JP5175905B2 - 軽合金の鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軽金属に添加元素を添加して生成される軽合金の鋳造方法の技術に関する。

従来から、例えばアルミニウム合金などの軽合金を粗材として、鋳物製品を鋳造する場合には、該鋳物製品の機械的強度（引張り強さや伸びなど）を改善するために、該鋳物製品に焼き入れ処理を行った後、時効処理を施すことが知られている。
前記軽合金は、主に母材となる軽金属と、該軽金属に添加される添加元素とによって生成される。そして、溶湯を鋳型に注湯した後（注湯工程）、該鋳型全体を徐々に冷却しながら前記粗材を凝固させ（鋳型冷却工程）、前記粗材を鋳型より離型する（離型工程）。
その後、離型された粗材をさらに１００℃以下の温度にまで冷却した後（粗材冷却工程）、再び該粗材を予め定められた温度に昇温して所定の時間維持することにより、該粗材に時効処理を施し（時効工程）、鋳物製品の機械的強度を改善する。

このような鋳造方法によって鋳造される鋳物製品が、均一な機械的強度を確実に備えるためには、過飽和状態の軽合金からなる粗材に対して、該粗材内の添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了し、時効処理を行う必要がある。
しかし、過飽和状態の軽合金は、所定の温度に所定の時間維持されると、内部に固溶される添加元素が析出する性質を有している。また、過飽和分の添加元素が軽合金より析出するために必要な時間（以下、「析出時間」と記す）は、軽金属や添加元素の種類などによって多少の違いがあるものの、軽合金の温度により変化する性質を有している。
よって、前記鋳型冷却工程から前記粗材冷却工程に渡って粗材を冷却していく過程において、その冷却時間や該粗材の温度分布の如何によっては、多くの添加元素が軽合金より不均一に析出することとなる。

このようなことから、従来は、過飽和状態の軽合金からなる粗材に対して、該粗材内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させるためには、単に粗材の冷却時間を極力短縮すればよいと考えられ、鋳型の冷却機能を強化して、前記冷却時間を短縮することが行われていた。
しかし、たとえ鋳型の冷却機能を強化して前記冷却時間を短縮しても、現実的には、鋳物製品に均一な機械的強度を確実に備えさせることはできず、かえって機械的強度が低下する場合が生じていた。

このように、鋳物製品の機械的強度が低下する理由としては、以下の理由が考えられる。
即ち、粗材には軽合金に固溶される添加元素が急速に析出する温度域、つまり前記「析出時間」が比較的短い温度域（以下、「析出温度域」と記す）が存在する。そして、鋳型の冷却機能を強化すれば、粗材の前記鋳型に接した部位（表面部）の近傍は、短時間のうちに「析出温度域」以下の温度にまで冷却され、多くの量の添加元素を過飽和のまま維持する。
一方、粗材の前記鋳型に接した部位（表面部）から離れた部位（中央部）は、前記粗材の表面部近傍に比べて遅れて冷却が開始される。すると、前記粗材の中央部は、既に「析出温度域」以下の温度にまで冷却されている前記粗材の表面部近傍に対して、部分的（不均一）に熱を放出しながら徐々に冷却されていく。
前記粗材の表面部近傍において、前記粗材の中央部より熱が放出された箇所は再び昇温されることとなるが、その温度は「析出温度域」内の温度に到達する。そして、前述した「析出時間」が経過すると、軽合金に過飽和に固溶されている多くの添加元素が析出する。
このようなことから、粗材の表面部近傍において、軽合金に固溶される添加元素の量が著しく少ない箇所が発生し、粗材内における添加元素の固溶量にバラツキが生じることとなる。
そして、添加元素が析出した部分に対して、さらに時効処理を施すと、過時効化現象によって機械的強度が低下するため、粗材内の添加元素の固溶量にバラツキが生じると、前記粗材に如何なる時効処理を施したとしても、前記部分については、もはや十分な機械的強度をもたらすことができないのである。

一方、過飽和状態にある粗材に対して、より多くの添加元素を軽合金の内部に固溶したまま、焼き入れ処理を完了させるために、粗材の冷却時間を短縮するための手段として、「特許文献１」乃至「特許文献３」による技術が開示されている。
即ち、「特許文献１」においては、金型（鋳型）に注湯されたアルミニウム合金（粗材）の凝固完了後、該金型（鋳型）より凝固したアルミニウム合金（粗材）を取出して直ちに水に浸漬して焼入れを施し、該焼き入れ完了後に時効処理を実施する高圧鋳造アルミニウム合金鋳物の製造方法に関する技術が開示されている。

また、「特許文献２」においては、押し湯部を形成する砂型と、該押し湯部から離れて配置されキャビティの一部を形成する金型と、でキャビティを構成する鋳型に注湯されたアルミニウム合金（粗材）の凝固完了後、前記砂型を残した状態で前記金型のみを分離し、これら凝固したアルミニウム合金（粗材）および前記砂型の全体を、タンクに貯溜された水内に浸漬して焼き入れ処理を行い、その後、保温容器内にて前記押し湯部の保有熱を利用して、前記アルミニウム合金（粗材）に時効処理を施すことを特徴とする軽合金製鋳物の製造方法に関する技術が開示されている。

また、「特許文献３」においては、鋳造後に４５０℃〜５１０℃の処理温度に０．５時間以上保持する溶体化加熱を行った後、水焼き入れを行い、その後１７０℃〜２３０℃の処理温度に１〜２４時間保持する時効処理を行って製造されるアルミニウム合金（粗材）に関する技術が開示されている。

