JP2009174989A - 溶融金属の圧力損失測定方法、鋳造条件決定方法、溶融金属の流動性試験器 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属の圧力損失をその時点での環境条件、材料条件を加味して絶対的に測定するための溶融金属の流動性試験器及び溶融金属の圧力損失測定方法、並びにこれを用いた鋳造条件決定方法を提供する。
【解決手段】流動性試験器１は、溶融金属を注入するための湯口１１と、注入された溶融金属が流れる流路１２と、流路１２に設けられた基準圧力ポート１３と、流路１２の基準圧力ポート１３よりも下流側に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポート１４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融金属の圧力損失をその時点での環境条件、材料条件を加味して絶対的に測定するための溶融金属の流動性試験器及び溶融金属の圧力損失測定方法、並びにこれを用いた鋳造条件決定方法に関する。

鋳造合金の流動性や鋳造性の良さを評価する判断する指標としては、図６に示すような渦巻き形の金型を用いて渦巻き試験片を形成することによる判定が一般的であるが、鋳造業者が個別に流動性を評価することは少なく、冶金材料メーカーから開示されるデータを基にすることが多い。

図６に示した渦巻き形の金型は、鋳造合金の流動性の判定に用いられる一般的な金型であり、中心に溶融金属をある一定量流し込み、どこまで流れたによって鋳造合金の流動性を評価するものである。

このような金型を用いて形成した渦巻き試験片から得られるパラメータは溶融温度と流動長との関係であり、鋳造合金材の相対比較に用いられる。すなわち、相対的な比較であって、一旦指標が決定されるとＡ合金はＢ合金よりも流動性が良い（又は悪い）という定性的評価で完結するため、鋳造業者は実際のマシン（鋳造装置）との相性を考慮した上で圧力調整の条件設定を行っている。

しかし、同じ材質の鋳造合金であっても、材料メーカーが異なると鋳造条件が異なることもあり、実際の現場での鋳造作業には渦巻き試験片による鋳造性判定の結果はそれほど活用されていない。特に、高速で射出するダイカストの場合、条件（パラメータ）設定は個々の材料に対する経験が優先される。

さらに、通信機の筐体に代表されるような精密ダイカスト部品は、室温や湿度、季節の違いに応じて作業条件を細かく管理しなければならない。このため、鋳造条件のガイドラインを適切に把握することは工場全体の生産性（鋳造歩留まり）に直結する問題であり、１台のダイカストマシン（以下、マシン）で数種類の製品を鋳造するごとに細かいパラメータの設定変更が発生する。

既存の製品であれば、残っている以前の鋳造時のデータを利用してパラメータを設定できるが、精密部品は外的要因（室温や湿度など）に影響されやすく、必ずしも既存のデータをそのまま活用できるわけではなく、その一部を細かく変更しなければならない例が多々発生する。

鋳造現場においてリアルタイムで必要な情報は、一般的な流動性指標（固定データ）ではなく、鋳造時点（製品によっては１日単位での条件変更、場合によっては午前と午後とで条件を変える場合もある）の鋳造性指標である射出圧力の設定に関する情報である。これは、大きく捉えても同じマシンで同じ製品の鋳造が工場ごと、地域ごとに条件が異なることは普通であるためである。

最も重要なパラメータである射出圧力制御の多段階設定値は、製品の良否に直結する充填率を左右する条件であり、適切な条件を探すための試験回数は、製品によっては全ショット数の数パーセントにも上り、ダイカスト量産としては無視できない数のショットを費やしていた。

流動体の粘性の評価に関連する技術として、特許文献１がある。特許文献１に開示される発明は、圧力センサを用いて樹脂材料の流動性を測定するものであり、樹脂材料そのものの凝固特性を製品に合わせて配合を変えることを目的としている。
特開２００４−３６１３４８号公報

溶融金属の圧力損失は、流動中の酸化と発生したガス成分とを含めた見極めが重要であり、これらをセンサで解析することは事実上不可能に近い。

すなわち、特許文献１に記載の発明は、樹脂の粘性解析に用いることはできても、溶融金属の圧力損失の解析に適用することは難しい。

このように、溶融金属の圧力損失をその時点での環境条件、材料条件を加味して絶対的に測定する方法は実現されていなかった。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、溶融金属の圧力損失をその時点での環境条件、材料条件を加味して絶対的に測定するための溶融金属の流動性試験器及び溶融金属の圧力損失測定方法、並びにこれを用いた鋳造条件決定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、本発明は、第１の態様として、溶融金属を注入するための湯口と、注入された溶融金属が流れる流路と、流路に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポートとを有する試験器に溶融金属を注入し、測定用圧力ポートにおける溶融金属の湯面の高さを基に、各々の測定用圧力ポートにおける圧力損失を測定することを特徴とする溶融金属の圧力損失測定方法を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、鋳造装置が設置された環境と同一環境において上記本発明の第１の態様に係る圧力損失測定方法によって測定した溶融金属の圧力損失を基に、鋳造装置における鋳造条件を決定することを特徴とする鋳造条件決定方法を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、溶融金属を注入するための湯口と、注入された溶融金属が流れる流路と、流路に設けられた基準圧力ポートと、流路の基準圧力ポートよりも下流側に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポートとを有することを特徴とする溶融金属の流動性試験器を提供するものである。

