JP3068185B2

JP3068185B2 - 金属の鋳造

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Publication number: JP3068185B2
Application number: JP4500174A
Authority: JP
Inventors: アール．ポンテリ，ジョセフ; アランイーディ，ジョン; エー．レッジ，ロドニー; イー．プロポシュ，ロドニー
Original assignee: コマルコアルミニウムリミティド
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1991-11-04
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: DE69126990D1; ES2104734T3; EP0557374A4; BR9107065A; CA2095600C; US5477906A; NZ240458A; DE69126990T2; CA2095600A1; JPH06501206A; US5297611A; WO1992007674A1; ZA918777B; MX9101927A; EP0557374B1; KR100227936B1; US5297611B1; TW204308B; EP0557374A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は金属鋳造物の製造に関する。

発明の背景一般に重力鋳造と呼ばれる、公知の金属鋳造物の製造
方法では、レードル等の装置から、鋳型キャビティーの
頂部または頂部よりも上方に位置する注湯口を持つ注湯
系を通して、鋳型キャビティーに金属を供給する。この
鋳造方法においては、鋳型キャビティー内に入る金属に
は常にある程度の乱流が生ずる。したがって、この方法
で製造した鋳造物では乱流による欠陥が問題になること
が多い。この種の欠陥は一般には酸化物系介在物や気泡
の巻き込みの形をとるが、鋳造が過度にエロージョンを
生じたりホットスポットが大きくなったものを含むこと
もある。

上記重力鋳造の欠点は、鋳型より低い位置にある給湯
源から、鋳型への充填を完全に行わせる機構を介して、
鋳型キャビティー頂部より低い位置にある１個またはそ
れ以上の堰（インゲート）を通して鋳型への充填を行う
ことによって、少なくともある程度は解決できる。これ
により、全体として上昇する金属流に対抗して重力が作
用し、金属流が自由落下する際に生ずる乱流を防止する
効果が得られる。

この方法は一般に低圧鋳造法と呼ばれており、その具
体的な例として、金型（金属鋳型）より下に位置する金
属溶湯供給源から金型キャビティー底部の堰を介して金
型内へ金属を充填する方法が知られている。この金属供
給源は普通は圧力容器内に収容されており、容器内の圧
力を高めることにより金属が鋳型内に押し上げられる。
この鋳造方法の欠点は、必ず金属溶湯供給源の方を向い
ていなければならない凝固方向が、鋳型頂部の最低温の
溶湯部から底部の最高温の溶湯部へ向かうことである。
しかし、鋳型内での自然の対流により高温の溶湯は鋳型
頂部へ移動しようとするため、鋳型内での凝固方向とは
逆になる。その結果、鋳型内での方向性凝固が弱くな
り、鋳型内の金属凝固部に液体金属が供給されない場合
に発生する引け巣の無い鋳造物を得難くなるという問題
が生ずる。

金属鋳型内での自然対流に打ち勝ち、鋳型底部の金属
供給位置へ向かって凝固を進行させる方法は、何らかの
冷却媒体を搬送する流路（チャネル）を鋳型内に設ける
ことである。この冷却流路は一般に鋳型上部内に設けら
れ、鋳型底部の金属供給位置に向かって強制的に凝固を
進行させる。

しかし、低圧鋳造法の最大の欠点は、鋳型内の鋳造物
が凝固するまで、あるいは少なくとも自立できるように
なるまでは、鋳型を金属供給源に接続させておかなけれ
ばならないことである。したがって、生産性を高めるに
は、多数の鋳造ステーションを設け、高価な鋳型を何セ
ットも使う必要がでてくる。

低圧鋳造法として知られているもう一つのタイプは、
砂型の底部よりも下に位置する金属供給源から、砂型底
部の堰を介して砂型内への充填を行う方法である。この
タイプを更に変形した方法として、鋳型自体の中に第二
の金属供給源を内蔵できるものがある。軽量で使い捨て
式の砂型を用い、第二の金属供給源を内蔵させることに
より、鋳型を回転させ、第一の金属供給源と切り離すこ
とができる。鋳造物は別個に凝固させながら、第二の金
属供給源から金属供給を行うことができる。この方法
は、鋳造物の凝固に要する時間とは関係無く鋳造作業を
行うことが可能なので、鋳造ステーションでの生産性が
著しく高まる。

しかし、単純な砂型の最大の欠点は、特に金型の場合
と比べて、鋳型内の溶湯中に生ずる熱勾配が小さいこと
である。熱勾配が小さいと、前進している凝固前縁（凝
固フロント）の前方に一部だけが凝固した金属が広い範
囲で生じ、これを通して溶湯の供給が行われなければな
らない。このような溶湯供給は多くの場合不可能であ
り、その結果あちこちに引け巣が生ずることになる。こ
の一部凝固領域の大きさは合金組成にも依存しており、
熱勾配が小さい条件下では健全な鋳造が容易に行える合
金組成の範囲が小さくなる。

