(57)【要約】【課題】  鋳型に振動を与え、マクロ結晶粒を微細化することが可能な振動凝固鋳造鋳型を提供することを課題とする。【解決手段】  鋳型１は、互いに分離可能に形成された振動型３及び振動型３と当接した固定型４を有して構成された鋳型本体５と、鋳型本体５の振動型３側の鋳型外表面６に取設されたボールバイブレータからなる振動子７と、鋳型本体５の振動型３及び固定型４を開閉自在に支持する鋳型支持部８とによって主に構成されている。ここで、振動型３と接続された鋳型支持部８の緩衝支持部１４には、振動子７による振動を緩衝するための緩衝バネ部１３が設けられている。これにより、溶湯１１に強い衝撃が加わることを回避することができる。【選択図】        図１
2006315046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯の充填されるキャビティを内部に有し、少なくとも二つ以上に分離可能に形成された鋳型本体と、
前記鋳型本体の一部に取設され、前記キャビティに充填された前記溶湯を凝固させて鋳物製品を鋳造する間、前記鋳型本体を振動させる振動手段と、
分離可能に形成された前記鋳型本体を開閉可能に支持する鋳型支持部と
を具備することを特徴とする振動凝固鋳造鋳型。
【請求項２】
前記鋳型支持部は、
前記鋳型本体のいずれか一方を固定して支持する固定支持部、及び前記鋳型本体のいずれか他方を、前記振動手段によって与えられる振動を緩衝手段によって緩衝して支持する緩衝支持部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の振動凝固鋳造鋳型。
【請求項３】
前記振動手段は、
前記キャビティに相対する前記鋳型本体の鋳型外表面部に取設されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動凝固鋳造鋳型。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の振動凝固鋳造鋳型を利用する鋳造法であって、
少なくとも二つ以上に分離可能に形成された鋳型本体の内部のキャビティに、高温で溶解された溶湯を充填する溶湯充填工程と、
前記キャビティに充填された前記溶湯を冷却し、凝固させることによって鋳物製品を鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程によって前記溶湯の凝固が進行する過程で前記鋳型本体に少なくとも一部が取設された振動手段を利用して、前記鋳型本体に振動を与える振動供与工程と
を具備することを特徴とする鋳造法。
【請求項５】
前記振動供与工程は、
前記溶湯充填工程によって前記キャビティへの前記溶湯の充填が完了してから、前記溶湯の固相率が５０％以上を占めるまで前記振動の供与を継続することを特徴とする請求項４に記載の鋳造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動凝固鋳造鋳型及びその鋳造法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に、金属組織を微細化し、鋳巣結果を減少させることが可能な振動凝固鋳造鋳型及びその鋳造法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鋳型（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、可能な限り鋳物製品の微細化したマクロ結晶粒にする試みがなされている。また、鋳物製品の強度及び耐圧性などの力学的特性を低下させる、或いは加工面の凹凸の原因となる鋳巣欠陥を防ごうとする試みも行われている。なお、マクロ結晶粒は、一般に光学顕微鏡下で観察可能な大きさの範囲が一般的に認識されている。
【０００３】
ここで、アルミニウム合金を鋳造する際に、金属組織をマクロ結晶粒に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、確実にすることが可能である。
【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、鋳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ものは、既に開示されており、特に、鋳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。
