JP2019177383A - 鋳造整形方法および鋳造整形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】割れを生じることなく薄肉鋳物等が得られる鋳造整形方法を提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも１つが移動可能な複数の金型により形成されるキャビティへ溶湯を注入する注湯工程と、キャビティ内の溶湯を冷却して凝固物にする凝固工程と、凝固工程後でキャビティ内の溶湯温度がＴｓ（固相線温度）〜（Ｔｓ−１０℃）となる時期に、金型の少なくとも一つの進行を開始させて、金型の内壁面で熱間状態にある凝固物を押圧して整形する整形工程と、を備える鋳造整形方法である。本発明の方法によれば、例えば、高強度で高延性なＡｌ−Ｍｇ系合金からなる薄肉鋳物でも、鋳造性に優れるＡｌ−Ｓｉ系合金を用いた場合と同程度に、割れを生じることなくダイカスト鋳造等を行うことが可能となる。【選択図】図５

Description

本発明は、鋳造時に発生する割れや巣（「鋳巣」という。）を低減できる鋳造整形方法等に関する。

鋳物からなる製品は多い。鋳物の品質や歩留まり等を確保するため、鋳巣等の鋳造欠陥や鋳造時の割れ等の低減が重要となる。このような観点から、鋳造時に局部加圧を行うスクイズ法、固液共存状態の溶湯を加圧しつつ凝固させる溶湯鍛造法等が従来から行われている。このような鋳造方法に関連する記載が下記の特許文献等にある。

特開平８−１１７９５５号公報 特開平８−２４３７１４号公報 特開２００８−５５４７３号公報 特開２０１６−１９６００９号公報

まてりあ第３３巻第９号(1994)Materia Japan

もっとも、従来の鋳造方法は、いずれも、凝固完了前において、少なくとも液相が残存している溶湯（固液共存状態を含む）の局部または全体を加圧するものに過ぎない。このような鋳造方法では、例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる薄肉製品をダイカスト鋳造する場合、鋳巣や割れ等の発生を抑制できない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは発想の異なる新たな手法により、高品質な鋳物を安定して得られる製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結果、溶湯の凝固完了前ではなく凝固がほぼ完了した時点で、キャビティを形成していた金型をさらに押し込んで鋳物（凝固物）を加圧することにより、鋳巣や割れを抑制できることを新たに見出した。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。

《鋳造整形方法》
（１）本発明は、少なくとも１つが移動可能な複数の金型により形成されるキャビティへ溶湯を注入する注湯工程と、該キャビティ内の溶湯を冷却して凝固物にする凝固工程と、該凝固工程後で該キャビティ内の溶湯温度がＴｓ（固相線温度）〜（Ｔｓ−１０℃）となる時期に、前記金型の少なくとも一つの進行を開始させて、該金型の内壁面で熱間状態にある該凝固物を押圧して整形する整形工程と、を備える鋳造整形方法である。

（２）本発明の鋳造整形方法（単に「製造方法」ともいう。）によれば、鋳巣や割れ等の発生を抑制でき、高品質な鋳物を安定して製造することが可能となる。このような優れた効果が得られる理由は次のように考えられる。

一般的に、鋳巣は、凝固過程で生じする収縮により発生する。また割れは、凝固後の冷却過程で急激に体積収縮しようとする鋳物が、金型に拘束されて変形できず、高温で軟化状態にある鋳物に大きな引張力が作用することにより発生する。このような割れは、断面積を減少させている鋳巣を起点として発生し易い。さらに、金属の線膨張係数が大きいほど、また薄肉部分が多いほど、さらには形状が複雑で金型に拘束され易いほど、割れが発生し易くなる。

本発明の場合、凝固工程後の整形工程で、鋳造に用いた金型を進行させて、凝固工程後の熱間状態にある凝固物（鋳物）を押圧している。その金型の進行により鋳物が塑性流動することにより、体積収縮により生じる引張力が大幅に低減され、鋳物の割れが抑制されると考えられる。

