(57)【要約】【課題】金型等の必要な部分にだけ限定的に機械的振動を与え、鋳造欠陥の発生を抑制した鋳物製品を鋳造することの可能な振動凝固鋳造法の提供を課題とする。【解決手段】振動凝固鋳造法に使用される金型１は、キャビティ３及びロッド挿孔部４が貫設された金型本体５と、キャビティ３の内壁面５ａに対し、所定のクリアランスを保持し、キャビティ３の内部に収容された振動中子６と、ロッド挿孔部４に対して摺動可能に形成され、一端部７ａが振動中子６と接続し、他端部７ｂがロッド挿孔部４から金型本体５の外部に突出させた振動ロッド７と、長手方向に沿って振動ロッド９を直線往復運動させることにより、一端部９ａと接続された振動中子６を振動させるロッド振動部８とを具備する。上記構成により、振動伝達と振動抑制の互いに相対する付勢力を生じさせ、振動に必要な部分に限定して機械的振動を与えることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温で溶解した溶湯をランナを通じて振動凝固鋳造法の鋳造金型のキャビティに流し込み、充填する溶湯充填工程と、
充填された前記溶湯を前記キャビティ内で冷却し、凝固させる溶湯凝固工程と、
溶湯凝固工程によって前記溶湯の凝固が進行する同一のタイミングで、前記キャビティに所定のクリアランスを保持して収容された振動中子を振動させる中子振動工程と
を具備することを特徴とする振動凝固鋳造法。
【請求項２】
請求項１に記載の振動凝固鋳造法に使用される鋳造金型であって、
内部に溶湯の充填されるキャビティが形成され、前記キャビティと連通するロッド挿孔部が貫設された金型本体と、
前記キャビティの内壁面に対して所定のクリアランスを保持し、前記キャビティ内で振動可能に収容された振動中子と、
前記ロッド挿孔部に摺動可能に嵌設され、一端部が前記キャビティ内の前記振動中子と接続し、他端部を前記金型本体から突出させた棒状の振動ロッドと、
前記振動ロッドを長手方向に沿って直線往復運動させることにより、前記一端部と接続された前記振動中子を前記キャビティ内で振動させるロッド振動手段と
を具備することを特徴とする振動凝固鋳造法の鋳造金型。
【請求項３】
前記振動ロッドを前記金型本体から前記他端部が離間する方向に付勢するロッド付勢手段をさらに具備し、
前記ロッド振動手段は、
前記ロッド付勢手段による前記振動ロッドの付勢方向に相対し、前記振動ロッドの前記他端部を前記金型本体に近接する方向に付勢する逆付勢手段をさらに有し、
前記振動ロッドの前記他端部と前記ロッド振動手段は、
前記ロッド付勢手段及び前記逆付勢手段による互いに相対する付勢力によって当接状態が保持されることを特徴とする請求項２に記載の振動凝固鋳造法の鋳造金型。
【請求項４】
請求項１に記載の振動凝固鋳造法に使用される振動凝固鋳造装置であって、
内部に溶湯の充填されるキャビティが形成され、前記キャビティと連通して貫設されたロッド挿孔部、及び前記キャビティの内壁面に対して所定のクリアランスを保持し、前記キャビティ内で振動可能に収容された振動中子を有する振動凝固鋳造法の鋳造金型と、
前記ロッド挿孔部に摺動可能に嵌設され、一端部が前記キャビティ内の前記振動中子と接続し、他端部を前記振動凝固鋳造法の鋳造金型から突出させた棒状の振動ロッドと、
前記振動ロッドを長手方向に沿って直線往復運動させることにより、前記一端部と接続された前記振動中子を前記キャビティ内で振動させるロッド振動手段と
を具備することを特徴とする振動凝固鋳造装置。
【請求項５】
前記振動ロッドを前記金型本体から前記他端部が離間する方向に付勢するロッド付勢手段をさらに具備し、
前記ロッド振動手段は、
前記ロッド付勢手段による前記振動ロッドの付勢方向に相対し、前記振動ロッドの前記他端部を前記金型本体に近接する方向に付勢する逆付勢手段をさらに有し、
前記振動ロッドの前記他端部と前記ロッド振動手段は、
前記ロッド付勢手段及び前記逆付勢手段による互いに相対する付勢力によって当接状態が保持されることを特徴とする請求項４に記載の振動凝固鋳造装置。
【請求項６】
前記振動凝固鋳造法の鋳造金型は、
前記キャビティに連通する複数の前記ロッド挿孔部が貫設され、
前記ロッド挿孔部にそれぞれ摺動可能に嵌設された複数の前記振動ロッドの前記他端部は、前記ロッド振動手段と接続していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の振動凝固鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動凝固鋳造法及びその鋳造金型、振動凝固鋳造装置に関するものであり、特に、アルミニウム合金等からなる鋳物製品を鋳造する際の溶湯の凝固を、金属組織が微細化するように制御し、鋳巣欠陥の発生を防止することが可能な振動凝固鋳造法及びその鋳造金型、振動凝固鋳造装置（以下、それぞれ「振動凝固鋳造法」、「金型」、「鋳造装置」と称する）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高温で溶解したアルミニウム合金の溶湯を金型（金型或いは砂型等）のキャビティに充填し、液相から固相へと凝固させることによってアルミニウム合金からなる鋳物製品を鋳造することが行われている。ここで、高温で溶解された溶湯を凝固させる場合、冷却過程において「熱間割れ」や「巣」などの欠陥が集中して発生することを防止するため、微細化したマクロ結晶粒からなる金属組織を有する鋳物製品にする試みがなされている。係る微細化は、鋳物製品自体の強度及び耐圧性等の力学的特性を向上させることができる。さらに、加工面の鋳造巣欠陥の防止をすることができる。ここで、マクロ結晶粒は、一般に光学顕微鏡下で観察可能な程度の大きさの粒が一般的に認識されているものである。
