JPH02501721A - 鋳物砂からの鋳型製造用不均質多孔性型具及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 鋳物砂からの鋳型製造用不均質 多孔性型具及びその製法 本発明は、硬化可能の鋳物砂から鋳型及び中子を製造するための通気性型具並び にその製法及びこの種の型具の有利な用途に関する。

鋳物砂からなる鋳型は金属鋳物の量産品の製造で広く普及して　、いる、この種 の鋳型は一度だけ使用できる中実又は殻状の型である。鋳型を製造するために微 粒子状鋳物砂に硬化可能の粘結材を加えるが、これは砂の打ち込み口を介して型 具内に導入され、そこで硬化させられる。硬化は熱処理によって起こるか（これ には高いエネルギー消費が必要である）又は最近では加圧下に型具内で鋳物砂に より圧縮される反応ガスによって生じる。後者の方法ではガスは砂打ち込み口で 砂に圧入され、穿孔、ノズル又はその他の機械的に型具壁面に構成された溝及び 開口を介して型具から排出される。

公知の一実施例（ドイツ連邦共和国特許第２４０３１９９号、同第３０３９３９ ４号明細書参照）によれば、型具の壁面中の穿孔は型の外側で過圧弁により閉鎖 されている。この種の型具はそのコストが高くつくという欠点を有する。この弁 はガスによって連行された鋳物砂粒子によりしばしば閉塞されるので、その都度 洗浄しなければならない。特にこの型具の壁面は均一な通気性を有さす、従って 反応ガスは鋳物砂を均一に流通することができず、その結果鋳物砂は一様には硬 化されない、中子は塊状で製造し得るに過ぎない。

ドイツ連邦共和国特許第３００２９３９号明細書には、種々異なる寸法のリブ及 びスリットが機械的に構成されている壁面を存する型具が記載されている。打ち 込み口を介して鋳物砂に達する反応ガスはスリットを介して吸い取られる。しか しこの場合スリットは砂で塞がれる。更にその製造には極めて費用がかかり、ス リット及び穿孔の極めて細かい網目模様を作ることはできない。

この型具の場合にも鋳物砂は反応ガスによって不均一に貫流するにすぎない。更 に反応ガスは過剰に消費される、すなわち所望の反応の化学量論に基づき必要と されるよりも遥かに大量の反応ガスが使用される。

型具を多孔質でかつ通気性の材料から製造することもすでに要求されている。し かしこの要求の実現は、複雑な形状の鋳物を多孔質材料からなる型具内で処理す る際に予想される技術的困難性によって、すなわち微小範囲での壁の均一な通気 性並びにその機械的強度に対する要件を満たすことまた同時に鋳物砂が反応ガス での圧力負荷に際して型具の気孔を閉塞しないか又は型具壁の気孔を貫通するこ とを保証することの困難性によってこれまで見込みがない状態にあった。

従って本発明の課題は、微小範囲で均一な通気性の壁を有する型具を製造するこ とにある。従って先に記載した方法及び技術とは区別される。この課題は詳述す れば、多孔質材料を製造するためのそれ自体は公知の技術を適当に組み合わせる ことによって、鋳物砂に隣接する範囲に適当な微孔質を有しまたこれに接する範 囲で粗孔質の骨格様支持骨組が形成されるような不均質多孔性型具壁を得ること にある。この種の製造された型具は鋳物砂からの鋳型、特に中実でない殻状鋳型 としても大量生産し得るものであるべきである。このため型具の鋳物砂に曝され る表面は特に耐摩耗性でなければならない。鋳物砂による気孔の閉塞はもはや型 具の主要な破損原因であってはならない。また鋳物砂によって気孔が閉塞された 場合にも僅かな作業経費で再生、すなわち再び阻害物を除去し得ることが必要で ある。

通気性型具を提供する課題は本発明によれば、この型具が不均質多孔性に構成さ れた開気孔材料からなり、型具の壁が鋳物砂に隣接する厚さ０．２〜２ｎｎ、理 論材料密度７５〜９５％及び孔直径〈５０μ−の第１の微孔性層範囲を有し、こ の層範囲に理論材料密度〈８０％及び平均孔直径〉１００μ情の大孔性支持骨格 の形で第２の塊状範囲が直接接していることによって解決される。

通気性型具、その製法及びその優れた用途に関しては請求の範囲第２項ないし第 １０項にその実施態様が記載されている。

型具には鋳型並びに中子、すなわち中実並びに中空の鋳物部品を製造するための 型が含まれる。

本発明による型具壁に必要とされる材料特性及び構造特性を得るため、多孔質材 料の製造にたずされる当業者には、有意義に組み合わすことのできる一連の個々 の方法を利用することができる。