特開平８−２２５９０３号公報 特開２００５−１６９４９８号公報 特開２００８−１３７９１号公報

前記「特許文献１」および前記「特許文献２」に示される技術においては、直接粗材を水に浸漬するため、該粗材は均一に「析出温度域」以下の温度にまで冷却されることとなるばかりか、該粗材は既に鋳型より離型されているため、前記粗材の表面部近傍の温度が再び「析出温度域」まで上昇して維持されることもない。
また、前記「特許文献３」に示される技術によれば、時効処理を施す前に、溶体化加熱および水焼入れを行うことで、確実に粗材の状態を過飽和状態に保持することが可能となる。
よって、前記「特許文献１」乃至「特許文献３」に示される技術によれば、軽合金内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させることができ、鋳物製品に均一な機械的強度を確実にもたらすことが可能になるとも思われる。

しかし、前記「特許文献１」に示される技術については、鋳型より粗材が離型される前における、該鋳型の温度管理を必須の構成要素としていない。つまり、粗材は鋳型より離型される前に、既に「析出温度域」以下の温度にまで冷却されていることもある。このような場合、前記離型の終了後に直接粗材を水に浸漬し、その後時効処理を行ったとしても、前述した、鋳型の冷却機能を強化する場合と同様に、鋳物製品に均一な機械的強度を確実にもたらすことができず、かえって機械的強度が低下することがある。

また、前記「特許文献２」に示される技術については、粗材の温度が添加元素の「析出温度域」に比べて高い４８０℃〜５８０℃から、前記粗材が水に浸漬されるため、あえて鋳型の温度管理を行うための手段を設ける必要はない。しかし、このような技術においては、一つの鋳物製品が鋳造される毎に該鋳型の温度は著しく低下することとなり、前記鋳物製品を連続的、且つ大量に鋳造するには不向きである。
また、前記「特許文献２」に示される技術については、凝固した粗材および砂型の全体を水に浸漬するため、該砂型は水を吸って硬くなり、崩壊性が著しく悪化することから、作業性が低下し、前記鋳物製品を連続的、且つ大量に鋳造するには不向きである。

さらに、前記「特許文献３」に示される技術については、時効処理のみからなる熱処理によって鋳物製品を鋳造する場合に比べて、溶体化加熱および水焼入れに関する工程が追加されることとなり、鋳物製品の鋳造方法全体としてコストが嵩み現実的ではない。

本発明は、以上に示した現状の問題点を鑑みてなされたものであり、過飽和状態の軽合金を粗材として鋳物製品を鋳造し、時効処理によって該鋳物製品に機械的強度をもたらす軽合金の鋳造方法であって、該軽合金内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させた後に時効処理を施すことで、鋳物製品に均一な機械的強度を確実にもたらすことができる軽合金の鋳造方法を、設備コストの増加をもたらすことなく提供することを課題とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、母材となる軽金属と添加元素とからなる軽合金を加熱溶融し、溶融した軽合金を冷却しつつ凝固させて、鋳物製品を鋳造する軽合金の鋳造方法であって、鋳型に注湯された溶湯状態の軽合金を凝固させる鋳型冷却工程と、前記鋳型冷却工程によって凝固した前記軽合金を、前記鋳型より取出す離型工程と、を備え、前記鋳型冷却工程においては、前記軽合金が、凝固した前記軽合金を所定の温度に維持した際に、前記軽合金に含まれる固溶した添加元素が軽金属より析出するために必要な経過時間のうち、前記経過時間が最も短くなる温度領域である、析出温度域より高温の温度にまで冷却され、前記離型工程は、前記軽合金の温度が前記析出温度域に到達する前に行われ、前記離型工程の実行途中に、前記軽合金の温度が前記析出温度域に到達するものである。

請求項２においては、請求項１に記載の軽合金の鋳造方法であって、前記鋳型は冷却手段を有し、前記鋳型冷却工程においては、該冷却手段によって前記鋳型を冷却することで、前記軽合金が冷却されるものである。

請求項３においては、請求項１または請求項２に記載の軽合金の鋳造方法であって、前記軽合金は、アルミニウム−けい素合金を前記軽金属とし、マグネシウムを前記添加元素とする合金であって、前記析出温度域は、３００℃〜４００℃に規定されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
即ち、本発明における軽合金の鋳造方法によれば、設備コストの増加をもたらすことなく、軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させた後に時効処理を施して、鋳物製品に均一な機械的強度を確実にもたらすことができる。

過飽和の添加元素が軽合金より析出し始める際における、粗材の温度（単位［℃］）と経過時間との関係を示した線図。 本発明の「軽合金の鋳造方法」を具現化する鋳造装置の全体構成を示した概略図。 本発明の「軽合金の鋳造方法」を具現化する粗材冷却装置の全体構成を示した概略図。 本発明の一実施例に係る、軽合金の鋳造方法の全体的な流れを示した工程図。 各工程における粗材温度の変化を、経過時間に伴って示した線図。 注湯工程から粗材冷却工程間に渡る粗材温度の経時的変化に関して、金型の温度制御を行う場合と、行わない場合との対比を示した線図。 時効処理後の粗材の固溶度および硬さに関して、金型の温度制御を行う場合と、行わない場合との対比を示したグラフ。

