JP5397897B2

JP5397897B2 - 鋳造装置

Info

Publication number: JP5397897B2
Application number: JP2009235837A
Authority: JP
Inventors: 邦明三浦; 信浅葉; 辰雄町田
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: JP2011083776A

Description

本発明は金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属を金型に充填した後、この金型内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置に関し、特に低圧鋳造法において、金型のキャビティに溶融金属を充填したとき、キャビティの中にある空気やガスが容易に排出され、湯廻り不良や鬆と呼ばれる空洞の無い鋳物を成型することが出来る鋳造装置に関する。

溶湯とキャビティとの間の圧力差を利用して、キャビティ内に溶湯を充填して鋳造する方法に、低圧鋳造法、差圧鋳造法及び減圧鋳造法等がある。このうち低圧鋳造法は、溶融金属を収納した密閉炉に不活性ガスや二酸化炭素等のガスによる比較的低い圧力を付加し、この圧力で密閉炉内の溶融金属をストークを介して上方に押し上げ、密閉炉の上位に配置された鋳型に溶融金属を充填し、鋳物を製造する方法である。この低圧鋳造法は、車輌の部材等に使用されるアルミニウム合金等の鋳物製品を製造するのに広く利用されている。

図７は従来の低圧鋳造装置を示す断面図である。気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの図示してない供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボ２の外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。

このような鋳造装置においては、不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８を介して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。

図８は密閉炉１に収納した溶融金属をストーク８’を通して湯溜め１２に送り、この湯溜め１２から金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８’から湯溜めに至る部分は溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ３で加熱される。その他の構成は基本的に図７の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図９は図７により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図７の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図１０は図８により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８‘の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８’の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８‘の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図８の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

このような低圧鋳造法は、ガスを巻き込まずにルツボ２や密閉炉１’内の酸化物の少ない溶融金属を静かに金型４のキャビティ１０内に下から上へと充填することにより、気泡や酸化物を含まない鋳物を容易に鋳造することが出来る利点がある。さらに前記のような温度勾配により、キャビティ１０内で上から下へと溶融金属の凝固が起こり、最後に湯口９の部分の溶融金属が凝固することにより、キャビティ１０内で溶融金属が凝固して収縮した容積分だけ湯口９から溶融金属を追加して充填される。これによりキャビティ１０内で溶融金属が凝固中に引け巣や引け緩みが起こらない。これらの理由から低圧鋳造法では重力鋳造法やダイカスト法等の他の鋳造法に比べて良質の鋳物を鋳造することが出来る。

この低圧鋳造装置においては、金型４のキャビティ１０内に溶融金属を充填したとき、湯廻り不良や鋳物の内部に、いわゆる鬆と呼ばれる空洞が生じないようにするため、鋳型４のキャビティ１０内の空気を溶融金属の充填と共に速やかに型外に排除されなければならない。また、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの軽合金の鋳造においては、金型４のキャビティ１０内に溶融金属を充填した後の溶融金属の冷却中にガスが発生しやすく、このガスをキャビティから排除する必要がある。そのため従来の鋳造装置では、図７〜図１０に示すように、例えば下金型５と上金型６との合わせ面に溝１４を設け、この溝１４からキャビティ１０内の空気やガスを排除する工夫がなされている。

ところが特に外形が入り組んだ鋳物を鋳造するに当たっては、金型４のキャビティ１０の鋳物の突出部に対応する凹部１１に空気やガスが溜まりやすく、排除しにくい。そこで、特開２００１−６２５５６号公報に記載されたように、金型４のキャビティ１０の凹部１１にガス抜き孔を設け、このガス抜き孔にプラグを挿嵌することが行われている。

しかしながら、溶融金属は高温下で空気と接触すると酸化されやすく、表面に酸化膜を生じやすい。このため、溶融金属のキャビティ内への充填を繰り返し、鋳造を繰り返すと、次第に酸化膜がガス抜き孔に詰まり、ガス抜き孔が塞がれてキャビティ内のガス抜きが出来なくなってしまう。また、金型のキャビティに溶融金属を充填したとき、溶融金属が凹部を越えてガス抜き孔に入り込み、脱型時に成型された鋳物のがキャビティの凹部とくっつき、金型から外れにくいというトラブルを生じる。

