JP3606848B2 - 還元鋳造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法に関し、より詳細には溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短縮しう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る。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人はアルミニウムの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提案した（特開２０００−２８００６３号公報）。この還元鋳造方法は、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て鋳造する方法である。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と、キャビティの表面に溶湯が接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜がマグネシウム窒素化合物の還元作用によって還元され、溶湯の表面が純粋なアルミニウムとなって溶湯の表面張力が低下し、溶湯の流動性が高められる。この結果、湯周り性が良好となり、鋳造欠陥がなく、湯じわ等のないすぐれた外観の鋳造製品を得ることが可能になる。
【０００４】
【背景技術】
さらにその後の研究により、上記還元鋳造方法によると、鋳造時における成形型の型温を低温に維持して鋳造できることが判明した。
すなわち、還元鋳造方法による場合は、溶湯の流動性、湯周り性がきわめて良好になるから、重力鋳造法（ＧＤＣ）等の鋳造方法とは異なり、鋳造時に成形型の型温を高温に維持する必要がない。重力鋳造法等で、鋳造時に成形型を保温しているのは、型温をできるだけ高くしてキャビティに充填する溶湯の流動性を確保するためである。これに対して、還元鋳造方法では溶湯の流動性、湯周り性がきわめて良好であり、数秒のうちにキャビティへの溶湯の充填が完了してしまう。したがって、従来の鋳造方法のように鋳造時に型温を高く維持する必要がない。むしろ、型温をできるだけ下げてキャビティに充填された溶湯をできるだけ速く凝固させるようにすることが、鋳造のサイクルタイムを短縮しうる点で有利となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶湯の凝固速度が速くなったことにより、キャビティ内に溶湯が十分行き渡らないうちに溶湯が凝固してしまうという不具合も生じた。
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、凝固速度と溶湯の充填時間との間の関係を定め、溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短縮しうる還元鋳造方法を提供するにある。
【０００６】
【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、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、注湯からα晶デンドライト結晶構造が完了する時間内にキャビティ内に溶湯を充填することを特徴とする。
また、前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする。
また、溶湯の凝固速度を８００℃／分以上とすることを特徴とする。
ＡＣ２ＢもしくはＡＣ４Ｂの鋳造用合金の場合、キャビティ内へ溶湯を２．７秒〜９秒の充填時間で充填するとよい。
また、２０１７、２０２４もしくは２６１８の鋳造用合金の場合、キャビティ内へ溶湯を１．２秒〜４．０秒の充填時間で充填するとよい。
【０００７】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、ＤＡＳ II 値を２２μｍ以下としたことを特徴とする。
また、前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする。
また、溶湯の凝固速度を８００℃／分以上にてＤＡＳ II 値を２０μｍ以下としたことを特徴とする。
また、溶湯に加圧してキャビティ内に注入するようにすることもできる。
また、還元性物質がマグネシウムであることを特徴とする。
また、還元性化合物がマグネシウム窒素化合物であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法を利用して鋳造する鋳造装置１０の全体構成を示す説明図である。なお、以下では還元鋳造方法をアルミニウム鋳造に使用する例を示すが、本発明はアルミニウム鋳造に限定されるものではない。
図１で１１は成形型であり、１２は成形型１１の内部に形成したキャビティである。キャビティ１２の上部には下方が縮径するテーパ面状に形成された湯口１４が設けられ、湯口１４にはほぞ１５が脱着自在に設けられている。１６はほぞ１５を上下方向に貫通して設けられたパイプである。
【０００９】
