JP4195767B2 - Casting method, casting equipment, metal material manufacturing method and metal material manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種合金を含む金属の鋳造方法および鋳造設備、さらには鋳造設備や射出成型機で適用する金属素材の製造方法および製造装置に関するもので、より詳細には、半溶融・半凝固金属のチクソトロピー(thixotropy)を有効に利用した鋳造方法、鋳造設備、金属素材の製造方法および製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半溶融・半凝固金属のチクソトロピー、つまり粘性が小さく流動性に優れる性質を利用した鋳造方法としては、従来より、チクソキャスト法(半溶融鋳造法)やレオキャスト法(半凝固鋳造法)が知られている。これらの鋳造法は、いずれも溶融した液相の金属と固相の金属とが混在する半溶融・半凝固状態の金属スラリーを用いて鋳造を行うものである。
【0003】
このうち、チクソキャスト法は、固体金属を半溶融状態の金属スラリーとなるまで加熱してこれを金型に供給するようにしたものである。一方、レオキャスト法は、固体金属を一旦溶融した後、この溶融金属を、粒状結晶を有する半凝固状態の金属スラリーとなるまで冷却してこれを金型に供給するようにしたものである。
【0004】
これらの鋳造法によれば、固相率が高く、しかも低粘性の金属を用いた鋳造が可能になるため金型に対する充填性が向上し、▲1▼歩留まりが向上する、▲2▼大型製品の成型が可能となる、▲3▼収縮巣の発生を抑制して機械的強度を向上させることができる、▲4▼製品の薄肉化を図ることができる、等々の利点がある。また、金型への熱負担も低減するため、金型の耐用年数も延びることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したいずれの鋳造法においても、半溶融金属のチクソトロピーおよび半凝固金属の流動性を有効に利用するためには、当該半溶融・半凝固金属中に、できるだけ微細で、しかも均一な非樹枝状結晶(望ましくは球状結晶)を有している必要がある。但し、固体金属を単に半溶融状態まで加熱したり、溶融金属を単に半凝固状態まで冷却しただけでは、そのほとんどが樹枝状結晶となって半溶融・半凝固金属中に現れることになり、当該半溶融金属のチクソトロピーおよび半凝固金属の流動性を十分に得ることができない。
【0006】
このため、チクソモールディング法においては一般に、射出成型機で用いられるスクリュ式の押出機を適用し、当該押出機のバレル内において固体金属にせん断力を与えながら順次加熱してこれを半溶融状態の金属スラリーとする方法が多く用いられている。
【0007】
しかしながら、スクリュ式の押出機は、その構造が複雑で高価であるため、鋳造設備への適用コストもきわめて膨大となる。しかも、押出機のバレル内で生成された金属スラリーがそのまま金型に供給されることになるため、その結晶状態が所望の非樹枝状結晶となっているか否かを確認することもできない。さらには、バレルに供給する固体金属としては、チップ状に成形したものを適用する必要があり、原材料コストもきわめて高価なものとなる。
【0008】
一方、レオキャスト法においては、例えば特開平10−34307号公報に示されているように、保持炉内で溶融した金属を冷却体に接触させることで固相と液相とから成る固液共存状態に冷却し、これを保持容器中で半溶融温度域に保持しつつ冷却して金属スラリーを生成する方法が用いられている。
【0009】
こうした方法によれば、溶融金属が冷却体に接触した段階で多数の結晶核を晶出し、さらにこれが保持容器中において球状に成長することになるため、チクソキャスト法のように高価な押出機を要することなく所望の金属スラリーを得ることができるようになる。しかも、保持炉に対しては、金属塊をそのまま供給すればよいため、原材料コストの増大を抑えることができる。さらに、保持容器中に生成された金属スラリーに対しては、所望の非樹枝状結晶を有しているか否かを容易に確認することも可能であり、半凝固金属の流動性を有効に利用した鋳造が可能になる。
【0010】
しかしながら、上述したレオキャスト法において実際に量産体制を構築するには、溶融金属を冷却する冷却体と、金属スラリーが供給される金型との間に、多数の保持容器を設置し、かつ溶融金属を冷却体に接触させる工程と、金型に金属スラリーを供給する工程とを、これら多数の保持容器を用いて連動させなければならず、きわめて複雑な制御が必要となる。さらに、各保持容器中の金属スラリーに対しては、金型に供給するまでの間に正確な温度管理が必要となり、上述した制御を一層複雑化することになる。
【0011】
本発明は、上記実情に鑑みて、適用コストの増大や原材料コストの増大を抑え、かつ複雑な制御を要することなくチクソトロピーを有効に利用した鋳造を可能とする鋳造方法および鋳造設備を提供することを解決課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、非樹枝状結晶を有する金属スラリーを急速に冷却した場合、固体化して金属素材となってもチクソトロピーを潜在的に保持し、これを半溶融状態に加熱すれば、1時間程度は再びチクソトロピーを呈することを確認した。本発明は、こうした非樹枝状結晶を有する金属スラリーが、一旦固体化した金属素材となった後にも半溶融状態に加熱すれば再びチクソトロピーを呈する性質を利用して上述した課題を解決するようにしたものである。
【0013】
すなわち、本発明に係る鋳造方法では、溶融金属を冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第1の生成工程と、前記金属スラリーをさらに冷却して固体化した金属素材を生成する第2の生成工程と、前記金属素材を半溶融状態に加熱してこれを金型に供給する工程とを含み、前記第1の生成工程では、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットの表面で前記溶融金属が冷却され、該冷却ユニットの表面には複数の案内溝が形成されているようにしている。
この場合、第2の生成工程が、金属スラリーから連続的に金属素材を生成し、かつこの金属素材を所定の長さに切断する工程を含むように構成することが好ましい。
【0014】
