JP2010125513A - 遠心鋳造装置および非晶質合金の遠心鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状精度に優れた非晶質合金を製造することができる遠心鋳造装置および非晶質合金の遠心鋳造方法を提供する。
【解決手段】非晶質合金を鋳造する遠心鋳造装置１０において、内部にキャビティ部１７を有する絶縁体からなる鋳造型１５と、鋳造型を回転させる型回転手段１９と、非晶質合金材料の溶湯を鋳造型に供給する溶湯供給手段１３と、鋳造型の近傍に配置された誘導加熱手段２１と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心鋳造装置および非晶質合金の遠心鋳造方法に関するものである。

従来から、遠心鋳造装置を用いて非晶質合金の鋳造物を製造する方法が知られている。このような遠心鋳造装置は、鋳型を所定回転数で回転させ、鋳型に形成されたキャビティに非晶質合金の溶湯を流し込むことにより所望の形状を有する非晶質合金の成形体を製造することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。また、結晶化しないように非晶質合金の成形体を製造するためには、キャビティ内に供給された非晶質合金材料の溶湯を急速に冷却して固化させる必要がある。
特開２００８−１２６３１３号公報

ところで、上述の特許文献１の遠心鋳造装置など従来の遠心鋳造装置では、金型を高速回転させるために、鋳型に温調機構を設けることができなかった。したがって、非晶質合金材料の溶湯を冷却させるためには金型で冷却されるが、その冷却能力は金型自体の熱伝導率によって大きく変わる。
このため、上述の特許文献１で示されているように、鋳型に銅のような熱伝導率の高い材質を用いると、キャビティに非晶質合金の溶湯を流し込む際に、冷却速度が高すぎてキャビティ全体に非晶質合金材料の溶湯を充填する前に、該溶湯が固化してしまう、いわゆる充填不良が発生し、所望の形状の非晶質合金の鋳造物が製造できない、つまり形状精度が悪くなるという問題がある。特に、薄肉形状部分を有する非晶質合金の鋳造物の製造の際に顕著である。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、形状精度に優れた非晶質合金の鋳造物を製造することができる遠心鋳造装置および非晶質合金の遠心鋳造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の遠心鋳造装置は、非晶質合金を鋳造する遠心鋳造装置において、内部にキャビティ部を有する絶縁体からなる鋳造型と、該鋳造型を回転させる型回転手段と、前記非晶質合金材料の溶湯を前記鋳造型に供給する溶湯供給手段と、前記鋳造型の近傍に配置された誘導加熱手段と、を備えたことを特徴としている。
ここで、キャビティ部とは成形品が形成される型の内部の空間部分を指しており、詳細な具体例については以下の実施形態において示す。
この発明によれば、非晶質合金材料の溶湯が、溶湯供給手段により鋳造型へ供給され、該鋳造型は型回転手段により回転させられているため、該溶湯は遠心力によりキャビティ部に向かって移動する。ここで、誘導加熱手段から発生した磁束により非晶質合金材料の溶湯は加熱されるが、絶縁体で形成された鋳造型は加熱されない。したがって、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部に充填されるまでの間、誘導加熱手段を稼動させることにより、該溶湯をキャビティ部全体に確実に充填することができる。また、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部全体に充填された後に、誘導加熱手段を停止させることにより、加熱された溶湯は、鋳造型との温度差により急速に冷却され、非晶質度の高い非晶質合金成形体を得ることができる。つまり、高い冷却性能と高い充填性を両立することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記鋳造型が低透磁率材料からなることが好ましい。
この場合、鋳造型に透磁率の低い材料を用いることによって、誘導加熱手段から発せられた磁束が、鋳造型を確実に通過して鋳造型内部に導かれる。したがって、鋳造型の内部に供給された非晶質合金材料の溶湯を加熱することができ、溶湯の充填性を高めることができる。なお、低透磁率材料とは、例えば比透磁率が２以下の材料のことをいう。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記鋳造型が高熱伝導率材料からなることが好ましい。
この場合、鋳造型に熱伝導率の高い材料を用いることによって、溶湯の誘導加熱が終了した後、非晶質合金材料の溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体を得ることができる。なお、高熱伝導率材料とは、例えば、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料のことをいう。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記鋳造型が、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも一つのセラミックスからなることが好ましい。
この場合、鋳造型がセラミックスで形成されることにより導電性が無くなるため、誘導加熱手段から発せされる磁束により加熱されるのを確実に防止することができる。また、このようなセラミックスは熱伝導率が高いため、非晶質合金材料の溶湯の誘導加熱が終了した後に溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記誘導加熱手段がコイルで構成され、該コイルまたは前記鋳造型を移動させ、前記コイルの前記鋳造型内のキャビティ部に対しての位置を変更する移動部を備えていることが好ましい。