【０００３】
ここで、アルミニウム合金を鋳造する際に、金属組織のマクロ結晶粒を微細化する手法として、１）急冷処理、２）微細化剤の添加処理、３）振動処理の三つの手法があることが古くから知られている（非特許文献１参照）。なお、１）急冷処理は、比較的簡易に実施することが可能であるものの、それぞれの鋳物製品において、製品形状に対する各部位の肉厚の違い等によって、鋳物製品の全体が均一に微細化しないことがある。一方、２）微細化剤の添加処理は、溶湯中に結晶粒の微細化剤を投入することによって、微細化を促進することができる。
【０００４】
ところが、全ての鋳物製品に対して所定比率の微細化剤を投入することは、係る微細化剤のコスト、及び投入作業等の煩雑な工程が増えることになる。そこで、比較的簡易な構成で形成され、かつ製造コストの増加もそれほど大きくないものとして、３）振動処理の手法がマクロ結晶粒の微細化技術のために期待されている。ここで、金型に振動を付加することにより、インゴットのような比較的単純な形状の鋳物製品を鋳造する技術は、既に開示されており、特に、金型に対して縦振動を与え、水平の振動に起因する「割れ」の鋳造不良を防止することに効果を有することが記載されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、鋳物製品に発生する鋳巣欠陥を軽減するため、１）製品形状、押し湯位置または堰の位置、サイズ等を適切に配列し、凝固方向の指向性を考慮するもの、或いは溶湯を構成する合金の組成或いは溶湯に含まれる不純物の成分比率を適切に管理することが挙げられている。また、機械的な振動が結晶粒の微細化に効果があることが証明されている（非特許文献２参照）。
【０００６】
本願出願人らは、上記課題を解決するために、溶湯の凝固の進行に応じて金型自体を振動させ、溶湯の凝固を制御する新規な振動凝固鋳造法の鋳造金型及びその鋳造法を開発し、既に特許出願を行っている（特許文献３参照）。これにより、溶湯の凝固過程において、マクロ結晶粒を微細化することが可能となり、鋳巣欠陥を軽減することが可能できる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１５６５０５号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６１９０号公報
【特許文献３】特開２００６−３１５０４６号公報
【非特許文献１】鹿取一男・小林一典編、「現場の鋳造」、アグネ社、１９６９、ｐ６９
【非特許文献２】Ｈａｒｏｌｄ  Ｗ．  Ｋａｅｈｌｅｒ、「ＫＡＩＳＥＲ  アルミニウム鋳物」、ＫＡＩＳＥＲ  ＡＬＵＭＩＮＵＭ  ＆  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＳＡＬＥＳ，ＩＮＣ．、社団法人軽金属協会、昭和４２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の振動凝固鋳造法及びその鋳造金型、振動凝固鋳造装置の場合、従来の金型に比べて著しく鋳巣欠陥を抑制することができる優れた効果を奏するものである。しかしながら、複雑な形状の鋳物製品を鋳造しようとする場合、上記のような金型全体を均一な振動数によって振動を与えることは、鋳物製品の品質上適さないことがあった。すなわち、ランナからキャビティに溶湯を流し込み、該キャビティ内で溶湯を冷却し、固化させることによって鋳物製品を鋳造する過程において、溶湯の凝固の進行はキャビティの各部位においてそれぞれ異なっている。例えば、先細の狭いスペースに溶湯が充填された場合、外部との接触面積が大きく、金型外部の温度の影響を受けやすく、比較的熱が奪われやすくなる。そのため、溶湯の充填完了から比較的早く凝固が完了することとなる。一方、比較的広いスペースに溶湯が充填された場合、周囲の温度の影響を比較的受けにくく、凝固の進行は比較的ゆっくりしたものとなる。これにより、一つの鋳物製品であってもキャビティの各部位によってそれぞれ凝固時間に差が生じ、鋳物製品の品質に偏りが発生する可能性があった。さらに、機械的な振動が結晶粒の微細化に効果があることが証明されているが、 機械的振動を与える方法は、主として寸法的な制限のため、装置自体が高価となり、あまり普及に至っていない。そのため、金型、鋳造装置の全体に振動を加えるのではなく、金型の一部に安価な振動装置を設け、振動中子を加振することにより、結晶粒の微細化を可能とするものが望まれていた。
【０００９】
そこで、本発明は上記実情に鑑み、マクロ結晶粒の微細化を図り、鋳巣欠陥の発生を抑制した鋳物製品を鋳造可能な金型、鋳造装置、及びそれを利用した振動凝固鋳造法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明の振動凝固鋳造法は、「高温で溶解した溶湯をランナを通じて金型のキャビティに流し込み、充填する溶湯充填工程と、充填された前記溶湯を前記キャビティ内で冷却し、凝固させる溶湯凝固工程と、前記溶湯凝固工程によって前記溶湯の凝固が進行する同一のタイミングで、前記キャビティに所定のクリアランスを保持して収容された振動中子を振動させる中子振動工程と」を具備するものである。
