(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の鋳造材料を鋳型内に導入し、鋳型の内部で鋳造材料が固化、冷却することで鋳造材料から金属製鋳造部品を鋳造する方法において、鋳型の内部における鋳造材料の冷却は冷却システム（３，４，６０，９１）により制御され、鋳型内の鋳造材料のうちから計画的にかつ制御して熱を除去する少なくとも１つの空間的な局所領域が、鋳造部品の幾何学的形状及び目的とする冶金学的な効果に応じて決定され、冷却システムは、鋳造材料の前記局所領域からの制御された熱の除去に適合した配置及び形状を有しており、前記局所領域からの制御された熱の除去が空気流のみにより行われることを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記鋳型が砂型であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記局所領域は複数であり、鋳造材料の各局所領域から奪われる熱量が互いに独立に制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
鋳造材料の異なる領域における局所的な温度を温度センサ（５ａ，５ｂ，５ｃ）により継続的に計測することで冷却を制御するための温度プロフィールを得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋳造方法。
【請求項５】
鋳造材料にわたった温度勾配が最小にな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】
鋳造材料の固化を計画的な熱の除去により制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鋳造方法。
【請求項７】
鋳型の内部で液状の鋳造材料が固化、冷却することで鋳造材料から金属製鋳造部品を製造するための鋳型において、鋳型は、鋳造材料の冷却を制御するための冷却システム（３，４，６０，９１）を備え、鋳型内の鋳造材料のうちから計画的にかつ制御して熱を除去する少なくとも１つの空間的な局所領域が、鋳造部品の幾何学的形状及び目的とする冶金学的な効果に応じて決定され、冷却システムは、鋳造材料の前記局所領域からの制御された熱の除去に適合した配置及び形状を有しており、前記局所領域からの制御された熱の除去が空気流のみにより行われることを特徴とする鋳型。
【請求項８】
前記鋳型が砂型であることを特徴とする請求項７に記載の鋳型。
【請求項９】
冷却システムが、前記局所領域から制御して熱を除去するべく空気を移送する送管システム（３，４，６１，９１）を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項７または８に記載の鋳型。
【請求項１０】
冷却システム（３，４，６０，９１）が熱交換媒体（９，２０，２１，２２）を備えることにより送管システム（３，４，６１，９１）と鋳造材料（１０）が熱的に連動することを特徴とする請求項９に記載の鋳型。
【請求項１１】
熱交換媒体（２０，２１，２２）がグラファイトを含むことを特徴とする請求項１０に記載の鋳型。
【請求項１２】
前記局所領域は複数であり、冷却システム（３，４，６０，９１）が、前記局所領域から制御して熱を除去するべく空気を移送する送管システム（３，４）を少なくとも２つ備え、鋳造材料の各局所領域から奪われる熱量が互いに異なる送管システム（３，４）により独立に制御されることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の鋳型。
【請求項１３】
鋳造材料にわたった温度勾配が最小になるように、除去される熱量を制御する制御システム（６）を更に備えることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の鋳型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液状の鋳造材料を鋳型、特に砂型内に導入し、鋳型の内部で鋳造材料を固化、冷却させることにより鋳造材料から金属製鋳造部品を製造するための鋳造方法と鋳型、特に砂型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属製鋳造部品を製造するための鋳造方法においては、例えば、鋳鉄、特にネズミ鋳鉄合金のような鋳造材料が例えば鋳型ピット、砂型、あるいは重力ダイカスト金型といった鋳型に液体の状態で導入され、鋳型に熱を奪われることにより固化する。