JP2838457B2

JP2838457B2 - ダイカスト用ポンプ部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2838457B2
Application number: JP4130176A
Authority: JP
Inventors: 山龍吉丸; 月善一望; 島健二新; 正裕林
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd; Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH05293623A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホットチャンバ型ダイカ
スト機、とくにアルミニウム合金溶湯を圧送する射出ポ
ンプに係り、特に溶湯の通路となるポンプ部材の構造お
よびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からアルミニウム合金のダイカスト
法はコールドチャンバ方式であり、亜鉛合金のように、
ホットチャンバ方式のものはない。その理由は、溶融ア
ルムミニウムにすべての金属が侵食され、ポンプ部材と
しての機能をもたないからである。

【０００３】このようなアルミニウム合金をホットチャ
ンバ方式で生産可能とするために、従来から溶融アルミ
ニウム合金と接触する部分にセラミックス，黒鉛などの
耐食部材を鋳ぐるんだポンプ部材が提案されている（た
とえば特公昭55-49945号公報参照）。

【０００４】すなわち、図１０に示すように、溶湯の通
路１００となる部分を溶湯に接しても侵されずしかも強
度の高い多孔質セラミックス等からなる管状のインサー
ト部材１０１を耐熱鋳鉄部材１０２にて鋳ぐるんだ構成
となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような技
術で、現在実用化されているものはない。

【０００６】その大きな理由は、鋳ぐるみ材料の耐熱鋳
鉄部材１０２と鋳ぐるまれる材料であるインサート部材
１０１との熱膨張差が大きいため、鋳ぐるみ時の熱衝撃
と収縮応力により、鋳ぐるまれるインサート部材１０１
が破壊されるという問題があった。

【０００７】たとえば、インサート部材１０１の素材と
してアルミ溶湯に耐えるセラミックスとしてＡｌ₂ ０
₃ ，Ｚr Ｏ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＣ等を利用する場合、
鋳ぐるむ材料は一般に耐熱鋳鉄であるから、鋳込み温度
は約１３５０℃であり、鋳ぐるまられるインサート部材
１０１は砂型の中にセットされるため約２００℃で乾燥
された状態である。この砂型内に注湯すると、インサー
ト部材１０１と耐熱鋳鉄溶湯との間に１１５０℃の温度
差があるため、上記セラミックス製のインサート部材１
０１はすべて熱衝撃により破壊されてしまう。

【０００８】そのため、図１１に示すように、インサー
ト部材１０１の表面に断熱セラミックスシートよりなる
熱緩衝緩和材１０３を巻くことにより、熱衝撃を緩和し
て鋳ぐるんでいる。このような方法をとれば、鋳造時の
割れは発生しない。

【０００９】しかし、この部材を射出ポンプ部材として
用い、例えば射出時の鋳造圧力１５０［Kgf/ cm²］で長
時間射出成形していると、熱衝撃緩和材１０３は粉々に
粉砕され、インサート部材１０１と耐熱鋳鉄部材１０２
の間に隙間１０４が発生する。そのため、射出時、イン
サート部材１０１に衝撃力が作用して容易に破壊してし
まう。

【００１０】その結果、その破壊面よりアルミが流出
し、背面の鋳鉄を侵食する。

【００１１】また、黒鉛はヤング率が小さく、熱伝導も
よい性状を持っている。そこで鋳ぐるまれるインサート
部材１０１に気孔率の大きな黒鉛材を使用し鋳ぐるむ場
合もある。この方法では、熱衝撃は緩和でき、鋳造時の
割れは発生しない。

【００１２】しかし、この黒鉛製のインサート部材１０
１の引張り強さは２［Kgf/mm² ］以下であり、射出時の
繰り返し応力により短時間で疲労破壊する。破壊すれ
ば、上述したように耐熱鋳鉄部材１０２は容易に侵食さ
れ溶損してしまう。

