JP2013059775A

JP2013059775A - 鋳物製品の製造方法、鋳物製品及び鋳造用金型装置

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Publication number: JP2013059775A
Application number: JP2011198447A
Authority: JP
Inventors: Takanori Matsui; 孝憲松井; Tadashi Fukuda; 正福田; Kenichi Taniguchi; 兼一谷口; Hideo Takizawa; 英男瀧澤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; MMC Superalloy Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; MMC Superalloy Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】製品内部における引け巣、面引け及び湯境の発生を抑制でき、寸法精度及び強度が確保された鋳物製品を製造する鋳物製品の製造方法を提供する。
【解決手段】鋳造用金型装置２０に金属溶湯を供給して凝固させる工程を備え、鋳造用金型装置２０には、製品成形部２１と、製品成形部２１の下方側から溶湯を供給する湯道部２２と、が設けられ、湯道部２２には、製品成形部２１と湯道部２２とが接する接続部２６の水平投影面の面積よりも水平断面積の大きい湯溜り部２３が形成されており、湯溜り部２３は、接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域の体積に対して１００％以上５００％以下の容量を有するとともに、湯溜り部２３の上端から下方に向って接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の最小高さ以上の高さ範囲においては、水平断面の断面積が接続部２６の水平投影面の面積の１００％以上２００％以下とされている。
【選択図】図２

Description

この発明は、鋳造用金型装置に金属溶湯を供給して凝固することで製造される鋳物製品の製造方法、鋳物製品及び鋳造用金型装置に関するものである。
特に、マニュアルトランスミッション（オートマティックマニュアルトランスミッション，デュアルクラッチトランスミッション等の自動制御機能を持つものも含む）用シンクロナイザーリングおよび各種ブッシュ，スリーブ，ライナー等の円筒状部品を鋳物製品として製造する方法に関するものである。

従来、前述のシンクロナイザーリング等の円筒状部品は、例えば半連続鋳造法で得られた円柱状のインゴットに対して熱間押出加工や鍛造加工を行い、さらに機械加工等を行うことによって製造されていた。
最近では、製品の需給変動に柔軟に対応し、かつ、低価格化の要望に応えるために，製造リードタイムの短縮や歩留り改善等によるコストダウンが求められている。しかしながら、上述のような製造工程では、製造リードタイムの短縮をこれ以上推進することは非常に困難であった。

一方、特許文献１，２には、溶湯に大気圧＋αの圧力を掛けて鋳造する低圧鋳造法によって、鋳物製品を製造する技術が提案されている。
この低圧鋳造法においては、溶解原料の低減を図ることができるとともに、最終製品形状に近似した鋳物製品を製造可能である。このため、低圧鋳造法を適用することにより、製造リードタイムの短縮やコストダウンを図ることが可能となる。なお、この低圧鋳造法では、溶湯を加圧していることから押し湯効果を得ることが可能であることから、歩留まりを向上させるために、通常、溶湯を供給するための湯道が極力短くなるように、金型が設計されている。

特開平０５−２７７６９７号公報特開平０６−０３９５１９号公報

しかしながら、低圧鋳造法では、最終凝固部に大きな引け巣や面引けが発生したり、不特定の位置で湯境が発生したりすることがある。このため、寸法形状の確保や強度の確保ができないおそれがあった。また、低圧鋳造の後に塑性加工等を行う場合には、塑性加工時に割れが発生してしまうおそれがあった。
このようなことから、シンクロナイザーリング等のように荷重が負荷される部品の製造には、低圧鋳造法を適用することができなかった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、製品内部における引け巣、面引け及び湯境の発生を抑制でき、寸法精度及び強度が確保された鋳物製品を製造する鋳物製品の製造方法及び鋳物製品、並びに、この鋳物製品の製造方法に用いられる鋳造用金型装置を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の鋳物製品の製造方法は、鋳造用金型装置に金属溶湯を供給して凝固させる工程を備えた鋳物製品の製造方法であって、前記鋳造用金型装置には、製品成形部と、前記製品成形部の下方に接続された湯道部と、が設けられ、前記湯道部には、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の水平投影面の面積よりも水平断面積の大きい湯溜り部が形成されており、前記湯溜り部は、前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積に対して１００％以上５００％以下の容量を有するとともに、前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲においては、水平断面の断面積が前記接続部の水平投影面の面積の１００％以上２００％以下とされていることを特徴としている。

