JP2002346728A - 鋳造方法および鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面層に欠陥を発生させないことを第一義に
考えられた金型および砂型による鋳造方法であり、複雑
形状部品においては流れ凝固シミュレーション結果に基
づいて、良好な指向性凝固を進行させることにより鋳造
欠陥の発生を防止し、高品位の鋳物の製造を実現できる
鋳造方法および鋳造装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 加熱および冷却手段を有し、指向性凝固
を行う鋳造方法において、１０℃以上１００℃以下に保
持した金型１１に溶湯を鋳込み、前記金型１１に接触す
る表面からの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固
後、上記加熱および冷却手段により下部から上部へ、ま
たは上部から下部へ指向性凝固させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属、とくにアル
ミニウムおよびアルミニウム合金、またはマグネシウム
およびマグネシウム合金の鋳造方法およびその鋳造装置
に関し、さらに詳しくは、指向性凝固を行う重力鋳造方
法および低圧鋳造方法とそれらの鋳造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、重力鋳造方法は、例えばアルミ
ニウム合金の鋳造などに広く使用されているが、溶湯の
凝固が鋳型の下方から上方に向かって進行する、いわゆ
る指向性凝固することが重要であり、この凝固の指向性
が適正でないと引け巣等ができてしまい高品位の鋳物を
得られないといった問題がある。

【０００３】特開平０４−２２８２５２公報には、金型
の取り付け板の下部に金型冷却用の冷媒通路を設け、あ
るいは前記取り付け板の上部に金型加熱用のヒータを設
けて、これらの冷却あるいは加熱により前記金型温度が
上部から下部にかけて漸次低くなるような温度勾配を形
成し、この状態でキャビティ内に重力で溶湯を流し込ん
で凝固させて鋳造することを特徴とする重力鋳造方法が
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、加熱
手段および冷却手段を用いて金型の温度を制御しようと
するものであるが、それぞれ以下に示すような解決すべ
き課題がある。

【０００５】一般に、真空用途用部品では表面に気泡巣
などの欠陥があると、ガス放出が増える、パーティクル
発生の原因になるなどの問題がある。また、特にシール
部では表面に欠陥があると真空漏れが生じるなどの問題
がある。同様に、高圧用途用部品のシール部において
も、表面に欠陥があるとガス漏れが生じるなどの問題が
ある。これらの部品において、鋳造後、シール部などで
は３ｍｍ〜５ｍｍ深さで機械切削する場合が多い。ま
た、シール部以外でも砂落としやガス放出低減のため、
ブラストまたは研磨などで約１ｍｍ削る場合が多い。

【０００６】特開平０４−２２８２５２公報は鋳造前に
金型温度を所定の温度にし、所定の温度勾配をつけてお
く方法であるが、たとえ特開平０４−２２８２５２公報
に示されているような鋳型の下部から上部にかけて良好
な指向性凝固が進行しても、表面からの深さ１ｍｍ以上
５ｍｍ以下の表面層において、欠陥が発生する場合があ
り、そのため、高品位な真空用途用部品または高圧用途
用部品を容易に得られなかった。すなわち、特開平０４
−２２８２５２公報は表面層に欠陥を発生させないこと
を第一義に考えられた温度制御方法ではないため、表面
層に欠陥を発生させない対策としては不十分であった。

【０００７】また、製品によっては金型を用いる必要が
なく、砂型鋳造方法の方が適している場合がある。特開
平０４−２２８２５２公報は金型温度を制御して鋳造す
る、あくまでも重力金型鋳造方法に関するものであり、
前述の砂型鋳造方法において、欠陥を発生させない対策
が示されていなかった。

【０００８】さらに、単純な形状の場合、従来の方法に
おいても、内部欠陥を発生させないという点では十分と
言っていいが、複雑形状部品では単純な指向性凝固では
内部に引け巣などの欠陥が発生する。このように内部に
引け巣があると、真空用途用部品では変形の原因になる
などの問題がある。同様に、高圧用途用部品でも内部に
引け巣があると、変形が生じたり、破壊の原因になると
いった問題がある。

【０００９】本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされ
たもので、表面層に欠陥を発生させないことを第一義に
考えられた金型および砂型による鋳造方法であり、複雑
形状部品においては流れ凝固シミュレーション結果に基
づいて、良好な指向性凝固を進行させることにより鋳造
欠陥の発生を防止し、高品位の鋳物の製造を実現できる
鋳造方法および鋳造装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の鋳造方法
は、加熱および冷却手段を有し、指向性凝固を行う鋳造
方法において、１０℃以上１００℃以下に保持した金型
に溶湯を鋳込み、前記金型に接触する表面からの深さ１
ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後、前記加熱および
冷却手段により下部から上部へ、または上部から下部へ
指向性凝固させることを特徴としている。