従来の砂型鋳造法に特有のもう一つの欠点は、砂型鋳
造に特有である凝固速度の遅さであり、その結果、特に
金型の場合と比べて、ミクロ組織が粗くなる。鋳造物の
ミクロ組織は機械的性質を考慮した場合に極めて重要で
あり、ミクロ組織が細かいほど機械的性質が全般に向上
する。

また、凝固中に鋳型へ金属を供給するための供給系
は、凝固過程の最後に凝固しなければならないので、供
給系の設計は鋳造対象物の凝固時間に依存する面もあ
る。鋳造対象物の凝固時間をかなり短くできる場合に
は、鋳造歩留りの向上がかなり見込めるように、供給系
内に必要な金属の体積を低減させることができる。

従来の砂型鋳造においては、「チル」と呼ばれる熱伝
導の良い挿入材が用いられることが多い。しかし、この
ようなチルでは本発明の効果は得られない。チルは鋳型
断面の所々に配置される上、その抜熱作用があるのは凝
固中の金属の温度になるまでの期間に限られるので、方
向性凝固が得られるのは局部的でしかも一時的に過ぎな
い。本発明により達成される鋳型の組合せとそれによる
長時間の抜熱作用は、従来用いられたことは無く、アル
ミニウム等の金属を鋳造するための鋳型設計において革
新的で顕著な改良である。

本発明の概要と目的本発明の目的は、従来の鋳造法にあった多くの欠点を
克服した鋳造物を作るための新規で革新的な方法および
装置を提供することである。

すなわち本発明は、鋳型セグメントにより画定された
鋳型キャビティー内に、液体金属供給源から該鋳型キャ
ビティー頂部より下方にある少なくとも一つの堰を通し
て液体金属を受け入れ、該鋳型キャビティー内への注湯
を静かに行える、金属鋳造物を製造するための鋳型アセ
ンブリであって、熱伝導性の高い材料から成る少なくと
も一つの大表面積領域を含む抜熱部材を、該鋳型キャビ
ティー内で凝固しつつある鋳造物から急速に強制的な抜
熱を行うように配置したことにより、該鋳造物内に強制
的に熱勾配を生起し維持するようにし、該鋳造物内の液
体金属の凝固継続中は該鋳造物からの該強制的な抜熱が
実質的に維持されることにより該鋳造物の実質的に全体
にわたり方向性凝固が行われるように該抜熱部材を配置
した鋳型アセンブリを提供する。

本明細書中、用語抜熱部材あるいは熱コアは、熱伝導
性が高く外部の熱吸収媒体と接触させて鋳造物から抜熱
させることができる鋳型アセンブリの部材を指す。

それ以外の鋳型アセンブリの部分は、比較的熱伝導性
が低い微粒子状材料で形成されていることが望ましい。
鋳型アセンブリへの静かな注湯は、鋳型キャビティー内
へ液体金属が自由落下する際の乱流を最少にしまたは完
全に無くすように液体金属を鋳型キャビティーに流入さ
せることができる堰を設けることにより行うことが望ま
しい。

鋳型アセンブリにかなり熱伝導性の良い部分を設ける
こと、望ましくはこれを外部の熱伝達媒体と組み合わせ
ることは本発明の重要な特徴であり、この特徴が、凝固
中の溶湯から急速に連続して熱を除去することにより、
鋳造物全体にわたって方向性凝固がなされるのに必要な
強い熱勾配を凝固中の溶湯内に生起させる新規で革新的
な手段を提供するのである。外部からの冷却を伴う大き
い抜熱部材は、金属特にアルミニウム部材の砂型鋳造で
これまでに用いられたことはない。

外部の熱伝達媒体は何らかの形の熱吸収媒体（ヒート
シンク）であって良く、これを鋳型アセンブリの熱コア
に当てることにより鋳型内で凝固中の溶湯からの熱の除
去を更に促進する。

望ましい態様においては、鋳型キャビティー内にある
金属の実質部分が液体であるうちに鋳型キャビティーを
シールする手段を設けたことにより、鋳型キャビティー
を溶融金属源から切り離すことができるようになってい
る。鋳型のシールは、機械的摺動板、電磁弁、消耗湯道
の小部分を凝固させること、等を含めて種々の手段によ
り行うことができ、鋳型が一杯に充填されたときに行う
ことが望ましい。

