JP2006164732A

JP2006164732A - 誘導加熱方法

Info

Publication number: JP2006164732A
Application number: JP2004354174A
Authority: JP
Inventors: Junichi Saito; 淳一斉藤; Jun Yamano; 潤山野
Original assignee: JAPAN AJAX MAGNETHERMIC CO Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: JAPAN AJAX MAGNETHERMIC CO Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】金属ビレットを誘導加熱する際に、特に短時間で誘導加熱を行う場合に、金属ビレットがその端部で破砕、飛散する現象を抑制し、金属ビレット全体を短時間に加熱して、加熱サイクル性を向上させる。
【解決手段】半溶融鋳造法に用いる円柱形状の金属ビレットをソレノイドコイルを用いて誘導加熱する方法の発明であり、以下（１）〜（３）の形態を取る。
（１）該金属ビレット１の両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイル２を対向配置し、該金属ビレット１の両端面の中央部位に渦巻状コイル３を対向配置する。
（２）該金属ビレット１の両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイル２を配置し、該金属ビレット１の両端面の中央部位に電極４を対向配置する。
（３）該金属ビレット１の両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイル２を配置し、該金属ビレット１の両端面の中央部位に比透磁率の高い部材５を対向配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半溶融鋳造法に用いる金属ビレットを誘導加熱する際に均一に加熱して破損を防ぐ方法に関する。

鋳造材料に加熱処理を施して、固相成分と液相成分とが共存する半溶融・半凝固鋳造材料を調製し、次いで、その半溶融・半凝固鋳造材料を攪拌しつつ容器のノズルを介して鋳型に鋳込んだり、鋳型のキャビティに加圧充填する半溶融・半凝固鋳造法が知られている。この鋳造法はチクソキャスティング法(Ｔｈｉｘｏｃａｓｔｉｎｇ)又はレオキャスト法(Ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ)とも言われている。半溶融・半凝固状態にある合金金属は、ある程度流動性があり、成形中にガスの巻き込みが少なく、結晶粒が均一となるため、鋳造品の機械的性質を向上させることができる。

半溶融鋳造法では、円柱状の金属ビレットをソレノイドコイル内に収容して通電し、金属ビレットを誘導加熱する。所定の温度に加熱して半凝固金属ビレットを得た後、半凝固金属ビレットをダイカスト装置の射出スリーブに供給して成形品を成形する。

半溶融鋳造ではビレットの加熱を高周波あるいは低周波による誘導加熱で行っているものが多いが、その加熱時間は数分から十数分であった。例えば、下記特許文献１には、金属ビレット全体を短時間で均一に加熱することを目的として、まず、加熱初期段階において、金属ビレットを第１高周波電圧により加熱し、金属ビレットが所定の加熱状態に至った後、金属ビレットを第１高周波電圧よりも低電圧の第２高周波電圧によって加熱することが開示されている。

加熱時間を短縮し、生産性を向上することは生産コストの低減に有効であるが、従来の誘導コイルの中に単にビレットを置いただけの状態で誘導加熱出力を増加させると、電磁誘導により被加熱物であるビレット内に発生する電流が大きくなり、それにともない誘導コイルとビレットとの間にはたらく力も大きくなる。

加熱されたビレットの一部が溶けかけた状態でこの力がかかると、溶けかけた結晶粒界で分断され加熱途中のビレットの一部が破砕し飛散する現象がおこる。従来のようにゆっくり加熱する場合はこの力も小さいため、このような現象はおこらない。またこの破砕、飛散現象は磁束が集まりやすく外力により破砕しやすいコーナー部分で発生しやすい。この現象を抑えることは、加熱時間短縮には不可欠である。このように、誘導加熱の際、金属ビレットの端面コーナー部はエッジ効果で過熱しやすいのに対して、端面中央部は加熱不足となりやすく、均一加熱を妨げている。

図４は、誘導加熱コイルを用いてビレットの加熱を行なう状態を説明するための概念図である。ビレット12は、誘導加熱コイル11の中に配置され、誘導加熱コイル11が生成する交番磁場13によって誘導加熱される。図４には、ビレット12の長さ方向(コイルの軸方向)における表面温度の分布状態も示されている。

図４の場合は、誘導加熱コイル11の長さがビレット12の長さに比較して長過ぎる場合である。この場合、ビレット12の端面の縁部分(円柱端部のエッジ部分)が、エッジ効果と呼ばれる現象により、過剰に加熱されてしまう。エッジ効果とは、表皮効果に起因するジュール加熱がビレットの外側表面(円柱の外側表面)と端面付近の両方において行なわれることに起因して、端面のエッジ部分における発熱量が他の部分に比較して多くなる現象である。