【０００６】
【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
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した振動処理の手法では、超音波振動や電磁振動等の比較的高周波の振動数の振動が与えられることが多かった。また、単純に振動のみを与えるものでは、マクロ結晶粒の微細化は不十分であり、アルミナ或いはカーボン等の接種剤を鋳型に埋設し、これらの双方の作用を用いた相乗効果を利用して、金属組織のマクロ結晶粒を微細化することが行われていた。したがって、２）の微細化剤の添加処理と同様に、埋設する接種剤のコストが必要となり、製造コストの増大につながることがあった。加えて、振動を与えて鋳造される鋳物製品は、いずれもインゴットのような単純形状を有するものであり、複雑な形状の鋳物製品を鋳造するものに対しては適していなかった。
【０００８】
また、上述した微細化剤を添加して形成された鋳物製品の場合、係る鋳物製品を再利用（リサイクル）する場合、不具合を生じることがあった。すなわち、鋳物製品に混在した微細化剤を再び除去する処理は難度が高く、係る処理に時間及びコストが必要となるとともに、リサイクル自体も複雑化することがあった。そのため、係る微細化剤は、可能な限り使用しないことが求められていた。
【０００９】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、鋳型に振動を与え、マクロ結晶粒を微細化することが可能な振動凝固鋳造鋳型及びその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鋳型は、「溶湯の充填されるキャビティを内部に有し、少なくとも二つ以上に分離可能に形成された鋳型本体と、前記鋳型本体の一部に取設され、前記キャビティに充填された前記溶湯を凝固させて鋳物製品を鋳造する間、前記鋳型本体を振動させる振動手段と、分離可能に形成された前記鋳型本体を開閉可能に支持する鋳型支持部と」を主に具備して構成されている。
【００１１】
ここで、振動手段とは、例えば、圧縮空気のエアー圧を利用し、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、遠心力に伴う振動を発生させるボールバイブレータ、或いは電磁的に振動を発生可能な電磁振動素子などを利用することが可能である。なかでも、ボールバイブレータは、比較的コンパクトかつシンプルな構造であり、エアー圧を適宜調整することにより、発生する振動数を任意に変更することが可能となる。なお、係るボールバイブレータは、一般に、粉体及び固体等を運搬、充填、及び選別等を行う場合の振動源、或いは輸送管内の詰まりを解消するための振動源として用いられているものである。
【００１２】
さらに、溶湯は、高温で溶解した金属または金属合金であり、鋳物製品等を鋳造する際の原料となるものである。なお、溶湯に使用される金属種、合金種は特に限定されないが、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。ここで、溶湯は、チタン、ボロン、ジルコニウム等の結晶粒微細化剤を含有しないものを利用することが可能である。
【００１３】
したがって、本発明の振動凝固鋳造鋳型によれば、鋳型支持部によって少なくとも二つ以上に分離し、キャビティを開閉可能に支持された鋳型本体に振動を与える振動手段が取設されている。これにより、キャビティに溶湯が充填された後、振動手段をスイッチを操作し、鋳型本体を振動させる。これにより、液相から固相へと相転移する状況において、振動（低周波〜高周波の任意の値）を与えることにより、液相及び固相に係る不均一な負荷を解消し、均等に負荷が分散した状態で凝固を進行させることが可能となる。その結果、液相から固相への凝固変化が速やかに進行し、金属組織のマクロ結晶粒の微細化を図ることが可能となる。なお、与える振動は、振動手段（ボールバイブレータ等）の種類及び性能、または振動手段の取付方法などによって大きく変更することが可能であり、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動数を任意に設定することができる。
【００１４】
