JP6953000B2 - 真空鋳造のシール構造 - Google Patents
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Description
本発明は、真空鋳造において溶湯が充填される金型とその金型へ溶湯を供給するための給湯管との間を密閉するシール構造に関する。
鋳造においては、原料であるアルミニウム等の溶融金属（溶湯）を、上型と下型を合わせた金型（鋳型）に流し込んで冷やすことにより、目的の形状の鋳物が製造される。鋳造には、低圧鋳造やダイカスト鋳造などがある。低圧鋳造では、溶湯を低圧かつ低速で金型内に充填することにより成形される。また、ダイカスト鋳造では、溶湯を高圧かつ高速で射出し、金型内に充填された鋳物用溶湯を急速に凝固させることにより、高い寸法精度の形状を短時間で大量に成型加工することを可能にしている。さらに、溶湯中へのガスの巻き込みや溶湯表面の酸化物の生成を抑制するために、金型や給湯管を真空又は真空近くまで減圧した状態にする真空鋳造もある。
なお、特許文献１に記載されているように、金型内に形成された密閉空間を真空吸引することによって溶湯を金型の隅々に行きわたらせるアルミニウムを鋳造する方法および装置に発明も開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の発明などの真空鋳造装置においては、溶湯が充填される金型とその金型へ高温の溶湯を供給するためのセラミックス製の給湯管との間を密閉する必要があり、黒鉛シートの場合、気密性は高いが高温での耐酸化性に問題があり、セラミックファイバの場合、耐熱性はあるが気密性に不安がある。
そこで、本発明は、真空鋳造において溶湯が充填される金型とその金型へ溶湯を供給するための給湯管との間を高気密かつ高耐熱で密閉するシール構造を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明である真空鋳造のシール構造は、溶湯が充填される金型と、前記金型に前記溶湯を供給する給湯管と、前記金型と前記給湯管の間に介される耐熱シール材と、を備え、前記給湯管は、外周に突出するフランジを有し、前記耐熱シール材は、前記給湯管の先端と前記金型の間をシールするセラミックファイバ製のパッキングと、前記パッキングの外側で前記フランジと前記金型の間に形成された空間をシールする黒鉛シートと、前記黒鉛シートの外側に配置される金属部材と、を有する、ことを特徴とする。
前記真空鋳造のシール構造は、前記空間にセラミックス製リングを嵌合した、ことを特徴とする。
また、前記真空鋳造のシール構造において、前記金型は、前記フランジの先端と一部が重なるように突出させた当接部が設けられ、前記黒鉛シート及び前記金属部材が間に配される、ことを特徴とする。
さらに、本発明である鋳造装置は、前記真空鋳造のシール構造を備えた、ことを特徴とする。
本発明によれば、真空鋳造において溶湯が充填される金型とその金型へ溶湯を供給するための給湯管との間を高気密かつ高耐熱で密閉することができる。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
まず、本発明である真空鋳造のシール構造を有する鋳造装置について説明する。図１は、真空鋳造のシール構造を有する鋳造装置の概観を示す側面断面図である。図２は、真空鋳造のシール構造を有する鋳造装置の金型を示す拡大断面図である。
図１に示すように、鋳造装置１００は、アルミニウム等の金属や合金からなる溶湯１３０を、保持炉１２０から金型２００に流し込んで冷却することにより、所定の形状に成型加工する。
図示していない溶解炉は、坩堝などを用いて固体の材料を融点以上に加熱し、液体の溶湯１３０にするための炉である。保持炉１２０は、溶解炉から導入された溶湯１３０を所定の温度で加熱して液体の状態を保持するための炉である。金型２００は、保持炉１２０から供給された溶湯１３０を冷却して凝固させるための金型である。なお、保持炉１２０においては、予め、溶湯１３０に取り込まれた水素ガス等に対して脱ガス処理を施したり、溶湯１３０の表面に生じた酸化膜（ノロ）等に対してノロ掻きを施したりしておく。
図１に示すように、鋳造装置１００において、保持炉１２０から金型２００に溶湯１３０を供給するのに、保持炉１２０と金型２００の間に給湯管１４０を通して、真空引きで吸い上げる。
電磁ポンプ１５０は、例えば、給湯管１４０内にコア（鉄芯）を配置し、給湯管１４０外に誘導子（コイルとステータ）を配置した外置型のものである。保持炉１２０から吸い上がってきた溶湯１３０を下向きの力が発生する電磁ポンプ１５０で電磁ブレーキを掛けてそのブレーキ力を制御し、湯面１６０が所定の高さとなるように保持する。なお、保持炉１２０における溶湯１３０の量や、給湯管１４０における湯面１６０の高さについては、液面センサ等で監視すれば良い。
