JP6804716B2 - ダイカスト方法及びダイカスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属をダイカストにより鋳造するダイカスト方法及びダイカスト装置に関する。

昨今、自動車をはじめとした輸送機器では、燃費向上を目的とした軽量化が求められており、鉄鋼材料部品を軽量材料部品に置き換えることが行われており、軽量材料の一つとして、アルミニウム合金が注目されている。

アルミニウム合金を所定形状とする加工方法には、板材、押出材、鍛造、鋳造、ダイカスト等の様々な加工法があるが、自動車部品として使用する際には、特殊な形状とされ、かつ強度が求められることが多いため、一般的には、鋳造あるいはダイカストが用いられていることが多い。

特に、ダイカストには、コールドチャンバー法とホットチャンバー法の２種類の方法がある。コールドチャンバー法では、アルミニウム合金を溶融させた溶湯を射出スリーブ内に注ぎ込んだ後に、射出プランジャーを介して溶湯を金型内に鋳込んでおり、高圧で鋳込むことができることから、鋳肌は平滑であり、また鋳物の寸法精度が高いことが知られている。一方、ホットチャンバー法では、アルミニウム合金を溶融させる溶解炉から溶湯を金型に直接鋳込んでおり、溶湯の品質を高く維持できることから理想的な鋳造組織を有する鋳物を作製できることが知られている。

本発明者は、アルミニウム合金ダイカストをコールドチャンバー法とホットチャンバー法とでそれぞれサンプルを作製し、組織の品質及び強度特性について調査してきた（例えば、非特許文献１参照。）。コールドチャンバ法によるアルミニウム合金ダイカストでは、アルミニウム合金の組織が粗く、共晶層が針状で形成されていた。一方、ホットチャンバー法によるアルミニウム合金ダイカストでは、アルミニウム合金の組織は球状であって、微細化していた。それぞれのサンプルの引張試験では、ホットチャンバー法のサンプルの方が、コールドチャンバー法のサンプルよりも引張強度が高かった。

M. Okayasu, S. Yoshifuji, M. Mizuno, M. Hitomi, H. Yamazaki, Comparison of mechanical properties of die cast aluminium alloys: cold v. hot chamber die casting and high v. low speed filling die casting, International Journal of Cast Metals Research 22(2009)374-381.

コールドチャンバー法では、上記した結晶構造の問題だけでなく、構造欠陥の一つである破断チル層が生じやすいという問題があった。破断チル層とは、射出スリーブ内に注ぎ込まれた溶湯が射出スリーブ内で凝固することで凝固層が生じ、この凝固層が金型内に押し込まれて製品組織に組み込まれることで生じる欠陥である。この破断チル層対策として、ホットチャンバー法が用いられているという事情がある。なお、強度が要求されない製品においては、上記の問題点が問題とされることがなく、製造コストの優位性からコールドチャンバー法が用いられている。

一方、ホットチャンバー法では、鋳造圧力が低いことによりひけ巣という構造欠陥が生じやすいという問題があった。ひけ巣とは、凝固収縮によって生じる構造欠陥であって、引き裂かれて割れたような孔が生じる欠陥であり、鋳造圧力を高めることで解消可能ではあるが、ホットチャンバー法において鋳造圧力を高めることが困難であった。

さらに、ホットチャンバー法では、溶湯を金型に直接鋳込む際に、溶解炉に浸漬させた射出スリーブを介して溶湯を金型に導いているが、高温の溶解炉に浸漬されたままとなる射出スリーブが劣化しやすいという問題があった。特に、アルミニウム合金の溶湯は高温であるため、射出スリーブとして高温耐性が高いセラミックス製の射出スリーブを使用することも検討されていたが、アルミニウム合金に含まれている鉄がセラミックスと化学反応することで射出スリーブへのアルミニウム合金の付着が生じ、高価である射出スリーブを比較的短期間で交換せざるを得ないという問題があった。そのため、一般的なスリーブ材を用いた射出スリーブとせざるを得ず、射出スリーブの劣化の問題を解決できていなかった。

発明者は、上記の現状を鑑み、ホットチャンバー法を改良することで、コールドチャンバー法が有する利点とホットチャンバー法の利点とを兼ね備えたダイカストを行うダイカスト方法及び装置を発明した。

本発明のダイカスト方法では、溶解炉で溶融させた金属を所定の金型に鋳込むダイカスト方法において、金型に着脱自在に装着可能とした射出スリーブを溶解炉に浸漬させることで射出スリーブ内に金属を充填する工程と、金属が充填された射出スリーブを金型に装着する工程と、射出スリーブ内の金属を射出プランジャーで金型内に鋳込む工程とを有することとした。