さらに、本発明にかかる振動凝固鋳造鋳型は、上記構成に加え、「前記鋳型支持部は、前記鋳型本体のいずれか一方を固定して支持する固定支持部、及び前記鋳型本体のいずれか他方を、前記振動手段によって与えられる振動を緩衝手段によって緩衝して支持する緩衝支持部を」具備するものであっても構わない。
【００１５】
ここで、緩衝手段を有する緩衝支持部とは、例えば、振動手段による鋳型本体の振動を緩衝しながら支持することが可能なものであり、例えば、鋳型本体と緩衝支持部とを接続する接続部の一部または全部を弾性変形可能なバネ或いはゴムのような弾性体で形成し、振動手段による振動を緩衝した状態で鋳型本体の一部を支持可能なものを挙げることができる。
【００１６】
したがって、本発明の振動凝固鋳造鋳型は、鋳型支持部が固定支持部及び緩衝支持部を有し、緩衝支持部のバネ等の緩衝手段によって鋳型本体の振動を緩衝しながら支持可能となる。そのため、例えば、鋳型本体が二つに分離可能に形成され、溶湯が内部に充填されるキャビティを形成するために型閉めされた状態にあるとき、該緩衝手段（緩衝支持部）によって鋳型本体が互いの型が分離するような事態を回避することが可能となる。これにより、振動によってマクロ結晶粒の微細化を可能とするとともに、溶湯が充填されるキャビティの形状（鋳型本体の型閉め状態）を保持することができる。さらに、緩衝手段によって、振動方向が変化する際の衝撃が小さくなり、溶湯の凝固に悪影響（液相面の波打ち等）を及ぼすことがなくなる。
【００１７】
さらに、本発明にかかる振動凝固鋳造鋳型は、上記構成に加え、「前記振動手段は、前記キャビティに相対する前記鋳型本体の鋳型外表面部に取設される」ものであっても構わない。
【００１８】
したがって、本発明の振動凝固鋳造鋳型によれば、振動手段がキャビティに相対する鋳型本体の鋳型外表面部に取設されている。すなわち、振動手段が溶湯が凝固して形成される鋳造製品の近傍に設けられている。これにより、振動手段の振動が確実に、凝固する溶湯に伝搬する。その結果、溶湯を振動することによるマクロ結晶粒の微細化が速やかに進行される。
【００１９】
一方、本発明にかかる鋳造法は、「上記のいずれか一つに記載の振動凝固鋳造鋳型を利用する鋳造法であって、少なくとも二つ以上に分離可能に形成された鋳型本体の内部のキャビティに、高温で溶解された溶湯を充填する溶湯充填工程と、前記キャビティに充填された前記溶湯を冷却し、凝固させることによって鋳物製品を鋳造する鋳造工程と、前記鋳造工程によって前記溶湯の凝固が進行する過程で前記鋳型本体に少なくとも一部が取設された振動手段を利用して、前記鋳型本体に振動を与える振動供与工程と」を具備するものから主に構成されている。
【００２０】
したがって、本発明の鋳造法によれば、キャビティへの溶湯の充填が完了した後に、振動手段を利用して鋳型本体を振動させる。このとき、充填された溶湯は、充填完了直後から徐々に冷却され、液相から固相への相転移が開始される。そのため、係る相転移の状態で振動が与えられることにより、液相の溶湯は該振動による影響を大きく受け、凝固時に係る無用な負荷を分散した状態（均一な状態）で金属組織の凝固が進行する。これにより、マクロ結晶粒の微細化が可能となる。
【００２１】
一方、本発明にかかる鋳造法は、上記構成に加え、「前記振動供与工程は、前記溶湯充填工程によって前記キャビティへの前記溶湯の充填が完了してから、前記溶湯の固相率が５０％以上を占めるまで前記振動の供与を継続する」ものであっても構わない。
【００２２】
したがって、本発明の鋳造法によれば、溶湯の固相率が５０％以上になるまで、振動供与工程による鋳型本体への振動の供与が継続される。ここで、前述したように、キャビティに溶湯の充填が完了した直後から、液相から固相への相転移が開始される。このとき、溶湯の充填完了直後は、液相領域が大部分を支配している（固相率＝ほぼ０％）。そのため、振動供与工程によって供与される振動を液相状態の溶湯が十分に受けることが可能となる。一方、液相から固相へ完全に相転移した状態（凝固状態：固相率＝１００％）では、振動供与工程によって振動が供与されたとしても、該振動の影響を固相からなる鋳物製品は受けることがない。すなわち、凝固が完全に進行し、鋳物製品が鋳造された後では振動を与えることが無意味となる。そこで、固相率が５０％以上になるまで、振動供与工程によって振動を供与し、それ以後は振動を供与しても顕著な作用が得られないと判断し、以後の振動を停止する。