(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形型のキャビティ内に注湯した金属の溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ、所望形状の鋳造品を鋳造する際に、
該成形型として、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成されていると共に、前記キャビティ及び押湯部に充填された溶湯がキャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固するように、前記押湯部及びキャビティ内に部分的に断熱差が設けられている成形型を用い、
前記キャビティに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮によって間隙が形成されたとき、前記押湯部に充填されている溶湯の少なくとも一部を、前記キャビティに補充することを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
成形型として、溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に形成された押湯部と、前記押湯部に連結されたキャビティの押湯部側入口から終端部に至る途中に、前記注湯口に注入された溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積が前記終端部における前記溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積よりも小面積の狭小部が形成されたキャビティとを具備し、前記押湯部及び狭小部が前記終端部よりも高断熱に形成された成形型を用いる請求項１記載の鋳造方法。
【請求項３】
成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されて成る成形型を用いる請求項２記載の鋳造方法。
【請求項４】
成形型として、キャビティの狭小部が形成された成形型の部分が、前記キャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されて成る成形型を用いる請求項２又は請求項３記載の鋳造方法。
【請求項５】
成形型として、押湯部及びキャビティの狭小部の各内壁面に、金属の溶湯と接触する還元性化合物と非反応性である断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、前記キャビティの終端部の内壁面には前記断熱処理を施さなかった成形型を用いる請求項２記載の鋳造方法。
【請求項６】
成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部から分割可能に組み立てられて成る成形型を用いる請求項１〜５のいずれか一項記載の鋳造方法。
【請求項７】
成形型として、押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、キャビティ内で還元性化合物が生成されるように、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路が形成されている請求項１〜６のいずれか一項記載の鋳造方法。
【請求項８】
金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用い、且つ還元性化合物として、原料としてのマグネシウムガスと窒素ガスとを反応して得られるマグネシウム窒素化合物を用いる請求項１〜７のいずれか一項記載の鋳造方法。
【請求項９】
金属の溶湯と還元性化合物とが成形型のキャビティ内で接触し、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造に用いられる鋳造装置であって、
該成形型には、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成されていると共に、前記キャビティ及び押湯部に充填された溶湯がキャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固するように、前記押湯部及びキャビティに部分的に断熱差が設けられていることを特徴とする鋳造装置。
【請求項１０】
成形型には、溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に形成された押湯部と、前記キャビティの溶湯入口から終端部に至る途中に、前記注湯口に注入された溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積が前記終端部における前記溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積よりも小面積の狭小部が形成されたキャビティとを具備し、
前記押湯部及び狭小部に充填された溶湯の冷却速度が前記キャビティの終端部に注湯された溶湯よりも遅くなるように、前記押湯部及び狭小部が前記終端部よりも高断熱に形成されている請求項９記載の鋳造装置。
【請求項１１】
押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されている請求項１０記載の鋳造装置。
【請求項１２】
キャビティの狭小部が形成された成形型の部分が、前記キャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成されている請求項１０又は請求項１１記載の鋳造装置。
