JP5917468B2 - 鋳造棒・管製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造棒・管製造装置及び製造方法に関する。

例えば、マグネシウム合金は、加工しやすく、軽量で高強度であるため、民生品や医療・工業部品の他に、特に航空機や車両部材としての鉄道車両、自動車工業などで需要がある。マグネシウム合金が、航空機材や自動車工業、鉄道車両製造で用いられることによって、航空機や自動車、鉄道車両などの重量の軽減と、それに伴って急加速や急停止、小回りなどの動きの性能の向上や、航空機や自動車、鉄道車両などの使用者の乗り心地の向上に貢献することができるとともに、乗客の安全を確保することが可能である。

さらに、民生品や建材、医療・福祉分野など多岐に亘る分野では、軽量かつ延性に優れた高強度のマグネシウム合金を用いることによって、作業者などの組み立て工程の負担の軽減や使用者などの負担の軽減、持ち運びのし易さへの寄与が期待される。

そして、従来、マグネシウム合金の製造方法として、砂型鋳造法（例えば、下記特許文献１参照）やロストワックス法（例えば、下記特許文献２参照）などが知られている。また、連続鋳造法もマグネシウム合金の製造方法として用いられている（例えば、下記特許文献３参照）。

下記特許文献１〜３に記載されているマグネシウム合金の製造方法は、長さが大きいマグネシウム合金を製造することが可能となっている。

特開平２−２７４３６６号公報 特開平３−５７５５２号公報 特開平３−１３３５４３号公報

そして、従来のマグネシウム合金の製造方法では、鋳造材の結晶粒径は元素添加や半連続鋳造など結晶核を精製し、鋳造中又は鋳型内で固化しながら冷却しており、内部欠陥や結晶粒径を細かくしていた。

一般的に、マグネシウム合金の製造時間は長いため、一度に大量の溶湯を出湯することで生産性を上げている。しかしながら、マグネシウム合金の長さが大きくなるにつれて、マグネシウム合金の結晶組織は粗大化し、均一組織を得ることが難しかった。また、マグネシウム合金を長尺化する場合、冷却に使用するピットを大きくするなど製造設備の改良も要していた。

そして、半連続鋳造法や傾斜板を用いた鋳造法などでも出湯開始から終了及び鋳型から鋳造材を取り出すまでには、機器の大型化に伴い、鋳造に至るまでの調整や半日程度時間を掛けて冷却するなど生産時間が多く必要とされている。さらに、反連続鋳造法や傾斜板を用いた鋳造法では、冷却速度は速いが、長尺の鋳造物が作製可能な双ロール鋳造でも薄板にしか対応できないことや、連続した薄板鋳造材を作るためには特別な手法が必要などの課題を有している。

さらに、鋳型内に離形材などを塗布することで、鋳造材の表面に凹凸や変色が見受けられることが多く、離形材を除去するなどの手間が掛かり、そして、上掲の砂型鋳造法なども次の鋳型を準備するには時間を要するため、生産性が高いとは言えなかった。

また、例えば、鉄管などを鋳型として、マグネシウム合金を鋳造した場合には、鋳型と鋳造材の熱伝達係数が異なるため、放熱による熱収縮により鋳造管内のマグネシウム合金が取れなくなるなどの課題を有していた。さらに、鋳型からマグネシウム合金を無理に取ることで、マグネシウム合金中へ不純物が混入するとともに鋳造管にカジリの痕跡を残すため、鋳造管やマグネシウム合金を再生利用することを困難としていた。

一般的に、上掲の方法で製造されるマグネシウム合金の鋳造材は、結晶粒径が６００〜１０００μｍ以上であることが知られている。そして、マグネシウム合金を鋳造する場合、鋳造材の外側から冷却されるため、凝固が遅い鋳造材の中心部が引けることによって、引け巣が生じていた。

また、マグネシウム合金の鋳造材の結晶粒径が大きいため、形成される金属間化合物も微細分散できずに、溶体化処理などの熱処理の実施や１次、２次加工をより高温下での加工を必要とし、加工回数も増加するなどの課題を有していた。

本発明は、上述した課題に鑑みて成された新しい発明であり、その目的は、低コスト、かつ、短時間で製造することができる生産性の高い鋳造棒・管製造装置及び製造方法を提供することにある。