【００１１】
したがって、本発明の振動凝固鋳造法によれば、溶湯を充填し、キャビティ内で冷却して凝固させる際に、振動中子を振動させることより、凝固中の溶湯の振動を与える。これにより、マクロ結晶粒の微細化を図ることができる。
【００１２】
一方、本発明の金型は、「内部に溶湯の充填されるキャビティが形成され、前記キャビティと連通するロッド挿孔部が貫設された金型本体と、前記キャビティの内壁面に対して所定のクリアランスを保持し、前記キャビティ内で振動可能に収容された振動中子と、前記ロッド挿孔部に摺動可能に嵌設され、一端部が前記キャビティ内の前記振動中子と接続し、他端部を前記金型本体から突出させた棒状の振動ロッドと、前記振動ロッドを長手方向に沿って直線往復運動させることにより、前記一端部と接続された前記振動中子を前記キャビティ内で振動させるロッド振動手段と」を具備するものから主に構成されている。
【００１３】
ここで、ロッド振動手段とは、例えば、金型本体から突出した振動ロッドの他端部と当接する振動伝達板と、当該振動伝達板を振動させるための振動子と、振動伝達板を振動可能に支持するバネ等の弾性素材で形成された振動伝達板支持部と等によって主に構成されるものを示すことができる。また、振動子には、例えば、圧縮空気のエア圧を利用し、円形状の内部空間に充填された金属製のボールを高速で回転させ、遠心力の伴う振動を発生可能なボールバイブレータ或いは高周波電気モータ等による振動装置等の周知の振動技術を用いることが可能である。なお、振動性能、入手容易性、及びコスト等を勘案すると、上述したボールバイブレータを使用することが好適と思われる。
【００１４】
一方、本発明に使用される溶湯は、高温で溶解した金属または金属合金が利用され、溶湯の金属種、合金種は特に限定されない。例えば、純アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、アルミニウム−銅合金等の従来から鋳物製品に使用可能な種々の金属または合金等を対象とすることが可能である。なお、本発明においては、一般的に溶湯に添加されるチタン、ボロン、ジルコニウム等の結晶粒微細化剤を使用しないものであっても構わない。
【００１５】
一方、振動中子は、金型本体のキャビティ内に収容され、ロッド振動手段によって発生した振動を振動ロッドを介して受付け、キャビティ内で振動するものである。ここで、ロッド振動手段による振動中子の振動の幅（振幅）は、振動中子とキャビティの内壁面とのクリアランスよりも小さくなるように設定されている。例えば、非振動時に、キャビティの内壁面と振動中子の外表面とのクリアランスが２ｍｍに設定されていた場合、最大で２ｍｍ未満の振幅の振動を発生することができる。これにより、振動時においてキャビティに振動中子が衝突することがなく、金型を破損するおそれがない。なお、振動中子は、キャビティの全ての部位に設けられる必要はなく、その形状に応じ、振動を必要とする部位及び振動を必要としない部位が決定され、当該決定に基づいて適宜配設される。これにより、キャビティ内で凝固に要するまでの時間（凝固時間）の違いによって、均一なマクロ結晶粒の微細化ができない場合であっても、個々の部位に適切な振動を凝固時に与えることにより、振動による鋳物内部での鋳巣の移動・溶湯補充を図ることができる。その結果、鋳巣欠陥の発生が抑制され、力学的特性に優れた鋳物製品の安定した製造が可能となる。
【００１６】
さらに具体的に説明すると、ロッド振動手段によって振動中子がキャビティ内で振動すると、高温で溶解した金属等の溶湯に振動が与えられる。このとき、溶湯は未だ液体の状態であり、係る振動の影響を直接受ける。その結果、溶湯の充填完了直後には、液体の溶湯に振動が伝達され、キャビティ内で溶湯の対流若しくは混合が発生する。これにより、例えば、キャビティの上下で比重若しくは密度が異なる状況が発生する場合であっても、係る振動によって各部位が不均一な金属組織となることを防ぐことできる。さらに、キャビティ内で溶湯の凝固時間に差異が生じている場合でも、特定の部位にのみ振動を与える（若しくは与えない）ことにより、各部位毎にマクロ結晶粒の微細化を進行させることができる。なお、与える振動は、ロッド振動手段の種類及び振動性能等によって適宜調整することが可能であり、低周波領域から高周波領域に至るまでの幅広い振動数（周波数）を種々の条件に応じて任意に設定することが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の金型は、上記構成に加え、「前記振動ロッドを前記金型本体から前記他端部が離間する方向に付勢するロッド付勢手段をさらに具備し、前記ロッド振動手段は、前記ロッド付勢手段による前記振動ロッドの付勢方向に相対し、前記振動ロッドの前記他端部を前記金型本体に近接する方向に付勢する逆付勢手段をさらに有し、前記振動ロッドの前記他端部と前記ロッド振動手段は、前記ロッド付勢手段及び前記逆付勢手段による互いに相対する付勢力によって当接状態が保持される」ものであっても構わない。
【００１８】
ここで、ロッド付勢手段及び逆付勢手段は、それぞれ特に限定されるものではないが、例えば、周知の「バネ」を利用するものであってもよい。これにより、振動ロッドの他端部をばねの弾性反発力によって、金型本体から離間させる方向（ロッド付勢手段に近接する方向）に付勢し、一方、逆付勢手段によって、金型本体に近接する方向に付勢することができる。
