JP2005066663A - 鋳鉄のチクソキャスティング装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のスライドゲート方式とは異なる方式を用い、酸化皮膜の成形体への混入（キャビティへの混入）を効果的に防止して、健全で機械的性質に優れた鋳鉄の成形品を安定して得ることができる鋳鉄のチクソキャスティング装置と方法の提供を課題とする。
【解決手段】 半溶融状態の鋳鉄が加圧充填されるべきキャビティ６０を構成する一対の開閉自在な金型１０、２０と、前記キャビティ６０内へ射出路８０を経て半溶融の被射出体Ｂを射出する射出手段とを少なくとも備え、前記キャビティ６０への入口に該入口を絞るゲートを設けた鋳鉄のチクソキャスティング装置であって、前記ゲートは、独立したゲート体５０で構成すると共に各射出成形毎に前記キャビティ６０の入口に配置し、各射出成形後に成形体と共に取り出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は鋳鉄のチクソキャスティング装置と方法に関し、詳しくは酸化被膜の混入を防止し、健全で機械的性質に優れた鋳鉄の成形体を得るためのチクソキャスティング装置と方法に関する。

鋳鉄を加熱し、固液共存状態の半溶融ビレットを金型で構成された鋳型内に射出成形するチクソキャスティングは、それまでの鋳鉄の鋳造法に比べて、薄肉且つ複雑な形状の部品の成形が可能である。また鋳造品に発生しやすい引け巣等の鋳造欠陥もほとんど無く、ニアネットシェイプの製品を得ることができるため、鋳鉄の新しい製造方法として有望視されている。
ところが上記従来の鋳鉄のチクソキャスティングにおいては、鋳鉄を半溶融状態に加熱する工程で、材料表面に形成される酸化皮膜が成形時に成形体に混入する欠陥が発生することがあり、安定して健全な製品を得ることが困難であるという問題があった。
また高温材料である鋳鉄の半溶融成形において、金型への熱負荷により金型に溶損、割れが発生することが大きな技術的問題であった。これらの溶損又は割れは、射出スリーブからキャビティ（鋳型空間）への射出路の末端、即ちキャビティの入口に設けられるゲートにおいて発生しやすく、金型全体の寿命を左右したり、金型補修に時間がかかる要因になっていた。

勿論、アルミニウム材料等におけるチクソキャスティングにおいて、酸化皮膜の成形体への混入を防止するためにゲートを設けたものもある。
更にアルミニウムのチクソキャスティングにおいて、前記酸化皮膜の混入を防止するためにキャビティの入口に設けるゲートを、スライドゲート方式にしたものがある。このスライドゲート方式は、ゲートを２分割し、その各分割ゲートを左右の位置から開閉自在にスライドさせることで、閉合状態でゲートを完成して射出成形に供すると共に、開放した状態で待機するようにした方式である。
特開平８−３００１２６号公報 特開平９−２２０６５６号公報 特開２００３−７３７６８号公報

ところが上記スライドゲート方式のチクソキャスティングを高温材料である鋳鉄に用いた場合には、高温に原因してゲートの溶損、割れが発生しやすく、型の補修が頻繁に必要となったり、また熱歪みによりスライドゲートの開閉が困難になるといったトラブルが発生しやすい問題があった。

そこで本発明は上記従来のスライドゲート方式とは異なる方式を用いて、酸化皮膜の成形体への混入（キャビティへの混入）を効果的に防止して、健全で機械的性質に優れた鋳鉄の成形品を安定して得ることができる鋳鉄のチクソキャスティング装置と方法の提供を目的とする。

上記課題を達成するため、本発明者は種々の実験と検討を重ねた結果、スライドゲート方式に代わる、いわゆるインサート方式と称することができる方式を用いた鋳鉄のチクソキャスティング装置を発明した。このインサート方式を用いた装置では、ゲートとして１つの独立物品であるゲート体を複数用意し、これを射出成形を行う毎に、キャビティ位置に配置する。このゲート体は成形体に鋳包まれた状態となる。

