JP5339764B2

JP5339764B2 - 鋳造方法

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Publication number: JP5339764B2
Application number: JP2008095707A
Authority: JP
Inventors: 清柴田; 敏朗市原; 敬三田上; 光蔵宮本; 正光山下
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: US8016019B2; CN101720263B; JP2008284608A; CN101720263A; US20100071865A1

Description

本発明は、例えばアルミニウム合金などの溶湯を加圧（低圧）鋳造するのに好適な鋳造方法に関する。

環境に対する負荷軽減のため、エンジンなどには軽量化が要求され、アルミニウム合金の適用が拡大している。また、生産性向上の要求から加圧鋳造による鋳造時間の短縮も図られている。

しかしながら、鋳造には引け巣の問題があり、これを解消する提案が例えば特許文献１〜３に提案されている。
特許文献１には、上型、下型及び摺動型の夫々を熱伝導率の異なる材料で構成し、鋳造品の薄肉部に対応する型については熱伝導率の低い部材を配置して指向性凝固を行わせることが提案されている。

特許文献２及び特許文献３には、熱伝導率の高い銅合金にて上型を構成し、これよりも熱伝導率の低い炭素工具鋼系の金属材料で下型を構成し、摺動型については上型と下型の中間の熱伝導率の金属材料で構成し、熱伝導率の差を利用した指向性凝固を行うことが開示されている。

特開平０１−２３７０６７号公報特開平０１−０５３７５５号公報特開平０１−０５３７５７号公報

上述した特許文献１に開示される方法は、細かな指向性凝固の制御ができず、また鋳造品の薄肉部に熱伝導率の低い材料からなる型を配置するため、ホイールのような断面形状が単純な製品にしか対応できない。

特許文献２及び特許文献３に記載されるように金型材料として銅合金を用いた場合、銅合金は高価であると共に耐久性に劣り、溶損が発生しやすい。
また熱伝導率が高すぎて指向性凝固を行った場合、アンダーカット部分に欠肉が生じやすい。特に銅金型と砂中子を組み合わせた鋳造では、両者の間の熱伝導率の差が大きいため、銅金型と砂中子との間の間隔が小さいと、この箇所で溶湯の粘性が低下し充填不良が発生し欠肉が生じてしまう。

また、キャビティ内に砂中子をセットした場合、砂中子は熱伝導率が悪いため、冷却凝固の遅れを招き、サイクルタイムが長くなる。

また従来の鋳造法にあっては、湯口部において溶湯が凝固するまでの時間が長いため、製品の払い出しまでのタクトタイムが長くなり、更に湯口直上の鋳抜き突起形状や入子及びピンを挿入する構造の金型にあっては、金型温度が不均一になりやすいという問題もある。

上記課題を解決するため本発明に係る鋳造方法は、上型及び下型にて画成されるキャビティ内、または上型、下型及びサイド型にて画成されるキャビティ内に湯口部を介して下方から溶湯を加圧充填して凝固せしめる鋳造方法において、前記上型を構成する材料は他の金型材料よりも熱伝導率が高く、且つ１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用い、湯口温度が溶湯の凝固温度以下になるまで前記加圧状態を保持して、上型による冷却に伴う溶湯の収縮分を補充するようにした。

即ち、溶湯の凝固冷却及び収縮の役割を熱伝導率の高い上型が促進し、熱伝導率がこれよりも低い下型に設けた湯口部が加圧充填機能を発揮し、順次冷却凝固される。つまり、指向性凝固によって鋳造品質が安定する。

また本発明に係る鋳造方法は、上型及び下型にて画成されるキャビティ内、または上型、下型及びサイド型にて画成されるキャビティ内に湯口部を介して下方から溶湯を加圧充填して凝固せしめる鋳造方法において、前記湯口部を構成する材料は１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用い、前記キャビティ内への溶湯の供給を停止するタイミングに合わせて湯口部を空冷装置などによって強制冷却制御するようにしサイクルタイム短縮を図る。

湯口部を熱伝導率が高い材料で構成することで、注湯初期においては湯口部の温度が短時間のうちに上昇して注湯がスムーズに行え、また注湯終了後は強制冷却で湯口部の溶湯を短時間のうちに凝固させることができる。

また本発明に係る鋳造方法は、上型及び下型にて画成されるキャビティ内、または上型、下型及びサイド型にて画成されるキャビティ内に湯口部を介して下方から溶湯を加圧充填して凝固せしめる鋳造方法において、風窓、入子または鋳抜ピンの材料として、１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用い、前記キャビティ内の温度の均一化を図るようにした。このように、厚肉部、砂／金型間及び湯口直上部位金型つまり、金型温度の均一化を図ることで製品の品質向上が図れる。

１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料の具体的組成としては、例えば質量含有率で、０．１５％以上０．３５％以下のＣと、０．０５％以上０．２０％未満のＳｉと、０．０５％以上１．５０％以下のＭｎと、０．２０％以上２．５０％以下のＣｒと、０．５０％以上３．００％以下のＭｏと、０．０５％以上０．３０％以下のＶとを含有して残部が実質的にＦｅからなり、３０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下のロックウェル硬さを有する組成のものが好ましい。

