JP2011143465A - 鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム等の鋳造材料が銅製の分流子と反応することが抑制されて円滑な鋳造がなされ、また、その分流子の冷却効率を大幅に高めることによりサイクルタイムを効果的に短縮させる。
【解決手段】鋳造用金型の溶湯導入部に配設した分流子５０から金型１内のキャビティ２に溶湯を導いて鋳造する鋳造方法であって、分流子５０の、溶湯が接触する外殻５１を銅または銅合金で構成し、鋳造初期における金型のキャビティ温度を所定の型温度に設定し、かつ、分流子５０の鋳造初期の温度を６５℃以下に設定して鋳造を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばアルミニウム合金の成形品をハイプレッシャーダイカストで得るといった金属材料の鋳造方法に係り、特に鋳造のサイクルタイムを短縮する技術に関する。

上記ハイプレッシャーダイカスト等のダイカストにおいては、鋳造用金型の溶湯導入部に金型内のキャビティに溶湯を導入する分流子と呼ばれる部材を配設する場合がある。その場合、鋳造時には、プランジャから押し込まれた溶湯がその分流子に当たり、溶湯は分流子に形成されたランナーを通って金型内のキャビティに導入されるようになされている。このような分流子は、金型側においては溶湯が最初に接触するため、特に激しい冷熱サイクルを繰り返し受けるとともに、鋳物形状のうち最も厚肉になるビスケット部やランナーと接しているため、相当な冷却効率が要求される。また、溶湯を円滑にキャビティに流し、かつ、凝固させる機能も要求されることから、冷却手段が設けられる（例えば特許文献１）。

特開２００６−２３９７３８号公報

上記特許文献１では、分流子の冷却効率を冷却回路の構造によって向上させている。ところで冷却効率向上の手段としては、分流子の金属材料を熱伝導性の高いものにすることも考えられ、銅合金はその中でも可能性があると言える。しかしながら、耐摩耗性や強度等の観点から銅合金は不利であるため、ＳＫＤのような合金工具鋼が用いられる傾向にある。また、その特長を享受するために銅合金を使用する場合には、銅はアルミニウムと反応しやすく溶損を招きやすいため、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＰＣＶＤ等による表面処理（Ｃｒ−Ｎ系、ＤＬＣ、Ｔｉ−Ｎ系、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等）を施して表面に皮膜を形成することが必要となる。

ところがこれらの表面処理皮膜は断熱性を有しているため、熱伝導性が低下してしまうという問題が生じる。また、この種の表面処理被膜は耐酸化性が低いため、割れや剥離が生じやすいといった欠点もある。表面処理被膜に割れが生じると分流子の溶損が発生するため、未然に分流子を金型から外して表面処理を施さねばならず、煩雑になる。さらに、銅合金製の分流子であってもサイクルタイムを短縮すると、内部冷却水が沸騰して冷却効率が低下し、素材（注湯された材料）の温度が上昇してビスケット部の破裂や焼き付き、かじりといった種々の操業悪化（稼働率の大幅な悪化）を招く。

よって本発明は、アルミニウム等の鋳造材料が銅製の分流子と反応することが抑制されて円滑な鋳造がなされ、また、その分流子の冷却効率を大幅に高めることによりサイクルタイムを効果的に短縮させることができる鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明の鋳造方法は、鋳造用金型の溶湯導入部に配設した分流子から該金型のキャビティに溶湯を導いて鋳造する鋳造方法であって、前記分流子の、少なくとも溶湯が接触する箇所を銅または銅合金で構成し、鋳造初期における前記金型のキャビティ温度を所定の型温度に設定し、かつ、前記分流子の鋳造初期の温度を６５℃以下に設定して、鋳造を行うことを特徴とする。

本発明によれば、銅または銅合金からなる分流子の鋳造初期温度を６５℃以下に設定することにより、アルミニウム等の鋳造材料がその分流子と接触した際に、両者が反応する前の段階で、鋳造材料の凝固層の形成ならびに凝固収縮による分流子からの凝固層の剥離が起こりやすい。このため、鋳造材料が分流子と反応することが抑制されて円滑な鋳造がなされる。また、ビスケット部の速やかな凝固が可能となり、その結果としてサイクルタイムの短縮化が図られる。

