JP2011513071A - 一体型鋳造工具の複合鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結合領域の位置を最適化する。最後の材料を鋳込むにあたり、結合領域での温度条件を良好にコントロールする方法を提供する。また、結合領域の配置を容易にコントロールする方法を提供する。
【解決手段】鋼鉄からなる加工部材(１８)と、ねずみ鋳鉄の本体部材(１９)と、両者の間の結合領域とを有する工具の一体鋳造方法は、鋳造工程にわたり不変で閉じられたままの単一の鋳型（２）の中で行われる。最初に鋼鉄が底部から上方に向けて鋳造され、その後一時休止する。鋼鉄の所望の結合領域（８）の温度が、鋼鉄の液相線温度からマイナス約３０〜１５０℃に相当する温度まで低下した後に初めて、ねずみ鋳鉄の鋳造が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも第１部分と第２部分を含む一体型鋳造工具であって、前記第１部分は鋼鉄からなりかつ工具の加工部材を含み、前記第２部分はねずみ鋳鉄からなりかつ工具の本体部材を含むと共に、該鋼鉄と該ねずみ鋳鉄との間に結合領域が形成されている、一体型鋳造工具の複合鋳造方法に関する。

板状の金属を、例えば切断、穴あけ、曲げあるいは他の形状に加工するための工具を製造する場合、これまで長い間、工具の本体部材だけをねずみ鋳鉄で単独で鋳造することが行われてきた。鋳物製の本体部材は、しばしば熱処理が必要となり、次いで、必要な（取付）着座部、ガイドスタブシャフトのための穴、ボルト穴等を機械加工する。それにより、例えばその工具で加工処理を行うための鋼鉄製カッターといった加工部材を取り付けることができる。このような加工部材は鋼鉄製であり、その出発点はしばしば棒状の材料であり、これを正確な形状に機械加工し、ガイドスタブシャフト、固定ボルト等のための穴を開ける。次いでしばしば熱処理をしてさらに例えば研磨等の機械処理をする。

上記のような手順で工具を製造することは非常に時間と費用がかかり、これはしばしば異なる板状金属製品を製造するために必要な時間の大部分を占めることになる。

ＷＯ０３／０４１８９５には、２つの異なる材料からなる一体型複合鋳造工具とその製造方法が開示されている。

ＷＯ０３／０４１８９５

この文献によれば、２つの異なる材料は単一の同じ鋳型に流し込まれ、鋼鉄が工具の加工部材を形成し、ねずみ鋳鉄が工具の本体部材を形成する。２つの材料物質の間には結合領域が形成され、そこではある程度２つの材料物質が混じりあう。この先行技術では、結合領域の機械的強度が最適化されるような方法で結合領域を工具内に配置する可能性を示していないので、多くの問題が生じる。

結合領域に必要な品質を持たせるためには、最後に鋳込む材料を流し込む前に、最初に鋳込む材料の温度を注意深く精度よくコントロールする必要がある。しかし先行技術にはそのような可能性が示されていない。

また先行技術は、結合領域を工具製造用鋳型の中で適切な方法で位置決めないし配向する可能性を示していない。

本発明の目的は、冒頭に示す分野において、先行技術に固有の欠点を取り除くことである。特に本発明は、機械的強度という観点で、結合領域の位置を最適化する方法を提供することを目標とする。また本発明は、最後の材料を鋳込むにあたり、結合領域での温度条件を良好にコントロールする方法を提供することを目的とする。また本発明は、鋳型内において結合領域の配置ないし配向（orientation）を容易にコントロールする方法を提供することを目的とする。

この目的は、冒頭に記載したタイプの方法において、鋳造工程が、その鋳造工程全体にわたって変更されず、閉状態に維持される単一の鋳型の中で行われ、最初に鋼鉄が底部から上方に向かって鋳込みされ、そして鋼鉄の所望の(意図した)結合領域の温度が、鋼鉄の液相線温度から約マイナス３０〜１５０℃に相当する第１の温度まで低下したときにのみ、ねずみ鋳鉄の鋳込みが行われるという方法によって達成される。