【請求項１３】
押湯部及びキャビティの狭小部が、その各内壁面に断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施され、前記キャビティの終端部の内壁面には前記断熱処理が施されていない請求項１０記載の鋳造装置。
【請求項１４】
押湯部及びキャビティの狭小部の各内壁面には、成形型のキャビティ内に注湯した金属の溶湯と接触する還元性化合物と非反応性である断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施され、他方、前記キャビティの終端部の内壁面には前記断熱処理が施されていない請求項１０記載の鋳造装置。
【請求項１５】
押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部から分割可能に組み立てられている請求項９〜１４のいずれか一項記載の鋳造装置。
【請求項１６】
押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、キャビティ内で還元性化合物が生成されるように、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路が形成されている請求項９〜１５のいずれか一項記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造方法及び鋳造装置に関し、更に詳細には成形型のキャビティ内に注湯した金属の溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ、所望形状の鋳造品を鋳造する鋳造方法及び鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム鋳造方法には、種々の方法が存在するが、例えば、本発明者の二人が、先に特願２０００−１０８０７８において提案した改良アルミニウム鋳造方法がある。
かかる改良アルミニウム鋳造方法で採用する成形型を図８に示す。図８に示す成形型１００は、重力鋳造法に用いる金属製の成形型であって、下型１０２ａと上型１０２ｂとの分割型である。この下型１０２ａと上型１０２ｂとによって、所望形状の鋳造品が鋳造されるキャビティ１０４が形成される。
更に、上型１０２ｂには、アルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する注湯口１０６とキャビティ１０４との間に押湯部１０８が形成され、キャビティ１０４に注湯された際に、キャビティ１０４内の空気を抜く空気抜き孔１１０，１１０・・も形成されている。
かかる成形型１００を用いた改良アルミニウム鋳造方法では、先ず、成形型１００のキャビティ１０４に還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を導入した後、アルミニウム又はその合金の溶湯を成形型１００の注湯口１０６に注湯し、空気抜き孔１１０，１００・・から空気を抜きつつキャビティ１０４及び押湯部１０８に溶湯を充填する。
次いで、溶湯がキャビティ１０４等に充填された成形型１００を放冷することによって、キャビティ１０４内の溶湯を凝固する。このキャビティ１０４内の溶湯の凝固に伴なう収縮に因って発生する隙間は、押湯部１０８の溶湯の一部がキャビティ１０４内に流下して補充される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる改良アルミニウム鋳造方法は、成形型１００のキャビティ１０４に、予め還元性化合物を存在させておくことによって、注湯されたアルミニウム又はその合金の溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元し、溶湯の表面張力を低減できる結果、溶湯の流動性や湯周性等を高めることができる還元鋳造方法である。
このため、改良アルミニウム鋳造方法では、従来のアルミニウム鋳造方法において、成形型の押湯部及びキャビティの内壁面に塗布し、酸化皮膜が表面に形成された溶湯の流動性等の向上を図る塗型剤の塗布を省略でき、鋳造工程の短縮化及び成形型１００の転写性を高めることができる。
ところで、鋳造品の形状によっては、成形型１００のキャビティ１０４の形状を、キャビティ１０４の溶湯入口から終端部に至る途中に、注湯口１０６に注入された溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積が終端部における溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積よりも小面積の狭小部が形成された形状とせざると得ない場合がある。例えば、キャビティ１０４の形状を、その溶湯入口が設けられた第１空間部１０４ａと終端部である第２空間部１０４ｂとが、第１空間部１０４ａ及び第２空間部１０４ｂ（以下、両空間部を示称するときには、単に空間部１０４ａ，１０４ｂと示すことがある）よりも狭く形成された狭小部１０４ｃによって連結された形状とせざるを得ない場合である。
【０００４】
図９に示すキャビティ１０４では、成形型１００のキャビティ１０４に還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を導入した後、注湯口１０６に注湯したアルミニウム又はその合金の溶湯は、キャビティ１０４の第１空間部１０４ａに注湯され、更に狭小部１０４ｃを経由して第２空間部１０４ｂに注湯される。かかる溶湯のキャビティ１０４の充填は、還元性化合物の存在によって溶湯表面に形成された酸化物が還元されるため、短時間で行われる。
