JP3604347B2 - 還元鋳造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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っている。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人は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開発した。この還元鋳造方法を適用した例であるアルミニウムの鋳造では、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、溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造する。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ことによって、溶湯がキャビティの表面に接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜が還元され溶湯の表面張力が低減し、溶湯の流動性と濡れ性が向上して、溶湯の未充填等の鋳造欠陥は湯じわのないすぐれた外観の鋳造製品を製造することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の還元鋳造方法では、マグネシウム窒素化合物といった還元性化合物を溶湯に作用させることによって溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元することが特徴である。この還元性化合物は還元性が強いことから非酸素雰囲気下で生成する必要があるが、同時に成形型のキャビティ内に存在する水分と反応しやすく、これによって還元性を喪失するという問題がある。マグネシウム窒素化合物は水分と反応して酸化マグネシウムになりやすく、酸化マグネシウムとなった場合は還元性化合物本来の還元性を失ってしまう。
【０００５】
このように、成形型のキャビティ内に導入された還元性化合物あるいはキャビティ内で生成された還元性化合物が還元性を失ってしまうと、溶湯の表面の酸化皮膜を還元して鋳造する機能が作用しなくなり、所要の還元鋳造ができなくなる。たとえば、湿度が高い季節に、作業環境の湿度制御等を行っていない場合には、成形型のキャビティ内も湿度が高くなるためにキャビティ内に析出した還元性化合物の還元作用が作用しなくなり、所要の還元鋳造がなされなくなるといった場合がある。このように、還元性化合物による還元作用が発揮されない場合には、通常の重量鋳造法等による鋳造方法と何ら変わらなくなるため、溶湯の湯周り性が向上するといった還元鋳造方法の利点が得られなくなる問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解消すべくなされたものであり、その目的とするところは、還元鋳造において還元作用を利用する目的で使用する還元性化合物の還元性が損なわれることを防止し、溶湯の表面の酸化皮膜を確実に還元することができ、これによって効果的な還元鋳造を可能にする還元鋳造方法を提供するにある。
【０００７】
【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、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、前記キャビティ内に還元性化合物を導入し、次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする。
また、前記キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に還元性化合物を導入することを特徴とする。
また、前記金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に還元性化合物としてマグネシウム窒素ガスを導入して鋳造することを特徴とする。
【０００８】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、前記キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で前記還元性化合物を生成し、次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする。
また、前記キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成することを特徴とする。
また、前記乾燥気体として、反応性ガスを使用することを特徴とする。
また、前記金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成して鋳造することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法をアルミニウムの鋳造に適用した鋳造装置１０の全体構成を示す説明図である。
１２はアルミニウムまたはアルミニウム合金を注湯して鋳造品を得る成形型である。成形型１２には湯口１２ａ、キャビティ１２ｂ、金属ガス導入口１２ｃ、押湯部１６、排気孔２５が設けられている。
【００１０】
成形型１２は配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、配管２２のバルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスが注入され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気として実質的に非酸素雰囲気とすることができる。この場合、窒素ガスとして乾燥ガスを使用することによって、キャビティ１２ｂ内を除湿することができる。また、成形型１２の窒素ガス導入口１２ｄに配管２２を介してエアボンベ１８を接続し、キャビティ１２ｂの除湿用に乾燥空気をキャビティ１２ｂに導入するように構成することも可能である。
【００１１】
アルゴンガスボンベ１９は、配管２６によっ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２６に設けられたバルブ３０を開くことによって加熱炉２８内にアルゴンガスが注入される。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、金属ガスとしてのマグネシウムガスを発生させるため、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上にされている。バルブ３０を調節して加熱炉２８に注入されるアルゴンガス量を調整することができる。
【００１２】
アルゴンガスボンベ１９は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末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によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８には加熱炉２８へのマグネシウム粉末の供給量を制御するバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１２ｃに接続されており、加熱炉２８でガス化されたマグネシウムガスは金属ガス導入口１２ｃを介してキャビティ１２ｂ内に導入される。配管４２に介装したバルブ４５は、成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する金属ガスの供給量を調節するためのものである。