本発明に係る鋳造棒・管製造装置は、溶解したマグネシウム又はアルミニウムを主成分とする軽金属材料からなる鋳造材料を保持する溶湯炉と、溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に対して挿入退避可能な中空管と、前記中空管を加熱する加熱装置と、前記中空管を冷却する冷却装置と、負圧を生成する減圧装置と、前記中空管と前記減圧装置との間を接続する接続部材と、前記接続部材に配設された開閉自在な弁部材と、を備え、前記弁部材を閉鎖状態にして前記減圧装置により前記弁部材から前記減圧装置側を減圧し、前記中空管の開口部を前記溶湯炉に挿入するとともに前記弁部材を開放状態にすることで、前記溶湯侵入部が減圧されて前記溶湯侵入部内に溶湯が侵入し、侵入した溶湯を前記溶湯侵入部にて固化させることにより長尺状の部材を製造するものであり、前記接続部材には、前記中空管を取り外し可能とする連結部を備え、前記中空管は、前記接続部材と接続される上端側と前記溶湯炉に挿入される前記開口部が形成された下端側において厚さを変化させるように構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記中空管内に潤滑油を塗布することとすることができる。

さらに、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記中空管の前記溶湯侵入部への溶湯の侵入を制御する制御装置を備えることとすることができる。

またさらに、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記中空管は、溶湯への落下物を防ぐための治具を備えることとすることができる。

さらにまた、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記冷却装置は、溶湯を冷却するための冷却水を通す冷却管を備えることとすることができる。

また、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記冷却水の温度が略３０〜９０℃であることとすることができる。

またさらに、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、不活性気体を用いることによって溶湯の燃焼を防ぐこととすることができる。

さらにまた、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記中空管の前記開口部から侵入する溶湯の温度が、液相線温度よりも略１５℃以上であることとすることができる。

さらに、本発明に係る鋳造棒・管製造装置では、前記制御装置によって、前記中空管の前記開口部から侵入する溶湯の速度が、略１２０Ｌ／ｍｉｎであることとすることができる。

また、本発明に係る鋳造棒・管製造方法は、溶解したマグネシウム又はアルミニウムを主成分とする軽金属材料からなる鋳造材料を保持する溶湯炉と、溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に対して挿入退避可能な中空管と、前記中空管を加熱する加熱装置と、前記中空管を冷却する冷却装置と、負圧を生成する減圧装置と、前記中空管と前記減圧装置との間を接続する接続部材と、前記接続部材に配設された開閉自在な弁部材と、を備え、前記接続部材に、前記中空管を取り外し可能とする連結部が備えられるとともに、前記中空管が、前記接続部材と接続される上端側と前記溶湯炉に挿入される開口部が形成された下端側において厚さを変化させるように構成されている鋳造棒・管製造装置を用いて、前記弁部材を閉鎖状態にして前記減圧装置により前記弁部材から前記減圧装置側を減圧し、前記中空管の前記開口部を前記溶湯炉に挿入するとともに前記弁部材を開放状態にすることで、前記溶湯侵入部が減圧されて前記溶湯侵入部内に溶湯が侵入し、侵入した溶湯を前記溶湯侵入部にて固化させることにより長尺状の部材を製造する鋳造棒・管製造方法であって、前記中空管内に潤滑油を塗布することを特徴とするものである。

本発明によれば、鋳造棒・管を低コストで品質良く製造することができる鋳造棒・管製造装置を提供することができるようになるとともに、高い生産性を有する鋳造棒・管製造装置を提供することができるようになる。

また、本発明によれば、溶湯の燃焼や品質劣化を防止することができるようになる。

本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を示す図である。 本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の取り外し可能な部分を示す図である。 本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置から中空管などを取り外した状態を示す図である。 鋳造した鋳造棒の断面を示す写真図である。 鋳造した鋳造棒の組織を示す顕微鏡写真図である。 溶湯の速度（流量）を変化させた場合における、鋳造棒の組織を比較した顕微鏡写真図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図を用いて説明する。なお、以下の実施形態及び実施例は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態及び実施例の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を、図１〜図３を用いて、説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の構成例を示す図である。また、図２は、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の取り外し可能な部分を示す図であり、図３は、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置の取り外し可能な部分を取り付けていない状態を示す図である。

図１にて示すように、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００は、溶湯炉１０と、中空管２０と、減圧装置３０と、接続部材４０と、弁部材５０と、冷却装置６０と、加熱装置７０と、連結部８０と、制御装置９０と、を含む。

