JP2005211927A - 底部出湯式鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空溶解した金属の溶湯をるつぼ底部から鋳型に出湯する底部出湯式鋳造装置において、装置の小型化と鋳込み品質の向上を図る。
【解決手段】水冷金属るつぼ１の外側にコイル２を備え、底部の出湯口３から出湯する浮揚溶解炉４と、水冷金属るつぼ１の下方に配置される鋳型６と、るつぼ１及び鋳型６の内部を真空排気する真空排気系統とからなり、コイル２に通電してるつぼ１内の金属１０を浮揚溶解し、溶湯を出湯口３から鋳型６に鋳込む底部出湯式鋳造装置において、るつぼ１の底面に密閉容器１５により密閉した鋳型６を気密に連結する。密閉容器１５で鋳型６の密閉を図ることにより、鋳型６の真空・加圧空間が小さくなり、鋳型６内の雰囲気制御（真空排気や加圧制御）の応答性が高まる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、精密鋳造が要求される歯科及び医療用の金属性生体代替材料や装飾・工業分野での高融点活性金属合金の溶製・鋳造に用いられる鋳造装置に関する。

歯科医療用の鋳造材料は、高度な安全性、生体親和性、長期にわたる信頼性の要求等から、従来から金合金（12％金‐パラジウム‐銀合金）で代表される高価な金属材料が使用されている。これらの鋳造材料は融点が約1000℃以下と比較的低く比重も小さいため、その溶製には従来の抵抗加熱溶解法でも十分に対応することができた。また、装飾・工業用の高融点金属においても、合金化を要求されない単一金属の場合はアーク加熱溶解法で対応することができた。この種の歯科医療用の鋳造装置については、例えば特許文献１に記載されている。

一方、昨今、歯科・医療用材料として、高価な金合金に代わって、合理的な価格でありながら人体に対して安全で生体適合性の高いチタン系合金の適用が注目されている。しかし、この新しいチタン系合金は、生体適合性を持たせるためにTaやNbなど、融点が3000℃前後と高温で、密度差もTiの4.5g/cm³に対して17g/cm³前後ときわめて大きい高融点活性金属を合金元素とする必要があり、従来の抵抗加熱やアーク加熱では溶解による均一な合金化ができないという問題がある。

その場合、高融点活性金属の合金化には、いわゆる浮揚溶解法が適している。浮揚溶解法は、コイルを巻いた水冷金属るつぼに金属を入れ、コイルに高周波電流を流すもので、るつぼ内に発生する交番磁界により金属にコイル電流と逆向きの渦電流が生じ、金属内のジュール熱で金属が溶解し、かつ両電流間の電磁反発力で金属が浮揚する。浮揚溶解法は融点が3000℃前後ときわめて高い活性金属元素も溶解可能であり、しかも密度差の大きい溶融合金も強力な電磁力で攪拌されるため均質化される。また、金属はるつぼと非接触の状態で溶解されるため、るつぼからの不純物による汚染が少ない。この浮揚溶解法を用いた溶解炉（浮揚溶解炉）については、例えば特許文献２に記載されている。

図３は、上記した浮揚溶解法を用いた底部出湯式鋳造装置の従来構成を示す概略縦断面図である。図３において、鋳造装置は、上面が開口した水冷金属るつぼ（以下、単に「るつぼ」という。）１の外側にコイル２を備え、底部の出湯口３から金属溶湯を出湯する浮揚溶解炉４と、出湯口３に湯口５が対向するようにるつぼ１の下方に配置された鋳型６と、るつぼ１及び鋳型６を真空排気する真空排気系統７とからなっている。すり鉢状のるつぼ１は図示しないスリットにより分割された多数の銅のセグメントからなり、図示しない冷却パイプを流れる冷却水により冷却される。鋳型６は通気性の鋳型材（埋没材）からなり、ロストワックス法により鋳込み空間８が形成されている。るつぼ１及び鋳型６は全体が密閉容器９に組み込まれ、真空排気系統７により真空排気される。

