JP2015016501A - 鋳物の鋳造方法、鋳物及びタイヤ成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造時に合金溶湯が生成する遊離結晶が鋳物に生成される鋳物表面に沈着するメカニズムを利用して、引け巣欠陥などの鋳物欠陥を解消する。【解決手段】 鋳造時に合金溶湯が生成する遊離結晶で鋳造欠陥を低減させる鋳物の鋳造方法であって、合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程を有する。【選択図】 なし

Description

本発明は、鋳物の鋳造方法、前記鋳造方法で鋳造した鋳物及びタイヤ成形用金型に関するものであり、とくに合金成分含有量や鋳造条件を制御して鋳造欠陥発生を抑制する鋳物の鋳造方法、前記鋳造方法で鋳造した鋳物及びタイヤ成形用金型に関する。

従来、鋳物、例えばタイヤ成形用金型は、石膏鋳型を用いた精密鋳造方法で製作されることが多い。この鋳造方法では、タイヤ成形用金型の表面にタイヤの溝を形成するための細かな突起形状、いわゆる「鋳出し骨」を形成するため、石膏鋳型に形成された溝形状に溶湯を充填、凝固させる。
この鋳造方法によるときは、鋳型内における凝固面と鋳型溝間に閉塞空間が形成されると、押し湯供給が断絶するために凝固収縮による穴が発生し、他方、凝固完了までの溶湯の対流不足、さらに凝固完了までの遊離結晶の発生や沈着不足が起こるため、鋳出し骨の付け根部分やその内部まで引け巣欠陥が無く健全な鋳物を得ることは難しい。
そのため、この鋳造方法では、引け巣やブロー欠陥といった鋳造欠陥や結晶欠陥の粗大化に起因する機械的強度劣化等が問題になっていた。

そこで、例えばタイヤ成形用金型用鋳型のように、細かな溝形状が多数存在する鋳型を鋳造する場合は、この閉塞空間の形成を極力防止するために、鋳型表面と等凝固時間曲面（一つの断面内で溶湯が同じ時間で凝固完了する面で定義される曲面）が直交する形となるようにして、引け巣欠陥などの鋳物欠陥の発生を抑制する鋳造方法が一般に採用されている。
この鋳造方法は、鋳型のタイヤ幅方向を重力方向と合わせ、溶湯の凝固方向に、上から下、若しくは下から上の指向性を持たせることが一般的である。しかし、この鋳造方法でも、鋳型の溝形状部と、溶湯の等凝固時間曲面での閉塞空間の形成を完全に抑制することはできない。

その対処法として、例えば、鋳物の引け巣欠陥が発生する閉塞空間形成部近傍に、冷やし金や盲押し湯を設置して溶湯の凝固を早め、引け巣欠陥を防止しようとする鋳造方法が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、この特許文献１記載の鋳造方法でも、なお以下の問題があることが分かった。即ち、
i）予め閉塞空間形成を予測して（つまり、凝固シミュレーション等を実施しておいて）鋳型側に冷やし金や盲押し湯を設置することが必須である。
ii）鋳造された鋳物に対して、この冷やし金や盲押し湯部分を手作業で仕上げ加工し直さなければならない。
iii）この鋳造方法を用いても完全に引け巣欠陥の発生を抑えることは難しく、かつ引け巣欠陥が生じた該当部分の結晶組織の改善は難しい。

特開２００５−１６９４３６号公報

本発明は、従来の金型鋳造における前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、合金溶湯が凝固する際に生成する遊離結晶を利用して鋳物欠陥の発生を防止することである。

本発明は、鋳造時に合金溶湯が生成する遊離結晶で鋳造欠陥を低減させる鋳物の鋳造方法であって、合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程を有することを特徴とする鋳物の鋳造方法である。

