JP3576535B2 - 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】
本発明は還元鋳造方法および還元鋳造装置に関し、より詳細には、押湯部に残留して凝固する金属部分の体積を最少にして鋳造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成形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、得られる成形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するようにしている。
【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成形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くなる。押湯部１０８による重力の作用を利用することなく、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成形品には押湯部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成形品から切断し、成形品については切削等の後加工を施し、成形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た場合は、押湯部１０８で凝固した金属を成形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】
この点で、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程度とし、押湯部１０８内で凝固した金属を成形品から取り除く作業は、押湯部１０８内で凝固した金属を切削して削除する程度とすることで、鋳造エネルギーを効率的に消費するようにすることが可能である。しかしながら、押湯部１０８の容積を小さく設定しすぎると、押湯部１０８と成形品とが接続する付近でヒケが生じ、成形品にもヒケによる影響が及ぶ場合がある。
【０００９】
なお、一般的な重力鋳造法においては、成形型のキャビティ内に湯周り性を良くして、鋳造品を成形型のキャビティから取り出しやすくするため、キャビティの表面に離型用塗型剤を塗布している。しかしながら、鋳造時に押湯部を加圧すると、塗型剤の表面の微細な凹凸内に溶湯が差し込んでしまい、離型時に塗型剤が剥がれてしまうというおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような一般的な重力鋳造における塗型についての問題を解消し、かつ、押湯部内で凝固した金属が成形品に付着して残留した場合でも切削等の簡単な加工によって不要部分が除去でき、成形品に悪影響を与えることなく鋳造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する。
【００１１】
【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、前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押圧手段により押湯部に残留する溶湯を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧す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は、高品質のアルミニウム鋳造品を効率的にかつ確実に得る方法として好適である。
【００１２】
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に用いられ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設け、該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、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還元鋳造に用いられ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設け、該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする。
また、前記押湯部が形成された成形型の部材が、成形型のキャビティを形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されていること、また、前記押圧手段が、金属よりも高断熱性の材料によって形成されていることは、高品質の鋳造品を得る上で好適である。
なお、前記押圧手段として、圧縮気体が好適に使用でき、圧縮気体として、還元性化合物をキャビティ内に導入するために用いる非酸化性ガス、あるいはキャビティ内で還元性化合物を生成させる金属ガスをキャビティ内に導入するために用いるキャリアガス、あるいはキャビティ内に導入して金属ガスと反応させるために用いる反応性ガスを利用することができる。
【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は成形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を構成する部材の材料を上型１４ｂを構成する部材とは異なる材料として、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ことと、押湯部１６の容積をキャビティ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抑えて押湯部１６の容積を小さくするためである。押湯部１６の容積をできるだけ小さくすることによって、成形型１２から成形品を取り出した際に、押湯部１６で凝固した金属を成型品から取り除く作業がきわめて容易になる。
【００１９】
また、アダプター１８、挿入板１７および上型１４ｂには、キャビティ１２ｂ内の気体を排気する複数の排気孔２５が形成され、下型１４ａには、窒素ガス導入口１２ｄから導入された窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に導入する複数の導入路２７が形成されている。排気孔２５および導入路２７は、横断面形状が円形の孔であって、孔内に横断面形状が四角形の柱状挿入体が挿入され、蒲鉾形の通路を通じてキャビティ１２ｂ内に通じている。
