JP4820282B2

JP4820282B2 - 鋳造品の製造方法

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Publication number: JP4820282B2
Application number: JP2006349280A
Authority: JP
Inventors: 隆井手籠; 章雄下田; 理枝子坂本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008155271A

Description

本発明は、金属溶湯の一部を固化して半凝固状態としたスラリーから鋳造品を得る鋳造品の製造方法に関する。

アルミニウム又はその合金等の金属溶湯から半凝固状態のスラリーを設け、このスラリーを金型に充填して鋳造品を製造する鋳造方法は、半凝固鋳造法として知られ、特許文献１に記載されているように、鋳造欠陥が少ない、金属組織が略均一な鋳造品が得られる、鋳造品を得るまでのサイクルタイムが短い等の様々な利点を有することから、広汎に実施されるに至っている。

半凝固鋳造法の１つとして、金属溶湯から固相を生じさせてスラリーを設ける手法がある。金属溶湯にはチクソトロピー性があり、このため、撹拌によって粘度が低下して固相が生じる。例えば、特許文献２記載の従来技術においては、超音波振動子によって撹拌を行うようにしている。

なお、半凝固鋳造法において、スラリー中に固相が占める割合は、最大でも３０体積％程度に設定される。

特開平１０−２８６６６１号公報特開平８−２４３７０７号公報

特許文献２に記載されているように金属溶湯に超音波振動を付与して設けたスラリーから鋳造を行うと、一般的な鋳造法で得られた鋳造品に比して機械的特性が優れた鋳造品が得られる。この理由は、超音波振動が付与されたことで微細な金属組織が形成されたためであると推察される。

ところで、近年、小型でありながら機械的特性が良好な鋳造品が希求されている。これを達成するためには、鋳造品における金属組織を一層微細化することが想起される。しかしながら、特許文献１、２記載の鋳造法をはじめ、従来技術に係る半凝固鋳造法では、金属組織をさらに微細にすることが容易ではない。

換言すれば、公知の従来技術には、鋳造品の機械的特性を向上させることが困難であるという不具合が顕在化している。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、優れた機械的特性を示す鋳造品を容易に得ることが可能な鋳造品の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、金属溶湯から固相を生じさせて半凝固状態のスラリーを設け、前記スラリーを金型に充填して鋳造品を得る鋳造品の製造方法であって、
前記金属溶湯の温度が下降して該金属溶湯の液相線温度よりも１０℃高〜液相線温度超となった時点で、振動子を介して周波数が１０００Ｈｚ以下の振動を前記金属溶湯に付与し、この状態で核生成を開始させることを特徴とする。

このように周波数が低い振動が付与された金属溶湯では、微細な核が多量に生成する。この金属溶湯を硬化することで、微細な晶出相及び析出相が多数存在する金属組織を有する鋳造品が得られる。しかも、該鋳造品の金属組織では、振動を付与しない場合に比して元素の固溶量も増す。すなわち、固溶量を制御することが可能となる。

この鋳造品は、金属組織が微細であること、及び元素固溶量が増すことに基づいて、著しく優れた機械的特性を示す。従って、該鋳造品を小型化した場合、一般的な小型鋳造品に比して機械的特性に優れたものとなる。

上記したように、通常の半凝固鋳造法では、スラリー中に占める固相の割合は最大でも３０体積％程度である。これに対し、本発明では、生成した核が極めて微細であるので、固相の割合を大きくしても流動性が保たれ、鋳造作業を容易に実施することができる。

すなわち、本発明において、スラリー中の固相の好適な割合は２５〜６０体積％である。２５体積％未満では、鋳造欠陥が多くなる傾向がある。一方、６０体積％を超えると、流動させることが容易でなくなるので鋳造作業を円滑に進行させることが容易でなくなる。

また、振動子を金属溶湯に浸漬した際、前記振動子が占める割合を１５〜２０体積％とすることが好ましい。これにより、振動子を介しての振動が金属溶湯の全体にわたって容易に分散される。換言すれば、金属溶湯の全体にわたって振動を付与することができ、このために核を略均等に生成させることができる。

さらに、前記振動子に冷却機構を設け、金属溶湯に振動を付与している最中に前記冷却機構を介して該金属溶湯を冷却することが好ましい。この場合、得られた鋳造品における機械的特性のバラツキ幅が小さくなる。すなわち、機械的特性が略同等の鋳造品を再現性よく安定して得ることができるようになるので、量産化に際して有効である。

