(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造方法において、
前記還元性化合物を生成する金属ガスおよび反応性ガスを加熱体に接触させ、あるいは生成後の還元性化合物を加熱体に接触させて、還元性化合物を活性化した後、
溶湯に還元性化合物を作用させて鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項２】
溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記金属ガスにより還元して鋳造する還元鋳造方法において、
前記金属ガスを加熱体に接触させて金属ガスを活性化させた後、
溶湯に金属ガスを作用させて鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の還元鋳造方法において、前記加熱体を成形型内に設けることを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項４】
請求項３記載の還元鋳造方法において、前記加熱体が少なくともキャビティの一部もしくはキャビティ内に配置される中子であることを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項５】
請求項１、２、３または４記載の還元鋳造方法において、成形型の型本体を室温程度に冷却して鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項６】
請求項１または２記載の還元鋳造方法において、成形型の外部で還元性化合物を加熱体に接触させた後、キャビティに還元性化合物を導入することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項７】
請求項１記載の還元鋳造方法において、前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金、還元性化合物がマグネシウム窒素化合物であることを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項８】
請求項２記載の還元鋳造方法において、前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする還元鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は還元鋳造方法に関し、より詳細には還元鋳造の際に使用する還元性化合物の活性化を図り、これによってより好適な還元鋳造を可能にする還元鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造方法には、重力鋳造法（ＧＤＣ）、低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）、ダイキャスト（ＤＣ）、スクイズ（ＳＣ）、チクソモールドなど様々な方法がある。これらはいずれも成形型のキャビティ内に溶湯を注入して所定形状に成形するものである。これらの鋳造方法のうち、溶湯の表面に酸化皮膜が形成されやすいもの、たとえばアルミニウム鋳造などでは、溶湯の表面に形成された酸化皮膜によって表面張力が大きくなり、溶湯の流動性、湯周り性、溶着性が低下し、溶湯の未充填、湯じわ等の鋳造欠陥が生じることが問題となる。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人はアルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造方法を提案した（特開２０００−２８００６３号公報）。この還元鋳造方法は、窒素ガスとマグネシウムガスとから強い還元性を有するマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成し、このマグネシウム窒素化合物をアルミニウムの溶湯に作用させて鋳造することを特徴とする。マグネシウム窒素化合物を成形型のキャビティの表面に析出させて溶湯を注入すると、キャビティの表面に溶湯が接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜がマグネシウム窒素化合物の還元作用によって還元され、溶湯の表面が純粋なアルミニウムとなって溶湯の表面張力が低下し、溶湯の流動性が高められる。この結果、湯周り性が良好となり、鋳造欠陥がなく、湯じわ等のないすぐれた外観の鋳造製品を得ることが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、還元鋳造方法による場合はきわめて湯周り性が良いことから、成形型を高温に加熱して保持する必要がなく、成形型を常温程度の低温で鋳造することが可能であり、積極的に成形型を冷却して、できるだけ短時間のうちに溶湯を凝固させて鋳造させるといった方法が可能になる。これによって、成形型を加熱する装置が不要となり、鋳造時間を短縮させて生産効率を向上させることができるといった多くの利点が得られる。
【０００５】