更に、０．０００２％以上０．００２０％以下のＢと、０．０００５％以上０．０１００％以下のＣａと、０．０１％以上０．１５％以下のＳｅと、０．０１％以上０．１５％以下のＴｅと、０．００３％以上０．２０％以下のＺｒを含有するものがより好ましい。

本発明に係る鋳造方法によれば、上型として熱伝導率の高い金属材料を用いているため放熱の促進によりサイクルタイムを速くすることができ加えて冷却速度の促進により上型接触面のデンドライト組織の微細化が行える。また上型による冷却に伴う溶湯の収縮分を、キャビティ内に送り込む溶湯の補給を高め且つこの加圧状態を一定時間保持、即ち湯口温度が溶湯の凝固温度以下になるまで前記加圧状態を保持して、上型による冷却に伴う溶湯の収縮分を補充するようにしたので、鋳造品質の向上を同時に達成できる。
即ち、成形においては、溶湯の凝固冷却及び収縮の役割を熱伝導率の高い上型が促進し、熱伝導率がこれよりも低い下型に設けた湯口部が加圧充填機能を発揮し、順次冷却凝固される。つまり、指向性凝固によって鋳造品質が安定する。

特に熱伝導率の高い金属材料として、実用温度域（１５０℃〜５５０℃）での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で、低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用いたことで、指向性凝固を効果的になすことができる。即ち、熱伝導率が例えばＪＩＳ−ＳＫＤ６１相当の材料では熱伝導率が低すぎて指向性凝固が困難であり、逆に銅合金のように熱伝導率が高すぎると、アンダーカット部分に欠肉が生じやすいので、上記の範囲の熱伝導率が適当である。また実用温度域内において低温であるほど熱伝導率が高くなれば、熱が逃げやすく指向性凝固に好ましい。

特に、下型上に予め熱伝導率の低い砂中子をセットし、この熱伝導率の低い砂中子で下型の略前面を覆った場合でも、効率的な指向性凝固を行うことができる。

また、本発明によれば湯口部の昇温と冷却を短時間のうちに行うことができるので、サイクルタイムを短縮でき、更にキャビティ内の溶湯温度の均一化を図って製品の品質を高めることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る鋳造方法を実施する鋳造装置の全体図、図２は金型ユニットの型閉じ状態の拡大断面図であり、実施例ではシリンダヘッド鋳造用としている。

鋳造装置は下部に溶湯貯留部１を配置し、この溶湯貯留部１の蓋体２上に金型ユニット３を設けている。金型ユニット３は上型４、下型５及び左右のサイド型（スライド型）６から構成され、上型４は昇降プレート７にて昇降自在とされ、下型５上には砂中子８がセットされている。図示例では金型ユニット３を２組設けているが１組でもよい。

前記上型４は銅合金の熱伝導率とＪＩＳ−ＳＫＤ６１相当の熱伝導率との中間の熱伝導率の鉄系材料を用い、下型５及びサイド型６はＪＩＳ−ＳＫＤ６１相当の熱伝導率の材料を用いている。

図３は前記上型４を構成する材料と従来材料であるＪＩＳ−ＳＫＤ６１相当の材料とを熱伝導率で比較したグラフであり、このグラフから本発明で用いた材料の実用温度域（１５０℃〜５５０℃）での熱伝導率は３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で、低温であるほど熱伝導率が高くなることが分かる。

前記溶湯貯留部１の上部空間には外部からエアが供給され、このエア圧によって溶湯貯留部１内のアルミニウム溶湯は供給管９を介して下型４に形成した湯口部１０まで送られ、更に湯口部１０から上型４、下型５及び左右のサイド型を閉じた際に形成されるキャビティ１１内に供給される。

次に図１の右側部分のグラフと図４の主要ポイントにおける温度変化を示すグラフに基づいて鋳造方法を説明する。
先ず、溶湯貯留部１の上部空間にエアを送り込んで、キャビティ１０内をアルミニウム溶湯で充填する。ここで、図１においてＰ０〜Ｐ４はアルミニウム溶湯の湯面の位置を示し、Ｐ０はスタート位置、Ｐ１は湯口手前、Ｐ２は湯口、Ｐ３はキャビティ下面、Ｐ４はヘッド圧（最も高い圧）を示す。

本実施例にあっては、Ｐ０からＰ４の位置まで湯面が上昇する圧を溶湯貯留部１内の溶湯に加える。そして、この後一定時間Ｐ４の圧力を維持する。この間に、図４に示すように、上型４に接した溶湯は他の金型に接している溶湯よりも先に冷却され、この冷却によって溶湯は収縮する。しかしながら、Ｐ４の圧力を維持しているので、収縮した部分には下方から溶湯が補給され、引け巣や欠肉は生じない。

この後、Ｐ４からＰ０まで圧力を落としたならば、型を開いて製品を取り出し、エアブロー後に再度砂中子をセットし、型締めを行い、次のショットを行う。尚、Ｐ０からＰ４までの時間は例えば２７秒、Ｐ４の圧力維持時間は例えば１６０秒、型開きまでの降圧時間は例えば１５秒とする。