本発明では、冷却効率の向上の観点から、前記分流子が、その内部に、該分流子を冷却する冷却回路を有する鋼製の冷却部材を有していることを好ましい形態とする。

本発明によれば、アルミニウム等の鋳造材料が銅製の分流子と反応することが抑制されて円滑な鋳造がなされ、また、その分流子の冷却効率を大幅に高めることによりサイクルタイムを効果的に短縮させることができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る鋳造方法を実施する金型の断面図である。 金型の可動型に装着される分流子を構成する外殻の（ａ）断面図、（ｂ）正面図である。 金型の可動型に装着される分流子を構成する冷却駒の側面図である。 冷却駒に形成される冷却回路を模式的に示す平面図である。 分流子に接触した溶湯が凝固し、両者の間にエアギャップが形成される状態を模式的に示す図である。 実施例での鋳物のビスケット部の面粗度の測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態を説明する。
（１）金型の構成および基本的な鋳造方法
図１は、一実施形態に係る鋳造方法に適用されるハイプレッシャーダイカストの鋳造用金型１を示している。この金型１は、固定型１０と、この固定型１０に対して矢印Ｆ−Ｒ方向に進退自在に設けられた可動型２０と、固定型１０に固定される射出スリーブ３０とを有している。図１に示すように、可動型２０が固定型１０に向かいＦ方向に前進して固定型１０に合体した型締め状態において、両者の間には、溶湯が供給されて製品鋳物が成形されるキャビティ２と、キャビティ２の上流側の溶湯流路であるランナー３が形成される。

固定型１０内の、キャビティ２よりも下方には、内部空間４１が可動型２０の進退方向に開口する環状の湯口カラー（溶湯導入部）４０が組み込まれている。この湯口カラー４０の内周面は、可動型２０側に向かうにしたがって拡径する円錐状に形成されている。湯口カラー４０の後側（図１で右側）に、円筒状の射出スリーブ３０が配設されている。

射出スリーブ３０は、軸方向が可動型２０の進退方向と平行で、かつ、湯口カラー４０と同心状に、その一端部が固定型１０に固定されている。射出スリーブ３０の可動型２０側とは反対側の端部には、溶湯注入口３１が形成されている。射出スリーブ３０には、溶湯注入口３１から注入された溶湯を可動型２０方向に押し込んで供給するプランジャ３２が、後端側から摺動自在に挿入されている。

可動型２０内の、湯口カラー４０に対向する位置には、分流子５０が着脱可能に装着されている。分流子５０は、円筒状の外殻５１と、この外殻５１内に着脱可能に挿入される冷却駒（冷却部材）５５とから構成される。外殻５１は、図２に示すように、外径が均一の円筒部５１Ａの一端側に、端部に向かうにしたがって縮径する円錐部５１Ｂが一体に形成されたもので、円筒部５１Ａ側の端部が開口し、円錐部５１Ｂ側の端部は閉塞している。外殻５１における円錐部５１Ｂの上面から円筒部５１Ａにわたっては、円錐部５１Ｂの端面に受けた溶湯を上方に導く溝状のランナー部５２が形成されている。

分流子５０は、軸方向が可動型２０の進退方向と平行で、かつ、外殻５１の円錐部５１Ｂの先端を固定型１０側に向けてその先端が湯口カラー４０の内部空間４１に入り込む状態に、可動型２０内に装着される。この装着状態で、分流子５０の先端側の面と湯口カラー４０との間には、溶湯の導入空間である一定厚さの隙間が形成され、また、ランナー部５２が上記ランナー３に連通する。

冷却駒５５は、図３に示すように、全体が円柱状に形成されており、外殻５１内に円筒部５１Ａ側の開口から摺動自在に挿入される。冷却駒５５の、外殻５１への挿入端部側の先端部であって、その周面の上側半分程度の領域には、溝状の冷却回路５６が形成されている。この冷却回路５６は、図４に示すように、比較的長い軸方向に延びる部分が、短い周方向（図４で矢印方向）に延びる部分でジグザグ状に連結された形状となっており、全体的には周方向に冷却水が流れるように形成されている。冷却駒５５は、冷却回路５６が形成された側の先端面が円錐部５１Ｂの先端の内面に当接するまで外殻５１内に挿入され、その状態で、溝状の冷却回路５６は外殻５１の内面に覆われることにより閉じられた水路として構成される。