１７は成形型１１の上部に配置された注湯槽である。注湯槽１７とキャビティ１２とは湯口１４を介して連通し、湯口１４に取り付けられたほぞ１５を開閉操作することによって、キャビティ１２への注湯が制御される。本実施形態はアルミニウム鋳造に適用した例であり、注湯槽１７にはアルミニウムの溶湯が貯溜される。
【００１０】
成形型１１の材料は特に限定されるものではないが、熱伝導率の良好な素材によって形成するとよい。また、成形型１１を強制的に冷却する冷却手段を設ける。本実施形態では成形型１１の冷却手段として成形型１１の内部に流路１３を設けて冷却水を流路１３に常時通流させるようにしている。成形型１１を熱伝導率の良好な素材によって形成し、常時、強制的に冷却する理由は、鋳造時における成形型１１の型温をできるだけ低温に維持できるようにするためである。したがって、鋳造時における成形型１１の型温を効果的に低温に維持できる方法であれば、水冷方法に限るものではない。また、いくつかの冷却手段を併用することももちろん可能である。
【００１１】
図１において、２０は窒素ガスボンベである。窒素ガスボンベ２０は、バルブ２４が介装された配管２２を介して成形型１１に接続され、成形型１１に設けた窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素ガスが導入可能に設けられている。バルブ２４を開放し窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素ガスを送入することにより、キャビティ１２内のエアがパージされ、キャビティ１２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。１１ｂは成形型１１に設けた排気口である。排気口１１ｂに、バルブ２５を介装した配管を介して真空装置を接続し、バルブ２５を開放した状態で真空装置を作動させることによってキャビティ１２内を非酸素雰囲気とすることもできる。
【００１２】
２１はアルゴンガスボンベである。アルゴンガスボンベ２１は配管２６を介し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を開閉することによって加熱炉２８内へのアルゴンガスの注入が制御される。加熱炉２８はヒータ３２によって加熱されており、本実施形態においては、炉内温度はマグネシウムの沸点温度以下、かつマグネシウムの融点温度以上に設定され、炉内においてマグネシウムは液体状態となっている。
【００１３】
アルゴンガスボンベ２１はまた、バルブ３３が介装された配管３４により、マグネシウム金属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よりも下流側で配管２６に接続されている。４０は加熱炉２８へのマグネシウムの供給量を制御するために配管３８に介装したバルブである。タンク３６は加熱炉２８へ供給するマグネシウム金属を収容するためのものであり、粉末状あるいは顆粒状のマグネシウム金属が収容されている。
【００１４】
加熱炉２８は、配管４２および、ほぞ１５に取り付けられたパイプ１６を介して成形型１１のキャビティ１２に接続する。加熱炉２８でガス化されたマグネシウムガスあるいはミスト状となったマグネシウムは、配管４２に介装されたバルブ４５の開閉操作と、バルブ３０によるアルゴンガス圧の制御により成形型１１のキャビティ１２に導入される。
【００１５】
図１に示す鋳造装置１０によるアルミニウム鋳造は以下のようにしてなされる。
まず、湯口１４にほぞ１５が嵌合し湯口１４が閉止された状態でバルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経由して成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを注入する。これによって、キャビティ１２内の空気がパージされ、キャビティ１２内が実質的に非酸素雰囲気となる。キャビティ１２を非酸素雰囲気とした後、バルブ２４を閉じる。
【００１６】
成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを注入している際、もしくは事前に、バルブ３０を開放してアルゴンガスボンベ２１から加熱炉２８に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３３およびバルブ４０を開いてアルゴンガスボンベ２１からのアルゴンガス圧によってタンク３６内のマグネシウム金属を加熱炉２８に送り込む。加熱炉２８は、マグネシウム金属が溶融する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金属は炉内で溶融した状態となる。加熱炉２８からは鋳造操作ごとに繰り返してマグネシウムガスを送出するから、タンク３６からはこれらの操作に対応できるよう、ある程度の分量のマグネシウム金属を加熱炉２８に送り込むようにする。マグネシウム金属を加熱炉２８に送り込んだ後、バルブ３３およびバルブ４０を閉じる。
【００１７】
次に、バルブ３０およびバルブ４５を開いてアルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、アルゴンガスをキャリアガスとして加熱炉２８からパイプ１６を経由して成形型１１のキャビティ１２にマグネシウムガスを注入する。なお、マグネシウムガスとともにミスト状のマグネシウムも加熱炉２８から送出される。
