JP3592239B2 - 鋳造方法及び鋳造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造装置及び鋳造方法に関し、更に詳細には金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、所望形状の成形品を鋳造する鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム鋳造方法には、種々の方法があるが、例えば、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。
かかる成形型を図８に示す。図８に示す成形型１００は、金属製であって、下型１０２ａと上型１０２ｂとの分割型である。かかる下型１０２ａと上型１０２ｂとによって、所望形状の成形品が鋳造されるキャビティ１０４が形成される。
この上型１０２ｂには、アルミニウム又はその合金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１１０，１１０・・も形成されている。
ところで、アルミニウム又はその合金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１０４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点として発現する。この点、図８に示す成形型１００では、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に因って押湯部１０８側に生じる隙間を、押湯部１０８に充填された溶湯の一部が流入して補填し、成形品のヒケ等の発生を防止している。
更に、アルミニウム又はその合金の溶湯は、その表面に形成された酸化皮膜によって表面張力が高くなるため、流動性や湯周性等が低下し、成形型１００の転写性を阻害する。このため、図８に示す成形型１００の押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面には、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤が塗布される。
【０００３】
この様な図８に示す成形型１００を用いてアルミニウム鋳造する際には、アルミニウム又はその合金の溶湯を成形型１００の注湯口１０６に注湯し、空気抜き孔１１０，１００・・から空気を抜きつつキャビティ１０４及び押湯部１０８に溶湯を充填する。
次いで、溶湯がキャビティ１０４等に充填された成形型１００を放冷することによって、キャビティ１０４内の溶湯を凝固する。かかるキャビティ１０４内の溶湯の凝固に伴なう収縮に因って発生する押湯部１０８側の隙間は、押湯部１０８の溶湯の一部がキャビティ１０４内に流下して補充される。
しかし、図８に示す成形型１００を用いた従来のアルミニウム鋳造方法では、押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面に、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤を塗布した成形型（以下、塗型と称することがある）を使用しなければならず、塗型剤の塗布箇所や塗膜厚さ等には長年の熟練を必要とした。しかも、依然として、塗型剤の塗膜厚さを均一とすることは至難のことであり、得られた成形品は、その表面が荒れ面となり、良好な外観とは言えないものであった。
【０００４】
かかる従来のアルミニウム鋳造方法に対し、本発明者の二人は、先に特願２０００−１０８０７８において、塗型を用いることなく良好な外観のアルミニウム成形品を得ることのできる改良されたアルミニウム鋳造方法について提案した。
この改良されたアルミニウム鋳造方法では、図９に示す様に、先ず、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、アルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる改良されたアルミニウム鋳造方法は、成形型１００のキャビティ１０４に、予め還元性化合物を存在させておくことによって、注湯されたアルミニウム又はその合金の溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元し、溶湯の表面張力を低減する還元鋳造方法である。このため、溶湯の流動性や湯周性等を高めることができ、成形型１００の転写性を高めることができる。
ところで、図８及び図９に示す成形型１０８に形成されている押湯部１０８は、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に因って発生する押湯部１０８側の隙間を補充する溶湯を確保する部分である。このため、キャビティ１０４に充填された溶湯が凝固しても、押湯部１０８に充填された溶湯の少なくとも一部が凝固されず流動性を有していることが必要である。
この様に、押湯部１０８に充填された溶湯の凝固を、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固よりも遅くするには、押湯部１０８に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１０４に充填された溶湯よりも遅くすることを要する。かかる冷却速度差の付与は、通常、押湯部１０８が冷却され難い形状、すなわち横断面積の大きな柱状形状に形成することが行われている。
【０００６】
しかしながら、押湯部１０８に充填された溶湯が凝固した部分は成形品ではないため、成形品から切り離される部分であり、再度溶融して再利用を図るにしてもエネルギー的に損失となる。
したがって、押湯部１０８を横断面積の大きな柱状形状に形成することは、成形品ではない部分の体積が増加し、成形型１００に注湯した溶湯の歩留率の低下を招き、作業的及びエネルギー的な損失を大きくする。
そこで、本発明の課題は、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯よりも遅くなる冷却速度差を容易に付与し得る鋳造方法及び鋳造装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前記課題を解決すべく検討を行った結果、予め成形型１００（図９）のキャビティ１０４内に還元性化合物を存在させる還元鋳造方法によれば、塗型を用いることを要せず、内壁面が露出したキャビティ１０４に、表面に酸化皮膜が形成された溶湯を注湯しても、その流動性は良好であり、且つキャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度は、塗型を用いた場合よりも速いことを知った。
この知見に基づいて本発明者等は、内壁面が同一材料で形成された押湯部１０８とキャビティ１０４とに断熱差を付与すべく、押湯部１０８の内壁面に断熱効果を有する塗型剤等を塗布し、キャビティ１０４は内壁面が露出する状態とすることによって、押湯部１０８の断熱性をキャビティ１０４よりも向上した。
かかる断熱差を有する成形型に溶湯を注入したところ、押湯部１０８に充填された溶湯の冷却速度をキャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度よりも遅くでき、小形化された押湯部に充填された溶湯とキャビティに充填された溶湯との凝固時間差を確保できることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、アルミニウム又はその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、所望形状の成形品を鋳造する際に、該成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記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と共に、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、且つ前記押湯部とキャビティとの間に、前記押湯部に注湯された溶湯の冷却速度が前記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、前記押湯部をキャビティよりも高断熱性に形成されて成る成形型を使用し、前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記押湯部の少なくとも一部の溶湯がキャビティ内に流入して補充することを特徴とする鋳造方法にある。
また、本発明は、アルミニウム又はその合金の溶湯と還元性化合物とが成形型のキャビティ内で接触し、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造に用いられる鋳造装置であって、該成形型の溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記キャビティ内に流入して補充する溶湯を貯留する押湯部が形成され、且つ前記押湯部とキャビティとの間に、前記押湯部に注湯された溶湯の冷却速度が前記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ていることを特徴とする鋳造装置でもある。
【０００９】
