生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法
【課題】生砂鋳型を採用しつつも、生砂鋳型の体積が少なくて済み、生砂鋳型の使用する生砂の使用量が少なくて済み、よって生砂を混練させる混練コストが低減される生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法を提供する。
【解決手段】生砂鋳型装置は、無機粘結剤を含む生砂を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティ２０ｄ，２０ｕを有する生砂鋳型２ｄ，２ｕと、生砂鋳型２ｄ，２ｕを収容する鋳枠３ｄ，３ｕと、鋳枠３ｄ，３ｕ内の空間のうち生砂鋳型２ｄ，２ｕの表面に背向する背向面２０２側の空間部分に配置され鋳枠３ｄ，３ｕ内の生砂鋳型２ｄ，２ｕの背向面２０２側をバックアップするバックアップ材４ｄ，４ｕとを有する。
【解決手段】生砂鋳型装置は、無機粘結剤を含む生砂を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティ２０ｄ，２０ｕを有する生砂鋳型２ｄ，２ｕと、生砂鋳型２ｄ，２ｕを収容する鋳枠３ｄ，３ｕと、鋳枠３ｄ，３ｕ内の空間のうち生砂鋳型２ｄ，２ｕの表面に背向する背向面２０２側の空間部分に配置され鋳枠３ｄ，３ｕ内の生砂鋳型２ｄ，２ｕの背向面２０２側をバックアップするバックアップ材４ｄ，４ｕとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機粘結剤を含む生砂を基材とする生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自硬性またはガス硬化性の高い硬化性鋳型（ＣＯ２鋳型またはフラン鋳型）で第１層を形成し、その裏打ちとしての第２層を生砂鋳型で形成する砂型造形方法が知られている（特許文献１）。第２層は、生砂をインペラで第１層の背向面側に投射させることにより形成されている。生砂はベントナイト（無機粘結剤）を含む。
【特許文献１】特開平２−１５５５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した硬化性鋳型はＣＯ２鋳型またはフラン鋳型で形成されている。ＣＯ２削減が叫ばれている近年、ＣＯ２は避けることが好ましい。また環境対策上、フラン樹脂を用いるフラン鋳型も避けることが好ましい。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、生砂鋳型を採用しつつも、生砂鋳型の体積が少なくて済み、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済み、よって生砂を混練させる混練コストが低減される生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）様相１に係る生砂鋳型装置は、（ｉ）無機粘結剤を含む生砂の集合体を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティを有する生砂鋳型と、（ｉｉ）前記生砂鋳型を収容する鋳枠と、（ｉｉｉ）前記鋳枠内の空間のうち前記生砂鋳型の前記表面に背向する背向面側の空間部分に配置され前記鋳枠内の前記生砂鋳型の前記背向面側をバックアップすると共に、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを具備することを特徴とする。
【０００６】
生砂は無機粘結剤および水分を含む砂である。無機粘結剤はベントナイト（モンモリロナイト族の粘土）、木節粘土、耐火粘土（カオリナイト）が代表的なものである。本発明によれば、鋳枠内に配置される生砂鋳型のうち背向面側はバックアップ材でバックアップされて補強されている。このため生砂鋳型の肉厚が薄くでき、その体積が少なくて済むため、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済む。よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。
【０００７】
（２）様相２に係る生砂鋳型造型方法は、（ｉ）無機粘結剤を含む生砂と、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを準備する工程と、（ｉｉ）鋳造キャビティを形成するための模型を前記鋳枠内に配置した状態で、前記生砂の集合体を前記鋳枠の空間内に装填する装填工程と、（ｉｉｉ）その後、前記模型と前記生砂の集合体とを対面させた状態で、前記模型に背向する側から前記鋳枠内の前記生砂の集合体を加圧体で加圧して圧縮させることにより、前記鋳枠内に前記生砂鋳型を造型する造型工程と、（ｉｖ）その後、前記鋳枠内において生砂鋳型のうち前記模型に背向する側に、前記バックアップ材を装入することにより、前記生砂鋳型のうち前記模型または前記鋳造キャビティと背向する側を補強する補強工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
生砂は無機粘結剤および水分を含む砂である。無機粘結剤はベントナイト（モンモリロナイト族の粘土）、木節粘土、耐火粘土（カオリナイト）が代表的なものである。本発明によれば、補強工程により、鋳枠内に配置される生砂鋳型のうち背向面側はバックアップ材でバックアップされて補強されている。このため生砂鋳型の肉厚が薄くでき、その体積が少なくて済むため、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済む。よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。
【０００９】
本発明によれば、次の好適態様が挙げられる。
【００１０】
・バックアップ材は粒子の集合体とすることができる。粒子としては、砂粒子、廃砂の粒子、セラミックス粒子、金属球等が挙げられる。
【００１１】
・生砂は有機系粘結剤（フラン樹脂等）を含有しない方が好ましいが、場合によっては、含有していても良い。好ましくは、バックアップ材は、無機粘結剤を含まないか、あるいは、含むとしても生砂鋳型における無機粘結剤の配合比の１／５以下または１／１０以下である。このバックアップ材は、生砂に比較して高い流動性をもつため、鋳枠内に装填するとき装填効率を高めることができる。
【００１２】
・好ましくは、バックアップ材は粒子の集合体であり、水を粘結剤として含む。水は粘結剤として作用して、バックアップ材の粒子同士の結合性を高めることができる。このため生砂鋳型に対するバックアップ性を高めることができる。水分は、有害排出物を過剰に排出させないため、有機系粘結剤に比較して環境面において好ましい。
【００１３】
・好ましくは、バックアップ材の粒子の粒径は、生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも大きい。この場合、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。場合によっては、バックアップ材の粒子の粒径は、生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも小さくできる。この場合、バックアップ材の装填密度が高まり、生砂鋳型に対するバックアップ性が高まる。粒径は平均粒径としても良い。平均粒径はメディアン径でも単純平均径でも良い、なお、粒径は、光学顕微鏡または拡大鏡で測定できる。
【００１４】
・好ましくは、生砂鋳型の肉厚は、注湯時に溶湯の熱で無機粘結剤が損傷（焼死）する分とすることができる。この場合、生砂鋳型の肉厚は薄くされる。
【００１５】
・注湯時に溶湯圧等により生砂鋳型では亀裂が発生し、進展することが多い。この場合、鋳鉄の寸法精度が低下するおそれがある。そこで、好ましくは、生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を生砂鋳型の内部に形成する肉厚に設定されている。凝縮水層は水分が豊富であるため、生砂鋳型において発生した亀裂のそれ以上の進展を抑えるという作用を有する。このため生砂鋳型の内部に凝縮水層が形成されるように、生砂鋳型の肉厚を設定しておけば、生砂鋳型において亀裂が仮に発生したとしても、亀裂の進展を抑制させる効果を期待できる。
【００１６】
場合によっては、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を生砂鋳型の内部に形成しないでバックアップ材の内部に形成するように、生砂鋳型の肉厚を設定しておくこともできる。
【００１７】
・好ましくは、加圧体は、互いに独立して駆動可能な複数個の分割加圧体に分割されている。この場合、生砂鋳型の領域に応じて、加圧体の位置および／またはストロークを可変にでき、加圧代を調整でき、ひいては鋳型強度を調整できる。
【００１８】
・好ましくは、バックアップ材の水分量は、鋳鉄の組織および／または黒鉛に応じて調整されている。バックアップ材の水分量の調整により、溶湯および鋳鉄の冷却速度を調整でき、鋳鉄組織および／または黒鉛を調整することができる。バックアップ材の水分量を調整しても、生砂鋳型の強度それ自体にはあまり影響を与えないため、生砂鋳型の強度が維持される。水を含まないバックアップ材を１００質量部とするとき、水は例えば、０〜２０質量部の範囲、０〜１０質量部の範囲で調整できる。但しこれに限定されるものではない。
【００１９】
・好ましくは、補強工程では、生砂鋳型および模型が対面している状態で、バックアップ材に加圧力および／または振動を加えてバックアップ材の装填率を高めることができる。この場合、生砂鋳型に対するバックアップ性を高めることができる。
【００２０】
・場合によっては、生砂は例えば熱硬化性樹脂を含有することができる。この場合、好ましくは、造形工程は、鋳枠内の生砂の集合体を加圧して圧縮させる加圧操作と、マイクロ波を生砂の集合体に照射させて熱硬化性樹脂を熱硬化させる照射操作により実施される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、鋳枠内の生砂鋳型の背向面側をバックアップ材でバックアップすることにしている。このため生砂鋳型の肉厚を薄くでき、その体積が少なくて済み、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済み、よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材の粒子間の結合性が低く、バックアップ材のガス透過性が良好である。このため、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性を高めることができ、鋳鉄のガス欠陥を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施形態１）
本発明を具体化した実施形態１について図１〜図７を参照しつつ説明する。先ず、下側生砂鋳型装置１ｄの造型について説明する。まず、下側鋳造キャビティを形成し得る下側模型５ｄを用意する。下側模型５ｄは、金属または硬質樹脂で形成された四角枠形状をなす下側鋳枠３ｄの第１開口３０１を覆う下側定盤５０ｄと、下側定盤５０ｄに保持された下側模型部５１ｄとを有する。下側模型部５１ｄの型面５３ｄは、下側鋳造キャビティ２０ｄとなる形状を有する。
【００２３】
図１に示すように、下側模型５ｄの下側定盤５０ｄで下側鋳枠３ｄの第１開口３０１を覆いつつ、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を下側鋳枠３ｄの空間内に装入する。これにより所要量の生砂７の集合体７０を下側鋳枠３ｄの空間内に配置する。この結果、下側鋳枠３ｄ内において、下側模型５ｄの型面５３ｄと生砂７の集合体７０とを対面させる。この状態で、下側加圧体モード操作部を生砂７の集合体７０の上側に配置する。
【００２４】
生砂７は、水分および無機粘結剤（ベントナイト）を含むと共に、調整剤を含む。調整剤としては炭素質（石炭粉砂）および澱粉が挙げられる。生砂７の砂粒子を１００質量部とするとき、水分は２〜５質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は６〜１０質量部の配合比とすることができる。但し、これに限定されるものではない。
【００２５】
