JP2014226713A - 高圧鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小物、薄物に限定することなく収縮巣のない、非金属介在物がない、流動性に優れた高強度の大物、厚物製品を得ることができる高圧鋳造方法を提供すること。【解決手段】スリーブから排出された溶湯が湯道入口から湯道の最終端である製品部空間部の湯口までに移動する間に、該溶湯温度が融点以上の液体の場合においては融点に対する過熱度１０℃未満に、融点未満の半液体においては液相率が４０％以上になる温度にした後、該溶湯を製品部空間部に射出することで、製品部空間部に５０μｍ以下の結晶を有する製品を製造することを特徴とする高圧鋳造方法。【選択図】図１

Description

この発明は、筒状のスリーブに溶湯を注ぎ、その後湯道を経由して金型に溶湯を射出充填し、その後高圧たとえば５０ＭＰａ以上で加圧して凝固させる高圧鋳造方法に関するものである。

従来より、高圧鋳造法においては２ｍ／ｓないし３ｍ／ｓ以上で溶湯を高速で射出して加圧凝固させるダイカスト法や溶湯を０．０５ｍ／ｓないし０．１ｍ／ｓの低速で充填して加圧凝固させる高圧鋳造法が知られている。

前者の高圧鋳造方法の課題としては、湯回りを改善することを目的として高速で射出するために空気を巻き込み鋳物の品質を低下させ、結果として材料強度が低下するという問題点があった。

このような空気巻き込み欠陥の対策としては、特に大型の薄物鋳物に対しては、金型空間中を減圧して鋳造する真空鋳造法(例えば、下記特許文献１参照)が知られている。

またこのような空気巻き込み欠陥の対策としては、スリーブを傾転させてラドルから注湯された溶湯を金型内に低速で射出することで空気の巻き込みを抑制したスクイーズ鋳造法が知られている。(例えば、下記特許文献２参照)同法は特に肉厚製品部の空間部の入り口である湯口面積が大きくすることで、製品内部への加圧効果を持続させて収縮巣を減少させることにおいても有利である。

また、収縮巣のさらなる低減と非金属介在物の混入防止を図ることで、溶湯を金型空間に射出するのではなく、予め融点以下に保持された半凝固メタルを射出して加圧凝固させるレオキャスト法が (例えば、下記特許文献３、下記特許文献４)が知られている。

また、スリーブ内で３０μm以下の粒子を発現させて射出成形するもので、その発現法はスリーブへの注湯量をスリーブ縦断面積の３０％以下にすることに特徴があり、従来にない簡便な方法によるレオキャスト法で、たとえば０．５ｍｍ厚みの製造を可能にした方法が知られている。(下記特許文献５参照)

特開平７−０１６７２７号公報 特開平５−１６１９５２号公報 特開平１０−１５７２３１号公報 特許３４９６８３３号公法 WQ２０１３／０３９２４７Ａ１

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来技術の鋳造法によれば、空気巻き込みを避けるためには型内の真空度を５ｋPa程度まで徹底にすることが求められ、スリーブから金型に至るすべての箇所で真空を保つために煩雑な管理が求められる。

また、特許文献２に開示された従来技術の鋳造法によれば、収縮巣が少なくかつ凝固時の冷却速度が速いために良好な機械的性質を示すものの、スリーブに静かに注湯しないとスリーブ内溶湯の湯面に酸化物を発生することになる。このため、機械的性質のばらつきが小さくするために金型製品空間入口にフィルターを設けたり、給湯ラドルの排出口をスリーブ底に近づけて注ぐ方式などを取る必要がある。

また、特許文献３、特許文献４に開示された半凝固法であるレオキャスト法は、空気巻き込みの防止、収縮巣の大幅低減、非金属介在物の混入防止を図る方法として注目される方法である。しかしながら、下記のような課題がまだ残る。
１）半凝固メタルの製造に既存鋳造機と別に装置が必要である。
２）半凝固状態のメタルを鋳造するため、完全液体の鋳造の場合に比較して流動性が劣る。その結果、湯境を発生する場合がある。また、０．５ｍｍ以下の薄肉部の成形は困難である。

