JP2005118878A - 鋳造用取鍋 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の金属帯体と耐熱織布材料製シートで補強された取鍋における、脆さ、使用中の磨耗度が大きいこと、等の弱点の少なくとも一部を緩和させて、運搬操作する作業装置に適切に取り付けることができ、作業時の事故を発生させないようにする鋳造用取鍋の提供。
【解決手段】セラミックマトリックス内に埋設された複数層の織繊維補強布を含んだ積層複合セラミック材料製の底部（３）と壁部（４、６、８）とを備えた本体（２）を有している。取鍋を作業装置に搭載させる頑丈な支持要素は複合セラミック材料内に提供されている。好適形態では補強布は織グラスファイバ製であり、マトリックス材料はケイ酸カルシウムとシリカとを含んでいる。
【選択図】図５

Description

本発明は金属鋳造で使用される鋳造用取鍋に関し、特にはアルミニウムやアルミ合金及び亜鉛等の他の非鉄金属鋳造用の取鍋に関する。

高圧ダイキャスト技術またはグラビティダイキャスト技術を利用するアルミ鋳造においては取鍋は計測された量の液化金属を保持溶炉から鋳造機にまで運搬し、溶融（液化）金属を鋳造機の型部内に注入するために使用される。大量生産では取鍋は自動式あるいはロボットアーム装置に搭載される。この装置は取鍋を溶炉内に浸し、所定量の溶融金属を掬わせ、掬った金属を鋳造機にまで運んで注入するようにプログラムされている。少量生産の場合には取鍋は手動式でよい。取鍋の容量は通常は相当に小さく（一般的に、アルミの場合には０.５ｋｇから５０ｋｇ）、溶融金属は非常に短時間、取鍋内で保持される（例えば６０秒以内）。

伝統的に取鍋は鋳鉄で製造されてきた。この材料は高温に対して耐久性があり、頑丈である。しかし、溶融アルミによって浸食されたり、高密度（約７０００ｋｇ/ｍ³）である欠点を有している。よって鋳鉄で製造された取鍋は非常に重く、取り扱いが厄介であり、強力な運搬装置も必要である。さらに鋳鉄は熱伝動性が高く、取鍋に収容されて運搬される溶融金属の放熱速度が速い。よって搬送中の冷却を考慮して保持溶炉は鋳造温度よりも相当に高い温度に維持されなければならず、エネルギー損失が大きい。鋳鉄製の取鍋は各鋳造作業後に接着固化した金属を収容部表面から取り除くために非常に労力を有するクリーニング作業を必要とする。取鍋は毎日あるいは隔日に剥離剤によるコーティングも必要とする。
これら諸問題を解消するため取鍋を耐熱性あるいはセラミックでコーティングすることが知られている。しかし、実際には困難な技術上の問題が介在する。すなわち、コーティング材と鋳鉄の熱膨張率が異なるため、コーティングにクラックが発生する。さらに、たいていのセラミックと耐熱性コーティングは脆く、急速に磨耗するために耐用寿命が短い。

取鍋をセメントタイプの耐熱材料やセラミック材料で製造する技術も知られている。鋼鉄や繊維補強材を含有するものも存在する。例えば特許文献１はセラミック繊維材料で成る取鍋を説明する。この取鍋は金属帯体と耐熱織布材料製シートで補強されている。
特開平１０−２９６４２７号公報、要約

しかし、この特許文献１に記載されているような材料で製造された取鍋は一般的に脆く、使用中の磨耗度が大きい。加えて、それら材料で製造された取鍋を、運搬操作する作業装置に適切に取り付け、作業時の事故を発生させないようにすることは容易ではない。よってそのような取鍋は広く使用されるに至っていない。

そこで、本発明者等は、この種の取鍋について種々検討を重ねてきた結果、本発明を完成したのである。

すなわち、本発明の目的とするところは、前述の弱点の少なくとも一部を緩和させる鋳造用取鍋の提供である。

本発明によれば、セラミックマトリックス（基礎構造部）に埋め込まれた織繊維補強布を含んだ複合セラミック材料製の底部と壁部とを備えた本体を有した鋳造用取鍋が提供される。この取鍋は、複合セラミック材料が取鍋の底部と壁部に全般的に提供された複数層で成る織繊維補強材料を含んだ積層材料で構成され、取鍋を作業装置に取り付ける頑丈な支持要素が複合セラミック材料内に埋設されていることを特徴とする。

複合セラミック材料は鋳鉄と比較すれば非常に軽量であり、この材料で製造された取鍋は従来の鋳鉄製取鍋と較べて大幅に容易に取り扱うことができる。この特徴によって馬力が小さな作業装置が使用でき、さらに大量の溶融金属の運搬が可能になる。またこの材料は熱伝導性が非常に低いため、鋳鉄製取鍋の場合と較べて溶融金属の冷却速度は大幅に遅い。よって溶炉の温度を低下させることが可能になり、エネルギーコストの大幅な削減が可能になる。この温度低下によって鋳造製品のクラック現象が大幅に減少し、鋳造製品の不良品の大幅な減少がもたらされる。