【００１３】また、熱衝撃を防止するためにインサート
部材１０１を図１２に示すように複数に分割したものも
提案されている（特公昭56-26503号公報参照）。この分
割構成の例は、連結管１０６を各分割部材１０７，１０
８の端部外周に嵌着し、分割部材１０７，１０８の端部
間のすき間ｇによってインサート部材１０１と耐熱鋳鉄
部材１０２間の軸方向の熱膨張差を吸収するようにした
ものである。

【００１４】しかし、このような分割構成のものは、分
割部材１０７，１０８の合わせ目に異常な圧力が負荷さ
れるために、図１３に示すように連結管１０６が膨ら
み、高圧の溶湯がその両端のすき間から各分割部材１０
７，１０８と耐熱鋳鉄部材１０２との境界部に図中矢印
方向に急速に流れ込み、耐熱鋳鉄部材１０２の金属が溶
損して侵食されてしまう。鋳ぐるまれるインサート部材
１０１を細分化すればする程継ぎ目が多くなり、射出時
にこの継ぎ目部分からアルミ溶湯が漏れて局部侵食が進
行する。

【００１５】そのため、ヤング率の小さな黒鉛部材を使
用し、鋳込み時の熱衝撃を緩和させまた、合わせ目のも
れをネジ構造で解決しようとしているが、射出を繰り返
しているうちに、ネジ部からクラックが入り、前述した
ようにインサート部材背面側の鋳ぐるみ材料である耐熱
鋳鉄が侵食されてしまう。

【００１６】本発明は上記した従来技術の課題を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、鋳
ぐるみ時の熱応力によって破壊されず、射出時において
も疲労破壊せず、溶融アルミに侵食されず、インサート
部材に作用する熱衝撃，熱応力を吸収でき、しかも耐熱
鋳鉄部材の溶損を防止し得るダイカスト用のポンプ部材
およびその製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にあっては、内孔が溶融金属の通路となる管
状のインサ−ト部材と、該インサート部材を鋳ぐるんだ
耐熱鋳鉄部材とから構成されるダイカスト用ポンプ部材
において、前記インサート部材を炭素繊維強化炭素材に
より構成してなることを特徴とする。

【００１８】前記炭素繊維強化炭素材が炭素繊維紡績糸
織物を基材として構成されていることが好適である。

【００１９】また、本発明のダイカスト用ポンプ部材の
製造方法は、モデル中子に熱硬化性樹脂を含浸させた炭
素繊維紡績糸織物を所定の厚さに多層に巻き付けること
によりインサート部材の形状を型取った第１段階の中間
成形体を形成する工程と、前記第１段階の成形体を加熱
して熱硬化性樹脂を硬化させることにより第２段階の中
間成形体を形成する工程と、前記第２段階の中間成形体
からモデル中子を抜き出して炭素化処理を行い炭素繊維
強化炭素材よりなるインサート部材とする工程と、該イ
ンサート部材を耐熱鋳鉄で鋳ぐるんでポンプ部材を完成
することを特徴とする。

【００２０】第２段階の中間成形体を炭素化処理する工
程において、中間成形体にピッチを含浸させて炭素化処
理を行うことが好適である。

【００２１】尚、本明細書中に記載の用語「アルミニウ
ム合金」は、アルミニウム合金のみならず、アルミニウ
ム単独の場合も含む意味で用いている。

【００２２】

【作用】本発明にあっては、セラミックスよりもヤング
率の小さい炭素材を用いるので、鋳造時の熱衝撃に対し
て強く、鋳造時に破損するおそれがない。

【００２３】また、炭素繊維によって強化されているの
で、射出による繰り返し応力に対しても強く、射出時に
も破損しない。

【００２４】このように、鋳造時および射出時を通じて
インサート部材の破損を防止することができるので、イ
ンサート部材の破損箇所からの溶湯の漏れがなく、長期
に亙ってアルミ溶湯による耐熱鋳鉄の溶損を防止するこ
とができる。

