JPH0616937B2 - 減圧振動鋳造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は鋳鉄、鉄鋼等の鉄系材料をはじめ、アルミニ
ウム、銅等の非鉄系材料などの金属材料、さらには非金
属材料にも適用し得る減圧振動鋳造法に関する。

［従来の技術］ 従来より、鋳造法において振動を利用した技術が種々提
案されている。

例えば主型と中子の模型を組み合わせて鋳物と同形の空
洞を造って鋳造する空洞鋳型鋳造法では、型と中子を製
作する上で振動が利用されている。

また薄型を鋳物砂中に充填する際、充填性を向上させる
目的で振動が利用されている（特開昭５９−１６６３４
７号、特開昭５７−１１５９４１号、特開昭６０−１６
２５５３号）。

また消失性模型を鋳型内に埋設して鋳造する方法におい
て、溶湯の湯流れの向上を図るため、溶湯を流し込む
際、振動を加える鋳造法が提案されている（特開昭５９
−１６６３４５号）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし鋳造の際、特に凝固過程において、振動処理を行
って金属及び合金鋳物の諸性質を改良する鋳造法は未だ
提供されていない。

これは、空洞鋳型鋳造で振動を加えた場合、たとえ耐熱
性の粘結砂を用いたとしても、溶湯等の熱により粘結度
が低下し、鋳型強度が不十分となり、注湯時から凝固過
程に至る過程において鋳型の変形や型崩れが起こり、大
規模なものは鋳型の崩壊を招き、鋳物の作製が困難とな
ることによる。また部分的な鋳型の崩壊が起こった場合
でも、鋳型内の注湯された溶湯に崩壊した鋳型が塊状又
は砂粒状に存在することになり、これが鉱物表面に存在
すれば鋳物の外観、寸法などに悪影響を及ぼし、鋳型内
部に存在すれば鋳物の機械的強度を著しく低下させる。
また開放鋳型であるため過振動による空気の巻き込みが
起こり、これが凝固後も鋳物内に残存すると鋳造欠陥と
なり、鋳物の機械的強度を著しく低下させる。

従って従来においては鋳造過程、特に凝固時に至るまで
鋳物に振動を与えるに際し、実際に対処する方法及び装
置が提供されていないのが実情であった。

消失性模型を鋳型内に埋設して鋳造する方法（特開昭５
９−１６６３４５号）は、溶湯で模型を消失しながら充
填進行して鋳造する方法である点で空洞鋳型構造とは異
なるが、溶湯が鋳型内を充満して冷却凝固していく鋳造
過程は空洞鋳型鋳造法と何等かわりがない。従って注湯
時のごく初期で、かつ振動をかなり軽度にして加振した
場合は幾分鋳型を保持できる可能性はあるが、溶湯が鋳
型内を模型と置換しながら充満し、冷却凝固していく過
程全体において、機械的強度を向上させるだけの振動を
加えた場合では、空洞鋳型と同じく、鋳型の変形や型崩
れを起こし、所望とする外観、寸法及び形状の鋳物を提
供することはきわめて困難となる。また前記空洞鋳型と
同様に、開放鋳型であるため、注湯時に溶湯中に空気を
巻き込む点でも変わりなく、凝固後当該空気が鋳物内に
残存し、構造欠陥となり、機械的強度は著しく低下す
る。また鋳型内に注湯時に巻き込まれた空気と溶湯との
反応も振動によって一層促進され、鋳物の機械的強度が
低下し、また金属の酸化物が生成して、使用上問題とな
る。

この発明の目的は、鋳造過程、特に注湯時から凝固過程
に至るまで、機械的強度を向上させるだけの振動を加え
ても、鋳型が変形したり、型崩れが生じることがなく、
さらに鋳物の機械的性質等の諸性質を良好に改善するこ
とができ、生産性も良好である鋳造法を提供する点にあ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため鋭意検討した結果、発泡ポリエ
チレン等の消失性膜型を鋳物砂中に埋設し、鋳鉄、アル
ミニウム等を注湯後、凝固させる鋳造法において、注湯
直前から凝固終了に至るまで、常圧ではなく、減圧状態
下で振動を加える構成を採用した。