固化の過程において、複雑な化学的、物理的なプロセスが進行する。特に鋳造材料の空間的、時間的な固化の過程は結晶構造の成長、ひいては鋳造部品の機械的性質に決定的な影響を与える。固化が完了した後も、鋳造部品は、鋳型から取り出される前に鋳型の内部でいわゆる取り出し温度に達するまで冷却されなければならない。取り出し温度は鋳鉄合金の場合には、３００度以下である。鋳造材料の空間的、時間的な冷却の過程も、例えば鋳造部品の内部応力といった機械的な性質に大きな影響を与える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鋳型は鋳造材料によって加熱していくため、鋳型内での滞留時間が長引くにしたがって鋳造材料の冷却率は低下し、取り出し温度に達する前の時点で１時間当たり１度の値にまで低下しうる。その結果、鋳造部品の冷却時間は固化に要する時間と比較して長くなる。例えば、大型のディーゼルエンジンのモータのハウジングのような大容積の鋳造部品では、冷却時間は数週間に及ぶことがしばしばである。鋳物工場の場所的な制約により、このような大容積の鋳造部品の製造が可能な鋳型ピットの設置数は限られるため、冷却時間の長さが実現可能な生産能力の制限条件となり、経済的な観点から好ましくない。
【０００４】
従来の鋳造方法の更なる課題として、とりわけ大容積の鋳造部品において、鋳造材料の固化の過程、特に固化に要する時間が、冶金学的な見地からして理想的でないことがしばしばあり、望ましい性質を持たない結晶構造が成長する点がある。このため鋳造部品を金型から取り出した後に、鋳造部品に焼きなまし、あるいは焼きならしといった非常に時間とコストのかかる熱処理を施すことで鋳造部品の結晶構造を変える必要がある。
【０００５】
更に、従来の鋳造方法では、鋳造部品の冷却過程により不都合な内部応力、特に引っ張り応力が鋳造部品の内部において生じるという難点がある。この問題は、例えば大型ディーゼルエンジンのハウジングのような複雑な構造を有する鋳造部品において特に顕著である。こういったエンジンハウジング（例えば図１に示されるような）は多くの切り出し部、大きさの異なる隔室、肉厚の異なる隔壁を有する。特にこうした複雑な鋳造部品では内部応力により非常に容易に寸法の狂いや、亀裂が生じるため、鋳造部品のある程度の品質を確保するためには、非常に時間とコストのかかる、例えば焼きなましのような応力を減少させるための熱処理が必要である。こうした従来技術の課題を鑑みて、本発明の目的は、鋳造部品の冷却時間を、とりわけ大容積の鋳造部品の場合に大幅に短縮し、更に、例えば大型ディーゼルエンジンのエンジンハウジングのような複雑な構造の鋳造部品を、手間のかかる熱処理を省略しつつ、良好な品質を維持して製造することが可能な、金属製鋳造部品の最も経済的な製造を可能にする鋳造方法と鋳型を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、鋳造材料が液体の状態で鋳型、特に砂型に導入され、鋳造材料が鋳型の中で固化、冷却する、鋳造材料から金属製鋳造部品を製造するための鋳造方法において、鋳型の内部での鋳造材料の冷却が冷却システムにより制御されることをその要旨とする。材料の冷却を制御することにより、固化過程の空間的、時間的進行、及び冷却過程の空間的、時間的な進行の少なくともいずれか一方を能動的にかつ計画的に制御することが可能である。これにより、鋳造材料が取り出し温度に到達するまでの所要冷却時間を大幅に短縮することが可能である。したがって、例として、新しい鋳造過程のための、鋳型を内部に備えた鋳型ピットがより一層急速に普及し、場所的な条件は変えることなく生産能力を大幅に向上させることが可能になる。
【０００７】
鋳型の内部において、鋳造材料の、予め決定された少なくとも１つの領域における熱の除去が制御される。こうすれば、例えば鋳造材料の固化を計画的に熱を除去することにより制御することが可能である。このような手段により、例として、鋳造材料が少なくとも一個所の特定の領域において非常に急速に固化することが可能になる。この方式は、固化する鋳造材料の結晶構造の成長に対して局所的に効果を及ぼすことが可能であるという長所を有する。従って、指向制御された急速な固化を通して、例えば、変換焼きなまし（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、あるいは遷移焼きなまし（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）のような、熱による後処理を行うことなく、鋳造材料の予め決定された領域において高い硬度を得ることが可能である。
