JP2017164793A - 鋳造製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増加を抑制しつつ、合金の溶け残りも抑制できる鋳造製品の製造方法を提供すること。【解決手段】鋳造によって製造される鋳造製品は、鋳鋼が溶けてなる溶湯Ｍに粒状の合金Ｇが添加された後、その溶湯Ｍを鋳型２０の湯道２２を介してキャビティ２１に供給する。この場合において、合金添加装置５０により、貯留容器５１に貯留された合金Ｇは、誘導コイル５２によってその融点よりも低い所定温度まで予熱する。その後、予熱された状態の合金Ｇを、搬送部５４の端部の投入口５５から落下させて、取鍋３０から鋳型２１の湯口カップ２３に注がれる溶湯Ｍに添加する。【選択図】 図１

Description

本発明は、鋳造製品の製造方法に関する。

鋳造製品を製造する場合、溶湯の合金成分を調整する。その際、合金成分として、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム等の活性金属を含有する場合、それらの元素を含む合金を溶湯中に添加する必要があるが、活性であるため、溶湯に留まる割合が少なく、歩留まりが悪い。そのため、添加方法の工夫が必要である。合金を溶湯に添加する方法としては、各種の方法が知られている。例えば、鋳型内で合金を添加する方法として、鋳型内の湯道に反応室を設けてそこに合金を置いておき、反応室で溶湯と合金とを反応させる方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開平８−１０８２５０号公報

上記特許文献１に記載の方法では、鋳型内に、キャビティや湯道とは別に反応室を設けなければならない。また、反応室において、合金を溶湯に対して均一に溶解させるため、合金の置き方等の工夫も必要となる。そのため、反応室の設置や合金の置き方の工夫といった点で、鋳造製品の製造コストを大幅に増加させる要因となっていた。

そこで、本発明は、製造コストの増加を抑制しつつ、合金の溶け残りも抑制できる鋳造製品の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明では、金属材が溶けてなる溶湯に粒状の合金が添加された後、前記溶湯を鋳型の湯道に供給して鋳造製品を製造する鋳造製品の製造方法において、前記合金をその融点よりも低い所定温度まで予熱する工程と、前記工程で予熱された状態の前記合金を前記溶湯に添加する工程とを含むことを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、前記合金を予熱する最低予熱温度を、前記合金の前記溶湯に対する重量比に基づいて求められる係数を用いて設定し、少なくとも前記最低予熱温度まで前記合金を予熱することを特徴とする。

第３の発明では、第２の発明において、前記係数をαとし、前記重量比をＡとした場合に、前記αを下記の数式（１）により算出することを特徴とする。

第４の発明では、第１乃至第３のいずれかの１つの発明において、前記合金の平均粒径は、１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

第５の発明では、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、前記合金が添加された前記溶湯を前記鋳型の湯口カップに一時的に滞留させることを特徴とする。

第６の発明では、第５の発明において、前記湯口カップに前記溶湯を滞留させる滞留部を設け、前記滞留部に滞留した前記溶湯の重量を滞留重量Ｗとし、前記溶湯を前記湯口カップに注湯する注湯速度をＶｃとした場合に、前記滞留重量又は前記注湯速度を、下記の数式（２）の関係を満たすよう設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、合金が溶湯に添加される前の段階で予熱されることにより、合金が溶湯に溶けやすくなる。そのため、合金を溶湯に溶かすための反応室を鋳型内に設ける必要がなく、鋳造製品の製造コストの増加を抑制しつつ、合金の溶け残りを抑制できる。

第２の発明によれば、合金を予熱する最低予熱温度として、合金の溶け残りが生じない温度を設定すれば、合金の溶け残りを確実に抑制することができる。加えて、溶湯に添加される合金の重量が増加すれば、合金の分量が増えるため、溶け残りが生じやすくなる。そこで、第２の発明では、溶湯に対する合金の重量比に応じた最低予熱温度を設定した。これにより、鋳造製品に要求される性質から合金の添加割合を変更しても、溶け残りを確実に抑制することができる。

第３の発明によれば、最低予熱温度を設定するために用いられる係数が、上記数式（１）により算出されることにより、最低予熱温度を好適に設定することができる。

第４の発明によれば、平均粒径が１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の合金は、他の範囲の平均粒径のものに比べて嵩比重が高い。そのため、嵩比重の高さによって溶湯中に合金が沈降しやすくなって溶け込みやすくなり、合金の溶け残りをより一層抑制することができる。