本発明を以下の添付図面を参照しつつ、詳細に説明する。
本発明の一実施例に係る方法を実施するための鋳型の断面図である。 本発明の他の実施例に係る方法を実施するための鋳型の断面図である。 本発明の一実施例に係る方法を適用するための鋳型の詳細な断面図である。 本発明の一実施例に係る方法による鋳造工具を、鋳造プロセス時の位置の底部から斜め方向に見た斜視図である。 別な（鋳物の）図４に対応する斜視図である。 本発明[の一実施例]による鋳造工具の上部平面図[sic,側面図]である。

図１を参照すると、符号１は、本発明に係る方法を実施するための鋳型２を載置する基台である。基台１は、水平な床面であることが好ましい。そのような床面が利用できない場合は、同等な基盤等を上面が水平となるように基台の上に配置して、鋳型を水平な基台の上に載置するようにする。

鋳型は、内部に第１の模型部（model section、キャビティ形成部）４と第２の模型部５を含む鋳型枠３から構成される。この例では、第１の模型部４は工具の加工部材を鋼鉄で鋳造するための部分である。あらかじめ強調しておくが、工具はたいていの場合２個以上の加工部材を有しているため、鋳型も複数の第１の模型部４を有している。

第１の模型部４の上には、工具の本体部材をねずみ鋳鉄で鋳造するための部分である第２の模型部５が配置されている。第２の模型部には、従来技術のように、工具のねずみ鋳鉄製本体部材に空洞部６を形成するための中子部を配してもよい。さらに、鋳型枠３には、従来技術のように、突き固めて成形固化した鋳型砂７を充填している。

２つの模型部４、５には、互いに接する、あるいは接合するための平坦な接触面を有する。この接触面８は、第１の模型部４で鋳造される鋼鉄と、第２の模型部５で鋳造されるねずみ鋳鉄との間の境界領域に形成される結合領域の所望の（意図された）位置となる。接触面８は鋳型枠３の下端９と平行であり、そのため鋳型枠が水平な基台の上に配置された場合には、接触面８も水平となる。

図１に示す鋳型を製造するにあたっては、鋳型枠の上部１２を最初に取り外し、鋳型枠３を平坦で水平な基台の上に、その上端を下に向けて配置する。その後、全体の模型部即ち複数の第１の模型部４と１つの第２の模型部５を基台１に載置する。基台１の上には、鋳型枠３の上端部が載置されている。しかしこれは接触面８が第２の模型部５の上部面と平行であることが必要である。重要な特徴は、図１に示す鋳型枠の下端９と平行な鋳型の鋳造位置において、接触面８が水平であるということである。

第２の模型部５と第１の模型部（単数又は複数）４とを、同時に取り扱いやすくするように結合することが好ましい。

その後、鋳型枠３に適切な品質の鋳型砂を入れるが、第２の模型部５の周囲に入れる鋳型砂と第１の模型部４の周囲に入れる鋳型砂とは同じ品質である必要はない。鋳型枠３に鋳型砂を入れ、鋳型砂を突き固めて固化したのち、鋳型枠３をひっくり返して鋳込み位置とする。鋳型枠を配置している基台が水平であるので、接触面８も水平であることが担保される。そして上部（蓋部）１２が鋳型枠３の上に配置され、湯口１０、１１を形成して完成となる。

もしも第２の模型部５が、接触面８と平行な（図１に示すような）上部面を有していない場合、第２の模型部５は楔（くさび）ないし敷台を用いて、接触面８と上部面との平行でない傾きを補償し、鋳型枠３を水平な基台の上に配置した場合に、完成した鋳型２における接触面８が必ず水平になるようにしなければならない。

図１において、符号１０は上述のとおり第１の模型部４に鋳込まれる鋼鉄の湯口である。図１には示されていないが、この鋼鉄を鋳込むための湯口システム（注湯システム）は、少なくとも一部が第１の模型部４の下方まで延びており、鋼鉄を底部から上方の接触面８に向かって鋳込むようになっている。接触面８は、２つの異なる材料の間に設けられる結合領域の望ましい位置を示している。

