JP2015093316A

JP2015093316A - 自由鋳造装置

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Publication number: JP2015093316A
Application number: JP2013235807A
Authority: JP
Inventors: 徹也中島; Tetsuya Nakajima; 直晋杉浦; Naokuni Sugiura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】コストを低減できる自由鋳造装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかる自由鋳造装置は、凝固前の溶湯４５を貯留する坩堝４６と、溶湯４５の湯面４４から保持溶湯４０を導出する誘引部材４１と、保持溶湯４０が通過する形状付与部材２０とを備える。形状付与部材２０は二つの個別部材２９，３０を有する。各個別部材２９，３０は担持部材２１，２２及び形状規定部材２５，２６を有する。各個別部材２９，３０において、各形状規定部材２５，２６は、各担持部材２１，２２への固定、及び各担持部材２１，２２からの取り外しが可能に設置されている。【選択図】図２

Description

本発明は鋳型を用いない鋳造方法に用いる鋳造装置に関する。

特許文献１は鋳型を用いない鋳造方法を開示している。該鋳造方法を以下、自由鋳造方法という。特許文献１に記載の自由鋳造方法では、まず表面張力によって暫定的に保持された保持溶湯を凝固前の溶湯から導出させる。

次に坩堝中の溶湯の湯面の高さと成形体に至る境界である凝固界面との間で、形状付与部材が保持溶湯に外力を印加して形状を付与する。次に凝固界面にて保持溶湯を連続的に凝固させ、溶湯の導出方向の延長線上に、一繋がりの成形体として鋳物を得る。

特開２０１２−０６１５１８号公報

上記特許文献１にかかる自由鋳造装置において、形状付与部材は坩堝中の溶湯の湯面近傍であって、湯面とは接しない位置に設置される。図１に示すように、本願の発明者らは、鋳物４２の外表面をより滑らかにするためには、鋳造中に、形状付与部材１０の底面１３，１４が湯面４４に接触することが好ましいことを見出した。

しかしながら、上記において、形状付与部材１０の各形状規定部材１１，１２は、接触状態を長時間保持することにより、溶湯４５の熱を多く受ける。これは特許文献１相当の自由鋳造装置と比較した場合に顕著である。

図１に示すように、形状規定部材１１，１２は、かかる熱により変形しやすい。変形した形状規定部材を有する形状付与部材１０は、保持溶湯４０に所望の断面形状を与えられない場合がある。このため、鋳物４２は所望の形状を得られない場合がある。

形状付与部材に熱で歪みにくい材料を用いることで変形を抑制できるが、この場合形状付与部材のコストが高くなる。また、変形するごとに形状付与部材の全体を交換すること自体がコスト増加の要因となる。

本発明は本願の発明者らが新たに見出した上記課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明の目的は、コストを低減できる自由鋳造装置を提供することである。

本発明にかかる自由鋳造装置は、凝固前の溶湯を貯留する坩堝と、前記溶湯の湯面から保持溶湯を導出する誘引部材と、前記保持溶湯が通過する形状付与部材とを備える。前記形状付与部材は二つの個別部材を有する。前記各個別部材は担持部材及び形状規定部材を有する。前記各個別部材において、前記各形状規定部材は、前記各担持部材への固定、及び前記各担持部材からの取り外しが可能に設置されている。

かかる自由鋳造装置においては形状規定部材が形状付与部材中の一部として担持部材に対し固定・取り外し可能に設けられている。このため形状付与部材が熱の影響を受けても、その一部のみを交換すれば、再び保持溶湯に所望の断面形状を与えることができるようになる。また、熱で歪みにくい材料は形状規定部材のみに用いてもよく、担持部材を含む形状付与部材全体にこれを用いることは必ずしも必要ではない。

本発明により、コストを低減できる自由鋳造装置を提供することができる。

課題にかかる自由鋳造装置の断面図である。実施形態にかかる自由鋳造装置の断面図である。実施形態にかかる溶湯の斜め引き上げ時の自由鋳造装置の断面図である。課題の態様にかかる溶湯の斜め引き上げ時の自由鋳造装置の断面図である。実施例１にかかる側部の断面図である。実施例２にかかる側部の断面図である。実施例３にかかる側部の断面図である。実施例４にかかる側部の断面図である。

