JP3887806B2 - 半凝固ダイカスト鋳造方法及び鋳造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的性質に優れた高品質の鋳物を製造するための半凝固ダイカスト鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト鋳造方法は、鋳込みスリーブ内の溶融金属（以下溶湯と略す）を金型キャビテイ内に加圧充填して固化し、鋳物を製造する鋳造方法である。このダイカスト鋳造方法は、得られる鋳物の寸法精度が高く、高速で多量生産が可能で、完全自動化が可能であるという利点があり、アルミニウム合金等の低融点金属鋳物の鋳造に多用されている。
一方、ダイカスト鋳造方法には、鋳込みスリーブ内に注入された溶湯が鋳込みスリーブ内壁で急冷されて凝固片が発生し、この凝固片が鋳込まれて製品の機械的強度を低下させるという問題がある。また、射出時に鋳込みスリーブ中の空気が溶湯中に巻き込まれて鋳物中に混入すると、熱処理をした場合にブリスタと呼ばれる膨れが発生しやはり機械的強度低下の原因となる。従って、そのままではダイカスト鋳造方法により得られる鋳物を高強度を要求される強度部材へ適用することは難しい。
【０００３】
上記問題を解決する手段として、特殊ダイカスト鋳造方法がある。この特殊ダイカスト鋳造方法としては、鋳込みスリーブ内壁での凝固片の発生を防止することを目的として鋳込みスリーブを加熱するホットスリーブ法、鋳込みスリーブ中の空気の巻き込みを低減することを目的とした縦射出式ダイカスト鋳造方法などがある。しかし、これらの特殊ダイカスト鋳造方法においても、射出速度が大きくなると鋳込みスリーブ内の溶湯が乱れて空気が巻き込まれて製品中に取り込まれ、機械的性質の低下の原因となる。
【０００４】
以上の各種ダイカスト鋳造方法とは別に特開平８ー２５７７２２号公報に、鋳込みスリーブにおいて溶湯の初晶を粒状化させて半溶融状態として金型キャビテイ内に加圧充填し、凝固させることを特徴とする半凝固ダイカスト鋳造方法が開示されている。この特開平８ー２５７７２２号公報に示されたダイカスト鋳造方法によれば、液相線付近の温度から鋳込みスリーブに給湯し、溶湯の温度を液相線近傍から液相線より低く固相線または共晶線より高い所定の温度まで所定の冷却速度で低下させ、溶湯の初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態にすると、粒状の初晶と共晶温度以上の液体とによるチキソトロピーを得ることができ、半溶融溶湯のチキソトロピー性を利用してスリーブから金型への充填を層流とすることにより、金型キャビテイへの充填時のガスの巻き込みをすくなくすることができるとしている。すなわち、半溶融状態の固相率を３０％以上とすることにより溶湯にチキソトロピー性を付与することができ、組織が粒状化して固相が存在すれば力が加わった時に粒状化した固相の移動と液相の移動が同時に起り、固液が共に移動する現象が生じ鋳造品の欠陥が減少し、ガス含有量が減少して熱処理してもブリスタが発生しないとされている。なおチキソトロピーとは、粒状の固体と液体とがある割合で混ざったものが示す性質であり、振動やせん断力により液化し、放置しておくと固化する現象である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の特開平８ー２５７７２２号公報に示されたダイカスト鋳造方法においては、初晶を実質的に粒状化させる手段として溶湯を液相線付近の温度で鋳込みスリーブに給湯し、溶湯温度を液相線近傍から液相線より低く固相線または共晶線より高い所定の温度まで所定の冷却速度で低下させ、溶湯の初晶を実質的に粒状化させる必要があるが、温度を検出するための手段が明らかにされていない。
【０００６】
溶解炉や保持炉内の溶融アルミの温度測定には熱電対が一般的に使用されているが、溶融アルミにより溶損するのを防止するため、窒化珪素、アルミナなどのセラミックの保護管の中に熱電対を挿入して使用する。しかし、セラミック保護管の中に熱電対を組み込んだ構成となる温度測定方法は、数１０秒から１分程度の応答時間を要し、速い応答を必要とする上記用途での温度測定においては適用できない。
速い応答速度を必要とする温度測定において、ステンレス鋼、インコネル等の細い金属製保護管の中に、熱電対素線と酸化マグネシウムなどの絶縁物を入れたシース熱電対が用いられている。しかし、シース熱電対を用い連続的に浸漬した状態で上記スリーブ内溶融アルミの温度を測定しようとすると、短期間で金属保護管表面のうちの溶湯表面との接触面近傍からシース熱電対の金属表面が損耗し最後には破損して使用不能となる。また、間欠的にアルミ溶湯に浸漬して温度測定に使用すると、次第に金属保護管表面に溶融アルミが固着・成長し、その結果測定する温度の応答時間が長くなるという問題がある。