かかる本発明において、キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を５００℃／分以上とすると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を５００℃／分未満とすること、或いは金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用い、キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ未満となるように調整すると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ以上となるように調整することによって、ヒケ等を更に少なくでき、得られた鋳造品の外観を更に良好にできる。
本発明に用いる成形型としては、押湯部の内壁面に断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、キャビティの内壁面には前記断熱処理を施さなかった成形型、或いは押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されて成る成形型を用いることによって、押湯部とキャビティとに容易に断熱差を付与できる。かかる成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部と分割可能に組み立てられて成る成形型を用いることによって、押湯部が形成された成形型の部分を共通部品として使用できる。
また、本発明では、金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用いたとき、還元性化合物としては、原料としてのマグネシウムガスと窒素ガスとを反応して得られるマグネシウム窒素化合物を好適に用いることができる。更に、かかる還元性化合物が成形型のキャビティ内で生成されるように、押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路とを形成することによって、キャビティへの導入路の途中の還元性化合物による閉塞等を防止できる。
尚、かかる本発明で用いる成形型では、押湯部の体積をキャビティの体積に対して５〜２０％とすることが、両者のバランス上好ましい。
【００１０】
本発明では、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して溶湯の流動性を保持しつつ鋳造するため、キャビティの内壁面を露出した状態で鋳造できる。このため、通常の成形型の如く、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤をキャビティの内壁面等に塗布することを要しない。かかる塗型剤は、通常、断熱性も併せ有するため、この塗型剤が内壁面に塗布されたキャビティの放熱性は低下する。
この点、本発明では、かかる塗型剤を塗布することなく内壁面が露出したキャビティに溶湯を充填できるため、通常の成形型のキャビティよりも放熱性を著しく向上できる。
したがって、本発明で用いる成形型では、通常の成形型よりもキャビティの放熱性を極めて良好にし易く、押湯部の内壁面に断熱性を有する塗型剤等を塗布する等の断熱処理を施すことによって、押湯部の断熱性をキャビティよりも容易に向上できる。
この様に、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部の断熱性をキャビティよりも容易に高めることができ、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯よりも容易に遅くできる結果、押湯部に充填された溶湯とキャビティに充填された溶湯との冷却速度差を大きくでき、凝固時間差を容易に確保できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋳造装置の概略を図１に示す。図１に示す鋳造装置１０には、成形型１２が設けられており、この成形型１２には、アルミニウム又はその合金の溶湯が注湯される注湯口１２ａに接続されたキャビティ１２ｂが形成されている。かかるキャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出している。
成形型１２には、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内に窒素ガスを注入し、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２５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を開放することによって加熱炉２８内にアルゴンガスを注入できる。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、後述する金属ガスとしてマグネシウムガスを発生させるべく、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上とされている。
この配管２６のバルブ３０と加熱炉２８との間にも、アルゴンガスの流量が所定流量となるように、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できる。
【００１２】
かかるアルゴンガスボンベ２５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。この配管３８にもバルブ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。この配管４２にも、バルブ４５が介装されている。
アルゴンガスボンベ２５から加熱炉２８を経由してアルゴンガスを成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する際に、バルブ４５によってキャビティ１２ｂに注入されるアルゴンガス量を調整できる。
【００１３】
図１に示す鋳造装置に用いられている成形型１２は、図２（ａ）に示す様に、金属製の下型１４ａ、上型１４ｂ、及び硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８とに分割できる分割型である。かかる下型１４ａと上型１４ｂとによって、所望形状の成形品が鋳造されるキャビティ１２ｂが形成される。
このアダプター１８に形成されたアルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する注湯口１２ａとキャビティ１２ｂとの間には、注湯口１２ａに注湯された溶湯をキャビティ１２ｂに案内する湯路２１と押湯部１６とが形成されている。押湯部１６は、その横断面の面積が湯路２１の横断面の面積積よりも大きく、押湯部１６の体積をキャビティ１２ｂの体積に対して５〜２０％とすることが好ましい。
かかる湯路２１には、加熱炉２８にガス化された金属ガスが導入される金属ガス導入口１２ｃからの金属ガス導入路２３が繋ぎ込まれている。
また、アダプター１８と上型１４ｂとには、キャビティ１２ｂ内の気体を排気する排気孔２５，２５・・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内に導入する導入路２７，２７・・が形成されている。
かかる排気孔２５又は導入路２７は、図２（ｂ）に示す様に、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３１が挿入され、蒲鉾形の通路２９，２９・・を通じてキャビティ１２ｂ内に通じている。
【００１４】
図１及び図２示す成形型１２では、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８に、注湯口１２ａ、湯路２１、金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、及び排気孔２５の一部を形成している。かかる湯路２１等は、キャビティ１２ｂの形状や成形品を押出す押出ピン（図示せず）等の配置に応じて形成することを要するが、アダプター１８に成形予定の成形品に適合する湯路２１等を形成することによって容易に対応することができる。
更に、かかるアダプター１８を、下型１４ａ及び上型１４ｂと同様に、金属製としてもよいが、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８を用いることによって、湯路２１等の形成を容易とすることができる。
また、図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６がキャビティ１２ｂよりも高断熱性に形成されている。すなわち、押湯部１６の内壁面には、断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施されているが、キャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂ成形型１２を形成する金属の金属面が露出している状態である。
ここで、断熱性塗型剤としては、塗型を形成する際に、キャビティの内壁面等に塗布される塗型剤であって、高断熱性の塗型剤、例えばセラミックが配合された塗型剤を使用できる。
【００１５】
この様に、成形型１２の押湯部１６をキャビティ１２ｂよりも高断熱性に形成することによって、図３（ａ）に示す様に、押湯部１６に充填した溶湯の冷却速度を、キャビティ１２ｂに充填した溶湯よりも容易に遅くでき、押湯部１６とキャビティ１２ｂとの間に大きな冷却速度差を付与できる。図３（ａ）において、Ａ点は成形型１２に注湯する溶湯温度であり、Ｂ点は溶湯が完全に凝固する温度である。従って、押湯部１６に充填された溶湯が、キャビティ１２ｂに流入し有功な押湯効果を奏し得る領域は、図３（ａ）に示す斜線の領域である。