また本発明に係る鋳造設備では、溶融金属を冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第1の生成手段と、前記金属スラリーを冷却して固体化した金属素材を生成する第2の生成手段とを具備し、前記第1の生成手段は、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットを有し、該冷却ユニットの表面に複数の案内溝が形成されており、前記金属素材を半溶融状態に加熱した後、これを金型に供給するようにしている。
この場合、第2の生成手段が、金属スラリーから連続的に金属素材を生成し、かつこの金属素材を所定の長さに切断する切断ユニットを備えたものであることが好ましい。
【0015】
また本発明に係る金属素材の製造方法では、半溶融状態に加熱した状態で金型に供給される金属素材を製造するための方法であって、
溶融金属を冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第1の生成工程と、前記金属スラリーをさらに冷却して固体化する第2の生成工程とを含み、
前記第1の生成工程では、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットの表面で前記溶融金属が冷却され、該冷却ユニットの表面には複数の案内溝が形成されていることを特徴とする。
【0016】
さらに本発明に係る金属素材の製造装置では、半溶融状態に加熱した状態で金型に供給される金属素材を製造するための装置であって、溶融金属を冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第1の生成手段と、前記金属スラリーをさらに冷却して固体化する第2の生成手段とを具備し、前記第1の生成手段は、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットを有し、該冷却ユニットの表面に複数の案内溝が形成されているようにしている。
この場合、第2の生成手段が、金属スラリーを連続的に固体化し、かつこれを所定の長さに切断する切断ユニットを備えたものであることが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を示す図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る鋳造設備の一実施形態を示したものである。ここで例示する鋳造設備は、特に、AZ91Dに代表されるマグネシウム合金を原材料として所望の製品を鋳造するためのもので、溶融槽1を備えている。
【0018】
溶融槽1は、その周囲を溶融加熱ヒータ2によって覆ってあり、この溶融加熱ヒータ2の駆動により上述したマグネシウム合金を溶融した状態、つまり液相温度状態に保持するためのものである。この溶融槽1には、その最底部に出湯通路3を設けてある。出湯通路3は、溶融槽1に貯留した溶融マグネシウム合金を下方に注ぎ出すためのもので、略クランク状に屈曲し、その途中に切換バルブ4を備えている。切換バルブ4は、出湯通路3を開閉するべく進退可能に配設したバルブプランジャ5と、このバルブプランジャ5を進退移動させるバルブシリンダ6とによって構成したものである。
【0019】
この溶融槽1の下方域には、第1の生成手段として冷却ユニット10を配設してある。冷却ユニット10は、図2(a)および(b)に示すように、表面に複数の案内溝11を有するとともに、その内部に冷却水の循環通路12を有して構成したものである。この冷却ユニット10は、案内溝11を出湯通路3の下端開口に対向させた状態で傾斜配置してある。なお、図1中の符号13は、出湯通路3の下端開口に連通し、かつ冷却ユニット10の表面との間に所定の間隔を確保してこれを覆うように配置したカバーブロックである。
【0020】
また、上記鋳造設備には、第2の生成手段として、貯留槽20、一対の送りローラ30,31および切断ユニット40を設けてある。
【0021】
貯留槽20は、上面に開口した槽であり、冷却ユニット10の下端下方域に配置してある。この貯留槽20には、横断面が円形の素材成形通路21を設けてある。素材成形通路21は、貯留槽20の下方部から水平方向に延在して側壁に開口するもので、その開口端部に急冷ユニット22を備えている。急冷ユニット22は、図3(a)に示すように、素材成形通路21の周囲全周を囲繞する環状ジャケット23と、この環状ジャケット23から素材成形通路21の軸心に向けて開口した噴射口24とを有して構成したものである。
【0022】
一対の送りローラ30,31は、互いの周面を対向させた状態で上下に並設してある。各送りローラ30,31は、個々の周面に、上述した素材成形通路21の内径とほぼ同一となる曲率半径の送り溝30a,31aを有しており、これら送り溝30a,31aの間の距離が当該素材成形通路21の内径と合致するように互いの間に間隔が確保してある。図には明示していないが、各送りローラ30,31には、回転アクチュエータを連係してあり、上方に位置する送りローラ30が図3(a)中において時計回りに回転する一方、下方に位置する送りローラ31が図3(a)中において反時計回りに回転するようになっている。
【0023】
切断ユニット40は、図1に示すように、ユニット本体41と固定クランパ42Aおよび可動クランパ42Bと一対の排出ローラ44,45とを備えている。
【0024】
ユニット本体41は、ガイドロッド46に移動可能に支持させてあり、上述した素材成形通路21の延長域上に当該素材成形通路21の軸心方向に沿って水平に往復移動することが可能である。このユニット本体41には、固定フレームFとの間にリトラクトシリンダ47を介在させてある。リトラクトシリンダ47は、ユニット本体41にこれを貯留槽20から離隔する方向に外力が作用した場合に該ユニット本体41の移動を許容する一方、伸長作動した場合にユニット本体41を貯留槽20に近接した位置に復帰させるためのアクチュエータである。
【0025】
固定クランパ42Aおよび可動クランパ42Bは、図3(b)に示すように、それぞれスリット48A,48Bによって開放されたクランプ貫通孔49A,49Bを有するブロック状部材である。各クランプ貫通孔49A,49Bは、上述した素材成形通路21よりも僅かに大きな内径を有して構成してある。スリット48A,48Bは、クランプ貫通孔49A,49Bの軸心を含む面に沿って形成してあり、その幅を適宜変更することによりクランプ貫通孔49A,49Bの内径を拡縮する機能を有するものである。各スリット48A,48Bには、それぞれの開口端部にテーパ状傾斜面50A,50Bを形成してあるとともに、それぞれの中間部となる位置に一対のロッド貫通孔51A,51Bを交差させてある。テーパ状傾斜面50A,50Bは、外方に向けて漸次幅が広くなる傾斜部分である。ロッド貫通孔51A,51Bは、互いに平行となるように貫設してあり、それぞれの両端開口部に半球状の凹部52A,52Bを有している。
【0026】