しかし、キャビティ１０４の狭小部１０４ｃに充填される溶湯は、その溶湯量が空間部１０４ａ，１０４ｂに比較して少なく、狭小部１０４ｃに充填された溶湯の冷却速度も、空間部１０４ａ，１０４ｂに充填された溶湯に比較して速いため、第２空間部１０４ｂに充填された溶湯よりも、狭小部１０４ｃに充填された溶湯が先に凝固する。
このため、第２空間部１０４ｂに充填された溶湯の凝固に伴なって収縮が発生して間隙が形成されても、第２空間部１０４ｂに第１空間部１０４ａ及び押湯部１０８に充填された溶湯の一部を補充する、いわゆる押湯効果を奏することができず、得られた鋳造品にヒケ等が発生するおそれがある。
【０００５】
一方、キャビティ１０４の空間部１０４ｂ，１０４ｂの各々に、独立に押湯部を形成することによって、第２空間部１０４ｂに充填された溶湯の凝固に伴なって発生するヒケ等を解消し得るが、押湯部を複数個所に形成することは成形型の構造を複雑化する。
しかも、押湯部１０８に充填された溶湯が凝固した部分は鋳造品ではないため、鋳造品から切り離される部分であり、再度溶融して再利用を図るにしてもエネルギー的に損失となる。
したがって、押湯部を複数個所に形成することは、鋳造品ではない部分の体積が増加し、成形型１００に注湯した溶湯の歩留率の低下を招き、作業的及びエネルギー的な損失を大きくする。
そこで、本発明の課題は、溶湯口と複雑な形状のキャビティとの間に形成した押湯部を可及的に少なくした成形型を用いて鋳造する際に、キャビティに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に起因して、得られた鋳造品に発生するヒケ等を防止し得る鋳造方法及び鋳造装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、予め成形型１００（図８）のキャビティ１０４内に還元性化合物を存在させる還元鋳造方法において、押湯部１０８及びキャビティ１０４の狭小部１０４ｃの内壁面のみに断熱効果を有する塗型剤を塗布することによって、押湯部１０８及びキャビティ１０４の狭小部１０４ｃに充填された溶湯の冷却速度を、押湯部１０８及びキャビティ１０４の狭小部１０４ｃの内壁面に塗型剤を塗布しなかった場合に比較して遅くできることを知った。
この様に、成形型１００の押湯部１０８及びキャビティ１０４の狭小部１０４ｃに、成形型１００の他の部分よりも高断熱とすることによって、キャビティ１００の第２空間部１０４ｂに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に起因して、得られた鋳造品に発生するヒケ等を防止できることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち、本発明は、成形型のキャビティ内に注湯した金属の溶湯と還元性化合物とを接触せしめ、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元しつつ、所望形状の鋳造品を鋳造する際に、該成形型として、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成されていると共に、前記キャビティ及び押湯部に充填された溶湯がキャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固するように、前記押湯部及びキャビティ内に部分的に断熱差が設けられている成形型を用い、前記キャビティに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮によって間隙が形成されたとき、前記押湯部に充填されている溶湯の少なくとも一部を、前記キャビティに補充することを特徴とする鋳造方法にある。
また、本発明は、金属の溶湯と還元性化合物とが成形型のキャビティ内で接触し、前記溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造に用いられる鋳造装置であって、該成形型には、前記溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に押湯部が形成されていると共に、前記キャビティ及び押湯部に充填された溶湯がキャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固するように、前記押湯部及びキャビティに部分的に断熱差が設けられていることを特徴とする鋳造装置でもある。
【０００８】
かかる本発明において、成形型として、溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に形成された押湯部と、前記押湯部に連結されたキャビティの押湯部側入口から終端部に至る途中に、前記注湯口に注入された溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積が前記終端部における前記溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積よりも小面積のい狭小部が形成されたキャビティとを具備し、前記押湯部及び狭小部が前記終端部よりも高断熱に形成された成形型を用いる場合に、本発明を好適に適用できる。