この場合、コイルから発生する磁束の磁束密度が最も高い箇所に、鋳造型のキャビティ部が位置するように移動させることができる。したがって、非晶質合金材料の溶湯の加熱効率が高まり、誘導加熱中に溶湯が固化してしまうのを抑制することができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記誘導加熱手段が異なる形状の複数のコイルで構成されていることが好ましい。
この場合、製品ごとに準備されるそれぞれの鋳造型のキャビティ部の位置・形状に対応して複数のコイルをそれぞれ配することができる。したがって、コイルから発生する磁束の磁束密度が最も高い箇所に、鋳造型のキャビティ部が位置するように鋳造型ごとに使用するコイルを選択・設定することができる。したがって、非晶質合金材料の溶湯の加熱効率が高まり、誘導加熱中に溶湯が固化してしまうのを抑制することができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記誘導加熱手段が前記型回転手段に設けられた鋳造型の外周部を囲むコイルで構成され、前記コイルの径が鉛直下方へ向かうほど大きくなるように形成されていることが好ましい。
この場合、コイルから発生した磁場により鋳造型の内部に供給された非晶質合金材料の溶湯に渦電流が発生する。このとき、コイルの径が鉛直下方に向かうほど大きくなっているため、渦電流による磁場がコイルから発生する磁場と相反する向きに働く。つまり、コイルから回転中心の向きの斜め下方向に溶湯が移動するような方向（コイルから遠ざかる方向）に力を受ける。したがって、溶湯は鉛直下方に向けて移動しようとする力を受けるため、鋳造型の外へ溶湯が飛び散るのを抑制することができ、溶湯の充填性を高めるとともに、原材料のロスを低減することができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記キャビティ部に前記溶湯が充填されたことを確認可能な充填確認手段がさらに備えられ、充填が確認された後に、前記誘導加熱手段の出力を止めるように制御する制御部を備えていることが好ましい。
この場合、キャビティ部に溶湯が充填されたタイミングを充填確認手段により確実に把握することができるため、その後、誘導加熱手段を停止させることにより、溶湯が余計に温度上昇することを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の遠心鋳造装置では、前記充填確認手段は、前記キャビティ部に繋がって設けられた窓を通して、前記溶湯の充填を検出する光学的な検出手段であることが好ましい。
この場合、誘導加熱手段から発生する強力な電磁場の影響を受けない光学的な検出手段を用いることにより、キャビティ部に充填された溶湯の状態を確実に把握することができる。このような検出手段を用いることにより、溶湯が余計に温度上昇することを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法は、内部にキャビティ部を有し絶縁体からなる鋳造型を回転させる型回転工程と、前記鋳造型に非晶質合金材料の溶湯を供給する溶湯供給工程と、前記鋳造型内に導入した前記溶湯を誘導加熱する誘導加熱工程と、を備えていることを特徴としている。
この発明によれば、非晶質合金材料の溶湯が、溶湯供給工程により鋳造型へ供給され、該鋳造型は型回転工程により回転させられているため、該溶湯は遠心力によりキャビティ部に向かって移動する。ここで、誘導加熱工程において発生した磁束により非晶質合金材料の溶湯は加熱されるが、絶縁体で形成された鋳造型は加熱されない。したがって、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部に充填されるまでの間、誘導加熱工程を実行することにより、該溶湯をキャビティ部全体に確実に充填することができる。また、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部全体に充填された後に、誘導加熱工程を終了することにより、加熱された溶湯は、鋳造型との温度差により急速に冷却され、非晶質度の高い非晶質合金成形体を得ることができる。つまり、高い冷却性能と高い充填性を両立することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法では、前記鋳造型が低透磁率材料からなることが好ましい。
この場合、鋳造型に透磁率の低い材料を用いることによって、誘導加熱工程において発生した磁束が、鋳造型を確実に通過して鋳造型内部に導かれる。したがって、鋳造型の内部に供給された非晶質合金材料の溶湯を加熱することができ、溶湯の充填性を高めることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法では、前記鋳造型が高熱伝導率材料からなることが好ましい。
この場合、鋳造型に熱伝導率の高い材料を用いることによって、溶湯の誘導加熱工程が終了した後、非晶質合金材料の溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法では、前記鋳造型が、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも一つのセラミックスからなることが好ましい。
この場合、鋳造型がセラミックスで形成されることにより導電性が無くなるため、誘導加熱工程において発生した磁束により加熱されるのを確実に防止することができる。また、このようなセラミックスは熱伝導率が高いため、非晶質合金材料の溶湯の誘導加熱工程が終了した後に溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法では、前記溶湯供給工程の後に、前記キャビティ部に前記溶湯が充填されたことを確認する充填確認工程をさらに備え、充填が確認された後に、前記誘導加熱工程を終了するように制御することが好ましい。
この場合、キャビティ部に溶湯が充填されたタイミングを充填確認工程で確実に把握することができるため、その後、誘導加熱工程を終了することにより、溶湯が余計に温度上昇することを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

