JP5617085B1 - 高圧鋳造方法および高圧鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 融点が１０００Ｋを超える高融点金属を安全かつ高品位に鋳造できる高圧鋳造方法および高圧鋳造装置を提供する。【解決手段】 カートリッジ式の溶解容器２内で鋳込み材料１を溶解した後、鋳込口ブッシュ１３に取り付けたガイド１４内を通るように前記溶解容器２を直線移動させて鋳込口ブッシュ１３に連通させるとともに前記溶解容器２をガイド１４に対して密着させて冷却状態に設定し、所定の時間が経過した時点でプランジャー５０をプランジャーチップ４に当接して溶湯と共に一気に前記鋳込口ブッシュ１３に移送し、前記鋳込口ブッシュ１３内で溶湯を加圧してキャビティへ１０射出充填する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧鋳造方法および高圧鋳造装置に関し、更に詳しくは、融点が１０００Ｋを超える高融点金属を高品位かつ高効率で鋳造するのに好適な高圧鋳造方法および高圧鋳造装置に関するものである。

従来、金属の高圧鋳造方法としてダイキャストが行われている。ダイキャストとは、精密な金型に溶かした金属（溶湯）を高圧で注入して鋳造を行う方法で、寸法精度が高い鋳物を短時間で生産することができる。ダイキャストを行う装置には、保温炉を機械の一部に持ち、炉内に置いたメルティングポットの溶湯をプランジャーでグースネック内のスリーブを通してキャビティに射出充填するホットチャンバ方式と、ダイキャストマシンの近くに保温炉を置き、炉内の溶湯をラドルまたは自動給湯装置で射出スリーブに注湯し、プランジャーで溶湯をキャビティに射出充填するコールドチャンバ方式とがあり、それぞれに縦方向に射出を行う縦型ダイキャスト装置と横方向に射出を行う横型ダイキャスト装置がある。

ホットチャンバ方式では、プランジャーチップ、スリーブ、グースネック等の部材がメルティングポット内の溶湯に常時浸漬されるため、融点が高い金属のダイキャストは困難であり、亜鉛合金等、融点が概ね７００Ｋ程度の金属の鋳造に用いられている。

コールドチャンバ方式はホットチャンバ方式よりも融点が高い金属の鋳造が可能であるが、高速で溶湯の射出充填を行う一般的な方式では射出スリーブ内でのガスの巻き込みやキャビティ内での急冷凝固に起因して鋳巣が発生しやすいという問題がある。また、注湯時に射出スリーブ内壁で凝固層を形成しやすく、それがプランジャーチップにより破壊されて破断チル層として鋳造欠陥を生成させる問題や、注湯時の不均一加熱によって射出スリーブが熱変形し、射出スリーブやプランジャーチップが損傷したりする問題がある。

上述の問題を解決するための特殊なダイキャスト方法として、縦型ダイキャスト装置により低速で溶湯の射出充填を行い、凝固完了まで高圧を保持するスクイズ・ダイキャストと呼ばれる溶湯鍛造法が行われている。この方法によれば、鋳巣の少ない高品質な鋳造品が得られるが、射出スリーブや金型への熱的負担が大きいために、アルミ合金よりも融点が高い材料には適用されていない。

以上のように、従来のダイキャスト装置で量産されている材料は、亜鉛合金やアルミニウム合金、マグネシウム合金等、融点が概ね１０００Ｋまでの金属に限られるが、チタン合金等の高融点金属を従来の横型ダイキャスト装置を用いて成形する方法も開示されている。

例えば、超合金又はチタン合金等、融点が２０００°Ｆを超える高い溶融温度を有するダイキャスト材料のための装置として、注湯時における射出スリーブの熱変形を最小にするように射出スリーブの内径と外径の比が選択されていることを特徴とするダイキャスト装置が特開２０００−１９７９５７号公報（特許文献１）に開示されている。

また、融点が高い材料もしくは反応性が高い材料のダイキャスト方法として、鋳込み材料の溶融装置と射出スリーブおよびダイキャビティを非反応性雰囲気に維持した後、材料を射出するまで溶融状態を維持できるほど高温で、しかし射出時に迅速に凝固させることにより粒径を小さくし、かつ、ダイキャスト装置に加わる熱的負荷を低減させるような過熱状態で鋳込み材料を溶融させて射出スリーブに注湯し、プランジャーによりダイキャビティ内部に射出する方法が特表２００２−５３２２６０号公報（特許文献２）に開示されている。

また、縦型ダイキャスト装置を用いて高融点金属や活性金属を成形する方法や装置も開示されている。例えば、活性金属でも巣の発生や酸化物の巻き込みがなく、極めて清浄な形で高速鋳造する事の出来る真空立射出鋳造方法として、金属塊を射出スリーブに投入し、射出スリーブを取り囲む雰囲気を真空状態にした後、前記真空状態を保持しつつ溶解し、しかる後、射出スリーブを金型の湯口に接続して射出スリーブ内の溶融金属を真空状態に保持された金型内に射出充填する方法が特開平５−３１８０７７号公報（特許文献３）に開示されている。

また、融点が約１２００℃以上の高融点金属の射出鋳造においても、加熱溶融された金属の溶湯がプランジャーとスリーブとの隙間に流れ込み難く、プランジャーのスリーブ内での摺動動作を円滑に行うことができ、高品質の鋳造品を安定して製造できる装置として、金型と、該金型の湯口に向かって前後進自在に配されたスリーブと、該スリーブ内に摺動自在に配設されたプランジャーと、上記スリーブ内壁とプランジャーにより形成される原料収容部に供給された原料塊を加熱溶解する加熱手段とを備えた射出鋳造装置であって、上記プランジャー及び／又はスリーブが冷却手段を備えてなることを特徴とする射出鋳造装置が特開２００５−１９９３０９号公報（特許文献４）に開示されている。