このような構成とされた本発明の鋳物製品の製造方法においては、製品成形部の下方に湯道部が配設され、この湯道部に湯溜り部が形成されており、この湯溜り部の容量や形状が上述のように規定されているので、最終凝固部が製品成形部以外の部分、すなわち、湯道部及び湯溜り部に位置することになり、鋳物製品の内部に、引け巣や面引け等の欠陥が生じることを抑制できる。よって、寸法精度及び強度に優れた鋳物製品を製造することが可能となる。

なお、前記湯溜り部の容量が前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積の１００％未満の場合、あるいは、前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲における水平断面の断面積が前記接続部の水平投影面の面積の１００％未満である場合には、最終凝固部が製品成形部に位置するおそれがある。
一方、前記湯溜り部の容量が、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積の５００％超である場合、あるいは、前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲における水平断面の断面積が前記接続部の水平投影面の面積の２００％超である場合には、必要以上に湯溜り部が大きくなり、歩留まりが低下してしまう。

以上のことから、前記湯溜り部の容量を、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積に対して１００％以上５００％以下とし、前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲における水平断面の断面積を前記接続部の水平投影面の面積の１００％以上２００％以下としている。

なお、前記湯溜り部の容量を、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積の１００％以上３００％以下とすることが好ましい。
また、前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最大高さ以上の高さ範囲における水平断面の断面積を前記接続部の水平投影面の面積の１００％以上２００％以下とすることが好ましい。

ここで、本発明の鋳物製品の製造方法においては、前記湯溜り部の上端と前記製品成形部の下端との距離が、前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最大高さ以下とされていることが好ましい。
この場合、最終凝固部を確実に湯道部側へと位置させることが可能となる。なお、この作用効果を確実に奏功せしめるために、前記湯溜り部の上端と前記製品成形部の下端との距離を、前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以下とすることが好ましい。

また、前記接続部の水平投影面の面積が、当該水平投影面の直上に位置する前記製品成形部の領域における前記水平投影面に垂直な最小断面積の８０％以上２００％以下とされていることが好ましい。
この場合、接続部から製品成形部への湯流れが安定することになり、製品成形部に湯境が発生することを確実に抑制することが可能となる。

前記製品成形部との接点を含む断面であって面積が最小となる前記湯道部の断面の法線と前記接続部の中央における法線とが成す角度が１０°以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接続部における湯流れが安定することになり、製品成形部へと溶湯を安定して供給することができ、製品成形部に湯境が発生することを確実に抑制することが可能となる。また、最終凝固部を湯道部及び湯溜り部へと確実に位置させることが可能となる。

本発明の鋳物製品は、前述の鋳物製品の製造方法によって製造されたことを特徴としている。
この構成の鋳物製品においては、内部に引け巣、面引け等がなく、寸法精度及び強度に優れることになる。よって、荷重が負荷される部品としても適用することができる。

本発明の鋳造用金型装置は、製品成形部と、前記製品成形部の下方に接続された湯道部と、を有し、前記湯道部には、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の水平投影面の面積よりも水平断面積の大きい湯溜り部が形成されており、前述の鋳物製品の製造方法において用いられることを特徴としている。
この構成の鋳造用金型装置においては、前述の鋳物製品の製造方法を実施することができ、鋳物製品の内部に引け巣や面引け等の欠陥が生じることを抑制できる。よって、寸法精度及び強度に優れた鋳物製品を製造することが可能となる。

本発明によれば、製品内部における引け巣、面引け及び湯境の発生を抑制でき、寸法精度及び強度が確保された鋳物製品を製造する鋳物製品の製造方法及び鋳物製品、並びに、この鋳物製品の製造方法に用いられる鋳造用金型装置を提供することができる。

本発明の実施形態である鋳物製品の斜視図である。本発明の実施形態である鋳造用金型装置の概略断面説明図である。本発明の実施形態である鋳物製品の製造方法を示すフロー図である。図２に示す鋳造用金型装置の内部における凝固状態を示す説明図である。本発明の他の実施形態である鋳造用金型装置の概略断面説明図である。図５に示す鋳造用金型装置の内部における凝固状態を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態である鋳物製品、鋳物製品の製造方法及び鋳造用金型装置について、図１から図３を参照して説明する。

