(57)【要約】      （修正有）【課題】欠陥がなく且つ確実に得られるマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法およびこれに用いる鋳型を提供する。【解決手段】マグネシウム合金の溶湯Ｌを上向きに開口する鋳型１のキャビティ５内に注湯して鋳塊とするに際し、上記溶湯Ｌおよびこれを囲む凝固部分を水平方向に沿って圧縮する、マグネシウム合金鋳塊の鋳造方法。また、底壁２と、係る底壁２から対向して立設する一対の固定壁３ａ，３ｂと、係る一対の固定壁３ａ，３ｂの間で且つ上記底壁２の上を互いに接近および離間可能にスライドする一対の側壁４ａ，４ｂと、を備える、マグネシウム合金鋳塊用鋳型１も含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金の溶湯を上向きに開口する鋳型のキャビティ内に注湯してマグネシウム合金の鋳塊とするに際し、
上記溶湯およびこれを囲む凝固部分を水平方向に沿って圧縮する、
ことを特徴とするマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法。
【請求項２】
前記圧縮は、前記溶湯および凝固部分を前記鋳型のキャビティの水平方向に沿って１０％以上圧下することにより行われる、
請求項１に記載のマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法。
【請求項３】
前記圧縮は、前記鋳型のキャビティ内における前記マグネシウム合金の溶湯および凝固部分の垂直方向における中間位置で、当該溶湯および凝固部分の凝固率が９０％以上となった時点で行われる、
請求項１または２に記載のマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかのマグネシウム合金鋳造の鋳造方法に用いられ、
前記マグネシウム合金の溶湯を収容するキャビティを形成する対向する一対の側壁の少なくとも一方が相対的に接近可能とされている、
ことを特徴とするマグネシウム合金鋳塊用鋳型。
【請求項５】
底壁と、係る底壁から対向して立設する一対の固定壁と、係る一対の固定壁の間で且つ上記底壁の上を相対的に接近および離間可能に少なくとも一方がスライドする一対の側壁と、を含む、
請求項４に記載のマグネシウム合金鋳塊用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金鋳塊の鋳造方法およびこれに用いる鋳型に関する。尚、本明細書中の鋳塊には、スラブ、インゴット、およびビレットが含まれる。
【背景技術】
【０００２】
軽量で丈夫なマグネシウム合金は、ノートパソコン、携帯電話、あるいはデジタルカメラのボディなどに広く適用されている。係るマグネシウム合金からなり健全な組織を有するボディを得るには、内部にポロシティ（空孔）などの欠陥のないマグネシウム合金のインゴット（鋳塊）が必要となる。
これまで、マグネシウム合金のインゴットを得るに際しては、図６に示すように、四角柱のキャビティ２４を内設する鋳型２０に、所要の合金成分に調整して溶解したマグネシウム合金の溶湯Ｌを注湯することにより、行われていた。
【０００３】
図６に示すように、キャビティ２４内に注湯された溶湯Ｌは、鋳型２０の各側壁２１および底壁２２に接する外側部分から順次凝固Ｓして鋳塊Ｍとなり、キャビティ２４の中心軸寄りで且つ鋳型２０の開口部２３寄りに順次後退していく。
上記溶湯Ｌが全て凝固Ｓすると、図７に示すように、キャビティ２４内に四角柱のインゴット（鋳塊）Ｍになる。係るインゴットＭの中心軸付近には、溶湯Ｌの凝固収縮に伴って閉ざされた液体−固体共存域で当該溶湯Ｌの供給不足によるポロシティ（空孔）Ｂが縦長状に残留している。また、上記インゴットＭの上端面には、最後に凝固した溶湯Ｌが下向きに収縮した凹みＨが形成されている。
【０００４】
上記ポロシティＢのような欠陥を有するマグネシウム合金のインゴットＭを、圧延や鍛造などの塑性加工によって前記パソコンなどのボディを成形すると、微細な空隙を含む合金組織となる。また、凹みＨ付近を除去するため、歩留まりが低下する。