冷却駒５５は外殻５１に挿入された状態で後端部が外殻５１から露出する長さを有しており、その後端部には、図１に示すように冷却水の供給管５７ａと排出管５７ｂが取り付けられている。冷却駒５５内には、冷却回路５６の一端部から供給管５７ａに、また、冷却回路５６の他端部から排出管５７ｂに通じるトンネル状の図示せぬ水路が形成されている。

上記一実施形態の金型１では、次のようにして製品鋳物が鋳造される。まず、可動型２０を固定型１０に合体させて型締め状態とし、キャビティ２およびランナー３を形成するとともに、プランジャ３２を溶湯注湯口３１よりも後方に位置付けておく（図１の状態）。そして、キャビティ２およびランナー３の温度、すなわち金型の温度を１００〜３００℃の範囲に加熱保持するとともに、分流子５０の冷却回路５６に冷却水を供給して流動させ、分流子５０の外殻５１を冷却する。なお、金型内の溶湯が接触する箇所には、適宜に離型剤が塗布される。

金型の温度を１００〜３００℃の範囲に保持するには、運転初期時に、注湯および成形品の取り出しといった金型を暖めるだけの暖機動作を数回（５回程度）行うことによりなされる。この暖機動作の後は、注湯される溶湯の熱による加熱効果と金型への冷却水の供給および離型剤の塗布による冷却効果が概ね平衡し、このため金型は１００〜３００℃の範囲に保持される。なお、金型の温度が１００℃より低いと、塗布した離型剤が完全に蒸発せず水分が金型内に残ることによる成形不良（ガスの巻き込みによる鋳巣等の鋳造欠陥）が生じたり、溶湯が十分に充填されない充填不良が生じたりする。一方、金型の温度が３００℃を超えると、かじりや焼き付きが発生しやすく、稼働率の低下や金型への悪影響を及ぼす。したがって金型の温度は１００〜３００℃の範囲に保持することが求められる。

次に、溶湯注入口３１から射出スリーブ３０内に適量の溶湯（この場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶融金属材料）を注入し、次いでプランジャ３２を可動型２０方向に前進させて溶湯を射出スリーブ３０から金型１の内部に所定圧力で押し込む。これにより溶湯は、まず分流子５０の外殻５１の先端に当たり、ランナー部５２を通ってランナー３を上昇し、ランナー３からキャビティ２内に充填される。プランジャ３２を押し込んだ状態のまま、凝固させるキュアタイムが経過したら、可動型２０を図１のＲ方向に移動させて固定型１０から退避させ、鋳造を終える。以上が１回の鋳造サイクルである。

（２）分流子について
次に、本発明に係る分流子５０の材質および上記鋳造方法における分流子５０の冷却条件等について説明する。

（２−１）分流子の材質
上記分流子５０の外殻５１は、銅または銅合金で構成されており、具体的には、コルソン銅と呼ばれる銅合金（Ｃｕ−１．５〜３．０ｗｔ％Ｎｉ、０．３〜１．０ｗｔ％Ｓｉ）等が好適に用いられる。すなわち、外殻５１における溶湯が接触する表面は、銅または銅合金で構成されているということである。そして外殻５１の表面は、何らの表面処理もなされてはおらず、表面被膜等は一切形成されていない。また、分流子５０の冷却駒５５は固定型１０や可動型２０と同一材料（例えば、ＳＫＤ、ＳＳ等の鋼）でできている。

（２−２）分流子の鋳造初期の温度
鋳造初期、すなわちプランジャ３２を押し込んで溶湯を分流子５０に当ててキャビティ２に送り込む時の分流子５０の外殻５１の温度（溶湯に接触する表面近傍の内部温度であって例えば表面〜５ｍｍ程度の深さまでの領域の温度）を、６５℃以下に設定する。外殻５１の温度は、冷却回路５６に流す冷却水の温度や流量等を調整することにより６５℃以下に調整することができる。

分流子５０を以上の条件としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造すると、溶湯が分流子５０の外殻５１に接触しながらランナー３に流動していく際には、外殻５１の温度が６５℃以下と低温に保持されることにより、溶湯が外殻５１によって冷却されて急速に凝固する。外殻５１の温度が６５℃以下に保持されることは、外殻５１が銅または銅合金からなり、熱伝導性が高く冷却効率が高いからに他ならない。