【００１１】請求項２記載の鋳造方法は、加熱および冷
却手段を有し、指向性凝固を行う鋳造方法において、１
０℃以上１００℃以下に保持した複数の冷やし金を設け
た砂型に溶湯を鋳込み、冷やし金を設けた部分の表面か
らの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後、前記
加熱および冷却手段により下部から上部へ、または上部
から下部へ指向性凝固させることを特徴としている。

【００１２】請求項３記載の鋳造方法は、前記指向性凝
固は、あらかじめ求めた流れ凝固シミュレーション結果
に基づいて、温度勾配の大きい箇所から順番に凝固させ
ることことを特徴としている。

【００１３】請求項４記載の鋳造方法は、前記溶湯の材
質がアルミニウムおよびアルミニウム合金、またはマグ
ネシウムおよびマグネシウム合金であることを特徴とし
ている。

【００１４】請求項５記載の鋳造装置は、請求項１また
は２記載の鋳造方法に用いられる鋳造装置において、あ
らかじめ流れ凝固シミュレーションによって決められた
所定の温度勾配に基づいて、鋳型の温度制御を行う制御
装置を備えたことを特徴としている。

【００１５】上記の本発明の鋳造方法によれば、鋳造前
に金型温度を所定の温度にし、前記金型に接触する表面
からの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後に、
金型の温度制御を行い所定の温度勾配をつけるので、良
好な指向性凝固を進行させることができ、表面層および
内部の欠陥発生を防止することができる。

【００１６】さらに、砂型鋳造方法においても、砂型の
一部に複数の冷やし金を設け、鋳造前に冷やし金を所定
の温度にし、冷やし金を設けた部分の表面からの深さ１
ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後、加熱および冷却
手段により冷やし金の温度制御をして、良好な指向性凝
固を進行させるので、表面層および内部に欠陥のない高
品位な鋳物を得ることができる。

【００１７】また、あらかじめ実施した流れ凝固シミュ
レーション結果に基づいて、温度勾配の大きい箇所から
順番に凝固を進行させるので、複雑形状部品においても
表面層および内部に欠陥のない高品位な鋳物を得ること
ができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図５、表１〜表３に基づいて説明する。

【００１９】〔実施例１〕図１は本発明の請求項１に示
す鋳造方法によるところの鋳造装置の一実施例を示す側
断面図である。この鋳造装置は、金型１１を取り付ける
取り付け板２０ａ、２０ｂが、内面全体で金型１１の外
側面に接触しているものとされ、取り付け板２０ａ、２
０ｂの下部に冷却手段としての冷媒通路２３ａ、２３ｂ
を形成するとともに、取り付け板２０ａ、２０ｂの上部
に加熱手段としてのヒータ２４ａ、２４ｂを設けたもの
である。また、この鋳造装置は、金型１１の温度に基づ
いて冷媒通路２３ａ、２３ｂへの冷媒の供給あるいは前
記加熱用ヒータ２４ａ、２４ｂの動作を制御する制御装
置２５を備えている。

【００２０】すなわち、制御装置２５は、前記ヒータ２
４ａ、２４ｂに通電すべくこれに接続され、金型１１内
に埋め込まれた温度センサ２６の検出信号を受け取るべ
くこれに、また、冷媒通路２３ａ、２３ｂに接続された
配管２７、２８のバルブ２９、３０を制御すべくこれら
に電気的に接続されたものである。ここで、温度センサ
２６は、金型１１の上下方向の温度分布が正確に検知で
きるように、上下方向に複数設けられている。配管２７
は、各冷媒通路２３ａ、２３ｂを流量計３１を介して冷
媒の供給源に接続するもので、バルブ２９はこの流量計
３１よりも下流に設けられている。また、配管２８は、
配管２７の途上であってバルブ２９よりも下流の位置に
接続されたもので、エアコンプレッサ等の空気源３２の
吐出口をバルブ３０を介して各冷媒通路２３ａ、２３ｂ
に接続するものである。

【００２１】以下、この装置により鋳造を行う場合の手
順の一例を説明する。まず、金型１１を所定の初期温度
に設定する。所定の温度に達した後に注湯し、１ｍｍ以
上５ｍｍ以下の表面層を凝固させる。１ｍｍ以上５ｍｍ
以下の表面層を凝固したことは、予め金型の温度と鋳物
の温度との関係を調べておき、以後は金型の温度によっ
て推定する。そして表面層が凝固した後に、前記冷却装
置および加熱装置によって、漸次下部から上部にかけて
温度が低下するような温度分布を持つよう金型１１の温
度制御を行う。この際、あらかじめ指定された金型１１
の温度分布を目標値とし、各温度センサ２６の検出信号
をフィードバック信号とし、各ヒータ２４ａ、２４ｂの
出力あるいは冷媒通路２３ａ、２３ｂに流す冷媒量を操
作量とするフィードバック制御を、制御装置２５によっ
て行うことにより、極めて適正な金型１１の温度分布を
自動的に維持し、極めて良好な指向性凝固を進行させる
ことができる。