この場合、押湯部が形成された成形型の部分を、前記成形型のキャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成する材料よりも高断熱性の材料で形成することによって、押湯部とキャビティの終端部とに容易に断熱差を付与できる。
更に、キャビティの狭小部が形成された成形型の部分を、前記キャビティの終端部を形成する材料よりも高断熱性の材料で形成することにより、キャビティ内においても、狭小部と終端部との間に容易に断熱差を付与できる。
一方、押湯部及びキャビティの狭小部の各内壁面に、金属の溶湯と接触する還元性化合物と非反応性である断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、前記キャビティの終端部の内壁面には前記断熱処理を施さなかった成形型を用いることによって、押湯部及びキャビティの狭小部と、キャビティの終端部との間に容易に断熱差を付与できる。
また、成形型として、押湯部が形成された成形型の部分が、前記成形型のキャビティ部と分割可能に組み立てられて成る成形型を用いることによって、押湯部が形成された成形型の部分を共通部品として使用できる。
かかる本発明では、金属の溶湯として、アルミニウム又はその合金の溶湯を用いたとき、還元性化合物としては、原料としてのマグネシウムガスと窒素ガスとを反応して得られるマグネシウム窒素化合物を好適に用いることができる。
更に、この還元性化合物が成形型のキャビティ内で生成されるように、押湯部が形成された成形型の部分に、前記押湯部に溶湯を導入する溶湯導入路と、前記還元性化合物の原料をキャビティ内に導入する導入路とを形成することによって、キャビティへの導入路の途中の還元性化合物による閉塞等を防止できる。
【０００９】
本発明においては、溶湯を注入する注湯口とキャビティとの間に形成された押湯部及びキャビティに充填された溶湯が、キャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固するように、押湯部及びキャビティ内に部分的に断熱差が設けられている。
このため、キャビティの終端部から押湯部の方向に順次凝固する際に、溶湯の凝固に伴なう収縮に起因してキャビティに隙間が形成されたとき、押湯部に充填された溶湯の一部がキャビティ内に流入して補充する、いわゆる押湯効果がキャビティに充填された溶湯が完全に凝固するまで確実に奏される結果、得られる鋳造品に発生するヒケ等の発生を防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鋳造装置の概略を図１に示す。図１に示す鋳造装置１０には、成形型１２が設けられており、この成形型１２には、アルミニウム又はその合金の溶湯が注湯される注湯口１４に接続されたキャビティ１８が形成されている。
成形型１２には、配管２２によって窒素ガスボンベ２０と接続され、配管２２のバルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口２７からキャビティ１８内に窒素ガスを注入し、キャビティ１８内を窒素ガス雰囲気として実質的に非酸素雰囲気とすることができる。
また、アルゴンガスボンベ２５は、配管２６によって金属ガスを発生する発生器としての加熱炉２８に接続されており、配管２６に設けられたバルブ３０を開放することによって加熱炉２８内にアルゴンガスを注入できる。この加熱炉２８内は、ヒータ３２によって加熱可能に形成されており、炉内温度は、後述する金属ガスとしてマグネシウムガスを発生させるべく、マグネシウム粉末が昇華する８００℃以上とされている。
この配管２６のバルブ３０と加熱炉２８との間にも、アルゴンガスの流量が所定流量となるように、バルブ３０によって加熱炉２８に注入されるアルゴンガス量を調整できる。
【００１１】
かかるアルゴンガスボンベ２５は、バルブ３３が介装された配管３４によって、マグネシウム粉末が収容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管３８によって、バルブ３０よりも下流側の配管２６に接続されている。この配管３８にもバルブ４０が介装されている。加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１７に接続されており、加熱炉２８でガス化された金属ガスは金属ガス導入口１７を介してキャビティ１８内に導入される。この配管４２にも、バルブ４５が介装されている。
アルゴンガスボンベ２５から加熱炉２８を経由してアルゴンガスを成形型１２のキャビティ１８に注入する際に、バルブ４５によってキャビティ１８に注入されるアルゴンガス量を調整できる。
【００１２】
図１に示す鋳造装置に用いられている成形型１２は、図２（ａ）に示す様に、金属製の下型２１、上型２３、及びアダプター３１から構成されている。この上型２３は、金属板２９と金属よりも高断熱性の材料、例えばセラミックから成る挿入板３５とから構成され、アダプター３１は、炭酸カルシウムを焼成して形成した。かかる成形型１２は、これらの各部材が分割可能に積層されている分割型である。
この下型２１と上型２３の金属板２９とによって所望形状の鋳造品が鋳造されるキャビティ１８が形成される。かかるキャビティ１８は、図２（ａ）に示す様に、キャビティ１８の溶湯入口が設けられた第１空間部１８ａと終端部である第２空間部１８ｂとが、第１空間部１８ａ及び第２空間部１８ｂ（以下、両空間部を示称するときには、単に空間部１８ａ，１８ｂと示すことがある）よりも狭く形成された狭小部１８ｃ、すなわち注湯口１４に注入された溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積が第２空間部１８ｂにおける溶湯の流れ方向に対して直交方向の横断面積よりも小面積の狭小部１８ｃによって連結されている。