外殻５１に接触した溶湯が凝固すると凝固収縮が発生するが、急冷によって凝固収縮の程度は大きく、したがって溶湯の凝固層は外殻５１から剥離する。図５に示すように、溶湯の凝固層が外殻５１から剥離することによって両者の間にはエアギャップが形成されるが、このエアギャップは、分流子５０がＳＫＤ等の銅または銅合金よりも冷却効率に劣るものの場合と比べると大きい。したがって分流子５０側に凝固層ができた溶湯と外殻５１とは接触面積が少なくなり、面粗度が粗くなる。

このようにエアギャップが大きくなるということは、溶湯が銅または銅合金である外殻５１と反応しやすいアルミニウムまたはアルミニウム合金であっても、反応が抑制され、分流子５０の外殻５１に溶損は発生しないという作用効果を得る。また、このように大きなエアギャップが形成された後は（エアギャップが形成される時間は、例えば１〜２秒程度、キャビティ２内への溶湯充填はエアギャップ形成時間内で完了する）、プランジャ３２から受ける圧力でエアギャップは縮まり、湯口カラー４０内で凝固するビスケット部の速やかな凝固が可能となる。これらの結果、分流子５０が銅または銅合金であっても、円滑な鋳造が遂行されるとともに、製品鋳物が速やかに凝固しながら品質が保持される。また、サイクルタイムの短縮化が図られ、これによって生産量の増大ならびにコストダウンが可能となる。

また、溶湯が接触する外殻５１の表面には、表面処理による被膜を施していないため銅が有する高い熱伝導性は損なわれてはおらず、上記のように高い冷却効率が発揮される。そして表面処理皮膜がないことから、表面処理被膜の割れや剥離が生じた場合の煩雑なメンテナンスを行う必要がないという利点がある。さらに、強度的には不利である外殻５１の内部に、ＳＫＤ、ＳＳ等の鋼からなる冷却駒５５が挿入されており、外殻５１はその冷却駒５５で変形しにくいように内側から支持された状態であるため、外殻５１の変形が抑えられる構造となっている。

（実施例）
上記一実施形態と同様の構成であって、外殻がコルソン銅、冷却駒がＳＳからなる分流子を可動型に装着し、アルミニウムをハイプレッシャーダイカストにより鋳造した。鋳造初期の分流子の温度については、６５℃と４５℃として、それぞれ複数のサンプルを鋳造した。

（比較例）
ＳＫＤからなる分流子を金型に装着し、その分流子の初期温度を１５０℃と１２０℃とした以外は、実施例と同様にして鋳造を行った。

（面粗度の測定）
実施例と比較例の鋳物について、ビスケット部の分流子への接触面の面粗度（Ｒｙ）を測定した。その結果を図６に示す。図６によると、ビスケット部の分流子への接触面は、実施例の方が比較例よりも粗く、上記エアギャップが大きいことが推察される。したがって銅合金製の分流子で初期の鋳造温度が６５℃以下である場合には、分流子に対する溶湯の接触面積が減少して溶損は生じず、分流子がＳＫＤの場合よりも溶湯が分流子によって効果的に急冷されながら鋳造が的確に行われることが判った。

１…金型
２…キャビティ
３…ランナー
１０…固定型
２０…可動型
３０…射出スリーブ
３２…プランジャ
４０…湯口カラー（溶湯導入部）
５０…分流子
５１…外殻
５５…冷却駒（冷却部材）
５６…冷却回路

Claims (2)

1. 鋳造用金型の溶湯導入部に配設した分流子から該金型のキャビティに溶湯を導いて鋳造する鋳造方法であって、
   前記分流子の、少なくとも溶湯が接触する箇所を銅または銅合金で構成し、
   鋳造初期における前記金型のキャビティ温度を所定の型温度に設定し、かつ、前記分流子の鋳造初期の温度を６５℃以下に設定して、鋳造を行うことを特徴とする鋳造方法。
2. 前記分流子は、その内部に、該分流子を冷却する冷却回路を有する鋼製の冷却部材を有していることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。

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