次に、本発明の実施の形態について説明する。

［概要］
先ず、本実施例の概要について説明する。
本実施例における鋳造方法は、軽合金からなる粗材の鋳造方法であって、鋳造される鋳物製品に、均一な機械的強度（引張り強さや伸びなど）を確実にもたらすことを目的とするものである。
即ち、前記軽合金（以下、粗材と記す）は、主に母材となる軽金属と、該軽金属に固溶される添加元素とによって生成されるものであるが、ここで軽金属は必ずしも純金属である必要はなく、予め二種類以上の軽金属等の元素が混合されてなる合金であってもよい。
本実施例においては、例えば、アルミニウム−けい素合金を母材とし、添加元素としてマグネシウムを前記アルミニウム−けい素合金に固溶して生成されるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系で、マグネシウムを添加元素として含むアルミニウム合金を粗材とする。
そして、後述する鋳型２（図２を参照）の冷却温度を調節しながら、溶湯状態の粗材を凝固させ、凝固が完了した粗材を短時間で冷却して焼き入れ処理を行うことで過飽和固溶体にして、その後、時効処理を行うことで、鋳物製品の機械的強度を改善するものである。

ここで、時効処理とは、過飽和状態の固溶体からなる粗材に対して、所定の温度に保持することにより、硬化現象を発現させるための処理をいう。

より具体的には、粗材を焼き入れ処理によって急激に冷却すると、軽合金に過飽和に固溶された添加元素の大半は析出を阻止することとなり、前記粗材は過飽和状態を維持したまま冷却されることとなる。

その後、常温より少し高めの温度（例えば、１００℃〜１６０℃）にまで、再び粗材を昇温して所定の時間維持することで、過飽和に固溶されている添加元素はＧ−Ｐ（Ｇｕｉｎｉｅｒ−Ｐｒｅｓｔｏｎ）ゾーンを形成し、軽金属の結晶格子には歪みが発生するが、発生した歪みが粗材の変形に対する抵抗となるため、粗材の硬化現象が発現するのである。

このようなことから、時効処理によって、均一な機械的強度を鋳物製品に確実にもたらすためには、粗材内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させる必要がある。

そこで、従来から、軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させる手段として、鋳型２の冷却機能を強化し、粗材の冷却時間を短縮する手段が用いられていた。しかしながら、単に鋳型２の冷却機能を強化するのみでは、鋳造される鋳物製品に、均一な機械的強度を確実にもたらすには、現実的に困難であった。

一方、飽和に固溶されている添加元素の過剰分が外部に析出する性質を有している。そして、過剰分の添加元素が軽金属より析出するために必要な経過時間は、粗材の温度によって変化する。

即ち、図１に示すように、縦軸に粗材の温度（単位［℃］）を表し、横軸に粗材がその温度に保持された状態での経過時間（単位［ｓｅｃ］）を表すこととして、過飽和の添加元素が軽合金より析出し始める時点の両者の関係を曲線によって表すと、前記曲線は左方に突出する曲線を描くこととなる。
つまり、前記「析出時間」は、粗材の温度が高温側から低下するに従って一旦減少するものの、ある所定の温度（以下、「ピーク温度（Ｔ）」と記す）よりも低い温度範囲では、粗材の温度が低下するに従って増加することとなる。

そして、前記「ピーク温度（Ｔ）」は、軽金属や添加元素の種類などによって多少の違いがあるものの、本実施例にて粗材として用いられるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金においては、略３５０℃が、添加元素であるマグネシウムの「ピーク温度（Ｔ）」であることが分かっている。

そこで、本発明者らは鋭意検討を繰り返した結果、前記「ピーク温度（Ｔ）」に着眼し、鋳造される鋳物製品に、均一な機械的強度を確実にもたらすことができる粗材の鋳造方法を確立した。

即ち、本発明者らは、溶融された粗材を冷却する過程において、他の温度領域に比べて比較的短時間の「析出時間」で、固溶した添加元素が軽金属の内部より析出し始める温度領域として「析出温度域」を規定し、該「析出温度域」が、前記「ピーク温度（Ｔ）」の前後略５０℃の領域、つまり３００℃〜４００℃に設定することとした。
この「析出温度域」は、前記粗材を所定の温度に維持した際に、軽合金に含まれる、固溶した添加元素が軽金属より析出するために必要な経過時間のうち、前記経過時間が最も短くなる温度領域であるといえる。

そして、前記「析出温度域」における鋳型２の温度管理を行うことで（つまり、後述するように、溶融された粗材を冷却する過程において、該粗材が前記「析出温度域」内に滞在する時間を短くするように温度管理を行うことで）、軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させることを可能とし、本実施例における粗材の鋳造方法を確立するに至ったのである。

［鋳造装置１］
次に、本発明の「軽合金の鋳造方法」を具現化する鋳造装置１の全体的な構成について、図２を用いて説明する。
なお、便宜上、図面上の上下方向は鋳造装置１の上下方向を示すものとして規定し、以下の説明を行う。

鋳造装置１は、溶湯状態の粗材を徐々に冷却しながら凝固させ、目的とする形状を有した鋳物製品を鋳造するための装置である。
鋳造装置１は、主に鋳型２や第一冷却手段３や第一温度検出手段４や第一制御装置５などにより構成される。

鋳型２は複数の部位から構成され、例えば、本実施例においては、固定型２Ａと、該固定型２Ａの上方に設けられる移動型２Ｂとにより構成される。
固定型２Ａは、鋳造装置１に備えられる固定フレーム１１の上面部に着脱可能に固設され、移動型２Ｂは、固定フレーム１１の上方に設けられる移動フレーム１２の下面部に着脱可能に固設される。