一方、図８に示す従来の成形型１００も、押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面に断熱性塗型剤を塗布し、その際に、塗膜の厚さを押湯部１０８の内壁面をキャビティ１０４の内壁面よりも厚くした塗型とすることによって、図３（ｂ）に示す如く、押湯部１０８に充填した溶湯の冷却速度を、キャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度よりも遅くできる。
しかし、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００では、図３（ａ）に示す成形型１２に比較して、その冷却速度差が小さく、押湯部１０８の溶湯がキャビティ１０４に流入して有功な押湯効果を奏し得る領域も狭い。
これに対し、図３（ａ）に示す成形型１２では、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００に比較して、その冷却速度差が大きく、有功な押湯効果を奏し得る領域も広いため、押湯部１６を小形化しても、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確保できる。
【００１６】
図３（ａ）に示す様に、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）とすることによって達成できる。特に、両者の冷却速度差を２００℃／分以上とするように調整することが好ましい。
ここで、溶湯として、アルミニウムの溶湯を用い、キャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度及び押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度を種々変更することによって、キャビティ１２ｂ及び押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの一部分を採取し、電子顕微鏡によって樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を測定した。その結果を図４に示す。図４は、横軸に冷却速度を示し、縦軸に凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を「ＤＡＳＩＩ値」として示した。
０００００００００ 図４から明きからな様に、冷却速度が５００℃／分以上に調整されたキャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となり、冷却速度が５００℃／分未満に調整された押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となる。
かかるアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が小さくなることは、アルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られたアルミニウム鋳物の機械的強度等を向上でき有利である。このため、キャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を２３μｍ以下、特に２０μｍ以下とすることが好ましい。
尚、押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの部分は、その樹枝状結晶（デンドライト）の間隔がキャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムよりも大きく、機械的強度等も劣るが、キャビティ１２ｂに充填されて凝固された製品となる部分から切り離されるため、何等問題とならない。
【００１７】
図１及び図２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、先ず、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２５，２５・・から排出され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気とし、実質的に非酸素雰囲気とすることができる。その後、バルブ２４を一端閉じる。
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２０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。
【００１８】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０及びバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、配管４２、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、湯路２１及び押湯部１６を経て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を閉じ且つバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１２ｄから導入路２７，２７・・を経由してキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。この様に、成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとをキャビティ１２ｂ内で反応させてマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する。この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、窒素ガスの圧力及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好ましい。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。
【００１９】
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及び押湯部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及び注湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
かかる溶湯の注入の際に、キャビティ１２ｂ内に注湯された溶湯は、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。
更に、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又は水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。この様にして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、且つ安定な化合物であるため、得られる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。
この様に、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って純粋なアルミニウムを形成するため、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造できる。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、湯周り性を良好にできる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との決めの転写性（平滑性）に優れ、且つ湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることができる。
【００２０】
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、冷却されて凝固されるが、押湯部１６の内壁面には、断熱性塗型剤が塗布されて断熱処理が施されている。一方、キャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出している。このため、キャビティ１２ｂに充填された溶湯の冷却速度は、図３（ａ）に示す様に、押湯部１６に充填された溶湯よりも速い。従って、キャビティ１２ｂに充填された溶湯は、押湯部１６に充填された溶湯よりも早く凝固される。
かかるキャビティ１２ｂの溶湯が凝固する際に、溶湯の凝固に伴なう収縮によってキャビティ１２ｂの押湯部１６側に隙間が形成される。一方、キャビティ１２ｂよりも冷却速度の遅い押湯部１６には依然として溶湯が残留しているため、押湯部１６の残留溶湯がキャビティ１２ｂの押湯部１６側に隙間に流入し、ヒケ等のない良好な成形品を鋳造することができる。
更に、キャビティ１２ｂの内壁面には、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤が塗布されてないため、表面が極めて平滑な成形品を得ることができる。
【００２１】
この様に、押湯部１６の放冷速度を、その内壁面に断熱性塗型剤を塗布することによって、内壁面に断熱性塗型剤が塗布されていないキャビティ１２ｂの冷却速度よりも遅くでき、押湯部１６とキャビティ１２ｂとに充填された溶湯に充分な凝固時間差を付与できるため、押湯部１６の体積の減少を図ることができる。このため、成形品から突出して切り離される柱状部を可及的に小さくできる結果、成形型１２に注湯した溶湯の歩留率を向上でき、作業的及びエネルギー的な損失を可及的に少なくできる。
