JP7299832B2 - 鋳造方法及び鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造方法及び鋳造装置に関する。

金型へ溶湯を加圧注湯することにより、鋳造品を得る技術が、知られている（例えば、特許文献１（図１）参照）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７は従来の鋳造装置の基本構成図であり、この鋳造装置１００は、第１キャビティ１０１、第２キャビティ１０２、第１湯道１０３、第２湯道１０４、カッター１０５を有する上型１０６と、口金１０７を有する下型１０８と、口金１０７に対向するように配置されるスリーブ１１１と、このスリーブ１１１を囲うヒータ１１２と、スリーブ１１１に収納されるプランジャ１１３と、これらの全てを囲う真空容器１１４と、真空容器１１４に付属する真空ポンプ１１５、１１６とからなる。

真空ポンプ１１５で真空容器１１４内を減圧し、真空ポンプ１１６で第１キャビティ１０１及び第２キャビティ１０２を減圧する。
スリーブ１１１にアルミニウム原料を詰め、ヒータ１１２で溶解する。溶解後、スリーブ１１１を前進し、先端を口金１０７に当てる。プランジャ１１３を前進して、溶湯を押し出す。

溶湯の一部は、口金１０７→第１湯道１０３→第１キャビティ１０１と流れる。
溶湯の残部は、口金１０７→第２湯道１０４→第２キャビティ１０２と流れる。
溶湯が固まったら、カッター１０５を前進（図では下降）し、鋳物の湯道部分を切断する。切断された湯道部分は、口金１０７を通って、スリーブ１１１へ落下し、次の溶解に再利用される。

次の溶解までは、口金１０７の回りに溶湯は存在しない。口金１０７は断熱性能に優れたセラミックス（特許文献１、段落００１９）で構成される。

従来の鋳造装置１００は、次に述べる利点を有する。
第１キャビティ１０１及び第２キャビティ１０２が減圧されているため、湯回り性能が高まる。加えて、減圧されているため、残留空気が無く、巣の発生が抑制される。

一方、従来の鋳造装置１００は、次に述べる欠点を有する。
第１に、口金１０７を通った溶湯は、カッター１０５に衝突して、左と右へ９０°向きを変えるが、流れ方向の急変によって、左右の流れに差ができる。この差は鋳造欠陥の要因となる。

第２に、口金１０７を構成するセラミックスは、瀬戸物に代表されるように、熱衝撃に弱い。結果、口金１０７の寿命は比較的短くなる。口金１０７の交換頻度が高まり、製造コストの高騰要因となる。

第３に、真空容器１１４や真空ポンプ１１５が必須であるため、鋳造装置１００は高価になる。
複数本の湯道に溶湯を分流させる鋳造において、分流後の流れを極力均一にすることができる鋳造技術が求められる。

特開平１０－２９６４２４号公報

本発明は、溶湯を分流させる鋳造において、分流後の流れを極力均一にすることができる鋳造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、一つの湯入口と、この湯入口の上方に配置され下に凸のＶ字部と、このＶ字部より上方に配置され前記Ｖ字部で分岐された複数本の湯道とを有し、溶湯が前記一つの湯入口から流入し、前記Ｖ字部で分流され、前記複数本の湯道を通る鋳造方法であって、
前記溶湯の待機位置は、前記Ｖ字部より上位に設定され、
繰り返して鋳造が実施される間、前記Ｖ字部は前記溶湯で満たされていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、金型と、湯分岐ブロックと、溶湯を供給する電磁ポンプと、この電磁ポンプを制御する制御部とからなる鋳造装置であって、
前記湯分岐ブロックは、一つの湯入口と、この湯入口の上方に配置され下に凸のＶ字部と、このＶ字部より上方に配置され前記Ｖ字部により分岐された複数本の湯道とを有し、 前記溶湯が前記一つの湯入口から流入し、前記Ｖ字部で分流され、前記複数本の湯道を通るように構成され、
前記電磁ポンプは、交流電源で駆動され、
前記制御部は、繰り返して鋳造が実施されるときの前記溶湯の待機位置を、前記Ｖ字部より上位に維持することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２記載の鋳造装置であって、
前記湯分岐ブロックは、セラミックスで構成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３記載の鋳造装置であって、
前記制御部は、前記溶湯の待機位置を、前記湯分岐ブロックのほぼ上面に維持することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、Ｖ字部は溶湯で満たされている。
仮に、注湯の度に溶湯がＶ字部に衝突すると、乱れが発生し、分岐後の流れに差が発生する。本発明では、溶湯がＶ字部に衝突しないため、分岐後の流れに差が発生しない。