また、液体金属供給源からの液体金属を受け入れるた
めに頂部もりも下方に少なくとも一つの堰を有する鋳型
キャビティーを画定する鋳型セグメントを含んで成る鋳
型アセンブリ内で金属鋳造物を製造する際に、該鋳型ア
センブリは該鋳型アセンブリ内で凝固しつつある鋳造物
から急速に強制的な抜熱を行うように配置された熱伝導
性の高い材料から成る少なくとも一つの大表面積領域で
ある抜熱部材と該液体金属供給源から該鋳型キャビティ
ーをシールするためのシール手段とを備えており、該方
法は、該液体金属供給源から該鋳型アセンブリ内に液体
金属を供給する工程と、該鋳型アセンブリを該液体金属
供給源からシールし分離する工程と、少なくとも該鋳型
セグメントおよびその中に収容されている金属を冷却ス
テーションに搬送する工程とを含んで成る方法であっ
て、該鋳造物内の液体金属の凝固継続中は該鋳造物から
の該強制的な抜熱が実質的に維持されることにより該鋳
造物の実質的に全体にわたり方向性凝固が行われるよう
に該鋳型アセンブリを配置した金属鋳造物の製造方法も
提供される。

本発明による鋳造方法を、改良された低圧鋳造（イン
プルーブド・ロウプレッシャー・キャスティング:ILP）
と呼称する。

本発明の望ましい一態様においては、熱コアあるいは
高熱伝導領域（単数または複数）は鋳型の底部に位置し
ている。溶湯を充填したら、鋳型アセンブリを迅速にシ
ールして冷却ステーションに搬送し、そこで熱伝導性材
料から急速に連続して熱を除去する。熱伝導性材料から
（望ましくは外部の熱伝達媒体を介して）急速に熱を除
去することにより、鋳型の底部から鋳型頂部にある押湯
へ向かう非常に明瞭な方向性凝固が生起され、それによ
り健全な鋳造が促進される。また高い凝固速度と大きい
熱勾配とが得られ、これらはそれぞれミクロ組織の微細
化と広範囲の合金組成の鋳造可能性とをもたらす。ま
た、鋳型をシールして鋳造ステーションから迅速に切り
離すことにより、鋳造設備を最大限に利用でき、高い生
産性を得ることができる。

適切な形態で鋳型を冷却ステーションに迅速に搬送で
きるようにするには、鋳型キャビティーが充填されたら
直ちに鋳型を溶融金属供給源から分離することが望まし
い。

本発明のもう一つの望ましい態様においては、鋳型キ
ャビティーを溶融金属供給源からシールし熱コアから抜
熱することにより、鋳型セグメントおよび金属を冷却ス
テーションに搬送する前に固体金属の自立性殻を形成す
る。望ましくは、熱コアを鋳造ステーションに残してお
き、次の鋳造のための鋳型セグメントを鋳造ステーショ
ンにあるこの熱コアに組み付ける。

本発明の以上およびその他の目的および利点を、以下
の望ましい実施態様の説明および添付図面により更に明
瞭に説明する。

図面の簡単な説明図１は本発明の実施態様の一つを示す斜視図であり、図２は図１に示した本発明の断面図であり、図３（ａ）は金属配送系に接続した図１の実施態様の
断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）においてシール機構の一例と
して設けた摺動板を閉じた状態を示し図であり、図４（ａ）は摺動板シール機構を開けた状態の鋳型ア
センブリの断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面図で
あり、図５（ａ）は摺動板シール機構を閉じた状態の図４
（ａ）の鋳型アセンブリの断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿った断面図で
あり、図６は図５（ａ）および図５（ｂ）に示した実施態様
を冷却ステーションで鋳型アセンブリを姿勢変更させた
状態の断面図であり、図７は実施例で用いた鋳造物形状であり、図８（ａ）は強制抜熱無しで円筒状鋳型内で作製され
た鋳造物の模式断面図であり、図８（ｂ）は強制抜熱有りで円筒状鋳型内で作製され
た鋳造物の模式断面図であり、図９（ａ）は従来の重力砂型鋳造についての温度対時
間で示した冷却曲線であり、図９（ｂ）は本発明による鋳造物についての温度対時
間で示した冷却曲線である。

図面の詳細な説明図１は、熱コアとしての高熱伝導板１と、側部および
端部の各コア２、13と、上型（コープ）３とを有する被
せ前（モールドアセンブリ）した鋳型を基盤10上に設置
した状態を示す。鋳型のシーリング機構（図示せず）は
基盤10に内蔵されており、以下に説明するような種々の
適した形態をとることができる。

図２は、Ｖ形エンジンブロックを鋳造するための鋳型
構成部材間の内部配置関係を示す。熱コアはアルミニウ
ム、銅、鋼のような高熱伝導性金属で作られている。こ
の板の材質選定は、鋳造時の溶融合金の温度に依存し、
また熱コアの厚さは鋳造中に望みの冷却速度を得るため
に用いる材料の伝導特性に応じて選択する。