即ち、本発明の鋳鉄のチクソキャスティング装置は、半溶融状態の鋳鉄が加圧充填されるべきキャビティを構成する一対の開閉自在な金型と、前記キャビティ内へ射出路を経て半溶融の被射出体を射出する射出手段とを少なくとも備え、前記キャビティへの入口に該入口を絞るゲートを設けた鋳鉄のチクソキャスティング装置であって、前記ゲートは、独立したゲート体で構成すると共に各射出成形毎に前記キャビティの入口に配置し、各射出成形後に成形体と共に取り出される構成にしたことを第１の特徴としている。
また本発明の鋳鉄のチクソキャスティング装置は、上記第１の特徴に加えて、ゲート体は射出路に面するゲート穴の周囲を一定範囲にわたって凸部に形成してあることを第２の特徴としている。
また本発明の鋳鉄のチクソキャスティング方法は半溶融状態とされた鋳鉄からなる被射出体を金型内のキャビティに該キャビティの入口を絞るゲートを介して加圧充填する鋳鉄のチクソキャスティング方法であって、前記被射出体の外側周面を被射出体の鋳鉄よりも融点の高い鋼からなる０．２〜０．５ｍｍ厚さの薄板で被覆しておくことを第３の特徴としている。

上記第１の特徴による鋳鉄のチクソキャスティング装置によれば、半溶融の被射出体を射出手段を用いて射出成形するに際して、一対の金型によって構成されたキャビティの入口に、予め用意された１つのゲート体が配置される。その後、射出手段による被射出体の射出動作が行われ、半溶融の被射出体がキャビティの入口に配置されたゲート体を通ってキャビティ内に加圧充填され、成形体となる。この際、キャビティの入口に配置されたゲート体は成形体と一体に鋳包まれた状態となる。成形終了後に一対の金型が開かれ、前記ゲート体は成形体と共に取り出される。
成形体と共に取り出されたゲート体は、成形体に付随するゲート部の部分を本来のキャビティ内の部分と割り分ける等により、回収して再使用に供することが可能となる。

また上記第２の特徴による鋳鉄のチクソキャスティング装置によれば、ゲート体の形状として、射出路に面するゲート穴の周囲が一定範囲にわたって凸部に形成してあることで、射出手段によって射出路を押され、ゲート体に押し付けられた状態となった被射出体は、少なくともその側周面の酸化皮膜が前記凸部から外れた外側となり、ゲート穴からキャビティに射出されること無く取り残されることになる。
一定の範囲とは、被射出体との関係において、少なくとも被射出体の側周部の酸化皮膜が凸部から十分に外れる状態となるようなゲート穴周囲の範囲である。また凸部は２ｍｍ以上突出していることが好ましい。

また上記第３の特徴による鋳鉄のチクソキャスティング方法によれば、被射出体の外側周面を被射出体の鋳鉄よりも融点の高い鋼薄板で被覆しておくことで、半溶融状態に加熱された際における被射出体の変形が防止される。また半溶融状態に加熱された際における酸化皮膜の生成が少なくなる。また鋼薄板の厚みは０．２〜０．５ｍｍとするが、０．２ｍｍ未満では被射出体の半溶融状態における変形防止効果が望まれず、０．５ｍｍを超えると加圧充填の際に鋼薄板がうまく折り畳まれず、充填不良の原因となる。好ましくは０．２〜０．３ｍｍがよい。
前記鋼としては、例えばＳＵＳ系鋼を用いることができる。

請求項１に記載の鋳鉄のチクソキャスティング装置によれば、射出成形する数だけゲート体を用意する必要はあるが、ゲート体を射出成形を行う毎にキャビティの入口に配置することで、熱負荷の一番大きいゲート部を成形毎に取り替えていることになり、従来のスライドゲート方式に比べて、ゲートの溶損、割れを防止することが可能となった。
また従来のスライドゲート方式の場合は高価なベリリウム銅等を用いる必要があったが、本発明の場合はゲート体として球状黒鉛鋳鉄等の安価な材料でも十分に割れや溶損に耐えることができる。
更に型の構造を十分に簡素化することができるため、熱歪みによりスライドゲートの開閉が困難となるといったスライドゲート方式での問題も生じない。
勿論、本発明の場合はゲート体が成形体と一体に鋳包まれることになるが、鋳鉄のチクソキャストの場合、成形後の組織は白銑となっているため、成形体のゲート部分を折るのは容易であり、ゲート体を取り出して再使用できる。

