JP2016215257A - 加圧鋳造装置及び鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造工程を繰り返し行っても金属溶湯の清浄性を維持できる加圧鋳造装置及び鋳造方法を提供すること。
【解決手段】キャビティに充填した溶湯が凝固した後に不活性ガスを供給し、復圧してストーク内の金属溶湯を保持炉内に戻し、ストーク内に不活性ガスを導入して金属溶湯の酸化を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加圧鋳造装置及び鋳造方法に係り、更に詳細には、金属溶湯の清浄度を維持できる加圧鋳造装置及び鋳造方法に関する。

従来から、薄肉製品が製造でき、金属溶湯の加熱温度や鋳型温度を低く抑えられる鋳造法として、吸引差圧鋳造法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような吸引差圧鋳造法においては、金属溶湯が凝固し成形品が形成された後、金型キャビティや、金型を気密に保持する密閉室（チャンバ）に通じる吸引系のバルブを閉じ、大気開放バルブを開いて、キャビティやチャンバの中に空気を導入し、また保持炉の加圧状態を開放して復圧する。そうすると、鋳型の隙間や給湯管の継ぎ目等から鋳型内に空気が入り込み、鋳型と成形品との隙間等を通って湯溜まりに到達し、ストーク内の溶湯が保持炉内に戻る。

特開平６−１１４５３３号公報

このような従来の吸引差圧鋳造法においては、ストーク内を金属溶湯が下がっていく際、金型の隙間や給湯管の接続部位から酸素を含む空気を吸い込むので、金属溶湯（以下、単に溶湯ということがある。）と酸素とが接触して溶湯面に酸化膜が生成し、その清浄度が低下する。
生成した酸化膜は、鋳造欠陥の原因となるものであり、溶湯面に浮遊して次回の鋳造時（次ショット時）にキャビティに入り込み、鋳造製品の強度等の機能を低下させる。

また、上述の溶湯下降時の空気吸引により、ストーク内が酸素を含む空気で満たされてしまう。したがって、次回の鋳造時に、金属溶湯の上昇に伴って生じる金属溶湯の新生面とストーク内の酸素含有空気とが接触して、さらに溶湯を酸化し溶湯中の酸化物量を増加させる。
そして、増加した酸化物は上記溶湯面に浮遊してキャビティ内に侵入するので、上述のように鋳造製品の強度等を低下させる原因となる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋳造工程を繰り返し行っても金属溶湯の清浄性を維持できる加圧鋳造装置及び鋳造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、キャビティに充填した金属溶湯が凝固した後に復圧する際、キャビティに不活性ガスを供給し、復圧することで上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の加圧鋳造装置は、鋳型と、
金属溶湯を保持する保持炉と、
上記鋳型に形成されたキャビティと保持炉内とを連通させ、下端が上記保持炉内の金属溶湯に浸漬されたストークと、
上記保持炉内の圧力を制御する保持炉圧制御装置及び／又は上記鋳型内に形成されたキャビティの圧力を制御する吸引装置と、を備え、
さらに、不活性ガスを直接又は間接的にキャビティに供給する金属溶湯清浄度維持装置を備え、鋳型開け前に不活性ガスを供給し、復圧するものであることを特徴とする。

また、本発明の鋳造方法は、鋳型内のキャビティを減圧及び／又は保持炉内を加圧して、保持炉からキャビティに金属溶湯を充填する充填工程と、上記キャビティに充填した溶湯を金属凝固させる凝固工程と、上記金属溶湯が凝固した後に、キャビティ及び／又は保持炉の圧力を開放して溶湯を保持炉に戻す復圧工程とを有するものであり、該復圧工程が、キャビティに不活性ガスを供給し、復圧するものであることを特徴とする。

本発明によれば、溶湯が凝固した後にキャビティに不活性ガスを供給し、復圧することとしたため、ストーク内に酸素を含む空気が入り込まず、金属溶湯面の酸化防止が可能な金属溶湯清浄度維持装置を備えた加圧鋳造装置を提供することができる。

本発明の鋳造装置の一例を示す図である。 本発明の鋳造装置の他の一例を示す図である。 本発明の鋳造装置の他の一例を示す図である。 本発明の鋳造装置の他の一例を示す図である。 本発明の鋳造装置の他の一例を示す図である。 （ａ）は図５に示す鋳造装置の接続部の拡大図であり、（ｂ）は、接続面の要部平面図である。 鋳型開けの際、鋳型の下面に不活性ガスを供給する状態を示す図である。

