JP2023102308A - 鋳物の製造方法および鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷し金を用いた鋳造方法において、鋳物の金属組織が粗大化する可能性を低減可能な技術を提供する。【解決手段】鋳物の製造方法が提供される。この製造方法は、鋳物と同類の金属からなる冷し金を予熱する予熱工程と、砂型に、冷し金を配置する配置工程と、冷し金が配置された砂型に溶湯を注ぐ注湯工程と、冷し金を冷却しつつ溶湯を凝固させて、冷し金を鋳物に同化させる冷却工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、鋳物の製造方法および鋳造装置に関する。

鋳物の製造方法に関し、特許文献１には、引け巣等の防止のために、冷し金を用いて溶湯を冷却しつつ鋳造を行うことが開示されている。

特開２０１７－１５９３４９号公報

冷し金を用いた鋳造方法では、鋳型内で溶湯の凝固が進行するにつれて鋳物が収縮し、冷し金と鋳物とが離れてしまうことがあった。冷し金が鋳物から離れると、鋳物に対する冷却能が鈍化し、鋳物の金属組織が粗大化する可能性が高まるという問題があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、鋳物の製造方法が提供される。この製造方法は、鋳物と同類の金属からなる冷し金を予熱する予熱工程と、砂型に、前記冷し金を配置する配置工程と、前記冷し金が配置された前記砂型に溶湯を注ぐ注湯工程と、前記冷し金を冷却しつつ前記溶湯を凝固させて、前記冷し金を前記鋳物に同化させる冷却工程と、を含む。
このような形態の製造方法であれば、冷し金を予熱した上で注湯を行い、冷し金を鋳物に同化させるので、冷却工程中に冷し金が鋳物から離れることを抑制できる。この結果、冷し金の冷却能が鈍化することが抑制され、鋳物の金属組織が粗大化する可能性を低減できる。
（２）上記形態の製造方法において、前記冷し金は、前記砂型内のキャビティに挿入される部分を有してもよい。このような形態であれば、冷し金と溶湯との接触面積が増加するので、冷し金を鋳物に同化させやすい。
（３）上記形態の製造方法は、更に、前記冷却工程後に、前記鋳物に同化した前記冷し金の形状を加工する工程を含んでもよい。このような形態であれば、冷し金によって形成される部分を製品の一部として利用しやすくなる。
（４）上記形態の製造方法において、前記鋳物はナックルまたはハブキャリアであり、前記冷し金は、前記ナックルまたは前記ハブキャリアにおいて軸受けが配置される部位に配置されてもよい。
（５）上記形態の製造方法において、前記鋳物はディファレンシャルケースであり、前記冷し金は、前記ディファレンシャルケースの放熱部として配置されてもよい。
（６）本開示の第２の形態によれば、鋳造装置が提供される、この鋳造装置は、鋳物の材料である溶湯が注湯される砂型と、前記鋳物と同類の金属からなり、前記溶湯に接触するように前記砂型に配置される冷し金と、前記砂型への前記溶湯の注湯前に前記冷し金を予熱する予熱部と、予熱され、かつ、前記砂型に配置された前記冷し金を冷却して、前記溶湯を凝固させることにより、前記冷し金を前記鋳物に同化させる冷却部と、を備える。
本開示は、上述した鋳物の製造方法や製造装置としての形態以外にも、例えば、鋳物の製造装置を制御するためのコンピュータプログラムや、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの種々の形態で実現することが可能である。

鋳造装置の概略構成を示す説明図である。 鋳物の製造方法を示す工程図である。 冷し金を下型に配置した状態を示す図である。 砂型から取り出された鋳物を示す図である。 冷し金および鋳物の比較例を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における鋳造装置１００の概略構成を示す説明図である。本実施形態の鋳造装置１００は、砂型１０によって鋳物すなわち鋳造品を重力鋳造する装置である。鋳造装置１００は、鋳物として、例えば、車両等の移動体に用いられるナックル、ハブキャリア、ディファレンシャルケースなどの鋳造を行う。

鋳造装置１００は、砂型１０と、冷し金２０と、予熱部３０と、冷却部４０と、制御部５０とを備える。

砂型１０は上型１１と下型１２とを有する。上型１１と下型１２との間には、キャビティ１３が形成されている。キャビティ１３には、湯口１４を通じて溶湯が注ぎ込まれる。キャビティ１３には、溶湯の温度降下および凝固に伴って生じる収縮に対して溶湯を補給するための押し湯が接続されてもよい。本実施形態では、下型１２の下面に、キャビティ１３に連通する開口部１５が形成されている。開口部１５には、冷し金２０が配置される。なお、上型１１と下型１２との間には、鋳物の形状に応じて、中子が配置されてもよい。