【００２５】また、炭素繊維として炭素繊維紡績糸織物
を使用することにより、インサート部材を一体的に構成
することができる。

【００２６】さらに、織物とすることにより、インサー
ト部材の全体の強度を平均化することができる。

【００２７】

【実施例】以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００２８】図２は、本発明のポンプ部材が用いられる
ホットチャンバ型ダイカスト機のポンプ部分を示してい
る。同図において、１は射出ポンプであり、金型２を取
りつけた固定台３の近くに配置されている。さらに、射
出ポンプ１の隣には射出ポンプ１に溶湯を供給するため
の溶解炉４が配置されている。

【００２９】射出ポンプ１は、溶解炉４から連結管６を
介して溶湯５が供給されるグースネック部７と、このグ
ースネック部７上に組み付けられるポンプ駆動部８と、
グースネック部７内の溶湯５を金型２のキャビティ９内
に吐出するためのノズル部１０と、を具備している。

【００３０】グースネック部７には供給された溶湯５を
ノズル部１０に導くための溶湯通路１１が設けられてい
る。また、このグースネック部７上面にはポンプ駆動部
８を組み付けるための竪穴１２が設けられており、竪穴
１２の底面に溶湯通路１１の入口が開口している。一
方、溶湯通路１１の出口はグースネック部７の上端部側
面に開口しており、この溶湯通路１１出口に上記ノズル
部１０が連結され、溶湯はノズル部７内周の溶湯通路１
１を通じてキャビティ９内に射出される。

【００３１】ポンプ駆動部８は、竪穴１２内に挿入され
て下端が前記溶湯通路１１の入口に連結されるシリンダ
１３と、このシリンダ１３内に摺動自在に挿入されるプ
ランジャ１４と、シリンダ１３上端に取り付けられてプ
ランジャ１４を往復駆動させる油圧シリンダ１５と、か
ら構成されている。そして、上記溶解炉４から溶湯５を
供給するための連結管６はシリンダ１３の中途部に連結
されている。この連結管６の高さは溶解炉４内の溶湯５
の液面高さよりも低く、溶解炉４内の溶湯５はこのヘッ
ド差によってシリンダ１５内に自動的に供給される。

【００３２】而して、グースネック部７の溶湯通路１１
内に充満している溶湯５は、油圧シリンダ１５によって
駆動されるプランジャ１４によってノズル部１０を通っ
て金型２のキャビティ９内に圧送される。この射出作動
時、連結管６，グースネック部７，ノズル部１０は、そ
れぞれヒータ６Ｈ，７Ｈ，１０Ｈによって６８０℃に保
持されている。

【００３３】本発明は、射出時に射出圧力が作用するグ
ースネック部７とノズル部１０に特に使用されるもので
ある。

【００３４】グースネック部７およびノズル部１０は、
いずれも鋳ぐるみ部材としてのインサート部材７Ａ，１
０Ａと、このインサート部材７Ａ，１０Ａを鋳ぐるむ耐
熱鋳鉄部材７Ｂ，１０Ｂと、から構成されている。

【００３５】従来用いられてきたインサート部材は、黒
鉛，セラミックスの粉体を焼成して製造したもので、硬
く，脆いために鋳ぐるみ材としての機能を果たさない。

【００３６】本発明では、このインサート部材７Ａ，１
０Ａを、図１，図３に示すように炭素繊維１６で強化さ
れた炭素材によって構成している。

【００３７】このように炭素繊維強化炭素材を用いる
と、基本的に炭素材なので、熱伝導率が高く、ヤング率
および熱膨張係数を低い。したがって、鋳造時の熱衝撃
に対して強く、鋳造時にインサート部材７Ａ，１０Ａが
破損するおそれがない。

【００３８】また、炭素繊維によって強化されているの
で、射出による繰り返し応力に対しても強く、射出時に
も破損しない。

【００３９】特に、この実施例では炭素繊維１６を炭素
繊維紡績糸織物２００にし、この炭素繊維紡績糸織物２
００を炭素材の厚さ方向に積層した多層構造としてお
り、黒鉛等の単なる炭素材の構造物よりも引っ張り強度
および破断ひずみを大きくすることができる。