【００１３】
本実施形態の鋳造装置１０を用いたアルミニウムの鋳造は次のようにして行われる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによって排出する。キャビティ１２ｂ内の空気は成形型１２の排気孔２５から排出され、キャビティ１２ｂ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。
この窒素ガスによってキャビティ１２ｂ内の空気を排出する目的は、キャビティ１２ｂを非酸素雰囲気とすることと、キャビティ１２ｂ内を除湿することである。このため、窒素ガスとして乾燥ガスを使用し、除湿しながらキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とする。
【００１４】
キャビティ１２ｂ内を除湿する方法としては、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、エアボンベ１８から窒素ガス導入口１２ｄを経由してキャビティ１２ｂ内に乾燥空気を注入し、キャビティ１２ｂ内を除湿した後、窒素ガスボンベ２０からキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入するようにしてもよい。乾燥空気によってキャビティ１２ｂ内の空気を排出し、キャビティ１２ｂ内を十分に除湿することにより、窒素ガスとしてとくに乾燥ガスを使用することなくキャビティ１２ｂ内を所定の湿度以下に制御することができる。
また、窒素ガス以外の還元性化合物と反応しない気体、たとえばアルゴンガス等の乾燥気体をキャビティ１２ｂ内に注入し、キャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とするとともに除湿するように構成することももちろん可能である。
また、この鋳造装置１０が設置されている環境を除湿された環境とし、少なくともキャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下となるように周辺環境を保つことが有効である。
【００１５】
一方、成形型１２のキャビティ１２ｂ内の空気を排出している間に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ１９から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４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内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粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００１６】
次に、バルブ４０を閉じ、バルブ３０およびバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ成形型１２の金属ガス導入口１２ｃからマグネシウムガスをキャビティ１２ｂ内に注入する。
キャビティ１２ｂ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、バルブ２４を開放して窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応しマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。マグネシウム窒素化合物はキャビティ１２ｂの内壁面に粉体として析出する。
【００１７】
窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に注入する際には、窒素ガスの圧力および流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することもよい。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００１８】
成形型１２のキャビティ１２ｂの内壁面に析出したマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）はきわめて還元性の高い化合物である。本実施形態の鋳造装置１０では、キャビティ１２ｂ内をあらかじめ除湿した環境としているから、キャビティ１２ｂ内で生成されたマグネシウム窒素化合物がキャビティ１２ｂ内の水分と化合することが防止でき、マグネシウム窒素化合物の還元性を保持することが可能となる。
【００１９】
図３は、マグネシウム窒素化合物と水分との反応性が湿度によってどのように変化するかを示したグラフである。マグネシウム窒素化合物は湿度が高くなるとともに反応性が高くなり、湿度が低くなるとともに反応性が低くなる。還元鋳造方法において好適な還元鋳造を可能にする湿度としては７０％以下、とくに好適には６５％以下となる。したがって、キャビティ１２ｂ内を除湿する際には、キャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下、とくに好適には６５％以下とするのがよい。
【００２０】
キャビティ１２ｂ内でマグネシウム窒素化合物を生成した後、バルブ２４を閉じ、成形型１２の湯口１２ａからアルミニウムの溶湯を注湯する。溶湯は湯口１２ａから押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂに注入される。溶湯の注入は、キャビティ１２ｂ、押湯部１６および湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
溶湯を注入した際に、アルミニウムの溶湯はキャビティ１２ｂの内壁面に析出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の表面の酸化皮膜から酸素を奪うことによって、溶湯の表面が純粋なアルミニウムに還元される。
さらに、キャビティ１２ｂ内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。このようにして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、かつ安定な化合物であるため、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えることはない。
【００２１】
還元鋳造方法は、溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪いとって純粋な金属の表面を形成させながらキャビティ１２ｂに溶湯を充填させて鋳造する方法であり、本実施形態の場合にはマグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪いとり、溶湯の表面を純粋なアルミニウムとして鋳造する。したがって、キャビティ１２ｂ内をあらかじめ除湿してキャビティ内の水分によって還元性化合物の還元性を損なわないようにすることは効果的な還元鋳造を行う上できわめて重要である。
