(57)【要約】      （修正有）【課題】鋳型をゼロ℃よりも低温とする低温鋳型を採用することにより、溶湯の凝固を促進して、鋳造製品を構成する結晶粒の微細化による鋳造製品の機械的性質の向上を図る。【解決手段】溶湯注湯前の鋳型を−１０℃以下に冷却するとともに、溶湯を鋳型に注湯する際に、鋳型内部の気体を外部へ排出しながら、鋳型に形成した製品形状部に溶湯を注湯し、溶湯を凝固させて鋳造製品を得る。また、溶湯注湯前の鋳型の、鋳造製品の厚肉部を形成する部分に配置される中子を、鋳型の他の部分よりも１０℃以上低温に冷却する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型に形成した製品形状部に溶湯を注湯したのち溶湯を凝固させて鋳造製品を得る鋳造方法において、
溶湯注湯前の鋳型を−１０℃以下に冷却する
ことを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記鋳造方法において、
溶湯を注湯する際に、鋳型内部の気体を外部へ排出する、
請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記鋳造方法において、
溶湯注湯前の鋳型の、鋳造製品の厚肉部を形成する部分に配置される中子を、鋳型の他の部分の温度よりも１０℃以上低温に冷却する、
請求項１又は請求項２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
内部に製品形状部を形成した鋳型と、
鋳型を−１０℃以下に冷却する冷却手段と、
溶湯を鋳型の製品形状部へ供給する溶湯供給手段とを備える
鋳造装置。
【請求項５】
前記鋳造装置において、
溶湯を鋳型の製品形状部へ供給する際に、鋳型内部の気体を排出する気体排出手段を備える、
請求項４に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造製品の結晶微細化のための鋳造方法及びこれを実現する鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造にて製造される鋳造製品は、二次ＤＡＳ（デントライトアームスペーシス）が小さくなるほど、鋳造製品の疲れ強さ、衝撃強さ、引張強さ等が大きくなり、鋳造製品の強度が向上することになる。そこで、従来、鋳造において鋳造製品の結晶粒の微細化を図るために、以下に示すような手法が実施されている。
例えば、鋳物材料に、添加剤を添加して、鋳造製品の結晶粒の微細化を図る手法がある。添加剤として、例えば、鋳造製品がアルミニウム合金である場合、ＴｉやＴｉＢ、Ｚｒ等が使用される。
また、鋳物材料の凝固速度が速いほど結晶粒は微細化し二次ＤＡＳが小さくなることから、鋳型全体や、鋳型内に形成した導管に、冷却媒体を導通させ、鋳型を強制冷却して、材料の凝固を強制的に促進して、鋳造製品の結晶粒の微細化を図る手法がある。
【０００３】
一方、鋳型が砂型である場合、鋳型に含有される水分を凍結させることによって鋳型の強度向上を図る技術が知られている。例えば、特許文献１に記載の技術である。この技術は、１〜１２重量％の水分を含有する砂型の鋳型において、冷凍機にて冷却された冷温空気を鋳型内に流通させて鋳型を凍結し、強度の向上を図るものである。また、特許文献１には、従来技術として、パイプ等により冷媒を吹き込んだり、鋳型内を吸引にて流通させたりして冷媒を吸引若しくは吹き込み等により鋳型内へ流通させる方法や、液体窒素の溶液中へ鋳型を浸漬して凍結鋳型を得る方法等が、従来の鋳型の冷却方法として開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１３８２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記凍結鋳型の技術は、砂型に適用され、また鋳型凍結のための装置にコストがかかるとともに、作業手順も複雑となる。しかし、鋳型の強度向上という視点ではなく、鋳造製品の品質の向上という視点で、凍結鋳型の技術を鑑みれば、凍結される鋳型の種類は砂型に限定されず、砂型はもちろん、金型や石膏型等とすることができる。
