JP3576498B2 - 還元鋳造方法および還元鋳造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法および還元鋳造装置に関し、より詳細には鋳造時に押湯部に残留する溶湯の処理を特徴とする還元鋳造方法および還元鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムの鋳造方法には種々の方法があるが、重力鋳造法は鋳造品の質の良さ、成形型の簡易さ等の多くの利点を有する。図８は重力鋳造法によるアルミニウムの鋳造に使用する成形型の例を示す。成形型１００は金属製であり、下型１０２ａと上型１０２ｂの分割型によって所望形状の鋳造品が鋳造されるキャビティ１０４が形成されている。
上型１０２ｂには、アルミニウムまたはその合金等の金属の溶湯を注湯する注湯口１０６とキャビティ１０４との間に押湯部１０８が形成され、キャビティ１０４に注湯された際に、キャビティ１０４内の空気を抜く空気抜き孔１１０が形成されている。
【０００３】
ところで、金属の溶湯が凝固する際には、約３％程度の収縮が発生する。このため、キャビティに充填された溶湯の凝固によって生じる収縮は、得られる鋳造品にヒケ等の欠陥として発現する。図８に示す成形型１００に設けた押湯部１０８は、キャビティ１０４に充填された溶湯が凝固に伴なって収縮する際に、押湯部１０８の重力によって溶湯を補充し、ヒケ等の欠陥が生じることを防止する。押湯部１０８からキャビティ１０４に溶湯を補充する作用は、押湯部１０８に注湯された溶湯の重力の作用によるから、通常の鋳造装置では押湯部１０８として大きな容積を確保している。
【０００４】
これは、鋳造装置の成形型内での溶湯の流動性が低いため、押湯部１０８の重量を大きくして強制的に溶湯を補充する必要があるからである。たとえば、アルミニウムの鋳造では、アルミニウムがきわめて酸化しやすいため、溶湯の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成され溶湯の流動性が低下するという問題があり、このため、キャビティ１０４の内壁面に溶湯の流動性を向上させる塗型剤を塗布するといったことが行われている。
【０００５】
このようなアルミニウムの鋳造方法に関して、本出願人は先に塗型を使用することなくアルミニウムの流動性を向上させることができ、良好な外観のアルミニウム鋳造品を得るアルミニウム鋳造方法について提案した（特開２０００−２８００６３号公報）。このアルミニウム鋳造方法においては、図９に示すように、成形型１００のキャビティ１０４に還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を導入した後、アルミニウムまたはその合金の溶湯を注湯して鋳造することを特徴とする。マグネシウム窒素化合物は、アルミニウムまたはその合金の溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元する作用を有し、これによって溶湯の表面張力を低減して溶湯の流動性、湯周り性を高め、湯じわ等をなくして高品質の鋳造を可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を成形型のキャビティ内に導入して鋳造する方法は、溶湯の流動性をきわめて良好にし、湯周り性が向上することから、押湯部１０８として従来のような大容積を確保する必要がない。押湯部１０８による重力の作用に大きく依存することなくキャビティ１０４に確実に溶湯を注入することができるからである。したがって、鋳造型を設計する際には、溶湯が凝固することによる体積の縮小分を補充することを念頭において押湯部１０８を設計することが可能になる。
【０００７】
従来の鋳造装置の場合、鋳造型から取り出した鋳造品には押湯部１０８内で凝固した金属部分が一体化して連結しているから、押湯部１０８内で凝固した金属を湯口部分で鋳造品から切断しし、鋳造品については切削等の後加工を施し、鋳造品から切断した押湯部１０８内で凝固した金属は溶湯材料として再利用される。このように、従来の鋳造装置を用いて鋳造した場合は、押湯部１０８で凝固した金属を鋳造品から切断する作業が必須であり、押湯部１０８の容積が大きい場合には、切断する作業が煩雑になる。また、押湯部１０８で凝固した金属を再度溶融して溶湯とするため、鋳造エネルギーの消費の点で見ると大きなエネルギーの損失になるという問題がある。
【０００８】
そのため、前述した還元性化合物を利用して鋳造する方法の場合には、押湯部１０８の容積を小さく設計することが可能であるから、押湯部１０８の容積を溶湯の凝固による体積の縮小を補充するに必要な程度の小容量とし、これによって、鋳造後に押湯部１０８で凝固した金属を切断する作業を容易にすることが可能である。
しかしながら、押湯部の容積を小さくしたとしても鋳造後に鋳造品から押湯部で凝固した金属を取り除く作業が生じるから、鋳造時に押湯部内の溶湯を鋳造品から分断して、鋳造品に押湯部内で凝固した金属がほとんど付着しないようにすることができればきわめて作業効率が向上する。
【０００９】
本発明は、上述した還元鋳造方法によって鋳造する際に、押湯部内の溶湯を鋳造品から分断し、鋳造品と押湯部内の凝固金属が連結した状態とせずに鋳造することを可能とし、これによって鋳造後の加工作業を容易にし、鋳造作業におけるエネルギー消費をより効率的にすることができる還元鋳造方法および還元鋳造装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法であって、前記成形型として、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成されて、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与された成形型を使用し、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする。
【００１１】
また、成形型を、キャビティを構成する部材と押湯部を構成する部材とを別体に形成し、キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とを分離して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から分断することを特徴とする。
また、押湯部を構成する部材に、押湯部の溶湯を成形型の外部に排出するための閉塞栓を設け、キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記閉塞栓を開放し前記押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする。また金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内にマグネシウムガスと窒素ガスとを導入して反応させて得たマグネシウム窒素化合物を還元性化合物として鋳造することを特徴とする。
【００１２】
金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とが分離可能に設けられていることを特徴とする。
また、金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする。
【００１３】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、前記押湯部を構成する部材に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出する閉塞栓が設けられていることを特徴とする。
また、金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする。
また、押湯部を構成する部材が、キャビティを形成する部材よりも高断熱性の材料で形成されていることを特徴とする。また、押湯部の内壁面に断熱性塗型剤が塗布されて断熱処理が施され、キャビティの内壁面に断熱処理が施されていないことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明に係る鋳造装置１０の全体構成を示す説明図であり、アルミニウム鋳造品の鋳造に適用した例を示す。