そして、移動フレーム１２が、図示せぬ駆動手段により下降（下方に移動）および上昇（上方に移動）されることで、移動型２Ｂが固定型２Ａに対して近接離間する方向に移動され、鋳型２の「型閉じ」および「型開き」が行われる。

なお、移動フレーム１２の前記駆動手段は、後述する第一制御装置５と電気的に接続されており、該第一制御装置５により鋳型２の「型閉じ」および「型開き」が制御されるようになっている。

固定型２Ａの上面部、および移動型２Ｂの下面部には、凹部２ａ・２ｂがそれぞれ形成されている。そして、鋳型２が「型閉じ」されることで、これら凹部２ａ・２ｂは互いに合致され、キャビティ２１が形成される。

固定型２Ａの内部には湯道部２ｃが形成される。
前記湯道部２ｃは、鋳型２の外部とキャビティ２１とを連通する貫通孔であり、該湯道部２ｃを介して、溶湯状態の粗材がキャビティ２１内に流し込まれる（注湯される）ようになっている。

このような構成からなる鋳型２によって、溶湯状態の粗材は目的とする形状に凝固され、鋳物製品が鋳造される。
即ち、キャビティ２１の形状は、鋳物製品の形状に即して形成されており、溶湯状態の粗材をキャビティ２１内に注湯した後に、後述する第一冷却手段３によって鋳型２を冷却することで、前記粗材は凝固され、鋳物製品が鋳造されるのである。

なお、本実施例における鋳造装置１によって、例えば、自動車エンジンのシリンダヘッドなどを鋳物製品として鋳造する場合には、鋳型２の内部などに、図示せぬ中子が設けられる。

第一冷却手段３は、鋳型２を冷却することで、キャビティ２１内に注湯された粗材の温度管理を行うための手段である。
第一冷却手段３は、冷却水や循環油などの冷却媒体を供給する供給源３１や、鋳型２（より詳しくは、固定型２Ａおよび移動型２Ｂ）の内部に配設される複数の連通経路３２・３２・・・や、これら供給源３１と連通経路３２・３２・・・とを繋ぐ配管部材３３などを有して構成される。
そして、配管部材３３の中途部、且つ供給源３１の近傍には、冷却媒体の流量を制御する第一電磁式制御弁３４が配設される。

前記第一電磁式制御弁３４は、後述する第一制御装置５と電気的に接続されている。
そして、供給源３１より供給される冷却媒体は、配管部材３３を通って連通経路３２・３２・・・に導かれるところ、前記冷却媒体の流量は、第一制御装置５から送信される電気信号に基づき第一電磁式制御弁３４が操作されることで、任意の量に変更されるようになっている。

このように、連通経路３２・３２・・・に導かれる冷却媒体の流量を第一制御装置５によって制御することで、鋳型２の温度は所定の温度に冷却される。
そして、鋳型２が所定の温度に冷却されることで、キャビティ２１内に注湯された粗材は冷却され、該粗材の温度管理が行われるのである。

第一温度検出手段４は、鋳型２の温度を検出することで、キャビティ２１内に内接する粗材の温度を検出するための手段である。
第一温度検出手段４は、既知の接触式温度センサーからなり、鋳型２を構成する固定型２Ａおよび移動型２Ｂに対して各々固設される。

第一温度検出手段４は、後述する第一制御装置５と電気的に接続されている。
そして、第一温度検出手段４によって測定された測定値（鋳型２の温度）は、電気信号に変換されて第一制御装置５に送信される。
つまり、鋳型２の温度がキャビティ２１内に内接する粗材の温度として第一温度検出手段４によって検出され、第一制御装置５に送信されるのである。

なお、第一温度検出手段４は、例えば既知の非接触式温度センサーによって構成することもでき、この非接触式温度センサーを固定型２Ａおよび移動型２Ｂに対してそれぞれ貫設させて、キャビティ２１内に内接する粗材の温度を直接検出するようにしてもよい。

第一制御装置５は、記憶部や演算部を備えた、鋳造装置１全体の運転を制御するための装置であり、第一温度検出手段４からの検出信号が入力されるとともに、移動フレーム１２の前記駆動手段や第一電磁式制御弁３４などの動作を制御することにより、鋳造装置１全体の運転の制御を行うように構成されている。

［粗材冷却装置５０］
次に、本発明の「軽合金の鋳造方法」を具現化する粗材冷却装置５０の全体的な構成について、図３を用いて説明する。
なお、便宜上、図面上の上下方向は粗材冷却装置５０の上下方向を示すものとして規定し、以下の説明を行う。

粗材冷却装置５０は、鋳型２より離型された粗材１００を冷却して、該粗材１００に焼き入れ処理を施すための装置である。
粗材冷却装置５０は、冷却対象となる粗材１００が投入される保温庫５１を有しており、該保温庫５１には第二冷却手段５２や第二温度検出手段５３や第二制御装置５４などが備えられる。

第二冷却手段５２は、保温庫５１内に投入された粗材１００を冷却し、該粗材１００に焼き入れ処理を施すための手段である。
第二冷却手段５２は、冷却媒体を供給する供給源５５や、冷却媒体を粗材１００に対して噴出するための複数のノズル５６・５６・・・や、これら供給源５５とノズル５６・５６・・・とを繋ぐ配管部材５７などを有している。
そして、配管部材５７の中途部、且つ供給源５５の近傍には、冷却媒体の流量を制御する第二電磁式制御弁５８が配設される。