内部で鋳造物が凝固する鋳型キャビティー９は鋳型セ
グメント２、３、４および13によって画定される。

上型３はキャビティー９内の鋳造物のための第２の金
属供給（導入）系５を含む。この導入系５は、鋳造分野
で知られている上注ぎ法に適した系であれば良い。導入
系５によって、鋳造物凝固時の収縮を相殺するために鋳
型キャビティー内へ溶融金属を導入することができる。

トップ・デッキ・コア４と下型4aとに、湯道系あるい
は分配系６および鋳造物９のための金属流入口７が含ま
れている。図２の鋳型アセンブリのための湯道系は、鋳
造分野で知られている側部部材２からでも端部部材13か
らでも鋳型の底部で溶融金属を導入するのに適した系で
あればよい。

鋳型への金属給送系（図示せず）には、溶融金属を供
給源から鋳型の堰へ一定の流量で搬送するガス加圧また
は適当なポンプのような公知の低圧金属搬送技術を用い
る。しかし、キャビティーの形状またはキャビティー内
の金属湯面高さに応じて、堰からの金属流入量を加減す
ることが望ましい。

熱コア以外の鋳型アセンブリ構成部材は、必ずではな
いが一般に、微粒子状の材料から成る。この微粒子状鋳
型材料は、シリカ、ジルコン、オリビン、クロマイト、
シャモットまたは石英等の種々の鋳型砂のうちの少なく
とも１種でよく、または合成材料でもよい。

図３（ａ）および図３（ｂ）では、この鋳型を基盤あ
るいは鋳造盤10の上に設置してある。シーリング機構８
が基盤10の内部にあり、断熱された押湯管あるいは樋系
11と共働して液体金属を鋳型へ配送する。

図３（ａ）はシーリング機構を開いて金属が鋳型内へ
流入できるようにした状態を、図３（ｂ）はシーリング
機構８を閉じた状態を示す。

鋳型キャビティーのシーリングが完了したら、鋳型ア
センブリを冷却ステーションに移動させ適当な姿勢にし
て、外部の熱伝達媒体あるは熱吸収媒体（ヒートシン
ク）によって熱コアを強制的に冷却できるようにしてお
き、溶融金属を導入系から鋳型キャビティーに流入させ
る。外部熱伝達媒体としては空気流またはミスト流が望
ましいが、液体の熱伝達媒体または熱交換表面との接触
を用いてもよい。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５
（ｂ）は、キャビティー28内に摺動可能に保持したシー
リングプレート20をシーリング機構とした本発明の一実
施態様を示す。シーリングプレート20には鋳造物への湯
道系24の下方に位置する穴22があり、液体金属はこの穴
を通って鋳型キャビティー内に流入できる。図４（ｂ）
に示すように、鋳型アセンブリの外部へ延びた金属製摺
動プレート21がシーリングプレート20に押し当ててあ
る。望ましい形態においては、この金属製プレートをア
クチュエータ（図示せず）のロッドに取り付けておく。

図示した鋳型アセンブリは、鋳型セグメントの上面上
に熱コアを有し、湯道系24は鋳型キャビティー28に通じ
る第２の金属供給用キャビティー26を含んでいる。鋳型
キャビティー内が液体金属で充満したら、摺動プレート
21を横へ移動させて、シーリングプレート20の穴22の位
置を押湯管25の位置から外し、シーリングプレートによ
って金属流入口を閉鎖して鋳型キャビティーをシールす
る（図５（ｂ））。

シーリングプレートは、鋳物砂等で作製し、使用後に
鋳型アセンブリの他の微粒子材料部材と一緒に回収でき
るようにすることが望ましい。シーリングプレートはこ
れ以外にも鋼またはセラミックス等の適当な材料で作製
してもよい。また、シーリング機構を電磁式のものとし
電磁界を用いて金属流をシールしまたは鋳型内へ流入さ
せるようにしたり、あるいは熱シール式のものとし流入
口を急速に凝固させてシールを行うようにしてもよい。

図４（ａ）〜図５（ｂ）に示した実施態様について、
図６に示したように鋳型アセンブリを倒置して冷却ステ
ーションに配置する。鋳型キャビティー23の下方に位置
する熱コア27を外部の熱伝達媒体あるいは熱吸収媒体に
接触させる。この場合、第２の金属供給用キャビティー
26は鋳型キャビティー23の上方に位置し、鋳造物の凝固
に伴い溶融金属が第２金属供給用キャビティー26から鋳
型キャビティーに流入し凝固収縮を相殺する。

本発明の別の実施態様においては、鋳型セグメントお
よび鋳型キャビティー内の液体金属が鋳造ステーション
を離れる前に、熱コアを外部の熱伝達媒体あるいは熱吸
収媒体に接触させる。この実施態様では、熱コアによっ
て十分な抜熱が行われ、熱コアに隣接する金属が自立で
きる薄い殻になる。この状態になってから、鋳型セグメ
ントおよび鋳型キャビティー内の液体金属を熱コアから
分離し、冷却ステーションへ移す。

