(57)【要約】【課題】高温域で脆性を示す材料のクラックの発生及び熱電対穴への応力集中を抑制する分流子及びそれを用いた鋳造金型構造を提供する。【解決手段】高温域で脆性を示す材料からなり、流れ方向に所定角度を有して配置され、供給された溶湯が最初に接触する接触面と、上記接触面に連続して設けられ、上記溶湯をキャビティ部側に誘導する流路面とを備える分流子において、分流子内部に、上記流路面に沿って上記接触面方向に延在する熱電対穴を備え、上記熱電対穴に、先端側の径が小さくなるような２つ以上の段差を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温域で脆性を示す材料からなり、
流れ方向に所定角度を有して配置され、供給された溶湯が最初に接触する接触面と、
上記接触面に連続して設けられ、上記溶湯をキャビティ部側に誘導する流路面とを備える分流子であって、
分流子内部において、上記流路面に沿って上記接触面方向に延在する熱電対穴を備え、
上記熱電対穴は、先端側の径が小さくなるような２つ以上の段差を有することを特徴とする分流子。
【請求項２】
前記熱電対穴の段差は、分流子の長手方向略中央には設けないことを特徴とする請求項１に記載の分流子。
【請求項３】
前記熱電対穴の底部側の段差は、変化率が１．６７未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分流子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の分流子を用いた鋳造金型構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力集中に起因するクラックの発生を抑制する分流子及びそれを用いた鋳造金型構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な高圧鋳造を行うダイカスト金型においては、分流子が設けられており、この分流子によって、固定金型と可動金型との間に形成されたキャビティ部に溶湯が高圧に誘導・充填されて鋳造が行われる。
【０００３】
ところが、一般的に多く使われている鋳造金型は、部品形状、サイクルタイムの短縮、冷却仕様の制約等の様々な要因により局部過熱しやすい。局部過熱すると、金型に焼け、溶損、ヒートクラックなどの不具合が生じ、不稼動、クラックの要因となるので、温度制御することが重要である。
【０００４】
一般的な合金工具鋼は、コスト・生産性・寿命の観点から最良の加工材料であり、また、鉄系材料は、高温化で脆性低下することがないため、鋳造時に発生する熱応力が付与されても、早期の段階で表面から内部へ向かって割れることはほとんどないといった利点を有する。一方、近年、非鉄材料でありかつ金型として成立しうるものとして、銅合金が使用されている。この銅合金は、合金工具鋼に対し、大幅に熱伝導性が良いため、サイクルタイムの大幅短縮が見込まれる。また、素材表面の急冷効果による強度ＵＰ（組織の微細化）の効果もある。
【０００５】
そこで、上記の局部加熱を大幅に抑制する一つの手段として、熱伝導性に優れる銅合金金型が用いられている。ただし、銅合金は高温で脆性が大幅低下し破壊に至るといった欠点を有するため、銅合金を金型として成立させるには、耐溶損性・耐ヒートクラックの観点において、銅合金に適した温度制御をしなければならない。
【０００６】
このような温度制御の課題を解決する手段としては、分流子・湯口スリーブを、熱伝導に優れる銅合金（コルソン銅・ベリリウム銅）製とするとともに、特徴的な冷却水路構造を備えることにより冷却性能を向上させたダイカスト金型が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
上記特許文献１のダイカスト金型においては、銅合金製の分流子の内部温度を測定するために、図３及び４に示されているような１段の段付き又は段を有しない熱電対穴が温度測定箇所に設けてられている。しかしながら、上記のような従来の熱電対穴では、分流子表面上において発生するクラックが熱電対穴に貫通し、さらにクラックが進展して分流子内部に設けられる冷却水路まで到達すると、内部冷却水がクラックから漏れて溶湯と接触し、水蒸気爆発が生じるといったおそれもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２５３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであって、高温域で脆性を示す材料のクラックの発生及び熱電対穴への応力集中を抑制する分流子及びそれを用いた鋳造金型構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の分流子は、高温域で脆性を示す材料からなり、流れ方向に所定角度を有して配置され、供給された溶湯が最初に接触する接触面と、上記接触面に連続して設けられ、上記溶湯をキャビティ部側に誘導する流路面とを備える分流子であって、分流子内部において、上記流路面に沿って上記接触面方向に延在する熱電対穴を備え、上記熱電対穴は、先端側の径が小さくなるような２つ以上の段差を有することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の分流子においては、前記熱電対穴の段差は、分流子の長手方向略中央には設けないことが好ましい。また、前記熱電対穴の底部側の段差は、変化率が１．６７未満であることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の鋳造金型構造は、上述した本発明の分流子のいずれかを用いることを特徴としている。