【０００８】
更に、鋳型内の鋳造材料の予め決定された複数の領域からの熱の除去を指向制御することが好ましく、異なる特定領域から奪われる熱量を、それぞれの領域で完全に独立して制御することが可能である。この方式は、固化、及び冷却の空間的な進行の少なくともいずれか一方を能動的に制御することが可能であるという長所を有する。このようにして鋳造部品の機械的な性質に対して、製造の段階で既に効果を及ぼすことが可能である。
【０００９】
熱の除去は流体、特に好ましくは空気を用いて効果的に行われる。空気は扱いの容易な、経済的で安全な冷媒である。
好ましい一方法によれば、鋳造材料の異なる点に配置された温度センサにより局所的な温度が継続的に計測され、ここから得られる温度プロフィールが冷却過程の制御に用いられる。このようにして材料の温度プロフィールは継続的に監視され、制御冷却により能動的に効果が及ぼされる。
【００１０】
特に鋳造材料の冷却中において、鋳造材料における温度勾配が最小に抑えられれば有利である。これにより大型ディーゼルエンジンのハウジングのような複雑な構造の鋳造部品でも引っ張り応力が大幅に減少し、応力を小さくするために行われる焼きなましといった、熱による後処理を省くことが、品質を維持しつつ可能である。鋳造部品の内部に圧縮応力を生じさせることさえ可能である。鋳型内で固化、冷却する液状鋳造材料から金属製鋳造部品を製造するための本発明に基づく鋳型、特に砂型は、鋳造材料の冷却を制御するための冷却システムを備えるという点を特に特徴とする。したがって本発明に基づく鋳型は本発明の鋳造方法を実施するうえで好適である。
【００１１】
冷却システムは流体状熱担体、特に空気の送管システムを少なくとも１個有することが好ましく、これを通じて鋳造材料の予め決定された少なくとも１つの空間的領域からの熱の除去が指向制御される。こうした構造的に簡単な方法により鋳造材料の固化、及び冷却の少なくともいずれか一方の空間的、時間的な過程に影響を与えることが可能である。
【００１２】
鋳造材料と送管システムの直接的な接触は避けられることが好ましく、例えば送管システムは砂型の砂心の内部、あるいは間に延びるように配置される。好ましい一変形例において、冷却システムは送管システムと鋳造材料を熱的に連動する熱交換媒体を更に有する。最も簡単な実施例では、この熱交換媒体は砂あるいは、砂心である。しかし、熱的接触をより良くするために、熱交換媒体として例えばグラファイトのようなより優れた熱伝導体を使用することも可能である。例として送管システムは、鋳造材料と直接接触するグラファイト板の表面あるいは内部に部分的に延びる。
【００１３】
冷却システムは少なくとも２つの流体状熱担体、特に空気の送管システムを備えることが好ましく、これを通じて鋳造材料の予め決定された複数の領域から熱の除去を制御して行うことが可能であり、ここで複数の送管システムを用いることにより、奪われる熱量を実質的にそれぞれ独立して制御することが可能となっている。この方法により、鋳造材料の固化、及び冷却の少なくともいずれか一方の過程に能動的に影響を与えることが可能である。こうした方法によれば、冶金学的見地から見て鋳造材料の固化過程、及び冷却過程の少なくともいずれか一方の最適な過程を、鋳造部品に応じて、つまりはその望ましい性質に応じて実現することが可能である。
【００１４】
鋳造材料にわたる温度勾配が最小になるように、除去される熱量を制御する制御システムが提供されることが特に好ましい。これにより、鋳造部品内部の引っ張り応力を大幅に減少させ、更には圧縮応力を生じさせることも可能であり、例えば応力を減少させるか、除去するための焼きなましのような、熱による後処理を行う必要がない。
【００１５】
本発明に基づく鋳造方法と鋳型は時間とコストのかかる熱処理を必要としないため、特に経済的である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明をその方法と装置について、図１〜図１３に基づき以下に詳細に説明する。
【００１７】
本発明に基づく金属製鋳造部品の製造のための鋳造方法は、鋳造材料の鋳型の内部での冷却が冷却システムにより制御されることを特徴とし、本発明に基づく金属製鋳造部品の製造のための鋳型は、鋳造材料の制御冷却のための冷却システムを備えることを特徴とする。「制御冷却」とは、鋳造材料を受動的に固化、あるいは冷却させるのではなく、鋳型及び鋳造材料の少なくともいずれか一方から熱が能動的に奪われ、かつ奪われる熱量が制御されることを意味する。