キャビティ１２にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、次いでバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２に窒素ガスを注入する。キャビティ１２に窒素ガスを注入することにより、先に注入したマグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２内で反応し、還元性化合物である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主にキャビティ１２の内壁面に析出する。
【００１８】
キャビティ１２の内壁面にマグネシウム窒素化合物が生成された状態で、ほぞ１５をあけ、湯口１４からキャビティ１２に溶湯１８を注入する。
キャビティ１２に注入されたアルミニウムの溶湯１８は、キャビティ１２の内壁面に生成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表面の酸化被膜から酸素を奪うことにより、溶湯の表面が純粋なアルミニウムに還元されて充填されていく（還元鋳造方法）。溶湯の表面の酸化皮膜が還元されて純粋なアルミニウムが表面に露出することによって、溶湯の流動性がきわめて良好となる。
このように湯周り性が極めて良好となることから、従来の断熱系塗型を不要とし、また、成形型を高温に維持する必要もないという利点を有する。
【００１９】
また、上記のように還元鋳造方法による場合には、きわめて短時間のうちにキャビティ１２に溶湯１８が充填されるから、成形型１１に充填された溶湯１８を冷却して短時間のうちに溶湯１８を凝固させるようにすることが有効である。成形型１１を熱伝導性の良い材料によって製作した場合、成形型１１の型温を成形型１１が十分な硬度を有する温度以下、たとえば１５０℃程度以下に保持しておけば、これらの材料によって製作した成形型を使用する鋳造方法で溶湯とのかじりを防止して鋳造することが可能である。
【００２０】
溶湯の凝固速度を、６００℃／分（成形型１１内での溶湯の単位時間当りの温度降下）以上、好ましくは８００℃／分以上とするのがよい。凝固速度が大きいほど、鋳造品の結晶構造が緻密となり、強度が増大するので好適である。
この凝固速度は、従来のＤＣに近いものとなっている。しかし、この還元鋳造方法では、ＤＣのようなスプラッシュまたは噴霧状充填による急冷ではなく、層流または一部乱流状態での溶湯の充填が可能で、内部品質も極めて良好で、後記するＤＡＳＩＩ値も小さく、伸び、強度等の向上が得られる。
【００２１】
図２は、アルミニウム鋳造において溶湯の凝固速度を変えた場合に凝固体中の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔がどのように変化するかを測定した結果を示す。測定はキャビティ１２に充填されて凝固したアルミニウムの一部分を採取してサンプルとし、電子顕微鏡によって樹枝状結晶の間隔を測定することによって行った。図２では、横軸に凝固速度を示し、縦軸に凝固したアルミニウムの樹枝状結晶間隔を「ＤＡＳＩＩ値」として示した。
【００２２】
図２から、凝固速度が約６００℃／分以上の場合にはキャビティ１２に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２２μｍ以下となり、凝固速度が約８００℃／分以上の場合の樹枝状結晶の間隔は平均で２０μｍ以下となる。
アルミニウムの樹枝状結晶の間隔は凝固体（鋳造品）の緻密性に関わり、樹枝状結晶の間隔が小さくなるほどアルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られる鋳造品の機械的強度が向上する。
機械的強度の点から、ＤＡＳＩＩ値は２２μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下がよい。
【００２３】
従来の鋳造方法においては凝固速度が遅く、特にＧＤＣ、ＬＰＤＣでの断熱系塗型を有するもので特に遅くなり、偏析、ヒケ等に対する対応が困難で、いかに指向性冷却を行うかの課題があった。その凝固速度は１００℃／分程度で、薄肉部であっても、７５０℃／分程度であり、後記するＤＡＳＩＩ値でも、３
５〜２０μｍのレベルでしかなかった。
【００２４】
次に溶湯の充填時間について検討する。
溶湯の充填時間は、鋳造合金の材料と、上記設定される凝固速度との関係で決まる。
一般にＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ等の鋳造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デンドライト結晶構造の完了まではほぼ９０℃の温度差（９０℃の温度低下）を有する。すなわち、９０℃の温度低下によって、凝固するということになる。この間に、キャビティ１２内に溶湯充填を完了させる必要がある。
凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定すれば、溶湯の充填時間は９．０秒〜２．７秒となる。
【００２５】
