JP2014213353A - 鋳造棒・管製造装置及びその装置に用いられる金属材料鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料の内部組織が改善され、様々な断面形状を有する鋳造棒・管を品質良く、生産性を高く得ることを目指す。
【解決手段】鋳造棒・管製造装置は、溶解した鋳造材料を保持する溶湯炉１１と、溶湯が侵入する溶湯侵入部１５を有し、前記溶湯炉１１に繋がる鋳物形成部１３と、を備えた鋳造棒・管製造装置において、前記鋳物形成部１３の回りに配置した磁界発生部１７に電流を流して、電流と磁界との間に相互に働く電磁力の作用により、溶湯の流通を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳造棒・管製造装置及びその装置に用いられる金属材料鋳造方法に関する。

例えば、マグネシウム合金は、軽量であるので、マグネシウム合金を加工用の素材として用いることにより、省エネルギーが可能となる。また、マグネシウム合金は、プラスチックと比較して、リサイクルしやすいことが知られている。そして、特許文献１には、マグネシウム合金のリサイクル方法が開示されている。

マグネシウム合金の製造方法として、砂型鋳造法（例えば、特許文献２参照）やダイカスト（例えば、特許文献３参照）などが知られている。

ダイカストは、鋳造法の一であり、アルミニウム合金や亜鉛合金などを溶融したものを、圧力によって特殊鋼の精密な金型（ダイス）に圧し込んで鋳物を得る方法である。ダイカストによれば、寸法が正確であるので、仕上げがほとんど不要であり、かつ、大量生産が可能である。

特開２０００−２２６６２１号公報 特開平２−２７４３６６号公報 特開平２−１９２８６９号公報

しかしながら、特許文献３に記載のダイカストによる鋳物の製造方法は、高速で溶湯を金型に圧入するため、鋳物の内部に空気が含まれて、巣ができてしまうという課題があった。また、金型の隅への溶湯の不充填による不良品の発生率が高いという課題があった。

さらに、砂型鋳造法に用いられる砂型に比べ、ダイカストに用いられる金型は、熱伝導率が高いので、溶湯の冷却速度が高く、湯境が発生しやすい。したがって、肉厚品や高い粘度を必要とする部品等への適用が難しいという課題があった。

これに対して、特許文献２に記載の砂型鋳造法による鋳物の製造方法は、溶湯の冷却が緩慢であるため、生産性が高いとはいえなかった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされた発明であり、その目的は、鋳造された金属材料の内部組織の改善を図るとともに、多様な形状に対応可能であり、また、生産性が高い鋳造棒・管製造装置及びその装置に用いられる金属材料鋳造方法を提供することにある。

本発明に係る鋳造棒・管製造装置は、溶解した鋳造材料を保持する溶湯炉と、溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に繋がる鋳物形成部と、を備えた鋳造棒・管製造装置において、前記鋳物形成部の回りに配置した磁界発生部に電流を流して、電流と磁界との間に相互に働く電磁力の作用により、溶湯の流通を制御することを特徴とするものである。

また、本発明によれば、溶湯を前記鋳物形成部に流すことにより生じた起電力によって、前記磁界発生部に発生した磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動することができる。

またさらに、本発明によれば、前記磁界発生部によって発生した磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進することができる。

さらには、本発明によれば、前記磁界発生部が、少なくとも２カ所設置され、前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動するとともに、前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進することができる。

本発明に係る金属材料鋳造方法は、溶解した鋳造材料を前記溶湯炉に保持させ、前記溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に繋がる前記鋳物形成部が配置され、前記鋳物形成部の回りに配置した前記磁界発生部に電流を流して、電流と磁界との間に相互に働く電磁力の作用により、溶湯の流通を制御させることを特徴とするものである。

また、本発明によれば、溶湯を前記鋳物形成部に流すことにより生じた起電力によって、前記磁界発生部に発生した磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動させることができる。

