JPWO2007111257A1 - アルミダイカスト用給湯管 - Google Patents

Abstract

セラミックス製の内側管１０と、Ｎｉ合金層１３を内周面に有し該Ｎｉ合金層１３の表面にＴｉＣ粒子１４が付着した鋼材製外側管１２と、から給湯管本体を構成し、セラミックス製内側管１０の外周面と鋼材製外側管１２の内周面との境界部１９に重なる円環状の空間を形成する溝１８を給湯管本体の両端部に形成し、無機材料からなり加熱膨張する性質を有する繊維質シート１６を円環状の溝１８に全周にわたって挿着する。これにより、セラミックス管と鋼材管との組み合わせにより機械的な衝撃に強く、しかも、鋼材とセラミックスの材質の違いによる熱膨張差にかかららずアルミニウム溶湯の差し込みを防止できる。

Description

本発明は、溶解炉からダイカストマシンにアルミニウム溶湯を送るアルミダイカスト用給湯管に関する。

従来、ダイカストマシンでは、プランジャースリーブにアルミニウム溶湯を供給する方式としてラドル方式が広く用いられてきた。このラドル方式では、溶解炉から溶湯をラドルで汲み出してプランジャスリーブに給湯する。

近年では、ラドル方式に替わって、溶解炉とプランジャスリーブとを給湯管で直接つなぎ、この給湯管を通して溶湯をプランジャスリーブに供給する技術が注目されている。この給湯管方式は、従来のラドル方式に較べると、Ａｌの酸化被膜や破断凝固片の溶湯への混入を極めて少なく抑えられるため、より高品質なダイカスト製品を鋳造できる利点がある。

これまで、溶解炉とプランジャスリーブを接続する給湯管には、セラミックス製のパイプにヒータを巻き付けた構造のものが用いられていた。給湯管の材料にセラミックスを用いるのは溶損され難い材料であるからである。

一方、セラミックスは、溶湯に強い反面で、衝撃に対して弱く、運転中の振動やメンテナンス時の取り扱い過誤によって破損することがある。また、割れやすい性質であるため給湯管の接続部には十分な荷重を加えて締め付けられないので、接続部から溶湯が漏れることもあった。

ところで、本出願人は、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性を高めた部材として、鋼材製の基材表面にＮｉ合金層を形成し、このＮｉ合金層の表面にＴｉＣを粒子の状態で接合したアルミニウム溶湯接触部材を提案している（特開２００５−２６４３０６号公報）。

これまで、セラミックス製の給湯管は割れやすいという欠点に対処するため、セラミックス製あるいは黒鉛製のパイプの外側に鋼材管を嵌め合わせた構造をもつ給湯管が検討されている。しかし、鋼とセラミックス、黒鉛のそれぞれの熱膨張係数が大きく異なるので、熱膨張の相違によって、内外の管の間に大きな隙間が生じる。この隙間には、アルミニウム溶湯が簡単に差し込んでしまうので、短期間に鋼材管が溶損して穴が開いてしまう欠点がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、セラミックス管と鋼材管との組み合わせにより機械的な衝撃に強く、しかも、鋼材とセラミックスの材質の違いによる熱膨張差にかかわらずアルミニウム溶湯の差し込みを防止できるとともに、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性にも優れ、寿命を格段に延ばすことを実現できるようにしたアルミダイカスト用給湯管を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結するアルミダイカスト用給湯管において、セラミックス製の内側管と、Ｎｉ合金層を内周面に有し該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子が付着した鋼材製外側管と、から給湯管本体を構成し、セラミックス製内側管の外周面と鋼材製外側管の内周面との境界部に重なる円環状の空間を形成する溝を前記給湯管本体の両端部に形成し、無機材料からなる繊維質シートを前記円環状の溝に挿着したことを特徴とするものである。
前記繊維質シートは、その厚さ方向に加熱膨張する性質を有し、該繊維質シートをその膨張する方向が給湯管の半径方向になるように前記円環状の溝に全周に亘って挿着される。
本発明の好適な実施形態によれば、前記繊維質シートは、耐熱性無機繊維を主体に有機質バインダを混合して抄造されたシートからなり、あらかじめ前記円環状の溝の深さに対応した幅に裁断された細長いテープ形状のものが用いられる。

