(57)【要約】【課題】溶融金属を金型に充填した後の溶融金属の降温が速く、これにより鋳造サイクルを短くすることが可能であり、加えて溶融金属の凝固時に生じやすいいわゆる引け巣や引け緩みが無く、表面の地肌も良好な鋳物を鋳造する。【解決手段】鋳造装置は金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属をストーク８を介して金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する。この鋳造装置において金型４に冷却手段を設ける。霧化器１９から金型４に埋め込んだミスト配管２６、２７にミストを圧送するミスト冷却手段を設ける。この冷却手段は金型４のうち湯口９と反対側の上金型６のみに設けられている。さらに金型４内で湯口９からその反対側へと温度勾配を形成するため、金型４を加熱する加熱手段を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属をストーク８を介して金型４に充填した後、この金型４内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置において、金型４に冷却手段を設けたことを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
冷却手段が霧化器１９から金型４に埋め込んだミスト配管２６、２７にミストを圧送するミスト冷却手段であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
冷却手段が金型４のうち湯口９と反対側の上金型６のみに設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
金型４内で湯口９からその反対側へと温度勾配を形成するため、金型４を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属が溶融状態で収納された溶融金属槽から溶融金属を金型に充填した後、この金型内で溶融金属を凝固させて鋳物を成型する鋳造装置に関し、特に金型に充填された溶融金属の冷却、硬化時に溶融金属の部分的な凝縮により生じるいわゆる引け巣や引け緩みが生じにくくした鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶湯と鋳物形状のキャビティとの間の圧力差を利用して、キャビティ内に溶湯を充填して鋳造する方法に、低圧鋳造法、差圧鋳造法及び減圧鋳造法等がある。このうち低圧鋳造法は、溶解金属を収納した密閉炉に不活性ガスや二酸化炭素等のガスによる比較的低い圧力を付加し、この圧力で密閉炉内の溶融金属をストークを介して上方に押し上げ、密閉炉の上位に配置された鋳型に溶融金属を充填し、鋳物を製造する方法である。この低圧鋳造法は、車輌の部材等に使用されるアルミニウム合金等の鋳物製品を製造するのに広く利用されている。
【０００３】
図６は従来の低圧鋳造装置を示す断面図である。気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの図示してない供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボ２の外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。
【０００４】
このような鋳造装置においては、不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８を介して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。
【０００５】
図７は密閉炉１’に収納した溶融金属をストーク８’を通して湯溜め１２に送り、この湯溜め１２から金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１’の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１’の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８’から湯溜めに至る部分は溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ３で加熱される。その他の構成は基本的に図６の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【０００６】
図８は図６により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図６の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【０００７】
