JP2019055412A - 鋳造方法および鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】健全な鋳造組織を有するＡｌ系鋳物が得られる鋳造方法を提供する。
【解決手段】本発明の鋳造方法は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、鋳型内の溶湯を凝固させて鋳物を得る凝固工程とを備え、さらに、注湯工程前の溶湯へマイクロバブルを導入する導入工程を備える。マイクロバブルを導入した溶湯を用いて鋳造することにより、鋳型内における溶湯の湯回りの向上を図れ、また粗大な鋳巣等の発生を抑制できる。マイクロバブルの導入は、超音波加振された中空超音波ホーンの先端部を溶湯へ浸漬、その先端開孔から窒素ガス等を放出することにより行える。先端開孔は、孔径が１．５ｍｍ以下、孔深さが０．５ｍｍ以上であり、導入するガス流量は３〜１０００ｃｃ／ｍｉｎであると好ましい。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、アルミニウム系鋳物の鋳造方法とそれに適した鋳造装置に関する。

部材等の軽量化を図るため、純アルミニウム（単に「純Ａｌ」という。）やアルミニウム合金（単に「Ａｌ合金」という。）からなるアルミニウム系鋳物（単に「Ａｌ系鋳物」という。）が多用されている。Ａｌ系鋳物に求められる特性（仕様）は様々であるが、いずれの場合でも、欠陥等のない健全な鋳造組織からなることが好ましい。このため各Ａｌ系鋳物に応じた適切な鋳造方法、（鋳型）方案、溶湯処理等が採用されている。

もっとも、鋳造方法や方案には様々あるが、溶湯処理としては、主に脱水素処理がなされている程度であった。これに関連する記載が、例えば、下記の非特許文献１にある。

軽金属（1994)、vol.44、No.8 PP461-471

非特許文献１にあるような従来の脱水素処理は、少なくとも数ｍｍ以上の大きな気泡を溶湯中でバブリングさせ、水素を取り込んだ気泡を溶湯から排出することによりなされていた。なお、溶湯へ導入された大きな気泡は、溶湯中に残存することがなく、極短時間内に、ほぼ全てが溶湯外へ排出される。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる溶湯処理を用いた鋳造方法等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、Ａｌ系溶湯中へマイクロバブルを導入する溶湯処理を行うことにより、健全な鋳造組織からなるＡｌ系鋳物を得ることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《鋳造方法》
（１）本発明の鋳造方法は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、該鋳型内の溶湯を凝固させて鋳物を得る凝固工程とを備え、さらに、前記注湯工程前の溶湯へマイクロバブルを導入する導入工程を備える。

（２）本発明の鋳造方法によれば、鋳造欠陥（集中引け巣等の鋳巣、湯回り不良等）の発生を抑制でき、健全な鋳造組織を有するＡｌ系鋳物を得ることができる。また、溶湯中へのマイクロバブルの導入量を増加させることにより、Ａｌ系鋳物の軽量化も併せて可能となる。本発明の鋳造方法により健全なＡｌ系鋳物が得られる理由は次のように考えられる。

先ず、溶湯中に導入されたマイクロバブルは、従来のバブリングにより導入する大きな気泡とは異なり、浮上速度が非常に遅く、溶湯中に分散して長時間残存する。このようなマイクロバブルが混在した溶湯は、みかけの熱伝導率が小さくなり、鋳型からの抜熱により生じる温度低下も少ない。このため、鋳型内の溶湯は、湯回り不良等を発生し難くなると共に、凝固も緩やかとなって集中引け等も低減される。

溶湯中に導入されたマイクロバブルは、Ａｌ系鋳物（鋳造組織）内で微細分散した気孔となるが、そのサイズ（粒径）は、概ね２００μｍ以下である。このような微細な気孔の存在は、Ａｌ系鋳物の機械的特性（例えば疲労強度等）へ及ぼす影響が小さい。