本発明の金属溶湯清浄度維持装置を、該金属溶湯清浄度維持装置が用いられる鋳造装置と共に詳細に説明する。

＜加圧鋳造装置＞
本発明の加圧鋳造装置を図１により説明する。
本発明の加圧鋳造装置１００は、金属溶湯１を保持する保持炉２と、内部にキャビティ３１を形成する分割可能な金型で形成される鋳型３と、金属溶湯清浄度維持装置８とを備え、上記キャビティ３１と保持炉２とはストーク４により連通される。上記ストークの下端は、保持炉２内の金属溶湯１に浸漬され、保持炉２内の圧力とキャビティ３１の圧力との圧力差圧によってキャビティ３１に金属溶湯が１充填される。

上記保持炉２は気密に形成され、保持炉２内の圧力を調整する保持炉圧制御装置５が設けられる。該保持炉圧制御装置５は、二酸化炭素等の不活性ガスを圧送し、保持炉２内を加圧するポンプ等の加圧手段５１、保持炉内の圧力を開放する保持炉圧開放制御バルブ５２、保持炉加圧制御バルブ５３等を備える。

上記鋳型３には、必要に応じて中子３２を設置してもよく、さらに、鋳型全体を覆い気密状態にするチャンバ６が設けられていてもよい。

また、上記鋳型３には、キャビティ３１内のガスを吸引し減圧する吸引装置７が接続される。
上記吸引装置７は、減圧ポンプ７１、減圧タンク７２、吸引制御バルブ７３、大気導入制御バルブ７４等を備え、吸引管７５によってキャビティ３１に接続される。
上記吸引装置７は、図２に示すように、上記鋳型３に加えてチャンバ６内をも吸引するものであることが好ましい。チャンバ６内をも吸引し、キャビティ３１内の圧力と鋳型３を覆うチャンバ６内の圧力とを同程度にすることで、鋳型３の隙間からキャビティ３１内にガスが漏出することが防止される。

＜金属溶湯清浄度維持装置＞
上記金属溶湯清浄度維持装置８は、金属溶湯１の充填後、鋳型開け前に、キャビティ３１に不活性ガスを供給し、酸素等の酸化性ガスを含む空気等と金属溶湯１との接触を防止して金属溶湯１の酸化を防止するものである。
上記金属溶湯清浄度維持装置８は、不活性ガスを貯留する不活性ガスタンク８１、ブロア８２、不活性ガス供給制御バルブ８３、不活性ガス供給管８４等を有する。

キャビティ３１への不活性ガスの供給は、金属溶湯１の充填後、鋳型開け前に行う。金属溶湯１が凝固した後に、吸引制御バルブ７３を閉じ、不活性ガス供給制御バルブ８３を開いて不活性ガスを供給する。そして、大気導入制御バルブ７４や保持炉圧開放制御バルブ５２を開いて、キャビティ３１及び／又は保持炉２の圧力を開放して復圧し、ストーク４内の金属溶湯１を保持炉２内に戻すことで、ストーク４内が不活性ガスで満たされる。
すなわち、キャビティ３１に不活性ガスを供給することで、不活性ガスが、金属溶湯１が凝固することで体積収縮して生じた成形品と鋳型３との間の隙間や、鋳型の隙間等を通り、ストーク４内の溶湯面低下に伴って、ストーク４内に不活性ガスが導入される。
したがって、金属溶湯１と空気等との接触が防止され、金属溶湯１の清浄度が維持される。
なお、復圧とは、キャビティ３１内の圧力を、金属溶湯充填時の大気圧未満の減圧状態から実質的に大気圧に戻す操作、及び／又は、保持炉２内の圧力を、金属溶湯充填時の大気圧を超える加圧状態から実質的に大気圧に戻す操作を意味する。

上記キャビティ３１への不活性ガスの供給は、キャビティ３１に直接、又は、図３に示すように、チャンバ６内に不活性ガスを供給し、鋳型３の隙間等を介して間接的に行うことができる。
上記金属溶湯清浄度維持装置８の不活性ガス供給管８４は、図１、図２に示すように、キャビティ３１及び／又はチャンバ６に接続される上記吸引装置７の吸引管７５に接続されてもよい。また、上記吸引管７５とは別系統として不活性ガス供給管８４を、図３、図４に示すように、キャビティ３１及び／又はチャンバ６に直接接続してもよい。

さらに、図５に示すように、上記鋳型３と該鋳型に溶湯を供給するストーク４との接続部９の周囲に不活性ガスを供給するものであることが好ましい。
上記接続部９の周囲に不活性ガスを供給することで、金属溶湯１がストーク４内を降下する速度に対して鋳型３側からのストーク４への不活性ガスの流入が充分でなく、ストーク４内の圧力が低下して上記接続部９からストーク内にガスが流入する場合であっても、ストーク４内に空気が流入することがない。