また、アダプター３１に形成されたアルミニウム又はその合金の溶湯を注湯する注湯口１４とキャビティ１８との間には、注湯口１４に注湯された溶湯をキャビティ１８に案内する湯路３７と押湯部１６とが形成されている。この押湯部１６は、第１空間部１８ａの溶湯入口の直近であって、上型２３を構成する挿入板３５に主として形成されている。押湯部１６の横断面の面積は、湯路３７の横断面の断面積よりも大きく、押湯部１６の体積をキャビティ１８の体積に対して５〜２０％とすることが好ましい。
かかる湯路３７には、加熱炉２８にガス化された金属ガスが導入される金属ガス導入口１７からの金属ガス導入路４６が繋ぎ込まれている。
また、アダプター３１と上型２３とには、キャビティ１８内の気体を排気する排気孔３９，３９・・が形成され、下型２１には、窒素ガス導入口２７から導入された窒素ガスをキャビティ内に導入する導入路４１，４１・・が形成されている。
かかる排気孔３９又は導入路４１は、図２（ｂ）に示す様に、横断面形状が円形の孔であって、孔内に横断面形状が四角形の柱状挿入体４３が挿入され、蒲鉾形の通路４４，４４・・を通じてキャビティ１８内に通じている。
【００１３】
図１及び図２示す成形型１２では、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター３１に、注湯口１４、湯路３７、金属ガス導入口１７、金属ガス導入路４６、及び排気孔３９の一部を形成している。かかる湯路３７等は、キャビティ１８の形状や鋳造品を押出す押出ピン（図示せず）等の配置に応じて形成することを要するが、アダプター３１に鋳造予定の鋳造品に適合する湯路３７等を形成することによって容易に対応できる。
また、図１及び図２に示す成形型１２では、実質的にセラミック等の金属よりも高断熱性の材料から成る挿入板３５に、押湯部１６が実質的に形成されており、金属製の下型２１と上型２３を構成する金属板２９とで形成され、金属面が露出するキャビティ１８の空間部１８ａ，１８ｂよりも高断熱に形成されている。更に、キャビティ１８の狭小部１８ｃ，１８ｃの内壁面には、断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理が施されており、狭小部１８ｃ，１８ｃも金属面が露出する空間部１８ａ，１８ｂよりも高断熱性に形成されている。
ここで、断熱性塗型剤としては、高断熱性の塗型剤であって、後述する還元性化合物と非反応性の塗型剤を用いる。かかる塗型剤としては、例えはセラミックが配合された黒鉛等の非酸化物系の塗型剤を用いることができる。
また、狭小部１８ｃ，１８ｃの断熱処理としては、その内壁面に露出している金属表面を加熱処理して四酸化鉄とする処理、或いは窒化処理等の処理を好適に施すことができる。
【００１４】
この様に、成形型１２の押湯部１６及び狭小部１８ｃ，１８ｃを空間部１８ａ，１８ｂよりも高断熱性に形成することによって、押湯部１６及び狭小部１８ｃ，１８ｃに充填した溶湯の冷却速度を、空間部１８ａ，１８ｂに充填した溶湯よりも容易に遅くでき、押湯部１６と空間部１８ａ，１８ｂとの間に大きな冷却速度差を付与できる。
この様に、押湯部１６と空間部１８ａ，１８ｂとの間に大きな冷却速度を付与することによって、従来の成形型１００（図９）に比較して、押湯部１６に充填された溶湯が空間部１８ａ，１８ｂに流入する押湯効果を充分に奏し得ることを図３により説明する。
【００１５】
図３（ａ）において、Ａ点は成形型１２に注湯する溶湯温度であり、Ｂ点は溶湯が完全に凝固する温度である。従って、押湯部１６に充填された溶湯が、キャビティ１８の空間部１８ａ，１８ｂに流入し有功な押湯効果を奏し得る領域は、図３（ａ）に示す斜線の領域である。
一方、図９に示す従来の成形型１００も、押湯部１０８及びキャビティ１０４を構成する空間部１０４ａ，１０４ｂの内壁面に断熱性塗型剤を塗布し、その際に、塗膜の厚さを押湯部１０８の内壁面を空間部１０４ａ，１０４ｂの内壁面よりも厚くした塗型とすることによって、図３（ｂ）に示す如く、押湯部１０８に充填した溶湯の冷却速度を、空間部１０４ａ，１０４ｂに充填された溶湯の冷却速度よりも遅くできる。
しかし、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００では、図３（ａ）に示す成形型１２に比較して、その冷却速度差が小さく、押湯部１０８の溶湯が空間部１０４ａ，１０４ｂに流入して有功な押湯効果を奏し得る領域も狭い。
これに対し、図３（ａ）に示す成形型１２では、図３（ｂ）に示す従来の成形型１００に比較して、その冷却速度差が大きく、有功な押湯効果を奏し得る領域も広いため、押湯部１６を小形化しても、押湯部１６に充填された溶湯とキャビティ１８を構成する空間部１８ａ，１８ｂに充填された溶湯との凝固時間差を確保できる。
【００１６】
しかも、図１及び図２に示す成形型１２では、空間部１８ａ，１８ｂを連結する狭小部１８ｃは、空間部１８ａ，１８ｂよりも高断熱に形成されている。このため、狭小部１８ｃに充填された溶湯が、第２空間部１８ｂに充填された溶湯よりも先に凝固することを防止でき、押湯部１６の押湯効果は、押湯部１６に直近に設けられた第１空間部１８ａのみならず、狭小部１８ｃを経由して第２空間部１８ｂにも及ぶ。その結果、キャビティ１８に充填された溶湯のうち、狭小部１８ｃに充填された溶湯が第２空間部１８ｂに充填された溶湯よりも先に凝固することによって、第２空間部１８ｂに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に起因するヒケ等の発生を防止できる。