本実施形態である鋳物製品１０は、自動車等に用いられるマニュアルトランスミッション用のシンクロナイザーリングの素材であり、荷重が負荷される部品となるものである。本実施形態である鋳物製品１０は、図１に示すように、貫通孔を有するとともに、軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。
この鋳物製品１０は、例えば、ＭＢＡ２、ＭＢＡ５、ＭＢＡ５２（ＭＭＣスーパーアロイ株式会社製）といった高力黄銅で構成されている。

ここで、本実施形態である鋳物製品１０は、溶湯に大気圧＋αの圧力を掛けて鋳造する低圧鋳造法によって製造される。
本実施形態では、図２に示す鋳造用金型装置２０を用いて、鋳物製品１０を製造することになる。

この鋳造用金型装置２０は、図２に示すように、製品成形部２１と、この製品成形部２１の下方に接続された湯道部２２と、を備えている。この湯道部２２には、湯溜り部２３と、湯溜り部２３への溶湯を供給する溶湯供給路２４と、が形成されている。
本実施形態では、製品成形部２１のうち鋳物製品１０の側壁部の外周面となる位置に湯道部２２が接続されている。また、本実施形態では、湯溜り部２３は、概略円板状をなしている。

ここで、湯溜り部２３の容積Ｖは、製品成形部２１と湯道部２２とが接する接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの体積Ｖ_０に対して、１×Ｖ_０≦Ｖ≦５×Ｖ_０の範囲内とされ、好ましくは、１×Ｖ_０≦Ｖ≦３×Ｖ_０の範囲内とされている。
また、湯溜り部２３の上端から下方に向かって接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最小高さＨ_ｍｉｎ以上の高さ範囲、好ましくは接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最大高さＨ_ｍａｘ以上の高さ範囲では、湯溜り部２３の水平断面の断面積Ａが、接続部２６の水平投影面Ａ_０に対して、１×Ａ_０≦Ａ≦２×Ａ_０の範囲内とされている。

ここで、湯溜り部２３の上端と製品成形部２１の下端との距離ｈは、接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最大高さＨ_ｍａｘ以下とされている。
また、湯道部２２のうち製品成形部２１への開口面積、すなわち、接続部２６の水平投影面の面積Ａ_０が、当該水平投影面の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚにおける水平投影面に垂直な最小断面積Ａ_ｍｉｎに対して、０．８×Ａ_ｍｉｎ≦Ａ_０≦２×Ａ_ｍｉｎの範囲内とされている。

さらに、湯道部２２は、製品成形部２１との接点を含む断面であって面積が最小となる断面の法線Ｌ１と、接続部２６の中央における法線Ｌ２と、が成す角度が１０°以下とされている。本実施形態では、湯道部２２が接続部２６に対して鉛直方向下方に向けて延在していることから、上述の法線Ｌ１と法線Ｌ２とが一致することになる。

次に、このような構成とされた鋳造用金型装置２０を用いて本実施形態である鋳物製品１０を製造する方法について、図３を用いて説明する。

（溶解工程Ｓ０１）
まず、ＭＢＡ２、ＭＢＡ５、ＭＢＡ５２（ＭＭＣスーパーアロイ株式会社製）といった高力黄銅の溶湯を溶製する。溶解原料を調製して、低周波誘導溶解炉で溶解することで、所定の組成の銅合金溶湯を得る。

（銅溶湯供給工程Ｓ０２）
次に、得られた銅合金溶湯を、図２に示す鋳造用金型装置２０に供給する。このとき、溶湯温度を、融点＋１０℃以上融点＋２００℃以下とし、到達圧力を大気圧＋０．２ｂａｒ以上大気圧＋１ｂａｒ以下の範囲内とする。
すると、銅合金溶湯は、湯道部２２を介して、製品成形部２１へ供給される。

（凝固工程Ｓ０３）
鋳造用金型装置２０に供給された銅合金溶湯を凝固させる。このとき、図４に示すように、製品成形部２１から凝固が進行していき、最終凝固部３０が、製品成形部２１の外部、すなわち、湯道部２２（湯溜り部２３）に位置することになる。このようにして、鋳造成形品が成形される。

