JP2003266170A

JP2003266170A - 還元鋳造方法

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Publication number: JP2003266170A
Application number: JP2002068211A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Ban; 恵介伴
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-09-24
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: CN1321765C; US20030173050A1; EP1346785A3; JP3606848B2; EP1346785A2; CN1443617A; US6932142B2; BR0300558A

Abstract

(57)【要約】【課題】凝固速度と溶湯の充填時間との間の関係を定
め、溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短
縮しうる還元鋳造方法を提供する。【解決手段】金属の溶湯を成形型１１のキャビティ１
２に注湯し、キャビティ１２内で溶湯と還元性物質とを
接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつ
つ鋳造する還元鋳造法において、冷却手段１３により成
形型１１を強制冷却した状態でキャビティ１２に溶湯を
注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固
速度を６００℃／分以上とし、キャビティ１２内へ溶湯
を１．０秒〜９．０秒の充填時間で充填することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は還元鋳造方法に関
し、より詳細には溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造
サイクルを短縮しうる還元鋳造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳造方法には、重力鋳造法（ＧＤＣ）、
低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）、ダイキャスト（ＤＣ）、スク
イズ（ＳＣ）、チクソモールドなど様々な方法がある。
これらはいずれも成形型のキャビティ内に溶湯を注入し
て所定形状に成形するものである。これらの鋳造方法の
うち、溶湯の表面に酸化皮膜が形成されやすいもの、た
とえばアルミニウム鋳造などでは、溶湯の表面に形成さ
れた酸化皮膜によって表面張力が大きくなり、溶湯の流
動性、湯周り性、溶着性が低下し、溶湯の未充填、湯じ
わ等の鋳造欠陥が生じることが問題となる。

【０００３】これらの問題を解決する方法として、本出
願人はアルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化皮膜
を還元して鋳造する還元鋳造方法を提案した（特開2000
-280063号公報）。この還元鋳造方法は、窒素ガスとマ
グネシウムガスとを用いて強い還元性を有するマグネシ
ウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成し、このマグネシウ
ム窒素化合物をアルミニウムの溶湯に作用させて鋳造す
る方法である。マグネシウム窒素化合物を成形型のキャ
ビティの表面に析出させた状態で溶湯を注入すると、キ
ャビティの表面に溶湯が接触する際に溶湯の表面の酸化
皮膜がマグネシウム窒素化合物の還元作用によって還元
され、溶湯の表面が純粋なアルミニウムとなって溶湯の
表面張力が低下し、溶湯の流動性が高められる。この結
果、湯周り性が良好となり、鋳造欠陥がなく、湯じわ等
のないすぐれた外観の鋳造製品を得ることが可能にな
る。

【０００４】

【背景技術】さらにその後の研究により、上記還元鋳造
方法によると、鋳造時における成形型の型温を低温に維
持して鋳造できることが判明した。すなわち、還元鋳造
方法による場合は、溶湯の流動性、湯周り性がきわめて
良好になるから、重力鋳造法（ＧＤＣ）等の鋳造方法と
は異なり、鋳造時に成形型の型温を高温に維持する必要
がない。重力鋳造法等で、鋳造時に成形型を保温してい
るのは、型温をできるだけ高くしてキャビティに充填す
る溶湯の流動性を確保するためである。これに対して、
還元鋳造方法では溶湯の流動性、湯周り性がきわめて良
好であり、数秒のうちにキャビティへの溶湯の充填が完
了してしまう。したがって、従来の鋳造方法のように鋳
造時に型温を高く維持する必要がない。むしろ、型温を
できるだけ下げてキャビティに充填された溶湯をできる
だけ速く凝固させるようにすることが、鋳造のサイクル
タイムを短縮しうる点で有利となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶湯の
凝固速度が速くなったことにより、キャビティ内に溶湯
が十分行き渡らないうちに溶湯が凝固してしまうという
不具合も生じた。そこで本発明は上記課題を解決すべく
なされたものであり、その目的とするところは、凝固速
度と溶湯の充填時間との間の関係を定め、溶湯の未充填
状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短縮しうる還元鋳造
方法を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、金属の溶湯を成
形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元
性物質とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜
を還元しつつ鋳造する還元鋳造法において、冷却手段に
より前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに
溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させ
る凝固速度を６００℃／分以上とし、キャビティ内へ溶
湯を１．０秒〜９．０秒の充填時間で充填することを特
徴とする。その際にＤＡＳＩＩ値を２２μｍ以下にする
とよい。前記凝固速度を８００℃／分以上とするとさら
に好適である。またその際にＤＡＳＩＩ値を２０μｍ以
下にすると好適である。