一方、我々は射出スリーブ内壁における凝固層の形成と射出スリーブの熱変形に起因する問題を効果的に解決する高融点金属の高圧鋳造方法として、射出スリーブと、該射出スリーブ内に摺動自在に嵌合され、かつ、プランジャーに固定されていないプランジャーチップとによって射出容器を構成し、該射出容器内に鋳込み材料を装填し、溶解容器を鋳込口から離脱させた状態で誘導加熱コイル内に配置して、溶解容器の加熱と鋳込み材料の溶解を行なった後、溶解容器を直線移動により鋳込口と連結し、次いでプランジャーチップと分離した状態のプランジャーを所要の速度でプランジャーチップに衝突させ、前記射出容器内の溶湯を一気にキャビティに射出充填することを特徴とする高融点金属の高圧鋳造方法を開示している（特許文献５）。

特開２０００−１９７９５７号公報 特表２００２−５３２２６０号公報 特開平５−３１８０７７号公報 特開２００５−１９９３０９号公報 特開２００６−２８１２４３号公報

特許文献１に記載されている方法は、射出スリーブの内径と、射出スリーブの内径と外径の比および射出スリーブ容量に対する注湯量を適切に設定することによって、注湯時における射出スリーブの不均一熱変形を最小限に抑え、装置の損傷を防止するものであるが、射出スリーブ内壁で凝固層が形成される問題は解決されていない。射出スリーブ内壁で形成される凝固層は、破断チル層として鋳造欠陥を生成させるばかりか、それが強固に形成された場合には装置の破壊につながる恐れがある。

また、前記特許文献２に記載されている方法は、鋳込み材料の溶融装置と射出スリーブおよびダイキャビティを非反応性雰囲気に維持するところを除けば、従来のコールドチャンバ方式と変わらない。即ち、注湯時に射出スリーブ内壁で凝固層が形成される問題と射出スリーブが熱変形する問題が解決されていない。

このように、従来のダイキャスト装置を用いてチタン合金等の高融点金属を高品位に成形することは難しく、実際にはほとんど行われていない。

一方、縦型の装置を用いる特許文献３に記載の方法は、射出スリーブ内で鋳込み材料を溶解するものであるが、この方法は射出スリーブが高温となるためプランジャーとの隙間に溶湯が浸入しやすいという欠点がある。両者の隙間に浸入した溶湯の凝固物は、成形品に混入して鋳造欠陥を生成するばかりか、プランジャーの摺動を阻害して装置を損傷させる恐れがある。したがって、高温におけるプランジャーと射出スリーブの隙間はできるだけ狭くなるように設定する必要があるが、当該方法ではプランジャーがシリンダロッドに固定されているために加熱されにくく、高温になるほど射出スリーブとの隙間が大きくなるという問題がある。

特許文献４に記載されている方法は、上記のプランジャーと射出スリーブの隙間に溶湯が浸入する問題を改善するために、プランジャーや射出スリーブに冷却手段を設け、プランジャーの上部を冷却するものである。しかし、この方法では射出スリーブの上下で大きな温度差が生じ、射出スリーブの上端に近づくほどプランジャーとの隙間が大きくなるため、プランジャーの上部を冷却しても隙間に浸入する溶湯を無くすことはできない。したがって、品質の高い鋳造品を安定して成形するには、成形毎に残留凝固物を完全に除去する必要があるが、当該方法はプランジャーおよび射出スリーブ周りの構造が複雑であるため、成形毎のメンテナンスには適さないという問題がある。

特許文献５に記載の高圧鋳造方法は、射出スリーブとプランジャーチップを共に溶湯温度近傍まで均一に加熱するため、両者のはめあいはプランジャーチップの全摺動行程に渡って変化しない。そのため、前述の特許文献３や特許文献４に記載されている方法よりも射出スリーブとプランジャーチップの隙間を狭く設定することができるが、溶湯温度近傍に加熱された射出スリーブ内で溶湯温度近傍に加熱されたプランジャーチップにより溶湯の加圧を行うため、隙間に浸入した溶湯が凝固しないという問題がある。そのため、充填完了時のサージ圧が大きい場合にはプランジャーチップの後方へ溶湯が逆噴射する恐れがあり、それを防ぐために射出速度を抑制すると十分な湯流れ性が得られないという問題があった。

また、特許文献３および特許文献５に記載の高圧鋳造方法は、溶湯温度近傍まで加熱した射出スリーブを強制冷却する手段を有しておらず、射出スリーブの冷却に時間を要するために生産効率が悪いという欠点があった。

また、特許文献３から特許文献５に記載の高圧鋳造方法は、鋳込み材料の溶解状況を直接確認できないために、過加熱温度を高くするか溶解時間を長く設定する必要があり、溶湯の酸化が進むという欠点があった。

さらに、特許文献４および特許文献５に記載の高圧鋳造方法は、機械的に溶湯を攪拌する機構を有していないため、電磁力が溶湯に作用しない黒鉛製の射出スリーブを用いると重力偏析を防止できないという欠点があった。

そこで、本発明の目的は、特許文献５に記載の高融点金属の高圧鋳造方法をベースに、溶湯の湯流れ性を損なうことなく逆噴射を確実に防止することができ、さらに溶湯の酸化と偏析を抑制することが可能で生産性が高い鋳造方法を提供し、もって品質に優れた高融点金属の鋳造品を安価に提供しようするものである。