図３の鋳造装置において、溶解金属１０をるつぼ１に装填したら、真空排気系統７の図示しない真空ポンプを運転し、るつぼ１及び鋳型６を真空排気する。次いで、高周波電源１１からコイル２に通電し、金属１０を浮揚溶解する。すでに知られる通り、コイル２に高周波電流を流すと、るつぼ１及び金属１０に渦電流が誘導され、これらの電流の間に電磁反発力が発生する。このとき、電磁反発力が金属１０の重量よりも大きければ、金属１０はるつぼ１から離れて浮揚する。同時に金属１０は、渦電流によるジュール熱で溶解する。金属１０が溶解したら、コイル２の電流を制御し、金属１０に対する浮揚力を金属１０の重量より小さくする。これにより、るつぼ内の溶解金属１０は出湯口３から鋳型６に出湯され、湯口５から鋳込み空間８に鋳込まれる。
特開２０００−１７６６２９号公報 特開平１０−３８４６８号公報

ところが、図３に示したような従来の底部出湯式鋳造装置には、下記の問題点がある。
(1) 密閉容器に浮揚溶解炉と鋳型の全体を組み込んで真空排気しているが、密閉容器の容積が大きいため、真空排気の応答性が悪い。ちなみに、るつぼは銅セグメント間のスリットを介して密閉容器内に通じており、鋳型は通気性の鋳型材を介して密閉容器内に通じているため、真空排気は密閉容器内の全空間に対して行わなければならない。
(2) コイルが真空雰囲気の密閉容器内に収容されるため、通電中に真空放電が発生する可能性があり、コイル電圧を真空放電の危険のない大きさに制限する必要がある。
(3) 密閉容器内の気密性が確保できる電源導入端子が必要となるので、装置の構造が複雑で高価なものになる。
(4) 溶解金属の自重により溶湯を鋳込み空間に鋳込んでいるが、精密鋳造においては鋳込み空間が細密であるため、溶解金属の自重のみでは緻密な鋳造が困難である。

この発明は上記問題に対処し、装置を簡略・小型にして真空排気の応答性を高め、またコイルの真空放電の危険をなくとともに、鋳込み品質を高めることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、水冷金属るつぼの外側にコイルを備え底部の出湯口から金属溶湯を出湯する浮揚溶解炉と、前記出湯口に湯口が対向するように前記水冷金属るつぼの下方に配置される鋳型と、前記水冷金属るつぼ及び鋳型の内部を真空排気する真空排気系統とからなり、前記コイルに通電して前記水冷金属るつぼ内の金属を浮揚溶解し、次いで前記金属の溶湯を前記出湯口から前記鋳型に鋳込む底部出湯式鋳造装置において、前記水冷金属るつぼの底面に密閉容器により密閉した鋳型を気密に連結するものとする（請求項１）。

請求項１の発明は、鋳型のみを密閉する密閉容器を設け、この密閉容器により密閉した鋳型をるつぼに気密に連結して鋳型の密閉を図るものである。これにより、鋳型内の雰囲気制御（真空排気や加圧制御）の応答性が高まる。

請求項１の発明において、前記水冷金属るつぼとコイルとの間に密閉容器を配置して前記水冷金属るつぼを密閉するとよい（請求項２）。これにより、るつぼと鋳型とがそれぞれ個別に密閉され、浮揚溶解炉及び鋳型の全体を密閉容器に収容する場合に比べて密閉容器が小型化して容積が必要最小限となり、るつぼ内と鋳型内の雰囲気制御の応答性が一層高まるとともに、設置スペースも節減される。また、コイルは密閉容器の外部に出るため大気圧下となり、るつぼ内を真空排気した場合にも真空放電の危険がなくなるとともに、密閉容器への電源導入端子部分に気密性を必要としなくなるため、装置の構造が簡略化される。

請求項１又は請求項２の発明において、前記水冷金属るつぼ及び通気性を有する前記鋳型の内部をそれぞれ個別に真空排気する第１及び第２の真空排気系統を設け、前記金属の溶湯を前記鋳型に鋳込む際に、前記第１真空排気系統の真空排気を停止し、前記第２真空排気系統の真空排気を実施するようにするのがよい（請求項３）。るつぼと鋳型の真空排気系統をそれぞれ独立させ、鋳込み時にはるつぼ側の第１真空排気系統の真空排気を停止し、鋳型側の第２真空排気系統の真空排気を実施することにより、るつぼと鋳型との間に差圧を発生させ、この差圧で溶湯を鋳込み空間に押し込んで緻密な鋳造を行うことができるようになる。