溶湯炉１０は、溶解した鋳造材料を溶湯として保持するるつぼである。

鋳造材料は、例えば、軽金属材料を主成分として構成される。軽金属材料は、一般的に比重が４．０以下の金属材料のことをいう。すなわち、本実施形態に係る鋳造材料となる軽金属材料には、マグネシウムやアルミニウムなどを含んで構成される。なお、本実施形態に係る軽金属材料に対しては、カルシウムや亜鉛、マンガンなどを添加物として添加することとしてもよい。また、マグネシウム合金を製造する場合において、減圧下での突沸を防ぐために、鋳造材料は、難燃性のマグネシウム合金（例えば、マグネシウムに対してアルミニウムを６％と、亜鉛１％と、カルシウム２％とを添加した合金）を用いることが好ましい。また、鋳造材料は、例えば、「Ｍｇ＋Ｃａ０．５％」、「Ｍｇ＋Ｚｎ１％＋Ｃａ０．５％」、「Ｍｇ＋Ｚｎ８％＋Ｃａ１％」、「Ｍｇ＋Ｚｎ１０％＋Ｃａ１％」などのマグネシウム合金を用いることも可能である。もちろん、本実施形態に係る軽金属材料として用いることのできるマグネシウム合金については、カルシウムを添加しないものも含まれる。添加物の添加の有無や添加量については、例えば、鋳造の際の湯流れ性や濡れ性の良し悪しに応じて好適な条件を採用すればよい。

本実施形態に係る中空管２０は、溶湯炉１０に対して挿入退避可能に構成され、「鋳型」の役割を担う。また、中空管２０は、接続部材４０に接続される吸引口部２１と、中空状に形成される溶湯侵入部２３と、溶湯に挿入される開口部２５と、鋼板２７と、溶湯への落下物を防ぐ治具２９と、を含んで構成される。

中空管２０は、長尺円柱形状にて形成されたパイプ部材であり、その素材は、例えば鉄系材料などが用いられる。また、外径と内径との差から生じる厚み（以下、厚み）は、鋳造材料や、製造目的などに応じて適宜選択される。すなわち、中空管２０は、鋳型のように高価であり変更の効きにくいものではないため、多様な厚みを有する中空管の中から鋳造棒・管の製造に用いる中空管２０を選択することができる。鋳造棒・管の製造に用いる中空管２０の厚みが変わることに応じて、溶湯の冷却速度が変わるため、製造される鋳造棒・管の品質が変わる。つまり、鋳造材料や、製造目的などに応じて多様な性質の鋳造棒・管を製造することが可能となる。

吸入口部２１は、中空管２０の長手方向の一端側の位置に形成され、接続部材４０と接続可能に構成される。そして、吸引口部２１からは、真空ポンプ３５により生成した負圧状態を利用して溶湯侵入部２３の気体が吸引されることで、溶湯侵入部２３を負圧にすることを可能としている。

溶湯侵入部２３は、溶湯が侵入し、侵入した溶湯が固化することにより鋳造棒・管が形成される部分である。ここで、中空管２０内の溶湯侵入部２３の溶湯と接触する面には、工業用油などの潤滑油が塗布されて構成される。

開口部２５は、中空管２０の長手方向一端側であり、かつ、吸引口部２１の形成位置と反対の位置に形成される。そして、開口部２５は、溶湯炉１０の溶湯に挿入され、溶湯を溶湯侵入部２３に侵入させる侵入口として機能する。

開口部２５は、溶湯の中空管２０の中心への侵入を防ぐために、突起（不図示）を設ける構成としてもよい。このような構成によれば、中心部分がくり抜かれた状態で溶湯が固化することとなるため、管状の鋳造管を製造することができるようになる。同様の効果を得るために、開口部２５の中央部からガスを投入する構成としてもよい。

また、中空管２０には、鋼板２７が溶接されて設置される。なお、鋼板２７は、図１に示すような螺旋状に設置されなくても良い。さらに、鋼板２７は、鉄鋼でなくても、溶湯直上の温度（例えば、４００℃以上の温度）に耐え得ることのできる金属であれば良い。

さらに、中空管２０には、溶湯への落下物を防ぐための治具２９が設置される。具体的には、冷却装置６０の作動によって生じる水滴や塵などの落下を防ぐためのものである。

そして、減圧装置３０は、溶湯侵入部２３を減圧するための装置群であり、真空チャンバー３１と、真空ポンプ３５とを含んで構成される。減圧装置３０は、鋳造材料や製造目的、中空管２０の内径などの各種条件に応じて、圧力を調整可能に構成される。

真空チャンバー３１は、吸引部３２と抜気口３３とを備え、負圧状態の密閉空間を安定的に維持するための容器である。

吸引部３２は、真空ポンプ３５にて生成した負圧状態に基づく吸引力を溶湯侵入部２３に伝達するために、接続部材４０を介して吸引口部２１と接続される。

抜気口３３は、負圧状態を生成するために真空ポンプ３５の吸気口３６と接続される。

真空ポンプ３５は、吸気口３６やポンプ（不図示）などを備え、ポンプの吸気作用により真空チャンバー３１内の気体を吸気口３６から吸気する。なお、本例では、特に図示していないが、真空ポンプ３５は、その構造上において、排気の必要がある場合には、排気口を備える。