加えて、Ｔ字部に比較して、Ｖ字部であれば、流れの方向の変化が少ないため、流れの一層の均一化が図れる。
よって、本発明により、溶湯を分流させる鋳造において、分流後の流れを極力均一にすることができる鋳造技術が提供される。

請求項２に係る発明では、請求項１の効果に次の効果が加わる。
すなわち、電磁ポンプを採用したので、溶湯の流動性が高まり、溶湯の温度を上げること無く、溶湯の待機位置を、Ｖ字部より上位に維持することができる。

請求項３に係る発明では、湯分岐ブロックは、セラミックスで構成されている。セラミックスは、金属に比較して熱伝導率が格段に小さい。セラミックス製湯分岐ブロックは、保温性が良いので、溶湯の温度低下が抑制される。

請求項４に係る発明では、制御部は、溶湯の待機位置を、湯分岐ブロックのほぼ上面に維持する。Ｖ字部は溶湯で満たされている。溶湯がＶ字部に衝突しないため、分岐後の流れに差が発生しない。

また、セラミックス製湯分岐ブロックは、断熱性に富む反面、熱衝撃に弱い。本発明では、セラミックス製湯分岐ブロックに、常に溶湯を流す又は貯めるため、温度変化が少なくなり、熱衝撃が抑制される。結果、セラミックス製湯分岐ブロックの寿命を大幅に延ばすことができる。

鋳造装置の基本構成図である。 電磁ポンプの断面図である。 図２の３部拡大図である。 湯分岐ブロックの断面図である。 図４の５－５矢視図である。 （ａ）は圧縮前のパッキンの断面図、（ｂ）は図５の６ｂ－６ｂ線断面図である。 従来の鋳造装置の基本構成図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、鋳造装置１０は、金型１１と、湯分岐ブロック４０と、電磁ポンプ２０と、この電磁ポンプ２０を制御する制御部３２と、ヒータ１２を備えてアルミニウムの溶湯１３を貯留する保持炉１４とからなる。
この例では、保持炉１４に鋼製フレーム１５を載せ、この鋼製フレーム１５で電磁ポンプ２０が支えられているが、保持炉１４への電磁ポンプ２０の取付け形態は任意である。

なお、保持炉１４は、溶解炉、出湯炉、取鍋（とりべ）などのアルミニウムを溶融状態で貯留する容器であればよく、狭義の保持炉に限定されない。

電磁ポンプ２０の詳細な構造を、図２に基づいて説明する。
図２に示すように、電磁ポンプ２０は、ベースフランジ２１と、このベースフランジ２１を貫通して上下に伸びている導湯管２２と、この導湯管２２に収納される鉄心部材２３と、導湯管２２の下部を囲う下部コイル２４と、この下部コイル２４を囲いつつベースフランジ２１に吊るされる下部ケース２５と、導湯管２２の上部を囲う上部コイル２６と、この上部コイル２６を囲いつつベースフランジ２１に載っている上部ケース２７と、導湯管２２から上へ伸びる吐出管２８と、この吐出管２８を囲う湯面計２９と、上部ケース２７に繋がっている上部フランジ３０とを備えている。

下部コイル２４に通電すると、フレミングの左手の原理で、溶湯（図１、符号１３）が引き上げられる。
次に、上部コイル２６に通電し、下部コイル２４を非通電にすると、溶湯が湯面計２９まで引き上げられる。湯面計２９のレベルが「仮待機レベル」になる。

