JP2004174569A - 高圧鋳造用溶湯保留部材および金型、ならびに高圧鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡易であるプランジャー加圧式高圧鋳造において、薄肉品の成形を可能とする溶湯保留部材およびこれを備えた高圧鋳造用金型、ならびに高圧鋳造方法を提供する。
【解決手段】溶湯を加圧手段により金型のキャビティ内に圧入させて鋳造する高圧鋳造方法であって、上記金型内に溶湯保留部材を備え注湯した溶湯を上記キャビティ直前で保留する工程と、上記保留した溶湯を上記加圧手段によりキャビティ内に圧入する工程とを備えてなる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プランジャーなどの加圧手段を用いた高圧鋳造に使用される溶湯保留部材および金型、ならびにそれらを用いた高圧鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧鋳造法は、溶融した金属（溶湯）などを金型のキャビティ部に圧入充填することにより鋳物を製造する方法であり、ダイキャスト法と比較すると射出速度が遅く、注湯時に乱流が起こらず空気巻き込みが少ないため、鋳物を高品位で生産することができることを特徴とする。この高圧鋳造法の加圧方式の一つとして、溶湯の上から直接静水圧的な高圧を加えて凝固させるプランジャー加圧式がある。この方式は、圧力伝達に優れ、装置が単純であることが特徴であり、比較的単純形状の厚肉品の成形に適用されている。また、この他に薄肉品の成形などに適用されている方式として直接押込加圧式、間接押込加圧式がある。
【０００３】
従来のプランジャー加圧式による高圧鋳造装置を図６を参照して説明する。図６は、プランジャー加圧式高圧鋳造装置を用いた鋳物製品の製造工程を表わす図である。金型６は成形後において製品部分となるキャビティ７と加圧パンチ８とを備えている。まず、金属などの溶湯９を金型６のキャビティ７内に注湯する（図６（ａ））。次に、加圧パンチ８を金型上方からパンチと溶湯９が接触するまで降下させる（図６（ｂ））。溶湯を凝固完了まで一方向から加圧保持する（図６（ｃ））。最後に凝固成型された鋳物を離型し製品１０を得る（図６（ｄ））。
【０００４】
また、これらの高圧鋳造法使用時の問題となる注湯時などにおける製品内部への酸化物混入などを防止するため、溶湯緩衝板を用いた高圧鋳造法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３１４１１３号公報 （特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の高圧鋳造法は、各加圧方式において以下のような問題がある。すなわち、直接押込加圧式は、基本構成として、移動する雄型パンチと固定した金型との相互位置でキャビティが構成される方式であるため、注湯量を正確にコントロールしないと製品肉厚にばらつきを生じやすい問題がある。また、間接押込加圧式は、固定型と可動型により構成されたキャビティに溶湯を充填し、高圧をかけながら凝固させる方式であるが、装置が複雑である、圧力伝達が悪い、歩留が悪いなどの問題がある。
これに対し図６に示すプランジャー加圧式では、装置が簡易であり、製品肉厚にばらつきなどが起こりにくいなどの利点がある。しかし、キャビティに溶湯を最初から注湯するため、先行して注湯した部分、特に薄肉部では加圧前に凝固が起こり製品全体として強度の均整がとれず、薄肉品などの成形に適さないという問題がある。
【０００７】
このプランジャー加圧式における問題である部分凝固を改善するため、金型温度および注湯温度を通常より高く設定し成形することも可能ではあるが、金型を高温にすると、金型寿命が短くなる、コストがアップするなどの問題が発生する。また、注湯温度を上げると、溶湯の酸化、るつぼの劣化などの問題もある。
【０００８】
また、酸化物などの不純物を取り除くために溶湯緩衝板を用いたものでは、装置構造およびその工程が複雑化するという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、構造が簡易であるプランジャー加圧式高圧鋳造において、薄肉品の成形を可能とする溶湯保留部材およびこれを備えた高圧鋳造用金型、ならびに高圧鋳造方法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】
