JPH062302B2 - 自硬性鋳型を用いた鋳造方法及びそれに用いられるボリュウム増加材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、自硬性鋳型を用いた鋳造方法及びそれに用い
られるボリュウム増加材に係り、特に自硬性鋳型のサン
ドメタル比や鋳造工程を改善する造型プロセスに関する
ものである。

（背景技術） 従来から、鋳造品のうち、工作機械部品等の製品重量が
５０kg以上の、所謂中物、大物は自硬性鋳型を用いた鋳
造方法により製作されることが多い。そして、この自硬
性鋳型を用いる手法はノーベーク法等とも称され、熱を
加えることなく硬化せしめて、目的とする鋳型を得るこ
とが出来るものであり、そのために、無機質或いは有機
質の各種の粘結材が用いられ、例えば有機質粘結材とし
ては、多くはフラン系樹脂などの樹脂を用いて鋳型の造
型が行なわれることが多いが、一般には分子量の余り大
きくない液状縮合物の樹脂を用い、これに酸性硬化触媒
を混合して縮合反応を開始せしめ、次第に活性を増大さ
せて、最終的には三次元架橋により結合力を最大と為し
て、目的とする鋳型として完成している。

なお、このようにして得られる有機自硬性鋳型を用いて
鋳造するに際しては、そのような鋳型の造型の後、その
得られた有機自硬性鋳型に対して所定の溶湯を注湯して
鋳造を行ない、更にその後、かかる鋳型の型ばらしによ
り、形成された鋳物製品を取り出す一方、鋳物砂には、
それに混入した鋳物バリ、鉄片、鉄粉等の夾雑物（介在
物）との磁気分離操作が施され、回収されて、再使用さ
れることとなる。

そして、このような自硬性鋳型を用いた鋳造方法は、
（ａ）常温で完全に硬化するために、焼成に要する労
力、時間が不要で、造型工数が削減出来る、（ｂ）鋳型
強度が高く、寸法精度の高い高品質な鋳物が出来る、
（ｃ）けい砂の省資源、産業廃棄物、公害防止に貢献出
来る、（ｄ）注湯後の砂の崩壊性が比較的に優れてお
り、使用砂の回収が９０〜９５％可能で、繰り返し使用
することが出来、鋳物砂のクローズドシステムが可能と
なる等の特徴を有しており、これらの理由から、一般産
業機械、工作機械部品の鋳造品において、今日多くの鋳
造工場で採用されているのである。

而して、このように多くの利点を有する自硬性鋳型を用
いた鋳造方法においては、粘結材として用いられる材
料、例えば樹脂やその硬化剤等が高価であること等か
ら、鋳造コストが高くなる問題があり、そのためそのコ
ストダウンを図るべく、種々の工夫が為されてきた。特
に、工作機械の鋳物部品のように、非量産型の場合に
は、製品毎に専用の鋳枠を用いることは金枠費の増大と
保管、管理が難しいことから、サンドメタル（Ｓ／Ｍ）
比（使用する砂重量：Ｓと製品重量：Ｍとの比）が大き
くなるために、製品のコストが増加に繋がっていたので
ある。

また、鋳型の崩壊性にあっても、溶湯の熱の作用する鋳
型表層部を固結する粘結材は、そのような熱によって変
性、分解されて、崩壊され易くなっているが、かかる熱
の作用しない鋳型背後部分では、粘結材が分解され得
ず、そのため該粘結材による固結によって、むしろ崩壊
性が悪化し、鋳物砂の再生作業上の大きな問題となって
いたのである。

ところで、鋳型は、鋳枠内に所定の模型を配置して、鋳
物砂を投入、充填せしめることにより、所望の製品キャ
ビティを形成せしめることによって完成され、例えば第
１図に示される如く、一般に上型２と下型４とから構成
されている。なお、それら上型２及び下型４において、
６は鋳枠、８は鋳物砂、そして１０が、それら上型２と
下型４によって鋳造されるべき製品形状を与える製品キ
ャビティである。また、１２は中子、１４は湯口、１６
は上がりである。

そして、このような鋳型構造において、そのサンドメタ
ル（Ｓ／Ｍ）比を向上させるために、第２図に示される
ように、鋳枠６内の鋳物砂８の充填部位において溶湯と
接するスキンサンド部（肌砂層）を除く中間部に、木
片、レンガ片、発泡スチロール片等のボリュウム増加材
１８を埋め込んで、鋳物砂８の使用量の減少を図ること
が考えられているが、鋳型の造型に際して、それらのボ
リュウムを増加させる材料１８をタイムリーに入手する
ことが難しいこと、造型時の作業性を悪くすること、更
にはその増加材１８が回収し難いこと等から、実作業に
おいては実施されていないのが実情である。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、自硬性鋳型を用いた鋳造方法におけ
るサンドメタル比や鋳型の崩壊性を改善しようとするこ
とにあり、特にサンドメタル比の飛躍的向上と鋳型の崩
壊性の向上を図り、更に、注湯後の砂の回収時に、容易
にボリュウム増加材を回収することが可能な手法を提供
することにある。