また、本発明の他の目的は、上記のように高融点金属を高品質かつ安価に鋳造するのに適した基本的な構成の装置を提供することである。

そこで、本発明は上記目的を達成するために、プランジャーで溶湯を加圧してキャビティに射出充填する高圧鋳造方法において、鋳込口ブッシュに着脱自在に連通する射出スリーブと、該射出スリーブ内に摺動自在に嵌合され、かつ、プランジャーに固定されていないプランジャーチップとによってカートリッジ式の溶解容器を構成し、該溶解容器内に鋳込み材料を装填した後、前記溶解容器を前記鋳込口ブッシュと前記プランジャーから分離させた状態で誘導加熱コイル内に配置して鋳込み材料の溶解を行い、前期鋳込口ブッシュと連結するガイド内を通るように前記溶解容器を直線移動させて前記鋳込口ブッシュに連通させるとともに前記溶解容器を前記ガイドに対して密着させて冷却状態に設定し、次いで前記プランジャーを前記プランジャーチップに当接して溶湯と共に一気に前記鋳込口ブッシュに移送し、前記鋳込口ブッシュ内で溶湯を加圧してキャビティへ射出充填するものである。

また、第２の課題解決手段は、鋳込み材料を真空又は不活性雰囲気内で溶解し、減圧されたキャビティへ溶湯を射出充填するものである。

また、第３の課題解決手段は、前記射出スリーブと前記プランジャーチップと前記鋳込口ブッシュを成形毎に装置本体から取り外すものである。

また、第４の課題解決手段は、鋳込み材料を溶解する際に、前記溶解容器を鉛直方向に対して傾斜させるものである。

また、第５の課題解決手段は、鋳込み材料を溶解する際に、前記溶解容器内の溶湯を機械的に撹拌するものである。

また、第６の課題解決手段は、プランジャーで溶湯を加圧してキャビティに射出充填する高圧鋳造装置であって、固定ダイプレートの貫通孔に取り付けられた円筒状のガイドと、該ガイドの上部に着脱自在に連結する鋳込口ブッシュと、該鋳込口ブッシュの下端に着脱自在に連通する射出スリーブと、該射出スリーブ内に摺動自在に嵌合され、かつ、前記プランジャーに固定されていないプランジャーチップと、前記射出スリーブを着脱自在に支持して前記ガイド内を通るように直線移動させ、前記鋳込口ブッシュの下端に連通させる移動用ロッドと、前記射出スリーブの移動範囲内に配置されて前記射出スリーブ内で鋳込み材料を溶解させるための誘導加熱コイルと、前記射出スリーブを把持して前記誘導加熱コイル内に配置することができ、かつ、前記移動用ロッドとの間で前記射出スリーブの受け渡しが可能なホルダーとを備えており、前記ガイドは、前記鋳込口ブッシュに前記射出スリーブが連通した状態で前記射出スリーブに密着状態になるように設定されていることを要旨とする。

また、第７の課題解決手段は、前記ホルダーを含む空間を覆い、一方で前記鋳込口ブッシュと連通し、他方において前記移動用ロッドが外気を遮蔽しつつ摺動自在に嵌挿されている真空チャンバーを備えていることを要旨とする。

また、第８の課題解決手段は、前記移動用ロッドは、前記鋳込口ブッシュを前記射出スリーブと共に押し出して取り外すように動作することを要旨とする。

また、第９の課題解決手段は、前記射出スリーブを鉛直方向に対して傾斜させるための傾斜機構を備えることを要旨とする。

また、第１０の課題解決手段は、前記射出スリーブをその中心軸回りに回転させるための回転機構を備えることを要旨とする。

また、第１１の課題解決手段は、前記射出スリーブの上面開口部の一部を開閉自在に覆うための遮蔽機構を備えることを要旨とする。

また、第１２の課題解決手段は、前記射出スリーブの内部に向けて不活性ガスを噴出するためのノズルを備えることを要旨とする。

また、第１３の課題解決手段は、前記射出スリーブが黒鉛によって構成されることを要旨とする。

また、第１４の課題解決手段は、前記プランジャーチップが黒鉛によって構成されることを要旨とする。

上記第１の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、鋳込口ブッシュやプランジャーから分離した状態で溶解容器内の鋳込み材料を溶解するため、熱伝導による放熱や熱膨張の拘束に起因する問題を生じることがなく、溶解容器全体を鋳込み材料の融点以上まで均一に加熱することができる。これにより、射出スリーブ内壁で凝固層が形成される問題と射出スリーブの不均一熱変形に起因して射出スリーブやプランジャーチップが損傷する問題を解消できる。

また、溶解容器全体が均熱となるため、プランジャーチップと射出スリーブのはめあいがプランジャーチップの全摺動行程に渡って変化しない。そのため、両者の隙間を小さく設定してもプランジャーの摺動に支障が生じない。

また、溶解容器を鋳込口ブッシュに連通させる際にガイドで案内することにより、溶解容器と鋳込口ブッシュの中心軸を確実に一致させることができる。これにより、射出スリーブから鋳込口ブッシュへプランジャーチップが移動する際に生じるはめあいの偏りを最小限に留めることができる。

また、溶解容器をガイドに密着させて急冷することで、射出スリーブと接する溶湯近傍に温度境界層が生じ、領域内の溶湯には急激な温度勾配を生じる。これによって、全体としての湯流れ性を大きく損なうことなく、射出スリーブと接する溶湯の粘度を局所的に上昇させることができ、しかもその兼ね合いを溶解容器内で溶湯を冷却する時間（溶湯を溶解容器から鋳込口ブッシュに移送するまでの時間）によって調整することができる。また、プランジャーチップによる溶湯の移送を一瞬で行うために、鋳込口ブッシュ内に移送した後も溶湯周辺部の温度が低い状態が維持され、プランジャーチップと鋳込口ブッシュの隙間に浸入する溶湯を抑制すると共に鋳込口ブッシュに対する熱的負荷を軽減することができる。