本発明の溶湯保留部材は、溶湯を加圧手段によりキャビティ内に圧入させて鋳造するための高圧鋳造用金型内に設置できる高圧鋳造用溶湯保留部材であって、該溶湯保留部材がキャビティ直前に設けられた湯だまりに溶湯を一時保留できる溶湯保留構造を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の高圧鋳造用金型は、キャビティと、このキャビティ直前に設けられた湯だまりと、キャビティと湯だまりとの間に設けられた上記本発明の溶湯保留部材とを有する金型本体と、この金型本体のキャビティ内に溶湯を圧入させる加圧手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の高圧鋳造方法は、溶湯を加圧手段により金型のキャビティ内に圧入させて鋳造する高圧鋳造方法であって、上記金型内に注湯した溶湯を上記キャビティ直前で保留する工程と、上記保留した溶湯を上記加圧手段によりキャビティ内に圧入する工程とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
金型本体内の溶湯保留部材で区切られた湯だまりに、溶湯をキャビティ内に圧入する前に保留しておき、その後これを加圧パンチなどの加圧手段により圧入することにより、直接キャビティ内に注湯を行なう場合に起こり得る薄肉部などの部分凝固を防止できる。これにより、プランジャー加圧方式を用いた場合でも、薄肉品または薄厚両部分を含む複雑な形状の製品を高品位で成形することができる。
また、溶湯保留部材を設けることにより、湯だまりに溶湯を一時保留することができるので溶湯の温度を従来よりも低く設定できる。その結果、金型を高温にする必要がなくなり、金型寿命が長くなる、低コストになる、溶湯が酸化し難くなる、るつぼの耐用寿命が長くなるなどの効果がでる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、溶湯を加圧パンチなどの加圧手段により金型のキャビティ内に圧入させるプランジャー加圧式高圧鋳造機用の溶湯保留部材、これを具備した高圧鋳造用金型、およびこれらを用いて高圧鋳造法により肉厚 ５ ｍｍ以下の薄肉品などを成形する方法である。
本発明方法で成形できる材料はアルミニウム、マグネシウム、亜鉛およびこれらの合金、などがあるが、特にこれらに限定されるものではない。また、これらにアルミナ、炭化珪素などのセラミックスを１つあるいは２つ以上を含む複合体の成形も可能である。
【００１５】
本発明の溶湯保留部材は、▲１▼溶湯を一時的に保留できる機能、▲２▼この保留した溶湯を加圧パンチなどによりキャビティ内に圧入できる機能、すなわち溶湯が保留部材部分を通過できる機能を有する形状であれば種々選択して使用できる。例えば、溶湯保留部材の形状として網状、格子状、細孔状、板状が挙げられる。
溶湯保留部材を網状、格子状、細孔状とする場合では、上記▲１▼の機能として網目間等からの溶湯の流出を防止するため、網目等の大きさを上記アルミニウムやマグネシウムなどの溶湯がその表面張力等により漏れない程度とすることが好ましい。具体的には、溶湯の重量、表面張力などの物性や温度にもよるが、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛およびこれらの合金などでは、網目等の大きさを０．５ ｍｍ 径程度とすることが好ましい。網目等の大きさは、作製時に所定の大きさに加工するか、または複数枚を重ね合わせることにより、実質的な網目等となる開口部分を小さくすることもできる。溶湯保留部材として網、格子、細孔板をそれぞれ複数枚を重ね合わせたものを使用することにより、溶湯重量を支えるための強度補強も兼ねる。
なお、溶湯のごく一部がキャビティ内に進入することがあるが、キャビティの構造を溶湯の部分凝固が起こらないよう考慮した形状にすればよい。
また、網状、格子状、細孔状とした場合では溶湯はその表面張力により保留されているだけのなので、▲２▼の機能として加圧パンチなどによる押し込みにより容易にキャビティ内に圧入することができる。
【００１６】
また、このような網状等とすることにより、材料溶融時や金型への注湯時に混入した酸化物などの不純物が、この網状等溶湯保留部材通過時において該部材に付着するため、製品内への混入を抑制できる。
【００１７】
溶湯保留部材を板状とする場合では、網状等の場合のような加圧パンチの押し込みによる溶湯の圧入が不可能である。よって、▲２▼の機能として溶湯が部材部分を通過できるようにするために、圧入時において該部材を開閉する、または取り外せるような機構を具備しなければならない。また、▲１▼の機能としては上記網状よりも優れ、完全に溶湯を保留することができる。
【００１８】