本発明によれば、溶融金属の圧力損失をその時点での環境条件、材料条件を加味して絶対的に測定するための溶融金属の流動性試験器及び溶融金属の圧力損失測定方法、並びにこれを用いた鋳造条件決定方法を提供できる。

本発明に係る溶融金属の流動性試験器１は、溶融金属を注入するための湯口１１と、注入された溶融金属が流れる流路１２と、流路１２に設けられた基準圧力ポート１３と、流路１２の基準圧力ポート１３よりも下流側に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポート１４とを有するものである。この溶融金属の流動性試験器によれば、基準圧力ポート１３における溶融金属の湯面の高さと、測定用圧力ポート１４ａ、１４ｂにおける溶融金属の湯面の高さとの差を基に、測定用圧力ポート１４ａ、１４ｂのそれぞれにおける圧力損失を測定することが可能である。
そして、鋳造装置が設置された環境と同一環境において上記溶融金属の流動性試験器１を用いて測定した溶融金属の圧力損失を基に、鋳造装置における鋳造条件を決定することにより、その鋳造現場の環境条件に応じて射出出力の制御条件を設定することが可能である。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図２に、本実施形態に係る溶融金属の流動性試験器の構成を示す。流動性試験器１０は、溶融金属を注入するための湯口１０１と、注入された溶融金属が流れる流路となる製品部１０２と、製品部１０２に設けられた基準圧力ポート１０３と、製品部１０２の基準圧力ポート１０３よりも下流側に設けられた測定用圧力ポート１０４ａ、１０４ｂと、製品部１０２を通過した溶融金属を溜めるためのオーバフロー部１０５とを有する金型である。基準圧力ポート１０３と測定用圧力ポート１０４ａとの間の流動長はＬ１、測定用圧力ポート１０４ａと１０４ｂとの間の流動長はＬ２である。

図３に、流動性試験器１０に溶融金属を鋳込んだ状態を示す。湯口１０１から鋳込まれた溶融金属は、酸化物による表面抵抗と金型表面の摩擦抵抗とにより製品部１０２において圧力損失が発生し、基準圧力ポート１０３、測定用圧力ポート１０４ａ、１０４ｂのそれぞれにおいて、湯面の高さに差が生じる。

本実施形態に係る流動性試験器１０によって形成される試験片は、鋳造現場で射出圧力の鋳造パラメータをリアルタイムに設定するために供するものであり、図４に示すように、基準圧力ポート１０３、測定用圧力ポート１０４のそれぞれに対応する位置に、圧力損失比（初圧Ｐ０に対するＰ１、Ｐ２）を数値で把握するための凸部を有する試験片である。なお、図５に示すような距離Ｌの２点間の圧力損失ΔＰは、流路の断面積をＡ、周長をＳ、壁面剪断抵抗をτ₀、比重ρ、重力加速度をｇ、液面の高低差をｈとした場合に、ΔＰ＝ρｇｈＡ＝τ₀ＳＬとして表される。

この試験片は、基準圧力ポート１０３、測定用圧力ポート１０４のそれぞれに対応する位置に凸部を有するため、溶融金属の酸化物による表面抵抗と金型表面の摩擦抵抗とにより製品部に当たる流動長（Ｌ１、Ｌ２）に応じてどの程度の圧力を損失するかを、初期圧力Ｐ０に対する圧力損失に相当するＰ１、Ｐ２を凸部の高低差ｈ１、ｈ２の比率で判別できるようになっている。

また、製品部に相当する流動長（Ｌ１、Ｌ２）とＰ１、Ｐ２近傍の損失比とを実際の製品に適用して多段階の射出圧力をマシンの初圧（Ｐ０）に応じて設定するパラメータを直接得ることができ、湯口部の形状をマシンに応じて交換することで、マシン専用の射出圧力を細かく設定できるような試験片として作られている。

