする型割れ試験方法である。
【０００７】
また、本発明は、振動を電気量の変化に変換する振動センサ４を取り付けた砂型試験片固定用治具２、該砂型試験片１を挿入する金属溶湯用容器１０、電気量の変化の表示部６を有することを特徴とする型割れ試験装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明方法の実施態様について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の試験装置の基本構成を示す図であり、溶融金属浴へ砂型試験片を浸漬して、本発明の試験方法により測定している状態を示す概略図である。また、図２は試験用砂型材料２で作製した砂型試験片１を本発明方法に適用して得られた電圧ピーク（電気量の変化の極大値）Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4 の出現を示すチャート図である。図１において、１は砂型試験片、２は砂型試験片１を把持固定するための保持用治具であり、その保持具外面上部には振動センサ４と固定アーム３が取り付けられている。更に、振動センサ４はリード線８（センサコード）を介してアンプ５に接続され、アンプ５はリード線８ａを介してレコーダー６に接続されている。本発明方法の一実施態様によれば、溶融金属浴７中の砂型試験片１から発生する振動は、振動センサ４により例えば電圧に変換され、アンプ５で増幅され、レコーダー６により電圧の変化として記録される。すなわち、砂型試験片に割れとか亀裂が生じると同時に発生する振動の強さは振動センサにより感知されて振動センサにより電圧ピーク（Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4 ）に変換されチャートに記録される。かくして、得られた電圧ピークの有無、ピークの出現回数および強弱を勘案すれば型割れ欠陥の発生度合いを定量的に正確に把握することができる。この測定結果を砂型材料の研究開発、選択に活用することができ、鋳造時の型割れ欠陥の発生を未然に正確に予測することができ、実際の鋳造でのトラブルの発生を事前に防止できる。
【０００９】
溶湯に砂型試験片を浸漬する手段は、溶湯浴用容器１０の所定深さ位置に砂型試験片を保持し、その後、溶湯を注ぐ形式が実際の鋳造を反映しているともいえるが、溶湯浴を予め準備し、その後、保持具を下降させ、あるいは保持具の支持腕を軸を中心として下方に回転させて、浸漬することもできる。
【００１０】
ここで、前記砂型試験片の作製には、主として加熱珪砂にフェノール樹脂系結合剤と硬化剤( 例えば、ヘキサメチレンテトラミンなど) を被覆して成る熱硬化性のレジンコーテッドサンドが使用されるが、そのほか常温の珪砂に被覆したフェノール樹脂系粘結剤を硬化触媒( 例えば、アミン系化合物、有機又は無機エステル系化合物、炭酸ガスなど) で硬化させる通気硬化性又は常温自硬性の混練砂でも差し支えない( 以下、これらを砂型材料ともいう) 。
【００１１】
また、試験片形状は特に限定されないが、好ましくは棒状試験片( 例えば、直径２０〜３０ｍｍ×長さ１００〜３００ｍｍ) である。実際に製作された砂型に対応の例えば中空形状・実砂型からの切り出し形状のほか板状・角柱などとすることもできる。また、試験片保持用治具は、砂型から発生する振動を伝えやすい材質( 例えば、鉄及び銅合金) で砂型試験片と嵌合可能の構造を有し、更にはネジ９、９ａなどで嵌合部分を固定できるものが好ましいが特に限定されるものではない。
【００１２】
振動センサは、振動即ち砂型試験片の割れ、亀裂などの兆候を示す振動（歪）を把握して電気量（電圧、電流）の変化量に変えることができるものであれば特に限定されないが、好ましくは圧電素子タイプ（例えば、キーエンス社製高感度タイプＧＨ−３１３ａ）である。また、必要に応じて電気量を増幅するするためアンプユニットを採用できるが、表示に必要な増幅ができるものであればどのようなものでも採用でき、例えばキーエンス社製ＡＣタイプＧＡ−２４５が利用できる。電気量の変化（例えば電圧ピーク）を表示する手段も各種採用できる（例えばプリンター、ＣＲＴ）。プリンターにチャートを出力する場合、そのレコーダーとしては日本電子化学社製ｐａｎｔｏｓ  Ｕ−６３８  ＵＮｌＣＯＲＤＥＲなどが例示されるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
次に、溶融金属に対する本発明方法の適合性については特に限定されないが、測定結果と鋳造結果の相関性を考慮すればアルミニュウム合金に代表される非鉄系金属が好ましい。また、溶融金属浴中への砂型試験片( 長さ方向) の浸漬深さおよび浸漬時間は、特に制限されないが、浸漬深さは測定結果のバラツキの点から砂型試験片の中央部、浸せき時間は砂型試験片が熱崩壊を生じない時間、例えば１０秒間程度が好ましい。
【００１４】
本発明の装置及び方法に基いて砂型の試験をする場合、溶融金属浴は実際に鋳造する金属と一致させることが試験結果と実際の鋳造結果との一致性を高める上で望ましい。
【００１５】
試験用砂型材料１及び２を用いて、本発明の試験方法と従来の試験方法とを対比することにより、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの説明内容により限定されるものではない。
【００１６】
［試験用砂型材料１の調製］