ねずみ鋳鉄のための湯口システムの設計は従来技術によって可能である。鋳型枠３の上部方向を閉鎖して湯口システム部品を取り付けるため、鋳型砂７を含む鋳型枠３の上に上部蓋１２が配置されている。

図１で鋳型の全体型に含まれる２つの模型部４、５は、鋳造にあたり容易に破壊されるようになっており、例えば発泡スチロールでできている。従来技術のように、鋳造材の表面仕上げを良くするために、塗型剤を施す（blacking）こともできる。

図２は、本発明の他の実施例に係る鋳型２である。図中の符号は図１での符号と対応しているが、２つの模型部４、５の外形がまったく異なっていることがわかる。また、図２の実施例では、複数の第１の模型部４が設けられており、それらは湯口システム１０と直接接続されているか、または他の第１の模型部との通路（接続部）を介して間接的に接続されている。

図１，２から明らかなように、第１の模型部（単数又は複数）４に鋼鉄を鋳込むとき、模型部は発泡スチロールでできているので、溶融した鋼鉄で破壊される。しかしこれは第２の模型部５についても同様であり、少なくとも第１の模型部４の直上部がそうである。これは、鋼鉄の鋳込み後、第１の模型部４に向けて露出した鋳型砂の部分は、非常に強い熱放射にさらされ、鋳型砂の結合材を破壊する可能性がある。そのため、少なくともこのような熱放射にさらされる第２の模型部５の部分には、１以上の特別な塗型剤層を保護層として設けている。

鋳型２が図１、２のような形状かどうかにかかわらず、鋼鉄は最初に１５５０℃程度の温度で鋳込まれる。鋼鉄の鋳込みが完了し、鋼鉄の上面が接触面８のレベルに達すると、鋳込みプロセスは休止され、鋼鉄は放冷される。この際、接触面８の領域の鋼鉄が最も遅く冷却されるように、第１の模型部は、接触面８から離れるにしたがって、（図１，２の）下側に向けていくぶんテーパ(先細り)している。その結果、方向性のある冷却が起こり、第１の模型部４の低い部分が先に冷却され、接触面８が最も遅く冷却される。

接触面８においては、第１と第２の模型部４、５はそれぞれ、その長さ全体（図１，２において左から右に向かう長さ方向）にわたって均一な厚さを有している。「均一な厚さ」ということは、模型部が互いに接しあう接触面８の全体にわたって温度分布が均一であるということであり、これは結合領域の良好な品質のために重要な前提条件である。現実的には、２つの模型部の接触面近傍にある部分１６，１７は、コンピュータシミュレーションにより、接触面８において達成できる限り均一な温度分布となるように模型部底部に鋼鉄が鋳込みされる。同様に、第１の模型部４の接触面８における鋼鉄の温度が、選択された鋼鉄の液相線温度からマイナス約３０〜１５０℃に相当する第１の温度（それはしばしば１４４０〜１３２０℃の範囲となる）になるまでの時間が、コンピュータシミュレーションにより計算される。

鋳造工程におけるこの一時休止時間あるいは保持時間は、１分〜数分であるが、第１の模型部４（単数又は複数）の大きさにより、１５〜２０分となる場合もある。

ねずみ鋳鉄の鋳込みは、計算された時間が経過してねずみ鋳鉄の液相線温度プラス約１００〜１５０℃に相当する第２の温度（これはしばしば１３２０℃程度である）に達した後に行われる。