下側加圧体６ｄは、下側鋳枠３ｄの第２開口３０２に嵌合可能な下側ピストン６０ｄと、下側ピストン６０ｄを前進後退させるロッド６１ｄをもつ油圧または空圧式の下側シリンダ部６２ｄ（下側駆動源）とで形成されている。下側シリンダ部６２ｄを駆動させてロッド６１ｄを伸張させ、下側ピストン６０ｄを前進方向（矢印Ｙ１方向，下方）に前進させ、生砂７の集合体７０を加圧して肉厚方向に圧縮させる。これにより下側生砂鋳型２ｄ（図２参照）を形成する。
【００２６】
その後、下側シリンダ部６２ｄを逆方向に駆動させてロッド６１ｄを収縮させ、下側ピストン６０ｄを後退方向（矢印Ｙ２方向，上方）に後退させ、下側ピストン６０ｄを下側鋳枠３ｄから離脱させる。
【００２７】
その後、下側鋳枠３ｄ内において下側生砂鋳型２ｄのうち下側模型５ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）に背向する側に、下側バックアップ砂４ｄ（バックアップ材）の集合体を装入する。この場合、重力により下側バックアップ砂４ｄを落下させて装入しても良いし、あるいは、インペラーによる遠心力で、下側バックアップ砂４ｄを投射させて装入しても良い。あるいは、下側鋳枠３ｄに適宜振動を加えても良い。
【００２８】
これにより下側生砂鋳型２ｄのうち下側模型５ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）と背向する側を、下側バックアップ砂４ｄで補強する（図２参照）。下側バックアップ砂４ｄは、無機粘結剤が含有されていないか、或いは、無機粘結剤の配合比が生砂７よりも少ない砂粒子であるため、高い流動性および高い装填性をもつ。ここで、下側バックアップ砂４ｄの砂粒子を１００質量部とするとき、水分は１〜３質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は０〜１質量部の配合比とすることができる。但しこれに限定されるものではない。更に、下側鋳枠３ｄには支持定盤２５ｄが載せられる。支持定盤２５ｄは、下側バックアップ砂４ｄに対して錘として機能することができ、バックアップ性を更に高めることができる。
【００２９】
図２は、製造された下側生砂鋳型装置１ｄを示す。図２に示すように、下側生砂鋳型装置１ｄは、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を加圧して形成された下側生砂鋳型２ｄと、下側生砂鋳型２ｄを収容する下側鋳枠３ｄと、下側鋳枠３ｄ内に装填された下側バックアップ砂４ｄとを有する。下側生砂鋳型２ｄの表面２０１には下側模型部５１ｄが配置されている。下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２は、下側模型部５１ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）に背向している。
【００３０】
下側バックアップ砂４ｄは、下側鋳枠３ｄ内の空間において、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側の空間部分に配置されており、下側鋳枠３ｄ内の下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側をバックアップして補強している。更に、錘としても機能できる支持定盤２５ｄが下側バックアップ砂４ｄに着脱可能に載せられおり、補強性を高めている。なお、適当な時期に、下側模型部５１ｄは下側生砂鋳型２ｄから離型されるため、下側模型部５１ｄが占めていた空間が下側鋳造キャビティ２０ｄ（図４参照）として下側生砂鋳型装置１ｄに形成される。ここで、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２は、下側バックアップ砂４ｄでバックアップされて補強されている。このため下側生砂鋳型２ｄの肉厚および体積が少なくて済むため、下側生砂鋳型２ｄが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。なお、下側バックアップ砂４ｄの層の最小肉厚はｐｄで示される。
【００３１】
次に、図３を参照しつつ上側生砂鋳型装置１ｕについて説明する。上側生砂鋳型装置１ｕは基本的には下側生砂鋳型装置１ｄと同様な手順で製造される。製造された上側生砂鋳型装置１ｕは、下側生砂鋳型装置１ｄと基本的には同じ構造であり、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を加圧して形成された上側生砂鋳型２ｕと、上側生砂鋳型２ｕを収容する四角枠形状をなす上側鋳枠３ｕと、上側鋳枠３ｕ内に装填された上側バックアップ砂４ｕ（バックアップ材）とを有する。図３に示すように、上側模型５ｕは、上側定盤５０ｕと上側模型部５１ｕとを有する。
【００３２】
上側生砂鋳型２ｕの表面２０１には上側模型部５１ｕが配置されている。上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２は、上側模型部５１ｕに背向している。
【００３３】
上側バックアップ砂４ｕは、上側鋳枠３ｕにおいて、上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側の空間部分に配置されており、上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側をバックアップして補強している。このように上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側は、上側バックアップ砂４ｕでバックアップされて補強されている。このため上側生砂鋳型２ｕの肉厚および体積が少なくて済むため、上側生砂鋳型２ｕが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。上側バックアップ砂４ｕに錘としても機能できる支持定盤２５ｕが載せられ、バックアップ性を更に高めている。ここで、上側バックアップ砂４ｕの砂粒子を１００質量部とするとき、水分は１〜３質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は０〜１質量部の配合比とすることができる。但し、これに限定されるものではない。
【００３４】
なお、適当な時期に、上側模型５ｕは上側生砂鋳型２ｕから離型され、上側鋳造キャビティ２０ｕ（図４参照）が得られる。なお、上側模型５ｕは上側定盤５０ｕと上側模型部５１ｕとで形成されている。上側バックアップ砂４ｕの層の最小肉厚はｐｕで示される。
【００３５】
図４に示すように、上側生砂鋳型装置１ｕが上側に、且つ、下側生砂鋳型装置１ｄが下側に組み付けられ、生砂鋳型装置１が形成される。この場合、下側生砂鋳型装置１ｄが上下反転される。上下反転時において、重力による下側バックアップ砂４ｄの落下は、支持定盤２５ｄにより抑えられる。
【００３６】
上側鋳造キャビティ２０ｕおよび下側鋳造キャビティ２０ｄが一体化されて鋳造キャビティ２０が形成されている。図５に示すように、鋳鉄の溶湯Ｍが鋳造キャビティ２０に注湯され、溶湯Ｍが凝固すれば、鋳鉄Ｍ１が形成される。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが粘結剤を基本的には含まないか、含んだとしても少ない。更に水分も生砂７よりも少ない。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕのガス透過性は高められている。故に、注湯時において、鋳造キャビティ２０のガスを放出させるガス抜け性が高められており、鋳鉄Ｍ１のガス欠陥の低減に貢献できる。更に、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子のサイズが生砂７の砂粒子のサイズよりも大きいときには、ガス透過性は一層高められる。
【００３７】
また、型ばらし工程において、鋳鉄Ｍ１を取り出すにあたり、図６に示すように、上側生砂鋳型装置１ｕを上下反転させることが好ましい。この場合、上側バックアップ砂４ｕは、焼き付いていない限り、重力により矢印Ｄ１方向に下降して除去される。更に図７に示すように、下側生砂鋳型装置１ｄの支持定盤２５ｄを取り外せば、下側バックアップ砂４ｄは、焼き付いていない限り、重力により矢印Ｄ２方向に下降して除去される。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが粘結剤を基本的には含まないか、含んだとしても少ない。このため、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕは、離型時において高い崩壊性および流動性をもち、型ばらし工程が容易となる。殊に、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕは水分量が少なく、乾燥状態である場合には、高い崩壊性および流動性が得られ、型ばらし工程が一層容易となる。
【００３８】
また、型ばらし工程において、下側生砂鋳型２ｄを下側バックアップ砂４ｄと共に崩壊させるときであっても、下側生砂鋳型２ｄは塊状化しているものの、下側バックアップ砂４ｄは高い流動性をもつため、振動を作用させれば、両者の分離は容易となる。上側生砂鋳型２ｕについても同様である。
【００３９】
以上説明したように本実施形態によれば、下側鋳枠３ｄ内に配置される下側生砂鋳型２ｄの肉厚は薄いものの、下側生砂鋳型２ｄは下側鋳枠３ｄ内において下側バックアップ砂４ｄでバックアップされて補強されている。このため下側生砂鋳型２ｄの体積が少なくて済むため、下側生砂鋳型２ｄが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。同様に、上側鋳枠３ｕ内に配置される上側生砂鋳型２ｕの肉厚は薄いものの、上側生砂鋳型２ｕは上側鋳枠３ｕ内において上側バックアップ砂４ｕでバックアップされて補強されている。このため上側生砂鋳型２ｕの体積が少なくて済むため、上側生砂鋳型２ｕが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。高温の溶湯Ｍの熱影響を受けた生砂７を再生化させる再生処理も低減させる。
【００４０】
本実施形態によれば、下側生砂鋳型２ｄを造型するとき、生砂７を加圧させるのは、肉厚が薄くされた下側生砂鋳型２ｄに相当する部分である。よって従来技術よりも加圧効率を高くできる。同様に、上側生砂鋳型２ｕを造型するとき、生砂７を加圧させるのは、肉厚が薄くされた上側生砂鋳型２ｕに相当する部分である。よって従来技術よりも加圧効率を高くできる。このため、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの加圧強度を高めることができ、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの密度を高めることができ、更には、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの寸法精度、鋳肌を改善させることができる。
【００４１】
鋳造キャビティ２０に溶湯を注湯したとき、溶湯圧で下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕが互いに離間する方向に変位しようする。この場合、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが変位に対して抵抗体として働くため、上記した変位は抑制され、鋳鉄の寸法精度が良好に維持される。
【００４２】
本実施形態によれば、上側バックアップ砂４ｕの最小肉厚ｐｕ（図３参照），下側バックアップ砂４ｄの最小肉厚ｐｄ（図２参照）を大きくすれば、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄの使用量が増加し、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度（冷却時におけるＡ１変態点通過温度）を遅くすることを期待できる。また、最小肉厚ｐｕ，ｐｄを薄くすれば、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄの使用量が減少し、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度を促進できる。なお、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄは乾燥状態とすることができる。
