JP5642256B1 - アルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機及びアルミニウム合金を金属材料に用いたホットチャンバー鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳造速度が速く、アルミニウム合金の溶湯を用いても内部機構の溶損という問題が生じないアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機を提供する。【解決手段】 溶解炉１１０内にセラミック製の溶湯射出主筒部１２０を設ける。溶湯射出主筒部１２０内には射出路１３０よりも低い位置に弁体１５０が設けられ、加圧部１６０により溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して所定圧力のガス圧の印加および除去を制御される。加圧部１６０がガス圧を印加すると弁体１５０が閉鎖される方向に働き、溶湯射出主筒部１２０の内部の溶湯が射出路１３０から金型２００へダイカストされる。加圧部１６０がガス圧を除去すると弁体１５０が開放される方向に働き、次回のダイカストに必要量の溶湯が内部空間１２３に供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、ダイカスト用のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機およびそれを用いたダイカスト方法に関するものである。特に、本発明にかかるアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機は、従来のホットチャンバー鋳造機の持つ問題点を回避し、従来のホットチャンバー鋳造機では不向きとされ、コールドチャンバー鋳造機が用いられていた鋳造分野についても利用可能なホットチャンバー鋳造機である。

製品や部品を造形する方法として、溶けた金属を金型に流し込み必要な形状を得る方法を鋳造といい、この製造方法で製作される製品は『鋳物』と呼ばれる。
鋳造のうち、ダイカストは金型（Die）に対して、溶けた金属（溶湯）をピストンにより所定圧力で圧入射出（Cast）する製造方法である。
ダイカスト鋳造機は、大別するとホットチャンバー鋳造機とコールドチャンバー鋳造機に分類される。ホットチャンバー鋳造機、コールドチャンバー鋳造機とも、ダイカスト用の金属材料を溶融し、溶湯状態の金属材料を成形金型に射出して鋳造する。

まず、従来のホットチャンバー鋳造機を説明する。
ホットチャンバー鋳造機は、溶解炉と鋳造機が一体になっており、ピストン−シリンダ射出部および導入管が溶解炉の溶湯中にあり、一緒に加熱されているところからホットチャンバー鋳造機と呼ばれる。溶解炉の溶湯中に沈んでいるピストン−シリンダ射出部から溶湯が押し出され、導入管を通り、金型に到達して鋳造される。

図６は、従来のホットチャンバー鋳造機の基本構成を示す図である。
図６に示すように、ホットチャンバー鋳造機１０は、溶解炉１１に対してピストン−シリンダ射出部１２が収められており、内部は溶湯で満たされている。ピストン１３はピストン駆動機構（図示せず）に接続され駆動される。ピストン−シリンダ射出部１２の側面には溶湯吸入口１４が設けられており、また、ピストン−シリンダ射出部１２の端部から射出路１５が導かれている。射出路１５の先端近くにはノズル１６を介して溶解炉１１の外に金型１７が設置されている。なお、射出路１５のノズル１６の先端の高さは、溶解炉１１内の溶湯面の高さより高い位置に設けられている。

図６に示した従来のホットチャンバー鋳造機１０の鋳造工程は、次の手順で行われる。ピストン−シリンダ射出部１２のピストン１３の押圧により、ピストン−シリンダ射出部１２内の溶湯が押し出される。ピストンの押圧は、１０ＭＰから３０ＭＰの圧力が通例である。例えば、圧力は図示しない油圧機やリニアモーターでピストンに印加することで発生させる。ピストンの押圧により溶湯がシリンダ内から射出路１５に注入され、ノズル１６を介して金型１７に射出される構造となっている。金型１７が分離して内部の成形済みの製品が取り出される。ピストン１３の上昇に伴い、ノズル１６、射出路１５から空気が逆流を開始する場合もあるが、ピストン１３の先端が溶湯吸入口１４より上部に達すると、今度は溶解炉１１中の溶湯が溶湯吸入口１４からピストン−シリンダ射出部１２に溶湯が流れ込む。なお、溶解炉１１の溶湯面の高さよりノズル１６の先端の高さの方が高いため溶湯吸入口１４から流れ込んだ溶湯はノズル１６から溢れることはなく、ピストン１３の押圧面の高さまで溶湯が満たされる。

溶湯注入部分が溶解炉内部にある鋳造機として、上記基本構成とは異なる構成のものがある。例えば、特開２００４−１２２１３４号公報に開示されたものがある。
図６に記載したホットチャンバー鋳造機１０の特徴としては、溶湯のピストン−シリンダ射出部１２への給湯工程が溶解炉１１中でのピストン−シリンダ射出部１２のピストン運動に伴って自動的に行えるので、コールドチャンバー鋳造機に比べて鋳造サイクルが早いという点がある。

また、図６に示したホットチャンバー鋳造機では、ダイカストの経路となる射出部１２が溶湯中にあるため、外部からの空気の巻き込みがないという点がある。空気が入り込むとダイカスト製品中に鬆（す）が入り製品に不具合が生じるが、ホットチャンバー鋳造機１０であれば空気がピストン−シリンダ射出部１２内に入ることがないため、ダイカスト製品中に鬆が入いるという不具合が生じることが少ない。
さらに、コールドチャンバー鋳造機に比べて、射出圧力が低くて良いので金型１７への過渡な負荷がかからないという点もある。

