JP2006346708A - 層流ダイカスト鋳造方法および層流ダイカスト鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスの巻き込みを防止するために、層流ダイカスト鋳造により鋳物部品を製造すると、鋳物に亀裂の初生点となる破断チル、成分偏析、針状結晶、酸化物等の異常組織が発生・生長し易くなるので、自動車の足回り部品等の重要保安部品の応力が集中する部位（最弱断面）には使用できない。
【解決手段】 プランジャスリーブ１５内に給湯された溶湯（Ｍ）に、ロッド１９側、分流子２１側およびプランジャスリーブ１５の側面の下側の三方向から溶湯（Ｍ）振動を加えて、振動端前方に生じる超音波音響流による溶湯（Ｍ）の撹拌効果や超音波キャビテーション効果により、針状結晶、破断チルの初晶の発生・生長を抑制したり、微細球状化したり、酸化物を破砕したり、成分偏析と引け巣の発生を抑制したり消滅させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、鋳物の凝固組織を改善できる層流ダイカスト鋳造方法および層流ダイカスト鋳造装置に係り、特に、アルミ鋳物の凝固組織を改善できる層流ダイカスト鋳造方法および層流ダイカスト鋳造装置に関するものである。

ダイカスト鋳造方法は、プランジャスリーブ内に給湯された溶湯を金型で画定されるキャビティに射出・充填し凝固させて鋳物を製造する方法であり、製造される鋳物の寸法精度が高くしかも大量生産が可能であることから、アルミニウムなどの低融点金属の鋳物製造用に従来から広く用いられている。
自動車業界では、軽量化による燃費改善やＣＯ₂規制のクリア、安全・環境対策や装備充実による重量増加の低減、および運動性能や乗り心地の向上のため、最近では多くの部品の素材が鉄鋼材料からアルミ合金材料へと代替が進んでいるが、アルミ合金部品は、上記した理由で主にダイカスト鋳造方法により製造されている。

従来から利用されてきた普通ダイカスト鋳造方法では、溶湯がキャビティに射出されるときに乱流となり不可避的にガスを巻き込むため、製造された鋳物中のガス含有量レベルが高く、加熱すると巻き込まれた大量のガスが膨張して鋳物の表面にブリスター（膨れ）と呼ばれる欠陥が現われてしまう。このため、強度アップのための熱処理（Ｔ６：溶体化および時効処理）やサブアッセンブリー化のための溶接を施すことができず、自動車用に鉄鋼部品から代替できるアルミ合金部品は限定されているのが現状である。

ガスの巻き込みを防止するために、層流ダイカスト鋳造方法が提案されている。層流ダイカスト鋳造方法は層流でプランジャスリーブに給湯したり、プランジャスリーブの充填率を向上させたり、射出速度を従来の普通ダイカスト鋳造方法の射出速度よりかなり遅くする等により、単位断面積当りのゲート流入速度を遅くすることで溶湯をキャビティへ層流充填することを特徴とするものである。
この方法では、溶湯が乱流とならずに層流でゆっくりとキャビティに送られるため、ガスの巻き込みが防止され、得られる鋳物中のガス含有量もアルミ合金鋳物１００ｇ中通常１〜２ｃｃ未満と著しく少なくできることが確認されている。従って、強度アップのための熱処理（Ｔ６）やサブアッセンブリー化のための溶接を施すことが可能となる。

しかしながら、その一方で、プランジャスリーブ内での溶湯の滞留時間が長くなるので、一部の成分が凝固を開始してしまうため、初晶が発生したり酸化物の巻き込みが起こり易い。そのような現象が起こると、鋳物に亀裂の初生点となる破断チル、成分偏析、針状結晶、酸化物等の異常組織が発生・生長し易くなる。異常組織とその周囲の組織との境界は鋭敏化するので、引張り強さに関する標準偏差が著しく大きくなり、自動車の足回り部品等の重要保安部品の応力が集中する部位（最弱断面）には使用できない。
その対策として、プランジャスリーブを保温することも検討されたが、アルミニウムの凝固点が５００℃程度であるのに対して、プランジャスリーブはせいぜい２５０〜３００℃程度までしか加温できず、加温効果は不十分である。
なお、上記した上限があるのは、それ以上加温すると、プランジャスリーブが熱膨張し、プランジャチップとプランジャスリーブの間に隙間ができて所定の射出速度で溶湯を射出することができなくなるだけでなく、キャビティに送られた溶湯がなかなか凝固しなくなるからである。