前記第二電磁式制御弁５８は、後述する第二制御装置５４と電気的に接続されている。
そして、供給源５５より供給される冷却媒体は、配管部材５７を通ってノズル５６・５６・・・に導かれるところ、前記冷却媒体の流量は、第二制御装置５４から送信される電気信号に基づき第二電磁式制御弁５８が操作されることで、任意の量に変更されるようになっている。

このように、ノズル５６・５６・・・に導かれる冷却媒体の流量を第二制御装置５４によって制御することで、粗材１００の温度は所定の温度に冷却され、該粗材１００に焼き入れ処理が施されるのである。

なお、前記冷却媒体の種類については特に限定されず、例えば、冷却水や潤滑油などの液体や、冷風などの気体など、何れのものであってもよい。

第二温度検出手段５３は、保温庫５１内に投入された粗材１００の温度を検出するための手段である。
第二温度検出手段５３は、既知の非接触式温度センサーからなり、保温庫５１の内部において、粗材１００に向かって突出するようにして配設される。

第二温度検出手段５３は、後述する第二制御装置５４と電気的に接続されている。
そして、第二温度検出手段５３によって測定された測定値（粗材１００の温度）は、電気信号に変換されて第二制御装置５４に送信される。
なお、第二温度検出手段５３は、例えば、既知の接触式温度センサーによって構成することもできる。

第二制御装置５４は、記憶部や演算部を備えた、粗材冷却装置５０全体の運転を制御するための装置であり、第二温度検出手段５３からの検出信号が入力されるとともに、第二電磁式制御弁５８などの動作を制御することにより、粗材冷却装置５０全体の運転の制御を行うように構成されている。

なお、本実施例においては、鋳造装置１や粗材冷却装置５０に対して、それぞれ別個の第一制御装置５および第二制御装置５４を設けているが、これに限定されるものではなく、鋳造装置１および材冷却装置５０に対して共通の制御装置を一基設けて、これらの鋳造装置１や粗材冷却装置５０の運転を集中的に制御することとしてもよい。

［粗材の鋳造方法］
次に、本発明の「軽合金の鋳造方法」を具現化する、粗材の鋳造方法について、図４および図５を用いて説明する。

図４に示すように、本実施例における粗材の鋳造方法は、主に注湯工程（ステップＳ１０１）と、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）と、離型工程（ステップＳ１０３）と、粗材冷却工程（ステップＳ１０４）と、後処理工程（ステップＳ１０５）と、時効処理工程（ステップＳ１０６）とを有している。

注湯工程（ステップＳ１０１）は、軽合金を前工程にて加熱溶融させることにより得られた溶湯状態の粗材を、鋳型２（図２を参照）のキャビティ２１内に注湯する工程である。
即ち、鋳造装置１において、鋳型２は「型閉じ」状態となっており、溶湯状態の粗材が湯道部２ｃを通ってキャビティ２１内に注湯される。
そして、溶湯状態の粗材がキャビティ２１内に充填されることで、注湯工程（ステップＳ１０１）は終了する。

なお、図５に示すように、注湯工程（ステップＳ１０１）において、キャビティ２１内に充填された粗材の温度は、鋳型２に熱が移動することで低下し、該粗材は凝固を始める。

前記注湯工程（ステップＳ１０１）が終了すると、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）が開始する。
鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）は、鋳型２の温度を予め定められた「鋳型冷却温度（Ｔ１）」にまで冷却して、溶湯状態の粗材を凝固させる工程である。

ここで、前記「鋳型冷却温度（Ｔ１）」は、前述した「析出温度域」を超える温度であって、且つ粗材の共晶温度に比べて低い温度に設定される。
即ち、図５に示すように、本実施例において、粗材として用いられるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合金の共晶温度は約５７０℃であって、前記「析出温度域」として規定される３００℃〜４００℃の温度域に比べて高い温度であることが知られている。

そこで、「鋳型冷却温度（Ｔ１）」は、４００℃〜５７０℃の範囲内における任意の温度に設定されるとともに、前記「鋳型冷却温度（Ｔ１）」に関する情報は、第一制御装置５（図２を参照）の記憶部に予め格納される。
そして、鋳型２のキャビティ２１内に溶湯状態の粗材が充填されると、第一制御装置５は、第一温度検出手段４によって測定された測定値に基づき第一電磁式制御弁３４を制御して、該第一電磁式制御弁３４により連通経路３２・３２・・・に供給される冷却媒体の流量が調節される。これにより、鋳型２は、「鋳型冷却温度（Ｔ１）」に到達するまで、徐々に冷却されていく。

こうして、溶湯状態の粗材は、「析出温度域」に比べて高温の「鋳型冷却温度（Ｔ１）」にまで到達し、凝固するのである。

なお、第一温度検出手段４によって測定された鋳型２の温度が、「鋳型冷却温度（Ｔ１）」と同等になれば、第一制御装置５は、粗材の温度も前記「鋳型冷却温度（Ｔ１）」と同等になったと判断し、第一電磁式制御弁３４を制御して連通経路３２・３２・・・への冷却媒体の供給を停止し、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）が終了する。

前記鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）が終了すると、離型工程（ステップＳ１０３）が開始する。
離型工程（ステップＳ１０３）は、凝固した粗材を鋳型２より取出して、該粗材を鋳型２より離型する工程である。

即ち、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）が終了すると、第一制御装置５は、移動フレーム１２（図２を参照）の駆動手段を制御して、移動フレーム１２を上昇させ、鋳型２を「型開き」状態にする。そして、「型開き」状態となった鋳型２より粗材が取出され、離型工程（ステップＳ１０３）は終了する。