【００２０】
図１および図２示す成形型１２では、アダプター１８あるいは挿入板１７に注湯口１２ａ、湯路２１、金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、および排気孔２５の一部を形成している。これらの湯路２１等は、キャビティ１２ｂの形状や成形品を押出す押出ピン等の配置に応じて適宜配置する。
本実施形態でアダプター１８をセラミック製としているのは、アダプター１８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するためである。上記挿入板１７とともにアダプター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により、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに充填された溶湯よりも積極的に遅くすることができ、押湯部１６からキャビティ１２ｂに溶湯を補充する作用を確実に行うことが可能になる。
【００２１】
押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに充填された溶湯の冷却速度よりも遅くするということは、キャビティ１２ｂでまず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ということである。
図５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５（ａ）は、図１に示す本実施形態の鋳造装置によって鋳造する方法の場合で、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５（ｂ）は従来の鋳造方法の場合を示す。
【００２２】
図５において、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。従って、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は図の斜線の領域である。
還元鋳造方法による図５（ａ）の場合に有効な押湯効果が得られる斜線の領域が、従来の鋳造方法による場合である図５（ｂ）にくらべてはるかに広い領域が得られているのは、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が還元鋳造方法による場合は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して成形される。
【００２３】
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に、キャビティに溶湯が充填するまでに時間がかかるとともに、押湯部の容積を大きく設けて押湯部の溶湯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、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と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を設けることで、キャビティ１２ｂに効果的に溶湯を補充することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
上述したように、挿入板１７とともにアダプター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。
【００２６】
図１に示す鋳造装置１０を用いてアルミニウム鋳造する際には、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２５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。
【００２７】
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、アルゴンガスをキャリアガスとして成形型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から導入路２７を経由してキャビティ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、金属ガスとしてのマグネシウムガスと反応性ガスとしての窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応し還元性化合物としての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。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
なお、還元鋳造方法としては、上述したキャビティ１２ｂに金属ガスと反応性ガスを導入してキャビティ１２ｂ内に還元性化合物を析出させて鋳造する方法の他に、キャビティ１２ｂ内を非酸化性雰囲気にパージした後、キャビティ外であらかじめ生成させた還元性化合物をアルゴンガス等の非酸化性ガスによりキャビティ１２ｂに導入して鋳造する方法によることもできる。
【００３０】
ところで、キャビティ１２ｂや押湯部１６等に充填された溶湯は、冷却されて凝固するが、前述したように、本実施形態の成形型１２ではキャビティ１２ｂを構成する部材よりも押湯部１６を構成する部材を高断熱性とし、キャビティ１２ｂに注入された溶湯と押湯部１６に注入された溶湯に冷却速度差を設け、押湯部１６による押湯効果が確実に作用するようにしている。すなわち、キャビティ１２ｂでアルミニウムが凝固し、アルミニウムの凝固による体積減少分を押湯部１６から補充してヒケのない良好な成形品を得ることができる。
【００３１】
本実施形態の鋳造装置においては、キャビティ１２ｂおよび押湯部１６でアルミニウムの溶湯が凝固した後、さらにアダプター１８を挿入板１７との組み合わせ面から取り外し、押湯部１６に残っている溶湯をピストン５０等の押圧手段によって押圧し、湯口部分（押湯部１６とキャビティ１２ｂとの連絡部分）にほとんど溶湯が残らないようにする操作を行う。