減圧状態下で振動を加える過程は、機械的性質等の諸性
質を改善する必要から、注湯直前から凝固終了に至るま
で加える。すなわち鋳型強度を向上させるために、常圧
ではなく、減圧状態において振動を加えることが必要で
ある。

一方、鋳造の際、黒鉛球状化剤、接種剤等の溶湯処理剤
を接種する場合は、この溶湯処理剤をあらかじめ含有さ
せた発泡ポリエチレン等の消失性模型を用いて、減圧状
態下で、振動を加えながら鋳造することが適切である。
なお消失性模型は、溶湯処理剤を予備発泡させた発泡剤
に混合し、しかる後本発泡させて成型したものが好まし
い。

なお本鋳造法はセラミックシェル鋳型にも適用できる。

［作用］ この発明は、上記の通り、消失性模型を鋳物砂中に埋設
し、注湯した後、凝固させる鋳造過程において、注湯直
前から凝固終了に至るまで、常圧ではなく、減圧状態下
で、振動を加えて鋳造する方法であるので、たとえ凝固
過程に至るまで振動を加えても、真空状態により鋳型強
度が十分確保され、鋳型の変形や型崩れ、さらには鋳型
の崩壊を招くことはない。従って鋳物の外観も良好であ
り、所定の形状及び寸法制度にすぐれた鋳物を製造する
ことができる。

また鋳型を減圧状態におくため閉鎖鋳型となり、過振動
による空気の巻き込みもなく、巻き込んだ空気による凝
固後の構造欠陥も生じない。

また減圧振動下で鋳造するため、振動により鋳型内の空
気の排気を一層促進するとともに、消失性模型の分解ガ
スによる還元性雰囲気をも一層助長し、鋳物に対する上
記の欠陥の発生を良好に防止し、鋳物の機械的性質の改
善が図られる。

なお特に消失性模型として、あらかじめ黒鉛球状化剤、
接種剤等の溶湯処理剤を含有させたものを用いて減圧振
動鋳造した場合は、減圧下での加振であるので、溶湯が
鋳型内に充満する過程において、鋳型内での球状化剤等
と溶湯との反応が活性化する。また酸化及びフェーディ
ングロスもないため、従来の球状化剤等の使用量に比べ
て少量となり、経済的である。

また減圧下での加振であるので、球状化剤と溶湯とが有
機的に効率よく反応するので、ドロスの発生がなく、し
かも還元性雰囲気下での凝固であるため、従来の大気中
での鋳造よりも機械的性質の良好な鋳物が得られる。

さらにまた特に減圧下での加振状態において球状化剤を
模型内で処理した場合、凝固後の鋳物の球状黒鉛組織が
微細化して良好となるほか、共晶温度の低下と冷却速度
が増大し、共晶凝固時間を短縮することができる。また
さらに残留Ｍｇ量が増加し、引張強度、伸びの上昇によ
って機械的性質がさらに改善されるなど、従来にない格
別顕著な作用効果を発揮する。

［実施例］ 減圧下で注湯直前から凝固終了まで所定の振動を加え、
溶湯処理剤を模型内処理して鋳造した場合の黒鉛・基地
組織、引張強さおよび残留Ｍg 量等について検討した。
なお比較のため注湯時に振動を与えない場合についても
検討した。また熱分析により加振の有無によるＥＰＳ模
型（発泡ポリスチレン模型）内への溶湯の充満過程及び
凝固過程の違いについても検討した。なお加振法は本実
施例では偏心型の機械的振動とし、加振条件は加周波数
５８Ｈz 、振幅０．２mmおよび振動加速度１．２Ｇとし
た。

(i) 試験条件 (イ) 模型内処理法（以下Ｉ．Ｐ．と称す。） Ｉ．Ｐ．としては、湯道部、反応箱（以下Ｒ．Ｂ．と称
す。）、試料本体ならびにブレンド模型（Ｂ．Ｐ．と称
す。）による処理法を採用した。