溶湯の表面に酸化皮膜を形成させることなく鋳造できることから、鋳造工程中に溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することが防止でき、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にすることができる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性（平滑性）に優れ、湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることが可能となる。
【００２２】
また、溶湯の湯周り性がきわめて良好となることから、従来の重力鋳造法で成形型に設けている大容積の押湯部を設ける必要がない。溶湯の湯周り性、流動性が良いため、押湯部による押湯作用を使用することなくキャビティ１２ｂの内部全体に素早く溶湯を充填することができるからである。本実施形態の場合も、押湯部１６の容積は限定した容積に設定している。押湯部１６の容積を小さくすることによって、鋳造後の不要部分の分量を小さくすることができ、省エネルギーを図ることができるとともに、鋳造品から不要部を除去する作業が容易になるという利点がある。
【００２３】
図２は本発明に係る還元鋳造方法をアルミニウムの鋳造に適用した鋳造装置１０の他の実施形態の構成を示す説明図である。
本実施形態において、成形型１２は注湯槽１５に接続され、ほぞ１６が引き上げられることにより、注湯槽１５から所要量のアルミニウムの溶湯５０がキャビティ１２ｂ内に注湯されるようになっている。
２０は窒素ガスボンベであり、成形型１２に配管２２を介して接続され、バルブ２４を開放することにより、成形型１２内に窒素ガスを導入し、成形型１２内の空気を排出できるようになっている。
【００２４】
本実施形態では、窒素ガスボンベ２０は、キャビティ１２ｂ内の空気を排出してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とし、キャビティ１２ｂ内を除湿する作用と、成形型１２の外部で生成した還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物をキャビティ１２ｂに輸送する作用を有する。
キャビティ１２ｂ内を除湿するには、窒素ガスの乾燥ガスを使用してキャビティ１２ｂ内の空気を排出することによって除湿することができる。窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、エアボンベ１８から窒素ガス導入口１２ｄを経由してキャビティ１２ｂ内に乾燥空気を導入し、キャビティ１２ｂ内を除湿した後、窒素ガスボンベ２０からキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入するようにしてもよい。また、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、還元性化合物と反応しない乾燥気体をキャビティ１２ｂに注入してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とし除湿することも可能である。
【００２５】
窒素ガスボンベ２０はまた配管２６を通じて加熱炉２８に接続されており、バルブ３０を開放することにより加熱炉２８内に窒素ガスを導入できるようになっている。なお、加熱炉２８の炉内温度はマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上に設定されている。
窒素ガスボンベ２０はまた配管３４を介して、マグネシウム粉末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よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８にはバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は配管４２と、ほぞ１５を貫通して成形型１２のキャビティ１２ｂに通じるパイプ４４とを介して成形型１２に接続する。
【００２６】
本実施形態の鋳造装置１０を用いたアルミニウムの鋳造は次のようにして行われる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによって排出する。これによってキャビティ１２ｂ内が実質的に非酸素雰囲気となる。窒素ガスとして乾燥ガスを使用することによってキャビティ１２ｂ内を湿度７０％以下に除湿する。なお、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、還元性化合物と反応しない乾燥気体、たとえばアルゴンガスをキャビティ１２ｂ内に注入してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とするとともに、キャビティ１２ｂ内を除湿することができる。本実施形態の場合も鋳造装置１０が設置されている環境を除湿された環境とし、少なくともキャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下となるように周辺環境を保つことが有効である。
【００２７】
次に、バルブ３０を開放して、加熱炉２８内に窒素ガスを導入する。
次いで、バルブ２４およびバルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放して、窒素ガスボンベ２０の窒素ガス圧により、タンク３６に収容されているマグネシウム粉末を窒素ガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８はマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度に加熱されているから、マグネシウム粉末は昇華すると共に窒素ガスと反応し、加熱炉２８内で気体状のマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。
【００２８】
バルブ４０を閉じ、バルブ３０を開放して、加熱炉２８内で生成された気体状のマグネシウム窒素化合物を窒素ガスボンベ２０の窒素ガス圧により、配管４２、パイプ４４を経て成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する。キャビティ１２ｂに注入されたマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）はキャビティ１２ｂの内面上に粉体として析出する。
【００２９】
キャビティ１２ｂの内面上にマグネシウム窒素化合物が析出した状態で、ほぞ１５を引き上げることにより、注湯槽１４中のアルミニウムの溶湯５０が成形型１２のキャビティ１２ｂに注入される。
キャビティ１２ｂ内ではアルミニウムの溶湯とマグネシウム窒素化合物がキャビティ１２ｂの表面上で反応し、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪い、純粋なアルミニウムに還元する。キャビティ１２ｂ内に残存する酸素、アルミニウムの溶湯内に混入している酸素は酸化マグネシウムあるいは水酸化マグネシウムとなり、溶湯中に取り込まれる。これらの酸化マグネシウム等は少量であり、また安定な化合物であるので、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えない。