特開２００１−６２５５６号公報特開２０００−１６７６４４号公報特開２００８−８０３６７号公報特開平１１−２９０９９８号公報

本発明は前記従来の鋳造装置における課題に鑑み、溶融金属のキャビティ内への充填と脱型による鋳造を行っても、金属やその酸化物等のカスがガス抜き孔に詰まることなく、ガス抜き孔の閉塞を防止し、常にキャビティ内のガス抜きが円滑に行われると共に、脱型時の鋳物の金型からの取り外しが容易な鋳造装置を提供することを目的とする。

本発明では前記の目的を達成するため、金型４のキャビティ１０の凹部１１にガス抜き孔１５を設け、このガス抜き孔１５に通気性を有し、且つ溶融金属(湯)と濡れにくい材質の充填材１２を嵌め込むと共に、このガス抜き孔１５の排気口の外側に、金型４の脱型に連動してガス抜き孔１５に向けて圧搾ガスを噴射するガス噴射ノズル１３を設けた。

すなわち、本発明による鋳造装置は、金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属を金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型するものであって、金型４のキャビティ１０の凹部１１にガス抜き孔１５を設け、このガス抜き孔１５に通気性を有し、且つ溶融金属(湯)と濡れにくい材質の充填材１２を嵌め込むと共に、このガス抜き孔１５の排気口の外側に、金型４の脱型に連動して同ガス抜き孔１５に向けて圧搾ガスを噴射するガス噴射ノズル１３を設けたものである。

このような本発明による鋳造装置では、金型４の湯口９からキャビティ１０の中に溶融金属を充填したとき、キャビティ内に存在する空気やその他のガス或いは溶融金属に含まれるガスが溶融金属に押されてキャビティ１０の凹部１１に設けたガス抜き孔１５からキャビティ１０の外に排出される。このため、湯廻り不良や成型された鋳物に鬆と呼ばれる空洞が生じにくい。

キャビティ１０の凹部１１には通気性が有り、溶融金属(湯)と濡れにくい充填材１２が嵌め込まれているため、前記の溶融金属の充填のとき、溶融金属がガス抜き孔１５の中に入り込まない。そのため、脱型のときに成型された鋳物が金型４から抜けにくくならず、容易に鋳物を金型から取り出すことが出来る。さらに、このガス抜き孔１５の排気口の外側に、金型４の脱型に連動して同ガス抜き孔１５に向けて圧搾ガスを噴射するガス噴射ノズル１３が設けられているので、充填材１２に付着した溶融金属やその酸化物のカスが吹き飛ばされ、充填材１２に残らない。よって、常に充填材１２を清浄に保ち、その通気性を確保することが出来る。

充填材１２は溶融金属が付着しにくいものがよく、従って溶融金属に対して毛細管現象が起こりにくく、濡れ性の悪い窒化ホウ素や黒鉛や石膏等からなるものがよい。これらの材料で作られた充填材１２は、ガス噴射ノズル１３からガス抜き孔１５を通して圧搾ガスを噴射することにより、固まった金属やその酸化物等のカスを容易に逆洗することが出来る。さらに、充填材１２の通孔の径を０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍとすることにより、金属やその酸化物等のカスが充填材１２の通孔に詰まらず、なお且つ通気性の確保によりガスの円滑な排出が可能となる。湯と濡れにくい材料で通気孔を作る場合、溶融金属（湯）の表面張力によって、侵入しない穴径Ｄが求められる。アルミ溶湯の表面張力０．９Ｎ／ｍ（９００ｄｙｎｅ／ｃｍ）、大気との差圧０．０１ＭＰａ（約０．１Ｋｇ／ｃｍ^２）とすると、耐える円弧の溶融金属表面形状の曲率半径Ｒは、０．０１×１０^６Ｎ／ｍ^２＝０．９Ｎ／ｍ／Ｒ（Ｒ：曲率半径ｍ）となり、Ｒ＝９×１０−^５ｍ、直径Ｄ＝２ＲなのでＤ＝１．８×１０−^４ｍ＝０．１８ｍｍしかし、実験によればアルミ表面の酸化膜と表面の薄い凝固層によっては、約３倍の０．６ｍ程度まで耐える。湯の表面もすぐに固まるので穴に湯が差し込む事はない。