【０００７】
また、上述の特開平８ー２５７７２２号公報に示されたダイカスト鋳造方法においては、鋳込みスリーブにおいて溶湯の初晶を実質的に粒状化して半溶融状態として金型キャビテイに加圧充填し凝固させることにより溶湯へのガスの巻き込みを防止することができるとしているが、ラドル等を使用して鋳込みスリーブ上部から溶湯を落しこむと、溶湯が落下して鋳込みスリーブ内で流動することにより空気を巻き込んでブリスタの原因となるだけでなく、溶湯の酸化が進行し、最終的に凝固した製品中に酸化物に起因する欠陥が発生し機械的強度を低下させるという問題が生じる。
本発明は、鋳込みスリーブ内の溶湯温度を測定して半溶融状態になったことを確認した後に溶湯を金型キャビテイに射出するとともに、溶湯へのガスの巻き込みを防止してブリスタや酸化物などの発生しない機械的性質の優れた鋳物を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半凝固ダイカスト鋳造方法は、鋳込みスリーブにおいて溶湯の初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態として金型キャビテイ内に加圧充填するに際し、鋳込みスリーブ内溶湯の温度を測定して金型への射出制御を行うことを特徴とする。溶湯の初晶を実質的に粒状化させるためには、鋳込みスリーブ内溶湯の温度を、液相線近傍から液相線より低く固相線または共晶線より高い所定の温度まで所定の速度で低下させながら、この過程で機械攪はん、電磁攪はん等で溶湯を流動化させる方法がある。液相線近傍温度としては、例えばＡ３５７合金であれば、液相線下１０℃付近から液相線上４０℃程度である。それより高いとデンドライドが成長しやすく、それより低いと給湯前にデンドライトが発生する。
所定の冷却速度を実現するには、鋳込みスリーブをコールドクルーシブル構造とし、高周波で溶湯を電磁攪拌しつつ熱量を与えるとともに、スリーブを冷却することによって行うことができる。この冷却速度は、１０℃／秒未満程度とするのが好ましい。以上は実際に鋳込みスリーブ内の温度を測定することによって制御することが望ましい。
【０００９】
また、鋳込みスリーブ内への溶湯の給湯は、液相線付近の温度の溶湯を鋳込みスリーブ底部より層流で給湯するとよい。これにより、給湯時に空気の溶湯への巻き込みを最小限として溶湯の酸化を防止することができる。さらに、溶湯を鋳込みスリーブに供給する時、鋳込みスリーブ内を不活性ガス雰囲気として溶湯表面が不活性ガスに覆われた状態とすることで、溶湯を金型キャビテイに射出成形するに際し酸化物の発生を防止することができる。
【００１０】
鋳込みスリーブ内の溶湯温度測定は、シース熱電対の金属保護管にセラミックコーティングを施してシース熱電対を溶湯内に挿入し揺動させることにより、金属保護管の溶損を防ぎつつ溶湯の付着を防止する。揺動は周波数１Ｈｚ以上の周期で、好ましくは１．５Ｈｚ以上で行うのが望ましい。
また本発明の半凝固ダイカスト鋳造方法は、鋳込みスリーブ内へ溶湯を給湯する際に、金属保護管にセラミックスコーティングを施したシース熱電対の温度上昇にて給湯時の鋳込みスリーブ内の溶湯レベルを検出し、その後溶湯内に浸漬して揺動することにより溶湯温度を検出し、金型への射出制御をするするものである。すなわち、鋳込みスリーブ内に供給する溶湯量に合わせた所定の位置にシース熱電対先端がくるように配置することによって、給湯時の熱電対の温度上昇を検知し、鋳込みスリーブ内の溶湯レベルを検出することができる。その結果、鋳込みスリーブ内に供給する溶湯量を毎回一定にするよう制御することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の半凝固ダイカスト鋳造装置は、鋳込みスリーブ内で溶融金属の初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態として金型キャビテイ内に加圧充填し凝固させる半凝固ダイカスト鋳造装置において、金属保護管にセラミックコーティングを施したシース熱電対と、該シース熱電対先端を鋳込みスリーブ内に挿入すべく移動させる移動手段と、該シース熱電対を揺動させる揺動手段と、ガス供給用穴が穿孔された溶湯金属流路を有し給湯装置からの溶融金属を鋳込みスリーブへ供給するマウスピースとを備えていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