【００３０】
このように、図２に示す鋳造装置１０による場合も、キャビティ１２ｂ内を除湿して、還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を導入することで、マグネシウム窒素化合物の還元性を損なうことがなく、アルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化皮膜を確実に還元して、溶湯の表面を純粋なアルミニウムとして好適に鋳造することが可能となる。これによって、キャビティ１２ｂ内におけるアルミニウムの溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にし、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性に優れ、湯ジワ等のない高品質の鋳造品を得ることが可能になる。なお、窒素ガス等の乾燥ガスをキャビティ内に送入するのではなく、鋳造装置が設置されている環境自体を除湿環境とし、これによってキャビティ内の湿度が７０％以下となるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法によれば、上述したように、成形型のキャビティ内があらかじめ除湿された状態で、還元性化合物をキャビティ内に導入し、あるいは、キャビティ内で還元性化合物を生成することによって、還元性化合物がキャビティ内の水分と反応することを抑えることができ、還元性化合物の還元性を確実に保持することができて、好適な還元鋳造を行うことができる。
また、金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを使用することでアルミニウムの鋳造に好適に利用することができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法を適用して鋳造する鋳造装置の構成例を示す説明図である。
【図２】本発明に係る還元鋳造方法を適用して鋳造する鋳造装置の他の構成例を示す説明図である。
【図３】還元性化合物の反応性が湿度によって変化する様子を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１２ 成形型
１２ａ 湯口
１２ｂ キャビティ
１２ｃ 金属ガス導入口
１２ｄ 窒素ガス導入口
１５ 注湯槽
１６ 押湯部
１８ エアボンベ
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２５ 排気孔
２８ 加熱炉
３６ タンク
５０ 溶湯
【発明の属する技術分野】
本発明は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っている。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人は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開発した。この還元鋳造方法を適用した例であるアルミニウムの鋳造では、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、溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造する。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ことによって、溶湯がキャビティの表面に接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜が還元され溶湯の表面張力が低減し、溶湯の流動性と濡れ性が向上して、溶湯の未充填等の鋳造欠陥は湯じわのないすぐれた外観の鋳造製品を製造することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の還元鋳造方法では、マグネシウム窒素化合物といった還元性化合物を溶湯に作用させることによって溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元することが特徴である。この還元性化合物は還元性が強いことから非酸素雰囲気下で生成する必要があるが、同時に成形型のキャビティ内に存在する水分と反応しやすく、これによって還元性を喪失するという問題がある。マグネシウム窒素化合物は水分と反応して酸化マグネシウムになりやすく、酸化マグネシウムとなった場合は還元性化合物本来の還元性を失ってしまう。
【０００５】
このように、成形型のキャビティ内に導入された還元性化合物あるいはキャビティ内で生成された還元性化合物が還元性を失ってしまうと、溶湯の表面の酸化皮膜を還元して鋳造する機能が作用しなくなり、所要の還元鋳造ができなくなる。たとえば、湿度が高い季節に、作業環境の湿度制御等を行っていない場合には、成形型のキャビティ内も湿度が高くなるためにキャビティ内に析出した還元性化合物の還元作用が作用しなくなり、所要の還元鋳造がなされなくなるといった場合がある。このように、還元性化合物による還元作用が発揮されない場合には、通常の重量鋳造法等による鋳造方法と何ら変わらなくなるため、溶湯の湯周り性が向上するといった還元鋳造方法の利点が得られなくなる問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの問題を解消すべくなされたものであり、その目的とするところは、還元鋳造において還元作用を利用する目的で使用する還元性化合物の還元性が損なわれることを防止し、溶湯の表面の酸化皮膜を確実に還元することができ、これによって効果的な還元鋳造を可能にする還元鋳造方法を提供するにある。
【０００７】
【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、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、前記キャビティ内に還元性化合物を導入し、次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする。
また、前記キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に還元性化合物を導入することを特徴とする。
また、前記金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に還元性化合物としてマグネシウム窒素ガスを導入して鋳造することを特徴とする。
【０００８】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、前記キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で前記還元性化合物を生成し、次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする。
また、前記キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成することを特徴とする。
また、前記乾燥気体として、反応性ガスを使用することを特徴とする。
また、前記金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成して鋳造することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法をアルミニウムの鋳造に適用した鋳造装置１０の全体構成を示す説明図である。