次に、従来技術におけるコールドチャンバー鋳造機を説明する。コールドチャンバー鋳造機は、溶解炉と鋳造機が別々になっており、溶湯を溶解炉から１ショット分の溶湯を汲み出して溶解炉の外にある鋳造機に入れ、溶解炉の外で鋳造を行うものである。鋳造機が溶解炉中になく外に設けられ、加熱されていないところからコールドチャンバー鋳造機と呼ばれている。

図７は、従来のコールドチャンバー鋳造機２０の基本構成を示す図である。
図７に示すように、コールドチャンバー鋳造機２０は、溶解炉２１の外にスリーブ２２とプランジャー２３からなる押し出し成形機２４が設けられており、プランジャー２３には押圧装置２７が接続されて稼働する構造となっている。スリーブ２２の先端には金型２５が設置されている。また溶解炉２１から溶湯を汲み出すラドル２６がある。

図７に示した従来のコールドチャンバー鋳造機２０の鋳造工程は、次の手順で行われる。図７（ａ）に示すように、ラドル２６で溶解炉２１中の溶湯を汲み出し、１ショット分の溶湯をスリーブ２２に注ぎ込む。次に、図７（ｂ）に示すように、所定量の溶湯をスリーブ２２に注ぎ込まれた後、プランジャー２３で圧入して金型２５に押し込まれて成形される。プランジャー２３の押圧は６０ＭＰから１００ＭＰの圧力が通例である。例えば、圧力は図示しない油圧機やリニアモーターでプランジャー２３に印加することで発生させる。

ここで、コールドチャンバー鋳造機２０の特徴としては、融点の高い金属素材を用いたダイカストに対応できるという点がある。アルミニウム合金や銅合金など融点が高い金属素材を用いる場合でも、図７に示したコールドチャンバー鋳造機２０は、溶解炉２１と鋳造機である押し出し成形機２４が別々になっているため、押し出し成形機２４が溶解炉２１の高温にさらされる必要はなく、それら部品が溶損するおそれがない。それゆえ融点の高い金属素材やアルミニウム合金溶湯のように鋳造機の部品を溶損させる材料を用いたダイカストが可能である。

また、コールドチャンバー鋳造機２０の他の特徴としては、大型の金型を用いた大物製品の成形に対応しやすいという点がある。大物の成形を行うということは鋳造機自体が大きくなるが、ホットチャンバー方式のように溶解炉中に鋳造機構が収められている機構であれば、溶解炉がかなり大きなものとなってしまう。この点、コールドチャンバーダイカストであれば溶解炉と鋳造機が別々になっているため溶解炉の大きさを抑えることが可能となる。

特開２００４−１２２１３４号公報

従来のコールドチャンバー鋳造機２０にはデメリットがある。
まず、従来のコールドチャンバー鋳造機２０では鋳造速度が比較的遅いという問題がある。従来のコールドチャンバー鋳造機２０では溶解炉２１からラドル２６で汲み出してスリーブ２２に注入する作業が必要である。また、後述する空気を確実に抜くためプランジャー２３の押し込みを慎重にゆっくりと行う必要がある。そのため鋳造時間が長くなってしまう問題が発生する。

次に、従来のコールドチャンバー鋳造機２０では、ダイカスト製品中に空気が混入して鬆（す）が入る不具合が発生するおそれがある。従来のコールドチャンバー鋳造機２０は押し出し成形機２４が空気中に設置されているため、どうしてもスリーブ２２中に空気が混入しやすく、注入した溶湯中に空気が混在しやすい。溶湯に空気が混入していると金型２５内にダイカストした結果、鋳造製品において空気溜ができ鬆が入る結果となってしまう。そのため真空鋳造法やＰＦ法（ポアフリー法）等、製品の鬆（す）に対する対策が立てられているが、そのいずれもが煩雑である。

次に、従来のコールドチャンバー鋳造機２０では、成形された鋳造製品の内部に金属の断裂が生じるおそれがある。従来のコールドチャンバー鋳造機２０では、押し出し成形機２４が空気中に設置されているため、放熱・冷却されやすく、プランジャー２３で押し出した後にスリーブ２２内に残ったアルミニウム合金残渣が冷えてスリーブ壁面や角部に小さな塊片が形成されることがあるが、次のダイカストにおいて注湯された溶湯と完全に一体化する前にプランジャー２３で押し出されて金型にダイカストされることが有り得る。そのため小さな塊片が混入した状態で鋳造製品が製作されてしまう問題がある。また、通常、スリーブ２２の温度はアルミニウム合金の融点より低いため、ラドル２６でアルミニウム合金溶湯をスリーブ２２に給湯した際にアルミニウム合金溶湯が一部凝固してしまい、溶湯に固形分が混入した状態で金型へ送られて、製品中にその固形分が点在した状態で成形が行われる。これを通常破断チル層と呼び、製品強度を不安定にする。
上記したようにコールドチャンバー鋳造機にはデメリットがあり、特に、その鋳造速度が早いことと鋳造圧力が低いことに注目すればホットチャンバー鋳造機の方が優れた方式と言える。