図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６の溶湯をキャビティ１２ｂ内に重力で流入させていたが、図２（ａ）に示す成形型１２のアダプター１８を上型１４ｂから取り外し可能とし、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が凝固したとき、アダプター１８を取り外して、押湯部１６の溶湯をキャビティ１２ｂ側に強制的に押圧することによって、得られる成形品のヒケ等の発生を更に減少できる。
この押湯部１６の溶湯を押圧する時期は、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が実質的に凝固された状態で且つ押湯部１６の溶湯が流動性を有している状態の時期である。かかる押圧の最適時期は、成形型１２によって異なるため、成形型１２ごとに予め実験的に求めておくことが好ましい。
また、押湯部１６の溶湯を押圧する押圧手段としては、図５に示す様に、上下動可能のピストン３５を用いることができる。
【００２２】
図１、図２及び図５に示す成形型１２では、押湯部１６を上型１４ｂに形成しているが、押湯部１６に充填された溶湯が凝固して形成された部分は成形品から切除される切除部であるため、金属製の上型１４ｂに形成することは要しない。このため、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８と上型１４ｂとに亘って押湯部１６を形成してもよい。この場合、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８は、金属製の下型１４ａ，１４ｂよりも低熱伝導率、すなわち断熱性が良好であるため、図６に示す様に、アダプター１８内に形成された押湯部１６の部分の体積が、上型１４ｂ内に形成された押湯部１６の部分の体積よりも大となるように、押湯部１６を形成することによって、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型１４ａ，１４ｂに形成されたキャビティ１２ｂよりも断熱性を向上できる。
【００２３】
また、図５に示す様に、押圧手段によって押湯部１６の溶湯を押圧する場合には、図７に示す様に、アダプター１８と上型１４ｂとの間に、金属製の上型１４ｂ及び下型１４ａよりも低熱伝導率、すなわち断熱性が良好な挿入板３７を挿入し、挿入板３７と上型１４ｂとに亘って押湯部１６を形成してもよい。
かかるアダプター１８と挿入板３７とは相互に取り外しが可能であり、挿入板３７も上型１４ｂから取り外し可能である。このため、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が凝固されたとき、アダプター１８を取り外すことによって、図５に示す押圧手段としてのピストン３５によって押湯部１６の溶湯を押圧できる。
この挿入板３７としては、硫酸カルシウムを焼成して形成した挿入板を用いることができ、挿入板３７に形成する押湯部１６の部分の体積が、図７に示す様に、上型１４ｂ内に形成した押湯部１６の部分の体積よりも大となるように、押湯部１６を形成することによって、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型１４ａ，１４ｂに形成されたキャビティ１２ｂよりも断熱性を向上できる。
【００２４】
図１、図２及び図５〜図７に示す成形型１２では、アダプター１８及び挿入板３７を、硫酸カルシウムを焼成して形成しているが、金属製であってもよく、セラミック製であってもよい。
但し、押湯部１６を実質的に形成するアダプター１８又は挿入板３７を金属製とした場合には、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布し、押湯部１６の断熱性をキャビティ１２ｂよりも向上することを要する。
また、図１に示す加熱炉２８を、図７に示す様に、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃの直上に設けてもよく、或いは加熱炉２８でガス化された金属ガスとしてのマグネシウムガスと、金属ガスと反応する反応性ガスとしての窒素ガスとを反応させて還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する反応槽３９を成形型１２の金属ガス導入口１２ｃの直上に設けてもよい。
尚、以上の説明では、溶湯としてアルミニウム又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又は鉄等の金属、又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。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯の冷却速度よりも遅い冷却速度差を付与できる。その結果、成形型に注湯した溶湯の歩留率を向上でき、作業的及びエネルギー的な損失を可及的に少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造装置の一例を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型の断面図及び部分断面図である。
【図３】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型と従来の成形型との押湯部及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４】アルミニウムの溶湯の冷却速度と凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶の間隔との関係を示すグラフである。
【図５】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図６】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図７】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図８】従来の鋳造方法で使用される成形型を説明するための断面図である。
【図９】本発明者の二人が、先に提案したアルミニウム鋳造方法を説明する説明図である。
【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
１６ 押湯部
１８ アダプター
２０ 窒素ガスボンベ
２１ 湯路
２３ 金属ガス導入路
２５ アルゴンガスボンベ
２７ 導入路
２８ 加熱炉
３６ マグネシウム粉末の収容タンク
３７ 挿入板
３９ マグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）の生成反応槽
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造装置及び鋳造方法に関し、更に詳細には金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、所望形状の成形品を鋳造する鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム鋳造方法には、種々の方法があるが、例えば、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。
かかる成形型を図８に示す。図８に示す成形型１００は、金属製であって、下型１０２ａと上型１０２ｂとの分割型である。かかる下型１０２ａと上型１０２ｂとによって、所望形状の成形品が鋳造されるキャビティ１０４が形成される。
この上型１０２ｂには、アルミニウム又はその合金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１１０，１１０・・も形成されている。
ところで、アルミニウム又はその合金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１０４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点として発現する。この点、図８に示す成形型１００では、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に因って押湯部１０８側に生じる隙間を、押湯部１０８に充填された溶湯の一部が流入して補填し、成形品のヒケ等の発生を防止している。
更に、アルミニウム又はその合金の溶湯は、その表面に形成された酸化皮膜によって表面張力が高くなるため、流動性や湯周性等が低下し、成形型１００の転写性を阻害する。このため、図８に示す成形型１００の押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面には、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤が塗布される。
【０００３】
この様な図８に示す成形型１００を用いてアルミニウム鋳造する際には、アルミニウム又はその合金の溶湯を成形型１００の注湯口１０６に注湯し、空気抜き孔１１０，１００・・から空気を抜きつつキャビティ１０４及び押湯部１０８に溶湯を充填する。
次いで、溶湯がキャビティ１０４等に充填された成形型１００を放冷することによって、キャビティ１０４内の溶湯を凝固する。かかるキャビティ１０４内の溶湯の凝固に伴なう収縮に因って発生する押湯部１０８側の隙間は、押湯部１０８の溶湯の一部がキャビティ１０４内に流下して補充される。