１２はアルミニウムまたはアルミニウム合金を注湯して鋳造品を得る成形型である。成形型１２には湯口１２ａ、キャビティ１２ｂ、金属ガス導入口１２ｃ、押湯部１６、排気孔２５が設けられている。
【００１０】
成形型１２は配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、配管２２のバルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスが注入され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気として実質的に非酸素雰囲気とすることができる。この場合、窒素ガスとして乾燥ガスを使用することによって、キャビティ１２ｂ内を除湿することができる。また、成形型１２の窒素ガス導入口１２ｄに配管２２を介してエアボンベ１８を接続し、キャビティ１２ｂの除湿用に乾燥空気をキャビティ１２ｂに導入するように構成することも可能である。
【００１１】
アルゴンガスボンベ１９は、配管２６によっ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２６に設けられたバルブ３０を開くことによって加熱炉２８内にアルゴンガスが注入される。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、金属ガスとしてのマグネシウムガスを発生させるため、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上にされている。バルブ３０を調節して加熱炉２８に注入されるアルゴンガス量を調整することができる。
【００１２】
アルゴンガスボンベ１９は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末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によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８には加熱炉２８へのマグネシウム粉末の供給量を制御するバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１２ｃに接続されており、加熱炉２８でガス化されたマグネシウムガスは金属ガス導入口１２ｃを介してキャビティ１２ｂ内に導入される。配管４２に介装したバルブ４５は、成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する金属ガスの供給量を調節するためのものである。
【００１３】
本実施形態の鋳造装置１０を用いたアルミニウムの鋳造は次のようにして行われる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによって排出する。キャビティ１２ｂ内の空気は成形型１２の排気孔２５から排出され、キャビティ１２ｂ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。
この窒素ガスによってキャビティ１２ｂ内の空気を排出する目的は、キャビティ１２ｂを非酸素雰囲気とすることと、キャビティ１２ｂ内を除湿することである。このため、窒素ガスとして乾燥ガスを使用し、除湿しながらキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とする。
【００１４】
キャビティ１２ｂ内を除湿する方法としては、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、エアボンベ１８から窒素ガス導入口１２ｄを経由してキャビティ１２ｂ内に乾燥空気を注入し、キャビティ１２ｂ内を除湿した後、窒素ガスボンベ２０からキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入するようにしてもよい。乾燥空気によってキャビティ１２ｂ内の空気を排出し、キャビティ１２ｂ内を十分に除湿することにより、窒素ガスとしてとくに乾燥ガスを使用することなくキャビティ１２ｂ内を所定の湿度以下に制御することができる。
また、窒素ガス以外の還元性化合物と反応しない気体、たとえばアルゴンガス等の乾燥気体をキャビティ１２ｂ内に注入し、キャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とするとともに除湿するように構成することももちろん可能である。
また、この鋳造装置１０が設置されている環境を除湿された環境とし、少なくともキャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下となるように周辺環境を保つことが有効である。
【００１５】
一方、成形型１２のキャビティ１２ｂ内の空気を排出している間に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ１９から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４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内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粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００１６】
次に、バルブ４０を閉じ、バルブ３０およびバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ成形型１２の金属ガス導入口１２ｃからマグネシウムガスをキャビティ１２ｂ内に注入する。
キャビティ１２ｂ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、バルブ２４を開放して窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応しマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。マグネシウム窒素化合物はキャビティ１２ｂの内壁面に粉体として析出する。
【００１７】
窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に注入する際には、窒素ガスの圧力および流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することもよい。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００１８】
成形型１２のキャビティ１２ｂの内壁面に析出したマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）はきわめて還元性の高い化合物である。本実施形態の鋳造装置１０では、キャビティ１２ｂ内をあらかじめ除湿した環境としているから、キャビティ１２ｂ内で生成されたマグネシウム窒素化合物がキャビティ１２ｂ内の水分と化合することが防止でき、マグネシウム窒素化合物の還元性を保持することが可能となる。
【００１９】