それ故、本発明は、上記課題を解決するために、異常組織の発生・生長を抑制できる、改善された層流ダイカスト鋳造方法および層流ダイカスト鋳造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、プランジャスリーブ内に給湯された溶湯が金型のキャビティに射出・充填される層流ダイカスト鋳造方法において、プランジャスリーブ内に給湯された溶湯に超音波振動を加えることを特徴とする層流ダイカスト鋳造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した層流ダイカスト鋳造方法において、溶湯はアルミまたはアルミ合金であり、溶湯に加えられる超音波振動の周波数は５，０００〜２５，０００Ｈｚであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造方法である。

請求項３の発明は、シリンダー状のプランジャスリーブ内に給湯された溶湯がロッドにより駆動されるプランジャチップの前進により金型のキャビティに射出・充填される層流ダイカスト鋳造装置において、前記プランジャスリーブ内に給湯された溶湯に超音波振動を加える振動付与手段を設けたことを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置である。

請求項４の発明は、請求項３に記載した層流ダイカスト鋳造装置において、振動付与手段がロッド側、ロッドの反対側およびプランジャスリーブの側面側の少なくとも一方向から振動を加えるものであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置である。

請求項５の発明は、請求項３に記載した層流ダイカスト鋳造装置において、振動付与手段がロッド側、ロッドの反対側およびプランジャスリーブの側面側の三方向から振動を加えるものであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置である。

本発明の層流ダイカスト鋳造方法により製造された鋳物は、層流による長所をそのまま保持した上に、亀裂の初生点となる破断チル、成分偏析、針状結晶、酸化物等の異常組織が発生しない。
上記の層流ダイカスト鋳造方法は、本発明の層流ダイカスト鋳造装置を用いれば実施できる。

本発明の実施の形態に係る層流ダイカスト鋳造方法およびその方法を実施できる層流ダイカスト鋳造装置１を、図面に従って説明する。
図１、図２で、符号３は金型ブロックを示し、この金型ブロック３は固定金型５と可動金型７で構成されている。固定金型５はマシーンフレーム６に固定されている。図１の矢印に示すように、可動金型７が固定金型５に対して相対的に移動して接近または離間される。可動金型７が固定金型５に接近して型締めされたときに、両者の分割面に形成されている凹み部等により、鋳物の製品形状を画定するキャビティ９と、キャビティ９への溶湯（Ｍ）の導入路となるゲート１１が画定される。
符号１３は複数の押出しピンを示し、これらの押出しピン１３は可動金型７に対して移動可能に設けられており、凝固後に可動金型７を離間したときに鋳物が可動金型７から押し出されて分離される。

符号１５はシリンダー状のプランジャスリーブを示し、このプランジャスリーブ１５は水平方向に配置されており、所謂横型である。プランジャスリーブ１５の後端側の内側にはプランジャチップ（ピストン）１７が摺動可能に設けられており、プランジャチップ１７はロッド１９により駆動されて前後進する。ロッド１９が前進すると、プランジャスリーブ１５内の溶湯（Ｍ）はゲート１１に向けて押される。
図２は型締め状態を示し、この状態で、プランジャスリーブ１５の先端側には分流子２１が突設されており、プランジャスリーブ１５内の溶湯（Ｍ）はプランジャチップ１７の前進で押されると、分流子２１によって上方のゲート１１へ方向を変えられた後キャビティ９に向かって圧送される。
符号２３はラドルを示し、このラドル２３から、プランジャスリーブ１５の上方側面に形成された給湯口２５を介してプランジャスリーブ１５内に溶湯（Ｍ）が層流状態で給湯される。

符号２７は超音波付与手段としての超音波振動子を示し、この超音波振動子２７には振動を増幅するためのホーン（図示しない）が一体に形成されている。超音波振動子２７は発振源（図示しない）と接続されている。
超音波振動子２７は層流ダイカスト鋳造装置１の三箇所に取り付けられている。具体的には、ロッド１９の後端部と、プランジャスリーブ１５の下方側面と、分流子２１の後端部である。それぞれの超音波振動子２７による振動は、矢印に示すように、ロッド１９側と、分流子２１側と、プランジャスリーブ１５の側面下方側から、プランジャスリーブ１５内の溶湯（Ｍ）に向かって伝播することになる。即ち、互いに対向する二つの水平方向と下から上に向かう鉛直方向の三方向から、プランジャスリーブ１５内の溶湯（Ｍ）に向かって伝播することになる。