型真壁用の材料としては、金属及び／又はセラミック材料及び／又はプラスチッ クが基本的に挙げられる。公知の実施態様では唯一つの型具で勿論大きさには関 係するが６万個までの砂型が製造される。経済性の理由から砂はその都度高速か つ高圧下に型内に詰め込まれる。従って鋳物砂と接触する型具の表面での耐摩耗 性の要求はかなり高い。この要求は型具の微孔性層に対する材料を選択すること によって考慮される。この層には耐摩耗性の鋼鉄品種並びに耐摩耗性セラミック 、金属及び非金属の硬質物質例えば窒化珪素、窒化硼素、炭化チタン、窒化チタ ン、炭化珪素が有効である。

型具の不均質多孔性に構成された壁は、起泡及びその後に硬化された粘性の材料 によって形成するか、又はこの壁は硬化すべき粉末状の出発材料によって成形す ることができる。

鋳物砂と接触する型具壁の層は、粉末をアイソスタチックに鋳物部品に応じて模 型に圧着させることにより形成することができる。粉末は揮発性溶剤と混合して ペーストとして模型に塗布するか又は噴霧することができる。この種の層を形成 するには電着的方法及びガス析出方（ＰＶＤ法）も挙げられる。また層は可撓性 金属又はセラミック箔の形で模型に載置することもできる。この種の箔の可撓性 は、後の熱処理に際して揮発性で固体状態では高可撓性の熱可塑性成分によって もたらされる。更にこれらの箔は粉末状の金属、硬質物質又はセラミックからな る。

層材料で覆われた模型は引続き発砲させるか又は相応する外型に埋め込んだ後粗 粒子状粉末材料で満たし、有利にはアイソスタチックプレス処理する。

この緊密な複合材料を熱的又は化学的に硬化、燃焼又は焼結することによってコ ンパクトな複合体が得られる。

開気孔支持骨格を製造するには、砂、ガラス又はセラミック粒体を適当な分散液 又は溶液に浸すことによって薄いプラスチック層で被覆すると良いことが判明し ている。

こうして前処理した顆粒を型に注入又はプレスし、引続き化学的にか又は熱処理 により硬化させる。

微孔性又は粗孔性の開気孔材料を得る技術そのものは公知である。すなわち例え ば電気化学における電極用隔膜の製造には、本発明においても要求されるような 特定の通気性を有する材料構造をもたらす特殊な気孔形成剤を使用することが行 われている。粗孔性の開気孔材料を製造する技術は、機械的濾過器或いは自動給 油式滑り軸受の分野で、又は材料Ｂが浸潤されている材料Ａの多孔質骨格からな る電気接点の分野で実施されている。

本発明の型具は多くの利点を有する。

この型具は微小範囲まで完全に均質で圧力降下が特定された開気孔壁構造を有す る。この構造によりガスは均一に壁を通して導かれ、これにより鋳物砂を均一に 硬化させることができる。型具壁の微孔性範囲の気孔は、例外的にのみ砂粒が型 具壁内に固着するように構成されている。しかし重要なことは、この砂粒を通常 値かな費用でこの気孔から除去し得ることであり、このためには空気を高圧下に 場合によっては溶剤蒸気と組み合わせて型具壁の粗孔性骨格の方向から微孔性壁 層を介して吹き込めば良い。

砂打ち込み口を介してガスを吹き付けることにより鋳物砂をガス硬化する公知の 方法とは異なり、本発明による型具を使用する場合、型具内に封入された鋳物砂 の圧力の付勢は不均質多孔性壁を介して実施することができる。ガス圧及び時間 を適当に調整することによって、封入された鋳物砂の硬化を縁帯域でのみ一定の 所望深さまでに限定して実施することが可能である。より一層細かい配量は、型 具を適当な液体で含浸させることによって得ることができる。この処理により型 具壁の微気孔内に、この圧力を上回った際に初めて反応ガスを放出する特定の毛 管圧が生じる。封入された砂の中心部はガスが化学量論的量で配量されている場 合流動性であり、縁帯域の硬化後砂打ち込み口を介して除去され、再び使用する ことができる。

本発明による型具の重要な利点は、鋳物砂に対向する表面は所望の鋳型に適合さ れるが、その裏面はほとんど平坦な面例えば直方体状又は円筒状に構成すること ができることである。型具の多孔質壁を通して鋳物砂にガスを付勢することによ り、型具の壁と鋳物砂との間に蕩いガス層が規則的に形成される。これにより鋳 物砂が砂−硬化処理中に型具壁と接着することは阻止される。砂型は硬化処理後 容易に型具から取り出される。従って公知の型具及び鋳型の製造の際に必要とさ れるような鋳物砂と型具との接着に対する特殊な手段は一般に用いないですむ。