そこで、本発明では、鋳型をゼロ℃よりも低温とする低温鋳型を採用することにより、鋳造製品を構成する結晶粒の微細化による鋳造製品の機械的性質の向上を図る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、鋳型に形成した製品形状部に溶湯を注湯したのち溶湯を凝固させて鋳造製品を得る鋳造方法において、溶湯注湯前の鋳型を−１０℃以下に冷却するものである。
【０００８】
請求項２においては、前記鋳造方法において、溶湯を注湯する際に、鋳型内部の気体を外部へ排出するものである。
【０００９】
請求項３においては、前記鋳造方法において、溶湯注湯前の鋳型の、鋳造製品の厚肉部を形成する部分に配置される中子を、鋳型の他の部分の温度よりも１０℃以上低温に冷却するものである。
【００１０】
請求項４においては、内部に製品形状部を形成した鋳型と、鋳型を−１０℃以下に冷却する冷却手段と、溶湯を鋳型の製品形状部へ供給する溶湯供給手段とを備える鋳造装置ものである。
【００１１】
請求項５においては、前記鋳造装置において、溶湯を鋳型の製品形状部へ供給する際に、鋳型内部の気体を排出する気体排出手段を備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１３】
請求項１においては、鋳型の製品形状部に充填された溶湯をより速やかに凝固させることができ、強度の高い鋳造製品を製造することができる。また、溶湯が注湯される際の鋳型の温度をほぼゼロ℃以下に維持することができ、霜付き現象によって生じる、肌荒れ、ピンホール、注湯時の溶湯吹き返し等の発生を防止することができる。
【００１４】
請求項２においては、鋳型内部の気体を排出することで、鋳造製品の引け巣や気泡混入や湯皺等の発生の防止を図ることができる。また、溶湯を速やかに鋳型の製品形状部に充填させ、湯まわりが悪化して湯皺が発生したり、製品厚肉部の凝固格差が大きくなり厚肉部に引け巣が発生したりすることを防止できる。
【００１５】
請求項３においては、中子近傍の溶湯の凝固を促進して、溶湯の凝固に指向性を与え、厚肉部の凝固遅れを解消して、引け巣等の鋳造欠陥の発生を防止することができる。
【００１６】
請求項４においては、鋳型の製品形状部に充填された溶湯をより速やかに凝固させることができ、強度の高い鋳造製品を製造することができる。また、溶湯が注湯される際の鋳型の温度をほぼゼロ℃以下に維持することができ、霜付き現象によって生じる、肌荒れ、ピンホール、注湯時の溶湯吹き返し等の発生を防止することができる。
【００１７】
請求項５においては、鋳型内部の気体を排出することで、鋳造製品の引け巣や気泡混入や湯皺等の発生の防止を図ることができる。また、溶湯を速やかに鋳型の製品形状部に充填させ、湯まわりが悪化して湯皺が発生したり、製品厚肉部の凝固格差が大きくなり厚肉部に引け巣が発生したりすることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係る鋳造装置の概略構成を示す図、図３は本発明の実施例に係る鋳型の概略構成を示す平面図、図４は冷却回路を備えた鋳型の概略構成を示す側面断面図である。図５は冷却回路を備えた鋳型の概略構成を示す平面図である。
図６はシリンダボア部近傍の鋳型を示す断面図である。
図７は鋳造の流れを示す図である。
図８は本発明に係る冷却鋳型を用いた鋳造製品と従来の鋳造製品との強度試験結果を示す図、図９は鋳型冷却温度と二次ＤＡＳとの関係を示す図である。
【００１９】
まず、本発明の実施例に係る鋳造装置について説明する。
図１に示す如く、鋳造装置３０は、内部に製品形状部１７を形成した鋳型１０と、鋳型１０を冷却する冷却手段３３と、鋳型１０内部の気体を排出する気体排出手段３２と、溶湯（溶湯金属）を鋳型１０へ供給する溶湯供給手段３１等から成る。
【００２０】
上記鋳型１０の構造について説明する。
