JP4096086B2 - 粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック粒子を分散させたアルミニウム合金等、粒子分散合金材料の低圧鋳造法に用いられる低圧鋳造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金鋳物は、鉄、鋼鋳物に比べて比重が小さいため、同一形状、同一寸法でも格段に軽いという特徴がある。このため、自動車、産業車両、鉄道等の材料をはじめ、電気、通信機器、日用品など材料として広く使用されている。近年は、例えばＡｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ系等を基本とするアルミニウム合金に、さらにセラミックスなどを配合した複合材として、特定の性質を一層強化して、特定の目的に供する開発も進んでいる。
【０００３】
複合アルミニウム合金鋳物には、セラミックスなどの成形体（一般にはプリフォームと呼ばれる）をアルミニウム溶湯内に均一に分散して強化した粒子分散型アルミニウム合金鋳物がある。通常、繊維強化型アルミニウム合金鋳物は、個別に用意されたプリフォーム及びアルミニウムによって、あらかじめその複合化率は決定されて鋳造される。これに対し、粒子分散型アルミニウム合金鋳物は、あらかじめアルミニウム合金中に一定の粒子（例えばセラミック粒子等）が調整された原料を溶湯化して、粒子を均一分散させて鋳造するか、もしくは個別に用意されたアルミニウム合金溶湯に一定量の粒子を添加して鋳造するものである。粒子分散型アルミニウム合金鋳物の製造方法としては、２種のセラミックス粒子を均一分散させるもの（特開平４−２９７５３５号）や、粒子を最適分散させる装置及び方法（特開平７−９０４２３号）等が知られている。これらの方法は、アルミニウム合金に一定の複合材を混入・分散させ、所望の完成品を製造することを主たる目的としたものである。
【０００４】
粒子分散型アルミニウム合金鋳物の１例としては、自動車や鉄道車両のブレーキディスクへの適用がある。従来の鋳鉄材に代わり、高速化が一段と進むＪＲ新幹線用の車両等は、摩擦特性のさらなる向上と車両の軽量化という命題に応えるべく、アルミニウム合金鋳物への材質転換が指向され、摩擦特性の一段の強化を目指して、アルミニウムベースの母合金にセラミックスを均等に分散強化する開発が進められている。例えば、Ａｌ−Ｍｇ合金にＡｌ₂ Ｏ₃ 粒子又はＳｉＣ粒子を分散させたもの（特開平３−４７９４５号）や、Ａｌ−Ｓｉ合金にＳｉＣ粒子を５〜３０％均等に分散したブレーキディスク（特開平５−２７９７７０号）が提案されるなど、特定の部材に要求される特性を強化する有効な手段として注目を集める分野となっている。
【０００５】
ところで、粒子分散型アルミニウム合金溶湯は、双方の溶融点の差、比重差、イオン化傾向、ぬれ性等、複雑な反応要素が絡み合って、物理的、化学的に特有の技術的困難性を伴うものである。また、特に鋳造品を製造するにあたっての造りやすさの指標となる流動性において、アルミニウム合金溶湯と比べて、粒子分散型アルミニウム合金溶湯の流動性は、前記のアルミニウム及び粒子双方の物理化学的特性が複雑に絡み合って、非常に悪いものである。このため、溶湯の流れが悪くなって、溶湯が金型内に十分に行き渡らず、鋳造品の表面にブローホールと呼ばれるいわゆる鋳造欠陥が現出することとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鋳造メーカーが鋳造品を製作する場合には、その鋳造方法として、重力鋳造法、低圧鋳造法、高圧鋳造法、その他特殊な鋳造方法を採用する。これらの中で、自動車用アルミホイールの鋳造に多く採用される低圧鋳造法は、比較的経済的でかつ品質の高い鋳造方法として広く利用されている。しかしながら、粒子分散型アルミニウム合金溶湯の流動性は悪いため、通常の低圧鋳造法によって、粒子分散型アルミニウム合金溶湯によるアルミニウム合金鋳物を製作した場合、自動車用アルミホイールと同様な品質が保たれるか甚だ疑問である。
【０００７】
粒子分散型アルミニウム合金溶湯を用い、低圧鋳造法によって高品質の鋳造品を製作するには、粒子分散アルミニウム合金溶湯の流動性を向上させる、ブローホールの原因を除去する、又はその双方の改善が必須条件となる。粒子分散型アルミニウム合金溶湯を通常のアルミニウム合金溶湯と同様の手段・方法で低圧鋳造すれば、ブローホールの現出率が増大することは必須であり、この点の改善は、経済性・工業化の点からも避けて通れない課題である。