（加工工程Ｓ０４）
そして、凝固工程Ｓ０３によって得られた鋳造成形品に対して機械加工等を行うことによって、図１に示す鋳物製品１０（シンクロナイザーリング素材）が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態である鋳物製品１０、鋳物製品１０の製造方法及び鋳造用金型装置２０によれば、製品成形部２１の下方に湯道部２２が配設され、この湯道部２２に湯溜り部２３が形成されており、図４に示すように、最終凝固部３０が製品成形部２１以外の湯道部２２（湯溜り部２３）に位置する構成とされているので、鋳物製品１０の内部に、引け巣や面引け等の欠陥が生じることを抑制できる。よって、寸法精度及び強度に優れた鋳物製品１０を製造することが可能となる。

すなわち、湯溜り部２３の容積Ｖは、製品成形部２１と湯道部２２とが接する接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの体積Ｖ_０に対して、１×Ｖ_０≦Ｖ≦５×Ｖ_０の範囲内とされ、好ましくは、１×Ｖ_０≦Ｖ≦３×Ｖ_０の範囲内とされているので、湯溜り部２３に貯留される銅合金溶湯が十分確保され、最終凝固部３０を湯溜り部２３側へと位置させることが可能となるのである。なお、湯溜り部２３の容積Ｖを必要以上に大きくすると、歩留まりが低下してしまうため、Ｖ≦５×Ｖ_０、好ましくは、Ｖ≦３×Ｖ_０と上限を規定しているのである。

また、湯溜り部２３の上端から下方に向かって接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最小高さＨ_ｍｉｎ以上の高さ範囲、好ましくは接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最大高さＨ_ｍａｘ以上の高さ範囲では、湯溜り部２３の水平断面の断面積Ａが、接続部２６の水平投影面Ａ_０に対して、１×Ａ_０≦Ａ≦２×Ａ_０の範囲内とされているので、湯道部２２側における湯溜り部２３の大きさが確保されることになり、最終凝固部３０を湯溜り部２３側へと位置させることが可能となる。

本実施形態では、湯溜り部２３の上端と製品成形部２１の下端との距離ｈは、接続部２６の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚの最大高さＨ_ｍａｘ以下とされているので、最終凝固部３０を確実に湯道部２２（湯溜り部２３）側へと位置させることが可能となる。

また、湯道部２２のうち製品成形部２１への開口面積、すなわち、接続部２６の水平投影面の面積Ａ_０が、当該水平投影面の直上に位置する製品成形部２１の領域Ｚにおける水平投影面に垂直な最小断面積Ａ_ｍｉｎに対して、０．８×Ａ_ｍｉｎ≦Ａ_０≦２×Ａ_ｍｉｎの範囲内とされているので、接続部２６から製品成形部２１に向けての湯流れが安定することになり、製品成形部２１に湯境が発生することを確実に抑制することが可能となる。

さらに、湯道部２２は、製品成形部２１との接点を含む断面であって面積が最小となる断面の法線Ｌ１と、接続部２６の中央における法線Ｌ２と、が成す角度が１０°以下とされ、本実施形態では、上述の法線Ｌ１と法線Ｌ２とが一致させられているので、接続部２６における湯流れが安定することになり、製品成形部２１へと銅合金溶湯を安定して供給することができる。また、最終凝固部３０を湯道部２２及び湯溜り部２３へと確実に位置させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、製品成形部２１のうち鋳物製品１０の側壁部の外周面となる位置に湯道部２２が接続された構造の鋳造用金型装置２０を用いて説明したが、これに限定されることはなく、図５に示すように、製品成形部１２１のうち鋳物製品１０の側壁部の端面となる位置に湯道部１２２が接続された構造の鋳造用金型装置１２０であってもよい。この場合であっても、図６に示すように、最終凝固部１３０は、製品成形部１２１以外の湯道部１２２（湯溜り部１２３）に位置することになる。

また、本実施形態では、湯溜り部２２が概略円板状をなすものとして説明したが、これに限定されることはなく、球状、円錐台状、四角柱状、円柱状等であってもよい。
さらに、鋳物製品１０が自動車等に用いられるマニュアルトランスミッション用のシンクロナイザーリングの素材であるとして説明したが、これに限定されることはなく、他の部品等に用いられるものであってもよく、用途に限定はない。また、鋳造用金型を用いて得られた鋳造成形品を加工することによって得られる部品（例えば、シンクロナイザーリング等）も、本発明の鋳物製品に含まれる。すなわち、上述の鋳造用金型装置に金属溶湯を供給して凝固させる工程を有していれば、他の工程に限定はなく、加工工程や切削工程等を備えていてもよい。