また、低温の鋳込口ブッシュにプランジャーチップと溶湯を移送してからキャビティに加圧充填することで、鋳込口ブッシュとプランジャーチップの隙間に少量の溶湯が浸入しても瞬時に凝固させることができる。したがって、溶湯を溶解容器から鋳込口ブッシュに移送するまでの時間を調整し、鋳込口ブッシュとプランジャーチップの隙間に浸入する溶湯量を抑制することで、溶湯の逆噴射を確実に防止することができる。

すなわち、溶解容器をガイドに密着させて急冷することと、低温の鋳込口ブッシュ内に溶湯を移送してから加圧することにより、従来の方法ではトレードオフの関係にあった湯流れ性の確保と逆噴射の防止という２つの課題を、溶湯を鋳込口ブッシュに移送するまでの時間の調整という簡単な方法で両立することができる。

また、プランジャーからプランジャーチップが分離しているため、射出スリーブ内におけるプランジャーチップの摺動距離に制限されることなく、プランジャーを十分なストロークで加速してプランジャーチップを高速で動作させることができる。

また、高温の射出スリーブを室温近傍まで強制冷却することで、溶解容器の交換に要する時間を短縮して生産性を向上させることができる。溶解容器はカートリッジ式であるためメンテナンス性に優れ、複数の溶解容器を用いることでメンテナンスのために装置を長時間停止することなく、成形毎に残留物を完全に除去することができる。

また、第２の課題解決手段による作用は、鋳込み材料が大気と反応して酸化するのを防止できると共に、射出充填時に溶湯に空気が巻き込まれて鋳造欠陥となることを防止できることである。

また、第３の課題解決手段による作用は、鋳込口ブッシュや射出スリーブと、プランジャーチップの隙間に浸入して凝固した残留物を、成形毎に完全に取り除くことにより、前の成形残留物が成形品に混入して鋳造欠陥となることや、プランジャーチップの摺動が阻害されて装置が損傷するのを防止できることである。

また、第４の課題解決手段による作用は、溶解容器を傾斜させることによって鋳型が邪魔にならない方向から溶解容器内を観察できるようになり、鋳込み材料の溶解状況の確認と放射温度計による温度計測が可能となることである。

また、第５の課題解決手段による作用は、誘導加熱時の電磁力で溶湯が攪拌されない金属や黒鉛製の射出スリーブを用いた場合でも、溶湯を機械的に強制対流させることで重力偏析を防止し、かつ、短時間に均熱とすることで溶解容器や雰囲気からの溶湯の汚染を防止することである。

また、第６の課題解決手段による作用は、前記第１の解決手段を具体的な装置構成によって実現することである。

また、第７の課題解決手段による作用は、前記第２の解決手段を具体的な装置構成によって実現することである。

また、第８の課題解決手段による作用は、固定鋳型とガイドにガタの無いはめあいで嵌合している鋳込口ブッシュを、移動用ロッドを利用して射出スリーブと共に鉛直に押し出すことで無理に抉ることなく簡単に取り外すことができ、前記第３の解決手段を安全かつ確実に実現できることである。

また、第９の課題解決手段による作用は、前記第４の解決手段を具体的な装置構成によって実現することである。

また、第１０の課題解決手段による作用は、前記第５の解決手段を具体的な装置構成によって実現することである。

また、第１１の課題解決手段による作用は、射出スリーブ内部からの輻射伝熱を抑制することで、鋳込み材料の加熱効率を高めて溶解時間を短縮し、溶湯の汚染を防止することと、真空チャンバーの局所的な加熱を抑制することである。

また、第１２の課題解決手段による作用は、射出スリーブ内に向けて不活性ガスを噴出することで、射出スリーブ内の圧力を高めながら酸素濃度を低下させ、鋳込み材料の溶解中における蒸発ロスや酸化物の形成によるロスを少なくすることである。

また、第１３の課題解決手段による作用は、射出スリーブ自体を誘導加熱によって鋳込み材料の融点以上に加熱できることと、プランジャーチップとのはめあいを隙間ゼロに設定しても摺動に支障をきたさないことである。

また、第１４の課題解決手段による作用は、プランジャーチップ自体を誘導加熱によって鋳込み材料の融点以上に加熱できることと、射出スリーブとのはめあいを隙間ゼロに設定しても摺動に支障をきたさないことである。

以上のように、本発明の方法および装置によれば、融点が１０００Ｋを超える高融点金属であっても、高品位かつ高効率で鋳造することができる。

本発明の一実施形態に係わる高圧鋳造装置の概略構成を一部断面で示した正面図である。 本発明の一実施形態に係わる高圧鋳造装置の概略構成を一部断面で示した側面図である。 本発明の一実施形態に係わる射出スリーブを一部断面で示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる射出スリーブの別の実施形態を一部断面で示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係わるガイドを一部断面で示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係わるガイドを示した断面図である。 本発明の一実施形態に係わるガイドの別の実施形態を一部断面で示した斜視図である。 図５に示した実施形態の変形例を一部断面で示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる傾斜機構と回転機構と遮蔽機構の概略構成と動作を一部断面で示した斜視図で、動作前を示す。 本発明の一実施形態に係わる傾斜機構と回転機構と遮蔽機構の概略構成と動作を一部断面で示した斜視図で、動作後の状態を示す。 本発明の一実施形態に係わるホルダーを一部断面で示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係わるホルダーの別の実施形態を一部断面で示した斜視図である。 図１に示した実施形態の変形例を一部断面で示した正面図である。 本発明の一実施形態に係る高圧鋳造方法のフロー図である。