第５の発明によれば、湯口カップにおいて溶湯が一時的に滞留することで、溶湯が鋳型の湯道に供給される前に、合金が溶湯に溶け込む時間が確保される。これにより、溶湯に対して合金を均等に溶け込ませることが可能となり、性能が均質な鋳造製品を得ることができる。

第６の発明によれば、溶湯の滞留重量又は注湯速度が、上記数式（２）の関係を満たすよう設定されることにより、溶湯が湯口カップに長時間滞留してその流動性低下が生じることを抑制しつつ、合金が溶湯に溶け込む最適な滞留時間を確保することができる。

鋳造製品の製造装置を示す概略図。 合金の原単位ごとに、パラメータＸとパラメータＹとの関係と、合金の溶け残りの有無の状態を示すグラフ。 合金の原単位と最低予熱温度との関係を示すグラフ。 湯口カップにおける滞留重量と注湯速度との関係を示すグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態における鋳造製品は、自動車等の車両の内燃機関に設けられる過給機のハウジング等、車両用部品を想定している。ただ、鋳造製品としては車両用部品に限定されるものではない。

鋳造製品は、金属材として鋳鋼を素材として製造される。その製造時において、鋳鋼よりなる溶湯を処理する溶湯処理として、合金処理が行われる。合金処理では、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、フェロジルコン、ミッシュメタル等の活性金属からなる合金が溶湯に添加される。合金は、粒状のものが使用される。合金の平均粒径は５．０ｍｍ以下であることが好ましく、より嵩比重が高くなる１．１ｍｍ〜３．０ｍｍであることがさらに好ましい。なお、ここでの平均粒径は、ふるい分け試験法によって求められたものである。合金処理により、鋳鋼の強度や耐高温酸化性等を向上させ、過給機等に求められる高温耐久性を確保することが可能となる。

このような合金処理を行いながら鋳造製品を製造する製造装置１０は、図１に示すように、鋳型２０、取鍋３０、取鍋駆動装置４０、合金添加装置５０を有している。

鋳型２０は、鋳型砂等により形成されている。鋳型２０の内部には、鋳造製品を鋳造するためのキャビティ２１、キャビティ２１につながる湯道２２、湯道２２につながる湯口カップ２３がそれぞれ設けられている。湯口カップ２３は、鋳型２０の上部に設けられている。溶湯Ｍは湯口カップ２３にまず注湯され、そこから湯道２２を介してキャビティ２１に至る。

取鍋３０は、鋳鋼を加熱して溶解させる溶解炉から、いったん当該取鍋３０に溶湯Ｍを取った上、鋳型２０の設置箇所まで溶湯Ｍを搬送する容器である。取鍋３０には、溶湯Ｍを注湯する注湯口３１が設けられている。取鍋駆動装置４０は、取鍋３０を移動させたり、取鍋３０の状態を変動させたりする装置である。取鍋駆動装置４０により、取鍋３０は、溶湯Ｍを受湯したり保持したりする水平状態と、傾いて、鋳型２０の湯口カップ２３に溶湯Ｍを注湯する注湯状態とに変動可能となる。

合金添加装置５０は、合金Ｇを溶湯Ｍに添加するための装置である。合金添加装置５０は、合金Ｇを貯留する貯留容器５１を有している。貯留容器５１には、その外周部に誘導コイル５２が設けられている。誘導コイル５２の誘導加熱により、貯留容器５１の内部の合金Ｇが予熱された状態で保持されている。誘導コイル５２による予熱は、合金Ｇの融点Ｔｍ２よりも低い所定温度まで行われる。そして、貯留容器５１に設けられた排出部５３の駆動により、予熱された状態の合金Ｇのうち、予め設定された設定量が排出される。

貯留容器５１から排出された合金Ｇは、搬送部５４によって端部の投入口５５まで搬送される。投入口５５は、取鍋３０が有する注湯口３１の上方に設けられている。このため、搬送部５４により搬送された合金Ｇは投入口５５から下方に落下し、注湯口３１から鋳型２０の湯口カップ２３に注湯されている溶湯Ｍに逐次添加される。

