JP5231965B2 - ダイカスト鋳造用の金型とダイカスト鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイカスト鋳造技術に関する。特に、従来よりも低温の溶湯を従来よりも低圧でキャビティに充填することによって、結晶粒子が微細化されている組織を得ることができるダイカスト鋳造技術に関する。

従来のダイカスト鋳造技術では、金型内に形成されているキャビティを形成する金型の内面（キャビティ形成面という）に沿って溶湯が流動する際に、キャビティ形成面に接する範囲の溶湯が薄皮状にまず凝固し（薄皮状に凝固した層によってチル層が形成される）、その薄皮状に凝固したチル層の内側を溶湯が流動していく。肉が薄い鋳造品をダイカスト鋳造する場合には、鋳造品の表裏両面に形成されたチル層の内側を溶湯が流動していくために、溶湯の実質的な流動範囲が狭められ、溶湯が流れにくい。肉が薄い鋳造品をダイカスト鋳造する場合には、キャビティに溶湯を充填するために溶湯にかける圧力を高める必要がある。あるいは、溶湯の温度を上げて溶湯の流動性を高める必要がある。

ダイカスト鋳造では、溶湯の温度、或いは溶湯の充填圧力が低いほど鋳造コストを抑えることができる。以下では、溶湯の温度や溶湯の充填圧力を鋳造条件と称する。また溶湯の温度を下げること、あるいは溶湯の充填圧力を下げることを鋳造条件を下げるという。
鋳造条件を単純に下げるだけでは、キャビティに溶湯が充填しきらないとか、鋳造品に巣穴などの欠陥が生じてしまうという問題が生じる。アルミダイカスト製品を鋳造する場合には、Ｓｉ結晶粒子が粗大化してしまうという問題も生じる。
そこで溶湯の組成を工夫し、溶湯の温度を下げる技術が特許文献１に開示されている。なお「溶湯」とは、溶融した金属を意味する。また

特開２００７−０９２１２５号公報

特許文献１の技術では、溶湯の組成を工夫する。しかしながら、溶湯の組成は鋳造品の組成でもあり、鋳造品に求められる品質等の要請から組成が決まってしまうことがある。本発明では、溶湯の組成に限定されない技術を提供する。すなわち、従来のダイカスト技術では良好な鋳造品を得ることができないほど低い鋳造条件で、しかも溶湯の組成を変更しないで、良好な鋳造品を得ることができるダイカスト鋳造技術を提供する。

発明者らは、金型のキャビティ形成面の性状を改善することで、鋳造条件を下げても良好な鋳造品を得られることを見出した。
キャビティ形成面における熱伝導率を低下させれば、チル層の発生を抑制することができる。あるいはチル層の厚みを薄くでき、溶湯の実質的な流動範囲を広く確保できる。キャビティ形成面に微小な凹凸を形成すると、その凹凸がきっかけとなって溶湯が凝固を開始する。微小な凹凸を形成することによって溶湯中に多数の凝固核を形成することができる。キャビティ形成面に相対的に大きな凹凸を形成すると、その凹凸が凹凸に接する溶湯が流動することを阻止し、凹凸から離れた部分を流動する溶湯との間に大きな流動速度差を生み出す。大きな流動速度差が溶湯を攪拌することになり、微小な凹凸によって形成された凝固核を溶湯中に分散させる。キャビティ形成面の性状を改善することによって上記の状態を実現すると、従来のダイカスト方法では良好な鋳造品を得ることができないほど低い鋳造条件で、良好な鋳造品を得ることができることを見出した。この技術によると、溶湯の組成を変更しないでも、低い鋳造条件で良好な鋳造品を得ることができることを見出した。

本発明は、ダイカスト鋳造に用いる金型に具現化することができる。本発明の金型は、キャビティ形成面が、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノフィラメントのグループから選ばれる少なくとも１種の繊維状カーボンを含む第１コーティング剤と、フラーレンを含む第２コーティング剤でコーティングされていることを特徴とする。ここで、繊維状カーボンの平均存在密度が５本／μｍ^２以上に調整しておき、フラーレンの平均粒径を１０μｍ以下に調整しておく。
フラーレンとは、閉殻構造を有する炭素クラスタであり、通常は炭素数が６０〜１３０の偶数である。具体例としては、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８０、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_８６、Ｃ_８８、Ｃ_９０，Ｃ_９２、Ｃ_９４、Ｃ_９６およびこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタが挙げられる。本発明におけるフラーレンは、上記のフラーレンの他、フラーレン分子に他の分子や官能基を化学的に修飾したフラーレン誘導体を含む。
繊維状カーボンを含む第１コーティング剤でキャビティ形成面をコーティングする方法は特に限定されないが、例えば特開２００８−１０５０８２号公報に記載に方法を利用することができる。