【００４３】
上記したように肉厚ｐｕ，肉厚ｐｄを調整すれば、鋳鉄Ｍ１の金属組織（フェライト率，パーライト率）および黒鉛形態（黒鉛粒数，黒鉛サイズ）を調整することができる。なお、鋳造キャビティ２０内の溶湯Ｍおよび鋳鉄Ｍ１の冷却速度（冷却時におけるＡ１変態点通過温度）が速いときには、フェライト率を減少させ，パーライト率を増加させる。更に、黒鉛粒数を増加させ、黒鉛サイズを小さくできる。これに対して溶湯Ｍおよび鋳鉄Ｍ１の冷却速度が遅いときには、フェライト率を増加させ，パーライト率を減少させる。更に、黒鉛粒数を減少させ、黒鉛サイズを大きくできる。
【００４４】
（実施形態２）
図８は、生砂温度と有効粘結剤残存率との関係を表す試験結果を示す。有効粘結剤残存率とは、注湯後において有効な無機粘結剤が残存している割合を意味する。図８から理解できるように、有効粘結剤残存率を高めるためには、生砂温度を５００℃以下、殊に４００℃以下に維持することが好ましい。図９は、注湯開始時からの経過時間と鋳型砂温度との関係を表す試験結果を示す。溶湯接触面からの距離が５ミリメートル、１０ミリメートル、２０ミリメートル、４０ミリメートルの場合について、鋳型砂温度を測定した。図９に示すように、経過時間に伴い鋳型砂温度は次第に上昇する。溶湯接触面からの距離が短い程、鋳型砂温度の昇温速度は速い。溶湯接触面からの距離が４０ミリメートルであれば、当該距離の鋳型砂温度の昇温は１００℃程度に抑えられる。
【００４５】
ところで、注湯前において上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄは、水分を有する。このため鋳造キャビティ２０に溶湯が注湯されると、上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄに含まれている水分は、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の熱により水蒸気化し、水蒸気は鋳造キャビティ２０内の鋳鉄と反対側に蒸散しようとする。ここで、鋳型砂温度が１００℃を超えると、水分は水蒸気化すると考えられる。鋳型砂温度が１００℃付近であれば、気化した水蒸気が凝縮して水を形成し、凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄの内部に形成させる。ここで、上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄでは溶湯圧等により注湯時に亀裂が発生し、進展することがある。亀裂が大きく進展すると、鋳鉄の寸法精度が低下するおそれがある。
【００４６】
そこで本実施形態によれば、図１０に模式的に示すように、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕは、注湯時に発生する凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕの内部に形成できる肉厚に設定されている。同様に下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、注湯時に発生する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部に形成できる肉厚に設定されている。
【００４７】
従って、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕに亀裂が発生したとしても、上記した凝縮水層２００は、豊富な水分をもち鋳型剛性が低いため、亀裂のそれ以上の進展を抑えるという作用を有する。このため下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕが凝縮水層２００を含み得る肉厚に設定されていれば、亀裂が発生したとしても、亀裂の進展を抑制させる効果が得られる。ここで凝縮水層２００が形成されるのは、鋳型砂温度が９０〜１００℃の範囲と推定される。従って、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕ、下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、１０〜４０ミリメートル程度が好ましい。但しこれに限定されるものではない。この程度の肉厚であれば、亀裂進展を抑制できる効果を有する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部および上側生砂鋳型２ｕの内部に形成できる。なお下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕを構成する砂粒子の粒径は、ガス放出性を高めるため、生砂７を構成する砂粒子の粒径よりも大きいことが好ましい。
【００４８】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および作用効果を有する。但し、実施形態２とは異なり、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕは、注湯時に発生する凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕの内部に形成しないようなサイズに設定されている。同様に、下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、注湯時に発生する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部に形成しないようなサイズに設定されている。前記した凝縮水層は上側バックアップ砂４ｕ，下側バックアップ砂４ｄの内部に形成されることになる。注湯時において、上側バックアップ砂４ｕの水分含有量は少なく、上側バックアップ砂４ｕを１００質量部とすると、水は２質量部以下、好ましくは１質量部以下とされている。このように上側バックアップ砂４ｕは乾燥している。下側バックアップ砂４ｄも同様である。このように乾燥度が高い上側バックアップ砂４ｕおよび下側バックアップ砂４ｄは、高いガス放出性を確保するばかりか、亀裂の進展を抑制させる作用を有する。
【００４９】
（実施形態４）
図１１および図１２は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、実施形態１と異なる部分を中心として説明する。図１１は、生砂７の集合体７０に対面する下側加圧体６ｄを示す。下側加圧体６ｄは、互いに独立駆動できる複数の下側分割加圧体６００ｄで形成されている。図１１に示すように、下側分割加圧体６００ｄのそれぞれは、下側ピストン６０ｄと、下側ピストン６０ｄをロッド６１ｄを介して前進後退させる油圧または空圧式の下側シリンダ部６２ｄ（駆動源）とで形成されている。各下側分割加圧体６００ｄは、互いに独立して駆動できるため、生砂７の集合体７０を領域毎に圧縮させることができる。従って、下側生砂鋳型２ｄのうち、強度が特に要請される領域については、下側分割駆動体６００ｄの下側ピストン６０ｄの移動ストロークを大きくすれば良い。
【００５０】
これに対して、強度があまり要請されない領域については、下側分割駆動体６００ｄの下側ピストン６０ｄの移動ストロークを小さくすれば良い。ここで、各下側シリンダ部６２ｄは、共通基部６２０ｄに保持されているため、共通基部６２０ｄが下側鋳枠３ｄに対して接近すれば、各下側シリンダ部６２ｄは各下側ピストン６０ｄと共に下側鋳枠３ｄに対して接近できる。
【００５１】
図１２は、生砂７の集合体７０に対面する上側加圧体６ｕを示す。上側加圧体６ｕは、互いに独立駆動できる複数の上側分割加圧体６００ｕで形成されている。上側分割加圧体６００ｕのそれぞれは、上側ピストン６０ｕと、上側ピストン６０ｕをロッド６１ｕを介して前進後退させる油圧または空圧式の上側シリンダ部６２ｕ（駆動源）とで形成されている。各上側分割加圧体６００ｕは、互いに独立して駆動できるため、生砂７の集合体７０を個別に圧縮させることができる。従って、上側生砂鋳型２ｕのうち、強度が特に要請される領域については、上側ピストン６０ｕの移動ストロークを大きくすれば良い。
【００５２】
これに対して、強度があまり要請されない領域については、上側ピストン６０ｕの移動ストロークを小さくすれば良い。ここで、各上側シリンダ部６２ｕは、共通基部６２０ｕに保持されているため、共通基部６２０ｕが上側鋳枠３ｕに対して接近すれば、各上側シリンダ部６２ｕは各上側ピストン６０ｕと共に上側鋳枠３ｕに対して接近できる。
【００５３】
（実施形態５）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用する。以下、実施形態１〜４と異なる部分を中心として説明する。図１３は、鋳造キャビティ２０に溶湯を注湯して凝固させ更に冷却させる過程の温度変化を示す。図１３に示すように、注湯後の鋳鉄の温度は次第に低下していく。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整すれば、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度（Ａ１変態点通過温度）を調整することができる。水が水蒸気化するときの潜熱は大きいためである。
【００５４】
鋳鉄組織におけるフェライト率を高めるためには、鋳鉄の冷却速度を緩和させることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に減少させることが好ましい。例えば、生砂７の水分量よりも減少させて乾燥状態とし、保温性を高めることができる。これに対して、鋳鉄組織におけるパーライト率を高めるためには、鋳鉄の冷却速度を速めることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に増加させることが好ましい。例えば生砂７の水分量よりも増加させ、水の気化熱で溶湯および鋳鉄の冷却速度を速めることもできる。
【００５５】
このため本実施形態によれば、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの造型性を確保しつつ、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整することにより、鋳鉄組織のフェライト率および／またはパーライト率を調整することができる。単位面積あたりの黒鉛の粒数および／またはサイズを調整することができる。一般的には、フェライト率が増加すると、鋳鉄の延性は向上し、パーライト率が増加すると、鋳鉄の強度は増加する。一般的には、黒鉛のサイズが小さくなると、鋳鉄の強度は増加し、黒鉛のサイズが大きくなると、鋳鉄の振動減衰能は増加する。
【００５６】
本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄの水分量を調整したとしても、基本的には、下側生砂鋳型３ｄそれ自体の強度には影響を与えない。更に下側バックアップ砂４ｄによるバックアップ能力にも、基本的には影響を与えない。同様に、上側バックアップ砂４ｕについても同様である。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分調整を乾燥状態から湿潤状態へと広くでき、鋳鉄の組織調整、黒鉛調整の幅を広くできる。
【００５７】
本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分が鋳鉄の冷却速度に影響を与える敏感性を高めることが好ましい。従って下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄ、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕとしては、５０ミリメートル以下、４０ミリメートル以下、３０ミリメートル以下、２０ミリメートル以下と薄肉化することができる。但しこれに限定されるものではない。
【００５８】
（実施形態６）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用する。以下、実施形態１および２と異なる部分を中心として説明する。前述したように注湯後の鋳鉄の温度は次第に低下していく。下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整すれば、鋳鉄の冷却速度を調整することができる。水が水蒸気化するときの潜熱は大きいためである。