消失性模型としてのＥＰＳ模型は、第１図に示すよう
に、市販のスチレン・ホーム（約５０倍の発泡倍率）か
ら約３０×３０×高さ６０mmの大きさに切削成型する場
合（第１図−〜）および予備発泡したＥＰＳビーズ
を金型で本発泡成型する場合（第１図−）の二通りの
方法で作製した。

図中、斜線を入れた箇所が球状化剤の埋没位置を示し、
試料番号〜の模型ではそれぞれ所定の箇所に穴をあ
けて球状化剤を直接埋め込み、試料番号では予備発泡
させたＥＰＳビーズと球状化剤を予め必要量混合した
後、本発泡成型することで埋め込んだ。球状化剤は次の
第１表に示すように、Ｃa およびレア・アース（Ｒ．
Ｅ．）を含む市販のＦe −Ｓi −Ｍg 合金（１０．３１
％Ｍg ）を、１４〜２０meshの粒度で、Ｍg 量として
０．０８％添加した。

鋳造方案は、第２図に示すように、一つの湯口で７個の
試料を押し上げ方式によって注湯した。

ＥＰＳ模型は約８０ボーメ度のシリカ・ベース水溶性の
塗型剤にドブ漬した後、室温で３日間自然乾燥したもの
を用いた。

(ロ) 溶解・注湯方法 鋳造装置の概略図を第３図に示す。基本的にはＥＰＳ模
型１を砂で充填した鋼製の容器２が、バネで支えられた
アンバランス・モーター２台を取り付けた加振機３の上
に置かれている。注湯方法は、塗型したＥＰＳ模型１を
アルミナ製の陶管の湯口４とともに入れ、振動しながら
砂を充填した後、容器上部にＶプロ・フイルム５を被
せ、真空ロータリー・ポンプ６で圧力調整予備タンク７
を介して容器２内を減圧状態（−５００mmＨg 〜−７６
０mmＨg ）にしたままで注湯する場合（無加振系列）
と、同方法に加えて注湯直前に所定の振動条件で振動し
ながら注湯し、凝固終了まで加振する場合（加振系列）
の２系列とした。なお８は湯口鉢、９はステンレス製金
網、１０は圧力調整バルブ、１１はＪＩＳ６号珪砂の非
粘結砂である。

溶湯組成は、次の第２表に示す高純度ダクタイル銑鉄、
フェロマンガンおよび電解鉄を黒鉛の球状化に適した溶
湯組成により配合し、３．８７％Ｃ、２．０６％Ｓｉ、
０．３％Ｍn および０．０１％Ｓ以下になるように最高
加熱温度１５００℃〜１５５０℃で高周波溶解し、約１
４２０℃〜１４５０℃の温度で注湯した。

(ii) 結果 (イ) 注湯時の状況 減圧下の注湯であるため、Ｍg 特有の爆発的な反応や反
応に伴う煙の発生及び振動に伴う型崩れは認められず、
所定寸法形状の製品が得られた。

注湯直後の容器内の減圧度は加振の有無に関係なく、−
７６０mmＨg から−４００mmＨg 前後に低下するが、溶
湯が模型内に充満すると直ちに−５００mmＨg 前後に回
復し、その減圧は凝固終了まで持続した。

(ロ) 溶湯の充満過程 湯道部処理の場合、球状化剤および加振の有無、それぞ
れについて模型（試料）の中心部にＰt −Ｐt Ｒh 熱電
対の熱接点を設置して熱分析を行ない、溶湯の模型への
充満過程（第４図）と模型での凝固過程（第３表）を検
討した。

無加振系列および加振系列ともＩ．Ｐ．の有無で、溶湯
の立ち上がり温度と最高温度到達時間でそれぞれ、約２
〜５sec程度の差が認められる。

この現象は明らかに溶湯がＦe −Ｓi −Ｍg 合金と反応
する時間的遅れに対応するものである。これらの遅れは
加振することでＩ．Ｐ．の有無にかかわらず短時間側に
ズレ、その差も小さくなる傾向が認められ、さらに溶湯
がＥＰＳ模型内に充満する速度は速くなる。このこと
は、最高到達温度が加振することで、Ｉ．Ｐ．の有無に
かかわらずいずれも高くなることから明白である。