これらのクランパ42A,42Bには、それぞれ一対のクランプ油圧シリンダ53A,53Bおよびアンクランプ油圧シリンダ54A,54Bを設けてある。
【0027】
クランプ油圧シリンダ53A,53Bは、クランプ駒55を介してそれぞれのピストンロッド53aA,53aBを上述したロッド貫通孔51A,51Bに嵌挿させ、さらに各ピストンロッド53aA,53aBの突出端部にそれぞれクランプ駒56を装着することによって各クランパ42A,42Bに保持させてある。クランプ駒55,56は、ロッド貫通孔51A,51Bの凹部52A,52Bに対向する部位が、当該凹部52A,52Bに合致した半径の球状を呈する駒部材であり、クランプ油圧シリンダ53A,53Bにクランプ油圧が作用した場合に、凹部52A,52Bを介して各クランパ42A,42Bのスリット48A,48Bを狭める、つまりクランプ貫通孔49A,49Bを縮径するように機能する。
【0028】
アンクランプ油圧シリンダ54A,54Bは、ピストンロッド54aA,54aBの先端部をスリット48A,48Bの開口端部に対向させた状態で保持ブラケット57を介して各クランパ42A,42Bに保持させてある。各アンクランプ油圧シリンダ54A,54Bのピストンロッド54aA,54aBとスリット48A,48Bのテーパ状傾斜面50A,50Bとの間には、それぞれ拡開用ロッド58を介在させてある。拡開用ロッド58は、テーパ状傾斜面50A,50Bに当接した円柱状部材であり、アンクランプ油圧シリンダ54A,54Bにアンクランプ油圧が作用した場合に、テーパ状傾斜面50A,50Bを介して各クランパ42A,42Bのスリット48A,48Bを広げる、つまりクランプ貫通孔49A,49Bを拡径するように機能する。
【0029】
上記のような構成を有した固定クランパ42Aは、クランプ貫通孔49Aの軸心を素材成形通路21の軸心に合致させ、かつスリット48Aが鉛直上方に沿う状態で上述したユニット本体41に固定してある。
【0030】
一方、可動クランパ42Bは、スリット48Bが鉛直下方に沿い、かつ貯留槽20に向かう端部を固定クランパ42Aに当接させた状態で切断シリンダ59に保持させてある。
【0031】
切断シリンダ59は、ピストンロッド59aを鉛直下方に向けた状態でシリンダ本体59bを介して上記ユニット本体41に取り付けたものであり、固定クランパ42Aに対して可動クランパ42Bを鉛直方向に沿って移動させる機能を有している。この切断シリンダ59が最も縮退作動した場合には、可動クランパ42Bが最も上昇した位置に停止し、そのクランプ貫通孔49Bの軸心が素材成形通路21の軸心に合致する状態、つまりクランプ貫通孔49Bが固定クランパ42Aのクランプ貫通孔49Aと合致する状態となる。一方、切断シリンダ59が最も伸長作動した場合には、可動クランパ42Bが最も下降し、そのクランプ貫通孔49Bが固定クランパ42Aのクランプ貫通孔49Aから完全にずれた位置に停止することになる。
【0032】
一対の排出ローラ44,45は、互いの周面を対向させた状態で、上述した可動クランパ42Bから延在するローラブラケット60に上下に並設してある。各排出ローラ44,45は、個々の周面に、上述した素材成形通路21の内径とほぼ同一となる曲率半径の排出送り溝44a,45aを有しており、これら排出送り溝44a,45aの間の距離が当該素材成形通路21の内径と合致するように互いの間に間隔が確保してある。図には明示していないが、各排出ローラ44,45には、回転アクチュエータを連係してあり、上方に位置する排出ローラ44が図3(a)中において時計回りに回転する一方、下方に位置する排出ローラ45が図3(a)中において反時計回りに回転するようになっている。
【0033】
なお、図1中の符号61は、カバーブロック13と貯留槽20との間を連続させるガイドブロックである。
【0034】
さらに、上記鋳造設備には、図1に示すように、インジェクション装置70を設けてある。インジェクション装置70は、半溶融状態に加熱した金属を金型90に供給するためのもので、加熱チャンバ71を備えている。加熱チャンバ71は、その周囲を加熱ヒータ72によって覆ったほぼ密閉の室であり、その上端部に設けた吐出口73が補助ノズル74を通じて金型90の注湯口91に接続してある。
【0035】
この加熱チャンバ71には、吸引ロッド75および予備加熱バレル76を設けてある。
【0036】
吸引ロッド75は、加熱チャンバ71の上端壁に移動可能に配設した円柱状部材である。この吸引ロッド75は、吸引シリンダ77に接続してあり、該吸引シリンダ77の作動により、加熱チャンバ71の内部に対して進退移動されるようになる。
【0037】
予備加熱バレル76は、加熱チャンバ71の側壁から水平方向に沿って延在した円筒状部材である。この予備加熱バレル76は、その先端部分が上述した貯留槽20の素材成形通路21とほぼ同一の内径を有する一方、加熱チャンバ71に近接する基端部分の内径がこれよりも太径となるように構成してあり、これらの間がテーパ内径部によって連続している。図4に示すように、予備加熱バレル76の先端部には、その上部に投入用開口78が設けてあるとともに、この投入用開口78にシュート板79を連設してある。
【0038】
また、この予備加熱バレル76には、その基端部外周に予備加熱ヒータ80を設けてあるとともに、その先端部にプランジャ81を設けてある。
【0039】
予備加熱ヒータ80は、予備加熱バレル76の周囲を囲繞するように設けてある。この予備加熱ヒータ80は、予備加熱バレル76を加熱するためのもので、上述した加熱チャンバ71の加熱ヒータ72よりも若干低い加熱温度に設定してある。
【0040】
プランジャ81は、予備加熱バレル76の先端部に嵌合する大きさを有した円柱状部材である。このプランジャ81には、プランジャ81を予備加熱バレル76の内部において進退移動させるための押出シリンダ82を連結してある。
【0041】
上記のように構成した鋳造設備では、まず、溶融槽1にマグネシウム合金の塊を投入して溶融加熱ヒータ2を駆動させ、当該溶融槽1に溶融マグネシウム合金を保持するとともに、冷却ユニット10に冷却水を循環させ、さらに急冷ユニット22に冷却水を供給した状態が待機状態となる。この場合、切断ユニット40においては、リトラクトシリンダ47を伸長作動させ、ユニット本体41を貯留槽20に近接した位置に配置するとともに、切断シリンダ59を縮退作動させ、可動クランパ42Bを最も上昇した位置に停止してある。また、クランプ油圧シリンダ53A,53Bをタンク圧にした状態でアンクランプ油圧シリンダ54A,54Bにアンクランプ油圧を作用させ、固定クランパ42Aおよび可動クランパ42Bの双方がいずれもクランプ貫通孔49A,49Bを拡径した状態に保持してある。さらに、一対の送りローラ30,31は、それぞれを一定の速度で回転させ、一方、排出ローラ44,45は、それぞれを停止した状態に保持している。
