JPS5811292B2 - 鋳造用鋳型を製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱硬化性鋳型、常温硬化性鋳型、発熱自硬性鋳
型等を造型するための黒鉛製マスターモールドの製造方
法に係るものである。

金属鋳造用鋳型としては砂型、金型、シェル型、石膏型
、エチールシリケートをバインダーとする耐火物型（シ
ョウプロセスやロストワックス法）等が知られている。

これらの鋳型の中で、砂型、シェル型、石膏型等は木型
や金型あるいはゴム型等のマスターを用いて造型されて
いる。

砂型や石膏型は常温で造型出来るので木型マスターを用
いて造型しても何ら作業上欠陥を生じないが、シェル型
の場合は熱硬化性造型方法が一般的であるために金型マ
スターを用いて造型されている。

また砂型造型法の１種である発熱自硬性鋳型は木型マス
ターを用いて造型されているが、発熱により木型に損傷
を与える事があるので、木型表面に耐火物等の塗装を施
して使用される場合が多い。

本発明の目的とするところは金型や木型に代るべき、か
つ取扱いが容易なマスター材料を見い出し、マスターモ
ールドとして実用化に供しようというところにある。

特に主目的とするのは熱に安定でかつ寸法精度に秀れた
多種少量品用マスターモールドを製作する事にある。

従って、マスターモールドとして使用可能な条件は、加
工が容易であり、耐熱性に秀れ、かつ熱衝撃性に安定な
物でなければならない。

木型は加工性には秀れているが熱には弱く、金型は熱に
は強いが加工時間が非常に長い欠点がある。

例えばシェル鋳型の製作法の主なものとしては、熱硬化
性シェル鋳型造型方法としてのフェノール系レジンを粘
結剤とするシェルモールド法、フラン系レジンを粘結剤
とした熱硬化性シェル鋳型造型法であるホット・ボック
ス法、及びフェノール系レジンとインシアネートを粘結
剤とし、これにアミン系ガスを吹き込んで常温で硬化さ
せるコールド・ボックス法等がある。

これらシェル鋳型造型法においてシェルモールド法及び
ホット・ボックス法は熱硬化性造型法であるのでマスタ
ーモールドは熱に安定な金型を使用しなければならない
。

コールド・ボックス法は常温硬化性造型法だからマスタ
ーモールドは木型でもよいが、量産用は金型が使用され
ている。

従ってシェル鋳型のみならず、その他の造型法も含めて
、熱硬化性または発熱自硬性の造型法においては金型に
代るべき熱衝撃に安定なマスターモールドを、常温硬化
性においては木型に代るべき耐久性のあるマスターモー
ルドを見い出す事が出来れば造型上有恭となるにちがい
ない。

以上の理由に従って発明者は数種類の材料について検討
を加えた。

先ず最初に耐火物の材料であるアルミナの焼結晶につい
て検討してみたが、一度焼結されたアルミナは切削等の
二次加工が非常に困難である事がわかった。

これはマスターモールドの条件には適しない。

また熱衝撃にも不安定で使用に値しない事を知った。

炭化珪素の焼結品も同じ結果が得られた。

次にアルミナをリン酸系バインダーで固めて一定の形状
のマスターモールドを成型し、実験してみたがやはり熱
衝機に不安定であった。

また黒鉛繊維を使った耐熱性繊維強化プラスチックによ
って一定の形状に成型したマスターモールドを製作し実
験した。

しかし熱硬化性造型法の場合は２００〜４００℃にも温
度が上るのでプラスチックが劣化してくり返し使用する
事が出来なかったが、常温硬化性造型法においてはマス
ターモールドとして十分に使用出来る事が判明した。