【０００８】
すなわち、鋳造方法として前記低圧鋳造法を採用する場合は、溶湯液面上に圧力を加えることにより、ストークを通してアルミニウム溶湯を上昇させ、溶湯を金型へ注液する。図３、図４は従来の低圧鋳造装置を表すもので、上型１ａと下型１ｂからなる金型１がパッキン７を介して金型台２上に載置されており、金型台２には下型１ｂの湯口に連通するスリーブ３が挿通されている。一方、溶解炉１０の内部に、溶湯を収容保持する坩堝１２が設けられ、該坩堝内には金型への溶湯の通路となるストーク５が設けられている。ストーク５の上端部にはフランジ５ａが一体に設けられ、溶解炉の蓋１１上に設けた複数のシリンダ１３によって、パッキン７を介して金型台２の下面に押圧固定されている。
【０００９】
ところで、上記従来の鋳造装置では、その構造上、金型１と金型台２、金型台２とストーク５の間にわずかな隙間があるので、この部分にはパッキン７が介在されているものの、加圧によって上記隙間から空気が大気中へ排気される。このとき、排気される空気の流出状態は定常ではなく、図４に矢印で示すように複雑な流れとなるため、排気中に圧力変動が生じ、これによって溶湯面の乱れが誘発される結果、鋳造時に粒子分散アルミニウム合金溶湯に空気の巻き込みが起こって、製品表面にブローホールが発生するという問題があった。
【００１０】
すなわち、溶湯が上昇すると、スリーブ３や金型１の内部に存在する空気が前記隙間から外部へ排気されるが、図３に示すように、スリーブ３と金型１の湯道１ｃが分割され、パッキンを介して接続されている構造では、加圧鋳造時に上型１ａと下型１ｂの合わせ面１ｄ及び金型１と金型台２の隙間から空気が排気されるので、このとき空気の乱流が起こり、溶湯に空気が巻き込まれるのである。
【００１１】
そこで、本発明は、上記鋳造時の加圧によって、排気中の空気が溶湯へ巻き込まれないようにすることによって、製品におけるブローホールの発生を防止することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、本発明にかかる粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置は、溶解炉中の溶湯を加圧し、該溶湯をストークを通して金型の湯口に導入する低圧鋳造法に用いられる鋳造装置であって、前記金型を載置する金型台の下側に、横移動可能な溶解炉を設け、前記金型台を貫通して金型に連通する湯道を１本のスリーブで構成し、該スリーブの下端部を前記金型台の下面と同一平面に形成するとともに、前記金型の下型底面部には前記スリーブの外径とほぼ同一の内径を有する凹部を設けて、該凹部に前記スリーブの上端部を隙間なく嵌合することにより、下型と金型台との間に空気の抜ける隙間をなくし、さらに前記ストークの上端部にフランジを一体に設けて、該フランジを前記溶解炉の蓋上に設けた伸縮可能なシリンダでパッキンを介して金型台の下面に押圧固定したことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。図１及び図２は本発明の低圧鋳造装置の１例を表す縦断面図であり、この低圧鋳造装置１００は、上型１ａ，下型１ｂからなる金型１と、該金型を載置する金型台２と、溶解炉１０を備えている。溶解炉１０内には溶湯を収容保持する坩堝１２が設けられ、該坩堝の開口部は溶解炉の蓋１１によって覆蓋されている。なお、蓋１１には、外部のガス供給装置から坩堝１２内に加圧用の窒素ガス等の不活性ガス（又はエア）を導入するバルブ（図示を省略）付きの注入パイプ１５が設けられている。
【００１４】
坩堝１２内にはストーク５が設けられている。ストーク５は、下端部が坩堝内の下部に位置し、上端部にはフランジ５ａが設けられている。そして、このフランジ５ａが、蓋１１上に設置した複数の液圧シリンダ１３によって上向きに押圧され、パッキン７を介して金型台２の下面に押し付けられている。このシリンダ１３を収縮させることにより、金型台２からストーク５を分離させ、溶解炉１０を横移動させることができる。このため、別の場所で合金を溶融・攪拌し、金型の直下部の鋳造位置に搬入して、上記シリンダで固定し、鋳造を行うことができるのである。
【００１５】