【0042】
上述した待機状態からバルブシリンダ6を縮退移動させ、バルブプランジャ5を後退させると、出湯通路3が開成され、溶融槽1に貯留した溶融マグネシウム合金M1 が当該出湯通路3を通じて冷却ユニット10に注ぎ出されることになる(図1中の矢印A)。
【0043】
冷却ユニット10に注ぎ出された溶融マグネシウム合金M1 は、冷却ユニット10の傾斜に従ってその案内溝11を流下した後、貯留槽20に一旦貯留されることになる(図1中の矢印B)。この間、冷却ユニット10を流下する溶融マグネシウム合金M1 は、当該冷却ユニット10によって適宜冷却され、その内部に多数の結晶核を晶出した金属スラリーM2 となり、さらに貯留槽20において上述した結晶核が球状に成長し、微細で、しかも均一な球状結晶を有するようになる。すなわち、高価な押出機を必要とすることなく金属スラリーM2 に十分な流動性を得ることができるようになり、適用コストの増大を著しく低減できるようになる。しかも、溶融槽1に対しては、金属塊をそのまま供給すればよいため、原材料コストの増大を抑えることができる。
【0044】
貯留槽20に一旦貯留された金属スラリーM2 は、その後、素材成形通路21を通じて順次外部に排出される。この間、素材成形通路21を通過する金属スラリーM2 は、急冷ユニット22の環状ジャケット23を通過する冷却水によって冷却され、さらに噴射口24から噴射供給される冷却水によって急速に冷却されるため、完全に固体化した円柱棒状の金属素材M3 となって貯留槽20の外部に連続的に排出されることになる。ここで、完全に固体化された金属素材M3 は、十分にチクソトロピーを有する金属スラリーM2 を急速に冷却して生成したものであり、当該チクソトロピーを潜在的に保持している。このことは、金属素材M3 中に含まれる結晶構造を観察することによって容易に確認することが可能である。
【0045】
次いで、貯留槽20から排出された金属素材M3 は、一対の送りローラ30,31によって切断ユニット40に供給され、固定クランパ42Aのクランプ貫通孔49Aおよび可動クランパ42Bのクランプ貫通孔49Bを順次貫通し、さらに一対の排出ローラ44,45間に供給されるようになる。
【0046】
この間、上記鋳造設備においては、上述した送りローラ30,31の回転数を常時監視しており、この回転数が予め設定した値になると、以下の手順に従って金属素材M3 の切断工程を実施する。
【0047】
すなわち、送りローラ30,31の回転数が予め設定した値になると、まず、クランプ油圧シリンダ53A,53Bおよびアンクランプ油圧シリンダ54A,54Bに作用させる油圧を適宜切り換え、固定クランパ42Aおよび可動クランパ42Bの双方がいずれもクランプ貫通孔49A,49Bを縮径した状態に保持する。この結果、図5(a)に示すように、固定クランパ42Aおよび可動クランパ42Bによって金属素材M3 がクランプされ、リトラクトシリンダ47を縮退させながらユニット本体41が金属素材M3 とともにガイドロッド46に沿って移動することにより、これらのクランパ42A,42Bと金属素材M3 との相対速度がゼロとなる。
【0048】
その後、直ちに切断シリンダ59の伸長作動を開始させ、固定クランパ42Aに対して可動クランパ42Bを順次下動させるようにする。この結果、図5(b)に示すように、固定クランパ42Aを通過した後の金属素材M3 と、それ以前の金属素材M3 との間にせん断力が作用し、これらを境界として金属素材M3 の切断が進行する。
【0049】
図5(c)に示すように、切断シリンダ59が最も伸長作動し、金属素材M3 の切断が完了すると、可動クランパ42Bにおいてのみクランプ油圧シリンダ53Bおよびアンクランプ油圧シリンダ54Bに作用させる油圧を適宜切り換え、当該可動クランパ42Bがクランプ貫通孔49Bを拡径した状態に保持する。さらに、これと同時に排出ローラ44,45を回転させると、切断された金属素材M3 が可動クランパ42Bに対して移動し、所定の搬送コンベア100(図1参照)上に排出されるようになる。
【0050】
切断された金属素材M3 が搬送コンベア100上に排出されると、図5(d)に示すように、排出ローラ44,45の回転を停止させるとともに、切断シリンダ59および固定クランパ42Aをそれぞれ待機状態に復帰させ、さらにこの状態からリトラクトシリンダ47を伸長作動させてユニット本体41を待機状態に復帰させる。
【0051】
以降、上述した動作を繰り返し行うことにより、金属素材M3 が予め定めた一定の長さで順次搬送コンベア100上に排出されることになる。
【0052】
以上のような切断工程においては、切断ユニット40が金属素材M3 との相対速度がゼロとなった状態で当該金属素材M3 の切断を実施するようにしているため、金属素材M3 の生成を停止することなくこれを連続的に切断することが可能となる。
【0053】
一方、上記のようにして生成された金属素材M3 は、図4に示すように、シュート板79を介して投入用開口78から順次予備加熱バレル76の内部に投入される。この場合、図6(a)に示すように、予備加熱バレル76に金属素材M3 が投入された時点で、予備加熱ヒータ80および加熱チャンバ71の加熱ヒータ72を順次駆動する。
【0054】
予備加熱バレル76に投入された金属素材M3 は、プランジャ81の往復移動によって順次加熱チャンバ71に供給され、図6(b)に示すように、当該加熱チャンバ71内において半溶融状態に保持されるようになる。
【0055】
ここで、上記鋳造装置によれば、金属素材M3 が予備加熱バレル76にある間において予備加熱ヒータ80により予備加熱しているため、当該金属素材M3 が加熱チャンバ71に達した時点でこれを直ちに半溶融状態にすることが可能となる。また、予備加熱バレル76においては、その先端部分の内径が金属素材M3 とほぼ同一となっているため、半溶融状態に加熱される以前の金属素材M3 によって閉塞されることになり、加熱チャンバ71内の半溶融マグネシウム合金M4 が逆流する虞れがない。
【0056】
上記のようにして加熱チャンバ71に半溶融状態となったマグネシウム合金M4 が所定量だけ貯留されると、図6(c)に示すように、押出シリンダ82の伸長作動によってプランジャ81が進出移動するとともに、吸引シリンダ77の伸長作動によって吸引ロッド75が加熱チャンバ71に進出移動する。この結果、加熱チャンバ71に貯留された半溶融状態のマグネシウム合金M2 が吐出口73および補助ノズル74を通じて金型90に供給されるようになり、当該金型90において所望の形状に成形されることになる。
【0057】