【００１９】
したがって、本発明の金型によれば、ロッド付勢手段及び逆付勢手段の付勢方向がそれぞれ相対するように設定されている。そのため、振動ロッドの他端部とロッド振動手段は、互いに対向する力によってそれぞれを押付けようとする力が働き、それぞれの付勢力が一致する点で両者の当接状態が保持されることとなる。その結果、振動ロッドとロッド振動手段との間にネジ等の固定用の部材が介在することなく、付勢力によってのみ当接状態が保持される。そのため、振動ロッドの交換、或いはロッド振動手段の不具合等による交換などを容易に行うことが可能となる。
【００２０】
一方、本発明の鋳造装置は、「内部に溶湯の充填されるキャビティが形成され、前記キャビティと連通して貫設されたロッド挿孔部、及び前記キャビティの内壁面に対して所定のクリアランスを保持し、前記キャビティ内で振動可能に収容された振動中子を有する金型と、前記ロッド挿孔部に摺動可能に嵌設され、一端部が前記キャビティ内の前記振動中子と接続し、他端部を前記金型から突出させた棒状の振動ロッドと、前記振動ロッドを長手方向に沿って直線往復運動させることにより、前記一端部と接続された前記振動中子を前記キャビティ内で振動させるロッド振動手段と」を主に具備して構成されている。
【００２１】
したがって、本発明の鋳造装置によれば、金型に収容された振動中子をロッド振動手段によって振動させることができる。ここで、本発明の鋳造装置は、上述した金型における振動ロッド及びロッド振動手段を金型本体とは別体に構成したものであり、基本的な作用効果については上記金型と略同一である。そのため、複数の金型に対して、ロッド振動手段（上述した振動子等）は、一の構成で済む。そのため、金型の製作コストがそれほど多くならない。そのため、多品種の鋳物製品を製造する場合、ロッド振動手段等を別途構成とすることが特に有効である。
【００２２】
さらに、本発明の鋳造装置は、上記構成に加え、「前記振動ロッドを前記金型本体から前記他端部が離間する方向に付勢するロッド付勢手段をさらに具備し、前記ロッド振動手段は、前記ロッド付勢手段による前記振動ロッドの付勢方向に相対し、前記振動ロッドの前記他端部を前記金型本体に近接する方向に付勢する逆付勢手段をさらに有し、前記振動ロッドの前記他端部と前記ロッド振動手段は、前記ロッド付勢手段及び前記逆付勢手段による互いに相対する付勢力によって当接状態が保持される」ものであっても構わない。
【００２３】
したがって、本発明の鋳造装置によれば、振動ロッドの他端部とロッド振動手段との当接状態が互いに相対する付勢力によって保持される。これにより、前述の金型と同様の作用効果を奏する。
【００２４】
さらに、本発明の鋳造装置は、上記構成に加え、「前記振動凝固鋳造法の鋳造金型は、前記キャビティに連通する複数の前記ロッド挿孔部が貫設され、前記ロッド挿孔部にそれぞれ摺動可能に嵌設された複数の前記振動ロッドの前記他端部は、前記ロッド振動手段と接続している」ものであっても構わない。
【００２５】
したがって、本発明の鋳造装置によれば、鋳造金型に複数のロッド挿孔部が設けられていることにより、キャビティの各部位に対して同時に若しくは独立してそれぞれ振動を与えることが可能となる。これにより、マクロ結晶粒の微細化がさらに効率的に行われることとなる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の効果として、キャビティ内に振動中子を収容し、これを外部のロッド振動手段等によって振動させることにより、キャビティ内の特定部位に充填された溶湯に限定して振動を加えるのことができる。その結果、鋳巣欠陥の少ない微細なマクロ結晶粒を有する金属組織の鋳造製品を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態である金型１及び該金型１を利用した振動凝固鋳造法２の一例について、図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図１は第一実施形態の金型１の概略構成を示す説明図であり、図２は金型１を用いた振動凝固鋳造法２の流れの一例を示すフローチャートである。
【００２８】
第一実施形態の金型１は、図１等に示すように、溶湯が充填され、鋳物製品の外観形状に略一致するように型彫りされたキャビティ３を内部に有し、該キャビティ３と連通する円管状のロッド挿孔部４が貫設された金型本体５と、キャビティ３の内壁面３ａに対して所定のクリアランスＣを保持し、キャビティ３内で振動可能に収容された振動中子６と、ロッド挿孔部４に長手方向に沿って摺動可能に嵌設され、ロッド挿孔部４の孔径に略一致するロッド径を有し、一端部７ａがキャビティ３に収容された振動中子６の一部と接続し、他端部７ｂがロッド挿孔部４から金型本体５の外部に突出させた棒状の振動ロッド７と、振動ロッド７を長手方向に沿って直線往復運動させることにより、一端部７ａと接続された振動中子６をキャビティ３内で微小振動させるロッド振動部８とを主に具備して構成されている。ここで、ロッド振動部８が本発明のロッド振動手段に相当する。ここで、キャビティ３の内壁面３ａと振動中子６とのクリアランスＣは、０．１ｍｍ単位で調整することが可能であり、また摺動方向に対して数ｍｍの範囲で摺動可能に調整することができる。また、摺動方向に直交する幅方向に対しては、所定のクリアランスＣが常に保持されている。
