(57)【要約】【課題】ビレット表層部に形成される酸化物が、鋳造品の局所に入り込むのを抑制し、良品の鋳造品を得ることができるようにした半溶融鋳造装置を提供する。【解決手段】半溶融状態のビレットＢを、プランジャ１２を用いてスリーブ１１から鋳型３０内に射出して鋳造品を鋳造するための半溶融鋳造装置１であって、該装置１は前記ビレットＢの表面に形成された酸化皮膜ｆを破砕する手段２０を備え、該破砕手段２０は、前記酸化皮膜ｆに超音波を印加する接触子２２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半溶融状態のビレットを、プランジャを用いてスリーブから鋳型内に射出して鋳造品を鋳造するための半溶融鋳造装置であって、
該装置は前記ビレットの表面に形成された酸化皮膜を破砕する手段を備え、
該破砕手段は、前記酸化皮膜に超音波を印加する接触子を備えていることを特徴とする半溶融鋳造装置。
【請求項２】
前記接触子は、前記スリーブ内において前記ビレットと相対移動可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半溶融鋳造装置。
【請求項３】
前記接触子は少なくとも２つあり、該各接触子は、振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を前記酸化皮膜に印加可能に構成されており、それにより、前記プランジャの射出方向に沿った軸を回転軸として前記ビレットが回転するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の半溶融鋳造装置。
【請求項４】
前記接触子のうち少なくとも２つの接触子はビレットに接触する板状体をそれぞれに備えており、該２つの板状体は、前記スリーブ内のビレットが前記スリーブの軸芯に一致するように、前記射出方向に対する垂直断面において逆ハの字形に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の半溶融鋳造装置。
【請求項５】
半溶融状態のビレットを、プランジャを用いてスリーブから鋳型内に射出して鋳造品を鋳造する半溶融鋳造方法であって、
該半溶融鋳造方法はビレットの表面に形成された酸化皮膜を破砕するための工程を含み、
該酸化皮膜の破砕工程を、前記スリーブ内において接触子を酸化皮膜に接触させ、該接触子から酸化皮膜に超音波を印加することによって行うことを特徴とする半溶融鋳造方法。
【請求項６】
前記超音波の印加を、前記ビレットと前記接触子とを相対移動させながら行うことを特徴とする請求項５に記載の半溶融鋳造方法。
【請求項７】
少なくとも２つの前記接触子を用い、該各接触子から、振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を前記酸化皮膜に印加し、それにより、前記プランジャの移動方向に沿った軸を回転軸として前記ビレットを回転させながら前記破砕を行うことを特徴とする請求項５または６に記載の半溶融鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半溶融状態にしたビレットを用いて鋳造を行う装置及びその方法に係り、特に、半溶融状態に加熱されたビレット表面に形成された酸化皮膜を破砕するに好適な半溶融鋳造装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、デンドライトを分断した粒状α相と、それらの間を埋める共晶組織と、を含む結晶構造の金属材料を用いた鋳造方法が幅広く知られている。具体的には、この鋳造方法において、金属材料であるビレットを加熱して固相α相と液相（溶融した共晶組織）とが共存する状態（固液共存状態）にし、ビレットを鋳型のキャビティ内に圧入して製品を鋳造している。このような方法によれば、金属材料中のα相が球状に近い形状となることから鋳造の際にはα相同志がからみ合わないので、優れた成形性を得ることができる。さらに、材料の成形温度と凝固温度との温度差が小さいので凝固時の収縮量が小さく、ヒケのない寸法精度のよい良質の鋳造品を得ることができる。
【０００３】
また、この他にも、金属材料を溶解した後に、晶出したα相を分断するように電磁攪拌しながら冷却し、固相（α相）と液相とが共存する半凝固状態にした金属材料を用いて鋳造する方法が取られることがある。この方法は半凝固鋳造方法と呼ばれることもあり、半溶融鋳造方法と同様の利点があることから、広く用いられる。
【０００４】
