(57)【要約】【課題】ビレットの湯流れ性が向上し、良質の鋳造品を安定して製造することができ、半溶融鋳造方法を提供する。【解決手段】ビレット５を加熱して半溶融状態とし、これを射出スリーブ３１内からキャビティ４４内に圧入して鋳造品を成形する半溶融鋳造方法において、射出スリーブ３１内にある半溶融状態のビレット５に対して、射出進行方向先端側から溶湯６を注ぎ込み、ビレット５の射出進行方向先端を軟化させるとともに、ビレット５の表層を溶融させた状態でキャビティ４４内に圧入してなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビレットを加熱して半溶融状態とし、これを射出スリーブ内からキャビティ内に圧入して鋳造品を成形する半溶融鋳造方法において、射出スリーブ内にある半溶融状態のビレットに対して、射出進行方向先端側から溶湯を注ぎ込み、ビレットの射出進行方向先端を軟化させるとともに、ビレット表層を溶融させた状態でキャビティ内に圧入することを特徴とする半溶融鋳造方法。
【請求項２】
射出スリーブ内に注ぎ込む溶湯として、ビレットの共晶組成成分からなる溶湯を注入することを特徴とする請求項１に記載の半溶融鋳造方法。
【請求項３】
射出スリーブ内に注ぎ込む溶湯として、固液共存状態の溶湯を注入することを特徴とする請求項１または２に記載の半溶融鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金等のビレットを半溶融状態で加圧成形する半溶融鋳造方法に係り、特に、加圧成形において、このビレットの湯流れ性が格段に向上する半溶融鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半溶融鋳造方法とは、凝固時に電磁攪拌して、デンドライトを分散した初晶と、それらの間を埋める共晶と、を含む結晶構造のビレットを、固相と液相とが共存する半溶融状態にまで加熱し、この半溶融状態のビレットを鋳型のキャビティ内に圧入して製品を鋳造する方法である。このように半溶融状態となったビレットは、初晶が球状に近い形状となり成形性が良く、また成形温度と凝固温度との温度差が小さいので凝固時の収縮量が小さく寸法精度のよい良質の鋳造品が得られることから、この半溶融鋳造方法は、広く用いられている方法である。そして、このような半溶融鋳造方法で鋳造される材料として、たとえば、特許文献１には、液相と固相の最適な共存割合を材料表面領域から設定したチクソキャスティング用半溶融鋳造材料が提案されている。
【特許文献１】特許２７９４５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような材料のビレットを用いた半溶融鋳造方法は、先に示したように、加熱炉で固液共存状態となるまで、このビレットを加熱し、これを射出スリーブ内に投入して鋳型に圧入することが一般的であり、このような方法では、このビレットを加熱炉から取り出してから、射出スリーブから射出するまでの間に、ビレットの表層温度が低下する。特に、ビレットが射出スリーブの壁面等に接触した場合には、そのビレットの接触部分の表面温度は著しく低下するので、表層の液相率が低下し、表層に凝固片が生成され、さらには表面に酸化膜が形成されることがある。
【０００４】
また、この他にも、このような半溶融鋳造方法では、加熱したビレットが保形性を有して把持移送できるように、所定の固相率を確保する必要がある。この固相率の確保のために、ビレットの加熱温度を制限するので、この温度制限により加熱されたビレット表層はさらに凝固しやすい状態となる。
【０００５】
そして、このビレット表層の凝固により、圧入時におけるビレットのチクソトロピー性が阻害され、その結果として得られた鋳造品に湯じわ、湯境などが発生することがあった。さらに、ビレット表層の初期凝固片及びビレット表面に形成された酸化膜が、鋳造品の一部に凝集し、鋳造欠陥になることもあった。
【０００６】