接続部材４０は、中空管２０の吸引口部２１と、真空チャンバー３１の吸引部３２とを接続し、吸引口部２１及び吸引部３２間の空気を挿通可能に構成される。

接続部材４０は、柔軟性が高く、中空状に形成され、中空状の内部を負圧にした場合であっても破損等の不具合が生じない材質のものを用いる。したがって、接続部材４０は、例えば、シリコン製のチューブなどを用いる。

弁部材５０は、接続部材４０に配設され、開閉自在に構成される。弁部材５０が開放状態であるときは、溶湯侵入部２３の気体と真空チャンバー３１の気体とが、通流している状態となる。一方で、弁部材５０が閉鎖状態であるときには、溶湯侵入部２３の気体と真空チャンバー３１の気体とが、通流していない状態となる。すなわち、弁部材５０が閉鎖状態であるときは、弁部材５０と真空チャンバー３１との間でのみ、気体が通流していることとなる。

冷却装置６０は、中空管２０を外部から冷却するように配設される。具体的には、冷却装置６０は、冷却管６１に対して冷却水を注入することによって、中空管２０の冷却をすることとなる。なお、冷却水の温度は、約３０〜９０℃とすることが好ましく、さらにより好ましくは、約９０℃とすることが好適である。

冷却装置６０によって、注入された冷却水は、冷却管６１内を流れ、中空管２０に設置された鋼板２７によって、種々の水流が発生することとなる。このような構成により、冷却水と中空管２０との接触面積を増加させ、中空管２０を均等に冷却することができることになる。

また、冷却装置６０は、中空管２０に設置された鋼板２７によって、冷却管６１内を流れる冷却水の流れに変化を加えるのではなく、例えば、冷却管６１を螺旋状に中空管２０に巻き付けることとすることができる。このような構成によっても、上述した場合と同様に、中空管２０を均等に冷却することができることになる。

そして、中空管２０の上部まで流れた冷却水は、冷却され再度下部より注入される。このような構成によれば、中空管２０においてより温度の高い溶湯炉１０の近傍の箇所（すなわち、冷却装置６０の下部側）の冷却効果を最も高めることができるので、中空管２０の全長で均一な冷却を実施することが可能となる。すなわち、侵入する溶湯の高さ位置に応じた温度のブレを是正することができるようになるため、製造される鋳造棒・管の質を均一なものとすることができるようになる。また、冷却装置６０による冷却効果を中空管２０の内径に応じて制御することで、固化した鋳造棒・管の各種性質（例えば、変形抵抗や、切削抵抗など）が調整可能となる。

冷却装置６０は、さらに、冷却水の注入速度や、注入する冷却水の水温を調整自在に構成される。このような構成によれば、冷却状況を変化させることができるようになるため、中空管２０の全長で均一な冷却を行うだけでなく、鋳造した鋳造棒・管における同一断面にて、急冷却部と緩冷却部とを意図的に作成可能となる。

加熱装置７０は、中空管２０の開口部２４を溶湯に挿入するときに、開口部２４の近傍を加熱するように構成される。加熱装置７０は、例えば、バーナーなどを用いる。このような構成によれば、挿入時の大きな温度差による中空管２０の破損、及び溶湯が急速に固化することによる中空管２０の詰まりを防ぐことが可能となる。したがって、鋳造棒・管製造時の不具合を低減することが可能となる。

連結部８０は、中空管２０を取り外し可能とするものである。具体的には、接続部材４０に設置される連結部８０ａと、冷却装置６０の冷却管６１に設置される連結部８０ｂ，８０ｃと、を含む。

ここで、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００は、図２に示すように、中空管２０などを取り外すことができるようになっている。そして、図３は、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００から中空管２０などを取り外した状態を示す図である。

すなわち、本実施形態に係る接続部材４０及び冷却管６１は、分割することができる構造となっている。

そして、図２に示した状態のように、取り外し可能な中空管２０などを連結部８０を用いて固定したり、又は固定の解除をしたりすることができる構成となっている。具体的には、鋳造する際には、図１に示すように、接続部材４０の分割部分を連結部８０ａで固定し、冷却管６１の分割部分を連結部８０ｂ，８０ｃで固定する。そして、鋳造が終了し、中空管２０を取り外す場合には、連結部８０（８０ａ，８０ｂ，８０ｃ）の固定を解除し、図３に示すように、中空管２０を取り外した状態とすることができる。