このような半凝固鋳造の課題を解決する手段として、３０μｍ以下の微細球状初晶を得ることに着眼して、スリーブへの注湯量をスリーブ縦断面積の３０％以下にして射出することで、薄肉鋳物を簡便な方法で鋳造する特許文献５が開示されている。

しかし、鋳造する製品が大きくなる従い、また製品肉厚が大きくなるに従い、スリーブへの注湯量を制限するだけで、微細な初晶を有する製品をすることに限界がある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解決し、小物、薄物に限定することなく収縮巣のない、非金属介在物がない、流動性に優れた高強度の大物、厚物製品を得ることができる高圧鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る射出成形した製品に５０μｍ以下の結晶を与える手段である請求項１に係る発明は、スリーブから排出された溶湯が湯道入口から湯道の最終端である製品部空間部の湯口までに移動する間に、該溶湯温度が融点以上の液体の場合においては融点に対する過熱度１０℃未満に、融点未満の半液体においては液相率が４０％以上になる温度にした後、該溶湯を製品部空間部に射出することで、製品部空間部に５０μｍ以下の結晶を有する製品を製造することを特徴とする高圧鋳造方法である。

請求項２に係る発明は、遅くとも射出充填開始までに、湯道に相当する金型の表面の温度が２５０℃を超えないように製品部空間部とは独立して湯道温度を管理することを特徴とする請求項1記載の高圧鋳造方法である。
金型の表面の温度が２５０℃以下の場合、結晶核の発生が顕著に多くなり、その結果、成長した結晶の生成数、また、その破砕数が顕著に多くなるため、微細化組織がより得られやすい。２００℃以下がよりその傾向が強くなく。
請求項３に係る発明は、湯道に相当する金型の表面の温度が２００℃を超えないように製品部空間部とは独立して湯道温度を管理する請求国２記載の高圧鋳造方法である。
請求項４に係る発明は、前記湯道に相当する金型の全部又は一部は、製品部空間部に相当する金型の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成することを特徴とする請求項２又は３記載の高圧鋳造方法である。
請求項５に係る発明は、遅くとも射出充填開始までに、製品部空間部の金型とは独立して温度管理することも可能な溶湯冷却空間部をスリーブと該製品部空間部の湯口の間に設けることを特徴とする請求項1ないし４のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。

請求項６に係る発明は、前記溶湯冷却空間部に相当する金型の全部又は一部は、製品部空間部に相当する金型の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成することを特徴とする請求項５記載の高圧鋳造方法である。
請求項７に係る発明は、溶湯冷却空間部の容量は製品部空間部の容量の３０％以上２００％未満であることを特徴とする請求項５又は６記載の高圧鋳造方法である。

請求項８に係る発明は、溶湯冷却空間部の表面積が製品部空間部の表面積の３０％以上３００％未満であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。
請求項９に係る発明は、溶湯冷却空間部、湯道のいずれか一つ以上の表面は平滑面、凹凸を有する面、階段状の面、楔状のくぼみを有する面、渦状のくぼみを有する面、蛇状のくぼみを有する面の一種以上の異形の組み合わせからなることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。
請求項９に係る発明は、溶湯冷却空間部は溶湯の通過中に振動を加えることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。

請求項１１に係る発明は、溶湯冷却空間部と金型製品部空間部の間に流速調整空間部を設けることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。
請求項１２に係る発明は、溶湯冷却空間部、流速調整空間部、湯道のいずれか一つ以上に相当する部位は溶湯の通過中に振動を加えることを特徴とする請求項２ないし１１のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。