また、鋳物製品１０を、例えば、ＭＢＡ２、ＭＢＡ５、ＭＢＡ５２（ＭＭＣスーパーアロイ株式会社製）といった高力黄銅で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、低圧鋳造法によって鋳物製品１０を成形するものとして説明したが、これに限定されることはなく、鋳造用金型装置２０に対して下方から溶湯を供給する構成であればよい。

本発明の作用効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
図２に示す形状の鋳造用金型装置において、湯道部、湯溜り部の寸法を表１に示すように変更して、各種鋳造用金型装置を準備した。なお、製品成形部のサイズは、外径６０ｍｍ，内径５０ｍｍ、高さ１０ｍｍとした。

これらの鋳造用金型装置に供給する溶湯として、Ｚｎ−６２．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−３ｍａｓｓ％Ａｌ−３ｍａｓｓ％Ｍｎ−１ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．２ｍａｓｓ％Ｃｒ−０．３ｍａｓｓ％Ｎｉの組成の銅合金溶湯を、低周波溶解炉で１．８トンを溶製した。
この銅合金溶湯を、溶湯温度が１０２０℃、到達圧力が大気圧＋０．４０５ｂａｒの条件で低圧鋳造を行った。

製造された鋳物製品について以下のような評価を行った。
寸法精度の評価として、リング円周上の１２０°間隔の位置において肉厚及び高さを測定し、その最大値と最小値との差を算出した。なお、最大値と最小値との差が０．３ｍｍ以下であれば合格と判定した。
湯境については、深さ０．５ｍｍ以上の局所的な線状欠陥の有無として評価した。
引け巣の有無については、Ｘ線透過試験によって評価した。リングの対称軸方向から管電圧１７０ｋｖｐで１ｍｉｎ照射、製品成形部−湯道部−湯溜り部に亘る領域における最終凝固部の引け巣の位置を判定した。
評価結果を表１に示す。

湯溜り部の容積Ｖが、製品成形部と湯道部とが接する接続部の直上に位置する製品成形部の領域の体積Ｖ_０の１００％以上５００％以下の範囲内とされるとともに、湯溜り部の上端から下方に向かって接続部の直上に位置する製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲において、湯溜り部の水平断面の断面積Ａが、接続部の水平投影面Ａ_０の１００％以上２００％以下の範囲内とされた本発明例１−１４においては、寸法精度が十分であり、引け巣及び湯境が確認されなかった。

１０鋳物製品
２０、１２０鋳造用金型装置
２１、１２１製品成形部
２２、１２２湯道部
２３、１２３湯溜り部
２６、１２６接続部

Claims

鋳造用金型装置に金属溶湯を供給して凝固させる工程を備えた鋳物製品の製造方法であって、
前記鋳造用金型装置には、製品成形部と、前記製品成形部の下方に接続された湯道部と、が設けられ、
前記湯道部には、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の水平投影面の面積よりも水平断面積の大きい湯溜り部が形成されており、
前記湯溜り部は、前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の体積に対して１００％以上５００％以下の容量を有するとともに、
前記湯溜り部の上端から下方に向って前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最小高さ以上の高さ範囲においては、水平断面の断面積が前記接続部の水平投影面の面積の１００％以上２００％以下とされていることを特徴とする鋳物製品の製造方法。
前記湯溜り部の上端と前記製品成形部の下端との距離が、前記接続部の直上に位置する前記製品成形部の領域の最大高さ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の鋳物製品の製造方法。
前記接続部の水平投影面の面積が、当該水平投影面の直上に位置する前記製品成形部の領域における前記水平投影面に垂直な最小断面積の８０％以上２００％以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋳物製品の製造方法。
前記製品成形部との接点を含む断面であって面積が最小となる前記湯道部の断面の法線と前記接続部の中央における法線とが成す角度が１０°以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鋳物製品の製造方法。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鋳物製品の製造方法によって製造されたことを特徴とする鋳物製品。
製品成形部と、前記製品成形部の下方に接続された湯道部と、を有し、前記湯道部には、前記製品成形部と前記湯道部とが接する接続部の水平投影面の面積よりも水平断面積の大きい湯溜り部が形成されており、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鋳物製品の製造方法において用いられることを特徴とする鋳造用金型装置。