しかし従来のホットチャンバー鋳造機１０には大きなデメリットがある。
それは、従来のホットチャンバー鋳造機１０ではアルミニウム合金を用いることができないという問題である。もし、アルミニウム合金を溶解炉で溶解すれば溶解炉１１、ピストン−シリンダ射出部１２、ノズル１６等が鉄系合金で出来ているため、アルミニウム合金による溶損を受け、アルミニウム合金中に溶け出し本来の機能が失われる。鉄系合金に限らず、ほとんどの金属はアルミニウム合金に侵食を受け、窒化、溶射等で保護しても満足できる結果は得られない。
そこで、ホットチャンバー鋳造機に改良を加え、アルミニウム合金を用いても鋳造できる実用に耐えるホットチャンバー鋳造機が求められている。

ここで、図６の基本構造とは異なる改良型の砂型低圧鋳造機が知られている。ピストン方式のピストン−シリンダ射出部１２に代えてガス圧を用いて溶湯を押し出す方式となっている。また、溶解炉中にはストークの筒体を立てるのみで射出路となる部分の大半を溶解炉の上に設ける構造である。

図８は、特開２００４−１２２１３４号公報に開示された砂型低圧鋳造機である。なお、図中の付番は特開２００４−１２２１３４号公報の図中に使われている付番をそのまま使用しており、本明細書中の他の付番とは関係ないものとなっている。

図８に示すように、この製造装置は、炉本体１の内部に、軽金属溶湯２を貯留する溶解炉３が設けられている。炉本体１には、溶解炉３を加熱するガスバーナなどの加熱装置８が設けられている。この炉本体１の上方には砂型１１を載置する型置台１２が配設されている。溶解炉３は、蓋部材４により上部を密閉されており、蓋部材４には溶解炉３の内部に加圧ガス５を低圧で供給する加圧ガス供給口６が形成されている。この加圧ガス供給口６には加圧ガス供給手段７が接続されている。溶湯中にはストーク２１が立てられており、さらに上方の溶湯溜まり２９を介してストーク３３が立てられており、砂型１１に接続されている。溶湯面センサ３４が設けられている。

鋳造工程としては、まず、ストーク２１内の酸化防止ガスまたは燃焼防止用ガス２８を砂型１１内のキャビティ１６内の空気を酸化防止ガスまたは燃焼防止用ガス２８で置換する。次に、溶解炉３に貯留された軽金属溶湯２の湯面に加圧ガス５によって低圧で圧力をかけ、溶湯に立てられたストーク２１を介して、溶湯溜まりとなるチャンバー２９、さらにストーク３３を通じて、砂型１１のキャビティ１６へ軽金属溶湯２を押上げる。キャビティ１６内に軽金属溶湯２が充填されたら、そのままの状態でキャビティ１６内の軽金属溶湯２を凝固させる。
このように、加圧ガス供給手段７による加圧ガス５を用いて溶解炉３中の溶湯を押し上げて鋳型に押し入れるものとなっており、ピストンのような機構系を用いないものとなっている。

しかし、図８に記載した砂型低圧鋳造機にも解決すべき問題がある。
まず、図８に記載した砂型低圧鋳造機では、アルミニウム合金の金属材料を扱うにはまだ不十分である。射出経路の部品の大部分は溶解炉中にはないため放熱しやすい構造となっているが、溶湯は高温であり、ストーク２１、溶湯溜まり２９、ストーク３３などの金属部品が高温のアルミニウム合金にさらされる点には変わりがなく、やはり溶損する問題が発生してしまう。

次に、図８に記載した砂型低圧鋳造機では、鋳造速度の点で問題がある。図８に示す構造では、砂型低圧鋳造法において、大きな溶解炉の溶湯の液面全体に圧力を加えて溶湯を持ち上げて溶解炉中の溶湯溜まり２９に保持しておく必要があるため、圧力制御が難しく、慎重に圧力をかけて溶湯の液面高さを調整する必要があるため、鋳造サイクルは図６の基本形に比べて遅くなる問題がある。そのため溶湯面センサ３４により溶湯面の上昇位置をセンサしながら行うものであり、慎重に行われる。また、砂型１１に溶湯を満たす際、大きな溶解炉の溶湯の液面全体に圧力を加えて溶湯を砂型１１内に注入するため、やはり、溶解炉の溶湯の液面全体に加える圧力制御が難しい。そこで、加圧は慎重に行う必要がある。本来、ホットチャンバー鋳造機では、ピストンサイクルに応じてワンショットで打ち込むようにダイカストできるので、鋳造速度の点で問題がある。