【００１３】
本発明の分流子又はそれを用いた金型構造によれば、高温域で脆性を示す材料からなる分流子であっても、適切に温度制御が行えるとともに、熱電対穴への応力集中を極力避けることにより、金型の破損が防げられる。これにより、サイクルタイム（特にキュアタイム）の大幅短縮につながり、コストダウンが可能となる。また、強度が合金工具鋼より低く、高温で靱性低下する材料でも、クラックの発生が抑制でき、型寿命が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高温域で脆性を示す材料のクラックの発生及び熱電対穴への応力集中を抑制する分流子及びそれを用いた鋳造金型構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の分流子の一実施形態を示した縦断面図である。
【図２】図１に示した本発明の分流子における熱電対穴近傍の拡大図である。
【図３】従来技術の分流子の一実施形態を示した縦断面図である。
【図４】図３に示した本発明の分流子における熱電対穴近傍の拡大図である。
【図５】従来技術の分流子の一実施形態における熱電対穴近傍の拡大図である。
【図６】合金工具鋼及び銅合金の温度に対する脆性シャルピー衝撃値を示したグラフである。
【図７】本発明の分流子を用いた鋳造金型構造の一実施形態を示した縦断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の分流子における熱電対穴近傍の熱応力の測定値を示した概念図であり、（ｂ）は従来技術の分流子における熱電対穴近傍の熱応力の測定値を示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の分流子について具体的に説明する。図１は本発明の分流子の一実施形態を示した縦断面図であり、図２は図１に示した本発明の分流子における熱電対穴近傍の拡大図である。一方、図３は従来技術の分流子の一実施形態を示した縦断面図であり、図４は図３に示した本発明の分流子における熱電対穴近傍の拡大図である。
【００１７】
本発明の分流子５は、供給された溶湯をキャビティ部側に案内する部材であり、図１及び２に示されているように、流れ方向に所定角度を有して配置され、供給された溶湯が最初に接触する接触面５１と、上記接触面５１に連続して設けられ、上記溶湯をキャビティ部側に誘導する流路面５２とを有する分流子である。そして、この分流子５内部において、上記流路面５２に沿って上記接触面５１方向に延在する熱電対穴５３が設けられており、上記の熱電対穴５３には、長手方向に２つ以上の段差が設けられていることが最も特徴的な構成である。このような構成により、この熱電対穴５３の先端が接触面５１と流路面５２との境界近傍に位置することとなり、この接触面５１と流路面５２との境界近傍における分流子５内部の温度を測定することができる。
【００１８】
従来の分流子５’においては、図３及び４に示されているように、熱電対穴５３’が本発明と同様に流路面５２に沿って接触面５１方向に延在して設けられているが、長手方向の段差が１つ設けられた構成又は設けられていない構成である。このような従来の分流子５’では、高温域で脆性を示す材料からなる場合には、以下のようなメカニズムによって熱電対穴に応力が集中し、鋳造金型が破損するといった問題を有していた。
【００１９】
１．ハイサイクル化によって、内部冷却及び外部冷却の時間が短くなる中、溶湯の熱エネルギーに加えて射出エネルギーが分流子に伝熱し、分流子の温度が上昇する。
２．この温度上昇に伴い、分流子の降伏応力が下がる。
３．分流子の冷却時に発生する表面引張応力が、分流子の降伏応力を超えることにより、クラックの起点が発生する。
４．高温域で脆性を示す材料においては、降伏応力低下と同時に、靭性（シャルピー値）も急激に低下する。
５．従来の分流子内部に設けられた熱電対穴における段差は、応力が集中しやすい形状であり、かつプランジャーチップの荷重により最大変形する部位に設けられている。
６．上記の事象が重なった中、プランジャーの射出荷重（衝撃荷重）がかかることで、図５に示されたように、分流子の流路面５２表面のクラックが、最も内部応力集中する熱電対穴５３’の段差部に向かって急激に進展する。
７．クラックがさらに進展し、分流子内部に設けられた冷却水路まで到達した場合、内部冷却水がクラックから漏れて溶湯と接触し、水蒸気爆発が生じることもある。
【００２０】