以下、実施形態及び実施例について、図面を用いて説明する。尚、各図面において、同等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。また実施形態及び実施例においてはアルミニウムより鋳物を鋳造する場合を例にして説明する。

［１．自由鋳造装置の構成］
図２に示すように、本実施形態の自由鋳造装置は坩堝４６、誘引部材４１、形状付与部材２０を備える。坩堝４６は凝固前の溶湯４５を貯留する。誘引部材４１は溶湯４５の湯面４４から保持溶湯４０を導出する。

形状付与部材２０は二つの個別部材２９，３０を有する。個別部材２９は担持部材２１及び形状規定部材２５を有する。個別部材３０は担持部材２２及び形状規定部材２６を有する。形状規定部材２５は金属、又はセラミック、若しくは窒化ホウ素の焼結体からなる。形状規定部材２６の材料も同様に選択できる。

担持部材２１は天面３１及び底面３３を有する。形状規定部材２５は底面３５及び天面３７を有する。個別部材２９において、天面３１と底面３３との間の厚みは、天面３７と底面３５との間の厚みよりも小さい。同様に個別部材３０において、天面３２と底面３４との間の厚みは、天面３８と底面３６との間の厚みよりも小さい。

形状規定部材２５はエッジ部に相当する側部５１を有する。形状規定部材２５は側部５１に成形面２７を有する。同様に、形状規定部材２６は、エッジ部に相当する側部５２に成形面２８を有する。

本実施形態において上記側部は、形状規定部材の天面と底面との間の領域を指すものとする。かかる領域には、図２中において天面及び底面の高さと同じ部分も含むものとする。側部は上記天面及び底面の外縁を含む。

特定の実施形態において、成形面は、特定の面同士の交差する縁部からなる成形端であってもよい。例えば後述する実施例４のように天面３７と交差する傾斜面７２の縁部又は先端に相当する成形端７７が成形面２７を代替してもよい（図８）。

［２．自由鋳造装置の組立］
図２に示すように、個別部材２９において、形状規定部材２５は、ボルト２３により担持部材２１に固定できる。ボルト２３は担持部材２１の有するタップ５３に嵌合可能である。形状規定部材２５は、ボルト２３により固定可能なため、担持部材２１からの取り外しが可能となっている。ボルト２３はタップ５３から脱離可能である。

個別部材３０においても同様に、形状規定部材２６は、ボルト２４及びタップ５４により、担持部材２２に固定することができる。また反対に、形状規定部材２６は、担持部材２２から取り外すことができる。かかるボルト固定により、形状規定部材２５，２６の交換及び位置調整は容易である。

形状規定部材２５が上述の通り固定された状態において、担持部材２１の底面３３は、形状規定部材２５の天面３７に接する。同様に担持部材２２の底面３４は、形状規定部材２６の天面３８に接する。

形状付与部材２０は、坩堝４６に対して所望の箇所に設置可能である。かかる所望の箇所に設置することで、後述する自由鋳造方法により鋳物表面の滑らかさを確保することができる。

所望の箇所において、形状規定部材２５の底面３５が、坩堝４６の開口面４９よりも内側、又は図中の下側に位置する。同様に形状規定部材２６の底面３６が、坩堝４６の開口面４９よりも内側、又は図中の下側に位置する。また所望の箇所において、底面３５，３６が、互いに同一面上に位置する。図２中では底面３５，３６が、互いに湯面４４と接する。

上述の通り形状付与部材２０が設置された状態において、各成形面２７，２８は、保持溶湯４０の通過経路５０を形成するように互いに所定の間隔で向き合っている。上述の通り個別部材２９が設置された状態において、成形面２７は、担持部材２１よりも通過経路５０側に位置する。

同様に成形面２８は、担持部材２２よりも通過経路５０側に位置する。すなわち形状規定部材２５，２６及び担持部材２１，２２は形状付与部材２０を段付きのものにすることが好ましい。

［３．自由鋳造方法］
上記形状付与部材２０を用いて鋳造する自由鋳造方法を、図２を用いて説明する。まず上述の所望の箇所に形状規定部材２５，２６を設置する。具体的には形状規定部材２５，２６の底面３５，３６と、湯面４４とが接するように、形状付与部材２０を設置する。

かかる所望の箇所に設置することで、鋳物４２の外表面の滑らかさを確保することができる。この時、成形面２７，２８の、底面３５，３６側の端部も湯面４４と接してもよい。なお湯面４４よりも下に形状規定部材２５，２６を沈ませることは必ずしも必要ではない。