図１には本発明の半凝固ダイカスト鋳造装置の一実施例を示す。図１において、１は縦型ダイカスト装置の金型で、固定型１ａと可動型１ｂで構成し左右に分割する構造とする。２は非磁性金属材料を使用した鋳込みスリーブで、金型１の下方に設けた湯口部に上端を嵌合した縦型配置構造とし、アルミ溶湯と接触する内面にはセラミック製の内筒３を嵌合して構成する。鋳込みスリーブ２には、その側面下部でかつ射出チップ５が後退した時開口する位置にアルミ溶湯の給湯口４を設け、給湯口の上方から鋳込みスリーブ２の上部にかけて鋳込みスリーブ２の周囲に高周波コイル６を設置する。高周波コイル６に該当する鋳込みスリーブ２には冷却用の流路１０を穿孔し、水や空気等の媒体を流通し冷却可能ないわゆるコールドクルーシブル構造とする。
【００１３】
給湯口４には、給湯口と同等口径の溶湯の流路を有するマウスピース７を接続し、さらにマウスピース７の他端接続口にアルミ溶湯の給湯管９を接続する。マウスピース７の流路途中には垂直管部を設けると共に、その上部にガス供給口８を穿孔して配管を接続し、アルゴンガスや窒素等の不活性ガスを供給することができる構造とする。マウスピース７は炭化珪素やカーボンセラミック等の耐火物を用いることができる。
給湯管９はアルミ給湯装置又はアルミ保持炉（図示せず）に連通し、アルミ溶湯２０を供給できるように構成する。アルミ溶湯２０の液面は、通常マウスピース７の垂直部の任意の位置に保持する。アルミ給湯装置は、電磁ポンプ方式あるいはガス加圧方式などを用いることができるが、溶湯の給湯開始及び停止、供給量の制御を行える方式が望ましい。
マウスピース７及び給湯管９は、管内でアルミ溶湯が凝固することを防止するため、その外側にシーズヒーターやカートリッジヒーターを設け、さらに断熱材により保温し表面からの放熱を防止する（図示せず）。前記ヒーターは、マウスピース７の温度がその中の溶湯温度を液相線温度近傍に保持できるよう制御されている。
【００１４】
溶湯温度測定用の熱電対１１は、基台３０に設けたアクチュエータ、例えばエアシリンダ１２に取り付け、図２に示すように金型１が開放した状態でエアシリンダ１２を前進させるとともに、基台３０を移動する（移動装置図示せず）ことにより熱電対１１を鋳込みスリーブ２内に挿入する構造とするようになっている。熱電対にはシース熱電対を使用し、シース熱電対の金属保護管表面には例えば窒化ホウ素などのセラミック粉体を塗布し、セラミックコーティングする。
エアシリンダ１２には前進端センサ１４と中間センサ１３を設け、熱電対１１が溶融アルミに浸漬された状態で前進端センサ１４と中間センサ６の間で前進・後退を繰り返して揺動させる。この動作はストロークの短いシリンダをもう１台取付けることによっても代用可能である。熱電対１１は温度検出器１５に接続されており、温度検出器１５には予め溶融アルミが半溶融状態となる温度を設定することにより、射出チップ５の上昇のタイミングとすることができる。
【００１５】
第１図及び第２図をもちいて、本発明の半凝固ダイカスト鋳造方法の鋳造過程を説明する。
マウスピース７の上部のガス供給口８から不活性ガスを供給し、マウスピース７および鋳込みスリーブ２、さらに金型１のキャビティ内を不活性ガス雰囲気に保持しておく。金型１の可動型１ｂを水平移動して鋳込みスリーブ上面の一部を開放し、エアシリンダ１２を前進させるとともに、基台３０を移動することにより、シース熱電対１１をその先端が鋳込みスリーブ２内の所定の位置になるよう挿入する。シース熱電対１１の先端の位置は、鋳込みスリーブ２内に給湯すべき溶湯のレベルと一致させる。溶湯の鋳込みスリーブ内のレベルは、鋳造しようとする製品により異なり、そのレベルに合わせてシース熱電対の先端の位置を調節可能な構成とする（図示せず）。
続いて、給湯装置により溶湯２０を鋳込みスリーブ２に供給を開始する。溶湯は、マウスピース７から給湯口４を経て、層流となるように鋳込みスリーブ２に流入する。溶湯が所定のレベルに到達すると熱電対１１の検出温度が上昇して溶湯レベルであることを検出し、温度検出器１５からの信号により給湯装置に溶湯レベルをそのまま保持するよう指令を与える。この時、溶湯表面は不活性ガスで覆われた状態で給湯される。なお、ガス供給口８とガスボンベ間の配管に逆止弁を設けることにより、マウスピース側の圧力が上昇してもアルミ溶湯の流入を防止することができる。
【００１６】