本発明によれば、鋼材製の外側管により、セラミックス製の内側管を機械的な衝撃から保護できるとともに、給湯管端部の接続部に十分な締め付け荷重をかけ、溶湯の漏れを防止できる。アルミニウム溶湯より加熱されて外側管が半径方向へ膨張すると、繊維質シートも同じ方向に追従して膨張するので、アルミニウム溶湯の差し込みを繊維質シートにより防止できる。さらに、万一、繊維質シートが効かなくなっても、外側管の内周面にはＴｉＣ粒子が密に散在しているため、耐溶損性が著しく高く、機械的な衝撃に強いことと、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性が両立し、寿命を格段に延ばすことを実現できる。

図１は、本発明によるアルミダイカスト用給湯管の一実施形態を示す横断面図である。 図２は、同アルミダイカスト用給湯管の縦断面図である。 図３は、図２のＡ部を拡大して示す図である。 図４は、ＴｉＣ粒子の付着状態を模式的に示す図である。 図５は、ＴｉＣ粒子の間にセラミックス粉末を付着された例を模式的に示す図である。 図６は、給湯管の端部における溝と内側管の外側管の境界部との位置関係の類型を示す図である。

以下、本発明によるアルミダイカスト用給湯管の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態によるアルミダイカスト用給湯管の構造を示す横断面図であり、図２は、同給湯管の縦断面を示す図である。これら図１、図２において、参照番号１０はセラミックス製の内側管を示し、参照番号１２は鋼材製の外側管を示している。外側管１２は内側管１０に嵌合することで、両者が一体構造の給湯管になっている。

内側管１０には、アルミニウム溶湯に対する耐溶損性に優れたセラミックスが材料に選択されており、内側管１０は長期間にわたって溶損に耐えることができる。このようなセラミックス材料には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＭｇＯ、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＺｒＯ2、サイアロンのいずれかを、すくなくとも１種類以上含むセラミックス材料を用いることが好ましい。

図３は、図２のＡ部を拡大して示す図である。鋼材製の外側管１２の内周面は全面にわたってＮｉ合金層１３で被覆されており、このＮｉ合金層１３の表面全体は無数の炭化チタン（ＴｉＣ）の粒子１４で覆われている。このＴｉＣ粒子１４は、Ｎｉ合金層１３の表面から一部が突き出るようにして、粒子の状態で付着している。

このようなＴｉＣ粒子１４は、次のようにして、鋼材製の外側管１２の内周面に付着させることができる。

まず、外側管１２の内周面には、溶射または焼結によりＮｉ合金層１３を形成しておく。そして、容器に入ったＴｉＣ粉末を用意し、ＴｉＣ粉末の中に外側管１２の全体が埋まるように入れておく。

次に、容器ごと外側管１２を加熱真空炉に入れて、加熱真空炉内でＮｉ合金から液相が発生する温度まで真空加熱し、Ｎｉ合金層１３の表面にＴｉＣ粒子１４を接合させる。加熱することによって、図３に示すように、Ｎｉ合金から生じる液相によりＴｉＣ粒子１４はＮｉ合金層１３の表面から突き出た状態で接合される。この場合、溶け出したNｉ合金によってＴｉＣ粒子１４全体が覆われてしまうのは好ましくない。ＴｉＣ粒子１４をＮｉ合金で完全に覆わずに、ＴｉＣ粒子１４の一部分がＮｉ合金層１３から表面に出ている状態で強固に接合させるためには、ＴｉＣ粉末中の粒子の平均粒径が１０〜５００μｍの範囲内にあることが好ましい。

Ｎｉ合金から発生する液相によって、ＴｉＣ粒子１４は、Ｎｉ合金層１３に高強度で接合し、さらに、Ｎｉ合金はＴｉＣ粒子１４との濡れ性もよいので、多くのＴｉＣ粒子１４を密に接合させることができるようになる。なお、図４では、ＴｉＣ粒子１４がひとつずつ平面的に並んでいるように模式的に表しているが、これに限定されるものではなく、実際にはＴｉＣ粒子１４は多層に重なり合っている場合もある。

ＴｉＣ粒子径が１０μｍよりも小さいと、ＴｉＣ粒子１４をＮｉ合金１３の液相にすべて覆われないようにする真空加熱中の温度管理が難しくなる。ＴｉＣ粒子１４がＮｉ合金の液相にすべて覆われてしまうと、ＴｉＣの優れた耐溶損性が発揮できなくなる。

他方、ＴｉＣ粒子径が５００μｍよりも大きくなると、Ｎｉ合金の液相が粒子の下部にしか行き渡らないために粒子との接触面積が不足し、接合強度が弱く簡単に粒子が脱落してしまう。

