JP2006055892A - セラミックスストークおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックスストークのフランジの根元部分において問題となっていたクラックの発生を抑え、歩留まりを上げる。
【解決手段】 セラミックスストーク６は、溶融金属を金型に導くための筒状のストーク本体１と、ストーク本体１の外周に接続されているリング状のフランジ部２とを備える。ストーク本体１とフランジ部２とは別部品でありながら互いに係合することによって一体化している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加圧鋳造装置において溶融金属（「金属溶湯」または「溶湯」ともいう。）を鋳造用金型へ導入するために用いられるセラミックスストークに関するものである。

従来の加圧鋳造装置の一例としての低圧鋳造装置が特開平１−３１７６７２号公報（特許文献１）に示されている。元々このような装置においては、溶湯保持炉から鋳型のキャビティ部分に溶湯を導入するためのストークには鋳鉄製のものが使用されていたが、ストークの溶損が生じやすいという問題があった。ストークの溶損に起因して、ストークの寿命が短い、鉄成分が溶湯に混入し鋳造品の品質に悪影響を及ぼす、といった問題があった。そこで、ストークの材料として耐溶損性が良好であるセラミックスが用いられるようになった。このようなセラミックスストークは、焼成を行なうことによって作製される。

一般的な加圧鋳造装置では、ストークの上端を鋳型の湯口部に直接あるいは中間ストークを経て接続され、かつ下端を溶湯保持炉内の溶湯に浸入させた状態で、溶湯保持炉の内圧と鋳型内のキャビティの内圧との差を利用して溶湯保持炉内の溶湯を鋳型内に供給している。このように圧力差によって溶湯を鋳型内のキャビティに導くためにはストークと鋳型の湯口部との間は密着し、外部から密閉された状態に保つ必要がある。このため、従来のストークは、加圧鋳造装置に固定し密閉を保つためのフランジ部を備えている。
特開平１−３１７６７２号公報

従来のストークでは、フランジ部と円筒状のストーク本体とは一体成形されていた。しかし、セラミックスストークでは、焼成段階において、たとえばフランジ部近傍の肉厚の違い、あるいはフランジ部からストーク本体に至るいわゆる「突き合わせ部分」での焼成の遅れなどから、フランジ部の根元部分に熱応力が生じる。そのため、フランジ部の根元部分にクラックが生じやすく、不良の発生率が高い、すなわち歩留まりが低いという問題があった。

そこで、本発明は、フランジの根元部分におけるクラックの発生を抑え、歩留まりを上げることができるセラミックスストークおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づくセラミックスストークは、溶融金属を金型に導くための筒状のストーク本体と、上記ストーク本体の外周に接続されているリング状のフランジ部とを備える。上記ストーク本体と上記フランジ部とは別部品でありながら互いに係合することによって一体化している。

本発明によれば、ストーク本体とフランジ部とは別個の部品であるので、それぞれ個別に焼成することができる。そのため、肉厚の違いあるいは突き合わせ部分の焼成の遅れによる熱応力の発生を防いだセラミックスストークとすることができる。

（実施の形態１）
（構成）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークについて説明する。このセラミックスストーク６は、溶融金属を金型に導くための筒状のストーク本体１と、ストーク本体１の外周に接続されているリング状のフランジ部２とを備える。ストーク本体１とフランジ部２とは別部品でありながら互いに係合することによって一体化している。フランジ部２は、ストーク本体１と密着している。

なお、本実施の形態では、ストーク本体１は円筒状であるものとするが、筒状でありさえすれば円筒状に限らず他の形状であってもよい。フランジ部２は、ストーク本体１の形状に対応した形状であればよい。

好ましくは、ストーク本体１は、外周面に凸部および凹部のうち少なくとも一方であるストーク本体側係合部を有する。フランジ部２は、ストーク本体側係合部と相補関係にある形状のフランジ部側係合部を有する。図１の例では、ストーク本体１はストーク本体側係合部として凸部１ａを有する。フランジ部２はフランジ部側係合部として凹部２ａを有する。