【００４０】因みに、実験によれば、熱伝導率が０．２
[cal/cm・sec・^。c] と高く、ヤング率が３０００［kgf/mm
² ］，熱膨張係数も１〜３×１０^-6[1/^。c]と低い値を得
ることができた。一方、引っ張り強度については１５〜
２０［kgf/mm² ］，破断ひずみも０．５〜１．０％と大
きい値を得ることができた。

【００４１】また、炭素繊維１６によって強化している
ので、破壊形態もセラミックス，黒鉛とは異なり二つに
分離するような破壊は生じない。すなわち、衝撃が加わ
って部分的に損傷したとしても炭素繊維１６で強化され
た損傷箇所が拡大しない。

【００４２】次に、本発明のポンプ部材の製造方法につ
いて、図４乃至図６に基づいて説明する。

【００４３】まず、炭素繊維紡績糸織物２００にフェノ
ール樹脂等の熱硬化性樹脂２０１を含浸させ、約２０
［mm］の幅に切断して炭素繊維織物テープ２０２を形成
する（図４(a) 〜(c) 参照）。

【００４４】この炭素繊維織物テープ２０２をグースネ
ック部７およびノズル部１０のインサート部材７Ａ，１
０Ａを型取ったモデル中子２０３，２０４に軸方向に対
して３０〜４０度の範囲の角度をつけ所定の厚さまで
（１０mm）テープラップして、第１段階の中間成形体２
０５，２０６を成形する（図４(d) 〜(i) 参照）。

【００４５】しかる後、炉２１６内で約１５０℃に加熱
してフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂２０１を硬化さ
せ、硬化後モデル中子２０３，２０４を取り除いて第２
段階の成形体２０７，２０８を成形する（図５(a) 〜
(c) 参照）。グースネック部７のモデル中子２０３のよ
うに複雑な形状の場合には、たとえば可撓性材料で構成
しておくことにより、硬化後の抜き取りを容易にでき
る。

【００４６】次に、この部材２０７，２０８を不活性ガ
ス雰囲気中（例えば窒素ガスＮ₂)で約１０００℃にて炭
素化処理をする（図６(a) 参照）。ただ、この状態では
気孔率が非常に大きいので、ピッチ２０９を含浸させ前
述の温度で炭素化する（図６(b) ，(c) 参照）。

【００４７】このピッチ２０９の含浸は、たとえば真空
吸引によって行なわれる。まず、成形体２０７，２０８
外周をピッチ２０９によって被覆し、盲蓋２１０によっ
て成形体２０７，２０８の両端開口部を閉塞しておく。
次いで、真空吸引源２１１によって盲蓋２１０に設けた
吸引孔２１２から成形体２０７，２０８内にエアを吸引
し、成形体２０７，２０８内外の圧力差によってピッチ
２０９を成形体２０７，２０８の周壁の空孔にピッチを
充填するようになっている。

【００４８】この操作を３回繰り返し、嵩比重を約１．
５とする。このようにして製作したインサート部材７
Ａ，１０Ａをポンプ部材としてのグースネック部７及び
ノズル部１０の中子として用い鋳造する。鋳鉄材料は高
温での強度が必要なため、クロム，モリブデンを含有し
た特殊鋳鉄を用いる。この鋳鉄素材を高周波炉にて約１
５００℃の温度に溶解する。

【００４９】また、鋳込まれるインサート部材７Ａ，１
０Ａは、たとえばグースネック部７のインサート部材を
例にとると、図７に示すように砂型２１３にセットす
る。この鋳型２１３を約１５０℃に乾燥し、鋳ぐるむイ
ンサート部材７Ａの水分を完全に除去した後上記の鋳鉄
を湯道２１４より注湯する。尚、図中２１５は注湯され
た溶湯を押湯するための押湯部である。