なお、図５に示すように、離型工程（ステップＳ１０３）において、離型された粗材の温度は、外気に触れることによって僅かながら冷却されて、「析出温度域」内の温度（Ｔ２）に到達することとなる。

前記離型工程（ステップＳ１０３）が終了すると、粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が開始する。
粗材冷却工程（ステップＳ１０４）は、離型された粗材の温度を予め定められた「焼き入れ温度（Ｔ３）」にまで急激に冷却して、前記粗材に焼き入れ処理を施す工程である。

ここで、前記「焼き入れ温度（Ｔ３）」は、通常１００℃以下の温度に設定される。
つまり、図５に示すように、「焼き入れ温度（Ｔ３）」は、前述した「析出温度域」に比べて遥かに低温の温度に設定される。
そして、この「焼き入れ温度（Ｔ３）」は、第二制御装置５４（図３を参照）において設定され、該第二制御装置５４の記憶部に予め格納されている。

粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が開始されると、離型された粗材は、粗材冷却装置５０に搬送され、保温庫５１の内部に投入される。
保温庫５１の内部に粗材が投入されると、第二制御装置５４は第二温度検出手段５３によって測定された測定値に基づき第二電磁式制御弁５８を制御し、該第二電磁式制御弁５８によりノズル５６・５６・・・に供給される冷却媒体の流量が調節される。そして、粗材は、前記「焼き入れ温度（Ｔ３）」に到達するまで、急激に冷却されていく。

こうして、離型された粗材は、「析出温度域」より遥かに低温の「焼き入れ温度（Ｔ３）」にまで急速に冷却されることで、過飽和状態を維持したまま焼き入れ処理が施されるのである。

なお、第二温度検出手段５３によって測定された粗材の温度が、前記「焼き入れ温度（Ｔ３）」と同等になれば、第一制御装置５は、焼き入れ処理が完了したと判断し、第二電磁式制御弁５８を制御して、ノズル５６・５６・・・への冷却媒体の供給を停止し、これにより粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が終了する。

前記粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が終了すると、後処理工程（ステップＳ１０５）が開始する。
後処理工程（ステップＳ１０５）は、前記粗材冷却工程（ステップＳ１０４）によって焼き入れ処理が施された粗材に対して、例えば中子などの除去や、粗材表面部の清掃など行い、後の時効処理工程（ステップＳ１０６）に備える工程である。

なお、図５に示すように、後処理工程（ステップＳ１０５）において、粗材の温度は、外気に触れることによって多少温度が冷却（あるいは昇温）されるものの、前記「焼き入れ温度（Ｔ３）」と、外気の温度との温度差は少ないため、ほぼ所定の温度に保たれることとなる。

前記後処理工程（ステップＳ１０５）が終了すると、時効処理工程（ステップＳ１０６）が開始する。
時効処理工程（ステップＳ１０６）は、前記粗材冷却工程（ステップＳ１０４）によって焼き入れ処理が施された粗材に対して時効処理を行い、鋳造される鋳物製品に対して、均一な機械的強度をもたらす工程である。

即ち、後処理工程（ステップＳ１０５）が終了すると、粗材は図示せぬ熱処理炉（時効炉）内に投入される。
熱処理炉（時効炉）内に投入された粗材は、図５に示すように、予め定められた「時効温度（Ｔ４）」にまで急激に昇温され、その後粗材の温度は該「時効温度（Ｔ４）」によって「所定時間」維持される。
そして、前記「所定時間」の経過後、粗材の温度は再び前記「焼き入れ温度（Ｔ３）」（つまり、時効処理を行う前における粗材の温度）にまで急激に冷却されることで、前記粗材に時効処理が施され、時効処理工程（ステップＳ１０６）が終了する。

時効処理工程（ステップＳ１０６）が終了すると、粗材は熱処理炉（時効炉）より取出され、本実施例における粗材の鋳造は終了する。

［実証データ］
次に、本実施例における粗材の鋳造方法において、本発明者らが得た実証データについて、図６および図７を用いて説明する。
先ず始めに、図６は、注湯工程（ステップＳ１０１）から粗材冷却工程（ステップＳ１０４）に渡って、粗材の温度の経時的変化を記録した図であって、縦軸に粗材の温度（単位［℃］）を表し、横軸に経過時間（単位［ｓｅｃ］）を表すこととして、本実施例における鋳造方法（実線で記す）と、従来における鋳造方法（破線で記す）とに関する両者の関係を曲線によってそれぞれ表したものである。

なお、本実施例における鋳造方法は、前述のとおり、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）において、「析出温度域」に比べて高温の「鋳型冷却温度（Ｔ１）」を設定し、該「鋳型冷却温度（Ｔ１）」に向かって粗材の温度が徐々に冷却されるように、鋳型２の冷却機能（より具体的には、第一冷却手段３）を制御するものである。
一方、従来における鋳造方法は、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）において、鋳型２の冷却機能を強化して、できるだけ短時間に、粗材の温度が低温（例えば、図６に示す温度ｔ）となるように制御するものである。

図６に示すように、注湯工程（ステップＳ１０１）の開始から、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）にて粗材の温度が共晶温度の近傍に到達するまでの経過時間においては、本実施例における鋳造方法と、従来の鋳造方法との間に、粗材の温度に関する経時的変化の相異は見られない。

粗材の温度が共晶温度を通過した後、本実施例の鋳造方法においては、第一制御装置５（図２を参照）によって、第一冷却手段３の運転を制御することで、該粗材の温度が緩やかに低下する。
そして、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の終了時においては、粗材の温度が「析出温度域」より高温の「鋳型冷却温度（Ｔ１）」に到達する。