フレミングの左手の法則により、電流を増すと、力が増加する。
上部コイル２６の電流をさらに増すと、溶湯は湯面計２９を超えて、吐出管２８より上へ吐出される。すると、図１に示す湯分岐ブロック４０を通って、金型１１に注湯される。
よって、電磁ポンプ２０は、保持炉１４に貯留した溶湯１３を汲み上げて、金型１１へ供給する加圧注湯手段である。

本発明者らは、加圧注湯手段としての電磁ポンプ２０に、電磁作用特有の圧力現象があり、この現象に注目した。この現象を、図３に基づいて説明する。

図３に示すように、導湯管２２と鉄心部材２３との間の通路を、溶湯１３が上向きに流れている。上部コイル２６の上端部２６ａから鉄心部材２３へ達する磁場３１は上に凸になるように湾曲化する。この湾曲の度合いは、５０Ｈｚであれば２倍の１００Ｈｚで変動する。
この磁場３１の変動（変位）に起因して、溶湯１３の圧力（吐出圧力）が、細かい周期（１００Ｈｚ）で、微小変動する。すなわち、細かな脈動が不可避的に発生する。

次に、図４に基づいて、湯分岐ブロック４０の構造を詳しく説明する。
図４に示すように、湯分岐ブロック４０は、略三角形又は台形断面のセラミックス４１と、このセラミックス４１を収納する金属ケース４２と、この金属ケース４２の上面を塞ぐ金属蓋４３とを備えている。
セラミックス４１を採用した理由を、次に述べる。

実施例１：セラミックスの一種であるジルコニアは、熱伝導率λが３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
実施例２：セラミックスの一種であるアルミナは、熱伝導率λが３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

比較例：金属の一種である炭素鋼は、熱伝導率λが４３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
炭素鋼の熱伝導率λを「１．０」として比較すると、ジルコニアは「０．０７」倍、アルミナは「０．７」倍となる。溶湯の温度低下を抑制するには、ジルコニアが好適であることがわかる。よって、セラミックス４１は、ジルコニアが推奨される。

なお、冷たい瀬戸物に熱湯を掛けると、瀬戸物が割れることは知られている。ジルコニアは瀬戸物と同じセラミックスであるため、熱衝撃に弱いという欠点を有する。アルミナも同様に、熱衝撃に弱いという欠点を有する。

図４に示すように、略三角形又は台形断面のセラミックス４１は、一つの湯入口４４と、下に凸のＶ字部４５と、このＶ字部４５で分岐された第１湯道４６と第２湯道４７と、を有する。
この実施例では、上部フランジ３０と、湯入口４４との間に、適当な長さの連結管４８を介在させた。この連結管４８は省いて、直接的に上部フランジ３０に湯入口４４を繋ぐことは差し支えない。

また、連結管４８を、湯分岐ブロック４０に一体化してもよい。一体化した場合は、Ｖ字部４５は、Ｙ字部となる。よって、Ｖ字部４５はＹ字部であっても差し支えない。
また、分岐された湯道の本数は、２本（第１湯道４６と第２湯道４７）に限定されずに、３本以上であってもよい。

第１湯道４６の出口と第２湯道４７の出口において、好ましくは、金属蓋４３に、セラミックス製カラー４９を嵌める。セラミックス製カラー４９で断熱性を高めることができる。

連結管４８と金属ケース４２との間に第１パッキン５１を挟んで、分割部位をシールする。
金属ケース４２と金属蓋４３との間に第２パッキン５２を挟んで、分割部位をシールする。
金属蓋４３と金型１１との間に第３パッキン５３を挟んで、分割部位をシールする。

溶湯（図１、符号１３）は、湯入口４４から流入し、Ｖ字部４５で分流され、第１湯道４６と第２湯道４７を通って、金型１１に至る。
このときに、Ｖ字部４５が、船の舳先（へさき）の役割を果たすために、綺麗に分流され、第１湯道４６の流れと第２湯道４７の流れに差がでない。
金型１１で複数（例えば２個）の成形品を得る場合、本発明により、均等な成形品を得ることができる。