模型上に微孔性層及び骨格材料を順次に施す技術は、型具に直接最終形状、表面 特性及び耐摩耗性を付与することを可能にする。従って所望の形状及び表面粗面 性を得るために型具壁の表面を費用を掛けて機械的に後処理すること及び必要な 表面硬度並びに表面耐摩耗性を得るための後処理、特に熱硬化処理も不要であり 、この点でも多孔性材料から出発しない従来の型具製造法とは相違する。

本発明を第１図によりまた２つの実施例に基づき詳述する。

第１図は型具の半殻を示す断面図であり、また優れた一方法による型具の製造装 置を示すものである。詳細には第１図に示した断面図は型具の半殻用模型を有す る型板１を示すものである。この場合後の使用に際して型具の砂打ち込み口１ａ となる型板範囲が特に明示されている。封止板２が型板上に配置され、これにね じで取り付は又は締め付けられる。封止板は製造すべき型具の形状に合わせた中 心切欠部を有する。鋳物砂に接する型具の微孔性層範囲３は、２つの半殻の分離 面における狭幅範囲を除き、その全表面にわたって一定の層厚を有する。型具の 微孔性層範囲には開気孔支持骨格４が接している。型具の外部形状は、型板にね じで取り付けられた型枠５によって形成される。この場合型板は材料で完全に満 たされるのではなく、流動性又は延性の材料を充填した際に支持骨格と型枠上面 との間に空間６が残るようにすることも可能である。

例　１ 第１図に示した型具を製造するための技術に応じてまず製造すべき鋳物部品の半 片の模型を有する型板を、金属及び又はセラミック材料から又はプラスチックか ら慣用の方法で製造する。多くの場合中子及び鋳型では、２個の半殻から型具を 製造することがめられる。型板上には予め分離剤を塗布した後、有利には鋼又は セラミックからなる封止板を施し、型板とねじで締め付ける。

その際封止板中の中央切欠部は、型具の両半殻の分離面の範囲で模型表面（型板 ）と封止板との間に少なくとも型具の微孔性層範囲の厚さの間隙が生じるような 大きさに構成する。

型板の模型表面にまず、場合によっては予め模型表面に分離剤を塗布した後、型 具の微孔性層を施す。このためペーストを塗るか又は噴霧する。ペーストは、粒 径が平均１０〜１００μ−の微粒子状の耐食性セラミック粉末からなり、これに は型具の表面耐摩耗性を高めるため、はぼ同じ粒径の炭化チタン粉末が１０〜２ ０容貴％（セラミンク粉末の量で計算）添加されている。この粉末は揮発性又は 熱的に蒸発可能の粘結剤でペーストに加工される。

粘結剤には場合によっては非揮発性の金属又は非金属成分又は気孔形成剤が配合 されていてもよい。微孔性層の塗布は有利には、所望の全層厚が得られるまで数 層に塗り重ねて行う。この場合層の塗布は第１図に示されているように封止板の 縁部上にも及ぶ。

こうして塗布した微孔性層を乾燥又は硬化する。引続き型枠を第１図に相応して 型板又は封止板にねじで取り付け、開気孔支持骨格を有する壁範囲を形成するた めの材料を型枠に装入する。この材料は粗粒子状セラミック粉末であり、これに は例えば多孔質のセラミックフィルタを製造する際に使用されるような揮発性気 孔形成剤が添加されている。セラミック粉末を揮発性粘結剤と撹拌してペースト にし、これを型枠に塗り込み、そこで硬化させる。

引続き型具を型板から分離し、高温炉内で焼結又は燃焼させる。

こうして平坦な分離面を有する耐摩耗性の組立可能な型具の半殻が得られる。型 表面は基本的には表面後処理を必要としない、最後に型具の砂打ち込み口範囲を 気孔充填材で填隙し、これにより後の作業で反応ガスが型具壁のこの範囲から侵 入することはなくまた鋳物砂がこの範囲で硬化することはない。

こうして製造した未発明による壁構造を有する型具のテスト結果は、粗孔性層と 微孔性層との間の境界面で１〜２バールの差圧が生じることを示す、この場合型 具壁の種々の断面又は同じ方法で製造された種々の型具における壁の粗孔性部分 の境界面前方における絶対ガス圧の変動幅は０．１〜０．２バールであり、従っ て型壁の粗孔性支持骨格が実際にどの程度の厚さを有するかということはほとん ど無関係である。粗孔性層と微孔性層との境界面におけるガス圧の飛躍は実際に 微孔性層の構造によってのみ生じる。

この圧力の飛躍は、型具を適当な遮断液で含浸させることによって更に安定化す ることができる。それというのもこれにより微孔性層の気孔内に極めて均一の毛 管圧が型具の全表面範囲にわたって構成されるからである。