一方、２０１７、２０２４、２６１８等の鍛造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デンドライト結晶構造の完了まではほぼ４０℃の温度差を有する。凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定すれば、溶湯の充填時間は４．０秒〜１．２秒となる。
すなわち、鋳造合金の材料により相違はあるが、溶湯のキャビティ１２内への充填を、ほぼ１．０〜９．０秒の間に、キャビティ１２の全ての部位に完了させないと、キャビティ１２内の一部で凝固が開始され、溶湯の未充填部分が生じる。
【００２６】
現実には、キャビティ１２の各部位において、肉厚、肉薄の部位があり、均等ではない。まず肉厚部に溶湯が回り込み、凝固速度の速い薄肉部への湯周りが遅くなることから、薄肉部で充填が完了しないうちから凝固が始まるおそれがある。
したがって、上記所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に充填が完了するように管理する必要がある。
溶湯が周りにくい薄肉部がある場合などは、手段は問わないが、ＬＰＤＣ法と同様にして、溶湯を加圧し、所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に溶湯を充填するようにするのが好適である。そのためにまた、湯口の径、形状、位置、数などを工夫することも重要である。
【００２７】
上記凝固速度で、所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に溶湯が充填されるように管理することによって、もともと湯周り性が良好であることから、キャビティ１２の微細部分にも確実に溶湯を充填することができ、溶湯の未充填等による鋳造欠陥がなくなる。また、溶湯表面の酸化皮膜が除去されることから、鋳造品の表面に湯じわ等が発生せず、良好な外観の鋳造品が得られる。
【００２８】
上記実施の形態では、マグネシウムガス、窒素ガスを直接キャビティ内に導入して、キャビティ内でマグネシウム窒素化合物を生成させたが、成形型の直前に反応チャンバを設け（図示せず）、この反応チャンバ内にアルゴンガスと共にマグネシウムガスと、窒素ガスを導入して、反応チャンバ内で反応させてマグネシウム窒素化合物を生成させ、このマグネシウム窒素化合物をキャビティ内に導入してもよい。
また、上記実施の形態では、溶湯の還元性物質として、マグネシウム窒素化合物を例に説明したが、マグネシウム単体や、その他の還元性物質を用いることもできる。
キャリアガスもアルゴンガス以外の不活性ガスや非酸化性ガスを用いてもよい。
さらに、上記実施の形態においては、アルミニウム鋳造方法について説明したが、本発明方法はアルミニウム鋳造に限定されるものではなく、種々のアルミニウム合金、マグネシウム、鉄等の各種金属あるいはこれらの合金を鋳造材料とする鋳造方法に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、上述したように、溶湯の凝固速度、溶湯の充填時間を管理してキャビティの全ての部位に溶湯が充填されるようにすることによって、もともと湯周り性が良好であることから、鋳造サイクルを短縮できると共に、キャビティの微細部分にも確実に溶湯を充填することができ、溶湯の未充填等による鋳造欠陥がなくなる。また、溶湯表面の酸化皮膜が除去されることから、鋳造品の表面に湯じわ等が発生せず、良好な外観の鋳造品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法により鋳造する鋳造装置の構成例を示す説明図である。
【図２】アルミニウム材料について、溶湯の凝固速度に対してＤＡＳＩＩ値が変動する測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１１ 成形型
１１ａ 窒素ガス導入口
１１ｂ 排気口
１２ キャビティ
１３ 流路
１４ 湯口
１５ ほぞ
１６ パイプ
１７ 注湯槽
１８ 溶湯
２０ 窒素ガスボンベ
２１ アルゴンガスボンベ
２８ 加熱炉
３６ タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法に関し、より詳細には溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短縮しう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る。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人はアルミニウムの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提案した（特開２０００−２８００６３号公報）。この還元鋳造方法は、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て鋳造する方法である。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と、キャビティの表面に溶湯が接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜がマグネシウム窒素化合物の還元作用によって還元され、溶湯の表面が純粋なアルミニウムとなって溶湯の表面張力が低下し、溶湯の流動性が高められる。この結果、湯周り性が良好となり、鋳造欠陥がなく、湯じわ等のないすぐれた外観の鋳造製品を得ることが可能になる。