また、凝固工程後の鋳物は高温な熱間状態にあるため、塑性変形し易い。このため、過大な負荷を伴わずに金型を進行させることができる。また、金型により押圧された鋳物は、熱間成形に近い状態となり、その外形が整形されるのみならず、割れの起点となり易い鋳巣も圧潰される。

さらに本発明の製造方法では、鋳造に用いた金型を利用して、その金型から鋳物を取り出す前に整形工程を行っている。このため、装置の複雑化や工数の増加等を抑制しつつ、高品質な鋳物を効率的に得ることが可能となる。

《鋳造整形装置》
本発明は鋳造整形装置（単に「製造装置」ともいう。）としても把握できる。すなわち本発明は、少なくとも１つが移動可能な複数の金型と、該金型により形成されたキャビティへ溶湯を注入する注湯手段と、該金型の少なくとも一つを移動させる移動手段とを備え、上述した鋳造整形方法を行える鋳造整形装置でもよい。

《その他》
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。

ダイカストマシンとキャビティ形状の概要図である。 試料１の外観写真である。 試料Ｃ１の外観写真である。 試料２の外観写真とＸ線ＣＴ像である。 試料Ｃ２の外観写真とＸ線ＣＴ像である。 加圧開始時期が異なる鋳物の外観写真である。 割れ無しで鋳造できる抜き勾配（最小角）を比較した棒グラフである。

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、本発明の方法のみならず物（装置、鋳物）にも適宜該当し、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。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《方法》
（１）注湯工程
注湯工程は、各鋳造方法に応じて、金型により形成されるキャビティへ溶湯を注入できればよい。鋳造方法には、例えば、ダイカスト鋳造、低圧鋳造等がある。ダイカスト鋳造の場合なら、スリーブに供給された溶湯がプランジャーにより加圧されて、キャビティへ射出（注入・充填）される。低圧鋳造の場合なら、るつぼ内で加圧された溶湯が、ストークを通じてキャビティへ注入・充填される。

なお、いずれの鋳造方法の場合でも、通常、液相線温度（Ｔｌ）以上さらにはＴｌ＋（１５〜５０℃）に加熱された溶湯がキャビティへ注入される。

（２）凝固工程
凝固工程で、キャビティへ注入された溶湯は冷却されて、所望形状の凝固物（鋳物）となる。凝固工程の完了時期（単に「凝固完了時」ともいう。）は、例えば、キャビティ内の溶湯温度が固相線温度（Ｔｓ）になったときとすればよい。勿論、鋳造方法や溶湯組成等に応じて、Ｔｓ以下、さらにはＴｓ未満〜Ｔｓ−３℃になったときを凝固完了時と設定してもよい。但し、凝固工程に続く整形工程が開始される溶湯温度はＴｓ〜Ｔｓ−１０℃であるため、凝固完了時の溶湯温度の下限値もその温度範囲内となる。なお、溶湯温度は、例えば、金型の内壁面近傍に設置した熱電対等により測定される。前述した注湯工程と凝固工程を併せて、適宜「鋳造工程」という。

（３）整形工程
整形工程は、鋳造工程で用いた金型の少なくとも一つを進行させて、凝固工程後の熱間状態にある凝固物をその金型の内壁面（キャビティ形成面）で押圧する工程である。なお、本明細書でいう「進行」は金型の型締め方向（キャビティの内方向）への移動を意味し、「後退」は金型の型開き方向（キャビティの外方向）への移動を意味する。

整形工程の開始時期（金型の進行開始時期）は、溶湯温度がＴｓ〜（Ｔｓ−１０℃）、Ｔｓ未満〜（Ｔｓ−１０℃）超、（Ｔｓ−２℃）〜（Ｔｓ−８℃）さらには（Ｔｓ−３℃）〜（Ｔｓ−７℃）となる時とすればよい。