鋳型セグメントおよび溶湯を姿勢を直した後、冷却ス
テーションに配置し、そこで外部の熱伝達媒体および熱
吸収媒体を熱コアに対応する鋳造物の凝固済部分に適用
し、鋳造物を完全に凝固させる。

上記別の実施態様では、熱コアは鋳造ステーションに
残り、この熱コアに別の鋳型セグメントを組み付けて次
の鋳造を開始する。

鋳造物の凝固は必ず強制的な温度勾配に沿って（すな
わち、低温部から高温部へ）進行し、凝固速度は温度勾
配の増加に伴って増加する。

熱コアを設けたので、鋳造物の冷却および凝固が速く
なる。その結果、単純な砂型により普通に製造した鋳造
物よりも、一般に望まれる微細なミクロ組織の鋳造物が
得られる。更に、鋳型アセンブリを強制的に冷却するよ
うにしたので、鋳型キャビティー内の温度勾配が大きく
なり、方向性凝固がより確実に行われる。この方向性凝
固は、鋳型底部にある熱伝導板から鋳型頂部にある押湯
へ向かうので、健全な鋳造が促進される。

本発明により凝固中の溶湯に必要なマクロ的作用を得
るには、熱勾配に影響し溶湯全体での凝固方向に影響す
るように熱コアを十分に大きくする必要がある。小さい
チル表面では溶湯全体に影響せず方向性凝固が非常に局
部的になってしまうのに対して、本発明の鋳型アセンブ
リに用いる大きい熱コアは鋳造物全体にわたる凝固方向
に影響する。熱コアの冷却作用は冷却ステーションで行
う熱コアの２回目の冷却により向上する。

次に、熱コアからの抜熱を向上させるための熱コアの
実施態様を更に２つ説明する。その第１は、外表面の表
面積を増加させて（フィンにして）、鋳造後にこれを強
制空冷するようにした熱コアである。第２は、熱コアの
内部に機械加工で流路を設け、水冷できるようにしたも
のである。空冷式の方が製造プロセスに組み込むのは容
易であるが、コアの冷却効果は水冷式の方が大きい。

以下の実施例で用いたテスト鋳造物は、内部水冷ジャ
ケットコアとオイルギャラリーコアとを備えた単純な一
気筒モックエンジンブロック（図７に示す）である。鋳
造体積（正味）は約4000cm³、熱コアのスイープ面積は3
70cm²であった。熱コアが実際に鋳造物と接触する面積
は110cm²、熱コアの平均厚さは約6.5cmであった。鋳造
物の公称肉厚は10mmとし、鋳造物内の温度をモニターす
るために用いた細い熱電対によって凝固が実質的に影響
を受けないようにした。従来程度の肉厚（３〜5mm）に
していたら、ほんの小さな熱電対でも鋳造物の凝固に影
響を及ぼす恐れがあった。

熱電対による追跡結果である冷却曲線を、鋳造物の凝
固に対する熱コアの効果を測定する主な手段として用い
た。図７に、鋳造物内での熱電対の位置を頂部36、中間
部37、底部38で示し、熱コア34（用いた場合）を示し
た。用いた熱電対は全てクロメル・アルメル（Ｋタイ
プ）であり、直径1.6mmのステンレス鋼製シースに封入
して用いた。

実施例１鋳型キャビティーの底部のチルプレート有りおよび無
しとし、他の部分はジルコン砂から成る鋳型アセンブリ
に、US合金356（Al−７％Si−0.3％Mg）を鋳込んだ。こ
の鋳型アセンブリに底注ぎで注湯した後に倒置した。鋳
型アセンブリの底部に大きな熱コアを設けたことによる
望ましい効果を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。

熱コア無しの鋳型アセンブリによる鋳造物30には湯通
／押湯間に中程度の引け巣31と大きいスポンジ状部分32
とがあり、その下に比較的小さい健全（ポロシティー無
し）部がある。これに対して、単純な抜熱板34を設けた
鋳型アセンブリによる鋳造物33（図８（ｂ））は、押湯
内に比較的大きい引け巣があり、健全な鋳造物であっ
た。後者の鋳造物が金属中にポロシティーが無かったの
は、熱コアを介して鋳型アセンブリから強制的に抜熱が
なされ、方向性凝固が強められた結果である。

実施例２凝固時間に対する熱コアの影響を示すために、単純な
砂型による鋳造物と本発明による鋳造物（ILP）のにつ
いて時間に対する金属の温度のグラフを作成した。US合
金356とUS合金319（Al−６％Si−3.5％Cu）とを図７の
形状に鋳造した。デンドライトアーム間隔（DAS）の測
定結果を表１に示す。鋳造物は全て、十分に脱ガスおよ
び清浄化し細粒化剤を添加しない金属から作製したもの
であり、全てのサンプルは鋳造物中央のバレル断面部分
から採取した。