なお、上記の表１で説明したように、セラミックス４１は、熱衝撃に弱い。そこで、以下に述べる対策を講じた。
繰り返し鋳造が実施される間、湯分岐ブロック４０が溶湯で満たされるように、待機位置を、湯分岐ブロック４０のほぼ上面Ｐ１に設定する。湯分岐ブロック４０が溶湯で常に加熱されるため、湯分岐ブロック４０の温度変化はなく、熱衝撃を受けない。結果、湯分岐ブロック４０の寿命を大幅に延ばすことができる。

なお、待機位置は、湯分岐ブロック４０のほぼ上面のレベルＰ１であればよく、金属蓋４３の下面のレベルＰ２であってもよい。要は、セラミックス４１が溶湯で満たされればよい。

ところで、図３で説明したように、電磁ポンプ２０を交流電源で駆動すると、溶湯に微小な圧力変動が加わる。この圧力変動により、溶湯が固まりにくくなる。すると、従来よりも低温であっても、溶湯は金型のキャビティの末端まで到達する。
溶湯の温度が低いほど熱衝撃が小さくなる。セラミックス４１が割れる心配がなければ、溶湯の待機位置は、レベルＰ１やレベルＰ２に限定されない。

そこで、溶湯の待機位置を検討する。
仮に、溶湯の待機位置を、連結管４８付近のレベルＰ３まで下げたとする。この場合、上昇する溶湯は、Ｖ字部４５で分流されるが、この分流の直前に、小規模ではあるが、Ｖ字部４５に溶湯が衝突する。この衝突により、規模は小さいが流れに乱れが生じる。小さくても乱れは、無いことが望まれる。

そこで、溶湯の待機位置を、Ｖ字部４５の上位のレベルＰ４に設定する。これで、衝突は解消される。乱れの無い流れが、Ｖ字部４５で綺麗に分流される。レベルＰ４に溶湯を待機させることは、制御部（図１、符号３２）による電流制御で容易に実施される。

次に、第１～第３パッキン５１、５２、５３の構造を、図５、図６に基づいて説明する。
図５に示すように、第１パッキン５１は、溶湯に近い方の内環部５５と、この内環部５５を外から囲う外環部５６とからなる複合パッキンである。好ましくは、内環部５５の内周面にセラミックス系離型剤５７を塗布する。

図６（ｂ）は、図５の６ｂ－６ｂ線断面図であり、図６（ａ）は、図６（ｂ）の分解図である。

図６（ａ）において、外環部５６は、ファインセラミックスの一種であるシリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とする鉱物を溶融し、細い糸にし、この糸を集めて綿にし、この綿にバインダーを添加して４ｍｍ程度の厚さＴの板状に成形した薄板のドーナッツ板である。

シリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とするため、耐熱温度が１０００℃を超える。綿であるため、クッション性に富む。ファインセラミックスは、アルミナ又はジルコニアであってもよい。すなわち、外環部５６は、ファインセラミックスの綿であればよい。

内環部５５は、ガラス長繊維（１０μｍ外径）の織布である。加工性を高めるために、織布に耐熱ゴムを塗布してもよい。ガラスは、軟化点が約８４０℃であるアルミナガラスが好適である。

セラミックス系離型剤５７は、酸化チタンと植物油を主成分とし、これらに鉱油、ポリ（オキシエチレン）＝アルキルエーテル、黒鉛を添加してなるアルミ鋳造用金型離型剤である。なお、セラミックス系離型剤５７は、鋳造用の離型剤であれば、種類は問わない。

連結管４８と金属ケース４２との間に、第１パッキン５１を介在させ、連結管４８に金属ケース４２を相対的に接近させる。この接近で、外環部５６が半分程度の厚さになるように圧縮される。

図６（ｂ）に示すように、連結管４８と金属ケース４２との接続部が、第１パッキン５１でシールされた。
溶湯は、セラミックス系離型剤５７で一次遮断され、内環部５５で二次遮断される。内環部５５は織布であるため、溶湯が接触したとしても、簡単には削られない（剥がれない）。

結果、外環部５６には、溶湯が到達しない。外環部５６は、クッション性に富むため、シール性能を発揮する。よって、第１パッキン５１は、長期間に渡って溶湯の漏れを抑制する。
第２パッキン５２及び第３パッキン５３も、第１パッキン５１と同構成とすれば、長期間に渡って溶湯の漏れが抑制される。