請求項１３に係る発明は、溶湯冷却空間部、流速調整空間部あるいは湯道のいずれか一つ以上が製品空間部への溶湯充填状況に合わせてその通過断面積を変えることを特徴とする請求項1ないし１２のいずれか１項記載の高圧鋳造方法である。
なお、上記の本発明に記載した湯道、溶湯冷却空間部、流速調整空間部について言葉を説明する。溶湯が保持されたスリーブの端から金型製品空間部までの全域を総称して湯道というが、その湯道の間に「溶湯冷却空間部」あるいは「溶湯冷却空間部と流速調整空間部」を設けた場合は、その湯道の残りの部位に限定して「湯道」としている。
また、本発明において湯道、溶湯冷却空間部に関して、その温度管理やその部位の形について限定しているが、これらは該部位を溶湯が通過するときに結晶の核の発生をより多く促進させて微細結晶を生成するするだけてはなく、それから成長した結晶の破砕効果もまた考慮に入れたものである。このため、湯道、溶湯冷却空間部の形、サイズ、その表面状態は一義的に決められるものではないが、「通過する湯道部内の空気を巻き込むことなく、溶湯と金型表面との間の接触確率を高め、かつ連続的に発生した核あるいは結晶を強制的に移動できる」ものであれば良い。

本発明によれば、簡便な方法で、小物、薄物に限定することなく収縮巣のない、非金属介在物がない、湯回り性に優れた高強度の大物、厚物製品を得ることができる。

本発明の一実施形態に係わる [製品部空間部とは独立して温度管理できる] スリーブと製品部空間部の間に設けた溶湯冷却空間部を温度管理する型を示す模式図である。 溶湯冷却空間部の形態の一例を示す図 本発明の実施のために用いられる装置構造の他の例を示す模式図である。 スリーブ内溶湯射出時の金型各所における溶湯の温度履歴一例を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態に係わる湯道、溶湯冷却空間部の温度管理を詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するために用いられる鋳造装置の一例に係り、その金型部を示す模式図である。すなわち、 [製品部空間部とは独立して温度管理できる] スリーブと製品部空間部の間の湯道に設けた溶湯冷却空間部を温度管理する型を示す模式図である。

一般の高圧鋳造機、高圧ダイカスト機においては、スリーブ内の溶湯をチップを用いて射出して製品部空間部に充填して加圧する場合、スリーブと製品部空間部入口の間の湯道部は、製品部空間部と金型は一体となっている。
しかし、本発明の金型においては、湯回りを必要とする製品部とは区別して温度を下げて湯温を下げることが容易となる。図１に示す金型においては、スリーブ１と製品部空間部３の間に溶湯冷却空間部５を設けることで、その冷却程度を広げることが可能となり、さらに必要に応じて流速調整空間部７を設けることで溶湯冷却空間部５を通過時に変化した溶湯の通過速度を改めて調整することが可能となるところに特徴がある。

図２は、溶湯冷却空間部の形態の一例を示す図である。溶湯冷却空間部の表面は平滑面以外に、凹凸を有する面、階段状の面、楔状のくぼみを有する面、渦状のくぼみを有する面、蛇状のくぼみを有する面の一種以上の異形の組み合わせからなる。このように型の表面の特徴を持たせることで、溶湯の温度低下に伴い発生する結晶の核の発生や結晶の離脱、破断を促進することが効果的となる。

図３は、本発明を実施するために用いられる鋳造装置の他の例に係り、その金型部を示す模式図である。
本例では、製品部空間部とは独立して溶湯冷却部あるいは湯道の温度を制御するための手段を設けてある。

図３に示す例においては、製品部空間部とは独立して溶湯冷却部あるいは湯道の温度を制御するための手段として、型１２内に通水管１５を設けてある。通水管１５に変え、または同時にペルチェ素子を用いてもよい。

また、前述した図１に示す装置と同様に、湯道１３に相当する金型１２の全部又は一部は、製品部空間部に相当する固定型１、可動型１０の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成してもよい。