【０００７】溶湯に加圧してキャビティ内に注入するこ
とで、溶湯の注入時間を前記１．０〜９．０秒に調整す
るようにするとよい。前記還元性物質はマグネシウムあ
るいはマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ₃Ｎ₂）を用いるこ
とができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に
係る還元鋳造方法を利用して鋳造する鋳造装置１０の全
体構成を示す説明図である。なお、以下では還元鋳造方
法をアルミニウム鋳造に使用する例を示すが、本発明は
アルミニウム鋳造に限定されるものではない。図１で１
１は成形型であり、１２は成形型１１の内部に形成した
キャビティである。キャビティ１２の上部には下方が縮
径するテーパ面状に形成された湯口１４が設けられ、湯
口１４にはほぞ１５が脱着自在に設けられている。１６
はほぞ１５を上下方向に貫通して設けられたパイプであ
る。

【０００９】１７は成形型１１の上部に配置された注湯
槽である。注湯槽１７とキャビティ１２とは湯口１４を
介して連通し、湯口１４に取り付けられたほぞ１５を開
閉操作することによって、キャビティ１２への注湯が制
御される。本実施形態はアルミニウム鋳造に適用した例
であり、注湯槽１７にはアルミニウムの溶湯が貯溜され
る。

【００１０】成形型１１の材料は特に限定されるもので
はないが、熱伝導率の良好な素材によって形成するとよ
い。また、成形型１１を強制的に冷却する冷却手段を設
ける。本実施形態では成形型１１の冷却手段として成形
型１１の内部に流路１３を設けて冷却水を流路１３に常
時通流させるようにしている。成形型１１を熱伝導率の
良好な素材によって形成し、常時、強制的に冷却する理
由は、鋳造時における成形型１１の型温をできるだけ低
温に維持できるようにするためである。したがって、鋳
造時における成形型１１の型温を効果的に低温に維持で
きる方法であれば、水冷方法に限るものではない。ま
た、いくつかの冷却手段を併用することももちろん可能
である。

【００１１】図１において、２０は窒素ガスボンベであ
る。窒素ガスボンベ２０は、バルブ２４が介装された配
管２２を介して成形型１１に接続され、成形型１１に設
けた窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素
ガスが導入可能に設けられている。バルブ２４を開放し
窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素ガス
を送入することにより、キャビティ１２内のエアがパー
ジされ、キャビティ１２内が窒素ガス雰囲気となって実
質的に非酸素雰囲気となる。１１ｂは成形型１１に設け
た排気口である。排気口１１ｂに、バルブ２５を介装し
た配管を介して真空装置を接続し、バルブ２５を開放し
た状態で真空装置を作動させることによってキャビティ
１２内を非酸素雰囲気とすることもできる。

【００１２】２１はアルゴンガスボンベである。アルゴ
ンガスボンベ２１は配管２６を介して金属ガスを発生す
る発生器としての加熱炉２８に接続されており、配管２
６に設けられたバルブ３０を開閉することによって加熱
炉２８内へのアルゴンガスの注入が制御される。加熱炉
２８はヒータ３２によって加熱されており、本実施形態
においては、炉内温度はマグネシウムの沸点温度以下、
かつマグネシウムの融点温度以上に設定され、炉内にお
いてマグネシウムは液体状態となっている。