【０００４】
【背景技術】
さらにその後の研究により、上記還元鋳造方法によると、鋳造時における成形型の型温を低温に維持して鋳造できることが判明した。
すなわち、還元鋳造方法による場合は、溶湯の流動性、湯周り性がきわめて良好になるから、重力鋳造法（ＧＤＣ）等の鋳造方法とは異なり、鋳造時に成形型の型温を高温に維持する必要がない。重力鋳造法等で、鋳造時に成形型を保温しているのは、型温をできるだけ高くしてキャビティに充填する溶湯の流動性を確保するためである。これに対して、還元鋳造方法では溶湯の流動性、湯周り性がきわめて良好であり、数秒のうちにキャビティへの溶湯の充填が完了してしまう。したがって、従来の鋳造方法のように鋳造時に型温を高く維持する必要がない。むしろ、型温をできるだけ下げてキャビティに充填された溶湯をできるだけ速く凝固させるようにすることが、鋳造のサイクルタイムを短縮しうる点で有利となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶湯の凝固速度が速くなったことにより、キャビティ内に溶湯が十分行き渡らないうちに溶湯が凝固してしまうという不具合も生じた。
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、凝固速度と溶湯の充填時間との間の関係を定め、溶湯の未充填状態をなくし、かつ鋳造サイクルを短縮しうる還元鋳造方法を提供するにある。
【０００６】
【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、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、注湯からα晶デンドライト結晶構造が完了する時間内にキャビティ内に溶湯を充填することを特徴とする。
また、前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする。
また、溶湯の凝固速度を８００℃／分以上とすることを特徴とする。
ＡＣ２ＢもしくはＡＣ４Ｂの鋳造用合金の場合、キャビティ内へ溶湯を２．７秒〜９秒の充填時間で充填するとよい。
また、２０１７、２０２４もしくは２６１８の鋳造用合金の場合、キャビティ内へ溶湯を１．２秒〜４．０秒の充填時間で充填するとよい。
【０００７】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、ＤＡＳ II 値を２２μｍ以下としたことを特徴とする。
また、前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする。
また、溶湯の凝固速度を８００℃／分以上にてＤＡＳ II 値を２０μｍ以下としたことを特徴とする。
また、溶湯に加圧してキャビティ内に注入するようにすることもできる。
また、還元性物質がマグネシウムであることを特徴とする。
また、還元性化合物がマグネシウム窒素化合物であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法を利用して鋳造する鋳造装置１０の全体構成を示す説明図である。なお、以下では還元鋳造方法をアルミニウム鋳造に使用する例を示すが、本発明はアルミニウム鋳造に限定されるものではない。
図１で１１は成形型であり、１２は成形型１１の内部に形成したキャビティである。キャビティ１２の上部には下方が縮径するテーパ面状に形成された湯口１４が設けられ、湯口１４にはほぞ１５が脱着自在に設けられている。１６はほぞ１５を上下方向に貫通して設けられたパイプである。
【０００９】
１７は成形型１１の上部に配置された注湯槽である。注湯槽１７とキャビティ１２とは湯口１４を介して連通し、湯口１４に取り付けられたほぞ１５を開閉操作することによって、キャビティ１２への注湯が制御される。本実施形態はアルミニウム鋳造に適用した例であり、注湯槽１７にはアルミニウムの溶湯が貯溜される。
【００１０】
成形型１１の材料は特に限定されるものではないが、熱伝導率の良好な素材によって形成するとよい。また、成形型１１を強制的に冷却する冷却手段を設ける。本実施形態では成形型１１の冷却手段として成形型１１の内部に流路１３を設けて冷却水を流路１３に常時通流させるようにしている。成形型１１を熱伝導率の良好な素材によって形成し、常時、強制的に冷却する理由は、鋳造時における成形型１１の型温をできるだけ低温に維持できるようにするためである。したがって、鋳造時における成形型１１の型温を効果的に低温に維持できる方法であれば、水冷方法に限るものではない。また、いくつかの冷却手段を併用することももちろん可能である。
【００１１】