以下、本発明を図に示した実施形態に基づいて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素や形状、相対的な配置などは、特に記載がない限り本発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る高圧鋳造装置の概略構成を一部断面で示したものである。鋳込み材料１を溶解するための溶解容器２は、射出スリーブ３と、該射出スリーブ３内に摺動自在に嵌合され、かつ、プランジャー５０に固定されていないプランジャーチップ４とによって構成される。射出スリーブ３とプランジャーチップ４は、共に黒鉛製で、図３に示すように射出スリーブ３の上端部外周と下端部内周にはそれぞれ面取り３ａ、３ｂが施されており、下端部近傍の内周にはプランジャーチップ４の抜け落ち防止のための段部３ｃが設けられている。

図４は、射出スリーブ３の別の実施形態を一部断面で示した斜視図である。この場合、プランジャーチップ４の抜け落ちを防止するために止め輪５が用いられ、射出スリーブ３には止め輪５を取り付けるための溝加工部３ｄが設けられている。

図１において、キャビティ１０を構成する固定鋳型１１及び可動鋳型１２は、それぞれ固定ダイプレート２１と可動ダイプレート２２に固定されており、固定ダイプレート２１と可動ダイプレート２２には、それぞれ冷却孔２１ａと冷却孔２２ａが設けられている。固定ダイプレート２１には射出スリーブ３を鋳込口ブッシュ１３と連通する際の位置決めを行うガイド１４が取り付けられており、鋳込口ブッシュ１３は、固定鋳型１１を貫通して固定鋳型１１とガイド１４の両方に着脱自在に嵌合することができる。

図５に示すように、ガイド１４は概ね円筒状で１つ以上のスリット１４ａが設けられており、嵌合部１４ｂは鋳込口ブッシュ１３がガタの無いはめあいで着脱自在に嵌合する内径を有する。図６に示すように、案内部１４ｃの内側は射出スリーブ３が挿入される側に僅かに閉じたテーパー形状を有し、最大内径は射出スリーブ３の外径に概ね等しい。したがって、案内部１４ｃは射出スリーブ３の挿入によって弾性的に広げられることとなり、射出スリーブ３が鋳込口ブッシュ１３に連通するまで接触状態を維持してガタの無い案内を行う。このように、案内部１４ｃの弾性回復力を利用することによって鋳込口ブッシュ１３の中心軸に射出スリーブ３の中心軸を正確に一致させることができ、かつ、射出スリーブ３の急冷に必要十分な密着状態を実現することができる。なお、ガイド１４は図７に示すように複数のガイドセグメント１４ｆを同心円状に配置することによって構成することもできる。

ガイド１４は、射出スリーブ３から受熱して固定ダイプレート２１へ放熱するが、固定ダイプレート２１に固定されるのはつば部１４ｅのみである。したがって、ガイド１４の熱容量が小さい場合や熱伝導性が悪い場合には受熱に放熱が追いつかず、案内部１４ｃの内側の温度が短時間に上昇して射出スリーブ３の急冷が困難となる。そのため、ガイド１４は少なくとも射出スリーブ３と同等以上の熱容量を有し、金属や黒鉛等の熱伝導率の高い材料で構成されている必要があるが、図８に示す変形例のように案内部１４ｃに冷却孔１４ｈを設けて強制冷却してもよい。ただし、その場合には冷却溝１４ｇに給排水するための水路を固定ダイプレート２１と固定鋳型１１に設ける必要がある。

図１において、固定ダイプレート２１と可動ダイプレート２２には、鋳型を囲む固定ハウジング６１と可動ハウジング６２が取り付けられており、鋳型の開閉と連動して鋳型周りの空間を隔離するようになっている。なお、固定ハウジング６１と可動ハウジング６２の取り付け部および両者の嵌合部は真空シールされている。

ベースプレート２３と固定ダイプレート２１の間には、真空チャンバー６０が取り付けられており、それぞれの取り付け部は真空シールされている。真空チャンバー６０には、ハッチ６０ａと、排気ポート６０ｂと、ビューポート６０ｃと、バックポート６０ｄが設けられており、リークバルブ７１と、真空計７３と、真空排気装置７４が取り付けられている。ハッチ６０ａには扉６３が開閉自在に取り付けられており、扉６３とハッチ６０ａの間は真空シールされる。

ビューポート６０ｃは、射出スリーブ３を傾斜させることによって射出スリーブ３の内部を観察することができるように設けられている。ビューポート６０ｃの外側には、ビューファインダで対象物を観察できる放射温度計７５が取り付けられており、鋳込み材料１の溶解状況を確認しながら鋳込み材料１の温度を測定することができる。

バックポート６０ｄには、バックプレート８０が真空シールされた状態で回転自在に嵌合されており、バックプレート８０の真空チャンバー６０側には支持アーム９０と、絶縁部材１７を介して誘導加熱コイル１５が取り付けられている。また、バックプレート８０の外側にはセクタ歯車８１と、回転用モーター９６と、遮蔽用モーター１０４が取り付けられており、回転用シャフト９４と遮蔽用シャフト１０１がそれぞれ真空シールされた状態で回転自在に貫通している。
また、支持アーム９０には大かさ歯車９２を取り付けた回転テーブル９１が回転自在に嵌合されており、その上には射出スリーブ３を着脱自在に把持するためのホルダー１６が取り付けられている。

