JP5059629B2 - ダイカスト鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト法によりプリフォームをアルミニウムで鋳ぐるむことで、複合材を得る鋳造方法に関する。

アルミニウムなどの軽金属は、鉄系材料より強度が落ちる。強度向上対策の一つにセラミック系プリフォームを一体鋳造する方法がある。
一体鋳造では、キャビティに予めプリフォームをセットしておき、次に溶湯を注湯する。溶湯の流動圧でプリフォームがずれることは、製品品質上、避けなければならない。そこで、プリフォームを固定する技術が必要となる。

従来、プリフォームを吸引保持する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５８−９３５５８号公報（第４図）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図６は従来の金型の原理図であり、金型１００内に形成された製品キャビティ１０１に、繊維集合体１０２を設置し、製品キャビティ１０１内に金属の溶湯１０３を注湯する。この際に、繊維集合体１０２に当接する金型１００の部位にエアベント１０４を設け、このエアベント１０４を介して繊維集合体１０２を金型１００に吸引保持する。この吸引保持は溶湯が凝固するまで続ける。すると、溶湯が繊維集合体１０２に強制的に含浸され、好ましい繊維複合金属材料を得ることができる。

図７は従来の技術の問題点を説明する図であり、（ａ）に示すように、鋳造終了時には、製品キャビティ１０１により繊維複合金属材料１０５が得られる。この繊維複合金属材料１０５には繊維集合体１０２が一体的に含まれている。
とこで、（ａ）の要部拡大図である（ｂ）に示されるように、想像線で示す繊維集合体１０２が、実線で示すように大きく圧縮されていることが分かった。

この原因は、鋳造開始時点で、繊維集合体１０２に付着し残存していた酸素成分が、アルミニウムなどの酸化しやすい溶湯に接触して、酸化膜を発生させる。
（ｂ）のｃ部拡大図である（ｃ）に示されるように、酸化膜１０７が繊維集合体１０２に付着し、溶湯の流路面積が減少し、矢印（１）、（１）で示す溶湯の流れが不十分になった。すなわち、含浸性が悪くなった。この結果、繊維集合体１０２が図右へ強く押され、過度に圧縮されたと考えられる。

繊維集合体１０２へ溶湯が十分に含浸することを前提としているため、含浸が不十分であると、所定の強度向上が図れなくなる。
そこで、繊維集合体、すなわちプリフォームの変形を抑えることができる技術が求められる。

本発明は、プリフォームの変形を抑えることができるダイカスト鋳造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、ダイカスト法によりプリフォームをアルミニウムで鋳ぐるむことで、複合材を得るダイカスト鋳造方法において、プリフォームを予熱するプリフォーム予熱工程と、予熱済みのプリフォームを金型にセットするプリフォームセット工程と、プリフォームがセットされているキャビティを排気しながら、前記キャビティへ加熱された不活性ガスを供給するガス供給工程と、前記キャビティへ溶湯を供給する注湯工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、プリフォーム予熱工程では、プリフォームを６５０℃〜８５０℃に予熱することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、プリフォーム予熱工程では、プリフォームを７００℃〜８５０℃に予熱することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、ガス供給工程では、６５０℃〜８５０℃に加熱した不活性ガスを供給することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、注湯工程では、キャビティ内のプリフォームの表面温度が、アルミニウムの融点以下の温度であるときに、キャビティへ溶湯を供給することを特徴とする。

請求項１では、プリフォームを予熱することを特徴とする。
プリフォームが高温であるため、アルミナ繊維と液体アルミニウムの濡れ性を向上させ、より含浸が促進される。

加えて、請求項１に係る発明では、鋳造前に、プリフォームがセットされているキャビティを排気しながら、キャビティへ加熱された不活性ガスを供給するようにした。
排気後に不活性ガスを充填することにより、不活性ガスでプリフォームに付着し残存していた空気を強制的に排出させることができる。また、不活性ガスを加熱することで、置換ガスの体積を増加させることができ、残存空気を効率よく不活性ガスに置き換えることができる。