【００５０】このようにして鋳造した部材を、図３に示
すダイカスト機のグースネック部７及びノズル部１０と
して使用した。いずれも繰り返し射出高圧を受けるアル
ミ溶湯通路を有するポンプ部材である。

【００５１】このように成形されたグースネック部７お
よびノズル部１０をダイカスト機に組み込んで、射出試
験を行った。ダイカストの条件は以下の通りである。

【００５２】鋳造圧力１００〜２００［kgf/cm² ］，鋳
造速度０．２〜０．６［m/sec]，鋳造材料ＡＤＣ１２
（ＪＩＳ規格），鋳造温度６５０℃，ノズル部１０，連
結管６，グースネック部７の加熱保持温度６８０℃の条
件下で、寿命試験を行った。

【００５３】その結果、約８００００回成形してもイン
サート部材７Ａ，１０Ａの破壊等の問題は発生せず、異
常侵食はなく良好な結果を得た。

【００５４】図８は、この寿命試験後におけるグースネ
ック部７のインサート部材７Ａと耐熱鋳鉄部材７Ｂ間の
組織断面の顕微鏡写真である。

【００５５】この写真で、Ａはインサート部材７Ａを構
成する炭素繊維強化炭素材の領域であり、Ｂは耐熱鋳鉄
と炭素繊維強化炭素材との境界層領域であり、Ｃは耐熱
鋳鉄の領域である。写真によれば境界層領域Ｂは約１mm
の均一な層となっており、この境界層領域Ｂは、分析の
結果以下に示すように均一なＦｅ−Ａｌ合金層となって
いることが明らかになった。

【００５６】図９は、この境界層領域Ｂの合金層をａ−
ａ線に沿って走査して（図８参照）、Ｘ線マイクロアナ
ライザにて分析した結果を示している。

【００５７】このＸ線マイクロアナライザは、Ｘ線ビー
ムを各元素に当てた時の各元素に特有のパルス数をカウ
ントするもので、分析元素としては耐熱鋳鉄部を構成す
る鉄（Ｆｅ）と、射出される溶湯の構成成分であるアル
ミニウム（Ａｌ）である。チャートの縦軸を２５００，
１５０００ [cps/25mm] ，チャート横軸を１００ [μm
／30mm] として描いている。

【００５８】この線図によれば、Ｆｅ，Ａｌの量が境界
層領域Ｂの全域に亙りほぼ一定となっている。これは、
アルミ溶湯がインサート部材の炭素繊維強化炭素材領域
Ａを透過して耐熱鋳鉄領域Ｃ側へ拡散するものの、拡散
する量が完全に飽和しており、これ以上拡散が進まない
ことを意味しており、アルミ溶湯による耐熱鋳鉄の侵食
を完全に防止することができたことがわかる。

【００５９】また、表１には波長分散型Ｘ線分析装置に
よるＦｅ−Ａｌ合金層の定量分析結果を示している。

【００６０】この分析結果によれば、Ａｌ成分は中央部
で５２．８％、炭素繊維側で４５．０％であり、ほぼ均
一になっていることがわかり、上記Ｘ線マイクロアナラ
イザによる分析結果と同一の結果が得られた。なお、図
８の写真で、〇印の部位は定量分析を行った中央部であ
る。

【００６１】

【発明の効果】本発明は以上の構成および作用を有する
もので、インサート部材を熱伝導率が大きくしかも熱膨
張率の小さい炭素材により成形したので、鋳造時の熱衝
撃による破損を防止できる。

【００６２】また、炭素材を炭素繊維強化炭素材とする
ことで、繰り返し射出圧力に対しても強く、射出時に破
損するおそれもない。

【００６３】このように、鋳造時および射出時を通じて
インサート部材の破損を防止することができるので、耐
熱鋳鉄の溶損を防止することができ、耐久性に優れたダ
イカスト用ポンプ部材を実現することができる。

【００６４】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例に係るダイカスト用ポ
ンプ部材を示すもので、同図(a) はポンプ部材の断面
図、同図(b) はインサート部材と耐熱鋳鉄部材の接合部
の部分立体断面図である。