たゞ繊維強化プラスチックによるマスターモールドは切
削等の二次加工が困難なために木型に比べてもう１つ物
足らない面がある。

これは他のプラスチック、例えばエポキシ製マスターモ
ールドにおいても同じ事がいえた。

そこで発明者は熱衝撃に安定な黒鉛に着目してマスター
モールドを製作し実験をした。

黒鉛は天然質と人造質の２種類に大別されるがその材質
によってさらに分類すると、人造黒鉛質天然黒鉛質、不
浸透性黒鉛質、黒鉛炭素質、金属黒鉛質、粘土黒鉛質に
分けられる。

これら種類について加工性、熱衝撃性、及びマスターモ
ールドとしての取扱い面について検討を加えた。

先ず加工性においては旋盤加工及び木工用ノミを使った
彫刻加工の２点を調べた。

旋盤の切削工具として５種（ＳＫ５）の炭素鋼工具及び
タングステン系の超硬工具を用い、木工用ノミは炭素鋼
の１種（ＳＫＩ）を用いた。

黒鉛の種類の中で黒鉛炭素質の物はペースト状のために
除外しその他の材質全てについて２００角材の寸法にし
た物をあらかじめ用意して実験した。

その結果例れの加工実験においても加工上何ら問題は生
じなかった。

旋盤加工では２００角材を１５０ｚ材に加工したが工具
の損傷も見られなかった。

また彫刻加工では木工用ノミを使っても木型さ同じ程度
かや５困難を供なう程度で加工する事が出来た。

木工用ノミで黒鉛が加工出来る事はマスターモールドを
製作する場合非常に有益となる。

加工時間は金型に比べ５０％短縮された。次に熱衝撃性
の実験のために内径１００ダ、内側高さ１５０の有底容
器を各々の材質で製作し、３００℃に熱せられた砂を黒
鉛製容器に注入させたゾちに水槽に埋没させる実験をく
り返した。

黒鉛製容器内に３００℃の砂を注入させたのは水槽に埋
没させた時、容器の外側と砂の満された内側との冷却時
間に差が出来るようにしたのである。

この実験結果においても熱衝撃においては安定である事
が判明した。

これらの実験結果、黒鉛がマスター用素材として十分に
適する事が判明したので最後に取扱い面から検討を加え
た。

黒鉛の材質については前述したがマスターモールドの要
素としては寸法精度や機械的強度等においても重要な面
がある。

特に取扱い土量も重要なのは寸法精度であるが、黒鉛の
熱膨張係数は線膨張係数で１〜３Ｘ１０−６程度で高温
になってもその値の変化は少ない。

特に人造黒鉛質は熱による膨張の影響は受けないといっ
てよい。

また機械的強度としては曲げ強さでは人造黒鉛質で５０
〜２５０ｋｇ／ｃｍ２金属黒鉛質２００〜９００ｋｇ／
ｃｍ２とその数字の範囲が太きい。

また弾性率は人造黒鉛質で４００〜１０００ｋｇ／ｍｍ
２、天然黒鉛質で５００〜１．１２９ｋｇ／ｍｍ２と同
じようにその数字の範囲が大きい。

この事は材質にバラツキが多いという事になるが、材質
のチェックを十分にすれば使用上何ら問題はないと見て
よい。

また最近等方性の黒鉛製品が出来るようになったので強
度面でのバラツキも少くなる。

ところが黒鉛で最も問題となる欠陥はその製品の気孔率
が高い事である。

普通黒鉛製品の密度比は７０〜８５係、すなはち気孔率
が１５〜３０係にもなるので、黒鉛の表面や内部には必
ず巣（空孔のことであり、以下空孔を全て巣と称す）が
あると思はなければならない。