セラミック複合材料の別長所は溶融金属で湿潤化しないことである。よって金属は取鍋から容易に流れ出し、取鍋を汚さない。さらに、鋳鉄よりも熱伝導率が小さいために金属は取鍋内で固化しない。従って鋳造工程中の取鍋のクリーニング作業は不要である。加えて、取鍋表面に施された剥離剤は鋳鉄の場合よりも大幅に長く有効性を保ち、維持コストを引き下げ、製造コストを引き下げる。

複合セラミック材料は複数層の織繊維補強布を含んだ積層材料であり、取鍋の底部と壁部に全般的に使用されている。その結果、取鍋は非常に頑丈で耐久性があり、非変形性であるため内部金属胴殻体は不要である。好適には複合セラミック材料は２層から２５層の補強布を含み、好適には４層から２０層の補強布を含む。典型的には取鍋は約１０層の補強布を含む。好適には補強布は織グラスファイバ製である。

取鍋は支持要素を含んでおり、自動またはロボットアームあるいは手動リフトハンドルのごとき作業装置に取鍋を容易に取り付けさせる。

マトリックス材料は溶融シリカ、アルミナ、ムライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリコンアルミニウムオキシニトリド、ジルコン、マグネシア、ジルコニア、グラファイト、ケイ酸カルシウム、窒化硼素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び二硼化チタン（ＴiＢ₂）またはそれらの混合材料等の種々なセラミック材料で提供できる。好適には、マトリックス材料はカルシウム系であり、さらに好適にはケイ酸カルシウム（ウォラストナイト）とシリカを含んだものである。有利には、マトリックス材料は約６０重量％のウォラストナイトと４０重量％の固形コロイド状シリカで成る。この複合材料は好適には米国特許第５８８００４６号公報にて解説されている成型可能な耐熱組成物である。

有利には、取鍋は接着防止表面コーティングを含んでいる。好適には、そのコーティング材料は窒化硼素を含んでいる。

取鍋は壁厚５ｍｍから２５ｍｍであり、好適には約１２ｍｍである。取鍋は運搬容量は溶融アルミの場合には０.５ｋｇから５０ｋｇであり、好適には１ｋｇから２０ｋｇである。典型的には取鍋は約５ｋｇの取扱い容量を有している。

支持要素は頑丈なフレーム要素及び/又は搭載要素を含んでおり、取鍋を作業装置に取り付ける。支持要素は好適には補強布の隣接層間に提供され、例えば鋼鉄製である。支持要素は弾性カバー、例えばゴムカバーを含むことができ、フレームとセラミック材料の異なる熱膨張の影響を吸収する。このコーティングは全面的あるいは部分的に提供され、厚みは約０ｍｍから３.０ｍｍであり、典型的には約１.５ｍｍである。支持要素は取鍋の周囲全体、あるいは一部にのみ提供される。例えば、取鍋の側壁内に埋め込むことも可能である。

本発明によれば、セラミックマトリックス（基礎構造部）に埋め込まれた織繊維補強布を含んだ複合セラミック材料製の底部と壁部とを備えた本体を有した鋳造用取鍋を提供することができる。この取鍋は、複合セラミック材料が取鍋の底部と壁部に全般的に提供された複数層で成る織繊維補強材料を含んだ積層材料で構成され、取鍋を作業装置に取り付ける頑丈な支持要素が複合セラミック材料内に埋設されていることを特徴とする。

複合セラミック材料は鋳鉄と比較すれば非常に軽量であり、この材料で製造された取鍋は従来の鋳鉄製取鍋と較べて大幅に容易に取り扱うことができる。この特徴によって馬力が小さな作業装置が使用でき、さらに大量の溶融金属の運搬が可能になる。またこの材料は熱伝導性が非常に低いため、鋳鉄製取鍋の場合と較べて溶融金属の冷却速度は大幅に遅い。よって溶炉の温度を低下させることが可能になり、エネルギーコストの大幅な削減が可能になる。この温度低下によって鋳造製品のクラック現象が大幅に減少し、鋳造製品の不良品の大幅な減少がもたらされる。

セラミック複合材料の別長所は溶融金属で湿潤化しないことである。よって金属は取鍋から容易に流れ出し、取鍋を汚さない。さらに、鋳鉄よりも熱伝導率が小さいために金属は取鍋内で固化しない。従って鋳造工程中の取鍋のクリーニング作業は不要である。加えて、取鍋表面に施された剥離剤は鋳鉄の場合よりも大幅に長く有効性を保ち、維持コストを引き下げ、製造コストを引き下げることができる。