実験用ワールミキサー内で、約１４０℃に余熱した再生珪砂１００重量部にノボラック型フェノール樹脂１．３重量部を溶融被覆した後、ヘキサメチレンテトラミン０．２９重量部と冷却水１．５重量部を加え、更にステアリン酸カルシュウム０．１重量部を添加してレジンコーテッドサンドを調製した。このレジンコーテッドサンドは、曲げ強度( ＪＡＣＴ試験法ＳＭ−１) が４０６Ｎ／ｃｍ2 であった。
【００１７】
［従来の熱間亀裂試験方法による測定］
上記試験用砂型材料１のレジンコーテッドサンドを用いて従来法である熱間亀裂試験方法（ＪＡＣＴ試験方法ＳＭ−９）による試験片を作製し、同法により割れ時間を測定したところ４．８秒（試験回数ｎ＝３の平均時間）であった。
【００１８】
［本発明の試験方法による測定］
約２５０℃に温調された金型内に前記試験用砂型材料１のレジンコーテッドサンドを加圧充填し、２分間焼成して丸棒砂型試験片１（直径２２ｍｍ×長さ２００ｍｍ）を作製した。次いで、図１に示す円筒状鉄製保持用治具２（内径２３ｍｍ）に丸棒砂型試験片１を挿入し、ネジ止め固定した後、丸棒砂型試験片１を約７００℃のアルミニウム合金溶湯中に長さ方向中央部まで垂直に浸漬し、１０秒間保持して測定を終えた。レコーダー６を介して得られたチャートには、砂型試験片１から発生する振動を変換表示する電圧ピークの出現は見られなかった。引き続き同様の試験を二回繰り返したが、同じ結果であることから、鋳造時に型割れ欠陥は発生しないものと推測した。
【００１９】
［鋳造試験］
前記試験用砂型材料１のレジンコーテッドサンドを用いてシリンダーヘッド用中子を造型した後、低圧鋳造法によりアルミニウム合金を注湯して２０個（ｎ＝２０）のシリンダーヘッド( 鋳物) を得た。これらの鋳物は総て切断して内部を観察したが型割れ欠陥は全く確認されなかった。
【００２０】
以上の結果を表１の試験用砂型材料１の欄に示す。
【００２１】
［試験用砂型材料２の調製］
試験用砂型材料１において、ヘキサメチレンテトラミンの添加量を０．２０重量部に変更した以外は試験用砂型材料１と同様にして試験用砂型材料２のレジンコーテッドサンドを調製した。このレジンコーテッドサンドは、曲げ強度が３８６Ｎ／ｍｍ2 であった。
【００２２】
［従来の熱間亀裂試験方法による測定］
上記試験用砂型材料２のレジンコーテッドサンドを用いて従来法である熱間亀裂試験方法（ＪＡＣＴ試験方法ＳＭ−９）による試験片を作製し、同法により割れ時間を測定したところ４．５秒（試験回数ｎ＝３の平均時間）であった。
【００２３】
［本発明の試験方法による測定］
前記試験用砂型材料１のレジンコーテッドサンドを試験用砂型材料２のレジンコーテッドサンドに変えた以外は、前記本発明の試験方法と同様の方法により、砂型試験片１から発生する振動を変換表示したところ、砂型試験片から発生する振動を示す電圧ピークが平均４個出現した（試験回数ｎ＝３）。
【００２４】
［鋳造試験］
前記試験用砂型材料２のレジンコーテッドサンドを用いてシリンダーヘッド用中子を造型した後、低圧鋳造法によりアルミニウム合金を注湯して２０個のシリンダーヘッド( 鋳物) を得た。これらの鋳物は総て切断して内部を観察したところ全てにおいて型割れ欠陥が確認された。
【００２５】
以上の結果を表１の試験用砂型材料２の欄に示す。
【００２６】
【表１】
0004100819.tif 000002
【００２７】
表１のとおり、従来の熱間亀裂試験方法によると、砂型の割れ又は亀裂の指標となるブリッジ部の割れる時間は、試験用砂型材料１では平均４．８秒であり、試験用砂型材料２では平均４．５秒であり、殆ど差はないといってよい。一方本発明の試験方法によると、砂型の割れ又は亀裂の指標となる電圧ピークの出現回数は、３回の試験測定において、試験用砂型材料１では０回であり、試験用砂型材料２では平均４回であった。これに対して、実際の鋳造結果をみると、型割れ欠陥の発生は、試験用砂型材料１では全く無く、試験用砂型材料２では２０個（全数）であった。
【００２８】
この結果より、従来の熱間亀裂試験方法によっては、実際の鋳造時の、砂型の型割れ及び亀裂の発生を予測することはできないことが明らかであり、一方本願発明の試験方法によると、試験結果と実際の鋳造結果とが完全に一致しており、本願発明の方法により、実際の鋳造時の、砂型の型割れ及び亀裂の発生を正確に予測することができるものといえる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおり、鋳造時、特にアルミニウム合金鋳造において、従来の熱間亀裂試験方法では、鋳造時の型割れ欠陥の発生が予測困難であるのに対し、本発明試験方法（装置）では、試験方法による結果と鋳造結果とが極めて高い相関性を有し、鋳造時の型割れ欠陥の発生を確度よく予測できるのみならず、次ぎのような効果を提供することができる。
（１）砂型材料の有する型割れ欠陥の発生度合い( 危険性) を鋳造試験なしに定量的に把握でき、実際の鋳造時の型割れ及び亀裂の発生を未然に防止できる。
（２）型割れ欠陥に影響する砂型材料の要因を定量的に把握できることから開発スピードを速めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の試験装置の構成を示す図であり、溶融金属浴へ砂型試験片を浸漬して、本発明の試験方法により測定をしている状態を示す概略図である。
【図２】試験用砂型材料１で作製した砂型試験片を本発明方法に適用して得られた電圧ピークＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4 の出現を示すチャート図である。
【符号の説明】
１…棒状砂型試験片
２…保持用治具
４…振動センサ
７…溶融金属浴
【図１】
0004100819.tif 000003
【図２】
0004100819.tif 000004