また、鋳造製品の品質を高める目的から、ビレットを構成する材料として高純度の材料が用いられるが、ビレットの構成材料の純度を高めた場合、ビレットの製造工程において、その円柱形状の表面近くに不純物が析出し、中央部の不純物濃度が小さくなる現象が表れる。この結果、ビレットを断面で見た場合に外側周辺部分の融点が、中央付近の融点よりやや低くなる。この現象と上述のエッジ効果の相乗作用により、ビレット端面の縁部分が先行して溶融し易い現象がより顕著になる。

このビレット12の端面縁部分の過剰な加熱は、その部分の溶融の進行による溶融金属の漏れ出し、ビレットの変形といった不都合を引き起こす。また、部分的な溶融は、鋳造製品の材質の不均一性の原因ともなる。

上述のエッジ効果による好ましくないビレット端面の縁部分の過剰な加熱は、ビレットを数十秒というような短時間で加熱する場合に特に顕著になる。昇温速度が緩慢である場合は、基本的に熱平衡状態で全体が昇温してゆくので、ビレット端面の縁部分における過剰な加熱はあまり目立たず、それ程問題にはならない。

上述のビレット端面の縁部分の過剰な加熱を防止するには、ビレット12に対する誘導加熱コイル11の長さを適切な寸法に調整し、ビレット12端面付近における交番磁場の磁束密度を適切な値に調整する必要がある。ただし、誘導加熱コイルの長さがビレットに対して相対的に短く成り過ぎると、ビレット12の端面付近における交番磁束の密度が小さくなり過ぎ、逆にビレット12端面の縁部分における加熱が不十分になる恐れがある。

そこで、金属加熱ビレットを誘導加熱コイルを用いて加熱するに際し、ビレット両端面近傍に磁性体のコイルあるいは板を配置し、金属ビレット端面コーナー部の過熱を防止することが行われている。また、下記特許文献２には、金属加熱ビレットを誘導加熱コイルを用いて加熱するに際し、ビレット長さ方向の前後に磁束の均一化を図るガイド(鉄芯等)を配置し、ビレット長さ方向の均熱性を実現することが開示されている。
特開２００２−１４６４３６号公報特開平１１−２５１０４５号公報

磁性体のコイルあるいは板を配置する従来技術の均一加熱法では、ビレット端面コーナー部の過熱防止には有効であるが、その影響は端面中央部にもおよび、さらに端面中央部は放熱による冷却もあり、他の部分に比べて昇温しにくい。また、特許文献２の技術は、ビレット端面から出る磁力線を直線的に伸ばす効果はあるものの、ビレットと磁性体ガイドとの隙間は必要であり（密着させると磁性体ガイドの昇温による透磁率の低下のため効果不足あるいは磁性体への伝熱によるビレット端面の温度低下をもたらす）、その部分からの磁束の漏れなどによりコーナー部の過熱防止には不充分である。

そこで、本発明は、金属ビレットを誘導加熱する際に、特に短時間で誘導加熱を行う場合に、金属ビレットがその端部で破砕、飛散する現象を抑制し、金属ビレット全体を短時間に加熱して、加熱サイクル性を向上させることを目的とする。

本発明者らは、誘導加熱時に過熱防止コイルを用いることで、端部で金属ビレットが破砕、飛散する現象を抑制することにヒントを得、それを更に改良することで本発明に到達した。

即ち、本発明は、半溶融鋳造法に用いる円柱形状の金属ビレットをソレノイドコイルを用いて誘導加熱する方法の発明であり、以下（１）〜（３）の形態を取る。
（１）該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを対向配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイルを対向配置する。
（２）該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に電極を対向配置する。
（３）該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に比透磁率の高い部材を対向配置する。

本発明の誘導加熱方法が適用される金属ビレットの材質は半溶融鋳造法に用いられる鋳造材料であれば特に限定されず、アルミニウムやその合金、又はマグネシウム合金，亜鉛合金，銅又はその合金，鉄系の合金，等の金属を例示することができる。これらの中で、アルミニウム合金又はマグネシウム合金が好ましく例示される。

本発明では、金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを配置し、且つ該金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイル、電極、または比透磁率の高い部材を対向配置することで、金属ビレット全体が均一に加熱出来る。均一加熱により、誘導加熱段階で金属ビレットの端部が破砕されたり、飛散することが防止され、金属ビレットの加熱サイクルタイムの短縮が確実に遂行されるとともに、金属ビレット全体を目標加熱状態に確実に加熱することが可能になる。

図１は、本発明の１実施態様である、金属ビレット、過熱防止コイル及び渦巻状コイルの斜視図を示す。被加熱物である金属ビレット１の端面コーナー部には、過熱防止用コイル２が配置され、同時に端面中央部には渦巻状のコイル３が対向配置されている。金属ビレット全体を加熱するための誘導コイルは省略してある。この渦巻状コイル３に交流電流を流すことにより、近接している金属ビレット端面中央部を優先的に誘導加熱し昇温することができる。この渦巻状コイル３に流す電流は、ビレット全体を加熱するために図示していないコイルに流す電流と必ずしも同じである必要はない。