本発明による型具を使用して硬化可能の鋳物砂から鋳型を製造するには次のよう に実施する。鋳物砂を充填した後型具を圧力〉２バールの反応ガスで外部から付 勢する。反応ガスは型具の微孔性層の毛管から液体を押し出し、また正確に計測 可能のガス圧で鋳物砂又は砂型の縁帯域に達する。このガスは所望の良好に配量 し得る深さまで鋳物砂を硬化することができる。充填された鋳物砂の中心範囲は 流動性を維持する。これは硬化の終了後砂打ち込み口を介して除去し、再び使用 することができる。ガス圧が２バール以下に降下すると、遮断液は吸上作用によ り再び微孔性層の気孔内に戻される。これは個々の砂型の製造時間が短いこと、 また故障可能性及び不良品発生率が僅かなことを意味する。

例２ 例１と同様にして型具の半殻用模型又は型板を製造する。例１と同様に封止板を 型板に締め付ける。微孔性層用型具壁材料を可撓性の金属箔の形で模型上に載置 する。別に作られた金属箔は、場合によっては相応する粒径を有する耐摩耗性炭 化チタン成分の数容量％で富化されまた場合によっては粉末状の充填物質及び気 孔形成剤を補充された粒径分布１０〜１００μ−の耐摩耗性鋼粒と、より高い温 度で揮発可能の熱可塑性プラスチックとの均一混合物からなる。アイソタクチッ クな粉末ホースプレス加工に関する公知の技術を用いてゴム又はプラスチックホ ースを型枠の床部に締め付け、合金化鉄粉末及び気孔形成剤からなる粗粒状粉末 混合物を満たし、微孔性層で覆う。その後ホース内部を真空化し、ホースを密閉 する。完成したユニットをコールドアイソタクチック法でプレス加工する。型具 のこうして製造した成形品を型から分離し、慣用の焼結法で更に加工する。焼結 した型具は必要な場合には機械的に処理し、例えば型具保持体に収納するため大 きさを適合させることができる。

プラスチック又はゴムスリーブにおけるアイソタクチック粉末プレス法では、通 常ゴムスリーブにプレスすべき鋳型部品の粗い形状又は粗輪郭が形成される。同 様に本発明でもほぼ均一な壁厚を有する型具の半殻を得ることができる。

更にすでに記載したようにして、多孔質鋳型に対する広範な使用分野に応じて、 粉末材料から出発する微孔性又は大孔性鋳型を製造する多くの技術は公知である 。従って本発明に相応する型具の製造についての説明は実施例における各製品群 との関連に限定されるものではない。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．硬化可能の鋳物砂から鋳型及び中子を製造するための通気性型具において、 この型具が不均質多孔性に構成された開気孔材料からなり、型具の壁が鋳物砂に 隣接する厚さ０．２〜２ｍｍ、理論材料密度７５〜９５％及び孔直径＜５０μｍ の第１の微孔性層範囲を有し、この層範囲に理論材料密度＜８０％及び平均孔直 径＞１００μｍの大孔性支持骨格の形で第２の塊状範囲が直接接していることを 特徴とする通気性型具。
2. ２．材料が硬化された開気孔フォームであることを特徴とする請求の範囲第１項 記載の型具。
3. ３．材料がセラミック材料からなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の型 具。
4. ４．材料が金属材料からなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の型具。
5. ５．第１又は第２の範囲がそれぞれ、均質な構造及び材料組成を有する２層又は 数層からなることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項の１つに記載の型 具。
6. ６．孔径の異なる壁範囲が種々異なる材料からなることを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第５項の１つに記載の型具。
7. ７．型具の内面が製造すべき鋳物部品の複雑な形状を有し、型具の外面がほとん ど平坦な表面からなることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項の１つに 記載の型具。
8. ８．型具が２つ以上の部分からなることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第 ７項の１つに記載の型具。
9. ９．以下の各処理工程、すなわち −材料Ａの微粒子粉末からなる層を鋳物の模型に施し、−この層上に材料Ｂから なる素粒子粉末を施し、特に圧着し、 −こうして形成した複合体を唯一の加工工程で、特に段階的に変化する処理条件 で硬化する ことを特徴とする請求の範囲第１項又は第３項ないし第８項の１つに記載の型具 を製造する方法。
10. １０．粉末状材料の少なくとも１種にその塗布前に気孔形成剤を加えることを特 徴とする請求の範囲第９項記載の型具の製法。
11. １１．複合体の硬化を焼結により行うことを特徴とする請求の範囲第１０項記載 の型具の製法。
12. １２．鋳物砂から中実でない殻状鋳型を製造するための請求の範囲第１項ないし 第１１項の１つに記載の型具の用途。