【００１８】
以下に記す実施態様において、鋳鉄、特にネズミ鋳鉄合金が例として鋳造材料として使用されている。
本発明の第１の実施態様は、例えば船舶の建造に使用されるような大型ディーゼルエンジンのハウジングの製造に関する。この種のエンジンハウジングの構造は通常非常に複雑であり、多数の隔室、切り出し部、肉厚の異なる多数の隔壁を有している。したがって、こうしたエンジンハウジングは、製造される鋳造部品の形状に基づいて形成された砂型で通常鋳造され、追加加工を行う必要のある部位には加工のためのゆとりが設けられている。
【００１９】
図１には、鋳型ピット２の内部のエンジンハウジング１が部分的略示図にて示されている。この金型は永久金型、すなわち、繰り返して使用することが可能な金型である。エンジンハウジング１はクランクケース空間１１とシリンダ空間１２を備え、シリンダ空間１２の内部には２個のシリンダ１２２が配置されている。エンジンハウジング１は通常多数の、例として１０個または１２個のシリンダ１２２を備え、シリンダ１２２は２個ずつ交互に配置されている。図１に示されたエンジンハウジング１の更なる詳細は、本発明を理解する上で必ずしも必要ではなく、また一般に広く知られているものであるので、ここでは省略する。
【００２０】
エンジンハウジング１の製造において、エンジンハウジング１の形状はまず、鋳型ピット２の内部で公知の方法により、多数の、例えばセメント砂で形成された砂心から形成される。こうした砂心は結着剤を添加した石英砂や、他の砂状の鉱物に化学的、熱的な固化処理を行って製造される。個々の砂心は、通常一回のみの使用を前提としており、間に形成される空洞が全体にわたって製造されるエンジンハウジング１の鋳造部品の形状に対応するように組み立てられ、合体される。図１に基づけば、製造されるエンジンハウジング１のほぼ全ての空洞及び切り出し部は、エンジンハウジング１と鋳型ピット２の底部２１と内壁２２の間の空間と同様に、適切に形成された砂心で充填される。理解を容易にするために、図１では砂心は具体的に図示せず、代りに砂心の間と内部の空間の全体により形成されるエンジンハウジング１を図示した。
【００２１】
上記の方法で砂型を製造した後、液状の鋳造材料、通常は鋳鉄合金を砂型内と空洞内に流し込み、材料が固化し、冷却されれば、エンジンハウジング１が完成される。
【００２２】
本発明に基づき、鋳造材料の制御冷却のための冷却システムが提供される。図１に示された実施態様において、冷却システムは多数の送管システムを備え、これによりクランクケース空間冷却部３と（図２及び図３を参照）底部冷却部４（図４を参照）が形成されている。鋳造材料及び鋳型の少なくともいずれか一方から熱を除去するための流体状熱担体が送管システム内を流れる。空気は、鋳造材料が通常使用される高温状態においても扱いやすく、安全で、経済的かつ効率的な媒体であるので、熱担体として好ましく用いられる。空気は例えばファンやブロワによって送管システム内を移送される。鋳造材料から除去される熱量は、弁や絞りフラップや他の調整装置のような簡単な方法を用いて空気の流率を変化させることにより制御することが可能である。したがって、例えば空気の流速を増大させるか、あるいは給気圧を増大させることで冷却システムの冷却力を上昇させることが可能である。数気圧の圧縮空気を送管システムに給気することが実用上有効であることが既に教示されている。個々の送管システム内に流入する空気量の制御は送管システムの給気部と排気部で行うことが可能である。実用的には、この制御は排気部で行われることが好ましい。
【００２３】
第１の実施態様において、２個の独立した送管システム、すなわち、クランクケース空間冷却部３と底部冷却部４が使用されている。これにより鋳造材料の異なる特定領域からの熱の除去を制御することが可能となり、異なる特定領域から奪われる熱量はそれぞれ独立に制御することが可能となる。こうした局所的な熱の除去により、鋳造材料の温度プロフィールを制御することが可能である。鋳型の送管システムの送管の配置、形状、及び経路により、熱を除去する特定の領域を予め決定することが可能である。送管システムの形成と配置は、鋳造部品の幾何学的形状と具体的な用途に応じて適切に調整される。
【００２４】
第１の実施態様において、クランクケース１１とシリンダー空間１２の境界領域は鋳造部品の幾何学的形状により加熱が著しいが、クランクケース空間冷却部３はこの部分において鋳造材料から局所的に熱を奪う機能を有する。底部冷却部４はエンジンハウジング１の底部領域から熱を除去する機能を有する。