また、本発明のダイカスト装置では、溶融させた金属を貯留した溶解炉と、この溶解炉内の金属が鋳込まれる金型と、この金型と着脱自在であって溶解炉に浸漬可能として、溶解炉に浸漬させることで内部に金属が充填される射出スリーブと、金型に装着した射出スリーブ内の金属を金型内へ鋳込む射出プランジャーとを備えたダイカスト装置とした。

さらに、本発明のダイカスト装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）射出スリーブをタングステン製としていること。
（２）射出スリーブの内周面に、射出スリーブ内に充填した金属がその表面張力により侵入できない凹部を複数設け、この凹部に残存した空気を用いて断熱層を形成していること。
（３）金属がアルミニウム合金であること。

本発明によれば、射出スリーブは金型に対して着脱自在として、溶解炉に射出スリーブを浸漬させることにより射出スリーブ内に金属を充填し、この射出スリーブ内の金属を射出プランジャーで金型内へ鋳込むことで、コールドチャンバー法とホットチャンバー法の両方の利点を組み入れたダイカストを行うことができる。特に、射出スリーブは、必要なタイミングでのみ溶解炉に浸漬させることで、射出スリーブの劣化を抑制できる。

本発明に係るダイカスト装置の概略模式図である。 本発明に係るダイカスト装置の動作の説明図である。 本発明に係るイカスト装置の動作の説明図である。 射出スリーブの内周面に設けた凹部の説明図である。 射出スリーブの内周面に凹部を設けていない場合（左図）と、射出スリーブの内周面に凹部を設けた場合（右図）での射出プランジャーの射出抵抗の計測データのグラフである。

本発明のダイカスト方法及びダイカスト装置では、コールドチャンバー法における高い鋳造圧力という利点と、ホットチャンバー法における溶湯の品質を高く維持したまま鋳込みを行うという利点とを兼ね備えることで、高品質のダイカスト製品を製造可能としているものである。

図１に本発明のダイカスト装置の概略模式図を示す。

ダイカスト装置は、溶融させた金属を貯留した溶解炉11と、この溶解炉11内の金属が鋳込まれる金型12と、この金型12と着脱自在であって溶解炉に浸漬可能として、溶解炉に浸漬させることで内部に金属が充填される射出スリーブ13と、金型に装着した射出スリーブ内の金属を金型内へ鋳込む射出プランジャー14とを備えている。

溶解炉11は電気炉であって、所定量の金属を溶融させて溶湯を生成している。溶解炉11は、射出スリーブ13を浸漬させた際の溶湯の温度低下ができるだけ生じないように十分な容量を有していることが望ましい。

金型12は、複数の金型パーツを用いて成形空間12aを形成しており、この成形空間12aに金属が鋳込まれることで所定形状とした製品を形成可能としている。金型12には、射出スリーブ13の先端を嵌め込み可能とした装着部12bを設けており、この装着部12bを介して射出スリーブ13を着脱可能としている。

射出スリーブ13は筒状体であって、金型12の装着部12bに装着される先端側には射出口13aを形成している。射出スリーブ13の内部には、射出スリーブ13内を進退移動可能とした封止体13bを設けており、この封止体13bが射出プランジャー14によって射出口13aに向けて前進することで、射出スリーブ13内の金属を射出口13aから射出することとしている。図１中、符号13cは、射出スリーブ13内への金属の充填を速やかに行うための流入口である。

射出スリーブ13は、図示していないロボットアームの先端に装着しており、ロボットアームの操作によって射出スリーブ13の溶解炉11への浸漬と、射出スリーブ13の金型12への装着を行うこととしている。

射出プランジャー14は、射出スリーブ13の封止体13bを進退操作することで、射出スリーブ13内の金属の金型12内への鋳込みを可能としている。射出スリーブ13の封止体13bと射出プランジャー14の先端部分とは、適宜の連結機構を備えており、射出プランジャー14を前進させて射出スリーブ13内の金属を金型12内へ鋳込んだ後、射出プランジャー14を後退させる際に封止体13bも後退させて、封止体13bを初期位置にまで移動させている。

このように構成したダイカスト装置では、最初に射出スリーブ13を溶解炉11への浸漬させて、射出スリーブ13内に金属を充填する。このとき、射出スリーブ13が溶解炉11内の温度と同じ温度になるまで浸漬させておくことが望ましい。

射出スリーブ13内への金属の充填後、ロボットアームによって溶解炉11から射出スリーブ13を引き上げ、図２に示すように、射出スリーブ13を金型12に装着する。溶解炉11から射出スリーブ13を引き上げる際には、比較的ゆっくりと引き上げることで、溶融した金属の表面張力を利用して液切りを行っている。