（解決手段） そして、本発明は、かかる課題解決のために、自硬性の
鋳物砂を用いて、目的とする鋳型の造型を行なった後、
その得られた自硬性鋳型に所定の溶湯を注湯して鋳造を
行ない、更にその後かかる鋳型の型ばらしにより、形成
された鋳物製品を取り出す一方、鋳物砂とそれに混入し
た鋳物バリ等の介在物との分離を磁気により行なって、
鋳物砂を回収することからなる鋳造方法において、前記
鋳型の造型を、前記鋳物砂にて所定厚みの肌砂層を形成
した後、かかる肌砂層の背後に、磁性材料の内在によっ
て磁性の付与されたセラミックス体を投入して充填し、
更にその背後に必要に応じて前記鋳物砂を裏砂として投
入することにより、実施する一方、かくして得られた自
硬性鋳型の内部に充填されたセラミックス体を、前記鋳
造操作の後、磁気分離操作によって前記介在物と共に鋳
物砂から分離するようにしたことを特徴とするものであ
る。

また、本発明にあっては、鋳型における肌砂層の背後に
自硬性鋳物砂に代えて充填せしめられ、鋳造後において
鋳物砂から磁気分離されるボリュウム増加材を、磁性材
料の内在によって磁性の付与された所定大きさのセラミ
ックス体にて構成したことをも、その特徴とするもので
ある。

（具体的構成） 要するに、本発明にあっては、従来のボリュウム増加材
とは異なり、熱に対して強いセラミックス製の物体を、
自硬性鋳物砂に代わるボリュウム増加材として用いよう
とするものであり、しかもそのようなセラミックス体
は、その中心部若しくは全体に磁性材料の粉末またはそ
の塊状物を有しており、それによってマグネット等を用
いた磁気分離装置に磁着せしめられ得る、磁性の付与さ
れた磁性体とされているところに、大きな特徴を有して
いる。

そして、このような本発明に従う磁性を有するセラミッ
クス体は、第３図に示されるように、従来のボリュウム
増加材（１８）と同様な鋳型部位に充填せしめられるこ
ととなるのである。即ち、鋳型（２，４）に対して注湯
される鋳鉄溶湯、溶鋼等の溶湯に接する所定厚みの肌砂
層（スキンサンド部）の背後に、セラミックス体として
のセラミックスボール２０が充填せしめられて、鋳物砂
の使用量の低減が図られているのである。なお、このセ
ラミックスボール２０の充填された部位の上（背後）に
は、更に鋳物砂が裏砂として充填され、鋳型を補強する
ようになっている。

ところで、このような自硬性の鋳型（２，４）の造型に
際しては、その上型２の造型例を第４図に示すように、
先ず、底板２２上に所定の鋳枠６を載置し、次いでこの
鋳枠６内に目的とする製品キャビティ形状１０（一部）
を与える模型２４が配置され、更に上がり形成部材２６
等をセットした状態において、自硬性の鋳物砂８が投入
されて、かかる模型２４の表面に所定厚みの肌砂層（ス
キンサンド）が形成される。なお、ここで用いられる自
硬性の鋳物砂８は、従来と同様のものであって、例え
ば、有機質粘結材としてフラン系樹脂、フェノール系樹
脂、アクリル系樹脂等の樹脂が配合され、またそのよう
な樹脂を硬化せしめるための硬化剤が添加せしめられて
なるものである。尤も、このような有機質粘結材に代え
て、よく知られているように、ケイ酸ソーダ等の無機質
粘結材を用い、無機自硬性の鋳型（２，４）を造型する
ことも可能である。

次いで、この肌砂層が形成された後に、その上に（背後
に）、本発明に従うところの磁性を有するセラミックス
ボール２０が投入されて充填せしめられ、更にその上
に、必要に応じて鋳物砂８が裏砂（バックサンド）とし
て投入されて、鋳型の補強が図られ、更にその後模型２
４が取り除かれ、以て造型が完了される。なお、当然の
ことながら、それらスキンサンド（８）、セラミックス
ボール２０、バックサンド（８）を投入するときには、
従来の砂充填作業と同様に、振動発生機等で振動を与
え、鋳物砂８、セラミックスボール２０の充填性の向上
が図られることとなる。