また、マイクロバブルの導入量に応じてＡｌ系鋳物のみかけ密度は低下するため、本発明の鋳造方法によれば、機械的特性の確保と軽量化の両立も可能となる。

《鋳造装置》
本発明は鋳造装置としても把握できる。すなわち本発明は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯へマイクロバブルを導入する導入手段を備える鋳造装置でもよい。

《その他》
（１）本明細書でいう「マイクロバブル」とは、サイズ（単に「気泡径」ともいう。）が２００μｍ以下の気泡をいう。気泡径は、その最大長とする。なお、気泡径は、次の手順で測定して特定した。アルミニウム溶湯と動粘性係数が近い水（０．０１００ｃｍ^２／Ｓ）を用いて水中にホーンを浸漬し、所定条件で超音波ホーンからガスを導入し、ホーンから水中へのガスの排出状態を写真撮影した。撮影した写真から気泡径の測定を行った。気泡径は１００μｍ以下さらには５０μｍ以下であると好ましい。その下限値は問わないが、敢えていうと、１μｍ以上さらには５μｍ以上とするとよい。

導入工程で溶湯へ導入される気泡中には、マイクロバブルでない大きい気泡が少量混在してもよい。大きな気泡は溶湯外へ短時間内に排出され、マイクロバブルだけが溶湯中に滞留する。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

中空超音波ホーンの先端開孔径（ｄ）と溶湯の差込み深さ（ｈ）の関係を示すグラフである。 中空超音波ホーンの先端部内における溶湯表面の盛り上がりを模式的に示す図である。 中空超音波ホーン（孔径：０．９ｍｍ）からガスが放出される様子を示す写真である。 中空超音波ホーン（孔径：３．５ｍｍ）からガスが放出される様子を示す写真である。 中空超音波ホーン（孔径：０．９ｍｍ）から放出されるマイクロバブルの様子をガス流量毎に示す写真である。 中空超音波ホーン（孔径：０．９ｍｍ）から放出されるマイクロバブルの気泡径（最大径および最小径）とガス流量の関係を示す散布図である。 Ａｌ合金溶湯中へ中空超音波ホーン（孔径：０．９ｍｍ）からマイクロバブルを導入する様子を示す写真である。 マイクロバブルを導入した溶湯を凝固させた鋳物（試料１）の鋳造組織を示す写真である。 マイクロバブルを導入しない溶湯を凝固させた鋳物（試料Ｃ１）の鋳造組織を示す写真である。 マイクロバブルを導入した溶湯を用いてダイカスト鋳造したときの固相率と充填率の関係を示す散布図である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の鋳造方法のみならず、鋳造装置やその鋳造方法により得られたＡｌ系鋳物にも適宜該当する。製造方法に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。

《導入工程／マイクロバブル》
（１）原料ガス
マイクロバブルとなる原料ガスは、溶湯への固溶量が少ないものが好ましい。例えば、窒素ガス、炭酸ガス等をマイクロバブルの原料ガスとして用いるとよい。ちなみに、７００℃のＡｌ溶湯１００ｇあたりの固溶量は、水素：１．２ｃｃ、窒素ガス：０ｃｃ、炭酸ガス：０ｃｃである。水素のように溶湯中への固溶量が大きいガスを用いると、溶湯中にマイクロバブルとして分散、浮遊させることが難しくなる。従って、７００℃の溶湯１００ｇあたりの固溶量が０．１ｃｃ以下さらには０．０１ｃｃ以下の原料ガスを用いてマイクロバブルを発生させると好ましい。

ちなみに、溶湯中に導入されたマイクロバブルは、その溶湯中に長時間存在すると共に気液界面の面積が大きい。このためマイクロバブルの少なくとも一部は、溶湯（特にＡｌ）と反応して、微細な化合物を生成し得る。化合物は、原料ガスの種類と溶湯の成分組成により種々あり得るが、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_３Ｃ_４等である。このような化合物は、通常、高剛性または硬質である。このため、そのような化合物が分散したＡｌ系鋳物は剛性や強度の向上が図られる。なお、Ａｌ系鋳物中の化合物は、通常、マイクロバブルによりできた微細な気孔の外周囲（外郭）に分布することが多くなる。