そこで、上記問題に鑑み、本発明は、ホットチャンバー鋳造機を改良することにより、鋳造速度が速く、アルミニウム合金の溶湯を用いても溶損という問題が生じないアルミニウム合金用のホットチャンバー鋳造機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機は、溶湯を入れる溶解炉と、前記溶解炉内に立設したセラミックにより形成された溶湯射出主筒部と、前記溶湯射出主筒部の側面に設けられた射出路と、前記射出路の先端に設けられ、金型へ溶湯をダイカストするノズルと、前記溶湯射出主筒部において、前記射出路よりも低い位置に設けられ、前記溶解炉内と前記溶湯射出主筒部の内部空間との導通を開閉する弁体と、前記溶解炉の上部に配設され、前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して所定圧力のガス圧の印加および除去を制御するガス加圧部を備え、前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を印加すると前記弁体が閉鎖される方向に働き、前記溶湯射出主筒部の内部の溶湯が前記射出路から前記金型へダイカストされ、前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を除去すると前記弁体が開放される方向に働き、前記溶解炉内から次回のダイカストに必要量の溶湯が前記溶湯射出主筒部の内部に供給されるアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機において、前記溶解炉の下部に設けた固定部を介して前記溶湯射出主筒部の下方壁面を前記溶解炉に対して固定する構造と、前記溶湯射出主筒部の上端にフランジを設け、前記溶解炉の上部に設けた上部取り付け凹部を介して前記溶湯射出主筒部上端のフランジを前記溶解炉に対して固定する構造と、前記溶解炉の上部に配設したガス加圧部を前記溶湯射出主筒部の上端の前記フランジに当接させつつガス圧を前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して下方に印加する構造とを設けたアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機である。

上記構成により、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機において、溶解炉中に設けられた部材はセラミック製の溶湯射出主筒部であるので、アルミニウム合金に対して溶損することはない。また、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機では、加圧部により印加されるガス圧は溶湯射出主筒部という小さな湯面を押圧するのみで良く、かつ溶湯を押し込むだけで良いので、圧力制御が簡単であり、ダイカスト速度を速くすることができる。
また、従来のピストン−シリンダ方式ではピストン及びシリンダの壁面には高い加工精度が求められその製作にコストがかかる上、稼動後のメンテナンスにおいても壁面の歪みや減損などの対策が必要となるが、本発明ではガス圧を利用することによりシリンダ内に圧力を掛けるため、シリンダ内の壁面の歪みや誤差などは問題とならず、シリンダの製作コストが低減できる上、稼動後のメンテナンスも簡単に済むというメリットが得られる。

次に、上記構成において、セラミック製である溶湯射出主筒部の外壁側面に当接する壁面構造を溶解炉内に設け、溶湯射出主筒部が溶解炉内において水平方向に固定されるようにし、溶湯射出主筒部の上端面にフランジを設け、フランジと溶湯射出主筒部の底壁面とを固定することにより、溶湯射出主筒部が溶解炉内において上下方向に固定することが好ましい。

ここで、弁体がボール弁であり、ボール弁が導通孔に導かれやすいように溶湯射出主筒部の下部内面がすり鉢状になっており、すり鉢状の壁面の最下部にボール弁の径よりも小さな導通孔が開いて溶解炉内に導通した構造とすることが好ましい。
ボール弁であれば上方からの圧力で確実に閉鎖することができ、上方からの圧力が負圧になれば、確実に開放することができる。ボール弁が導通孔に設置されておれば、溶解炉内の溶湯の出し入れが制御できる。また、溶湯の供給時も前回のダイカストで消費された溶湯に見合う量の溶湯を次のダイカスト用に供給することができる。

なお、溶湯射出主筒部の内部空間に、加圧部からガス圧印加により突入するガス流速を減速するガス減速部を設けておくことが好ましい。ガス流が勢いよく溶湯射出主筒部の中に打ち出されると内部の溶湯表面に飛沫が生じたり波立ったりするため、その突入するガス流を減速する。ガス減速部としては、例えば、ガス導入パイプに対向する位置に設けた板材、ラビリンス、ダンパーなどがある。

さらに、ガス圧印加時に溶湯射出主筒内部の溶湯面の波立ちや溶湯の飛散を防ぐため、アルミニウム合金溶湯が空気と触れてできる固体状の酸化物やアルミニウム合金溶湯より比重が小さく、さらにアルミニウム合金溶湯から溶損を受けないポーラスな酸化アルミニウム等で出来た蓋状の物体を溶湯射出主筒内部の溶湯面に浮かせることが好ましい。

加圧部の構成としては、ガスタンクと電磁弁とガス導入パイプを備えたものとすることが好ましい。電磁弁であれば開閉動作が素早く、電磁弁の開閉動作により印加するガス量を正確に制御することができる。

本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機は、溶解炉中に設けられた部材はセラミック製の溶湯射出主筒部、ノズル、ボール弁であり、溶解炉内部のアルミニウム合金に触れる部分はセラミック塗料でコーティングされているので、アルミニウム合金に対して溶損することはないため、アルミニウム合金を金属材料として使用できる。
また、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機は、加圧部により印加されるガス圧は溶湯射出主筒部という小さな湯面を押圧するのみで良く、かつ下方向に押し込むだけで良いので、圧力制御が簡単であり、ダイカスト速度を速くすることができる。
また、従来のピストン−シリンダ方式ではピストン及びシリンダの壁面には高い加工精度が求められその製作にコストがかかる上、稼動後のメンテナンスにおいても壁面の歪みや減損などの対策が必要となるが、本発明ではガス圧を利用することによりシリンダ内に圧力を掛けるため、シリンダ内の壁面の歪みや誤差などは問題とならず、シリンダの製作コストが低減できる上、稼動後のメンテナンスも簡単に済むというメリットが得られる。