上記接続部９への不活性ガスの供給は、不活性ガス供給管８４を用いて、上記接続部９の周囲に不活性ガスを供給し、上記接続部の周囲の空気を不活性ガスで置換することで不活性ガスを供給できる。具体的には、鋳型３とストーク４との接続部９をシールするシール部材９１に不活性ガスを吹き付けてもよいが、図６に示すように、上記シール部材９１を囲む密閉された空間を設け、該密閉空間９２に不活性ガスを供給することが好ましい。

上記密閉空間９２に供給する不活性ガスの供給圧は、上記密閉空間９２に供給する不活性ガスの圧力は、ストーク４内の圧力より高いことが好ましい。ストーク４内の圧力より高い圧力とすることで、金属溶湯１が上記接続部９以上の高さまで上昇するまでの間に、ストーク４から上記密閉空間９２内にガスが漏れることがない。

また、上記密閉空間９２に供給する不活性ガスの圧力は、上記鋳型３とストーク４との接続面９３からキャビティ下端面３３の高さに相当する溶湯圧以下であることが好ましい。
上記溶湯圧以下であることで、キャビティ３１に金属溶湯１が流入した後は、ストーク４内から接続部９にかかる圧力が上記密閉空間９２の圧力よりも高くなり、上記接続部９からストーク４内に不活性ガスが漏出することを防止でき、ガス欠陥の発生が防止される。
ここで本発明において、溶湯圧とは、所定の高さの金属溶湯柱を支えるのに必要な圧力をいう。また、接続面とは、ストーク４と鋳型３との間をシールするシール部材９１が設置される面をいい、キャビティ下端面とは金属溶湯がキャビティに流れ込む湯口の上端面をいう。

また、上記接続部９の周囲への不活性ガスの供給を、全鋳造工程を通して行うことが好ましい。全鋳造工程を通して不活性ガスを供給することで、接続部９の周囲において酸素等の酸化性ガスの濃度が上昇することがなく、ストーク４内への酸化性ガスの侵入を防止できる。
上記全鋳造工程とは、鋳型３を閉じて成形品を鋳造し、鋳型３を開いて成形品を取り出し、再度、鋳型３を閉じるまでの一連の鋳造サイクルすべての工程をいう。

さらに、型開けした鋳型３内の下面に不活性ガスを供給することが好ましい。ストーク内の不活性ガスは、金属溶湯１の熱によって膨張するため型開けに伴って上昇し、空気と置換されることがある。鋳型を開け成形品を取り出したら、鋳型３内の下面に不活性ガスを供給することで、鋳型開け前からストーク４内に存在した不活性ガスが上昇しても、金属溶湯１で熱せられていない新たな不活性ガスがストーク４内に入り込むため、金属溶湯１と空気との接触が防止される。

鋳型３内の下面への不活性ガスの供給は、図７に示すように、不活性ガス供給管８４を鋳型内に侵入させ、図示しない不活性ガスタンクに接続されたブロア８２により、鋳型３内の下面に不活性ガスを供給してもよく、また、鋳型内の下面近傍に不活性ガス供給管８４を接続することで供給してもよい。

上記不活性ガスとしては、金属溶湯１を酸化しないものであれば使用することができ、例えば、希ガス、窒素ガス、二酸化炭素等を挙げることができるが、空気よりも平均分子量が大きい二酸化炭素等であることが好ましい。
空気の平均分子量よりも分子量が大きい不活性ガスを用いることで、鋳型３を開けて成形品を取り出す際にも、ストーク４内に入り込んだ不活性ガスが空気と置換され難く、金属溶湯１の清浄度が維持される。

＜吸引鋳造方法＞
次に本発明の鋳造方法について説明する。
本発明の鋳造方法は、充填工程と、凝固工程と、復圧工程とを有する。
まず、必要に応じて中子３２を鋳型３内に設置して鋳型３を閉じて、充填工程に移行しキャビティ３１に金属溶湯１を充填する。

上記充填工程は、鋳型３内のキャビティ３１の減圧及び／又は保持炉２内の加圧により、ストーク４を介して保持炉２からキャビティ３１に金属溶湯１を充填する工程である。

キャビティ３１の減圧と保持炉２内の加圧とは、それぞれ単独で行ってもよく、また同時に並行して行ってもよいが、保持炉２内を加圧して金属溶湯１を湯口まで上昇させた後にキャビティ３１の減圧を開始し、保持炉２内の加圧とキャビティ３１の減圧とを合わせてキャビティ３１内に金属溶湯１を充填することが好ましい。
保持炉２内の加圧とキャビティ３１の減圧とを合わせて行うことで、湯廻り性が向上し鋳造欠陥の発生が防止される。

