WO1989003263A1

WO1989003263A1 - Cylinder for die casting

Info

Publication number: WO1989003263A1
Application number: PCT/JP1988/001018
Authority: WO
Inventors: Shingo Nogami; Toshinori Yashiro; Toshio Okitsu; Kiyoshi Furushima; Itsuo Korenaga
Original assignee: Hitachi Metals, Ltd.
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1989-04-20
Also published as: GB2228696A; GB8912932D0; US5010946A; GB2228696B; DE3890863C2

Description

明細ダイカスト用シリンダ技術分野

本発明は、例えばアルミニウム合金等の非鉄金属用ダイカストマシンの溶融金属射出用のシリンダに関し、特に金属材料からなる外筒内にセラミック材料からなる内筒を嵌着してなる複合構造のダイカストシリンダに関するものである。背景技術

一般にコ一ルドチヤンパ'型のダィカストマシンにおける射出装置を構成するシリンダは、軸線を水平にして、端面近傍の側面上方に注入口を開口し、注入口から溶湯金属を供給し、シリンダ内を摺動するピストンによつてシリンダと連通する金型キヤビティ内に溶融金属を射出するようになっている。従ってシリンダの内面は、特に前記注入口直下において溶融金属が直接に落下衝突するため、溶損を生じたり、ピストンの摺動により摩耗を生じたりすることが多い。れらの溶損や摩耗によつてシリンダの内面が損傷すると、シリンダとピストンとの間に溶融金属が侵入してビストンの摺動抵抗が増大し、射出速度を低下させるため製品の品質の低下にもつながると iノt、 }r ヽ作業性の低下およびシリンダの内面の損傷を更に増大させることとなる。またシリンダとピストンの摺動抵抗の低減若しくは焼付き防止のために多量の潤滑剤を使用すると、溶融金属への不純物混入の原因となって製品品質を低下させることとなるため好ましくない。

このため従来から H _R C 65 ( H v 832 )程度の硬さを有する窒化鑭製のシリンダが使用されている。このような窒化鑭製のシリンダの使用により、シリンダ内面の摩耗や溶損が餒減されるが、シリンダの耐久性やこのシリンダを使用して鐃造した製品の品質の点では未だ不充分な点がある。

そこでビストンが嵌入する鑭製シリンダの内周面に耐熱、耐摩耗性を有するセラミック製円筒を嵌着したダイカスト用シリンダが提案された。

米国特許第 3， 664, 411 号は、溶湯金属に対して耐食性及び耐熱疲労性を有するセラミック製内層と金属製ケ一シングとを有し、セラミック製内層は僅かにテーパーした外面を有するとともにケーシングは相補的にテーパーした内面を有し、内層をケーシング内に組み込むことにより内層が全長にわたってケーシングに半径方向に押圧された状態になることを特徵とするダイカスト用シリンダを開示していな

また特開昭 53 - 70034号は、溶湯射出用シリンダ内部に、セラミックで形成された複数個の分割スリーブを組み合わせて設けるようにしたことを特徵とするダイキャスト装置を開示している。

また特開昭 6 1 - 67555号は、溶湯射出用ス 1) ーブを内面シリンダと外面シリンダとの二重構造に構成すると共に、そ -れら内面シリンダと外面シリンダとの間に冷却水ジャケットを形成したことを特徵とするダイカスト射出スリーブを開示している。

さらに特開昭 6 1 - 1 0 3 6 5 8 号は、ビストンが嵌入する外筒の内周面の、少なくとも溶湯注入孔の近傍に、セラミックスまたはサーメットなどの超耐熱、超耐摩耗性を有する非鉄金属材料からなる内筒を適宜の締め代をもつて嵌着するとともに、前記外筒に熱媒体の導入可能な穴を 1 個または複数個設けたことを特徴とする型銹造機用射出シリンダを開示している。

上記のようにシリンダ内にセラミックの内筒を嵌着した構成のものは、耐摩耗性および耐食性を改善する面においては極めて有効であるが、シリンダ内に注入された溶融金属の温度が低下してしまうという点においては、未だ改良する余地がある。すなわち、ダイカスト法においては、一般に溶融金属の温度ができるだけ凝固温度に近い状態で鍀造する傾向にあるため、溶融金属の温度低下を防止するためにシリンダには上記特性の他に優れた断熱性、すなわち保温性が要求される。この点セラミック製円筒を嵌着したシリンダは、従来の鐧製シリンダと比較すると、断熱性、保温性を若干向上させるものの、ダイカスト法における要求を充分に満足するまでに至っていない。