【００２９】
ロッド振動部８についてさらに詳細に説明すると、金型本体５から突出した振動ロッド７の他端部７ｂと当接可能な当接面９ａを有する平板状の振動伝達板９と、振動伝達板９の当接裏面９ｂに取設されたボールバイブレータからなる振動子１０と、振動伝達板９を装置基部１１に対して支持する一対の振動伝達板支持部１２とを具備している。ここで、振動伝達支持部１２は、バネ部材によって形成され、振動伝達板９を支持し、振動子１０によって発生した振動によって自由に振動することが可能である。さらに、振動伝達板９を金型本体５の方向に付勢している（図１矢印Ａ参照）。ここで、振動伝達板支持部１２が本発明の逆付勢手段に相当する。
【００３０】
一方、振動ロッド７は、金型本体５と振動伝達板９との間に介設されるものであり、金型本体５から外部に突出した部分の周囲には、振動ロッド７の他端部７ｂを金型本体５から離間する方向に、換言すれば、前述の振動伝達板９を金型本体５から離間する方向に押付けるように付勢する弾性素材からなるロッド付勢部１３（図１矢印Ｂ参照）を具備している。ここで、ロッド付勢部１３が本発明におけるロッド付勢手段に相当する。
【００３１】
これにより、振動伝達板支持部１２による付勢方向（矢印Ａ）と、ロッド付勢部１３による付勢方向（矢印Ｂ）がそれぞれ相対することとなり、両者の付勢力が一致する点で均衡が保たれる。すなわち、互いに相手を押しつけ合うこととなり、当接状態が保持される。このとき、振動ロッド７の他端部７ｂと振動伝達板９の当接面９ａの間には、何らネジ等の固定手段が介在していない。そのため、当接状態を解除することも容易である。すなわち、いずれか一方の付勢力を発生する部材を排除することにより、係る付勢力の均衡が消滅する。
【００３２】
以下、金型１を用いた振動凝固鋳造法２の具体例について、主に図２のフローチャートに基づいて説明する。本発明の振動凝固鋳造法２は、傾斜鋳造法、縦型鋳造法、及び横型鋳造法等の周知の鋳造法のいずれについても適用することが可能である。
【００３３】
まず、金型本体５と接続したランナ（図示しない）から高温で溶解した液状の溶湯（図示しない）をキャビティ３の中に流し込み、溶湯の充填を行う（溶湯充填工程Ｓ１）。規定量の溶湯がキャビティ３に投入され、充填が完了すると、高温で溶解した溶湯は周囲の温度差によって、徐々に熱を放出し、流動性を失うこととなる。これにより、液体から固体への凝固が進行する（溶湯凝固工程Ｓ２）。ここで、本発明の振動凝固鋳造法２は、ロッド振動部８を作動させ、金型本体５の中に収容された振動中子６を振動させる（中子振動工程Ｓ３）。なお、振動中子６の振動は、上述したように、液状の溶湯をキャビティ３に流し込み、溶湯の充填が完了した直後に行うものであっても、或いは、上記溶湯充填工程Ｓ１よりも前に予め振動中子６を振動させた状態で、溶湯の充填を行うもののいずれであっても構わない。
【００３４】
さらに、中子振動工程Ｓ３について詳細に説明すると、高周波電気振動モーターからなる振動子１０によって所定の振動数の振動を発生させる。このとき、振動子１０は、振動伝達板９の当接裏面９ｂに取設されているため、振動子１０によって発生させた振動は、直接振動伝達板９に伝達されることとなる。このとき、振動伝達板９は、バネ部材によって形成された一対の振動伝達支持部１２によって支持されているため、振動子１０による振動伝達板９の振動が吸収若しくは規制されることなく、振動伝達支持部１２に支持された状態で振動を継続することができる。
【００３５】
このとき、振動伝達板９の当接面９ａには、振動ロッド７の他端部７ｂが当接し、かつロッド付勢部１３によって当該当接面９ａに押付けられるように付勢されている。そのため、振動伝達板９の振動は、振動ロッド７に伝達することとなる。これにより、振動ロッド７は長手方向に沿って直線往復運動をすることとなり、ロッド挿孔部４に摺動可能に嵌設されているため、一端部７ａに接続した振動中子６がキャビティ３内で振動することとなる。これにより、液状の溶湯に対して振動を伝えることが可能となる。特に、互いの付勢力が相対しているため、振動伝達板９の振動によって、振動ロッド７を摺動方向（図１における紙面上下方向）に所定の振幅で繰返し移動させることができる。これにより、振動中子６によって溶湯に振動を与えることができ、液体から固体へと凝固する過程において、溶湯は振動を受けることができる。
【００３６】
その結果、金属組織のマクロ結晶粒が微細化した状態で溶湯を凝固させることが可能となる。さらに、振動中子６の配置によって、振動を与える部位と振動を与えない部位を区別することができ、従来のように金型全体に振動を与えるものと比して、より精細なマクロ結晶粒の微細化の制御を行うことが可能となる。
【００３７】
その後、振動を開始してから予め設定した時間を経過すると（例えば、振動開始から５秒等）、ロッド振動部８による振動を停止する処理を行う（振動停止工程Ｓ４）。ここで、溶湯の充填が完了し、ある程度の時間が経過すると、液状の溶湯がほぼ固体となるため、振動による効果はほどんど生じないこととなる。そのため、振動開始から所定時間を計測し、振動による影響を受けない程度に固化したときに振動を停止している。
【００３８】