以下、図面を参照しつつ、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機の実施形態を説明する。ただし、本発明の技術的範囲は以下の実施形態に示した具体的な用途や形状・寸法などには限定されない。

図１は本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の構成例を簡単に示す図である。
図１では内部の構造が分かりやすいように、各部材を縦断面において示している。図１では部材の特徴が分かるように簡単に図示しており、本発明を理解する上で必要な部材のみを図示しており、他の一部の部材については図示していない場合もある。

図１の構成例では、アルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００は、溶解炉１１０、溶湯射出主筒部１２０、射出路１３０、ノズル１４０、弁体１５０、ガス加圧部１６０を備えている。また、金型２００が併せて示されている。

溶解炉１１０は、加熱装置１１１と、金属材料を溶融した溶湯を貯留するルツボ１１２が設けられている。このルツボ１１２の上面には蓋材１１３が設けられ、その一部には開口部１１６があり、この開口部１１６から鋳造により消耗したアルミニウム合金材料の供給を行うようになっている。蓋材１１３には、溶湯射出主筒部１２０の上部が収まる上部取り付け凹部１１７が設けられている。ここで、溶湯は、アルミニウム合金を溶解した溶湯である。
また、図１の構成例では、溶解炉１１０のルツボ１１２には、溶湯射出主筒部１２０を内部において立設状態で固定するための固定部１１４が設けられており、固定部１１４を取り付けるための下部取り付け凹部１１８が設けられている。
また、射出路１３０を金型へ導出するためのノズル１４０が設けられている。

固定部１１４は、溶湯射出主筒部１２０をルツボ１１２内部で安定して固定するための部材で、溶湯射出主筒部１２０の外壁面や部材に当接する形で固定する。図１の構成例では、溶湯射出主筒部１２０の上端にはフランジ１２２が設けられており、溶湯射出主筒部１２０の上部側は、フランジ１２２が上部取り付け凹部１１７に嵌りこみ、さらにガス加圧部１６０が上から当接しているために、溶湯射出主筒部１２０のフランジ１２２の側面、上面を取り囲むように固定されている。これで溶湯射出主筒部１２０の上部付近における上方向の移動、水平方向への移動を制限することができる。また、溶湯射出主筒部１２０の下部には下方壁面１２６が立設されており、下部取り付け凹部１１８に嵌合する固定部１１４が溶湯射出主筒部１２０の下方壁面１２６に対して外方から当接する部材となっている。これで溶湯射出主筒部１２０の下部付近における下方向の移動、水平方向への移動を制限することができる。このように固定部１１４によって溶湯射出主筒部１２０はその上部、その下部とも上下方向の移動、水平方向への移動が制限されるため、安定して固定されることとなる。

溶湯射出主筒部１２０は、溶解炉１１０のルツボ１１２内に立設したセラミック製の筒体である。セラミック製として耐熱性に優れたものを製作し、アルミニウム合金の溶湯であっても溶損・破損しないものを選択することが好ましい。
溶湯射出主筒部１２０の形状は限定されないが、ここでは、図１に図示したようなものとする。図１の構成例では、円筒形をした主筒部分１２１に対して上端にフランジ１２２が張り出している。主筒部分１２１の内部空間が１２３である。主筒部分１２１の底面にはすり鉢状に成形された底面部１２４があり、その最下方には導通孔１２５が設けられている。この導通孔１２５には開閉を制御する弁体１５０が取り付けられている。

主筒部分１２１の底面近くには主筒部分１２１の外壁面を下方に延設した下方壁面１２６が立設されており、主筒部分１２１の底面下にある底部空間１２７を取り囲んでいるが、下方壁面１２６には少なくともその一部には溶湯を底部空間１２７に導き入れるための開口１２８が設けられている。この開口１２８を介して溶湯は底部空間１２７に導通している。このように弁体１５０の開閉動作を介して、内部空間１２３と底部空間１２７の導通／遮断が制御される。

また、図１の構成例では、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の上方付近に、ガス減速部１２９が設けられている。このガス減速部１２９は、後述する加圧部１６０のガス圧の印加によりガス導入パイプ１６４から突入するガス流速を減速する部材である。ガス流に当たることでガス流速を弱める構造であり、単なる板状体や、ダンパー、内部で導通管の通り道がつづら状に折れ曲がったラビリンス管など部材の構造は特に限定されない。このようなガス減速部１２９が設けられることにより、ガス流が勢いよく溶湯射出主筒部１２０の中に打ち出されて溶湯表面に突入することによる飛沫の発生や波立ち、溶湯射出主筒部１２０の損傷などを抑制することができる。

射出路１３０は、溶湯射出主筒部の側面に設けられた経路であり、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３と導通しており、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３が加圧部１６０のガス印加により押圧された溶湯がこの射出路１３０を通過して金型２００へダイカストされる。

ノズル１４０は、射出路１３０の先端付近に設けられた部材であり、金型２００へ接続される。溶湯はノズル１４０から金型２００内へダイカストされる。ノズル１４０は射出路導出部１１５を介してルツボ１１２の外部へ導かれ金型２００へ接続されている。