【００５９】
球状黒鉛鋳鉄の場合には、鋳鉄組織における単位面積あたりの黒鉛数を減少させるためには、鋳鉄の冷却速度を緩和させることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に減少させることが好ましい。鋳鉄組織における単位面積あたりの黒鉛数を増加させるためには、鋳鉄の冷却速度を速めることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に増加させることができる。このため、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの造型性を確保しつつ、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整することにより、鋳鉄組織の単位面積あたりの黒鉛数を調整することができる。一般的には、黒鉛数が増加すると、黒鉛サイズは小さくなる。黒鉛数が減少すると、黒鉛サイズは大きくなる。下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分が鋳鉄の冷却速度に影響を与える敏感性を高めることができる。従って下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄ、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕとしては５０ミリメートル以下、４０ミリメートル以下、３０ミリメートル以下と薄肉化することができる。但しこれに限定されるものではない。
【００６０】
本実施形態によれば、前述同様に、下側バックアップ砂４ｄの水分量を調整したとしても、基本的には、下側生砂鋳型３ｄそれ自体の強度には影響を与えない。同様に、上側バックアップ砂４ｕの水分量を調整したとしても、基本的には、上側生砂鋳型３ｕそれ自体の強度には影響を与えない。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分調整の幅を広くでき、組織調整、黒鉛調整の幅を広くできる。
【００６１】
（実施形態７）
図１４は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。実施形態１と異なる部分を中心として説明する。先ず、前記した各実施形態と同様に、下側生砂鋳型２ｄを下側鋳枠３ｄ内で形成する。その後、重力または遠心インペラーにより下側バックアップ砂４ｄを装入させる。その後、下側鋳枠３ｄの開口３０２に下側定盤２５ｄが嵌められ、支持定盤２５ｄが下側バックアップ砂４ｄの上に載せられる。この状態で、下側加圧体６ｄ（他の加圧体でも良い）により、下側バックアップ砂４ｄを下側生砂鋳型２ｄの肉厚方向において加圧させる。加圧の前に、あるいは、加圧と共に、下側鋳枠３ｄを振動させて下側バックアップ砂４ｄを振動させ、ひいては下側バックアップ砂４ｄの装填率を高めることが好ましい。
【００６２】
加圧時において、図１４に示すように、下側生砂鋳型２ｄに対面するように下側模型部５１ｄが存在している。このため、下側生砂鋳型２ｄのプロフィール形状が崩壊せずに良好に維持される。このような本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄの装填密度を高めることができ、補強効果を一層高めることができる。従って、下側生砂鋳型２ｄの肉厚の薄型化、下側バックアップ砂４ｄの使用量を低減させるのに貢献できる。更には、下側バックアップ砂４ｄを加圧させる加圧力の調整により、下側バックアップ砂４ｄの装填密度を調整でき、ひいては下側バックアップ砂４ｄのガス抜け性を調整することもできる。なお、上側生砂鋳型２ｕも同様な手順で形成される。
【００６３】
（実施形態８）
図１５および図１６は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。実施形態１と異なる部分を中心として説明する。生砂７Ｗは、熱硬化可能な熱硬化性樹脂、無機粘結剤（ベントナイト）および水を含む。例えば、生砂７Ｗを１００質量部とするとき、熱硬化性樹脂は０．０１〜２０質量部、無機粘結剤は５〜１０質量部、水は３〜３０質量部配合されている。熱硬化性樹脂はフェノール樹脂またはエポキシ樹脂が例示される。フェノール樹脂はレゾール型でも良いし、ノボラック型でも良い。
【００６４】
マイクロ波照射装置２００内において、マイクロ波２１５を照射する前に、生砂７Ｗを下側加圧体６ｄで加圧成形して下側生砂鋳型２ｄを下側鋳枠３ｄ内で成形する。その後、この下側生砂鋳型２ｄにマイクロ波照射装置２００のマイクロ波照射器２１０からマイクロ波２１５を所定時間（例えば５秒〜６００秒）照射する。この結果、下側生砂鋳型２ｄの表面層に含まれている水分がマイクロ波２１５の照射により加熱されて高温となる。このため、下側生砂鋳型２ｄの表面層に含まれている熱硬化性樹脂が熱硬化する。これにより表面硬化層２０ｍをもつ下側生砂鋳型２ｄを形成する。
【００６５】
ここで、マイクロ波は、通常、波長で１００ｃｍ〜０．３ｍｍ、３０ｃｍ〜０．３ｍｍ、周波数で０．３ＧＨｚ〜１ＴＨｚ、１ＧＨｚ〜１ＴＨｚ（１０００ＧＨｚ）の範囲の電波が好ましい。マイクロ波の波長としては、水を誘電加熱できる波長であれば良い。その後、図１６に示すように、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側に下側バックアップ砂４ｄを装填し、下側生砂鋳型装置１ｄを製造できる。図示はしないものの、上側生砂鋳型装置１ｕも同様に形成できる。
【００６６】
なお、マイクロ波照射装置２００の外部において下側生砂鋳型２ｄを成形した後、下側生砂鋳型２ｄをマイクロ波照射装置２００の内部に収容し、マイクロ波２１５を照射することにしても良い。
【００６７】
上記した下側鋳枠３ｄおよび下側模型５ｄは、マイクロ波を透過できる材料、例えば、木材、ガラス材、セラミックス材、樹脂材で形成できる。殊に木材が好ましい。マイクロ波が照射された下側生砂鋳型２ｄは表面硬化層２０ｍをもつため、強化されている。従って下側生砂鋳型２ｄを薄肉化でき、生砂７Ｗの使用量を節約できる。上側生砂鋳型も同様な手順で形成できる。
【００６８】
（実施形態９）
本実施形態は上記した実施形態１〜８と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子の粒径（平均粒径）は、生砂７，７Ｗを構成する砂粒子の粒径（平均粒径）よりも小さくされている。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕのガス放出性は低下するものの、装填密度が高まり、バックアップ性能を高めて補強効果を高めることができる。
【００６９】
（実施形態１０）
本実施形態は上記した実施形態１〜８と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子の粒径（平均粒径）は、生砂７，７Ｗを構成する砂粒子の粒径（平均粒径）と同程度とされている。
【００７０】
（その他）
本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。各実施形態はあくまでも例示であるため、ある実施形態に特有の構成を他の実施形態に併有させても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は例えば片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、芋虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、合金鋳鉄等の鋳鉄を製造する場合に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図２】下側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図３】上側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図４】上側生砂鋳型装置と下側生砂鋳型装置とを組み付けた生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図５】生砂鋳型装置の鋳造キャビティで鋳鉄を成型している状態を示す断面図である。
【図６】上側生砂鋳型装置を上下反転させて上側バックアップ砂を排出させている状態を示す断面図である。
【図７】下側生砂鋳型装置から下側バックアップ砂を排出させている状態を示す断面図である。
【図８】生砂温度と有効粘結剤残存率との関係を示すグラフである。
【図９】経過時間と鋳型砂温との関係を示すグラフである。
【図１０】凝縮水層を示す断面図である。
【図１１】実施形態４に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１２】実施形態４に係り、上側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１３】実施形態５に係り、鋳造キャビティ内の鋳鉄の冷却温度を示すグラフである。
【図１４】実施形態７に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１５】実施形態８に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１６】実施形態８に係り、下側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ｄは下側生砂鋳型装置、１ｕは上側生砂鋳型装置、２ｄは下側生砂鋳型、２ｕは上側生砂鋳型、３ｄは下側鋳枠、３ｕは上側鋳枠、４ｄは下側バックアップ砂（バックアップ材）、４ｕは上側バックアップ砂（バックアップ材）、５ｄは下側模型、５ｕは上側模型を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機粘結剤を含む生砂を基材とする生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自硬性またはガス硬化性の高い硬化性鋳型（ＣＯ２鋳型またはフラン鋳型）で第１層を形成し、その裏打ちとしての第２層を生砂鋳型で形成する砂型造形方法が知られている（特許文献１）。第２層は、生砂をインペラで第１層の背向面側に投射させることにより形成されている。生砂はベントナイト（無機粘結剤）を含む。
【特許文献１】特開平２−１５５５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した硬化性鋳型はＣＯ２鋳型またはフラン鋳型で形成されている。ＣＯ２削減が叫ばれている近年、ＣＯ２は避けることが好ましい。また環境対策上、フラン樹脂を用いるフラン鋳型も避けることが好ましい。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、生砂鋳型を採用しつつも、生砂鋳型の体積が少なくて済み、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済み、よって生砂を混練させる混練コストが低減される生砂鋳型装置および生砂鋳型造型方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）様相１に係る生砂鋳型装置は、（ｉ）無機粘結剤を含む生砂の集合体を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティを有する生砂鋳型と、（ｉｉ）前記生砂鋳型を収容する鋳枠と、（ｉｉｉ）前記鋳枠内の空間のうち前記生砂鋳型の前記表面に背向する背向面側の空間部分に配置され前記鋳枠内の前記生砂鋳型の前記背向面側をバックアップすると共に、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを具備することを特徴とする。
【０００６】
生砂は無機粘結剤および水分を含む砂である。無機粘結剤はベントナイト（モンモリロナイト族の粘土）、木節粘土、耐火粘土（カオリナイト）が代表的なものである。本発明によれば、鋳枠内に配置される生砂鋳型のうち背向面側はバックアップ材でバックアップされて補強されている。このため生砂鋳型の肉厚が薄くでき、その体積が少なくて済むため、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済む。よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。