ところで、ビレットは、遠心攪拌して製造されることが一般的であり、ビレット中の酸化物は比重が大きいため外周方向に移動し易い。さらに、遠心攪拌により製造されたビレットは、鋳造前には固相率が３０％〜５０％となるように加熱され、ビレット表面は、その内部に比べて大気に触れて酸化し易い。このようにして、鋳造前のビレットには、遠心攪拌と大気接触とにより表面に酸化皮膜が形成される。この酸化皮膜は、成形後の鋳造品の内部に酸化物として局所的に入り込むことがあり、この場合には鋳造品は部分的に所望の強度を得られないことがあった。
【０００５】
このような問題を鑑みて、例えば、図６に示すように、射出スリーブ７１と、該射出スリーブ７１内に設置され射出スリーブ７１の軸線方向に進退可能なプランジャ７２と、射出スリーブ７１と鋳型６０との間に該射出スリーブ７１の内径よりも小さい内径となるように突出部７４Ａを形成したスライド型７４を少なくとも備えた成形装置７０が提案されている（特許文献１参照）。このような装置７０は、スリーブ径よりも小さい径となるように突出部７４Ａを形成し、ビレットＢを射出する際に、突出部７４Ａが、ビレットＢの表面に形成された酸化皮膜を含む表層部を削り取り、酸化皮膜を鋳造品内に入れないようにしたものである。
【０００６】
【特許文献１】特開１０−１７５０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載のような鋳造装置を用いた場合には、プランジャの加圧力を利用して、突出部７４ＡによりビレットＢの表層部を削り取ることはできるが、削り取られた酸化皮膜を含んだ固相率の高い皮膜含有物Ｃは、図６に示すように、突出部７４Ａのプランジャ射出方向後方側に堆積し、再びビレットＢ内に巻込まれることがある（図６白抜き矢印）。この結果、ビレットＢ内に巻込まれた皮膜含有物Ｃは、塊となって半溶融状態の合金材料と共に、鋳型６０のキャビティ６１内に流入してしまい、鋳造品の局所に入り込むことがある。この結果、鋳造品は、前記したように所望の強度を得ることができず、品質不良になってしまう。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、半溶融又は半凝固状態のビレットを用いて鋳型のキャビティ内に鋳造品を鋳造する半溶融鋳造において、ビレット射出時にビレット表層部に形成される酸化物が、鋳造品の局所に入り込むのを抑制し、良品の鋳造品を得ることができるようにした半溶融鋳造装置及び半溶融鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者は、ビレットに形成された酸化皮膜は厚みが薄く、半溶融状態のビレットに比べて脆いため、このような酸化皮膜は細かく破砕し易いという点に着眼した。この点に基づいて、発明者は多くの実験と研究を行うことにより、射出前に予め酸化皮膜を細かく破砕しておけば、たとえ酸化皮膜が鋳造品内に入り込んだとしても、分散して酸化皮膜が鋳造品に入り込み、鋳造品の強度を殆ど低下させることが無いとの新たな知見を得た。
【００１０】
本発明は、このような新たな知見に基づくものであり、本発明に係る半溶融鋳造装置は、半溶融状態のビレットを、プランジャを用いてスリーブから鋳型内に射出して鋳造品を鋳造するための半溶融鋳造装置であって、該装置は前記ビレットの表面に形成された酸化皮膜を破砕する手段を備え、該破砕手段は、前記酸化皮膜に超音波を印加する接触子を少なくとも備えていることを特徴としている。
【００１１】
このような半溶融鋳造装置によれば、前記ビレットの酸化皮膜に接触子を接触させて、射出成形直前のビレットの酸化皮膜を破砕することができる。この結果、酸化皮膜破砕後、放熱によりビレット表面に新たに酸化皮膜が形成される前に、成形性の良い状態のビレットを用いて迅速に鋳造を行うことができるので、品質の良い鋳造品を得ることができる。特に、超音波を印加することにより、酸化皮膜を細かく砕き、鋳造品内に酸化皮膜を均一に分散させることが可能となるので、酸化皮膜が混在することによる鋳造品の強度低下を抑制することができる。
【００１２】
前記接触子は、前記ビレットと相対移動可能な位置に配置されていることが好ましい。このような接触子の配置により、ビレット全長に亘り超音波を印加することができる。特に、接触子はプランジャの射出方向に沿って配置されることが好ましく、このような接触子が射出方向に沿って複数配置されていても良い。この場合、既設のプランジャを利用してビレットの全長の酸化皮膜の破砕を行うことができるため、酸化皮膜の破砕を効率良く安価に行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る半溶融鋳造装置は、前記接触子は少なくとも２つあり、前記各接触子は、振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を前記酸化皮膜に印加可能に構成されており、それにより、前記プランジャの射出方向に沿った軸を回転軸として前記ビレットが回転するようになっていることがより好ましい。より効率的にビレットを回転させるためには、２つの接触子はビレットを挟んで対峙するように配置されることが好ましい。このようにビレットを回転させることにより、たとえ接触子と酸化皮膜との接触面積が小さい場合であっても、ビレットの周面全体に超音波を印加することが可能となり、効果的に酸化皮膜を破砕することができる。なお、ビレットが回転可能であるならば、２つの接触子のうち、一方の接触のみに超音波を与えても良い。