図２は、本発明の他の実施態様である、金属ビレット、過熱防止コイル及び電極の斜視図を示す。被加熱物である金属ビレット１の端面コーナー部には、過熱防止用コイル２が配置され、同時に端面中央部には電気を流すための電極４が対向配置されている。金属ビレット全体を加熱するための誘導コイルは省略してある。この電極４を通して電気を流すことにより、金属ビレットと電極との接触面での接触抵抗により接触面であるビレット端面中央部を加熱昇温することができる。電極の材料としては黒鉛などが好ましく例示される。接触抵抗を増し、昇温を早めるため、金属ビレットの端面と電極との接触面は滑らかな前面接触ではなく、凹凸があるほうが望ましい。凹凸は金属ビレットの端面と電極のどちら側、または両方にあっても良いが、電極側に設ける方に設けることが好ましい。

図３は、本発明の他の実施態様である、図３（ａ）は、金属ビレット、過熱防止コイル及び比透磁率の高い部材の斜視図を示す。被加熱物である金属ビレット１の端面コーナー部には、過熱防止用コイル２が配置され、同時に端面中央部には磁力線を集中させるための比透磁率の高い部材５が対向配置されている。金属ビレット全体を加熱するための誘導コイルは省略してある。図示していない誘導コイルにより発生した磁力線６は、図３（ｂ）の断面図に示すように、ビレット端面中央部に集まりやすく、その部分の温度上昇を促進することができる。金属ビレットと比透磁率の高い部材との間はなるべく近いほうが、磁力線のもれが少なく、ビレット端面の加熱昇温に有効ではある。またビレットの熱が比透磁率の高い部材に伝わらないように、間に断熱材を置くことが望ましい。

（実施例１）
径５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの円筒状のアルミニウム合金（成分は、Ｓｉ：７％、Ｆｅ：０．１％、Ｍｇ：０．５５％、残Ａｌ）からなる金属ビレットの両端面のコーナー部位に径５０ｍｍのリング状の過熱防止コイルを対向配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイルを対向配置して、誘導加熱した。金属ビレットの加熱温度目標を５８５℃とした。加熱は、５ｋＨｚ、８００ｋＷで６０秒間誘導加熱した。６０秒間の短時間で目標温度：５８５±２℃に金属ビレット全体を加熱した。６０秒間という短時間の急速加熱にもかかわらず、金属ビレットの端部に破損や飛散は一切なかった。

（実施例２）
渦巻状コイルに代えて、金属ビレットの両端面の中央部位に電極を対向配置した他は実施例１と同様に誘導加熱した。６０秒間という短時間の急速加熱にもかかわらず、金属ビレットの端部に破損や飛散は一切なかった。

（実施例３）
渦巻状コイルに代えて、金属ビレットの両端面の中央部位に比透磁率の高い部材を対向配置した他は実施例１と同様に誘導加熱した。６０秒間という短時間の急速加熱にもかかわらず、金属ビレットの端部に破損や飛散は一切なかった。

金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイル、電極、または比透磁率の高い部材を対向配置することで、端部の破損や飛散を防止して加熱を短いサイクルで行うことができる。これにより、半溶融鋳造法のより実用化に貢献する。

図１は、本発明の１実施態様の斜視図を示す。図２は、本発明の他の実施態様の斜視図を示す。図３（ａ）は、本発明の他の実施態様の斜視図を示す。図３（ｂ）は、その断面図である。誘導加熱コイルを用いてビレットの加熱を行なう状態を説明するための概念図である。

符号の説明

１：金属ビレット、２：リング状の過熱防止コイル、３：渦巻状コイル、４：電極、５：比透磁率の高い部材、６：磁力線、１１：誘導加熱コイル、１２：ビレット、１３：交番磁場。

Claims

半溶融鋳造法に用いる円柱形状の金属ビレットをソレノイドコイルを用いて誘導加熱する際に、該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを対向配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に渦巻状コイルを配置することを特徴とする誘導加熱方法。
半溶融鋳造法に用いる円柱形状の金属ビレットをソレノイドコイルを用いて誘導加熱する際に、該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に電極を対向配置することを特徴とする誘導加熱方法。
半溶融鋳造法に用いる円柱形状の金属ビレットをソレノイドコイルを用いて誘導加熱する際に、該金属ビレットの両端面のコーナー部位にリング状の過熱防止コイルを配置し、該金属ビレットの両端面の中央部位に比透磁率の高い部材を対向配置することを特徴とする誘導加熱方法。
前記金属ビレットがアルミニウム合金又はマグネシウム合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導加熱方法。