さらに、置換ガスが高温であるため、プリフォームの温度低下を防止することができ、溶湯の浸透性を良好に維持することができる。
このように、請求項１によれば、酸化物の発生を防止しつつ溶湯の浸透性を良好に保つことができるため、プリフォームの過度な変形を防止することができ、良質な鋳造製品を得ることができる。

請求項２に係る発明は、プリフォーム予熱工程では、プリフォームを６５０℃〜８５０℃に予熱する。プリフォームが高温であるため、溶湯の凝固を遅らせることができ、プリフォームへの含浸が円滑に行われる。

請求項３に係る発明は、プリフォーム予熱工程では、プリフォームを７００℃〜８５０℃に予熱することを特徴とする。プリフォームの予熱温度を６５０℃以上にすれば、溶湯の凝固を一層遅らせることができ、プリフォームへの含浸がさらに円滑に行われる。

請求項４に係る発明は、ガス供給工程では、６５０℃〜８５０℃に加熱した不活性ガスを供給することを特徴とする。不活性ガスを高温にすることで、不活性ガスの体積が増加し、プリフォームに残存する空気を効果的に排出させることができる。併せて、プリフォームの温度低下を抑えることができる。

請求項５に係る発明は、注湯工程では、キャビティ内のプリフォームの表面温度が、アルミニウムの融点以下の温度であるときに、キャビティへ溶湯を供給することを特徴とする。
プリフォームは熱伝導率が小さく、アルミニウムは熱伝導率が大きい。この相違により、プリフォームの冷却とアルミニウムの冷却とに差が発生し、この差により、含浸プリフォームにクラックが入ることがある。

そこで、プリフォームの表面温度がアルミニウムの融点以下まで下がってから、注湯するようにした。これで、プリフォームとアルミニウムの冷却差が小さくなり、含浸プリフォームでのクラックの発生を防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る複合材の一例を示す図であり、複合材１０は、アルミナなどの繊維材料からなるプリフォーム１１、１１を、アルミニウム１２で鋳ぐるんで製造された鋳造複合材である。このような複合材１０の製造に好適な鋳造装置を、次図で説明する。

図２はダイカスト鋳造装置の原理図であり、ダイカスト鋳造装置２０は、シリンダ２１を備えている固定型２２と、この固定型２２に対応する可動型２３と、この可動型２３に形成されたキャビティ２４から空気を排出するために可動型２３に付設されている真空ポンプ２５、２５と、キャビティ２４内の残存酸素量を測定する酸素濃度計２６と、シリンダ２１へアルゴンガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス容器２７及びガス供給管２８と、このガス供給管２８に介設され不活性ガスの流量を計測する流量計２９と、ガス供給管２８に介設され不活性ガスを加熱する加熱器３１と、加熱器３１の出口側で不活性ガスの温度を測る温度計３２と、固定型２２の近傍に配置されプリフォーム１１、１１を予熱するプリフォーム予熱炉３３と、このプリフォーム予熱炉３３の炉内温度を監視する炉温計３４とからなる。シリンダ２１は、鍋３５から注がれた溶湯３６を押出すプランジャ３７を備えている。

以上の構成からなるダイカスト鋳造装置２０の作用を、次に説明する。
先ず、プリフォーム１１、１１を、プリフォーム予熱炉３３に投入し、６５０℃〜８５０℃に設定した、予熱温度まで炉温計３４の監視の元で予熱する。

予熱済みのプリフォーム１１、１１を、矢印（２）ように、可動型２３にセットする。そして、可動型２３を固定型２２に合わせることで金型を型組みする。
型組みが終わったら、真空ポンプ２５、２５でキャビティ２４を排気し、空気をできるだけ排出する。同時に、６５０℃〜８５０℃に加熱されている不活性ガスを、ガス供給管２８でキャビティ２４へ供給する。

不活性ガスは、キャビティ２４やプリフォーム１１に残存している酸素を押出す役割と、キャビティ２４へ外から酸素が浸入してくることを防止する役割と、プリフォーム１１，１１の酸化を防止する役割を果たす。
不活性ガスを高温にすることにより、プリフォーム１１の温度低下を防ぐことができる。また、不活性ガスを高温にすると、ガスが膨張してガス流量が大幅に増加し、より効果的に酸素を押出すことができる。