図９（ａ）に単純な砂型鋳造についての一組の冷却曲
線を、図９（ｂ）に本発明による鋳造についての同様な
一組の冷却曲線を示す。熱コアを用いたことにより、鋳
造期間中全ての測定点について凝固時間が短縮している
ことが分かる。この効果は熱コアに隣接する鋳造物頂部
で最も顕著であり、図９（ａ）および図９（ｂ）にS_Tで
示した凝固までの時間が約150秒から60秒未満にまで短
縮しているが、これより下方の位置では凝固までの時間
（S_M,S_B）が390秒からそれぞれ200秒および330秒に短縮
している。

凝固時間を短縮した場合、鋳造物の歩留りを高めるこ
とが可能である。鋳造物に溶湯を供給する押湯の寸法
は、鋳造物が完全に凝固するのに必要な時間によって大
きく変わる。これは、押湯は鋳造物よりも長い時間液体
状態を持続し凝固収縮部の全てに十分に溶湯を供給でき
るようにしなければならないからである。鋳造物の凝固
までの時間が短縮すると、押湯寸法も同様に小さくする
ことが可能であり、全体としての歩留りが高くなる。歩
留りが高くなれば同じ個数の鋳造物に対して必要な溶融
金属の量が少なくてよいので、コストが低減する。

DAS値は鋳造物の凝固速度とは逆に変化しており、上
記の結果から、熱コアの効果により砂型鋳造時の凝固速
度が低圧半永久鋳型（SPM）鋳造時の凝固速度の近くま
で高まることが分かる。

DASおよび粒径は鋳造物の機械的性質の指標にもな
る。鋳造組織が細かい程、変形に対する抵抗が大きくな
るので強く硬くなる。その結果、鋳造物の機械的性質は
DAS値および粒径値と同じ傾向で且つ逆の関係になると
予想される。

実施例３本発明の効果を鋳造物の物理的および機械的性質につ
いて調べるために、合金356（Al−Si）およびUS合金319
（Al−Si−Cu）を用い図７に示した一気筒形テスト鋳造
物について試験を行った。これらの合金は重力鋳造用お
よび低圧鋳造用として最も一般的に用いられている２種
類の合金であり、広範な鋳造物特性を代表するものであ
る。鋳型アセンブリを完全にアセンブリした後に鋳造ス
テーションに配置し、鋳造物はその通常の姿勢に鋳造し
た。

十分に熱処理した後の機械的性質を表２に示す。サン
プルは十分に熱処理した後に試験に供し、これにより可
能性のある自然時効の影響を完全に取り除いた状態と
し、正しい比較ができるようにした。

予想されたように、DAS測定結果で見られた傾向が鋳
造物の機械的性質に鏡映しており、ILPおよび低圧鋳造
での強度は重力砂型鋳造での強度よりもかなり高い。例
えば356合金の場合、ILP鋳造物のUTS値は砂型鋳造時よ
りも40％以上高く、低圧半永久鋳型鋳造時より５％程度
低いだけである。普通は鋳造が難しいとされる319合金
の場合も、本発明の方法によると従来の砂型鋳造に対し
てUTSが25％は向上している。

各実施例から示されるように、本発明の方法において
本発明の鋳型を用いることにより、低圧半永久鋳型鋳造
および重力供給砂型鋳造のいずれと比較しても組織が微
細でポロシティーが少なく機械的性質が優れた鋳造物が
得られる。本発明は更に生産性が高く、低コストで、寸
法制御性が良いという利点もある。

