JP2011016166A

JP2011016166A - 鋳造装置

Info

Publication number: JP2011016166A
Application number: JP2009164193A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Miura; 邦明三浦; Makoto Asaha; 信浅葉; Tatsuo Machida; 辰雄町田
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】金型の湯口を常に高い温度に保持することが可能であると共に、湯口を加熱するための湯溜めが不要であり、これにより脱型毎の溶融金属の炉側はの戻しも必要がなく、鋳造サイクルを短くすることが可能であると共に、溶融金属に酸化物が発生しにくい鋳造装置。
【解決手段】鋳造装置は金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属をストーク８を介して金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する。金型４の湯口９に至るその手前の溶融金属の流路をヒータ１８で加熱される蓄熱体１７で囲んでいる。金型４の湯口９に至るその手前の溶融金属の流路にセラミックコーティングが施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属を金型に充填した後、この金型内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置に関し、特に鋳物成型後の金型の脱型時における金型の湯口側での溶融金属の冷却、硬化を防止し、鋳造サイクルの短縮化、鋳造歩留まりの向上を図った鋳造装置に関する。

溶湯と鋳物形状のキャビティとの間の圧力差を利用して、キャビティ内に溶湯を充填して鋳造する方法に、低圧鋳造法、差圧鋳造法及び減圧鋳造法等がある。このうち低圧鋳造法は、溶解金属を収納した密閉炉に不活性ガスや二酸化炭素等のガスによる比較的低い圧力を付加し、この圧力で密閉炉内の溶融金属をストークを介して上方に押し上げ、密閉炉の上位に配置された鋳型に溶融金属を充填し、鋳物を製造する方法である。この低圧鋳造法は、車輌の部材等に使用されるアルミニウム合金等の鋳物製品を製造するのに広く利用されている。

図６は従来の低圧鋳造装置を示す断面図である。気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの図示してない供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボ２の外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。

このような鋳造装置においては、不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８を介して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。

図７は密閉炉１に収納した溶融金属をストーク８’を通して湯溜め１２に送り、この湯溜め１２から金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８’から湯溜めに至る部分は溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ３で加熱される。その他の構成は基本的に図６の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図８は図６により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図６の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図９は図７により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８‘の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８’の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８‘の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図７の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

このような低圧鋳造装置において、金型４のキャビティ１０内で溶融金属が凝固したとき、凝固収縮した容積分の溶融金属が金型４の湯口９を通して常に供給されなければならない。そのために図６や図８で示すように、湯口９に接続されたストーク８が、それぞれルツボ２側から熱輻射で加熱され、ヒータ３‘で直接加熱されるようにしている。また図７や図９で示すように密閉炉１から離して金型４を配置しているものでは金型４の下に湯溜め１２を設け、この湯溜め１２をヒータ３で加熱している。このような構造とすることにより、金型４は温度の高い順に湯口９、下金型５、上金型６の順で温度勾配が形成され、キャビティ１０内の溶融金属は上から下へと凝固していき、最後に湯口９の溶融金属が凝固するという指向性凝固がなされる。この間に凝固収縮した容積分の溶融金属は湯口９側からキャビティ１０内に供給される。これによりいわゆる引け巣や引け緩みの無い鋳物を鋳造することが出来る。

低圧鋳造法は、ガスを巻き込まずにルツボ２や密閉炉１’内の酸化物の少ない溶融金属を静かに金型４のキャビティ１０内に下から上へと充填することにより、気泡や酸化物を含まない鋳物を容易に鋳造出来る利点がある。さらに前記のような温度勾配により、キャビティ１０内で上から下へと溶融金属の凝固が起こり、最後に湯口９の部分の溶融金属が凝固することにより、キャビティ１０内で溶融金属が凝固して収縮した容積分だけ湯口９から溶融金属を追加して充填される。これによりキャビティ１０内で溶融金属が凝固中に引け巣や引け緩みが起こらない。これらの理由から低圧鋳造法では重力鋳造法やダイカスト法等の他の鋳造法に比べて良質の鋳物を鋳造することが出来る。