またシリンダ内に溶融金属を注入した際、溶融金属と接触する下部が優先的に加熱されるため、熱膨張の差により、シリンダが上方にわん曲する傾向を示す。このためセラミック製円筒に亀裂や破損が起こるという問題が生じた。この問題を解決するには、やはり断熱性、保温性を良好にする必要がある。すなわち、溶融金属との接触により温度上昇するセラミック製円筒が、金属製外筒と十分に断熱されていれば、金属製外筒の温度上昇は僅かであり、それに伴って熱膨張の差に基づくわん曲度を小さくすることがでる。

以上に鑑み、本発明の目的は、セラミック製円筒と金属製外筒からなる複合型ダイキャスト用シリンダにおいて、セラミック製円筒と金属製外筒との断熱性、保温性が向上した構造のものを提供することである。発明の開示

本発明のダイカスト用シリンダは、金.属製外筒とセラミック、製内筒とを有し、前記外筒と前記内筒との境界部に複数個の空孔部が設けられていることを特徵とする。図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の一実施例によるダイカスト用シリンダを有するダイカスト装置を示す縱断面図であり、

第 2 図は本発明の一実施例によるダイカスト用シリンダの金属製外筒とセラミック製円筒との境界部における空孔部を示す一部拡大断面図であり、

第 3 図は本発明の別の実施例による空孔部を示す一部拡大断面図であり、

第 4 図はセラミック製円筒と金属製外筒の温度降下を示すグラフであり、（a)は空孔部がない場合を、（b)は空孔部がある場合を示し、 . 第 5 図（a)は、シリンダ先端部 £ においてセラミック製円筒の外面が拡大している例を示す部分断面図であり、

第 5 図（b)は、シリンダ先端部 £ において金属製外筒の内面が縮径している例を示す部分断面図であり、

第 6 図は、本発明のさらに別の実施例によるダイカスト用シリンダを有するダイカスト装置を示す縦断面図であり、第 7 図は、本発明のさらに別の実施例によるダイカスト用シリンダを示す縦断面図である。発朋を実施するための最良の形態

第 1 図は、本発明の一実施例によるダイカスト用シリンダを有するダイカスト装置を示す。ダイカスト装置は固定盤 1 と、固定盤 1 に着脱自在に固定されたシリンダ 2 と、固定盤 1 に固定された固定型 3 と、固定型 3 に対して移動自在な可動型 4 とを有する。可動型 4 にはキヤビティ 5 が穿設されているとともに、固定型 3 にはキヤビティ 5 とシリンダ 2 に連通する湯口 6 が設けられている。

シリンダ 2 は金属製外筒 2 1とセラミック製円筒 2 2とからなり、その後端部付近の上部に溶融金属注入口 2 3が形成されている。またシリンダ 2 の後端部からピストンチップ 7 が摺動自在に挿入されており、ピストンチップ 7 はピストンロッド 8 によりシリンダ 2 内を摺動自在に前後動する。

このような構成のシリンダ 2 において、まず溶融金属を注入口 2 3よりシリンダ 2 内に注入し、ピストンチップ 7 により型方向に押す（ 7 a参照）。ピストンチッ.プ 7 の押圧により溶融金属は金型キヤビティ 5 内に進入し、凝固することにより所定の形状の成形品が得られる。

本発明においては、金属製外筒 2 1とセラミック製円筒 22 との境界部に複数の空孔部 24が形成されていることを特徴とする。第 2 図はその好ましい一例を示す。第 2図の例においては、空孔部 24は半円形状の断面を有する条溝であり、各空孔部 24の幅（開口サイズ） a と隣接空孔部 24の間隔 b との間には以下の闋係が満たされていることが好ましい。

a/ b = 1 ： 1 〜 6 ： 1 · · · (1)

a ： b が 1 に近づくにつれて空孔部 24による断熱保温効果が小さくなり、 a/ b < 1 ： 1 では不十分となる。一方 a ： b が大きくなると外筒 2 1の焼嵌めによる圧縮力のために、セラミック製円筒 22にかかる剪断力が大きくなる。内筒 22の破壊防止には a/ b Q上限は 6 ： 1 である。

—方、セラミック製円筒 22の肉厚 t と空孔部 2 4の幅 a との闋係については、

a ≤ t ♦ · · (2)