本発明の高圧鋳造用金型を図１に示す。図１は溶湯保留部材を有する高圧鋳造用金型の断面図である。金型はキャビティ２ａと湯だまり２ｂと、この間に設けられた溶湯保留部材１とを有する金型本体２と加圧パンチ４などの加圧手段とを備えている。
本発明の高圧鋳造用金型は、上記の溶湯保留部材１を金型本体２内のキャビティ２ａ直前に備えることにより、該部材により区切られた湯だまりを形成し、注湯された溶湯を一時的に保留できる。
溶湯保留部材によりキャビティと区切られる湯だまり２ｂのサイズおよび形状は、溶融材料および溶湯量などにより適宜決定する。特に、キャビティ２ａへの圧入充填前に保留した溶湯の凝固が起こらないサイズとすることが好ましい。
金型本体２の材質は特に限定しないが、湯だまりの周囲に保温のための保温材を設置すると保温効果が向上するため好ましい。
【００１９】
なお、この湯だまり２ｂは、溶湯保留部材の設置場所を考慮しつつ金型に予め上記所定サイズとなるように形成しておくことが好ましいが、本発明の溶湯保留部材を既存の金型内に配置することによっても、該部材により区切られた湯だまり部分を形成でき、以下で説明する本発明の高圧鋳造方法を利用することが可能である。
【００２０】
次に本発明の高圧鋳造方法を図２を参照して説明する。図２は、本発明の溶湯保留部材を有する高圧鋳造用金型を用いた鋳物製品の製造工程図である。
溶湯を金型のキャビティ直前で保留する工程として、金属などの溶湯３を金型本体２内に注湯する。溶湯３は、溶湯保留部材１により湯だまり２ｂに保留されるため、金型のキャビティ２ａ内へは流入しない（図２（ａ））。
次の加圧手段である加圧パンチ４により保留している溶湯を圧入する工程は、以下の２つの工程に分けることができる。すなわち、溶湯保留部材１が網状等である場合は、加圧パンチ４を金型上方から降下させパンチと溶湯が接触した後、溶湯３の上湯面３ａに直接静水圧的な高圧を加えて、網状溶湯保留部材１から溶湯３をキャビティ２ａ内に押し出し充填する工程（図２（ｂ））と、キャビティ２ａが完全に充填された後にさらに続けて加圧パンチ４により高圧を加えて凝固させる凝固成形工程（図２（ｃ））とである。
最後に成形された鋳物を離型し製品５を得る（図２（ｄ））。
なお、溶湯保留部材１が板状などで上記のような溶湯の押し出し充填が不可能である場合は、キャビティ２ａ内への溶湯３の充填時において、これを開閉する、または取り外す。
また、溶湯保留部材１が金属箔などの薄膜と金網などの網状体との組み合わせの場合には、上記のような溶湯の押し出し充填ができる。
【００２１】
図２（ｂ）に示す充填工程において、溶湯３のキャビティ２ａへの充填速度は、空気の巻き込みなどが少ない低速度とする、具体的には、０．０１ 〜 ０．０５ ｍ／ｓ 程度が好ましい。
図２（ｃ）に示す加圧しながら凝固させる工程は、凝固終了まで溶湯を加圧する工程であり、加圧力は略 ２５ ＭＰａ 以上、好ましくは ５０〜１００ ＭＰａ が必要である。
【００２２】
本発明において、湯だまり２ｂに保留中の溶湯３の温度を所定の固相率に正確に制御した後、押出すことにより、半凝固押出加工も可能となる。
【００２３】
本発明により、プランジャー加圧式の高圧鋳造法で、肉厚 ５ ｍｍ以下の薄肉品や該薄肉部分を含むような製品の成形が可能となる。特に、マグネシウム合金のような熱容量が小さく凝固しやすい合金溶湯に対して効果が大きい。
また、本発明により製造された製品は、部分凝固などが発生せず、また溶湯保留部材により不純物の除去もできるので、機械的性質に優れた高品位な鋳造品であり、自動車部品、航空機部品などの各種構造材料として好適に用いることができる。
【００２４】
【実施例】
実施例
６００ ｇのＡＺ９１マグネシウム合金（Ａｌ： ８．５ 重量％、Ｚｎ： ０．７ 重量％、Ｍｎ： ０．２ 重量％、Ｓｉ： ０．００２ 重％、Ｃｕ： ０．００４ 重量％、Ｎｉ： ０．００４ 重量％、Ｆｅ： ０．００３ 重重％ 含有）をＳ４５Ｃ製るつぼに入れ、ＳＦ_６ガス雰囲気中で ７５０ ℃まで加熱溶解した。５分間保持後、結晶粒微細化処理を行なった。処理後、キャビティが肉厚 ２５ ｍｍ、１０ ｍｍ、５ ｍｍの階段状試験片の金型に注湯した。金型の温度は ２００ ℃とした。また、金型本体内には湯だまりがあり、湯だまりとキャビティ間は溶湯保留部材により閉じられていた。溶湯保留部材には、ステンレス製の目開き ０．５ ｍｍの金網を３枚重ねたものを使用した。注湯された溶湯は加圧パンチを降下し、溶湯と接触するまで湯だまり中で保留され、接触と同時に加圧パンチの降下によりキャビティ内に充填された。充填後引き続き溶湯に １００ ＭＰａ の圧力をかけながら凝固させた。なお、注湯開始から加圧開始までの時間は約５秒であった。鋳造した階段状試験片の外観図を図３に示す。