また、本発明の非晶質金属の遠心鋳造方法では、前記充填確認工程が、前記キャビティ部に繋がって設けられた窓を通して、光学的に前記溶湯の充填を確認することが好ましい。
この場合、誘導加熱工程において発生する強力な電磁場の影響を受けない光学的な方法で、キャビティ部の溶湯の充填状態を確認することにより、溶湯の充填状態を確実に把握することができる。このような方法を用いることにより、溶湯が余計に温度上昇することを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

本発明の遠心鋳造装置によれば、非晶質合金材料の溶湯が、溶湯供給手段により鋳造型へ供給され、該鋳造型は型回転手段により回転させられているため、該溶湯は遠心力によりキャビティ部に向かって移動する。ここで、誘導加熱手段から発生した磁束により非晶質合金材料の溶湯は加熱されるが、絶縁体で形成された鋳造型は加熱されない。したがって、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部に充填されるまでの間、誘導加熱手段を稼動させることにより、該溶湯をキャビティ部全体に確実に充填することができる。また、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部全体に充填された後に、誘導加熱手段を停止させることにより、加熱された溶湯は、鋳造型との温度差により急速に冷却され、非晶質度の高い非晶質合金成形体を得ることができる。つまり、高い冷却性能と高い充填性を両立することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

（第一実施形態）
次に、本発明の遠心鋳造装置の第一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１に円筒形状の遠心鋳造装置１０の断面図を示した。真空チャンバとして機能する筐体１１と、筐体１１内に配され、非晶質合金材料を溶融して溶湯を生成するとともに、該溶湯を鋳造型１５へ供給する溶融ヒータ１３（溶湯供給手段）と、溶融ヒータ１３から供給された溶湯を受け入れ、内部に形成された空洞部１７に非晶質合金の成形体を製造可能なキャビティ部（本実施形態では、キャビティ部２７（図３参照、後に詳述する。））を備えた鋳造型１５と、鋳造型１５を所定の回転数で回転可能に構成された回転軸部１９（型回転手段）と、鋳造型１５の外周面に沿って所定間隔離間して配された誘導加熱コイル２１（誘導加熱手段）と、を備えている。

図２、図３に示すように、鋳造型１５は、非導電性の材質であって比透磁率の低い材質、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）で形成されている。ここで、鋳造型１５において図４に示すような円筒状の成形体２３を製造する場合について説明する。鋳造型１５は、平面視円形に形成された型ホルダ３１と、型ホルダ３１の底面３１ａに設けられ、回転軸部１９と接続される接続部３２と、を備えている。なお、型ホルダ３１は、上下に二分割できるように構成されている（図３の破線Ｂで分割可能）。

ここで、鋳造型１５の材質について詳述する。鋳造型１５は、誘導加熱コイル２１の影響を受けないように絶縁体で、かつ、比透磁率が２以下であることが望ましい。
鋳造型１５が絶縁体で形成されることにより、誘導加熱コイル２１から発せられる磁束により加熱されることがなくなる。よって、溶湯の誘導加熱終了後に溶湯を急速に冷却することができるため、非晶質合金の結晶化を防止することができる。一方、鋳造型１５が絶縁体でない場合には、型自体が加熱されるため、溶湯の冷却速度が遅くなり、非晶質合金が結晶化してしまう。
また、鋳造型１５の比透磁率が２以下であることによって、誘導加熱コイル２１から発せられた磁束が、鋳造型１５を確実に通過して鋳造型１５の内部に導かれる。したがって、鋳造型１５の内部に供給された非晶質合金材料の溶湯を加熱することができ、溶湯の充填性を高めることができる。一方、鋳造型１５の比透磁率が２より大きい場合には、磁束が鋳造型１５内に導かれないため、溶湯が加熱されず充填性が上がらない。
さらに、鋳造型１５の材質は、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが望ましい。鋳造型１５の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上と高い場合には、溶湯の誘導加熱が終了した後、非晶質合金材料の溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体２３を得ることができる。一方、鋳造型１５の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ未満である場合には、溶湯の誘導加熱を止めた後、溶湯の冷却速度が遅く、非晶質合金が結晶化してしまう。
上述した条件に適応する鋳造型１５の材質としては、以下の表１に示すように、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３などが考えられる。