金型の移動量は、０．１〜２ｍｍ、０．１５〜１ｍｍさらには０．２〜０．５ｍｍ程度でよい。ここでいう移動量は、金型の内壁面が鋳造工程時（凝固完了時）の基準位置から凝固物を押圧する方向へ相対的に移動した変位量である。対向する複数の金型の内壁面が共に移動する場合なら、それらの変位量の加減により相対的な移動量が定まる。

なお、移動する金型（単に「移動型」という。）は、ダイカスト鋳造や低圧鋳造等で用いられる固定型（下型）に対して移動する可動型（上型）またはその一部でもよいし、それらとは別に組み込まれた金型でもよい。移動型の形状や配置は、鋳物形状（キャビティ形状）や鋳造方法に応じて適宜選択されるが、鋳巣や割れを生じ易い領域（局部）にだけ配設されてもよい。

（４）後退工程
整形工程で進行させた金型は、型開き時に後退してもよいが、型開き前に先行して後退してもよい。整形工程後の鋳物も、冷却により体積収縮する。このため、金型が進行した状態のままであると、キャビティ形状にも依るが、収縮する鋳物がその金型に拘束されて引張力を受け得る。整形工程の直後に進行させた金型を後退させる後退工程を行うと、そのような状況を回避できて好ましい。

（５）溶湯組成（鋳物の成分組成）
溶湯（鋳物）には種々の金属を用いることができるが、冷却により収縮量が大きくなる金属溶湯を用いる場合に本発明の製造方法は特に適している。例えば、本発明は、全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｓｉ：３％以下、２％以下さらには１％以下のアルミニウム合金（単に「Ａｌ合金」という。）からなる溶湯を用いる場合に好適である。また、その溶湯が、Ｍｇ：２．５〜１０％さらには３〜８％を含むＡｌ合金からなる場合に本発明は好適である。

ちなみに、一般的に、Ａｌ−Ｓｉ系合金は鋳造性に優れ、熱膨張係数が小さいＳｉを多く含むため、冷却過程で生じる収縮量も小さく、割れの発生が少ない。一方、Ａｌ−Ｍｇ系合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等を含む）は、高強度で高延性な鋳物が得られる反面、冷却過程で生じる収縮量が大きく、割れが発生し易い。このため、従来の方法では、Ａｌ−Ｍｇ系合金で複雑な薄肉製品を鋳造することは困難であった。

《装置》
本発明の鋳造整形方法は、従来の鋳造装置（ダイカストマシン等）に加えて、金型の少なくとも一つを移動（さらには進退）させる移動手段をさらに備えることにより実現可能である。移動手段は、例えば、所定のタイミングで移動型を押圧できる油圧装置等により実現される。その作動時期の制御は、例えば、キャビティの温度情報またはそれを反映した時間情報等に基づいてなされる。

《鋳物》
本発明の製造方法や製造装置により得られる鋳物は、材質、特性、形態、用途等を問わない。その一例として、Ａｌ−Ｍｇ（−Ｓｉ）系合金からなり、薄肉、高強度または高延性なダイカスト鋳物が挙げられる。

ダイカスト鋳物からなる種々の試料を製作し、割れの発生の有無等を評価した。このような具体例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。

《製造》
（１）キャビティ形状
キャビティ形状は、図１に示すような箱形状とした。その深さ（ｄ）は２５ｍｍまたは４０ｍｍとした。抜き勾配（γ／側壁面の角度）は２．５°、５°、１０°、２０°または２５°のいずれかとした。なお、底面部は略６〜２２ｍｍ×２１〜３８ｍｍの長方形状、開口部は略２５ｍｍ×４０ｍｍの長方形状、肉厚は２〜３ｍｍとした。