図３は、アダプター１８を取り外し、ピストン５０を押湯部１６に押入して押湯部１６に残っている溶湯を押圧する操作を行っている状態を示す。ピストン５０は押湯部１６の径寸法と略同径に設け、ピストン５０を押湯部１６に挿入することによって押湯部１６に残留する溶湯を成形品側に押圧することができる。
【００３２】
図４は、ピストン５０によって押湯部１６に残留する溶湯を押圧する作用を説明的に示すものである。図４（ａ）は、ピストン５０を用いずに鋳造した場合で、押湯部１６内では凝固時のヒケによって中央部が凹んだ形状となっている。６０が成形品、６２が押湯部１６で凝固した金属である。これに対して、図４（ｂ）に示すように、ピストン５０によって押湯部１６に残留する溶湯を押圧すると、押湯部１６に残留した溶湯が成形品６０に押し込まれて、凝固によるヒケが解消されるとともに、ほとんど最終の成形品６０の形状に整えられる。ピストン５０によって溶湯を押圧した状態で、溶湯の残留部分６４が若干残るが、これらの残留部分６４は鋳造後の機械加工によって簡単に除去することができる。大きなブロック状に形成される押湯部の凝固金属を湯口で切断している従来方法にくらべれば、作業的にもエネルギー消費の点においてもはるかに効率的である。
【００３３】
ピストン５０によって押湯部１６に残留している溶湯を押圧する操作は、押湯部１６で溶湯が凝固する以前に溶湯が流動性を有している状態で行う。したがって、ピストン５０の材質として、ピストン５０により溶湯を押圧する際に溶湯の流動性が損なわれないようにセラミック等の金属よりも高断熱性材によって形成すること、あるいは高断熱性材によって外面を被覆した材料を使用することが有効である。また、図４（ｂ）に示すように、ピストン５０の押圧端面を中央部が突出する曲面形状とすることも有効である。溶湯のヒケは中央部から生じるから、溶湯のヒケ部分を曲面状に突出する押圧端面で押圧することによって押湯部１６に残留する溶湯の全面に押圧力を作用させ、これによって効果的にヒケを抑えることができる。
【００３４】
前述したように、還元鋳造法によって鋳造する場合は押湯部の押湯効果が有効に作用するから、押湯部の容積を従来の鋳造型にくらべてはるかに小さく設計することが可能である。しかしながら、図４（ａ）に示すように、押湯部１６を小さくすると、溶湯のヒケが成形品の内部にまで影響を及ぼすようになる。このような場合に、ピストン５０等の押圧手段によって押湯部１６の溶湯を押圧し、これによってヒケを解消させる方法は、押湯部１６の容積を小さくして、かつヒケのない成形品を得る方法として有効である。なお、押湯部１６の容積は押湯効果と押圧手段によって溶湯を押圧した最終形状を考慮して適宜決めればよい。
【００３５】
また、成形品にヒケが生じることを防止する方法として、高断熱性の部材によって押湯部１６の開口部を蓋状に塞ぎ、押湯部１６に残留する溶湯の流動性をできるだけ下げないようにし、これによってヒケが成形品側に生じないようにすることも考えられる。
【００３６】
なお、上記実施形態においては、押圧手段としてピストン５０を使用し、押湯部１６に残っている溶湯をピストン５０によって押圧することにより、凝固時のヒケを防止し、最終製品に近い形状に整えている。
図６、７は押湯部１６に作用させる押圧手段として気体による加圧力を利用する実施形態を示す。図６は、アダプター１８に設けた押湯部１６と窒素ガスボンベ２０とを連通させる構成としたものである。押湯部１６に溶湯を注入した後、蓋１６ａにより押湯部１６の開口部を閉止し、窒素ガスボンベ２０から窒素ガスを押湯部１６に送入することにより、押湯部１６内の溶湯を窒素ガスにより加圧して鋳造する。窒素ガスによって押湯部１６内の溶湯を加圧することによって、前述した実施形態と同様に溶湯が凝固する際のヒケをなくし、成形品の最終形状にあわせた形状に成形することができる。
【００３７】
図７に示す実施形態は、成形型１２の下部にアダプター１８を配置し、アダプター１８の下部に溶湯の貯溜部１１を設けたものである。アダプター１８にはキャビティ１２ｂに連通する押湯部１６を設けるとともに、押湯部１６を内包する連通管１８ａを、下端が貯溜部１１の底面近傍まで延出するように設ける。貯溜部１１にはアルゴンガスボンベ１９が連通して設けられ、貯溜部１１に溶湯を注入した状態でアルゴンガスボンベ１９から貯溜部１１にアルゴンガスを送入することにより、アルゴンガス圧によって連通管１８ａから押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂに溶湯が押し上げられ、キャビティ１２ｂに溶湯が充填される。本実施形態の場合は、アルゴンガス圧によってキャビティ１２ｂに溶湯を加圧して注入するから溶湯が凝固する際のヒケをなくして鋳造することができる。
【００３８】
図６、７に示す成形型１２を用いた鋳造装置は上述した鋳造装置と同様に、キャビティ１２ｂ内に還元性化合物としてマグネシウム窒素化合物を導入し、あるいは析出させてアルミニウム等の還元鋳造に使用することができる。成形型１２に、押湯部１６がキャビティ１２ｂにくらべて溶湯の冷却速度を遅くする冷却温度差を設けていることも同様である。冷却温度差を設けたことで、押湯部１６からキャビティ１２ｂへ確実に溶湯が補充され、図７に示す実施形態では、押湯部１６を介してキャビティ１２ｂに溶湯を注入し、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固した時点をみてアルゴンガスによる加圧を停止すれば、押湯部１６内の不要な溶湯を貯溜部１１に戻すことができる。
【００３９】
図６、７に示すように溶湯の押圧手段として気体による圧力を利用する方法によれば、溶湯をキャビティ１２ｂに注入する操作に連続して、溶湯を押圧する操作を行うことができ、ピストン５０によって溶湯を押圧するといった方法にくらべて、鋳造作業を効率化することが可能になる。
本鋳造装置ではアルゴンガスボンベ１９および窒素ガスボンベ２０を還元鋳造を行うために使用するから、これらの気体を溶湯を押圧する手段として利用することは容易である。なお、溶湯を気体の圧力によって押圧する方法は、アルゴンガスあるいは窒素ガスに限らず、エア等の他の圧縮気体を利用することももちろん可能である。ただし、圧縮気体としては溶湯と作用しにくい非酸化性気体を用いるのがよい。
【００４０】