なお、マセライト（登録商標）など、熱伝導率が小さい材質を鋳造型１５に採用した場合は、充填性は良好であったが、冷却速度が不足して鋳造品に結晶化が見られた。また、導電性の材質を鋳造型１５に採用すると、鋳造型自体が発熱してしまい、成形品が非晶質にならなかった。さらに、比透磁率が高い材質を鋳造型１５に採用すると、溶湯が全く加熱されなかったため、早く溶湯が固化してしまい、十分な充填ができなかった。

また、型ホルダ３１の上面３１ｂには非晶質合金材料の溶湯が導入される溶湯導入口３３が形成されている。溶湯導入口３３は、型ホルダ３１の平面視中央部（回転軸部１９の回転中心に相当する位置）に略円形に形成されている。溶湯導入口３３から鉛直下方に穴部３４が形成されており、穴部３４の底面３５から径方向外側に向かって略トンネル形状のランナー部３６が形成され、ランナー部３６の先にはキャビティ部２７が形成されている。

図３、５に示すように、本実施形態では、空洞部１７内に、空洞部１７の外周面１７ａに当接するように配される外型２５と、外型２５の内部に配される中子２６と、をさらに備えている。それによって、図４に示すような複雑な成形体２３を製造している。なお、外型２５および中子２６は設けずに、空洞部１７の形状を製造する成形体の形状に合わせて加工してキャビティ部として構成してもよい。この外型２５と中子２６とを組み合わせると、成形体２３の形状に対応したキャビティ部２７が形成される。なお、外型２５は、型ホルダ３１と同様、上下方向に二分割できるように構成されている。また、外型２５および中子２６は型ホルダ３１から着脱可能になっており、別の形状のキャビティ部が形成された外型および中子を配することにより別の形状の成形体を製造することができる。なお、溶湯は鋳造型１５で吸熱されることによって冷却される構成であるため、キャビティ部２７の肉厚(すなわち成形体２３の厚み)に対して溶湯に触れる領域の鋳造型１５の壁の厚みを十分に厚くしておくことによって熱容量を大きくすることが有用で、例えば１０倍以上の厚みが好適である。なお、外型２５および中子２６も鋳造型１５の一部であり、材質も同様なものを使用するのが適当である。

誘導加熱コイル２１は、鋳造型１５の型ホルダ３１の外周面３１ｃに沿って所定間隔離間配置されている。誘導加熱コイル２１は、外周面３１ｃを略全面覆うことができるように軸方向の長さ（高さ）が設定されている。また、誘導加熱コイル２１の鉛直方向の位置を調節可能なコイル保持部材２８（移動部）が設けられている。なお、誘導加熱コイル２１は、筐体１１の上面から吊り下げるように支持されていてもよいし、筐体１１の側面から支持してもよい。つまり、コイル保持部材２８により誘導加熱コイル２１が軸方向に沿って上下動できるようになっていればよい。

例えば、図６に示すように、誘導加熱コイル２１を構成するコイル線の両端を筐体１１の上面に支持固定するとともに、コイル線の途中に撓み部４１を形成することにより、コイル保持部材２８で誘導加熱コイル２１を上下動させる際に、スムーズに移動させることができる。

上述した遠心鋳造装置１０を用いて成形体２３を製造する方法について説明する。
まず、溶融ヒータ１３の所定位置に非晶質合金材料を配置して、筐体１１内を真空状態または不活性ガス環境にする。

次に、溶融ヒータ１３を昇温させて、非晶質合金材料を溶融して非晶質合金材料の溶湯を生成する。また、回転軸部１９を所定の回転速度で回転させるとともに、誘導加熱コイル２１に高周波電流を供給し、誘導加熱コイル２１から磁場を発生させる。

溶融ヒータ１３で生成された非晶質合金材料の溶湯を滴下して、回転する鋳造型１５の溶湯導入口３３に供給する。溶湯導入口３３に供給された溶湯は、穴部３４の底面３５へ滴下するとともに、鋳造型１５の遠心力によりランナー部３６からキャビティ部２７へと導かれる。