弁体１５０は、溶湯射出主筒部１２０において、射出路１３０よりも低い位置に設けられ、溶解炉１１０のルツボ１１２内と溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３との導通を開閉する部材である。図１の構成例では弁体１５０はボール弁となっている。なお、上述したように溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の底面部１２４はすり鉢状に形成されており、ボール弁が導通孔１２５に導かれやすいようになっている。導通孔１２５はボール弁の径よりも小さく、ボール弁が嵌まることにより導通孔１２５が閉鎖される仕組みとなっている。

弁体１５０が押圧された閉鎖状態において、溶解炉１１０のルツボ１１２と、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３とが遮断され、両者間の溶湯の移動はなくなる。ここで、弁体１５０は射出路１３０よりも低い位置に設けられているので、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３と射出路１３０の導通は保たれており、その結果、弁体１５０に対して上方から圧力がかかって弁体１５０が閉じた状態において、溶湯は射出路１３０に向かって導かれることとなる。

一方、弁体１５０への押圧がなくなった開放状態において、詳しくは後述するように、電磁弁１６３の操作により溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３が大気圧となると、弁体１５０の上面に掛かる圧力は内部空間１２３にあった溶湯が金型２００にダイカストされて無くなっているため小さくなっており、一方、弁体１５０の下面に掛かる圧力はルツボ１１２の溶湯から受ける圧力が大きいので、弁体１５０は上方へ押し上げられることとなる。弁体１５０が押し上げられると、導通孔１２５と弁体１５０の間に隙間が生じ、溶解炉１１０のルツボ１１２と、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３とが導通する。弁体１５０が開放されると、両者の圧力差がなくなるまで、つまり、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の溶湯の上面が、ルツボ１１２内の溶湯の上面に略等しくなるまで溶湯が内部空間１２３に流れ込む。なお、弁体１５０には重量があるため、弁体１５０の重量分の影響は考慮する必要がある。

加圧部１６０は、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して所定圧力のガス圧の印加および除去を制御する部分である。
図１の構成例では、ガス加圧部１６０は、高圧ポンプ１６１、ガスタンク１６２、電磁弁１６３、ガス導入パイプ１６４、飛散防止蓋１６５を備えた構成となっている。

高圧ポンプ１６１はガスタンク１６２内に高圧ガスを送り込む装置である。ガスタンク１６２は後述するように電磁弁１６３の開閉により高圧のガスを一気に溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して送り込むため、所定圧力のガスを蓄積しておく容器である。

ガスタンク１６２に蓄積するガス圧としては、電磁弁１６３を開いたときに、一般にホットチャンバー鋳造機で必要とされるピストン圧力に相当する１０ＭＰから３０ＭＰになるガス圧とする。ここで考慮すべき点は、電磁弁１６３を開放する直前の溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の溶湯が満たされていない空間は大気圧（約０．１ＭＰ）の圧力しかないため、電磁弁１６３を開きガスタンク１６２のガスを内部空間１２３に導入した際、内部空間１２３の大気圧分とガスタンク１６２の圧力分が合わさって溶湯面に印加される。つまり、当初のガスタンク１６２の蓄積分の高いガス圧が、内部空間１２３の大気圧分によって減じられて溶湯面への印加圧力されるため、ガスタンク１６２が蓄積しておくガス圧力は、射出に必要な圧力（１０ＭＰから３０ＭＰ）よりも内部空間１２３の大気圧分による減少分を考慮した上で大きめに設定しておく必要がある。

電磁弁１６３は、弁シャッター速度が速く、瞬時に弁動作が可能なものが好ましい。ここでは、ガスタンク１６２側への接続と大気圧側への接続が瞬時に切り換えることができるものとなっている。電磁弁１６３はガスタンク１６２と接続されており、電磁弁１６３がガスタンク１６２側を開放すると、ガス導入パイプ１６４は即座に１０ＭＰから３０ＭＰのガス圧を溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して印加することができる。一方、電磁弁１６３がガスタンク１６２側を閉鎖して大気圧側を開放すれば、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３を大気圧に戻すことができる。

飛散防止蓋１６５は、アルミニウム合金溶湯から溶損を受けないポーラスな酸化アルミニウム等で出来た蓋状の物体であり、溶湯射出主筒内部の溶湯面に浮かせておくことにより、ガス圧印加時に溶湯射出主筒内部の溶湯面の波立ちや溶湯の飛散を防ぐためのものである。なお、アルミニウム合金溶湯が空気と触れてできる固体状の酸化物が形成された状態であれば、その酸化物が飛散防止蓋１６５の代わりとなることは有り得る。
上記のように電磁弁１６３の開閉で導入されるガス圧が大きいため、溶湯射出主筒部の壁面にガス減速部１２９を設けてガス流速を減速させ、溶湯面の波立ちや溶湯の飛散防止の工夫を行っているが、さらに、溶湯面の上に飛散防止蓋１６５を浮かせておくことにより、確実に溶湯面の波立ちや溶湯の飛散を防ぐことが可能となる。