図９に示すように、射出スリーブ３を傾斜させるための傾斜機構は、バックポート６０ｄと、バックプレート８０と、セクタ歯車８１と、ピニオンギア８２と、傾斜用モーター８３と、傾斜用モーターマウント８４によって構成される。また、射出スリーブ３の傾斜は、バックプレート８０をセクタ歯車８１とピニオンギア８２を介して傾斜用モーター８３で回転させ、バックプレート８に連結するホルダー１６と誘導加熱コイル１５を一体的に傾斜させることによって行われる。

射出スリーブ３を回転させるための回転機構は、支持アーム９０と、回転テーブル９１と、大かさ歯車９２と、小かさ歯車９３と、回転用シャフト９４と、カップリング９５と、回転用モーター９６と、回転用モーターマウント９７によって構成され、回転テーブル９１と、大かさ歯車９２と、支持アーム９０には、移動用ロッド５１が貫通するための孔が設けられている。また、射出スリーブ３の回転は、真空チャンバー６０の外側に配置された回転用モーター９６の回転をカップリング９５と回転用シャフト９４を介して真空チャンバー６０内に導き、小かさ歯車９３と大かさ歯車９２によって回転方向を９０度変換して回転テーブル９１に取り付けられたホルダー１６を回転させることによって行われる。

射出スリーブ３の上面開口部の一部を開閉自在に覆う遮蔽機構は、遮蔽板１００と、遮蔽用シャフト１０１と、平歯車１０２と、小歯車１０３と、遮蔽用モーター１０４と、遮蔽用モーターマウント１０５によって構成され、遮蔽板１００には温度測定と内部観察のための穴１００ａが設けられている。射出スリーブ３の上面開口部の遮蔽は、遮蔽用モーター１０４の回転を小歯車１０３と平歯車１０２で減速して遮蔽用シャフト１０１に伝え、遮蔽板１００を射出スリーブ３の上面に当接もしくは当接寸前まで回転させることによって行われる。また、遮蔽板１００に取り付けられたノズル１０６は、中空構造の遮蔽用シャフト１０１と連通しており、ガス導入バルブ７２から導入される不活性ガスを射出スリーブ３内に噴出する。

誘導加熱コイル１５は、絶縁部材１７を介してバックプレート８０に固定され、中心軸が鉛直方向を向いた状態で移動用ロッド５１が中心を通るように設置されている。なお、誘導加熱コイル１５と絶縁部材１７の間および絶縁部材１７とバックプレート８０の間は、図示しないシール部材によって真空シールされている。

回転テーブル９１に取り付けられたホルダー１６は、溶解容器２を着脱自在に把持して誘導加熱コイル１５内に配置する。ホルダー１６は断熱性に優れるセラミックス製で、図１１に示すように概ね円筒状の形状を有し、一つ以上のスリット１６ａが設けられている。溶解容器２を把持する部分の下側には、溶解容器２の落下を防止するための段部１６ｂが設けられているが、その内径は移動用ロッド５１の外径よりも大きく、移動用ロッド５１は下側からホルダー１６を貫通して溶解容器２を上方に抜き出すことができる。なお、ホルダー１６は、図１２に示すように複数のホルダーセグメント１６ｃを同心円状に配置することによって構成することもでき、また、構成材料として黒鉛を使用することもできる。

図１において、移動用ロッド５１は、プランジャー５０が内部を貫通するパイプ形状で、ベースプレート２３に摺動自在に嵌合されており、ベースプレート２３およびプランジャー５０との間は、気密性を維持するために真空シールされている。移動用ロッド５１の下端は移動用プレート２４に固定されており、移動用シリンダ４２と移動用シリンダ４３によって昇降する。なお、移動用ロッド５１の外径は射出スリーブ３よりも小さい。

以下、上記構成の実施工程について図面を参照しながら説明する。図１４は、本発明の一実施形態に係る高圧鋳造方法のフローチャートである。

ステップＳ１において、射出スリーブ３とプランジャーチップ４で溶解容器２を構成する。なお、溶解容器２を構成する射出スリーブ３とプランジャーチップ４は、成形毎に新品もしくはメンテナンスが完了している清浄なものを使用する。

ステップＳ２において、溶解容器２の中に一回の成形に必要な量の鋳込み材料１を装填し、ステップＳ３において、溶解容器２をホルダー１６で把持して誘導加熱コイル１５内に配置する。

ステップＳ４において、固定鋳型１１の上方から鋳込口ブッシュ１３を挿入して固定鋳型１１とガイド１４に嵌合し、ステップＳ５において、型締めシリンダ４０により可動ダイプレート２２を固定ダイプレート２１側に移動させ、可動鋳型１２を固定鋳型１１に当接して型締めを行う。この時、固定ハウジング６１と可動ハウジング６２によって鋳型周りの空間は外気から遮断される。

ステップＳ６において、真空排気装置７４を用いて排気ポート６０ｂから真空チャンバー６０内およびのキャビティ１０の排気を行い、真空計７３で圧力を測定しながら真空チャンバー６０内を所定の圧力まで減圧する。

ステップＳ７において、傾斜用モーター８３を駆動してバックプレート８０を回転させ、溶解容器２が放射温度計７５を向くように傾斜させる。また、遮蔽用モーター１０４により遮蔽板１００を射出スリーブ３の上面に当接もしくは当接寸前まで回転させ、ガス導入バルブ７２から不活性ガスを導入してノズル１０６から射出スリーブ３内に噴出する。