その後、溶湯の凝固が完全になされたことを確認した後（凝固完了工程Ｓ５）、二つに分割可能な金型本体５を型開きする（型開工程Ｓ６）。そして、鋳造後の鋳物製品を金型本体５から型抜きして取り出す（型抜工程Ｓ７）。これにより、凝固時に振動を与え、微細化した金属組織を有する鋳物製品の鋳造が完了する。
【００３９】
次に、本発明の第二実施形態の鋳造装置２０について、図３に基づいて説明する。ここで、図３は第二実施形態の鋳造装置２０の概略構成を示す説明図である。なお、本実施形態の鋳造装置２０は、上述の第一実施形態で示した金型１と略同一の作用効果を奏するものであり、振動中子２１を振動させる振動発生伝達機構部２２（ロッド振動手段に相当）を金型２３と別体に設けたことを特徴とするものである。
【００４０】
第二実施形態の鋳造装置２０は、図３に示すように、溶湯（図示しない）が充填され、鋳物製品の外観形状に略一致するように型彫りされたキャビティ２４を内部に有し、該キャビティ２４と連通する円管状のロッド挿孔部２５が貫設された金型２３と、キャビティ２４の内壁面２４ａに対して所定のクリアランスＣを保持し、キャビティ２４内で振動可能に収容された振動中子２１と、ロッド挿孔部２５に長手方向に沿って摺動可能に嵌設され、ロッド挿孔部２５の孔径に略一致するロッド径を有し、一端部２６ａがキャビティ２４に収容された振動中子２１の一部と接続し、他端部２６ｂがロッド挿孔部２５から金型２３の外部に突出させた棒状の振動ロッド２６と、振動ロッド２６を長手方向に沿って直線往復運動させることにより、一端部２６ａと接続された振動中子２１をキャビティ２４内で微小振動させるための振動発生伝達機構部２２とを具備して主に構成されている。ここで、振動発生伝達機構部２２が本発明のロッド振動手段に相当する。
【００４１】
振動発生伝達機構部２２についてさらに詳細に説明すると、金型２３から突出した振動ロッド２６の他端部２６ｂと当接可能な当接面２７ａを有する平板状の振動伝達板２７と、振動中子２１を振動伝達板２７及び振動ロッド２６を介して振動させるための振動子２８、振動伝達板２７及び振動子２８の間を接続し、振動子２８による振動伝達板２７まで伝達する一対の振動伝達ロッド棒２９ａ，２９ｂと、振動子２８を支持する弾性素材で形成されたロッド逆付勢部３０とを主に具備している。ここで、ロッド逆付勢部３０はプラテン３１に支持されている。ここで、ロッド逆付勢部３０が本発明における逆付勢手段に相当する。
【００４２】
さらに、第二実施形態の鋳造装置２０は、金型２３から他端部２６ｂを突出させた振動ロッド２６を、金型２３から当該他端部２６ｂを離間する方向（図３破線矢印参照）に付勢するバネ部材で形成されたロッド付勢部３２（本発明のロッド付勢手段に相当）を具備している。一方、振動発生伝達機構部２２のロッド逆付勢部３０は、ロッド付勢部３２の付勢方向に相対し、振動ロッド２６の他端部２６ｂを金型２３に向かって近接させる方向（図３実線矢印参照）に付勢する機能を有している。これにより、相対する互いの付勢力によって、他端部２６ｂと振動伝達板２７との当接状態が保持される。
【００４３】
上記構成により、キャビティ２４に充填された溶湯が凝固する過程において、振動子２８によって発生した振動が、振動ロッド２６を介してキャビティ２４内の振動中子に伝達され、溶湯に対して振動を与えることができる。これにより、鋳物製品の金属組織におけるマクロ結晶粒の微細化を図ることができる。ここで、第二実施形態の鋳造装置２０を利用した鋳物製品の鋳造は、第一実施形態の金型１を使用した場合と略同一であるため、ここでは説明を省略する。
【００４４】
次に、本発明の第二実施形態の鋳造装置２０を用いて鋳造したテストピースを利用し、本発明の振動による鋳物製品への効果について図４乃至図８を利用して説明する。ここで、鋳造したテストピースの形状は、図４に示すように、＜１＞テストピース先端部、＜２＞中央部が同径の略円柱状を呈して形成され、＜３＞押し湯部位が若干、＜１＞，＜２＞よりも拡径して構成されている。ここで、図４に示す形状のテストピースにおいて、＜３＞の部分に対しては振動を与えていない。
【００４５】
はじめに、鋳造されたそれぞれのテストピースＴ１，Ｔ２の内部断面構造を示す。振動を与えない場合、図５（ａ）に示すように、生成されたマクロ結晶粒は比較的大きなものであり、特に、押し湯部に近づくにつれて、その組織は大きくなっていることが確認される。一方、振動を与えた場合、図５（ｂ）に示すように、テストピースの内部断面構造は、振動を与えないものに比べ、マクロ結晶粒が細かく、微細化した金属組織であることが確認される。そのため、振動による金属組織の微細化に効果があることが示される。
【００４６】
次に、振動を与えた場合の金型に伝達される振動を加速度センサによって測定した結果を図６に示す。なお、前述したように＜３＞の部位には振動を与えていない。これにより、振動中子によって振動を与えた＜１＞，＜２＞の部位は、一定振幅の振動が確認されるとともに、振動を全く与えていない＜３＞の部位は、波形にほとんど変化が見られない。これにより、振動中子によって特定の部位のみを振動させることが可能となり、凝固の進行を制御することができる。
【００４７】
さらに、振動の印加及び振動条件の違いによるテストピースの上記の各部位＜１＞，＜２＞の比重を測定し、比較した結果を図７に示す。なお、比重の測定前には、予め当該テストピースを構成する元素及びその組成を、発光分析装置（島津製作所製）を利用して分光分析し、当該分析結果に基づいて、テストピースの混合物と考えた場合の計算比重（以下、「計算比重」と称す）の値を算出している。本例の場合、係る計算比重の値は、“２．６７４０”であった。