【００１３】アルゴンガスボンベ２１はまた、バルブ３
３が介装された配管３４により、マグネシウム金属が収
容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管
３８により、バルブ３０よりも下流側で配管２６に接続
されている。４０は加熱炉２８へのマグネシウムの供給
量を制御するために配管３８に介装したバルブである。
タンク３６は加熱炉２８へ供給するマグネシウム金属を
収容するためのものであり、粉末状あるいは顆粒状のマ
グネシウム金属が収容されている。

【００１４】加熱炉２８は、配管４２および、ほぞ１５
に取り付けられたパイプ１６を介して成形型１１のキャ
ビティ１２に接続する。加熱炉２８でガス化されたマグ
ネシウムガスあるいはミスト状となったマグネシウム
は、配管４２に介装されたバルブ４５の開閉操作と、バ
ルブ３０によるアルゴンガス圧の制御により成形型１１
のキャビティ１２に導入される。

【００１５】図１に示す鋳造装置１０によるアルミニウ
ム鋳造は以下のようにしてなされる。まず、湯口１４に
ほぞ１５が嵌合し湯口１４が閉止された状態でバルブ２
４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経由し
て成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを注入する。
これによって、キャビティ１２内の空気がパージされ、
キャビティ１２内が実質的に非酸素雰囲気となる。キャ
ビティ１２を非酸素雰囲気とした後、バルブ２４を閉じ
る。

【００１６】成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを
注入している際、もしくは事前に、バルブ３０を開放し
てアルゴンガスボンベ２１から加熱炉２８にアルゴンガ
スを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。次い
で、バルブ３０を閉じ、バルブ３３およびバルブ４０を
開いてアルゴンガスボンベ２１からのアルゴンガス圧に
よってタンク３６内のマグネシウム金属を加熱炉２８に
送り込む。加熱炉２８は、マグネシウム金属が溶融する
温度に加熱されているから、加熱炉２８に送り込まれた
マグネシウム金属は炉内で溶融した状態となる。加熱炉
２８からは鋳造操作ごとに繰り返してマグネシウムガス
を送出するから、タンク３６からはこれらの操作に対応
できるよう、ある程度の分量のマグネシウム金属を加熱
炉２８に送り込むようにする。マグネシウム金属を加熱
炉２８に送り込んだ後、バルブ３３およびバルブ４０を
閉じる。

【００１７】次に、バルブ３０およびバルブ４５を開い
てアルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、アルゴンガ
スをキャリアガスとして加熱炉２８からパイプ１６を経
由して成形型１１のキャビティ１２にマグネシウムガス
を注入する。なお、マグネシウムガスとともにミスト状
のマグネシウムも加熱炉２８から送出される。キャビテ
ィ１２にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を
閉じ、次いでバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１１
ａからキャビティ１２に窒素ガスを注入する。キャビテ
ィ１２に窒素ガスを注入することにより、先に注入した
マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２内で反
応し、還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍ
ｇ3Ｎ2）が生成される。マグネシウム窒素化合物は主に
キャビティ１２の内壁面に析出する。

【００１８】キャビティ１２の内壁面にマグネシウム窒
素化合物が生成された状態で、ほぞ１５をあけ、湯口１
４からキャビティ１２に溶湯１８を注入する。キャビテ
ィ１２に注入されたアルミニウムの溶湯１８は、キャビ
ティ１２の内壁面に生成しているマグネシウム窒素化合
物と接触し、マグネシウム窒素化合物が溶湯表面の酸化
被膜から酸素を奪うことにより、溶湯の表面が純粋なア
ルミニウムに還元されて充填されていく（還元鋳造方
法）。溶湯の表面の酸化皮膜が還元されて純粋なアルミ
ニウムが表面に露出することによって、溶湯の流動性が
きわめて良好となる。このように湯周り性が極めて良好
となることから、従来の断熱系塗型を不要とし、また、
成形型を高温に維持する必要もないという利点を有す
る。

【００１９】また、上記のように還元鋳造方法による場
合には、きわめて短時間のうちにキャビティ１２に溶湯
１８が充填されるから、成形型１１に充填された溶湯１
８を冷却して短時間のうちに溶湯１８を凝固させるよう
にすることが有効である。成形型１１を熱伝導性の良い
材料によって製作した場合、成形型１１の型温を成形型
１１が十分な硬度を有する温度以下、たとえば１５０℃
程度以下に保持しておけば、これらの材料によって製作
した成形型を使用する鋳造方法で溶湯とのかじりを防止
して鋳造することが可能である。