またさらに、本発明によれば、前記磁界発生部によって発生した磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進させることができる。

さらには、本発明によれば、前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進させるとともに、前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動させることができる。

本発明によれば、金属材料の内部組織が改善され、様々な断面形状を有する鋳造棒・管を品質良く製造することができる鋳造棒・管製造装置及びその装置に用いられる金属材料鋳造方法を提供することができるようになる。

また、本発明によれば、高い生産性を有する鋳造棒・管製造装置及びその装置に用いられる金属材料鋳造方法を提供することができる。

第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を示す図である。 第一の実施形態に係る磁界発生部の電流及び磁界の向きを示す図である。 第二の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を示す図である。 第二の実施形態に係る磁界発生部の電流及び磁界の向きを示す図である。 第三の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を示す図である。 第三の実施形態に係る磁界発生部の電流及び磁界の向きを示す図である。 第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の実施例を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図を用いて説明する。なお、以下の実施形態及び実施例は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態及び実施例の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第一の実施形態］
図１は、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０の構成例を示す図である。

図１に示すように、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０は、溶湯炉１１と、溶湯侵入部１５と、鋳物形成部１３と、磁界発生部１７とを含む。

溶湯炉１１は、溶解した鋳造材料を溶湯として保持するるつぼである。

鋳造材料は、軽金属材料を主成分として構成される。軽金属とは、比重が概ね４〜５以下の金属の総称であり、アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、チタン、アルカリ金属やアルカリ土類金属にこれらを主体とする合金のことをいう。すなわち、第一の実施形態に係る軽金属材料には、マグネシウムやアルミニウムなどが含まれる。なお、第一の実施形態に係る軽金属材料に対しては、カルシウムや、亜鉛などを添加物として添加することとしてもよい。

鋳物形成部１３は、「鋳型」の役割を担う。鋳物形成部１３には、溶湯が侵入する溶湯侵入部１５が形成されている。また、鋳物形成部１３の素材としては、例えば、鉄系材料などが用いられる。

溶湯侵入部１５は、鋳物形成部１３の長手方向の一端側に形成され、溶湯が侵入する部分であり、溶湯を鋳物形成部１３内に侵入させる侵入口として構成される。

磁界発生部１７は、例えば、鋳物形成部１３に対して、管状に電線を巻いたものであるソレノイドを装着することによって、形成される。

鋳物形成部１３のまわりに装着されたソレノイドに電流を流すと、導線の中にある電荷には、力が働き、鋳物形成部１３の内部には、一様な磁界が生じる。磁界は、ソレノイドの方向に平行となる。なお、この磁界は、純直流磁界よりは、交流磁界か、または、脈動する直流磁界であることが好ましい。

このように、電流と磁界との相互間に働く力を電磁力という。電磁力は、電流の向きなどによって、変化する。

以上、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０の構成例を説明した。次に、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０の磁界発生部１７周辺の電磁力について説明する。

図２は、第一の実施形態に係る磁界発生部１７の電磁力による、電流及び磁界の向きを示す図である。

ここで、磁界が生じる鋳物形成部１３の内部を導電体である溶湯が流れると、鋳物形成部１３の内部にある電荷に働く力と定常状態を保つために、起電力が生じる。このような起電力は、電磁誘導によるものである。

すなわち、溶湯が、磁界が生じる鋳物形成部１３の内部を流れ、導電体である溶湯の磁束密度が変化することによって、生じた起電力は、磁界の中の動きによって電荷に働く力を打ち消すような向きに働く。

このようにして生じた起電力によって、電流が流れる。誘導される電流は、磁束密度の変化を妨げる方向に生じるので、図２に示すように、誘導電流の方向は、鋳物形成部１３の外部の起磁電流の方向とは逆になる。また、図２に示すように、磁界の方向は、右ねじの法則により、溶湯の流れを制動する方向となる。