であることが好ましい。 a > t となると、やはりセラミツク製円筒にかかる剪断力が大きくなりすぎるために、内筒 22の破壊のおそれがでてくる。一方空孔部 24が小さすぎると、たとえ以上の要件を満たしていても断熱保温性が十分とならないので、空孔部 24の幅（直径） a が l m m以上であるのが望ましい。

なお空孔部 24は条溝により構成するのが好ましく、この条溝は複数の円周方向溝からなる場合でも、螺旋条溝からなる場合でも、又はシリンダの長手方向に延在する複数の溝からなる場合でもよい。いずれの場合で-も、上記要件（1)、 (2)を満たすのが好ましい。

第 3 図は本発明の別の実施例による空孔部 25を示す。本実施例においては、空孔部 25は三角形状断面を有し、第 2 図と同様に円周状条溝、螺旋状条溝又は長手方向の条溝からなる。

第 2 図及び第 3 図に条溝の好ましい形状を示したが、本発明においてはこれらに限定されることなく、例えば長方形状、正方形状、台形状等の断面を有する条溝により空孔部を形成することができる。

なお各条溝の幅 a と間隔 b は、上記式（1)、（2)の要件を満たすようにするが、具体的には各条溝の幅 a は 1 〜 6 m m、間隔 b は 1 〜 3 m m程度で、条溝の深さは 0. 2 ~ l m mとするのが好ましい。

以上に説明した空孔部は金属製外筒 2 1とセラミック製円筒 22の境界部全長にわたって存在させるのが好ましいが、特に温度上昇の大きな部分だけ設けるようにしても構わない。また加工上空孔部を金属製外筒の内面に形成するのが好ましいが、場合によってはセラミック製円筒の外面に設けても良い。

第 4 図は空孔部による断熱保温効果を示す。（a)に示すように、空孔部が存在しない場合、セラミック製円筒 22の内面と金属製外筒 2 1の外面との温度差 Δ Τ οは余り大きくないが、空孔部 24が存在する場合（（b) ) 、断熱保温効果により温度差厶 Τ ,は非常に大きくなる。これにより、（a)、（b)の場合の金属製外筒の温度を比較すると、（b)の場合の方がはるかに温度が低いことがわかる。従って、（b)の場合、金属製外筒の熱膨張が小さく、シリンダのわん曲が低減し、それに伴ってセラミック製円筒 22の破損のおそれも低減する。

次に外筒 21と内筒 22とは、焼嵌め率 Γ Ζ 1000〜 6 Ζ 1000 で焼嵌め固着するが、このような構成にすることにより、溶融金属を注入した際に内筒 22と外筒 2 1との膨張差に起因する固着のゆるみを防止することができる。第 1 図に示す内筒 22内に溶融金属を注入した後、ピストン 7 を作動させた場合、内筒 22内に溶融金属が充満されるから、内筒 22は加熱されて膨張するが、さらに外筒 21も伝熱により加熱されて膨張しょうとする。この場合熱膨張係数は金属製外筒 21の方が、セラミック材料からなる内筒 22より大きいため、上記加熱の場合に、両者の膨張差によって焼嵌めがゆるむ。しかしながら上記加熱に伴う熱膨張差が発生し、ても焼嵌め率がこの熱膨張差を吸収するように設定しているため、前記外筒 21と内筒 22との間の固着のゆるみを防止するのである。更に本発明のシリンダに'おいては、内筒 22と外筒 21との境界部に靳熱保温性のある空孔部 24が設けられているため、外筒 21の温度上昇が小さく：従って熱膨張が小さい。このため両者間のゆるみを防止する機能は更に向上してい ο

更に上記焼嵌め率により、圧縮応力が内筒 22に付与されているので、ピストンの作動により溶融金属を射出する場合の液圧により、内筒 22に作用する引張応力を打ち消すように働く。これによつて上記引張応力に起因する内筒 22の割れ発生を防止できる。

第 5 図（a)及び（b)は本発明のさらに別の実施例による内筒 22及び外筒 2 1の形状を模式的に示す断面図である。第 5 図 (a)においては、内筒 22の先端部 £ の外径は拡大しており、他の部位の外径は漸次減少している。一方外筒（図示せず）の内径は全長に直って同一寸法とし、先端部の範囲においては内筒 22を補強するに十分な嵌合率（焼嵌め率）、例えば 2 Z 1000〜 6 Z 1000を確保し得るようになつている。従って上記先端部 ^ 以外の部位における嵌合率は上記値より僅かに小さくなっている。