次に、鍋３５から溶湯３６をシリンダ２１へ供給し、プランジャ３７を前進させることで、溶湯３６をキャビティ２４へ供給する。この工程を注湯工程と呼ぶが、この注湯工程に先立って、ガス供給管２８を閉じて、溶湯３６がガス供給管２８に侵入しないようにする。また、溶湯３６がキャビティ２４に到達した時点又はそれより前に、真空ポンプ２５、２５を止めて、溶湯３６が真空ポンプ２５、２５側に侵入しないようにする。

溶湯３６が凝固した後に、固定型２２から可動型２３を分離すれば、この可動型２３から、図１に示した複合材１０を得ることができる。

したがって、本発明に係るダイカスト鋳造方法は、次のようにまとめることができる。
ダイカスト法によりプリフォームをアルミニウムで鋳ぐるむことで、複合材を得るダイカスト鋳造方法において、プリフォームを予熱するプリフォーム予熱工程と、予熱済みのプリフォームを金型にセットするプリフォームセット工程と、プリフォームがセットされているキャビティを排気しながら、前記キャビティへ加熱された不活性ガスを供給するガス供給工程と、前記キャビティへ溶湯を供給する注湯工程と、からなることを特徴とする。

次に、上述のダイカスト鋳造方法において、プリフォーム１１の予熱温度について説明する。
プリフォーム１１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製、不活性ガスはアルゴンガス、アルゴンガスの温度は７００℃、溶湯はアルミニウム合金として、プリフォーム予熱炉３３により、予熱温度が４５０℃〜９００℃の複数個のプリフォーム１１を用いて、図２の装置２０で、鋳造を行った。その結果を、次図に示す。

図３はプリフォーム予熱温度とプリフォーム圧縮率の関係を示すグラフである。縦軸のプリフォーム圧縮率は、プリフォームの初期厚さをＬ０、鋳造後のプリフォームの厚さをＬ１としたときに、圧縮率＝１００×（Ｌ０−Ｌ１）／Ｌ０で定義される値である。

予熱温度の上昇に連れて、圧縮率が低下し、予熱温度が６５０℃で圧縮率は２０％未満となり、予熱温度が７００℃で圧縮率は１０％未満となり、予熱温度が７５０〜９００℃では圧縮率は５％程度であった。

圧縮率が小さいほど、溶湯が円滑にプリフォームに含浸されたことになり、圧縮率は小さいことが望まれる。得られた複合材を切断してプリフォームの断面を観察したところ、圧縮率が２０％以下であれば、所望の含浸プリフォームが得られる見通しを得た。さらには、圧縮率が１０％以下であれば、より好ましい含浸プリフォームが得られることが確認できた。
ただし、９００℃に予熱したサンプルにクラックが認められたので、クラックの発生と予熱温度の関係を調べることにした。

図４は予熱温度とクラックとの関係を示すグラフであり、含浸プリフォームの断面を観察したところ、予熱温度が８５０℃以下のものではクラックが認められなかったが、予熱温度が９００℃のものにはクラックが認められ、このクラックの発生率は約２０％に達した。そのため、予熱温度は８５０℃を上限にする必要がある。

このクラックの発生メカニズムは、次のように考えることができる。
複合部中央とアルミニウム部の温度差と収縮率差の違いが大きくなりすぎると、その収縮応力により高温側の複合部が破断する。

以上に説明した、図３及び図４から、プリフォームの予熱温度は、６５０℃〜８５０℃が好ましく、７００℃〜８５０℃であれば、なお良いことが判明した。

次に、不活性ガスの温度について検討する。
図５は不活性ガスの温度と圧縮率の関係を示すグラフであり、詳細な実験の内容は省略するが、実験の結果、不活性ガスの温度を上げると、圧縮率が下がることが確認できた。すなわち、不活性ガスの温度を上げると含浸プリフォームの品質が向上し、良質の複合材が得られる。

この理由は、第１に不活性ガスでプリフォームの温度低下を防止することができる。第２にボイル・シャルルの法則に則り、不活性ガスの体積が増加し、キャビティ、特にプリフォーム内の残存酸素を速やかに排出する役割を果たし、溶湯の酸化を防止することにあると、考えられる。