以上が、図１に示した本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機の各部材の説明である。

次に、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機の動作について順を追って説明する。
まず、鋳造サイクルの第１工程を説明する。
図２は第１工程の初期状態を示す図である。図２に示すように、電磁弁１６３は大気圧側に接続され、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３には溶湯がルツボ１１２内の溶湯の高さからボール弁１５０の密度を考慮した高さに相当する程度満たされている。ボール弁の弁体１５０は自然に溶湯射出主筒部１２０の底面部１２４に落ち着いている。溶湯はアルミニウム合金であり、所定の温度にまで昇温され、良好な状態で液体状態となっている。

次に、第１工程に入る。図３は鋳造サイクルの第１サイクルを示す図である。図３に示すように、電磁弁１６３がガスタンク１６２側へ接続されるよう切り換えられ、ガスタンク１６２側を開放すると、ガス導入パイプ１６４を介して即座にダイカストに必要な１０ＭＰから３０ＭＰのガス圧に見合った圧力の高圧ガスが溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して印加される。その結果、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の溶湯に当該圧力がかかり、ボール弁である弁体１５０は下方に押圧されて導通孔１２５が閉鎖される。ここで、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３と射出路１３０は導通しているので、内部空間１２３の溶湯は押圧されると内部空間１２３から射出路１３０に向かって射出されることとなる。射出路１３０の先のノズル１４０を介して金型２００が設置されており、金型２００内にアルミニウム合金の溶湯がダイカストされる。

次に、第２工程に入る。図４は鋳造が完了した時点を示す図である。射出が終わって第１工程が終了した後、電磁弁１６３を切り換え、内部空間１２３を大気圧とする。所定の時間経過を待ち、ダイカスト成型品が所定温度まで冷却されるのを待ち、冷却後、図４に示すように、金型２００を開放してダイカスト成型品を取り出す。

図５は第２工程において、図２の状態に復元しつつある様子を示す図である。図５に示すように、図４の鋳造が完了した時点で電磁弁１６３が大気圧側へ接続されるよう切り換えられ、ガスタンク１６２側の接続が遮断されると、ガス導入パイプ１６４を介して即座に溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３が大気圧となる。溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の溶湯の液面高さは図３の状態、つまり、溶湯の液面高さはルツボ１１２内の溶湯の液面の高さよりも低くなっている。ここで、弁体１５０に対して上面から掛かる圧力は、大気圧下の内部空間１２３の溶湯の高さから生じる圧力であり、弁体１５０に対して下面から掛かる圧力は、ルツボ１１２の溶湯の高さから生じる圧力である。図３の状態では内部空間１２３の溶湯の高さはルツボ１１２の溶湯の高さより低いため、弁体１５０の下面から受ける圧力の方が大きい。そのため弁体１５０は上昇し、溶湯射出主筒部１２０の底面部１２４と弁体１５０の間に隙間が生じ、導通孔１２５が導通する。その結果、ルツボ１１２の溶湯が溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に対して流れ込む。図５は、弁体１５０が上昇し、溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３に溶湯が供給された状態となっている。弁体１５０の重量を無視すれば溶湯射出主筒部１２０の内部空間１２３の溶湯液面がルツボ１１２内の溶湯液面と同じ高さになった時点で供給が停止される。実際には弁体１５０の重量があるため、弁体１５０の重量の影響分だけ内部空間１２３の溶湯液面はルツボ１１２内の溶湯液面よりも少し低い状態で供給が停止される。この供給量が次回のダイカストに必要な溶湯量であれば良い。

図５の状態（弁体１５０が浮いている状態）から図２の状態（弁体１５０が底面部１２４に収まる状態）に移り、鋳造サイクルが終了する。この鋳造サイクルの繰り返しにより鋳造が繰り返される。

以上、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機によれば、溶解炉内にアルミニウム合金の溶湯が満たされても溶損してしまう部材がなく、アルミニウム合金を溶湯としてダイカストすることができるホットチャンバー鋳造機が得られる。
また、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機の鋳造工程は、従来のホットチャンバー鋳造機のピストン−シリンダ方式のサイクルと変わらない速度で行うことができ、鋳造サイクルが早いという利点がある。
また、従来のピストン−シリンダ方式ならば両者の壁面の加工精度が要求されたり使用による歪みや減耗に対するメンテナンスが要求されたりするところ、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機によれば、ガス圧を用いてシリンダ内の溶湯面を印加するので、そのような加工精度の要求やメンテナンスの要求が少ないという利点がある。
また、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機では、溶湯の経路となる射出路１３０が溶湯中にあるため、外部からの空気の巻き込みがなく、ダイカスト製品中に鬆が入るという不具合が生じることが少ない。
また、従来技術の課題で説明したようなコールドチャンバー鋳造機で見られる破断チル層の発生も抑えることができる。
また、本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機では、比較的射出圧力が低くて良いので金型への過渡な負荷がかからないというメリットもある。

以上、本発明の机における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明は、アルミニウム合金を溶湯として用いるホットチャンバー鋳造機として広く利用可能である。

本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の構成例を簡単に示す図である。 本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の鋳造サイクルの初期状態を示す図である。 本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の鋳造サイクルの第１工程を示す図である。 本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の鋳造サイクルの第２工程を示す図である。 本発明のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機１００の鋳造が完了し、鋳造サイクルの初期状態に復元する様子を示す図である。 従来のホットチャンバー鋳造機の基本構成を示す図である。 従来のコールドチャンバー鋳造機の基本構成を示す図である。 特開２００４−１２２１３４号公報に開示された砂型低圧鋳造機である。