特に表面に巣があるとマスターモールドとしては好まし
くないのは勿論の事である。

また高密度黒鉛は密度比が高く、かなり組織が微細で巣
も少ないが、完全に巣がないとはいえない。

シェル鋳型の造型において熱硬化性の場合、瞬間的にレ
ジンが液状になるので巣の中にレジンがくい込み、肌の
粗雑なシェル鋳型が出来てしまう。

従って黒鉛は巣のない物あるいは伺らかの処理によって
巣うめされた物を使用しなければならない。

黒鉛の真比重は１．９〜２２であるが製品となった物は
見掛比重で１．４５〜１．８５位しか得られない。

従って何らかの方法による表面処理で巣うめをする事が
使用上重要な条件となる。

すなはち少なくとも黒鉛の表面の密度を、黒鉛成型体が
有する圧粉密度より高めるように表面処理を施こして、
巣をなくすることが必要である。

黒鉛の表面の圧粉密度を高める方法、すなはち巣をなく
す方法として圧着処理及び含浸処理について検討を加え
た。

圧着処理としてはカーボンペーストを巣内部にうめ込む
方法について実験をしたが、黒鉛製品の表面が汚れたり
、ペーストの強度が黒鉛母材より弱いのであまり好まし
い結果は得られなかった。

そこで性質が黒鉛に似ている金属珪素化合物の１種であ
るモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２）をケイ酸ソーダ
で反応させて硬化させる方法について実験をした。

モリブデンシリサイドと微粉黒鉛の１：１の配合比の混
合物をケイ酸ソーダで調合して泥状と成した物を内径１
００φ、内側高さ１５０の黒鉛表面に塗布して常温自硬
させ、自硬後に黒鉛表面を仕上げ高温乾燥させた。

これを熱衝撃実験と同じ方法でテストをくり返したが、
巣うめされた個所においても何ら変化も見られず、非常
に強固に付着していた。

また微粉黒鉛の代りに微粉アルミナを用いても同じ結果
が得られたが、付着層の仕上りは微粉黒鉛を用いた方が
良好であった。

含浸処理については溶融金属、無機質の溶液、樹脂の３
種類について実験をした。

何れの種類においても真空中で含浸する方法によって含
浸処理をしてピースを得、表面処理によるテストと同じ
方法でテストをくり返した。

結果において大差はなかったが、樹脂を含浸した場合が
最も早く表面が荒れ、溶融金属及び無機質の溶液の場合
は表面が荒れる事もなかった。

なお含浸剤としては溶融金属では亜鉛、無機質溶液では
リン酸系溶液、樹脂では熱可塑性樹脂が最も含浸性に秀
れていた。

亜鉛は黒鉛を侵蝕させる性質に富んでいるので含浸性に
秀れているのは勿論の事であるが、他の金属、例えばア
ルミニウム等は含浸処理が困難であった。

また樹脂の場合熱硬化性樹脂であるエポキシや不飽和ポ
リエステル等についてもテストをしたが含浸処理中に樹
脂が硬化してしまったりしてその作業が困難であった。

密度比は改良処理前の密度比７０〜８５％の黒鉛製品が
、圧着処理や含浸処理によって９５係以上に改良された
。

以上黒鉛について、加工性、熱衝撃性、取扱い面におけ
る密度すなはち気孔率と巣の関連性において検討を加え
た結果、黒鉛の見掛比重が１．４５以上あればマスター
モールドとして使用出来る事が判明した。

次に本発明を実施例により説明する。

実施例 １ 熱硬化性シェル鋳型、すなはちシェルモールドの造型用
マスターモールド材として見掛比重１．６５、密度比８
０係の人造黒鉛質黒鉛を用いてマスターモールドを製作
した。

加工は旋盤及びフライスによる切削と手による彫刻加工
で実施、黒鉛表面の密度比の改良（巣うめの目的）はモ
リブデンシリサイドとケイ酸ソーダの反応を粘結剤とし
て利用し黒鉛粉末の混合された物で圧着処理法により実
施した。