第１コーティング剤でコーティングされたキャビティ形成面では、金型の表面から複数本の繊維状カーボンが伸びている。そこへ第２コーティング剤を加えると、金型の表面から繊維状に伸びているカーボン群の間にフラーレンが捕縛される。
繊維状カーボン群が金型表面から伸びている層は多量の空間を具備しており、溶湯と金型の間の熱伝導率を低下させる。繊維状カーボン群の間に捕縛されているフラーレンは、溶湯の凝固のきっかけとなる微小な凹凸を作り出す。繊維状カーボン群の平均存在密度を５本／μｍ^２以上に調整しておくと、繊維状カーボン群の層に接する溶湯の流れが阻害される。そのために、繊維状カーボン群の層に接する範囲の溶湯の流動速度と繊維状カーボン群の層から離れた部分を流動する溶湯との間に大きな流動速度差が生じ、溶湯が攪拌される。
これらが複合することによって、キャビティ内に溶湯が充填しやすく、しかも溶湯中の広い範囲に分散した凝固核から凝固が進行した組織を得ることができる。鋳造条件を低下させても、良好な鋳造品をダイカスト鋳造することが可能となる。

本発明は、新規なダイカスト鋳造方法をも提供する。このダイカスト鋳造方法は、金型のキャビティ形成面を、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノフィラメントのグループから選ばれる少なくとも１種の繊維状カーボンを含む第１コーティング剤と、フラーレンを含む第２コーティング剤でコーティングしておく工程と、第１コーティング剤と第２コーティング剤でコーティングされたキャビティ形成面に沿って溶湯を流動させる工程を含んでいる。このダイカスト鋳造方法は、コーティング剤に接触することで形成された凝固核をコーティング剤から引き離してコーティング剤に接しない範囲の溶湯中に分散させながら凝固核からの凝固が進行する現象を実現する。

本発明によれば、鋳造条件を下げても良好なダイカスト製品を得ることができる。鋳造条件を下げられることから、鋳造コストが低減でき、ダイカスト鋳造に要する消費エネルギーを低減することができる。

図１に、本発明に係るダイカスト鋳造装置の模式的断面図を示す。ダイカスト鋳造装置１００は、一対の金型１２、１４を備える。金型１２は、図示しないベースに固定されており、金型１４は、ベースにスライド可能に支持されている。金型１２を固定型と称し、金型１４を移動型と称する場合がある。一対の金型１２、１４を閉じると、キャビティ１６が形成される。キャビティ１６は、溶湯を閉じ込めて凝固させ、所望形状の鋳造品を形成する空間である。符号１２ａは、固定金型１２のキャビティ形成面を示しており、符号１４ａは移動金型１４のキャビティ形成面を示している。

固定金型１２には、プランジャスリーブ２０が取り付けられている。プランジャスリーブ２０は、円筒状であり、その内部空間は、キャビティ１６に通じている。符号１８は、プランジャスリーブ２０の内部空間とキャビティ１６を連通する通路であり、ランナーと呼ばれることがある。

プランジャスリーブ２０内には、その内部空間を摺動するプランジャチップ２２が配置されている。プランジャチップ２２は、油圧装置２４に連結されている。油圧装置２４によって、プランジャチップ２２がプランジャスリーブ２０内を摺動する。

プランジャスリーブの側面には、側孔２８が設けられており、この側孔２８から、溶湯が流し込まれる。符号３０は、溶湯をプランジャスリーブ２０へ流し込むためのノズルを示している。

ダイカスト鋳造装置１００の動作を説明する。まず、ノズル３０から高温の溶湯がプランジャスリーブ２０内へ流し込まれる。次いで、油圧装置２４によってプランジャチップ２２をキャビティ１６へ向かって移動させる。プランジャスリーブ２０内の溶湯が、所定の速度でキャビティ１６内に射出される。油圧装置２４がプランジャチップ２２を荷重し続けることによって、キャビティ１６内の溶湯が所定の圧力に維持される。その状態で金型１２、１４を冷却し、溶湯を凝固させる。溶湯が凝固したのちに金型１２、１４を開いて、鋳造品を取り出す。

