JP2004025289A - アルミニウム合金の鋳包み方法 - Google Patents

Abstract

【目的】アルミニウム合金をアルミニウム合金で鋳包む際、より確実に被鋳包み材の溶損を防ぐことができるアルミニウム合金の鋳包み方法を提供する。
【構成】溶解したとき発生するガス量が０．３〜３．５ｃｃ／１００ｇであるアルミニウム合金を被鋳包み材として使用し、金型内にアルミニウム合金溶湯を注入したときに被鋳包み材から発生したガスで、被鋳包み材と鋳包み用の溶湯との間に断熱層を形成させ、この断熱層で被鋳包み材の溶損を抑える。
被鋳包み材としては、ショットブラスト処理，サンドブラスト処理或いは化学エッチング処理を施して、表面粗さが平均粗さＲａ＝０．７〜１０μｍ、最大高さＲｙ＝７０μｍ以下されたものを使用することが好ましい。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アルミニウム合金をアルミニウム合金で鋳包む方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定位置に被鋳包み材をセットした金型のキャビティに鋳包み用の溶湯を注入する鋳包み法は、例えば被鋳包み材がパイプ形状で、鋳包まれたパイプによって流体回路を形成した鋳物を製造しようとする場合、後工程が非常に容易になる等の理由から重宝されている技術である。
しかしながら、アルミニウム合金製の被鋳包み材をアルミニウム合金で鋳包む場合、融点が近いので、鋳造の際に被鋳包み材であるアルミニウム合金が溶損する場合がある。
このような溶損を防止するために、被鋳包み材であるアルミニウム合金の表面を、陽極酸化皮膜やめっき皮膜等の耐熱性皮膜で覆ったり、被鋳包み材がパイプである場合、鋳造時にパイプ内部に冷却媒体を流す等の対策を講じている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
被鋳包み材であるアルミニウム合金の表面を耐熱性物質で覆ったり、鋳造の際に冷却媒体を流すことは、コスト的に高くなる。
そこで、本発明者等は、被鋳包み材であるアルミニウム合金の表面になにも形成せずに、被鋳包み材の表面近傍にある鋳包み材の溶湯温度、鋳包み材の凝固終了温度及び被鋳包み材の溶融終了温度の間を所定の関係になるように調整することで、被鋳包み材であるアルミニウム合金の溶損を防いで鋳包むことを提案している（特開平１１−２７７２１６号公報）。
しかし、この方法でも、溶湯の温度制御が難しく、被鋳包み材が溶損してしまったり、温度制御に時間がかかり、却って生産性を悪くしている。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、より確実に被鋳包み材の溶損を防ぐことができるアルミニウム合金の鋳包み方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム合金の鋳包み方法は、その目的を達成するため、溶解したとき発生するガス量が０．３〜３．５ｃｃ／１００ｇであるアルミニウム合金製の被鋳包み材を金型の所定位置にセットした後、金型キャビティ内にアルミニウム合金溶湯を注入することを特徴とする。
被鋳包み材として、さらに表面粗さが平均粗さＲａ＝０．７〜１０μｍ、最大高さＲｙ＝７０μｍ以下のものを使用することが好ましい。
表面に適度な粗さを設ける手段としては、ショットブラスト処理，サンドブラスト処理，化学エッチング処理のいずれかの処理を行うことが好ましい。
【０００５】
【作用】
本発明者等は、アルミニウム合金を鋳包む際、被鋳包み材であるアルミニウム合金の溶損を防止するために、その表面に断熱層を設ける手段について各種検討を重ねてきた。
一方で、鋳造時に被鋳包み材であるアルミニウム合金は加熱され、被鋳包み材中に含まれているガスや、被鋳包み材表面の酸化皮膜中に含まれている水分ガスが発生する。そしてこれらのガスは鋳巣等の鋳造欠陥の原因となるので、従来からできるだけ少ない方が好ましいとされている。
【０００６】
ところが、本発明者等が上記観点から断熱層の形成手段について検討しているときに、被鋳包み材から発生するガス量が適量であると、被鋳包み材と溶湯との間に断熱層として作用することがわかった。鋭意検討を進めとところ、被鋳包み材の溶解時に発生するガス量が０．３〜３．５ｃｃ／１００ｇであるものを使用すると、鋳造時に被鋳包み材から適量のガスが発生され、溶湯の被鋳包み材の間に３００μｍ以下の断熱層となる気体相が形成され、溶湯と被鋳包み材の直接接触が抑えられ、被鋳包み材の溶損が抑えられることを確認した。
また、被鋳包み材の表面が適度に粗い状態にされていると、その表面に気体層からなる断熱層が形成されやすいことも確認した。
【０００７】
【実施の態様】
本発明の態様をより詳しく説明する。
被鋳包み材の溶解時に発生するガス量：０．３〜３．５ｃｃ／１００ｇ
鋳造時に発生するガスは、溶湯と被鋳包み材の間に介在し、断熱層として作用する。各種実験から、被鋳包み材の溶解時に発生するガス量が０．３ｃｃ／１００ｇ以上であるとき上記作用が顕著になることを確認した。しかし、逆に３．５ｃｃ／１００ｇを超えると、溶湯中にガスが入り込み鋳巣等の鋳造欠陥となって鋳包み材の強度を低下させることになる。
なお、本発明における「溶解時に発生するガス量」とは、鋳造の際に発生するガス量ではなく、被鋳包み材を溶解させた場合に発生するガス量のことである。このガス量はランズレー法等で測定することが可能である。また、このガス量は、被鋳包み材を溶解して製造する際の脱ガス処理の制御で調整することができる他、被鋳包み材表面に形成された酸化皮膜量或いはその膜に吸蔵されているガス化成分等の調整により適宜変えることができる。
