JP2008264865A - 横型急冷凝固用遠心鋳造機 - Google Patents

Abstract

【課題】 非晶質（アモルファス）バルク金属ガラスや極微細結晶鋳造部品には溶湯を注入と同時に急冷する必要があるが従来の遠心鋳造機の回転鋳型には急冷の機能はなく解決することが課題であった。さらに、遠心鋳造法での溶解からパイプや中空ネジ部品などの最終製品寸法形状に高速で仕上げられるニアネットシェイプの利点に注目した急冷凝固用鋳型方案は提案されていなかった。
【解決手段】 熱伝導率の高い材質（例えば銅）で作られた厚肉円筒状の回転鋳型の中に、高周波誘導コイルに収容された溶湯流出用のノズルを配置し、ノズルを回転鋳型軸線に沿って走行移動させることにより精密な管体を鋳造する。
【選択図】図５

Description

本発明は、急冷用回転鋳型を用いた遠心鋳造機に関する。

この発明は、非晶質（アモルファス）からなるバルク金属ガラスや超微細結晶組織系材質とそれに由来する材料機能特性を有する複雑形状の精密鋳造部品を製造する技術に関するものである。

従来の横型急冷用遠心鋳造機には、主に継目なし管の製造に用いられる図６に示すような鋳造技術がある。これは２〜３のローラに支えられた管状の回転鋳型を高速で回転し、その内側に溶湯を流し込み、その遠心力により鋳型内壁に拡散展延させて管体を鋳造するものである。
遠心鋳造法は溶湯送り込み方向と部材製品の相対的位置から、横型（水平型、パイプなどの製品用）と縦型（垂直型、精密部品などの製品用）があり、横型はパイプや精密部材の量産化が可能な製造技術である。

以上述べた従来の急冷凝固型鋳造機（図６）は回転鋳型の管壁も薄く材質も熱吸収が悪いため、非晶質組織（例えばアモルファス）からなる金属ガラスや非平衡相の超微細結晶組織構造を有する成形鋳造のために溶湯を注入と同時に急冷して溶湯における非結晶および非平衡結晶組織を常温で保持し、非結晶および非平衡結晶組織の特性（高強度、超弾性、低剛性、ガラス化温度域での成形性、耐食性など）を持った製品を得るために必要な急冷効果が全くなく、また溶湯が管壁に均一に展延できず精密な管厚の製品を得ることが難しい。

本発明は、金属ガラスやアモルファスの成形鋳造を主目的としたもので、回転鋳型は熱伝導率の高い材質を用い、形状として十分な熱吸収が出来るように熱容量の大きな肉厚の管体を用い、また溶湯をノズルを用いて回転鋳型内壁に沿って軸方向に流出させながら移動させ、均一に展延させるようにしたものである。
また、回転鋳型を軸方向に移動させる代わりに、ノズルを移動させる手段もあり、製品の種類により選択されるものである。

本発明の鋳造機は、注入された溶湯は遠心力により製品鋳型に送り込まれ、その熱は瞬時に鋳型本体に吸収されて急冷されるので良質の非晶金属（アモルファス）製品や非平衡相の超微細結晶組織構造を有する良質な最終製品形状に近い（ニアネットシェイプ）成形鋳造品の量産が可能となり、生産コストの低減が図られる。
▲１▼ 管およびリング状の鋳造において，中子が不要である。
▲２▼ パイプや管の鋳造において，小径から大径まで，短尺から長尺まで，均一な肉厚が得られる。
▲３▼ 比重の差により軽い物質は内側に集まるので残澤（ざんし：残りかす）や不純物を内側で分離できるので，品質の向上が図れる。
▲４▼ 機械化および自動化により，生産性が高い。

以下に実験事例を示す。Ｚｒ基とＦｅＣｏ基の２種類のバルク金属ガラス用素材（Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０と｛（Ｆｅ７Ｃｏ３）Ｓｉ５Ｂ２０｝Ｎｂ４、添え字は原子比率）を用いて縦型回転型遠心鋳造実験を行った。