導かれた溶湯は、外型２５と中子２６との間に形成されたキャビティ部２７に流れ込む。
このとき、非晶質合金材料の溶湯は、誘導加熱コイル２１から発生された磁場（磁束）により加熱されるため、鋳造型１５の熱で冷却・固化されることなくキャビティ部２７まで確実に導かれる。

キャビティ部２７に溶湯が完全に充填された後、図示しない制御部からの指示により誘導加熱コイル２１に高周波電流を流すのを停止する。
このとき、誘導加熱コイル２１から発せられた磁束により溶湯のみが加熱されており、鋳造型１５は加熱されていない。したがって、誘導加熱コイル２１への高周波電流の供給を停止すると、即座に溶湯の冷却が始まり、溶湯が急速に固化される。

そして、鋳造型１５の型ホルダ３１を二分割して、外型２５および中子２６を空洞部１７から取り出し、外型２５を二分割して成形体２３を取り出すことで、所望の鋳造品（成形体２３）を得ることができる。

本実施形態によれば、非晶質合金材料を鋳造する遠心鋳造装置１０において、鋳造型１５の外周面に沿うように誘導加熱コイル２１を備えた構成としたため、誘導加熱コイル２１から発生した磁束により非晶質合金材料の溶湯は加熱されるが、絶縁体で形成された鋳造型１５は加熱されない。したがって、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部２７に充填されるまでの間、誘導加熱コイル２１を稼動させることにより、溶湯がキャビティ部２７に充填されるまで冷却固化されることを抑制でき、溶湯をキャビティ部２７全体に確実に充填することができる。また、非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部２７全体に充填された後に、誘導加熱コイル２１への高周波電流の供給を停止させることにより、加熱された溶湯は、鋳造型１５との温度差により急速に冷却され、非晶質度の高い非晶質合金成形体２３を得ることができる。つまり、高い冷却性能と高い充填性を両立することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体２３を得ることができる。

また、鋳造型１５の材質の比透磁率が２以下のものを採用したため、誘導加熱コイル２１から発せられた磁束が、鋳造型１５を確実に通過して鋳造型１５の内部に導かれる。したがって、鋳造型１５の内部に供給された非晶質合金材料の溶湯を加熱することができ、溶湯の充填性を高めることができる。

また、鋳造型１５の材質の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・ｋ以上のものを採用したため、溶湯の誘導加熱が終了した後、非晶質合金材料の溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体２３を得ることができる。

また、鋳造型１５にセラミックスのＡｌＮを採用したため、導電性が無く、誘導加熱コイル２１から発せされる磁束により加熱されるのを確実に防止することができる。また、このようなセラミックスは熱伝導率が高いため、非晶質合金材料の溶湯の誘導加熱が終了した後に溶湯を急速に冷却することができる。したがって、非結晶度の高い非晶質合金の成形体２３を得ることができる。

さらに、誘導加熱コイル２１をコイル保持部材２８で保持するとともに、誘導加熱コイル２１を鉛直上下方向に移動可能に構成したため、誘導加熱コイル２１から発生する磁束の磁束密度が最も高い箇所に、鋳造型１５のキャビティ部２７が位置するように移動させることができる。したがって、非晶質合金材料の溶湯の加熱効率が高まり、誘導加熱中に溶湯が固化してしまうのを抑制することができる。

なお、遠心力を用いて溶湯を鋳造型１５内に充填させる従来の遠心鋳造装置では、溶湯の滴下温度が低すぎると、鋳造型１５との熱伝導によりキャビティ部２７内で早期に冷却固化するリスクが高くなる。しかし、このような冷却固化を避けるために、溶湯の滴下温度を上げると、キャビティ部２７内に充填された後、鋳造型１５との熱交換によって鋳造型１５の温度が上昇するため、冷却能力が低くなり、結晶化が生じるリスクが高まる。また、溶融の温度を高温にすると、装置負荷が大きく、溶湯の接触する鋳造型１５などの材質は、その高温そのものの影響とそれによって発生する熱衝撃、熱亀裂、焼きつきに耐えうるものに限られてくる。さらに、融点を超えて温度を極端に上昇させると、合金組成のうちの揮発性の高いものは揮発を始めてしまい、合金組成が崩れたり、結晶化したりする問題もある。本実施形態の遠心鋳造装置１０によれば、溶湯の滴下温度を極端に上げることなく、鋳造型１５の冷却能力を維持したままキャビティ部２７への充填性を高めることができる。
以上のように、本実施形態では従来の技術では困難であった課題を解決することができるという特段の効果を有するのである。