【０００７】
（２）様相２に係る生砂鋳型造型方法は、（ｉ）無機粘結剤を含む生砂と、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを準備する工程と、（ｉｉ）鋳造キャビティを形成するための模型を前記鋳枠内に配置した状態で、前記生砂の集合体を前記鋳枠の空間内に装填する装填工程と、（ｉｉｉ）その後、前記模型と前記生砂の集合体とを対面させた状態で、前記模型に背向する側から前記鋳枠内の前記生砂の集合体を加圧体で加圧して圧縮させることにより、前記鋳枠内に前記生砂鋳型を造型する造型工程と、（ｉｖ）その後、前記鋳枠内において生砂鋳型のうち前記模型に背向する側に、前記バックアップ材を装入することにより、前記生砂鋳型のうち前記模型または前記鋳造キャビティと背向する側を補強する補強工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
生砂は無機粘結剤および水分を含む砂である。無機粘結剤はベントナイト（モンモリロナイト族の粘土）、木節粘土、耐火粘土（カオリナイト）が代表的なものである。本発明によれば、補強工程により、鋳枠内に配置される生砂鋳型のうち背向面側はバックアップ材でバックアップされて補強されている。このため生砂鋳型の肉厚が薄くでき、その体積が少なくて済むため、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済む。よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。
【０００９】
本発明によれば、次の好適態様が挙げられる。
【００１０】
・バックアップ材は粒子の集合体とすることができる。粒子としては、砂粒子、廃砂の粒子、セラミックス粒子、金属球等が挙げられる。
【００１１】
・生砂は有機系粘結剤（フラン樹脂等）を含有しない方が好ましいが、場合によっては、含有していても良い。好ましくは、バックアップ材は、無機粘結剤を含まないか、あるいは、含むとしても生砂鋳型における無機粘結剤の配合比の１／５以下または１／１０以下である。このバックアップ材は、生砂に比較して高い流動性をもつため、鋳枠内に装填するとき装填効率を高めることができる。
【００１２】
・好ましくは、バックアップ材は粒子の集合体であり、水を粘結剤として含む。水は粘結剤として作用して、バックアップ材の粒子同士の結合性を高めることができる。このため生砂鋳型に対するバックアップ性を高めることができる。水分は、有害排出物を過剰に排出させないため、有機系粘結剤に比較して環境面において好ましい。
【００１３】
・好ましくは、バックアップ材の粒子の粒径は、生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも大きい。この場合、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性が高まる。このため鋳鉄のガス欠陥の抑制に貢献できる。場合によっては、バックアップ材の粒子の粒径は、生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも小さくできる。この場合、バックアップ材の装填密度が高まり、生砂鋳型に対するバックアップ性が高まる。粒径は平均粒径としても良い。平均粒径はメディアン径でも単純平均径でも良い、なお、粒径は、光学顕微鏡または拡大鏡で測定できる。
【００１４】
・好ましくは、生砂鋳型の肉厚は、注湯時に溶湯の熱で無機粘結剤が損傷（焼死）する分とすることができる。この場合、生砂鋳型の肉厚は薄くされる。
【００１５】
・注湯時に溶湯圧等により生砂鋳型では亀裂が発生し、進展することが多い。この場合、鋳鉄の寸法精度が低下するおそれがある。そこで、好ましくは、生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を生砂鋳型の内部に形成する肉厚に設定されている。凝縮水層は水分が豊富であるため、生砂鋳型において発生した亀裂のそれ以上の進展を抑えるという作用を有する。このため生砂鋳型の内部に凝縮水層が形成されるように、生砂鋳型の肉厚を設定しておけば、生砂鋳型において亀裂が仮に発生したとしても、亀裂の進展を抑制させる効果を期待できる。
【００１６】
場合によっては、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を生砂鋳型の内部に形成しないでバックアップ材の内部に形成するように、生砂鋳型の肉厚を設定しておくこともできる。
【００１７】
・好ましくは、加圧体は、互いに独立して駆動可能な複数個の分割加圧体に分割されている。この場合、生砂鋳型の領域に応じて、加圧体の位置および／またはストロークを可変にでき、加圧代を調整でき、ひいては鋳型強度を調整できる。
【００１８】
・好ましくは、バックアップ材の水分量は、鋳鉄の組織および／または黒鉛に応じて調整されている。バックアップ材の水分量の調整により、溶湯および鋳鉄の冷却速度を調整でき、鋳鉄組織および／または黒鉛を調整することができる。バックアップ材の水分量を調整しても、生砂鋳型の強度それ自体にはあまり影響を与えないため、生砂鋳型の強度が維持される。水を含まないバックアップ材を１００質量部とするとき、水は例えば、０〜２０質量部の範囲、０〜１０質量部の範囲で調整できる。但しこれに限定されるものではない。
【００１９】
・好ましくは、補強工程では、生砂鋳型および模型が対面している状態で、バックアップ材に加圧力および／または振動を加えてバックアップ材の装填率を高めることができる。この場合、生砂鋳型に対するバックアップ性を高めることができる。
【００２０】
・場合によっては、生砂は例えば熱硬化性樹脂を含有することができる。この場合、好ましくは、造形工程は、鋳枠内の生砂の集合体を加圧して圧縮させる加圧操作と、マイクロ波を生砂の集合体に照射させて熱硬化性樹脂を熱硬化させる照射操作により実施される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、鋳枠内の生砂鋳型の背向面側をバックアップ材でバックアップすることにしている。このため生砂鋳型の肉厚を薄くでき、その体積が少なくて済み、生砂鋳型の使用する生砂の使用量も少なくて済み、よって生砂を混練させる混練コストが低減される。更にバックアップ材は無機粘結剤を含有していないかあるいは無機粘結剤の含有量が少ないので、バックアップ材の粒子間の結合性が低く、バックアップ材のガス透過性が良好である。このため、バックアップ材に相当する部分も生砂鋳型で形成されている場合に比較して、溶湯注湯時にバックアップ材におけるガス透過性を高めることができ、鋳鉄のガス欠陥を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施形態１）
本発明を具体化した実施形態１について図１〜図７を参照しつつ説明する。先ず、下側生砂鋳型装置１ｄの造型について説明する。まず、下側鋳造キャビティを形成し得る下側模型５ｄを用意する。下側模型５ｄは、金属または硬質樹脂で形成された四角枠形状をなす下側鋳枠３ｄの第１開口３０１を覆う下側定盤５０ｄと、下側定盤５０ｄに保持された下側模型部５１ｄとを有する。下側模型部５１ｄの型面５３ｄは、下側鋳造キャビティ２０ｄとなる形状を有する。
【００２３】
図１に示すように、下側模型５ｄの下側定盤５０ｄで下側鋳枠３ｄの第１開口３０１を覆いつつ、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を下側鋳枠３ｄの空間内に装入する。これにより所要量の生砂７の集合体７０を下側鋳枠３ｄの空間内に配置する。この結果、下側鋳枠３ｄ内において、下側模型５ｄの型面５３ｄと生砂７の集合体７０とを対面させる。この状態で、下側加圧体モード操作部を生砂７の集合体７０の上側に配置する。
【００２４】
生砂７は、水分および無機粘結剤（ベントナイト）を含むと共に、調整剤を含む。調整剤としては炭素質（石炭粉砂）および澱粉が挙げられる。生砂７の砂粒子を１００質量部とするとき、水分は２〜５質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は６〜１０質量部の配合比とすることができる。但し、これに限定されるものではない。
【００２５】
下側加圧体６ｄは、下側鋳枠３ｄの第２開口３０２に嵌合可能な下側ピストン６０ｄと、下側ピストン６０ｄを前進後退させるロッド６１ｄをもつ油圧または空圧式の下側シリンダ部６２ｄ（下側駆動源）とで形成されている。下側シリンダ部６２ｄを駆動させてロッド６１ｄを伸張させ、下側ピストン６０ｄを前進方向（矢印Ｙ１方向，下方）に前進させ、生砂７の集合体７０を加圧して肉厚方向に圧縮させる。これにより下側生砂鋳型２ｄ（図２参照）を形成する。
【００２６】
その後、下側シリンダ部６２ｄを逆方向に駆動させてロッド６１ｄを収縮させ、下側ピストン６０ｄを後退方向（矢印Ｙ２方向，上方）に後退させ、下側ピストン６０ｄを下側鋳枠３ｄから離脱させる。
【００２７】
その後、下側鋳枠３ｄ内において下側生砂鋳型２ｄのうち下側模型５ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）に背向する側に、下側バックアップ砂４ｄ（バックアップ材）の集合体を装入する。この場合、重力により下側バックアップ砂４ｄを落下させて装入しても良いし、あるいは、インペラーによる遠心力で、下側バックアップ砂４ｄを投射させて装入しても良い。あるいは、下側鋳枠３ｄに適宜振動を加えても良い。
【００２８】
これにより下側生砂鋳型２ｄのうち下側模型５ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）と背向する側を、下側バックアップ砂４ｄで補強する（図２参照）。下側バックアップ砂４ｄは、無機粘結剤が含有されていないか、或いは、無機粘結剤の配合比が生砂７よりも少ない砂粒子であるため、高い流動性および高い装填性をもつ。ここで、下側バックアップ砂４ｄの砂粒子を１００質量部とするとき、水分は１〜３質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は０〜１質量部の配合比とすることができる。但しこれに限定されるものではない。更に、下側鋳枠３ｄには支持定盤２５ｄが載せられる。支持定盤２５ｄは、下側バックアップ砂４ｄに対して錘として機能することができ、バックアップ性を更に高めることができる。
【００２９】
図２は、製造された下側生砂鋳型装置１ｄを示す。図２に示すように、下側生砂鋳型装置１ｄは、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を加圧して形成された下側生砂鋳型２ｄと、下側生砂鋳型２ｄを収容する下側鋳枠３ｄと、下側鋳枠３ｄ内に装填された下側バックアップ砂４ｄとを有する。下側生砂鋳型２ｄの表面２０１には下側模型部５１ｄが配置されている。下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２は、下側模型部５１ｄ（下側鋳造キャビティ２０ｄ）に背向している。
【００３０】
下側バックアップ砂４ｄは、下側鋳枠３ｄ内の空間において、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側の空間部分に配置されており、下側鋳枠３ｄ内の下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側をバックアップして補強している。更に、錘としても機能できる支持定盤２５ｄが下側バックアップ砂４ｄに着脱可能に載せられおり、補強性を高めている。なお、適当な時期に、下側模型部５１ｄは下側生砂鋳型２ｄから離型されるため、下側模型部５１ｄが占めていた空間が下側鋳造キャビティ２０ｄ（図４参照）として下側生砂鋳型装置１ｄに形成される。ここで、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２は、下側バックアップ砂４ｄでバックアップされて補強されている。このため下側生砂鋳型２ｄの肉厚および体積が少なくて済むため、下側生砂鋳型２ｄが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。なお、下側バックアップ砂４ｄの層の最小肉厚はｐｄで示される。