【００２０】溶湯の凝固速度を、６００℃／分（成形型
１１内での溶湯の単位時間当りの温度降下）以上、好ま
しくは８００℃／分以上とするのがよい。凝固速度が大
きいほど、鋳造品の結晶構造が緻密となり、強度が増大
するので好適である。この凝固速度は、従来のＤＣに近
いものとなっている。しかし、この還元鋳造方法では、
ＤＣのようなスプラッシュまたは噴霧状充填による急冷
ではなく、層流または一部乱流状態での溶湯の充填が可
能で、内部品質も極めて良好で、後記するＤＡＳＩＩ値
も小さく、伸び、強度等の向上が得られる。

【００２１】図２は、アルミニウム鋳造において溶湯の
凝固速度を変えた場合に凝固体中の樹枝状結晶（デンド
ライト）の間隔がどのように変化するかを測定した結果
を示す。測定はキャビティ１２に充填されて凝固したア
ルミニウムの一部分を採取してサンプルとし、電子顕微
鏡によって樹枝状結晶の間隔を測定することによって行
った。図２では、横軸に凝固速度を示し、縦軸に凝固し
たアルミニウムの樹枝状結晶間隔を「ＤＡＳＩＩ値」と
して示した。

【００２２】図２から、凝固速度が約６００℃／分以上
の場合にはキャビティ１２に充填されて凝固されたアル
ミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で
２２μｍ以下となり、凝固速度が約８００℃／分以上の
場合の樹枝状結晶の間隔は平均で２０μｍ以下となる。
アルミニウムの樹枝状結晶の間隔は凝固体（鋳造品）の
緻密性に関わり、樹枝状結晶の間隔が小さくなるほどア
ルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られる鋳造品の
機械的強度が向上する。機械的強度の点から、ＤＡＳＩ
Ｉ値は２２μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下がよい。

【００２３】従来の鋳造方法においては凝固速度が遅
く、特にＧＤＣ、ＬＰＤＣでの断熱系塗型を有するもの
で特に遅くなり、偏析、ヒケ等に対する対応が困難で、
いかに指向性冷却を行うかの課題があった。その凝固速
度は１００℃／分程度で、薄肉部であっても、７５０℃
／分程度であり、後記するＤＡＳＩＩ値でも、３５〜２
０μｍのレベルでしかなかった。

【００２４】次に溶湯の充填時間について検討する。溶
湯の充填時間は、鋳造合金の材料と、上記設定される凝
固速度との関係で決まる。一般にＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ等
の鋳造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デン
ドライト結晶構造の完了まではほぼ９０℃の温度差（９
０℃の温度低下）を有する。すなわち、９０℃の温度低
下によって、凝固するということになる。この間に、キ
ャビティ１２内に溶湯充填を完了させる必要がある。凝
固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定すれば、
溶湯の充填時間は９．０秒〜２．７秒となる。

【００２５】一方、２０１７、２０２４、２６１８等の
鍛造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デンド
ライト結晶構造の完了まではほぼ４０℃の温度差を有す
る。凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定す
れば、溶湯の充填時間は４．０秒〜１．２秒となる。す
なわち、鋳造合金の材料により相違はあるが、溶湯のキ
ャビティ１２内への充填を、ほぼ１．０〜９．０秒の間
に、キャビティ１２の全ての部位に完了させないと、キ
ャビティ１２内の一部で凝固が開始され、溶湯の未充填
部分が生じる。

【００２６】現実には、キャビティ１２の各部位におい
て、肉厚、肉薄の部位があり、均等ではない。まず肉厚
部に溶湯が回り込み、凝固速度の速い薄肉部への湯周り
が遅くなることから、薄肉部で充填が完了しないうちか
ら凝固が始まるおそれがある。したがって、上記所要時
間内にキャビティ１２の全ての部位に充填が完了するよ
うに管理する必要がある。溶湯が周りにくい薄肉部があ
る場合などは、手段は問わないが、ＬＰＤＣ法と同様に
して、溶湯を加圧し、所要時間内にキャビティ１２の全
ての部位に溶湯を充填するようにするのが好適である。
そのためにまた、湯口の径、形状、位置、数などを工夫
することも重要である。