【００２５】
比較例
溶湯保留部材を用いないでキャビティに直接注湯し、約 ５ 秒後、溶湯に １００ ＭＰａをかけながら凝固させた。なお、溶湯を湯だまりに保留していない以外は実施例と同条件で行なった。
【００２６】
鋳造後、階段状試験片の外観写真を撮影した。図４に実施例、図５に比較例の外観写真図を示す。実施例では、肉厚 ２５ ｍｍ、 １０ ｍｍ、 ５ ｍｍのすべてにおいて、表面が平滑になっており、外観上健全な高圧鋳造品が成形できたことが分かった。これに対し比較例では、肉厚 ２５ ｍｍおよび １０ ｍｍでは、表面が平滑になっているが、肉厚 ５ ｍｍにおいて、一部に穴があり、完全に充填されていないことが分かった。また、表面についても平滑になっておらず、肉厚 ５ ｍｍ部が成形できなかった。
【００２７】
上記実施例および比較例で得られた鋳造品の肉厚 ２５ ｍｍ、１０ ｍｍ、５ ｍｍから、引張試験片を作製し、引張試験を行なった。結果を表１に示す。
なお、作製した試験片の形状は肉厚 ２５ ｍｍ、１０ ｍｍでは、平行部の直径：φ ５ ｍｍ、平行部長さ： ３０ ｍｍの丸棒引張試験片、肉厚 ５ ｍｍでは、平行部の厚さ ３ ｍｍ、幅 ６ ｍｍ、平行部長さ： ３５ ｍｍの平板引張試験片とした。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１より、実施例では、すべての肉厚について健全な高圧鋳造品が成形できたことが分かった。また、比較例と比較しても、実施例の方が機械的性質に優れていることが分かった。
【発明の効果】
本発明の溶湯保留部材は、キャビティ直前に設けられた湯だまりに溶湯を一時保留できる溶湯保留構造を有するので、キャビティに圧入する前に溶湯を保持できる。
本発明の高圧鋳造用金型は、キャビティ直前にこの溶湯保留部材を設置して湯だまりを形成したので、溶湯を速やかにキャビティに圧入充填できる。その結果、直接キャビティ内に注湯を行なう場合に起こり得る薄肉部などの部分凝固を防止できる。
また、網状などの溶湯保留部材を用いることにより溶湯中の不純物の除去が可能となり、鋳造品の機械的性質が向上する。これらの結果、プランジャー加圧方式を用いた場合でも、肉厚 ５ ｍｍ以下の薄肉品または薄厚両部分を含む複雑な形状の製品を高品位で成形することができる。特に、マグネシウム合金のような熱容量が小さく凝固しやすい合金溶湯に対して本発明の高圧鋳造用金型は効果が大きい。
本発明の高圧鋳造方法は、溶湯を加圧手段により金型のキャビティ内に圧入させて鋳造する高圧鋳造方法であって、金型内に注湯した溶湯をキャビティ直前で保留する工程と、この保留した溶湯を加圧手段によりキャビティ内に圧入する工程とを備えてなるので、従来の製造工程を大きく変化させることなくより高品位な製品を鋳造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高圧鋳造用金型の断面図である。
【図２】高圧鋳造方法に基づく鋳物製品の製造工程図である。
【図３】実施例および比較例で鋳造した階段状試験片の外観図である。
【図４】実施例で得られた鋳造品の外観写真図である。
【図５】比較例で得られた鋳造品の外観写真図である。
【図６】従来の高圧鋳造方法に基づく鋳物製品の製造工程図である。
【符号の説明】
１ 溶湯保留部材
２ 金型
３ 溶湯
４ 加圧パンチ
５ 鋳造製品

Claims (3)

1. 溶湯を加圧手段によりキャビティ内に圧入させて鋳造するための高圧鋳造用金型内に設置できる高圧鋳造用溶湯保留部材であって、
   該溶湯保留部材は前記キャビティ直前に設けられた湯だまりに前記溶湯を一時保留できる溶湯保留構造を有することを特徴とする溶湯保留部材。
2. キャビティと、このキャビティ直前に設けられた湯だまりと、前記キャビティと湯だまりとの間に設けられた溶湯保留部材とを有する金型本体と、この金型本体のキャビティ内に溶湯を圧入させる加圧手段とを備えてなる高圧鋳造用金型であって、
   前記溶湯保留部材が請求項１記載の溶湯保留部材であることを特徴とする高圧鋳造用金型。
3. 溶湯を加圧手段により金型のキャビティ内に圧入させて鋳造する高圧鋳造方法であって、
   前記金型内に注湯した溶湯を前記キャビティ直前で保留する工程と、
   前記保留した溶湯を前記加圧手段によりキャビティ内に圧入する工程とを備えてなることを特徴とする高圧鋳造方法。

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