(57)【要約】鋳造プロセスと直接関連して溶融ベース金属へ合金材料を添加するためのゲート装置。ゲート装置は、横断面積が絞られた入口（７）を有する湯道（２）と、横断面積がその高さに沿って注湯速度に応じて変化する反応チャンバ（４）と、反応チャンバ（４）の後に接続され、隔壁（９）が設けられた圧力および混合チャンバ（５）とを有する。この結果、金属の一定の合金材料含有量が、鋳造プロセス中に変化する注湯速度で得られる。
2004506514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造プロセスと直接関連して合金材料を溶融ベース金属へ添加するためのゲート装置であって、
横断面積が絞られた入口（７）を有する湯道（２）と、
横断面積がその高さに沿って且つ注湯速度の関数として変動する反応チャンバ（４）と、
反応チャンバ（４）の後に接続される、隔壁（９）が設けられた圧力および混合チャンバ（５）とを有し、
鋳造プロセス中に変化する注湯速度で金属の一定の合金材料含有量を実現するゲート装置。
【請求項２】
湯道（２）の入口（７）における横断面積の絞りが可変である請求項１に記載のゲート装置。
【請求項３】
反応チャンバ（４）の断面積の寸法が、注湯速度に比例して変動する請求項１または２に記載のゲート装置。
【請求項４】
反応チャンバ（４）の断面積が、交換可能な原型即ちパターンによって可変である請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項５】
湯道の出口の横断面積が、湯道の入口（７）の横断面積の少なくとも３倍である請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項６】
湯道の出口が、反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）と直角に接続されている請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項７】
反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の接続箇所を過ぎて、湯道（２）が延設されている（８）請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項８】
接続ダクト（３）の横断面積は、反応チャンバ（４）への流入速度＜５００ｍｍ／ｓとなるような寸法に作られている請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項９】
接続ダクト（３）と反応チャンバ（４）とが同じ幅である請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１０】
反応チャンバ（４）は四角い断面積を有する請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１１】
圧力および混合チャンバ（５）の反応チャンバ（４）への接続面積が接続ダクト（３）の横断面積以上である請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１２】
圧力および混合チャンバ（５）の隔壁（９）の高さは、式、
隔壁高さ（ｍｍ）＝３０＋３×反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の高さ
に従って計算される請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１３】
圧力および混合チャンバ（５）の高さが隔壁（５）の高さ＋反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の高さ以上である請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１４】
圧力および混合チャンバ（５）の第１部分の容積が反応チャンバ（４）の容積の半分以上である請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１５】
圧力および混合チャンバ（５）の出口ダクト（６）の横断面積が接続ダクト（３）の横断面積以上である請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、鋳造プロセスと直接関連して合金材料を溶融ベース金属即ち溶融された母合金へ添加するためのゲート・システム即ちゲート装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