なお、上述した各実施形態においては、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てきたが、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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法では、上述したように、キャビティ表面上の還元性化合物を溶湯の表面に接触させて還元反応させることにより、溶湯の湯周り性を向上させている。したがって、離型用塗型剤は不要であり、溶湯を加圧してもキャビティ内を損傷することがなく、成形型の寿命低下を防ぎ、成形型の耐久性、メンテナンス性を向上させることができる。また、本発明に係る還元鋳造方法及び還元鋳造装置によれば、溶湯の成型品にヒケ等の欠陥を生じさせることなく確実に鋳造することができ、押湯部で凝固する金属部の体積が最小にでき、フライス加工等の簡単な作業によって不要な金属部分を除去することができて作業を効率化することが可能になる。また、押湯部で凝固する金属の量を少なくできることから、エネルギー消費の無駄をなくし、効率的に鋳造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構成例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】押圧手段により押湯部の溶湯を押圧する方法を示す説明図である。
【図４】押圧手段により押湯部の溶湯を押圧した場合の鋳造品の状態を示す説明図である。
【図５】実施形態の鋳造装置に用いられている成形型と従来の成形型で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６】鋳造装置に用いる成形型の他の構成を示す説明図である。
【図７】鋳造装置に用いる成形型のさらに他の構成を示す説明図である。
【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
１８ アダプター
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２１ 湯路
２８ 加熱炉
３６ タンク
５０ ピストン
６０ 成形品
６４ 残留部分
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法および還元鋳造装置に関し、より詳細には、押湯部に残留して凝固する金属部分の体積を最少にして鋳造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成形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、得られる成形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するようにしている。
【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成形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くなる。押湯部１０８による重力の作用を利用することなく、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成形品には押湯部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成形品から切断し、成形品については切削等の後加工を施し、成形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た場合は、押湯部１０８で凝固した金属を成形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】
この点で、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程度とし、押湯部１０８内で凝固した金属を成形品から取り除く作業は、押湯部１０８内で凝固した金属を切削して削除する程度とすることで、鋳造エネルギーを効率的に消費するようにすることが可能である。しかしながら、押湯部１０８の容積を小さく設定しすぎると、押湯部１０８と成形品とが接続する付近でヒケが生じ、成形品にもヒケによる影響が及ぶ場合がある。
【０００９】
なお、一般的な重力鋳造法においては、成形型のキャビティ内に湯周り性を良くして、鋳造品を成形型のキャビティから取り出しやすくするため、キャビティの表面に離型用塗型剤を塗布している。しかしながら、鋳造時に押湯部を加圧すると、塗型剤の表面の微細な凹凸内に溶湯が差し込んでしまい、離型時に塗型剤が剥がれてしまうというおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような一般的な重力鋳造における塗型についての問題を解消し、かつ、押湯部内で凝固した金属が成形品に付着して残留した場合でも切削等の簡単な加工によって不要部分が除去でき、成形品に悪影響を与えることなく鋳造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する。
【００１１】
【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、前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押圧手段により押湯部に残留する溶湯を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧す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は、高品質のアルミニウム鋳造品を効率的にかつ確実に得る方法として好適である。
【００１２】
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に用いられ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設け、該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、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還元鋳造に用いられ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設け、該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする。