そこで、本発明の分流子５においては、先端側の径が小さくなるような２つ以上の段差を熱電対穴５３に設けることにより、上記５．に挙げられた要因を改善し、熱電対穴への応力集中を極力避けることにより、金型が破損することを防げるといった効果を奏している。
【００２１】
また、本発明の分流子においては、充填時にプランジャーチップからの圧力を受けることにより圧縮応力もかかるため、熱電対穴の段差は分流子の長手方向略中央には設けないことが好ましく、金型から突出している部分を基底とし基底から分流子の先端までを全長としたとき、特に分流子の先端から３６％以上８０％以下の範囲には設けないことがより好ましい。さらに、材料力学的には、穴径が大きい程又は段差が大きい程、応力が集中することから、応力を緩和するために、穴径をより小さくし、段差も小さくすることが好ましい。ただし、高温域で脆性を示す材料はネバい材料であり、切粉排出性が悪いので、穴径を小さくすることにも製造上の限界があり、さらには、細い熱電対を用いる場合には、熱電対の位置ズレ（射出時の振動によるズレ）を防ぐために、バネ等による基底部側からの押圧が必要となり、構成が複雑になってしまう。そのため、本発明の分流子においては、熱電対穴の底部側の段差は、変化率が１．６７未満であることが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明の分流子は高温域で脆性を示す材料からなるものであるが、この高温域で脆性を示す材料としては、銅合金、タングステン合金等が挙げられ、特に銅合金では強度と熱伝導率とベリリウムフリー（環境対応）の観点でコルソン銅Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系が好適である。従来の合金工具鋼は、図６に示されたシャルピー衝撃値のグラフからわかるように、温度上昇につれ靭性が向上することから、高温域で脆性を示さないが、この高温域で脆性を示す材料は、３００℃を超えたあたりから、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２以下となり、中間温度脆性を示し、急激に靭性が低下し、ヒートクラックの発生が顕著となる。本発明の分流子においては、特定の段差を熱電対穴に設けることにより、応力集中を緩和し、このような高温域で脆性を示す材料を用いても、分流子の内部冷却水がクラックから漏れ、アルミ溶湯と接触するような金型の破損を防ぐことができる。
【００２３】
次に、本発明の分流子を用いた鋳造金型構造について詳細に説明する。図７は本発明の分流子を用いた鋳造金型構造の一実施形態を示した縦断面図である。本発明の鋳造金型構造では、図７に示されたように、固定金型２と、この固定金型２の所定の面に当接可能な可動金型３と、溶湯供給部４と、分流子５と、湯口スリーブ６と、冷却部材７とが設けられている。固定金型２及び可動金型３は、それぞれの当接面が略鉛直面となるように配置される。この可動金型３は、固定金型２に当接した当接位置と、固定金型２から離間した離間位置との間で、略水平方向に移動可能に構成されている。固定金型２及び可動金型３における当接面には、それぞれ所定形状の凹部が備えられており、これらの凹部により形成されたキャビティ部１１が鋳造される鋳造物の形状となるよう構成されている。このキャビティ部１１には、溶湯をキャビティ部１１に供給する直線状のランナ部１２が接合されている。
【００２４】
次いで、キャビティ部１１及びランナ部１２の下方において、溶湯供給部４が固定金型２に配置されている。この溶湯供給部４は、筒状のスリーブ４１と、このスリーブ４１の周面に形成された溶湯供給口４２と、スリーブ４１の内部に摺動自在に配置されるプランジャ４３とから構成されている。スリーブ４１は、略水平方向に延びるように配置されており、先端が可動金型３側に開口している。このスリーブ４１の基端側の上側には、溶湯供給口４２が形成されており、溶融されたアルミニウム合金等の溶湯がここからスリーブ４１内に供給される。プランジャ４３には、スリーブ４１の内面形状に対応した形状を有するプランジャチップ４３１と、このプランジャチップ４３１に連結されてプランジャチップ４３１を前進及び後退させる駆動装置４３２とが備えられている。このプランジャ４３においては、駆動装置４３２により、スリーブ４１の内部を基端側からスリーブ４１の先端側に向かってプランジャチップ４３１を前進させ、または、スリーブ４１の内部をスリーブ４１の先端側から基端側に向かってプランジャチップ４３１を後退させることができる。
【００２５】
また、本発明の分流子５は、可動金型３におけるキャビティ部１１及びランナ部１２の下方に設けられており、可動金型３に嵌合されて、スリーブ４１の開口に対向して配置されている。本発明の分流子５には、上述したように、流れ方向に所定角度を有して配置され、供給された溶湯が最初に接触する接触面５１と、上記接触面５１に連続して設けられ、上記溶湯をキャビティ部側に誘導する流路面５２とを有しており、図７に示された構成においては、接触面５１がスリーブ４１から供給される溶湯の流れ方向に略垂直に配置され、一方、流路面５２が分流子５の上面側に配置されている。この流路面５２には、接触面５１から連続して略水平方向に延びる湾曲面部と、この湾曲面部から連続して上方に向かって湾曲して略垂直に起立する垂直面部とを有して、スリーブ４１から水平方向に供給された溶湯を、上方のランナ部１２へ垂直方向に案内することができる。