これにより、スリーブ１と製品部空間部３の間の湯道４全体を、所定の温度２００℃以下、さらに好ましくは１００℃〜１５０℃に、遅くとも溶湯射出充填前までに調整することで、製品部空間部３と区別して冷やすことにより、湯道４と区別した溶湯冷却空間部５を設けなくても５０μｍ以下の微細組織を得ることは可能である。湯道入口８から製品部空間部８までの間における金型の材料としては鉄鋼材料に限定されるものではなく、固定金型１の材料よりも冷却能力の高い金属材料、複合材料であれば良い。たとえば金属であれば、銅もその一例である。

溶湯冷却空間部の形状、サイズについては、スリーブ１から排出された溶湯が湯道入口から湯道の最終端である製品部空間部の湯口までに移動する間に、該溶湯温度が融点以上の液体の場合においては融点に対する過熱度１０℃未満に、融点未満の半液体においては液相率が４０％以上になることができればよい。このため、溶湯冷却空間部の断面積を小さく、表面積を大きくすることは効果的であるが、冷却能力が十分あれば湯道入口断面積を必ずしも小さくすることは必須条件ではない。
過熱度を融点に対して１０℃未満にするのは、過熱度が融点に対して１０℃を超えると結晶核が速やかに消滅してしまうからである。
また、融点未満の半液体においては液相率が４０％以上とするのは、４０％未満では、流動性が低下し、型内への溶湯の充填が困難になるためである。

また、溶湯冷却空間部の容量が製品部空間部の容量の３０％未満になれば通過後噴流となりやすく、一方２００％を超えると流速が低下しすぎることとなる。

また、溶湯冷却空間部の表面積が製品部空間部の表面積の３０％未満になれば通過中の温度を低下させることが困難になり、また３００％を超えると冷却能力が高くなりすぎて、そのあとの溶湯の温度低下が厳しくなりすぎて湯回り不良を引き起こすことになる。

また、溶湯冷却部、流速調整空間部あるいは湯道のいずれか一つ以上に相当する部位は溶湯の通過中に振動を加えることで、該部位の湯道表面を溶湯が接触したときに発生した結晶核の離脱が容易になり、多数の結晶が生成される。

また、製品部空間部に溶湯を充填した後高圧をかける場合、湯道途中に設けた溶湯冷却空間部の厚みが狭い場合製品部への加圧が持続しない。このため、必要に応じて、溶湯冷却空間部、流速調整空間部あるいは溶湯のいずれか一つ以上がスライドして、高圧がかかるようにする。
本高圧鋳造方法に対しては、鋳造用合金に限定することなく展伸用合金に対しても適用される。

図４にスリーブ内溶湯射出時の金型各所における溶湯の温度履歴一例を示す。合金はＡｌ−７％Ｓｉ−０．３％Ｍｇ合金であり、融点は６１５℃である。給湯ラドルにより溶湯をスリーブに注ぎ、その後の各金型を通過する溶湯の温度をあらかじめ型にセットした熱電対により測定した。熱電対のサイズは０．２φのものを使用した。

製品形状は２５×１００×２００の平板、湯道の平均形状は２０φ×５０とした。
鋳造前の型温は２２０℃とした。

（比較例）
本例では、従来の装置を用いて鋳造を行った。すなわち、図３示す装置において、すなわち、湯道４は湯道入口８から製品部空間部入口６まで一様の形状をなし、また、その間の金型の内部には、通水管１５は設けられておらず、さらに、その間の金型の材料は他の部分と同じ材料から構成した装置を用いた。

比較例においては、スリーブから排出された溶湯が湯道入口から湯道の最終端である製品部空間部の湯口までに移動する間に溶湯温度は依然として融点以上である。このため、型内に溶湯が入って初めて凝固開始する。その結果、スリーブから、湯道、製品部の型表面で発生し、かつ型内に充填完了まで残存していた結晶核を起点にして結晶が成長する。この結果、樹枝状の結晶が多数確認された。結晶の数、まだサイズは製品部に入った溶湯の温度に依存するところが大きいが、給湯ラドル内温度が低く、製品部内充填直後の温度が融点直上の６１７℃の場合であっても５００μｍを超える結晶サイズである。