なお、金属溶湯の好適な例としては、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を挙げることができる。

本発明においては、金属溶湯の温度が下降して該金属溶湯の液相線温度よりも１０℃高〜液相線温度超となった時点で、振動子を介して周波数が１０００Ｈｚ以下の振動を前記金属溶湯に付与してスラリーを設けるようにしている。このスラリー中には、微細な核が多量に生成している。従って、該スラリーを用いて得られた鋳造品の金属組織には、微細な晶出相及び析出相が多量に存在する。しかも、該金属組織では、振動が付与されない場合に比して元素固溶量が多い。以上のような理由から、機械的特性が優れた鋳造品を得ることができる。

また、該鋳造品を小型化した場合には、一般的な小型鋳造品に比して機械的特性に優れたものを構成することもできる。

以下、本発明に係る鋳造品の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、金属溶湯としてアルミニウム合金溶湯を使用した場合を例示する。

図１は、本実施の形態に係る鋳造品の製造方法を実施するための射出成形装置１０の概略全体構成斜視図である。はじめに、この射出成形装置１０につき説明する。

射出成形装置１０は、鋳造品の形状に対応した図示しないキャビテイを有する一対の金型１２ａ、１２ｂと、これら金型１２ａ、１２ｂに対して所定量の半凝固状態のスラリーを射出供給する射出スリーブ１４と、該射出スリーブ１４に対して略直交するように接続され、前記スラリーを設けるための一対のスラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂとを備える。

射出スリーブ１４は、円筒体の側壁部の一部が切り欠かれるようにして設けられた第１スリーブ１８と第２スリーブ２０とに分解可能に構成される。射出スリーブ１４内の清掃作業を容易とするためである。射出スリーブ１４は、一端部が金型１２ｂに接続され、他端部からスラリーを射出するための射出プランジャ２２が挿入される。

スラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂは、各一端部が射出スリーブ１４の側面に接続され、各他端部からスラリーを射出スリーブ１４に供給するための供給プランジャ２４ａ、２４ｂが挿入される。各供給プランジャ２４ａ、２４ｂは、スラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂ内を摺動自在に構成されている。

スラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂにおいて、射出スリーブ１４から離間した端部側の上部には、アルミニウム合金溶湯Ｌ（図３参照）を注湯する注湯口２６ａ、２６ｂが若干長尺に形成される。各注湯口２６ａ、２６ｂには、複数の振動子２８ａ、２８ｂを有する振動撹拌器３０ａ、３０ｂが出入可能な状態で配置される。本実施の形態では、振動子２８ａ、２８ｂは１列８個で３列設けられており、それぞれの合計は２４個である。

ここで、振動子２８ａ、２８ｂ単体の要部概略縦断面を図２に示す。各振動子２８ａ、２８ｂの内部には、該各振動子２８ａ、２８ｂの基端部から先端部に至るまで延在する冷媒用チューブ３２が埋設されている。後述するように、冷媒用チューブ３２には、冷媒が流通される。

振動撹拌器３０ａ、３０ｂには、振動子２８ａ、２８ｂの各々に埋設された前記冷媒用チューブ３２に冷媒を導入するための導入管３４ａ、３４ｂと、冷媒用チューブ３２を流通した冷媒を排出するための排出管３６ａ、３６ｂとが連結されている。なお、導入管３４ａ、３４ｂを通過した冷媒は、１列目の振動子２８ａ、２８ｂの冷媒用チューブ３２を経由した後に２列目の振動子２８ａ、２８ｂの冷媒用チューブ３２を通過し、さらに、その後に３列目の振動子２８ａ、２８ｂの冷媒用チューブ３２を通過して排出管３６ａ、３６ｂから排出される。

本実施の形態に係る鋳造品の製造方法は、上記したように構成された射出成形装置１０を用い、以下のようにして実施される。

先ず、供給プランジャ２４ａ、２４ｂをスラリー製造スリーブ１６ａ内で図３に示す状態に設定した後、スラリー製造スリーブ１６ａの注湯口２６ａから、ラドル３８を用いてアルミニウム合金溶湯Ｌをスラリー製造スリーブ１６ａ内に注湯する。

