JP2012106277A

JP2012106277A - 低圧鋳造装置と低圧鋳造方法

Info

Publication number: JP2012106277A
Application number: JP2010258978A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Miura; 邦明三浦; Yuzo Teruyama; 雄三照山; Makoto Asaha; 信浅葉
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-06-07

Abstract

【課題】充填密度が高く、且つ凝固時に不連続部分や空隙や気泡を包まない鋳造品を成型する。
【解決手段】溶融金属を鋳型４のキャビティ１０に低圧充填した後、この鋳型４のキャビティ１０内で溶融金属を冷却、凝固させて鋳造品を成型する。鋳型４のキャビティ１０の中に溶融金属を充填する誘導子１４と、これによりキャビティ１０の中に充填される溶融金属のレベルを検知するレベル計１７と、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御する制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は溶融金属を鋳型に充填した後、この鋳型内で溶融金属を凝固させて鋳造品を成型する鋳造装置に関し、特に、加熱した鋳型の底部の湯口からその中のキャビティに溶融金属を比較的低圧で充填し、この溶融金属を鋳型と共に冷却して硬化させて成型する低圧鋳造装置に関する。

溶融金属とキャビティとの間の圧力差を利用して、キャビティ内に溶融金属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、例えば溶融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、鋳造品を製造する方法である。この低圧鋳造法は、緻密で強度の高い金属鋳造品を得ることが出来るため、車輌の部材等に使用される金属鋳造品を製造するのに広く利用されている。下記特許文献１と特許文献２は、このような低圧鋳造法を示している。

このような低圧鋳造法は、ルツボや密閉炉内の酸化物の少ない溶融金属を静かに鋳型のキャビティ内に下から上へとガスを巻き込まずに充填することにより、気泡や酸化物を含まない鋳造品を容易に鋳造することが出来るという利点がある。さらに鋳型のキャビティ内に溶融金属を充填したとき、キャビティの奥から湯口に向かって温度低下が起こるような温度勾配を形成することにより、キャビティ奥から湯口に向けて溶融金属の凝固が起こり、最後に湯口の部分の溶融金属が凝固する。このため、キャビティ内で溶融金属が凝固して収縮した容積分だけ湯口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内で溶融金属が凝固するときに、収縮するのに起因して起こる引け鬆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造品を鋳造することが出来る利点がある。

この低圧鋳造装置においては、鋳型のキャビティ内に溶融金属を充填したとき、鋳型内で湯が踊ることなく静かに充填して気泡を巻き込まないで充填するので、５ｃｍ/ｓ程度という非常に遅い速度で充填する必要があり、この為充填した溶融金属が直ぐに冷却、凝固、硬化しないように、予め鋳型を３５０℃程度の温度に予熱しておく。製品（キャビティー）の形状と熱容量によっても違うが、予め前述の様に温度差を付けておく場合も含めて、この予熱された鋳型のキャビティ内に溶融金属を充填し、その後前記のような温度勾配を鋳型に形成しながら鋳型と共にそのキャビティ内の溶融金属を冷却し、凝固、硬化させる。

鋳型のキャビティは鋳物の外形を成型するため、その部位によって様々な形状をしており、しかもそのキャビティ内には、鋳物の内形を成型するための中子がある。従って、キャビティの底部の湯口からキャビティ内に溶融金属を充填したとき、キャビティ内で上昇する溶融金属の液面における流路断面積、すなわち、キャビティ内空間の平面積はキャビティの上下位置により異なる。一般的には、キャビティ内の底部から中子の下面に至る部分までの流路断面積は比較的広く、中子が存在するキャビティ内の中間部分で流路断面積が狭くなり、さらに中子の上のキャビティ内の上部で流路断面積が比較的広くなっている。

鋳型のキャビティ内への溶融金属の充填時において、キャビティ内の底部から中子の下面に至る流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度、すなわち流速が速すぎると、その上の中子が存在する流路断面積が比較的狭い部分に溶融金属の湯面が至ったとき、慣性で溶融金属の急激な吹き上がりが生じる。吹き上げられた溶融金属は、その後キャビティ内を流れ落ち、溶融金属の湯面にまで落てくる。このとき、吹き上げられた溶融金属がその落下時に凝固し、半ば固体の状態で溶融金属の湯面に乗るため、溶融金属の湯面に固相と液相との間に不連続な湯堺が形成される。そのため、部分的に鋳物の組織が不連続となった鋳造品が成型されてしまうという問題があった。

また、鋳型のキャビティの中のうちで、中子が存在する部分は、中子が存在しない部分に比較して上昇する溶融金属の流路断面積、すなわち平面積が狭い。そのため溶融金属が鋳型や中子から熱を奪われやすく、溶融金属の流動性が失われやすい。そのため、金属の充填密度が部分的に粗くなったり、金属の中に空隙や気泡を残しやすい。その結果、得られた鋳造品が部位によって金属の充填密度にバラツキを有していたり、或いはいわゆる巣と呼ばれる内部の空洞を含みやすいという問題がある。