キャビティ３１に金属溶湯が１充填されたら、保持炉加圧制御バルブ５３及び／又は吸引制御バルブ７３を閉じて凝固工程に移行し、キャビティ３１及び又は保持炉２の圧力を維持したまま金属溶湯１を凝固させる。

金属溶湯１が凝固したら、不活性ガス供給制御バルブ８３を開いてキャビティ３１に不活性ガスを供給し、キャビティ３１及び／又は保持炉２の圧力を開放して、ストーク４内の金属溶湯１を保持炉２に戻す。
具体的には、キャビティ３１及び／又はチャンバ６に接続された、吸引管７５に設けられた吸引制御バルブ７３により吸引系統を閉じ、不活性ガス供給管８４の不活性ガス供給制御バルブ８３により不活性ガス供給系統を開いてキャビティ３１及び／又はチャンバ６に不活性ガスを供給する。

その後、保持炉圧開放制御バルブ５２及び／又は大気導入制御バルブ７４を開き、キャビティ３１及び／又は保持炉２の圧力を開放して復圧する。不活性ガスの供給後に圧力を開放することで、ストーク４内に不活性ガス以外の空気等が漏出することを防止できる。

その後、鋳型３を開いて成形品を取り出し、次回の鋳造工程（次ショット）に移行する。

１ 金属溶湯
２ 保持炉
３ 鋳型
３１ キャビティ
３２ 中子
３３ 下端面
４ ストーク
５ 保持炉圧制御装置
５１ 加圧手段
５２ 保持炉圧開放制御バルブ
５３ 保持炉加圧制御バルブ
６ チャンバ
７ 吸引装置
７１ 減圧ポンプ
７２ 減圧タンク
７３ 吸引制御バルブ
７４ 大気導入制御バルブ
７５ 吸引管
８ 金属溶湯清浄度維持装置
８１ 不活性ガスタンク
８２ ブロア
８３ 不活性ガス供給制御バルブ
８４ 不活性ガス供給管
９ 接続部
９１ シール部材
９２ 密閉空間
９３ 接続面
１００ 加圧鋳造装置

Claims (6)

1. 鋳型内に形成されたキャビティに金属溶湯を充填し成形する加圧鋳造装置であって、
   鋳型と、
   金属溶湯を保持する保持炉と、
   上記鋳型に形成されたキャビティと保持炉内とを連通させ、下端が上記保持炉内の金属溶湯に浸漬されたストークと、
   上記保持炉内の圧力を制御する保持炉圧制御装置及び／又は上記鋳型内に形成されたキャビティの圧力を制御する吸引装置と、を備え、
   さらに、金属溶湯の充填後、鋳型開け前に、不活性ガスを直接又は間接的にキャビティに供給する金属溶湯清浄度維持装置を備えることを特徴とする加圧鋳造装置。
2. 上記金属溶湯清浄度維持装置が、鋳型を覆うチャンバ内に不活性ガスを供給するものであることを特徴とする請求項１に記載の加圧鋳造装置。
3. 上記金属溶湯清浄度維持装置が、さらに上記鋳型と該鋳型に金属溶湯を供給するストークとの接続部の周囲に、不活性ガスを供給するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の加圧鋳造装置。
4. 上記金属溶湯清浄度維持装置が、上記鋳型と該鋳型に金属溶湯を供給するストークとの接続部の周囲に密閉空間を備え、該密閉空間に供給する不活性ガスの供給圧が、ストーク内の圧力より高く、かつ、上記鋳型とストークとの接続面からキャビティ下端面の高さに相当する溶湯圧以下であることを特徴とする請求項３に記載の加圧鋳造装置。
5. 上記金属溶湯清浄度維持装置が、上記密閉空間への不活性ガスの供給を、全鋳造工程を通して行うものであることを特徴とする請求項４に記載の加圧鋳造装置。
6. 鋳型内のキャビティを減圧及び／又は保持炉内を加圧して保持炉からキャビティに金属溶湯を充填する充填工程と、
   上記キャビティに充填した金属溶湯を凝固させる凝固工程と、
   上記金属溶湯が凝固した後に、キャビティ及び／又は保持炉の圧力を開放して溶湯を保持炉に戻す復圧工程とを有し、
   上記復圧工程が、キャビティに不活性ガスを供給し、復圧するものであることを特徴とする加圧鋳造方法。

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