１２は成形型であり、この成形型１２にはアルミニウムまたはその合金の溶湯が注湯される注湯口１２ａ、注湯口１２ａに連通するキャビティ１２ｂが形成されている。キャビティ１２ｂの内壁面は、下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出する。
【００１５】
成形型１２は配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、配管２２のバルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスが注入され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気として実質的に非酸素雰囲気とすることができる。
また、アルゴンガスボンベ１９は、配管２６によって金属ガスを発生する発生器としての加熱炉２８に接続されており、配管２６に設けられたバルブ３０を開くことによって加熱炉２８内にアルゴンガスが注入される。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、金属ガスとしてのマグネシウムガスを発生させるため、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上にされている。バルブ３０によって加熱炉２８に注入されるアルゴンガス量を調整することができる。
【００１６】
アルゴンガスボンベ１９は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末が収容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管３８によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８には加熱炉２８へのマグネシウム粉末の供給量を制御するバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１２ｃに接続されており、加熱炉２８でガス化された金属ガスは金属ガス導入口１２ｃを介してキャビティ１２ｂ内に導入される。配管４２に介装したバルブ４５は、成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する金属ガスの供給量を調節するためのものである。
【００１７】
図２に成形型１２の構成を拡大して示す。成形型１２は、金属製の下型１４ａおよび上型１４ｂと、硫酸カルシウム等のセラミック製のアダプター１８と、上型１４ｂとアダプター１８との間に配置されたセラミック製の挿入板１７とから成る。これら下型１４ａ、上型１４ｂ、挿入板１７およびアダプター１８は各々の境界面で分割可能に設けられ、下型１４ａと上型１４ｂは鋳造品を鋳造するキャビティ１２ｂを形成する分割型に形成されている。
アダプター１８にはアルミニウムまたはその合金の溶湯を注湯する注湯口１２ａと湯路２１および、金属ガス導入口１２ｃと金属ガス導入路２３が設けられている。挿入板１７には湯路２１に連通して押湯部１６が設けられている。押湯部１６は、横断面の面積が湯路２１の横断面の面積よりも大きく設定され、容積がキャビティ１２ｂの容積の５〜１０％程度に設定されている。
【００１８】
本実施の形態で上型１４ｂとアダプター１８との間に挿入板１７を設け、挿入板１７に押湯部１６を設ける構成としているのは、押湯部１６を構成する部材を上型１４ｂを構成する部材とは異なる材料とし、押湯部１６を構成する部材の熱伝導率を上型１４ｂを構成する部材の熱伝導率よりも低く設定できるようにするためである。なお、挿入板１７に形成する押湯部１６の容積はキャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固する際に溶湯の体積が縮小する分を補充する程度に設定すればよく、従来の鋳造装置に用いる押湯部の容積にくらべてはるかに小さくなっている。本実施形態の鋳造装置で挿入板１７とアダプター１８とをセラミック製としているのは、挿入板１７とアダプター１８とをキャビティ１２ｂを形成する下型１４ａおよび上型１４ｂにくらべて高断熱性として押湯部１６に注湯された溶湯がキャビティ１２ｂに注湯された溶湯よりも凝固しにくくなるようにするためである。
【００１９】
図２において、５０は下型１４ａと上型１４ｂとをクランプするクランパ、５２と５４はクランパ５０を押動操作する駆動ロッドと駆動部である。駆動ロッド５２はモータ等の駆動部に連結してクランパ５０を図の左右方向に押動し、駆動部５４はクランパ５０を図の上下方向に押動する。５６は連結アームである。図２は、クランパ５０を右方向に進入させ、下方向に移動させて、下型１４ａと上型１４ｂ、挿入板１７とアダプター１８が互いに組み合わされてクランプした状態である。下型１４ａと上型１４ｂとでキャビティ１２ｂが形成され、押湯部１６および湯路２１を介してキャビティ１２ｂと注湯口１２ａとが連絡し、押湯部１６および金属ガス導入路２３を介してキャビティ１２ｂと金属ガス導入口１２ｃとが連通する。この状態でキャビティ１２ｂに溶湯が注入されて還元鋳造がなされる。
【００２０】
図１に示す鋳造装置１０によるアルミニウムの還元鋳造は以下のようにしてなされる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによってパージする。キャビティ１２ｂ内の空気は成形型１２の排気孔から排出され、キャビティ１２ｂ内が窒素ガス雰囲気となって実質的に非酸素雰囲気となる。その後、バルブ２４をいったん閉じる。
成形型１２のキャビティ１２ｂ内の空気をパージしている際に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ１９からアルゴンガスを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。
次いで、バルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、ヒータ３２によりマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度になるように加熱されている。このため、加熱炉２８に送り込まれたマグネシウム粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００２１】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０およびバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃからマグネシウムガスをキャビティ１２ｂ内に注入する。
キャビティ１２ｂ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、かつバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。成形型１２内に窒素ガスを注入することにより、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応しマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。マグネシウム窒素化合物はキャビティ１２ｂ内壁面に粉体として析出する。
窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に注入する際には、窒素ガスの圧力および流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することもよい。
【００２２】
キャビティ１２ｂの内壁面にマグネシウム窒素化合物が付着した状態で、注湯口１２ａからアルミニウムの溶湯を注湯し、湯路２１および押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂ内に溶湯を注入する。溶湯の注入は、キャビティ１２ｂ、押湯部１６および注湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