【００４８】
また、テストピース比重の測定には、電子天秤及び当該電子天秤の比重測定キットを用い、空気中の試料の重さ、及び液体中（水中）の試料の重さをそれぞれ測定し、下記の数１により、ＪＩＳ  Ｚ８８０７規格のアルキメデス法に基づいて、試料の密度（＝比重）を算出している。ここで、ρ：試料の密度、Ａ：空気中の重さ、Ｂ：液体中の重さ、ρ０：液体の密度を表している。また、比重を測定するための条件として、水温を２５℃に保ち、その際の水の比重（＝液体の密度：ρ０）を０．９９７０７１として設定している。
【００４９】
【数１】
2010069514.tif 000003
【００５０】
また、振動なし（インバータ出力周波数＝０Ｈｚ）、インバータ出力周波数＝１４０Ｈｚ、インバータ出力周波数＝２０８Ｈｚの三種類の振動条件で、金型温度ｔを３６０℃及び３９０℃の二つの温度条件にそれぞれ設定することにより、合計６つのテストピースを鋳造した。そして、鋳造された各テストピースの上記＜１＞，＜２＞について比重を測定した。
【００５１】
図７に示すように、振動を与えていない場合（インバーター出力周波数＝０Ｈｚ）、計算比重からのバラツキが大きくなることが確認された。特に、押し湯側に相当する＜２＞の部位の値は、計算比重から離間している。これに対し、本発明のように、振動を与えた場合（インバーター出力周波数＝１４０Ｈｚ、２０８Ｈｚ）、いずれの部位においても、計算比重（２．６７４０）に近似する値を示し、＜２＞の部位であっても計算比重から大きく離れていることがなかった。したがって、各部位における比重が計算比重に近づくことにより、鋳巣欠陥が少なくなった。本願発明は十分な効果があることが示された。
【００５２】
さらに、図８に示すように、振動の印加によって、金型表面の転写性が良好となることが示される。ここで、図８は、金型表面の表面粗さＲｚ、振動有りの条件で鋳造した鋳物製品の表面粗さＲｚ、及び振動無しの条件で鋳造した鋳物製品の表面粗さＲｚの値（μｍ）を、左からそれぞれ示したものである。なお、それぞれの条件による測定数は４点としている。これによると、金型表面自体及び振動有りの条件の表面粗さＲｚは、比較的近似した値を示している。すなわち、金型によって鋳造される鋳物製品の製品表面は、金型とほぼ同じ表面粗さＲｚを有し、鋳造時における転写性（再現性）が良好なことが確認された。一方、振動無しの条件の場合、金型表面自体の表面粗さＲｚとは大きく離間した値を示した。すなわち、鋳造時における転写性が良好ではなく、鋳物製品の製品表面は金型表面と大きく異なっていることとなる。係る結果から、従来の振動なしの条件における鋳造（例えば、重力鋳造）では、金型表面と充填された溶湯との間に“エアーギャップ”が生じ、係る空気の層によって金型表面との間の密着性が損なわれる。金型表面の僅かな凹凸までを正確に鋳物製品の表面に表現する（転写する）ことができず、その結果として、表面粗さＲｚの値が大きく異なるものとなったと推定することができる。これに対し、本願発明のように、振動を与えることにより、上記エアーギャップが小さなものとなり、金型表面と溶湯との密着性が向上し、微細な凹凸までも鋳物製品の表面に正確に転写すること可能となる。すなわち、本願発明によって、鋳物製品の転写性を向上させることができる。
【００５３】
ここで、振動を与えることは、上述したように、エアーギャップを小さく（薄く）することができる。エアーギャップは、空気の層であり、係る層が溶湯と金型との間に厚く存在することは、熱伝達率の小さい空気の層による遮熱効果によって、高温の溶湯の熱を速やかに金型に伝達することが困難となる。そのため、振動により、エアーギャップの層を小さくすることにより、溶湯の熱を金型に伝達することが速やかに行われ、溶湯の冷却及び鋳物製品の凝固速度が早くなることが予想され、これにより、機械的性質の向上及び金属組織の微細化に優れた作用効果を奏すると推定される。ここで、金型温度変化及び鋳物製品の凝固速度の振動条件に基づく違いを確認するために、図９に、振動の印加による（ａ）金型温度、及び（ｂ）鋳物製品の温度変化を測定したグラフ（金型温度曲線、冷却温度曲線）をそれぞれ示す。
【００５４】
ここで、金型温度は、金型表面から６．７ｍｍ下の金型内部の位置に熱電対を設置し、オシロスコープによってキャビティに高温の溶湯が投入されてからの金型内部の温度（金型温度）を測定した結果を示したものである。このとき、金型は、約４２０℃に加熱して保持され、一方、キャビティに投入される溶湯は約７２０℃に加熱されている。振動有りの条件（図９（ａ）のグラフ参照）では、溶湯の投入（充填）の開始から数秒後には、約４２０℃に保持されていた金型温度が、投入された溶湯の熱によって徐々に上昇し、投入開始から約４０ｓ後に、ピーク値となる約４５４℃の金型温度を示した。一方、振動無しの条件（図９（ａ）のグラフ参照）では、同様に、投入開始から約４０ｓ後に、ピーク値を示すものの、その値は約４４５℃であり、振動有りの条件よりも低い値を示した。すなわち、振動を与えることによって、上述の金型表面と溶湯との間に生じるエアーギャップが小さくなり、該エアーギャップによる遮熱効果の影響をそれほど受けることがないため、溶湯から金型への熱の伝達が良好となる。そのため、上記グラフの結果のように、振動有りの条件の方が、ピーク値が高くなることが示された。