還元鋳造方法においてはマグネシウム窒素化合物といった還元性化合物を溶湯に作用させて溶湯の表面の酸化皮膜を還元することが作用の要点であり、還元鋳造時に還元性化合物による還元作用が溶湯に十分に作用するようにすることが重要である。ところが、還元性化合物の還元作用についてみた場合、成形型を室温程度の低温に冷却した状態で還元鋳造すると、還元性化合物の還元作用が十分に作用しない場合があるという問題がある。
【０００６】
たとえば還元性化合物としてマグネシウム窒素化合物を使用する場合、成形型のキャビティにマグネシウムガスを導入し、次いで窒素ガスを導入してキャビティ内にマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を析出させるが、型温が低いとマグネシウム窒素化合物が十分に活性化されず、マグネシウム窒素化合物の還元作用が十分に作用しないことが起こり得る。マグネシウム窒素化合物は高温の場合は気体状であるが、低温になるとともに液体状、固体粒状となり、微細な粒子状となってこれらの表面に還元性物質を生成した状態となって必ずしも活性化された状態にならないからである。
【０００７】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、成形型を室温程度に冷却して鋳造するような場合であっても還元性化合物の還元作用を溶湯に確実に作用させることができて、効果的な還元鋳造を可能にする還元鋳造方法を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、金属の溶湯を成形型のキャビティに注湯し、キャビティ内で溶湯と還元性化合物とを接触させて溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ鋳造する還元鋳造法において、前記還元性化合物を生成する金属ガスおよび反応性ガスを加熱体に接触させ、あるいは生成後の還元性化合物を加熱体に接触させて、還元性化合物を活性化した後、溶湯に還元性化合物を作用させて鋳造することを特徴とする。
また、前記溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記金属ガスにより還元して鋳造する還元鋳造方法において、前記金属ガスを加熱体に接触させて金属ガスを活性化させた後、溶湯に金属ガスを作用させて鋳造することを特徴とする。
【０００９】
また、前記還元鋳造方法において、前記加熱体を成形型内に設けること、前記加熱体が少なくともキャビティの一部もしくはキャビティ内に配置される中子であることにより還元性化合物を容易に加温して活性化することができる。
また、前記還元鋳造方法において、成形型の型本体を室温程度に冷却して鋳造することは、鋳造時間を短縮してかつ還元性化合物の還元作用を確実に作用させて好適な鋳造ができる点で好適である。
また、前記還元鋳造方法において、成形型の外部で還元性化合物を加熱体に接触させた後、キャビティに還元性化合物を導入することにより、還元性化合物を活性化させて還元鋳造することができる。
また、前記還元鋳造方法は、溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金、還元性化合物がマグネシウム窒素化合物であるアルミニウム鋳造、また、前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金であるアルミニウム鋳造に好適に適用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法により鋳造する鋳造装置の構成例を示す説明図であり、本実施形態はアルミニウム鋳造に適用した例を示す。
１０は割型構造に形成された成形型であり、１２ａ、１２ｂが左右の割型、１４が中子、１６がキャビティである。これらの割型１２ａ、１２ｂおよび中子１４は成形操作ごとに型閉じされてキャビティ１６に溶湯が注入され、溶湯が凝固したところで型開きして鋳造品が取り出されるように制御される。１０ａがアルミニウムの溶湯の注湯口、１８がほぞである。
【００１１】
本実施形態の成形型１０は型本体１１にキャビティ１６に通じるエアベント１９を設け、割型１２ａ、１２ｂの各々と型本体１１のエアベント１９が開口する側面との間に連通空間２０を設けている。２２ａ、２２ｂは連通空間２０に連通して割型１２ａ、１２ｂに各々設けた導入孔である。
【００１２】
アルミニウムの還元鋳造方法では金属ガスとしてマグネシウムガス、反応性ガスとして窒素ガスを使用し、マグネシウム窒素化合物をキャビティ内で析出させて鋳造する。
３０はマグネシウムガスのキャリアガスとして使用するアルゴンガスを供給するためのアルゴンガスボンベである。３２はマグネシウム金属を加熱してマグネシウムガスを発生させる発生器としての加熱炉である。加熱炉３２はマグネシウムの沸点温度以下、すなわち１０９０℃以下で、かつマグネシウムの融点以上すなわち６４８．８℃以上に加熱され、炉内においてマグネシウム金属は溶融されて液体状態となっている。
【００１３】
加熱炉３２とアルゴンガスボンベ３０とはバルブ３４を介装した配管３６により接続される。また、加熱炉３２と成形型１０とは配管３８を介して接続される。配管３８が割型１２ａ、１２ｂに設けた導入孔２２ａ、２２ｂに連結されることにより加熱炉３２と成形型１０の連通空間２０、２０とが連通する。３９は配管３８の中途に介装したバルブである。