溶湯を注入した際にアルミニウムの溶湯は、キャビティ１２ｂの内壁面に付着しているマグネシウム窒素化合物と接触し、マグネシウム窒素化合物が溶湯表面の酸化被膜から酸素を奪うことによって、溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元される。
さらに、キャビティ１２ｂ内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。このようにして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、かつ安定な化合物であるため、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えることはない。
【００２３】
還元鋳造方法は、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとり純粋なアルミニウムを形成して鋳造する方法であり、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造するものである。このため、鋳造工程中に溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することを防止でき、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にすることができる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性（平滑性）に優れ、湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることができる。
【００２４】
本実施形態では成形型１２として挿入板１７とアダプター１８を金属にくらべて断熱作用の高いセラミックによって形成して、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティ１２ｂに充填された溶湯よりも遅くなるように設定している。このように、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度よりも遅くするということは、まずキャビティ１２ｂで溶湯を凝固開始させ、溶湯が凝固することによって縮小した体積分を押湯部１６から確実に補充できるようにするためである。
【００２５】
図７は押湯部とキャビティにおける溶湯の冷却曲線を示す。図７（ａ）は、図１に示す鋳造装置によって鋳造する場合で、成形型１２のキャビティ１２ｂ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する方法（還元鋳造方法）によるもの、図７（ｂ）は従来の鋳造装置による場合を示す。
同図で、Ａ点は成形型に注湯する溶湯の温度であり、Ｂ点は溶湯が完全に凝固する温度である。したがって、図の斜線の領域は、押湯部に充填された溶湯がキャビティに流入して有効な押湯効果を奏し得る領域を示すことになる。
還元鋳造方法による図７（ａ）の場合の斜線の領域が、従来の鋳造方法による図７（ｂ）にくらべてはるかに広いのは、還元鋳造方法による場合はキャビティ１２ｂに充填された溶湯がきわめて短時間のうちに凝固温度まで下がるからである。還元鋳造方法では溶湯の湯周り性がきわめて良好であり、したがって、短時間のうちに溶湯が凝固する。
【００２６】
これにくらべて従来の鋳造方法では、溶湯の湯周り性が低いため、キャビティに溶湯が完全に充填するまでに時間がかかるから、押湯部の容積を大きくして押湯部内の溶湯の温度を下げないようにしつつ、徐々にキャビティに溶湯を補充するようにして鋳造する。この場合には、凝固までに時間がかかるとともに、キャビティに充填された溶湯の温度と押湯部の溶湯の温度差が小さく、したがって、押湯効果は小さくなる。
いいかえれば、還元鋳造方法の場合は、キャビティ１２ｂと押湯部１６に注湯される溶湯の冷却速度差が大きいから、押湯部１６の容積が小さくても、キャビティ１２ｂに充填された溶湯との凝固時間差が大きくなり、キャビティ１２ｂの溶湯が凝固して体積が縮小しはじめても押湯部１６の溶湯は凝固せず、キャビティ１２ｂに効果的に溶湯を補充することができるということである。
【００２７】
なお、押湯部１６に充填された溶湯とキャビティ１２ｂに充填された溶湯との凝固時間差を充分に確保するには、キャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分以上（更に好ましくは７００℃／分以上）とすると共に、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分未満（更に好ましくは３００℃／分以下）とすればよい。特に、両者の冷却速度差を２００℃／分以上とすると、好適な押湯効果を得ることができる。
【００２８】
上述したように、挿入板１７とアダプター１８を金属にくらべて断熱作用の高いセラミックによって形成することは、キャビティ１２ｂと押湯部１６に充填された溶湯の冷却速度差を大きくする上で有効であり、押湯部１６による押湯効果をさらに高めることができる点で効果的である。
なお、キャビティ１２ｂと押湯部１６における溶湯の冷却速度差を設ける方法として、キャビティ１２ｂと押湯部１６とを断熱性の異なる部材によって形成する他に、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布して断熱処理を施すといった塗型を利用することももちろん可能である。断熱性塗型剤としては、例えばセラミックが配合された塗型剤が使用できる。
【００２９】
本実施形態の鋳造装置では、上記のように、キャビティ１２ｂでは溶湯が凝固し、押湯部１６では溶湯が凝固していない状態で、キャビティ１２ｂ側と押湯部１６側とで成形型１２を分離し、キャビティ１２ｂで成形される鋳造品に押湯部１６内に残留する溶湯が付着しないようにすることを特徴とする。
図３は、キャビティ１２ｂ内に溶湯が充填されて凝固し、押湯部１６内の溶湯が半凝固状態となった状態で、挿入板１７とアダプター１８とを上型１４ｂと挿入板１７との境界面から離間させた状態を示す。本実施形態の鋳造装置では、型開き操作の際に、まずクランパ５０が上方に持ち上げられて挿入板１７とアダプター１８とが上型１４ｂから離間され、次いで、クランパ５０が左方向に移動して下型１４ａと上型１４ｂが型開きする。
【００３０】
図３に示すように、挿入板１７とアダプター１８とを上型１４ｂから離間させることによって、押湯部１６に残留する溶湯をキャビティ１２ｂによって成形された鋳造品から分断することができる。キャビティ１２ｂ側では鋳造品が完全に凝固しているのに対して押湯部１６では溶湯が半凝固状態であるから、型開きの際に押湯部の溶湯と鋳造品とを分断することは容易に可能である。
【００３１】
本発明に係る還元鋳造方法は、キャビティ１２ｂと押湯部１６での溶湯の凝固速度差が大きいことを利用して、キャビティ１２ｂにおいて溶湯が凝固した後、押湯部１６では溶湯が凝固していない状態で押湯部１６内の溶湯を取り出すことを特徴とする。溶湯が半凝固の状態であれば、溶湯を分断したり、取り出すことはきわめて容易である。
押湯部１６に残留する溶湯を鋳造品から分断する方法としては、上記実施形態に限らず、種々の方法が可能である。
【００３２】
図４は、型開きする際に挿入板１７とアダプター１８とを分割型１４から分離するように構成した例である。挿入板１７に傾斜ピン１７ａを設けて、挿入板１７をスライドして開く際に、挿入板１７が分割型１４から離間するように構成した例である。１４ｃはキャビティ１２ｂでの挿入型である。キャビティ１２ｂはいくつかの分割型を組み合わせて構成しているから、これらの分割型を型開きする際に挿入板１７と分割型１４とが離間するように構成することによって、鋳造品から押湯部１６内の溶湯を分断することができる。
【００３３】