次いで、振動撹拌器３０ａを注湯口２６ａに降下させ、図４に示すように、振動子２８ａをアルミニウム合金溶湯Ｌに浸漬する。この場合、アルミニウム合金溶湯中に振動子２８ａが占める割合は、１５〜２０体積％に設定される。

次いで、振動子２８ａの冷媒用チューブ３２に冷却油等の冷媒を流通させる。アルミニウム合金溶湯Ｌは、この状態でスラリー製造スリーブ１６ａ内において所定の時間静置されることにより、温度が降下し始める。

最終的に、アルミニウム合金溶湯Ｌが液相線温度よりも僅かに高温、具体的には、液相線温度まで１０℃以内（例えば、７℃）となった時点で、振動撹拌器３０ａを付勢する。すなわち、振動子２８ａを発振させ、これによりアルミニウム合金溶湯Ｌに振動を付与する。上記したように、振動子２８ａが１５〜２０体積％を占める割合でアルミニウム合金溶湯中に存在しているので、該振動子２８ａが複数個設けられていることとも相俟って、スラリー製造スリーブ１６ａ内に注湯されたアルミニウム合金溶湯Ｌの略全体にわたって振動を付与することが可能となる。

なお、振動子２８ａの発振周波数は１０００Ｈｚ以下に設定される。この周波数は、前記特許文献２記載の従来技術においてアルミニウム合金溶湯に付与される超音波の周波数（２０ｋＨｚ以上）に比して著しく小さい。なお、周波数は、具体的には７００Ｈｚ、１４５Ｈｚ等に設定すればよいが、特にこれらに限定されるものではない。

上記した温度、すなわち、液相線温度まで１０℃以内となった時点で振動が付与されたアルミニウム合金溶湯Ｌにおいては、著しく微細な核が多数生成する。また、上記した周波数の振動が付与されると、この振動の振幅が大きいために核生成を促進させる。その一方で、生成した核の成長が抑制される。結局、本実施の形態によれば、一般的な半凝固鋳造法に比して核が微細且つ多量に生成する。

しかも、アルミニウム合金溶湯Ｌに振動を付与した場合、図５及び図６に示すように、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等の元素固溶量が増加する。すなわち、振動を付与することで元素固溶量を制御することも可能となる。

アルミニウム合金溶湯Ｌから核が生成することに伴い、該溶湯Ｌにおける固相の割合が増加する。本実施の形態では、固相の割合が２５〜６０体積％の範囲内となるまでアルミニウム合金溶湯Ｌがスラリー製造スリーブ１６ａ内に待機される。固相の割合を上記したように設定することにより、晶出相間のα晶の占有面積率が大きくなることに伴って微細な金属組織が形成される。なお、固相の割合が６０体積％を超える場合、溶湯が流動し難くなる。

以上のようにしてアルミニウム合金溶湯Ｌに固相を生じさせ、半凝固状態のスラリーＳを得た後、振動撹拌器３０ａをスラリー製造スリーブ１６ａから引き上げる。次いで、供給プランジャ２４ａ、２４ｂを図７に示す矢印方向に移動させることにより、スラリーＳを射出スリーブ１４の内部に供給する。その一方で、スラリー製造スリーブ１６ａから引き上げられた振動撹拌器３０ａにノズル４０からエアを吹き付けることにより、振動子２８ａのメンテナンスを行う。

次いで、射出プランジャ２２を金型１２ａ、１２ｂに向かって移動させることにより、スラリーＳを金型１２ａ、１２ｂ間の図示しないキャビテイに射出する。キャビテイに充填されたスラリーＳが冷却固化した後、金型１２ａ、１２ｂを型開きすることにより、所定形状の鋳造品が得られる。

上記したように、アルミニウム合金溶湯Ｌには微細な核が多量に生成している。従って、この鋳造品の金属組織には、２０μｍ程度の晶出相及び析出相が微細且つ多量に存在する。その上、該金属組織には、Ｍｇをはじめとする強化元素が多量に固溶している。このため、鋳造品は、アルミニウム合金溶湯Ｌに対して振動を付与することなく設けられたスラリー（無振動スラリー）を用いて作製された鋳造品に比して、高硬度を示す。

具体的には、無振動スラリーによる鋳造品の表面のビッカース硬度の平均値が約６２であるのに対し、本実施の形態に係る製造方法によって作製された鋳造品の表面のビッカース硬度の平均値は、約７６となる。