これにより、振動手段を用いた振動のタイミングを調整することにより、無駄に鋳型本体を振動させることがない。なお、固相率は、それぞれの金属または合金に対して計測された時間−温度の冷却曲線に基づいて算出することが可能である。そのため、本発明の振動凝固鋳造鋳型に、時間を計測するタイマーのような時間計測手段、及び鋳型本体の複数箇所（例えば、押し湯部、キャビティ等）の温度を計測可能な温度センサのような温度計測手段を設け、上述した冷却曲線に基づいて固相率を算出し、振動の供与の継続／停止を判断することも可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の効果として、鋳型本体を振動させる振動手段を利用し、溶湯の充填完了直後から発生する液相から固相への相転移をする間に振動を与え、マクロ結晶粒の微細化を図ることができる。これにより、金属組織が微細化し、かつ均一に分布するようになる。さらに、力学的特性に優れ、「熱間割れ」や「巣」の発生などの鋳巣欠陥を生じることがなく、安定した鋳物製品を鋳造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態である振動凝固鋳造鋳型１（以下、単に「鋳型１」と称す）、及びその製造法２について、図１乃至図５に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の鋳型１の構成及び鋳造される鋳物製品９の一例を模式的に示す説明図であり、図２は鋳型１を利用した鋳造法２の各工程の流れを示すフローチャートであり、図３は振動条件とマクロ結晶粒の関係を示すグラフであり、図４は振動条件とミクロ組織のサイズの関係を示すグラフであり、図５は振動条件と比重値の関係を示すグラフである。なお、本実施形態では、鋳型１を利用し、重力鋳造法によってアルミニウム合金からなる鋳物製品９を鋳造するものを例示している。さらに、後述する振動条件に基づく各部位のミクロ組織のサイズ等の変化を検討するために、図１に示すような試験ピースを鋳物製品９として鋳造するものを示している。
【００２５】
本実施形態の鋳型１は、図１に主に示すように、互いに分離可能に形成された振動型３及び振動型３と当接した固定型４を有して構成された鋳型本体５と、鋳型本体５の振動型３側の鋳型外表面６に取設されたボールバイブレータからなる振動子７と、鋳型本体５の振動型３及び固定型４を開閉自在に支持する鋳型支持部８とによって主に構成されている。なお、鋳型本体５の振動型３及び固定型４を開閉自在にするためのエアシリンダ若しくは油圧シリンダ等によって形成された型開閉機構（図示しない）は、従来から周知の技術及び装置を利用することが可能であり、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２６】
また、鋳型本体５の振動型３及び固定型４は、それぞれ内部に鋳造される鋳物製品９と同形状に型彫られたキャビティ１０、及び溶湯１１をキャビティ１０に充填するための押し湯部１２が形成されている。なお、押し湯部１２を介して溶湯１１をキャビティ１０に重力鋳造法によって充填するための溶湯充填機構（図示しない）も既に周知のものであるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２７】
さらに、鋳型支持部８は、振動型３を支持し、振動子７によって供与される振動を緩衝バネ部１３によって緩衝しながら支持する緩衝支持部１４と、固定型４を支持する固定支持部１５とを具備している。ここで、緩衝バネ部１３が本発明における緩衝手段に相当する。係る構成により、型開閉機構によって型締状態とされた鋳型本体５に振動が与えられた場合であっても、緩衝支持部１４によって振動による振幅を吸収しながら鋳型本体５を支持することができるようになる。なお、図１に示すように、緩衝バネ部１３を有する緩衝支持部１４は、振動型３に対し、少なくとも一対が取付けられている。一方、固定支持部１５は、振動が与えられる鋳型本体５を強固に支持するものである。これにより、緩衝支持部１４及び固定支持部１５によって型締され、キャビティ１０に溶湯１１が充填された鋳型本体５に振動が与えられても、振動型３及び固定型４が離間するような状態を回避することができる。 
【００２８】