【００２２】表１は製作した真空部品用鋳物について、
金型１１の初期温度による特性を評価した結果である。
１０℃未満の場合は金型１１が結露を起こし、水蒸気爆
発の危険性があるとともに、結露水によるガスの巻き込
みが原因で表面の気泡巣が多く発生する可能性があるた
め好ましくない。次に、１１０℃以上の場合は、凝固速
度が遅すぎて表面層に気泡巣などの欠陥が多く発生し好
ましくなかった。すなわち、冷却速度を速くしないと表
面に気泡巣が発生してしまう。したがって、初期の金型
温度は１０℃以上１００℃以下が望ましい。

【００２３】

【表１】 表２は、肉厚２０ｍｍの製品において、表面からある深
さ削った面の気泡巣または引け巣などの欠陥を評価した
結果である。表面からの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表
面層において、欠陥は認められなかった。これに対し、
従来方法では欠陥が認められた。

【００２４】

【表２】 以上は重力鋳造法によって鋳造された製品について、評
価したものであるが、低圧鋳造法においても同様の結果
が得られている。

【００２５】〔実施例２〕図２は本発明の請求項２に示
す鋳造方法によるところの鋳造装置の一実施例を示す側
断面図である。この鋳造装置は、砂型１２の内部に冷や
し金２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを設け、溶湯と接
触しているものとされ、冷やし金２１ａ、２１ｂ、２２
ａ、２２ｂの内部に冷媒通路２３ａ、２３ｂまたはヒー
タ２４ａ、２４ｂ、さらに温度センサ２６を設けたもの
である。また、この鋳造装置は、図１と同様、冷媒通路
２３ａ、２３ｂへの冷媒の供給あるいは前記加熱用ヒー
タ２４ａ、２４ｂの動作を制御する制御装置２５を備え
ている。

【００２６】以下、この装置により鋳造を行う場合の手
順の一例を説明する。まず、砂型１２内に設けられた冷
やし金２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを１０℃〜１０
０℃の範囲で適切な初期温度に設定する。所定の温度に
達した後に注湯し、表面層が凝固した後に、前記冷却装
置および加熱装置によって、漸次下部から上部にかけて
温度が低下するような温度分布を持つよう、砂型１２の
温度制御を行う。この際、あらかじめ指定された砂型１
２の温度分布を目標値とし、各温度センサ２６の検出信
号をフィードバック信号とし、各ヒータ２４ａ、２４ｂ
の出力あるいは冷媒通路２３ａ、２３ｂに流す冷媒量を
操作量とするフィードバック制御を、制御装置２５によ
って行うことにより、極めて適正な砂型の温度分布を自
動的に維持し、極めて良好な指向性凝固を進行させるこ
とができる。

【００２７】この場合、肉厚２０ｍｍの製品において、
冷やし金に当てた表面からある深さ削った面の気泡巣ま
たは引け巣などの欠陥を評価した結果を表３に示す。本
実施例によれば、表面層や内部に気泡巣や引け巣などの
欠陥は存在しなかった。

【００２８】

【表３】 〔実施例３〕図３は本発明の請求項３に示す鋳造方法に
よるところの鋳造装置の一実施例を示す側断面図であ
る。実施例１で示したような単純な形状では、下部から
上部または上部から下部への指向性凝固を進行させるこ
とにより、内部に引け巣などの欠陥を生じることはない
が、図３に示したように形状が複雑になると単純な指向
性凝固では内部に引け巣を生じてしまう。このように、
複雑形状品では単純な指向性凝固でなく、必要なところ
から順番に凝固させることが重要となる。

【００２９】以下この装置により、鋳造を行う場合の手
順の一例を説明する。まず、１０℃〜１００℃に保持し
た金型１１に注湯し、表面層が凝固した後に、流れ凝固
シミュレーションを行う計算機４２を用いて、あらかじ
め実施したシミュレーション結果に基づいて、前記冷却
装置および加熱装置によって、温度勾配の大きい箇所か
ら順番に凝固するように注湯後の鋳型の適切な温度分布
の経時変化をインタフェース４１を介して制御装置２５
に指令を出すことにより、鋳型温度のプログラム制御が
可能となる。

【００３０】図４は従来の単純な指向性凝固により作製
した製品と、本実施例に基づいて作製した製品の製品断
面を模式的に比較したものである。従来の単純な指向性
凝固による鋳造方法では、内部に引け巣が発生したが、
本実施例に基づいた方法により鋳造した製品では、内部
に引け巣のない高品位な鋳物を得ることができた。