４０は反応性ガスとしての窒素ガスを供給する窒素ガスボンベである。窒素ガスボンベ４０は配管４４を介してバルブ３９よりも下流側で配管３８に接続する。これによって窒素ガスボンベ４０は配管４４と配管３８を経由して成形型１０に連通する。４２は配管４４に介装したバルブである。
【００１４】
本実施形態の鋳造装置において特徴的な構成は、成形型１０の型本体は強制的に冷却して型温を室温程度に保持するのに対して、中子１４については加温している点にある。中子１４を加温しているのは、これによって還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を活性化してマグネシウム窒素化合物の還元作用が確実に溶湯に作用させるようにするためである。
【００１５】
本実施形態の鋳造装置を用いてアルミニウム鋳造を行う場合は次のようにして行う。
まず、型閉じし、注湯口１０ａをほぞ１８によって閉止した状態で、窒素ガスボンベ４０から窒素ガスをキャビティ１６に注入し、キャビティ１６内の空気を窒素ガスによってパージする。バルブ３９は閉じている。これによってキャビティ１６内が窒素ガス雰囲気となり実質的に非酸素雰囲気となる。キャビティ１６を窒素ガスによってパージした後、バルブ４２を閉じる。
【００１６】
次いで、バルブ３４を開きアルゴンガスボンベ３０からアルゴンガスを加熱炉３２に送入し、バルブ３９を開いてキャビティ１６にマグネシウムガスを送入する。加熱炉３２内で溶融しているマグネシウムはアルゴンガスをキャリアガスとして配管３８を経由してキャビティ１６に送入される。加熱炉３２から送出されるマグネシウムガスは完全に気体状となったものの他に、液体状、粒状（ミスト状）のものが含まれている。配管３８を介して連通空間２０、２０に送入されたマグネシウムガスは、エアベント１９からキャビティ１６に送入される。
【００１７】
キャビティ１６にマグネシウムガスを送入した後、バルブ３９を閉じ、次にバルブ４２を開いてキャビティ１６に窒素ガスボンベ４０から窒素ガスを送入する。これによってキャビティ１６内でマグネシウムガスと窒素ガスとが反応し、還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）が生成される。
次いで、ほぞ１８を開き注湯口１０ａから溶湯をキャビティ１６に注入する。キャビティ１６に注入されたアルミニウムの溶湯は、キャビティ１６内で生成されたマグネシウム窒素化合物と接触し、マグネシウム窒素化合物が溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪って、溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元されてキャビティ１６に充填され、所定形状に成形される（還元鋳造）。
【００１８】
本実施形態の鋳造装置においては、中子１４を加温した状態でマグネシウムガスと窒素ガスを導入してキャビティ１６内でマグネシウム窒素化合物を生成させている。中子１４を加温したことによりマグネシウムガスと窒素ガスとが加温され、これによってマグネシウム窒素化合物が活性化され、マグネシウム窒素化合物による還元作用がアルミニウムの溶湯に十分に作用して良品を得ることが可能になる。
【００１９】
図２は、実施形態の成形型１０で型本体１１の型温を３０℃〜４０℃とし、中子１４の温度を変えて鋳造品の状態を観察した結果を示す。同図に示すように、中子１４の温度が高くなるにしたがって、鋳造品の鋳造状態が良好になる。評点２は鋳造品の外面に湯じわが目立つ状態、評点４は鋳造品の外面に一部湯じわが残っている状態、評点５は鋳造品の外面の全面が金属光沢となった状態を示す。この実験例では、中子１４の温度を１８０℃〜２００℃程度にすることで良品が得られる。
【００２０】
このように、中子を使用する成形型の場合には、型本体については強制的に冷却して溶湯の凝固を速める一方、中子については一定温度まで加温することによって良品を得ることが可能となる。中子を加温して良品を得ることができるのは、上述したように、還元性化合物（実施形態ではマグネシウム窒素化合物）が加温されて活性化されたこと、あるいは還元性化合物を生成するマグネシウムガスおよび窒素ガスが加温されることによって、活性化された還元性化合物が得られたことによるものと考えられる。
とくに成形型に設ける中子は、本実施形態のように、キャビティ内に突出して配置されるから、キャビティに導入されるマグネシウムガスや窒素ガスはガス導入時に中子に必ず接触し、これによって効果的に加温されて反応するようになるという利点がある。
【００２１】
もちろん、成形型１０に金属ガスであるマグネシウムガスと反応性ガスである窒素ガスとを導入した際に、マグネシウムガスと窒素ガスを加温する方法は上記実施形態のように中子を加温する方法に限定されるものではない。すなわち、成形型１０内に加熱体を設け、この加熱体にマグネシウムガスと窒素ガスをと接触させることによってマグネシウムガスと窒素ガスとを加温して活性化された還元性化合物（マグネシウム窒素化合物）を生成することが可能である。
【００２２】