以上説明した通り、本発明では、溶融金属の金型４のキャビティ１０内への充填と脱型による鋳造を行っても、酸化膜がガス抜き孔１５に詰まることない。これによりガス抜き孔１５の閉塞を防止し、常にキャビティ内のガス抜きが円滑に行われるので、湯廻り不良や鬆と呼ばれる空洞の無い鋳物を成型することが出来る。加えて、ガス抜き孔１５に嵌め込んだ充填材１２により、溶融金属がガス抜き孔１５の中に入り込まず、脱型時の鋳物の取り出しも容易である。しかも、ガス噴射ノズル１３による脱型時の圧搾ガスの噴射により充填材１２に付着した金属やその酸化物等のカスが除かれるため、常に充填材１２の通気性を確保することが出来、能率よく鋳造を繰り返すことが出来る。

本発明による鋳造装置の一実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。本発明による鋳造装置の前記実施例を示す部分拡大断面図と制御系統図である。本発明による鋳造装置に使用する充填材の各例を示す斜視図である。鋳造装置の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。

本発明ではその目的を達成するため、溶融金属のキャビティ内への充填と脱型による鋳造を行っても、金属屑やその酸化物等のカスがキャビティのガス抜き孔に詰まることないよう、ガス抜き孔に通気性があって、溶融金属(湯)に濡れにくい充填材を嵌め込み、しかもこれを圧搾ガスの吹き付けにより常に清浄にし、キャビティ内のガス抜きが円滑に行われるようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は本発明による低圧鋳造装置の一実施例を示す断面図である。この低圧鋳造装置の構成は基本的に図７により前述した従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボの外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。

このような鋳造装置において、金型４のキャビティ１０の壁面の凹んだ部分、つまり凹部１１の奥部に金型４の外面に通じるガス抜き孔１５を設ける。さらにこのガス抜き孔１５には通気性を有し、且つ溶融金属(湯)に濡れにくい充填材１２を嵌め込む。この充填材１２のキャビティ１０側の面はキャビティ１０の壁面、つまり鋳物が成型される凹部１１の成型面と面一とする。この充填材１２の構成については後に詳述する。

さらに前記金型４の外側には、前記ガス抜き孔１５に向けてガス噴射ノズル１３を配置する。このガス噴射ノズル１３には後述するガス供給源から圧搾ガスを送り、前記ガス抜き孔１５に向けて圧搾ガスを噴射し、これをガス抜き孔１５の中の充填材１２に噴射する。このガス噴射ノズル１３は後述する通り、金型４の脱型動作に連動して圧搾ガスを噴射する。

この鋳造装置で鋳物を鋳造する場合は不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８と溶融金属流路１９とを通して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。この鋳物を取り出すための脱型のとき、或いはその後に前記ガス噴射ノズル１３から圧搾ガスを噴射する。

図２は密閉炉１’に収納した溶融金属を密閉炉１’からその外部に引き出したストーク８を通して金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１’の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１’の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８は密閉炉１’から金型４のキャビティ１０の湯口９に至るまで連続して設けられている。このストーク８には溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ９で加熱される。
その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図３は図１により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、これを金型４のキャビティ１０内に充填する。
その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。

図４は図２により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、ストーク８の途中に設けた溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわち密閉炉１’のストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。

その他の構成は基本的に図２の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
なお、図３と図４に示した方式は、本来ガス圧によらない充填方式なので、炉は密閉炉でなくてもよい。ただその場合も、湯の酸化防止の為不活性ガスを流すことがある。