また、下型４についても、上記と同様にして、所定の模
型上に所定厚みで形成される肌砂層の背後にセラミック
スボール２０を充填することによって造型され、そして
この得られた上型２と下型４とが組み合わされて、第３
図に示される如き、目的とする鋳型構造が実現されるの
である。

なお、このようにして鋳型（２，４）を造型するに際し
て、スキンサンド（８）、セラミックスボール（２
０）、バックサンド（８）の比率は、製品の形状、寸
法、重量、更には鋳枠６の構造等により一定ではない
が、鋳枠６内の３０〜４０％の容積をセラミックスボー
ル２０で置き換えることは可能であり、それによって鋳
型全体の強度を低下させることはない。また、スキンサ
ンドやバックサンドとセラミックスボール２０との接触
面は、振動発生機等により砂充填時に振動が与えられて
も、それによって少々の砂がセラミックスボール間隙に
侵入することがあるが、砂そのものがウェットな状態で
あるために、空隙全体への侵入はないのである。

そして、そのような充填セラミックスボール２０間の間
隙の存在によって、溶湯の注湯時のガス発生に対し、従
来方法よりもガスの浸透を容易にすることが出来ること
となり、鋳造欠陥の防止に効果を発揮すると共に、鋳型
の硬化、ひいては造型時間を短縮することも可能となる
のである。即ち、自硬性鋳型の造型には、従来から冬場
等において硬化時間の長期化現象が惹起されており、そ
の対策として硬化剤の添加量を増加する等の対策が採ら
れているが、これに代わって、本発明では予めセラミッ
クスボール２０を予熱（８０〜１００℃程度）しておく
ことによって、その硬化時間を著しく短縮することが出
来るのである。また、当然のことながら、このようにし
て得られた自硬性鋳型の内部に充填せしめられているセ
ラミックスボール２０間は、粘結材にて固結されてはい
ないのである。

そして、本発明にあっては、かくの如くして造型された
自硬性鋳型を用いて、常法に従い、それに、所定の溶
湯、例えば鋳鉄溶湯や溶剛等が注湯されて、目的とする
鋳物製品の鋳造が行なわれ、更にその後、鋳型の型ばら
しにより、かかる鋳型内に形成された鋳物製品を取り出
す一方、鋳物砂とそれに混入した鋳物バリ、鉄片、鉄粉
等の介在物の分離が、従来と同様にして、磁気を用いて
実施され、それによって鋳型を形成していた鋳物砂が回
収され、再使用されることとなるが、本発明で用いら
れ、鋳型を構成していた鋳枠内に充填されたセラミック
ス体も、それへの磁性材料の含有によって磁性が付与さ
れているところから、上記の磁気分離操作時において、
鋳物バリ等の介在物と同様にして、鋳物砂から効果的に
分離せしめられ、以てそのようなセラミックス体を再度
使用することが可能となるのである。

このセラミックス体の磁気による分離は、従来の鋳造自
動化ラインにおいて採用されているマグネット分離装置
をそのまま用いて実施することが可能であり、より具体
的には、解枠後の砂回収コンベヤの一部にマグネットプ
ーリのような磁気分離装置を用いることにより、鋳枠内
に充填されていたセラミックス体は鉄系夾雑物と同様に
して鋳物砂から容易に分離、回収され得て、自動化ライ
ンへの導入が可能となるのである。要するに、本発明
は、ボリュウム増加材としてのセラミックス体の回収を
自動化ラインの中で容易に行ない得ることに、その特徴
を有し、また強度、耐熱性、耐摩耗性を備え、更に磁性
体である等の特性を付与したものであるところに、大き
な特徴を有しているのである。

尤も、ボリュウム増加材が単に磁性体という特徴だけで
あれば、鉄に代表されるような金属材料でも良いのであ
るが、そのような金属材料では、充填時の作業性が良く
なく、また充填後の鋳型全体の重量が重くなり、作業性
が悪くなること、付帯設備の大幅な変更が必要となるこ
と等の種々なる問題を内在しているのである。また、磁
性を有しないセラミックス体をボリュウム増加材とする
場合には、その回収時に特殊なブレーカースクリーンを
必要とし、その回収のために新たな設備投資が必要とな
って、鋳造コストを上昇せしめることとなる。

また、かかる本発明に従うセラミックス体が鋳型内部に
充填せしめられてなる自硬性鋳型にあっては、鋳造後の
型ばらし工程において、鋳型の崩壊性に優れているため
に、型ばらし作業やそれに続く鋳物砂回収作業が極めて
容易となる大きな特徴を有している。けだし、鋳型はそ
の表層部だけが粘結材にて固結されるだけで、内部に充
填されたセラミックス体間は何等固結されるものではな
いところから、鋳造時の熱による表層部の粘結材の分解
だけで、鋳型が崩壊され易くなっているからである。