結合領域において、もしもねずみ鋳鉄の鋳込みが第１の温度より高く、即ち例示した上限温度範囲である約１４４０〜１３２０℃かそれ以上の温度で行われた場合、拡散プロセスとともに、２つの材料のある程度の相互混合（intermixing）が発生し、互いに一部の材料が他方へ移動しあう。一方、もしも鋳込み温度が例示した第１の温度よりも低かった場合、即ち例示の下限温度範囲かそれより低かった場合でも、拡散プロセスはやはり発生する。それは結合領域では２つの材料が、いくぶん相互混合が生じることを意味し、その厚さは少なくとも１ｍｍ程度であり、好ましくは僅かにそれ以上、おそらく２．５〜３．０ｍｍ程度まで達するであろう。

実際に強度試験を行った結果、引張試験あるいは曲げ試験においても、破壊は結合領域自体では発生せず、常にねずみ鋳鉄部分において発生した。

上述のとおり、接触面８、即ち結合領域の垂直方向における理論的位置は、水平である。結合領域は、溶融した鋼鉄の上部自由表面であるので、平面的でかつ水平であることが容易に了解される。

鋳型２に鋳込むべき溶融鋼鉄の量を正確に計算することは多かれ少なかれ困難である。そのため、鋳型には生じうる過剰の鋼鉄が流れ込むように１以上の調整（受容）スペース１３が設けられている。これにより、鋳込む鋼鉄の液面が常に接触面８となるようにしている。図３は、このような調整スペースが設けられた鋳型部分の断面図を示す。調整スペース１３は、接触面８領域において鋳型の鋳型キャビティにダクト１４を介して接続されている。ダクト１４には、接触面８のレベル以上の鋼鉄を排出するための下部壁１５を有する。ダクト１４の断面積は、鋼鉄の湯口システムの総断面積よりも、好ましくは１．５倍以上、大きい。図３から明らかなように、下部壁１５は、接触面８から調整スペース１３に向かって下向きに傾斜している。

模型部４の形状、サイズ及び数により、複数の異なる調整スペース１３が用いられうる。そのような場合、１つの調整スペース１３が直接又は間接的に、ダクトを通じて２以上の第１の模型部４に接続されうる。しかし逆もまた可能である。

結合領域を正確な形状、即ちその全長にわたって均一な幅、にするために、第１の模型部４には、均一な厚さの壁ないし突起を形成する上部領域１６を有する。これは鋳型２において垂直上方に延在して第２の模型部５にまで達している。これに対応して、第２の模型部５には、均一な厚さを有する壁ないし突起１７が第１の模型部４に向けて下方に延在している。結合領域は、その領域即ち接触面８の部分が一定の断面積を有するこれら双方の壁部分１６,１７の間に配置されている。さらに、上部壁部分１７の下端表面（図１、２）は、下部壁部分１６の上端表面と接しており、さらにこれらの端部表面は、実質的に寸法と形状が一致している。

図４（鋳造時の方向とは逆向きである）は本発明の一実施例に係る鋳造工具の斜視図であり、明らかなように第１の模型部４で鋳造された鋼鉄部分１８と、第２の模型部５で鋳造されたねずみ鋳鉄部分１９とがある。図には、調整スペース１３と、それと第１の模型部４（鋼鉄部分１８）とを接続する２つのダクト１４が見える。

鋳型中に配置された調整スペース１３に流れ込んだ鋼鉄は、工具を鋳造する工程を進めるうちに、次第に除去される。

図５（鋳造時の方向とは逆向きである）は本発明の他の実施例に係る鋳造工具の斜視図である。ねずみ鋳鉄部分１９には、鋼鉄部分１８の方向に向けて上方に延在する壁１７があり、その厚さは全長（全体）にわたって均一であることがよくわかる。対応して、鋼鉄部分１８には、ねずみ鋳鉄部分１９に向かって延在する壁１６があり、壁１７と同じサイズと範囲を有することが明らかである。

図６は、本発明に係る複合鋳造工具のさらなる実施例であり、鋳型で鋳造するときの配置方向と同じ配置方向で見た図である。接触面８、即ち完成した工具の結合領域は水平であることがよくわかる。ねずみ鋳鉄部分１９には、下方に向いた壁１７があり、鋼鉄部分１８にはそれに対応する上方に向いた壁１６があることが図からよくわかる。またこの実施例では、鋼鉄部分にいくつかの切断刃２０がある。