以上、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００の構成例を説明した。

次に、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００の動作例について説明する。ここでは、弁部材５０が開放状態となっており、減圧装置３０が稼働していない状態から説明を始める。

まず、冷却装置６０を作動させ、冷却管６１に対して冷却水を排出する。なお、鋳造後に冷却装置６０を作動させても良いが、中空管２０の均熱化や結晶組織の微細化、巣の発生の防止のため、鋳造前に冷却装置６０を作動させることが好ましい。

この状態から、弁部材５０を閉鎖状態に移行する。弁部材５０が閉鎖状態に移行することにより、溶湯侵入部２３及び真空チャンバー３１間は、空気が通流していない状態となる。したがって、弁部材５０及び真空チャンバー３１間は、密閉された状態となる。

弁部材５０が閉鎖状態に移行したあとに、真空ポンプ３５を稼働する。真空ポンプ３５が稼働することにより、弁部材５０及び真空チャンバー３１間における密閉空間の圧力は低下する。

真空ポンプ３５が稼働して、圧力計３４が示す密閉空間内の圧力が所定の圧力になったときに、真空ポンプ３５は稼働を停止する。このときの所定の圧力は、中空管２０の外径、厚さ、及び長さに応じて適宜変更可能である。なお、製造される鋳造棒・管の長さは圧力によって決定されることとなるので、短い鋳造棒・管を製造したいときには、例えば、圧力が大気圧（０．８気圧程度）に近い場合であっても製造可能である。一方、長い鋳造棒・管を製造したいときには、例えば、圧力を真空に近づけることにより所望の鋳造棒・管を製造することができる。

真空ポンプ３５の稼働が停止すると、続いて、加熱装置７０による中空管２０の開口部２５近傍の加熱が実施される。そして、開口部２５の近傍の溶湯の温度が所定の温度になるまで加熱を行う。より好ましくは、溶湯の温度が、液相線温度よりも約１５℃以上となるまで加熱を行うことが好ましく、さらにより好ましくは、液相線温度よりも約１５℃高い温度となるように加熱を行うことが好適である。

なお、本実施形態では、６４０℃以上の温度で溶湯が加熱されている。そして、中空管２０の溶湯侵入部２３内に吸い込まれる溶湯の鋳造速度が非常に速いので、溶湯は、液相線温度よりも約１５℃高い状態となるまでヒーター等の加熱装置によって加熱された後、鋳造が実施され、その後さらに温度が低下して固化するという温度履歴を経ることとなる。

その後、弁部材５０を閉鎖状態から開放状態に移行する。弁部材５０が開放状態に移行すると、弁部材５０を境界とした中空管２０の溶湯侵入部２３側と真空チャンバー３１側との圧力差により、中空管２０の溶湯侵入部２３の気体は、吸引口部２１へと吸い込まれる。中空管２０の溶湯侵入部２３の気体が吸引口部２１へと吸い込まれることに伴い、溶湯が開口部２５から溶湯侵入部２３へと一気に侵入していく。このように、圧力差を用いて吸入する構成としているので、鋳造棒・管製造の過程にて、減圧状態で溶湯を固化させることができる。このとき、制御装置９０によって溶湯の中空管２０への侵入速度が一定かつ高速となるように制御する。本実施形態では、より好ましい条件として、中空管２０に侵入する溶湯の速度（流量）が、約１２０Ｌ／ｍｉｎとなるようにした。

なお、発明者らの実験によって、溶湯の速度（流量）については、１３、２０、４０、８０、１２０Ｌ／ｍｉｎで実施可能であることが確認されている。ただし、溶湯の速度（流量）については、前記の条件には限られず、さらに高速（大流量）の条件や低速（小流量）の条件で実施することも可能である。

また、中空管２０に侵入する溶湯の速度（流量）が、約１２０Ｌ／ｍｉｎであることが好ましいとしたのは、高い生産性を得られるからであり、さらに、図６に示すように、高速（大流量）である１２０Ｌ／ｍｉｎの場合と低速（小流量）である１３Ｌ／ｍｉｎの場合とを比較すると、鋳造後の結晶組織（Ｍｇ相）は、１２０Ｌ／ｍｉｎで鋳造した方が微細組織を呈しており、同時に静水圧成分が少ない塑性加工の阻害となり得る金属間化合物や析出物を形成する合金種においては、形成金属間化合物が例えばネットワークやラメラ組織を形成せず、Ｍｇ相に微細分散していることが確認できている。かかる実験結果からも、中空管２０に侵入する溶湯の速度（流量）が、約１２０Ｌ／ｍｉｎであることがより好ましいと判断できる。