【００３１】
次に、図３を参照しつつ上側生砂鋳型装置１ｕについて説明する。上側生砂鋳型装置１ｕは基本的には下側生砂鋳型装置１ｄと同様な手順で製造される。製造された上側生砂鋳型装置１ｕは、下側生砂鋳型装置１ｄと基本的には同じ構造であり、無機粘結剤を含む生砂７の集合体７０を加圧して形成された上側生砂鋳型２ｕと、上側生砂鋳型２ｕを収容する四角枠形状をなす上側鋳枠３ｕと、上側鋳枠３ｕ内に装填された上側バックアップ砂４ｕ（バックアップ材）とを有する。図３に示すように、上側模型５ｕは、上側定盤５０ｕと上側模型部５１ｕとを有する。
【００３２】
上側生砂鋳型２ｕの表面２０１には上側模型部５１ｕが配置されている。上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２は、上側模型部５１ｕに背向している。
【００３３】
上側バックアップ砂４ｕは、上側鋳枠３ｕにおいて、上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側の空間部分に配置されており、上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側をバックアップして補強している。このように上側生砂鋳型２ｕの背向面２０２側は、上側バックアップ砂４ｕでバックアップされて補強されている。このため上側生砂鋳型２ｕの肉厚および体積が少なくて済むため、上側生砂鋳型２ｕが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。上側バックアップ砂４ｕに錘としても機能できる支持定盤２５ｕが載せられ、バックアップ性を更に高めている。ここで、上側バックアップ砂４ｕの砂粒子を１００質量部とするとき、水分は１〜３質量部、無機粘結剤（ベントナイト）は０〜１質量部の配合比とすることができる。但し、これに限定されるものではない。
【００３４】
なお、適当な時期に、上側模型５ｕは上側生砂鋳型２ｕから離型され、上側鋳造キャビティ２０ｕ（図４参照）が得られる。なお、上側模型５ｕは上側定盤５０ｕと上側模型部５１ｕとで形成されている。上側バックアップ砂４ｕの層の最小肉厚はｐｕで示される。
【００３５】
図４に示すように、上側生砂鋳型装置１ｕが上側に、且つ、下側生砂鋳型装置１ｄが下側に組み付けられ、生砂鋳型装置１が形成される。この場合、下側生砂鋳型装置１ｄが上下反転される。上下反転時において、重力による下側バックアップ砂４ｄの落下は、支持定盤２５ｄにより抑えられる。
【００３６】
上側鋳造キャビティ２０ｕおよび下側鋳造キャビティ２０ｄが一体化されて鋳造キャビティ２０が形成されている。図５に示すように、鋳鉄の溶湯Ｍが鋳造キャビティ２０に注湯され、溶湯Ｍが凝固すれば、鋳鉄Ｍ１が形成される。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが粘結剤を基本的には含まないか、含んだとしても少ない。更に水分も生砂７よりも少ない。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕのガス透過性は高められている。故に、注湯時において、鋳造キャビティ２０のガスを放出させるガス抜け性が高められており、鋳鉄Ｍ１のガス欠陥の低減に貢献できる。更に、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子のサイズが生砂７の砂粒子のサイズよりも大きいときには、ガス透過性は一層高められる。
【００３７】
また、型ばらし工程において、鋳鉄Ｍ１を取り出すにあたり、図６に示すように、上側生砂鋳型装置１ｕを上下反転させることが好ましい。この場合、上側バックアップ砂４ｕは、焼き付いていない限り、重力により矢印Ｄ１方向に下降して除去される。更に図７に示すように、下側生砂鋳型装置１ｄの支持定盤２５ｄを取り外せば、下側バックアップ砂４ｄは、焼き付いていない限り、重力により矢印Ｄ２方向に下降して除去される。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが粘結剤を基本的には含まないか、含んだとしても少ない。このため、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕは、離型時において高い崩壊性および流動性をもち、型ばらし工程が容易となる。殊に、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕは水分量が少なく、乾燥状態である場合には、高い崩壊性および流動性が得られ、型ばらし工程が一層容易となる。
【００３８】
また、型ばらし工程において、下側生砂鋳型２ｄを下側バックアップ砂４ｄと共に崩壊させるときであっても、下側生砂鋳型２ｄは塊状化しているものの、下側バックアップ砂４ｄは高い流動性をもつため、振動を作用させれば、両者の分離は容易となる。上側生砂鋳型２ｕについても同様である。
【００３９】
以上説明したように本実施形態によれば、下側鋳枠３ｄ内に配置される下側生砂鋳型２ｄの肉厚は薄いものの、下側生砂鋳型２ｄは下側鋳枠３ｄ内において下側バックアップ砂４ｄでバックアップされて補強されている。このため下側生砂鋳型２ｄの体積が少なくて済むため、下側生砂鋳型２ｄが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。同様に、上側鋳枠３ｕ内に配置される上側生砂鋳型２ｕの肉厚は薄いものの、上側生砂鋳型２ｕは上側鋳枠３ｕ内において上側バックアップ砂４ｕでバックアップされて補強されている。このため上側生砂鋳型２ｕの体積が少なくて済むため、上側生砂鋳型２ｕが使用する生砂７の使用量も少なくて済む。よって生砂７を混練させる混練コストが低減される。高温の溶湯Ｍの熱影響を受けた生砂７を再生化させる再生処理も低減させる。
【００４０】
本実施形態によれば、下側生砂鋳型２ｄを造型するとき、生砂７を加圧させるのは、肉厚が薄くされた下側生砂鋳型２ｄに相当する部分である。よって従来技術よりも加圧効率を高くできる。同様に、上側生砂鋳型２ｕを造型するとき、生砂７を加圧させるのは、肉厚が薄くされた上側生砂鋳型２ｕに相当する部分である。よって従来技術よりも加圧効率を高くできる。このため、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの加圧強度を高めることができ、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの密度を高めることができ、更には、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの寸法精度、鋳肌を改善させることができる。
【００４１】
鋳造キャビティ２０に溶湯を注湯したとき、溶湯圧で下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕが互いに離間する方向に変位しようする。この場合、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕが変位に対して抵抗体として働くため、上記した変位は抑制され、鋳鉄の寸法精度が良好に維持される。
【００４２】
本実施形態によれば、上側バックアップ砂４ｕの最小肉厚ｐｕ（図３参照），下側バックアップ砂４ｄの最小肉厚ｐｄ（図２参照）を大きくすれば、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄの使用量が増加し、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度（冷却時におけるＡ１変態点通過温度）を遅くすることを期待できる。また、最小肉厚ｐｕ，ｐｄを薄くすれば、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄの使用量が減少し、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度を促進できる。なお、上側バックアップ砂４ｕ、下側バックアップ砂４ｄは乾燥状態とすることができる。
【００４３】
上記したように肉厚ｐｕ，肉厚ｐｄを調整すれば、鋳鉄Ｍ１の金属組織（フェライト率，パーライト率）および黒鉛形態（黒鉛粒数，黒鉛サイズ）を調整することができる。なお、鋳造キャビティ２０内の溶湯Ｍおよび鋳鉄Ｍ１の冷却速度（冷却時におけるＡ１変態点通過温度）が速いときには、フェライト率を減少させ，パーライト率を増加させる。更に、黒鉛粒数を増加させ、黒鉛サイズを小さくできる。これに対して溶湯Ｍおよび鋳鉄Ｍ１の冷却速度が遅いときには、フェライト率を増加させ，パーライト率を減少させる。更に、黒鉛粒数を減少させ、黒鉛サイズを大きくできる。
【００４４】
（実施形態２）
図８は、生砂温度と有効粘結剤残存率との関係を表す試験結果を示す。有効粘結剤残存率とは、注湯後において有効な無機粘結剤が残存している割合を意味する。図８から理解できるように、有効粘結剤残存率を高めるためには、生砂温度を５００℃以下、殊に４００℃以下に維持することが好ましい。図９は、注湯開始時からの経過時間と鋳型砂温度との関係を表す試験結果を示す。溶湯接触面からの距離が５ミリメートル、１０ミリメートル、２０ミリメートル、４０ミリメートルの場合について、鋳型砂温度を測定した。図９に示すように、経過時間に伴い鋳型砂温度は次第に上昇する。溶湯接触面からの距離が短い程、鋳型砂温度の昇温速度は速い。溶湯接触面からの距離が４０ミリメートルであれば、当該距離の鋳型砂温度の昇温は１００℃程度に抑えられる。
【００４５】
ところで、注湯前において上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄは、水分を有する。このため鋳造キャビティ２０に溶湯が注湯されると、上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄに含まれている水分は、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の熱により水蒸気化し、水蒸気は鋳造キャビティ２０内の鋳鉄と反対側に蒸散しようとする。ここで、鋳型砂温度が１００℃を超えると、水分は水蒸気化すると考えられる。鋳型砂温度が１００℃付近であれば、気化した水蒸気が凝縮して水を形成し、凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄの内部に形成させる。ここで、上側生砂鋳型２ｕおよび下側生砂鋳型２ｄでは溶湯圧等により注湯時に亀裂が発生し、進展することがある。亀裂が大きく進展すると、鋳鉄の寸法精度が低下するおそれがある。
【００４６】
そこで本実施形態によれば、図１０に模式的に示すように、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕは、注湯時に発生する凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕの内部に形成できる肉厚に設定されている。同様に下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、注湯時に発生する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部に形成できる肉厚に設定されている。
【００４７】
従って、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕに亀裂が発生したとしても、上記した凝縮水層２００は、豊富な水分をもち鋳型剛性が低いため、亀裂のそれ以上の進展を抑えるという作用を有する。このため下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕが凝縮水層２００を含み得る肉厚に設定されていれば、亀裂が発生したとしても、亀裂の進展を抑制させる効果が得られる。ここで凝縮水層２００が形成されるのは、鋳型砂温度が９０〜１００℃の範囲と推定される。従って、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕ、下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、１０〜４０ミリメートル程度が好ましい。但しこれに限定されるものではない。この程度の肉厚であれば、亀裂進展を抑制できる効果を有する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部および上側生砂鋳型２ｕの内部に形成できる。なお下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕを構成する砂粒子の粒径は、ガス放出性を高めるため、生砂７を構成する砂粒子の粒径よりも大きいことが好ましい。