金型２００は、台板２１０の上に固定された下金型４００と、昇降機構２３０により上下に可動する上金型３００とを有する。なお、台板２１０を貫通させて下金型４００と給湯管１４０とが連結される。昇降機構２３０により昇降板２４０を降下させると、ダイベース３１０とともに上金型３００が下降する。
ダイベース３１０は、昇降板２４０の下面に取り付けられた上ダイベース３１０ａと、上金型３００の上面に取り付けられた下ダイベース３１０ｂとが、支柱などを介して間隔を空けて配置され、上ダイベース３１０ａと下ダイベース３１０ｂの間には、上下に可動な支持板３２０が配置されている。また、昇降板２４０及び上ダイベース３１０ａを貫通する押出部材２５０が固設されており、支持板３２０の下面には、下ダイベース３１０ｂ及び上金型３００を貫通する押しピン３３０が取り付けられているとする。
図２に示すように、上金型３００の下面と下金型４００の上面は、中央側が所定の形状で凹んでおり、上金型３００を下降させて下金型４００に押し合わせると、上金型３００と下金型４００の間にキャビティ４１０が形成される。なお、上金型３００及び下金型４００の縁側は、ゴム等を環状にしたＯリング３６０等でシールすることで密閉される。そして、下金型４００の絞り部４２０が湯口として空けられており、電磁ポンプ１５０の電磁ブレーキを弱めて湯を指定の速度で上昇させることで、給湯管１４０からキャビティ４１０内に溶湯１３０が充填される。
電磁ポンプ１５０に下向きの力を発生させることで、金型２００内部が真空になっても溶湯１３０の上昇にブレーキが掛かる。ブレーキを制御しながら弱めることで、金型２００に溶湯１３０が静かに充填される。
前もって、上金型３００には真空配管３５０が通されて、キャビティ４１０内に至る通路が形成されている。電磁ブレーキを前もって掛けた後に、真空配管３５０に真空ポンプ等を繋ぐことで、キャビティ４１０内が減圧される。電磁ブレーキを弱めることで給湯管１４０から溶湯１３０が供給されたときに、キャビティ４１０内が真空であれば、上金型３００及び下金型４００の隅々まで溶湯１３０が行き渡る。
溶湯１３０がアルミニウム合金のとき、上金型３００の温度を約２００〜３００度、下金型４００の温度を約３００〜４００度にして、上の方は凝固させ、下の方は溶融している状態にする。キャビティ４１０内の温度は、熱電対３４０などで測定すれば良い。なお、給湯管１４０内の溶湯１３０の温度は約６００〜７００度となるので、下金型４００に熱が伝達しないように台板２１０に断熱材２２０を配置する。
また、下金型４００の絞り部４２０に給湯管１４０を配置する際に、キャビティ４１０内の真空状態を維持するために、下金型４００と給湯管１４０の間を耐熱シール材５００でシールする。なお、給湯管１４０内、キャビティ４１０内、及びダイベース３１０間のべローズ３７０内が密閉されれば良い。なお、べローズ３７０は、蛇腹状に伸縮する気密材であり、可動する支持板３２０を支える。
上金型３００を上昇させると、支持板３２０が押出部材２５０に押圧され、押しピン３３０が上金型３００を貫通して下方に突出する。溶湯１３０が冷却されて凝固することで所定の形状に成形された鋳物が上金型３００から離型される。
次に、本発明である真空鋳造のシール構造について説明する。図３は、真空鋳造のシール構造の概略を示す図であり、（ａ）は給湯管を金型に掛けるようにしてシールする場合、（ｂ）は給湯管を金型に押し付けるようにしてシールする場合である。なお、真空度が要求される方を内側とし、そうでない方を外側とする。
図３（ａ）に示すように、まず、給湯管１４０の先端（上端）が下金型４００の絞り部４２０を囲むように当てられる第１当接部４３０をパッキング５１０でシールする。第１当接部４３０は、絞り部４２０より外側の平坦になった下面であれば良い。給湯管１４０が円管状であれば、第１当接部４３０も円形であり、パッキング５１０も環状となる。
下金型４００は金属製で、給湯管１４０はセラミックス製であるため、パッキング５１０は耐熱上、ゴム製のものは気密性を維持するのが難しい。また、第１当接部４３０は、給湯管１４０から下金型４００に供給される溶湯１３０が通過する部分で高温となるため、グラフォイルなど黒鉛製のものは燃えてしまう場合がある。
そのため、パッキング５１０としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）を主成分とするセラミックファイバ等を用いる。セラミックファイバは、セラミックスを石綿状に成形して窒化ホウ素（ＢＮ）と水ガラス（ケイ酸ナトリウム水溶液）とアルコールを混ぜたものに含浸させたもの等を用いれば良い。