すなわち、溶湯が注湯された時、ＥＰＳ模型は溶湯の一
時的な直接接触によって、次にはふく射熱によって気化
し、溶湯の前面は前進しながら、固体ＥＰＳ模型の前面
は後退し、溶湯は次第に模型内に充満していくと考えら
れる。この時、溶湯がＥＰＳ模型内に充満する速度は、
ＥＰＳ模型の気化速度に律速され、分解ガスの温度と圧
力に依存することになる。従って、加振することで、空
間ガス層と接触する溶湯の前面が乱れて分解ガスの温度
ならびに圧力に変動が生じるために、ＥＰＳ模型の気化
が速くなりその結果として、溶湯の模型への充満が速く
なるものと考えられる。

(ハ) 溶湯の凝固過程 第５図に無加振系列、第６図に加振系列について、それ
ぞれＩ．Ｐ．の有無による溶湯の冷却凝固熱分析曲線
を、また第４表に模型内冷却熱分析データを示す。

溶湯がＥＰＳ模型内を充満する過程でのＦe −Ｓi −Ｍ
g 合金の反応時間に相当する時間的な遅れは、加振の有
無にかかわらず凝固終了時まで続いている。

無加振系列の無処理試料（元湯）の共晶反転温度は、１
１５２℃であるが、Ｉ．Ｐ．することにより１１４８℃
に低下する。本来、Ｆe −Ｓi −Ｍg 合金の添加による
Ｓi 量（約０．３％相当）の増加に伴う共晶温度の上昇
があるにもかかわらず、加振の有無にかかわらずＩ．
Ｐ．試料の方が、低温度側にあることは、Ｆe −Ｓi −
Ｍg 合金の溶け込みの過渡的な減少によるもので、まさ
にフェーディングの無い球状化処理溶湯としての凝固過
程を示している。

一方、共晶凝固時間はＩ．Ｐ．により若干長くなり、加
振することでいずれの場合も短くなる傾向が認められ
る。このことは、凝固開始前（１２５０℃〜１２００
℃）における平均冷却速度がＩ．Ｐ．により若干遅くな
り、加振することでいずれも速くなる現象で裏付けられ
る。

(ニ) 組織観察 加振の有無にかかわらず、Ｉ．Ｐ．しない場合の黒鉛・
基地組織は、それぞれ第７図に示すように、一般に見ら
れるＡ型の片状黒鉛で、基地はパーライトである。加振
することで黒鉛の大きさは（Ｎo.４からＮo.３へ）幾分
大きくなる傾向が認められる。なおＳＲは湯道部、Ｓは
試料本体である。

次に湯道部（ＳＲ）、反応箱（Ｒ．Ｂ．）、試料本体
（Ｓ）およびブレンド模型（Ｂ．Ｐ．）によるＩ．Ｐ．
後の減圧振動凝固組織（黒鉛・基地）をそれぞれ第８図
〜第１３図に示す。なおＴは溶湯処理剤であり、また同
組織は倍率×３０及び１２０の顕微鏡写真で示されてい
る。また、それぞれの試料のＣ、Ｓi およびＭg 量を第
５表に示す。

無加振系列においては、それぞれのＩ．Ｐ．に対応した
球状黒鉛組織を示している。そのなかでもＲ．Ｂ．によ
る処理がとくに黒鉛の球状化が良好であり、加振するこ
とでいずれも残留Ｍg 量は増加している。

(ホ) 機械的性質 第１４図に示す様に、３０×３０×６０mmとして採取さ
れさ試料１２から第１５図に示す様に、直径６mm、平行
部長さ１３mmの引張試験片１３を作製、インストロン社
製１３５０型電気油圧サーボ式ダイナミック試験機によ
り引張強度および伸びを測定した。その結果を第６表に
示す。