ダイカスト鋳造装置１００の特徴を説明する。プランジャスリーブ２０の内面２０ａ、プランジャチップ２２の先端面２２ａ、金型１２，１４のキャビティ形成面１２ａ、１４ａ、及び、通路１８の内面には被膜が形成されている。なお、プランジャチップ２２の先端面２２ａとは、溶湯と接する面を意味する。被膜は、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノフィラメントのグループから選ばれる少なくとも１種の繊維状カーボンを含む第１コーティング剤と、フラーレンを含む第２コーティング剤からなる。以下では、内面２０ａ、先端面２２ａ、キャビティ形成面１２ａ、１４ａ、及び、通路１８の内面を、下地面と総称する。

下地面は、次のとおりコーティングされる。まず。第１コーティング剤を下地面に形成する。その形成方法は特に限定されないが、例えば特開２００８−１０５０８２号公報に記載に方法を利用することができる。この形成方法によると、繊維状カーボンの平均存在密度を５本／μｍ^２以上に調整することができる。その後に第２コーティング剤を塗布する。第２コーティング剤は、アルコール等の揮発性液体に第２コーティング剤を混ぜて塗布することが好ましい。揮発性液体に混ぜて塗布すると、微粒子である第２コーティング剤を下地面に均一に分布させることができる。また、繊維状カーボンを含む第１コーティング剤でコーティングした上にフラーレンを含む第２コーテョング剤を塗布することによって、下地面に多くのフラーレンが強固に捕縛された被膜を形成することができる。そのような被膜は、耐摺動性（耐摩耗性）が長期間に亘って維持されるとともに断熱性に優れている。上記の被膜を形成すると、約２．０［Ｗ／ｍＫ］の断熱性を確保することができる。

ダイカスト鋳造装置１００では、プランジャスリーブ２０の内部からキャビティ１６へ至るまでの間、溶湯が接する面が全て被膜で覆われている。被膜の断熱効果により、金型１２、１４の冷却を開始するまでの間、溶湯の温度低下が抑制される。これにより、従来よりも鋳造条件を下げても欠陥のない良質な鋳造品を得ることができる。

また、キャビティ形成面１２ａ、１４ａに第１コーティング剤と第２コーティング剤による被膜が形成されていることによって、キャビティ形成面１２ａ，１４ａに沿って溶湯が流動している間に形成されるチル層の厚みが薄い。このために、溶湯の実質的な流動範囲が広く確保され、鋳造条件を下げても溶湯をキャビティに充填することができる。
第１コーティング剤に含まれている繊維状カーボン群の間に捕縛されているフラーレンは、溶湯の凝固のきっかけとなる微小な凹凸を作り出す。溶湯がキャビティ形成面１２ａ，１４ａに沿って流動している間に、溶湯内に多数の凝固核が形成される。フラーレンの平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。１０μｍ以下であれば凝固核を生成することができ、５μｍ以下であれば凝固核の生成能率が高められる。
繊維状カーボン群の平均存在密度が５本／μｍ^２以上に調整されていると、繊維状カーボンの層に接する溶湯の流れが阻害される。そのために繊維状カーボンの層から離れた部分を流動する溶湯との間に大きな流動速度差が生じ、溶湯が攪拌される。

これらが複合することによって、溶湯中の広い範囲に分散した凝固核から凝固が進行した組織を得ることができる。
図３の（Ａ）は、金型１２，１４の表面がコーティング層で被覆されない場合に生じる現象を模式的に示している。溶湯の流動中に厚いチル層Ｄ１、Ｄ２が形成されるために、溶湯はチル層Ｄ１、Ｄ２の間を通過して矢印Ｂ方向に流動する。金型１２，１４間の空間Ｃのうちの空間Ａの範囲しか溶湯が流動できない。溶湯をキャビティに充填するのに高い充填圧力を必要とする。
図３（Ｃ）は、金型１２のキャビティ形成面がコーティング層１３で被覆され、金型１４のキャビティ形成面がコーティング層１５で被覆されている場合に生じる現象を模式的に示している。コーティング層１３、１５が溶湯と金型１２，１４間を断熱するので、厚いチル層Ｄ１、Ｄ２が形成されない。溶湯は、金型１２，１４間の空間Ｃのほぼ全域を流動する。溶湯をキャビティに充填するのに必要な充填圧力は低くてすむ。