ビッカース硬度のバラツキ幅は、振動子２８ａの冷媒用チューブ３２に冷媒を流通させたときの方が流通させない場合に比して小さくなる。この理由は、アルミニウム合金溶湯Ｌを強制的に冷却した場合、晶出相、析出相及びα晶の各々の大きさが略均等となることから、略同等の金属組織が鋳造品の全体にわたって形成されるためであると推察される。

すなわち、本実施の形態によれば、鋳造品の機械的特性を再現性よく向上させることができる。このような鋳造品を小型化した場合、一般的な小型鋳造品に比して機械的特性に優れたものとなる。

また、元素固溶量が多いので、格子定数も変化している。

上記のようにしてスラリー製造スリーブ１６ａで製造されたスラリーＳに基づいて鋳造品を製造した後、スラリー製造スリーブ１６ｂを用いて同様の操作を行う。勿論、この場合においても、振動撹拌器３０ｂを介してアルミニウム合金溶湯Ｌに対する振動付与が行われる。従って、前記の鋳造品と品質が略同等である鋳造品を得ることができる。

このように、一対のスラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂを交互に使用してスラリーＳを製造して供給することにより、鋳造品を極めて効率的に製造することができる。

なお、上述した射出成形装置１０では、射出スリーブ１４の両側部に一対のスラリー製造スリーブ１６ａ、１６ｂを配設しているが、何れか一方のみとして射出成形装置１０を構成するようにしてもよい。

また、冷媒用チューブ３２への冷媒の流通は、振動子２８ａ、２８ｂを発振させると同時に行うようにしてもよい。

さらに、アルミニウム合金溶湯Ｌに代えてアルミニウム溶湯を用いるようにしてもよい。勿論、その他の金属の溶湯を用いることもできる。いずれの場合においても、上記と同様に晶出相及び析出相が微細化し、且つ元素固溶量が増す。その結果、硬度等の機械的特性が向上する。

本実施の形態に係る鋳造品の製造方法を実施するための射出成形装置の概略全体構成斜視図である。図１の射出成形装置が備える振動子の要部概略縦断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面において、アルミニウム合金溶湯を注湯する状態を示す要部断面説明図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面において、前記アルミニウム合金溶湯からスラリーを設けている状態を示す要部断面説明図である。振動付与時及び無振動時におけるＭｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅの元素固溶量を対比して示すグラフである。振動付与時及び無振動時におけるＣｕ、Ｚｎの元素固溶量を対比して示すグラフである。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面において、振動子にメンテナンスを施すとともにスラリーを射出スリーブに供給している状態を示す要部断面説明図である。

符号の説明

１０…射出成形装置１２ａ、１２ｂ…金型
１４…射出スリーブ１６ａ、１６ｂ…スラリー製造スリーブ
２２…射出プランジャ２４ａ、２４ｂ…供給プランジャ
２６ａ、２６ｂ…注湯口２８ａ、２８ｂ…振動子
３０ａ、３０ｂ…振動撹拌器３２…冷媒用チューブ
３４ａ、３４ｂ…導入管３６ａ、３６ｂ…排出管
Ｌ…アルミニウム合金溶湯Ｓ…スラリー

Claims

金属溶湯から固相を生じさせて半凝固状態のスラリーを設け、前記スラリーを金型に充填して鋳造品を得る鋳造品の製造方法であって、
前記金属溶湯の温度が下降して該金属溶湯の液相線温度よりも１０℃高〜液相線温度超となった時点で、振動子を介して周波数が１０００Ｈｚ以下の振動を前記金属溶湯に付与し、この状態で核生成を開始させることを特徴とする鋳造品の製造方法。
請求項１記載の製造方法において、前記金属溶湯に固相を２５〜６０体積％生じさせてスラリーとすることを特徴とする鋳造品の製造方法。
請求項１又は２記載の製造方法において、前記振動子が占める割合を１５〜２０体積％として該振動子を前記金属溶湯に浸漬し、該金属溶湯に振動を付与することを特徴とする鋳造品の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記振動子に冷却機構を設け、前記金属溶湯に振動を付与している最中に前記冷却機構を介して該金属溶湯を冷却することを特徴とする鋳造品の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法において、前記金属溶湯としてアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯を用いることを特徴とする鋳造品の製造方法。