（第二実施形態）
次に、本発明の遠心鋳造装置の第二実施形態を図７〜図８に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と誘導加熱コイルの構成が異なるのみであり、その他の構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態では、空洞部１７内に外型２５および中子２６は設けずに、空洞部１７の形状が製造する成形体の形状に合わせて加工され、そこに形成された空洞部をキャビティ部１７として構成されている（以下の、実施形態において同様。）

図７に示すように、誘導加熱コイル１２１は、鋳造型１５の型ホルダ３１の外周面３１ｃを略全面覆うように配置されている。また、誘導加熱コイル１２１は、コイルの径が鉛直下方（軸方向下方）へ向かうほど大きくなるように構成されている。なお、コイル保持部材２８により誘導加熱コイル１２１が軸方向に沿って上下動できるように構成されている。

このように構成すると、図８に示すように、鋳造型１５に非晶質合金材料の溶湯Ｇを滴下する際、誘導加熱コイル１２１に高周波電流を流すと、誘導加熱コイル１２１に発生する磁場により鋳造型１５内に供給された溶湯Ｇに渦電流Ｉが生じ、溶湯の電気抵抗により溶湯自身が発熱する。

このとき、溶湯Ｇに発生した渦電流Ｉによる磁場は、誘導加熱コイル１２１に発生した磁場と反発するように発生するため、誘導加熱コイル１２１の並びから遠ざかる向きに、誘導加熱コイル１２１と溶湯との間に矢印Ａ１方向の斥力が発生する。

また、溶湯Ｇには鋳造型１５が回転することによる遠心力（矢印Ａ２）も生じるため、結果的には、溶湯Ｇに矢印Ａ３方向の外力がかかることになる。

この外力Ａ３は、斜め下方に向いていることから、通常であれば鋳造型１５の回転による遠心力Ａ２により鋳造型１５の溶湯導入口３３から溢れてしまう溶湯を、下向きの外力Ａ３により溢れるのを抑制でき、キャビティ部１７への充填性をより高めることができる。その結果、鋳造型１５の外へ溶湯が飛散することによる原材料のロスや、鋳造型１５を収容する筐体１１のメンテナンス頻度を低減することができる。

（第三実施形態）
次に、本発明の遠心鋳造装置の第三実施形態を図９に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と誘導加熱コイルの構成が異なるのみであり、その他の構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図９に示すように、誘導加熱コイル２２１は、鋳造型１５の型ホルダ３１の外周面３１ｃを略全面覆うように配置されている。また、誘導加熱コイル２２１は、コイルの径が異なる複数のコイル２２１ａ〜２２１ｃを有している。なお、コイル保持部材２８により誘導加熱コイル２２１は軸方向に沿って上下動できるように構成されている。

このように構成すると、鋳造型１５の大きさ（直径）に合わせて、コイル２２１ａ〜２２１ｃの中で最適なものを選択することができる。したがって、誘導加熱コイル２２１から発生する磁束の磁束密度が最も高い箇所に、鋳造型１５のキャビティ部１７が位置するように鋳造型１５ごとに設定することができる。したがって、非晶質合金材料の溶湯の加熱効率が高まり、誘導加熱中に溶湯が固化してしまうのを抑制することができる。
なお、本実施形態では、誘導加熱コイル２２１を移動・選択して用いる構成としているが、回転軸部１９を上下に移動して使用するコイル２２１ａ〜２２１ｃを選択したり、型ホルダ３１の接続部３２の形状を使用するコイルに合わせて変えるようにしても同様な作用効果を有する。

（第四実施形態）
次に、本発明の遠心鋳造装置の第四実施形態を図１０に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と鋳造型の構成が異なるのみであり、その他の構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、鋳造型１１５は、平面視円形に形成された型ホルダ１３１と、型ホルダ１３１の底面に設けられ、回転軸部１９と接続される接続部１３２とを備えている。なお、型ホルダ１３１は、上下方向に二分割できるように構成されている。

ここで、型ホルダ１３１のキャビティ部１７における外周面１３１ａ側には充填センサ１５０（充填確認手段）が設けられている。充填センサ１５０は、例えば、キャビティ部１７に面した側の先端に２つの端子（不図示）を有しており、この端子に非晶質合金材料の溶湯が接触すると、短絡して電気抵抗が著しく低下するようになっている。つまり、この充填センサ１５０の電気抵抗値の変化を検出することにより、キャビティ部１７内に溶湯が充填されたか否かを検出することができる。