（２）原料ガスの流量
導入工程で、溶湯へ放出するマイクロバブルとなる原料ガスの流量は３〜１０００ｃｃ／ｍｉｎ、１０〜５００ｃｃ／ｍｉｎさらには５０〜３００ｃｃ／ｍｉｎであると好ましい。流量が小さいとマイクロバブルの溶湯への導入に時間を要し、流量が大きいと溶湯への導入される気泡のサイズが不均一になり易い。

（３）溶湯の固相率
マイクロバブルを導入された溶湯は、注湯前の固相率が０．５以下、０．４以下さらには０．３以下であると好ましい。固相率が高くなると、溶湯中におけるマイクロバブルの分散性が低下し、マイクロバブルを導入する効果が低くなる。特に、固相率が高くなると、マイクロバブルを導入した溶湯でも、鋳型内における湯回り性が低下して、鋳型内に溶湯を高充填することが困難となる。

《導入手段／中空超音波ホーン》
溶湯へマイクロバブルを導入する導入手段は、例えば、中空超音波ホーン（単に「ホーン」という。）により実現される。ホーンは、内部を原料ガスが流動する中空状の超音波振動子である。マイクロバブルは、加振源により超音波振動しているホーン内へ、原料ガスを導入することにより発生させることができる。

なお、加振源によるホーンの振動周波数は、例えば、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上さらには２５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚとするとよい。またホーンの振幅は、例えば、１〜１００μｍさらには３０〜７０μｍとするとよい。なお、ホーンを用いたマイクロバブルの発生自体については、特開２０１１−５０８３２号公報の記載を参照できる。

溶湯へ浸漬されるホーンの先端開孔は、孔径が１．５ｍｍ以下さらには１ｍｍ以下であると好ましい。その孔径が大きくなると、溶湯が先端開孔へ侵入して、開孔が閉塞され易くなり、マイクロバブルの溶湯への放出性が低下する。孔径の下限値は問わないが、マイクロバブルを安定的に放出するために０．４ｍｍ以上さらには０．６ｍｍ以上であると好ましい。

また先端開孔は、孔深さが少なくとも０．５ｍｍ以上さらには１ｍｍ以上あると好ましい。孔径を上述のように小さくしても、溶湯は孔内部へ０．５ｍｍ程度盛り上がる。孔深さが小さいと、マイクロバブルの溶湯への放出性が低下し得る。なお、ホーン一つあたり先端開孔は複数あってもよい。

《その他》
（１）本発明の鋳造方法は、重力鋳造、低圧鋳造またはダイカスト鋳造等のいずれにも適用可能である。

（２）溶湯は、純Ａｌの他、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｍｇ系合金等を用いるとよい。

（３）本発明の鋳造方法により得られるＡｌ系鋳物は、様々な用途や形態をとり得る。例えば、エンジンブロック、シリンダヘッド、ロードホイール、キャリア、ナックル、アーム、メンバー、燃料電池（ＦＣ）のケース等の部材に利用されると好ましい。

種々の実験を通じて、マイクロバブルの溶湯への導入条件を検討した。また、マイクロバブルの導入の有無が鋳造組織へ及ぼす影響も評価した。このような具体例を挙げつつ、以下に本発明をさらに詳しく説明する。

《基礎実験》
［実験１］
先端側が細いパイプ状となっている中空超音波ホーン（単に「ホーン」という。）を用意した。ホーンには、市販品（精電舎電子工業株式会社製 工具ホーン）またはその市販品を加工した改造品を用いた。

ホーンの先端側を７００℃のＡｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金溶湯（ＪＩＳ ＡＣ４Ｃ合金／Ａｌ―６．５〜７．５％Ｓｉ−０．２〜０．４％Ｍｇ）中へ、湯面から５ｃｍ浸漬した。先端開孔径（ｄ）が異なる各ホーンについて、その先端からホーン内部へ差し込む溶湯の高さ（差込み深さ：ｈ）をそれぞれ次のように測定した。浸透後、溶湯より上のホーン上部を冷却した。取り出し後、ホーンの孔部（中空部）を中心に切断し、アルミニウムが浸漬した部位の高さをノギスで測定した。これにより、図１Ａに示すような、孔径（ｄ）と差込み深さ（ｈ）との関係を得た。その結果を図１Ａに示した。