溶解したそれぞれの金属湯を銅鋳型中心部に滴下し、回転数を３０００ｒｐｍで実験したところ、金属溶湯には遠心力が働きその周りを高速で回っている冷却用銅鋳型に瞬時に付着し凝固した。こうして作製した部材の金属ガラスの形成組織をエックス線結晶回折で調べた結果の一例を図７に示す。

Ｚｒ５５Ａｌ１０Ｎｉ５Ｃｕ３０合金の場合、Ｘ解回折パターンは非結晶（アモルファス）質特有のピークのほとんどないブロードなハローパターンを示しており、ほぼアモルファスが達成されていた。この試料の板厚は０．９ｍｍであり、バルク金属ガラスが作製できたことになる。

｛（Ｆｅ７Ｃｏ３）Ｓｉ５Ｂ２０｝Ｎｂ４合金では、Ｚｒよりも溶湯金属に粘性が高く、おなじ３０００ｒｐｍでも板厚が１．２ｍｍと増加傾向を示した。また、銅鋳型に接触する部分ではアモルファスとなったが、それよりも遠く離れた部分では冷却速度が遅くなるのでＸ線パターンの上に弱いピークが現れ始め、少しではあるが結晶化の進行が認められた。このことから、完全はアモルファス状態のバルク金属ガラスを形成させるためには、さらなる高速回転や急冷用の銅鋳型の性能向上が必要になることを示唆している。

表１には、遠心鋳造法で得られた２種類の急冷凝固バルク金属ガラスの特徴を示す。Ｚｒ基およびＦｅＣｏ基のバルク金属ガラスは、結晶質材料に較べて１２００ＭＰａ以上という高強度が達成できた。従来のリボン材料のみのアモルファス試料からしてもっと大きな製品が可能なバルク金属ガラス部材は、アモルファス特有な高強度、良好な磁気特性、高耐食性とともに、超弾性、耐摩耗性にすぐれ、ガラス化温度（Ｔｇ）近傍でもニュートン粘性特性による極めてよい成形性もあるので、ネジ、円筒型パイプ、磁気シールド容器、精密部材などアモルファス組織のままの複雑形状の部品開発が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１に示すように、銅のような熱伝導率の高い材質で、形状として厚肉円筒の管内壁に製品の各種形状（直管のほか例えば蛇腹管等）の鋳型を加工し、両端に溶湯の溢出を防ぐため内側に張り出した堰１ｃを設け、管体を軸線に沿って二つ割りし、位置決めピン１ａ及びボルト１ｂで緊締し一体構造とした回転鋳型１を作る。

また、回転鋳型について図２に示す第２の実施例がある。第１の実施例と同じ材質の厚肉円筒２ａの管内壁に製品の各種形状（直管のほか例えばテーパ管等）の鋳型を加工し、１端に鋳造後製品を引き抜く時の掴み代を得るため厚肉円筒の内径と等しい孔を有する円板状の蓋２ａを同心上に着脱できるように取り付けて回転鋳型２を作る。

走行台３の上に軸受４ａに支えられ、速度調節可能な鋳型回転モータ４ｂに連結された鋳型ホルダ４ｃを配置し、鋳型ホルダのフランジ部に回転鋳型１又は２を固定し回転機構４を構成する。

走行台の下側にラック５ｃを取り付け、また直動軸受（リニアガイド）５ａ及びレール５ｂを介して基台６の上に、走行台を回転鋳型の軸線方向に走行可能に取り付け、また基台上に、走行台のラックと噛み合うピニオン５ｄに連結された速度調節可能な走行モーター５ｅを配置して走行機構５を構成する。

石英ガラス又はセラミックス等の耐熱性材料で作られた円筒管を中間で約直角に曲げ、その水平部分の端に溶湯流出口７ａ、垂直部分の端に素材投入口７ｂを設け、又管の曲り部に分岐したガス送入口７ｃを設けたノズル７を高周波誘導コイル８を通して取り付け、高周波誘導コイルはコイルホルダ９に保持され、コイルホルダは基台上に取り付けられた支柱１１に沿って昇降ハンドル１０により上下動出来るようにする。

次にこの実施例の作用について説明すると、溶湯素材は高周波誘導コイルによりノズル上部で溶解滴下し、ノズル曲がり部でガス送入口から噴射されるアルゴンガスによりノズル水平部に送り込まれ、溶湯流出口から高速回転している回転鋳型内壁に向かって噴出すると同時に回転鋳型は走行機構により移動するので溶湯は螺旋状の軌跡を描いて回転鋳型内面に展延して急速に冷却し製品となる。