【０００８】
被鋳包み材表面の平均粗さＲａ＝０．７〜１０μｍ、最大高さＲｙ＝７０μｍ以下
被鋳包み材の表面を適度に荒らすことにより、鋳造時、アルミニウム合金溶湯はその表面張力によって被鋳包み材の上面凹凸に入っていけず、被鋳包み材とアルミニウム合金溶湯との間に積極的にガス断熱層を形成することができる。
ガス断熱層が形成されやすくなることで、被鋳包み材にアルミニウム合金溶湯が直接接触する部分が確実に少なくなり、均一な隙間層となって被鋳包み材の溶損防止効果を高めることができる。この効果は表面の平均粗さＲａが０．７μｍ以上で顕著になる。また、この凹凸はアルミニウム合金溶湯が被鋳包み材を覆うとき、アルミニウム合金溶湯に置換される空気と被鋳包み材から発生するガスを逃がす通路となる。これにより、空気とガスによって被鋳包み材の表面に発生する気体溜まりの空洞の発生とガスによる鋳巣等の鋳造欠陥の発生をなくすことができ、均一な隙間が形成されやすくなる。このガスを逃がす通路としての凹部は連通していることが必要である。
【０００９】
逆に平均粗さＲａが１０μｍを超えたり、最大高さＲｙが７０μｍを超えると、凹凸の間隔が大きくなりすぎ、溶湯が被鋳包み材の凹凸の内部に入りやすくなる。そうすると被鋳包み材の凸部で溶融が起きやすくなり、被鋳包み材全体が溶損しやすくなる。
溶損を防ぐためには、表面に酸化皮膜を形成することが有効であるが、その厚さを厚くすると、その結果被鋳包み材に含まれるガス量が多くなりすぎることがある。このため、鋳造時に大量のガスを発生して溶湯中に入り込み、鋳造体に鋳巣等の鋳物欠陥として現れやすくなる。さらに、被鋳包み材と鋳包み材との間の隙間が大きくなって、機械加工性や耐食性等を低下させる原因ともなる。したがって、表面に酸化皮膜を形成する際には、膜厚が厚くなって溶解時に発生するガス量が３．５ｃｃ／１００ｇを超えないように、しかも適度な表面粗さを保つようにすることが肝要である。
【００１０】
ショットブラスト処理，サンドブラスト処理，化学エッチング処理
被鋳包み材表面の凹凸は、ショットブラスト処理，サンドブラスト処理あるいは化学エッチング処理で形成することが好ましい。表面を荒らす方法としては、細かな溝を設けることも想定されるが、細かな溝の場合、溝同士の連結が悪くガスが抜け難くなる。無秩序な凹凸を形成すると言う意味からも、ショットブラスト処理，サンドブラスト処理あるいは化学エッチング処理で処理することが好ましい。
【００１１】
被鋳包み材と鋳包み材の間の隙間：３００μｍ以下
被鋳包み材と鋳包み材の間に隙間が形成されないと、鋳造時に鋳包み用のアルミニウム合金溶湯が直接被鋳包み材に接触し、被鋳包み材が溶損する可能性が高くなってしまう。なお、被鋳包み材全周において隙間が形成される必要があるというものではなく、被鋳包み材と鋳包み材が接触している部分があってもよい。適切な厚さの隙間が形成されるような被鋳包み材を用いていれば、結果的に溶損を防止できるという意味である。ここで、適切な厚さの隙間とは、３００μｍ以下のものをいう。被鋳包み材を溶解したときに発生するガス量が３．５ｃｃ／１００ｇ以下で、このましくは表面粗さも所定値に設定しておけば、鋳包み後被鋳包み材と鋳包み材の隙間は３００μｍ以下になっている。
逆に溶解時に３．５ｃｃ／１００ｇ以上のガスを発生するような被鋳包み材を用いると、隙間は３００μｍを越えるとともに、ガスがアルミニウム溶湯中取り込まれ鋳物中に鋳巣等の鋳物欠陥として現れる。３００μｍを超えるような隙間が形成されると、機械加工時に切り粉が詰まり、使用時に出てきて異物として不具合を発生させたり、耐食性の低下につながることもある。
【００１２】
【実施例】
鋳造前にインライン脱ガス装置により、ガス含有量を０．１５ｃｃ／１００ｇに調整したＪＩＳ　３００３のアルミニウム合金組成をもつビレットを押出加工し、外径５ｍｍ、内径３ｍｍのパイプとした後、長さ１２０ｍｍに切断した。
得られたパイプを、１％のポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル水溶液を用い、５０℃で２０分浸漬し、その後水洗した後、６０℃の温風を吹付けて乾燥した。乾燥後のパイプ表面にショットブラスト処理（処理条件；ステンレスショット０．６ｍｍ　５〜１０秒）、サンドブラスト処理（処理条件；モランダム＃１２０　１０〜６０秒）、化学エッチング処理（５％ＨＣｌ：４０℃×５分後、５％ＮａＯＨ：５０℃×７分）、あるいは旋盤加工処理のいずれかの処理を行い、表面に凹凸を形成した。
【００１３】
得られたパイプを金型にセットし、ＪＩＳ　ＡＣ４ＣＨの成分組成を有する７００℃のアルミニウム合金溶湯で、４０×４０×１００ｍｍの直方体に、パイプの両端１０ｍｍが鋳包み材から突き出すように鋳包んだ。
得られた鋳包み材をパイプに沿って切断し、パイプの溶損の有無を観察するとともに、パイプ近傍の鋳包み材の機械的強度と伸びを調査した。その結果を表１に示す。
また、被鋳包み材であるパイプと鋳包み材の間の隙間を２５ｍｍ間隔で３ヶ所測定し、その平均値も表１に示した。
なお、被鋳包み材であるパイプは、８０〜１００℃の水蒸気雰囲気中で酸化皮膜を作成し、溶解時に発生するガス量を調整しておいた。
それぞれのパイプについて、別の試験片を溶解し、発生するガス量をランズレー法で測定し、鋳包むパイプのガス発生量とした。
【００１４】