（２）合金
次の３種類の合金のいずれかを用いて溶湯を調製した。なお、組成は合金全体に対する質量割合（質量％）で示した。残部はＡｌおよび不純物である。固相線温度（Ｔｓ）は Ｔｈｅｒｍｏ Ｃａｌｃにより求めた。
合金１：Ｔｓ＝４５０℃
Ａｌ−３．５％Ｍｇ−０．１％Ｆｅ −１．２％Ｍｎ
合金２：Ｔｓ＝４５０℃
Ａｌ−４．５％Ｍｇ−０．７５％Ｆｅ−０．３％Ｍｎ−０．１５％Ｔｉ
合金３：Ｔｓ＝５５７℃
Ａｌ−１０％Ｓｉ−０．２％Ｍｇ−０．２％Ｆｅ −０．２％Ｍｎ−０．１％Ｔｉ

（３）金型
金型は、可動型と固定型からなり、可動型のキャビティ部（箱形状部）を移動型とした。凝固物（鋳物）の押圧を行うため、型締め機構とは別に設けた油圧シリンダー（移動手段）により、移動型をさらに固定型側へ所定タイミングで移動できるようにした。

（４）鋳造工程（注湯工程と凝固工程）
図１に示した縦型ダイカストマシンを用いて、下部のスリーブに充填した溶湯を、プランジャで加圧して、キャビティへ射出した（注湯工程）。このとき、射出速度：１ｍ／ｓ、射出圧力：６０ＭＰａ、射出温度：各合金の液相線温度＋１００℃（射出開始時の溶湯温度）とした。

キャビティへの溶湯の充填完了後、その状態をキャビティ内の溶湯温度が各合金の固相線温度（Ｔｓ）に到達するまで保持した（凝固工程）。キャビティ内の溶湯温度は、固定型から１．５ｍｍの位置（肉厚中心）に設けた熱電対により測定した。キャビティ内の溶湯温度が固相線温度に到達した時点を、溶湯の凝固完了時とした。

（５）整形工程
凝固完了時から所定時間経過後（ｔ秒後）、上述した油圧シリンダーを作動させて、移動型をさらに０．５ｍｍ移動させた。その移動開始時から２秒後（凝固完了時から（ｔ＋２）秒経過後）、型開きと同時に移動型も後退させた（後退工程）。こうして、鋳造工程で得られた鋳物を、さらに加圧して整形（成形）した試料（鋳物）を得た。

（６）比較試料
比較試料として、上述した移動型を予め０．５ｍｍ進行させた状態のまま鋳造工程を行い、整形工程を行わずに（加圧せずに）ダイカスト鋳造した鋳物（比較試料）も製造した。整形工程を行わなかった以外は、特に断らない限り、整形工程を行った試料と同条件で鋳造した。

《評価》
（１）合金１、ｄ＝２５ｍｍ、γ＝１０°として、整形工程を行った試料１の外観を図２Ａに、整形工程を行わなかった試料Ｃ１の外観を図２Ｂにそれぞれ示した。なお、整形工程の開始時期（加圧開始時期）：ｔ＝０（秒）とした。そのときのキャビティ温度は、ほぼＴｓ＋１０℃であった。

図２Ａと図２Ｂを比較すると明らかなように、凝固完了後に加圧することにより、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる薄肉なダイカスト鋳造でも、割れを防止できることがわかった。

（２）γ＝１０°とし、他は試料１および試料Ｃ１と同様にして、試料２および試料Ｃ２をそれぞれ製造した。それら試料の外観およびＸ線検査装置で得られたＣＴ画像（単に「Ｘ線ＣＴ像」という。）を、図３Ａと図３Ｂにそれぞれ示した。図３Ａと図３Ｂを比較しても明らかなように、凝固完了後に加圧することにより、ダイカスト鋳造の割れが防止されると共に、鋳巣も激減することがわかった。

（３）合金２、ｄ＝２５ｍｍ、γ＝５°として、加圧開始時期を変更した３つの鋳物を製造した。加圧開始時期は、キャビティ温度が固相線温度（Ｔｓ）＋５０℃、ＴｓまたはＴｓ−５０℃になる時とした。なお、凝固完了時（ｔ＝０）を基準にすると、それぞれの時刻は、ほぼｔ＝−０．２秒、ｔ＝０秒、ｔ＝０．２秒であった。