しかし低圧鋳造法では金型４の熱容量が大きいうえに、ストーク８や湯溜め１２にある溶融金属からの熱伝導により金型４に絶えず熱供給される。また溶融金属が凝固するときに放出される凝固潜熱により鋳造サイクル毎に金型４が温度上昇する。これらが原因でキャビティ１０内に充填した溶融金属が凝固しにくい。キャビティ１０内で溶融金属が凝固し、それが或る程度の強度になる温度、例えばアルミニウムの場合では４００℃以下にならないと変形させずに鋳物を金型から取り出すことが出来ないので、１サイクルの鋳造時間が長くなってしまう。

鋳造サイクルが短く、量産性が高いダイカストの例では、金型のキャビティ内に溶融金属を射出、充填し、これを凝固させた後、脱型して鋳物を取り出し、キャビティの内面に離型剤を塗布し、金型を閉めるまでの１鋳造サイクルは小さい鋳物で数十秒程度であり、大きい鋳物でも数分以内である。これに対し、一般的に低圧鋳造では１鋳造サイクルが７分〜１０数分かかる。

低圧鋳造において重要なのは前述した金型の温度勾配である。すなわち鋳物に引け巣や引け緩みを生じさせないようにするためにはキャビティ１０の中に充填された溶融金属がまず湯口９から最も遠い位置から凝固を始め、最後に湯口９の部分で凝固することが必要となる。そのためには温度が高い順に湯口９、下金型５、上金型６の順で温度勾配を形成することが特に重要である。例えばストーク８を交換した後、その予熱が十分で無い場合には湯口９の温度が下がり、溶融金属が凝固してキャビティ１０を塞いでしまうこともある。これを防ぐためには湯口９やストーク８の上端部の温度測定を行う必要がある。しかし温度測定に一般に使用される熱電対は溶融アルミニウム等の溶融金属に弱く、保護管で覆って測定をしなければならないため、湯口９やストーク８の上端部の温度を直接且つリアルタイムで測定することが出来ず、温度測定値に誤差やタイムラグが入ってしまう。

金型は一般に鋼材で作られており、熱容量が大きく、昇降温に時間がかかる。例えば鋳造準備の昇温では１〜２時間のガスバーナー加熱で２００℃程度の温度に予熱してから鋳造を開始する。鋳造サイクルを繰り返していくと金型の温度が徐々に上昇していくが、所定の定常温度（アルミニウムの鋳造の場合は約３５０℃）以上に金型の温度が高くならないように、金型やその周辺部材は自然放熱がなされ、飽和温度となるように設計されている。しかしこれでは金型の湯口にある溶融金属からの熱供給によってキャビティ内の変形させずに鋳物を脱型出来る温度（アルミニウムの鋳造の場合は３５０℃ ）以下に降温するのに時間がかかってしまう。

また逆にキャビティ内の鋳物を変形しない温度まで降下させたとき、湯口の手前にあるストークや湯溜めの温度が金型側に奪われてしまい、溶融金属の凝固点付近まで温度が下がってしまう。この温度で金型に溶融金属を注入すると溶融金属がキャビティの中で一部凝固し、これが溶融金属のキャビティ内での流動を妨げるいわゆる湯回り不良が起こしてしまう。よってそのまま溶融金属をキャビティに充填することは出来ないので、一旦ストークや湯溜めの溶融金属を密閉炉１、１’側に戻して再加熱してから再供給するという面倒な操作が必要となる。またこのとき湯溜めやストークに空気が入り込み、溶融金属の空気と接触する部分に酸化物が出来てしまい、酸化物の除去作業等のメンテナンスが必要となる。