【００５５】
これに対し、鋳造時における鋳物製品の内部の温度変化を、図９（ｂ）に示す。この場合、溶湯の充填されるキャビティ中に熱電対をセットし、溶湯の投入開始からの温度変化を測定したものである。ここで、金型は溶湯の投入前は予め３６０℃に加熱され、キャビティに投入される溶湯は７２０℃に加熱されている。これによると、図９（ｂ）に示すように、溶湯を投入開始し、熱電対に溶湯が接触すると急激に温度の上昇が確認され、一気に約６３０℃まで昇温することが確認される。その後、僅かに温度下降が見られ、約５ｓ〜６ｓ後に溶湯の凝固が開始する。そして、徐々に溶湯の熱が金型に伝達され、溶湯が凝固終了温度に到達することにより、凝固が完了する。このとき、振動有りの条件の方が、振動無しの条件に比べ、凝固開始が早くなることが示された。さらに、振動有りの条件では、投入開始から約１８ｓの時間で凝固が完了することが冷却曲線から確認されるのに対し、振動無しの条件では、投入開始から約３１ｓの時間で凝固の完了が確認されている。さらに、４０ｓを経過した際の鋳物製品の温度は、振動有りの条件が約４７５℃であるのに対し、振動無しの条件が約５３０℃と、５５℃以上の温度差が確認された。すなわち、振動有りの条件の方が、溶湯の熱が速やかに金型に伝達し、溶湯の冷却が短時間で行われることが上記グラフから明らかになった。すなわち、振動を与えることによって、エアーギャップによる遮熱効果の影響が小さくなることが示された。
【００５６】
さらに、振動ロッドの他端部と振動伝達板とが互いの付勢力によってのみ保持されている。そのため、金型本体（若しくは金型）を交換する場合、或いは振動伝達板を交換等をする場合であっても、係る作業を容易に行うことが可能となる。また、複数の振動ロッドを設けた場合であっても、それぞれ振動伝達板と他端部同士を連結する必要がなく、当接状態の保持及び解除が容易に行える。
【００５７】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５８】
すなわち、本実施形態の金型１または鋳造装置２０において、ロッド付勢手段及び逆付勢手段として、バネ部材を用いるものを示したが、これに限定されるものではなく、ゴム製樹脂等の弾性変形可能な素材であって、振動ロッド及び振動伝達板をそれぞれ所望の付勢方向に付勢可能なものであれば構わない。
【００５９】
さらに、キャビティに一つの振動中子を収容するものを示したがこれに限定されるものではなく、複数の振動中子を有し、それぞれに接続した振動ロッドを独立して振動させるものであっても構わない。この場合、各振動ロッドに対応して、それぞれロッド振動部（若しくは、振動発生伝達機構部）を設けても、或いは一つだけ設けるものであっても構わない。これにより、各部位に応じた適切な振動を与えることができ、凝固の進行をより精細に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第一実施形態の金型の概略構成を示す説明図である。
【図２】金型を用いた振動凝固鋳造法の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】第二実施形態の鋳造装置の概略構成を示す説明図である。
【図４】テストピースの構成を示す説明図である。
【図５】（ａ）振動を与えていないテストピースの内部断面組織を示す断面写真であり、（ｂ）振動を与えたテストピースの内部断面組織を示す断面写真である。
【図６】金型に伝達される振動を加速度センサによって計測した波形グラフである。
【図７】振動の印加によるテストピースの各部位の比重を測定した結果を示すグラフである。
【図８】振動の印加による表面粗さの違いを示すグラフである。
【図９】振動の印加による（ａ）金型温度、（ｂ）鋳物製品の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１，２３  金型（振動凝固鋳造法の鋳造金型）
２  振動凝固鋳造法
３，２４  キャビティ
３ａ，２４ａ  内壁面
４，２５  ロッド挿孔部
５  金型本体
６，２１  振動中子
７，２６  振動ロッド
７ａ，２６ａ  一端部
７ｂ，２６ｂ  他端部
８  ロッド振動部（ロッド付勢手段）
９，２７  振動伝達板
９ａ  当接面
９ｂ  当接裏面
１０，２８  振動子
１１  装置基部
１２  振動伝達支持部（逆付勢手段）
１３  ロッド付勢部
２０  鋳造装置（振動凝固鋳造装置）
２２  振動発生伝達機構部（
３０  ロッド逆付勢部（逆付勢手段）
３２  ロッド付勢部
Ｓ１  溶湯充填工程
Ｓ２  溶湯凝固工程
Ｓ３  中子振動工程
Ｓ４  振動停止工程  
Ｓ５  凝固完了工程
Ｃ  クリアランス
【図１】
2010069514.tif 000004
【図２】
2010069514.tif 000005
【図３】
2010069514.tif 000006
【図４】
2010069514.tif 000007
【図６】
2010069514.tif 000008
【図７】
2010069514.tif 000009
【図８】
2010069514.tif 000010
【図９】
2010069514.tif 000011
【図５】
2010069514.tif 000012