図１において、２０は窒素ガスボンベである。窒素ガスボンベ２０は、バルブ２４が介装された配管２２を介して成形型１１に接続され、成形型１１に設けた窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素ガスが導入可能に設けられている。バルブ２４を開放し窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２内に窒素ガスを送入することにより、キャビティ１２内のエアがパージされ、キャビティ１２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。１１ｂは成形型１１に設けた排気口である。排気口１１ｂに、バルブ２５を介装した配管を介して真空装置を接続し、バルブ２５を開放した状態で真空装置を作動させることによってキャビティ１２内を非酸素雰囲気とすることもできる。
【００１２】
２１はアルゴンガスボンベである。アルゴンガスボンベ２１は配管２６を介し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を開閉することによって加熱炉２８内へのアルゴンガスの注入が制御される。加熱炉２８はヒータ３２によって加熱されており、本実施形態においては、炉内温度はマグネシウムの沸点温度以下、かつマグネシウムの融点温度以上に設定され、炉内においてマグネシウムは液体状態となっている。
【００１３】
アルゴンガスボンベ２１はまた、バルブ３３が介装された配管３４により、マグネシウム金属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よりも下流側で配管２６に接続されている。４０は加熱炉２８へのマグネシウムの供給量を制御するために配管３８に介装したバルブである。タンク３６は加熱炉２８へ供給するマグネシウム金属を収容するためのものであり、粉末状あるいは顆粒状のマグネシウム金属が収容されている。
【００１４】
加熱炉２８は、配管４２および、ほぞ１５に取り付けられたパイプ１６を介して成形型１１のキャビティ１２に接続する。加熱炉２８でガス化されたマグネシウムガスあるいはミスト状となったマグネシウムは、配管４２に介装されたバルブ４５の開閉操作と、バルブ３０によるアルゴンガス圧の制御により成形型１１のキャビティ１２に導入される。
【００１５】
図１に示す鋳造装置１０によるアルミニウム鋳造は以下のようにしてなされる。
まず、湯口１４にほぞ１５が嵌合し湯口１４が閉止された状態でバルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経由して成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを注入する。これによって、キャビティ１２内の空気がパージされ、キャビティ１２内が実質的に非酸素雰囲気となる。キャビティ１２を非酸素雰囲気とした後、バルブ２４を閉じる。
【００１６】
成形型１１のキャビティ１２に窒素ガスを注入している際、もしくは事前に、バルブ３０を開放してアルゴンガスボンベ２１から加熱炉２８に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３３およびバルブ４０を開いてアルゴンガスボンベ２１からのアルゴンガス圧によってタンク３６内のマグネシウム金属を加熱炉２８に送り込む。加熱炉２８は、マグネシウム金属が溶融する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金属は炉内で溶融した状態となる。加熱炉２８からは鋳造操作ごとに繰り返してマグネシウムガスを送出するから、タンク３６からはこれらの操作に対応できるよう、ある程度の分量のマグネシウム金属を加熱炉２８に送り込むようにする。マグネシウム金属を加熱炉２８に送り込んだ後、バルブ３３およびバルブ４０を閉じる。
【００１７】
次に、バルブ３０およびバルブ４５を開いてアルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、アルゴンガスをキャリアガスとして加熱炉２８からパイプ１６を経由して成形型１１のキャビティ１２にマグネシウムガスを注入する。なお、マグネシウムガスとともにミスト状のマグネシウムも加熱炉２８から送出される。
キャビティ１２にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、次いでバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１１ａからキャビティ１２に窒素ガスを注入する。キャビティ１２に窒素ガスを注入することにより、先に注入したマグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２内で反応し、還元性化合物である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主にキャビティ１２の内壁面に析出する。
【００１８】
キャビティ１２の内壁面にマグネシウム窒素化合物が生成された状態で、ほぞ１５をあけ、湯口１４からキャビティ１２に溶湯１８を注入する。
キャビティ１２に注入されたアルミニウムの溶湯１８は、キャビティ１２の内壁面に生成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表面の酸化被膜から酸素を奪うことにより、溶湯の表面が純粋なアルミニウムに還元されて充填されていく（還元鋳造方法）。溶湯の表面の酸化皮膜が還元されて純粋なアルミニウムが表面に露出することによって、溶湯の流動性がきわめて良好となる。