（作用・効果）
本実施の形態におけるセラミックスストーク６によれば、図２に示すように使用することができる。図２に示す加圧鋳造装置においては、溶融金属Ｍを保持した溶湯保持炉８が外箱７の内部に配置されている。外箱７の上方には、金型３が配置されている。金型３は上型３ａと下型３ｂとを含み、湯口３ｃが下方に向けて開口している。上型３ａと下型３ｂとの間にはキャビティ４が構成されている。湯口３ｃはキャビティ４に向けて溶融金属Ｍが流入するための入り口である。外箱７の外部から溶湯保持炉８の内部に向けて気体を供給するための加圧ガスパイプ９が配置されている。セラミックスストーク６は溶融金属Ｍ内に下端が浸るように配置されている。セラミックスストーク６の上端は、湯口３ｃに接続するように配置されている。セラミックスストーク６は、フランジ部２を備えるので、フランジ部２を外箱７の上板に当接させることによって固定することができる。フランジ部２とストーク本体１とは互いに密着して係合しているので、たとえフランジ部２のみによってセラミックスストーク６を支持したとしてもストーク本体１だけが抜け落ちるようなことはない。

本実施の形態におけるセラミックスストーク６を用いれば、このようにフランジ部を利用して加圧鋳造装置を組み立てることができるので、溶湯保持炉８からキャビティ４にかけての空間を密閉したまま接続することができる。その結果、溶湯保持炉８の内圧とキャビティ４の内圧との差を利用して溶融金属Ｍをキャビティ４内に導いて鋳造加工を行なうことができる。さらにこのセラミックスストーク６では、肉厚の異なるストーク本体１とフランジ部２とが別個の部品であるので、それぞれ個別に焼成することができる。そのため、従来のセラミックスストークと異なり、肉厚の違いあるいは突き合わせ部分の焼成の遅れによる熱応力の発生を防いだセラミックスストークとすることができる。

なお、フランジ部側係合部は、ストーク本体側係合部と相補関係にある形状であればよいので、図１に示したような組合せのほかに、図３に示すようなものであってもよい。図３に示す例では図１に示した例とは逆に、ストーク本体１に凹部、フランジ部２に凸部がそれぞれ設けられている。相補関係にある形状であれば互いに広い面積を介して密着することができるので安定して締結することができる。図１、図３の例では、噛み合せ部分は断面図で見たときに半円形となるような形状となっているが、噛み合せ部分は他の形状であってもよい。さらに、一方が凸部で他方が凹部という組合せ以外に、これらを複合化した図４のような構造であってもよい。

図１、図３、図４の例ではフランジ部は上端に１ヶ所のみとしたが、フランジ部の数は１ヶ所に限らず、必要に応じて２ヶ所以上設けてもよい。また、設ける位置も上端に限らず、他の位置であってもよい。したがって、たとえば、図５、図６に示すような構造であってもよい。

図７に示すように、ストーク本体１とフランジ部２とがねじ部１１によって互いに係合する構造としてもよい。ねじ部１１を採用した場合も、凸部、凹部の形状が細かくなるだけで、ストーク本体１が、外周面に凸部および凹部のうち少なくとも一方であるストーク本体側係合部を有することに変わりなく、フランジ部２は、ストーク本体側係合部と相補関係にある形状のフランジ部側係合部を有することに変わりない。

（実施の形態２）
（製造方法）
図８〜図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるセラミックスストークの製造方法について説明する。

まず、本発明に基づくセラミックスストークの原材料とするセラミックスは何でもよいが、チタン酸アルミナを用いる場合を例にとって説明する。チタン酸アルミナの原料粉末を、ストーク本体およびフランジ部に対応した形状のグリーン体にそれぞれ成形する。グリーン体を１４００℃で焼成することによって所望の製品が得られる。ここで、グリーン体の密度を一定にしておくと、焼成時にグリーン体は均一に収縮する。

グリーン体の収縮率をたとえば１２％とすると、外径が１００ｍｍのストーク本体１を焼成するためには外径が１１３．６ｍｍの円筒状のグリーン体を焼成する必要がある。したがって、チタン酸アルミナを原料とし、図８に示すように凸部１ａを有する外径１１３．６ｍｍのストーク本体グリーン体１００を成型する。このストーク本体グリーン体１００を１４００℃で焼成する。その結果、図９に示すように外径１００ｍｍのストーク本体１が得られる。