【００１４】
さらに、本発明に係る半溶融鋳造装置は、前記接触子のうち少なくとも２つの接触子がビレットに接触する板状体をそれぞれに備えており、該２つの板状体は、前記スリーブ内のビレットが前記スリーブの軸芯に一致するように、前記射出方向に対する垂直断面において逆ハの字形に配置されている。
【００１５】
このような板状体を備えることにより、超音波を効率よくビレットに印加することができる。また、効率的な超音波の印加を行うためには、板状体の厚みは、２ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。さらに、板状体は、耐食性、耐久性を考慮すると、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）などのステンレス鋼からなることが好ましい。そして、２つの接触子は、前記スリーブ内のビレットが前記スリーブの軸芯に一致するように配置されているので、スリーブ内で酸化皮膜の破砕後に、ビレットとスリーブの芯合わせをすることなくビレットを鋳型内に射出することができる。この結果、ビレットの固相率を殆ど上昇させることなく、成形性の良い状態のビレットから速やかに良品の鋳造品を鋳造することができる。さらに、２つの板状体は、前記射出方向に対する垂直断面において逆ハの字形に配置されているので、ビレットとスリーブの芯合わせを容易に行うことができる。特に、逆ハの字形の接触子に対向する位置のスリーブ上側周面に、ビレット導入用の開口部を設けた場合、ビレットをスリーブ内に投入し易くなり、作業効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明として、このような半溶融鋳造装置を用いたより好適な鋳造方法も開示する。本発明に係る半溶融鋳造方法は、半溶融状態のビレットを、プランジャを用いてスリーブから鋳型内に射出して鋳造品を鋳造する半溶融鋳造方法であって、該半溶融鋳造方法はビレットの表面に形成された酸化皮膜を破砕するための工程を少なくとも含み、該酸化皮膜の破砕工程を、前記スリーブ内において接触子を酸化皮膜に接触させ、該接触子から酸化皮膜に超音波を印加することによって行うことを特徴としている。
【００１７】
このようにして、半溶融鋳造を行うことにより、ビレット表面に形成された酸化皮膜を、鋳造品内に分散して入り込ませることが可能となり、強度低下の無い良品の鋳造品を得ることができる。
【００１８】
本発明の鋳造方法によれば、半溶融状態で鋳造を行うこと、酸化皮膜が形成されることの条件を満たせばビレットの材質は特に限定されるものではないが、特に、酸化皮膜の破砕のし易さ等を考慮するとアルミニウム合金、マグネシウム合金のビレットに有効である。
【００１９】
また、このような破砕工程において、前記超音波の印加を、前記ビレットと前記接触子とを相対移動させながら行うことが好ましい。このような相対移動を、前記プランジャの射出方向への移動に合わせて行った場合には、酸化皮膜を破砕する工程とビレットを鋳型内に射出する工程とを連続して行うことが可能となる。この結果、ビレットの放熱による固相率の上昇を抑え、成形性の良い状態のビレットから鋳造品を鋳造することができる。
【００２０】
さらに、少なくとも２つの前記接触子を用い、前記各接触子から、振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を前記酸化皮膜に印加し、それにより、前記プランジャの移動方向に沿った軸を回転軸として前記ビレットを回転させながら前記破砕を行うことが好ましい。特に、円柱状のビレットを用いた場合には、容易にビレットを容易に回転させることができ、ビレット全周面の酸化皮膜を好適に破砕することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による半溶融装置を用いた場合、又は、半溶融鋳造方法を行った場合には、ビレット表面に形成された酸化皮膜を鋳造品内に分散して取り込ませることが可能となり、鋳造品の強度低下を低減することができる。このような結果、良質の鋳造品を製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】
【００２２】