図１Ａから明らかなように、孔径が１ｍｍ以下では溶湯が先端開孔へ差し込まないことがわかる。差込み深さが大きくなると、ホーンの先端開孔に浸透した溶湯が凝固して、ガスの放出が困難となる。従って、ホーンの先端部の孔径は、１．５ｍｍ以下さらには１ｍｍ以下が好ましいことがわかる。

また、図１Ｂに示すように、ホーンの先端部内では、溶湯の表面張力により、溶湯の表面中央部が最低でも０．５ｍｍ程度盛り上がった状態となる。そこでホーンの先端開孔は、孔深さが０．５ｍｍ以上さらには１ｍｍ以上であると好ましい。なお、孔深さとは、開孔先端から、上述した孔径が維持されている長さである。

［実験２］
実験１の結果を踏まえて、孔径が０．９ｍｍと３．５ｍｍのホーンを用意した。各ホーンの先端開孔をビーカーの水中へ浸漬すると共に、超音波加振（振幅：３２μｍ、発振周波数：２８．５ｋＨｚ）した状態で各先端開孔からＮ_２（１００ｃｃ／ｍｉｎ）を放出した。なお、超音波加振には精電舎電子工業株式会社製 ＳＯＮＯＰＥＴ ６２５Ｄを用いた。

各ホーンの先端開孔から発生する気泡の様子を図２Ａおよび図２Ｂにそれぞれ示した。なお、いずれの孔径のホーンも超音波加振しなければ、先端開孔から粗大な気泡が単に連続的に放出されるだけであった。

図２Ａから明らかなように、孔径：０．９ｍｍのホーンを用いた場合、その先端開孔からマイクロバブルが放出され、水中に長時間残存して分散していくことがわかった。一方、図２Ｂから明らかなように、孔径：３．５ｍｍのホーンを用いた場合、その先端開孔から放出された気泡は、すぐに凝集して数ｍｍサイズまで成長し、浮上して水面から大気中へ排出されることがわかった。

［実験３］
実験２の結果を踏まえて、孔径が０．９ｍｍのホーンを用いて、ホーンへ導入するガス流量を変化させたときの様子を図３Ａに示した。なお、超音波加振は実験２の場合と同様に行った。

図３Ａから明らかなように、ガス流量が少ないとき、マイクロバブルは水中に直ちに分散して、水面の乱れもなかった。一方、ガス流量が多いとき、気泡径のバラツキや水面の乱れが少し観られるようになった。

ガス流量を種々変更したときに生じる各気泡径の最小値と最大値を図３Ｂに示した。図３Ｂから明らかなように、ガス流量が多くなるほど、気泡径のバラツキが大きくなることがわかった。この結果、ガス流量は３〜１０００ｃｃ／ｍｉｎさらには１０〜５００ｃｃ／ｍｉｎであると好ましい。なお、各気泡径は、既述したように、写真撮影を行い、観察された気泡幅の最大値とした。

《実施例》
［実施例１］
（１）試料１
図４に示すように、坩堝に保持した７００℃のＡｌ―Ｃｕ―Ｍｇ系合金溶湯（ＪＩＳ ＡＣ２Ｂ合金／Ａｌ−２〜４％Ｃｕ―５〜７％Ｓｉ）中へ、超音波加振（振幅：３２μｍ、発振周波数：２８．５ｋＨｚ）したホーン（孔径：０．９ｍｍ）から、Ｎ_２（ガス流量：３００ｃｃ／ｍｉｎ）からなるマイクロバブルを導入した。