本発明によれば、凝固時に遊離結晶を形成させる合金の遊離結晶を増大させることで、鋳物を簡易に健全に鋳造することができる。

鋳造装置を模式的に示し、図１Ａは鋳造装置の冷やし金を透視して示した平面図、図１Ｂは鋳造装置の正面側断面図である。 鋳造装置の側面側断面図である。 図１に示す鋳造部で鋳造される鋳物を模式的に示す斜視図である。 金属の凝固について基本的な事項を説明する図である。 トラックタイヤ金型用鋳物において実験を行った結果をまとめたＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有率と引け巣欠陥個数の相関図である。 図４におけると同様の実験結果を、縦軸に凝固開始―完了温度を、また横軸にＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有率をとって示した相関図である。 鋳物凝固進行形態を示す模式図であり、図６Ａは、溶湯（ハッチング部分）が鋳型内に充填された溶湯充填完了の状態を、図６Ｂは、溶湯の凝固の初期状態を、図６Ｃは、凝固の中期の状態を、図６Ｄは、石膏鋳型内の合金が凝固完了した状態をそれぞれ示す図である。 図７Ａは図６Ｃの凝固中期の状態において、図６Ｃの一部を拡大した拡大図、図７Ｂは図７Ａの範囲Ｂで示す石膏鋳型の溝部をさらに拡大した拡大図、図７Ｃは図７Ｂと同様の拡大図である。 多変量解析を行うために収集したデータを示す表である。 図８のデータに基づき多変量解析を行った結果を表した表である。 引け巣発生率を実測値と予測値とを対比して示した図であり、図１０Ａは、引け巣発生率％を図７に示す実測値と、予測値とを対比した表であり、図１０Ｂはそのグラフである。 合金中Ｃｕ含有率（％）、鋳造温度（℃）、冷やし金温度（℃）、Ｗ（ｍｍ）、Ｄ（ｍｍ）、Ｐ（ｍｍ）、Ｔ（ｍｍ）と、リブ凝固完了時間とのデータを示す表である。 図１２Ａは図１１に示すデータで多変量解析した結果を表した表であり、図１２Ｂは、リブ凝固完了時間の実測値と予測値の散布図である。 事例１の条件を示す表である。 事例２の条件を示す表である。 事例３の条件を示す表である。

以下、本発明の実施形態に係る鋳物（ここではタイヤ成形用金型）の鋳造方法を説明するが、その前に、先ず、本鋳造方法を実施する鋳造装置について図面を参照して説明する。
図１は鋳造装置１０を模式的に示し、図１Ａは鋳造装置１０の冷やし金を透視して示した平面図、図１Ｂは鋳造装置１０の正面側断面図、図１Ｃはその側面側断面図である。
鋳造装置１０は、概略的には溶湯供給部２０と鋳造部３０とから成っている。溶湯供給部２０は、図１Ｂ、１Ｃに示すように、加熱容器２１と、合金ここではアルミ合金を溶融する坩堝２２と、加熱容器２１内に配置され坩堝２２を加熱する電気ヒータ２３と、加熱容器２１内に加圧エアを供給して坩堝２２内の溶湯に圧力を作用させるため、図示しない加圧源に連結された加圧エア供給口２４と、加熱容器２１を気密保持するためその上面に配置された断熱ボード２５と、溶融アルミ合金を鋳造部３０に供給するため、断熱ボード２５の中央部の開口２５ａの周りに密着するフランジ２６ａを上端に有し、下端は坩堝２２内の溶融アルミ合金中に配置された筒状のストーク２６とから成っている。
なお、図１において、Ｗは鋳物の長さ、Ｄは鋳物両端の突起高さ、Ｐは鋳物の幅、Ｔは鋳物の肉厚であり、ここでは、例えば、Ｗ＝１５０〜３００ｍｍ、Ｄ＝３０〜６０ｍｍ、Ｐ＝３０〜１５０ｍｍ、Ｔ＝２０〜４０ｍｍである。

鋳造部３０は、断熱ボード２５上に配置された石膏鋳型３１と、石膏鋳型３１（主型３１（１）と鋳枠３１（２）からなる）と、断熱ボード２５上に直に配置され、断熱ボード２５の開口２５ａに連通し、ストーク２６から溶湯が押し込まれるランナー部３２と、ランナー部３２のストーク２６と反対側端部に設けられ、ランナー部３２に押し込まれた溶湯を石膏鋳型３１に供給するゲート部３３と、石膏鋳型３１上に密着配置され、石膏鋳型３１に押し込まれた溶湯の上面に接触する冷やし金３４とから成っている。なお、図中の石膏鋳型３１の主型３１（１）には、鋳物の骨部に対応する溝部３１ａが所定数設けられている。

以上のように構成された鋳造装置１０において、電気ヒータ２３で加熱された坩堝２２中の合金溶湯は、加圧エア供給口２４から供給される加圧エアにより加圧されてストーク２６中を上昇し、断熱ボード２５の開口２５ａ、ランナー部３２、ゲート部３３を通って石膏鋳型３１内に充填される。
石膏鋳型３１内に充填された溶湯は、後述するように、上面の冷やし金３４に接触した部分から凝固を始め、それ以外の溶湯部分は石膏鋳型３１内を通る対流を行う。この対流の過程で遊離結晶が溶湯対流による淀みの部分（溝部）で重力により下降する。したがって、遊離結晶は石膏鋳型３１の溝部３１ａに優先的に堆積されることになる。

図２は、図１に示す鋳造部３０で鋳造される鋳物を模式的に示す斜視図であり、鋳物本体４０と、石膏鋳型３１の溝部３１ａで形成された鋳物意匠面突起形状（リブ）４１、と、後述する鋳物本体容積Ｖｂと溝部である鋳物意匠面突起形状４１の容積Ｖｅを示している。