【００２５】
更に、例として熱電素子である温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃが鋳造材料内に配置され、これにより、異なる点における鋳造材料の温度が継続的に計測される。第１の実施態様では第１の温度センサ５ａが底部領域に配置され、第２の温度センサ５ｂがシリンダー空間１２とクランクケース空間１１の境界領域の中央に配置され、第３の温度センサ５ｃがエンジンハウジング１のフランジ領域内に配置されている。ある時間における鋳造材料の温度プロフィールは３個の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃの測定値から決定される。温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃの測定値は例として制御システム６に送られ、これにより送管システム内の空気の量が制御される。個々の送管システムを通じて流れる空気の量は制御システム６により制御される。この制御は、例として、図示されていない絞り装置により、鋳造部品の温度プロフィールに応じて鋳造部品の特定の領域から単位時間当たりに奪われる熱量を大きくしたり小さくしたりして行われる。例として、第２の温度センサ５ｂの領域が過加熱した場合、この状況は第２の温度センサ５ｂと第３の温度センサ５ｃの間の温度差が大きくなることで検知され、制御システム６を介して、空気の流量が増大することで、クランクケース空間冷却部３の冷却力が上げられ、結果としてこの２点間の温度差は小さくなる。
【００２６】
図２はクランクケース空間冷却部３を形成する送管システムを示す側面図である。図３はクランクケース空間冷却部３を、図２におけるIII−III線に沿って切断したものの平面図である。クランクケース空間冷却部３は１本の導管、例えば鋼管として形成されていることが好ましい。クランクケース空間冷却部３の給気管部３１はほぼＳ字形状を有する湾曲部３３に連続する。Ｓ字状湾曲部３３は他端において給気管部３１と平行に延びる排気管部３２に連続する。クランクケース空間冷却部３のＳ字状湾曲部３３は、クランクケース空間１１とシリンダー空間１２の境界を形成し、図１にて参照符号３０で示された面に接触するように鋳型内に配置される。Ｓ字状湾曲部３３の２個の湾曲部分は、境界面３０の形成に応じて、図２に示されるように側面から見てＶ字形状を形成するようにお互いに対して傾斜している。Ｓ字状湾曲部３３の２個の湾曲部分は、シリンダー１２２の壁に沿うようにして湾曲している。例えばグラファイトのような高い熱伝導性を有する複数のプレート３４がＳ字状湾曲部３３に取り付けられ、プレート３４によりクランクケース空間冷却部３と境界面３０の間に接触が生じている。この構成により、鋳造材料とクランクケース空間冷却部３の間の熱交換が均一かつ非常に高い効率で行われる。対をなすシリンダーのそれぞれがこのようなクランクケース空間冷却部３を備えている。図１に示されるように給気管部３１と排気管部３２は境界面３０からクランクケース空間１１を通って上方に延びている。給気管部３１は、例えばファンやブロワのような給気手段に対して、個々にあるいは共通の主管路を介して接続されている。排気管部３２は制御の精度を高めるためにそれぞれ独立して鋳型の外部に案内されることが好ましい。
【００２７】
図４には、底部冷却部４を形成する送管システムが示されている。底部冷却部４は鋳型ピットの底部に配置され、エンジンハウジング１の全体の幅にわたる主管４１を備える。４本の導管４２はそれぞれほぼＵ字形状を有し、この内１本だけが腕部において主管４１に連結されている。図４に矢印にて示される方向に、空気がＵ字形状の管内を流れる。残りの３本のＵ字形状導管の腕部はそれぞれ排気のための排気管部４３に連続している。排気管部４３は、制御の精度を高めるためにそれぞれ独立して鋳型の外部に案内される。多数の鋼板４４がエンジンハウジング１の底部領域を均一に冷却するためにU字形状導管の間に、例として溶接されて配設されている。鋳造材料と底部冷却部４の間の熱交換効率を高めるために、例としてグラファイト板４５のような熱交換媒体を配置することも可能である。グラファイト板４５は、底に最も近い鋳型の砂心の内部あるいは間において、鋼板４４と鋳造材料の間に配設される。更に、図１において給気管７が配設され、これを通じて冷たい空気が主管路４１に供給される。底部冷却部４の導管は例えば鋼で製造される。