図５は、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固した後、押湯部１６内の溶湯が凝固する前に、押湯部１６内の溶湯を成形型１２の外部に取り出すように構成した例である。挿入板１７に金型の外面から押湯部１６にまで通じる横孔６１を設け、横孔６１内に進退動自在に閉塞栓６０を設ける。６２は横孔６１から流出する溶湯を受ける容器である。
図５は、鋳造時の状態を示すもので、押湯部１６が閉塞栓６０によって塞がれている。キャビティ１２ｂと押湯部１６に溶湯が注入され、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固したところで、閉塞栓６０を抜くことによって、押湯部１６内の溶湯が横孔６１から容器６２に流れて押湯部１６から溶湯が取り出される。この実施形態の鋳造方法は押湯部１６とキャビティ１２ｂとの溶湯の凝固時間差が大きく、押湯部１６内に残留する溶湯の流動性が高い場合に有効に利用できる。
【００３４】
図６は押湯部１６内に残留する溶湯をプッシャ７０によって押し出すことにより、キャビティ１２ｂでの鋳造品と押湯部１６内の溶湯を分断するように構成した例である。挿入板１７に設ける押湯部１６の少なくとも湯口部分を横断してスライド移動可能にスライド体７２を設け、プッシャ７０によりスライド体７２を進退駆動する。
図６は、スライド体７２が鋳造品を成形する位置にある状態である。この状態でキャビティ１２ｂと押湯部１６に溶湯を注入して成形する。そして、キャビティ１２ｂに注入された溶湯が凝固し、押湯部１６内の溶湯が凝固していない時点で、プッシャ７０によりスライド体７２を、鋳造品を成形する位置から、押湯部１６を分断する位置まで移動させる。これによって、押湯部１６に残留する金属と鋳造品とが分断される。
【００３５】
スライド体７２を鋳造品と押湯部１６とを分断する位置まで移動させたところで型開きすることにより、押湯部１６を分断した鋳造品を得ることができる。なお、プッシャ７０によりスライド体７２を移動させる際に、押湯部１６内の金属が排出できる位置までスライド体７２を突き出すようにしてもよい。
また、図６では、押湯部１６の高さとスライド体７２の厚さとを一致させているが、前述したように、スライド体７２を押湯部１６の高さよりも薄くして、押湯部１６の湯口部分を突っ切る形状としてもよい。
本実施形態の場合は、押湯部１６の湯口部分を機械的に削除するようにして分断するから、押湯部１６内の溶湯が半凝固状態となっていても確実に鋳造品から押湯部の凝固金属を分断できるという利点がある。
【００３６】
以上の各実施形態について説明したように、本発明に係る還元鋳造方法及び還元鋳造装置は、キャビティ側の溶湯が凝固している状態（固相）で、かつ押湯部側の溶湯が凝固していない状態（液相）において、押湯部側の溶湯をキャビティ側から分離して取り出し、あるいはキャビティ側から分断することを特徴とする。これによってキャビティ内で凝固した鋳造品から押湯部内の溶湯あるいは押湯部内で凝固した金属を除去することができ、鋳造後に湯口部分で鋳造品と押湯部との連結部を切断するといった加工が不要になる。鋳造品の湯口部分に凝固金属が付着した場合でも、簡単な加工で不要部分を除去することができ、鋳造後の加工が容易になる。
【００３７】
また、本発明では、押湯部側の溶湯が凝固していない状態で押湯部の溶湯を取り去るようにするから、押湯部側の溶湯を除去する操作は容易である。また、押湯部側の溶湯は凝固前に除去するから、溶湯材料として再利用することが容易であり、溶湯が凝固した状態から再度溶融するに要する熱エネルギーを最小にすることができる。
【００３８】
なお、以上の説明では、溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を用いた鋳造方法について説明したが、本発明はマグネシウムまたは鉄等の金属、またはこれらの合金の溶湯を用いた鋳造方法にも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法および還元鋳造装置によれば、上述したように、鋳造品から押湯部内で凝固する金属を取り去るようにして鋳造することができ、鋳造後に鋳造品に付着する不要な金属部分を除去するといった後加工をきわめて容易にすることができる。また、本発明によれば押湯部内の溶湯が凝固していない状態で押湯部内の溶湯を鋳造品から取り去るから、押湯部内の溶湯を鋳造品から容易に除去することができ、鋳造作業におけるエネルギー消費を最小にすることができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】鋳造装置に用いる成形型の構成を示す断面図である。
【図３】挿入板と上型とを分離した状態を示す断面図である。
【図４】傾斜ピンを設けた成形型の例を示す断面図である。
【図５】閉塞栓を設けた成形型の例を示す断面図である。
【図６】プッシャを設けた成形型の例を示す断面図である。
【図７】還元鋳造方法と一般の鋳造方法における成形型の押湯部およびキャビティの各々に充填された溶湯の冷却速度を示すグラフである。
【図８】従来の鋳造装置で使用される成形型の構成例を示す断面図である。
【図９】アルミニウムの還元鋳造方法によって鋳造する方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１２ 成形型
１２ａ 注湯口
１２ｂ キャビティ
１２ｃ 金属ガス導入口
１２ｄ 窒素ガス導入口
１４ａ 下型
１４ｂ 上型
１６ 押湯部
１７ 挿入板
１７ａ 傾斜ピン
１８ アダプター
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２３ 金属ガス導入路
２８ 加熱炉
５０ クランパ
５２ 駆動ロッド
５４ 駆動部
６０ 閉塞栓
６１ 横孔
７０ プッシャ
７２ スライド体
【発明の属する技術分野】
本発明は溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法および還元鋳造装置に関し、より詳細には鋳造時に押湯部に残留する溶湯の処理を特徴とする還元鋳造方法および還元鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムの鋳造方法には種々の方法があるが、重力鋳造法は鋳造品の質の良さ、成形型の簡易さ等の多くの利点を有する。図８は重力鋳造法によるアルミニウムの鋳造に使用する成形型の例を示す。成形型１００は金属製であり、下型１０２ａと上型１０２ｂの分割型によって所望形状の鋳造品が鋳造されるキャビティ１０４が形成されている。
上型１０２ｂには、アルミニウムまたはその合金等の金属の溶湯を注湯する注湯口１０６とキャビティ１０４との間に押湯部１０８が形成され、キャビティ１０４に注湯された際に、キャビティ１０４内の空気を抜く空気抜き孔１１０が形成されている。
【０００３】
ところで、金属の溶湯が凝固する際には、約３％程度の収縮が発生する。このため、キャビティに充填された溶湯の凝固によって生じる収縮は、得られる鋳造品にヒケ等の欠陥として発現する。図８に示す成形型１００に設けた押湯部１０８は、キャビティ１０４に充填された溶湯が凝固に伴なって収縮する際に、押湯部１０８の重力によって溶湯を補充し、ヒケ等の欠陥が生じることを防止する。押湯部１０８からキャビティ１０４に溶湯を補充する作用は、押湯部１０８に注湯された溶湯の重力の作用によるから、通常の鋳造装置では押湯部１０８として大きな容積を確保している。
【０００４】
これは、鋳造装置の成形型内での溶湯の流動性が低いため、押湯部１０８の重量を大きくして強制的に溶湯を補充する必要があるからである。たとえば、アルミニウムの鋳造では、アルミニウムがきわめて酸化しやすいため、溶湯の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成され溶湯の流動性が低下するという問題があり、このため、キャビティ１０４の内壁面に溶湯の流動性を向上させる塗型剤を塗布するといったことが行われている。
【０００５】
