(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記金属ガスにより還元して鋳造する還元鋳造方法において、
前記金属ガスを発生させる金属の沸点以下かつ融点以上の温度に加熱した加熱炉内で前記金属を溶融し、
前記加熱炉から、前記金属ガスを液体状微粒子あるいは固体状微粒子を含むミスト状に送出させ、
前記加熱炉からミスト状に送出された金属ガスを溶湯に作用させて鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項２】
金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記還元性化合物により還元して鋳造する還元鋳造方法において、
前記金属ガスを発生させる金属の沸点以下かつ融点以上の温度に加熱した加熱炉内で前記金属を溶融して保持し、
前記加熱炉から、前記金属ガスを液体状微粒子あるいは固体状微粒子を含むミスト状に送出させ、
前記加熱炉内からミスト状に送出された金属ガスと前記反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を利用して鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
【請求項３】
前記金属ガスがマグネシウムガスであることを特徴とする請求項１または２記載の還元鋳造方法。
【請求項４】
前記加熱炉を、１０９０℃以下、６００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の還元鋳造方法。
【請求項５】
前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の還元鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造方法に関し、より詳細には還元性化合物を容易に生成することができ、効率的な還元鋳造を可能にする還元鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造方法には、重力鋳造法（ＧＤＣ）、低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）、ダイキャスト（ＤＣ）、スクイズ（ＳＣ）、チクソモールドなど様々な方法がある。これらはいずれも成形型のキャビティ内に溶湯を注入して所定形状に成形するものである。これらの鋳造方法のうち、溶湯の表面に酸化皮膜が形成されやすいもの、たとえばアルミニウム鋳造などでは、溶湯の表面に形成された酸化皮膜によって表面張力が大きくなり、溶湯の流動性、湯周り性、溶着性が低下し、溶湯の未充填、湯じわ等の鋳造欠陥が生じることが問題となる。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人はアルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造方法を提案した（特開2000-280063号公報）。この還元鋳造方法では、窒素ガスとマグネシウムガスとを用いて強い還元性を有するマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成し、このマグネシウム窒素化合物をアルミニウムの溶湯に作用させることにより、溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造する。マグネシウム窒素化合物を成形型のキャビティの表面に析出させた状態で溶湯を注入することによって、溶湯がキャビティの表面に接触する際に溶湯の表面の酸化皮膜を還元して溶湯の表面張力を低減させ、溶湯の流動性と濡れ性を向上させることができ、これによって、鋳造欠陥がなく、湯じわ等のないすぐれた外観の鋳造製品を容易に製造することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この還元鋳造方法ではマグネシウム窒素化合物といった還元性化合物を溶湯に作用させるため、成形型のキャビティに事前に還元性化合物を析出させた状態で溶湯を注入する必要がある。そのために、金属ガスたとえばマグネシウムガスと、反応性ガスたとえば窒素ガスとを反応させて還元性化合物を生成させるが、金属ガスを生成する方法として、従来は、たとえば沸点以上にマグネシウム粉末を加熱し、マグネシウム粉末を昇華させてマグネシウムガスを生成する方法によっていた。
【０００５】
しかしながら、マグネシウム金属を昇華させてマグネシウムガスを供給する方法は、マグネシウムガスの発生量がマグネシウム金属の供給量に依存するため、マグネシウムガスを一定に安定して供給する方法として難しい点がある。また、マグネシウム粉末を供給して昇華によりマグネシウムガスを発生させる場合には、マグネシウムガスとともにマグネシウム粉末が送出されて配管を詰まらせるといった課題もあった。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、還元性化合物の生成に使用する金属ガスの供給を安定して行うことができ、また、還元性化合物の生成に好適に利用でき、省エネルギーを図ることができる還元鋳造方法を提供するにある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため次の構成を備える。