次に、以上で説明した鋳造装置１０の鋳物における欠陥、ここでは引け巣欠陥発生のメカニズムについて説明する。
まず、金属の凝固について基本的な事項について説明する。
図３は、金属の凝固について基本的な事項を説明する図であり、凝固時に溶湯に流れ（対流）が起きないことを前提とした場合における、金属の凝固に関する一般的な現象を示している。
図３Ａは鋳造性が良くない合金の例である。この合金では図示のように凝固温度範囲が広く、デンドライト（樹枝状晶）ＤＲが長いという特徴がある。特定の合金では、これに遊離結晶ＣＩの発生が加わる。遊離結晶を生成する合金は、凝固温度範囲が広い方が遊離結晶ＣＩが多く発生する傾向が強い。

これに対し、図３Ｂは鋳造性が良い合金の例である。この合金では図示のように、凝固温度範囲が狭く、デンドライト（樹枝状晶）ＤＲが短い。特定の合金では、これに遊離結晶ＣＩの発生が加わるが、凝固温度範囲が狭い方が遊離結晶ＣＩが少ない傾向が強い。
図３Ａ、３Ｂの下側のグラフは、縦軸に温度、横軸に凝固方向距離を取って、固相率１００％から０％までのそれぞれの凝固の進捗状況を示している。
鋳造性の良い合金に対して鋳造性の良くない合金は、固液共存領域が長く、したがって、液相から固相への移行温度範囲（凝固温度範囲）が広いことを示している。

したがって、凝固時に溶湯に流れ（対流）が起きず、溶湯凝固時に遊離結晶を形成しない場合は、凝固温度範囲が狭い合金の方が、等凝固時間曲面と鋳型間で閉塞空間を形成しづらく出来るため、引け巣欠陥が発生し難いということが常識になっている。
しかしながら、溶湯対流が存在し、かつ、遊離結晶を形成する合金の場合においては、この常識が通用しないことが分かった。その理由は、凝固完了直前まで溶湯の対流が生じていると思われること、及び遊離結晶ＣＩの溶湯対流淀み部への堆積により溝部形状が形成されるメカニズムが存在し、それが前記骨部における引け巣欠陥発生の有無を左右していることによると推測される。つまり前記メカニズムと引け巣欠陥発生とは相関関係があるものと推測される（この推測は、該鋳物の断面組織観察結果、石膏鋳型表面近傍の組織が「等軸晶」であること、つまり遊離結晶であることにより裏付けられている）。

また、過去における引け巣欠陥発生物件における合金成分データから、合金中におけるＣｕ含有率（％）と引け巣欠陥発生数の相関関係があることも推測される。そこで、溶湯合金中におけるＣｕ含有率と引け巣欠陥発生数との相関を確認するため、トラックタイヤ金型用鋳物を使ってＡＣ２Ｂ合金による実験を行った(なお、ＡＣ２Ｂは遊離結晶を形成しやすい合金種の一つである)。
図４は、その実験の結果をまとめたＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有率（％）と引け巣欠陥個数の相関図である。
ここでは、遊離結晶を発生するＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ％と引け巣欠陥個数の相関を、縦軸にモールド１ピース当たり引け巣欠陥個数を、また、横軸にＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ％をとって示した。具体的には、Ｃｕ含有量（率）を、２．２％、２．７％、３．２％のＡＣ２Ｂ合金について鋳造試験を行い、それぞれの引け巣欠陥個数をカウントしてプロットした。

なお、図中、上側の曲線は直径が０．２〜０．５ｍｍの引け巣（微細引け巣）についての特性を表し、下側の曲線は直径が０．５ｍｍを超える引け巣についての特性を表す。
この相関図から明らかなように、直径が０．２〜０．５ｍｍの微細引け巣では、Ｃｕ含有率が３．５％まではＣｕ含有率を増やすほど引け巣欠陥個数が減少することが確認できた。

図５は、図４におけると同様の実験結果を、縦軸に凝固開始―完了温度（℃）を、また横軸にＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有率（％）をとって示した相関図である。
図示のように、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有率（％）が２．７％、３．５％、４．０％と大きくなるにしたがって、ＡＣ２Ｂ合金の溶湯の凝固開始から完了までの温度範囲が広くなっていることが確認された。

以上の実験結果から、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有量（率）が高い方が、引け巣欠陥発生量（数）が少ないことが確認できた。そこで、これと上述の凝固メカニズムを考慮して、以下で説明するような引け巣発生メカニズムの推定を行った。
即ち、図６は鋳物凝固進行形態を模式的に示した図であり、図６Ａは溶湯（ハッチング部分）が鋳型内に充填された溶湯充填完了の状態を示す。即ち、溶湯は断熱ボード（ここでは珪酸カルシウムボード）２５の開口２５ａから石膏鋳型３１中に充填され、その上面が石膏鋳型３１の上面にある冷やし金（天板ともいう）３４に接触した状態を示している。