なお、セラミックファイバは、グラフォイルほど気密性が高くないため、パッキング５１０の外側を黒鉛シート５２０でさらにシールする。そこで、給湯管１４０の外周にフランジ１７０を設ける。フランジ１７０は、給湯管１４０の先端よりも下の位置において外側へ突出させれば良い。給湯管１４０が円管状であれば、フランジ１７０も環状となる。なお、黒鉛シート５２０は、グラフォイル等であり、４００度以下で使用することが望ましい。
パッキング５１０の外側においては、フランジ１７０と下金型４００との間に空間５４０が形成される。なお、空間５４０には、セラミックス製リング５４０ａを挿入して、この空間５４０を隙間なく嵌合する。セラミックス製リング５４０ａは、金型２００内部を真空にした時のパッキング５１０内外でのガスの通過を防止して、パッキング５１０の破損を防止する。
下金型４００には、空間５４０を塞ぐように第２当接部４４０ａを設ける。例えば、第１当接部４３０より外側の位置から下方に突出してフランジ１７０を載せるようにフランジ１７０の下側へ延びる突起を設ける。そして、フランジ１７０と第２当接部４４０ａとが上下に重なった隙間に黒鉛シート５２０を介在させて空間５４０をシールする。セラミックス製リング５４０ａが嵌合された空間５４０は、パッキング５１０の外側から黒鉛シート５２０の内側まで密閉される。
給湯管１４０の内側の熱は、空間５４０とセラミックス製リング５４０ａを介しているため熱の伝わりは少ないが、給湯管１４０の外側の熱の影響を受ける可能性がある。そこで、黒鉛シート５２０の外側に空気を遮断するための金属部材５３０を配置する。黒鉛シート５２０が環状の場合、黒鉛シート５２０の外側（黒鉛シート５２０の内周面）に対し、金属部材５３０の外周面を当てるように配置すれば良い。金属部材５３０は、例えば、インコネル６２５、ハステロイＸ、インコネルＸ７５０等の耐熱性のあるニッケル合金を用いれば良い。
また、図３（ｂ）に示すように、第１当接部４３０より外側の位置を下方に突出させてフランジ１７０の上面に近接するように第２当接部４４０ｂを設ける。そして、第２当接部４４０ｂとフランジ１７０とが上下に重なった隙間に黒鉛シート５２０を介在させ、給湯管１４０を下金型４００へ押し付けるようにしてセラミックス製リング５４０ａが嵌合された空間５４０をシールする。
さらに、黒鉛シート５２０の外側に金属部材５３０を配置して外からの空気を遮断する。黒鉛シート５２０が環状の場合、黒鉛シート５２０の外側（黒鉛シート５２０の外周面）に対し、金属部材５３０の内周面を当てるように配置すれば良い。
このように、真空鋳造において溶湯１３０が充填される金型２００とその金型２００へ溶湯１３０を供給するための給湯管１４０との間を高気密かつ高耐熱で密閉することができる。
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。
１００：鋳造装置
１２０：保持炉
１３０：溶湯
１４０：給湯管
１５０：電磁ポンプ
１６０：湯面
１７０：フランジ
２００：金型
２１０：台板
２２０：断熱材
２３０：昇降機構
２４０：昇降板
２５０：押出部材
３００：上金型
３１０：ダイベース
３２０：支持板
３３０：押しピン
３４０：熱電対
３５０：真空配管
３６０：Ｏリング
３７０：べローズ
４００：下金型
４１０：キャビティ
４２０：絞り部
４３０：第１当接部
４４０：第２当接部
５００：耐熱シール材
５１０：パッキング
５２０：黒鉛シート
５３０：金属部材
５４０：空間
５４０ａ：セラミックス製リング
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Claims (4)
- 溶湯が充填される金型と、
前記金型に前記溶湯を供給する給湯管と、
前記金型と前記給湯管の間に介される耐熱シール材と、を備え、
前記給湯管は、外周に突出するフランジを有し、
前記耐熱シール材は、前記給湯管の先端と前記金型の間をシールするセラミックファイバ製のパッキングと、前記パッキングの外側で前記フランジと前記金型の間に形成された空間をシールする黒鉛シートと、前記黒鉛シートの外側に配置される金属部材と、を有する、
ことを特徴とする真空鋳造のシール構造。 - 前記空間にセラミックス製リングを嵌合した、
ことを特徴とする請求項１に記載の真空鋳造のシール構造。 - 前記金型は、前記フランジの先端と一部が重なるように突出させた当接部が設けられ、前記黒鉛シート及び前記金属部材が前記当接部と前記フランジとが重なった隙間に配される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空鋳造のシール構造。 - 請求項１乃至３の何れかに記載の真空鋳造のシール構造を備えた、
ことを特徴とする鋳造装置。
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