【００１５】
表１からもわかるように、被鋳包みパイプの溶解時ガス発生量が所定の範囲にある試験番号１〜５では、被鋳包みパイプと鋳包み材の間に適切な隙間が形成され、被鋳包みパイプの溶損も抑制することができ、また、鋳包み材の機械的特性や伸びも優れていた。特に予め、パイプ表面にショットブラスト等で凹凸を形成していた試験番号１〜４では、溶損は全く見られなかった。表面に凹凸形成処理を行わず、表面粗さが小さい試験番号５では、鋳造時に発生したガスをパイプ表面に一様に保持できず、パイプ表面に十分な厚さの断熱層が形成できなかったために、断熱効果が完全でなかったと推測される。表面に凹凸形成のショットブラスト処理，サンドブラスト処理あるいは化学エッチング処理を行うことが好ましいことがよくわかる。
【００１６】
一方、被鋳包みパイプの溶解時ガス発生量が３．５ｃｃ／１００ｇを超えて多かった試験番号６，７では、パイプの溶損は少なかったものの、機械的性質や伸びが本発明例である試験番号１〜５のものと比較して低くなっている。これは、鋳造時にパイプから発生したガスが溶湯中に入り込み、鋳造欠陥となったためである。さらに、被鋳包みパイプと鋳包み材との間に３００μｍを超える大きな厚さの隙間が形成されている。ガスにより空洞が形成され、鋳造欠陥となっている。
被鋳包みパイプの溶解時ガス発生量が０．３ｃｃ／１００ｇに満たない試験番号８では、本発明例と比較してパイプ溶損が多いことがわかる。鋳造時にパイプからのガス発生量が少ないために、溶湯と被鋳包みパイプとの間に断熱層となるガス層が形成されなかったために溶損が進行したものと推測される。
旋盤加工で大きな凹凸を形成した試験番号９は、溶損も多く、機械的性質や伸びが低くなっている。溶損が多い理由は、凹凸が大きいため凹凸内部に溶湯が入り込んでしまったためと推測される。また、機械的性質や伸びが低い理由はガス量が多いためと推測される。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、アルミニウム合金をアルミニウム合金で鋳包む際に、被鋳包み材として、所定のガス発生量をもつアルミニウム合金を使用すると、鋳包み時に被鋳包み材から発生したガスが被鋳包み材と鋳包み用溶湯との間に断熱層を形成し、被鋳包み材のアルミニウム合金を溶損させることなく鋳包むことができる。
このため、被鋳包み材としてパイプを使用するような鋳包み法において、パイプの溶損を抑えることができるので、健全な流体回路を有する鋳包み製品を得ることができる。

Claims (3)

1. 溶解したとき発生するガス量が０．３〜３．５ｃｃ／１００ｇであるアルミニウム合金製の被鋳包み材を金型の所定位置にセットした後、金型キャビティ内にアルミニウム合金溶湯を注入することを特徴とするアルミニウム合金の鋳包み方法。
2. 被鋳包み材として、さらに表面粗さが平均粗さＲａ＝０．７〜１０μｍ、最大高さＲｙ＝７０μｍ以下にしたものを使用する請求項１に記載のアルミニウム合金の鋳包み方法。
3. 被鋳包み材が、ショットブラスト処理，サンドブラスト処理，化学エッチング処理のいずれかの処理が施されたものである請求項１または２に記載のアルミニウム合金の鋳包み方法。