合金金属を鋳造する場合、鋳造前に鉄を調整するために、種々の合金材料を鋳込み用取鍋（ｐｏｕｒｉｎｇ　ｌａｄｌｅ）や特別処理用取鍋（ｓｐｅｃｉａｌ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｌａｄｌｅ）へ添加することがある。別の方法は、合金材料を実際の鋳造プロセス中に連続して供給することである。１つの例は、ノジュラー鋳鉄合金即ち球状黒鉛鋳鉄合金の製造に用いられるインモールド・プロセス（Ｉｎｍｏｌｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ）である。インモールド・プロセスでは、反応チャンバ即ち反応室がモールド即ち鋳型の下型内に形成される。一方の端では、反応チャンバは、短いダクトを介してゲート・システムの湯口へ接続され、他方の端では、鋳造への入口へ至るダクトに接続されている。ある程度の量の粉砕され且つ約５％のマグネシウムを含むＦｅＳｉＭｇ合金が、反応チャンバ内に入れられる。鋳造時に、鉄がチャンバ内へ流され、ＦｅＳｉＭｇ合金が表面で溶融し、反応チャンバを通って流れる鉄に徐々に溶解する。約０．３５％のマグネシウムが、鋳造キャビティを徐々に満たす鉄に溶解する。凝固する際に、炭素が黒鉛の形態でノジュール即ち小塊として分離し、これがノジュラー鋳鉄即ち球状黒鉛鋳鉄を特徴づける。マグネシウムの量が少なすぎると、鉄は全体的または部分的に、鼠鋳鉄として凝固し、これは強度を著しく下げる。これを防止するために、反応チャンバはいくらか大きい寸法にされる。ノジュラー鋳鉄の製造で不可欠なことは、マグネシウムの量をある最少レベル未満に下げないことである。含有量が標準的な値より多くても、著しい有害な影響は何ら生じない。
【０００３】
反応チャンバの断面積は、所定の注湯速度（ｋｇ／ｓ）において鉄に溶解するマグネシウムの量を決定する。この断面積の寸法は平均の注湯速度に合わせて決められ、反応チャンバの高さに沿って一定である。注湯速度が鋳造プロセスの間に一定ではなく減少すると、鉄中のマグネシウム含有量は注湯速度に反比例して徐々に増加することになる。これが起こるのは、例えば、鋳造キャビティの一部がモールドの見切り面上方に位置することによって、鋳造の送出し水頭即ちデリバリ・ヘッドが減少する場合である。ノジュラー鋳鉄を製造する場合、このことは、前述したように何ら大きな問題を引き起こさない。それは、マグネシウムの添加に対する安全のためのゆとりをとって操業することができるからである。
【０００４】
しかしバーミキュラ黒鉛鋳鉄を、インモールド・プロセスによって製造する場合には問題が起こる。バーミキュラ黒鉛鋳鉄の特徴は、鉄に溶解した炭素が、ノジュラー鋳鉄の場合のように丸くなく蠕虫状の（ｖｅｒｍｉｆｏｒｍ）黒鉛粒子として、または鼠鋳鉄の場合のように薄いフレーク状構造として即ち片状で分離されることである。バーミキュラ黒鉛の形態は、非常に狭いマグネシウム範囲（特に材料の厚みに依存する）でのみ起こる中間の形態である。典型的な範囲は、０．０１〜０．０１３％である。従来のインモールド・プロセス（反応チャンバの断面積が一定である）を用いた場合には、鋳造の後の部分での注湯速度が初期速度の半分まで下がると、マグネシウム含有量が０．０１から０．０２％まで増加する可能性がある。その結果、マグネシウム含有量が高い鉄は、少量のバーミキュラ黒鉛と多量のノジュラー黒鉛、すなわちバーミキュラ黒鉛鋳鉄とノジュラー鋳鉄との混合物を含むことになる。
【０００５】
バーミキュラ黒鉛鋳鉄を製造する際の他の問題は、マグネシウムの下限がベース鉄の核生成状態に依存することである。核生成状態は、種々の方法（例えば熱分析）を用いて間接的に測定することができ、最適条件を得るためには、核生成状態に対して鉄中のマグネシウムの割合を変える必要がある。これは、従来のインモールド・プロセスでは不可能である。
【０００６】
従来のインモールド・プロセスのもう１つの問題は、反応チャンバに達する最初の鉄の一部が、運動エネルギーにより、合金材料と直接接触せずに反応チャンバからダクト内へ通過してしまうことである。反応チャンバに金属が完全に充填されない状態が、数秒後まで続く。この結果、鋳造キャビティに流れ込む最初の鉄は、場合によって、合金材料の含有量が低すぎることがあり得る。
【０００７】
（発明の概要）
本発明の目的は、鋳造プロセス中に変化する注湯速度で金属中の一定の合金材料含有量を得るためのゲート装置を提供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１で規定される特徴を有するゲート装置によって達成される。
【０００９】
本発明を、添付の図面を参照しながら、実例により、より詳細に説明する。
【００１０】
（好ましい実施例の説明）