このマイクロバブルを導入した溶湯（７００℃）を熱分析用の鋳型（砂型／キャビティ：φ２５ｍｍ×５０ｍｍ）へ注湯した（注湯工程）。注湯後の溶湯を大気雰囲気中で自然冷却して凝固させて、円柱状のＡｌ合金鋳物を得た（凝固工程）。このＡｌ合金鋳物を鋳造組織の観察に供した（試料１）。

（２）試料Ｃ１
比較試料として、マイクロバブルを導入しない同温度の溶湯を用いて、同様に鋳造したＡｌ合金鋳物も用意し、それも鋳造組織の観察に供した（試料Ｃ１）。

（３）鋳造組織
各試料の中央断面を観察した鋳造組織（マクロ組織）を図５Ａと図５Ｂに示した。

先ず、図５Ｂから明らかなように、試料Ｃ１の場合、鋳物外周部には鋳巣は発生しないが、鋳物中央部にザク巣状の欠陥が集中して発生することがわかる。

一方、図５Ａから明らかなように、試料１の鋳造組織には、試料Ｃ１とは異なり、集中した鋳巣は観察されなかった。試料１の鋳造組織には、図５Ａ中に白色矢印で示すように、最大長が２００μｍ以下の小さな空孔が均一的に分散していることが確認できた。

また、試料１の鋳造組織では、試料Ｃ１の鋳造組織よりも結晶粒サイズが均一的で大きくなっていた。これは、試料１の溶湯がマイクロバブルの導入によりみかけの熱伝導率が低下して、凝固速度が全体的に遅くなったためと推察される。

［実施例２］
マイクロバブルを導入した７００℃のＡｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金溶湯（既述）を、鋳型（金型／キャビティ：厚さ５ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ１２０ｍｍ）へ射出して（注湯工程）、ダイカスト鋳造した（凝固工程）。この際、射出時の固相率を種々変化させた。こうして得られた各鋳物の充填率と固相率の関係を図６に示した。なお充填率は、キャビティ内に得られた鋳物の体積を、そのキャビティの総体積で除して求めた。また固相率の調整は、φ４０ｍｍの断熱材で保温した射出スリーブに溶湯を注湯した後、その射出スリーブ内の溶湯の温度を調整して、所定の固相率になった溶湯を射出して行った。

図６から明らかなように、マイクロバブルを導入した溶湯を用いても、固相率が過大になると、充填率は低下する。マイクロバブルが均一的に分散した状態の鋳造組織を得るためには、鋳造時（注湯工程時）の固相率が０．４以下さらには０．３以下であると好ましいことがわかった。

Claims (8)

1. 純アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯する注湯工程と、
   該鋳型内の溶湯を凝固させて鋳物を得る凝固工程とを備え、
   さらに、前記注湯工程前の溶湯へマイクロバブルを導入する導入工程を備える鋳造方法。
2. 前記導入工程は、前記マイクロバブルとなる原料ガスを前記溶湯へ放出する流量が３〜１０００ｃｃ／ｍｉｎである請求項１に記載の鋳造方法。
3. 前記原料ガスは、窒素ガス、炭酸ガスまたは塩素ガスである請求項２に記載の鋳造方法。
4. 前記マイクロバブルは、前記溶湯へ浸漬した中空超音波ホーンの先端開孔から放出され、
   該先端開孔は、孔径が１．５ｍｍ以下であると共に孔深さが０．５ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造方法。
5. 前記導入工程後で前記注湯工程前の溶湯は、固相率が０．５以下である請求項１〜４のいずれかに記載の鋳造方法。
6. 重力鋳造、低圧鋳造またはダイカスト鋳造のいずれかである請求項１〜５のいずれかに記載の鋳造方法。
7. 純アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯へマイクロバブルを導入する導入手段を備える鋳造装置。
8. 前記導入手段は中空超音波ホーンであり、
   該中空超音波ホーンは、前記溶湯へ浸漬される先端開孔を有し、
   該先端開孔は、孔径が１．５ｍｍ以下であると共に孔深さが０．５ｍｍ以上である請求項７に記載の鋳造装置。