次に、添付の図面を利用して本発明の実施例を解説するが、図１は本発明の１実施例による鋳造用取鍋の斜視図、図２はその平面図、図３はその側面図である。

図１の取鍋は底部３、側壁４、傾斜前壁６、傾斜後壁８及び注出口１０を有した開放容器２を含んでいる。注入開口部１２は後壁８に提供されており、その下方には外側に延び出る舌部１４が提供されている。搭載ブロック１６は取鍋の両側に提供され、それぞれの搭載ブロックは搭載ボルト（図示せず）を受領する２つの孔部１８を有している。搭載ブロック１６は取鍋を作業装置、例えばロボットアームや手動リフトハンドル（図示せず）に取り付けるために利用される。

図１の取鍋は約２リットルの収容能力を有しており、約５ｋｇの溶融アルミニウムを運搬できる。取鍋の壁厚は一般的に約１２ｍｍであり、一般的に抽出口１０の近辺の約８ｍｍから注入開口部１２の上方の約２０ｍｍの範囲である。

取鍋はセラミックマトリックスに埋め込まれた織繊維補強布の複数層を含んだ積層複合セラミック材料製である。この補強布は取鍋の底部と壁部全般に広がって提供され、好適には織グラスファイバ製である。多様な材料がセラミックマトリックスとして使用できる。例えば、溶融シリカ、アルミナ、ムライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリコンアルミニウムオキシニトリド、ジルコン、マグネシア、ジルコニア、グラファイト、ケイ酸カルシウム、窒化硼素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び二硼化チタン（ＴiＢ₂）またはそれらの混合材料等である。好適にはセラミックマトリックス材料はケイ酸カルシウム（ウォラストナイト）とシリカを含んだものであり、米国特許５８８００４６にて解説されている成型可能な耐熱組成物が利用できる。取鍋は典型的には２層から２５層の補強布を有し、典型的には約１０層の補強布を含む。

好適には取鍋は少なくともその内側に、例えば窒化硼素等で接着防止コーティング処理が施されている。

取鍋は頑丈な支持フレーム２０を含んでおり、取鍋を作業装置に搭載させる。支持フレームは図６において破線で示されている。支持フレーム２０は隣接補強布間で複合セラミック材料内に埋め込まれており、搭載ブロック１６内に提供された支持プレート２２の形態の２つの搭載要素と、両壁４に沿って延び、後壁８を横断する略方形であるフレーム構造体２４とを含んでいる。鋼鉄フレーム２０は好適には弾性材料のコーティングを含んでおり、フレームとセラミックマトリックスの異なる熱膨張性の影響を吸収する。弾性材料は例えば厚さ０ｍｍから３.０ｍｍ、典型的には約１.５ｍｍのゴムコーティングである。

支持フレームの２実施形態が図１３と図１４とに図示されている。図１３の形態では支持フレーム２０は、搭載ブロック１６内に提供された２枚の支持プレート２２と、両側壁４に沿って延び、後壁８を横断する略方形であるフレーム構造体２４とを含んでいる。フレームはさらに抽出口１０の下方に提供された湾曲接続要素２６と搭載ボルト（図示せず）を受領するために支持プレート２２内に提供された２対の孔部２８を含んでいる。フレーム２０はゴムコーティングを有しており、フレームとセラミックマトリックス（０ｍｍから３.０ｍｍ厚）との間の異なる熱膨張性の影響を吸収する。オプションでゴムコーティングはフレーム表面（好適には内面）から排除でき、セラミックマトリックスとフレーム表面との直接的な接触を許してフレームと取鍋との間のずれ現象を減少させる。異なる熱膨張性の影響はフレームの残り表面に提供されたコーティングで吸収される。

図１４で示す支持フレームの別形態は取鍋の両側でセラミックマトリックス内に提供される１対の半フレームで成る。各半フレーム３０は支持プレート３２と、取鍋の側壁４に沿って延びるフレーム要素３４とを含んでいる。各支持プレート３２は搭載ボルトを受領する２つの筒体３６を有している。フレーム３０は全面的または部分的なゴムコーティングを有しており、フレームとセラムックマトリックス（０ｍｍから３.０ｍｍ厚）との間の異なる熱膨張性の影響を吸収する。

続いて鋳造用取鍋の製造方法を説明する。まずセラミックマトリックス材料が米国特許５８８００４６で解説されているごとき材料成分のブレンドで提供される。成分材料は、例えば約６０重量％のウォラストナイトと４０重量％の固形コロイド状シリカである。これら材料は混合されてスラリ状とされる。