次に、合金Ｇを予熱する場合の予熱温度Ｔｈ（℃）を、次のとおり設定する。まず、予熱温度Ｔｈの設定条件を得るために、予熱温度Ｔｈや溶湯温度Ｔｃ（℃）に応じて、合金Ｇの溶け残りがどの程度生じているかを把握する実験を行った。実験では、所定温度に加熱された溶湯温度Ｔｃに、所定の予熱温度Ｔｈに予熱された合金Ｇを添加し、その場合における合金Ｇの溶け残りの有無を目視で確認した。また、実験は、溶湯重量Ｗｓ（ｋｇ）に対する合金Ｇの重量Ｗａ（ｋｇ）の比、すなわち原単位Ａを変え、０．５％、１．１％、１．６％の各比率について行った。なお、実験で用いられた合金Ｇは、フェロジルコンである。

実験を行った溶湯温度Ｔｃ及び予熱温度Ｔｈの各数値に加え、溶湯融点Ｔｍ１（℃）及び合金Ｇの融点Ｔｍ２（℃）に基づき、下記の数式（３）及び（４）を用いてパラメータＸ及びパラメータＹの値を算出した。

その結果、図２に示すように、「Ｙ＝αＸ−β」との一次関数の直線Ｌ１〜Ｌ３よりも上側の領域では、合金Ｇの溶け残りが生じる一方、当該直線Ｌ１〜Ｌ３よりも下側の領域では、合金Ｇの溶け残りが生じないことが見出された。そこで、直線Ｌ１〜Ｌ３の勾配αの値に基づいて、上記の数式（３）、（４）及び「Ｙ＝αＸ−β」の関数式を用いて予熱温度Ｔｈを求めることにより、合金Ｇを予熱する上で、合金Ｇの溶け残りが生じない状態とするために最低限必要な温度（最低予熱温度）が求められる。

また、実験の結果、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、直線Ｌ１〜Ｌ３の各勾配αの値は、合金Ｇの原単位Ａによって変わる。そこで、図３に示すように、原単位Ａに対する勾配αの関係をグラフに示した。なお、図３では、原単位ＡをＷａ／Ｗｓとして示されている。すると、両者の間には、下記の数式（５）に示す関係があることが見出された。

合金Ｇの原単位Ａは、鋳造製品に求められる性能に応じて設定される。その設定された原単位Ａの値を上記の数式（５）に代入することにより勾配αが算出される。そして、算出した勾配αの値に基づいて、上記の数式（３）、（４）及び「Ｙ＝αＸ−β」の関数式を用いて予熱温度Ｔｈを求める。これにより、当該原単位Ａにおける最低予熱温度を算出することができる。なお、勾配αが、合金Ｇの重量比に基づいて最低予熱温度を求める係数に相当する。

したがって、鋳造製品を製造する製造方法として、まず、合金Ｇの予熱温度Ｔｈを、原単位Ａや上記の数式等によって求めた最低予熱温度よりも高い所定温度に設定する。そして、その設定された予熱温度Ｔｈとなるまで、貯留容器５１に貯留された合金Ｇを、誘導コイル５２によって予熱する。その後、搬送部５４を介して予熱された合金Ｇを投入口５５まで搬送し、注湯口３１から湯口カップ２３に注湯されている溶湯Ｍに添加する。これら２つの工程を経て、合金Ｇの溶け残りが抑制された状態の溶湯Ｍを鋳型２０の湯口カップ２３に供給する。

ところで、合金Ｇが添加された溶湯Ｍを湯道２２やキャビティ２１に供給する上では、湯口カップ２３にて溶湯Ｍを滞留させることが好ましい。湯口カップ２３における滞留によって、合金Ｇが溶湯Ｍの全体に溶け込むだけの時間を確保することが可能となる。そのため、鋳型２０の湯口カップ２３には、その内部に堰２４が設けられている。堰２４の存在により、湯口カップ２３には滞留部２５が形成されている。溶湯Ｍは、滞留部２５に注がれた後、堰２４を超えて湯道２２に供給される。

もっとも、湯口カップ２３における溶湯Ｍの滞留は、溶湯温度Ｔｃを低下させたり、合金Ｇが時間とともに消失（フェーディング）したりする要因となる。このため、湯口カップ２３に滞留させる時間を長くし過ぎると、溶湯温度Ｔｃの必要以上の低下による流動性低下や合金Ｇの消失を招き、鋳造製品の製品不良を生じさせる。そこで、湯口カップ２３における最適な滞留時間を次のとおり設定する。