以下に、図面を参照して、半溶融鋳造装置を一実施形態に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る半溶融鋳造装置１の全体構成図を示しており、図２は、図１の側面図、図３は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示している。また、図４は、本実施形態に係る半溶融鋳造方法を説明するための図を示している。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係る半溶融鋳造装置１は、ビレットＢを射出するための射出装置１０と、該射出装置１０内のビレットＢの酸化皮膜を破砕する破砕装置（破砕手段）２０とを少なくとも備えている。
【００２４】
射出装置１０は、ビレットＢを内部に挿入可能な長尺円筒状のスリーブ１１と、該スリーブ１１の一端から内面に摺動自在に嵌合したプランジャ１２と、該プランジャ１２を介して射出方向（図１矢印方向）にビレットＢを加圧するための加圧装置１３と、を少なくとも備えている。また、スリーブ１１の他端は、鋳型３０に連結されており、射出装置１０は、加圧装置１３によりプランジャ１２を介して加圧されたビレットＢが、鋳型３０内のキャビティ３１に射出可能となっている。さらに、スリーブ１１の中央から加圧装置１３側寄りの上側周面には、ビレットＢを挿入することが可能な開口部１１ａが形成されている。
【００２５】
破砕装置２０は、超音波を発生させる２つの超音波発生装置２１，２１と、ビレットＢに接触する接触子２２，２２と、を少なくとも備えている。各超音波発生装置２１は、振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を発生するように構成されており、発生した超音波が接触子２２に伝達可能に接続されている。
【００２６】
各接触子２２は、チャンネル等（図示せず）を介して固定されており、接触子２２は、超音波発生装置２１に接続された柱状の振動子２２ａと、該振動子２２ａに脱着可能に接続された板状体２２ｂと、を少なくとも備えている。図２に示すように、板状体２２ｂは、プランジャ１２を射出方向に移動させたときに、ビレットＢと相対移動可能な位置に配置されている。さらに、図３に示すように、板状体２２ｂ，２２ｂの一端は、スリーブ１１の開口部１１ａを介して、スリーブ１１内のビレットＢが円筒状のスリーブ１１の軸芯Ｌに一致するように、射出方向に対する垂直断面において逆ハの字形に配置されている。なお、本実施形態では、スリーブ１１内において対峙するように２つの接触子を設けたが、プランジャ１２の射出方向に沿って接触子をさらに設けても良い。
【００２７】
このように構成された半溶融鋳造装置１を用いて行う半溶融鋳造方法を、図４を参照しながら以下に説明する。まず、ビレットＢを準備し加熱する。具体的に準備するビレットＢは、デンドライトを分断した粒状α相と、それらの間を埋める共晶と、を含む結晶構造を有した材料である。そして、ビレットＢは、固相と液相とが共存する半溶融状態となるように加熱される。なお、金属材料を溶解した後に、晶出したα相を分断するように電磁攪拌しながら冷却し、固相と液相とが共存する半凝固状態に加熱してもよい。
【００２８】
このように加熱された半溶融または半凝固状態のビレットＢを、開口部１１ａを介してスリーブ１１内に投入する（図４（ａ）参照）。このとき、２つの接触子２２，２２の板状体２２ｂ，２２ｂが、上述したような逆ハの字形となるように配置されているので、ビレットＢの軸芯と、スリーブ１１の軸芯が一致する。
【００２９】
次に、図４（ｂ）に示すような酸化皮膜の破砕工程を行う。具体的には、スリーブ１１内において接触子２２，２２の板状体２２ｂ，２２ｂをビレットＢの酸化皮膜ｆに接触させながら、超音波発生装置２１の超音波により、板状体２２ｂ，２２ｂから酸化皮膜ｆに超音波を印加する。また、超音波の印加にあたっては、各接触子２２，２２から振幅又は周波数のいずれか一方又は双方が異なる超音波を酸化皮膜に印加できるように、各超音波発生装置を操作する。このような異なる特性の超音波をビレットＢに印加させることにより、プランジャ１２の移動方向に沿った軸（具体的には軸芯Ｌ）を回転軸としてビレットＢを回転させながら酸化皮膜の破砕を行うことができる。
【００３０】
さらに、ビレットＢを回転運動させる一方で、加圧装置１３を用いてプランジャ１２を射出方向に沿って移動させる。この結果、接触子２２の板状体２２ｂと酸化皮膜ｆとの接触面積が小さい場合であっても効率良く、ビレットＢの周方向及び軸線方向の酸化皮膜を破砕することができる。そして、図４（ｃ）に示すように、酸化皮膜が破砕されたビレットＢを、プランジャ１２を用いてスリーブ１１内から鋳型３０内のキャビティ３１に射出して、鋳造品を鋳造する。このように、射出直前のビレット全周面の酸化皮膜ｆを破砕して、鋳造品内に分散して取り込ませることが可能となり、強度低下のない良質な鋳造品を鋳造することができる。