本実施形態によれば、鋳造型１１５のキャビティ部１７に充填センサ１５０を設けたため、キャビティ部１７に溶湯が充填されたタイミングをより確実に把握することができる。したがって、キャビティ部１７に溶湯が充填された直後に、誘導加熱コイル２１に高周波電流を供給するのを停止させることにより、溶湯が余計に温度上昇したり、鋳造型１１５まで温度上昇してしまうことを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

（第五実施形態）
次に、本発明の遠心鋳造装置の第五実施形態を図１１に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と鋳造型の構成が異なるのみであり、その他の構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、鋳造型２１５は、平面視円形に形成された型ホルダ２３１と、型ホルダ２３１の底面に設けられ、回転軸部１９と接続される接続部２３２とを備えている。なお、型ホルダ２３１は、上下方向に二分割できるように構成されている。

ここで、型ホルダ２３１のキャビティ部１７が形成された位置に対応する上面２３１ａには光学窓２５０が設けられている。光学窓２５０が配された位置に対応する鉛直上方にはレーザ光を光学窓２５０に向かって照射可能なレーザ光源２５１が設けられ、レーザ光源２５１から発せられたレーザ光を集光可能なレンズ２５２と、光学窓２５０方向からの反射光を受光素子２５４方向へ方向を変換するビームスプリッタ２５３と、ビームスプリッタ２５３からの光を受光する受光素子２５４と、を備えた光学検出装置２５５が筐体１１内に配されている。

レーザ光源２５１から発せられ光学窓２５０を透過したレーザ光はキャビティ部１７に照射される。キャビティ部１７内に溶湯が充填されていない状態では、レーザ光はキャビティ部１７内で散乱するため、受光素子２５４で検出できる光量は僅かである。非晶質合金材料の溶湯がキャビティ部１７内に充填され、光学窓２５０に接する位置まで充填されると、すると、レーザ光は溶湯で反射し、その反射光がビームスプリッタ２５３でさらに一部反射して受光素子２５４に到達する。受光素子２５４では、受光したレーザ光が電気信号としてより強く検出される。つまり、この光学検出装置２５５で検出される電気信号の変化により、キャビティ部１７内に溶湯が充填されたか否かを検出することができる。

本実施形態によれば、鋳造型２１５のキャビティ部１７に光学窓２５０を設け、それとともに筐体１１内に光学検出装置２５５を配置した。つまり、誘導加熱コイル２１から発生する強力な電磁場の影響を受けない光学的な検出手段（光学検出装置２５５）を用いることにより、キャビティ部１７に充填された溶湯の状態を確実に把握することができる。また、光学検出装置２５５を用いることにより、溶湯やそれに接する型が余計に温度上昇することを抑制することができる。したがって、溶湯を短時間で冷却することができ、結晶化が起こりにくく、形状精度に優れた非晶質合金の成形体を得ることができる。

次に、上述した遠心鋳造装置１０を用いて、非晶質合金の溶湯の充填度や結晶化度を測定した結果を説明する。

非晶質合金材料としては、Ｚｒ_５５Ｃｕ_３０Ａｌ_１０Ｎｉ_５の金属ガラス材料を用いた。なお、鋳造型１５の回転数は、鋳造する材料となる非晶質合金や金属の種類、鋳造型１５の形状によって異なるが、通常１０００〜５０００ｒｐｍの範囲とすることが好ましい。本実施例では３０００ｒｐｍとした。
評価の方法と評価基準は次の通りである。
＜非晶質度＞結晶化度は、蛍光Ｘ線装置（ＸＲＤ）を用い、成形体２３の表面の数箇所を任意に設定してその箇所の結晶状態を示すピークが存在するか否かを評価した。非結晶度については、ＸＲＤ測定結果でピークが存在しない場合は、結晶化が進んでいないと考えられ、○（合格）とし、ピークが存在しない場合は×（不合格）とした。
＜充填性＞キャビティ部１７内への溶湯の充填率は、キャビティ部１７の体積および溶湯の材料の比重から求められる理想重量と、成形体２３の実際の重量とを比較して求めたものである。この充填率が、９５％以上の場合は○（合格）とし、９５％未満の場合は×（不合格）とした。
＜総合判定＞ ○：非晶質度および充填性が共に○の場合
×：非晶質度および充填性の少なくともいずれか一方が×場合