図６Ｂは、溶湯の凝固の初期状態を示す図である。ここでは、溶湯は接触した冷やし金３４で冷やされてその接触部分から凝固（無印部分）を始める。またそれと共に、溶湯は石膏鋳型３１と坩堝２２間で対流を始める。この過程で既に述べたように溶融合金中の遊離結晶ＣＩ（図中点で示す）は溶湯の流れの淀み部分に優先的に沈着し始める。

図６Ｃは、凝固の中期の状態を示す図である。ここでは冷やし金３４による溶湯の冷却が進み、冷やし金３４の下側の部分は凝固し、溶湯の対流は冷やし金３４の下側の凝固した部分で分断されることを示している。

図６Ｄは、石膏鋳型３１内の合金が凝固完了した状態を示す図である。ここでは、鋳型に微細引け巣が発生している。つまり遊離結晶ＣＩ（図中点で示している）で充填完了できなかった固相空間が発生する。

図７Ａは、図６Ｃの一部を拡大して示す拡大図である。図６Ｃの凝固中期の状態では、図７Ａに示すように、石膏鋳型３１の溝部３１ａまでは僅かに溶湯が流動している（矢印参照）。
図７Ｂは、図７Ａの範囲Ｂで示す石膏鋳型の溝部３１ａをさらに拡大した拡大図であり、凝固温度範囲が広い合金の場合を示す。
図７Ｂに示すように、合金の凝固温度範囲は広く、デンドライトＤＲが大であり、遊離結晶ＣＩの量が多く、デンドライトＤＲの隙間も大きいため溝部３１ａ内を遊離結晶ＣＩで充填し易く、押し湯供給もし易い。したがって、微細引け巣は発生し難いことを示している。

図７Ｃは、図７Ｂと同様の拡大図であり、但し、合金の凝固温度範囲が狭い場合を示す。
図７Ｃに示すように、この場合は、合金の凝固温度範囲が狭く、デンドライトＤＲが小であり遊離結晶ＣＩの量が少なく、デンドライトＤＲの隙間も小さいため溝部３１ａ内を遊離結晶ＣＩで充填し難く、押し湯供給もされ難い。したがって、微細引け巣が発生し易いことを示している。

以上から、（i）溶湯の凝固開始と同時に「遊離結晶ＣＩ」が溶湯対流の淀みで重力により下降する。つまり、遊離結晶ＣＩは溶湯対流の淀みが生じる石膏鋳型３１の溝部（例えば、鋳物の骨部に対応する溝部３１ａ）に優先的に堆積する、（ii）そのため、溶湯の凝固完了までの間に、この遊離結晶ＣＩが溝部３１ａ内を１００％充填できないときに、「引け巣欠陥」が発生する、という引け巣発生メカニズムを推定することができる。

ここで、遊離結晶ＣＩの発生、鋳型への沈着量は、合金の凝固開始から凝固完了までの間の時間に、凝固部先端がどれだけ千切れやすく、分離し易いかに依存すること、この特性に最も強い影響を当たえるのが合金中の添加元素量であること、この特性は合金種毎に大きく異なるため一概には云えないが、主添加元素、微量元素、共にこれに影響を与えることが容易に推測される。

なお、鋳型への遊離結晶ＣＩの沈着量は、合金の凝固開始から凝固完了までの間の時間そのものにも強く依存する。この依存特性は、合金中の添加元素量、鋳込み温度、鋳型温度、冷やし金温度等の鋳造条件による影響を受けるものと推測される。
したがって、例えば、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有量（率）については、それが増加すると、凝固完了までの時間（溶湯対流時間）が長くなると同時に、溶湯単位容積当たりの遊離結晶発生量（遊離結晶発生容積）も増加し、微細引け巣欠陥の発生量（数）が少なくなる。

また、鋳型の溝部３１ａ上部を穴埋めするに十分な量の遊離結晶ＣＩを発生させる最も簡易な方法は、鋳物の突起形状部（鋳型の溝形状の転写形状部）を一定とした場合に、鋳物の突起形状部を除いた容積を増加させることであることも容易に推測できる。
つまり、（i）鋳物の骨部以外の容積（Ｖｂ）、（ii）鋳物の骨部の容積（Ｖｅ）、（iii）合金中のＣｕ含有量（率）、（iv）溶湯滞留時間に影響を与える他の要因（鋳込み温度、冷やし金（天板）温度等）と、引け巣欠陥発生量（数）とが高い相関性を持つことが推定できる。