鋳型１０は、石膏型、金型、水分１重量％以下の砂型のうち、いずれかとすることができる。砂型は、焼型、セメント鋳型、生砂、油砂、シェル鋳型、フラン樹脂等のうちいずれであっても構わない。そして、上記鋳型１０により鋳造成形される鋳造製品は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金である。
本発明では、鋳型１０をゼロ℃よりも低温とする低温鋳型を採用することにより、鋳造製品を構成する結晶粒の微細化による鋳造製品の機械的性質を向上することを目的としている。
【００２１】
図２は鋳造鋳型１０の概略構成を示している。但し、本発明は、本実施例の鋳型１０の構造に限定されるものではなく、様々な形状や形態の鋳型１０に適用させることができる。
鋳型１０は、主に上型１１と下型１２とから成り、該上型１１と下型１２に、製品形状を形成する製品形状部１７、鋳型１０のうち溶湯が最初に通過する湯口１３、該湯口１３よりせき１６のそれぞれに溶湯を導き分配する通路である湯道１５、湯道１５より分岐して製品形状となる鋳型１０内に溶湯を導入する部分であるせき１６、製品形状部１７で溶湯が凝固する際の凝縮にて発生した空隙に補填する溶湯を保持する押湯保持部１４・１４・・・、等の中空部が形成される。また、製品形状部１７には、溶湯の凝固を促進するための冷し金１９が配置される。鋳型１０には型の開閉手段（図示せず）が備えられ、閉じて（型閉め）、上型１１と下型１２とを併せて製品形状部１７等の内部空間を形成したり、上型１１と下型１２とを開いて（型開き）、鋳造製品を取り出したりすることができる。
上述の鋳型１０にて、湯口１３から鋳型１０内へ供給される溶湯が、湯道１５を通り製品形状部１７に注湯される。製品形状部１７に溶湯が充填され、冷却されて溶湯が凝固して、鋳造製品が成形される。
【００２２】
上記気体排出手段３２は、製品形状部１７へ溶湯が注湯される際に、製品形状部１７内の気体を鋳型１０外へ排出するためのものである。
気体排出手段３２にて鋳型１０内部の気体を排出することで、鋳造製品の引け巣や気泡混入や湯皺等の発生の防止を図ることができる。
また、本発明において溶湯注湯時の鋳型１０は低温となっているために、溶湯の流動性が低下し、湯まわりが悪化して湯皺が発生したり、製品厚肉部の凝固格差が大きくなり厚肉部に引け巣が発生したりするおそれがある。そこで、気体排出手段３２にて鋳型１０内部の気体を排出することで、製品形状部１７内を低圧として、溶湯を速やかに製品形状部１７に充填させることができる。
【００２３】
鋳型１０が砂型や石膏型の場合、前記気体排出手段３２は、鋳型１０内部に形成された空隙と連通する吸引プレート２０と、該吸引プレート２０に連通される排出管２１と、該排出管２１に連結され排出管２１の気体を吸引して外部へ排出する吸引ポンプ２２とで構成される。前記吸引プレート２０は多孔体であって、下型１２下部に配置され、鋳型１０全体に含有される気体が、吸引プレート２０に形成された孔を通じて鋳型１０内部の気体が排出管２１を通じて鋳型１０外部へ排出される。
【００２４】
また、鋳型１０が金型の場合、前記気体排出手段３２は、上型１１又は下型１２に製品形状部１７と連通するように形成された排気路（図示せず）と、該排気路に接続された排出管２１と、該排出管２１に連結され排出管２１の気体を吸引して外部へ排出する吸引ポンプ２２とで構成される。そして、製品形状部１７内の気体が、排気路及び排出管２１を通じて、通じて鋳型１０外部へ排出される。
【００２５】
上記冷却手段３３は、鋳型１０の全体又は一部を冷却するためのものであり、公知となっている種々の鋳型１０の冷却手段３３を採用することができる。
【００２６】
例えば、冷却手段３３として冷凍庫を鋳造装置３０に備えることができる。この場合、鋳型１０の一部又は全部を冷凍庫に投入して所定の温度となるまで冷却し、冷凍庫から取り出して鋳型１０に溶湯を注湯する。
また、例えば、冷却手段３３として鋳型１０に形成した冷却回路と、該冷却回路に導通される冷媒とを鋳造装置３０に備えることができる。この場合、図４及び図５に示す如く、鋳型１０内にパイプ等により冷却回路１８を形成し、該冷却回路１８に冷媒を導通させる。溶湯の注湯を開始するまでは、冷却回路１８に冷媒を供給し、溶湯の注湯を開始すれば製品形状部１７への湯まわりを促進させるために冷媒の供給を停止し、鋳型１０の冷却を停止する。