図１及び図２に示す成形型１２のキャビティ１８及び押湯部１６に充填された溶湯の凝固順序は、各部の断熱性の程度は勿論のこと、空間部１８ａ，１８ｂ、狭小部１８ｃ、及び押湯部１６の各々に充填された溶湯量や放熱面積等によって変化する。
図１及び図２に示す成形型１２では、第１空間部１８ａの容量が第２空間部１８ｂよりも大きいため、狭小部１８ｃの内壁面に施した断熱処理程度を調整することによって、充填された溶湯の凝固順序を、第２空間部１８ｂ→狭小部１８ｃ→第１空間部１８ａ→押湯部１６とするように調整できる。
【００１７】
図３（ａ）に示す様に、押湯部１６に充填された溶湯とキャビティ１８の空間部１８ａ，１８ｂに充填された溶湯との凝固時間差を充分に確保するには、キャビティ１８に注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分以上（更に好ましくは７００℃／分以上）とすると共に、押湯部１６に注湯された溶湯の冷却速度を、５００℃／分未満（更に好ましくは３００℃／分以下）とすることによって達成できる。特に、両者の冷却速度差を２００℃／分以上とするように調整することが好ましい。
ここで、冷却速度が５００℃／分以上に調整されたキャビティ１８に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となり、冷却速度が５００℃／分未満に調整された押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔は平均で２５μｍ未満となる。
かかるアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔が小さくなることは、アルミニウムの結晶構造が緻密となり、得られたアルミニウム鋳物の機械的強度等を向上でき有利である。このため、キャビティ１８に充填されて凝固されたアルミニウムの樹枝状結晶（デンドライト）の間隔を２３μｍ以下、特に２０μｍ以下とすることが好ましい。
尚、押湯部１６に充填されて凝固されたアルミニウムの部分は、その樹枝状結晶（デンドライト）の間隔がキャビティ１８に充填されて凝固されたアルミニウムよりも大きく、機械的強度等も劣るが、キャビティ１８に充填されて凝固された製品となる部分から切り離されるため、何等問題とならない。
【００１８】
図１及び図２に示す鋳造装置１０を用いてアルミニウム鋳造する際には、先ず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１８内に窒素ガスを注入し、キャビティ１８内の空気を窒素ガスによってパージする。キャビティ１８内の空気は成形型１２の排気孔３９，３９・・から排出され、キャビティ１８内を窒素ガス雰囲気とし、実質的に非酸素雰囲気とすることができる。その後、バルブ２４を一旦閉じる。
成形型１２のキャビティ１８内の空気をパージしている際に、バルブ３０を開放して加熱炉２８内に、アルゴンガスボンベ２０からアルゴンガスを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。
次いで、バルブ３０を閉じ、バルブ４０を開放し、アルゴンガス圧によりタンク３６内のマグネシウム粉末をアルゴンガスと共に加熱炉２８内に送り込む。加熱炉２８は、ヒータ３２によりマグネシウム粉末が昇華する８００℃以上の炉内温度になるように加熱されている。このため、加熱炉２８に送り込まれたマグネシウム粉末は昇華してマグネシウムガスとなる。
【００１９】
次に、バルブ４０を閉じてバルブ３０及びバルブ４５を開放し、アルゴンガスの圧力、流量を調節しつつ、配管４２、成形型１２の金属ガス導入口１７、金属ガス導入路４６、湯路３７及び押湯部１６を経てマグネシウムガスをキャビティ１８内に注入する。
キャビティ１８内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ且つバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１７から導入路４１，４１・・を経由してキャビティ１８内に窒素ガスを注入する。この様に、成形型１２内に窒素ガスを注入することによって、マグネシウムガスと窒素ガスとをキャビティ１８内で反応させてマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する。このマグネシウム窒素化合物は、キャビティ１８の内壁面に粉体として析出する。
窒素ガスをキャビティ１８内に注入する際には、窒素ガスの圧力及び流量を適宜調節して行う。窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することも好ましい。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。反応時間を９０秒よりも長くしても、成形型１２の型温が低下し反応性が低下する傾向にある。
【００２０】
キャビティ１８の内壁面にマグネシウム窒素化合物が付着した状態で、注湯口１４からアルミニウムの溶湯を注湯し、湯路３７及び押湯部１６を経由してキャビティ１８内に溶湯を注入する。キャビティ１８内では、押湯部１６に注湯された溶湯は、第１空間部１８ａ及び狭小部１８ｃを経由して第２空間部１８ｂに注湯される。この溶湯の注入は、キャビティ１８、押湯部１６及び注湯口１４が溶湯で充填されるまで続行する。