また形状付与部材２０を設置後、溶湯４５を坩堝４６に注いで、底面３５，３６が湯面４４と接するようにしてもよい。この場合、図２において、形状付与部材２０の設置時は、坩堝４６の開口面４９よりも下側か、開口面と同じ高さに位置することが好ましい。

その後、誘引部材４１が溶湯４５の湯面４４に接触する。次に誘引部材４１が、湯面４４から溶湯４５を導出し、溶湯４５を、溶湯４５の表面張力に基づく暫定的な形状を有する保持溶湯４０とする。

保持溶湯４０が、未凝固のまま、成形面２７，２８と接触しながら、形状付与部材２０の中を、通過経路５０に沿って通過する。成形面２７，２８の底面３５，３６側の端部は、保持溶湯４０に接する。かかる端部は保持溶湯４０の外表面４７，４８に外力を印加する。外力は保持溶湯４０に所定の断面形状を与える。

かかる断面形状は鋳造する予定の製品に相当する鋳物４２の基本的な断面形状となる。保持溶湯４０は凝固界面４３にて連続的に凝固する。溶湯４５の導出方向の延長線上に一繋がりの鋳物４２を得る。上記自由鋳造装置の備える複数のノズルが鋳物４２に対しさらに流体を吹き付けてもよい。

本実施形態においては、保持溶湯４０を引き上げながら、同時に誘引部材４１の位置を湯面４４と実質的に平行な方向に自在に動かすことが出来る。例えば図３に示すように誘引部材４１が個別部材２９側に位置することで、保持溶湯４０を斜めに引き上げることもできる。

この時、成形面２７は保持溶湯４０に接触する。また保持溶湯４０を個別部材３０側に引き上げた場合、成形面２８が保持溶湯４０に接触する。成形面２７，２８は保持溶湯４０に外力を与える。このため、保持溶湯４０を湾曲形状、ジグザグ形状、及びその他の任意の形状に、自在に鋳造することができる。

［４．薄くされた形状規定部材の効果］
図３に示すように、鋳物４２に対し湾曲形状等を付与することを想定する。この場合、上記で述べたとおり、斜め方向に保持溶湯４０を引き上げることが必要になる。

図３においては、形状規定部材２５側に向かって引き上げるため、成形面２７と外表面４７とが接する。なお図３とは逆方向に保持溶湯４０を引き上げた場合は、成形面２８と外表面４８とが接する

上述の通り個別部材２９において、天面３７と底面３５との間の厚みは、天面３１と底面３３との間の厚みよりも小さい。このため、成形面２７と外表面４７との接触面積は、図４に示す態様における成形面１７と外表面４７との接触面積よりも小さくすることが出来る。

図３に示すように外表面４７と成形面２７とが接触しても、個別部材２９と保持溶湯４０との間の熱伝達率の変化は少ない。これは図４に示す態様において形状規定部材１１と保持溶湯４０との間の熱伝達率が大きく変化することと対照をなす。

したがって、図３中で、鋳物４２と保持溶湯４０との間の境界に相当する凝固界面４３の位置は上下動しにくい。このため、鋳物４２は設計通りのタイミングで凝固する。すなわち図４において見られるような、過凝固不良を減らすことが出来る。また、鋳物４２が想定外の変形をすることが少ない。

以上をまとめると、本実施形態の自由鋳造装置は、図４に示す態様における課題の解決に適切な手段であることがわかる。本実施形態の自由鋳造装置は、自由鋳造方法において、鋳物の成形性を向上することができる。

［５．形状規定部材が湯面に接することの効果］
鋳物４２の外表面をより滑らかにするためには、図２に示すように、成形面２７，２８の底面３５，３６側の端部、及び底面３５，３６が湯面４４により近い方が好ましい。最も好ましい態様において、かかる端部及び底面３５，３６は湯面４４に接する。

［６．形状規定部材を担持部材とは別部材とすることの効果］
また本実施形態では、図２に示すように形状付与部材２０において、形状規定部材２５，２６と、これを固定する担持部材２１，２２とを別構成とする。

かかる構成により担持部材２１，２２は、形状規定部材２５，２６の厚みの分だけ溶湯から離れた位置に設置できる。このため、形状規定部材２５，２６のみ溶湯に接触し、担持部材２１，２２は溶湯に接しないようにしながら、上記の自由鋳造方法を実行できる。