さらに、鋳型本体５の振動型３に取設される振動子７は、前述したように鋼製のボール（図示しない）を圧縮空気のエアー圧を利用して円形空間内を高速で遠心運動させ、該運動に伴って発生する遠心力を利用して振動を得ることができるものを利用している。そのため、供給するエアーの強さ（供給量、供給圧）を変化させることにより、鋳型本体５に供与する振動の大きさまたは振動数を任意に変更することができる。なお、圧縮空気のエアー圧による振動強さ又は振動数は、鋳型本体５に型彫りされるキャビティ１０の形状、換言すれば、鋳造される鋳物製品９の形状によって大きく異なる。そのため、特に限定することはできないが、例えば、本実施形態の試験ピースの形状の鋳物製品９の場合、振動強さを０．５ｋｇ／ｃｍ２以上、４．０ｋｇ／ｃｍ２以下に設定することができる。すなわち、４．０ｋｇ／ｃｍ２より振動強さが強い場合、振動子７の近傍で所謂「面引け」が生じる。また、後述する図５のグラフに示されるように、比重値の向上する効果が上記範囲内に比べて劣る場合がある。一方、０．５ｋｇ／ｃｍ２以下の振動強さでは、マクロ結晶粒を十分に微細化することができず、鋳型１を振動させることによる効果を得ることができない。そのため、上記形状の鋳物製品９の場合は、係る振動強さの範囲にすることが望ましい。なお、図１に示すように、本実施形態では、鋳型本体５の上部側である押し湯部１２（測定部位Ｄ）及び鋳物製品９の上部（測定部位Ｃ）に近接するように振動子７が取付けられている。
【００２９】
なお、本実施形態では、振動子７は、振動型３の内面に型彫られたキャビティ１０に相対する鋳型外表面６に設けられている。これにより、振動子７によって発生した振動は、キャビティ１０に充填された溶湯１１にロスなく伝達される。そのため、鋳型本体５を振動させることによって得られる効果を十分に享受することが可能となる。
【００３０】
次に、本実施形態の鋳型１を利用した鋳造法２の具体例を図２のフローチャートに基づいて説明する。始めに、型開閉機構（図示しない）を利用して互いに分離可能に形成された振動型３及び固定型４の型面３ａ，４ａ同士を密着させ、鋳造する鋳物製品９の形状を構成するキャビティ１０を鋳型本体５の内部に形成する（型締工程Ｓ１）。なお、型締された鋳型本体５は予め３００℃に加熱されている。
【００３１】
その後、溶湯充填機構（図示しない）を利用して、鋳型本体５のキャビティ１０に連通して設けられた押し湯部１２の溶湯口１２ａから溶湯１１を流し込む（溶湯充填工程Ｓ２）。ここで、溶湯１１は高温で溶解されたアルミニウム合金であり、液相で支配されている（固相率＝０％に相当）。さらに、係る溶湯１１は、振動による金属組織の微細化を確認するために、通常は結晶粒微細化剤として添加されるチタン、ボロン、ジルコニウム等を添加しないものが使用されている。このとき、キャビティ１０への充填が完了した直後から溶湯１１は、液相から固相への相転移（凝固）が開始され、係る液相から固相への相転移が完全に完了することによって溶湯１１が鋳物製品９として鋳造される（鋳造工程Ｓ３）。
【００３２】
ここで、本実施形態の鋳造法２は、溶湯充填工程Ｓ２によってキャビティ１０への溶湯１１の充填が完了し、鋳造工程Ｓ３による溶湯１１の凝固が進行する間に、同時に振動子７を作動させ、鋳型本体５に所定の振動数の振動（図１の矢印Ｖ参照）が供与される（振動供与工程Ｓ４）。さらに、係る振動の際に、緩衝支持部１４の緩衝バネ部１３によって振動型３が支持されているため、水平方向に働く力を緩衝しながら振動を行うことができる。これにより、振動が振幅の頂点に達し、振動方向が変化する際の衝撃が小さくなる。その結果、凝固して鋳造される鋳物製品９の品質に悪影響を及ぼすことがない。
【００３３】
その後、溶湯１１の固相率が５０％を越えるとアルミニウム合金の冷却曲線から判断されると、鋳型本体５に振動の供与を停止する（振動停止工程Ｓ５）。なお、固相率５０％の判断は、原則として冷却曲線に基づき、また、溶湯の充填完了から計測された経過時間及び鋳型本体５に取設された温度センサ等によって総合的に判断するものであっても構わない。
【００３４】
なお、振動の供与を停止した後も溶湯１１を液相から固相へと相転移させる鋳造工程Ｓ３は継続して行われる。なお、液相から固相への変化とともに高温の溶湯１１は徐々に熱を喪失し、温度が変化する。その後、固相率が１００％に達し、液相から固相への相転移が完全に終端し、鋳造が完了すると、キャビティ１０から鋳造後の鋳物製品９を取り出すために振動型３及び固定型４を互いに離間させるように型開きをする（型開工程Ｓ６）。これにより、振動を与えながら鋳造された鋳物製品９が完成する。