冷し金２０は、キャビティ１３に注ぎ込まれた溶湯を冷却するための金属部材である。冷し金２０は、下型１２に設けられた開口部１５に配置される。本実施形態における冷し金２０は、砂型１０内で鋳造される鋳物と同類の金属によって形成されている。本実施形態では、鋳物の材料として、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金であるＡＣ４Ｃを用いる。そして、冷し金２０の材料として、Ａｌ－Ｓｉ系合金である４０００系アルミニウム合金を用いる。本明細書において、「同類の金属」とは、同一もしくは化学組成が類似している金属のことをいい、少なくとも共通の金属元素を有する金属のことをいう。後述するように、本実施形態における冷し金２０は、キャビティ１３内で鋳造される鋳物に同化される。本明細書において、「同化」とは、冷し金２０の一部が溶湯との接触によって溶融した後に溶湯と共に凝固することによって鋳物に一体化することをいう。

予熱部３０は、冷し金２０を予熱するための加熱装置である。予熱部３０としては、例えば、誘導加熱装置や抵抗加熱装置など各種の加熱装置を用いることができる。予熱部３０は、砂型１０への溶湯の注湯前に冷し金２０を予め定めた温度まで予熱する。予熱部３０による冷し金２０の予熱は、制御部５０によって制御される。

冷却部４０は、冷し金２０を冷却して溶湯を凝固させる装置である。本実施形態において、冷却部４０は、砂型１０に配置され、かつ、予熱された冷し金２０の冷却を行う。冷却部４０としては、例えば、冷し金２０に対して空気を吹き付けて熱交換を行う空冷式の装置や、冷し金２０の周囲に冷媒を流して熱交換を行う冷媒式の装置を用いることができる。冷却部４０による冷し金２０の冷却は、制御部５０によって制御される。制御部５０は、例えば、砂型１０に取り付けられた温度センサの測定値が予め定めた温度に低下するまで冷却部４０を制御して冷し金２０の冷却を行う。

制御部５０は、予熱部３０および冷却部４０を制御すると共に、鋳造装置１００の動作全般を制御する。制御部５０は、ＣＰＵおよびメモリを備えるコンピュータとして構成されており、鋳造装置１００の各部を制御するためのプログラムを実行することによって、鋳物の製造方法を実現する。なお、制御部５０は、プラグラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）によって構成されてもよい。

図２は、鋳造装置１００を用いた鋳物の製造方法を示す工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、工程Ｐ１０において、予熱部３０によって冷し金２０が予熱される。本実施形態では、冷し金２０を３００℃まで予熱する。この予熱温度は、冷し金２０に溶湯が接触した後に、冷し金２０の表面が溶融に至る条件を、実験やシミュレーションによって求めることによって予め定めておくことができる。工程Ｐ１０のことを、予熱工程という。

続いて、工程Ｐ２０において、上型１１と下型１２とが型合わせされた砂型１０の開口部１５に、予熱された冷し金２０が配置される。工程Ｐ２０のことを、配置工程という。

図３は、冷し金２０を下型１２に配置した状態を示す図である。冷し金２０は、後述する注湯工程においてキャビティ１３に注湯される溶湯に接触するように下型１２に配置される。本実施形態の冷し金２０は、基部２１と、基部２１から突出する凸部２２とを有している。凸部２２は、砂型１０のキャビティ１３に挿入される部分である。冷し金２０は、凸部２２が下型１２の開口部１５からキャビティ１３内に挿入されるように、下型１２に配置される。開口部１５は、基部２１によって封止される。

図２の工程Ｐ３０において、鋳物の材料である溶湯が、湯口１４を通じてキャビティ１３に注湯される。工程Ｐ３０のことを、注湯工程という。キャビティ１３に溶湯が注湯されると、注湯前に予め加熱された冷し金２０の溶湯との接触部分が、溶湯によって加熱されて溶融する。

押し湯の消費状態などを確認することによって、キャビティ１３に対する注湯が完了したことを確認した後、工程Ｐ４０において、冷却部４０を用いて冷し金２０を外部から強制冷却する。こうすることで、冷し金２０を冷却しつつ溶湯を凝固させて、冷し金２０を鋳物に同化させることができる。工程Ｐ４０のことを冷却工程という。

工程Ｐ５０において、砂型１０のバラシが行われ、鋳物が取り出される。図４は、砂型１０から取り出された鋳物６０を示す図である。図４に示すように、鋳物６０には、冷し金２０が同化しており、冷し金２０も含め、鋳物６０が鋳造されている。取り出された鋳物６０に対しては、砂落としや湯口切り等の後処理が行われる。

図２の工程Ｐ６０において、鋳物６０に同化した冷し金２０の形状を、製品の形状に応じて機械加工等により加工する。工程Ｐ６０のことを加工工程という。

例えば、鋳物６０が、ナックルまたはハブキャリアであれば、ナックルまたはハブキャリアにおいて軸受けが配置される部位に冷し金２０を配置して鋳造を行う。そして、工程Ｐ６０では、軸受けが配置可能な形状に冷し金２０の形状を機械加工する。冷し金２０を軸受け部として用いる場合、例えば、冷し金２０の材料として、耐摩耗性の高いＡｌ１８Ｓｉ材のような、Ｓｉの含有率の高いＡｌ合金を用いることができる。