また、通常の鋳造装置は、圧縮空気を送る加圧ポンプにより行うものである。密閉炉に収納した溶融金属をストークを通して湯溜めに送り、この湯溜めから鋳型のキャビティ内に充填する。その為、鋳造経過に伴って溶湯面が低下し、溶湯面と金型距離が変化し、それに相応する圧力を加えなくてはならない。その為、流路断面に比例した精度の高い圧力制御は難しく、ばらつきが生じ、そして溶湯の加圧応答性が低く、注入速度制御精度が劣るという問題もある。

特開２０００−９４１２０号公報特開平０８−３３２５６３号公報特開平０７−２１４２３８号公報特開平０７−１８５７３９号公報

本発明は前記従来の低圧鋳造装置における課題に鑑み、溶融金属のキャビティ内への充填に際し、キャビティ内での溶融金属の吹き上がりを防止し、溶融金属が乱れることなくキャビティ内に充填出来るようにし、加えて中子が存在する部分でも溶融金属の流動性を維持することが出来、これにより充填密度が高く、且つ不連続部分や気泡を包まない鋳造品を成型することが出来る低圧鋳造装置と低圧鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明は前記の目的を達成するため、鋳型のキャビティ内の溶融金属を充填するとき、キャビティ内の溶融金属の流路断面積に応じて溶融金属の上昇速度を適切に制御するものである。
すなわち、本発明による低圧鋳造装置は、溶融金属を鋳型４のキャビティ１０に低圧充填した後、この鋳型４のキャビティ１０内で溶融金属を冷却、凝固させて鋳造品を成型するものであって、鋳型４のキャビティ１０の中に溶融金属を素早く、注入速度を精度良く制御し、充填する誘導子１４と、これにより、キャビティ１０キャビティの中に充填される溶融金属のレベルを検知するレベル計１７と、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御する制御手段とを有する。

また、本発明による低圧鋳造方法は、溶融金属を鋳型４のキャビティ１０に低圧充填した後、この鋳型４のキャビティ１０内で溶融金属を冷却、凝固させて鋳造品を成型するに当たり、鋳型４のキャビティ１０の中に溶融金属を充填しながら、キャビティ１０の中に充填される溶融金属のレベルをレベル計１７で検知し、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御する。

本発明では、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くするため、キャビティ１０内での溶融金属の急激な吹き上がりを防止することが出来る。また、流路断面積が比較的狭く凝固しやすい部分で溶融金属の上昇速度を速くするため、当該部分での溶融金属の流動性を維持しやすく、流路の狭い部分のガスを押し上げながら溶融金属を充填するので、溶融金属の凝固防止と溶融金属中に取り残される気泡を追い出すことが出来る。これにより全体として金属の充填密度を高くし、金属中に取り残される気泡を無くすことが出来、金属の充填密度が均一で、且つ不連続部分や空洞を含まない鋳造品を成型することが出来る。

低圧鋳造装置の一実施例を示す断面図である。低圧鋳造装置における溶融金属の湯面上昇制御の一例を示すブロック図である。低圧鋳造装置における溶融金属の湯面上昇制御の一例を示すタイムチャートである。低圧鋳造装置の他の実施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、溶融金属のキャビティ内への充填時に、キャビティ内の溶融金属の流路断面積に応じて溶融金属の上昇速度を適切に制御するようにした。
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り、鋳型４への溶融金属の汲み上げを溶融金属電磁ポンプにより行う実施例を示している。
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の上に下鋳型５と上鋳型６とからなる鋳型４が配置されている。下鋳型５と上鋳型６との合わせ面にそれぞれ空間部が形成されており、この下鋳型５と上鋳型６とを重ね合わせたときに、前記空間部が鋳造品の形状のキャビティ１０となる。またこのキャビティ１０内には中子７が収納されている。図示の例では、この中子７は空洞を有しているが、そのような空洞が無い場合もある。

前記ストーク８の上端は鋳型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。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、溶融金属を鋳型４のキャビティ１０内に充填する。
鋳型４には湯面センサ等のレベル計１７が設けられており、このレベル計１７により、湯口９から鋳型４内のキャビティ１０の中に充填される溶融金属のレベルが検知される。

誘導子１４は、セラミクス等の耐熱性材料からなる保護ケース１６に覆われており、この保護ケース１６の下端にストーク８の下端が密に接合されている。従って誘導子１４は、ルツボ２内の溶融金属とは接触しない。ルツボ２内の溶融金属は、保護ケース１６の下端に接合されたストーク８の下端から流入し、誘導子１４によりストーク８の内部に発生する移動磁界によりストーク８内の溶融金属にで上方へ推力が与えられ、鋳型４の湯口９からキャビティ１０に送り出される。保護ケース１６の中のストーク８の周囲にヒータ３’が設けられ、ストーク８が加熱され、その中の溶融金属が凝固しない様になっている。

