JP3887579B2 - 還元鋳造方法における金属ガス発生方法および金属ガス発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法における金属ガス発生方法および金属ガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を成形型のキャビティに導入して、該還元性化合物により溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳物製品を鋳造する還元鋳造方法が知られている。
この還元鋳造方法によれば、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。
【０００３】
また、特開2001-321916号公報には、この還元鋳造方法における金属ガス発生装置が示されている。
この金属ガス発生装置では、電熱ヒーターを備えた加熱炉内を複数枚の遮蔽板で仕切って、金属粉末（マグネシウム粉末）の舞い上がりを防止し、金属粉末が粉末のままキャビティ内に導入されるのを防止するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記還元鋳造方法には次のような課題がある。
すなわち、鋳造開始時、電熱ヒーターによって加熱炉を加温する際、加熱炉を必要温度に昇温させるまで（予備加熱）に約１時間程の長時間を要し、作業効率が悪いという課題がある。
また、上記還元鋳造方法では、粉末状のマグネシウムを用いていることから、配管が詰まったりして扱いにくく、また、粉体状のままキャビティ内に導入されるのを完全には防止できなく、鋳造品の品質低下を招くという課題がある。
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、作業環境を向上でき、また作業効率を向上させることのできる還元鋳造方法における金属ガス発生方法および金属ガス発生装置を提供するにある。
【０００５】
【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、本発明における還元鋳造方法における金属ガス発生方法では、金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を成形型のキャビティに導入して、該還元性化合物により溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳物製品を鋳造する還元鋳造方法における金属ガスを発生させる方法において、加熱炉内に収容した金属を直接もしくは間接的に高周波誘導加熱により加熱して金属ガスを発生させることを特徴とする。
また、発生した金属ガスをキャリアガスによりキャビティ内に導入することを特徴とする。
また、金属にマグネシウム、キャリアガスにアルゴンガスを用いることを特徴とする。
また、金属を高周波誘導加熱により加熱される材料からなるるつぼに入れて加熱炉内に収容し、該るつぼを高周波誘導加熱して前記金属を間接的に加熱して金属ガスを発生させることを特徴とする。
さらに、温度検出部により前記加熱炉内の温度を検出して、前記加熱炉内の温度が金属ガス発生温度より低い所要設定温度を維持するようにし、キャビティ内に溶湯を注入する鋳造時、その都度加熱炉内を加熱して金属ガスを発生させるようにすることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る還元鋳造における金属ガス発生装置では、金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を成形型のキャビティに導入して、該還元性化合物により溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳物製品を鋳造する還元鋳造方法に用いる金属ガス発生装置において、前記金属が収納される加熱炉と、
該加熱炉を囲繞する加熱コイルと、該加熱コイルに電力を供給して前記加熱炉を高周波誘導加熱する電源部と、該電源部を制御する制御部と、前記加熱炉で発生した金属ガスを前記キャビティに導入する導入路とを具備することを特徴とする。
【０００７】
前記加熱炉で発生した金属ガスを一時的に貯留するチャンバーを設けると好適である。
また、前記加熱炉内に金属が収容されるるつぼを備えることを特徴とする。
前記るつぼを、高周波誘導加熱により加熱される材料により構成し、該るつぼの加熱によって、前記金属を間接的に加熱して金属ガスを発生させるようにすると好適である。
前記加熱炉内にキャリアガスを導入するキャリアガス供給部を備えることを特徴とする。
金属にマグネシウム、キャリアガスにアルゴンガスを用いることを特徴とする。
さらに、前記加熱炉内の温度を検出する温度検出部を設け、前記制御部により、前記加熱炉内の温度が金属ガス発生温度より低い所要設定温度を維持するように、かつ、鋳造時、その都度加熱炉内を加熱して金属ガスを発生させるように前記電源部を制御するようにすると好適である。
【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は鋳造装置１０の全体構成を示す説明図である。
１１は成形型、１２はキャビティ、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に取りつけられたほぞ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。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。
１３は冷却水が通流される流路である。
【０００９】
２０は窒素ガスボンベで、配管２２、バルブ２４を介して成形型１１に接続され、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。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を介挿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ができる。