図５は、前述した実施例図１〜図４における金型４のキャビティ１０の凹部１１とそのガス抜き孔１５の部分を示す拡大断面図である。
前述したように、キャビティ１０の窪みとなる凹部１１の奥にガス抜き孔１５が貫通し、このガス抜き孔１５を介して金型４のキャビティ１０がその外側に通じている。このガス抜き孔１５には、通気性を有し、且つ溶融金属(湯)に濡れにくい充填材１２が嵌め込まれている。この充填材１２のキャビティ１０側の面はキャビティ１０の凹部１１と面一となっている。

金型４の外側には、そのガス抜き孔１５に向けてガス噴射ノズル１３が設けられている。金型４の脱型に連動してこのガス噴射ノズル１３からガス抜き孔１５の中に向けて圧搾ガスが噴射される。具体的には、制御器１７によって油圧ポンプ等のアクチュエータ１８が作動され、金型４が脱型され、金型４のキャビティ１０から成型された鋳物が取り出される時、連動して圧搾ガスポンプ１６やそれに関連するバルブ類が作動し、ガス噴射ノズル１３からガス抜き孔１５の中に向けて圧搾ガスが噴射される。これにより、充填材１２の特にキャビティ１０側に付着した金属やその酸化物等のカスがキャビティ１０内に吹き飛ばされ、クリーンアップされる。吹き飛ばされたカスは金型４の清掃時に除去される。このガス噴射ノズル１３からの圧搾ガスが噴射は、脱型の際の金型４からの鋳物の取り出しの際の鋳物の押し出し動作としても利用することが出来る。

充填材１２は、キャビティ１０の凹部１１からガス抜き孔１５を通してガスをキャビティ１２の外に排出するという使用目的から、ガス抜き孔１５の長手方向に連続する多数の通孔を有することが必要である。例えば図６（Ａ）に示すように、四角形の通孔が長手方向に連続して形成されているもの、図６（Ｂ）に示すように、円形の通孔が長手方向に連続して形成されているもの、或いは図６（Ｃ）に示すように、長手方向に不規則な連続通孔を有する発泡体等を挙げることが出来る。

また、凹部１１からガス抜き孔１５を通してガスをキャビティ１２の外に排出することが出来、しかも溶融金属が通孔に入り込まないという観点から、前記充填材１２の通孔の径は、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍがよい。これにより、金属やその酸化物等のカスが充填材１２の通孔に詰まらず、なお且つ通気性の確保によりガスの円滑な排出が可能となる。

この充填材１２の材質としては、成型材料となる溶融金属に対して濡れ性が悪いものがよい。例えば溶融金属が溶融アルミニウムの場合、窒化ホウ素や黒鉛や石膏等からなる充填材１２を使用するのが好ましい。これにより、溶融金属が充填材１２に付着しにくく、前述のガス噴射ノズル１３による清掃時に付着した金属やその酸化物等のカスを容易に除去することが出来る。

本発明は、金型４のキャビティ１０の凹部１１への溶融金属の回り込みがよく、しかも溶融金属が空気抜き孔１５に入り込まないので、歩留まり良く鋳造品を鋳造し、容易に脱型することが出来る。さらに空気抜き孔１５やそれに嵌め込んだ充填材１２の清掃も容易である。よって効率的な鋳造工程に適用することが出来る。

４金型
１０金型のキャビティ
１１キャビティの凹部
１２充填材
１３ガス噴射ノズル
１５空気抜き孔

Claims

金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属を金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置において、金型４のキャビティ１０の凹部１１にガス抜き孔１５を設け、このガス抜き孔１５に通気性を有する充填材１２を嵌め込むと共に、このガス抜き孔１５の排気口の外側に、金型４の脱型に連動して同ガス抜き孔１５に向けて圧搾ガスを噴射するガス噴射ノズル１３を設けたことを特徴とする鋳造装置。
充填材１２が窒化ホウ素または黒鉛または石膏からなることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
充填材１２の通孔の径が０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造装置。