このようなアルミニウムの鋳造方法に関して、本出願人は先に塗型を使用することなくアルミニウムの流動性を向上させることができ、良好な外観のアルミニウム鋳造品を得るアルミニウム鋳造方法について提案した（特開２０００−２８００６３号公報）。このアルミニウム鋳造方法においては、図９に示すように、成形型１００のキャビティ１０４に還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を導入した後、アルミニウムまたはその合金の溶湯を注湯して鋳造することを特徴とする。マグネシウム窒素化合物は、アルミニウムまたはその合金の溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元する作用を有し、これによって溶湯の表面張力を低減して溶湯の流動性、湯周り性を高め、湯じわ等をなくして高品質の鋳造を可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を成形型のキャビティ内に導入して鋳造する方法は、溶湯の流動性をきわめて良好にし、湯周り性が向上することから、押湯部１０８として従来のような大容積を確保する必要がない。押湯部１０８による重力の作用に大きく依存することなくキャビティ１０４に確実に溶湯を注入することができるからである。したがって、鋳造型を設計する際には、溶湯が凝固することによる体積の縮小分を補充することを念頭において押湯部１０８を設計することが可能になる。
【０００７】
従来の鋳造装置の場合、鋳造型から取り出した鋳造品には押湯部１０８内で凝固した金属部分が一体化して連結しているから、押湯部１０８内で凝固した金属を湯口部分で鋳造品から切断しし、鋳造品については切削等の後加工を施し、鋳造品から切断した押湯部１０８内で凝固した金属は溶湯材料として再利用される。このように、従来の鋳造装置を用いて鋳造した場合は、押湯部１０８で凝固した金属を鋳造品から切断する作業が必須であり、押湯部１０８の容積が大きい場合には、切断する作業が煩雑になる。また、押湯部１０８で凝固した金属を再度溶融して溶湯とするため、鋳造エネルギーの消費の点で見ると大きなエネルギーの損失になるという問題がある。
【０００８】
そのため、前述した還元性化合物を利用して鋳造する方法の場合には、押湯部１０８の容積を小さく設計することが可能であるから、押湯部１０８の容積を溶湯の凝固による体積の縮小を補充するに必要な程度の小容量とし、これによって、鋳造後に押湯部１０８で凝固した金属を切断する作業を容易にすることが可能である。
しかしながら、押湯部の容積を小さくしたとしても鋳造後に鋳造品から押湯部で凝固した金属を取り除く作業が生じるから、鋳造時に押湯部内の溶湯を鋳造品から分断して、鋳造品に押湯部内で凝固した金属がほとんど付着しないようにすることができればきわめて作業効率が向上する。
【０００９】
本発明は、上述した還元鋳造方法によって鋳造する際に、押湯部内の溶湯を鋳造品から分断し、鋳造品と押湯部内の凝固金属が連結した状態とせずに鋳造することを可能とし、これによって鋳造後の加工作業を容易にし、鋳造作業におけるエネルギー消費をより効率的にすることができる還元鋳造方法および還元鋳造装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法であって、前記成形型として、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成されて、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与された成形型を使用し、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする。
【００１１】
また、成形型を、キャビティを構成する部材と押湯部を構成する部材とを別体に形成し、キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とを分離して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から分断することを特徴とする。
また、押湯部を構成する部材に、押湯部の溶湯を成形型の外部に排出するための閉塞栓を設け、キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記閉塞栓を開放し前記押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする。また金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内にマグネシウムガスと窒素ガスとを導入して反応させて得たマグネシウム窒素化合物を還元性化合物として鋳造することを特徴とする。
【００１２】
金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とが分離可能に設けられていることを特徴とする。
また、金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする。
【００１３】
また、金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、前記押湯部を構成する部材に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出する閉塞栓が設けられていることを特徴とする。
また、金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする。
また、押湯部を構成する部材が、キャビティを形成する部材よりも高断熱性の材料で形成されていることを特徴とする。また、押湯部の内壁面に断熱性塗型剤が塗布されて断熱処理が施され、キャビティの内壁面に断熱処理が施されていないことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明に係る鋳造装置１０の全体構成を示す説明図であり、アルミニウム鋳造品の鋳造に適用した例を示す。
１２は成形型であり、この成形型１２にはアルミニウムまたはその合金の溶湯が注湯される注湯口１２ａ、注湯口１２ａに連通するキャビティ１２ｂが形成されている。キャビティ１２ｂの内壁面は、下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出する。
【００１５】
成形型１２は配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、配管２２のバルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスが注入され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気として実質的に非酸素雰囲気とすることができる。
また、アルゴンガスボンベ１９は、配管２６によって金属ガスを発生する発生器としての加熱炉２８に接続されており、配管２６に設けられたバルブ３０を開くことによって加熱炉２８内にアルゴンガスが注入される。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、金属ガスとしてのマグネシウムガスを発生させるため、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上にされている。バルブ３０によって加熱炉２８に注入されるアルゴンガス量を調整することができる。
【００１６】
アルゴンガスボンベ１９は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末が収容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管３８によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。配管３８には加熱炉２８へのマグネシウム粉末の供給量を制御するバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１２ｃに接続されており、加熱炉２８でガス化された金属ガスは金属ガス導入口１２ｃを介してキャビティ１２ｂ内に導入される。配管４２に介装したバルブ４５は、成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する金属ガスの供給量を調節するためのものである。