そこで、以上の推定に基づき、ここでは前記鋳型装置１０において発生する引け巣欠陥の発生率についての予測式を、多変量解析の手法で構築することとし、まず、多変量解析を行うためのデータの収集を行った。
即ち、図８は、多変量解析を行うために収集したデータを示す表であり、収集した、鋳物突起形状容積比率（Ｖｅ／Ｖｂ）と、合金中Ｃｕ含有量（率；％）と、鋳造温度（℃）と、冷金（冷やし金）温度（℃）と、Ｗ（鋳物の長さ）、Ｄ（鋳物両端の突起高さ）、Ｐ（鋳物の幅）、Ｔ（鋳物の肉厚（鋳物肉厚））と、リブ４１の凝固完了時間（sec）の各データと、これらの鋳造条件で行った鋳造による鋳物の引け巣発生率（％）のデータを表示した図である。

即ち、ここでは、鋳物突起形状容積比率、つまり鋳物本体容積Ｖｂ（図２）と鋳物意匠面突起形状容積Ｖｅ（図２）の比（Ｖｂ／Ｖｅ）を七種類、また、合金におけるＣｕ含有率を２．２％、２．７％、３．２％の三種類、鋳造温度は７２０℃の一種類、冷金温度は３７５℃の一種類又は２７０℃、３５０℃、４３０℃の三種類、Ｗ（鋳物の長さ）を２３０ｍｍ、２３８ｍｍ、２６２ｍｍの三種類、Ｄ（鋳物両端の突起高さ）を３０ｍｍ、３６ｍｍ、４５ｍｍの三種類、Ｐ（鋳物の幅）を５９ｍｍ、６０ｍｍ、６５ｍｍ、９０ｍｍの四種類、Ｔ（鋳物の肉厚）を２０ｍｍ、２５ｍｍの二種類、として、ＡＣ２Ｂ合金をそれぞれ図示の２１の組み合わせによる鋳造条件で鋳造したときの、リブ４１の凝固完了時間（sec）と引け巣発生率（（引け巣発生鋳物数／その条件で鋳造した総鋳物数）×１００％）の測定値が表示されている。

即ち、図示のように２１の異なる鋳造条件と鋳物外径寸法（Ｗ、Ｄ、Ｐ、Ｔ）形状でそれぞれＡＣ２Ｂ合金を用いて鋳造を行い、各鋳造条件と鋳物外径寸法形状毎に２０〜１００個の鋳物を製作し、各条件毎に製作した鋳物の引け巣発生率データを採取し、その平均値を算出した。

多変量解析（重回帰分析）は、引け巣発生率％を目的変数とし、図８に示す鋳造条件と鋳物形状条件、即ち、合金中のＣｕ％、Ｖｅ／Ｖｂ、Ｗ（鋳物の長さ）、Ｄ（鋳物両端の突起高さ）、Ｐ（鋳物の幅）、リブ４１（図６Ｂ参照）凝固完了時間（sec）、を説明変数として実施し、引け巣発生率％の予測式を作成した（なお、鋳造温度と冷やし金温度はリブ４１の凝固完了時間に、Ｔ（鋳物の肉厚）は鋳物突起形状容積比率にそれぞれ含まれる変数として、いずれも本多変量解析からは除外した）。

図９は、図８のデータに基づき多変量解析を行った結果を表した表である。即ち、定数項、鋳物突起形状容積比率、Ｃｕ（％）、Ｄ（ｍｍ）、リブ凝固完了時間（sec）、Ｐ（ｍｍ）、Ｄ＋Ｗ／２（ｍｍ）のそれぞれについて、回帰係数、標準回帰係数、標準誤差、ｔ値、ｐ値を求め、更に重相関係数と決定係数を求めた結果を表している。
ここで、説明変数としてＤ＋Ｗ／２を使用したのは、鋳物の押し湯が供給されるべき最長距離を代表特性として採用するためである。また、リブ４１の凝固完了時間を説明変数に採用したのは、該当部分に引け巣欠陥が発生し易いためである。

多変量解析の結果から、引け巣発生率の予測式は、
引け巣発生率％＝４５７．２１６８９５＋１１０１．６４２３８×（鋳物突起形状容積比率）−６０．０３７４６４×（合金中Ｃｕ含有率（％））＋０．７８２５０９×（Ｄ（ｍｍ））−０．８８８９９１×（リブ凝固完了時間（sec））＋０．５９４３３３×（Ｐ（ｍｍ））−１．７３８３９７×（Ｄ＋Ｗ／２（ｍｍ））・・・・・式Ａとして得られる。

なお、重相関係数は０．９４３７で、かつ予測精度（決定係数）は０．８９０５であり、本予測式で、実際の現象を８９．０５％説明できることを示している。これは実用上十分な精度を持った予測式といえる。つまり、重相関係数が０．９：決定係数が０．８１を超えれば、工学的に十分な精度を持った予測式であるといえるためである。