【００２７】
また、他にも、冷却手段３３として溶媒と鋳型の搬送装置とを備え、液体状の冷媒中へ鋳型１０を浸漬して鋳型１０を冷却したり、冷却手段３３として溶媒と溶媒の噴出装置とを備え、鋳型１０に冷媒を吹き付けて鋳型１０を冷却したりすることができる。
上記冷媒としては、液体窒素や、アルコール冷凍液等を採用することができる。冷凍機等の熱交換機にて冷却した液体又は気体を冷媒とすることもできる。なお、冷凍機を使用すれば、作業者が０℃以下の悪環境で作業する必要がなく、安全性・作業性を確保することができる。
【００２８】
上記溶湯供給手段３１は、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の、鋳造製品の材料となる溶湯（溶融金属）を、鋳型１０の湯口１３から注ぎ入れ、製品形状部１７に供給するものである。溶湯供給手段３１としては、公知となっている種々の溶湯供給手段３１を採用することができる。
【００２９】
上記鋳造装置３０を用いた鋳造成形工程について、図７の流れ図を用いて説明する。
本発明の鋳造方法では、ゼロ℃以下の低温鋳型を用いることを特徴としている。そこで、まず、溶湯射出前の鋳型１０を−１０℃以下に冷却する（Ｓ１０）。
【００３０】
低温鋳型が湿度の高い大気と接すると過飽和な水蒸気が急速に鋳型に付着する。この霜付き現象は、鋳型１０内の製品形状部１７側に発生すると、肌荒れ、ピンホール、注湯時の溶湯吹き返し等の現象となって表れる。このような霜付き現象の発生を確実に防止するために、鋳型１０の冷却温度の上限が−１０℃とされる。
所定温度まで鋳型１０を冷却して低温鋳型としたのち、鋳型１０に溶湯を射出するまでには、鋳型１０を移動したり、溶湯を鋳型１０へ供給するための装置と連結したり、等の作業時間が必要となる。この作業時間のうちに、鋳型１０の温度が上昇するが、−１０℃以下まで冷却した鋳型１０であれば、鋳型１０の温度が上昇したとしても、十分に氷点下を保持することができ、霜付き現象の発生を防止することができる。
【００３１】
また、上記に加え、鋳型１０において大気と接するのは、上型１１の押湯保持部上面と、湯口１３上面であり、製品形状部１７側は上記作業時間という短時間であれば、殆ど温度変化がなく、−１０℃以下に保持されることと、鋳型１０内部には水分が殆どないことから、霜付き現象が発生しない。
【００３２】
なお、結晶粒の二次ＤＡＳは温度と相関関係にあり、温度が低いほど二次ＤＡＳが小さくなり、製品の強度が高い。従って、鋳型１０の冷却温度の下限を特に設定する必要はなく、鋳型１０の冷却温度の下限は絶対零度とする。
但し、冷却手段３３や冷却方法との関係上、アルコール冷凍液を冷媒とする場合、鋳型１０の冷却温度の下限は約−７５℃、液体窒素を冷媒とする場合、鋳型１０の冷却温度の下限は約−２００℃ということになる。本発明は鋳型１０の冷却手段３３や冷却方法には限定されないため、鋳型１０の冷却温度の下限を更に低温とすることも可能である。
【００３３】
上述の如く冷却した鋳型１０において、気体排出機構にて鋳型１０内の気体を外部に排出する（Ｓ１１）。気体排出を継続した状態で、鋳型１０に湯口１３より溶湯を供給する（Ｓ１２）。溶湯の充填工程は、可能な限り速やかに完了させる。鋳型１０の製品形状部１７に溶湯が充填され、溶湯が凝固する時間（ダイタイム）が経過すれば（Ｓ１３）、型を開いて鋳造製品を取り出し（Ｓ１４）、一サイクルの鋳造成形工程を終える。
【００３４】
なお、鋳型１０に中子を設ける場合、鋳型１０と中子とを略同一温度に冷却することもできるが、特に厚肉部に設けられる中子に、鋳型１０の他の部分との温度差を設けることが好ましい。
【００３５】
厚肉部では、他の部分と比較して溶湯の凝固が遅くなる傾向がある。溶湯の凝固が遅れると、引け巣等の鋳造欠陥が生じる。そこで、厚肉部に配置される中子を、鋳型１０の他の部分と比較して低温とし、中子近傍の溶湯の凝固を促進して、溶湯の凝固に指向性を与え、厚肉部の凝固遅れを解消して、引け巣等の鋳造欠陥の発生を防止するのである。なお、冷し金（チル）の多用することによっても、厚肉部の凝固遅れを解消することができるので、併用することが好ましい。