また、前記押湯部が形成された成形型の部材が、成形型のキャビティを形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されていること、また、前記押圧手段が、金属よりも高断熱性の材料によって形成されていることは、高品質の鋳造品を得る上で好適である。
なお、前記押圧手段として、圧縮気体が好適に使用でき、圧縮気体として、還元性化合物をキャビティ内に導入するために用いる非酸化性ガス、あるいはキャビティ内で還元性化合物を生成させる金属ガスをキャビティ内に導入するために用いるキャリアガス、あるいはキャビティ内に導入して金属ガスと反応させるために用いる反応性ガスを利用することができる。
【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は成形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を構成する部材の材料を上型１４ｂを構成する部材とは異なる材料として、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ことと、押湯部１６の容積をキャビティ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抑えて押湯部１６の容積を小さくするためである。押湯部１６の容積をできるだけ小さくすることによって、成形型１２から成形品を取り出した際に、押湯部１６で凝固した金属を成型品から取り除く作業がきわめて容易になる。
【００１９】
また、アダプター１８、挿入板１７および上型１４ｂには、キャビティ１２ｂ内の気体を排気する複数の排気孔２５が形成され、下型１４ａには、窒素ガス導入口１２ｄから導入された窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に導入する複数の導入路２７が形成されている。排気孔２５および導入路２７は、横断面形状が円形の孔であって、孔内に横断面形状が四角形の柱状挿入体が挿入され、蒲鉾形の通路を通じてキャビティ１２ｂ内に通じている。
【００２０】
図１および図２示す成形型１２では、アダプター１８あるいは挿入板１７に注湯口１２ａ、湯路２１、金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、および排気孔２５の一部を形成している。これらの湯路２１等は、キャビティ１２ｂの形状や成形品を押出す押出ピン等の配置に応じて適宜配置する。
本実施形態でアダプター１８をセラミック製としているのは、アダプター１８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するためである。上記挿入板１７とともにアダプター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により、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに充填された溶湯よりも積極的に遅くすることができ、押湯部１６からキャビティ１２ｂに溶湯を補充する作用を確実に行うことが可能になる。
【００２１】
押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１２ｂに充填された溶湯の冷却速度よりも遅くするということは、キャビティ１２ｂでまず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ということである。
図５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５（ａ）は、図１に示す本実施形態の鋳造装置によって鋳造する方法の場合で、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５（ｂ）は従来の鋳造方法の場合を示す。
【００２２】
図５において、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。従って、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は図の斜線の領域である。
還元鋳造方法による図５（ａ）の場合に有効な押湯効果が得られる斜線の領域が、従来の鋳造方法による場合である図５（ｂ）にくらべてはるかに広い領域が得られているのは、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が還元鋳造方法による場合は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して成形される。
【００２３】
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に、キャビティに溶湯が充填するまでに時間がかかるとともに、押湯部の容積を大きく設けて押湯部の溶湯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、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と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を設けることで、キャビティ１２ｂに効果的に溶湯を補充することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
上述したように、挿入板１７とともにアダプター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。
【００２６】
図１に示す鋳造装置１０を用いてアルミニウム鋳造する際には、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２５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。
【００２７】