形状規定部材２５，２６は、担持部材２１，２２に固定されて、成形面２７，２８を通じて適切な外力を保持溶湯４０に与えるのに必要な大きさがあれば十分である。適切な設計を行うことで、課題の態様に比べ、形状付与部材が、溶湯４５と接触する面積が小さくなる。

上記構成により形状付与部材に対する熱の影響を、課題の態様に比べ小さくすることが出来る。このため、本実施形態では、課題の態様に比べ、形状付与部材の変形が生じにくいので鋳物４２を成形する際の精度が高い。

また形状規定部材２５，２６は担持部材２１，２２に対してボルト止めされており、着脱自在である。このため、形状規定部材２５，２６が熱変形してもこれらだけを容易に交換ができる。

これに対し課題の態様では、形状規定部材１１，１２のいずれかを、まるごと交換せねばならない。これに対し、形状付与部材２０においては、形状規定部材２５，２６を交換できる。このため、形状付与部材２０は課題にかかる形状付与部材よりも長寿命であり、かつ運用コストが低い。

また形状規定部材は、種々の側部の形状を有する別の形状規定部材に交換することが出来る。このため、自由鋳造方法により形成する鋳物の態様に合わせて、適切な形状規定部材を選択することが出来る。

［７．担持部材の効果］
また、上述の通り、形状規定部材２５，２６は課題の態様における形状規定部材１１，１２よりも薄いものとしている。このため、課題の態様よりも、外力により変形しやすい。例えば形状規定部材２５，２６が保持溶湯４０に力を及ぼして成形する場合、成形面２７，２８を通じて、保持溶湯４０から抗力を受ける場合がある。

しかしながら、形状規定部材２５，２６は、担持部材２１，２２に対して面で接し、ボルト２３，２４で固定されている。このため、担持部材２１，２２は上述の形状規定部材２５，２６の変形を抑制することができる。

以上をまとめると、本実施形態の自由鋳造装置は、課題の解決に適切な手段であることがわかる。本実施形態の自由鋳造装置は、自由鋳造方法において、鋳物表面の滑らかさを確保しつつ、鋳物の成形性を向上することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。成形面２７，２８の側部のエッジ形状は、各々別個に、実施例１〜４に示すように変更できる。

本実施例以下では、担持部材の厚みを３ｍｍとした。形状規定部材の厚みを１ｍｍとする。また本実施例以下では図２の形状規定部材２５について実施例を示しているが、これと対向する形状規定部材２６についても同様に実施できる。

図２の形状規定部材２５の側部５１は、図５に示すカギ型の断面を有する側部５５とすることができる。側部５５は成形面２７と底面３５の延在面５９を有するカギ部５８を有する。カギ部５８の天面３７側の溝又は凹部には側面５６と天面５７が位置する。天面５７は延在面５９と対向する。

天面３７は成形面２７側の縁部で側面５６と接する。側面５６は底面３５側の縁部で天面５７と接する。側面５６は天面５７と反対側の縁部で天面３７と接する。天面５７は縁部で成形面２７と接する。天面５７は成形面２７と反対側の縁部で側面５６と接する。

本実施例では成形面２７の高さを、形状規定部材２５の厚みよりも小さくすることが出来る。したがって、保持溶湯を斜めに引き延ばした時でも（図３）、形状付与部材と保持溶湯の接触面積が小さい。このため本実施例の自由鋳造装置は鋳物の成形性を向上することができる。

図２の形状規定部材２５の側部５１は、図６に示す４５°面取り、又はＣ面取りを施した側部６０とすることができる。天面３７は成形面２７側の縁部で傾斜面６１と接する。傾斜面６１は天面３７及び成形面２７と接する。成形面２７は天面３７側の縁部で傾斜面６１と接する。

図６の形状規定部材２５の側部６０は、図７に示す丸み面取り、又はＲ面取りを施した側部６５とすることができる。傾斜面６１は丸身を有する凸面６６に代えることができる。

図２の形状規定部材２５の側部５１は、図８に示す刃具型形状を有する側部７０とすることができる。形状規定部材２５は、成形端７７を刃先とする刃具部７１を有する。成形端７７は上述する成形端に相当し、成形面２７と同じように保持溶湯に外力を与える部位である。