一方、従来の鋳造方法においては、粗材の温度が共晶温度を通過した後も、鋳型は急激に冷却され続ける。
そして、粗材の温度は、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の実行途中において、既に「析出温度域」にまで到達し、その結果、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の終了時においては、粗材の温度が「析出温度域」内の温度ｔにまで到達する。

鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の終了後、本実施例の鋳造方法においては、離型工程（ステップＳ１０３）によって粗材が外気に触れることで、該粗材の温度が緩やかに低下し、「析出温度域」に到達することとなる。
換言すれば、粗材を冷却する過程において、該粗材の温度が「析出温度域」に到達する前に離型工程（ステップＳ１０３）が行われ、該離型工程（ステップＳ１０３）の実行途中に、該粗材の温度が「析出温度域」に到達する。よって、本実施例の鋳造方法においては、従来の鋳造方法に比べて、粗材の温度が「析出温度域」に達するまでにかかる時間が長くなる。

そして、離型工程（ステップＳ１０３）の終了後、早急に粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が開始され、粗材の温度は短時間のうちに「析出温度域」を通過し、さらに急激に冷却される。

一方、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の終了後、従来の鋳造方法においては、離型工程（ステップＳ１０３）が開始される際に、既に粗材の温度が、本実施例の鋳造方法における粗材冷却工程（ステップＳ１０４）の開始直後の粗材の温度（「析出温度域」内の温度）と、略同温となっている。
よって、離型工程（ステップＳ１０３）時における、粗材の温度変化は少なく、該離型工程（ステップＳ１０３）の終了後、早急に粗材冷却工程（ステップＳ１０４）が開始され、粗材の温度は短時間のうちに「析出温度域」を通過し、さらに急激に冷却されることとなる。

このように、本実施例の鋳造方法においては、離型工程（ステップＳ１０３）の実行途中から、粗材冷却工程（ステップＳ１０４）の初期段階に渡って（図６に示す矢印Ｘ１の領域）、粗材の温度が「析出温度域」内に滞在することとなる。
一方、従来の鋳造方法においては、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）の実行途中から、粗材冷却工程（ステップＳ１０４）の初期段階に渡って（図６に示す矢印Ｘ２の領域）、粗材の温度が「析出温度域」内に滞在することとなる。
従って、図６に示すように、本実施例の鋳造方法によれば、例えば、各工程にかかる時間を変更する（短縮する）などの対策を行うこともなく、従来の鋳造方法に比べて、粗材の温度が「析出温度域」内に滞在する時間を確実に短縮できることが分かる。

次に、本実施例の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品と、従来の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品とに関する機械的強度の比較について、図７を用いて説明する。
図７は、鋳物製品の機械的強度を定量的に把握するために、固溶度（軽金属内に固溶される添加元素の量）と、ビッカース硬さとの二つの項目を選定し、これら項目について、本実施例の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品と、従来の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品とをそれぞれ測定した測定値を表した図である。
即ち、図７は、紙面向かって左側の縦軸に固溶度（単位［ｍａｓｓ％Ｍｇ］）を表し、紙面向かって右側の縦軸にビッカース硬さ（単位［Ｈｖ］）を表すこととして、それぞれの項目に関する測定値を、本実施例の鋳造方法（図７において、「本実施例」と記載）と、従来の鋳造方法（図７において、「従来」と記載）とに区別して表した図であって、固溶度を棒グラフで、ビッカース硬さを黒点でそれぞれ表示している。

なお、本実施例における鋳造方法は、前述のとおり、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）において、「析出温度域」に比べて高温の「鋳型冷却温度（Ｔ１）」を設定し、該「鋳型冷却温度（Ｔ１）」に向かって粗材の温度が徐々に冷却されるように、鋳型２の冷却機能（より具体的には、第一冷却手段３）を制御するものである。
一方、従来における鋳造方法は、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）において、鋳型２の冷却機能を強化して、できるだけ短時間に、粗材の温度が低温（例えば、図６に示す温度ｔ）となるように制御するものである。

図７に示すように、固溶度においては、従来の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品の場合、ａ１［ｍａｓｓ％Ｍｇ］であるが、本実施例の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品の場合、ａ２［ｍａｓｓ％Ｍｇ］（但し、ａ１＜ａ２）となり、本実施例の鋳造方法によって鋳物製品を鋳造することで、軽金属内に固溶される添加元素の量が確実に増加することが分かる。

また、ビッカース硬さにおいては、従来の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品の場合、ｂ１［Ｈｖ］であるが、本実施例の鋳造方法によって鋳造された鋳物製品の場合、ｂ２［Ｈｖ］（但し、ｂ１＜ｂ２）となり、本実施例の鋳造方法によって鋳物製品を鋳造することで、より多くの量の添加元素を軽金属内に固溶することが可能となることから、ビッカース硬さも向上することが分かる。

以上のように、本実施例における粗材の鋳造方法は、母材となる軽金属と添加元素とからなる粗材（軽合金）を加熱溶融し、溶融した粗材（軽合金）を冷却しつつ凝固させて、鋳物製品を鋳造する粗材（軽合金）の鋳造方法であって、溶融された前記軽合金を冷却する際には、凝固した前記粗材（軽合金）を所定の温度に維持した際に、前記粗材（軽合金）に含まれる、飽和に固溶した添加元素が粗材（軽合金）より析出するために必要な経過時間のうち、前記経過時間が最も短くなる温度領域である、析出温度域内に滞在する時間が短くなるように、前記粗材（軽合金）の冷却を行うこととしている。