ステップＳ８において、誘導加熱コイル１５に通電して溶解容器２と鋳込み材料１の加熱を開始し、鋳込み材料１が溶融し始めた時点もしくは放射温度計７５による鋳込み材料１の測定温度が融点に達した時点から回転用モーター９６を駆動して溶解容器２を中心軸回りに回転させる。溶解容器２の中心軸はステップＳ７において鉛直方向から傾斜した状態となっているため、溶解容器２を一方向に定速回転させるだけで内部の溶湯は強制対流により攪拌されるが、回転方向の反転や回転速度の変化を加えてもよい。さらに強力な攪拌を行う場合は、回転用モーター９６で溶解容器２を回転させながら傾斜用モーター８３による傾斜動作の反復を行い、複合回転動作によって溶湯に揺動を加える。

溶湯の攪拌は、放射温度計７５による溶湯の測定温度が所定の温度に到達した後も、その温度で全体が均熱となるまで継続する。溶解状況の確認は放射温度計７５のビューファインダから行うが、溶湯が均熱となるのに必要な加熱時間が既知であれば、その時間だけ溶湯の攪拌と加熱を継続する方法でもよい。

溶湯が所定の温度で均熱となった後、ステップＳ９においてバックプレート８０を逆回転させて溶解容器２を鉛直に立て、溶解容器２の回転を停止すると共に誘導コイル１５による加熱を終了する。その直後に、移動用ロッド５１を上昇させて溶解容器２をホルダー１６から抜き上げて載せ換え、ガイド１４の案内により溶解容器２を鋳込口ブッシュ１３と連通させる。このとき、溶解容器２はガイド１４の弾性回復力によってガイド１４と密着状態となる。

この状態を一定時間保持することで溶解容器２が急冷され、溶解容器２内で射出スリーブ３に接する溶湯近傍に温度境界層が形成される。これによって射出スリーブ３や鋳込口ブッシュ１３とプランジャーチップ４の隙間に溶湯が浸入するのを抑制し、逆噴射を防止することができるが、保持時間が長すぎると湯流れ性の低下や凝固層の形成をまねくため、溶湯の過加熱温度と射出速度に応じた保持時間を後述の予備成形によって決めておく必要がある。

所定の保持時間だけ溶解容器２内に溶湯を保持した後、ステップＳ１０においてプランジャー５０を所定の速度でプランジャーチップ４に当接し、溶解容器２内の溶湯を一気に鋳込口ブッシュ１３に移送してキャビティ１０に射出充填する。充填完了後も、鋳込口ブッシュ１３内の溶湯が完全に凝固するまでの数秒間はプランジャー５０で加圧を行う。

ステップＳ１１において、リークバルブ７１を開いて真空チャンバー６０を大気圧に戻し、ステップＳ１２において、型締めシリンダ４０により可動鋳型１２を移動させて型開きを行う。

ステップＳ１３において、キャビティ１０内の成形品を取り出し、ステップＳ１４において、移動用ロッド５１でガイド１４内の射出スリーブ３と鋳込口ブッシュ１３を固定鋳型１１の上方に押し出し、射出スリーブ３と鋳込口ブッシュ１３とプランジャーチップ４を装置本体から取り外す。

ステップＳ１５において、取り外した射出スリーブ３と鋳込口ブッシュ１３とプランジャーチップ４をメンテナンスに廻し、次の成形にはメンテナンスが完了している清浄な部材を使用する。

予備成形による保維時間の決定は次のように行う。最初に溶湯の過加熱温度を設定しておき、保持時間をゼロとして射出速度を徐々に上げていく。成形毎に鋳込口ブッシュ１３とプランジャーチップ４の隙間に浸入する溶湯量を確認し（鋳込口ブッシュ１３とプランジャーチップ４を取り外した際に確認する）、隙間に浸入する溶湯量が増えてきたら保持時間を徐々に延ばして浸入量を抑制する。浸入量が許容範囲に収まったら、その保持時間のもとで再び射出速度を徐々上げていく。この操作をキャビティ１０が完全に充填されるまで繰り返し、必要に応じて溶湯の過加熱温度を変えて調整を繰り返すことで、全体としての湯流れ性を維持しつつ、逆噴射を確実に防止するための保持時間を決定することができる。

このように予備成形を行うことで、溶湯の湯流れ性を損なうことなく逆噴射を確実に防止することができるため、チタン合金やジルコニウム合金等の高融点活性金属でも高速射出による薄肉成形を安全に実現することができる。

また、図１３は前記図１に示した実施形態の変形例を示している。この実施形態では、鋳型としてロストワックスや三次元積層造形によって作製される一体型鋳型１１０を使用することが可能で、固定ダイプレート２１には、鋳込口ブッシュ１３を着脱自在に装着できる鋳型プレート１１１が取り付けられている。一体型鋳型１１０は、鋳込口１１０ａを鋳込口ブッシュ１３と連通させて鋳型プレート１１１に載せられ、可動ダイプレート２２を介して所定の圧力で押圧されることによって固定される。他の構成は、前記図１に示す実施形態と同様である。