このように湯周り性が極めて良好となることから、従来の断熱系塗型を不要とし、また、成形型を高温に維持する必要もないという利点を有する。
【００１９】
また、上記のように還元鋳造方法による場合には、きわめて短時間のうちにキャビティ１２に溶湯１８が充填されるから、成形型１１に充填された溶湯１８を冷却して短時間のうちに溶湯１８を凝固させるようにすることが有効である。成形型１１を熱伝導性の良い材料によって製作した場合、成形型１１の型温を成形型１１が十分な硬度を有する温度以下、たとえば１５０℃程度以下に保持しておけば、これらの材料によって製作した成形型を使用する鋳造方法で溶湯とのかじりを防止して鋳造することが可能である。
【００２０】
溶湯の凝固速度を、６００℃／分（成形型１１内での溶湯の単位時間当りの温度降下）以上、好ましくは８００℃／分以上とするのがよい。凝固速度が大きいほど、鋳造品の結晶構造が緻密となり、強度が増大するので好適である。
この凝固速度は、従来のＤＣに近いものとなっている。しかし、この還元鋳造方法では、ＤＣのようなスプラッシュまたは噴霧状充填による急冷ではなく、層流または一部乱流状態での溶湯の充填が可能で、内部品質も極めて良好で、後記するＤＡＳＩＩ値も小さく、伸び、強度等の向上が得られる。
【００２１】
図２は、アルミニウム鋳造において溶湯の凝固速度を変えた場合に凝固体中の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔がどのように変化するかを測定した結果を示す。測定はキャビティ１２に充填されて凝固したアルミニウムの一部分を採取してサンプルとし、電子顕微鏡によって樹枝状結晶の間隔を測定することによって行った。図２では、横軸に凝固速度を示し、縦軸に凝固したアルミニウムの樹枝状結晶間隔を「ＤＡＳＩＩ値」として示した。
【００２２】
図２から、凝固速度が約６００℃／分以上の場合にはキャビティ１２に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２２μｍ以下となり、凝固速度が約８００℃／分以上の場合の樹枝状結晶の間隔は平均で２０μｍ以下となる。
アルミニウムの樹枝状結晶の間隔は凝固体（鋳造品）の緻密性に関わり、樹枝状結晶の間隔が小さくなるほどアルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られる鋳造品の機械的強度が向上する。
機械的強度の点から、ＤＡＳＩＩ値は２２μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下がよい。
【００２３】
従来の鋳造方法においては凝固速度が遅く、特にＧＤＣ、ＬＰＤＣでの断熱系塗型を有するもので特に遅くなり、偏析、ヒケ等に対する対応が困難で、いかに指向性冷却を行うかの課題があった。その凝固速度は１００℃／分程度で、薄肉部であっても、７５０℃／分程度であり、後記するＤＡＳＩＩ値でも、３
５〜２０μｍのレベルでしかなかった。
【００２４】
次に溶湯の充填時間について検討する。
溶湯の充填時間は、鋳造合金の材料と、上記設定される凝固速度との関係で決まる。
一般にＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ等の鋳造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デンドライト結晶構造の完了まではほぼ９０℃の温度差（９０℃の温度低下）を有する。すなわち、９０℃の温度低下によって、凝固するということになる。この間に、キャビティ１２内に溶湯充填を完了させる必要がある。
凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定すれば、溶湯の充填時間は９．０秒〜２．７秒となる。
【００２５】
一方、２０１７、２０２４、２６１８等の鍛造用合金は、その凝固において、注湯からα晶デンドライト結晶構造の完了まではほぼ４０℃の温度差を有する。凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分に設定すれば、溶湯の充填時間は４．０秒〜１．２秒となる。
すなわち、鋳造合金の材料により相違はあるが、溶湯のキャビティ１２内への充填を、ほぼ１．０〜９．０秒の間に、キャビティ１２の全ての部位に完了させないと、キャビティ１２内の一部で凝固が開始され、溶湯の未充填部分が生じる。
【００２６】
現実には、キャビティ１２の各部位において、肉厚、肉薄の部位があり、均等ではない。まず肉厚部に溶湯が回り込み、凝固速度の速い薄肉部への湯周りが遅くなることから、薄肉部で充填が完了しないうちから凝固が始まるおそれがある。
したがって、上記所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に充填が完了するように管理する必要がある。
溶湯が周りにくい薄肉部がある場合などは、手段は問わないが、ＬＰＤＣ法と同様にして、溶湯を加圧し、所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に溶湯を充填するようにするのが好適である。そのためにまた、湯口の径、形状、位置、数などを工夫することも重要である。