【００２８】
本発明の第１の実施態様における最重要課題は、鋳型内のエンジンハウジング１の冷却時間を大幅に短縮し、これにより製造に要する全時間の大幅な短縮化を図ることと、鋳造部品の内部応力を取り除くための、焼きなましのような後処理を行う必要がない程度に内部応力を減少させることにある。
【００２９】
第１の課題は、送管システム内を移送される空気により、鋳造材料から能動的に熱を除去することにより達成されている。これにより、上記のような構成によらずに鋳造材料が冷めるのを待つ受動的な方法よりも、遥かに迅速に熱が奪われる。実際の使用において、冷却時間、すなわち鋳型内のエンジンハウジング１が取り出し温度にまで冷却されるまでの所要時間は、受動的な冷却を行った場合と比較して３分の１以下にまで短縮可能なことが示されている。これは経済的な観点に立って非常に大きな進歩である。
【００３０】
経済的に見て、送管システムから排気される高温の空気を他の鋳物の乾燥に使用し、空気の熱を有効利用することが可能なことも大きな利点である。
第２の課題は温度センサ５ａ、５ｂの領域の温度プロフィールが、本発明に基づく制御冷却により、温度センサ５ｃの領域の温度プロフィールに一致することで解決されている。これはクランクケース空間冷却部３と底部冷却部４を通じて流れる空気量を制御することにより、鋳造材料にわたる温度勾配を最小に抑えられることを示している。鋳造材料の異なる領域からの局所的な熱の除去を制御することにより、鋳造材料を均一に冷却することが可能であり、したがって内部応力を非常に小さくすることが可能である。例えば温度センサ５ｂの領域で過加熱が生じた場合、過加熱した領域の温度を温度センサ５ｃの領域の温度に近づけるように、送管システム（クランクケース空間冷却部３）の冷却力が上げられ局所的に熱が除去される。こうした均一な冷却により鋳造部品の内部応力を大幅に減少させることが可能である。温度センサ５ｂの領域を過冷却し、温度センサ５ｃや温度センサ５ａの領域よりもこの部分の温度を局所的に低くすることも可能である。したがって温度センサ５ｂの領域において圧縮応力を生じさせることも理論的に可能である。
【００３１】
本発明の第１の実施態様においては、こうした構成により、冷却の空間的な過程（温度プロフィール）と時間的な過程（冷却率）の両方を制御することが可能である。このことは、製造される鋳造部品の幾何学的な形状や機械的な性質に応じて、冶金学的な見地に基づいて、鋳造部品の冷却の空間的、時間的な過程を最適化することが可能なため、鋳造技術の可能性が大幅に拡がることを意味する。
【００３２】
鋳造材料１０と熱担体の間の熱交換の変形例が図５から図９に略示的に示されている。この場合、熱担体は好ましくは空気であり、送管システムの一部である導管８を通じて流れる。いずれの図においても熱担体である空気の流れは矢印により示されている。最も簡単な例（図５参照）では、導管８は砂心９の内部に通り、砂が送管システムと鋳造材料の間の熱交換媒体として機能している。熱伝導率の高い、好ましくはグラファイト２０のような材料を熱交換媒体として使用することも可能である（図６、図７、図９を参照）。図６に示された変形例では導管８はグラファイト２０に完全に囲繞されている。これは導管８が少なくとも一部分においてグラファイト体の内部に形成されることで実施されうる。図７に示された変形例では、導管８と鋳造材料１０の間の熱交換媒体としてグラファイト２０が配置されているが、導管８は鋳造材料１０から遠いほうの側面で砂心９に接している。図９に断面図にて示されているように、導管８を部分的に砂心９内に埋設し、一方の側面で例えば板状に形成されたグラファイト２０に接触するように構成してこの変形例を実施することも可能である。熱交換率を向上させるべく、図９に示されるように、グラファイト２０と導管８と砂心９とに囲繞される空間を、やはり熱伝導率が高く、かつ成形可能な材料で充填することが好ましい。こうした材料として適当なものには、例えばグラファイト粉末、グラファイト粒、グラファイト粉末及びグラファイト粒の少なくともいずれか一方を熱伝導性のよい、例えばフラン結着剤のような樹脂と混合したものがある。図８に示された変形例では鉄体２１が導管８を囲繞しており、これは例えば導管８を鉄体２１内に鋳込んで形成される。鉄体２１と鋳造材料１０の間にグラファイト２０が再び配設されている。
【００３３】
本発明の第２の実施態様は自動車用プレス機のような大型のプレス機に使用される大型の偏心ホイールの製造に関する。第１の実施態様では、本発明に基づき鋳造材料の冷却の過程を制御する方法が主に示されたが、第２の実施態様では本発明に基づき鋳造材料の固化の過程を制御する方法を主に示す。