１００ アルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機
１１０ 溶解炉
１１１ 加熱装置
１１２ ルツボ
１１３ 蓋材
１１４ 固定部
１１５ 射出路導出部
１１６ 開口部
１１７ 上部取り付け凹部
１１８ 下部取り付け凹部
１２０ 溶湯射出主筒部
１２１ 主筒部分
１２２ フランジ
１２３ 内部空間
１２４ 底面部
１２５ 導通孔
１２６ 下方壁面
１２７ 底部空間
１２８ 開口
１２９ ガス減速部
１３０ 射出路
１４０ ノズル
１５０ 弁体
１６０ ガス加圧部
１６１ 高圧ポンプ
１６２ ガスタンク
１６３ 電磁弁
１６４ ガス導入パイプ
１６５ 飛散防止蓋

Claims (6)

1. 溶湯を入れる溶解炉と、
   前記溶解炉内に立設したセラミックにより形成された溶湯射出主筒部と、
   前記溶湯射出主筒部の側面に設けられた射出路と、
   前記射出路の先端に設けられ、金型へ溶湯をダイカストするノズルと、
   前記溶湯射出主筒部において、前記射出路よりも低い位置に設けられ、前記溶解炉内と前記溶湯射出主筒部の内部空間との導通を開閉する弁体と、
   前記溶解炉の上部に配設され、前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して所定圧力のガス圧の印加および除去を制御するガス加圧部を備え、
   前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を印加すると前記弁体が閉鎖される方向に働き、前記溶湯射出主筒部の内部の溶湯が前記射出路から前記金型へダイカストされ、前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を除去すると前記弁体が開放される方向に働き、前記溶解炉内から次回のダイカストに必要量の溶湯が前記溶湯射出主筒部の内部に供給されるアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機において、
   前記溶解炉の下部に設けた固定部を介して前記溶湯射出主筒部の下方壁面を前記溶解炉に対して固定する構造と、
   前記溶湯射出主筒部の上端にフランジを設け、前記溶解炉の上部に設けた上部取り付け凹部を介して前記溶湯射出主筒部上端のフランジを前記溶解炉に対して固定する構造と、
   前記溶解炉の上部に配設したガス加圧部を前記溶湯射出主筒部の上端の前記フランジに当接させて下方に押し付けつつガス圧を前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して印加する構造とを設けたアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機。
2. 前記弁体がボール弁であり、前記ボール弁が前記導通孔に導かれやすいように前記溶湯射出主筒部の下部内面がすり鉢状になっており、前記すり鉢状の壁面の最下部に前記ボール弁の径よりも小さな導通孔が開いて前記溶解炉内に導通した構造である請求項１に記載のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機。
3. 前記溶湯射出主筒部の内部空間に、前記ガス加圧部からガス印加により突入するガス流速を減速するガス減速部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機。
4. 前記溶湯射出主筒部の内部空間の溶湯面に、前記溶湯による溶損を受けない素材で、かつ、前記溶湯面上に浮く比重にて形成された飛散防止蓋を設け、前記ガス加圧部からガス印加により突入するガスによる前記溶湯面の飛び散りを防止せしめることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機。
5. 前記ガス加圧部がガスタンクと電磁弁とガス導入パイプを備え、前記電磁弁の開閉動作により印加するガス量を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金用ホットチャンバー鋳造機。
6. 溶湯を入れる溶解炉と、前記溶解炉内に立設したセラミックにより形成された溶湯射出主筒部と、前記溶湯射出主筒部の側面に設けられた射出路と、前記射出路の先端に設けられ、金型へ溶湯をダイカストするノズルと、前記溶湯射出主筒部において、前記射出路よりも低い位置に設けられ、前記溶解炉内と前記溶湯射出主筒部の内部空間との導通を開閉する弁体と、前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して所定圧力のガス圧の印加および除去を制御するガス加圧部を備えた構成において、
   前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を印加すると前記弁体が閉鎖される方向に働き、前記溶湯射出主筒部の内部の溶湯が前記射出路から前記金型へダイカストされ、前記ガス加圧部が前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して前記ガス圧を除去すると前記弁体が開放される方向に働き、前記溶解炉内から次回のダイカストに必要量の溶湯が前記溶湯射出主筒部の内部に供給されるようにする、アルミニウム合金を金属材料に用いたホットチャンバー鋳造方法において、
   前記溶解炉の下部に設けた固定部を介して前記溶湯射出主筒部の下方壁面を前記溶解炉に対して固定する構造を設け、
   前記溶湯射出主筒部の上端にフランジを設け、前記溶解炉の上部に設けた上部取り付け凹部を介して前記溶湯射出主筒部上端のフランジを前記溶解炉に対して固定する構造を設け、
   前記溶解炉の上部に配設したガス加圧部を前記溶湯射出主筒部の上端の前記フランジに当接させて下方に押し付けつつガス圧を前記溶湯射出主筒部の内部空間に対して印加する構造とを設けたアルミニウム合金を金属材料に用いたホットチャンバー鋳造方法。
   

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