一方、金型１は金型台２上に載置されているが、この金型には鋳造中に上向きの力が作用するので、金型の側部に設けたフレーム２５をボルト２６で金型台２に固定して、当該金型が持ち上がらないようにしている。金型台２には、上下方向の通孔が設けられ、この通孔にスリーブ３が嵌合した状態で取り付けられている。
【００１６】
金型１のうち、下型１ｂの底面部には凹部６が設けられ、この凹部にスリーブ３の上端部が嵌合している。スリーブ３の外径と凹部６の内径とはほぼ同一で、スリーブ３が隙間なく嵌合している。なお、スリーブ３の下面は前記金型台２の下面と同一平面となっている。
【００１７】
この低圧鋳造装置１００を用いて粒子分散アルミニウム合金の鋳造を行う場合は、溶湯Ｍを入れた坩堝１２内に注入パイプ１５から窒素ガス等の加圧された不活性ガスを導入する。このガスの圧力により、坩堝内の溶湯がストーク５を通って上昇し、スリーブ３と金型１の湯道１ｃを通って金型のキャビティ内に導入される。この時、ストーク５やキャビティ内の空気は、金型の合わせ面１ｄ及びストーク５と金型台２との隙間を通って排気される。加圧が最高となり、溶湯が金型内に行き渡った状態で凝固させる点は、従来技術と同様である。
【００１８】
凝固が終了すると、加圧用パイプ１５のバルブを閉じて不活性ガスによる加圧を止め、図示しない排気バルブを開いて除圧した後、上型１ａを持ち上げて鋳造品を取り出す。そして、金型を閉じ、再度鋳造を行う。なお、溶湯Ｍが少なくなったときや、攪拌の必要が生じたときは、シリンダ１３を収縮させてストーク５を若干下降させることにより、溶解炉１０と金型台２との連結を解除し、該溶解炉１０を所定の溶解位置まで横移動させて、溶湯の補充や攪拌を行い、しかるのち再度金型１の直下部に設置して鋳造を行えばよい。
【００１９】
上記溶湯を加圧して鋳造を行っているときは、金型キャビティ内の空気も加圧され、金型の合わせ面１ｄを通って排気される。この時、従来の装置のように、スリーブ３と下型１ｂとが分離していると、その分離部にパッキンが介在していても、その隙間から加圧された空気が排気される。このため、空気の流れが複雑となり、排気される空気に乱流が生じて、溶湯内に空気が巻き込まれ、製品中にブローホールが生じることになる。
【００２０】
しかしながら、本発明では、ストーク５の直上部から下型１ｂまで１本のスリーブ３で湯道が構成されていて、下型１ｂと金型台２との間に空気の抜ける隙間が生じないので、上記のような乱流は生じず、空気が金型合わせ面１ｄから殆ど定常的に排気される。したがって、金型内の溶湯に空気が巻き込まれるおそれは少なく、ブローホールのない高品質の製品が得られるのである。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる鋳造装置を使用すれば、鋳造中に金型キャビティ内から排気される空気に乱流が生じないので、溶湯中に空気が巻き込まれるおそれがなく、ブローホールのない高品質の鋳造品を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低圧鋳造装置を表す断面図である。
【図２】その排気状態を表す拡大断面図である。
【図３】従来の低圧鋳造装置を表す断面図である。
【図４】その排気状態を表す拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 金型
２ 金型台
３ スリーブ
５ ストーク
１０ 溶解炉
１１ 蓋
１２ 坩堝
１３ 油圧シリンダ
１５ 加圧ガスパイプ（注入パイプ）
１００ 低圧鋳造装置

Claims (1)

1. 溶解炉中の溶湯を加圧し、該溶湯をストークを通して金型の湯口に導入する低圧鋳造法に用いられる鋳造装置であって、前記金型を載置する金型台の下側に、横移動可能な溶解炉を設け、前記金型台を貫通して金型に連通する湯道を１本のスリーブで構成し、該スリーブの下端部を前記金型台の下面と同一平面に形成するとともに、前記金型の下型底面部には前記スリーブの外径とほぼ同一の内径を有する凹部を設けて、該凹部に前記スリーブの上端部を隙間なく嵌合することにより、下型と金型台との間に空気の抜ける隙間をなくし、さらに前記ストークの上端部にフランジを一体に設けて、該フランジを前記溶解炉の蓋上に設けた伸縮可能なシリンダでパッキンを介して金型台の下面に押圧固定したことを特徴とする粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置。

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