本実施形態にかかる試験片の製造方法について説明する。
湯口から溶融金属を一定量流し込んで冷やした後、二分割されている金型を外して試験片を取り出す。図３に示す面（断面）を金型の合わせ面と一致させることにより、流し込んだ金属が冷えた後で金型を開くことにより、圧力ポートに対応する位置に凸部が設けられた試験片を金型から容易に取り出せる。

この試験片からはマシン別の湯口径（溶融温度と量は同じ）で作成したＰ０（初圧）に対するＰ１、Ｐ２の圧力損失比を数値データとして得られる。その結果、鋳物製品に最も重要な要素である充填率に直結する射出圧力の制御条件（多段階の条件出し）をその時の環境に応じてマシンごとに細かく設定することが可能となる。

重要なのは、マシン別にＰ０（初圧）に対するＰ１、Ｐ２の圧力損失比の数値データを鋳造条件として入力できることであり、この時に測定したデータはマシン別、材料別の絶対的な値であるため、その時点での鋳造現場の環境条件（室温、湿度など）が全て含まれていることになる。
従って、その鋳造現場の環境条件に応じた射出出力の制御条件の一つがほぼ確定することとなる。

このように、本実施形態に係る試験片は、マシン別、鋳造合金別に流動特性を絶対評価でき、その鋳造環境（室温や湿度など）において、マシンパラメータで最も重要な射出圧力制御の多段階設定が可能となり、鋳造現場の環境下でパターン化できる。

また、一旦パターン化すれば鋳造環境と使用マシンのパラメータ変更のみで良く、他の条件（射出時間、溶融温度、金型温度、保持時間）は微調整で対応でき、条件出しをスムーズに行える。

また、圧力設定は数値として把握できるために、上記のパターン化を例にとると、鋳造環境別、材料別、同じ材料でも仕入れ先別のパターン変更のみでマシンと他の鋳造パラメータはリンクしているため、別工場に移管しても即量産開始が可能となる。

また、本実施形態に係る試験片は、鋳造品に必ず存在するオーバーフロー（ガスや酸化物を製品部から追い出すために設けられる余剰空間）を圧力損失判定のための圧力ポートとしてモデル化したものであり、この試験片による評価・判定結果は絶対指標として簡便に利用できる。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることなく様々な変形が可能である。

本発明に係る溶融金属の流動性試験器の構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る溶融金属の流動性試験器の構成を示す図である。 流動性試験器に溶融金属を鋳込んだ状態を示す図である。 流動性試験片の一例を示す図である。 ２点間に生じる圧力損失の関係を示す図である。 渦巻き型の流動性試験用金型の一例を示す図である。

符号の説明

１、１０ 流動性試験器
１１、１０１ 湯口
１２ 流路
１３、１０３ 基準圧力ポート
１４ａ、１４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ 測定用圧力ポート
１０２ 製品部
１０５ オーバフロー部

Claims (7)

1. 溶融金属を注入するための湯口と、注入された前記溶融金属が流れる流路と、前記流路に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポートとを有する試験器に溶融金属を注入し、前記測定用圧力ポートにおける前記溶融金属の湯面の高さを基に、各々の前記測定用圧力ポートにおける圧力損失を測定することを特徴とする溶融金属の圧力損失測定方法。
2. 前記試験器に、いずれの前記測定用圧力ポートよりも前記流路の上流側に基準圧力ポートを設け、前記基準圧力ポートにおける前記溶融金属の湯面の高さと、前記測定用圧力ポートにおける前記溶融金属の湯面の高さとの差を基に、各々の前記測定用圧力ポートにおける圧力損失を測定することを特徴とする請求項１記載の溶融金属の圧力損失測定方法。
3. 鋳造装置が設置された環境と同一環境において請求項１又は２記載の圧力損失測定方法によって測定した前記溶融金属の圧力損失を基に、前記鋳造装置における鋳造条件を決定することを特徴とする鋳造条件決定方法。
4. 前記鋳造装置を稼働する直前に測定した前記溶融金属の圧力損失を基に、前記鋳造装置における鋳造条件を決定することを特徴とする請求項３記載の鋳造条件決定方法。
5. 前記湯口の形状を、鋳造条件の設定対象である鋳造装置の種類に応じて変更することを特徴とする請求項３又は４記載の鋳造条件決定方法。
6. 前記試験器に注湯する溶融金属の温度及び量は、前記鋳造装置に注湯する溶融金属と同一とすることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項記載の鋳造条件決定方法。
7. 溶融金属を注入するための湯口と、注入された前記溶融金属が流れる流路と、前記流路に設けられた基準圧力ポートと、前記流路の前記基準圧力ポートよりも下流側に少なくとも一つ設けられた測定用圧力ポートとを有することを特徴とする溶融金属の流動性試験器。

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