請求項３の発明において、真空排気した前記水冷金属るつぼ及び鋳型を不活性ガスで置換する加圧系統を設け、この加圧系統により、前記溶湯を前記鋳型に鋳込む際に前記水冷金属るつぼの内部を加圧するようにするとよい（請求項４）。真空排気したるつぼ及び鋳型を不活性ガスで置換することにより、より確実な酸素遮断雰囲気で金属を溶解させることができるとともに、鋳込み時に不活性ガスの加圧系統でるつぼ側を加圧することにより、鋳型側との間の差圧をより大きくして、鋳込み品質を一層高めることができる。

請求項１の発明において、前記溶湯を鋳込んだ前記鋳型を前記浮揚溶解炉と一体に回転させて遠心鋳造を行うようにするとよい（請求項５）。これにより、一層緻密な鋳造が可能になる。

この発明によれば、酸素遮断雰囲気で金属を溶解し、るつぼ底部の出湯口から溶解金属を鋳型に出湯する底部出湯式鋳造装置において、真空排気及び不活性ガス置換のための密閉容器を小型化して真空排気や加圧の応答性を高め、設置スペースを節減することができる。また、コイルを大気圧下に置いて、真空放電の危険をなくすとともに装置を簡略化することができる。更に、鋳込み時のるつぼ側と鋳型側との間の差圧を高め、湯回りを良好にして鋳造品質を高めることができる。

以下、図１及び図２に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。

図１は、この発明の実施例１を示す底部出湯式鋳造装置の概略縦断面図である。図１において、るつぼ１の上面開口は溶解金属１０の装填後に蓋板１２で閉塞されるようになっており、この蓋板１２を貫通して、るつぼ内を真空排気する第１真空排気系統１３及びるつぼ内をアルゴンなどの不活性ガスで置換する第１加圧系統１４が接続されている。

一方、円柱状の鋳型６は、密閉容器１５により周囲が密閉されている。密閉容器１５は底付き円筒体で、鋳型６を通して溶湯からの輻射熱を受けるため、例えばステンレス板などの非磁性金属材からなり、上部フランジを介してるつぼ１の底面にねじにより、図示しないパッキンを挟んで気密に連結されている。通気性の鋳型６の上面及び外周面と密閉容器１５との間には通気空間１６があけられ、この通気空間１６に通じるように、鋳型内を真空排気する第２真空排気系統１７及び鋳型内を不活性ガスで置換する第２加圧系統１８が接続されている。るつぼ１及び鋳型６の全体は、密閉容器９に組み込まれている。

図１において、るつぼ１に溶解金属１０を装填したら、第１及び第２真空排気系統１３，１７によりるつぼ１及び鋳型６を真空排気する。また、不活性ガス雰囲気とする場合には、第１及び第２加圧系統１４，１８による不活性ガスの封入操作を行い、るつぼ１及び鋳型６を所定レベルの酸素遮断雰囲気（真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気）にする。次いで、高周波電源１１からコイル２に高周波電流を供給し、るつぼ１内の金属１０を浮揚状態で溶解させ溶湯とする。金属１０が溶解したら、コイル２の通電を制御し、溶湯の下部に作用する重力が浮揚力を上回るようにして溶湯を出湯口３から湯口５を通して鋳込み空間８に鋳込む。

その際、溶湯が湯口５に到達したら、又はその到達の直前に、真空雰囲気による溶解（真空溶解）の場合は、第２真空排気系統１７により鋳型６の真空排気を実施する。これにより、るつぼ１と鋳型６との間に差圧が生じ、この差圧により溶湯が鋳込み空間８に押し込まれて湯回りが良好になる。また、不活性ガス雰囲気による溶解の場合は、上記した鋳型６の真空排気の開始と同時に、第１加圧系統１４から不活性ガスを送入してるつぼ１を加圧する。これにより、上記した差圧が大きくなり、湯回りがより良好になる。鋳込み終了後、コイル２の通電、真空排気、不活性ガスによる加圧等を停止し、鋳込み金属を冷却する。

上記した実施例１において、るつぼ１には鋳型６のみを囲む密閉容器１５により密閉された鋳型６が気密に連結されている。そのため、鋳型６の真空・加圧空間は縮小し、鋳型６の真空排気及び加圧の応答性が速くなり、鋳造の所要時間が短縮される。