図１に、バーミキュラ黒鉛鋳鉄を製造するためのゲート装置の一実施例を示す。ベース鉄即ち母材である鉄を、鋳込み用取鍋または鋳込み炉（ｆｏｕｎｄｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ）によって、鋳込み用カップおよび湯口１を通して、システム即ち装置へ供給する。湯道２が湯口１へ接続されている。湯口の第１部分７（図２参照）は、その断面が、従来技術による方法で、所望の流量、したがって鋳造すべき部品に所望の鋳造時間が得られるような寸法に作られている。湯道２の第２部分は、第１部分７の横断面の３倍の横断面で形成されている。湯道２の第２部分では、接続ダクト３が反応チャンバ４に、直角に接続されている。湯道２は、接続ダクト３の接続箇所を過ぎて突出している。ベース鉄が接続ダクトを通って反応チャンバ４に到達する前に、延設部分８によって湯口１内の流れが安定化される。接続ダクト３の横断面を、反応チャンバ４への流量が５００ｍｍ／ｓ未満となるように、体積流量に適応させる。接続ダクト３の幅は、反応チャンバ４の幅に等しい。
【００１１】
反応チャンバ４は四角い横断面で形成され、種々のレベルにおけるその断面積は、次の式に従って計算される。
レベルごとの断面積（ｃｍ２）＝（Ｑ×ＤＭｇ／１００）／Ｆ
Ｑ＝金属流量（ｇ／ｓ）
ＤＭｇ＝所望のマグネシウム含有量（％）
Ｆ＝反応チャンバからのマグネシウムの吸収（ｔａｋｉｎｇ　ｕｐ）因子（ｇ／ｃｍ２／ｓ）
【００１２】
合金材料（例えば粒子径が１〜３ｍｍのＦｅＳｉＭｇ）を、既知の方法で、反応チャンバ４内に入れる。鋳造中に、金属が反応チャンバ４の上部を通って流れ、合金材料が徐々に溶融して鉄中に溶ける。
【００１３】
鋳造時間中の金属の流れは、各時点において用いられる有効な圧力水頭を用いて既知の方法で、またはコンピュータ支援のフロー・シミュレーションを行うことによって、計算される。反応チャンバ４の高さは、マグネシウム合金の全量およびその密度とともに断面積に対して、既知の方法で計算される。反応チャンバ４の上部の高さは、少なくとも接続ダクト３の高さだけ増加する。
【００１４】
圧力および混合チャンバ５が、反応チャンバ４に対して接続ダクト３と反対側に配置されている。反応チャンバ４との接続面積は、接続ダクト３の面積以上である。圧力および混合チャンバ５は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）９によって分けられている（図３参照）。隔壁９の目的は、金属が出口ダクト６（鋳造キャビティへ至る）へ流れ出る前に、反応チャンバ４が金属で完全に満たされて加圧されることを保証することである。隔壁の高さは、次式に従って計算される。
隔壁高さ（ｍｍ）＝３０＋３×反応チャンバへの入口の高さ
【００１５】
圧力および混合チャンバ５の高さは、隔壁９の高さ＋反応チャンバ４への接続ダクト３の高さに等しい。圧力および混合チャンバ５の第１部分の容積は、反応チャンバ４の容積の半分である。
【００１６】
圧力および混合チャンバ５からの出口ダクト６の断面積は、接続ダクト３の断面積以上である。出口ダクト６は、鋳造キャビティに直接にまたはセラミック・メタル・フィルタを介して、既知の方法で接続されている。
【００１７】
本発明によれば、鉄のマグネシウム含有量の所望する変化量が得られ、ベース鉄の冶金学的状態および鋳造部品の冷却速度に対する最適なレベルが、３つの方法で実現される。
【００１８】
第１に、注湯速度（すなわち反応チャンバ４を通る流量）を変えることができる。実験が示すところによれば、所与の合金材料における反応チャンバ４での合金材料からのマグネシウムの吸収は、合金材料の露出面積および液体のベース鉄との接触時間の関数である。マグネシウムの吸収（反応チャンバ面積および秒のｇＭｇ／ｃｍ２）は、鋳造実験によって経験的に定められる。市販のＦｅＳｉＭｇ合金（約４％のＭｇを含む）の通常の値は、反応チャンバ面積および秒の０．０１５ｇ／ｃｍ２である。したがって所与の断面積において、反応チャンバ４を通る流量を変えることで、マグネシウムの吸収を変えることができる。実際には、これは鋳造時間を変えることで簡単に行うことができる。したがって流量（ｋｇ／ｓ）は、湯道の最初の部分７の横断面積の絞り（ｔｈｒｏｔｔｌｅ）を変えることによって変更できる。殆どの鋳造部品は、鋳造時間の＋／−２０％の変化には、鋳造欠陥の危険を何ら伴わずに耐える。このため、マグネシウム含有量を十分に広い限度内で変えることによって、ベース鉄の変動（黒鉛の核生成プロセスに影響する）を補正することができる。
【００１９】
第２に、種々のレベルで反応チャンバ４の断面積を増加または減少させることによっても、マグネシウム含有量を変えることができる。これは、反応チャンバ４用の交換可能な原型（ｐａｔｔｅｒｎｓ）を用いることによって、またはチャンバの断面積を変える何らかの方法によって行うことができる。断面積の増加によってマグネシウムの吸収が増加し、逆もまた同様である。
【００２０】