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、アルゴンガスをキャリアガスとして成形型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から導入路２７を経由してキャビティ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、金属ガスとしてのマグネシウムガスと反応性ガスとしての窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応し還元性化合物としての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。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
なお、還元鋳造方法としては、上述したキャビティ１２ｂに金属ガスと反応性ガスを導入してキャビティ１２ｂ内に還元性化合物を析出させて鋳造する方法の他に、キャビティ１２ｂ内を非酸化性雰囲気にパージした後、キャビティ外であらかじめ生成させた還元性化合物をアルゴンガス等の非酸化性ガスによりキャビティ１２ｂに導入して鋳造する方法によることもできる。
【００３０】
ところで、キャビティ１２ｂや押湯部１６等に充填された溶湯は、冷却されて凝固するが、前述したように、本実施形態の成形型１２ではキャビティ１２ｂを構成する部材よりも押湯部１６を構成する部材を高断熱性とし、キャビティ１２ｂに注入された溶湯と押湯部１６に注入された溶湯に冷却速度差を設け、押湯部１６による押湯効果が確実に作用するようにしている。すなわち、キャビティ１２ｂでアルミニウムが凝固し、アルミニウムの凝固による体積減少分を押湯部１６から補充してヒケのない良好な成形品を得ることができる。
【００３１】
本実施形態の鋳造装置においては、キャビティ１２ｂおよび押湯部１６でアルミニウムの溶湯が凝固した後、さらにアダプター１８を挿入板１７との組み合わせ面から取り外し、押湯部１６に残っている溶湯をピストン５０等の押圧手段によって押圧し、湯口部分（押湯部１６とキャビティ１２ｂとの連絡部分）にほとんど溶湯が残らないようにする操作を行う。
図３は、アダプター１８を取り外し、ピストン５０を押湯部１６に押入して押湯部１６に残っている溶湯を押圧する操作を行っている状態を示す。ピストン５０は押湯部１６の径寸法と略同径に設け、ピストン５０を押湯部１６に挿入することによって押湯部１６に残留する溶湯を成形品側に押圧することができる。
【００３２】
図４は、ピストン５０によって押湯部１６に残留する溶湯を押圧する作用を説明的に示すものである。図４（ａ）は、ピストン５０を用いずに鋳造した場合で、押湯部１６内では凝固時のヒケによって中央部が凹んだ形状となっている。６０が成形品、６２が押湯部１６で凝固した金属である。これに対して、図４（ｂ）に示すように、ピストン５０によって押湯部１６に残留する溶湯を押圧すると、押湯部１６に残留した溶湯が成形品６０に押し込まれて、凝固によるヒケが解消されるとともに、ほとんど最終の成形品６０の形状に整えられる。ピストン５０によって溶湯を押圧した状態で、溶湯の残留部分６４が若干残るが、これらの残留部分６４は鋳造後の機械加工によって簡単に除去することができる。大きなブロック状に形成される押湯部の凝固金属を湯口で切断している従来方法にくらべれば、作業的にもエネルギー消費の点においてもはるかに効率的である。
【００３３】
ピストン５０によって押湯部１６に残留している溶湯を押圧する操作は、押湯部１６で溶湯が凝固する以前に溶湯が流動性を有している状態で行う。したがって、ピストン５０の材質として、ピストン５０により溶湯を押圧する際に溶湯の流動性が損なわれないようにセラミック等の金属よりも高断熱性材によって形成すること、あるいは高断熱性材によって外面を被覆した材料を使用することが有効である。また、図４（ｂ）に示すように、ピストン５０の押圧端面を中央部が突出する曲面形状とすることも有効である。溶湯のヒケは中央部から生じるから、溶湯のヒケ部分を曲面状に突出する押圧端面で押圧することによって押湯部１６に残留する溶湯の全面に押圧力を作用させ、これによって効果的にヒケを抑えることができる。
【００３４】
前述したように、還元鋳造法によって鋳造する場合は押湯部の押湯効果が有効に作用するから、押湯部の容積を従来の鋳造型にくらべてはるかに小さく設計することが可能である。しかしながら、図４（ａ）に示すように、押湯部１６を小さくすると、溶湯のヒケが成形品の内部にまで影響を及ぼすようになる。このような場合に、ピストン５０等の押圧手段によって押湯部１６の溶湯を押圧し、これによってヒケを解消させる方法は、押湯部１６の容積を小さくして、かつヒケのない成形品を得る方法として有効である。なお、押湯部１６の容積は押湯効果と押圧手段によって溶湯を押圧した最終形状を考慮して適宜決めればよい。
【００３５】
また、成形品にヒケが生じることを防止する方法として、高断熱性の部材によって押湯部１６の開口部を蓋状に塞ぎ、押湯部１６に残留する溶湯の流動性をできるだけ下げないようにし、これによってヒケが成形品側に生じないようにすることも考えられる。
【００３６】
なお、上記実施形態においては、押圧手段としてピストン５０を使用し、押湯部１６に残っている溶湯をピストン５０によって押圧することにより、凝固時のヒケを防止し、最終製品に近い形状に整えている。
図６、７は押湯部１６に作用させる押圧手段として気体による加圧力を利用する実施形態を示す。図６は、アダプター１８に設けた押湯部１６と窒素ガスボンベ２０とを連通させる構成としたものである。押湯部１６に溶湯を注入した後、蓋１６ａにより押湯部１６の開口部を閉止し、窒素ガスボンベ２０から窒素ガスを押湯部１６に送入することにより、押湯部１６内の溶湯を窒素ガスにより加圧して鋳造する。窒素ガスによって押湯部１６内の溶湯を加圧することによって、前述した実施形態と同様に溶湯が凝固する際のヒケをなくし、成形品の最終形状にあわせた形状に成形することができる。
【００３７】
図７に示す実施形態は、成形型１２の下部にアダプター１８を配置し、アダプター１８の下部に溶湯の貯溜部１１を設けたものである。アダプター１８にはキャビティ１２ｂに連通する押湯部１６を設けるとともに、押湯部１６を内包する連通管１８ａを、下端が貯溜部１１の底面近傍まで延出するように設ける。貯溜部１１にはアルゴンガスボンベ１９が連通して設けられ、貯溜部１１に溶湯を注入した状態でアルゴンガスボンベ１９から貯溜部１１にアルゴンガスを送入することにより、アルゴンガス圧によって連通管１８ａから押湯部１６を経由してキャビティ１２ｂに溶湯が押し上げられ、キャビティ１２ｂに溶湯が充填される。本実施形態の場合は、アルゴンガス圧によってキャビティ１２ｂに溶湯を加圧して注入するから溶湯が凝固する際のヒケをなくして鋳造することができる。