なお、焼成前後では凸部１ａの高さについても管理を要する。焼成前のストーク本体グリーン体１００の外径である１１３．６ｍｍと焼成後のストーク本体１の外径である１００ｍｍとの差を２で割った６．８ｍｍを凸部１ａの焼成後の高さＨ１の上限とする。ストーク本体１の凸部１ａの焼成後の高さＨ１を６．８ｍｍ以下としたい場合、ストーク本体グリーン体１００の凸部１ａの高さＨ０は７．７ｍｍ以下としておけばよい。

次いで、図１０に示すように、チタン酸アルミナを原料とし、内径が１１３．６ｍｍであり、ストーク本体１の凸部１ａと相補関係となる凹部２ａを有するリング状のフランジ部グリーン体２００を成型する。フランジ部グリーン体２００の内径の１１３．６ｍｍという値は、先ほどのストーク本体グリーン体１００の外径と等しい。

図１１に示すように、フランジ部グリーン体２００をセラミックス治具１０に載せ、フランジ部グリーン体２００の孔に先ほど焼成済みのストーク本体１を挿入した状態とする。この状態で１４００℃で焼成を行なう。このとき、ストーク本体１は既に焼成済みであるので寸法はほぼ変わらないが、フランジ部グリーン体２００は１２％収縮し、フランジ部２となる。フランジ部グリーン体２００が収縮した結果、ストーク本体１の凸部１ａとフランジ部１の凹部２ａとが嵌合することとなり、ストーク本体１とフランジ部２とは締結された状態で得られる。すなわち、図１に示したセラミックスストーク６が得られる。

（作用・効果）
この製造方法によれば、肉厚の異なるストーク本体１とフランジ部２とをそれぞれ個別に焼成するため、従来の方法と異なり、肉厚の違いあるいは突き合わせ部分の焼成の遅れによる熱応力の発生を防ぐことができる。また、各部材ごとの肉厚は、ストーク本体１の凸部１ａおよびフランジ部２の凹部２ａを除いて均一であり、かつ凹凸部における肉厚の差も小さいため、従来のストークに比べて焼成の際に各部材内の収縮量の違いによって発生する残留応力は小さくなる。したがって、焼成によるクラックの発生を抑えることができる。その結果、歩留まりを上げることができる。

（実施の形態３）
（製造方法）
図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態３におけるセラミックスストークの製造方法について説明する。セラミックスの原料粉末を、ストーク本体およびフランジ部に対応した形状のグリーン体にそれぞれ成形する。本実施の形態では、円筒状のストーク本体グリーン体とリング状のフランジ部グリーン体とを異なる密度とし、焼成時の収縮率が異なるようにしておく。ただし、フランジ部グリーン体の収縮率がストーク本体グリーン体の収縮率より大きい状態としておく。このようにしておいて、フランジ部グリーン体をセラミックス治具に載せ、フランジ部グリーン体の孔にストーク本体グリーン体を挿入した状態とする。この状態で１４００℃で焼成を行なう。

より具体的な例を以下に示す。ストーク本体グリーン体１０１の収縮率をたとえば１１％とし、フランジ部グリーン体２０１の収縮率をたとえば１３％とする。その場合、外径が１００ｍｍのストーク本体１を得るためにはストーク本体グリーン体１０１の外径は１１４．９ｍｍとしておく必要がある。内径が１００ｍｍのフランジ部２を得るためにはフランジ部グリーン体２０１の内径は１１２．４ｍｍとしておく必要がある。本実施の形態では、たとえば外周面に高さ１．６９ｍｍのおねじを有する外径１１４．９ｍｍのストーク本体グリーン体１０１と、内周面に高さ１．７２ｍｍのめねじを有する内径１１２．４ｍｍのフランジ部グリーン体２０１とをそれぞれ成型する。図１２に示すように、フランジ部グリーン体２０１のねじ穴にストーク本体グリーン体１０１をねじ込み、両者がねじ部１１を介して組み合わさった状態で１４００℃で焼成する。このときストーク本体グリーン体１０１は１１％収縮し、フランジ部グリーン体２０１は１３％収縮する。結果的に、ストーク本体１のおねじとフランジ部２のめねじはともに高さが１．５ｍｍとなり、すでにねじ込んだ状態であるので堅固に締結される。こうして図７に示したようなセラミックスストークが得られる。