その後、溶湯侵入部２３に侵入する溶湯は、温度低下により固化する。したがって、溶湯は所定の高さで詰まることとなり、その高さより上方に向けて侵入することはなくなる。このとき、溶湯の吸引は、溶湯が凝固するまで継続されることが好ましい。溶湯が凝固するまで溶湯の吸引を継続すると、凝固するときに溶湯中の空気が吸引されることとなり、脱ガス効果が生じる。そのため、凝固した材料において巣などの内部欠陥の発生を好適に防止することができ、より品質の高い鋳造棒・管を得ることができるようになる。

なお、上述したように、製造される鋳造棒・管の長さは減圧圧力によって決定される。したがって、製造される鋳造棒・管の長さは、金属材料の比重に基づいて決定される長さまで吸引可能である。このことから、金属材料の比重に基づき決定される長さよりも短い長さの鋳造棒・管を製造したいときには、中空管２０に対して溶湯の供給を停止する手段を設けることで、所望の長さの金属材料を製造することが可能となる。ただし、このような場合であっても、溶湯の吸引は溶湯が凝固するまで継続されることが好ましく、溶湯の吸引の継続によって、内部欠陥の発生を好適に防止することが可能となる。

溶湯の吸引が停止したことに応じて、中空管２０を溶湯から退避させる。そして、侵入した溶湯は、温度の低下により内部まで完全に固化する。このようにして、鋳造棒・管は製造される。

そして、溶湯が固化した後に、図２に示した取り外すことができる中空管２０の部分を取り外し、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００を図３に示すような状態とする。その後、また、新しい中空管２０（図２参照）を本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００に設置し、再度、上述したように鋳造を行うことができる。したがって、本実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００によれば、連続鋳造が可能であり、量産体制を確立することができるようになっている。

以上のように、本実施形態では、溶解した鋳造材料を保持する溶湯炉１０と、溶湯が侵入する溶湯侵入部２３を有し、溶湯炉１０に対して挿入退避可能な中空管２０と、圧力を下げる減圧装置３０と、中空管２０と減圧装置３０との間を接続する接続部材４０と、接続部材４０に配設された開閉自在な弁部材５０と、溶湯侵入部２３に侵入した溶湯を冷却するための冷却装置６０と、溶湯を加熱するための加熱装置７０と、取り外し可能な部分を連結するための連結部８０と、中空管２０の開口部２５から溶湯侵入部２３に侵入する溶湯の速度を制御するための制御装置９０と、を備え、弁部材５０を閉鎖状態にして減圧装置３０により弁部材５０から減圧装置側３０を減圧し、中空管２０の開口部２５を溶湯炉１０に挿入するとともに弁部材５０を開放状態にすることで、溶湯侵入部２３が減圧されて溶湯侵入部２３内に溶湯が侵入し、侵入した溶湯を溶湯侵入部２３にて固化させることにより長尺状の部材を製造する構成が採用されている。

特に、本実施形態では、鋳造後の放熱による鋳造材の熱収縮により中空管２０内の鋳造材が取りきれないなどの課題を、中空管２０内に潤滑油を塗布することによって改善することができるようになった。より詳しくは、中空管２０内に塗布された潤滑油を、鋳造による熱で揮発させることによって、中空管２０内に潤滑成分のみを残存させる。これにより、鋳造後に中空管２０内から鋳造材を引き抜く時間を短縮することができるようになった。

また、本実施形態では、鋳造中に、例えば、エキシールガスやアルゴンガスなどの不活性気体を用いて、溶湯の表面を保護することによって、溶湯が燃焼することを防止することができるようになっている。

［実施例］
本発明者らは、上述した装置によって製造された鋳造棒の品質の確認を行った。ここで、図４は、鋳造した鋳造棒の断面を示す写真図であり、図５は、鋳造した鋳造棒の組織を示す顕微鏡写真図である。

図４に示すように、本実施形態により鋳造した金属材料は、結晶組織が均一であり、巣や粗大結晶が発生していない。

また、図５に示すように、本実施形態により鋳造した金属材料の平均粒径は、約２００μｍであり、マグネシウム相内に金属間化合物が微細に分散している。本発明によれば、希土類元素や微細化元素として知られるジルコニウムなどの添加や電磁撹拌、超音波などによる振動を加えることなく、微細結晶の形成や金属間化合物のマグネシウム相への微細分散と巣の発生を、冷却及び溶湯、中空管２０内に侵入する溶湯の速度の制御のみで、解消することができる。したがって、本発明によれば、低コストで生産性が高く、かつ、品質の良い鋳造棒・管製造装置を提供することができる。