【００１０】
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。
【００１１】
加熱炉２８は、配管４９、バルブ４５、およびほぞ１５に取りつけられたパイプ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４９に介挿されたバルブ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アルゴンガスをキャリアガスとして成形型１１のキャビティ１２に導入される。
【００１２】
本実施の形態では、高周波誘導加熱装置２９によって加熱炉２８を加熱する。図２は高周波誘導加熱装置２９の構成を示し、３１はその高周波電源部、３３は整合器、３５は加熱コイルである。加熱コイル３５は加熱炉２８を囲繞している。３７は高周波電源部３１を制御する制御部である。整合器３３は水冷ポンプ３９によって冷却される。この高周波誘導加熱装置２９は公知のものを使用できる。
【００１３】
加熱炉２８内の温度は熱電対等からなる温度検出部４１によって検出され、検出された温度データは制御部３７に入力される。制御部３７では、鋳造工程中、加熱炉２８内の温度が設定温度以下になった場合には、電源部３１により加熱コイル３５に通電し、加熱炉２８内が常に設定温度（例えば６００℃）になるように温度維持をしている。この６００℃程度の設定温度では金属ガス（マグネシウムガス）は発生しない。なお、加熱炉２８内の温度が所定の設定温度以上になった場合には、制御部３７により警報装置（図示せず）が作動され、異常を報知するようになっている。
【００１４】
加熱炉２８内には、マグネシウムが収容されたるつぼ４３（図２）が収容される。
マグネシウムは粉末状のものでなく、粒状あるいは塊状のものを使用できる。したがって、取り扱いが容易である。
るつぼ４３は鉄等の磁性材料製のものが好ましい。磁性材料製のるつぼ４３を用いることにより、加熱コイル３５によりるつぼ４３が高周波誘導加熱され、これによりマグネシウムが間接的に加熱されてガス化する。ガス化温度は８００℃程度である。加熱炉２８内は前記のように６００℃程度の温度に維持されているから、加熱コイル３５への通電は短時間でよく、るつぼ４３内がガス化温度以上に容易に昇温される。
【００１５】
るつぼ４３は非磁性材料製であってもよい。この場合るつぼ４３の材料は金属ガス（マグネシウムガス）と反応しない窒化ケイ素や窒化アルミニウムなどの非酸化性セラミックが好ましい。
るつぼ４３が非磁性材料の場合には、るつぼ４３内に収容されたマグネシウムが直接高周波誘導加熱されることになる。この場合、加熱条件を緩やかにすることで、マグネシウムを安定した状態で加熱することができる。
【００１６】
アルゴンガスボンベ２１からアルゴンガスが加熱炉２８内下部に導入され、加熱炉２８内で発生したマグネシウムガスはキャリアガスとしてのアルゴンガスにより配管４９からキャビティ１２内に導入される。
なお、加熱炉２８の上部はチャンバー４７に形成され、加熱炉２８内で発生したマグネシウムガスが一時的に貯留される。
【００１７】
図３は、制御部３７による電源部３１の制御状態（ａ）と加熱炉２８内の温度を模式的に示す。
前記のように、加熱炉２８内はマグネシウムガスの発生しない所要設定温度（例えば６００℃）に維持される。
高周波誘導加熱装置２９を用いているので、上記設定温度までの昇温（予備加熱）は短時間に行える。またこの設定温度に維持するための加熱時間もごく短時間で済む。
【００１８】
そして、鋳造時、成形型１１のキャビティ１２内に溶湯を注入される際には、その都度加熱コイル３５に通電され、加熱炉２８内が短時間に加熱され、これによりマグネシウムガスが発生する。すなわち、必要時に、短時間にマグネシウムガスを発生させることができる。
このように、加熱コイル３５に常時通電されるわけではないので、電力の節減が可能となる。
また高周波誘導加熱であるので、加熱装置、加熱炉も小型化でき、また加熱炉周辺が必要以上に高温になることもないので、作業環境もよくなる。
【００１９】
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。
【００２０】
加熱炉２８内には、粒状もしくは塊状をなすマグネシウムが収容されたるつぼ４３を収容しておく。
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。加熱炉２８内が無酸素状態になったか否かは酸素センサー１９によりチエックするとよい。
【００２１】
一方、加熱コイル３５に通電し、加熱炉２８内に収容したるつぼ４３を加熱し、温度検出部４１により加熱炉２８内の温度を検出して、加熱炉２８内の温度が６００℃程度の設定温度に維持されるよう管理する。
この初期の昇温時間（予備加熱）は、高周波誘導加熱により数十秒程度の短時間で行えるので、作業効率が大幅に向上する。
【００２２】
鋳造を行う際には、その都度制御部３７により電源部３１を通じて加熱コイル３５に通電し、るつぼ４３を高周波誘導加熱により８００℃以上の温度にまで加熱して、これによりマグネシウムを加熱し、マグネシウムガスを発生させる。
次に、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から配管４９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。
【００２３】
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。
【００２４】
次いで、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を注入し、鋳造を行うのである。