ただし、不活性ガスの温度が８５０℃を超えると、プリフォームの温度が８５０℃を超える虞があり、また、不活性ガスの温度が６５０℃未満であると、プリフォームの温度が６５０℃未満になる虞がある。プリフォームの温度を６５０〜８５０℃に維持するには、不活性ガスの温度も６５０〜８５０℃に設定する必要がある。

次に、プリフォームとアルミニウムとの熱的性質を検討する。
プリフォームを構成するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の熱伝導率は、２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである。液体アルミニウムの熱伝導率は、約５０Ｗ／ｍ・Ｋと言われている。そして、アルミニウムの融点は約６６０℃である。

このようなアルミニウム溶湯は、キャビティへ注入されると、金型で冷やされて先ず表面が凝固し、次に内部が凝固する。
プリフォームは、６５０℃〜８５０℃であり、やはり金型で冷やされるが、熱伝導率が、アルミニウムの１／２であるため、内部までは、なかなか冷やされない。すると、プリフォームに含浸したアルミニウムは凝固するが、近傍のプリフォームは高温のままである部位が出現する。この部位はプリフォームの中央や中心に現れる。プリフォームは遅れて冷却され、熱収縮する。
アルミニウムとプリフォームの冷却タイミングに差が生じると、熱応力が増大し、含浸プリフォームにクラックが入る。

この対策としては、図２において、細い熱電対３９を可動型２３に設けておき、熱電対３９の先端をプリフォーム１１の外表面に当てる。
プリフォームは６５０℃〜８５０℃の範囲で予熱されたが、型組みから注湯までに表面の温度を下げることができる。不活性ガスの温度を低めに設定することでも達成できる。

プリフォームの温度が７００℃を超えている場合は、溶湯の温度（６６０℃強）より高温であるために、上記の弊害（大きな熱応力発生）が出る虞がある。そこで、熱電対３６でプリフォーム１１の表面温度を監視し、この温度が溶湯の温度（６６０℃強）まで下がったら、注湯を開始することが望ましい。
そうすれば、熱応力を小規模に抑えることができ、クラックの発生を防止することができる。

なお、プリフォームはアルミナの他、シリカ、ジルコニアなどのセラミックス繊維体であれば、種類は問わない。また、不活性ガスは、アルゴンガスの他、安価な窒素ガスであってもよく、種類は問わない。

本発明は、アルミナ製のプリフォームをアルミニウムで鋳ぐるむダイカスト鋳造法に好適である。

本発明に係る複合材の一例を示す図である。 ダイカスト鋳造装置の原理図である。 プリフォーム予熱温度とプリフォーム圧縮率の関係を示すグラフである。 予熱温度とクラックとの関係を示すグラフである。 不活性ガスの温度と圧縮率の関係を示すグラフである。 従来の金型の原理図である。 従来の技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１０…複合材、１１…プリフォーム、１２…アルミニウム、２０…ダイカスト鋳造装置、２１…シリンダ、２７…不活性ガス容器、３３…プリフォーム予熱炉。

Claims (5)

1. ダイカスト法によりプリフォームをアルミニウムで鋳ぐるむことで、複合材を得るダイカスト鋳造方法において、
   プリフォームを予熱するプリフォーム予熱工程と、
   予熱済みのプリフォームを金型にセットするプリフォームセット工程と、
   プリフォームがセットされているキャビティを排気しながら、前記キャビティへ加熱された不活性ガスを供給するガス供給工程と、
   前記キャビティへ溶湯を供給する注湯工程と、からなることを特徴とするダイカスト鋳造方法。
2. 前記プリフォーム予熱工程では、プリフォームを６５０℃〜８５０℃に予熱することを特徴とする請求項１記載のダイカスト鋳造方法。
3. 前記プリフォーム予熱工程では、プリフォームを７００℃〜８５０℃に予熱することを特徴とする請求項１記載のダイカスト鋳造方法。
4. 前記ガス供給工程では、６５０℃〜８５０℃に加熱した不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のダイカスト鋳造方法。
5. 前記注湯工程では、キャビティ内のプリフォームの表面温度が、アルミニウムの融点以下の温度であるときに、キャビティへ溶湯を供給することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載のダイカスト鋳造方法。

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