前記誘導子１４は、前記レベル計１７により検知されるキャビティ１０内の溶融金属のレベルにより制御され、溶融金属のキャビティ１０内への単位時間当たりの充填量が制御される。この制御系統を図２に示しており、誘導子１４の駆動電源１８がレベル計１７により検知されるキャビティ１０内の溶融金属のレベルをもとに制御器２１によって制御されることを表している。この制御器２１には、レベル計17で制御されたパターンが記録され、繰り返し同じパターンで充填することが出来る記録装置が内蔵されている。鋳型４にはレベル計17用の観察孔があり、この観察孔は溶融金属が詰まりやすいので、ガラス等が嵌めこまれていて、溶融金属の吹き上がりを防止している。ガラスは溶融金属が付着しやすく、程なく中が見えなくなるので良好な注入パターンを記録しておく必要があり、制御器２１にはこの記録装置が内蔵され、制御性の良い電磁ポンプの出力を同一制御パターンで制御する様になっている。

具体的には、鋳型４の湯口９からそのキャビティ１０内に溶融金属を充填しながら、キャビティ１０内に充填される溶融金属のレベルをレベル計１７で検知し、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御する。

図１に示すように、キャビティ１０内を中子７が存在しない上下の部分Ａ、Ｃと中子が存在するその中間の部分Ｂに分けたとき、その各部位Ａ〜Ｃにおける溶融金属の上昇速度の制御チャートを示したのが図３である。この図３に示すように、中子が存在する中間の部分Ｂではキャビティ１０内での溶融金属の上昇速度を速くするが、その前後の部分Ａ、Ｃではキャビティ１０内での溶融金属の上昇速度を遅くしている。

キャビティ１０の中のうちで、中子７が存在する部分Ｂは、中子７が存在しない部分Ａ、Ｃに比較して上昇する溶融金属の流路断面積、すなわち平面積が狭い。そのため溶融金属が鋳型４や中子７から熱を奪われやすく、溶融金属の流動性が失われやすい。また凝固しやすいため、金属の中に空隙や気泡を残しやすい。そのため、この部分Ｂで溶融金属の上昇速度を速くし、溶融金属の凝固を防止すると共に、空隙や気泡を残さず放出しやすくする。

キャビティ１０内の中子７が存在しない部分Ａ、Ｃについては、溶融金属の流路断面積が比較的広いため、溶融金属の流動性が失われにくい。しかしこの部分で溶融金属の上昇速度を速くすると、部分Ａにおいては、溶融金属が中子７の存在する部分Ｂに達した時に、部分Cついては部分Ｂを通過したとき溶融金属の吹き上がりが生じやすい。そこで、この中子７が存在しない部分Ａ、Ｃについては、溶融金属の上昇速度を遅くする。
以上のような溶融金属の充填タイムチャートを図３に示す。図３では、タイムチャートを（Ａ）と（Ｂ）の２例示している。

図４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から鋳型４のキャビティ１０内に充填する実施例である。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、溶融金属を鋳型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１により前述した実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。この実施例でも前述したように、中子が存在する中間の部分Ｂでキャビティ１０内での溶融金属の上昇速度を速くし、その前後の部分Ａ、Ｃではキャビティ１０内での溶融金属の上昇速度を遅くする。

本発明は、加熱した鋳型のキャビティに溶融金属を低圧で充填し、この溶融金属を鋳型と共に冷却して硬化させて成型する低圧鋳造の分野に適用することが出来る。特に成型時の充填密度が均一で内部の空洞が少ない精度の高い鋳造品をすることが出来る低圧鋳造装置と方法として適用することが出来る。

４鋳型
７鋳型の中子
１０鋳型のキャビティ
１４誘導子
１７レベル計
２１制御器

Claims

ストーク８内の溶融金属に推力を与えて同溶融金属を供給し、この溶融金属を鋳型４のキャビティ１０に低圧充填した後、この鋳型４のキャビティ１０内で溶融金属を冷却、凝固させて鋳造品を成型する低圧鋳造装置において、ストーク８内の溶融金属を押し上げて鋳型４のキャビティ１０の中に溶融金属を充填する誘導子１４と、この誘導子１４によりキャビティ１０の中に充填される溶融金属のレベルを検知するレベル計１７と、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御する制御手段と繰り返しその制御パターンを記憶して制御を繰り返す制御手段を有することを特徴とする低圧鋳造装置。
ストーク８内の溶融金属に推力を与えて同溶融金属を供給し、溶融金属を鋳型４のキャビティ１０に低圧充填した後、この鋳型４のキャビティ１０内で溶融金属を冷却、凝固させて鋳造品を成型する低圧鋳造方法において、誘導子１４によりストーク８内の溶融金属を押し上げて鋳型４のキャビティ１０の中に溶融金属を充填しながら、キャビティ１０の中に充填される溶融金属のレベルをレベル計１７で検知し、このレベル計１７により計測される溶融金属のレベルにより、キャビティ１０内の流路断面積が比較的広い部分で溶融金属の上昇速度を遅くし、流路断面積が比較的狭い部分で溶融金属の上昇速度を速くするよう制御することを特徴とする低圧鋳造方法。