すなわち、溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記金属ガスにより還元して鋳造する還元鋳造方法において、前記金属ガスを発生させる金属の沸点以下かつ融点以上の温度に加熱した加熱炉内で前記金属を溶融し、前記加熱炉から、前記金属ガスを液体状微粒子あるいは固体状微粒子を含むミスト状に送出させ、前記加熱炉からミスト状に送出された金属ガスを溶湯に作用させて鋳造することを特徴とする。
【０００８】
また、金属ガスと反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を溶湯に作用させ、溶湯表面の酸化皮膜を前記還元性化合物により還元して鋳造する還元鋳造方法において、前記金属ガスを発生させる金属の沸点以下かつ融点以上の温度に加熱した加熱炉内で前記金属を溶融して保持し、前記加熱炉から、前記金属ガスを液体状微粒子あるいは固体状微粒子を含むミスト状に送出させ、前記加熱炉内からミスト状に送出された金属ガスと前記反応性ガスとを反応させて生成した還元性化合物を利用して鋳造することを特徴とする。
【０００９】
また、前記金属ガスがマグネシウムガスであることにより、好適な還元鋳造が可能となる。
また、前記加熱炉を、１０９０℃以下、６００℃以上に加熱することにより、金属ガスを容易に加熱炉から送出して溶湯と金属ガスとを作用させることが可能となる。
また、前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金であるアルミニウム鋳造に還元鋳造方法が好適に利用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法により鋳造する鋳造装置１０の全体構成を示す説明図であり、アルミニウム鋳造に適用した例を示す。
１２は成形型であり、この成形型１２にはアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯が注湯される注湯口１２ａ、注湯口１２ａに連通するキャビティ１２ｂ、金属ガス導入口１２ｃ、窒素ガス導入口１２ｄが設けられている。
【００１１】
成形型１２は配管２２により反応性ガスである窒素ガスを供給する窒素ガスボンベ２０に接続され、バルブ２４を開放することにより、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスが注入され、キャビティ１２ｂ内のエアをパージしてキャビティ１２ｂ内を窒素ガス雰囲気とし実質的に非酸素雰囲気とすることが可能となっている。
【００１２】
また、キャリアガスとしてのアルゴンガスを供給するアルゴンガスボンベ１９は、配管２６により金属ガスを発生する発生器としての加熱炉２８に接続されており、配管２６に設けられたバルブ３０を開閉することによって加熱炉２８内へのアルゴンガスの注入が制御される。加熱炉２８は、ヒータ３２によりマグネシウムの沸点温度以下、すなわち１０９０℃以下で、かつマグネシウムの融点以上すなわち６４８．８℃以上に加熱され、炉内においてマグネシウムは溶融されて液体状態となっている。
【００１３】
アルゴンガスボンベ１９は、バルブ３３が介装された配管３４により、粉末状、顆粒状、小片状のマグネシウム金属が収容されているタンク３６に接続され、タンク３６は配管３８によって、バルブ３０よりも下流側で配管２６に接続されている。４０は加熱炉２８へのマグネシウム金属の供給を制御するため配管３８に介装したバルブである。
加熱炉２８は、配管４２を介して成形型１２の金属ガス導入口１２ｃに接続されており、アルゴンガス圧力により加熱炉２８からマグネシウムの気体、あるいはマグネシウムの液体状微粒子、固体状微粒子が金属ガス導入口１２ｃを介してキャビティ１２ｂ内に導入される。
【００１４】
以下に、図１に示した鋳造装置１０により還元鋳造する方法について説明する。まず、バルブ２４を開放し、窒素ガスボンベ２０から配管２２を経て成形型１２のキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入し、キャビティ１２ｂ内の空気を窒素ガスによってパージする。キャビティ１２ｂ内の空気は成形型１２の排気孔（不図示）から排出され、キャビティ１２ｂ内が窒素ガス雰囲気となり、キャビティ１２ｂ内が実質的に非酸素雰囲気となる。次いで、バルブ２４を閉じる。
【００１５】
成形型１２のキャビティ１２ｂに窒素ガスを注入している際に、バルブ３０を開放してアルゴンガスボンベ１９から加熱炉２８にアルゴンガスを注入し、加熱炉２８内を無酸素状態とする。