図３は、マグネシウム窒素化合物と水分との反応性が湿度によってどのように変化するかを示したグラフである。マグネシウム窒素化合物は湿度が高くなるとともに反応性が高くなり、湿度が低くなるとともに反応性が低くなる。還元鋳造方法において好適な還元鋳造を可能にする湿度としては７０％以下、とくに好適には６５％以下となる。したがって、キャビティ１２ｂ内を除湿する際には、キャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下、とくに好適には６５％以下とするのがよい。
【００２０】
キャビティ１２ｂ内でマグネシウム窒素化合物を生成した後、バルブ２４を閉じ、成形型１２の湯口１２ａからアルミニウムの溶湯を注湯する。溶湯は湯口１２ａから押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂに注入される。溶湯の注入は、キャビティ１２ｂ、押湯部１６および湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
溶湯を注入した際に、アルミニウムの溶湯はキャビティ１２ｂの内壁面に析出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の表面の酸化皮膜から酸素を奪うことによって、溶湯の表面が純粋なアルミニウムに還元される。
さらに、キャビティ１２ｂ内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。このようにして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、かつ安定な化合物であるため、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えることはない。
【００２１】
還元鋳造方法は、溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪いとって純粋な金属の表面を形成させながらキャビティ１２ｂに溶湯を充填させて鋳造する方法であり、本実施形態の場合にはマグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪いとり、溶湯の表面を純粋なアルミニウムとして鋳造する。したがって、キャビティ１２ｂ内をあらかじめ除湿してキャビティ内の水分によって還元性化合物の還元性を損なわないようにすることは効果的な還元鋳造を行う上できわめて重要である。
溶湯の表面に酸化皮膜を形成させることなく鋳造できることから、鋳造工程中に溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することが防止でき、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にすることができる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性（平滑性）に優れ、湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることが可能となる。
【００２２】
また、溶湯の湯周り性がきわめて良好となることから、従来の重力鋳造法で成形型に設けている大容積の押湯部を設ける必要がない。溶湯の湯周り性、流動性が良いため、押湯部による押湯作用を使用することなくキャビティ１２ｂの内部全体に素早く溶湯を充填することができるからである。本実施形態の場合も、押湯部１６の容積は限定した容積に設定している。押湯部１６の容積を小さくすることによって、鋳造後の不要部分の分量を小さくすることができ、省エネルギーを図ることができるとともに、鋳造品から不要部を除去する作業が容易になるという利点がある。
【００２３】
図２は本発明に係る還元鋳造方法をアルミニウムの鋳造に適用した鋳造装置１０の他の実施形態の構成を示す説明図である。
本実施形態において、成形型１２は注湯槽１５に接続され、ほぞ１６が引き上げられることにより、注湯槽１５から所要量のアルミニウムの溶湯５０がキャビティ１２ｂ内に注湯されるようになっている。
２０は窒素ガスボンベであり、成形型１２に配管２２を介して接続され、バルブ２４を開放することにより、成形型１２内に窒素ガスを導入し、成形型１２内の空気を排出できるようになっている。
【００２４】
本実施形態では、窒素ガスボンベ２０は、キャビティ１２ｂ内の空気を排出してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とし、キャビティ１２ｂ内を除湿する作用と、成形型１２の外部で生成した還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物をキャビティ１２ｂに輸送する作用を有する。
キャビティ１２ｂ内を除湿するには、窒素ガスの乾燥ガスを使用してキャビティ１２ｂ内の空気を排出することによって除湿することができる。窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、エアボンベ１８から窒素ガス導入口１２ｄを経由してキャビティ１２ｂ内に乾燥空気を導入し、キャビティ１２ｂ内を除湿した後、窒素ガスボンベ２０からキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入するようにしてもよい。また、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、還元性化合物と反応しない乾燥気体をキャビティ１２ｂに注入してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とし除湿することも可能である。
【００２５】
窒素ガスボンベ２０はまた配管２６を通じて加熱炉２８に接続されており、バルブ３０を開放することにより加熱炉２８内に窒素ガスを導入できるようになっている。なお、加熱炉２８の炉内温度はマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上に設定されている。
窒素ガスボンベ２０はまた配管３４を介して、マグネシウム粉末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よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８にはバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は配管４２と、ほぞ１５を貫通して成形型１２のキャビティ１２ｂに通じるパイプ４４とを介して成形型１２に接続する。
【００２６】
本実施形態の鋳造装置１０を用いたアルミニウムの鋳造は次のようにして行われる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによって排出する。これによってキャビティ１２ｂ内が実質的に非酸素雰囲気となる。窒素ガスとして乾燥ガスを使用することによってキャビティ１２ｂ内を湿度７０％以下に除湿する。なお、窒素ガスの乾燥ガスを使用するかわりに、還元性化合物と反応しない乾燥気体、たとえばアルゴンガスをキャビティ１２ｂ内に注入してキャビティ１２ｂ内を非酸素雰囲気とするとともに、キャビティ１２ｂ内を除湿することができる。本実施形態の場合も鋳造装置１０が設置されている環境を除湿された環境とし、少なくともキャビティ１２ｂ内の湿度が７０％以下となるように周辺環境を保つことが有効である。
【００２７】