コーティング層１３、１５は、溶湯が凝固するきっかけとなる微小な凹凸を提供している。溶湯がコーティング層１３、１５に沿って流動している間に、溶湯内に多数の凝固核Ｅが形成される。
コーティング層１３、１５は、繊維状カーボンの平均存在密度が５本／μｍ^２以上に調整されているために、コーティング層１３、１５に接する溶湯の流れが阻害される。図２は、繊維状カーボンの層の電子顕微鏡写真を示しており、１〜２０μｍ程度のピッチの凹凸を形成している。１〜２０μｍ程度の凹凸に侵入した溶湯は流動できないために、溶湯の流れが阻害される。そのために、コーティング層１３、１５に接する部分の溶湯と、コーティング層１３、１５から離れた部分を流動する溶湯との間に大きな流動速度差が生じ、図３（ｃ）の矢印Ｇのように溶湯が攪拌される。この結果、凝固核Ｅは矢印Ｇに示すように、溶湯の広い範囲に分散する。そして広い範囲に分散した凝固核から凝固が進行する。参照符号Ｆ、Ｈは、凝固核Ｅから凝固が進行した範囲を模式的に示している。図３の（Ｄ）は、図３（Ｃ）の結果得られた鋳造品の断面を示しており、厚み方向にほぼ均質な組織を得ることができる。アルミダイカスト製品をダイカスト鋳造すると、Ｓｉ結晶粒子が微細化しており、α晶が粒状化している組織を得ることができる。
これに対して図３の（Ｂ）は、図３（Ａ）の結果得られた鋳造品の断面を示しており、厚み方向の中央部分において粗大化したＳｉ結晶粒子が観測される。

図４の（Ａ）は図３の（Ｂ）に対応する断面顕微鏡写真を示し、図４の（Ｂ）は図３の（Ｄ）に対応する断面顕微鏡写真を示している。図４の（Ｂ）では結晶粒子のサイズが厚み方向にほぼ一様であるのに対し、図４の（Ａ）では、深い部分における結晶粒子が粗大化している。図４の（Ａ）の場合、キャビティに溶湯を充填するのに高い鋳造条件が必要とされた。すなわち溶湯温度を６７０℃とし、溶湯に加える圧力を４５ＭＰａとし、溶湯の射出速度を２．７ｍ／ｓに設定する必要があった。図４の（Ｂ）の場合、鋳造条件を下げてもキャビティに溶湯を充填することができた。すなわち溶湯温度を６２０℃に下げ、溶湯に加える圧力を２０ＭＰａに下げ、溶湯の射出速度を２．０ｍ／ｓに下げても、キャビティに溶湯を充填することができ、かつ良好な組織を得ることができた。

本実施例によると、Ｓｉ結晶粒子が微細化しており、α晶が粒状化している組織を有する鋳造品を得ることができた。すなわち、本実施例によると、良好な組織を有するアルミダイカスト品を得ることができる。また本実施例によると、キャビティに溶湯が充填されやすく、鋳造条件を低下させても、良好な鋳造品をダイカスト鋳造することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

実施例のダイカスト鋳造装置１００は、キャビティ形成面１２ａ、１４ａに水又はエアを吹き付けるブロワを備えていてもよい。或いは、プランジャスリーブ２０内に水又はエアを吹き付けるブロワを備えていてもよい。これらのブロワは、所定回数の鋳造毎に、キャビティ面１２ａ、１４ａやプランジャスリーブ２０内を清掃する。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ダイカスト鋳造装置の模式図を示す。 コーティング層の表面の顕微鏡写真を示す。 溶湯の流動中の生じる現象と鋳造品の特徴を模式的に示す。 ダイカスト品の断面顕微鏡写真を示す。

符号の説明

１２、１４：金型
１２ａ，１４ａ：キャビティ形成面
１３，１５：コーティング層
１６：キャビティ
１８：通路
２０：プランジャスリーブ
２２：プランジャチップ
２４：油圧装置
２８：側孔
３０：ノズル
１００：ダイカスト鋳造装置

Claims (2)

1. ダイカスト鋳造用の金型であり、
   キャビティ形成面が、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノフィラメントのグループから選ばれる少なくとも１種の繊維状カーボンを含む第１コーティング剤と、フラーレンを含む第２コーティング剤でコーティングされており、
   繊維状カーボンの平均存在密度が５本／μｍ^２以上に調整されており、
   フラーレンの平均粒径が１０μｍ以下に調整されていることを特徴とするダイカスト鋳造用の金型。
2. ダイカスト鋳造方法であり、
   金型のキャビティ形成面を、カーボンナノコイル、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノフィラメントのグループから選ばれる少なくとも１種の繊維状カーボンを含む第１コーティング剤と、フラーレンを含む第２コーティング剤でコーティングしておく工程と、
   第１コーティング剤と第２コーティング剤でコーティングされたキャビティ形成面に沿って溶湯を流動させる工程を含み、
   コーティング剤に接触して形成された凝固核をコーティング剤から引き離してコーティング剤に接しない範囲の溶湯中に分散させながら凝固核からの凝固が進行することを特徴とするダイカスト鋳造方法。