また、このような半溶融鋳造方法は、半溶融状態（セミソリッド状態）のビレットを用いるので、液相のみの溶湯を用いた他の鋳造方法に比べ、特に、射出進行方向に対する垂直の方向、射出進行方向に対する戻り方向への成形は困難であった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、半溶融状態のビレットの湯流れ性が向上し、良質の鋳造品を安定して製造することができる半溶融鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、半溶融状態のビレットを用いて良質の鋳造品を鋳造するためには、このビレットをキャビティ内に圧入する前に、凝固し始めたビレット表層を再溶融させるとともに、ビレット圧入時に最も変形量の多いビレットの射出進行方向先端側を軟化させることが、重要であるとの知見を得た。
【０００９】
本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明による半溶融鋳造方法は、ビレットを加熱して半溶融状態とし、これを射出スリーブ内からキャビティ内に圧入して鋳造品を成形する半溶融鋳造方法において、射出スリーブ内にある半溶融状態のビレットに対して、射出進行方向先端側から溶湯を注ぎ込み、ビレットの射出進行方向先端を軟化させるとともに、ビレット表層を溶融させた状態でキャビティ内に圧入することを特徴とする。
【００１０】
この半溶融鋳造方法によれば、半溶融状態に加熱したビレットの表層に溶湯を注いでビレット表層を溶融させるので、圧入前のビレットの表層温度の低下により生成される初期凝固片、酸化膜を減らすことができ、高品質の鋳造品を製造することができる。また、この溶湯の注入は、射出スリーブ内にある半溶融状態のビレットに対して射出進行方向先端側からなされ、湯流れ性が最も要求されるビレットの射出進行方向先端側を軟化させるので、射出スリーブ内から鋳型に圧入する際のビレットの圧入速度を上げ、さらには圧入圧力を下げて鋳込むことができる。また、射出スリーブ内に注ぎ込んだ溶湯が、圧入時にキャビティの細部にまで確実に流れ込むので、複雑な形状をした鋳造品を製造することができる。
【００１１】
このように射出スリーブ内に注ぎ込んだ溶湯は、ビレットを、局所的に溶融・軟化させるので、本発明に係る半溶融鋳造方法は、寸法精度のよい良品を成形する等のこれまでの半溶融鋳造方法の利点を損なうことなく、鋳造品を製造することができる。
【００１２】
好ましい態様としては、本発明による半溶融鋳造方法は、射出スリーブ内に注ぎ込む溶湯として、ビレットの共晶組成成分からなる溶湯を注入する。このようなビレットの共晶組成成分からなる溶湯は、初晶にくらべ共晶は融点が低く、湯流れ性も良いことから、キャビティ内の細部までさらに確実に流れ込むことができる。また、この共晶組成成分は、半溶融状態のビレットをキャビティ内に圧入したときに、流動する液相成分と同化し易いので、ビレット本体との結合を促進し、湯境、成分偏析を抑えることができる。
【００１３】
さらに、注ぎ込む溶湯の状態としては、溶融した状態の溶湯であってもよいが、好ましくは、固液共存状態の溶湯である。溶湯の液相をビレット表面層に適度に流すためには、溶湯の液相率は、５０〜８０％程度が好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半溶融状態のビレットの射出進行方向先端を軟化させ、ビレット表層を溶融させた状態でキャビティ内に圧入するので、ビレットの湯流れ性が向上し、良質の鋳造品を安定して製造することができる。また、この湯流れ性の向上に伴い、ビレット圧入時の圧入速度を上げることができるので鋳造品の生産性が向上し、ビレットの圧入圧力を下げることができるので鋳型の寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による半溶融鋳造方法の一連の鋳造工程を説明するための図であり、図１には、本発明の半溶融鋳造方法を実施する装置構成の一例として、加熱炉１、溶解・保持炉２、圧入装置３、及び成形型４が示されている。
【００１６】