かかる溶湯の注入の際に、キャビティ１８内に注湯された溶湯は、キャビティ１８の内壁面に付着している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被膜から酸素を奪うことによって、溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元される。
更に、キャビティ１８内に残存する酸素は、マグネシウム窒素化合物と反応し酸化マグネシウム又は水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。この様にして生成される酸化マグネシウム等は少量であり、且つ安定な化合物であるため、得られるアルミニウム鋳造品の品質に悪影響は与えることはない。
この様に、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとって純粋なアルミニウムを形成するため、溶湯表面に酸化皮膜を形成することなく鋳造できる。このため、鋳造工程中に溶湯の表面張力が酸化皮膜によって増大することを防止でき、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性を良好にできる。その結果、キャビティ１８の内壁面との決めの転写性（平滑性）に優れ、且つ湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることができる。
【００２１】
ところで、キャビティ１８や押湯部１６等に充填された溶湯の凝固順序は、各部の断熱性の程度は勿論のこと、キャビティ１８の空間部１８ａ，１８ｂ、狭小部１８ｃ、及び押湯部１６の各々に充填された溶湯量や放熱面積等によって変化する。
この点、図１及び図２に示す成形型１２では、第１空間部１８ａの容量が第２空間部１８ｂよりも大きいため、狭小部１８ｃの内壁面に施した断熱処理程度を調整し、充填された溶湯の凝固順序を、第２空間部１８ｂ→狭小部１８ｃ→第１空間部１８ａ→押湯部１６とするように調整する。
このため、押湯部１６及びキャビティ１８に充填された溶湯のうち、第２空間部１８ｂに充填された溶湯の凝固が開始され、溶湯の凝固に伴なう収縮によって第２空間部１８ｂに隙間が形成されても、狭小部１８ｃ、第１空間部１８ａ及び押湯部１６に充填された溶湯が流動性を呈し得るため、第１空間部１８ａ及び押湯部１６に充填された溶湯が狭小部１８ｃを経由して流入し、第２空間部１８ｂで発生した隙間を充填する。
次いで、第２空間部１８ｂ及び狭小部１８ｃに充填された溶湯が凝固された後、第１空間部１８ａに充填された溶湯の凝固が開始され、溶湯の凝固に伴なう収縮によって第１空間部１８ａに隙間が形成されても、押湯部１６に充填された溶湯が流動性を呈し得るため、押湯部１６から溶湯が流入し、第１空間部１８ａに発生した間隙を補充する。
この様に、図１及び図２に示す成形型１２では、空間部１８ａ，１８ｂに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮によって発生する隙間を溶湯で補充できる結果、ヒケ等のない良好な鋳造品を鋳造できる。
【００２２】
図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６を金属板よりも高断熱の挿入板３５内に形成しているが、図４（ａ）に示す様に、押湯部１６を上型２３を形成する金属板２９内に形成してもよい。この場合、押湯部１６の内壁面及び狭小部１８ｃの内壁面には、断熱性塗型剤の塗布等の断熱処理を施し、金属面が露出する空間部１８ａ，１８ｂよりも高断熱性に形成する。
この押湯部１６の内壁面に塗布する断熱性塗型剤としては、高断熱性の塗型剤であって、還元性化合物と非反応性の塗型剤を用いる。かかる塗型剤としては、例えはセラミックが配合された黒鉛等の非酸化物系の塗型剤を用いることができる。
この様に、押湯部１６及び狭小部１８ｃの内壁面に断熱性塗型剤を塗布するため、その塗布厚さ等を調整してキャビティ１８及び押湯部１６に充填した溶湯の凝固開始時期を容易に調整でき、第１空間部１８ｂ→狭小部１８ｃ→第２空間部１８ａ→押湯部１６とすることができる。
【００２３】
図１及び図２に示す成形型１２では、押湯部１６の溶湯をキャビティ１８内に重力で流入させていたが、図４（ａ）に示す成形型１２のアダプター３１を上型１４ｂから取り外し可能とし、キャビティ１８に充填された溶湯が凝固したとき、アダプター３１を取り外して、押湯部１６の溶湯をキャビティ１８側に強制的に押圧することによって、得られる鋳造品のヒケ等の発生を更に減少できる。
この押湯部１６の溶湯を押圧する時期は、キャビティ１８に充填された溶湯が実質的に凝固された状態で且つ押湯部１６の溶湯が流動性を有している状態の時期である。かかる押圧の最適時期は、成形型１２によって異なるため、成形型１２ごとに予め実験的に求めておくことが好ましい。
また、押湯部１６の溶湯を押圧する押圧手段としては、図４（ｂ）に示す様に、上下動可能のピストン４７を用いることができる。
尚、図１及び図２に示す成形型１２でも、図４（ａ）（ｂ）に示す様に、上下動可能のピストン４７を押圧手段に用いて押湯部１６の溶湯を押圧する場合には、アダプター３１のみを取外可能としてもよく、挿入板３５及びアダプター３１を取外可能としてもよい。
【００２４】