（実施例１）
本例では、図３に示す装置を用いて鋳造を行った。
本例においては、ラドル内温度は比較例と同じであり、また湯道形状も同じであるが、湯道の部位の金型温度を製品部と区別して低下させて１５０℃程度に保持したために３０μｍ以下の球状組織が得られた。

（実施例２）
本例では、図１に示す装置を用いて鋳造を行った。
実施例２においては、製品空間部の金型とは独立して温度管理することも可能な溶湯冷却空間部をスリーブと該製品部空間部の湯口の間に設けた。溶湯冷却部の厚みは５ｍｍとして、湯道部の断面積を同じにした板形状にした。溶湯冷却空間部の温度は１５０℃とした。その溶湯冷却空間部の長さは２０ｍｍとした。実施例１よりも細かく２０μｍとなった。

本発明によれば、収縮巣、非金属介在物の無く、また、微細組織を有する優れた鋳造品を、薄物製品ののみならず厚物製品についても製造することができる。そのため、電子部品分野のみならず例えば自動車部品分野においても本発明を利用することが可能である。

１ スリーブ
２ チップ
３ 製品部空間部
４ 湯道
５ 溶湯冷却空間部
６ 製品部空間部入口
７ 流速調整空間部
８ 湯道入口
９ 固定型１
１０ 可動型１
１１ 可動型３
１２ 固定型２
１３ 可動型２
１５ 通水管

Claims (13)

1. スリーブから排出された溶湯が湯道入口から湯道の最終端である製品部空間部の湯口までに移動する間に、該溶湯温度が融点以上の液体の場合においては融点に対する過熱度１０℃未満に、融点未満の半液体においては液相率が４０％以上になる温度にした後、該溶湯を製品部空間部に射出することで、製品部空間部に５０μｍ以下の結晶を有する製品を製造することを特徴とする高圧鋳造方法。
2. 遅くとも射出充填開始までに、湯道に相当する金型の表面の温度が２５０℃を超えないように製品部空間部とは独立して湯道温度を管理することを特徴とする請求項１記載の高圧鋳造方法.
3. 前記金型の表面の温度を２００℃を超えないように管理することを特徴とする請求項２記載の高圧鋳造方法。
4. 前記湯道に相当する金型の全部又は一部は、製品部空間部に相当する金型の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成することを特徴とする請求項２又は３記載の高圧鋳造方法。
5. 遅くとも射出充填開始までに、製品部空間部の金型とは独立して温度管理することも可能な溶湯冷却空間部をスリーブと該製品部空間部の湯口の間に設けることを特徴とする請求項1ないし４のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
6. 前記溶湯冷却空間部に相当する金型の全部又は一部は、製品部空間部に相当する金型の材料よりも高い熱伝導率を有する材料から構成することを特徴とする請求項５記載の高圧鋳造方法。
7. 溶湯冷却空間部の容量は製品部空間部の容量の３０％以上２００％未満であることを特徴とする請求項５又は６記載の高圧鋳造方法。
8. 溶湯冷却空間部の表面積が製品部空間部の表面積の３０％以上３００％未満であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
9. 溶湯冷却空間部、湯道のいずれか一つ以上の表面は平滑面、凹凸を有する面、階段状の面、楔状のくぼみを有する面、渦状のくぼみを有する面、蛇状のくぼみを有する面の一種以上の異形の組み合わせからなることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
10. 溶湯冷却空間部は溶湯の通過中に振動を加えることを特徴とする請求項３ないし９のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
11. 溶湯冷却空間部と金型製品部空間部の間に流速調整空間部を設けることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
12. 溶湯冷却空間部、流速調整空間部、湯道のいずれか一つ以上に相当する部位は溶湯の通過中に振動を加えることを特徴とする請求項２ないし１１のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。
13. 溶湯冷却空間部、流速調整空間部のいずれか一つ以上が製品空間部への溶湯充填状況に合わせてその通過断面積を変えることを特徴とする請求項1ないし１２のいずれか１項記載の高圧鋳造方法。

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