なお、Ｔｓ＋５０℃は加圧開始時期が凝固完了前であり、そのときの移動型の移動量は１ｍｍ、油圧シリンダーが移動型の移動に必要とした加圧力（シリンダー油圧）は１６ＭＰａであった。Ｔｓ、Ｔｓ−５０℃は加圧開始時期が凝固完了後であり、いずれも移動型の移動量は０．５ｍｍ、移動型の移動に必要な加圧力（シリンダー油圧）は１８ＭＰａであった。

加圧開始時期を変更した３つの鋳物の外観を図４にまとめて示した。加圧開始時期が凝固完了前の鋳物（Ｔｓ＋５０℃）には割れが生じた。加圧開始時期が凝固完了後であるが、その時期が遅い鋳物（Ｔｓ−５０℃）には、外ひけ（肉厚減部）と、その部分における割れが生じた。これらに対して、加圧開始時期を凝固完了直後に行った鋳物（Ｔｓ）には割れが生じなかった。

（４）合金の種類、鋳物の深さ（ｄ）、抜き勾配（γ）、加圧（整形工程）の有無を変更した種々の鋳物を製造した。なお、加圧開始時期：ｔ＝０秒とした。各鋳物について割れの有無を観察し、割れを生じなかった最小の抜き勾配を図５にまとめて示した。

深さがｄ＝２５ｍｍときは、抜き勾配をγ＝２．５°、５°、１０°、２０°または２５°のいずれかとして、各抜き勾配毎に試料を製造し、各試料について割れの有無を評価した。また深さがｄ＝４０ｍｍときは、抜き勾配をγ＝２．５°、５°または１０°のいずれかとして、各抜き勾配毎に試料を製造し、各試料について割れの有無を評価した。また、鋳造性に優れる合金３を用いたときは、加圧を行わない鋳物のみを製造した。

図５から明らかなように、凝固完了後の加圧を行うことにより、Ａｌ−Ｍｇ系合金を用いる場合でも、Ａｌ−Ｓｉ系合金を用いる場合と同程度にまで、抜き勾配を小さくした薄肉鋳物を割れ無く製造できることがわかった。

Claims (7)

1. 少なくとも１つが移動可能な複数の金型により形成されるキャビティへ溶湯を注入する注湯工程と、
   該キャビティ内の溶湯を冷却して凝固物にする凝固工程と、
   該凝固工程後で該キャビティ内の溶湯温度がＴｓ（固相線温度）〜（Ｔｓ−１０℃）となる時期に、前記金型の少なくとも一つの進行を開始させて、該金型の内壁面で熱間状態にある該凝固物を押圧して整形する整形工程と、
   を備える鋳造整形方法。
2. 前記整形工程は、前記凝固工程の完了時から０．８秒以内に開始される請求項１に記載の鋳造整形方法。
3. 前記整形工程は、前記金型を０．１〜２ｍｍ進行させる請求項１または２に記載の鋳造整形方法。
4. さらに、前記整形工程の直後に、進行させた前記金型を後退させる後退工程を行う請求項１〜３のいずれかに記載の鋳造整形方法。
5. 前記溶湯は、その全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｓｉ：３％以下のアルミニウム合金からなる請求項１〜４のいずれかに記載の鋳造整形方法。
6. 前記溶湯は、その全体を１００％として、Ｍｇ：２．５〜１０％を含むアルミニウム合金からなる請求項１〜５のいずれかに記載の鋳造整形方法。
7. 少なくとも１つが移動可能な複数の金型と、
   該金型により形成されたキャビティへ溶湯を注入する注湯手段と、
   該金型の少なくとも一つを移動させる移動手段とを備え、
   請求項１〜６のいずれかに記載の鋳造整形方法を行える鋳造整形装置。