【００４８】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および作用効果を有する。但し、実施形態２とは異なり、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕは、注湯時に発生する凝縮水層２００を上側生砂鋳型２ｕの内部に形成しないようなサイズに設定されている。同様に、下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄは、注湯時に発生する凝縮水層２００を下側生砂鋳型２ｄの内部に形成しないようなサイズに設定されている。前記した凝縮水層は上側バックアップ砂４ｕ，下側バックアップ砂４ｄの内部に形成されることになる。注湯時において、上側バックアップ砂４ｕの水分含有量は少なく、上側バックアップ砂４ｕを１００質量部とすると、水は２質量部以下、好ましくは１質量部以下とされている。このように上側バックアップ砂４ｕは乾燥している。下側バックアップ砂４ｄも同様である。このように乾燥度が高い上側バックアップ砂４ｕおよび下側バックアップ砂４ｄは、高いガス放出性を確保するばかりか、亀裂の進展を抑制させる作用を有する。
【００４９】
（実施形態４）
図１１および図１２は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、実施形態１と異なる部分を中心として説明する。図１１は、生砂７の集合体７０に対面する下側加圧体６ｄを示す。下側加圧体６ｄは、互いに独立駆動できる複数の下側分割加圧体６００ｄで形成されている。図１１に示すように、下側分割加圧体６００ｄのそれぞれは、下側ピストン６０ｄと、下側ピストン６０ｄをロッド６１ｄを介して前進後退させる油圧または空圧式の下側シリンダ部６２ｄ（駆動源）とで形成されている。各下側分割加圧体６００ｄは、互いに独立して駆動できるため、生砂７の集合体７０を領域毎に圧縮させることができる。従って、下側生砂鋳型２ｄのうち、強度が特に要請される領域については、下側分割駆動体６００ｄの下側ピストン６０ｄの移動ストロークを大きくすれば良い。
【００５０】
これに対して、強度があまり要請されない領域については、下側分割駆動体６００ｄの下側ピストン６０ｄの移動ストロークを小さくすれば良い。ここで、各下側シリンダ部６２ｄは、共通基部６２０ｄに保持されているため、共通基部６２０ｄが下側鋳枠３ｄに対して接近すれば、各下側シリンダ部６２ｄは各下側ピストン６０ｄと共に下側鋳枠３ｄに対して接近できる。
【００５１】
図１２は、生砂７の集合体７０に対面する上側加圧体６ｕを示す。上側加圧体６ｕは、互いに独立駆動できる複数の上側分割加圧体６００ｕで形成されている。上側分割加圧体６００ｕのそれぞれは、上側ピストン６０ｕと、上側ピストン６０ｕをロッド６１ｕを介して前進後退させる油圧または空圧式の上側シリンダ部６２ｕ（駆動源）とで形成されている。各上側分割加圧体６００ｕは、互いに独立して駆動できるため、生砂７の集合体７０を個別に圧縮させることができる。従って、上側生砂鋳型２ｕのうち、強度が特に要請される領域については、上側ピストン６０ｕの移動ストロークを大きくすれば良い。
【００５２】
これに対して、強度があまり要請されない領域については、上側ピストン６０ｕの移動ストロークを小さくすれば良い。ここで、各上側シリンダ部６２ｕは、共通基部６２０ｕに保持されているため、共通基部６２０ｕが上側鋳枠３ｕに対して接近すれば、各上側シリンダ部６２ｕは各上側ピストン６０ｕと共に上側鋳枠３ｕに対して接近できる。
【００５３】
（実施形態５）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用する。以下、実施形態１〜４と異なる部分を中心として説明する。図１３は、鋳造キャビティ２０に溶湯を注湯して凝固させ更に冷却させる過程の温度変化を示す。図１３に示すように、注湯後の鋳鉄の温度は次第に低下していく。ここで、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整すれば、鋳造キャビティ２０内の溶湯および鋳鉄の冷却速度（Ａ１変態点通過温度）を調整することができる。水が水蒸気化するときの潜熱は大きいためである。
【００５４】
鋳鉄組織におけるフェライト率を高めるためには、鋳鉄の冷却速度を緩和させることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に減少させることが好ましい。例えば、生砂７の水分量よりも減少させて乾燥状態とし、保温性を高めることができる。これに対して、鋳鉄組織におけるパーライト率を高めるためには、鋳鉄の冷却速度を速めることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に増加させることが好ましい。例えば生砂７の水分量よりも増加させ、水の気化熱で溶湯および鋳鉄の冷却速度を速めることもできる。
【００５５】
このため本実施形態によれば、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの造型性を確保しつつ、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整することにより、鋳鉄組織のフェライト率および／またはパーライト率を調整することができる。単位面積あたりの黒鉛の粒数および／またはサイズを調整することができる。一般的には、フェライト率が増加すると、鋳鉄の延性は向上し、パーライト率が増加すると、鋳鉄の強度は増加する。一般的には、黒鉛のサイズが小さくなると、鋳鉄の強度は増加し、黒鉛のサイズが大きくなると、鋳鉄の振動減衰能は増加する。
【００５６】
本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄの水分量を調整したとしても、基本的には、下側生砂鋳型３ｄそれ自体の強度には影響を与えない。更に下側バックアップ砂４ｄによるバックアップ能力にも、基本的には影響を与えない。同様に、上側バックアップ砂４ｕについても同様である。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分調整を乾燥状態から湿潤状態へと広くでき、鋳鉄の組織調整、黒鉛調整の幅を広くできる。
【００５７】
本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分が鋳鉄の冷却速度に影響を与える敏感性を高めることが好ましい。従って下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄ、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕとしては、５０ミリメートル以下、４０ミリメートル以下、３０ミリメートル以下、２０ミリメートル以下と薄肉化することができる。但しこれに限定されるものではない。
【００５８】
（実施形態６）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１〜図１２を準用する。以下、実施形態１および２と異なる部分を中心として説明する。前述したように注湯後の鋳鉄の温度は次第に低下していく。下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整すれば、鋳鉄の冷却速度を調整することができる。水が水蒸気化するときの潜熱は大きいためである。
【００５９】
球状黒鉛鋳鉄の場合には、鋳鉄組織における単位面積あたりの黒鉛数を減少させるためには、鋳鉄の冷却速度を緩和させることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に減少させることが好ましい。鋳鉄組織における単位面積あたりの黒鉛数を増加させるためには、鋳鉄の冷却速度を速めることが好ましい。そこで下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を相対的に増加させることができる。このため、下側生砂鋳型２ｄおよび上側生砂鋳型２ｕの造型性を確保しつつ、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分量を調整することにより、鋳鉄組織の単位面積あたりの黒鉛数を調整することができる。一般的には、黒鉛数が増加すると、黒鉛サイズは小さくなる。黒鉛数が減少すると、黒鉛サイズは大きくなる。下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分が鋳鉄の冷却速度に影響を与える敏感性を高めることができる。従って下側生砂鋳型２ｄの肉厚ｔｄ、上側生砂鋳型２ｕの肉厚ｔｕとしては５０ミリメートル以下、４０ミリメートル以下、３０ミリメートル以下と薄肉化することができる。但しこれに限定されるものではない。
【００６０】
本実施形態によれば、前述同様に、下側バックアップ砂４ｄの水分量を調整したとしても、基本的には、下側生砂鋳型３ｄそれ自体の強度には影響を与えない。同様に、上側バックアップ砂４ｕの水分量を調整したとしても、基本的には、上側生砂鋳型３ｕそれ自体の強度には影響を与えない。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕにおける水分調整の幅を広くでき、組織調整、黒鉛調整の幅を広くできる。
【００６１】
（実施形態７）
図１４は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。実施形態１と異なる部分を中心として説明する。先ず、前記した各実施形態と同様に、下側生砂鋳型２ｄを下側鋳枠３ｄ内で形成する。その後、重力または遠心インペラーにより下側バックアップ砂４ｄを装入させる。その後、下側鋳枠３ｄの開口３０２に下側定盤２５ｄが嵌められ、支持定盤２５ｄが下側バックアップ砂４ｄの上に載せられる。この状態で、下側加圧体６ｄ（他の加圧体でも良い）により、下側バックアップ砂４ｄを下側生砂鋳型２ｄの肉厚方向において加圧させる。加圧の前に、あるいは、加圧と共に、下側鋳枠３ｄを振動させて下側バックアップ砂４ｄを振動させ、ひいては下側バックアップ砂４ｄの装填率を高めることが好ましい。
【００６２】
加圧時において、図１４に示すように、下側生砂鋳型２ｄに対面するように下側模型部５１ｄが存在している。このため、下側生砂鋳型２ｄのプロフィール形状が崩壊せずに良好に維持される。このような本実施形態によれば、下側バックアップ砂４ｄの装填密度を高めることができ、補強効果を一層高めることができる。従って、下側生砂鋳型２ｄの肉厚の薄型化、下側バックアップ砂４ｄの使用量を低減させるのに貢献できる。更には、下側バックアップ砂４ｄを加圧させる加圧力の調整により、下側バックアップ砂４ｄの装填密度を調整でき、ひいては下側バックアップ砂４ｄのガス抜け性を調整することもできる。なお、上側生砂鋳型２ｕも同様な手順で形成される。
【００６３】
（実施形態８）
図１５および図１６は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。実施形態１と異なる部分を中心として説明する。生砂７Ｗは、熱硬化可能な熱硬化性樹脂、無機粘結剤（ベントナイト）および水を含む。例えば、生砂７Ｗを１００質量部とするとき、熱硬化性樹脂は０．０１〜２０質量部、無機粘結剤は５〜１０質量部、水は３〜３０質量部配合されている。熱硬化性樹脂はフェノール樹脂またはエポキシ樹脂が例示される。フェノール樹脂はレゾール型でも良いし、ノボラック型でも良い。
【００６４】
マイクロ波照射装置２００内において、マイクロ波２１５を照射する前に、生砂７Ｗを下側加圧体６ｄで加圧成形して下側生砂鋳型２ｄを下側鋳枠３ｄ内で成形する。その後、この下側生砂鋳型２ｄにマイクロ波照射装置２００のマイクロ波照射器２１０からマイクロ波２１５を所定時間（例えば５秒〜６００秒）照射する。この結果、下側生砂鋳型２ｄの表面層に含まれている水分がマイクロ波２１５の照射により加熱されて高温となる。このため、下側生砂鋳型２ｄの表面層に含まれている熱硬化性樹脂が熱硬化する。これにより表面硬化層２０ｍをもつ下側生砂鋳型２ｄを形成する。