【００１７】
図２に成形型１２の構成を拡大して示す。成形型１２は、金属製の下型１４ａおよび上型１４ｂと、硫酸カルシウム等のセラミック製のアダプター１８と、上型１４ｂとアダプター１８との間に配置されたセラミック製の挿入板１７とから成る。これら下型１４ａ、上型１４ｂ、挿入板１７およびアダプター１８は各々の境界面で分割可能に設けられ、下型１４ａと上型１４ｂは鋳造品を鋳造するキャビティ１２ｂを形成する分割型に形成されている。
アダプター１８にはアルミニウムまたはその合金の溶湯を注湯する注湯口１２ａと湯路２１および、金属ガス導入口１２ｃと金属ガス導入路２３が設けられている。挿入板１７には湯路２１に連通して押湯部１６が設けられている。押湯部１６は、横断面の面積が湯路２１の横断面の面積よりも大きく設定され、容積がキャビティ１２ｂの容積の５〜１０％程度に設定されている。
【００１８】
本実施の形態で上型１４ｂとアダプター１８との間に挿入板１７を設け、挿入板１７に押湯部１６を設ける構成としているのは、押湯部１６を構成する部材を上型１４ｂを構成する部材とは異なる材料とし、押湯部１６を構成する部材の熱伝導率を上型１４ｂを構成する部材の熱伝導率よりも低く設定できるようにするためである。なお、挿入板１７に形成する押湯部１６の容積はキャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固する際に溶湯の体積が縮小する分を補充する程度に設定すればよく、従来の鋳造装置に用いる押湯部の容積にくらべてはるかに小さくなっている。本実施形態の鋳造装置で挿入板１７とアダプター１８とをセラミック製としているのは、挿入板１７とアダプター１８とをキャビティ１２ｂを形成する下型１４ａおよび上型１４ｂにくらべて高断熱性として押湯部１６に注湯された溶湯がキャビティ１２ｂに注湯された溶湯よりも凝固しにくくなるようにするためである。
【００１９】
図２において、５０は下型１４ａと上型１４ｂとをクランプするクランパ、５２と５４はクランパ５０を押動操作する駆動ロッドと駆動部である。駆動ロッド５２はモータ等の駆動部に連結してクランパ５０を図の左右方向に押動し、駆動部５４はクランパ５０を図の上下方向に押動する。５６は連結アームである。図２は、クランパ５０を右方向に進入させ、下方向に移動させて、下型１４ａと上型１４ｂ、挿入板１７とアダプター１８が互いに組み合わされてクランプした状態である。下型１４ａと上型１４ｂとでキャビティ１２ｂが形成され、押湯部１６および湯路２１を介してキャビティ１２ｂと注湯口１２ａとが連絡し、押湯部１６および金属ガス導入路２３を介してキャビティ１２ｂと金属ガス導入口１２ｃとが連通する。この状態でキャビティ１２ｂに溶湯が注入されて還元鋳造がなされる。
【００２０】
図１に示す鋳造装置１０によるアルミニウムの還元鋳造は以下のようにしてなされる。
まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによってパージする。キャビティ１２ｂ内の空気は成形型１２の排気孔から排出され、キャビティ１２ｂ内が窒素ガス雰囲気となって実質的に非酸素雰囲気となる。その後、バルブ２４をいったん閉じる。
成形型１２のキャビティ１２ｂ内の空気をパージしている際に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ１９からアルゴンガスを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。
次いで、バルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、ヒータ３２によりマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度になるように加熱されている。このため、加熱炉２８に送り込まれたマグネシウム粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００２１】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０およびバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃからマグネシウムガスをキャビティ１２ｂ内に注入する。
キャビティ１２ｂ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、かつバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。成形型１２内に窒素ガスを注入することにより、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応しマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。マグネシウム窒素化合物はキャビティ１２ｂ内壁面に粉体として析出する。
窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に注入する際には、窒素ガスの圧力および流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することもよい。
【００２２】
キャビティ１２ｂの内壁面にマグネシウム窒素化合物が付着した状態で、注湯口１２ａからアルミニウムの溶湯を注湯し、湯路２１および押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂ内に溶湯を注入する。溶湯の注入は、キャビティ１２ｂ、押湯部１６および注湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
溶湯を注入した際にアルミニウムの溶湯は、キャビティ１２ｂの内壁面に付着しているマグネシウム窒素化合物と接触し、マグネシウム窒素化合物が溶湯表面の酸化被膜から酸素を奪うことによって、溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元される。
さらに、キャビティ１２ｂ内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。このようにして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、かつ安定な化合物であるため、アルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えることはない。
【００２３】
還元鋳造方法は、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとり純粋なアルミニウムを形成して鋳造する方法であり、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造するものである。このため、鋳造工程中に溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することを防止でき、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にすることができる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性（平滑性）に優れ、湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることができる。
【００２４】
本実施形態では成形型１２として挿入板１７とアダプター１８を金属にくらべて断熱作用の高いセラミックによって形成して、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティ１２ｂに充填された溶湯よりも遅くなるように設定している。このように、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度よりも遅くするということは、まずキャビティ１２ｂで溶湯を凝固開始させ、溶湯が凝固することによって縮小した体積分を押湯部１６から確実に補充できるようにするためである。