次に射出チップ５が鋳込みスリーブ２内を上昇し、図２に示すようにチップ先端が給湯口４を通過して閉塞した位置で停止し、給湯装置に溶湯をマウスピースの垂直管部まで戻すよう指令する。射出チップ５先端の停止位置は、その移動距離を常にセンサで監視することにより制御することができる。この時、鋳込みスリーブ２内の溶湯面は射出チップ５の移動量分上昇し、熱電対１１の先端部は溶湯内に浸漬する。
なお、給湯口４が射出チップ５で閉塞されるため、マウスピース７上部に設けたガス供給口８からアルゴンガスや窒素ガスが供給されているため、マウスピース内での溶湯の下降を促進し、併せて溶湯の酸化を防止することができる。
【００１７】
鋳込みスリーブ２内の溶湯は、鋳込みスリーブ内に穿孔された冷却用の流路１０の冷却媒体で冷却されて初晶を形成し、併せて高周波コイル６で電磁撹拌を加えることにより溶湯を流動化し組織を球状化する。この時、溶湯温度測定用の熱電対１１を溶湯内で上下に揺動させながら溶湯温度を連続的に測定し、固相率１０〜６０％の範囲の予め設定した固相率となる所定の温度に到達したことを検出し、温度検出器１５からの信号で、エアシリンダ１２を後退させるとともに、基台３０を元の位置に戻した後、可動金型１ｂを締め、射出チップ５を上昇させて半凝固状態の溶湯を金型キャビテイに射出する。
【００１８】
図３には、溶融アルミに直径１ｍｍのセラミックコーティングを施したシース熱電対を３０秒間、上下に揺動しながら浸漬した場合の温度測定における応答時間の測定結果を示す。ここでの応答時間は、熱電対が溶融アルミ中に浸漬してから最高温度に到達するのに要する時間である。１回目はアルミが付着していない状態で測定を行い、２回目以降はアルミが付着したままで、連続して測定を行った。この時、熱電対の揺動振幅を３０ｍｍ、浸漬深さは最大で５５ｍｍとした。その結果、揺動の周波数を １．９Ｈｚ、２．９Ｈｚでは浸漬を繰り返してもアルミの付着量に変化はなく応答時間はほぼ一定となるが、揺動周波数０．９Ｈｚでは浸漬回数の増加に伴い、応答時間が増大する結果となる。これより揺動周波数は、１Ｈｚ以上、好ましくは１．５Ｈｚ以上が良い。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、鋳込みスリーブ内の溶湯温度を計測して金型への射出制御を行うため、半溶融状態の溶湯固相率を一定条件で鋳造することが可能となり、その結果湯流れを層流として空気の巻き込みを最小限とすることができる。また、溶湯を鋳込みスリーブ低部から不活性ガス雰囲気中で給湯することにより給湯時の酸化物の発生を抑制し、その結果得られる製品の機械的性質が向上して、高強度を必要とする部材の鋳造を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半凝固ダイカスト鋳造装置を説明するための図
【図２】本発明の半凝固ダイカスト鋳造方法における溶湯温度測定を説明するための図
【図３】シース熱電対の揺動周波数による、浸漬回数と応答時間の関係
【符号の説明】
１ 金型 ２ 鋳込みスリーブ ３ 内筒 ５ 射出チップ
６ 高周波コイル ７ マウスピース ９ 給湯管 １１ シース熱電対１２ エアシリンダ １５ 温度検出器 ２０ 溶湯

Claims (3)

1. 鋳込みスリーブ内で溶融金属の初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態として金型キャビテイ内に加圧充填し凝固させる半凝固ダイカスト鋳造方法において、鋳込みスリーブ上面の一部を開放し、金属保護管にセラミックスコーティングを施したシース熱電対を溶融金属内に挿入し、軸方向に前進・後退を繰り返して揺動させながら鋳込みスリーブ内溶融金属の温度を測定して金型への射出制御を行うことを特徴とする半凝固ダイカスト鋳造方法。
2. 請求項１に記載の温度測定方法において、溶融金属がアルミの場合、前記シース熱電対を、周波数１．９Ｈｚ以上の周期で揺動させることを特徴とする半凝固ダイカスト鋳造方法。
3. 鋳込みスリーブ内で溶融金属の初晶を実質的に粒状化させて半溶融状態として金型キャビテイ内に加圧充填し凝固させる半凝固ダイカスト鋳造装置において、金属保護管にセラミックコーティングを施したシース熱電対と、該シース熱電対を、鋳込みスリーブの上面の一部が開放された時に、その先端を鋳込みスリーブ内に挿入すべく移動させる移動手段と、該シース熱電対を軸方向に前進・後退を繰り返して揺動させる揺動手段と、ガス供給用穴が穿孔された溶湯金属流路を有し給湯装置からの溶融金属を鋳込みスリーブへ供給するマウスピースとを備えていることを特徴とする半凝固ダイカスト鋳造装置。

Images