ここで、金型90に供給された半溶融マグネシウム合金M4 は、チクソトロピーを潜在的に保持した金属素材M3 を加熱したものであり、再びチクソトロピーを呈するものである。従って、このチクソトロピーを有効に利用した鋳造が可能となり、つまり固相率が高く、しかも低粘性のマグネシウム合金を用いた鋳造が可能になり、金型90に対する充填性が向上して歩留まりが向上する、大型製品の成型が可能となる、収縮巣の発生を抑制して機械的強度を向上させることができる、製品の薄肉化を図ることができる、等々の利点を奏する。また、金型90への熱負担も低減するため、金型90の耐用年数も延びることになる。
【0058】
しかも、上記鋳造設備によれば、金属スラリーM2 を一旦固体化して金属素材M3 を生成し、これを再び半溶融状態に加熱して金型90に供給するようにしたものであるため、溶融金属を冷却する冷却ユニット10と、インジェクション装置70との間を連動させたり、金属素材M3 に対して正確な温度管理を実施する必要がない。従って、複雑な制御が全く不要であり、チクソトロピーを有効に利用した鋳造をきわめて容易に実施することが可能になる。さらに、一旦固体化した金属素材M3 は、これを単体としても取り扱うことが可能であり、更なる利便性の向上を図ることも可能である。
【0059】
金型90への半溶融マグネシウム合金M4 の供給が終了すると、図6(d)に示すように、押出シリンダ82が縮退作動するとともに、吸引シリンダ77が縮退作動して加熱チャンバ71の湯面が低下するようになる。従って、当該半溶融マグネシウム合金M4 が吐出口73や補助ノズル74内において固化する事態が発生することがない。
【0060】
以降、上述した動作が繰り返し実施され、金型90において所望の製品を量産することができるようになる。
【0061】
なお、上述した実施の形態では、マグネシウム合金を原材料として製品を製造するための鋳造設備を例示しているが、アルミニウムやその合金等、その他の金属や合金を原材料とした製品を製造することも可能である。
【0062】
また、上述した実施の形態では、金属素材を切断するための切断ユニットを設けるようにしているため、当該金属素材の取り扱いを容易に行うことができるが、必ずしも切断ユニットを設ける必要はない。この場合、生成された金属素材をそのまま半溶融状態に加熱し、金型へ供給するようにすればよい。また、生成する金属素材は、必ずしも横断面が円形である必要もない。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従前のチクソキャスト法のように高価な押出機が必要となることもなく、また金属塊をそのまま適用することができるため、適用コストの増大や原材料コストの増大を抑えることができる。しかも、生成した金属スラリーを一旦固体化しているため、金属スラリーを生成する工程と、金型に供給する工程との間を連動させたり、固体化した金属スラリーに対して正確な温度管理を実施することなく、チクソトロピーを有効に利用した鋳造を容易に実施可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る鋳造設備の一実施形態を概念的に示す断面図である。
【図2】(a)は溶融金属を冷却して金属スラリーを生成する第1の生成手段の縦断面図、(b)はその横断面図である。
【図3】(a)は金属スラリーから金属素材を生成する第2の生成手段の断面図、(b)は(a)における3−3線拡大断面図である。
【図4】図1における4−4線拡大断面図である。
【図5】切断ユニットによる金属素材の切断過程を順に示す概念図である。
【図6】金属素材を金型に供給する過程を順に示す概念図である。
【符号の説明】
1 溶融槽
2 溶融加熱ヒータ
3 出湯通路
4 切換バルブ
5 バルブプランジャ
6 バルブシリンダ
10 冷却ユニット
11 案内溝
12 循環通路
13 カバーブロック
20 貯留槽
21 素材成形通路
22 急冷ユニット
23 環状ジャケット
24 噴射口
30,31 送りローラ
30a,31a 送り溝
40 切断ユニット
41 ユニット本体
42A 固定クランパ
42B 可動クランパ
44,45 排出ローラ
44a,45a 排出送り溝
46 ガイドロッド
47 リトラクトシリンダ
48A,48B スリット
49A,49B クランプ貫通孔
50A,50B テーパ状傾斜面
51A,51B ロッド貫通孔
52A,52B 凹部
53A,53B クランプ油圧シリンダ
53aA,53aB ピストンロッド
54A,54B アンクランプ油圧シリンダ
54aA,54aB ピストンロッド
55,56 クランプ駒
57 保持ブラケット
58 拡開用ロッド
59 切断シリンダ
59a ピストンロッド
59b シリンダ本体
60 ローラブラケット
70 インジェクション装置
71 加熱チャンバ
72 加熱ヒータ
73 吐出口
74 補助ノズル
75 吸引ロッド
76 予備加熱バレル
77 吸引シリンダ
78 投入用開口
79 シュート板
80 予備加熱ヒータ
81 プランジャ
82 押出シリンダ
90 金型
91 注湯口
100 搬送コンベア
F 固定フレーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and apparatus for casting a metal containing various alloys, and further relates to a method and apparatus for producing a metal material to be applied in a casting facility and an injection molding machine. The present invention relates to a casting method, a casting facility, a method of manufacturing a metal material, and a manufacturing apparatus that effectively use thixotropy of the above.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, thixocasting method (semi-melting casting method) and rheocasting method (semi-solidifying casting method) are known as thixotropy of semi-molten and semi-solid metal, that is, the low viscosity and excellent fluidity. It has been. In any of these casting methods, casting is performed using a metal slurry in a semi-molten and semi-solid state in which a molten liquid phase metal and a solid phase metal are mixed.