図１０は、引け巣発生率の実測値と予測値とを対比して示した図であり、図１０Ａは、引け巣発生率％を図７に示す実測値と、予測値とを対比した表であり、図１０Ｂはそのグラフである。
即ち、実測値は、上述のとおり、図７の２１条件でＡＣ２Ｂ合金を用いてそれぞれ２０〜１００個の鋳物を製作した場合の引け巣発生率であり、また、予測値は前記式Ａに基づき計算した結果である。なお、予測値がマイナスの場合は、「引け巣発生率０％」とみなす。

図１０Ａ、１０Ｂに示すように、引け巣発生率％の実測値と予測値は比較的よく一致している。
なお、この予測式を実際に活用する場合は、リブ４１の溶湯凝固完了時間（sec）のみは、コンピュータによる凝固シミュレーションを行わないと厳密には定量化できない。しかし、基本的な鋳造方法を不変のものとすれば、凝固完了時間を、鋳造条件、鋳物外径寸法形状からそれを予測することができるので、ここではそれの値を用いる。

次に、この凝固完了時間の予測手法について説明する。
図１１は、基本的な鋳造方法を不変にして、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕの含有率（％）、鋳造温度（℃）、冷やし金温度（℃）、Ｗ（ｍｍ）、Ｄ（ｍｍ）、Ｐ（ｍｍ）、Ｔ（ｍｍ）と、リブ凝固完了時間（ｓｅｃ）についての２９１個のデータを示す表である。
ここでは、これらのデータに基づき、説明変数を、ＡＣ２Ｂ合金中Ｃｕ含有量（％）、鋳造温度（℃）、冷やし金温度（℃）、Ｗ（ｍｍ）、Ｄ（ｍｍ）、Ｐ（ｍｍ）、Ｔ（ｍｍ）とし、かつ目的変数をリブ４１の凝固完了時間（ｓｅｃ）として、２９１個のデータを用いて多変量解析を行った。

図１２Ａは、その多変量解析の結果を表した表である。
即ち、定数項、合金中Ｃｕ含有量（％）、鋳造温度（℃）、冷やし金温度（℃）、Ｗ（ｍｍ）、Ｄ（ｍｍ）、Ｐ（ｍｍ）、Ｔ（ｍｍ）毎の、回帰係数、標準回帰係数、標準誤差、ｔ値、ｐ値、それに重相関係数、決定係数を得た。
この結果から、リブ４１の凝固完了時間＝―２２７．０６１２０６−４．１７５１１６×（合金中Ｃｕ（％））＋０．０３３６１５×（鋳造温度（℃））＋０．４８３８０５×（冷やし金温度（℃））−０．０５２２５７×（Ｗ（ｍｍ））＋０．１３６９６９×（Ｄ（ｍｍ））＋０．４８２８１１×（Ｐ（ｍｍ））＋５．６７００５７×（Ｔ（ｍｍ））・・・・・式Ｂの関係式を得た。

この式Ｂにより、鋳造前に予測又は設定できる合金中のＣｕ含有量（％）、鋳造温度（℃）、冷やし金温度（℃）、Ｗ（ｍｍ）、Ｄ（ｍｍ）、Ｐ（ｍｍ）、Ｔ（ｍｍ）だけで、鋳物の代表点での凝固完了時間を予測できる。なお、この場合の重相関係数は０．９６９６、決定係数は０．９４０２であり、予測式Ｂは実用上十分な精度を持った予測式であると言える。

図１２Ｂは、リブ凝固完了時間の実測値と予測値の散布図であり、縦軸に予測値（sec）、横軸に実測値（sec）を取ってそのバラツキを表した図である。図示のようにほぼ４５°線に沿って分布している。
この結果からも、予測値が実測値によく合致しているのが分かる。

ここで、ＡＣ２Ｂ合金を用いて、図７で示す鋳造方法でタイヤ成形用金型用鋳物を実際に製作するときは、前記式Ａ（引け巣発生率）と式Ｂ（リブ４１の凝固完了時間）から導かれる下記の予測式（式Ｃ）でその引け巣発生率％を予測する。
即ち、引け巣発生率％＝６５９．０７２２６４＋１１０１．６４２３８×鋳物突起形状容積比率（Ｖｅ／Ｖｂ）−５６．３２５８２３×（合金中Ｃｕ含有量（％））−０．０２９８８３×（鋳造温度（℃））−０．４３００９８×（冷やし金温度（℃））−０．８２２７４３×（Ｗ（ｍｍ））−１．０７７６５２×（Ｄ（ｍｍ））＋０．１６５１１８×（Ｐ（ｍｍ））−５．０４０６３０×（Ｔ（ｍｍ））・・・・・式Ｃ

このように特定の鋳造方法で、凝固時に遊離結晶形成がし易い特定種の合金材を用いた場合に、主要添加元素の成分量、鋳造温度、冷やし金温度、鋳物各部寸法、鋳物突起形状容積比率から、同鋳物の引け巣発生率を精度高く予測できることが図１０、図１２に示す結果から実証された。
同様の手法を用いて、他の鋳造方法、合金種を採用した場合でも、実際の製品鋳造時に引け巣発生予測式を構築し、引け巣欠陥を発生し難い条件を定量化することができる。