しかし、図８に示す成形型１００を用いた従来のアルミニウム鋳造方法では、押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面に、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤を塗布した成形型（以下、塗型と称することがある）を使用しなければならず、塗型剤の塗布箇所や塗膜厚さ等には長年の熟練を必要とした。しかも、依然として、塗型剤の塗膜厚さを均一とすることは至難のことであり、得られた成形品は、その表面が荒れ面となり、良好な外観とは言えないものであった。
【０００４】
かかる従来のアルミニウム鋳造方法に対し、本発明者の二人は、先に特願２０００−１０８０７８において、塗型を用いることなく良好な外観のアルミニウム成形品を得ることのできる改良されたアルミニウム鋳造方法について提案した。
この改良されたアルミニウム鋳造方法では、図９に示す様に、先ず、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、アルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる改良されたアルミニウム鋳造方法は、成形型１００のキャビティ１０４に、予め還元性化合物を存在させておくことによって、注湯されたアルミニウム又はその合金の溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元し、溶湯の表面張力を低減する還元鋳造方法である。このため、溶湯の流動性や湯周性等を高めることができ、成形型１００の転写性を高めることができる。
ところで、図８及び図９に示す成形型１０８に形成されている押湯部１０８は、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に因って発生する押湯部１０８側の隙間を補充する溶湯を確保する部分である。このため、キャビティ１０４に充填された溶湯が凝固しても、押湯部１０８に充填された溶湯の少なくとも一部が凝固されず流動性を有していることが必要である。
この様に、押湯部１０８に充填された溶湯の凝固を、キャビティ１０４に充填された溶湯の凝固よりも遅くするには、押湯部１０８に注湯された溶湯の冷却速度をキャビティ１０４に充填された溶湯よりも遅くすることを要する。かかる冷却速度差の付与は、通常、押湯部１０８が冷却され難い形状、すなわち横断面積の大きな柱状形状に形成することが行われている。
【０００６】
しかしながら、押湯部１０８に充填された溶湯が凝固した部分は成形品ではないため、成形品から切り離される部分であり、再度溶融して再利用を図るにしてもエネルギー的に損失となる。
したがって、押湯部１０８を横断面積の大きな柱状形状に形成することは、成形品ではない部分の体積が増加し、成形型１００に注湯した溶湯の歩留率の低下を招き、作業的及びエネルギー的な損失を大きくする。
そこで、本発明の課題は、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯よりも遅くなる冷却速度差を容易に付与し得る鋳造方法及び鋳造装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前記課題を解決すべく検討を行った結果、予め成形型１００（図９）のキャビティ１０４内に還元性化合物を存在させる還元鋳造方法によれば、塗型を用いることを要せず、内壁面が露出したキャビティ１０４に、表面に酸化皮膜が形成された溶湯を注湯しても、その流動性は良好であり、且つキャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度は、塗型を用いた場合よりも速いことを知った。
この知見に基づいて本発明者等は、内壁面が同一材料で形成された押湯部１０８とキャビティ１０４とに断熱差を付与すべく、押湯部１０８の内壁面に断熱効果を有する塗型剤等を塗布し、キャビティ１０４は内壁面が露出する状態とすることによって、押湯部１０８の断熱性をキャビティ１０４よりも向上した。
かかる断熱差を有する成形型に溶湯を注入したところ、押湯部１０８に充填された溶湯の冷却速度をキャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度よりも遅くでき、小形化された押湯部に充填された溶湯とキャビティに充填された溶湯との凝固時間差を確保できることを見出し、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、アルミニウム又はその合金の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、所望形状の成形品を鋳造する際に、該成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記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と共に、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、且つ前記押湯部とキャビティとの間に、前記押湯部に注湯された溶湯の冷却速度が前記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、前記押湯部をキャビティよりも高断熱性に形成されて成る成形型を使用し、前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記押湯部の少なくとも一部の溶湯がキャビティ内に流入して補充することを特徴とする鋳造方法にある。
また、本発明は、アルミニウム又はその合金の溶湯と還元性化合物とが成形型のキャビティ内で接触し、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造に用いられる鋳造装置であって、該成形型の溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記キャビティ内に流入して補充する溶湯を貯留する押湯部が形成され、且つ前記押湯部とキャビティとの間に、前記押湯部に注湯された溶湯の冷却速度が前記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ていることを特徴とする鋳造装置でもある。
【０００９】
かかる本発明において、キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を５００℃／分以上とすると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を５００℃／分未満とすること、或いは金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用い、キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ未満となるように調整すると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ以上となるように調整することによって、ヒケ等を更に少なくでき、得られた鋳造品の外観を更に良好にできる。
本発明に用いる成形型としては、押湯部の内壁面に断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、キャビティの内壁面には前記断熱処理を施さなかった成形型、或いは押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されて成る成形型を用いることによって、押湯部とキャビティとに容易に断熱差を付与できる。かかる成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部と分割可能に組み立てられて成る成形型を用いることによって、押湯部が形成された成形型の部分を共通部品として使用できる。
また、本発明では、金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用いたとき、還元性化合物としては、原料としてのマグネシウムガスと窒素ガスとを反応して得られるマグネシウム窒素化合物を好適に用いることができる。更に、かかる還元性化合物が成形型のキャビティ内で生成されるように、押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路とを形成することによって、キャビティへの導入路の途中の還元性化合物による閉塞等を防止できる。
尚、かかる本発明で用いる成形型では、押湯部の体積をキャビティの体積に対して５〜２０％とすることが、両者のバランス上好ましい。
【００１０】
本発明では、成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して溶湯の流動性を保持しつつ鋳造するため、キャビティの内壁面を露出した状態で鋳造できる。このため、通常の成形型の如く、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤をキャビティの内壁面等に塗布することを要しない。かかる塗型剤は、通常、断熱性も併せ有するため、この塗型剤が内壁面に塗布されたキャビティの放熱性は低下する。
この点、本発明では、かかる塗型剤を塗布することなく内壁面が露出したキャビティに溶湯を充填できるため、通常の成形型のキャビティよりも放熱性を著しく向上できる。
したがって、本発明で用いる成形型では、通常の成形型よりもキャビティの放熱性を極めて良好にし易く、押湯部の内壁面に断熱性を有する塗型剤等を塗布する等の断熱処理を施すことによって、押湯部の断熱性をキャビティよりも容易に向上できる。