【００３４】
図１０では、外縁に歯状部を有するリム５１を備えた偏心ホイール５０の半分が示されている。理解を助けるうえで、図１１に偏心ホイール５０の線ＸＩに沿った断面を示す。こうした偏心ホイールもまた通常は適切に形成された砂心を使用して鋳造される。理解を容易にするために図１０と図１１では砂型は省略されている。
【００３５】
偏心ホイール５０は、より長い耐用時間を得るための必要条件として、特に歯状部を有するリム５１において、非常に高い硬度を有するなどの優れた機械的性質を備えていなければならない。そのためには、歯状部を有するリム５１の結晶構造にセメンタイト沈着物などが含有されてはならない。結晶構造に求められるこういった条件を従来の鋳造技術で満たすことは困難であるため、例えば要求される硬度を得るためには、鋳型から取り出した後に鋳造部品の結晶構造に手間のかかる熱による後処理（例えば、空気で冷却した後、応力を取り除くために焼きなまし処理を行うなど）を行って、その性質を変えなければならない。こうした方法を処理コストの面から見た場合の課題は、熱により結晶構造を変える後処理を、特に高い硬度が必要とされる部分のみでなく、偏心ホイール５０の全体にわたって行っていることにある。本発明に基づく制御冷却により、特に高い硬度を必要とされる部分、すなわち歯状部を有するリム５１の部分の固化を、歯状部を有するリム５１が小さな共晶体から成る優れた結晶構造を備え、完全にパーライト状となるように、指向制御された熱除去によって促進することが可能である。制御冷却によって、熱による後処理を行うことなく、偏心ホイール５０のその他の部分に大きな影響を与えずに、歯状部を有するリム５１において要求される硬度を得ることが可能である。
【００３６】
第２の実施態様において、冷却システムは偏心ホイール５０の外周に沿って配置された多数の冷却板６０を有する。熱交換率を高めるために、熱伝導性の良い、例えばグラファイト部材７０が冷却板６０のそれぞれと偏心ホイール５０の間に、グラファイト部材７０の片側の面が偏心ホイールの湾曲に一致するように配置されている。
【００３７】
図１２は冷却板６０の平面図である。冷却板６０は、平行に延びる導管を備えたほぼ長方形の形状を有し、本実施態様においては、１本の導管６１として形成された送管システムを有する。導管６１は冷却用の空気を冷却板内を通じて流すための給気口６２と排気口６３を有する。冷却板６０の内部において、導管６１は最初に冷却板６０の外周に平行に沿って延び、次に冷却板６０の中心に向かって折曲し、更に再び排気口６３に向けて逆方向に延びる。図１１、図１２で空気の流れる方向は矢印で示されている。冷却板６０は、例として内部に導管６１が平行に延びるように鋳込まれた長方形の中実の鋼鉄または鉄製の板として形成される。
【００３８】
個々の冷却板６０への空気供給は独立に行うことも、複数個をまとめて協調させて行うことも可能で、いずれの場合も給気口６２を通じて行われる。冷却板６０を通じて流れる空気の単位時間当たりの流量を制御することで、鋳造部品の歯状部を有するリム５１から奪われる熱量を制御することが可能である。このようにして制御することにより局所的に鋳造部品の固化を促進することが可能である。熱の除去を制御することで固化を促進する鋳造部品の範囲は冷却板６０あるいは同様の冷却部材を適当に配置することで予め決定することが可能である。
【００３９】
したがって本発明により鋳造材料の固化の空間的、時間的過程を制御することが可能である。これにより、固化過程で成長する結晶構造を局所的に制御することが可能であるため、同様な鋳造技術の発展の可能性が考えられる。
【００４０】
本発明の第３の実施態様は、比較的小径のボアを備えた、充実体にしてかつ肉厚の大きな部分、または塊状の部分を有する鋳造部品の製造に関する。図１３には、斜線にて示された中実ブロック８０を有するこうした鋳造部品の断面が示され、内部に小ボア８０が設けられている。図１３に断面図にて示された鋳造部品もまた図中には示されていない砂型で鋳造されたものである。小ボア８１として形成される予定の部分には液状の鋳造材料が流れ込まないように砂心が配置されている。従来の鋳造方法では、こうした小ボア８１の部分に過剰に熱が蓄積してしまうことが公知の課題であった。熱の蓄積によりしばしば砂心９０の砂が過加熱し、砂の融点を上回ると鋳造材料が砂型９０を貫通し、砂型９０の内部に流入してしまう。この結果生じる砂と鋳鉄の混合物は鋳型から鋳造部品を取り出した後に、手間をかけて鏨で取り除かなくてはならず、この作業は非常に時間がかかるのみばかりでなく、作業者の関節に害をもたらす。