また請求項２に記載の鋳鉄のチクソキャスティング装置によれば、上記請求項１に記載の構成による効果に加えて、ゲート体は射出路に面するゲート穴の周囲を一定範囲にわたって凸部に形成してあるので、ビレット等の被射出体先端の酸化皮膜の大部分を凸部の周囲の空間に滞留させることができる。また凸部の存在により被射出体全体が外周に押し付けられる力が作用し、被射出体外側周の酸化皮膜の混入が防止できる。即ち、被射出体の酸化皮膜のキャビティ内（成形体内）への混入を効果的に防止することができる。

また請求項３に記載の鋳鉄のチクソキャスティング方法によれば、被射出体の外側周面を被射出体の鋳鉄よりも融点の高い鋼からなる薄板で被覆しておくことで、半溶融状態に加熱した際の被射出体の変形を防止することができる。特に比較的大きな製品を成形する場合には、製品に合わせた大きさのビレット等の被射出体を使用する必要があり、被射出体が大きくなるほど加熱の際に自重で被射出体（ビレット）が変形しやすくなる。変形した半溶融の被射出体をそのままチクソキャスティングすることはスケール巻込みの原因となり、好ましくない。
また被射出体の外側周面を被射出体の鋳鉄よりも融点の高い鋼からなる薄板で被覆しておくことで、被射出体を固液共存状態に加熱しても酸化皮膜の発生を少なくすることができる。
また被覆した鋼板は薄板であるので、被射出体の加圧充填の際に、ゲート体の手前で折り畳まれる状態となり、この折り畳まれた薄板により被射出体の表面の酸化皮膜を捕まえてキャビティ内への混入を防止することができる。

以下の図面を参照して、本発明の実施形態を更に詳細に説明する。
図１は本発装置の実施形態を示す縦断面図、図２は本発明装置の他の実施形態を示す縦断面図である。

図１を参照して、装置は、可動金型１０と固定金型２０とが一対となった金型と、射出手段を構成するプランジャー３０とスリーブ４０と、ゲート体５０等からなる。

前記可動金型１０には固定金型２０との当接面に凹所が設けられ、この凹所がキャビティ６０となる。また可動金型１０には、成形後の成形体を型から外すのに用いる押し出しピン７０が設けられている。

前記固定金型２０には、前記スリーブ４０が連結されて射出路８０が構成される。また固定金型２０には、前記可動金型１０と当接する面にゲート体５０を嵌め込んで固定するための嵌合凹所２１が設けられている。またこの嵌合凹所２１に連通して前記射出路８０の一部となる貫通穴２２が設けられている。

前記プランジャー３０は射出路８０を進退し、その進出により被射出体である半溶融のビレットＢを前方に押し出し、ゲート体５０を介してキャビティ６０内に加圧充填する。
前記スリーブ４０には、ビレットＢを射出路８０に入れる投入口４１が設けられる。
前記ビレットＢとしての被射出体は鋳鉄材料とし、半溶融状態で投入口４１から射出路８０に入れられる。

ゲート体の材料としては、例えば球状黒鉛鋳鉄を用いることができるが、射出成形時の温度で溶けてしまうような材料を除き、種々の安価な金属材料を用いることができる。またセラミック等の使用も可能である。このゲート体５０は射出成形が１回行われる毎に１個用いられるので、安価であることが求められるが、その他に、溶損、割れが生じにくい材料、回収して再使用する際に成形体との分離に適した材料等、再使用しやすい材料を用いることができる。
ゲート体５０には貫通穴からなるゲート穴５１が設けられる。このゲート穴５１の径（直径）は前記射出路８０の径（直径）よりも当然小さく、また前記ビレットＢの径（直径）よりも小さくなるようにする。そしてゲート穴５１の中心が射出されるビレットＢの断面中央付近に位置するように、ゲート体５０が前記金型の嵌合凹所２１に嵌合されて配置される。
ゲート体５０は、一対の金型１０、２０が閉止される前に、固定金型２０の嵌合凹所２１に嵌め合わされる。この嵌め合わせに際しては、ゲート体５０と固定金型２０とを機械的に結合することは行わず、固定金型２０が可動金型１０とが合わされた状態においてゲート体５０が確実に固定状態となるようにしている。