取鍋は雄型上の一連の層で構成される。この構成はプレカットグレードの織Ｅ-ガラス布を成型体上に積層してスラリを加え、布状に加工して布の全面湿潤を完了させることで提供される。この作業を反復して望む厚さの連続布層とマトリックス材料を完成させる。典型的には各層は約１ｍｍ厚であり、図１の取鍋は約１０層のガラス補強布を有している。鋼鉄補強フレームがこの積層プロセス中に成型体上に設置され、隣接する補強布層間で複合材料内に埋設される。

製品が望む厚さを達成すると型から抜き出され、未燒結状態で加工されて本体の外面が完成する。次に取鍋は炉内に入れられて乾燥される。乾燥後に製品は最終仕上げプロセスに回され、例えば窒化硼素による接着防止コーティングが施される。

図７から図１２で示す取鍋は前述の取鍋とほぼ同様に構成され、同様なプロセスで製造される。主な相違点はこの取鍋は２つの抽出口１０aと１０bとを有しており、２つの別々な鋳造機あるいは１つの鋳造機の２部分に同時的に液体金属を注入させることができる。

以上解説した取鍋は他の形状でも可能である。本発明は図面で示す取鍋の形状に限定されない。

利用の際には、取鍋は搭載ブロック１６の孔部１８に搭載ボルトを挿入することでロボットアーム等の作業装置に搭載される。取鍋は液体金属を保持溶炉から鋳造型にまで運搬して溶融金属を型に流し込むのに利用される。まず取鍋は後方に傾斜され、舌部１４が使用されて液体金属の表面から異物を削り取る。続いて取鍋は金属内に浸され、注入開口部１２を通して内部が溶融金属で満たされる。取鍋は次に直立状態で溶融金属から持上げられ、過剰分の液体金属は注入開口部から溶炉内に戻される。最後に取鍋は鋳造型にまで運搬され、注出口１０を介して鋳型内に注入される。

本発明の１実施例による鋳造用取鍋の斜視図である。 その平面図である。 その側面図である。 その正面図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 その斜視図であり、支持フレームを斜線で表している。 本発明の別実施例による鋳造用取鍋の斜視図である。 その平面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。 その側面図である。 その正面図である。 図８のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。 鋳造用取鍋の支持フレームの一実施例の斜視図である。 鋳造用取鍋の支持フレームの他の実施例の斜視図である。

符号の説明

２ 開放容器
３ 底部
４ 側壁
６ 傾斜前壁
８ 傾斜後壁
１０、１０ａ、１０ｂ 注出口
１２ 注入開口部
１４ 舌部
１６ 搭載ブロック
１８、２８ 孔部
２０ 支持フレーム
２２、３２ 支持プレート
２４、３４ フレーム構造体
３０ 半フレーム
３６ 筒体

Claims (17)

1. セラミックマトリックスに埋設された織繊維補強布を含んだ複合セラミック材料で成る底部と壁部とを備えた本体を有した鋳造用取鍋であって、前記複合材料は前記底部と壁部とに全体的に提供された複数層の織繊維補強布を含んだ積層材料であり、本取鍋を作業装置に搭載させる頑丈な支持要素を前記複合セラミック材料内にさらに有していることを特徴とする取鍋。
2. 複合セラムック材料は２層から２５層、好適には４層から２０層、さらに好適には１０層の補強布を含んでいることを特徴とする請求項１記載の取鍋。
3. 補強布は織グラスファイバ製であることを特徴とする請求項１または２に記載の取鍋。
4. マトリックス材料は溶融シリカ、アルミナ、ムライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリコンアルミニウムオキシニトリド、ジルコン、マグネシア、ジルコニア、グラファイト、ケイ酸カルシウム、窒化硼素（固形ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二硼酸チタニウム（ＴiＢ₂）及びそれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項１記載の取鍋。
5. マトリックス材料はカルシウム系であることを特徴とする請求項１記載の取鍋。
6. マトリックス材料はケイ酸カルシウムとシリカを含んでいることを特徴とする請求項１記載の取鍋。
7. マトリックス材料はウォラストナイトとコロイド状シリカを含んでいることを特徴とする請求項１記載の取鍋。
8. 接着防止表面コーティングが施されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の取鍋。
9. コーティングは窒化硼素を含んでいることを特徴とする請求項８記載の取鍋。
10. 壁厚は５ｍｍから２５ｍｍ、好適には１２ｍｍであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の取鍋。
11. 収容量は液体アルミニウムで０.５ｋｇから５０ｋｇ、好適には１ｋｇから２０ｋｇであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の取鍋。
12. 支持要素は頑丈なフレーム要素であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の取鍋。
13. 支持要素は本取鍋を作業装置に搭載させる搭載要素を含んでいることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の取鍋。
14. 支持要素は隣接する補強布層間に提供されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の取鍋。
15. 支持要素は鋼鉄製であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の取鍋。
16. 支持要素は弾性カバーを含んでいることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の取鍋。
17. 支持要素は本取鍋の周囲に提供されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の取鍋。

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