なお、還元性化合物を溶湯に作用させるかわりに、溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させて溶湯表面の酸化皮膜を金属ガスによって還元して鋳造する場合も、上記例と同様に、金属ガスを加熱体に接触させて加温することによって金属ガスによる好適な還元作用を溶湯に作用させて確実に還元鋳造を行うことが可能である。
【００２３】
マグネシウムガス等の金属ガス、窒素ガス等の反応性ガスを作用させる場合は、上記実施形態のように成形型１０の内部で加熱体に接触させて加温させる方法の他に、成形型１０の外部で加熱体に接触させて加温させた後、成形型１０に導入して還元性化合物を生成させるという方法も可能である。
また、成形型１０の内部で還元性化合物を生成する方法とは別に、成形型１０の外部で還元性化合物を生成し、生成された還元性化合物を成形型１０に導入して還元鋳造することも可能である。この場合も、還元性化合物を加温させることで活性化させ、還元性化合物による還元作用を確実に溶湯に作用させるようにすることができる。
【００２４】
図３は、キャビティの外部で還元性化合物を生成し、還元性化合物をキャビティ１６に送入して還元鋳造する実施形態を示す。この実施形態では、金属ガスであるマグネシウムガスと反応性ガスである窒素ガスとを反応させる反応チャンバー５０を設け、反応チャンバー５０から還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を送出する際に還元性化合物を加温する加温部５２を設けたことを特徴とする。加温部５２は還元性化合物が通流する管体内に加熱体５４を複数個並置したもので、加温部５２から送出される還元性化合物の温度を制御する温度コントロール部５６が設けられている。
【００２５】
加温部５２から送出される還元性化合物は、成形型１０のキャビティ１６内の空気を窒素ガスボンベ４０から送出される窒素ガスによりパージした後、アルゴンガスをキャリアガスとしてキャビティ１６に送入される。還元性化合物を加温部５２で加温することにより、還元性化合物は活性化された状態でキャビティ１６に送入される。これによって、キャビティ１６に注入される溶湯に対して確実に還元作用が作用し、好適な還元鋳造がなされる。
【００２６】
図４は、反応チャンバー５０自体を加熱して還元性化合物を加温するように構成した実施形態を示す。同図で５４が加熱体、５６が温度コントロール部である。この反応チャンバー５０は、反応チャンバー５０に金属ガスであるマグネシウムガスと反応性ガスである窒素ガスを送入して反応させる際に、反応チャンバー５０自体を加熱することにより還元性化合物を活性化するように構成したものである。
【００２７】
図５は、成形型１０の内部に加熱チャンバー６０を設け、反応チャンバー５０から成形型１０のキャビティ１６に送入される還元性化合物を加熱チャンバー６０で加温して送入するように構成した実施形態を示す。５０は成形型１０の前段に設けた反応チャンバーであり、加熱炉３２からアルゴンガスをキャリアガスとしてマグネシウムガスが送入されるとともに、窒素ガスボンベ４０から窒素ガスが送入されて、還元性化合物のマグネシウム窒素化合物が生成される。
【００２８】
加熱チャンバー６０の内部には加熱体６２が配置され、反応チャンバー５０から送入されてくる還元性化合物はこの加熱体６２によって加温された後、型本体１１に設けられたエアベント１９からキャビティ１６に送入される。
本実施形態の還元鋳造方法の場合も、還元性化合物が加温されてキャビティ１６に送入されることにより、型本体１１が室温程度に冷却されている場合でも還元性化合物が活性化されて、好適な還元鋳造を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法によれば、上述したように、溶湯に作用させて溶湯の表面の酸化皮膜を還元する還元性化合物を活性化することができ、酸化被膜を還元して鋳造する還元鋳造を効果的に行うことができる。とくに、成形型を室温程度に冷却して鋳造する際であっても還元性化合物の還元作用を損なうことなく好適な還元鋳造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法の一実施形態を示す説明図である。
【図２】中子の温度による鋳造品の品質の相違を実験した結果を示すグラフである。
【図３】還元鋳造方法の他の実施形態を示す説明図である。
【図４】反応チャンバーを加熱する構成を示す説明図である。
【図５】還元鋳造方法のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  成形型
１１  型本体
１２ａ、１２ｂ  割型
１４  中子
１６  キャビティ
１９  エアベント
２０  連通空間
２２ａ、２２ｂ  導入孔
３０  アルゴンガスボンベ
３２  加熱炉
４０  窒素ガスボンベ
５０  反応チャンバー
５２  加温部
５４  加熱体
５６  温度コントロール部
６０  加熱チャンバー
６２  加熱体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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