図９は図７により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８‘の中間部の外側に溶融金属電磁ポンプの誘導子１４を設け、これに対応してストーク８’の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８‘の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図７の従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【０００８】
このような低圧鋳造装置において、金型４のキャビティ１０内で溶融金属が凝固したとき、凝固収縮した容積分の溶融金属が金型４の湯口９を通して常に供給されなければならない。そのために図５や図７で示すように、湯口９に接続されたストーク８がそれぞれルツボ２側から熱輻射で加熱されたり、ヒータ３‘で直接加熱されるようにしている。また図６や図８で示すように密閉炉１から離して金型４を配置しているものでは金型４の下に湯溜め１２を設け、この湯溜め１２をヒータ３で加熱している。このような構造とすることにより、金型４は温度が高い順に湯口９、下金型５、上金型６の順で温度勾配が形成され、キャビティ１０内の溶融金属は上から下へと凝固していき、最後に湯口９の溶融金属が凝固するという指向性凝固がなされる。この間に凝固収縮した容積分の溶融金属は湯口９側からキャビティ１０内に供給される。これによりいわゆる引け巣や引け緩みの無い鋳物を鋳造することが出来る。
【０００９】
低圧鋳造法は、ガスを巻き込まずにルツボ２や密閉炉１’内の酸化物の少ない溶融金属を静かに金型４のキャビティ１０内に下から上へと充填することにより、気泡や酸化物を含まない鋳物を容易に鋳造出来る利点がある。さらに前記のような温度勾配により、キャビティ１０内で上から下へと溶融金属の凝固が起こり、最後に湯口９の部分の溶融金属が凝固することにより、キャビティ１０内で溶融金属が凝固して収縮した容積分だけ湯口９から溶融金属を追加して充填される。これによりキャビティ１０内で溶融金属が凝固中に引け巣や引け緩みが起こらない。これらの理由から低圧鋳造法では重力鋳造法やダイカスト法等の他の鋳造法に比べて良質の鋳物を鋳造することが出来る。
【００１０】
低圧鋳造において重要なのは前述した金型の温度勾配である。すなわち鋳物に引け巣や引け緩みを生じさせないようにするためにはキャビティ１０の中に充填された溶融金属がまず湯口９から最も遠い位置から凝固を始め、最後に湯口９の部分で凝固することが必要となる。そのためには温度の高い順に湯口９、下金型５、上金型６の順で温度勾配を形成することが特に重要である。例えばストーク８を交換した後、その予熱が十分で無い場合には湯口９の温度が下がり、溶融金属が凝固してキャビティ１０を塞いでしまうこともある。これを防ぐためには湯口９やストーク８の上端部の温度測定を行う必要がある。しかし温度測定に一般に使用される熱電対は溶融アルミニウム等の溶融金属に弱く、保護管で覆って測定をしなければならないため、湯口９やストーク８の上端部の温度を直接且つリアルタイムで測定することが出来ず、温度測定値に誤差やタイムラグが入ってしまう。
【００１１】
金型４のキャビティ１０に充填された溶融金属は自然放熱により冷却して凝固するように金型４は放熱面積を大きくし、その結果体積が大きくなっている。低圧鋳造では金型４の内圧が０．０１〜０．０２ＭＰａ（０．１〜０．２Ｋｇ／ｃｍ２）程度とダイカスト金型の内圧が７０ＭＰａ（７００Ｋｇ/ｃｍ２）に比べて低い圧力しか作用させないので、低圧鋳造用の金型４は耐圧性の観点からは薄肉でもよい。しかし放熱性の確保と熱変形防止の目的で肉厚で大型となっている。
【００１２】
金型４が肉厚で大型になると、その熱容量が大きい。さらにストーク８や湯溜め１２にある溶融金属からの熱伝導により金型４には絶えず熱供給される。また溶融金属が凝固するときに放出される凝固潜熱により鋳造サイクル毎に金型４が温度上昇する。これらが原因でキャビティ１０内に充填した溶融金属が凝固しにくい。キャビティ１０内で溶融金属が凝固し、それが或る程度の強度になる温度、例えばアルミニウムの場合では４００℃以下にならないと変形させずに鋳物を金型から取り出すことが出来ないので、１サイクルの鋳造時間が長くなってしまう。
【００１３】
鋳造サイクルが短く、量産性が高いダイカストの例では、金型のキャビティに溶融金属を射出、充填し、これを凝固させた後、金型を開いて鋳物を取り出し、キャビティの内面に離型剤を塗布し、金型を閉めるまでの１鋳造サイクルは小さい鋳物で数十秒程度であり、大きい鋳物でも数分以内である。これに対し、一般的に低圧鋳造では１鋳造サイクルが７分〜１０数分かかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−１０１３９０号公報
【特許文献２】特開２００２−１６０２６０号公報