【００２５】
図７は押湯部とキャビティにおける溶湯の冷却曲線を示す。図７（ａ）は、図１に示す鋳造装置によって鋳造する場合で、成形型１２のキャビティ１２ｂ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する方法（還元鋳造方法）によるもの、図７（ｂ）は従来の鋳造装置による場合を示す。
同図で、Ａ点は成形型に注湯する溶湯の温度であり、Ｂ点は溶湯が完全に凝固する温度である。したがって、図の斜線の領域は、押湯部に充填された溶湯がキャビティに流入して有効な押湯効果を奏し得る領域を示すことになる。
還元鋳造方法による図７（ａ）の場合の斜線の領域が、従来の鋳造方法による図７（ｂ）にくらべてはるかに広いのは、還元鋳造方法による場合はキャビティ１２ｂに充填された溶湯がきわめて短時間のうちに凝固温度まで下がるからである。還元鋳造方法では溶湯の湯周り性がきわめて良好であり、したがって、短時間のうちに溶湯が凝固する。
【００２６】
これにくらべて従来の鋳造方法では、溶湯の湯周り性が低いため、キャビティに溶湯が完全に充填するまでに時間がかかるから、押湯部の容積を大きくして押湯部内の溶湯の温度を下げないようにしつつ、徐々にキャビティに溶湯を補充するようにして鋳造する。この場合には、凝固までに時間がかかるとともに、キャビティに充填された溶湯の温度と押湯部の溶湯の温度差が小さく、したがって、押湯効果は小さくなる。
いいかえれば、還元鋳造方法の場合は、キャビティ１２ｂと押湯部１６に注湯される溶湯の冷却速度差が大きいから、押湯部１６の容積が小さくても、キャビティ１２ｂに充填された溶湯との凝固時間差が大きくなり、キャビティ１２ｂの溶湯が凝固して体積が縮小しはじめても押湯部１６の溶湯は凝固せず、キャビティ１２ｂに効果的に溶湯を補充することができるということである。
【００２７】
なお、押湯部１６に充填された溶湯とキャビティ１２ｂに充填された溶湯との凝固時間差を充分に確保するには、キャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分以上（更に好ましくは７００℃／分以上）とすると共に、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分未満（更に好ましくは３００℃／分以下）とすればよい。特に、両者の冷却速度差を２００℃／分以上とすると、好適な押湯効果を得ることができる。
【００２８】
上述したように、挿入板１７とアダプター１８を金属にくらべて断熱作用の高いセラミックによって形成することは、キャビティ１２ｂと押湯部１６に充填された溶湯の冷却速度差を大きくする上で有効であり、押湯部１６による押湯効果をさらに高めることができる点で効果的である。
なお、キャビティ１２ｂと押湯部１６における溶湯の冷却速度差を設ける方法として、キャビティ１２ｂと押湯部１６とを断熱性の異なる部材によって形成する他に、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布して断熱処理を施すといった塗型を利用することももちろん可能である。断熱性塗型剤としては、例えばセラミックが配合された塗型剤が使用できる。
【００２９】
本実施形態の鋳造装置では、上記のように、キャビティ１２ｂでは溶湯が凝固し、押湯部１６では溶湯が凝固していない状態で、キャビティ１２ｂ側と押湯部１６側とで成形型１２を分離し、キャビティ１２ｂで成形される鋳造品に押湯部１６内に残留する溶湯が付着しないようにすることを特徴とする。
図３は、キャビティ１２ｂ内に溶湯が充填されて凝固し、押湯部１６内の溶湯が半凝固状態となった状態で、挿入板１７とアダプター１８とを上型１４ｂと挿入板１７との境界面から離間させた状態を示す。本実施形態の鋳造装置では、型開き操作の際に、まずクランパ５０が上方に持ち上げられて挿入板１７とアダプター１８とが上型１４ｂから離間され、次いで、クランパ５０が左方向に移動して下型１４ａと上型１４ｂが型開きする。
【００３０】
図３に示すように、挿入板１７とアダプター１８とを上型１４ｂから離間させることによって、押湯部１６に残留する溶湯をキャビティ１２ｂによって成形された鋳造品から分断することができる。キャビティ１２ｂ側では鋳造品が完全に凝固しているのに対して押湯部１６では溶湯が半凝固状態であるから、型開きの際に押湯部の溶湯と鋳造品とを分断することは容易に可能である。
【００３１】
本発明に係る還元鋳造方法は、キャビティ１２ｂと押湯部１６での溶湯の凝固速度差が大きいことを利用して、キャビティ１２ｂにおいて溶湯が凝固した後、押湯部１６では溶湯が凝固していない状態で押湯部１６内の溶湯を取り出すことを特徴とする。溶湯が半凝固の状態であれば、溶湯を分断したり、取り出すことはきわめて容易である。
押湯部１６に残留する溶湯を鋳造品から分断する方法としては、上記実施形態に限らず、種々の方法が可能である。
【００３２】
図４は、型開きする際に挿入板１７とアダプター１８とを分割型１４から分離するように構成した例である。挿入板１７に傾斜ピン１７ａを設けて、挿入板１７をスライドして開く際に、挿入板１７が分割型１４から離間するように構成した例である。１４ｃはキャビティ１２ｂでの挿入型である。キャビティ１２ｂはいくつかの分割型を組み合わせて構成しているから、これらの分割型を型開きする際に挿入板１７と分割型１４とが離間するように構成することによって、鋳造品から押湯部１６内の溶湯を分断することができる。
【００３３】
図５は、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固した後、押湯部１６内の溶湯が凝固する前に、押湯部１６内の溶湯を成形型１２の外部に取り出すように構成した例である。挿入板１７に金型の外面から押湯部１６にまで通じる横孔６１を設け、横孔６１内に進退動自在に閉塞栓６０を設ける。６２は横孔６１から流出する溶湯を受ける容器である。
図５は、鋳造時の状態を示すもので、押湯部１６が閉塞栓６０によって塞がれている。キャビティ１２ｂと押湯部１６に溶湯が注入され、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固したところで、閉塞栓６０を抜くことによって、押湯部１６内の溶湯が横孔６１から容器６２に流れて押湯部１６から溶湯が取り出される。この実施形態の鋳造方法は押湯部１６とキャビティ１２ｂとの溶湯の凝固時間差が大きく、押湯部１６内に残留する溶湯の流動性が高い場合に有効に利用できる。
【００３４】
図６は押湯部１６内に残留する溶湯をプッシャ７０によって押し出すことにより、キャビティ１２ｂでの鋳造品と押湯部１６内の溶湯を分断するように構成した例である。挿入板１７に設ける押湯部１６の少なくとも湯口部分を横断してスライド移動可能にスライド体７２を設け、プッシャ７０によりスライド体７２を進退駆動する。
図６は、スライド体７２が鋳造品を成形する位置にある状態である。この状態でキャビティ１２ｂと押湯部１６に溶湯を注入して成形する。そして、キャビティ１２ｂに注入された溶湯が凝固し、押湯部１６内の溶湯が凝固していない時点で、プッシャ７０によりスライド体７２を、鋳造品を成形する位置から、押湯部１６を分断する位置まで移動させる。これによって、押湯部１６に残留する金属と鋳造品とが分断される。
【００３５】
スライド体７２を鋳造品と押湯部１６とを分断する位置まで移動させたところで型開きすることにより、押湯部１６を分断した鋳造品を得ることができる。なお、プッシャ７０によりスライド体７２を移動させる際に、押湯部１６内の金属が排出できる位置までスライド体７２を突き出すようにしてもよい。
また、図６では、押湯部１６の高さとスライド体７２の厚さとを一致させているが、前述したように、スライド体７２を押湯部１６の高さよりも薄くして、押湯部１６の湯口部分を突っ切る形状としてもよい。