上記の構造の層流ダイカスト鋳造装置１を使用した層流ダイカスト鋳造方法を説明する。
超音波振動子２７の振動開始後に、鋳造作業が開始される。即ち、ラドル２３から給湯口２５を介してプランジャスリーブ１５内に溶湯（Ｍ）が給湯され、その給湯された溶湯（Ｍ）はプランジャチップ１７の前進で押され、分流子２１によって上方のゲート１１へ方向を変えられてキャビティ９に導かれるが、超音波はプランジャスリーブ１５内への溶湯（Ｍ）の給湯の直前からキャビティ９内で溶湯（Ｍ）の凝固が完了して金型３が開かれるまで、常時三方向から超音波振動が加えられる。
超音波振動子２７の加振条件は、プランジャスリーブ１５やキャビティ９の容量、ゲート１１への流入速度等により異なるが、通常は、周波数は５，０００〜２５，０００Ｈｚ程度が好ましく、２０，０００Ｈｚ前後がより好ましい。振幅は５〜２５μｍ程度が好ましく、１５μｍ前後がより好ましい。

本発明の方法では、従来からダイカスト用アルミニウム合金として使用されている、ＪＩＳ規格で言えば、ＪＩＳ Ｈ５３０２の記号ＡＤＣ１２、ＡＤＣ１２Ｚ、ＪＩＳ ５２０２の記号ＡＣ４Ｃはそのまま使用できる。
上記のアルミ合金材を使用して、２５０トン程度のダイカスト鋳造装置に１ｋｇ程度の溶湯（Ｍ）を給湯して鋳造する場合には、ゲートの断面積等の湯口系の設計内容により変動するが、通常は、溶湯の温度を７００℃程度にし、プランジャチップ１７の押し込み荷重（射出圧力）を７００〜１，０００ｋｇ／ｃｍ²程度、ゲート流入速度を０．５ｍ／ｓｅｃ以下に設定して、溶湯（Ｍ）を射出すれば、溶湯（Ｍ）をキャビティ９に層流充填することができることが確認されている。

上記した溶湯（Ｍ）に加えられる超音波振動の加振効果を説明する。
ロッド１９側から加振されると、振動端前方に生じる超音波音響流による溶湯（Ｍ）の発熱・撹拌効果により針状結晶、破断チルの初晶の発生・生長が抑制されると共に、発生しても超音波キャビテーション効果により微細球状化される。また、針状結晶の発生等が抑制されることにより、溶湯（Ｍ）の流動性も改善される。
プランジャチップ１７で押されたときには溶湯（Ｍ）とプランジャチップ１７との温度差により溶湯（Ｍ）の上表面に酸化物が生成されるが、プランジャスリーブ１５の側面の下側から鉛直方向に加振されると、超音波キャビテーション効果により上記した酸化物が破砕される。また、ロッド１９側から加振した場合と同様に、超音波音響流による溶湯（Ｍ）の撹拌効果も生じる。
分流子２１側から加振されると、鋳込みの最終段階でも低い押し込み荷重で溶湯（Ｍ）をゲート１１に送り出すことができ、即ち、超音波援用加圧効果により、成分偏析と引け巣の発生を抑制したり消滅できると共に、溶湯補充性を改善できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の具体的構成が上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨から外れない範囲での設計変更があっても本発明に含まれる。
例えば、キャビティの容量が大きかったり、高精度が要求される場合には、上記した三方向から超音波加振するのが最も好ましいが、一方向や二方向のみの加振でもある程度の組織の改善効果は有るので、必ずしも三箇所に超音波振動子を取り付ける必要はない。
また、層流ダイカスト鋳造装置はプランジャスリーブ内の溶湯を超音波加振できる構造であればいずれの構造のものでもよく、分流子は可動金型と一体に構成されたものでもよい。
さらに、鋳物の素材はアルミ系（アルミ、アルミ合金）に限定されず、従来からダイカスト用として使用されてきた素材も使用できる。