[0003]
Among these, the thixocast method is one in which a solid metal is heated to a semi-molten metal slurry and supplied to a mold. On the other hand, in the rheocast method, after melting a solid metal once, the molten metal is cooled to a semi-solidified metal slurry having granular crystals and supplied to a mold.
[0004]
According to these casting methods, casting using a metal having a high solid phase ratio and low viscosity is possible, so that the filling property to the mold is improved, and (1) the yield is improved, and (2) a large product. (3) It is possible to improve the mechanical strength by suppressing the generation of shrinkage nests, (4) It is possible to reduce the thickness of the product, and so on. In addition, since the heat load on the mold is reduced, the service life of the mold is extended.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in any of the above-described casting methods, in order to effectively use the thixotropy of the semi-molten metal and the fluidity of the semi-solid metal, the semi-molten / semi-solid metal is as fine and uniform as possible. It must have dendritic crystals (preferably spherical crystals). However, if the solid metal is simply heated to the semi-molten state or the molten metal is simply cooled to the semi-solid state, most of them will appear in the semi-molten / semi-solid metal as dendrites. The thixotropy of semi-molten metal and the fluidity of semi-solid metal cannot be obtained sufficiently.
[0006]
For this reason, in the thixomolding method, generally, a screw type extruder used in an injection molding machine is applied, and this is heated in a semi-molten state by sequentially heating while giving a shearing force to a solid metal in the barrel of the extruder. Many methods for forming metal slurry are used.
[0007]
However, the screw-type extruder has a complicated structure and is expensive, so that the cost for applying to a casting facility is extremely enormous. And since the metal slurry produced | generated within the barrel of an extruder will be supplied to a metal mold | die as it is, it cannot be confirmed whether the crystal state is a desired non-dendritic crystal. Furthermore, as the solid metal supplied to the barrel, it is necessary to apply a chip formed in a chip shape, and the raw material cost becomes extremely expensive.
[0008]
On the other hand, in the rheocast method, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-34307, a solid-liquid coexistence composed of a solid phase and a liquid phase by bringing a metal melted in a holding furnace into contact with a cooling body. A method is used in which a metal slurry is produced by cooling to a state and cooling while holding it in a semi-molten temperature range in a holding container.