次に、以上で説明した予測式Ｃに基づき、遊離結晶を増大させることで引け巣発生を無くすことができることについて説明する。
事例１
ＡＣ２Ｂ合金を用いて、図１３に示す条件（つまりＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有量（％）のみを変更させ、あとの数値は変更しない条件）で２０個ずつ鋳造を行い、鋳物意匠面上での引け巣発生率（％）を取得したところ、図１３に示す結果となった。
つまり、改善前に行った２０個の鋳造品の平均の引け巣発生率は５５％であった（但し、リブ４１近傍に発生した引け巣）。そこで、前記式Ｃから引け巣発生率が０となるＣｕ含有量（％）を求めた。前記式Ｃにおいて、引け巣発生率（５５％）を相殺するためにはＣｕの含有量を１％増やせばよいことが分かる。つまり、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有量（％）を２．７から３．７％と１％増加させることで、式Ｃにおいて引け巣発生率はマイナスになる。

そこで、この計算結果に基づき、ＡＣ２Ｂ合金中のＣｕ含有量（％）を１％高めて前回と同様に２０個鋳造を行い、鋳物意匠面上（つまり、リブ４１近傍）での引け巣発生率を測定した。その結果、引け巣発生率は０％となることが確認された。つまり、ＡＣ２Ｂ合金の凝固時の遊離結晶形成量に影響を与える添加元素であるＣｕ含有量（％）を式Ｃで定量化し、それに基づきＣｕ含有量を増量させることで、遊離結晶を増大させて改善前の引け巣不良率を無くすことが確認された。

事例２
ＡＣ２Ｂ合金を用いて、図１４に示す条件（冷やし金の温度（℃）の数値のみを変更し、あとの数値は変更しない条件）で２０個ずつ鋳造を行い、鋳物意匠面上での引け巣発生率（％）を測定したところ、同図に示す結果となった。
つまり、改善前に行った２０個の鋳造品の平均の引け巣発生率が２５％であった（但し、リブ４１近傍に発生した引け巣）。そこで、前記式Ｃからその数値が０になる冷やし金の温度（℃）を求めた。
前記式Ｃから、引け巣発生率（２５％）を相殺するために冷金温度を例えば３８０℃に上げればよいことが分かる。つまり、冷やし金温度を３００℃から３８０℃に上げることで、式Ｃにおいて引け巣発生率はマイナスになる。

そこで、この計算結果に基づき、冷やし金温度を３００℃から３８０℃に上げて前回と同様に２０個鋳造を行い、鋳物意匠面上（リブ４１近傍）での引け巣発生率を測定した。その結果、引け巣発生率は０％となることが確認された。
つまり、冷やし金温度を３００℃から３８０℃に上げて凝固完了時間を長くしたことで、遊離結晶を増大させて改善前には引け巣発生率が２５％であったものが、改善後には０％に改善できたことが確認された。

事例３
ＡＣ２Ｂ合金を用いて、図１５に示す条件（鋳物肉厚：ＴとＶｅ／Ｖｂのみを変更し、あとの数値は変更しない条件）で２０個ずつ鋳造を行い、鋳物意匠面上での引け巣発生率（％）を測定したところ、同図に示す結果となった。なお、Ｖｅ／Ｖｂの変化は鋳物肉厚Ｔ（ｍｍ）の変化に伴い従属的に発生したものである。
つまり、改善前に行った２０個の鋳造品の平均の引け巣発生率が２５％であった（但し、リブ４１近傍に発生した引け巣）。そこで、式Ｃからその数値が０となる鋳物肉厚Ｔを求めた。前記式Ｃから、引け巣発生率（２５％）を相殺するためにＴを５ｍｍ増やせばよいことが分かる。つまり、Ｔを２０ｍｍから２５ｍｍに上げる、また、これに伴って、Ｖｅ／Ｖｂが０．０３２９から０．０２８０に下がることで、これらの値を式Ｃに代入すれば、式Ｃにおける引け巣発生率はマイナスになる。