ここで、図５における均熱処理とは、約４５０℃で約８時間、熱処理を行うことを指している。そして、本実施形態により鋳造した金属材料に上記の均熱処理を行うことによって、金属間化合物が結晶粒界等に微細分散している。

さらに、本発明方法で鋳造した鋳造棒の性質を調べるために、耐力、引張強度及び伸びの測定を行った。以下、その結果を表１に示す。

表１に示すように、従来の金属材料と比較して、本発明により鋳造した金属材料は、耐力や引張強さの値が増加し、強度と延性が向上していることが分かる。したがって、上述の実施形態に係る鋳造棒・管製造装置１００によれば、加工性などの良い鋳造棒・管を製造することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記の各実施形態に記載の範囲には限定されない。上記の各実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態に係る中空管２０は、円柱状に形成されたパイプ部材であるが、本発明に係る中空管の採り得る形態は円柱状に形成されたものに限らない。鋳造棒・管製造装置の中空管については、長手方向と直交する方向に切断したときの断面形状が、矩形形状となる中空管や、Ｌ字形状となる中空管や、歯車形状となる中空管や、十字形状となる中空管などを用いることができる。このような構成によれば、その断面形状に応じた鋳造棒・管を製造することができるようになるため、容易に多様な形態を有する鋳造棒・管を製造することができるようになる。なお、本発明に係る中空管によって製造される鋳造製品については、上述の実施形態で例示したような中実棒だけでなく、内部に空間を有する中空棒形状とすることもできる。その様な場合には、本発明に係る中空管の形状として、得ようとする鋳造製品（例えば、中空棒形状など）に対応した空間形状を有する中空管を採用すればよい。

また、上述の実施形態に係る中空管２０は、溶湯侵入部２３が形成されるように複数の部材を組み立てて形成される構成としてもよい。つまり、中空管２０は、半割り状に形成されている部材を組み合わせることにより１の中空管が形成されていてもよい。さらにいえば、複数の中空状の部材が竹状に連続的に連なって１の中空管が形成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、固化までの工程のコントロールを容易にするために、垂直にした状態で溶湯を溶湯侵入部２３に侵入させる構成としているが、本発明の範囲は、このような構成には限られない。中空管２０を水平にした状態で溶湯を溶湯侵入部２３に侵入させることとすることができる。中空管２０を水平方向に伸びるように配設することによって、重力の影響を受けることなく溶湯を吸引することができるようになる。したがって、垂直に引き上げるときに比べて長い鋳造棒・管を製造することができるようになる。さらには、鉛直下方向に引く構成や、斜め方向に引く構成なども採用できる。

またさらに、上述の実施形態では、中空管２０は、上端側と下端側において厚さを変化させるように構成されていてもよい。このような構成によれば、溶湯侵入部２３の管温度差から生じる冷却力の差を是正することが可能となるため、製造される鋳造棒・管の質を均一にすることができるようになる。

さらに、開口部２５は、中空管２０の下端に１つ形成されているが、複数形成されていてもよく、かつ、下端以外の位置に形成されていてもよい。

また、開口部２５にフィルターを装着することとしてもよい。フィルターは、例えば、開口部２５の開口形状に合わせた形状を有する円板に網目状の穴を形成したものを用いればよい。このような構成によれば、溶湯の侵入速度を遅らせることができるため、特に、製造する鋳造棒の断面積が大きいときは、冷却速度を変え、全体的に鋳造をゆっくり行うことができるようなり、内部組織が均一な鋳造棒を作成することができるようになる。

また、複数の中空管２０を組み合わせた状態で、複数の中空管２０を同時に給湯炉に浸漬させる構成としてもよい。このような構成によれば、同時に複数の鋳造棒・管を鋳造することができるようになるため、より生産性を高めることができるようになる。

また、上述の実施形態では、中空管２０に鋼板２７を溶接して設置することによって、冷却水に種々の流れを付与することとしている。しかしながら、本発明の取り得る冷却機構については、鋼板２７を設置することによって冷却水に種々の流れを付与することには限定されない。例えば、中空管２０に直接冷却管６１を巻き付けることとしても良い。また、二重管構造の中空管２０を用いて、内側の管に鋼板２７を設置し、二重管の管と管との間に冷却水を通す構成としても良い。

また、本実施形態の冷却装置６０は、冷却水を冷却媒体として用いているが、気体を冷却媒体として用いる構成としてもよい。具体的には、アルゴンガス等の不活性ガスを下部から循環させる構成としてもよい。またさらに、冷却装置６０は、中空管に直接形成したフィンとする構成としてもよい。フィンによる表面積の増加により、冷却効果が生じることとなる。