ゲート体５０は、一対の金型１０、２０が閉止された状態（図１の状態）で、キャビティ６０の入口に配置されることになり、そしてゲート体５０のゲート穴５１がキャビティ６０への実際の絞られた入口となる。前記ビレットＢは、このゲート穴５１からキャビティ６０内に射出される。
射出成形が終了すると、金型１０、２０が開放され、押し出しピン７０によってキャビティ６０内の成形体がゲート体５０と共に取り出される。
取り出された成形体はゲート体５０のゲート穴５１内の凝固部によってゲート体５０と一体になっているが、鋳鉄のチクソキャスティングの場合は、成形後の組織は白銑となっているため、成形体の前記ゲート体５０の凝固部分を容易に折ることができ、分離してゲート体５０の再利用に供することができる。

図２を参照して、この実施形態は、上記図１に示すものと比べて、ゲート体５０の形状を異ならせたものである。他の構成は異なることがないので、同一符号を付して図２に表すことで、説明をしたものとする。

図２に示す形態においては、ゲート体５０のゲート穴５１の周囲を一定範囲にわたって凸部５２に形成している。一定範囲とは、少なくともビレットＢの側周部の酸化皮膜が凸部５２から十分に外れる状態となるようなゲート穴５１周囲の範囲である。が、ビレットＢの先端の酸化皮膜の大部分を凸部５２の周囲の空間に滞留させるようにすることを考慮すると、前記一定範囲は、そのような効果を奏することができるようなゲート穴５１の周囲のより狭い範囲とすることになる。
また凸部は２ｍｍから１０ｍｍ程度とする。
ゲート体５０のゲート穴５１の周囲を凸部５２に形成することで、ビレットＢに生じた酸化皮膜のキャビティ６０内への混入（巻込み）を防止する効果が上がる。

また鋳鉄のチクソキャスティングにおいて、ビレットＢである被射出体の酸化皮膜がキャビティ６０内に混入するのを防止する方法としては、ビレットＢの外側周面を、そのビレットＢの融点よりも高い融点の鋼からなる薄板で被覆するのが好ましい。この場合、鋼の薄板の厚みは、０．２〜０．５ｍｍとすることができ、好ましくは０．２〜０．３ｍｍとする。この理由は既に段落０００８で述べた。
鋼の薄板の役割は、ビレットＢが加熱された際に変形するのを防止すること、ビレットＢの表面に生じる酸化皮膜の生成を少なくすること、及び射出成形の際に鋼の薄板がゲート体５０の存在によってゲート穴５１に入ること無くゲート体５０の手前で折り畳まれて残留し、その折り畳まれた薄板によってビレットＢの酸化皮膜を捕まえ、酸化皮膜がゲート穴５１内に入っていくのを防止することである。
従って前記薄板の厚みは、理論的には該薄板が射出成形の際にうまく折り畳まれ、且つビレットＢの表面に生じる酸化皮膜の生成を良好に予防できるような厚みであればよく、具体的な寸法が限定されるものではない。

表１に実施例のチクソキャスティングに用いた亜共晶鋳鉄材料の化学成分を示す。実施例、比較例とも同一チャージの連続鋳造棒より採取したビレットであり、化学成分のバラツキはほとんど無く、同一条件の材料と言える。