そこで、この計算結果に基づき、鋳物肉厚Ｔを５ｍｍ増やして（この場合Ｖｅ／Ｖｂは０．００４９下がる）前回と同様に２０個鋳造を行い、鋳物意匠面上での引け巣発生率を測定した。その結果、引け巣発生率は０％となることが確認された。
即ち、鋳物肉厚Ｔを増大して凝固完了時間を長くすることで、改善前には引け巣発生率が２５％であったものが、遊離結晶を増大させた結果０％に改善することができた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これによれば、凝固時に遊離結晶を形成させる合金を用いて、タイヤ成形金型用鋳物のような意匠面部に微細な鋳出し突起形状を多数持つ鋳物を簡易に健全に鋳造することができる。即ち、本鋳造方法は、従来の鋳造方法では対応困難であった、幅が狭く、高さの高い鋳出し突起形状を持つ鋳型を製造する場合にきわめて有利であり、これまでの鋳造製作では対応困難であった、微細な意匠形状への対応自由度を大幅に向上させることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
成形する鋳物は、タイヤ成形用金型用アルミ合金鋳物である。
鋳造方法は、低圧鋳造方法、使用金型は、ノリタケカンパニーリミテッド製の非発泡石膏Ｇ−６（商品名）、使用アルミ合金は、凝固時に遊離結晶が形成しやすいアルミ合金の実施例として、ここではＡＣ２Ｂ合金、即ち、Ｓｉ：６％、Ｃｕ：２．２〜３．２％（但し、随時変更）、Ｍｇ：０．４％、Ｆｅ：０．５％、Ｚｎ：０．２％、Ｂａｌ：Ａｌとし、これに対し、比較例として、凝固時に遊離結晶が形成し難いアルミ合金、ここではＡＣ４Ｃ合金、即ちＳｉ：７％、Ｃｕ：０．０１％、Ｍｇ：０．４％、Ｆｅ：０．３％、Ｚｎ：０．００％、Ｂａｌ：Ａｌを選択した。

鋳造条件は共通で、鋳造温度：６９０〜７３０℃、鋳型温度：１００℃（狙いの温度）、冷やし金（冷金）温度３００〜４００℃、鋳込み時間（注湯開始から完了まで、３０〜６０sec、加圧条件：大気圧（０．１ＭＰａ）＋０．０３ＭＰａ、鋳造完了は、ゲート部３３の溶融凝固が完了した時点で加圧を解除する。

比較例
前記実施形態と同様な鋳造方法を用いて、遊離結晶が発生しないＡＣ４Ｃ合金を用いて鋳造を実施したところ、全ての条件でリブ４１近傍に引け巣欠陥が発生した。つまり、引け巣発生の防止ができず、試験を行った全ての条件で引け巣発生率１００％となったため、本発明の前記予測式を構築するのは不可能であった。

なお、以上の実施形態の説明では、鋳物欠陥を引け巣欠陥に例を採って説明したが、本発明は、遊離結晶により欠陥を抑制（ここでは解消又は抑制を総称して抑制という）できるものであれば、引け巣欠陥に限定されない。また、鋳造欠陥も必ずしもリブ４１或いはその近傍に発生する鋳物欠陥のみに限定されない。

１０・・・鋳造装置、２０・・・溶湯供給部、２１・・・加熱容器、２２・・・坩堝、２３・・・電気ヒータ、２４・・・加圧エア供給口、２５・・・断熱ボード、２５ａ・・・開口、２６・・・ストーク、３０・・・鋳造部、３１・・・石膏鋳型、３２・・・ランナー部、３３・・・ゲート部、３４・・・冷やし金、４０・・・鋳物本体。

Claims (9)

1. 鋳造時に合金溶湯が生成する遊離結晶で鋳造欠陥を低減させる鋳物の鋳造方法であって、
   合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程を有することを特徴とする鋳物の鋳造方法。
2. 請求項１に記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程は、遊離結晶を増大させる合金の成分元素を変更する工程であることを特徴とする鋳物の鋳造方法。
3. 請求項１に記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程は、合金溶湯の凝固温度範囲を変化させる合金の成分元素の含有量を変化させる工程であることを特徴とする鋳物の鋳造方法。
4. 請求項１に記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程は、合金の成分元素の含有量を変化させて前記合金溶湯の凝固完了時間を増大させる工程であることを特徴とする鋳物の鋳造方法。
5. 請求項４に記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程は、鋳造条件を変化させて前記合金溶湯の凝固完了時間を増大させる工程であることを特徴とする鋳物の鋳造方法。
6. 請求項５に記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記鋳造条件は、鋳込み温度又は鋳型温度又は冷やし金温度の少なくとも一つであることを特徴とする鋳物の鋳造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載された鋳物の鋳造方法において、
   前記合金溶湯が生成する遊離結晶を増大させる工程は、鋳造条件データ、鋳物寸法データ、鋳造欠陥発生率データの相関データに基づき、鋳物の鋳造欠陥発生率を求める予測式を構築する工程と、前記予測式に基づき遊離結晶を増大させて鋳造欠陥発生率を低減させる鋳造条件又は鋳物寸法を算出する工程と、算出した鋳造条件又は鋳物寸法で鋳造を行う工程と、を有することを特徴とする鋳物の鋳造方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載された鋳物の鋳造方法により鋳造されたことを特徴とする鋳物。
9. 請求項１ないし７のいずれかに記載された鋳物の鋳造方法により鋳造されたことを特徴とするタイヤ成形用金型。

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