射出スリーブ13を金型12に装着した後、図３に示すように、射出プランジャー14を駆動させて射出スリーブ13の封止体13bを前進させることにより、射出スリーブ13内の金属を金型12内に鋳込んでいる。

このように、金型12に着脱自在であって、かつ溶解炉11に浸漬可能とした射出スリーブ13を用いることで、溶解炉11内の溶融した金属を高温状態のまま鋳込むことができるとともに、射出プランジャー14によって高圧かつ高速で鋳込むことができる。したがって、例えば金属がアルミニウム合金であった場合には、鋳込まれて所定形状となった製品において、アルミニウム合金の結晶が微細化されているとともに球状化されており、しかも、鋳巣や破断チル層等の欠陥構造の発生を抑制できることから、高強度かつ高延性とすることができる。さらに、高圧力で鋳造することができることから、高い寸法精度を得ることができるとともに、製品表面に光沢を生じさせることができ、高品質化に寄与することができる。

特に、金属をアルミニウム合金とした場合には、射出スリーブ13はタングステン製とすることが望ましい。タングステン製の射出スリーブ13では、アルミニウム合金の射出スリーブ13への付着が生じることがなく、長期間安定的に使用することができることから、製造コストの低減に寄与することもできる。一般的なスリーブ材で作成した射出スリーブは、溶解炉11内に浸漬させたままの状態では、24時間以内に溶解してしまったが、タングステン製の射出スリーブ13は、溶解炉11内に１週間浸漬させた状態としても溶解することはなかった。

射出スリーブ13の内周面には、複数の凹部を形成している。この凹部は、射出スリーブ13内に溶融した金属を充填した際に、図４に模式的に示すように、金属Ｍの表面張力によって凹部13d内に金属が侵入できない大きさとしている。

このように、射出スリーブ13の内周面に金属が侵入できない凹部を形成することで、この凹部に残存した空気部分を断熱層と利用することができる。

この空気による断熱層によって、射出スリーブ13を溶解炉11から金型12まで移動させる間における射出スリーブ13内のアルミニウム合金の温度低下を防止することができるとともに、射出スリーブ13内のアルミニウム合金において温度差が生じることを抑制できる。

さらには、射出プランジャー14によって射出スリーブ13内の封止体13bを前進させる際の抵抗の低減効果を生じることができる。図５は、射出スリーブ13の内周面に凹部を形成していない場合（図５左側）と、凹部を形成した場合（図５右側）とで射出プランジャー14に作用する射出抵抗を計測した結果である。ここで、凹部は、射出プランジャー14の進退方向と平行な凹状溝として複数形成している。また、金属はアルミニウム合金である。射出スリーブ13の内周面に凹部を形成していない場合では、射出抵抗が不安定に変動しており、結果として射出圧力が不安定となるおそれがある。一方、射出スリーブ13の内周面に凹部を形成した場合では、射出抵抗が安定しており、安定した射出圧力でアルミニウム合金を射出できていることがわかる。

射出スリーブ13の内周面に形成する凹部は、金属の表面張力を勘案して、適宜の形状及び配設数、あるいは配設形態とすることができる。特に、凹部は多ければ多いほど空気層による断熱効果が高く、しかも、射出プランジャー14に作用する射出抵抗が小さくなる傾向が見られた。

11 溶解炉
12 金型
12a 成形空間
12b 装着部
13 射出スリーブ
13a 射出口
13b 封止体
13c 流入口
14 射出プランジャー

Claims (5)

1. 溶解炉で溶融させた金属を所定の金型に鋳込むダイカスト方法において、
   前記金型に着脱自在に装着可能としたタングステン製の射出スリーブを前記溶解炉に浸漬させることで前記射出スリーブ内に前記金属を充填する工程と、
   前記金属が充填された前記射出スリーブを前記金型に装着する工程と、
   前記射出スリーブ内の前記金属金を射出プランジャーで前記金型内に鋳込む工程と
   を有するダイカスト方法。
2. 溶融させた金属を貯留した溶解炉と、
   この溶解炉内の金属が鋳込まれる金型と、
   この金型と着脱自在であって前記溶解炉に浸漬可能として、前記溶解炉に浸漬させることで内部に前記金属が充填される射出スリーブと、
   前記金型に装着した前記射出スリーブ内の前記金属を前記金型内へ鋳込む射出プランジャーと
   を備えたダイカスト装置。
3. 前記射出スリーブをタングステン製としている請求項２に記載のダイカスト装置。
4. 前記射出スリーブの内周面には、前記射出スリーブ内に充填した前記金属がその表面張力により侵入できない凹部を複数設け、この凹部に残存した空気を用いて断熱層を形成している請求項２または請求項３に記載のダイカスト装置。
5. 前記金属がアルミニウム合金である請求項３に記載のダイカスト装置。