【００３５】
以上、説明したように、本実施形態の鋳型１、及び鋳型１を利用した鋳造法２によれば、キャビティ１０に溶湯１１が充填された鋳型本体５に対し、所定の振動数によって振動が与えられる。これにより、鋳巣欠陥等の鋳造時における不良の発生を少なくすることができる。特に、鋳型本体５を振動させる振動子７をキャビティ１０の近傍の鋳型外表面６に取設することにより、発生する振動をロスなく溶湯１１まで伝達することができる。さらに、振動を与える振動供与工程Ｓ４が溶湯１１の充填から、固相率が５０％以上になるまで継続されることにより、主に液相によって支配された状態の溶湯１１に振動を効果的に与え、鋳巣欠陥の生成を回避することができる。
【００３６】
次に、本実施形態の鋳型１を利用して鋳造された鋳物製品９（試験ピース）における振動条件Ｖ１等と、測定されたマクロ結晶粒サイズ、ミクロ組織サイズ、及び比重値のそれぞれの関係を示すグラフ（図３乃至図５）に基づいて振動による効果を示す。ここで、各グラフ中の振動条件Ｖ１乃至Ｖ４は、下記のように設定されている。
すなわち、
Ｖ１：振動なし（◆）
Ｖ２：振動有り・振動タイミング＝充填後０ｓ・エアー圧＝４．９ｋｇ／ｃｍ２（■）
Ｖ３：振動有り・振動タイミング＝充填後０ｓ・エアー圧＝３．０ｋｇ／ｃｍ２（●）
Ｖ４：振動有り・振動タイミング＝充填後５ｓ・エアー圧４．９ｋｇ／ｃｍ２ （▲）
である。
これにより、振動の有無、振動を開始するタイミング、及びエアー圧の強弱をそれぞれ変化させることにより、試験ピース（鋳物製品９）の各測定部位Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの値にどのような違いが観察されるかを確認した。ここで、測定部位Ａは、試験ピースの下端部、測定部位Ｂは試験ピースの中央部、測定部位Ｃは試験ピースの上端部、及び測定部位Ｄは押し湯部１２に相当する箇所である。なお、振動条件Ｖ２及び振動条件Ｖ３における振動タイミングが溶湯１１の充填後０ｓ、すなわち充填完了直後は固相率は約０％であり、一方、振動条件Ｖ４における振動タイミングが溶湯１１の充填後５ｓを経過した状態では、固相率は約２０％を示している。
【００３７】
図３に示すように、振動子７によって振動を与えることにより（振動条件Ｖ２乃至振動条件Ｖ４）、いずれの測定部位Ａ等でもマクロ結晶粒のサイズが、振動を与えない場合（振動条件Ｖ１）と比べて小さくなることが観察された。すなわち、本実施形態の鋳型１によってマクロ結晶粒を微細化することが確認された。具体的に示すと、振動を与えない場合、マクロ結晶粒のサイズは、約５００〜６００μｍを示すのに対し、振動を与えたものは、３００〜４００μｍの値を示した。しかしながら、鋳物製品９の測定部位Ａに相当する箇所、換言すると溶湯口１２ａから最も離れた部位では振動の有無によるマクロ結晶粒のサイズの影響はほとんどなかった。係る部位に到達した溶湯１１は、振動子７による振動が開始されるまでの時間（すなわち、充填が完了するまでの時間）が最も長く、既に液相から固相への相転移が溶湯１１の充填時に既に始まっている可能性が高い。そのため、測定部位Ａでは振動の有無によるサイズの影響があまり大きくないことが示された。また、図３では、振動条件Ｖ２及び振動条件Ｖ４では、ほとんどマクロ結晶粒のサイズに違いは見られなかった。すなわち、振動タイミングを充填完了後から５ｓ経過した後に設定しても、完了直後とほぼ同等の値が示された。これにより、固相率が２０％程度の状態であっても振動による効果を享受することが確認される。加えて、振動条件Ｖ２及び振動条件Ｖ３を比較することにより、振動子７に供給されるエアー圧が大きな方が、換言すると、振動の強度が強いと、よりマクロ結晶粒の微細化を促進することが確認された。特に、従来の結晶粒微細化剤を全く添加しない条件であっても、金属組織の微細化を促進することができるため、結晶粒微細化剤を添加する作業を省略し、かつ、これらに要する原材料コストを削減することもできる。
【００３８】