（作用・効果）
本実施の形態では、異なる肉厚を有するストーク本体１とフランジ部２とがそれぞれ別個の部品となっているため、従来の方法と異なり、肉厚の違いあるいは突き合わせ部分の焼成の遅れによる熱応力の発生を防ぐことができる。また、ストーク本体１とフランジ部２との各部材ごとの肉厚は、ねじ山部分を除いて均一であり、かつねじ山部分における肉厚の差も小さいため、従来のストークに比べて焼成の際の各部材内の収縮量の違いによって発生する残留応力は小さくなる。したがって、焼成によるクラックの発生を抑えることができる。その結果、歩留まりを上げることができる。

なお、ここではストーク本体とフランジ部とがねじによって締結されてから焼成される例を示したが、実施の形態３の考え方すなわち収縮率に差をつけて焼成するという方法は、ねじ以外の方式によって両者が締結される場合にも適用可能である。たとえば、実施の形態１に示したように両者が凹凸によって組み合わせられる場合にも適用可能である。また、ストーク本体グリーン体とフランジ部グリーン体とを組み合わせてから同時に焼成する場合のみならず、実施の形態２で示したように、ストーク本体を先に焼成しておいてからフランジ部グリーン体を組み合わせて焼成するという方法も採用可能である。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークを使用している加圧鋳造装置の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの第１の変形例の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの第２の変形例の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの第３の変形例の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの第４の変形例の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるセラミックスストークの第５の変形例の断面図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるセラミックスストークの製造方法の第１の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるセラミックスストークの製造方法の第２の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるセラミックスストークの製造方法の第３の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるセラミックスストークの製造方法の第４の説明図である。 本発明に基づく実施の形態３におけるセラミックスストークの製造方法の説明図である。

符号の説明

１ ストーク本体、１ａ 凸部、２ フランジ部、２ａ 凹部、３ 金型、３ａ 上型、３ｂ 下型、３ｃ 湯口、４ キャビティ、６ セラミックスストーク、７ 外箱、８ 溶湯保持炉、９ 加圧ガスパイプ、１０ セラミックス治具、１１ ねじ部、１００ ストーク本体グリーン体、２００ フランジ部グリーン体、Ｍ 溶融金属。

Claims (4)

1. 溶融金属を金型に導くための筒状のストーク本体と、
   前記ストーク本体の外周に接続されているリング状のフランジ部とを備え、
   前記ストーク本体と前記フランジ部とは別部品でありながら互いに係合することによって一体化しているセラミックスストーク。
2. 前記ストーク本体は、外周面に凸部および凹部のうち少なくとも一方であるストーク本体側係合部を有し、前記フランジ部は、前記ストーク本体側係合部と相補関係にある形状のフランジ部側係合部を有する、請求項１に記載のセラミックスストーク。
3. 原料粉末から筒状のストーク本体グリーン体と前記ストーク本体の外径に対応する内径を持つリング状のフランジ部グリーン体とを作製する工程と、前記ストーク本体グリーン体を焼成してストーク本体を得る工程と、前記フランジ部グリーン体の孔に前記ストーク本体を挿入した状態で焼成することによって前記ストーク本体の外周面にフランジ部が係合した状態のものを得る工程とを含む、セラミックスストークの製造方法。
4. 原料粉末から筒状のストーク本体グリーン体と前記ストーク本体の外径に対応する内径を持つリング状のフランジ部グリーン体とを、前記ストーク本体グリーン体の焼成時の収縮率よりも前記フランジ部グリーン体の焼成時の収縮率の方が大きくなるように作製する工程と、前記フランジ部グリーン体の孔に前記ストーク本体グリーン体を挿入した状態で両者を焼成することによってストーク本体の外周面にフランジ部が係合した状態のものを得る工程とを含む、セラミックスストークの製造方法。

Images