なお表面処理剤の配合は次の通りである。

黒鉛粉末４００メツシュ全通 ７５重重量モリすデンシ
リサイド粉末 ２５重量係上記配合物に重量比６係
のケイ酸ソーダ及び水を少量混ぜた物を調合剤とした。

表面処理された物を４００〜６００℃で１０時間焼成し
てマスターモールドを得た。

こうして製作された黒鉛製マスターモールドを用いて、
フェノール系レジンを粘結剤とした熱硬化性シェルモー
ルドを造型した。

シェルモールド材料はあらかじめレジンの被覆されたレ
ジンコーテツドサンドを用い、吹き込み注入によって３
００℃に予熱されているマスターモールドえ注入して造
型した。

造型を３００回くり返したが黒鉛製マスターモールドは
何ら損傷も発生しなかった。

また造型されたシェルモールドの表面状態も良好で、特
に光沢が良かった。

また１時間当りの成型数量は金型に比べ１．５倍であっ
た。

なお離型剤は乾式（溶剤タイプ）の変性タイプのシリコ
ンを使用した。

実施例 ２ 実施例１と同じく熱硬化性シェル鋳型造型用マスターモ
ールド材として見掛比重１．５０、密度比７０％の人造
黒鉛質黒鉛を用いてマスターモールドを製作した。

加工は実施例１と同じであるが、黒鉛表面の密度比の改
良として熱り塑性樹脂のポリスチレンをトリクロールエ
タンで溶して１５％重量比のポリスチレン溶液を作製し
て含浸液とし減圧下で含浸処理法で実施した。

なお真空タンクは真空度６０ｍｍＨｇで保持し１０時間
マスターモールドを沈漬した。

乾燥は常温で４時間、１５０℃で１時間実施した。

こうして得た黒鉛製マスターモールドを用いて実施例１
と同じく変性タイプのシリコン離型剤を塗布してフェノ
ール系シェルモールドを造型したが、２００回位で含浸
された樹脂結合部の荒れが発生した。

実施例 ３ 見掛比重１．６０、密度比７５係の人造黒鉛質黒鉛及び
天然質黒鉛を使って各々マスターモールドを製作した。

加工は実施例１と同じようにして実施し、黒鉛の圧粉体
の密度比及び表面の密度比の改良は、含浸法及び圧着処
理法の併用によった。

含浸剤としてはリン酸アルミニウム溶液を用い、真空度
６０ｍｍＨ９で１０時間沈漬した。

沈漬後低温にて予備乾燥後、実施例１で使用した表面処
理剤を圧着して４００℃にて１０時間の焼成を実施した
。

このようにして得うした各マスターモールドは、大巾に
密度の向上したものとなり、６００回のシェルモールド
造型後も全く表面の変化が見られなかった。

実施例 ４ 実施例１から３の方法と同じ方法で各々のマスターモー
ルドを製作し、常温硬化性造型方法であるコールド・ボ
ックス法について実験をした。

コールド・ボックス法はフェノール系レジンとイソシア
ネートを粘結剤としアミン系ガスにて常温転化させる方
法であるが、量産型としては金型を使用するので金型の
代用として黒鉛製マスターモールドの実験をした。

実施例１から３の何れのマスターモールドも３００回の
くり返し造型を試みたが表面の肌荒れは見られなかった
。

実施例２の樹脂を含浸したマスターモールドも常温硬化
性造型法の場合は十分に使用に供せられる事が判明した
。

以上実施例１から実施例４に記載したように黒鉛製マス
ターモールドを用いて熱硬化性、常温硬化性を間はず鋳
造用鋳型を造型する事が出来た。

なお最長ライフとしては実施例３に記載した中で人造黒
鉛質を使用したマスターモールドがくり返し使用８００
回にも十分耐えた。

従って黒鉛製マスターモールドは熱硬化性造型法におけ
る量産用には向かないが多種少量品生産用や、木型に代
る耐久性用として納期や価格の面で有利である事が判明
した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 黒鉛成型体が有する圧粉の密度比において、該黒鉛
   成型体の少くとも表面の密度比を高めるように、圧着、
   含浸等により表面処理を施した黒鉛マスターモールドを
   用いて鋳造用鋳型を製造する方法。