逆方向に流れる電流同士には、吸引力が作用し、溶湯は鋳物形成部１３の壁に引かれる。したがって、溶湯が鋳物形成部１３内の隅まで充填されるので、様々な断面形状を有する鋳造棒・管を品質良く製造することができる。

また、ソレノイドに流した電流と逆向きの誘導電流とによって、引力が作用する。したがって、溶湯の流れは制動され、溶湯の凝固を制御することが可能である。つまり、電流同士の引力と磁界とにより、溶湯の流れを制動することによって、ソレノイドと溶湯炉１１の間で圧縮力を作用させ、鋳造される金属材料の内部組織の改善が可能となる。

以上、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０の構成例を説明した。次に、第二の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置２０について説明する。なお、以下で説明する実施形態例について、上述した第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１０と同一又は類似する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

［第二の実施形態］
図３は、第二の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置２０の構成例を示す図である。

図３に示すように、第二の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置２０は、溶湯炉１１と、溶湯侵入部１５と、鋳物形成部１３と、磁界発生部２７とを含む。

第二の実施形態に係る磁界発生部２７は、例えば、多相で周波数を変化できるようにした電源でソレノイドを構成する。

図４は、第二の実施形態に係る磁界発生部の電磁力による、電流及び磁界の向きを示す図である。

上述したように、鋳物形成部１３のまわりに装着されたソレノイドに電流を流すと、鋳物形成部１３の内部には、一様な磁界が生じる。図４に示すように、第二の実施形態に係る磁界発生部２７により、生じる磁界の向きは、ソレノイドの方向と平行であり、かつ、鋳物形成部１３の長手方向一端側に形成された溶湯侵入部１５から、鋳物形成部１３の長手方向の他端側への方向になる。

このような構成により、鋳物形成部１３の長手方向の一端側に形成された溶湯侵入部１５から侵入する溶湯の流通を、鋳物形成部１３の長手方向の他端側へ促進させることができる。

したがって、凝固速度と鋳造速度との関係で、連続鋳造が可能となる。よって、鋳造される金属材料の内部組織を改善するとともに、高い生産性を有する鋳造棒・管製造装置２０を実現することができる。

以上、第二の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置２０の構成例を説明した。次に第三の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置３０について説明する。

［第三の実施形態］
図５は、第三の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置３０の構成例を示す図である。

図５に示すように、第三の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置３０は、溶湯炉１１と、溶湯侵入部１５と、鋳物形成部１３と、少なくとも二カ所の磁界発生部、第一の磁界発生部３７と第二の磁界発生部３８とを含む。

ここで、図６は、第三の実施形態に係る磁界発生部の電磁力による、電流及び磁界の向きを示す図である。

図６に示す磁界発生部２７は、例えば、多相で周波数を変化できるようにした電源でソレノイドを構成する。そして、第一の磁界発生部３７により生じる磁界の向きは、ソレノイドの方向と平行であり、かつ、鋳物形成部１３の長手方向一端側に形成された溶湯侵入部１５から、鋳物形成部１３の長手方向の他端側への方向になる。このような構成により、鋳物形成部１３の長手方向の一端側に形成された溶湯侵入部１５から侵入する溶湯の流通を、鋳物形成部１３の長手方向の他端側へ促進させることができる。

また、上述したように、磁界が生じる鋳物形成部１３の内部を導電体である溶湯が流れると、鋳物形成部１３の内部にある電荷に働く力と定常状態を保つために、起電力が生じ、誘導電流が流れる。図６に示すように、誘導電流の方向は、鋳物形成部１３の外部の起磁電流の方向とは逆になる。また、磁界の方向は、溶湯の流れを制動する方向となる。したがって、電流同士の引力と磁界とによって、溶湯の流れは制動され、溶湯の凝固を制御することが可能である。