まず、滞留時間の設定条件を得るために、湯口カップ２３における滞留重量Ｗ（ｋｇ）と溶湯Ｍの注湯速度Ｖｃ（ｋｇ／ｓｅｃ）とに応じて、製品不良の発生の有無を把握するための実験を行った。なお、ここでの滞留重量Ｗとは、溶湯Ｍが滞留部２５に貯められた状態での重量を意味するが、湯口カップ２３における湯流れのシミュレーション等によって解析的に求めてもよい。また、実験で用いられた合金Ｇは、フェロジルコンである。

各実験によって得られた結果について、滞留重量Ｗを横軸、注湯速度Ｖｃを縦軸としてそれぞれグラフにプロットした。それにより、図４に示すように、一次関数「Ｖｃ＝２Ｗ」の直線Ｌ４よりも上側の領域と、一次関数「Ｖｃ＝（２／３）Ｗ」の直線Ｌ５よりも下側の領域では製品不良が発生し、両直線Ｌ４，Ｌ５の間の領域では製品良好であることが見出された。すなわち、滞留重量Ｗと注湯速度Ｖｃとで導かれる滞留時間（Ｗ／Ｖｃ）が、下記の数式（６）に示す範囲となれば、製品として良好な鋳造製品が得られることが見出された。

したがって、滞留重量Ｗと注湯速度Ｖｃとが、上記の数式（６）に示す範囲となるように、湯口カップ２３の滞留部２５を構成したり、注湯速度Ｖｃを設定したりして、溶湯Ｍの滞留時間を設定する。このように滞留時間が設定されることにより、溶湯Ｍの流動性低下や合金Ｇの消失による製品不良の発生を抑制しつつ、合金Ｇが溶湯Ｍに溶け込む時間を確保することができる。なお、滞留重量Ｗを変更する場合には、堰２４の高さや設置数等を変更する等、適宜の手法を採用することができる。

本実施形態の鋳造製品の製造方法は上記のとおりであり、まとめると、この製造方法によれば、以下に示す効果が得られる。

取鍋３０の注湯口３１から湯口カップ２３に注湯される溶湯Ｍに、誘導コイル５２によって予熱された状態の合金Ｇを添加する。合金Ｇが溶湯Ｍへの添加前に予熱されることにより、合金Ｇが溶湯Ｍに溶けやすくなる。この方法では、取鍋３０から注湯される溶湯Ｍに合金Ｇが添加されるため、合金Ｇを溶湯Ｍに添加するための反応室を鋳型２０の内部に設ける必要がない。したがって、鋳造製品の製造コストの増加を抑制しつつ、合金Ｇの溶け残りを抑制できる。

合金Ｇを予熱する最低予熱温度が、当該合金Ｇの原単位Ａに基づいて上記数式（５）により算出される勾配αを用いて設定され、少なくともその最低予熱温度まで合金Ｇを予熱する。上記数式（５）は、合金Ｇの溶け残りが生じない温度として最低限度必要な温度を算出する式として、実験により見出されたものである。そのため、この数式（５）を用いて勾配αを求め、それを用いて最低予熱温度が設定されるため、合金Ｇの溶け残りを確実に抑制することができる。特に、金属材として鋳鋼を用いた場合、それが高融点（１４００℃前後）であることから、電力消費を抑えて製造コストの増加を抑制するためには、鋳鋼の溶湯温度Ｔｃをその融点Ｔｍ１との差が小さい温度とせざるを得ない。そこに、フェロジルコン等の融点Ｔｍ２が比較的高い合金Ｇを予熱なく添加すると、合金Ｇが溶けづらいという課題があった。その点で、上記製造方法のように、合金Ｇを最低予熱温度まで予熱して添加するという製造方法は、高融点の鋳鋼や合金Ｇを用いた場合に好適となる。

溶湯Ｍに添加される合金Ｇの重量Ｗａが増加すれば、合金Ｇの分量が増加するため、合金Ｇの溶け残りが生じやすくなる。その点、上記数式（５）によって求められる勾配αは、合金Ｇの原単位Ａに基づいて求められるため、最低予熱温度も原単位Ａに基づいた温度となる。これにより、鋳造製品に要求される性質によって合金Ｇの添加割合を変更する場合でも、合金Ｇの溶け残りを確実に抑制することができる。

合金Ｇは、その平均粒径が１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下のものを用いている。この平均粒径を有する合金Ｇは、他の範囲の平均粒径を有する合金Ｇに比べて嵩比重が高い。このため、嵩比重の高さにより、合金Ｇが溶湯Ｍに沈降しやすくなって溶け込みやすくなる。これにより、合金Ｇの溶け残りをより一層抑制することができる。