【００３６】
鋳型１０の他の部分と比較して低温とする中子は、鋳型１０の他の部分と、少なくとも−１０〜−２０℃の温度差を設ける。但し、中子と鋳型１０の他の部分との温度差は大きいほど指向性が高まるので好ましい。
【００３７】
中子の冷却方法は、例えば、着脱式の中子を鋳型１０の他の部分とは別途冷却して、溶湯注湯前に鋳型１０に中子を取り付ける方法や、中子に冷却回路を形成し、鋳型１０の他の部分に形成された冷却回路とは異なる温度の冷媒を導通させる方法、等がある。但し、中子の冷却方法は本実施例に限定されるものではなく、広く一般に使用されている鋳型１０の冷却方法を採用することができる。
【００３８】
なお、図６では、シリンダのシリンダボア部の上型１１と下型１２と、入子Ｋ・Ｋ・・・と、中子Ｎ・Ｎ・・・等から成る鋳型を示しており、適宜位置に溶湯の凝固の促進を図るために冷し金１９が配置されている。このシリンダの鋳型１０のように、鋳型１０に多くの中子Ｎ・Ｎ・・・が組み付けられている場合、中子Ｎ・Ｎ・・・を組み付ける作業時間に鋳型１０の温度が上昇して霜付き現象が発生するおそれがあるため、予め鋳型１０に中子Ｎ・Ｎ・・・を組み付けた状態で鋳型１０を冷却することが好ましい。
【００３９】
図８及び図９では、鋳型１０を冷凍庫内で約−２０℃に冷却し、該鋳型１０に備えられる中子を−４０℃に冷却し、該鋳型１０に中子を取り付けて構成した低温鋳型に、溶湯を注湯して、鋳造製品を製造して得られた結果の一例を示している。
【００４０】
図９のグラフに示されるように、低温鋳型による鋳造製品の二次ＤＡＳは、通常の鋳型１０にて鋳造された鋳造製品の二次ＤＡＳの値（４０〜５０μｍ）と比較して、２０μｍ以下と大幅に小さくなった。すなわち、本発明に係る冷却鋳型１０とすることで、鋳造製品の結晶の微細化が実現されたことがわかる。
また、図８のグラフに示されるように、通常の鋳型１０にて鋳造された鋳造製品と比較して、低温鋳型による鋳造製品引張強度は２５％向上し、伸び強度は５０％以上向上した。すなわち、本発明に係る冷却鋳型１０とすることで、鋳造製品の機械的性質が大幅に向上されたことがわかる。
また、厚肉部の溶湯の凝固を促進するために、冷し金を用いたが、冷し金の表面に結露は発生せず、吹かれ（ブローホール）等の鋳造欠陥の発生も見られなかった。これより、霜付き現象による鋳造欠陥の発生を防止できたことがわかる。
【００４１】
上述の如く、本発明の低温鋳型による鋳造を実施することで、鋳造製品の機械的性質が大幅に向上されるため、製品レース用エンジンや、航空機、軍需部品等の高強度を必要とする鋳造製品の更なる強度の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係る鋳造装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明の実施例に係る鋳型の概略構成を示す側面断面図。
【図３】本発明の実施例に係る鋳型の概略構成を示す平面図。
【図４】冷却回路を備えた鋳型の概略構成を示す側面断面図。
【図５】冷却回路を備えた鋳型の概略構成を示す平面図。
【図６】シリンダボア部近傍の鋳型を示す断面図。
【図７】鋳造の流れを示す図。
【図８】本発明に係る冷却鋳型を用いた鋳造製品と従来の鋳造製品との強度試験結果を示す図。
【図９】鋳型冷却温度と二次ＤＡＳとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１０  鋳型
１１  上型
１２  下型
１７  製品形状部
１８  冷却回路
２０  吸引プレート
２１  排出管
２２  吸引ポンプ
３０  鋳造装置
３１  溶湯供給手段
３２  気体排出手段
３３  冷却手段
【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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