そして、Ｐ０から始まりＰ４の圧力維持時間が終了する間に、図４に示すように、キャビティ１１内では上型４に接している部分から湯口部１０に向かって指向性凝固が行われている。

図５は別実施例の金型ユニットの断面図であり、この実施例にあっては、ＩＮ側の湯口部１０を、実用温度域（１５０℃〜５５０℃）での熱伝導率は３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で、低温であるほど熱伝導率が高くなる材料で構成し、この湯口部１０の外周部を肉抜きしてエア通路とし、この通路に空冷装置（ブロア）１２からのエアを供給して急冷するようにしている。

湯口部の湯口カラー温度は、次の溶湯充填準備のため、所定の温度を確保する必要がある。
この実施例にあっては注湯の開始時には湯口部１０を冷却せず、キャビティ１１内への溶湯の供給を停止するタイミングに合わせて湯口部１０を強制冷却する。その結果、注湯の初期には湯廻り性が向上し、且つ鋳造品の払い出しを素早く行うことができる。

また、ＩＮ側の湯口部１０のみならずＥＸ側（出口側）の湯口部についても実用温度域（１５０℃〜５５０℃）での熱伝導率は３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で、低温であるほど熱伝導率が高くなる材料で構成してもよい。このようにすることで、図４の（1）及び（4）の凝固位置を図において更に左側に移行させてサイクルタイムを大幅に短縮することが可能になる。

また、鋳造金型の湯口直上の鋳抜き突起形状や入子及びピンなど蓄熱しやすい小さな金型を備えている場合には、これらの部材を、前記した熱伝導率に優れた材料で構成するようにしてもよい。

本願発明に係る鋳造方法は、アルミニウム合金の加圧鋳造方法に好適であるが、その他の鋳造方法にも適用できる。

本発明に係る鋳造方法を実施する鋳造装置の全体図金型ユニットの型閉じ状態の拡大断面図本発明に係る鋳造装置の上型を構成する材料と従来材料とを熱伝導率で比較したグラフ本願発明に係る鋳造装置の鋳造時における主要ポイントにおける温度変化を示すグラフ別実施例の金型ユニットの断面図

符号の説明

１…溶湯貯留部、２…蓋体、３…金型ユニット、４…上型、５…下型、６…サイド型（スライド型）、７…昇降プレート、８…砂中子、９…供給管、１０…湯口部、１１…キャビティ、１２…冷却装置。

Claims

上型及び下型にて画成されるキャビティ内、または上型、下型及びサイド型にて画成されるキャビティ内に湯口部を介して下方から溶湯を加圧充填して凝固せしめる鋳造方法において、前記上型を構成する材料のみを前記下型及びサイド型を構成する材料よりも熱伝導率が高く、且つ１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用い、湯口温度が溶湯の凝固温度以下になるまで前記加圧状態を保持して、上型による冷却に伴う溶湯の収縮分を補充することを特徴とする鋳造方法。
請求項１に記載の鋳造方法において、前記上型を構成する材料は、質量含有率で、０．１５％以上０．３５％以下のＣと、０．０５％以上０．２０％未満のＳｉと、０．０５％以上１．５０％以下のＭｎと、０．２０％以上２．５０％以下のＣｒと、０．５０％以上３．００％以下のＭｏと、０．０５％以上０．３０％以下のＶとを含有して残部が実質的にＦｅからなり、３０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下のロックウェル硬さを有することを特徴とする鋳造方法。
請求項１に記載の鋳造方法において、前記上型が溶湯を凝固冷却して収縮させる機能を担い、前記下型に形成した湯口部がキャビティ内への加圧充填する機能を担い、上型の製品形状部から湯口部へ向かって指向性凝固が行われることを特徴とする鋳造方法。
上型及び下型にて画成されるキャビティ内、または上型、下型及びサイド型にて画成されるキャビティ内に湯口部を介して下方から溶湯を加圧充填して凝固せしめる鋳造方法において、前記湯口部及び上型を構成する材料は前記下型及びサイド型を構成する材料よりも熱伝導率が高く、且つ１５０℃〜５５０℃の実用温度域での熱伝導率が３４〜４１Ｗ・（ｍ・Ｋ）^−１で更に低温であるほど熱伝導率が高くなる材料を用い、前記キャビティ内への溶湯の注湯加圧を停止すると同時に湯口部を強制冷却することを特徴とする鋳造方法。
請求項４に記載の鋳造方法において、前記湯口部及び上型を構成する材料は、質量含有率で、０．１５％以上０．３５％以下のＣと、０．０５％以上０．２０％未満のＳｉと、０．０５％以上１．５０％以下のＭｎと、０．２０％以上２．５０％以下のＣｒと、０．５０％以上３．００％以下のＭｏと、０．０５％以上０．３０％以下のＶとを含有して残部が実質的にＦｅからなり、３０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下のロックウェル硬さを有することを特徴とする鋳造方法。