刃具部７１は、底面３５側が凹部７６となるように湾曲する。刃先又は成形端７７は底面３５の延長面上に位置する。天面３７は成形端７７側の縁部で傾斜面７２と接する。傾斜面７２は成形端７７と反対側の縁部で天面３７と接する。

底面３５は成形端７７側の縁部で側面７５と接する。側面７５は天面３７と反対側の縁部で底面３５と接する。側面７５は天面３７側の縁部で底面７４と接する。底面７４は成形端７７と反対側の縁部で側面７５と接する。底面７４は成形端７７側の縁部で傾斜面７３と接する。傾斜面７３は成形端７７と反対側の縁部で底面７４と接する。

傾斜面７２及び傾斜面７３の交差する部分は刃具部７１の刃先となる。傾斜面７３の底面３５と反対側の縁部と傾斜面７２の天面３７と反対側の縁部が成形端７７である。傾斜面７２及び傾斜面７３は鋭角で交差することが好ましい。傾斜面７３、底面７４、及び側面７５は丸みを帯びた一つながりの凹部７６を形成してもよい。

本実施例では成形端７７で保持溶湯と接する。したがって、保持溶湯を斜めに引き延ばした時でも（図３）、形状付与部材と保持溶湯の接触面積は極めて小さい。このため本実施例の自由鋳造装置は鋳物の成形性を向上することができる。本実施例は鋳造時にノロ又はスラグを除去する効果もある。

本実施例では図２の形状規定部材２５を、熱によって歪みにくい材料、好ましくはセラミック、さらに好ましくは窒化ホウ素の焼結体とする。かかる材料は熱によって歪みにくいので、形状規定部材２５を上記厚みよりもさらに薄くすることが出来る。

したがって、保持溶湯４０を斜めに引き延ばした時でも、形状付与部材と保持溶湯の接触面積は極めて小さい。このため本実施例の自由鋳造装置は、形状付与部材が熱変形しにくいので、鋳物の成形性を向上することができる。

また図３において外表面４７の濡れ性の変化は鋳物４２の形状に影響しやすい。一方で、金属からなる形状規定部材に比べ、上記材料からなる形状規定部材は、成形面２７の接触を受けた保持溶湯において、より低い濡れ性を保持することが出来る。このため、上記材料からなる形状規定部材は、自由鋳造方法における成形性を向上する。

かかる歪みにくい材料で、課題に示すような形状規定部材１１，１２を形成すると、本実施例よりも多くの材料が必要となりコストの増加を招く。また、形状規定部材１１，１２の一部を歪みにくい材料で作り、他の部分をこれと異なる材料で形成することも考えられる。かかる態様では、形状規定部材において熱変形による割れが生じやすい。このため、本実施例の鋳造装置は課題に記載の自由鋳造装置よりもコスト面と耐久性で優れる。

本実施例は上記の他の実施例と組み合わせて実施することも出来る。すなわちかかる歪みにくい材料で形状規定部材２５，２６を形成し、さらにそれらの側部をカギ型形状、面取り形状、刃具型形状を有するものとすることが出来る。

１０形状付与部材１１，１２形状規定部材
１３，１４底面１７，１８成形面
２０形状付与部材２１，２２担持部材
２３，２４ボルト２５，２６形状規定部材
２７，２８成形面２９，３０個別部材
３１，３２天面３３〜３６底面
３７，３８天面４０保持溶湯
４１誘引部材４２鋳物
４３凝固界面４４湯面
４５溶湯４６坩堝
４７，４８外表面４９開口面
５０通過経路５１，５２側部
５３，５４タップ５５側部
５６側面５７天面
５８カギ部５９延在面
６０側部６１傾斜面
６５側部６６凸面
７０側部７１刃具部
７２，７３傾斜面７４底面
７５側面７６凹部
７７成形端

Claims

凝固前の溶湯を貯留する坩堝と、前記溶湯の湯面から保持溶湯を導出する誘引部材と、前記保持溶湯が通過する形状付与部材とを備え、
前記形状付与部材は二つの個別部材を有し、
前記各個別部材は担持部材及び形状規定部材を有し、
前記各個別部材において、前記各形状規定部材は、前記各担持部材への固定、及び前記各担持部材からの取り外しが可能に設置されている、
自由鋳造装置。