また、上述した本実施形態では、溶湯侵入部２３を減圧するための減圧装置３０により、中空管２０の溶湯侵入部２３に侵入した溶湯が固化されていた。しかし、本発明の鋳造棒・管製造装置に対しては、加圧機構を追加することで、固液共存状態にある溶湯に対して真空吸引力だけではなく、圧力を加えることで鋳造棒・管を製造することも可能である。加圧機構の採用により、さらに質の高い金属材料を製造することが可能となる。

また、上述した本実施形態に係る中空管２０の長手方向の長さ及び円周方向の肉厚などの条件については、得ようとする鋳造棒・管の直径や肉厚などに応じて、また、得ようとする内部組織に応じて適宜調節して決定すればよい。すなわち、鋳造製品の具体的な製造条件については、本発明を表した特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、適宜に選択・変更することができる。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 鋳造棒・管製造装置、１０ 給湯炉、２０ 中空管、２１ 吸引口部、２３ 給湯侵入部、２５ 開口部、２７ 鋼板、２９ 治具、３０ 減圧装置、３１ 真空チャンバー、３２ 吸引部、３３ 抜気口、３５ 真空ポンプ、３６ 吸気口、４０ 接続部材、５０ 弁部材、６０ 冷却装置、６１ 冷却管、７０ 加熱装置、８０（８０ａ，８０ｂ，８０ｃ） 連結部、９０ 制御装置。

Claims (10)

1. 溶解したマグネシウム又はアルミニウムを主成分とする軽金属材料からなる鋳造材料を保持する溶湯炉と、
   溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に対して挿入退避可能な中空管と、
   前記中空管を加熱する加熱装置と、
   前記中空管を冷却する冷却装置と、
   負圧を生成する減圧装置と、
   前記中空管と前記減圧装置との間を接続する接続部材と、
   前記接続部材に配設された開閉自在な弁部材と、
   を備え、前記弁部材を閉鎖状態にして前記減圧装置により前記弁部材から前記減圧装置側を減圧し、前記中空管の開口部を前記溶湯炉に挿入するとともに前記弁部材を開放状態にすることで、前記溶湯侵入部が減圧されて前記溶湯侵入部内に溶湯が侵入し、侵入した溶湯を前記溶湯侵入部にて固化させることにより長尺状の部材を製造する鋳造棒・管製造装置において、
   前記接続部材には、前記中空管を取り外し可能とする連結部を備え、
   前記中空管は、前記接続部材と接続される上端側と前記溶湯炉に挿入される前記開口部が形成された下端側において厚さを変化させるように構成されていることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
2. 請求項１に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記中空管内に潤滑油を塗布することを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記中空管の前記溶湯侵入部への溶湯の侵入を制御する制御装置を備えることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記中空管は、溶湯への落下物を防ぐための治具を備えることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記冷却装置は、溶湯を冷却するための冷却水を通す冷却管を備えることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
6. 請求項５に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記冷却水の温度が略３０〜９０℃であることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   不活性気体を用いることによって溶湯の燃焼を防ぐことを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記中空管の前記開口部から侵入する溶湯の温度が、液相線温度よりも略１５℃以上であることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋳造棒・管製造装置において、
   前記制御装置によって、前記中空管の前記開口部から侵入する溶湯の速度が、略１２０Ｌ／ｍｉｎであることを特徴とする鋳造棒・管製造装置。
10. 溶解したマグネシウム又はアルミニウムを主成分とする軽金属材料からなる鋳造材料を保持する溶湯炉と、
    溶湯が侵入する溶湯侵入部を有し、前記溶湯炉に対して挿入退避可能な中空管と、
    前記中空管を加熱する加熱装置と、
    前記中空管を冷却する冷却装置と、
    負圧を生成する減圧装置と、
    前記中空管と前記減圧装置との間を接続する接続部材と、
    前記接続部材に配設された開閉自在な弁部材と、
    を備え、
    前記接続部材に、前記中空管を取り外し可能とする連結部が備えられるとともに、
    前記中空管が、前記接続部材と接続される上端側と前記溶湯炉に挿入される開口部が形成された下端側において厚さを変化させるように構成されている鋳造棒・管製造装置を用いて、
    前記弁部材を閉鎖状態にして前記減圧装置により前記弁部材から前記減圧装置側を減圧し、前記中空管の前記開口部を前記溶湯炉に挿入するとともに前記弁部材を開放状態にすることで、前記溶湯侵入部が減圧されて前記溶湯侵入部内に溶湯が侵入し、侵入した溶湯を前記溶湯侵入部にて固化させることにより長尺状の部材を製造する鋳造棒・管製造方法において、
    前記中空管内に潤滑油を塗布することを特徴とする鋳造棒・管製造方法。