図１の（ａ）において、加熱炉１は、ビレット５を加熱する装置であり、加熱炉１には、炉内を加熱するためのヒータ１１が設けられている。さらに、溶解・保持炉２は、ビレット５の共晶組成成分からなる材料を溶解して溶湯６をつくるための装置であり、溶解・保持炉２の内部には坩堝２１が配置されており、この坩堝２１を加熱するためのヒータ２２が設けられている。さらに、図１の（ｃ）及び（ｄ）おいて、圧入装置３は、断熱壁を兼ねる射出スリーブ３１とプランジャ３２からなり、スリーブ３１内に、ビレット５及び溶湯６が投入されるような内部空間を形成しており、プランジャ３２は、圧入圧力及び圧入速度が調整可能な油圧アクチュエータ（図示しない）と連結しており、射出スリーブ３１内を昇降可能な状態になっている。
【００１７】
さらに、図１の（ｄ）において、成形型４は、上型４１、中型４２、及び下型４３からなる鋳型であり、鋳込み時には中型４２と下型４３は固定されており、上型４１と中型４２を合わせることにより成形用のキャビティ４４が形成される。また成形型４の下型４３には、湯道４５が設けてあり、この湯道４５は、キャビティ４４に連通するようになっている。そして、射出スリーブ３１とプランジャ３２からなる圧入装置３は、半溶融状態となった金属（後述するビレット５）を、この湯道４５を介してキャビティ４４内に圧入可能に配置されている。
【００１８】
以下に本実施形態における溶融鋳造方法の一連の鋳造工程を説明する。まず、図１の（ａ）に示すように、加熱炉１内に半溶融鋳造用（チクソキャスティング用）のビレット５を配置する。ビレット５は、ヒータ１１を用いて、ビレット５が、固液共存状態、すなわち、共晶部と初晶の一部が溶融し初晶が球状化した状態、となる温度で加熱保持される。また一方で、溶解・保持炉２の坩堝２１の中に、ビレット５の共晶組成成分からなる材料を投入して、ヒータ２２を用いて、この材料を溶解して溶湯６として保持する。
【００１９】
次に、図１の（ｂ）に示すように、圧入装置３のプランジャ３２を下降させ、その上に、図１の（ａ）の状態のビレット５を、加熱炉１から取り出し、その軸芯方向が射出スリーブ３１の軸芯と一致するように、射出スリーブ３１内に配置する。
【００２０】
さらに、図１の（ｃ）に示すように、図１の（ａ）の溶湯６を、坩堝２１からラドル２３で汲み出し、ビレット５の射出進行方向先端側から、射出スリーブ３１内に溶湯を注ぎ込む。これにより、ビレット５の射出進行方向先端を軟化させるとともに、ビレット５の表層（表皮）を溶融させる。なお、ここでいう射出進行方向とは、射出スリーブ３１内のプランジャ３２によって、ビレット５が射出スリーブ３１から射出されるときに、ビレット５が移動する移動方向（図では上昇方向）である。
【００２１】
次に、図１の（ｄ）に示すように、射出スリーブ３１の内部空間が成形型４内の湯道４５に連通するように、射出スリーブ３１を成形型４にセッティングする。そして、プランジャ３２を上昇させて、図１の（ｂ）の状態のビレット５を、溶湯６と共に、湯道４５からのキャビティ４４内に圧入する。この圧入時に、ビレット５は、キャビティ４４の一部を形成する分流子４６により、分流する。
【００２２】
なお、図１の（ｃ）に示す工程で、ビレット５の射出進行方向先端は軟化し、その変形抵抗はより小さくなったので、圧入時において、ビレット５の湯流れ性は、向上している。よって、このビレット５は、従来の半溶融状態のビレットに比べて分流子４６で分流し易く、成形し易いので、油圧アクチュエータの圧入時に要する油圧（圧入圧力）を下げ、プランジャの圧入速度を上げることができる。また、この湯流れ性の向上に伴い、キャビティ４４を形成する分流子４６の磨耗を抑えることができる。
【００２３】
さらに、図１（ｅ）に示すように湯道４５を通過したプランジャ３２は、所定の位置で停止し、湯まわり不良となり易い射出進行方向に対する戻り方向のキャビティ細部４７にまで、共晶組成成分からなる溶湯が流れ、キャビティ４４内に隙間なく、材料が充填される。
【００２４】
また、ビレット５の液相部分の主材となる共晶成分が、圧入時の圧力により、変形したビレット５の表面から染み出して、この共晶組成成分からなる溶湯と融合し、湯境等の欠陥のない良質の鋳造品を鋳造することができる。
【実施例】