ＴｉＣ粒子同士の隙間には、図５に示されるように、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも一種類以上含むセラミックス微粒子１５が充填されていることが好ましい。

これらのセラミックス微粒子１５はバインダとの混合スラリーにしてＴｉＣ粒子１４に塗布して焼き付けることができ、ＴｉＣ粒子１４を接合しているＮｉ合金層１３の素地の耐溶損性を改善することができる。

次に、セラミックス製の内側管１０の両端部には、繊維質シート１６を挿着するための溝１８が周方向に形成されている。図２に示すように、セラミックス製の内側管１０に外側管１２を嵌合させた状態では、内側管１０の端面と外側管１２の端面は揃っており、溝１８は、端面に開口している円環状の空間を形成するようになっている。
図２に示すように、内側管１０と外側管１２の境界部１９と、内側管１０の端面にある溝１８とは、同心円的に重なるようになっている。そして、溝１８には、繊維質シート１６が挟み込まれている。

溝１８と境界部１９との関係は、内側管１０の端面の外周側部分を切り欠いて溝１８を形成する場合（図６（ａ））、外側管１２の端面の内周側部分を切り欠くことによって溝１８を形成する場合（図６（ｂ））、内側管１０と外側管１０のそれぞれ端面の一部を切り欠いて形成する場合（図６（ｃ））がある。図６（ａ）および図６（ｂ）は、溝１８と境界部１９が同心円で接することで重なる場合で、図６（ｃ）は、溝１８と境界部１９とが同心円で溝幅の範囲で重なる場合である。このように溝と境界部１９とが同心円的に重なる関係は、図６（ａ）乃至図６（ｃ）のような類型があるが、いずれであってもよい。

この実施形態では、繊維質シート１６は、加熱されると膨張する性質を有する無機材料の繊維からなるシート部材である。具体的には、例えば、ガラス繊維などの耐熱性無機質繊維を主体にして有機質バインダを混合して抄造したシートである。

繊維質シート１６には、図２に示すように、溝１８の深さに対応した幅をもつ細長いテープ状に裁断されたものを用いる。この場合、繊維質シート１６が熱膨張する方向は、シートの厚みの方向である。そして、繊維質シート１６を図１に示すように、溝１８に全周にわたって差し込むようにして挿着する。このような向きで繊維質シート１６を挿着すると、熱膨張する方向が給湯管の半径方向に一致するようになる。

以上のように構成されるアルミダイカスト用給湯管によれば、次のような作用効果が得られる。
第１に、本実施形態の給湯管では、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２を組み合わせて給湯管の本体を構成しているため、鋼材製の外側管１２により、セラミックス製の内側管１０を外部からの機械的な衝撃から保護できる。しかも、外側管１２が鋼材からなるため、給湯管を接続するときに、両端部の接続部に十分な締め付け荷重をかけられるので、溶湯の漏れを防止できる。

第２に、本実施形態によれば、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２の両端には、繊維質シート１６が挿着されている構造となっているので、アルミニウム溶湯が境界部１９に差し込むのを防ぐことができる。すなわち、給湯管はアルミニウム溶湯により加熱されると、セラミックス製の内側管１０と鋼材製の外側管１２とでは熱膨張係数に違いがあるので、外側管１２の方が大きく膨張する。この熱膨張には長さ方向への膨張と、半径方向への膨張とがある。外側管１２が半径方向へ膨張すると、繊維質シート１６も同じ方向に追従して膨張するので、隙間ができないように閉塞することができる。したがって、耐熱性の高い無機材料からなる繊維質シート１６によって、熱膨張による隙間からアルミニウム溶湯が内側管１０の外周面と外側管１２の内周面との境界部１９に差し込むのを防ぐことができる。

本実施形態の給湯管によれば、アルミニウム溶湯の差し込み防止は基本的に繊維質シート１６により十分果たされるが、万が一、繊維質シート１６が溶湯に侵されて境界部１９まで差し込んだ場合に備えている。すなわち、外側管１２と内側管１０の境界部１９では、撥溶湯性を発揮するＴｉＣ粒子１４を利用して、外側管１２の本体を構成する母材にアルミニウム溶湯が直接接触するのを防止し、耐溶損性を高めている。

しかもＴｉＣ粒子１４の一部分がＮｉ合金層１３の表面から突き出るようになっているので、アルミニウム溶湯との接触角が大きくなり、アルミニウム溶湯をはじく性質をより高めことができる。