次いで、バルブ３０を閉じ、バルブ３３およびバルブ４０を開いてアルゴンガスボンベ１９からのアルゴンガス圧によってタンク３６内のマグネシウム金属をアルゴンガスと共に加熱炉２８に送り込む。加熱炉２８はマグネシウムの沸点以下でかつ融点以上に設定されているから、マグネシウムは溶融されて液体状態となっている。タンク３６内から加熱炉２８に送り込むマグネシウム金属の分量は所定回数の鋳造操作が可能な分量をあらかじめ送り込んでおけばよい。
【００１６】
加熱炉２８から成形型１２のキャビティ１２ｂへは、バルブ３３およびバルブ４０を閉じた状態で、バルブ３０およびバルブ４５を開き、バルブ３０およびバルブ４５の開き量を調節しながらアルゴンガスの流量と成形型１２へのマグネシウムガスの供給量を制御して金属ガス導入口１２ｃを経由して成形型１２のキャビティ１２ｂにマグネシウムガスを注入する。
【００１７】
なお、加熱炉２８から成形型１２に注入されるマグネシウムガスは完全な気体状で成形型１２に送入される場合と、液体状微粒子の形態で加熱炉２８から送出されて送入されるものと、固体状微粒子の形態で送入されるものがある。本出願で加熱炉２８から成形型１２にマグネシウムガスを導入するという場合は、このような気体状、液体状微粒子、固体状微粒子の形態のマグネシウム金属の状態をすべて含む意味である。加熱炉２８から成形型１２のキャビティ１２ｂに向けて送出されるマグネシウム金属は、ミスト状に送出されるともいえる。
【００１８】
キャビティ１２ｂ内にマグネシウムガスを注入した後、バルブ４５を閉じ、次いでバルブ２４を開放し、窒素ガス導入口１２ｄからキャビティ１２ｂ内に窒素ガスを注入する。成形型１２内に窒素ガスを注入することにより、マグネシウムガスと窒素ガスとがキャビティ１２ｂ内で反応し、還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）が析出する。マグネシウム窒素化合物は主にキャビティ１２ｂの内壁面に析出する。
【００１９】
なお、窒素ガスをキャビティ１２ｂ内に注入してマグネシウム窒素化合物を生成する際には、窒素ガスボンベ２０からの窒素ガスの圧力および流量を適宜調節して行う。このとき、窒素ガスとマグネシウムガスとが反応し易いように窒素ガスを予熱して成形型１２の温度が低下しないようにして注入することもよい。反応時間は５秒〜９０秒程度（好ましくは１５秒〜６０秒程度）でよい。
【００２０】
キャビティ１２ｂの内壁面にマグネシウム窒素化合物が生成された状態で、注湯口１２ａからアルミニウムの溶湯をキャビティ１２ｂに注入し、キャビティ１２ｂ内に溶湯を充填する。
キャビティ１２ｂに注入されたアルミニウムの溶湯は、キャビティ１２ｂの内壁面に生成されているマグネシウム窒素化合物と接触し、マグネシウム窒素化合物が溶湯表面の酸化被膜から酸素を奪うことにより、溶湯表面が純粋なアルミニウムに還元されて充填される（還元鋳造方法）。
【００２１】
還元鋳造方法は、マグネシウム窒素化合物がアルミニウムの溶湯表面の酸化皮膜から酸素を奪いとり、溶湯の表面を純粋なアルミニウムに還元しながら鋳造する方法である。還元鋳造方法によれば、アルミニウムの溶湯のように酸化皮膜が形成されやすい金属の場合であっても、溶湯の表面の酸化皮膜が還元されることによって溶湯の表面張力が低減され、溶湯の濡れ性、流動性、湯周り性をきわめて良好にすることができる。その結果、キャビティ１２ｂの内壁面との転写性に優れ、湯ジワ等が生じない良好な鋳造品を得ることが可能となる。
【００２２】
このように、還元鋳造方法においては、成形型１２のキャビティ１２ｂ内に還元性化合物を生成して溶湯と接触させることによって鋳造することを特徴とする。アルミニウムの還元鋳造においては、金属ガスとしてマグネシウムガスを使用し、反応性ガスとして窒素ガスを使用して成形型１２のキャビティ１２ｂ内に還元性化合物としてのマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ3Ｎ2）を生成させた。もちろん、成形型１２のキャビティ１２ｂ内に還元性化合物を導入する方法としては、キャビティ１２ｂ内で金属ガスと反応性ガスとを反応させて還元性化合物を析出させる方法とは別に、成形型１２の外部であらかじめ還元性化合物を生成し、この還元性化合物を非酸素雰囲気としたキャビティ１２ｂ内にキャリアガスによって導入するという方法も可能である。
【００２３】
還元鋳造方法において金属ガスと反応性ガスとを反応させて還元性化合物を生成する場合、金属ガス、たとえばマグネシウムガスは、上述した実施形態において示すように、加熱炉２８内で溶融した状態で保持し、加熱炉２８からキャリアガスにより加熱炉２８から送出して反応性ガス、たとえば窒素ガスと反応させるようにする。
図２は、上記実施形態で、加熱炉２８がヒータ３２によって加熱され、マグネシウム金属５０が溶融した状態を示している。配管２６から加熱炉２８に送入されたアルゴンガスはマグネシウムガスを配管４２から送出するように作用するが、この場合、配管４２から送出されるマグネシウムガスの形態としては、気体状、液体状微粒子、固体状微粒子のものがある。
【００２４】