上記のように形成することにより、射出圧が印加される上記先端部 ^ の範囲においては内外筒間に十分な嵌合率が確保され、内筒 22に対する補強作用を発揮することができる。従って射出圧の印加、熱膨張差その他に起因する内筒 22内の引張応力の発生を防止することができ、クラックの発生を防止し得る。一方上記先端部以外の部位における嵌合率は上記 ^ の範囲におけるものより小さいため、注入口 23の近傍における内筒 22のクラック発生を防止し得る。また特に溶融金属を注入後、射出に移行する間に、シリンダ 2 の下部が加熱される結果、外筒 21と内筒 22との熱膨張差が発生するが、内外筒間の嵌合率が小であるため、前記熱膨張差を十分に吸収することができ、望ましくない熱応力の発生を防止することができる。

第 5 図（b)は外筒 2 1の内径を先端部 £ において同一直径とし、他の部位の内径を漸次増大させた場合を示している。この場合には内筒（図示せず）の外径は全長にわたって同一寸法とし、前記先端部 ^ の範囲においては、内筒を補強す.るに足る十分な嵌合率を確保するようにする。このような構成の場合の作用は第 5 図（a)の場合と同じである。

以上のような構成により、セラミック材料からなる内筒を十分に補強する一方において、射出圧の印加されない部位の拘束力を緩和させ得る結果、注入口近傍におけるクラックの発生を完全に防止し得る。この結果セラミック材料本来の耐摩耗性、耐食性及び断熱性等の諸特性を十分に発揮させることができ、ダイカストスリーブの耐久性、ダイカスト製品の歩留り、エネルギーコストの改善に著しく貢献し得る。

第 6 図は、本発明のさらに別の実施例によるダイカスト用シリンダで、先端部に金属製内筒を有するものを示す。ダイカスト用シリンダ 52は固定盤 51に着脱自在に固定され、固定盤 51には固定型 53が固定されているとともに、可動型 54が固定型 53に対して開閉き在に設けられている。シリンダ 52は金属製外筒 59とセラミック製内筒 60とからなり、また分割型で、先端部は先端フランジ 62を有する金属'製外筒 61と金属製内筒 63とからなる。

ラドル 56から溶融金属 58をシリンダ内に注入し、ピ'ストン 57によりキヤビティ 55内に圧入する。この際シリンダ先端部では、ピストン 57に押圧された溶融金属 58の圧力が非常に高くなるので、内筒の破損のおそれがでてくる。従つて、先端部の破損を完全に防止するためには、先端部における内筒として金属製のものを使用するのが好ましい。また先端部の内筒を金属製とすることにより溶融金属の冷却効果が向上し、キヤビティ内の溶融金属の凝固時間が短縮され、ダイカストサイクルが短縮されるという利点も得られる。

第 7 図は金属製外筒 72内に水路 77を設けることにより金属製外筒 72の温度上昇を防止したダイカストシリンダ 71の例を示す。このシリンダ 71の基本的構造は第 1 図のものと同じであり、金属製外筒 72とセラミック製内筒 73と注入口 74とを有し、またシリンダ内には、ビストンロッド 76の先端部に固定されたビストンチップ 75が摺動する。水路 77は、例えば螺旋状であっても、長手方向に延在するものであつてもよい。さらに長手方向の場合、隣接する水路の各端部が連結して、全体として 1 本の水路となるように構成したものでもよい。また水路の給水口と排水口はそれぞれ必要に応じ 2 つ以上設けることにより、冷却効果を上げることができ、る。

以上の構造のダイカスト用シリンダを構成するセラミック製内筒としては、種々のセラミック製のものを用いることができるが、耐熱性、耐焼付性、耐熱衝擊性等の観点から、窒化珪素系セラミック又はサイアロンにより形成したものが好ましい。

窒化珪素系セラミック又はサイァロンの典型的な組成は、

Si₃N ₄ 70重量％以上と、周期律表 Π a 又は H a 属元素の酸化物のなかの 1 種以上 20重量％以下と、 Α£ ₂ϋ ₃ 20重量％ ^下と、 Α£ Ν 固溶体（Α^ Ν - Si₃N₄ - Α ₂0₃ 系）もしくは A i N10重量％以下からなり、これらの混合物を焼結して得られる。前記窒化珪素又はサイァロン製の内筒は原料粉末を冷間静水圧プレスで成形した後、常圧で焼結し、所定の寸法に加工することにより形成することができる。このセラミック製内筒は曲げ強度 50kg Z mm ² 以上、密度が理論密度の 90%以上、水中投下法による耐熱衝撃温度△ T = 300 X： £ 上を有する。