また、るつぼ１及び鋳型６にはそれぞれ独立に第１及び第２の真空排気系統１３，１７が設けられている。そこで、鋳込み時にはるつぼ側の真空排気を停止し、鋳型側の真空排気を実施することにより、るつぼ１と鋳型６との間に差圧を発生させ、この差圧により溶湯を鋳込み空間に押し込んで緻密な鋳造を行うことができる。更にその際、第１加圧系統１４からるつぼ１に不活性ガスを送入して加圧することにより、上記差圧を増大させ、鋳造品質をより高めることができる。

なお、真空排気は溶解中も実施し、鋳込み時にるつぼ１の真空排気のみを停止し、鋳型６の真空排気を引き続き実施するようにしてもよい。また、溶湯を鋳込んだ鋳型６は浮揚溶解炉４と一体に垂直軸の周りに回転させて遠心鋳造を行うことができ、それにより一層緻密な鋳造が可能になる。

図２は、この発明の実施例２を示す底部出湯式鋳造装置の概略縦断面図である。図２においては、実施例１における全体の密閉容器９に代えて、円筒状のるつぼ１とコイル２との間に密閉容器１９が配置され、るつぼ１は密閉容器１９により周囲が密閉されている。密閉容器１９は円筒状で非金属材、例えばFRP（繊維強化プラスチック）又は石英ガラスからなり、円柱状のるつぼ１に被嵌されている。実施例２のその他の構成及び運転動作は、実施例１と実質的に同じである。

上記した実施例２において、るつぼ１の密閉容器１９はコイル２の内側に配置され、このるつぼ１には密閉容器１５により密閉された鋳型６が気密に連結されている。そのため、密閉容器１９，１５の容積は縮小し、実施例２における真空・加圧空間は実質的にるつぼ１及び鋳型６の内部空間に限られる。その結果、真空排気及び加圧の応答性が速くなり、鋳造の所要時間が短縮される。また、コイル２は真空雰囲気外に置かれるので真空放電の危険がなくなり、コイル電圧の高圧化による溶解時間の短縮が可能になるとともに、コイル２に対する電源導入端子部分を気密にする必要がないので密閉容器１９の構造が簡略化される。

この発明の実施例１を示す底部出湯式鋳造装置の縦断面図である。 この発明の実施例２を示す底部出湯式鋳造装置の縦断面図である。 従来の底部出湯式鋳造装置示を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 水冷金属るつぼ
２ コイル
３ 出湯口
４ 浮揚溶解炉
５ 湯口
６ 鋳型
８ 鋳込み空間
９ 密閉容器
１０ 溶解金属
１３ 第１真空排気系統
１４ 第１加圧系統
１５ 密閉容器
１７ 第２真空排気系統
１８ 第２加圧系統
１９ 密閉容器

Claims (5)

1. 水冷金属るつぼの外側にコイルを備え、底部の出湯口から金属溶湯を出湯する浮揚溶解炉と、前記出湯口に湯口が対向するように前記水冷金属るつぼの下方に配置される鋳型と、前記水冷金属るつぼ及び鋳型の内部を真空排気する真空排気系統とからなり、前記コイルに通電して前記水冷金属るつぼ内の金属を浮揚溶解し、次いで前記金属の溶湯を前記出湯口から前記鋳型に鋳込む底部出湯式鋳造装置において、
   前記水冷金属るつぼの底面に密閉容器により密閉した鋳型を気密に連結したことを特徴とする底部出湯式鋳造装置。
2. 前記水冷金属るつぼとコイルとの間に密閉容器を配置して前記水冷金属るつぼを密閉したことを特徴とする請求項１記載の底部出湯式鋳造装置。
3. 前記水冷金属るつぼ及び通気性を有する前記鋳型の内部をそれぞれ個別に真空排気する第１及び第２の真空排気系統を設け、前記金属の溶湯を前記鋳型に鋳込む際に、前記第１真空排気系統の真空排気を停止し、前記第２真空排気系統の真空排気を実施するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の底部出湯式鋳造装置。
4. 真空排気した前記水冷金属るつぼ及び鋳型を不活性ガスで置換する加圧系統を設け、この加圧系統により、前記溶湯を前記鋳型に鋳込む際に前記水冷金属るつぼの内部を加圧するようにしたことを特徴とする請求項３記載の底部出湯式鋳造装置。
5. 前記溶湯を鋳込んだ前記鋳型を前記浮揚溶解炉と一体に回転させて遠心鋳造を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の底部出湯式鋳造装置。
   
   

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