この様に、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部の断熱性をキャビティよりも容易に高めることができ、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯よりも容易に遅くできる結果、押湯部に充填された溶湯とキャビティに充填された溶湯との冷却速度差を大きくでき、凝固時間差を容易に確保できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋳造装置の概略を図１に示す。図１に示す鋳造装置１０には、成形型１２が設けられており、この成形型１２には、アルミニウム又はその合金の溶湯が注湯される注湯口１２ａに接続されたキャビティ１２ｂが形成されている。かかるキャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出している。
成形型１２には、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内に窒素ガスを注入し、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２５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を開放することによって加熱炉２８内にアルゴンガスを注入できる。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、後述する金属ガスとしてマグネシウムガスを発生させるべく、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上とされている。
この配管２６のバルブ３０と加熱炉２８との間にも、アルゴンガスの流量が所定流量となるように、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できる。
【００１２】
かかるアルゴンガスボンベ２５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。この配管３８にもバルブ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。この配管４２にも、バルブ４５が介装されている。
アルゴンガスボンベ２５から加熱炉２８を経由してアルゴンガスを成形型１２のキャビティ１２ｂに注入する際に、バルブ４５によってキャビティ１２ｂに注入されるアルゴンガス量を調整できる。
【００１３】
図１に示す鋳造装置に用いられている成形型１２は、図２（ａ）に示す様に、金属製の下型１４ａ、上型１４ｂ、及び硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８とに分割できる分割型である。かかる下型１４ａと上型１４ｂとによって、所望形状の成形品が鋳造されるキャビティ１２ｂが形成される。
このアダプター１８に形成されたアルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する注湯口１２ａとキャビティ１２ｂとの間には、注湯口１２ａに注湯された溶湯をキャビティ１２ｂに案内する湯路２１と押湯部１６とが形成されている。押湯部１６は、その横断面の面積が湯路２１の横断面の面積積よりも大きく、押湯部１６の体積をキャビティ１２ｂの体積に対して５〜２０％とすることが好ましい。
かかる湯路２１には、加熱炉２８にガス化された金属ガスが導入される金属ガス導入口１２ｃからの金属ガス導入路２３が繋ぎ込まれている。
また、アダプター１８と上型１４ｂとには、キャビティ１２ｂ内の気体を排気する排気孔２５，２５・・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内に導入する導入路２７，２７・・が形成されている。
かかる排気孔２５又は導入路２７は、図２（ｂ）に示す様に、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３１が挿入され、蒲鉾形の通路２９，２９・・を通じてキャビティ１２ｂ内に通じている。
【００１４】
図１及び図２示す成形型１２では、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８に、注湯口１２ａ、湯路２１、金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、及び排気孔２５の一部を形成している。かかる湯路２１等は、キャビティ１２ｂの形状や成形品を押出す押出ピン（図示せず）等の配置に応じて形成することを要するが、アダプター１８に成形予定の成形品に適合する湯路２１等を形成することによって容易に対応することができる。
更に、かかるアダプター１８を、下型１４ａ及び上型１４ｂと同様に、金属製としてもよいが、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８を用いることによって、湯路２１等の形成を容易とすることができる。
また、図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６がキャビティ１２ｂよりも高断熱性に形成されている。すなわち、押湯部１６の内壁面には、断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施されているが、キャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂ成形型１２を形成する金属の金属面が露出している状態である。
ここで、断熱性塗型剤としては、塗型を形成する際に、キャビティの内壁面等に塗布される塗型剤であって、高断熱性の塗型剤、例えばセラミックが配合された塗型剤を使用できる。
【００１５】
この様に、成形型１２の押湯部１６をキャビティ１２ｂよりも高断熱性に形成することによって、図３（ａ）に示す様に、押湯部１６に充填した溶湯の冷却速度を、キャビティ１２ｂに充填した溶湯よりも容易に遅くでき、押湯部１６とキャビティ１２ｂとの間に大きな冷却速度差を付与できる。図３（ａ）において、Ａ点は成形型１２に注湯する溶湯温度であり、Ｂ点は溶湯が完全に凝固する温度である。従って、押湯部１６に充填された溶湯が、キャビティ１２ｂに流入し有功な押湯効果を奏し得る領域は、図３（ａ）に示す斜線の領域である。
一方、図８に示す従来の成形型１００も、押湯部１０８及びキャビティ１０４の内壁面に断熱性塗型剤を塗布し、その際に、塗膜の厚さを押湯部１０８の内壁面をキャビティ１０４の内壁面よりも厚くした塗型とすることによって、図３（ｂ）に示す如く、押湯部１０８に充填した溶湯の冷却速度を、キャビティ１０４に充填された溶湯の冷却速度よりも遅くできる。
しかし、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００では、図３（ａ）に示す成形型１２に比較して、その冷却速度差が小さく、押湯部１０８の溶湯がキャビティ１０４に流入して有功な押湯効果を奏し得る領域も狭い。
これに対し、図３（ａ）に示す成形型１２では、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００に比較して、その冷却速度差が大きく、有功な押湯効果を奏し得る領域も広いため、押湯部１６を小形化しても、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確保できる。
【００１６】
図３（ａ）に示す様に、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）とすることによって達成できる。特に、両者の冷却速度差を２００℃／分以上とするように調整することが好ましい。
ここで、溶湯として、アルミニウムの溶湯を用い、キャビティ１２ｂに注湯された溶湯の冷却速度及び押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度を種々変更することによって、キャビティ１２ｂ及び押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの一部分を採取し、電子顕微鏡によって樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を測定した。その結果を図４に示す。図４は、横軸に冷却速度を示し、縦軸に凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を「ＤＡＳＩＩ値」として示した。
０００００００００ 図４から明きからな様に、冷却速度が５００℃／分以上に調整されたキャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となり、冷却速度が５００℃／分未満に調整された押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となる。
かかるアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が小さくなることは、アルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られたアルミニウム鋳物の機械的強度等を向上でき有利である。このため、キャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を２３μｍ以下、特に２０μｍ以下とすることが好ましい。