【特許文献３】特開平１１−２１６５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は前記従来の鋳造装置における課題に鑑み、溶融金属を金型のキャビティに充填した後の溶融金属の降温が速く、これにより鋳造サイクルを短くすることが可能であり、加えて溶融金属の凝固時に生じやすいいわゆる引け巣や引け緩みが無く、表面の地肌も良好な鋳物を鋳造することが出来る鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では金型の降温を速くし、鋳造サイクルの時間の短縮、特に金型のキャビティに溶融金属を充填した後、冷却して凝固する時間の短縮を図るために、金型にミスト冷却器を取り付け、溶融金属を金型のキャビティ内に充填した後、金型を冷却するときに金型に霧を吹き付け、小さな水滴の大きな蒸発潜熱を利用して金型を急速冷却出来るようにした。特にミスト冷却は気相冷却に近く、金型を３００℃〜４００℃に保ちながら冷却出来るので、金型の過冷却に伴う再加熱時間がなくなり鋳造サイクルが短くなる。
【００１７】
ミスト冷却器は前述したような金型の温度勾配を形成する目的から、特に上金型に設けることが好ましい。具体的には上金型の内部にミスト配管を埋め込み、このミスト配管に外部の霧化器で発生したミストを通し、霧の蒸発潜熱を利用して上金型を冷却する。金型の内部のミスト配管に送り込んだミストは同ミスト配管の中で蒸発し、金型の熱を奪うと共に、急激に膨張する。そのためミスト配管は高圧となるがルーツブロア、ベローズやダイアフラム等を用いた高圧ブロアで圧縮空気と共に霧をミスト配管に送る。
【００１８】
さらに上金型と下金型に温度勾配を形成するため、上金型と下金型をそれぞれ個別に独立して加熱するヒータを設ける。例えば棒状のカートリッジヒータを上金型と下金型に埋め込む。これらのヒータにより上金型と下金型の過冷却を防止し、キャビティ内の溶融金属の凝固時の好ましい温度勾配を形成する。またこのヒータは溶融金属の凝固時の温度勾配の形成のみならず、金型の予熱時の昇温を速やかに行うためにも使用出来る。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明した通り、本発明による鋳造装置では熱容量の大きな鋳型を使用した場合でも、溶融金属をキャビティに充填した後の金型の降温を速やかに行うことが出来、能率よく短時間に鋳物の鋳造を行うことが出来る。また、溶融金属を金型に充填した後の金型の好ましい温度勾配を容易に形成することが出来、キャビティ内での溶融金属の指向性凝固が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による鋳造装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。
【図４】本発明による鋳造装置の他の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明による鋳造装置の時間−温度の関係の例を示すチャート図である。
【図６】鋳造装置の従来例を示す断面図である。
【図７】鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。
【図８】鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。
【図９】鋳造装置の他の従来例を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明ではその目的を達成するため、金型を急速冷却するための気相に近いミストの蒸発潜熱を利用した冷却器を使用し、併せて金型の温度勾配を形成するため前記ミスト冷却器と共に加熱手段を併用した。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明による低圧鋳造装置の一実施例を示す断面図である。この低圧鋳造装置の構成は基本的に図６により前述した従来例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
気密に密閉された密閉炉１の上部に設けたガス注入口２０に不活性ガスや二酸化炭素等のガスの供給源が接続され、密閉炉１の中にガスが圧送される。密閉炉１の内部に上面が開口した耐熱黒鉛容器であるルツボ２が収納され、このルツボの外壁に沿ってヒータ３が配設されている。このルツボ２の中央部に密閉炉１の蓋に取付けられたストーク８の下端が浸漬されている。密閉炉１の上に下金型５と上金型６とからなる金型４が配置されている。下金型５と上金型６との合わせ面にそれぞれ凹部が形成されており、この下金型５と上金型６とを重ね合わせたときに、前記凹部により鋳物形状のキャビティ１０が形成される。またこのキャビティ１０内には必要に応じて中子７が収納される。前記ストーク８の上端は金型４の底部に設けられたキャビティ１０に通じる湯口９に接続されている。
【００２３】
上金型６には３系統のミスト配管２６、２７が埋め込まれている。１系統のミスト配管２６は上金型６の上面から上部中央を通るように埋め込まれている。他の２系統のミスト配管２７は上金型６の上面両側から上部両側を通り側面に至るよう上金型６の上部両側に埋め込まれている。
なお、図１ではミスト配管２６、２７が上金型６にのみ埋め込まれているが、必要に応じて下金型５にもミスト配管２６、２７を埋め込んでもよい。
【００２４】