フロントページの続き (72)発明者イーディ，ジョンアランオーストラリア国，ビクトリア 3109, イーストドンカスター，ベレスフォークローズ 11 (72)発明者レッジ，ロドニーエー. オーストラリア国，ビクトリア 3442, ウッドエンド，リアンズロードロット６ (72)発明者プロポシュ，ロドニーイー. オーストラリア国，ウエスタンオーストラリア 6153，アップルクロス，マクリードロード９，ユニット４ (56)参考文献特開平１−299757（ＪＰ，Ａ) 特開平２−192872（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−119434（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−11060（ＪＰ，Ａ) 特開平１−237065（ＪＰ，Ａ) 特開平１−113164（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 15/00 B22C 9/06 B22D 17/22 B22D 27/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属の凝固により金属鋳造物を製造す
るための鋳型アセンブリであって、該鋳型アセンブリが
画定し液体金属を受け入れる鋳型キャビティー（９）
が、下記抜熱部材より熱伝導性の低い材料から成る鋳型
セグメント（２、３、４、13）と、該鋳型キャビティー
に液体金属を充填するための主流入口（７）と、該鋳型
キャビティー内での金属の凝固中に金属の収縮を相殺す
るために該鋳型キャビティー（９）に液体金属を導入す
る導入系（５）と、上記鋳型セグメントより熱伝導性の
高い材料から成り該鋳型キャビティー（９）の一部を画
定する少なくとも一つの抜熱部材（１）とを備えている
鋳型アセンブリにおいて、上記導入系（５）が上記少な
くとも一つの抜熱部材（１）とは反対側にあり、上記少
なくとも一つの抜熱部材（１）が上記主流入口（７）の
直近にあることを特徴とする鋳型アセンブリ。
【請求項２】前記導入系（５）が前記主流入口（７）と
は反対側にあることを特徴とする請求項１記載の鋳型ア
センブリ。
【請求項３】前記導入系（５）が前記鋳型キャビティー
（９）の上方にあることを特徴とする請求項１または２
記載の鋳型アセンブリ。
【請求項４】溶融金属の凝固により金属鋳造物を製造す
るための鋳型アセンブリであって、該鋳型アセンブリが
画定し液体金属を受け入れる鋳型キャビティー（23）
が、下記抜熱部材より熱伝導性の低い材料から成る鋳型セグ
メントと、該鋳型キャビティー（23）に液体金属を満たすための主
流入口（24、25）と、該鋳型キャビティー（23）内での金属の凝固中に金属の
収縮を相殺するために該鋳型キャビティー（23）に液体
金属を導入する導入系（26）と、上記鋳型セグメントより熱伝導性の高い材料から成り該
鋳型キャビティー（23）の一部を画定する少なくとも一
つの抜熱部材（27）とを備えている鋳型アセンブリにお
いて、上記導入系（26）が上記凝固中に上記鋳型キャビ
ティー（23）の上方に配置可能であり、上記少なくとも
一つの抜熱部材（27）が上記導入系（26）とは反対側に
あることを特徴とする鋳型アセンブリ。
【請求項５】前記主流入口（24、25）から前記導入系
（26）を経由して前記鋳型キャビティーに液体金属を充
填することを特徴とする請求項４記載の鋳型アセンブ
リ。
【請求項６】更に、前記鋳型キャビティーをシールする
手段を備えていることを特徴とする請求項１から５まで
のいずれか１項記載の鋳型アセンブリ。
【請求項７】前記鋳型キャビティーをシールする手段
が、摺動プレート（８、20）、電磁式バルブ、または前
記流入口を急速に凝固させる手段を備えていることを特
徴とする請求項６記載の鋳型アセンブリ。
【請求項８】前記鋳型キャビティー（９、23）内での液
体金属の凝固中に、前記少なくとも一つの抜熱部材
（１、27）が、該凝固しつつある液体金属から急速に強
制的な抜熱を行って、該凝固しつつある液体金属の実質
的な凝固継続中は該凝固しつつある液体金属中に強制的
な熱勾配を生起し維持するように、前記鋳型キャビティ
ー（９、23）、前記導入系（５、26）および前記少なく
とも一つの抜熱部材（１、27）の形状、寸法および相対
位置を設定するように該鋳型アセンブリの姿勢が取れる
ようにしたことにより、該凝固しつつある液体金属の実
質的に全体にわたって、上記抜熱部材（１、27）から上
記導入系（５、26）へ向かう上向きの方向性凝固が行わ
れるようにしたことを特徴とする請求項１から７までの
いずれか１項記載の鋳型アセンブリ。
【請求項９】前記鋳型セグメントが、前記抜熱部材より
熱伝導性の低い微粒子状材料から成ることを特徴とする
請求項１から８までのいずれか１項記載の鋳型アセンブ
リ。
【請求項１０】前記少なくとも一つの抜熱部材（１、2
7）が、直ちに取り外せることを特徴とする請求項１か
ら９までのいずれか１項記載の鋳型アセンブリ。
【請求項１１】前記少なくとも一つの抜熱部材（１、2
7）が、アルミニウム、銅、または鋼から成ることを特
徴とする請求項１から10までのいずれか１項記載の鋳型
アセンブリ。
【請求項１２】鋳型アセンブリ内で金属鋳造物を製造す
る方法であって、液体金属供給源から上方へ、少なくと
も一つの主流入口（７、24、25）を介して、鋳型アセン