図３に、マグネシウムについて沸点、融点とともに、気体状、液体状微粒子、固体状微粒子が存在する範囲を説明的に示している。沸点および融点はともに１気圧下におけるものである。図は、沸点以上の状態でマグネシウム金属が気体となり、融点以上沸点以下の状態で液体状微粒子となり、融点以下で固体状微粒子となることを示す。
実際に加熱炉２８からマグネシウムガスを送出した場合、マグネシウム金属が完全に気体状となっている場合にはマグネシウムガスを目視することはできないが、配管４２内を通過中にマグネシウムガスが冷えて凝縮することにより白い粉状となって送出される状態を目視することができる。
【００２５】
すなわち、マグネシウムガスは高温では気体状となっているが、低温になるにつれて凝集し粒度が大きくなっていく。配管内でマグネシウムガスを目視できる状態は、マグネシウムガスが凝集して粒度が大きくなり液体状微粒子、固体状微粒子になった状態と考えられる。
液体状微粒子あるいは固体状微粒子となったマグネシウムの表面の活性度は高く、窒素ガスと強く反応して、液体状微粒子あるいは固体状微粒子の表面にマグネシウム窒素化合物を析出させる。マグネシウムガスと窒素ガスとの反応性は、マグネシウムガスが気体に近いほど顕著であるが、液体状微粒子の状態でも融点以下となった固体状微粒子の状態でも窒素ガスとの反応性は十分である。
【００２６】
固体状微粒子と窒素ガスとが反応して表面にマグネシウム窒素化合物が析出した固体状微粒子についても溶湯表面の酸化皮膜を還元する作用は、気体状のマグネシウムガスと窒素ガスとの反応によって生成されたマグネシウム窒素化合物による作用と同等であり、この場合も溶湯に確実な還元作用を作用させて鋳造することができる。
【００２７】
なお、上記実施の形態においてはマグネシウムガスを金属ガスとし、窒素ガスを反応性ガスとして、これらを成形型のキャビティ内に導入し、キャビティ内で還元性化合物であるマグネシウム窒素化合物を生成して還元鋳造したが、マグネシウム窒素化合物に限らず溶湯の金属よりも還元性の強い還元性物質を溶湯に作用させることによって還元鋳造することが可能である。たとえば、アルミニウムの溶湯に還元性物質としてマグネシウムガスを作用させることにより溶湯表面の酸化皮膜を還元して鋳造することができる。このように金属ガスを溶湯に作用させて還元鋳造する場合も、還元性物質として作用する金属を加熱炉内で溶融し、気体状、液体状微粒子、固体状微粒子としてキャビティに送出することによって所要の還元鋳造を行うことが可能である。
【００２８】
以上のように、加熱炉内で還元作用を有する金属を溶融した状態で保持し、キャリアガスによって金属ガスを送出して還元性化合物を生成する方法あるいは金属ガスを溶湯に作用させて鋳造する場合においては、金属ガスが気体状、液体状微粒子、固体状微粒子のいずれの形態で送出されても還元鋳造による好適な鋳造を行うことが可能である。気体状、液体状微粒子、固体状微粒子として送出される金属ガスは、キャリアガスを利用することにより配管を介して輸送する操作も簡単に行えるという利点がある。また、気体状、液体状微粒子、固体状微粒子として送出される金属ガスは、成形型のキャビティ内面に析出して好適な還元鋳造を行うことができる。
【００２９】
また、加熱炉内で金属を溶融して金属ガスを供給する方法の場合は、加熱炉を過度に加熱する必要がないから、金属ガスを完全な気体状態として使用する場合にくらべて省エネルギー化を図ることが可能となる。また、マグネシウム金属等の金属を溶融状態で保持することにより、金属ガスを安定的に供給することが可能になる。
【００３０】
本発明に係る還元鋳造法によれば、金属ガスを発生させる金属の沸点以下かつ融点以上に加熱した加熱炉で金属を溶融し、金属ガスを液体状粒子あるいは固体状粒子を含むミスト状に送出させることで、金属ガスを安定して供給することができ、金属ガスを溶湯に作用させて好適な還元鋳造が可能であり、あるいは金属ガスと反応性ガスとにより還元性化合物を生成して好適な還元鋳造を行うことが可能となる。液体状微粒子あるいは固体状微粒子の表面の活性度は高く、反応性ガスと強く反応して、還元性化合物を良好に生成する。
また、加熱炉は金属を溶融できる温度に加熱すればよいから、加熱炉の省エネルギーを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る還元鋳造方法を利用した鋳造装置の構成を示す説明図である。
【図２】加熱炉内でマグネシウム金属を溶融した状態を示す説明図である。
【図３】マグネシウム金属の気体、液体状微粒子、固体状微粒子の存在範囲を説明的に示す図である。
【符号の説明】
１０  鋳造装置
１２  成形型
１２ａ  注湯口
１２ｂ  キャビティ
１２ｃ  金属ガス導入口
１２ｄ  窒素ガス導入口
１９  アルゴンガスボンベ
２０  窒素ガスボンベ
２８  加熱炉
３２  ヒータ
３６  タンク
５０  マグネシウム金属
【図１】
0004505159.tif 000002
【図２】
0004505159.tif 000003
【図３】
0004505159.tif 000004