【００６５】
ここで、マイクロ波は、通常、波長で１００ｃｍ〜０．３ｍｍ、３０ｃｍ〜０．３ｍｍ、周波数で０．３ＧＨｚ〜１ＴＨｚ、１ＧＨｚ〜１ＴＨｚ（１０００ＧＨｚ）の範囲の電波が好ましい。マイクロ波の波長としては、水を誘電加熱できる波長であれば良い。その後、図１６に示すように、下側生砂鋳型２ｄの背向面２０２側に下側バックアップ砂４ｄを装填し、下側生砂鋳型装置１ｄを製造できる。図示はしないものの、上側生砂鋳型装置１ｕも同様に形成できる。
【００６６】
なお、マイクロ波照射装置２００の外部において下側生砂鋳型２ｄを成形した後、下側生砂鋳型２ｄをマイクロ波照射装置２００の内部に収容し、マイクロ波２１５を照射することにしても良い。
【００６７】
上記した下側鋳枠３ｄおよび下側模型５ｄは、マイクロ波を透過できる材料、例えば、木材、ガラス材、セラミックス材、樹脂材で形成できる。殊に木材が好ましい。マイクロ波が照射された下側生砂鋳型２ｄは表面硬化層２０ｍをもつため、強化されている。従って下側生砂鋳型２ｄを薄肉化でき、生砂７Ｗの使用量を節約できる。上側生砂鋳型も同様な手順で形成できる。
【００６８】
（実施形態９）
本実施形態は上記した実施形態１〜８と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子の粒径（平均粒径）は、生砂７，７Ｗを構成する砂粒子の粒径（平均粒径）よりも小さくされている。このため下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕのガス放出性は低下するものの、装填密度が高まり、バックアップ性能を高めて補強効果を高めることができる。
【００６９】
（実施形態１０）
本実施形態は上記した実施形態１〜８と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、下側バックアップ砂４ｄおよび上側バックアップ砂４ｕの砂粒子の粒径（平均粒径）は、生砂７，７Ｗを構成する砂粒子の粒径（平均粒径）と同程度とされている。
【００７０】
（その他）
本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。各実施形態はあくまでも例示であるため、ある実施形態に特有の構成を他の実施形態に併有させても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は例えば片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、芋虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、合金鋳鉄等の鋳鉄を製造する場合に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図２】下側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図３】上側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図４】上側生砂鋳型装置と下側生砂鋳型装置とを組み付けた生砂鋳型装置を示す断面図である。
【図５】生砂鋳型装置の鋳造キャビティで鋳鉄を成型している状態を示す断面図である。
【図６】上側生砂鋳型装置を上下反転させて上側バックアップ砂を排出させている状態を示す断面図である。
【図７】下側生砂鋳型装置から下側バックアップ砂を排出させている状態を示す断面図である。
【図８】生砂温度と有効粘結剤残存率との関係を示すグラフである。
【図９】経過時間と鋳型砂温との関係を示すグラフである。
【図１０】凝縮水層を示す断面図である。
【図１１】実施形態４に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１２】実施形態４に係り、上側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１３】実施形態５に係り、鋳造キャビティ内の鋳鉄の冷却温度を示すグラフである。
【図１４】実施形態７に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１５】実施形態８に係り、下側生砂鋳型装置を製造する過程を示す断面図である。
【図１６】実施形態８に係り、下側生砂鋳型装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ｄは下側生砂鋳型装置、１ｕは上側生砂鋳型装置、２ｄは下側生砂鋳型、２ｕは上側生砂鋳型、３ｄは下側鋳枠、３ｕは上側鋳枠、４ｄは下側バックアップ砂（バックアップ材）、４ｕは上側バックアップ砂（バックアップ材）、５ｄは下側模型、５ｕは上側模型を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）無機粘結剤を含む生砂の集合体を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティを有する生砂鋳型と、
（ｉｉ）前記生砂鋳型を収容する鋳枠と、
（ｉｉｉ）前記鋳枠内の空間のうち前記生砂鋳型の前記表面に背向する背向面側の空間部分に配置され、前記鋳枠内の前記生砂鋳型の前記背向面側をバックアップすると共に、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを具備することを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項２】
請求項１において、前記バックアップ材は粒子の集合体であり、水を粘結剤として含むことを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記バックアップ材を構成する粒子の粒径は、前記生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも大きいことを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を前記生砂鋳型の内部に形成する肉厚に設定されていることを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を前記生砂鋳型の内部に形成しないで前記バックアップ材の内部に形成する肉厚に設定されていることを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項６】
（ｉ）無機粘結剤を含む生砂と、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを準備する工程と、
（ｉｉ）鋳造キャビティを形成するための模型を鋳枠内に配置した状態で、前記生砂の集合体を前記鋳枠の空間内に装填する装填工程と、
（ｉｉｉ）その後、前記模型と前記生砂の集合体とを対面させた状態で、前記模型に背向する側から前記鋳枠内の前記生砂の集合体を加圧体で加圧して圧縮させることにより、前記鋳枠内に前記生砂鋳型を造型する造型工程と、
（ｉｖ）その後、前記鋳枠内において前記生砂鋳型のうち前記模型に背向する側に、前記バックアップ材を装入することにより、前記生砂鋳型のうち前記模型または前記鋳造キャビティと背向する側を補強する補強工程とを含むことを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項７】
請求項６において、前記加圧体は、互いに独立して駆動可能な複数個の分割加圧体に分割されていることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項８】
請求項６または７において、前記バックアップ材の水分量は、前記生砂鋳型で形成される鋳鉄の組織および／または黒鉛に応じて調整されていることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項９】
請求項６〜８のうちの一項において、前記補強工程では、前記生砂鋳型および前記模型が対面している状態で、前記バックアップ材に加圧力および／または振動を加えて前記バックアップ材の装填率を高めることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項１】
（ｉ）無機粘結剤を含む生砂の集合体を加圧して形成され且つ表面に鋳造キャビティを有する生砂鋳型と、
（ｉｉ）前記生砂鋳型を収容する鋳枠と、
（ｉｉｉ）前記鋳枠内の空間のうち前記生砂鋳型の前記表面に背向する背向面側の空間部分に配置され、前記鋳枠内の前記生砂鋳型の前記背向面側をバックアップすると共に、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを具備することを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項２】
請求項１において、前記バックアップ材は粒子の集合体であり、水を粘結剤として含むことを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記バックアップ材を構成する粒子の粒径は、前記生砂鋳型を構成する砂粒子の粒径よりも大きいことを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を前記生砂鋳型の内部に形成する肉厚に設定されていることを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記生砂鋳型は、注湯時に発生する水蒸気が凝縮して形成される凝縮水層を前記生砂鋳型の内部に形成しないで前記バックアップ材の内部に形成する肉厚に設定されていることを特徴とする生砂鋳型装置。
【請求項６】
（ｉ）無機粘結剤を含む生砂と、前記無機粘結剤を含まないかあるいは前記無機粘結剤が前記生砂における前記無機粘結剤の配合比の１／５以下とされたバックアップ材とを準備する工程と、
（ｉｉ）鋳造キャビティを形成するための模型を鋳枠内に配置した状態で、前記生砂の集合体を前記鋳枠の空間内に装填する装填工程と、
（ｉｉｉ）その後、前記模型と前記生砂の集合体とを対面させた状態で、前記模型に背向する側から前記鋳枠内の前記生砂の集合体を加圧体で加圧して圧縮させることにより、前記鋳枠内に前記生砂鋳型を造型する造型工程と、
（ｉｖ）その後、前記鋳枠内において前記生砂鋳型のうち前記模型に背向する側に、前記バックアップ材を装入することにより、前記生砂鋳型のうち前記模型または前記鋳造キャビティと背向する側を補強する補強工程とを含むことを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項７】
請求項６において、前記加圧体は、互いに独立して駆動可能な複数個の分割加圧体に分割されていることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項８】
請求項６または７において、前記バックアップ材の水分量は、前記生砂鋳型で形成される鋳鉄の組織および／または黒鉛に応じて調整されていることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【請求項９】
請求項６〜８のうちの一項において、前記補強工程では、前記生砂鋳型および前記模型が対面している状態で、前記バックアップ材に加圧力および／または振動を加えて前記バックアップ材の装填率を高めることを特徴とする生砂鋳型造型方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２９７７４７（Ｐ２００９−２９７７４７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５５２８１（Ｐ２００８−１５５２８１）
【出願日】平成２０年６月１３日（２００８．６．１３）
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１３日（２００８．６．１３）
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
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