尚、押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの部分は、その樹枝状結晶（デンドライト）の間隔がキャビティ１２ｂに充填されて凝固されたアルミニウムよりも大きく、機械的強度等も劣るが、キャビティ１２ｂに充填されて凝固された製品となる部分から切り離されるため、何等問題とならない。
【００１７】
図１及び図２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、先ず、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２５，２５・・から排出され、キャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気とし、実質的に非酸素雰囲気とすることができる。その後、バルブ２４を一端閉じる。
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２０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。
【００１８】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０及びバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、配管４２、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃ、金属ガス導入路２３、湯路２１及び押湯部１６を経て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を閉じ且つバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１２ｄから導入路２７，２７・・を経由してキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。この様に、成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとをキャビティ１２ｂ内で反応させてマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する。この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、窒素ガスの圧力及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好ましい。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。
【００１９】
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及び押湯部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及び注湯口１２ａが溶湯で充填されるまで続行する。
かかる溶湯の注入の際に、キャビティ１２ｂ内に注湯された溶湯は、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。
更に、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又は水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。この様にして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、且つ安定な化合物であるため、得られる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。
この様に、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って純粋なアルミニウムを形成するため、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造できる。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、湯周り性を良好にできる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との決めの転写性（平滑性）に優れ、且つ湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることができる。
【００２０】
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、冷却されて凝固されるが、押湯部１６の内壁面には、断熱性塗型剤が塗布されて断熱処理が施されている。一方、キャビティ１２ｂの内壁面は、金属製の下型１４ａと上型１４ｂとを形成する金属の金属面が露出している。このため、キャビティ１２ｂに充填された溶湯の冷却速度は、図３（ａ）に示す様に、押湯部１６に充填された溶湯よりも速い。従って、キャビティ１２ｂに充填された溶湯は、押湯部１６に充填された溶湯よりも早く凝固される。
かかるキャビティ１２ｂの溶湯が凝固する際に、溶湯の凝固に伴なう収縮によってキャビティ１２ｂの押湯部１６側に隙間が形成される。一方、キャビティ１２ｂよりも冷却速度の遅い押湯部１６には依然として溶湯が残留しているため、押湯部１６の残留溶湯がキャビティ１２ｂの押湯部１６側に隙間に流入し、ヒケ等のない良好な成形品を鋳造することができる。
更に、キャビティ１２ｂの内壁面には、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等を向上し得る塗型剤が塗布されてないため、表面が極めて平滑な成形品を得ることができる。
【００２１】
この様に、押湯部１６の放冷速度を、その内壁面に断熱性塗型剤を塗布することによって、内壁面に断熱性塗型剤が塗布されていないキャビティ１２ｂの冷却速度よりも遅くでき、押湯部１６とキャビティ１２ｂとに充填された溶湯に充分な凝固時間差を付与できるため、押湯部１６の体積の減少を図ることができる。このため、成形品から突出して切り離される柱状部を可及的に小さくできる結果、成形型１２に注湯した溶湯の歩留率を向上でき、作業的及びエネルギー的な損失を可及的に少なくできる。
図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６の溶湯をキャビティ１２ｂ内に重力で流入させていたが、図２（ａ）に示す成形型１２のアダプター１８を上型１４ｂから取り外し可能とし、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が凝固したとき、アダプター１８を取り外して、押湯部１６の溶湯をキャビティ１２ｂ側に強制的に押圧することによって、得られる成形品のヒケ等の発生を更に減少できる。
この押湯部１６の溶湯を押圧する時期は、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が実質的に凝固された状態で且つ押湯部１６の溶湯が流動性を有している状態の時期である。かかる押圧の最適時期は、成形型１２によって異なるため、成形型１２ごとに予め実験的に求めておくことが好ましい。
また、押湯部１６の溶湯を押圧する押圧手段としては、図５に示す様に、上下動可能のピストン３５を用いることができる。
【００２２】
図１、図２及び図５に示す成形型１２では、押湯部１６を上型１４ｂに形成しているが、押湯部１６に充填された溶湯が凝固して形成された部分は成形品から切除される切除部であるため、金属製の上型１４ｂに形成することは要しない。このため、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８と上型１４ｂとに亘って押湯部１６を形成してもよい。この場合、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター１８は、金属製の下型１４ａ，１４ｂよりも低熱伝導率、すなわち断熱性が良好であるため、図６に示す様に、アダプター１８内に形成された押湯部１６の部分の体積が、上型１４ｂ内に形成された押湯部１６の部分の体積よりも大となるように、押湯部１６を形成することによって、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型１４ａ，１４ｂに形成されたキャビティ１２ｂよりも断熱性を向上できる。
【００２３】
また、図５に示す様に、押圧手段によって押湯部１６の溶湯を押圧する場合には、図７に示す様に、アダプター１８と上型１４ｂとの間に、金属製の上型１４ｂ及び下型１４ａよりも低熱伝導率、すなわち断熱性が良好な挿入板３７を挿入し、挿入板３７と上型１４ｂとに亘って押湯部１６を形成してもよい。
かかるアダプター１８と挿入板３７とは相互に取り外しが可能であり、挿入板３７も上型１４ｂから取り外し可能である。このため、キャビティ１２ｂに充填された溶湯が凝固されたとき、アダプター１８を取り外すことによって、図５に示す押圧手段としてのピストン３５によって押湯部１６の溶湯を押圧できる。
この挿入板３７としては、硫酸カルシウムを焼成して形成した挿入板を用いることができ、挿入板３７に形成する押湯部１６の部分の体積が、図７に示す様に、上型１４ｂ内に形成した押湯部１６の部分の体積よりも大となるように、押湯部１６を形成することによって、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型１４ａ，１４ｂに形成されたキャビティ１２ｂよりも断熱性を向上できる。
【００２４】