したがって、第一の磁界発生部３７によって、溶湯形成部１３の内部で、溶湯を移動させることができるとともに、第二の磁界発生部３８によって、溶湯の流通を制動し、その間で圧縮力を作用させ、鋳造される金属材料の内部組織の改善が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記の各実施形態に記載の範囲には限定されない。上記の各実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

次に、本発明に係る鋳造棒・管製造装置の実施例について、図を用いて説明する。なお、以下で説明する実施例について、上述した実施形態に係る鋳造棒・管製造装置と同一又は類似する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

［実施例］
図７は、第一の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置４０の実施例を示す図である。

本実施例に係る鋳造棒・管製造装置４０は、溶湯炉１０と、溶湯侵入部１５と、鋳物形成部１３と、磁界発生部１７と、減圧装置４１と、接続部材４８とを含む。

減圧装置４１は、鋳物形成部１３の内部を減圧するための装置であり、例えば、真空チャンバー４２と、真空ポンプ４６とを含んで構成される。減圧装置４１は、鋳造材料や製造目的などの各種条件に応じて、圧力を調整可能に構成される。

真空チャンバー４２は、吸引部４３と抜気口４４とを備え、負圧状態の密閉空間を安定的に維持するための容器である。また、真空チャンバー４２は圧力計４５を備える。

吸引部４３は、真空ポンプ４６にて生成した負圧状態に基づく吸引力を鋳物形成部１３内に伝達するために、接続部材４８を介して吸引口部１９と接続される。

抜気口４４は、負圧状態を生成するために真空ポンプ４６の吸気口４７と接続される。

圧力計４５は、真空ポンプ４６の稼働により変化する真空チャンバー４２内部の圧力を計測可能にする。

真空ポンプ４６は、吸気口４７やポンプ（不図示）などを備え、ポンプの吸気作用により真空チャンバー４２内の気体を吸気口４７から吸気する。なお、本例では、特に図示していないが、真空ポンプ４６は、その構造上において、排気の必要がある場合には、排気口を備える。

接続部材４８は、鋳物形成部１３の吸引口部１９と、真空チャンバー４２の吸引部４３とを接続し、吸引口部１９及び吸引部４３間の空気を通すことができるように構成される。

接続部材４８は、柔軟性が高く、中空状に形成され、中空状の内部を負圧にした場合であっても破損等の不具合が生じない材質のものを用いる。したがって、接続部材４８は、例えば、シリコン製のチューブなどを用いる。

弁部材４９は、接続部材４８に設置され、開閉自在に構成される。弁部材４９が開放状態であるときは、鋳物形成部１３内の気体と真空チャンバー４２の気体とが、流通している状態となる。一方で、弁部材４９が閉鎖状態であるときには、鋳物形成部１３内の気体と真空チャンバー４２の気体とが、流通していない状態となる。すなわち、弁部材４９が閉鎖状態であるときは、弁部材４９と真空チャンバー４２との間でのみ、気体が流通していることとなる。

以上、本実施例に係る鋳造棒・管製造装置４０の構成例を説明した。次に、本実施例に係る鋳造棒・管製造装置４０の動作例について説明する。ここでは、弁部材４９が開放状態となっており、減圧装置４１が稼働していない状態から説明を始める。

まず、弁部材４９を閉鎖状態に移行する。弁部材４９が閉鎖状態に移行することにより、鋳物形成部１３及び真空チャンバー４２間は、空気が流通していない状態となる。したがって、弁部材４９及び真空チャンバー４２間は、密閉された状態となる。

弁部材４９が閉鎖状態に移行したあとに、真空ポンプ４６を稼働する。真空ポンプ４６が稼働することにより、弁部材４９及び真空チャンバー４２間における密閉空間の圧力は低下する。

真空ポンプ４６が稼働して、圧力計４５が示す密閉空間内の圧力が所定の圧力になったときに、真空ポンプ４６の稼働を停止させる。このときの所定の圧力は、適宜変更可能である。その後、弁部材５０を閉鎖状態から開放状態に移行する。