湯溜め１２を大きくすれば溶融金属の温度低下を抑えることが出来るが、装置が大形になってしまう。この湯溜めは金型の湯口を加熱し、この湯口から金型の上にいくに従って次第に温度が低くなるような温度勾配を形成する必要から、金型の下に配置しなければならない。そのため低圧鋳造装置ではダイカスト鋳造機のように金型を横に置いて鋳造することが出来ない。金型を湯溜めの上に配置すると金型の位置は必然的に高くなる。それだけ金型の取り付け、金型の開閉を行うための油圧機構等も高い位置に配置しなければならず、操作やメンテナンスが面倒である。

特開２００６−３３４６７１号公報特開平０７−１１６８１８号公報特開平０８−１５５６２９号公報特開平０８−３１８３６１号公報特開平０９−９４６５３号公報

本発明は前記従来の鋳造装置における課題に鑑み、金型の湯口を常に高い温度に保持することが可能であると共に、湯口を加熱するための湯溜めが不要であり、これにより脱型毎の溶融金属の炉側への戻しも不要となり、鋳造サイクルを短くすることが可能であると共に、溶融金属に酸化物が発生しにくい鋳造装置を提供することを目的とする。

本発明では前記の目的を達成するため、キャビティの湯口に溶融金属を導く流路部分に熱容量の大きな蓄熱体を設け、この蓄熱材としては穴加工などの機械加工が出来てヒータを取り付けやすい鋳鉄や無機系蓄熱材である酸化マグネシウム等を鋳鉄で鋳ぐるだ成型体を用い、この蓄熱体をヒータで加熱して湯口の温度の維持を図るようにした。これにより、脱型時に湯口の温度の低下を防ぎ、湯口の手前にある溶融金属を炉側に戻す必要がなくなり、鋳造サイクルの短縮化、溶融金属の酸化物の発生防止等を可能とした。

金型の湯口にストークを接続し、このストークの湯口側の周囲に蓄熱体を設けてもよいが、蓄熱体の内壁を溶融金属の流路とし、これにストークを接続してもよい。後者の場合は、蓄熱体に囲まれた溶融金属の流路の内面はセラミックコーディングを施すか或いは蓄熱体の中に肉薄のセラミック管を挿入するとよい。ストークがセラミックからなる場合は、ストークの一部がそのセラミック管を兼ねることも出来る。

以上説明した通り、本発明による鋳造装置では湯溜めに湯口の保温のための機能を持たせる代わりに、ヒータによる加熱される蓄熱体を湯口の手前の流路に配置したので、脱型時に湯口の手前の溶融金属が冷却されず、溶融金属を一旦炉側に戻す動作が不要となる。また、蓄熱体をヒータで加熱することによって金型側の温度降下を防ぐことが出来るので、いわゆる湯回り不良も防止出来る。溶融金属を一旦炉側に戻す際に生じていた溶融金属の酸化物も発生しない。これらにより鋳造サイクルの短縮と鋳造歩留まりの向上を図ることが出来る。

本発明による鋳造装置の一実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。鋳造装置の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。

本発明ではその目的を達成するため、金型の湯口の手前の流路に蓄熱体を配置し、これをヒータで加熱して湯口を保温するようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は本発明による低圧鋳造装置の一実施例を示す断面図である。この低圧鋳造装置の構成は基本的に図６により前述した従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボの外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。

このような鋳造装置において、ストーク８とこれに続く金型４の湯口９との間に蓄熱体１７を設ける。蓄熱体１７の中心は空孔となっていて、その部分がストーク８と金型４の湯口９との間の溶融金属の流路となっている。この流路の内面にはセラミックコーティング１９を施す。このセラミックコーティング１９に替えて蓄熱体１７の中心の溶融金属の流路にセラミック管を内装してもよい。
この蓄熱体１７にはそれを加熱するヒータ１８を設ける。例えば図１に示すように棒状のカートリッジヒータ１８を蓄熱体１７に埋め込む。