表２に示すように、上記第一実施形態〜第五実施形態に則した実施例１〜実施例５においては、充填率および結晶化度は共に合格しており、形状精度に優れた金属ガラスの成形体２３を製造することができることが確認された。一方、比較例において、鋳造型１５を銅で形成したものを用い、誘導加熱コイル２１による加熱工程を実行しない場合は、充填率が満たされないことが確認された。したがって、誘導加熱コイル２１により非晶質合金（金属ガラス）材料の溶湯を加熱することによりキャビティ部１７内への充填率を高めることができることが確認された。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、誘導加熱コイルをコイル保持部材により鉛直上下方向に移動できるように構成したが、誘導加熱コイルは固定して、鋳造型（および回転軸部）を上下動できるように構成してもよい。

本発明の第一実施形態における遠心鋳造装置の概略構成図である。 本発明の第一実施形態における鋳造型の平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態における成形体の斜視図である。 本発明の実施形態におけるキャビティ部の構成部材を示す斜視図である。 本発明の実施形態における誘導加熱コイルの概略構成図である。 本発明の第二実施形態における遠心鋳造装置の概略構成図である。 本発明の第二実施形態における非晶質合金の溶湯に作用する力を説明する説明図である。 本発明の第三実施形態における遠心鋳造装置の概略構成図である。 本発明の第四実施形態における鋳造型の概略構成図である。 本発明の第五実施形態における遠心鋳造装置の概略構成図である。

符号の説明

１０…遠心鋳造装置 １３…溶融ヒータ（溶湯供給手段） １５，１１５，２１５…鋳造型 １７，２７…キャビティ部 １９…回転軸部（型回転手段） ２１，１２１，２２１…誘導加熱コイル ２８…コイル保持部材（移動部） １５０…充填センサ（充填確認手段） ２５０…光学窓（窓） ２５５…光学検出装置（光学的な検出手段） Ｇ…溶湯

Claims (15)

1. 非晶質合金を鋳造する遠心鋳造装置において、
   内部にキャビティ部を有する絶縁体からなる鋳造型と、
   該鋳造型を回転させる型回転手段と、
   前記非晶質合金材料の溶湯を前記鋳造型に供給する溶湯供給手段と、
   前記鋳造型の近傍に配置された誘導加熱手段と、を備えたことを特徴とする遠心鋳造装置。
2. 前記鋳造型が低透磁率材料からなることを特徴とする請求項１に記載の遠心鋳造装置。
3. 前記鋳造型が高熱伝導率材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心鋳造装置。
4. 前記鋳造型が、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも一つのセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の遠心鋳造装置。
5. 前記誘導加熱手段がコイルで構成され、
   該コイルまたは前記鋳造型を移動させ、前記コイルの前記鋳造型内のキャビティ部に対しての位置を変更する移動部を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の遠心鋳造装置。
6. 前記誘導加熱手段が異なる形状の複数のコイルで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の遠心鋳造装置。
7. 前記誘導加熱手段が前記型回転手段に設けられた鋳造型の外周部を囲むコイルで構成され、
   前記コイルの径が鉛直下方へ向かうほど大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の遠心鋳造装置。
8. 前記キャビティ部に前記溶湯が充填されたことを確認可能な充填確認手段がさらに備えられ、
   充填が確認された後に、前記誘導加熱手段の出力を止めるように制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の遠心鋳造装置。
9. 前記充填確認手段は、前記キャビティ部に繋がって設けられた窓を通して、前記溶湯の充填を検出する光学的な検出手段であることを特徴とする請求項８に記載の遠心鋳造装置。
10. 非晶質合金を鋳造する非晶質合金の遠心鋳造方法であって、
    内部にキャビティ部を有し絶縁体からなる鋳造型を回転させる型回転工程と、
    前記鋳造型に非晶質合金材料の溶湯を供給する溶湯供給工程と、
    前記鋳造型内に導入した前記溶湯を誘導加熱する誘導加熱工程と、を備えていることを特徴とする非晶質合金の遠心鋳造方法。
11. 前記鋳造型が低透磁率材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の非晶質合金の遠心鋳造方法。
12. 前記鋳造型が高熱伝導率材料からなることを特徴とする請求項１０または１１に記載の非晶質合金の遠心鋳造方法。
13. 前記鋳造型が、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも一つのセラミックスからなることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の非晶質合金の遠心鋳造方法。
14. 前記溶湯供給工程の後に、前記キャビティ部に前記溶湯が充填されたことを確認する充填確認工程をさらに備え、
    充填が確認された後に、前記誘導加熱工程を終了するように制御することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の非晶質合金の遠心鋳造方法。
15. 前記充填確認工程が、前記キャビティ部に繋がって設けられた窓を通して、光学的に前記溶湯の充填を確認することを特徴とする請求項１４に記載の非晶質合金の遠心鋳造方法。

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