また外筒は工具鐦により形成するのが好ましいが、その他にも構造用鑭、合金鑭又は非鉄金属等により形成することができる。

実施例 1

Si₃N₄ 87重量％と、 Y ₂0₃6 重量％と A ₂0₃ 4重量％と A^ N 固溶体 3 重量％とからなるサイアロン製の内筒（外径 75mra、内径 60ram、長さ 230 mm) に、 SKD- 61製の外筒（外径 115 mm、内径 75mm、長さ 250 mm) を焼嵌めにより固着した。なお外筒の内面には、半円形状断面の条溝（幅 2 mm、深さ 0.5 ram) を 1 ramの間隔で円周状に設けた。また得られたシリンダの後端部上部に溶融金属注入口を設けた。

このような構造のシリンダを第 1 図に示す構造のダイ力スト装置（型締力 800t) に装着し、 760 tのアルミニウム合金溶湯を使用して、铸造サイクル 72秒、硬化時間 20秒の籙造条件でダイカストを行った。その結果、 100, 000 ショット以上の使用に耐え、ほとんど損傷が発生しないとともに、断熱保温効果が極めて良好であることを確認した。実施例 2

実施例 1 と同じサイァロン製内筒及び SKD- 61製外筒を用い、外筒の内面形状を第 5 図（b)に示すようにすることにより、嵌合率を先端部において 4 Z 1000とし、その他の部分においては 4 Z1000〜 1.5/1000とした。

このような構造のシリンダを用い、実施例 1 と同じ条件でダイカストを行ったところ、 150 , 000 ショット以上の使用に耐え、注入口近傍におけるクラックの発生は皆無であつ o 産業上の利用分野

本発明のダイカスト用シリンダは、金属製外筒とセラミック製内筒との境界部における空孔部により優れた断熱保温性を有するために、溶融金属の注入によっても金属製外筒の温度上昇を低く抑えることができ、もって溶融金属が接触するシリンダ下部と接触しないシリンダ上部との間の熱膨張の差を低減し、シリンダの上向きのそりの発生を防止することができる。これによりセラミック製内筒の破損を有効に防止することがきる。

また断熱保温効果により、薄肉部を有する鐃造製品であっても、湯廻り不良の発生を防止して、良質なダイカスト品を製造することができる。

また溶融金属の温度を必要以上に高める必要がないため、従来経験された過熱による溶融金属の酸化もしくはガス含有量の増大等の不良を激減することができる。

さらに、セラミックス製内筒の破損を防止したために、シリンダの寿命を大幅に延長させることができる。

以上のような特徴を有する本発明のダイカスト用シリンダは、アルミニウム合金等の非鉄金属用のコールドチャンバ型ダイカストマシンに用いる.のに特に好適である。

Claims

請求の範囲

1 . 金属製外筒と、セラミック製内筒とを有し、前記外筒と前記内筒との境界部に複数個の空孔部が設けられていることを特徵とするダイカスト用シリンダ。

2 . 請求の範囲第 1 項に記載のダイカスト用シリンダにおいて、前記空孔部が前記外筒の内面又は前記内筒の外面に設けられた条溝であり、前記条溝の幅 a と前記条溝の間隔 b との比 a / b が 1 ： 1 〜 6 ： 1 の範囲内であることを特徵とするダイカスト用シリンダ。

3 . 請求の範囲第 1 項又は第 2 項に記載のダイカスト用シリンダにおいて、射出圧が印加されるダイキヤビティ側端部近傍における前記外筒と前記内筒の嵌合率が、他の部位における嵌合率より大きいことを特徵とするダイカスト用シリンダ。

4 . 請求の範囲第 1 項又は第 2 項に記載のダイカスト用シリンダにおいて、ダイキヤビティ側端部における内筒が金属製であることを特徵とするダイカスト用シリンダ。

5 . 請求の範囲第 1 項乃至第 4 項のいずれかに記載のダイカスト用シリンダにおいて、前記金属製外筒内に冷却水路を有することを特徵とするダイカスト用シリンダ。

6 . 請求の範囲第 1 項乃至第 5 項のいずれかに記載のダイカスト用シリンダにおいて、前記セラミック製内筒が窒化珪素系セラミック又はサイァロンからなり、曲げ強度 5 0 kg m ra ² 以上、密度が理論密度の 90 %以上、水中投下法による耐熱衝撃温度△ T == 300 で以上を有することを特徵とす

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