なお、第１～第３パッキン５１～５３において、内環部５５及び外環部５６は必須の構成要素であるが、セラミックス系離型剤５７は必須ではない。
しかし、セラミックス系離型剤５７は、溶湯の熱を内環部５５へ伝えにくくして内環部５５の温度を下げる断熱作用と、溶湯が内環部５５へアタックすることを緩和するプロテクト作用とを発揮するため、セラミックス系離型剤５７を内環部５５の内周面に塗布することは望ましいことである。

セラミックス系離型剤５７は、最も溶湯でアタックされるため、剥離、損耗が著しい。しかし、セラミックス系離型剤５７は、露出面に塗布されるため、容易に再塗布が可能である。よって、セラミックス系離型剤５７を適宜又は適時再塗布することで、長期間にわたって内環部５５及び外環部５６が保護される。

以上に鋳造装置１０の構成を説明したが、この鋳造装置１０又は別の形式の周知の鋳造装置を用いて実施する鋳造方法を次に説明する。
この鋳造方法は、図４に示すように、一つの湯入口４４から複数本の湯道（例えば、第１湯道４６と第２湯道４７）に溶湯を分流させる鋳造方法であって、湯道は、Ｖ字部４５で分岐され、溶湯の待機位置が、Ｖ字部４５より上位のレベルＰ４に設定され、繰り返し鋳造が実施される間、Ｖ字部４５は溶湯で満たされていることを特徴とする。

この鋳造方法は、電磁ポンプ２０を備えている鋳造装置１０で容易に実施されるが、電磁ポンプを有しない重力金型鋳造法又は低圧鋳造法で実施してもよい。
また、溶湯は、アルミニウム合金溶湯の他、銅合金溶湯、鉄鋼溶湯などでもよく、種類は問わない。

本発明は、一つの湯入口から複数本の湯道に溶湯を分流させる鋳造に好適である。

１０…鋳造装置、１１…金型、１３…溶湯、２０…電磁ポンプ、３２…制御部、４０…湯分岐ブロック、４１…セラミックス、４４…湯入口、４５…Ｖ字部、４６…湯道（第１湯道）、４７…湯道（第２湯道）、Ｐ１…溶湯の待機位置（湯分岐ブロックのほぼ上面のレベル）、Ｐ４…溶湯の待機位置（Ｖ字部より上位のレベル）。

Claims (4)

1. 一つの湯入口と、この湯入口の上方に配置され下に凸のＶ字部と、このＶ字部より上方に配置され前記Ｖ字部で分岐された複数本の湯道とを有し、溶湯が前記一つの湯入口から流入し、前記Ｖ字部で分流され、前記複数本の湯道を通る鋳造方法であって、
   前記溶湯の待機位置は、前記Ｖ字部より上位に設定され、
   繰り返して鋳造が実施される間、前記Ｖ字部は前記溶湯で満たされていることを特徴とする鋳造方法。
2. 金型と、湯分岐ブロックと、溶湯を供給する電磁ポンプと、この電磁ポンプを制御する制御部とからなる鋳造装置であって、
   前記湯分岐ブロックは、一つの湯入口と、この湯入口の上方に配置され下に凸のＶ字部と、このＶ字部より上方に配置され前記Ｖ字部により分岐された複数本の湯道とを有し、 前記溶湯が前記一つの湯入口から流入し、前記Ｖ字部で分流され、前記複数本の湯道を通るように構成され、
   前記電磁ポンプは、交流電源で駆動され、
   前記制御部は、繰り返して鋳造が実施されるときの前記溶湯の待機位置を、前記Ｖ字部より上位に維持することを特徴とする鋳造装置。
3. 請求項２記載の鋳造装置であって、
   前記湯分岐ブロックは、セラミックスで構成されていることを特徴とする鋳造装置。
4. 請求項２又は請求項３記載の鋳造装置であって、
   前記制御部は、前記溶湯の待機位置を、前記湯分岐ブロックのほぼ上面に維持することを特徴とする鋳造装置。

Images