図１、図２及び図５〜図７に示す成形型１２では、アダプター１８及び挿入板３７を、硫酸カルシウムを焼成して形成しているが、金属製であってもよく、セラミック製であってもよい。
但し、押湯部１６を実質的に形成するアダプター１８又は挿入板３７を金属製とした場合には、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布し、押湯部１６の断熱性をキャビティ１２ｂよりも向上することを要する。
また、図１に示す加熱炉２８を、図７に示す様に、成形型１２の金属ガス導入口１２ｃの直上に設けてもよく、或いは加熱炉２８でガス化された金属ガスとしてのマグネシウムガスと、金属ガスと反応する反応性ガスとしての窒素ガスとを反応させて還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する反応槽３９を成形型１２の金属ガス導入口１２ｃの直上に設けてもよい。
尚、以上の説明では、溶湯としてアルミニウム又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又は鉄等の金属、又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。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、成形型の押湯部を可及的に小さく形成しても、押湯部に注湯した溶湯の冷却速度を、キャビティに充填した溶湯の冷却速度よりも遅い冷却速度差を付与できる。その結果、成形型に注湯した溶湯の歩留率を向上でき、作業的及びエネルギー的な損失を可及的に少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造装置の一例を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型の断面図及び部分断面図である。
【図３】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型と従来の成形型との押湯部及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４】アルミニウムの溶湯の冷却速度と凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶の間隔との関係を示すグラフである。
【図５】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図６】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図７】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図８】従来の鋳造方法で使用される成形型を説明するための断面図である。
【図９】本発明者の二人が、先に提案したアルミニウム鋳造方法を説明する説明図である。
【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
１６ 押湯部
１８ アダプター
２０ 窒素ガスボンベ
２１ 湯路
２３ 金属ガス導入路
２５ アルゴンガスボンベ
２７ 導入路
２８ 加熱炉
３６ マグネシウム粉末の収容タンク
３７ 挿入板
３９ マグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）の生成反応槽
Claims (16)
- 金属の溶湯を成形型のキャビティ内に注湯し、所望形状の成形品を鋳造する際に、
該成形型のキャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記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と共に、
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、且つ前記押湯部とキャビティとの間に、前記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て成る成形型を使用し、
前記成形型のキャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記押湯部の少なくとも一部の溶湯がキャビティ内に流入して補充することを特徴とする鋳造方法。 - キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分以上とすると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分未満とする請求項１記載の鋳造方法。
- 金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用い、キャビティに注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ未満となるように調整すると共に、押湯部に注湯された溶湯の冷却速度を、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が平均で２５μｍ以上となるように調整する請求項１又は請求項２記載の鋳造方法。
- 成形型として、押湯部の内壁面に断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、キャビティの内壁面には前記断熱処理を施さなかった成形型を用いる請求項１〜３のいずれか一項記載の鋳造方法。
- 成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されて成る成形型を用いる請求項１〜３のいずれか一項記載の鋳造方法。
- 成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部と分割可能に組み立てられて成る成形型を用いる請求項１〜５のいずれか一項記載の鋳造方法。
- 成形型として、押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、前記キャビティ内で還元性化合物が生成されるように、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路が形成されている請求項１〜６のいずれか一項記載の鋳造方法。
- 金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用い、且つ還元性化合物として、原料としてのマグネシウムガスと窒素ガスとを反応して得られるマグネシウム窒素化合物を用いる請求項１〜７のいずれか一項記載の鋳造方法。
- 金属の溶湯と還元性化合物とが成形型のキャビティ内で接触し、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造に用いられる鋳造装置であって、
該成形型の溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に、前記キャビティに注湯された溶湯が凝固して収縮したとき、前記キャビティ内に流入して補充する溶湯を貯留する押湯部が形成され、
且つ前記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ていることを特徴とする鋳造装置。 - 押湯部の断熱性が、前記押湯部に注湯された溶湯の冷却速度が５００℃／分未満となるように調整されていると共に、キャビティの断熱性が、前記キャビティに注湯された溶湯の冷却速度が５００℃／分以上となるように調整されている請求項９記載の鋳造装置。
- キャビティ及び押湯部の断熱性が、金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用いたとき、前記キャビティに注入された前記溶湯の冷却速度が、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が２５μｍ未満となるように調整されていると共に、前記押湯部に注湯された前記溶湯の冷却速度が、凝固されたアルミニウム又はその合金の樹枝状結晶の間隔が２５μｍ以上となるように調整されているせ請求項９又は請求項１０記載の鋳造装置。
- 押湯部が、その内壁面に断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施され、キャビティの内壁面には、前記断熱処理が施されていない請求項９〜１１のいずれか一項記載の鋳造装置。
- 押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部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請求項９〜１１のいずれか一項記載の鋳造装置。
- 押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部と分割可能に組み立てられている請求項９〜１３のいずれか一項記載の鋳造装置。
- 押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、前記キャビティ内で還元性化合物が生成されるように、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路が形成されている請求項９〜１４のいずれか一項記載の鋳造装置
- 押湯部の体積が、キャビティの体積に対して５〜２０％である請求項１０〜１５のいずれか一項記載の鋳造装置。
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