[0009]
According to such a method, a large number of crystal nuclei are crystallized when the molten metal comes into contact with the cooling body and further grows spherically in the holding container. A desired metal slurry can be obtained without necessity. In addition, since the metal lump may be supplied as it is to the holding furnace, an increase in raw material costs can be suppressed. Furthermore, it is possible to easily confirm whether or not the metal slurry generated in the holding container has the desired non-dendritic crystals, and effectively uses the fluidity of the semi-solid metal. Casting becomes possible.
[0010]
However, in order to actually build a mass production system in the above-mentioned rheocast method, a large number of holding containers are installed between the cooling body for cooling the molten metal and the mold to which the metal slurry is supplied, and the molten metal is melted. The process of bringing the metal into contact with the cooling body and the process of supplying the metal slurry to the mold must be linked using these holding containers, and extremely complicated control is required. Furthermore, the metal slurry in each holding container requires accurate temperature management until it is supplied to the mold, further complicating the above-described control.
[0011]
In view of the above circumstances, the present invention provides a casting method and a casting facility that can suppress casting increases in application costs and raw material costs, and enables casting effectively using thixotropy without requiring complicated control. Is a solution issue.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to solve the above-mentioned problems, when a metal slurry having non-dendritic crystals is rapidly cooled, even if it becomes solid and becomes a metal material, the thixotropy is potentially retained, When heated to a molten state, it was confirmed that thixotropy was exhibited again for about 1 hour. The present invention solves the above-mentioned problems by utilizing the property of exhibiting thixotropy again when heated to a semi-molten state after the metal slurry having such non-dendritic crystals once becomes a solid metal material. It is a thing.
[0013]
That is, in the casting method according to the present invention, the first generation step of generating the metal slurry containing the solid phase by cooling the molten metal, and the first generation of the solid metal material by further cooling the metal slurry. And a step of heating the metal material to a semi-molten state and supplying it to a mold, In the first generation step, the molten metal is cooled on the surface of the cooling unit disposed in the lower area of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. Have I am doing so.
In this case, it is preferable that the second generation step includes a step of continuously generating a metal material from the metal slurry and cutting the metal material into a predetermined length.
[0014]
In the casting equipment according to the present invention, the first generating means for generating the metal slurry containing the solid phase by cooling the molten metal, and the second generating the metal material solidified by cooling the metal slurry. Generating means, The first generation means has a cooling unit disposed in a lower region of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit, After the metal material is heated to a semi-molten state, it is supplied to the mold.
In this case, it is preferable that the 2nd production | generation means is provided with the cutting unit which produces | generates a metal raw material continuously from a metal slurry, and cut | disconnects this metal raw material to predetermined length.
[0015]
The method for producing a metal material according to the present invention is a method for producing a metal material to be supplied to a mold in a heated state in a semi-molten state,
A first generation step of cooling the molten metal to generate a metal slurry containing a solid phase; and a second generation step of further cooling and solidifying the metal slurry.
In the first generation step, the molten metal is cooled on the surface of the cooling unit disposed in the lower area of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. Have It is characterized by that.
[0016]
Further, the metal material manufacturing apparatus according to the present invention is an apparatus for manufacturing a metal material supplied to a mold in a state of being heated to a semi-molten state, and is a metal containing a solid phase by cooling the molten metal A first generating means for generating a slurry; and a second generating means for further cooling and solidifying the metal slurry, The first generating means has a cooling unit disposed in a lower region of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. I am doing so.
In this case, it is preferable that the 2nd production | generation means is equipped with the cutting unit which solidifies a metal slurry continuously and cut | disconnects this to predetermined length.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments.
FIG. 1 shows an embodiment of a casting facility according to the present invention. The casting equipment illustrated here is particularly for casting a desired product using a magnesium alloy typified by AZ91D as a raw material, and includes a
[0018]
The
[0019]
A cooling
[0020]
Further, the casting facility is provided with a
[0021]
The
[0022]
The pair of
[0023]
As shown in FIG. 1, the cutting
[0024]
The unit
[0025]
As shown in FIG. 3B, the fixed
[0026]
These
[0027]
The clamp
[0028]
The unclamping
[0029]
The fixed
[0030]
On the other hand, the
[0031]
The cutting
[0032]
The pair of
[0033]
In addition, the code |
[0034]
Furthermore, the casting equipment is provided with an
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The preheating
[0038]
The preheating
[0039]
The preheating
[0040]
The
[0041]
In the casting equipment configured as described above, first, a lump of magnesium alloy is put into the
[0042]
When the valve cylinder 6 is retracted from the standby state and the valve plunger 5 is retracted, the
[0043]
The molten magnesium alloy M1 poured out to the
[0044]
The metal slurry M2 once stored in the
[0045]
Next, the metal material M3 discharged from the
[0046]
In the meantime, in the casting equipment, the rotational speed of the
[0047]
That is, when the rotational speed of the
[0048]
Thereafter, the extension operation of the cutting
[0049]
As shown in FIG. 5 (c), when the cutting
[0050]
When the cut metal material M3 is discharged onto the conveyor 100, the rotation of the
[0051]
Thereafter, by repeatedly performing the above-described operation, the metal material M3 is sequentially discharged onto the conveyor 100 at a predetermined length.