【００２５】
以下に、本発明を実施例により説明する。
[実施例]
形状φ７６×Ｌ１６０、重量１９６０ｇ、材質Ａ３５７（ＡＳＴＭ規格）の半溶融鋳造用に初晶のデンドライトを分断したビレットを、加熱炉を用いて５８４℃になるまで加熱保持し、半溶融状態にした。そして、鋳造設備として、堅型１５０Ｔ（明和工業製）を用い、この半溶融状態のビレットを、３００℃に加熱した射出スリーブ内に配置し、さらにこのビレットに対して、６８０℃に加熱した材質ＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格：Ａ３５７の共晶組成成分に相当）の溶湯６００ｇを、射出スリーブの射出進行方向先端側から注ぎ込んだ。そして、流路断面５×２０ｍｍの湯流れ測定用ゲートが設けられた試験用鋳型を３００℃に加熱し、この鋳型に対して射出スリーブを配置し、鋳造圧力（圧入圧力）３８ＭＰａ、射出速度（圧入速度）１．０ｍ／ｓｅｃの条件で、射出スリーブ内からキャビティ内に、上記ビレットを圧入した。なお、鋳造時には、潤滑剤として、黒鉛系油性潤滑剤を用い、離型剤として、水溶性離型剤を用いた。
【００２６】
そして、圧入後、湯流れ測定用ゲートを通じて流れた湯を、凝固するまで放置し、このゲートからこの凝固した湯（鋳造品）流れ方向先端部までの長さを、湯の流動長として測定した。また、この鋳造品の流れ方向先端部を目視観察した。そして、このような一連の鋳造工程を繰り返し行った。
【００２７】
図２は、一連の工程を５回行ったときの流動長の最大長さ、最小長さ、及び平均長さを示した図であり、図２から、流動長に若干のばらつきはあるものの、上記の平均長さは、およそ２２０ｍｍ程度であった。
【００２８】
[比較例]
形状φ７６×Ｌ２１０、重量２５７２ｇの実施例１と同材質のビレットを、実施例と同様の方法で、圧入した。実施例と異なる点は、ビレットを鋳型に圧入する前に、射出スリーブ内に溶湯を注入していない点である。また、比較例も実施例と同様の試験を行った。
【００２９】
図２から、上記の平均長さは、およそ１４０ｍｍ程度であった。また、実施例と、比較例とを比較すると、実施例の流動長の平均長さは、比較例にくらべ、およそ１．６倍となった。また、実施例の先端部は、比較例に比べて、共晶組織が若干多く観察されたが、実施例及び比較例のどちらも、湯境、湯じわ等の鋳造欠陥は、見られなかった。
【００３０】
（評価）
上記結果から、実施例の湯流れ性が向上した理由は、溶湯の注入により、最も変形量を要するビレットの射出進行方向先端側が軟化したことによると推定される。また、実施例の鋳造品の先端部に、共晶組織が多いことから、複雑な形状の鋳造品を鋳造する場合であっても、湯が流れ込み難いキャビティの細部まで共晶組成成分が流れ込むことが可能であると推定される。さらに、実施例の鋳造品に欠陥がないのは、注入した共晶成分の溶湯が、流動するビレットの液相成分と同化し、ビレット本体との結合を促進したことによると推定される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の活用例として、これまでの半溶融鋳造方法で、鋳造できなかった複雑な形状の鋳造品を製造することができる。また、半溶融鋳造方法は、アルミニウム合金の鋳造に限られるものではなく、他の合金、樹脂等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の半溶融鋳造方法による鋳造工程を説明するための図。
【図２】実施例と比較例との流動長の測定結果を示した図。
【符号の説明】
【００３３】
１…加熱炉、２…溶融・保持炉、３…圧入装置、４…成形型、５…ビレット、６…溶湯、１１…ヒータ、２１…坩堝、２２…ヒータ、２３…ラドル、３１…射出スリーブ、３２…プランジャ、４４…キャビティ、４５…湯道、４６…分流子、４７…戻り方向のキャビティ細部
【図１】
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【図２】
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