【００２７】上記凝固速度で、所要時間内にキャビティ
１２の全ての部位に溶湯が充填されるように管理するこ
とによって、もともと湯周り性が良好であることから、
キャビティ１２の微細部分にも確実に溶湯を充填するこ
とができ、溶湯の未充填等による鋳造欠陥がなくなる。
また、溶湯表面の酸化皮膜が除去されることから、鋳造
品の表面に湯じわ等が発生せず、良好な外観の鋳造品が
得られる。

【００２８】上記実施の形態では、マグネシウムガス、
窒素ガスを直接キャビティ内に導入して、キャビティ内
でマグネシウム窒素化合物を生成させたが、成形型の直
前に反応チャンバを設け（図示せず）、この反応チャン
バ内にアルゴンガスと共にマグネシウムガスと、窒素ガ
スを導入して、反応チャンバ内で反応させてマグネシウ
ム窒素化合物を生成させ、このマグネシウム窒素化合物
をキャビティ内に導入してもよい。また、上記実施の形
態では、溶湯の還元性物質として、マグネシウム窒素化
合物を例に説明したが、マグネシウム単体や、その他の
還元性物質を用いることもできる。キャリアガスもアル
ゴンガス以外の不活性ガスや非酸化性ガスを用いてもよ
い。さらに、上記実施の形態においては、アルミニウム
鋳造方法について説明したが、本発明方法はアルミニウ
ム鋳造に限定されるものではなく、種々のアルミニウム
合金、マグネシウム、鉄等の各種金属あるいはこれらの
合金を鋳造材料とする鋳造方法に適用することができ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、上述したように、溶湯
の凝固速度、溶湯の充填時間を管理してキャビティの全
ての部位に溶湯が充填されるようにすることによって、
もともと湯周り性が良好であることから、鋳造サイクル
を短縮できると共に、キャビティの微細部分にも確実に
溶湯を充填することができ、溶湯の未充填等による鋳造
欠陥がなくなる。また、溶湯表面の酸化皮膜が除去され
ることから、鋳造品の表面に湯じわ等が発生せず、良好
な外観の鋳造品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る還元鋳造方法により鋳造する鋳造
装置の構成例を示す説明図である。

【図２】アルミニウム材料について、溶湯の凝固速度に
対してＤＡＳＩＩ値が変動する測定結果を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１０鋳造装置１１成形型１１ａ窒素ガス導入口１１ｂ排気口１２キャビティ１３流路１４湯口１５ほぞ１６パイプ１７注湯槽１８溶湯２０窒素ガスボンベ２１アルゴンガスボンベ２８加熱炉３６タンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯
し、キャビティ内で溶湯と還元性物質とを接触させて溶
湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還
元鋳造法において、冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キ
ャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分以上
とし、キャビティ内へ溶湯を１．０秒〜９．０秒の充填時間で
充填することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項２】溶湯の凝固速度を６００℃／分以上にて
ＤＡＳＩＩ値を２２μｍ以下としたことを特徴とする請
求項１記載の還元鋳造方法。
【請求項３】前記凝固速度を８００℃／分以上とする
ことを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。
【請求項４】溶湯の凝固速度を８００℃／分以上にて
ＤＡＳＩＩ値を２０μｍ以下としたことを特徴とする請
求項３記載の還元鋳造方法。
【請求項５】溶湯に加圧してキャビティ内に注入する
ことで、溶湯の注入時間を１．０〜９．０秒に調整する
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の還元
鋳造方法。
【請求項６】還元性物質がマグネシウムであることを
特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の還元鋳造方
法。
【請求項７】還元性物質がマグネシウム窒素化合物
（Ｍｇ₃Ｎ₂）であることを特徴とする請求項１〜５いず
れか１項記載の還元鋳造方法。