加振系列試料すべてにおいて、強度の上昇が認められ
る。特にＲ．Ｂ．(a)の伸びは１３％にもなり、機械的
性質の向上が認められる。強度の上からは、ブレンド模
型Ｂ．Ｐ．によるＩ．Ｐ．に加振を適用することで、６
９．８kg／mm²と著しい効果が認められる。

なお、Ａｌ−１５％Ｓｉ合金、Ａｌ−４％Ｃｕ合金、Ｚ
ｎ−５％Ａｌ合金の組織改善に関して本発明の方法の適
用についても検討したが、いずれの合金も振動凝固によ
る溶湯の冷却速度の増大と、結晶の微細化によって引張
強度及び伸びの上昇により機械的性質を改善し得ること
が認められた。

［発明の効果］ 以上の様にこの発明は、消失性模型を用いて、常圧では
なく、減圧状態下で、振動を加えて鋳造する方法である
ので、たとえ凝固過程に至るまで振動を加えても、真空
状態により鋳型強度が十分確保され、鋳型の変形や型崩
れ、崩壊を招くことはない。従って鋳物の外観も良好で
あり、所定の形状及び寸法精度にすぐれた鋳物を製造す
ることができる。

また鋳型を減圧状態におくため閉鎖鋳型となり、過振動
による空気の巻き込みもなく、巻き込んだ空気による凝
固後の構造欠陥も生じない。

また減圧振動下で鋳造するため、振動により鋳型内の空
気の排気を一層促進するとともに、消失性模型の分解ガ
スによる還元性雰囲気をも一層助長し、鋳物に対する上
記の欠陥の発生を良好に防止し、鋳物の機械的性質の改
善が図られる。

また特に消失性模型として、あらかじめ黒鉛球状化剤、
接種剤等の溶湯処理剤を含有させたものを用いて減圧振
動鋳造した場合は、減圧下での加振であるので、溶湯が
鋳型内に充満する過程において、鋳型内での球状化剤等
と溶湯との反応が活性化する。また酸化及びフェーディ
ングロスもないため、従来の球状化剤等の使用量に比べ
て少量となり、経済的である。

また減圧下での加振であるので、球状化剤と溶湯とが有
機的に効率よく反応するので、ドロスの発生がなく、し
かも還元性雰囲気下での凝固であるため、従来の大気中
での鋳造よりも機械的性質の良好な鋳物が得られる。

さらにまた特に減圧下での加振状態において球状化剤等
を模型内で処理した場合、凝固後の鋳物の球状黒鉛組織
が微細化して良好となるほか、共晶温度の低下と冷却速
度が増大し、共晶凝固時間を短縮することができる。ま
たさらに残留Ｍｇ量が増加し、引張強度、伸びの上昇に
よって機械的性質がさらに改善されるなど、従来にない
格別顕著な作用効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る鋳造法の実施例を示す押し上げ
方式および落し込み方式による模型内処理の概略図、 第２図は同鋳造方案を示す概略図、 第３図は同鋳造装置の概略図、 第４図は同加振および無加振系列（比較例）における溶
湯の模型内への充満過程を示す図、 第５図、第６図はそれぞれ無加振系列及び加振系列にお
ける溶湯の模型内での凝固過程を示す図、 第７図ないし第１３図は模型内処理後の減圧振動凝固組
織における顕微鏡写真の拡大図、 第１４図及び第１５図は引張試験にかかわる説明図であ
る。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−166345（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−115941（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発泡ポリエチレン等の消失性模型を鋳物砂
   中に埋設し、鋳鉄、アルミニウム等を注湯後、凝固させ
   る鋳造法において、注湯直前から凝固終了に至るまで、
   減圧状態下で振動を加えたことを特徴とする減圧振動鋳
   造法。
2. 【請求項２】黒鉛球状化剤、接種剤等の溶湯処理剤をあ
   らかじめ含有させた発泡ポリエチレン等の消失性模型を
   鋳物砂中に埋設した請求項１記載の減圧振動鋳造法。
3. 【請求項３】溶湯処理剤を予備発泡させた発泡剤に混合
   し、しかる後本発泡させ、消失性模型を成型した請求項
   ２記載の減圧振動鋳造法。