【００３１】
また、長尺円筒状のスリーブ１１を用いたため、１つの装置で、第一工程として開口部１１ａをプランジャ１２が通過するまでの間に、ビレットＢの表面の破砕を行うことができ、連続して第二工程として、開口部１１ａ通過後のプランジャの射出方向の移動により、鋳造品の鋳造を行うことができ、単純な装置構成で、良品の鋳造品を得ることができる。特に、既存の鋳造設備を利用して本実施形態に示した鋳造を行う場合には、スリーブ１１のみを改造すればよいので、安価に本実施形態の鋳造を実施することが可能となる。
【００３２】
また、スリーブ１１に開口部１１ａを設けて、該開口部１１ａを介して接触子２２，２２を配置したことにより、ビレットＢの回転の挙動と、射出方向の移動とを目視確認することができ、確実に酸化皮膜ｆの破砕を行うことが可能となる。
【実施例】
【００３３】
以下に本実施形態に係る実施例を示す。
（実施例１）
前記した図１に示すような半溶融鋳造装置を用いて、鋳造を行った。まず、直径１５０ｍｍ×長さ６００ｍｍの円柱状のアルミニウム合金（ＡＤＣ１２：ＪＩＳ規格）のビレットを準備した。次に、このビレットを半溶融状態に加熱し、加熱したビレットを射出装置のスリーブ内に配置し、破砕装置の２つ接触子にビレットを接触させた。
【００３４】
このような接触状態で、一方の超音波の周波数を２０ｋＨｚ，他方の超音波の周波数を４０ｋＨｚとなるように、超音波発生装置を操作して、接触子からビレット表面の酸化皮膜に超音波を印加した。それにより、プランジャの射出方向に沿った軸を回転軸としてビレットを回転させた。なお、接触子の板状体には、板厚３ｍｍ、幅１２０ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４：ＪＩＳ規格）を用いた。一方、プランジャを速度１０ｍｍ／ｓｅｃで移動させ、回転しているビレットに対して、さらに射出方向の移動を与え、前記ビレットと前記接触子とを相対移動させ、ビレット周全面の酸化皮膜を破砕した。
【００３５】
その後、プランジャの速度を５００ｍｍ／ｓｅｃにして、酸化皮膜が破砕されたビレットを、プランジャを用いてスリーブから鋳型内に射出して、単気筒シリンダブロックの鋳造品を鋳造した。そして、鋳型から鋳造品を取り出し、該鋳造品から平行断面が直径５ｍｍの試験片（ＪＩＳ１４号Ａ相当）に切り出して、該試験片に対して引張り試験を行った。この結果を図５に示す。
【００３６】
（比較例１）
実施例１と同じような鋳造品を鋳造した。実施例１と相違する点は、ビレットの表面に形成された酸化皮膜の破砕を行わずに、鋳造品を鋳造した点である。そして、実施例１と同様に鋳造品から試験片を切り出して、該試験片に対して引張り試験を行った。この結果を、図５に示す。
【００３７】
（結果）
図５に示すように、実施例１の試験片の引張り強度は、２８０ＭＰａ程度であったのに対し、比較例１のものは、２００ＭＰａ程度であり、実施例１の鋳造品の強度は、比較例１のものに比べて低くなった。
【００３８】
（考察）
実施例１のように、鋳造前に酸化皮膜を超音波により破砕した場合には、破砕された酸化皮膜は鋳造品内に分散されるため、比較例１のものに比べて、鋳造品の強度が高くなったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る半溶融鋳造装置の一実施形態の全体構成図。
【図２】図１に示す半溶融鋳造装置の側面図。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】本実施形態に係る半溶融鋳造方法を説明するための図であり、(ａ)は、ビレットをスリーブ内に配置した図であり、（ｂ）は、ビレット表面に形成された酸化皮膜を破砕する工程を示した図であり、（ｃ）は、ビレットから鋳造品を射出成形する直前の図。
【図５】実施例１及び比較例１の鋳造品の引張り試験の結果を示した図。
【図６】従来の半溶融鋳造装置を説明するための図。
【符号の説明】
【００４０】
１：半溶融鋳造装置，１０：射出装置，１１：スリーブ，１２：プランジャ，１３：加圧装置，２０：破砕装置，２１：超音波発生装置，２２：接触子，２２ａ：振動子，２２ｂ：板状体
【図１】
2007330975.tif 000003
【図２】
2007330975.tif 000004
【図３】
2007330975.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007330975.tif 000007
【図６】
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