このようなヒータ１８で加熱される蓄熱体１７を金型４の湯口９の手前に配置することにより、金型４の湯口９の温度が維持され、金型４には湯口９、下金型５、上金型６の順で温度が高い温度勾配が形成される。これによりキャビティ１０内の溶融金属は上から下へと凝固していき、最後に湯口９の溶融金属が凝固するという指向性凝固がなされる。このとき凝固収縮した容積分の溶融金属は湯口９側からキャビティ１０内に追加供給される。よっていわゆる引け巣や引け緩みの無い鋳物を鋳造することが出来る。

この鋳造装置で鋳物を鋳造する場合は不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８を介して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。この鋳物を取り出すための脱型のときに湯口９が前記蓄熱体１７で温度が維持されるため、湯口９の手前にある溶融金属をルツボ２側に戻す必要がなくなる。

図２は密閉炉１’に収納した溶融金属を密閉炉１’からその外部に引き出したストーク８を通して金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１’の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１’の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８は密閉炉１’から金型４のキャビティ１０の湯口９に至るまで連続して設けられている。このストーク８には溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ９で加熱される。さらにストーク８の金型４の湯口９に近い部分の周囲には蓄熱体１７が設けられている。換言するとストーク８のその部分が蓄熱体１７により囲まれている。

この蓄熱体１７にはそれを加熱するヒータ１８を設ける。例えば棒状のカートリッジヒータ１８を蓄熱体１７に埋め込む。ストーク８の内面にはセラミックコーティング１９を施すが、ストーク８がセラミックからなる場合はその必要は無い。その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図３は図１により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、これを金型４のキャビティ１０内に充填する。また蓄熱体１７の中心の溶融金属の流路にはセラミックコーティングに替えてセラミック管１９’が内装されている。その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図４は図２により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、ストーク８の途中に設けた溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわち密閉炉１’のストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図２の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図５は図２により前述した従来の鋳造装置において、金型４を横方向に配置した横型射出鋳造装置を示したものである。金型４の湯口９も横に開くため、ストーク８の湯口側は横向きとなり、この部分の周囲に蓄熱体１７が配置される。この蓄熱体１７にそれを加熱するヒータ１８を設けることは前述した図２の実施例と同じである。
この実施例では金型４が横向きなので、同金型４を取り付けたり或いは上金型を開いて脱型するための油圧機構を金型４の横に配置することが出来る。これにより同油圧機構を低い位置に設置出来る利点がある。

さらにこの図５に示した実施例では図２の実施例と異なり、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、密閉炉１’の中の溶融金属に浸漬した錘２１とストーク８の途中に設けた溶融金属電磁ポンプにより行う。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。また密閉炉１’の中の溶融金属に錘２１を浸漬し、この錘２１の上下動によりストーク８側の溶融金属の液位を調整する。

密閉炉１’内の錘２により同密閉炉１’内の溶融金属をストーク８側に押し出し、ストーク８内の溶融金属が誘導子１４による誘導磁界が作用する液位、具体的には溶融金属の液位が誘導子１４を越える液位とする。この状態で誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、これを金型４のキャビティ１０内に充填する。
その他の図５に示した実施例の構成は基本的に図２の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

本発明は、鋳造準備及び鋳造サイクルの時間を短くして歩留まり良く鋳物の鋳造を行うことが出来るので、車輌の部材等に使用されるアルミニウム合金等の鋳物製品を能率よく製造するのに利用することが可能である。

４金型
８ストーク
９金型の湯口
１７蓄熱体
１８ヒータ
１９セラミックコーティング
１９’ セラミック管

Claims

金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属をストーク８を介して金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置において、金型４の湯口９に至るその手前の溶融金属の流路をヒータ１８で加熱される蓄熱体１７で囲んだことを特徴とする鋳造装置。
金型４の湯口９に至るその手前の溶融金属の流路にセラミックコーティング１９を施したことを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
金型４の湯口９に至るその手前の溶融金属の流路にセラミック管１９’を内装したことを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
湯溜めによらず蓄熱材で金型４の湯口９からその奥部にわたる指向性を有する様な温度勾配を発生させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鋳造装置。
湯口９を横向きに向けて金型４を配置したことを特徴とする請求鋼に記載の横型射出鋳造装置。