そして、ＴｉＣが粒子の状態でＮｉ合金層１３に接合して密に散在している構造では、外側管１２が熱により膨張、収縮したときでも、ＴｉＣ粒子１４には大きな熱応力がかからないので剥離することなく、耐溶損性を長い間維持することができる。このように、繊維質シート１６が毀損して溶湯が差し込んでも、耐溶損対策が十分に講じられているので、溶損による溶湯漏れを防止できる。

なお、ＴｉＣ粒子１４が接合しているＮｉ合金層１３の素地それ自体は、耐Ａｌ溶損性が十分でないので、図５のように、セラミックス微粒子１５を付着させることで耐溶損性を改善することができる。さらに、ＴｉＣ粒子１４間の隙間にこれらの微粒子が付着しているので、アルミニウム溶湯が接触してもセラミックス微粒子１５は除去されにくい。なお、セラミックス微粒子１５は、ＴｉＣ粒子１４の突き出た部分の表面にも付着してもよい。
実施例

以上のように製作された給湯管をダイカストマシンの実機に取り付け、溶解炉から給湯管を通してアルミニウム溶湯を実機のプランジャスリーブに供給して鋳造サイクルを繰り返して行う耐久試験を行った。このときの試験条件は、溶湯はＡＣ４ＣＨ、溶湯温度７２０℃、給湯管ヒータ温度は７２０℃である。なお、耐久試験では、比較例１として、セラミックス製の給湯管（組成：７０％ＳｉＣ−３０％Ｓｉ3Ｎ4）を製作し、比較例２として、黒鉛製の管の外側にＳ４５Ｃを材質とする鋼材製の管に焼き嵌めした給湯管を製作した。そして、これらの比較例１、２についても、それぞれ実機に搭載し、同条件で耐久試験を行った。

試験の結果、比較例１では、約４０，０００ショットで給湯管接合部が破損し、溶湯が漏れ出し、比較例２では、約８，０００ショットで給湯管接合部が溶損し、溶湯が漏れ出した。比較例２の場合、比較的短期間で溶損が生じたのは、黒鉛製の管と鋼材製の管とでは熱膨張係数が大きく異なるため、両者の隙間に溶湯が差し込み、鋼材製の管が溶損されてしまったものと考えられる。これに対して、実施例の給湯管の場合は、２００，０００ショットを超えても、溶損等の不具合はみられず、なおも続行が可能であった。

Claims (9)

1. ダイカストマシンのプランジャスリーブと溶解炉を連結するアルミダイカスト用給湯管において、
   セラミックス製の内側管と、Ｎｉ合金層を内周面に有し該Ｎｉ合金層の表面にＴｉＣ粒子が付着した鋼材製外側管と、から給湯管本体を構成し、セラミックス製内側管の外周面と鋼材製外側管の内周面との境界部に重なる円環状の空間を形成する溝を前記給湯管本体の両端部に形成し、無機材料からなる繊維質シートを前記円環状の溝に挿着したことを特徴とするアルミダイカスト用給湯管。
2. 前記繊維質シートは、その厚さ方向に加熱膨張する性質を有し、該繊維質シートを、その膨張する方向が前記給湯管の半径方向に合うように前記円環状の溝に全周に亘って挿着したことを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
3. 前記繊維質シートは、耐熱性無機質繊維を主体に有機質バインダを混合して抄造されたシートからなることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
4. 前記繊維質シートは、あらかじめ前記円環状の溝の深さに対応した幅に裁断された細長いテープ形状を有することを特徴とする請求項３に記載のアルミダイカスト用給湯管。
5. 前記セラミックス製の内側管は、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ａｌ2ＴｉＯ5、ＺｒＯ2、サイアロンのいずれかを、すくなくとも１種類以上含むセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
6. 前記溝と、前記外側管の内周面と内側管の外周面との境界部とが、同心円的に溝幅の範囲内で重なり合い若しくは接するように、前記外側管と内側管の双方若しくは一方に溝が加工されたことを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
7. 前記ＴｉＣ粒子の平均粒径が１０〜５００μｍであり、かつ粒子がＮｉ合金に完全に覆われずに粒子の一部が表面から突き出ている状態であることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
8. 前記Ｎｉ合金の組成は、Ｂ：２．６〜３．２（％）、Ｍｏ：１８〜２８（％）、Ｓｉ：３．６〜５．２（％）、Ｃ：０．０５〜０．２２（％）、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のアルミダイカスト用給湯管。
9. 前記ＴｉＣ粒子同士の隙間に窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を少なくとも１種以上含む粉末を付着させたことを特徴とする請求項１または４に記載のアルミダイカスト用給湯管。

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