上述のとおり、鋼鉄は第１の部材として、ねずみ鋳鉄を鋳込む前に、下部（ないし底部）から上方へ鋳込まれる。模型部４、５は発泡スチロール製であるので、鋼鉄を鋳込む間に破壊され蒸発して燃焼する。これにより大量のガスが発生し、ねずみ鋳鉄用湯口１１の内部で制御不能でかつ急速なガス放出とガス燃焼が発生することを意味する。鋼鉄の鋳造プロセスをより良く制御するためと、そして何より作業環境を健全に保つために、鋼鉄を鋳込む間にはねずみ鋳鉄用湯口１１を閉鎖しておく。したがって発生したガスは、他のルート、例えば換気システムあるいは単純に鋳型砂の隙間を通って放出される。

１ 基台
２ 鋳型
３ 鋳型枠
４ 第１の模型部
５ 第２の模型部
６ 空洞部
７ 鋳型砂
８ 接触面
９ 鋳型枠の下端
１０ 湯口システム
１１ 湯口システム
１２ 鋳型枠上部
１３ 調整スペース
１４ ダクト
１５ 下壁
１６ 壁ないし突起
１７ 壁ないし突起
１８ 鋼鉄部分
１９ ねずみ鋳鉄部分
２０ 切断刃

Claims (12)

1. 少なくとも第１部分(１８)と第２部分(１９)を含む一体型鋳造工具であって、前記第１部分（１８）は鋼鉄からなりかつ工具の加工部材を含み、前記第２部分（１９）はねずみ鋳鉄からなりかつ工具の本体部材を含むと共に、該鋼鉄と該ねずみ鋳鉄との間に結合領域（８）が形成されている、一体型鋳造工具の複合鋳造方法であって、
   該鋳造工程は、全鋳造工程にわたり不変で閉状態に維持される単一の鋳型（２）の中で行われ、
   最初に鋼鉄が底部から上方に向けて鋳込みされ、
   該鋼鉄の鋳込後に一時休止工程が挿入され、そして
   該鋼鉄の所望の該結合領域（８）の温度が、鋼鉄の液相線温度からマイナス約３０〜１５０℃に相当する第１温度まで低下した後に初めてねずみ鋳鉄の鋳込みが行われる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記ねずみ鋳鉄は、ねずみ鋳鉄の液相線温度からプラス１００〜１５０℃に相当する第２温度で鋳込みされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 鋼鉄の鋳込み完了からねずみ鋳鉄の鋳込みまでの時間がコンピュータシミュレーションによって決定され、該時間は前記所望の結合領域における温度分布が最大限に均一となること、及び第１の温度における該結合領域のシミュレートされた温度が最大限に調和すること、という観点において最適化されたものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記結合領域は、鋳込み中に垂直方向に延在して形成される、均一な厚さの壁ないし多角柱（１６、１７）として配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の方法。
5. 前記結合領域の垂直方向位置は、所定の間隔内に保たれていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 過剰な量の鋼鉄は前記結合領域（８）のレベルであふれ出し、前記鋳型内にそのために形成された調整受容スペース（１３）に流れ込むようにしたことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１部分（１８）の形成は、最も遅く冷却されるべき鋼鉄部分が前記結合領域(８)に位置するようにコンピュータシミュレーションにより最適化されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の方法。
8. 前記鋳型（２）の使用時の配置において、少なくとも一部が前記第１部分（１８）の下部に配置されている湯口システム（１０）を介して、前記鋼鉄が鋳込まれることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の方法。
9. 前記鋳型(２)の形成にあたり、前記所望の結合領域（８）が該鋳型の下面（９）と実質的に平行に配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の方法。
10. 前記鋳型（２）は、実質的に水平の基台（１）の上に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. ねずみ鋳鉄用湯口システム（１１）は、鋼鉄の鋳込み中及び前記一時休止工程中は閉止されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一に記載の方法によって製造された鋳造工具。

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