元来、アモルファス及びこの種の合金は切削熱を伴う機械加工をはじめ溶接などの加工が殆どできないものであり、本発明により、遠心力を利用して溶湯に加圧しながら急速に凝固を起こさせることができるので、その材質はアモルファスから微細結晶の緻密な均質組織が得られ、高機能バルク材料が作製できる。特に、本提案の急冷凝固遠心鋳造法では、バルク金属ガラスや微細結晶合金の比較的小型の精密鋳造部品が一度の溶解とそれに続く急速凝固過程で高速で作製可能となり、機械化、自動化に適しているので、大量生産が可能で製品コストの低減がはかれる。

以上より、工業製品用部材としては、家庭機器内の小型パイプやピン、小型精密歯車、高強度ネジ、コピー機やプリンター内部の感光ドラム、高強度ネジ、エンジンのピストンリング、固体アクチュエータ材料、超弾性材料、それを利用し複合化させた固体アクチュエータ変位拡大用機能部材、磁気シールド容器、小型円筒反応管、油圧・空圧シリンダ、燃料電池および各種化学反応管材等の各種部品、生体医療分野で人工歯根や成形外科における骨接続器具等応用範囲は広い。
本鋳造法による代表的な製品は大口径の水道用鋳鉄管や各種パイプのほかに，プッシュ，エンジンのシリンダライナー，ベアリングレースなどがある。

回転鋳型の正断面図及び側断面図 第２の実施例による回転鋳型の正断面図及び側面図 ノズルの縦断面図 急冷凝固用遠心鋳造機の平面図 急冷凝固用遠心鋳造機の側面図 従来の遠心鋳造機の説明図 遠心鋳造法で作製したジルコニア（Ｚｒ）基４元系バルク金属ガラス材のＸ線回折パターン事例のグラフ図

符号の説明

１ 回転鋳型 １ａ 位置決めピン １ｂ ボルト １ｃ 堰 ２ 回転鋳型 ２ａ 厚肉円筒 ２ｂ 蓋 ３ 走行台 ４ 回転機構 ４ａ 軸受 ４ｂ 鋳型回転モータ ４ｃ 鋳型ホルダ ５ 走行機構 ５ａ 直動軸受 ５ｂ レール ５ｃ ラック ５ｄ ピニオン ５ｅ 走行モータ ６ 基台 ７ ノズル ７ａ 溶湯流出口 ７ｂ 素材投入口 ７ｃ ガス送入口 ８ 高周波誘導コイル ９ コイルホルダ １０ 昇降ハンドル １１ 支柱

Claims (4)

1. 熱伝導率の高い材質（例えば銅）を用いた厚肉円筒状の管体の内壁に製品に合わせた形状の鋳型を加工し、側両端に内側に張り出したフランジ状の堰を設け、管体を軸線を含む平面で二つ割りして、両者を割り面で接合緊締して一体構造とした回転鋳型。（図１参照）
2. 熱伝導率の高い材質（例えば銅）を用いた厚肉円筒状の管体の内壁に製品に合わせた形状の鋳型を加工し、一端に管体内径と等しい孔を有する蓋を取り付けた回転鋳型。（図２参照）
3. 請求項１又は請求項２記載の鋳型本体を載せて回転させる回転機構と、これを搭載して回転鋳型の軸線方向に走行移動させる走行機構、及び耐熱性材料で作られた管を中間でほぼ直角に曲げ垂直部の端に素材投入口、水平部の端に溶湯流出口を設け、管の曲がり部分に分岐したガス送入口を有するノズルの垂直部分を高周波誘導コイルの中に収容し水平部分を回転鋳型の中に配置して構成される急冷凝固用遠心鋳造機。（図３〜図５参照）
4. 高速回転する請求項１又は請求項２記載の回転鋳型の内側にノズルを回転鋳型軸線に沿って走行移動できるよう配置して、溶湯を不活性ガスの圧力で回転鋳型内壁に流出し、各種管状の製品を鋳造する急冷遠心鋳造方法。

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