２５０ｔ（トン）の層流ダイカスト鋳造装置１を用いて、三方向から超音波加振を行いながら、以下の成形条件で1回当り１ｋｇの溶湯を使用して鋳造を行った。
使用した試料：アルミ合金材ＡＤＣ１２（Ｈ材：Ｓｉ １２％、Ｍ材：Ｓｉ １１％。Ｌ材：Ｓｉ １０％を等量ずつ配合）
押し込み荷重：８００ｋｇ／ｃｍ² ゲート流入速度：０．３ｍ／ｓｅｃ
溶湯温度：７００℃ 金型温度： ２００℃
超音波の周波数：２０，０００Ｈｚ 振幅： １５μｍ
また、従来品（比較用）の鋳物を超音波加振しない他は同じ条件で鋳造して得た。

本発明品（加振有り）でも、従来品（加振無し）でも、ガス含有量は鋳物１００ｇ中２ｃｃ未満と非常に少なかった。
一方、従来品（加振無し）では破断チル、成分偏析、酸化物が肉眼で確認されたのに対して、本発明品（加振有り）ではそのような欠陥は確認されなかった。
図３は、鋳物のプランジャ側のビスケット断面の金属組織の顕微鏡写真である。従来品（加振無し）では針状結晶が多数存在していたが、本発明品（加振有り）では結晶が微細球状化されていた。
図４は、鋳物のプランジャ側のビスケット断面の金属組織の元素マッピング写真である。従来品（加振無し）では成分が偏析していたが、本発明品（加振有り）では成分の偏析は減少していた。

本発明の層流ダイカスト鋳造方法により製造される鋳物は、熱処理をして強度をアップさせたり、溶接が可能となっている。さらに、引張り強さに関する標準偏差も著しく小さくなっている。
従って、本発明に係る製造方法により製造されたアルミ合金鋳物は、従来の鋳物より高強度でしかも信頼性が高いので、自動車の足回り部品等の重要保安部品の応力が集中する部位（最弱断面）にも使用することが可能である。
さらには、本発明に係る製造方法により製造されたアルミ合金鋳物を、ピストン、コンロッド、ブレーキシリンダー等の内燃機関用部品だけでなく、エンジンクレードルのサブフレーム、フロント、リアサスペンションロアリンク等の自動車用車体構成部品に適用することも可能である。

また、本発明に係る製造方法により製造されたアルミ合金鋳物を、上記した自動車用に限定されず、農業用コンバインや運搬専用機や建設機械部品等の内燃機関用部品や、車体構成部品、例えば、トラクターではフロント、リヤホイール、ロータリー爪等、パワークローラトラクターではキャタピラーやバケット等と言った部品に適用することも可能である。

本発明の実施の形態に係る層流ダイカスト鋳造装置の斜視図である。 図１の層流ダイカスト鋳造装置の模式的断面図である。 実施例で製造された鋳物の断面の金属組織の顕微鏡写真である。 実施例で製造された鋳物の断面の金属組織の元素マッピング（Ｘ線写真）である。

符号の説明

１‥‥層流ダイカスト鋳造装置 ３‥‥金型ブロック
５‥‥固定金型 ６‥‥マシーンフレーム
９‥‥キャビティ １１‥‥ゲート
１３‥‥押出しピン
１５‥‥プランジャスリーブ １７‥‥プランジャチップ
１９‥‥ロッド ２１‥‥分流子
２３‥‥ラドル ２５‥‥給湯口
２７‥‥超音波振動子
Ｍ‥‥溶湯

Claims (5)

1. プランジャスリーブ内に給湯された溶湯が金型のキャビティに射出・充填される層流ダイカスト鋳造方法において、プランジャスリーブ内に給湯された溶湯に超音波振動を加えることを特徴とする層流ダイカスト鋳造方法。
2. 請求項１に記載した層流ダイカスト鋳造方法において、溶湯はアルミまたはアルミ合金であり、溶湯に加えられる超音波振動の周波数は５，０００〜２５，０００Ｈｚであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造方法。
3. シリンダー状のプランジャスリーブ内に給湯された溶湯がロッドにより駆動されるプランジャチップの前進により金型のキャビティに射出・充填される層流ダイカスト鋳造装置において、
   前記プランジャスリーブ内に給湯された溶湯に超音波振動を加える振動付与手段を設けたことを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置。
4. 請求項３に記載した層流ダイカスト鋳造装置において、振動付与手段がロッド側、ロッドの反対側およびプランジャスリーブの側面側の少なくとも一方向から振動を加えるものであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置。
5. 請求項３に記載した層流ダイカスト鋳造装置において、振動付与手段がロッド側、ロッドの反対側およびプランジャスリーブの側面側の三方向から振動を加えるものであることを特徴とする層流ダイカスト鋳造装置。