この結果、得られるボディおよびこれを含む製品が脆弱となるため、所要の耐久性が得られず、信頼性を損ないかねない、という問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記背景技術で説明した問題点を解決し、欠陥がなく且つ確実に得られるマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法およびこれに用いる鋳型を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者による鋭意研究および調査の結果、凝固途中であるマグネシウム合金の鋳塊に対し、圧力を加えつつ凝固させる、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法（請求項１）は、マグネシウム合金の溶湯を上向きに開口する鋳型のキャビティ内に注湯してマグネシウム合金の鋳塊とするに際し、上記溶湯およびこれを囲む凝固部分を水平方向に沿って圧縮する、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、鋳型のキャビティ内に注下されマグネシウム合金の溶湯は、鋳型に接する外側の凝固部分に囲まれている段階で、キャビティの中心軸に向かう径方向の圧縮力を受ける。この結果、キャビティの中心軸付近の閉ざされた液体−固体共存域において、溶湯の凝固収縮に伴う当該溶湯の供給不足を解消することができる。従って、ポロシティのない健全で均一な合金組織を有するマグネシウム合金の鋳塊を確実に得ることが可能となる。
しかも、鋳塊の上端付近で最後に凝固する溶湯も圧力を受けつつ凝固収縮するため、得られる鋳塊の上端面の中央には、比較的小さな凹みしか残らない。この結果、得られる鋳塊の歩留まりを高めることもできる。
尚、上記鋳塊は、圧縮力を受けることにより、最終の断面形状が長方形になるとスラブになり、最終断面が正方形になるとインゴットまたはビレットになる。
【０００８】
また、本発明には、前記圧縮は、前記溶湯および凝固部分を前記鋳型のキャビティの水平方向に沿って１０％以上圧下することにより行われる、マグネシウム合金鋳塊の鋳造方法（請求項２）も含まれる。
これによれば、凝固途中の鋳塊における中心軸付近の閉ざされた液体−固体共存域において、溶湯の凝固収縮に伴う当該溶湯の供給不足を解消できるため、ポロシティのない健全な合金組織の鋳塊を確実に鋳造できる。
尚、上記圧下率は、溶湯および凝固部分の水平方向に沿った寸法の縮小割合を指す。また、上記圧下率が１０％未満になると、上記溶湯の供給不足を解消しくくなるため、係る範囲を除いたものである。望ましい圧下率は１５〜２０％であり、その上限は３０％である。
【０００９】
更に、本発明には、前記圧縮は、前記鋳型のキャビティ内における前記マグネシウム合金の溶湯および凝固部分の垂直方向における中間位置で、当該溶湯および凝固部分の凝固率が９０％以上となった時点で行われる、マグネシウム合金鋳塊の鋳造方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、鋳塊の垂直方向における中間位置における外側の凝固部分と、これに囲まれたキャビティの中心軸付近に残っている溶湯との割合が９：１となった時点で、初めて前記圧縮力が作用する。この結果、上溶湯は、周囲の凝固部分に押されるため、凝固収縮に伴う当該溶湯の供給不足を解消することができる。
尚、上記中間位置における凝固率が９０％未満になると、凝固途中における鋳塊の上半部では、凝固率が約５０％付近になる。この結果、外側の凝固部分が薄肉であるため、前記圧縮力を受けても、係る圧縮力を受け止められず、溶湯が上向きに浮き上がり、前記溶湯の供給不足を解消できなくなるおそれが生じる。このため、上記範囲としたものである。望ましい上記凝固率は、９５％であり、且つその上限は１００％である。係る凝固率については、追って詳述する。
【００１０】
一方、本発明のマグネシウム合金鋳塊用鋳型（請求項４）は、前記マグネシウム合金鋳塊の鋳造方法に用いられ、前記マグネシウム合金の溶湯を収容するキャビティを形成する対向する一対の側壁の少なくとも一方が相対的に接近可能とされている、ことを特徴とする。
これによれば、一対の側壁の一方または双方が相対的に接近することにより、凝固途中の鋳塊の中心軸付近の液体−固体共存域において、溶湯の凝固収縮に伴う当該溶湯の供給不足を確実に解消することができる。この結果、ポロシティのない健全で均一な合金組織の鋳塊を確実に鋳造できる。しかも、係る鋳塊の上端に残る凹みが小さくなるため、当該鋳塊の歩留まりも向上する。
尚、上記一対の側壁には、一方が固定され且つ他方がこれに接近・離間する形態も含まれる。また、上記一対の側壁のスライド手段には、例えば油圧プレスが用いられる。
【００１１】
また、本発明には、底壁と、係る底壁から対向して立設する一対の固定壁と、係る一対の固定壁の間で且つ上記底壁の上を相対的に接近および離間可能に少なくとも一方がスライドする一対の側壁と、を含む、マグネシウム合金鋳塊用鋳型（請求項５）も含まれる。これによれば、前記健全で均一な合金組織を有し且つ上端の凹みが小さな鋳塊を確実に鋳造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の鋳造方法の概略およびこれに用いる鋳型１の斜視図を示す。