図１、図２及び図４に示す成形型１２では、押湯部１６を上型２３に形成しているが、押湯部１６に充填された溶湯が凝固して形成された部分は鋳造品から切除される切除部であるため、金属製の上型２３に形成することは要しない。このため、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター３１と上型２３とに亘って押湯部１６を形成してもよい。この場合、硫酸カルシウムを焼成して形成したアダプター３１は、金属製の下型２１及び上型２３よりも低熱伝導率、すなわち断熱性が良好であるため、図５に示す様に、アダプター３１内に形成された押湯部１６の部分の体積が、上型２３内に形成された押湯部１６の部分の体積よりも大となるように、押湯部１６を形成することによって、押湯部１６の内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型２１及び上型２３に形成されたキャビティ１８よりも断熱性を向上できる。
【００２５】
また、図６に示す様に、狭小部１８ｃ，１８ｃを、金属よりも高断熱性の材料、例えばセラミックから成る断熱板５０に形成してもよい。断熱板５０内に形成された狭小部１８ｃ，１８ｃは、その内壁面に断熱性塗型剤を塗布しなくても、金属製の下型２１及び上型２３に形成されたキャビティ１８よりも断熱性を向上できる。
この様に、狭小部１８ｃ，１８ｃの内壁面に断熱性塗型剤を塗布しないことによって、狭小部１８ｃ，１８ｃの内壁面との決めの転写性（平滑性）を良好とすることができる。
但し、図６に示す成形型１２では、押湯部１６の内壁面には、断熱性塗型剤を塗布するが、押湯部１６に充填された溶湯が凝固された部分は、製品から切り離される部分であるため、その転写性については不問である。
更に、図１に示す加熱炉２８を、図６に示す様に、成形型１２の金属ガス導入口１７の直上に設けてもよく、或いは加熱炉２８でガス化された金属ガスとしてのマグネシウムガスと、金属ガスと反応する反応性ガスとしての窒素ガスとを反応させて還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成する反応槽５１を成形型１２の金属ガス導入口１７の直上に設けてもよい。
【００２６】
図１、図２、及び図４〜図６に示す成形型１２のキャビティ１８は、押湯部１６の直近に形成された第１空間部１８ａと、キャビティ１８の終端部としての第２空間部１８ｂとが、空間部１８ａ，１８ｂよりも狭く形成された狭小部１８ｃによって連結されている。
かかる成形型１２に対し、図７に示すように、押湯部１６の直近に形成された狭小部１８ｃ，１８ｃによって、押湯部１６と終端部である空間部１８ｂ、１８ｂとが連結されている成形型１２にも好適に採用できる。図７に示す成形型１２では、押湯部１６及び狭小部１８ｃ，１８ｃの各内壁面に断熱性塗型剤を塗布することによって、空間部１８ｂ，１８ｂとの間に容易に断熱差を付与できる。
また、図１、図２、及び図４〜図６に示す成形型１２では、押湯部１６を湯路３７の途中に形成しているが、湯路３７とは別に押湯部１６を形成してもよい。尚、以上の説明では、溶湯としてアルミニウム又はその合金の溶湯を用いた鋳造方法について説明してきたが、本発明はマグネシウム又は鉄等の金属、又はこれらの合金の溶湯を用いた鋳造方法にも適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、溶湯口と複雑な形状のキャビティとの間に形成した押湯部を可及的に少なくした成形型を用いて鋳造しても、キャビティに充填された溶湯の凝固に伴なう収縮に起因して、得られた鋳造品に発生するヒケ等を防止できる。このため、可及的にヒケ等の少ない複雑な形状の鋳造品を省エネルギを図りつつ鋳造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造装置の一例を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型の断面図及び部分断面図である。
【図３】図１に示す鋳造装置に用いられている成形型と従来の成形型との押湯部及びキャビティの各々に充填された溶湯の冷却速度を示すグラフである。
【図４】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図５】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図６】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図７】図２に示す成形型の他の例を説明する断面図である。
【図８】本発明者の二人が、先に提案したアルミニウム鋳造方法を説明する説明図である。
【図９】キャビティの形状が複雑化しヒケ等が発生し易い成形型の断面図である。
【符号の説明】
１０  鋳造装置
１２  成形型
１４  注湯口
１８  キャビティ
１８ａ  第１空間部
１８ｂ  第２空間部（終端部）
１８ｃ  狭小部
１７  金属ガス導入口
１６  押湯部
２０  窒素ガスボンベ
２１  下型
２３  上型
２５  アルゴンガスボンベ
２７  窒素ガス導入口
２８  加熱炉
２９  金属板
３１  アダプター
３５  挿入板
３６  マグネシウム粉末の収容タンク
３７  湯路
３９  排気孔
４１  導入路
４６  金属ガス導入路
５０  断熱板
５１  マグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）の生成反応槽
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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