弁部材４９が開放状態に移行すると、弁部材４９を境界とした鋳物形成部１３内側と真空チャンバー４２側との圧力差により、鋳物形成部１３内の気体は、吸引口部１９へと吸い込まれる。鋳物形成部１３内の気体が吸引口部１９へと吸い込まれることに伴い、溶湯が溶湯侵入部１５から鋳物形成部１３内へと一気に侵入していく。このように、圧力差を用いて吸入する構成としているので、鋳造棒・管製造の過程にて、減圧状態で溶湯を固化させることができる。

そして、上述したように、誘導電流と磁界とにより、溶湯の流れを制動することによって、溶湯には、ソレノイドと溶湯炉１１の間で圧縮力が働き、鋳造された金属材料の内部組織の改善につながることとなる。

また、溶湯が凝固するまで溶湯の吸引を継続すると、凝固したときに溶湯中の空気が吸引されることとなり、脱ガス効果が生じる。そのため、凝固した材料において巣などの内部欠陥の発生を好適に防止することができ、より品質の高い鋳造棒・管を得ることができるようになる。

以上、本発明に係る鋳造棒・管製造装置の実施例について説明した。なお、鋳造製品の具体的な製造条件については、本発明を表した特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、適宜に選択・変更することができる。

例えば、図７を用いて説明した実施例の場合、鋳物形成部１３の内部に対して溶湯を供給する方法として真空引き上げの手法が採られていたが、本発明における溶湯の供給方法については、加圧押し上げや加圧と引き下げを組み合わせたような方法など、あらゆる手法を採用することが可能である。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０，２０，３０，４０ 鋳造棒・管製造装置、１１ 溶湯炉、１３ 鋳物形成部、１５ 溶湯侵入部、１７，２７ 磁界発生部、１９ 吸引口部、３７ 第一の磁界発生部、３８ 第二の磁界発生部、４１ 減圧装置、４２ 真空チャンバー、４３ 吸引部、４４ 抜気口、４５ 圧力計、４６ 真空ポンプ、４７ 吸気口、４８ 接続部材、４９ 弁部材。

Claims (8)

1. 溶解した鋳造材料を保持する溶湯炉と、
   溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に繋がる鋳物形成部と、
   を備えた鋳造棒・管製造装置において、
   前記鋳物形成部の回りに配置した磁界発生部に電流を流して、電流と磁界との間に相互に働く電磁力により、溶湯の流通を制御することを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
2. 請求項１に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   溶湯を前記鋳物形成部に流すことにより生じた起電力によって、前記磁界発生部に発生した磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動することを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
3. 請求項１に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記磁界発生部によって発生した磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進することを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
4. 請求項１に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記磁界発生部が、少なくとも２カ所設置され、
   前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動するとともに、
   前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進することを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
5. 溶解した鋳造材料を前記溶湯炉に保持させ、
   前記溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に繋がる前記鋳物形成部が配置され、
   前記鋳物形成部の回りに配置した前記磁界発生部に電流を流して、電磁力の作用により、溶湯の流通を制御させることを特徴とする金属材料鋳造方法。
6. 請求項５に記載の金属材料鋳造方法において、
   溶湯を前記鋳物形成部に流すことにより生じた起電力によって、前記磁界発生部に発生した磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動させることを特徴とする金属材料鋳造方法。
7. 請求項５に記載の金属材料鋳造方法において、
   前記磁界発生部によって発生した磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進させることを特徴とする金属材料鋳造方法。
8. 請求項５に記載の金属材料鋳造方法において、
   前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界が、前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を促進させるとともに、
   前記磁界発生部によって発生した少なくとも１つの磁界に対して逆向きの誘導電流が発生し、当該誘導電流によって前記溶湯侵入部に侵入する溶湯の流通を制動させることを特徴とする金属材料鋳造方法。

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