図１に示すように、円筒形の炉体１１とその周囲に巻き付けた図示しない誘導コイルとを含む誘導加熱式の溶解炉１０において、所要の合金成分に調整した原料を誘導溶解して、予めマグネシウム合金（例えば、Ｍｇ−３wt％Ａｌ−１wt％Ｚｎ）の溶湯Ｌを得る。係る溶解は、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気において、上記原料を約６５０℃に加熱して行われる。
【００１３】
上記溶湯Ｌが鋳造されるマグネシウム合金鋳塊用鋳型１は、純鉄などからなり、図１に示すように、平面視が正方形または長方形の底壁２と、係る底壁２の図示で前後方向の辺から対向して垂直に立設する一対の固定壁３ａ，３ｂと、係る固定壁３ａ，３ｂ間で且つ底壁２の上を互いに接近および離間可能に垂直姿勢でスライドする一対の側壁４ａ，４ｂと、を備えている。
図１に示すように、底壁２、固定壁３ａ，３ｂ、および側壁４ａ，４ｂの内側には、上向きに開口する直方体のキャビティ５が位置している。
【００１４】
図１の実線および破線の矢印で示すように、側壁４ａ，４ｂを互いに接近および離間可能にスライドさせるため、係る側壁４ａ，４ｂの外側面の中央付近には、受圧板６を介して図示しない油圧シリンダのピストンロッド７がそれぞれ対称に接続されている。係るロッド７，７を伸長させて側壁４ａ，４ｂを互いに接近させると、図１におけるキャビティ５の水平方向の長さが短縮され、ロッド７，７を後退させて側壁４ａ，４ｂを互いに離間させると、キャビティ５の水平方向の長さが長大になる。即ち、図１におけるキャビティ５の水平方向の長さは、可変可能とされ、後述する鋳込まれた溶湯Ｌを圧下することに活用される。
【００１５】
先ず、図１に示すように、前記溶解炉１０の炉体１１を傾動させ、上端の注ぎ口１２からマグネシウム合金の溶湯Ｌを鋳型１のキャビティ５中に注湯する。
その結果、図２の垂直断面図で示すように、前記溶湯Ｌは、キャビティ５内において、底壁２、固定壁３ａ，３ｂ、および側壁４ａ，４ｂに接する外側部分から徐々に凝固Ｓして次第に鋳塊Ｍとなる。係る凝固途中では、上記溶湯Ｌは、図２に示すように、キャビティ５寄りの凝固部分Ｓに囲まれ、底壁２寄りが細く且つ上端（湯面）寄りが太い外側にカーブした逆円錐形を呈すると共に、係る逆円錐形は、徐々に細径で且つ上端寄りに縮小される。
上記凝固Ｓが進むと、図３の垂直断面図で示すように、キャビティ５内は、大半が凝固部分Ｓからなる直方体の鋳塊Ｍとなり、溶湯Ｌは、その上端の中央付近のみに縮小される。
【００１６】
この凝固途中の鋳塊Ｍの凝固部分Ｓおよび溶湯Ｌに対し、前記ピストンロッド７，７を伸長させ、図３中の矢印で示すように、一対の側壁４ａ，４ｂを接近させ、水平方向に沿って１０％以上の圧下（圧縮）を加える。
前記圧下を加えるタイミングは、図２中の一点鎖線で示すマグネシウム合金の凝固部分Ｓおよび溶湯Ｌの垂直方向における中間位置（断面）ｍにおいて、凝固率Ｇが９０％またはこれを越えた時点である。
上記凝固率Ｇ（％）は、図２中の中間位置ｍにおける中心Ｘの温度をＴとした場合、数式１で示される。
【００１７】
（数１）
Ｇ（％）＝（ＴＬ−Ｔ）／（Ｔ−ＴＳ）×１００
【００１８】
上記数式中におけるＴＬは、図４に示すように、当該マグネシウム合金の液相線温度であり、ＴＳは固相線温度である。即ち、図４に示すように、前記溶解炉１０内において液相線温度ＴＬ以上であった溶湯Ｌは、鋳型１のキャビティ５中の注湯され且つ外側（周辺）部分から凝固Ｓし始めると、液相線温度ＴＬよりも低温側に移行する。そして、前記中間位置ｍの中心Ｘの温度が図４におけるＴに達した時点で、前記一対の側壁４ａ，４ｂを接近させて、凝固途中の鋳塊Ｍの凝固部分Ｓおよび溶湯Ｌに対し、水平方向に沿って１０％以上の圧下を加える。そして、係る圧下を加えた状態で、固相線温度ＴＳ以下の温度まで保持する。
【００１９】
その結果、キャビティ５内の凝固途中の鋳塊Ｍの凝固部分Ｓおよび溶湯Ｌは、水平方向の圧縮を受けるため、キャビティ５の中央付近に残る溶湯Ｌの凝固収縮に伴う当該溶湯Ｌの供給不足を解消することができる。この結果、固相線温度ＴＳ以下の温度に低下して得られた直方体の鋳塊Ｍは、従来のような前記ポロシティＢのない健全な合金組織となる。同時に、係る鋳塊Ｍの上端付近に縮小した溶湯Ｍは、上記圧下により圧縮される。このため、鋳塊Ｍの上端面に形成される凹みＨを、かなり小さくできる。
従って、健全な合金組織を有し且つ歩留まりの良いマグネシウム合金の鋳塊Ｍを確実に鋳造することが可能となる。