【００３８】
図６、７に示す成形型１２を用いた鋳造装置は上述した鋳造装置と同様に、キャビティ１２ｂ内に還元性化合物としてマグネシウム窒素化合物を導入し、あるいは析出させてアルミニウム等の還元鋳造に使用することができる。成形型１２に、押湯部１６がキャビティ１２ｂにくらべて溶湯の冷却速度を遅くする冷却温度差を設けていることも同様である。冷却温度差を設けたことで、押湯部１６からキャビティ１２ｂへ確実に溶湯が補充され、図７に示す実施形態では、押湯部１６を介してキャビティ１２ｂに溶湯を注入し、キャビティ１２ｂ内で溶湯が凝固した時点をみてアルゴンガスによる加圧を停止すれば、押湯部１６内の不要な溶湯を貯溜部１１に戻すことができる。
【００３９】
図６、７に示すように溶湯の押圧手段として気体による圧力を利用する方法によれば、溶湯をキャビティ１２ｂに注入する操作に連続して、溶湯を押圧する操作を行うことができ、ピストン５０によって溶湯を押圧するといった方法にくらべて、鋳造作業を効率化することが可能になる。
本鋳造装置ではアルゴンガスボンベ１９および窒素ガスボンベ２０を還元鋳造を行うために使用するから、これらの気体を溶湯を押圧する手段として利用することは容易である。なお、溶湯を気体の圧力によって押圧する方法は、アルゴンガスあるいは窒素ガスに限らず、エア等の他の圧縮気体を利用することももちろん可能である。ただし、圧縮気体としては溶湯と作用しにくい非酸化性気体を用いるのがよい。
【００４０】
なお、上述した各実施形態においては、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てきたが、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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法では、上述したように、キャビティ表面上の還元性化合物を溶湯の表面に接触させて還元反応させることにより、溶湯の湯周り性を向上させている。したがって、離型用塗型剤は不要であり、溶湯を加圧してもキャビティ内を損傷することがなく、成形型の寿命低下を防ぎ、成形型の耐久性、メンテナンス性を向上させることができる。また、本発明に係る還元鋳造方法及び還元鋳造装置によれば、溶湯の成型品にヒケ等の欠陥を生じさせることなく確実に鋳造することができ、押湯部で凝固する金属部の体積が最小にでき、フライス加工等の簡単な作業によって不要な金属部分を除去することができて作業を効率化することが可能になる。また、押湯部で凝固する金属の量を少なくできることから、エネルギー消費の無駄をなくし、効率的に鋳造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構成例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】押圧手段により押湯部の溶湯を押圧する方法を示す説明図である。
【図４】押圧手段により押湯部の溶湯を押圧した場合の鋳造品の状態を示す説明図である。
【図５】実施形態の鋳造装置に用いられている成形型と従来の成形型で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６】鋳造装置に用いる成形型の他の構成を示す説明図である。
【図７】鋳造装置に用いる成形型のさらに他の構成を示す説明図である。
【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
１８ アダプター
１９ アルゴンガスボンベ
２０ 窒素ガスボンベ
２１ 湯路
２８ 加熱炉
３６ タンク
５０ ピストン
６０ 成形品
６４ 残留部分
Claims (8)
- 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、
前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押圧手段により押湯部に残留する溶湯を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧することを特徴とする還元鋳造方法。 - 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に用いられ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設け、
該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする還元鋳造装置。 - 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還元鋳造に用いられ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設け、
該成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固し、前記押湯部に注湯された溶湯が凝固していない状態で、押湯部内の溶湯を押湯部分を成形品の外面形状に略一致する形状まで押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする還元鋳造装置。 - 押湯部が形成された部材が、キャビティが形成された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３または４記載の還元鋳造装置。
- 押圧手段が、金属よりも高断熱性の材料によって形成されていることを特徴とする請求項３、４または５記載の還元鋳造装置。
- 押圧手段が、圧縮気体であることを特徴とする請求項３、４または５記載の還元鋳造装置。
- 圧縮気体が、還元性化合物をキャビティ内に導入するために用いる非酸化性ガス、あるいはキャビティ内で還元性化合物を生成させる金属ガスをキャビティ内に導入するために用いるキャリアガス、あるいはキャビティ内に導入して金属ガスと反応させるために用いる反応性ガスであることを特徴とする請求項７記載の還元鋳造装置。
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