この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。
鋳造サイクルはキャビティ１２の容量にもよるが、概ね３０秒程度のサイクルで高速鋳造が可能となる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。これらを総称して非反応性ガスとする。
また、溶湯の凝固速度や充填時間は上記に限定されない。
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、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。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、上述したように、高周波誘導加熱により、金属を直接もしくは間接的に加熱するようにしたので、加熱炉をあらかじめ加熱する予備加熱も短時間で行うことができ、作業効率が大幅に向上する。
また、装置全体も小型化でき、加熱炉周辺が必要以上に高温になることもないので、作業環境も向上する。
また、粒状もしくは塊状の金属を加熱炉内に収容して加熱することができ、従来のように粉末状の金属を用いなくてよく、取り扱い性がよくなる。
さらには鋳造サイクル時の加熱も短時間で行えるので、鋳造サイクルの短縮が行える等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳造装置全体の概略を示す説明図である。
【図２】高周波誘導加熱装置と加熱炉の説明図である。
【図３】加熱コイルへの通電サイクルと加熱炉内温度の関係を示す模式図である。
【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
２９ 高周波誘導加熱装置
３１ 電源部
３３ 整合器
３５ 加熱コイル
３７ 制御部
３９ 水冷ポンプ
４１ 温度検出器
４３ るつぼ
４７ チャンバ
４９ 配管

Claims (12)

1. 金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を成形型のキャビティに導入して、該還元性化合物により溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳物製品を鋳造する還元鋳造方法における金属ガスを発生させる方法において、
   加熱炉内に収容した金属を直接もしくは間接的に高周波誘導加熱により加熱して金属ガスを発生させることを特徴とする還元鋳造方法における金属ガス発生方法。
2. 発生した金属ガスをキャリアガスによりキャビティ内に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における金属ガス発生方法。
3. 金属にマグネシウム、キャリアガスにアルゴンガスを用いることを特徴とする請求項２記載の還元鋳造方法における金属ガス発生方法。
4. 金属を高周波誘導加熱により加熱される材料からなるるつぼに入れて加熱炉内に収容し、該るつぼを高周波誘導加熱して前記金属を間接的に加熱して金属ガスを発生させることを特徴とする請求項１、２または３記載の還元鋳造方法における金属ガス発生方法。
5. 温度検出部により前記加熱炉内の温度を検出して、前記加熱炉内の温度が金属ガス発生温度より低い所要設定温度を維持するようにし、
   キャビティ内に溶湯を注入する鋳造時、その都度加熱炉内を加熱して金属ガスを発生させるようにすることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の還元鋳造方法における金属ガス発生方法。
6. 金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を成形型のキャビティに導入して、該還元性化合物により溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳物製品を鋳造する還元鋳造方法に用いる金属ガス発生装置において、
   前記金属が収納される加熱炉と、
   該加熱炉を囲繞する加熱コイルと、
   該加熱コイルに電力を供給して前記加熱炉内に収容した金属を直接もしくは間接的に高周波誘導加熱により加熱して金属ガスを発生させる電源部と、
   該電源部を制御する制御部と、
   前記加熱炉で発生した金属ガスを前記キャビティに導入する導入路とを具備することを特徴とする還元鋳造方法における金属ガス発生装置。
7. 前記加熱炉で発生した金属ガスを一時的に貯留するチャンバーを備えることを特徴とする請求項６記載の還元鋳造方法における金属ガス発生装置。
8. 前記加熱炉内に金属が収容されるるつぼを備える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における金属ガス発生装置。
9. 前記るつぼが、高周波誘導加熱により加熱される材料からなり、該るつぼの加熱によって、前記金属を間接的に加熱して金属ガスを発生させることを特徴とする請求項８記載の還元鋳造方法における金属ガス発生装置。
10. 前記加熱炉内にキャリアガスを導入するキャリアガス供給部を備えることを特徴とする請求項６〜９いずれか１項記載の還元鋳造方法における金属ガス発生装置。
11. 金属にマグネシウム、キャリアガスにアルゴンガスを用いることを特徴とする請求項１０記載の還元鋳造方法における金属ガス発生装置。
12. 前記加熱炉内の温度を検出する温度検出部を備え、
    前記制御部により、前記加熱炉内の温度が金属ガス発生温度より低い所要設定温度を維持するように、かつ、鋳造時、その都度加熱炉内を加熱して金属ガスを発生させるように前記電源部を制御することを特徴とする請求項６〜１１いずれか１項記載の還元鋳造方法における金属ガス発生装置。

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