このような粗材の鋳造方法を用いることで、設備コストの増加をもたらすことなく、軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させた後に時効処理を施して、鋳物製品に均一な機械的強度を確実にもたらすことができる。

即ち、図６に示すように、本実施例における粗材の鋳造方法では、設備コストの増加をもたらすような、溶体化加熱などの工程を別途追加することもなく、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）から粗材冷却工程（ステップＳ１０４）に渡って粗材を冷却する過程において、粗材の温度が「析出温度域」内に滞在する時間を、従来の鋳造方法に比べて短縮させることしている。
これにより、軽金属より析出する添加元素の量が減少し、該軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させることが可能となる。
そして、このような添加元素の固溶量のバラツキが極力抑えられた粗材に時効処理を施すことで、均一な機械的強度を有する鋳物製品が鋳造されるのである。

また、本実施例における粗材の鋳造方法において、前記鋳造方法は、鋳型２に注湯された溶湯状態の粗材（軽合金）を凝固させる鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）と、前記鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）によって凝固した前記粗材（軽合金）を、前記鋳型２より取出す離型工程（ステップＳ１０３）と、を備え、前記鋳型２は第一冷却手段３を有し、前記鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）においては、該第一冷却手段３によって前記鋳型２を冷却することで、前記粗材（軽合金）が「析出温度域」より高温の鋳型冷却温度（Ｔ１）にまで冷却され、前記離型工程（ステップＳ１０３）は、前記粗材（軽合金）の温度が前記「析出温度域」に到達する前に行われることとしている。

このように、本実施例における粗材の鋳造方法では、粗材の温度が「析出温度域」に到達する前に離型工程（ステップＳ１０３）が行われ、該離型工程（ステップＳ１０３）の途中で、該粗材の温度が「析出温度域」に到達することとしている。
よって、本実施例における粗材の鋳造方法によれば、鋳型冷却工程（ステップＳ１０２）から粗材冷却工程（ステップＳ１０４）に渡って粗材を冷却する過程において、粗材の温度が「析出温度域」に達するまでにかかる時間が従来の鋳造方法に比べて長く、粗材の温度が「析出温度域」内に滞在する時間を、従来の鋳造方法に比べて短縮することができる。
従って、前述のとおり、軽金属より析出する添加元素の量が減少し、該軽金属内における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えつつ焼き入れ処理を完了させることが可能となる。
そして、このような添加元素の固溶量のバラツキが極力抑えられた粗材に時効処理を施すことで、均一な機械的強度を有する鋳物製品が鋳造されるのである。

また、本実施例における粗材の鋳造方法において、前記粗材（軽合金）は、アルミニウム−けい素合金を前記軽金属とし、マグネシウムを前記添加元素する合金であって、前記析出温度域は、３００℃〜４００℃に規定されることとしている。

即ち、前述の通り、過飽和状態の軽合金からなる粗材は、所定の温度に所定の時間維持されると、軽金属内に固溶される添加元素が外部に析出する性質を有しており、また、固溶した添加元素が軽金属より析出するために必要な経過時間（析出時間）は、軽金属や添加元素の種類などによって多少の違いがあるものの、粗材の温度に応じて変化する性質を有している。
つまり、粗材の温度領域においては、前記「析出時間」が最も短くなる温度（ピーク温度（Ｔ））が存在するところ、アルミニウム−けい素合金を軽金属とし、マグネシウムを添加元素する合金に関する「ピーク温度（Ｔ）」は、略３５０℃であることが知られている。
そこで、前記「ピーク温度（Ｔ）」の前後略５０℃の領域、つまり３００℃〜４００℃の領域を「析出温度域」として設定し、該「析出温度域」内に粗材の温度が滞在する時間を短縮することで、アルミニウム合金からなる粗材における添加元素の固溶量のバラツキを極力抑えることが可能になるのである。

２ 鋳型
３ 第一冷却手段
Ｔ１ 鋳型冷却温度
Ｓ１０２ 鋳型冷却工程
Ｓ１０３ 離型工程

Claims (3)

1. 母材となる軽金属と添加元素とからなる軽合金を加熱溶融し、溶融した軽合金を冷却しつつ凝固させて、鋳物製品を鋳造する軽合金の鋳造方法であって、
   鋳型に注湯された溶湯状態の軽合金を凝固させる鋳型冷却工程と、
   前記鋳型冷却工程によって凝固した前記軽合金を、前記鋳型より取出す離型工程と、
   を備え、
   前記鋳型冷却工程においては、前記軽合金が、凝固した前記軽合金を所定の温度に維持した際に、前記軽合金に含まれる固溶した添加元素が軽金属より析出するために必要な経過時間のうち、前記経過時間が最も短くなる温度領域である、析出温度域より高温の温度にまで冷却され、
   前記離型工程は、前記軽合金の温度が前記析出温度域に到達する前に行われ、
   前記離型工程の実行途中に、前記軽合金の温度が前記析出温度域に到達する、
   ことを特徴とする軽合金の鋳造方法。
2. 前記鋳型は冷却手段を有し、
   前記鋳型冷却工程においては、
   該冷却手段によって前記鋳型を冷却することで、前記軽合金が冷却される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軽合金の鋳造方法。
3. 前記軽合金は、
   アルミニウム−けい素合金を前記軽金属とし、
   マグネシウムを前記添加元素とする合金であって、
   前記析出温度域は、３００℃〜４００℃に規定される、
   ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の軽合金の鋳造方法。

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