例えば、鋳物６０がディファレンシャルケースであれば、ディファレンシャルケースの放熱を行う放熱部として冷し金２０を配置して鋳造を行う。そして、工程Ｐ６０では、冷し金２０が放熱部して機能できる形状に冷し金２０の形状を機械加工する。冷し金２０を放熱部として用いる場合、例えば、ディファレンスケースの外側から内側まで冷し金２０が貫通するように冷し金２０を配置することで、放熱効果を高めることができる。このように冷し金２０を放熱部材として用いる場合、冷し金２０の材料としては、熱伝導率の高い、ＡＣ４Ｃなどのアルミ合金を用いることができる。

以上で説明した本実施形態の鋳物６０の製造方法および鋳造装置１００によれば、冷し金２０を予熱した上で注湯を行い、冷し金２０を鋳物６０に同化させるので、図５に示す比較例のように、冷却工程における溶湯の凝固・収縮によって鋳物６０ｂと冷し金２０ｂとの界面が離れ、冷し金２０ｂによる冷却能が低下することを抑制できる。この結果、溶湯の冷却時間を短縮できるので、鋳物６０の金属組織が粗大化する可能性を低減でき、また、鋳物の生産性を高めることができる。

また、本実施形態では、冷し金２０は、砂型１０のキャビティ１３内に挿入される凸部２２を有しているので、溶湯と冷し金２０との接触面積が大きくなり、冷し金２０を鋳物６０に同化させやすい。

また、本実施形態における鋳造方法は、鋳物６０に同化した冷し金２０の形状を加工する加工工程を備えているので、冷し金２０によって形成される部分を、製品の一部として利用しやすくなる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ－１）上記実施形態における鋳造方法は、冷し金２０の形状を加工する加工工程を備えている。これに対して、この加工工程は省略してもよい。加工工程を省略する場合、鋳物６０の冷し金２０によって構成される部分は、機能を有さない付加部として鋳物６０に同化されてもよい。

（Ｂ－２）上記実施形態では、冷し金２０を予熱した後で、冷し金２０を下型１２に配置している。これに対して、冷し金２０は、下型１２に配置された後で予熱されてもよい。

（Ｂ－３）上記実施形態では、上型１１と下型１２とが型合わせされた後に冷し金２０が下型１２配置される。これに対して、冷し金２０は、上型１１と下型１２とが型合わせされる前に、下型１２の内側から下型１２に配置されてもよい。この場合、冷し金２０の予熱は、冷し金２０が下型１２に配置され、型合わせが行われた後で行われることが好ましい。

（Ｂ－４）上記実施形態では、鋳物６０の材料としてＡＣ４Ｃを用い、冷し金２０の材料として４０００系アルミニウム合金を用いている。しかし、鋳物６０および冷し金２０の材料はこれらに限らない。例えば、鋳物６０の材料として鋳鋼を用い、冷し金２０の材料として耐摩耗性の高い黒鉛鋳鉄を用いることができる。また、例えば、鋳物６０の材料としてマグネシウム合金を用い、冷し金２０の材料として、Ｓｉの含有率が高く耐摩耗性の高いアルミニウム合金を用いることができる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…砂型、１１…上型、１２…下型、１３…キャビティ、１４…湯口、１５…開口部、２０，２０ｂ…冷し金、２１…基部、２２…凸部、３０…予熱部、４０…冷却部、５０…制御部、６０，６０ｂ…鋳物、１００…鋳造装置

Claims (6)

1. 鋳物の製造方法であって、
   鋳物と同類の金属からなる冷し金を予熱する予熱工程と、
   砂型に、前記冷し金を配置する配置工程と、
   前記冷し金が配置された前記砂型に溶湯を注ぐ注湯工程と、
   前記冷し金を冷却しつつ前記溶湯を凝固させて、前記冷し金を前記鋳物に同化させる冷却工程と、
   を含む製造方法。
2. 請求項１に記載の鋳物の製造方法であって、
   前記冷し金は、前記砂型のキャビティ内に挿入される部分を有する、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の鋳物の製造方法であって、
   更に、前記冷却工程後に、前記鋳物に同化した前記冷し金の形状を加工する工程、を含む、製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の鋳物の製造方法であって、
   前記鋳物はナックルまたはハブキャリアであり、
   前記冷し金は、前記ナックルまたは前記ハブキャリアにおいて軸受けが配置される部位に配置される、製造方法。
5. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の鋳物の製造方法であって、
   前記鋳物はディファレンシャルケースであり、
   前記冷し金は、前記ディファレンシャルケースの放熱部として配置される、製造方法。
6. 鋳造装置であって、
   鋳物の材料である溶湯が注湯される砂型と、
   前記鋳物と同類の金属からなり、前記溶湯に接触するように前記砂型に配置される冷し金と、
   前記砂型への前記溶湯の注湯前に前記冷し金を予熱する予熱部と、
   予熱され、かつ、前記砂型に配置された前記冷し金を冷却して、前記溶湯を凝固させることにより、前記冷し金を前記鋳物に同化させる冷却部と、
   を備える鋳造装置。

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