第３には、反応チャンバに、２つの異なるマグネシウム合金（溶解能力が異なる）の混合物を充填することで、鉄のマグネシウム含有量を変えることができる。溶解能力の変更は、マグネシウム合金の粒子径を変える、かつ／またはマグネシウム含有量を変えることで行うことができる。混合物を、ベース鉄の特性に応じて、核生成能力、酸化度、ならびに鋳造部品のデザインおよび凝固速度の形態でマグネシウムに対する要求に適応させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のゲート装置の好ましい実施例を示す斜視図である。
【図２】ゲート装置の第１部分を示す断面図である。
【図３】ゲート装置の第２部分を示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年7月5日(2001.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造プロセスと直接関連して、鋳造プロセス中に変動する注湯速度で金属の一定の合金材料含有量を実現するように合金材料を溶融ベース金属へ添加するための、入口（７）を有する湯道（２）と反応チャンバ（４）とを備えるゲート装置において、
前記入口（７）の横断面積が絞られ、
反応チャンバ（４）の断面積が、反応チャンバ（４）の高さに沿って、注湯速度の関数として変動し、
圧力および混合チャンバ（５）が、反応チャンバ（４）の後に接続され、隔壁（９）を有することを特徴とするゲート装置。
【請求項２】
湯道（２）の入口（７）における横断面積の絞りが可変である請求項１に記載のゲート装置。
【請求項３】
反応チャンバ（４）の断面積の寸法が、注湯速度に比例して変化する請求項１または２に記載のゲート装置。
【請求項４】
反応チャンバ（４）の断面積が、交換可能なパターン即ち原型によって可変である請求項１から３までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項５】
湯道の出口の横断面積が、湯道の入口（７）の横断面積の少なくとも３倍である請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項６】
湯道の出口が、反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）と直角に接続されている請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項７】
反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の接続箇所を過ぎて、湯道（２）が延設されている（８）請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項８】
接続ダクト（３）の横断面積は、反応チャンバ（４）への流入速度＜５００ｍｍ／ｓとなるような寸法に作られている請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項９】
接続ダクト（３）と反応チャンバ（４）とが同じ幅である請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１０】
反応チャンバ（４）は四角い断面を有する請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１１】
圧力および混合チャンバ（５）の反応チャンバ（４）への接続面積が接続ダクト（３）の断面積以上である請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１２】
圧力および混合チャンバ（５）の隔壁（９）の高さは、式、
隔壁高さ（ｍｍ）＝３０＋３×反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の高さ
に従って計算される請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１３】
圧力および混合チャンバ（５）の高さが隔壁（５）の高さ＋反応チャンバ（４）への接続ダクト（３）の高さ以上である請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１４】
圧力および混合チャンバ（５）の第１部分の容積が反応チャンバ（４）の容積の半分以上である請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【請求項１５】
圧力および混合チャンバ（５）の出口ダクト（６）の横断面積が接続ダクト（３）の横断面積以上である請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載のゲート装置。
【国際調査報告】
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