【００４１】
この問題もまた、本発明に基づく制御冷却により解決することが可能である。鋳造部品の小ボア８１を含む部分の熱は、砂型９０の内部に延びる送管システムにより除去され、この送管システムを通じて熱担体である空気が流れる。このようにして鋳造部品の固化及び冷却の少なくともいずれか一方を、小ボア８１の周辺の領域において促進し、空気の流量を適切に調整することで制御することが可能である。また、砂心９０の融点を上回るような加熱を効果的に回避することができる。
【００４２】
図１３に示した中実のブロックにおいては、冷却のための送管システムは二重のＵ字形状の導管９１として形成されている。導管９１を通じた空気の流れは矢印にて示されている。こうした二重のＵ字形状を有する導管９１は、初めに直線状の管をＵ字形に折曲し、このＵ字形の導管の折曲した側の端部をＵ字が開いた側の端部の方向に再び折曲して製造される。
【００４３】
以上に示された実施態様は砂型を用いた鋳造方法と、砂型に関するものであるが、本発明は上記実施態様に限定されるものではない。本発明は重力ダイカスト法及びその鋳型（大部分が鋳鉄から製造される金属製鋳型）に対しても同様に有効であり、鋳造部品の一部が重力ダイカストにより形成され、他の部分が砂型により形成されるような鋳造方法及びその鋳型に対しても有効である。重力ダイカスト鋳型を使用すれば、例えば熱担体のための送管システムを重力ダイカスト鋳型の型壁の内部に埋設することが可能であり、例えば送管システムを重力ダイカスト鋳型内に鋳込むことが可能である。
【００４４】
冷却システムの配置、及び経路は製造される鋳造部品の幾何学的形状や特定の用途、すなわち、目的とされる冶金学的な効果に応じて決定される。こうした基準に基づいて、熱の除去を制御して計画的に行う鋳造部品の特定の領域を予め決定することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に基づく鋳造方法と鋳型により、鋳造部品の固化における空間的、時間的な進行過程、及び鋳造部品の冷却における空間的、時間的な進行過程の少なくともいずれか一方を制御冷却によって制御することが可能である。これにより特に大容積の鋳造部品における冷却時間を大幅に短縮することが可能である。更に、例えば内部応力を減少させるための焼きなましや、結晶構造の性質を必要に応じて変化させるための焼きならしといった、手間の掛かる熱による後処理を行わずに、高品質の金属製鋳造部品を製造することが可能である。したがって大幅な時間とコストの削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施態様における鋳型ピット内部のエンジンのハウジングを示す概略断面図。
【図２】図１のエンジンハウジングのクランクケースから熱を除去するための送管システムの側面図。
【図３】図２を線III−IIIの方向より見た平面図。
【図４】図１のエンジンハウジングの底部の冷却のための送管システムを示す概略図。
【図５】鋳造材料と熱担体の間の熱交換を行う構成の一変形例の略示図。
【図６】鋳造材料と熱担体の間の熱交換を行う構成の別の一変形例の略示図。
【図７】鋳造材料と熱担体の間の熱交換を行う構成の別の一変形例の略示図。
【図８】鋳造材料と熱担体の間の熱交換を行う構成の別の一変形例の略示図。
【図９】鋳造材料と熱担体の間の熱交換を行う構成の別の一変形例の略示図。
【図１０】本発明の第２の実施態様の理解を助けるための偏心ホイールの概略図。
【図１１】図１０の偏心ホイールの線XI−XIに沿った断面図。
【図１２】冷却プレートの平面図。
【図１３】本発明の第３の実施態様の理解を助けるための小ボアを備えた中実ブロックを示す概略断面図。
【符号の説明】
１…エンジンハウジング、２…鋳型ピット、３…クランクケース空間冷却部、４…底部冷却部、５ａ…第１の温度センサ、５ｂ…第２の温度センサ、５ｃ…第３の温度センサ、６…制御システム、７…給気管、１１…クランクケース空間、１２…シリンダ空間、２１…鋳型ピットの底部、２２…鋳型ピットの内壁、３０…シリンダとクランクケースの境界面、４１…底部冷却部の主管、４４…鋼板、４５…グラファイト板、１２２…シリンダ。
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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