ところで、本発明に用いられるセラミックス体は、磁性
材料の含有によって磁石に磁着せしめられ得るように磁
性の与えられたものであり、適宜の大きさにおいて用い
られることとなるが、一般に１０〜５０mmφ程度のボー
ル径のものが用いられる。また、その形状も、球状を呈
しておれば、必ずしも真円形状でなくても差支えなく、
例えば、楕円形状、長円形状等の大略球状とみなし得る
ものであれば、何れをも使用可能である。更に、充填密
度の増大が要請される場合において、かかるセラミック
ス体の大きさの異なるものを組み合わせて、用いること
も可能である。

なお、セラミックス体内に含有せしめられる磁性材料と
しては、軟磁性材料と硬磁性材料とがあり、そのどちら
もがセラミックス体に磁性を付与する機能を有してお
り、適宜に選択されるものであるが、特に本発明にあっ
ては、セラミックス体の保守管理（取扱いの容易さ）か
らして、軟磁性材料が有利に選択される。自動化ライン
の中にあるマグネット分離装置により、砂とボリュウム
増加材であるセラミックス体とを分離するに際して、マ
グネットから離れた後においても磁性を帯びていること
は、ラインの大半が軟磁性体のために、ラインにセラミ
ックス体が磁着してしまったり、セラミックス体同士が
磁着して団子状になる等の理由により、ライントラブル
の原因となることが、硬磁性材料を用いた場合において
惹起される虞があるからである。しかも、軟磁性材料は
酸化物を主体としているために、原料が安価であり、希
望形状を容易に成形することが出来、更に材料が入手し
易い等の特徴を有しているからである。そして、そのよ
うな特徴を備えた軟磁性材料としては、Ｎｉ−Ｚｎ系フ
ェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ系フェライト、Ｍｎ−Ｚｎ
系フェライト、Ｎｉ−Ｃｕ系フェライト等があり、高周
波磁芯材料、磁気記録材料等に用いられている材料がそ
のまま使用可能である。

そして、このような磁性材料は、アルミナ、コーディエ
ライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア等のセラ
ミックス材料と共に、所定大きさのセラミックス体とさ
れることとなるが、そのような磁性材料は、塊状形態に
おいて或いは均一配合形態においてセラミックス体中に
存在せしめられることとなる。例えば、第５図（ａ）に
示される如く、中心の芯体２８に磁性材料を包み込んだ
状態で、その外側にセラミックス層３０を設けた構造の
セラミックスボール２０や、第５図（ｂ）に示される如
く、粉末状若しくは小さな塊状の磁性材料３２を全体に
分布せしめた構造のセラミックスボール２０として用い
られるのである。

また、本発明に用いられるセラミックス体は、上例の如
き中実球状体の他に、第５図（ｃ）及び（ｄ）に示され
る如き、内部に所定大きさの中空部３４を設けてなる中
空球状体において用いることも可能である。このような
中空球状体とすることにより、セラミックス体の軽量化
が図られ、以て作業性や設備にとって有利となる。尤
も、中空球状体とする場合にあっては、第５図（ｃ）に
示される如く、中空部３４内の雰囲気の注湯時における
熱膨脹を避けるために、通気孔３６を設けたり、第５図
（ｄ）の如く、セラミックス体壁部をポーラス構造とす
る等の対策を講じることが望ましい。なお、このような
中空球状体構造とした場合にあっては、そのセラミック
ス体壁部は磁性材料を含むセラミックス材料にて構成さ
れることとなることは、言うまでもないところである。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の代表的な実施例を示すが、本発明が、そのような実
施例の記載によって何等制限的に解釈されるものでない
ことは、言うまでもないところである。

目的とする鋳物製品として、外径が１２００mmφ、厚み
が５０mm〜１２０mm、重量が５５０kg、材質がＦＣ３０
からなるギヤー素材を鋳造すべく、金枠寸法が１６００
mm×１８００mm×３００mm（上型）若しくは２５０mm
（下型）の鋳枠を用いると共に、鋳物砂としては、ＡＦ
Ｓ４０砂にフラン樹脂0.８重量％、硬化剤３０重量％±
８重量％（対樹脂添加量）を均一に配合したものを用
い、第１図に示される如き従来の鋳型と第３図に示され
る如き本発明に従う鋳型の造型を行なった。