これらミスト配管２６、２７には霧化器１９からミストが圧送される。霧化器１９の中に収納した水が超音波振動子２５により霧化され、これにより発生したミストがポンプ２１の加圧により送り出される。ミスト配管２６にはバルブ２４を介してミストが圧送され、ミスト配管２７にはバルブ２３を介してミストが圧送される。ミスト配管２６、２７に圧送されるミストは上金型６を冷却するが、ミストであるため蒸発潜熱を利用して上金型６を効率的に冷却することが出来る。上金型６の熱を奪ったミストは蒸発し、膨張し、ミスト配管２６、２７の内部で高圧となる。これに対し霧化器２５内はポンプ２１によりミスト配管２６、２７の内部以上の圧力に加圧され、これにより霧化器２５内で発生したミストがミスト配管２６、２７に圧送される。
【００２５】
さらに上金型６と下金型５に個別にそれぞれ独立して加熱するヒータ１８、１８を設ける。例えば図１に示すように棒状のカートリッジヒータ１８、１８を上金型６と下金型５に埋め込む。
前述のミスト冷却手段とこのヒータ１８、１８による加熱手段とを併用することにより、金型４は温度の高い順に湯口９、下金型５、上金型６の順で温度勾配を容易に形成することが出来る。これによりキャビティ１０内の溶融金属は上から下へと凝固していき、最後に湯口９の溶融金属が凝固するという指向性凝固が行われる。キャビティ１０内の溶融金属が凝固するとき、凝固収縮した容積分の溶融金属を湯口９側からキャビティ１０内に追加供給することが出来る。これによりいわゆる引け巣や引け緩みの無い鋳物を鋳造することが出来る。
【００２６】
この鋳造装置で鋳物を鋳造する場合は不活性ガスをガス注入口２０から密閉炉１内に注入する。このガス圧力により、ルツボ２内の溶融金属の湯面が加圧されて、溶融金属溶湯が押し上げられ、ストーク８を介して金型のキャビティ１０内に充填される。キャビティ１０に充填した溶融金属が冷却されて凝固した後、図示していない油圧機構により上金型６を上昇させてキャビティ１０を開き、下金型５から鋳物を取り出す。
【００２７】
図２は密閉炉１’に収納した溶融金属をストーク８’を通して湯溜め１２に送り、この湯溜め１２から金型４のキャビティ１０内に充填する例である。密閉炉１’の中の溶融金属は浸漬ヒータ１３で加熱され、溶融状態が維持される。密閉炉１’の中へは溶湯供給口１１から溶融金属が供給される。ストーク８’から湯溜めに至る部分は溶融金属の温度低下による凝固を防ぐためヒータ３で加熱される。その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【００２８】
図３は図１により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図１の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【００２９】
図４は図２により前述した従来の鋳造装置において、金型４への溶融金属の汲み上げをガスの圧力によらず、ストーク８‘の途中に設けた溶融金属電磁ポンプにより行うものである。すなわちストーク（ダクト）８’の中間部の外側に溶融金属の誘導子１４を設け、これに対応してストーク８‘の中に誘導子１４で発生した磁界の磁路を形成するためのコア１５を配置している。誘導子１４に三相電流を通電し、これにより誘導子１４とコア１５との間で移動磁界を発生させて、ストーク８’の中の溶融金属に上方の推力を与え、溶融金属を金型４のキャビティ１０内に充填する。その他の構成は基本的に図２の実施例と同じであり、同じ部分は同じ符合で示している。
【００３０】
図５は前述した鋳造装置における時間と金型温度との関係の例を示すチャート図である。まず前述したヒータにより金型を予熱し、所定の定常温度に達したところで、金型を開き、キャビティの内面に離型剤を塗布する。このとき一時的に温度が下がるが、その後金型を閉じ、予熱をするとすぐに定常温度に戻る。そこで金型のキャビティ内への溶融金属の充填が行われ、金型温度はピークに達する。続いて前述した冷却手段によるミストにより金型が冷却され、定常温度に戻るここで。金型を開き、鋳物を取り出した後、キャビティの内面に離型剤を塗布する。このとき一時的に温度が下がるが、その後金型を閉じ、予熱をするとすぐに定常温度に戻る。以降、溶融金属の充填、ミスト冷却、脱型、離型剤塗布を繰り返す。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、鋳造準備及び鋳造サイクルの時間を短くして鋳物の鋳造を行うことが出来るので、車輌の部材等に使用されるアルミニウム合金等の鋳物製品を能率よく製造するのに利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    密閉炉
１’  密閉炉
２    るつぼ
４    金型
５    下金型
６    上金型
８    ストーク
８’  ストーク
９    金型の湯口
１２  湯溜め
１８  ヒータ
１９  霧化器
２６  ミスト配管
２７  ミスト配管
【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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