【００３１】この際、別の実験において表面層および内
部に気泡巣や引け巣を発生させないような指向性凝固条
件について求めておくとなおよい。実際、図５は引け巣
量と新山らの文献；鋳物第５４巻８号（１９８２）に示
されている修正温度勾配Ｇ／√Ｒとの関係を示すモデル
図である。このような関係を溶湯材質や鋳型材質に関し
て実験的に求めておけば、欠陥発生量と欠陥発生位置の
予測ができるとともに、発生する欠陥量をある量以下に
抑制した鋳型の温度分布を設定でき、極めて良好な指向
性凝固を進行させることが可能となる。

【００３２】なお、このようにあらかじめ実施したシミ
ュレーション結果に基づいて温度勾配の大きい箇所から
順番に凝固させる鋳造方法は、実施例2で示した冷やし
金付き砂型にも適用できる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の鋳造方法に
よれば、鋳造前に金型温度を所定の温度にし、前記金型
に接触する表面からの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面
層が凝固後に、金型の温度制御を行い所定の温度勾配を
つけるので、良好な指向性凝固を進行させることがで
き、表面層および内部の欠陥発生を防止することができ
る。

【００３４】さらに、砂型鋳造方法においても、砂型の
一部に複数の冷やし金を設け、鋳造前に冷やし金を所定
の温度にし、冷やし金を設けた部分の表面からの深さ１
ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後、加熱および冷却
手段により冷やし金の温度制御をして、良好な指向性凝
固を進行させるので、表面層および内部に欠陥のない高
品位な鋳物を得ることができる。

【００３５】このため、気密性を求められる高品位な真
空用途用部品または高圧用途用部品を容易に得られると
いった効果がある。

【００３６】また、あらかじめ実施した流れ凝固シミュ
レーション結果に基づいて、温度勾配の大きい箇所から
順番に凝固を進行させるので、複雑形状部品においても
表面層および内部に欠陥のない高品位な鋳物を得ること
ができる。

【００３７】このため、非常に複雑な形状をした真空用
途用部品または高圧用途用部品を容易に得られるといっ
た効果ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である鋳造装置の側断面
図。

【図２】本発明の第２の実施例である鋳造装置の側断面
図。

【図３】本発明の第３の実施例である鋳造装置の側断面
図。

【図４】本発明の第３の実施例で示した引け巣発生の比
較を表す図。

【図５】本発明の第３の実施例で示した引け巣量と修正
温度勾配との関係を示す図。

【符号の説明】

１１：金型 １２：砂型 ２０ａ，２０ｂ：取り付け板 ２１ａ，２１ｂ，２２
ａ，２２ｂ：冷やし金 ２３ａ，２３ｂ：冷媒通路（冷却手段） ２４ａ，２４
ｂ：ヒーター（加熱手段） ２５：制御装置 ２６：温度センサ ２７，２８：配管 ２９，３０：バルブ ３１：流量計 ３２：空気源 ４１：インタフェース ４２：計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 品部 慎治 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 4E093 KA10 NB05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱および冷却手段を有し、指向性凝固
   を行う鋳造方法において、１０℃以上１００℃以下に保
   持した金型に溶湯を鋳込み、前記金型に接触する表面か
   らの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ以下の表面層が凝固後、前記
   加熱および冷却手段により下部から上部へ、または上部
   から下部へ指向性凝固させることを特徴とする鋳造方
   法。
2. 【請求項２】 加熱および冷却手段を有し、指向性凝固
   を行う鋳造方法において、１０℃以上１００℃以下に保
   持した複数の冷やし金を設けた砂型に溶湯を鋳込み、冷
   やし金を設けた部分の表面からの深さ１ｍｍ以上５ｍｍ
   以下の表面層が凝固後、前記加熱および冷却手段により
   下部から上部へ、または上部から下部へ指向性凝固させ
   ることを特徴とする鋳造方法。
3. 【請求項３】 前記指向性凝固は、あらかじめ求めた流
   れ凝固シミュレーション結果に基づいて、温度勾配の大
   きい箇所から順番に凝固させることを特徴とする請求項
   １または２記載の鋳造方法。
4. 【請求項４】 前記溶湯の材質がアルミニウムおよびア
   ルミニウム合金、またはマグネシウムおよびマグネシウ
   ム合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   １項に記載の鋳造方法。
5. 【請求項５】 請求項１または２記載の鋳造方法に用い
   られる鋳造装置において、あらかじめ流れ凝固シミュレ
   ーションによって決められた所定の温度勾配に基づい
   て、鋳型の温度制御を行う制御装置を備えたことを特徴
   とする鋳造装置。