ビレットの寸法は直径７５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、重量５Ｋｇである。チクソキャスティングの成形条件は、実施例、比較例ともその射出速度、射出圧力等、ビレットの加熱温度条件以外の条件は全て同一とした。
各実施例１〜６及び比較例１〜４とも各２０本のテストピースを成形した。
実施例１、２は凸部の無い（フラットな）ゲート体を用いたチクソキャスティングの場合、実施例３、４は凸部の有るゲート体を用いたチクソキャスティングの場合、実施例５、６は実施例１、２に０．３ｍｍ厚さのＳＵＳ鋼の薄板をビレットに被覆した場合である。比較例１、２はゲートそのものを用いないチクソキャスティングの場合、比較例３、４は、凸部の無い（フラットな）ゲート体を用いた場合であるが、０．６ｍｍ厚さのＳＵＳ鋼の薄板をビレットに被覆した場合である。
目視及び超音波探傷検査により、ビレット加熱時のビレットの変形の有無、成形後の酸化皮膜の巻込み欠陥の有無、その他の欠陥の有無を検査した。
表２に射出成形の条件と酸化被膜の巻込み欠陥の発生した成形体の数、及びその他の欠陥の有無を示す。
なお表２の「酸化被膜の巻込み欠陥」の欄において、例えば「２Ｐ／２０」と記載されているのは、テストピース２０本のうち２本に欠陥が有ったことを示す。

表２を参照して、比較例１、２はゲート自体を設けること無く射出成形したもので、全数に酸化皮膜の巻込み欠陥、エアの巻込み欠陥が発生した。
実施例１、２はフラット（凸部無し）のゲート体を用い、ビレットの被覆をしないもので、酸化皮膜の巻込みを大幅に減少でき、その他の欠陥も発生しなかったが、ビレットの加熱温度を１２２０℃にするとビレットの変形が生じた。
実施例３、４は凸部を形成したゲート体を用い、ビレットの被覆をしないもので、酸化皮膜の巻込みもほぼ無く、その他の欠陥も発生しなかったが、ビレットの加熱温度を１２２０℃にするとビレットの変形が生じた。
実施例５、６はフラット（凸部なし）のゲート体を用い、且つビレットをＳＵＳ系鋼の０．３ｍｍ板で被覆したもので、酸化皮膜の巻込みやその他の欠陥が発生しない他、ビレットの加熱温度を１２２０℃にしてもビレットの変形が生じなかった。
比較例３、４は実施例５、６と同じであるが、ビレットを被覆するＳＵＳ系鋼の板厚を０．６ｍｍとしたものである。ビレットを１２０５℃に加熱したものでは被覆板がゲート体のゲート穴を詰まらせて、充填不良が発生した。また１２２０℃でも被覆板を変形させる抵抗が大きく、充填不良が発生した。０．６ｍｍは厚過ぎて不適当であった。

本発明の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 可動金型
２０ 固定金型
２１ 嵌合凹所
２２ 貫通穴
３０ プランジャー
４０ スリーブ
４１ 投入口
５０ ゲート体
５１ ゲート穴
５２ 凸部
６０ キャビティ
７０ 押し出しピン
８０ 射出路
Ｂ ビレット

Claims (3)

1. 半溶融状態の鋳鉄が加圧充填されるべきキャビティを構成する一対の開閉自在な金型と、前記キャビティ内へ射出路を経て半溶融の被射出体を射出する射出手段とを少なくとも備え、前記キャビティへの入口に該入口を絞るゲートを設けた鋳鉄のチクソキャスティング装置であって、前記ゲートは、独立したゲート体で構成すると共に各射出成形毎に前記キャビティの入口に配置し、各射出成形後に成形体と共に取り出される構成としたことを特徴とする鋳鉄のチクソキャスティング装置。
2. ゲート体は射出路に面するゲート穴の周囲を一定範囲にわたって凸部に形成してあることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄のチクソキャスティング装置。
3. 半溶融状態とされた鋳鉄からなる被射出体を金型内のキャビティに該キャビティの入口を絞るゲートを介して加圧充填する鋳鉄のチクソキャスティング方法であって、前記被射出体の外側周面を被射出体の鋳鉄よりも融点の高い鋼からなる０．２〜０．５ｍｍ厚さの薄板で被覆しておくことを特徴とする鋳鉄のチクソキャスティング方法。

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