合金Ｇが添加された状態の溶湯Ｍが湯口カップ２３に注がれると、その湯口カップ２３の滞留部２５において、溶湯Ｍが一時的に滞留する。この滞留により、溶湯Ｍが鋳型２０の湯道２２に供給される前に、合金Ｇが溶湯Ｍに溶け込む時間を確保できる。これにより、溶湯Ｍに対して合金Ｇを均等に溶け込ませることが可能となり、性能が均質な鋳造製品を得ることができる。

この場合、溶湯Ｍの滞留重量Ｗ又は注湯速度Ｖｃを、上記数式（６）の関係を満たすように設定する。これにより、溶湯Ｍが湯口カップ２３に長時間滞留し、その流動性低下や合金Ｇの消失が生じることを抑制しつつ、合金Ｇが溶湯Ｍに溶け込む最適な滞留時間を確保することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限らず、例えば次のような製造方法を実施してもよい。

（ａ）本実施の形態では、取鍋３０の注湯口３１から湯口カップ２３に注がれる溶湯Ｍに合金Ｇを添加するようにしたが、予熱した合金Ｇを湯口カップ２３の滞留部２５に入れておき、そこに溶湯Ｍを流し込むようにしてもよい。この場合でも、湯道２２の途中に反応室を設ける必要がないため、製造コストの増加抑制に寄与できる。

（ｂ）本実施の形態では、合金添加装置５０において、貯留容器５１に貯留された合金Ｇを誘導コイル５２による誘導加熱によって予熱し、搬送部５４で搬送する構成とした。予熱した合金Ｇを溶湯Ｍに添加する構成としては、これに代えて、抵抗加熱としたり、貯留容器５１から排出される合金Ｇをアーク加熱したり、合金Ｇを投入する投入管を設け、投入管を誘導加熱したりする等の構成を採用してもよい。

また、上記実施形態の搬送部５４において、予熱された合金Ｇが搬送中に温度低下することを防ぐため、搬送部５４でも合金Ｇを加熱して予熱温度Ｔｈを維持するように構成してもよい。このように合金Ｇを予熱するための構成は限定されず、適宜の構成を採用することができる。

（ｃ）本実施の形態では、金属材として鋳鋼を用いたが、鋳鉄、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の他の金属材であってもよい。もっとも、融点が比較的高い鋳鋼や合金Ｇを用いた場合に好適となる。

（ｄ）本実施の形態では、湯口カップ２３に堰２４を設けて滞留部２５を形成したが、これを省略し、湯口カップ２３に注がれた溶湯Ｍが滞留部２５で滞留することなく湯道２２に供給されるようにしてもよい。

２０…鋳型、２２…湯道、２３…湯口カップ、２５…滞留部、Ｍ…溶湯、Ｇ…合金。

Claims (6)

1. 金属材が溶けてなる溶湯に粒状の合金が添加された後、前記溶湯を鋳型の湯道に供給して鋳造製品を製造する鋳造製品の製造方法において、
   前記合金をその融点よりも低い所定温度まで予熱する工程と、
   前記工程で予熱された状態の前記合金を前記溶湯に添加する工程と、
   を含むことを特徴とする鋳造製品の製造方法。
2. 前記合金を予熱する最低予熱温度を、前記合金の前記溶湯に対する重量比に基づいて求められる係数を用いて設定し、
   少なくとも前記最低予熱温度まで前記合金を予熱することを特徴とする請求項１に記載の鋳造製品の製造方法。
3. 前記係数をαとし、前記重量比をＡとした場合に、前記αを下記の数式（１）により算出することを特徴とする請求項２に記載の鋳造製品の製造方法。
   

   
4. 前記合金の平均粒径は、１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋳造製品の製造方法。
5. 前記合金が添加された前記溶湯を前記鋳型の湯口カップに一時的に滞留させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋳造製品の製造方法。
6. 前記湯口カップに前記溶湯を滞留させる滞留部を設け、
   前記滞留部に滞留した前記溶湯の重量を滞留重量Ｗとし、前記溶湯を前記湯口カップに注湯する注湯速度をＶｃとした場合に、前記滞留重量又は前記注湯速度を、下記の数式（２）の関係を満たすよう設定することを特徴とする請求項５に記載の鋳造製品の製造方法。
   

   

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