次に、バルブ３０を開放して、加熱炉２８内に窒素ガスを導入する。
次いで、バルブ２４およびバルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放して、窒素ガスボンベ２０の窒素ガス圧により、タンク３６に収容されているマグネシウム粉末を窒素ガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８はマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度に加熱されているから、マグネシウム粉末は昇華すると共に窒素ガスと反応し、加熱炉２８内で気体状のマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。
【００２８】
バルブ４０を閉じ、バルブ３０を開放して、加熱炉２８内で生成された気体状のマグネシウム窒素化合物を窒素ガスボンベ２０の窒素ガス圧により、配管４２、パイプ４４を経て成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する。キャビティ１２ｂに注入されたマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）はキャビティ１２ｂの内面上に粉体として析出する。
【００２９】
キャビティ１２ｂの内面上にマグネシウム窒素化合物が析出した状態で、ほぞ１５を引き上げることにより、注湯槽１４中のアルミニウムの溶湯５０が成形型１２のキャビティ１２ｂに注入される。
キャビティ１２ｂ内ではアルミニウムの溶湯とマグネシウム窒素化合物がキャビティ１２ｂの表面上で反応し、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯の表面の酸化皮膜から酸素を奪い、純粋なアルミニウムに還元する。キャビティ１２ｂ内に残存する酸素、アルミニウムの溶湯内に混入している酸素は酸化マグネシウムあるいは水酸化マグネシウムとなり、溶湯中に取り込まれる。これらの酸化マグネシウム等は少量であり、また安定な化合物であるので、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えない。
【００３０】
このように、図２に示す鋳造装置１０による場合も、キャビティ１２ｂ内を除湿して、還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を導入することで、マグネシウム窒素化合物の還元性を損なうことがなく、アルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化皮膜を確実に還元して、溶湯の表面を純粋なアルミニウムとして好適に鋳造することが可能となる。これによって、キャビティ１２ｂ内におけるアルミニウムの溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にし、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性に優れ、湯ジワ等のない高品質の鋳造品を得ることが可能になる。なお、窒素ガス等の乾燥ガスをキャビティ内に送入するのではなく、鋳造装置が設置されている環境自体を除湿環境とし、これによってキャビティ内の湿度が７０％以下となるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法によれば、上述したように、成形型のキャビティ内があらかじめ除湿された状態で、還元性化合物をキャビティ内に導入し、あるいは、キャビティ内で還元性化合物を生成することによって、還元性化合物がキャビティ内の水分と反応することを抑えることができ、還元性化合物の還元性を確実に保持することができて、好適な還元鋳造を行うことができる。
また、金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを使用することでアルミニウムの鋳造に好適に利用することができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法を適用して鋳造する鋳造装置の構成例を示す説明図である。
【図２】本発明に係る還元鋳造方法を適用して鋳造する鋳造装置の他の構成例を示す説明図である。
【図３】還元性化合物の反応性が湿度によって変化する様子を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１２ 成形型
１２ａ 湯口
１２ｂ キャビティ
１２ｃ 金属ガス導入口
１２ｄ 窒素ガス導入口
１５ 注湯槽
１６ 押湯部
１８ エアボンベ
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２５ 排気孔
２８ 加熱炉
３６ タンク
５０ 溶湯
Claims (7)
- 金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、
少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、
前記キャビティ内に還元性化合物を導入し、
次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。 - キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に還元性化合物を導入することを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。
- 金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に還元性化合物としてマグネシウム窒素ガスを導入して鋳造することを特徴とする請求項１または２記載の還元鋳造方法。
- 金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物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方法において、
少なくとも前記キャビティ内の湿度を７０％以下とした後、
前記キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で前記還元性化合物を生成し、
次いで、前記溶湯をキャビティ内に注湯して鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。 - キャビティ内に、還元性化合物と反応しない乾燥気体を導入してキャビティ内を除湿した後、キャビティ内に金属ガスと反応性ガスとを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成することを特徴とする請求項４記載の還元鋳造方法。
- 乾燥気体として、反応性ガスを使用することを特徴とする請求項５記載の還元鋳造方法。
- 金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内に金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを導入してキャビティ内で還元性化合物を生成して鋳造することを特徴とする請求項４、５または６記載の還元鋳造方法。
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