【図２】図２はホットチャンバ型ダイカスト機の概略断
面図である。

【図３】図３(a) ，(b) は図１のポンプ部材のインサー
ト部材のみを取り出して示す断面図、同図(c) はインサ
ート部材の組織を模式的に示す一部破断拡大斜視図であ
る。

【図４】図４(a) 乃至 (g)は炭素繊維織物の巻付け工程
の説明図、同図(h) は同図(e)のＨ−Ｈ線拡大断面図、
同図(i) は同図 (g)のＩ−Ｉ線拡大断面図である。

【図５】図５(a) 乃至(c) は熱硬化樹脂の硬化およびモ
デル中子の抜き取り工程の説明図である。

【図６】図６(a) は炭素化処理工程の説明図、同図(b)
，(c) は成形体にピッチを含浸させる工程の説明図で
ある。

【図７】図７はインサート部材を耐熱鋳鉄で鋳ぐるむ砂
型の断面図である。

【図８】図８はインサート部材と耐熱鋳鉄部材の境界層
の金属組織を示す顕微鏡写真のコピーである。

【図９】図９は図８の顕微鏡写真のａーａ線に沿ってＸ
線マイクロアナライザにて線分析した結果を示す図であ
る。

【図１０】図１０は従来のポンプ部材の模式的断面図で
ある。

【図１１】図１１は図１０のポンプ部材の溶損状態を示
す断面図である。

【図１２】図１２は他の従来のポンプ部材の模式的断面
図である。

【図１３】図１３は図１２のポンプ部材の溶損状態を示
す断面図である。

【符号の説明】

１射出ポンプ２金型３固定台４溶解炉５溶湯６連結管７グースネック部（ポンプ部材）７Ａインサート部材７Ｂ耐熱鋳鉄部材８ポンプ駆動部１０ノズル部（ポンプ部材）１０Ａインサート部材１０Ｂ耐熱鋳鉄部材１１溶湯通路１３シリンダ１５油圧シリンダ１６炭素繊維２００炭素繊維紡績糸織物

フロントページの続き (72)発明者新島健二静岡県駿東郡長泉町上土狩字高石234番地東邦レーヨン株式会社研究所内 (72)発明者林正裕静岡県駿東郡長泉町上土狩字高石234番地東邦レーヨン株式会社研究所内 (56)参考文献特開平４−147758（ＪＰ，Ａ) 特開平５−285621（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−5138（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−5139（ＪＰ，Ａ) 特開平３−66464（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22D 17/02 B22D 19/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属の通路となりかつ射出時の射出
圧力が作用する管状のインサ−ト部材と、該インサート
部材を鋳ぐるんだ耐熱鋳鉄部材とから構成されるダイカ
スト用ポンプ部材において、前記インサート部材を炭素繊維強化炭素材により構成し
たことを特徴とするダイカスト用ポンプ部材。
【請求項２】炭素繊維強化炭素材が炭素繊維紡績糸織
物を基材として構成されていることを特徴とする請求項
１に記載のダイカスト用ポンプ部材。
【請求項３】モデル中子に熱硬化性樹脂を含浸させた炭
素繊維紡績糸織物を所定の厚さに多層に巻き付けること
によりインサート部材の形状を型取った第１段階の中間
成形体を形成する工程と、前記第１段階の成形体を加熱して熱硬化性樹脂を硬化さ
せることにより第２段階の中間成形体を形成する工程
と、前記第２段階の中間成形体からモデル中子を抜き出して
炭素化処理を行い炭素繊維強化炭素材よりなるインサー
ト部材とする工程と、該インサート部材を耐熱鋳鉄で鋳ぐるんでポンプ部材を
完成するダイカスト用ポンプ部材の製造方法。
【請求項４】第２段階の中間成形体を炭素化処理する
工程において、中間成形体にピッチを含浸させて炭素化
処理を行う請求項３に記載のダイカスト用ポンプ部材の
製造方法。