[0052]
In the cutting process as described above, since the cutting
[0053]
On the other hand, as shown in FIG. 4, the metal material M3 produced as described above is sequentially fed into the preheating
[0054]
The metal material M3 charged into the preheating
[0055]
Here, according to the above casting apparatus, since the preheating
[0056]
When a predetermined amount of the magnesium alloy M4 that has been in a semi-molten state is stored in the
[0057]
Here, the semi-molten magnesium alloy M4 supplied to the
[0058]
Moreover, according to the above casting equipment, the metal slurry M2 is once solidified to produce the metal material M3, which is heated again into a semi-molten state and supplied to the
[0059]
When the supply of the semi-molten magnesium alloy M4 to the
[0060]
Thereafter, the above-described operation is repeatedly performed, and a desired product can be mass-produced in the
[0061]
In the above-described embodiment, a casting facility for manufacturing a product using a magnesium alloy as a raw material is illustrated, but a product using other metal or alloy such as aluminum or an alloy thereof as a raw material may be manufactured. Is possible.
[0062]
In the above-described embodiment, since the cutting unit for cutting the metal material is provided, the metal material can be easily handled, but the cutting unit is not necessarily provided. In this case, the generated metal material may be heated to a semi-molten state as it is and supplied to the mold. Further, the generated metal material does not necessarily have a circular cross section.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an expensive extruder is not required as in the conventional thixocasting method, and a metal lump can be applied as it is. An increase in cost can be suppressed. Moreover, since the generated metal slurry is once solidified, the process of generating the metal slurry and the process of supplying it to the mold are linked, and accurate temperature control is performed on the solidified metal slurry. Therefore, casting using thixotropy can be performed easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view conceptually showing an embodiment of a casting facility according to the present invention.
2A is a longitudinal sectional view of a first generating means for cooling a molten metal to generate a metal slurry, and FIG. 2B is a transverse sectional view thereof.
3A is a cross-sectional view of a second generating means for generating a metal material from a metal slurry, and FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG.
4 is an enlarged cross-sectional view taken along line 4-4 in FIG.
FIGS. 5A and 5B are conceptual diagrams sequentially illustrating a cutting process of a metal material by a cutting unit.
FIGS. 6A and 6B are conceptual diagrams sequentially illustrating a process of supplying a metal material to a mold. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 Melting tank
2 Melting heater
3 Hot spring passage
4 Switching valve
5 Valve plunger
6 Valve cylinder
10 Cooling unit
11 Guide groove
12 Circulation passage
13 Cover block
20 Reservoir
21 Material molding passage
22 Rapid cooling unit
23 Ring jacket
24 injection port
30, 31 Feed roller
30a, 31a Feed groove
40 cutting unit
41 Unit body
42A Fixed clamper
42B Movable clamper
44, 45 discharge roller
44a, 45a Discharge feed groove
46 Guide rod
47 Retract cylinder
48A, 48B slit
49A, 49B Clamp through hole
50A, 50B tapered inclined surface
51A, 51B Rod through hole
52A, 52B recess
53A, 53B Clamp hydraulic cylinder
53aA, 53aB Piston rod
54A, 54B Unclamping hydraulic cylinder
54aA, 54aB Piston rod
55, 56 Clamp piece
57 Holding bracket
58 Expanding rod
59 Cutting cylinder
59a Piston rod
59b Cylinder body
60 Roller bracket
70 Injection device
71 Heating chamber
72 Heater
73 Discharge port
74 Auxiliary nozzle
75 Suction rod
76 Preheated barrel
77 Suction cylinder
78 Input opening
79 Chute board
80 Preheating heater
81 Plunger
82 Extrusion cylinder
90 mold
91 Pouring gate
100 Conveyor
F Fixed frame
Claims (8)
前記第1の生成工程では、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットの表面で前記溶融金属が冷却され、該冷却ユニットの表面には複数の案内溝が形成されていることを特徴とする鋳造方法。A first generation step of generating a metal slurry containing a solid phase by cooling the molten metal, a second generation step of further cooling the metal slurry to generate a solid metal material, and the metal material Heating to a semi-molten state and supplying it to the mold,
In the first generation step, the molten metal is cooled on the surface of the cooling unit disposed in the lower area of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. casting method characterized in that there.
前記金属素材を半溶融状態に加熱した後、これを金型に供給するようにしたことを特徴とする鋳造設備。Comprising a first generating means for generating a molten metal metal slurry containing the cooled solid-phase, and a second generating means for generating a solidified metal material by further cooling the metal slurry, said The first generating means has a cooling unit disposed in the lower region of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit,
A casting facility, wherein the metal material is heated to a semi-molten state and then supplied to a mold.
前記第1の生成工程では、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットの表面で前記溶融金属が冷却され、該冷却ユニットの表面には複数の案内溝が形成されていることを特徴とする金属素材の製造方法。A method for producing a metal material to be supplied to a mold in a heated state in a semi-molten state, the first production step of cooling the molten metal to produce a metal slurry containing a solid phase, A second production step of further cooling and solidifying the metal slurry;
In the first generation step, the molten metal is cooled on the surface of the cooling unit disposed in the lower area of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. A method for producing a metal material, comprising:
溶融金属を冷却して固相を含んだ金属スラリーを生成する第1の生成手段と、
前記金属スラリーをさらに冷却して固体化する第2の生成手段とを具備し、
前記第1の生成手段は、溶融槽の下方域に配設され且つ前下がりに傾斜した冷却ユニットを有し、該冷却ユニットの表面に複数の案内溝が形成されていることを特徴とする金属素材の製造装置。An apparatus for producing a metal material supplied to a mold in a heated state in a semi-molten state,
A first generating means for cooling the molten metal to generate a metal slurry containing a solid phase;
A second generating means for further cooling and solidifying the metal slurry;
The first generating means has a cooling unit disposed in a lower region of the melting tank and inclined forward and downward, and a plurality of guide grooves are formed on the surface of the cooling unit. Material production equipment.
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