本実施形態の場合は、押湯部１６の湯口部分を機械的に削除するようにして分断するから、押湯部１６内の溶湯が半凝固状態となっていても確実に鋳造品から押湯部の凝固金属を分断できるという利点がある。
【００３６】
以上の各実施形態について説明したように、本発明に係る還元鋳造方法及び還元鋳造装置は、キャビティ側の溶湯が凝固している状態（固相）で、かつ押湯部側の溶湯が凝固していない状態（液相）において、押湯部側の溶湯をキャビティ側から分離して取り出し、あるいはキャビティ側から分断することを特徴とする。これによってキャビティ内で凝固した鋳造品から押湯部内の溶湯あるいは押湯部内で凝固した金属を除去することができ、鋳造後に湯口部分で鋳造品と押湯部との連結部を切断するといった加工が不要になる。鋳造品の湯口部分に凝固金属が付着した場合でも、簡単な加工で不要部分を除去することができ、鋳造後の加工が容易になる。
【００３７】
また、本発明では、押湯部側の溶湯が凝固していない状態で押湯部の溶湯を取り去るようにするから、押湯部側の溶湯を除去する操作は容易である。また、押湯部側の溶湯は凝固前に除去するから、溶湯材料として再利用することが容易であり、溶湯が凝固した状態から再度溶融するに要する熱エネルギーを最小にすることができる。
【００３８】
なお、以上の説明では、溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を用いた鋳造方法について説明したが、本発明はマグネシウムまたは鉄等の金属、またはこれらの合金の溶湯を用いた鋳造方法にも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法および還元鋳造装置によれば、上述したように、鋳造品から押湯部内で凝固する金属を取り去るようにして鋳造することができ、鋳造後に鋳造品に付着する不要な金属部分を除去するといった後加工をきわめて容易にすることができる。また、本発明によれば押湯部内の溶湯が凝固していない状態で押湯部内の溶湯を鋳造品から取り去るから、押湯部内の溶湯を鋳造品から容易に除去することができ、鋳造作業におけるエネルギー消費を最小にすることができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】鋳造装置に用いる成形型の構成を示す断面図である。
【図３】挿入板と上型とを分離した状態を示す断面図である。
【図４】傾斜ピンを設けた成形型の例を示す断面図である。
【図５】閉塞栓を設けた成形型の例を示す断面図である。
【図６】プッシャを設けた成形型の例を示す断面図である。
【図７】還元鋳造方法と一般の鋳造方法における成形型の押湯部およびキャビティの各々に充填された溶湯の冷却速度を示すグラフである。
【図８】従来の鋳造装置で使用される成形型の構成例を示す断面図である。
【図９】アルミニウムの還元鋳造方法によって鋳造する方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 鋳造装置
１２ 成形型
１２ａ 注湯口
１２ｂ キャビティ
１２ｃ 金属ガス導入口
１２ｄ 窒素ガス導入口
１４ａ 下型
１４ｂ 上型
１６ 押湯部
１７ 挿入板
１７ａ 傾斜ピン
１８ アダプター
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２３ 金属ガス導入路
２８ 加熱炉
５０ クランパ
５２ 駆動ロッド
５４ 駆動部
６０ 閉塞栓
６１ 横孔
７０ プッシャ
７２ スライド体
Claims (10)
- 金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法であって、
前記成形型として、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成されて、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与された成形型を使用し、
前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする還元鋳造方法。 - 成形型を、キャビティを構成する部材と押湯部を構成する部材とを別体に形成し、
キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とを分離して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から分断することを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。 - 押湯部を構成する部材に、押湯部の溶湯を成形型の外部に排出するための閉塞栓を設け、
キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記閉塞栓を開放し前記押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出して押湯部内の溶湯をキャビティ内で凝固した鋳造品から取り除くことを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。 - 金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、成形型内にマグネシウムガスと窒素ガスとを導入して反応させて得たマグネシウム窒素化合物を還元性化合物として鋳造することを特徴とする請求項１、２または３記載の還元鋳造方法。
- 金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、
前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、
前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、前記キャビティを構成する部材と前記押湯部を構成する部材とが分離可能に設けられていることを特徴とする還元鋳造装置。 - 金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする請求項５記載の還元鋳造装置。
- 金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造装置であって、
前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成され、押湯部とキャビティとの間に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度がキャビティに注湯された溶湯よりも遅くなる冷却速度差が付与されるように、前記押湯部がキャビティよりも高断熱性に形成された成形型を設け、
前記押湯部を構成する部材に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固し、押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で押湯部内の溶湯を成形型の外部に排出する閉塞栓が設けられていることを特徴とする還元鋳造装置。 - 金属の溶湯として、アルミニウムまたはその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、成形型のキャビティ内でマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させて生成したマグネシウム窒素化合物からなる還元性化合物と前記溶湯とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造することを特徴とする請求項７記載の還元鋳造装置。
- 押湯部を構成する部材が、キャビティを形成する部材よりも高断熱性の材料で形成されていることを特徴とする請求項５、６、７または８記載の還元鋳造装置。
- 押湯部の内壁面に断熱性塗型剤が塗布されて断熱処理が施され、キャビティの内壁面に断熱処理が施されていないことを特徴とする請求項５、６、７または８記載の還元鋳造装置。
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