尚、得られた上記鋳塊Ｍは、断面が長方形の形態ではスラブとなり、断面が正方形の形態ではインゴットまたはビレットとなる。
【実施例】
【００２０】
ここで、本発明の鋳造方法に関する具体的な実施例について説明する。
前記溶解炉１０を用いてマグネシウム合金（Ｍｇ−３wt％Ａｌ−１wt％Ｚｎ）の溶湯Ｌを２０ｋｇずつ複数組にして得た。
上記複数組の溶湯Ｌを前記鋳型１のキャビティ５中に個別に注湯した。キャビティ５中における各溶湯Ｌの注湯直後の寸法は、前記固定壁３ａ，３ｂ間の長さが２００ｍｍ、側壁４ａ，４ｂ間での当初の長さが６０ｍｍ、垂直方向の長さが１メートルである。
キャビティ５に注湯され且つ凝固途中である各組の鋳塊Ｍの凝固部分Ｓおよび溶湯Ｌに対して、前記凝固率Ｇが６０〜１００％になった時点で、前記側壁４ａ，４ｂの接近による圧下を５，１０，１５％の３段階に分けて個別に行った。
【００２１】
得られた各組の鋳塊（スラブ）Ｍを切断し、目視によりポロシティ（欠陥）Ｂの有無を観察した。その結果について、ポロシティＢなしを「欠陥なし」とし、ポロシティＢありを「欠陥あり」として図５のグラフ中にプロットした。尚、図５において、前記中間位置ｍは、ミドル面と記載した。
図５のグラフによれば、前記凝固率Ｇが９０，１００％になった時点で１０，１５％の圧下を行った実施例の鋳塊Ｍでは、全てポロシティＢはなかった。
一方、前記凝固率Ｇが８０％以下の時点で５，１０，１５％の圧下を行うか、あるいは凝固率Ｇが９０，１００％になった時点で５％の圧下を行った比較例の鋳塊Ｍでは、全てポロシティＢが観察された。
【００２２】
比較例のうち、凝固率Ｇが８０％以下の時点で圧下を行った鋳塊Ｍでは、キャビティ５寄りの外側の凝固部分Ｓが薄肉であるため、前記圧下を受けても、その圧縮力を受け止められず、中央に残る溶湯Ｌが上向きにやや浮き上がるようにして上昇した。この結果、溶湯Ｌの凝固収縮に伴う当該溶湯Ｌの供給不足を解消することが不十分となった。また、凝固率Ｇが９０，１００％になった時点で５％の圧下を行った鋳塊Ｃでは、圧下率が過少であったため、中央に残る溶湯Ｌに加える圧縮力が不足し、上記同様の溶湯Ｌの供給不足が生じていた。これらの挙動により、全ての比較例の鋳塊Ｃ中に、ポロシティＢが残留していたものである。
以上のような実施例の結果により、本発明のマグネシウム合金鋳塊の鋳造方法の作用が理解されると共に、その効果が裏付けられた。
【００２３】
本発明は、以上において説明した実施の形態および実施例に限定されない。
例えば、前記鋳型１において、一対の側壁４ａ，４ｂのうち、一方を底壁２の上に固定して立設した固定壁とし、他方のみがこれに接近・離間してスライドする形態とすることもできる。
また、本発明の鋳型には、水平断面が長円形のキャビティを内設する形態とし、上記長円形の長軸方向における両側の半円形部分を一対のスライド可能な側壁とする形態も含まれる。
更に、一対の側壁４ａ，４ｂの一方または双方をスライドさせる手段には、複数の油圧シリンダを用い且つそれらのピストンロッドを接続するか、あるいは単数または複数の水圧シリンダや、エアシリンダなどを用いても良い。
尚、本発明の対象となるマグネシウム合金には、前記Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金のほか、Ｍｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系、Ｍｇ−希土類元素系、Ｍｇ−Ｔｈ系合金などが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の鋳造方法の概略およびこれに用いる鋳型を示す斜視図。
【図２】図１に続く鋳造方法のプロセスを示す垂直断面図。
【図３】図２に続く鋳造方法のプロセスを示す垂直断面図。
【図４】上記鋳造方法に使用する凝固率の算出に用いる温度を示す概略図。
【図５】本発明の実施例および比較例の圧下率と凝固率との関係を示すグラフ。
【図６】従来の鋳造方法を示す垂直断面図。
【図７】従来の鋳造方法により得られた鋳塊を示す垂直断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１……………鋳型
２……………底壁
３ａ，３ｂ…固定壁
４ａ，４ｂ…側壁
５……………キャビティ
Ｌ……………溶湯
Ｓ……………凝固部分
Ｍ……………鋳塊（スラブ）
ｍ……………中間位置
【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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