１ 鋳込み材料
２ 溶解容器
３ 射出スリーブ
３ａ 面取り
３ｂ 面取り
３ｃ 段部
３ｄ 溝部
４ プランジャーチップ
５ 止め輪
１０ キャビティ
１１ 固定鋳型
１２ 可動鋳型
１３ 鋳込口ブッシュ
１４ ガイド
１４ａ スリット
１４ｂ 嵌合部
１４ｃ 案内部
１４ｄ テーパー部
１４ｅ つば部
１４ｆ ガイドセグメント
１４ｇ 冷却溝
１４ｈ 冷却孔
１４ｉ Ｏリング
１４ｊ 止栓
１５ 誘導加熱コイル
１６ ホルダー
１６ａ スリット
１６ｂ 段部
１６ｃ テーパー部
１６ｄ ホルダーセグメント
１７ 絶縁部材
２０ トッププレート
２１ 固定ダイプレート
２１ａ 冷却孔
２２ 可動ダイプレート
２２ａ 冷却孔
２３ ベースプレート
２３ａ 冷却孔
２４ 移動用プレート
２５ ボトムプレート
３０ タイバー
３１ タイバー
３２ タイバー
４０ 型締めシリンダ
４０ａ 型締めロッド
４１ 射出シリンダ
４２ 移動シリンダ
４３ 移動シリンダ
５０ プランジャー
５１ 移動用ロッド
６０ 真空チャンバー
６０ａ ハッチ
６０ｂ 排気ポート
６０ｃ ビューポート
６０ｄ バックポート
６１ 固定ハウジング
６２ 可動ハウジング
６３ 扉
７１ リークバルブ
７２ ガス導入バルブ
７３ 真空計
７４ 真空排気装置
７５ 放射温度計
７５ａ 放射温度計マウント
８０ バックプレート
８１ セクタ歯車
８２ ピニオンギア
８３ 傾斜用モーター
８４ 傾斜用モーターマウント
９０ 支持アーム
９１ 回転テーブル
９２ 大かさ歯車
９３ 小かさ歯車
９４ 回転用シャフト
９５ カップリング
９６ 回転用モーター
９７ 回転用モーターマウント
１００ 遮蔽板
１００ａ 穴
１０１ 遮蔽用シャフト
１０２ 平歯車
１０３ 小歯車
１０４ 遮蔽用モーター
１０５ 遮蔽用モーターマウント
１０６ ノズル
１１０ 一体型鋳型
１１０ａ 鋳込口
１１１ 鋳型プレート

Claims (14)

1. プランジャーで溶湯を加圧してキャビティに射出充填する高圧鋳造方法において、鋳込口ブッシュに着脱自在に連通する射出スリーブと、該射出スリーブ内に摺動自在に嵌合され、かつ、プランジャーに固定されていないプランジャーチップとによってカートリッジ式の溶解容器を構成し、該溶解容器内に鋳込み材料を装填した後、前記溶解容器を前記鋳込口ブッシュと前記プランジャーから分離させた状態で誘導加熱コイル内に配置して鋳込み材料の溶解を行い、前期鋳込口ブッシュと連結するガイド内を通るように前記溶解容器を直線移動させて前記鋳込口ブッシュに連通させるとともに前記溶解容器を前記ガイドに対して密着させて冷却状態に設定し、次いで前記プランジャーを前記プランジャーチップに当接して溶湯と共に一気に前記鋳込口ブッシュに移送し、前記鋳込口ブッシュ内で溶湯を加圧してキャビティへ射出充填することを特徴とする高圧鋳造方法。
2. 鋳込み材料を真空又は不活性雰囲気内で溶解し、減圧されたキャビティへ溶湯を射出充填することを特徴とする請求項１に記載の高圧鋳造方法。
3. 前記射出スリーブと前記プランジャーチップと前記鋳込口ブッシュを成形毎に装置本体から取り外すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高圧鋳造方法。
4. 鋳込み材料を溶解する際に、前記溶解容器を鉛直方向に対して傾斜させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高圧鋳造方法。
5. 鋳込み材料を溶解する際に、前記溶解容器内の溶湯を機械的に撹拌することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の高圧鋳造方法。
6. プランジャーで溶湯を加圧してキャビティに射出充填する高圧鋳造装置であって、固定ダイプレートの貫通孔に取り付けられた円筒状のガイドと、該ガイドの上部に着脱自在に連結する鋳込口ブッシュと、該鋳込口ブッシュの下端に着脱自在に連通する射出スリーブと、該射出スリーブ内に摺動自在に嵌合され、かつ、前記プランジャーに固定されていないプランジャーチップと、前記射出スリーブを着脱自在に支持して前記ガイド内を通るように直線移動させ、前記鋳込口ブッシュの下端に連通させる移動用ロッドと、前記射出スリーブの移動範囲内に配置されて前記射出スリーブ内で鋳込み材料を溶解させるための誘導加熱コイルと、前記射出スリーブを把持して前記誘導加熱コイル内に配置することができ、かつ、前記移動用ロッドとの間で前記射出スリーブの受け渡しが可能なホルダーとを備えており、前記ガイドは、前記鋳込口ブッシュに前記射出スリーブが連通した状態で前記射出スリーブに密着状態になるように設定されていることを特徴とする高圧鋳造装置。
7. 前記ホルダーを含む空間を覆い、一方で前記鋳込口ブッシュと連通し、他方において前記移動用ロッドが外気を遮蔽しつつ摺動自在に嵌挿されている真空チャンバーを備えていることを特徴とする請求項６に記載の高圧鋳造装置。
8. 前記移動用ロッドは、前記鋳込口ブッシュを前記射出スリーブと共に押し出して取り外すように動作することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の高圧鋳造装置。
9. 前記射出スリーブを鉛直方向に対して傾斜させるための傾斜機構を備えることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。
10. 前記射出スリーブをその中心軸回りに回転させるための回転機構を備えることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。
11. 前記射出スリーブの上面開口部の一部を開閉自在に覆うための遮蔽機構を備えることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。
12. 前記射出スリーブの内部に向けて不活性ガスを噴出するためのノズルを備えることを特徴とする請求項６から請求項１１のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。
13. 前記射出スリーブが黒鉛によって構成されることを特徴とする請求項６から請求項１２のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。
14. 前記プランジャーチップが黒鉛によって構成されることを特徴とする請求項６から請求項１３のいずれか一項に記載の高圧鋳造装置。