また、図４は鋳造された鋳物製品９のミクロ組織のサイズ（ＤＡＳ）を測定部位Ａ等毎に比較してグラフ化したものである。これによると、振動子７に近接した測定部位Ｄ及び測定部位Ｃの箇所は、ＤＡＳサイズが、測定部位Ａ及び測定部位Ｂに比べて大きくなっている。そのため、本実施形態のように、上部側に設けられた押し湯部１２から溶湯１１を充填する場合には、押し湯部１２を除いた位置に振動子７を少なくとも一つ以上設けることにより、ＤＡＳサイズを細かくすることが可能となる。さらに、図５に示すように、エアー圧の違いによって比重値の値が変化することが示された。特に、測定部位Ｃでは、エアー圧が３．０ｋｇ／ｃｍ２に比べ、４．９ｋｇ／ｃｍ２の比重値が低くなることが確認された。これにより、振動強さが高くなりすぎると、比重値の低下や振動による「面引け」などを生じる可能性が高くなることが示された。そのため、本実施形態の場合は、振動子７による振動を例えば、４．０ｋｇ／ｃｍ２以下にすることが望ましいと考えられる。なお、エアー圧による振動強さ及びそれに伴う振動数は、鋳造する鋳物製品９の形状及びその他の鋳造条件に大きく依存するものであり、上記に示した数値はあくまでも一例に過ぎないものである。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の鋳型１及び鋳型１を利用した鋳造法２によれば、キャビティ１０に充填された溶湯１１が液相から固相へと相転移する際に、鋳型１に適切な振動を加えることにより、鋳物製品９の金属組織のマクロ結晶粒を微細化することができる。これにより、鋳物製品９の品質が安定する。加えて、鋳造時における鋳巣欠陥等の不良を可能な限り少なくすることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
すなわち、本実施形態の鋳型１及び鋳造法２において示した鋳物製品９及び各鋳造条件等に本発明は限定されるものではない。特に、振動を与えるエアー圧による振動強さ及び鋳型本体５の振動数は、鋳造する鋳物製品９の形状によって大きく変化するものであり、個々に設定する必要がある。加えて、本実施形態において、振動を供与する振動手段としてボールバイブレータからなる振動子７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、電磁的或いは機械的な手法によって鋳型本体５に振動を与えることが可能な従来から周知の振動手段を用いるものであっても構わない。しかしながら、係る鋳造は高温で溶解した溶湯１１を用いる高温下で行われるものであり、耐熱性及び耐久性等が求められる。そのため、電子機器等の比較的熱に弱い部品から構成されるものよりも、本実施形態で示し、粉体輸送などに利用される実績のあるボールバイブレータを用いるものが高い安定性を有しているものと思われる。また、本実施形態では、鋳型１に一つの振動子７を取設するものを示したが、振動子７の個数は一つに限定されるものではない。すなわち、一つの鋳型１に対して複数の振動子７を各所に取付け、同時に振動させることにより、本発明の振動をキャビティ１０内の全ての箇所の溶湯１１に対して伝達することができる。これにより、鋳造される鋳物製品９の金属組織全体が、マクロ結晶粒が微細化した状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態の鋳型の構成及び鋳造される鋳物製品の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】鋳型を利用した鋳造法の各工程の流れを示すフローチャートである。
【図３】振動条件とマクロ結晶粒の関係を示すグラフである。
【図４】振動条件とミクロ組織サイズの関係を示すグラフである。
【図５】振動条件と比重値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  鋳型（振動凝固鋳造鋳型）
２  振動凝固鋳造鋳型の鋳造法（その鋳造法）
３  振動型
４  固定型
５  鋳型本体
６  鋳型外表面
７  振動子（振動手段）
８  鋳型支持部
９  鋳物製品
１０  キャビティ
１１  溶湯
１３  緩衝バネ部（緩衝手段）
１４  緩衝支持部
１５  固定支持部
Ｓ２  溶湯充填工程
Ｓ３  鋳造工程
Ｓ４  振動供与工程
【図１】
2006315046.tif 000003
【図２】
2006315046.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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