【００２７】
上記凝固速度で、所要時間内にキャビティ１２の全ての部位に溶湯が充填されるように管理することによって、もともと湯周り性が良好であることから、キャビティ１２の微細部分にも確実に溶湯を充填することができ、溶湯の未充填等による鋳造欠陥がなくなる。また、溶湯表面の酸化皮膜が除去されることから、鋳造品の表面に湯じわ等が発生せず、良好な外観の鋳造品が得られる。
【００２８】
上記実施の形態では、マグネシウムガス、窒素ガスを直接キャビティ内に導入して、キャビティ内でマグネシウム窒素化合物を生成させたが、成形型の直前に反応チャンバを設け（図示せず）、この反応チャンバ内にアルゴンガスと共にマグネシウムガスと、窒素ガスを導入して、反応チャンバ内で反応させてマグネシウム窒素化合物を生成させ、このマグネシウム窒素化合物をキャビティ内に導入してもよい。
また、上記実施の形態では、溶湯の還元性物質として、マグネシウム窒素化合物を例に説明したが、マグネシウム単体や、その他の還元性物質を用いることもできる。
キャリアガスもアルゴンガス以外の不活性ガスや非酸化性ガスを用いてもよい。
さらに、上記実施の形態においては、アルミニウム鋳造方法について説明したが、本発明方法はアルミニウム鋳造に限定されるものではなく、種々のアルミニウム合金、マグネシウム、鉄等の各種金属あるいはこれらの合金を鋳造材料とする鋳造方法に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、上述したように、溶湯の凝固速度、溶湯の充填時間を管理してキャビティの全ての部位に溶湯が充填されるようにすることによって、もともと湯周り性が良好であることから、鋳造サイクルを短縮できると共に、キャビティの微細部分にも確実に溶湯を充填することができ、溶湯の未充填等による鋳造欠陥がなくなる。また、溶湯表面の酸化皮膜が除去されることから、鋳造品の表面に湯じわ等が発生せず、良好な外観の鋳造品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法により鋳造する鋳造装置の構成例を示す説明図である。
【図２】アルミニウム材料について、溶湯の凝固速度に対してＤＡＳＩＩ値が変動する測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１１ 成形型
１１ａ 窒素ガス導入口
１１ｂ 排気口
１２ キャビティ
１３ 流路
１４ 湯口
１５ ほぞ
１６ パイプ
１７ 注湯槽
１８ 溶湯
２０ 窒素ガスボンベ
２１ アルゴンガスボンベ
２８ 加熱炉
３６ タンク
Claims (11)
- 金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、
冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、
溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、
注湯からα晶デンドライト結晶構造が完了する時間内にキャビティ内に溶湯を
充填することを特徴とする還元鋳造方法。 - 前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。
- 溶湯の凝固速度を８００℃／分以上とすることを特徴とする請求項１項記載の還元鋳造方法。
- ＡＣ２ＢもしくはＡＣ４Ｂの鋳造用合金を用い、キャビティ内へ溶湯を２．７秒〜９秒の充填時間で充填することを特徴とする請求項２記載の還元鋳造方法。
- ２０１７、２０２４もしくは２６１８の鋳造用合金を用い、キャビティ内へ溶湯を１．２秒〜４．０秒の充填時間で充填することを特徴とする請求項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、キャビティ内で溶湯と還元性物質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法において、
冷却手段により前記成形型を強制冷却した状態で前記キャビティに溶湯を注入して溶湯を急冷し、
溶湯を急冷して凝固させる凝固速度を６００℃／分〜３０００℃／分とし、ＤＡＳ II 値を２２μｍ以下としたことを特徴とする還元鋳造方法。 - 前記凝固速度を６００℃／分〜２０００℃／分とすることを特徴とする請求項６記載の還元鋳造方法。
- 溶湯の凝固速度を８００℃／分以上にてＤＡＳ II 値を２０μｍ以下としたことを特徴とする請求項６または７記載の還元鋳造方法。
- 溶湯に加圧してキャビティ内に注入することを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の還元鋳造方法。
- 還元性物質がマグネシウムであることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項記載の還元鋳造方法。
- 還元性化合物がマグネシウム窒素化合物であることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項記載の還元鋳造方法。
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