なお、本発明に従う鋳型の造型に際しては、セラミック
ス体として、そのサイズが（外径）３０mmφの第５図
（ａ）に示される如き構造のボール形状のものを用い
た。また、セラミックスの材質としては、コーディエラ
イト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を用い、
更に芯部を磁性材料であるＮｉ−Ｚｎ系フェライトにて
１５mmφの大きさにて形成した。

このようにして得られた鋳型のサンドメタル比は、第１
図の従来鋳型にあっては、Ｓ／Ｍ＝4.１であり、第３図
の本発明鋳型にあっては、Ｓ／Ｍ＝1.６３であり、従来
比：１／2.５と著しく改善されたものであった。また、
鋳型の硬化時間にあっても、第１図の従来鋳型にあって
は、１０〜１５分（夏場）要するのに対して、第３図の
本発明鋳型の場合にあっては８〜１１分で済み、従来に
比べて２０％もの短縮を図り得ることが明らかとなっ
た。

また、このようにして得られた本発明鋳型を用い、それ
に対して、常法に従ってＦＳ３０溶湯を注湯して、目的
とするギヤー素材の鋳造を行ない、更にその後、鋳型の
型ばらしにより、かかる鋳型内に形成されたギヤー素材
（鋳物製品）を取り出す一方、自動化ラインにおいて、
鋳物砂とそれに混入した鋳物バリ等の夾雑物との分離を
マグネット分離装置にて行なった結果、鋳型の崩壊性が
よく、またそのような夾雑物と共にセラミックス体をも
同時に鋳物砂から分離することが出来た。

なお、本発明は、以上の具体的説明並びに好ましい実施
形態のみに限定されるものでは決してなく、本発明の趣
旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて
種々なる変更、修正、改良等を加えた形態において実施
されるものであり、本発明が、またそのような実施形態
のものをも含むものであることが、理解されるべきであ
る。

例えば、例示の具体例においては、中子１２内にはセラ
ミックスボール２０が充填されていないが、サンドメタ
ル比のより一層の向上を図るには、かかる中子１２内に
もセラミックスボール２０を充填せしめることが有効で
あることは、言うまでもないところである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明にあっては、ボ
リュウム増加材としてセラミックス体を用いることによ
り、サンドメタル比の飛躍的な向上を図り得ると共に、
鋳型の崩壊性の向上をも達成し得たのであり、またその
ようなセラミックス体に磁性を付与したことにより、注
湯後の砂の回収時に、容易に且つ有利に、ボリュウム増
加材としてのセラミックス体の回収を行なうことが可能
となったものであり、そこに、本発明の大きな工業的意
義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、従来の鋳型構造を説明
するための鋳型縦断面図であり、第３図は、本発明にて
用いられる鋳型構造の一例を示す縦断面図であり、第４
図は、そのような本発明に係る鋳型の造型工程を示す断
面説明図であり、第５図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、
本発明にて用いられるセラミックス体の異なる例を示す
断面説明図である。 ２：上型 ４：下型 ６：鋳枠 ８：鋳物砂 １０：製品キャビティ １２：中子 １８：従来のボリュウム増加材 ２０：セラミックスボール ２２：底板 ２４：模型 ２８：芯体 ３０：セラミックス層 ３２：磁性材料 ３４：中空部 ３６：通気孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自硬性の鋳物砂を用いて、目的とする鋳型
   の造型を行なった後、その得られた自硬性鋳型に所定の
   溶湯を注湯して鋳造を行ない、更にその後かかる鋳型の
   型ばらしにより、形成された鋳物製品を取り出す一方、
   鋳物砂とそれに混入した鋳物バリ等の介在物との分離を
   磁気により行なって、鋳物砂を回収することからなる鋳
   造方法において、 前記鋳型の造型を、前記鋳物砂にて所定厚みの肌砂層を
   形成した後、かかる肌砂層の背後に、磁性材料の内在に
   よって磁性の付与されたセラミックス体を投入して充填
   し、更にその背後に必要に応じて前記鋳物砂を裏砂とし
   て投入することにより、実施する一方、かくして得られ
   た自硬性鋳型の内部に充填されたセラミックス体を、前
   記鋳造操作の後、磁気分離操作によって鋳物砂から分離
   するようにしたことを特徴とする自硬性鋳型を用いた鋳
   造方法。
2. 【請求項２】鋳型における肌砂層の背後に、自硬性鋳物
   砂に代えて充填せしめられ、鋳造後において鋳物砂から
   磁気分離されるボリュウム増加材にして、磁性材料の内
   在によって磁性の付与された所定大きさのセラミックス
   体からなることを特徴とする自硬性鋳型用ボリュウム増
   加材。