ブリにより画定された鋳型キャビティー（９、23）に充
填する工程であって、該鋳型アセンブリは高熱伝導性の
材料から成る少なくとも一つの抜熱部材を備えており、上記鋳型キャビティー（９、23）を上記液体金属供給源
からシールし分離する工程、および上記鋳型アセンブリを冷却ステーションに搬送する工程
を含んで成る方法において、上記冷却ステーションにおいて上記抜熱部材（１、27）
を上記鋳型キャビティーの下部に位置させることによ
り、凝固中の該金属から急速に強制的な抜熱を行わせ且
つ該抜熱を実質的に凝固継続中は維持し、それにより、
該金属の実質的に全体にわたって方向性凝固を行わせる
ことを特徴とする、鋳型アセンブリ内で金属鋳造物を製
造する方法。
【請求項１３】前記鋳型キャビティー（９）内に前記液
体金属を充填している間中、前記抜熱部材（１）を該鋳
型キャビティー（９）の前記下部に位置させることを特
徴とする請求項12記載の方法。
【請求項１４】前記鋳型キャビティー（23）内に前記液
体金属を充填している間中、前記抜熱部材（27）を該鋳
型キャビティー（23）の上部に位置させ、該充填が完了
した後は、該鋳型アセンブリを倒置して該抜熱部材（2
7）を前記下部に位置させることを特徴とする請求項12
記載の方法。
【請求項１５】凝固中、前記抜熱部材（１、27）が前記
鋳型キャビティー（９、23）の底部の直近にあることを
特徴とする請求項12から14までのいずれか１項記載の方
法。
【請求項１６】凝固中、前記抜熱部材が前記鋳型キャビ
ティーの底部にあることを特徴とする請求項12から14ま
でのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】前記シールを、摺動部材（８、20）、電
磁バルブまたは金属を凝固させる手段により行うことを
特徴とする請求項12から14までのいずれか１項記載の方
法。
【請求項１８】前記鋳型キャビティー（９、23）内での
前記金属の凝固中、導入系（5,26）から該鋳型キャビテ
ィー（９、23）に液体金属を導入することにより、該凝
固中の金属の収縮を相殺することを特徴とする請求項12
から17までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】前記充填は、該液体金属を、該液体金属
供給源から上向きに、主流入口（24、25）および前記導
入系（26）をこの順に介して前記鋳型キャビティー（2
3）に充填することにより行うことを特徴とする請求項1
8記載の方法。
【請求項２０】前記導入系（５）が、前記鋳型アセンブ
リ内に形成された二次キャビティーであることを特徴と
する請求項18記載の方法。
【請求項２１】前記抜熱部材（１、27）が、前記導入系
（５、26）とは反対側に位置していることを特徴とする
請求項18記載の方法。
【請求項２２】前記充填の際に、前記導入系（26）およ
び前記主流入口（24、25）はいずれも前記鋳型キャビテ
ィー（23）より下方に位置することを特徴とする請求項
18記載の方法。
【請求項２３】前記抜熱部材（１、27）、前記鋳型キャ
ビティー（９、23）および該鋳型キャビティー内に収容
されている金属を、実質的な凝固の開始前に前記冷却ス
テーションに搬送することを特徴とする請求項12記載の
方法。
【請求項２４】前記鋳型アセンブリを前記冷却ステーシ
ョンに配置し、外部の熱伝達媒体または熱吸収媒体を前
記抜熱部材に当てて急速に抜熱して前記金属を凝固させ
ることを特徴とする請求項12から23までのいずれか１項
記載の方法。
【請求項２５】鋳型アセンブリ内で金属鋳造物を製造す
る方法であって、該鋳型アセンブリは鋳型キャビティー
（９、23）を画定する鋳型セグメント（２、３、４、1
3）を備え、該鋳型キャビティーはその頂部より下方に
ある少なくとも一つの主流入口（７）を介して液体金属
供給源からの液体金属を受入れ、該鋳型アセンブリは、
該鋳型アセンブリ内で凝固しつつある鋳造物から急速に
強制的な抜熱を行うように配置された高熱伝導性の少な
くとも一つの抜熱部材（１、27）と、該鋳型キャビティ
ー（９、23）を該液体金属からシールするシール手段と
を備えており、該液体金属供給源から該鋳型アセンブリ
に液体金属を供給する工程と、該鋳型キャビティー
（９、23）を該液体金属供給源からシールし分離する工
程とを含む方法において、該鋳型キャビティーをシールした後に、該液体金属から
該抜熱部材（１、27）を介して抜熱することにより、該
抜熱部材の直近にある金属の殻を凝固させ、そして該鋳
型セグメント（２、３、４、13）およびその中に収容さ
れている金属を冷却ステーションに搬送し、そこで該鋳
造物の実質的な凝固中に該鋳造物からの強制的な抜熱が
維持されて該鋳造物の実質的に全体にわたって方向性凝
固が行われるように該鋳型アセンブリが配置されている
ことを特徴とする、鋳型アセンブリ内で金属鋳造物を製
造する方法。
【請求項２６】前記抜熱部材（１、27）を前記冷却ステ
ーションに残しておき、この抜熱部材に鋳型セグメント
（２、３、４、13）を組み付けることにより鋳型アセン
ブリを構成させることを特徴とする請求項25記載の方
法。
【請求項２７】前記冷却ステーションにおいて、外部の
熱伝達媒体を前記鋳造物の前記凝固した殻に当てること
により、前記鋳造物からの前記強制的な抜熱を行うこと
を特徴とする請求項25記載の方法。