【００２６】
さらに、本発明の分流子５は、強度を向上させるために、高温域で脆性を示す材料よりも強度の高い材料からなり、上記構成を入子状に嵌め込む形状の保護部材を設けてもよく、また、溶湯が固化されて鋳造された製品を鋳造金型構造１から取り外すために、例えば可動金型３側から固定金型２側に突出させて鋳造物を離型させる摺動可能なピン部材を設けてもよい。
【００２７】
また、スリーブ４１の先端において、略円環形状を有する湯口スリーブ６が連結されている。この湯口スリーブ６は、分流子５の接触面５１及び流路面５２との間に所定の隙間をあけて配置され、分流子５の外面における接触面５１及び流路面５２とは異なる部位に当接して配置される。この構成により、湯口スリーブ６の内面と分流子５の流路面５２との間にランナ部１２の一部が形成され、溶湯をキャビティ部１１に供給する供給路として機能する。
【００２８】
さらに、本発明の分流子５の内側５４に、分流子５の適切な温度制御のために、冷却媒体を流通させて分流子５を冷却する冷却部材７を設けてもよく、この冷却部材７の構成は、分流子５の温度制御を好適に行えるものであればいずれのものであってもよい。
【００２９】
次に、本発明の鋳造金型構造１において行われる鋳造工程について説明する。
まず、固定金型２と可動金型３とを当接させると共に、プランジャチップ４３１をスリーブ４１の基端側に配置させる。また、冷却部材７に冷却水を流通させておく。この状態で、溶湯供給口４２からスリーブ４１の内部に溶湯を供給する。スリーブ４１の内部に溶湯が供給された後、駆動装置４３２を駆動させて、プランジャチップ４３１をスリーブ４１の先端側に前進させる。すると、スリーブ４１の内部に供給された溶湯は、プランジャチップ４３１に押圧されて分流子５側に流入する。分流子５側に流入した溶湯は、分流子５の接触面５１に接触して、この接触面と滑らかに連続している流路面５２側に上昇する。更に、溶湯は、ランナ部１２を通ってキャビティ部１１に流入して、キャビティ部１１内に充填される。
【００３０】
次いで、キャビティ部１１内に溶湯が充填された後、固定金型２及び可動金型３それぞれにおけるキャビティ部１１近傍に設けられた冷却配管（図示せず）に冷却媒体が流通される。これにより、キャビティ部１１内に充填された溶湯は冷却されて固化される。ここで、キャビティ部１１内に溶湯が充填された状態では、ランナ部１２及び分流子５の接触面５１と前進したプランジャチップ４３１との間にも溶湯が充填されている。これら分流子５の近傍に充填された溶湯は、分流子５の内側に配置された冷却部材７により冷却されて固化される。
【００３１】
キャビティ部１１及びランナ部１２等に充填された溶湯が固化されると、可動金型３が固定金型２から離間されてキャビティ部１１により鋳造された製品が取り出される。このとき、分流子５に設けられたピン部材が固定金型２側に突出して、鋳造金型構造１から製品を離型させる。
【００３２】
以上のような本発明の分流子５及びそれを用いた鋳造金型構造１によれば、高温域で脆性を示す材料からなる分流子であっても、適切に温度制御が行えるとともに、熱電対穴への応力集中を緩和させることにより、金型の破損を防ぐことができる。そして、これにより、サイクルタイム（特にキュアタイム）の大幅短縮につながり、コストダウンが可能となる。また、強度が合金工具鋼より低く、高温で靱性低下する材料でも、クラックの発生が抑制でき、型寿命が向上する。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の分流子について実施例を用いてさらに詳細に説明する。
＜実施例１＞
全長１５０．０９ｍｍのコルソン銅Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉからなる分流子において、ドリルにより切削加工し、基底部から５０ｍｍまでが直径８ｍｍであり、５０ｍｍから１２０ｍｍまでが直径５ｍｍであり、１２０ｍｍから１４４．４ｍｍまでが直径３ｍｍである２つの段差を有する熱電対穴を形成し、実施例１の分流子を設計した。
【００３４】
＜実施例２＞
全長１５０．０９ｍｍのコルソン銅Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉからなる分流子において、ドリルにより切削加工し、基底部から２５ｍｍまでが直径８ｍｍであり、２５ｍｍから１２０ｍｍまでが直径４ｍｍであり、１２０ｍｍから１４４．４ｍｍまでが直径３ｍｍである２つの段差を有する熱電対穴を形成し、実施例２の分流子を設計した。
【００３５】
＜比較例１＞
全長１５０．０９ｍｍのコルソン銅Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉからなる分流子において、ドリルにより切削加工し、基底部から１０２ｍｍまでが直径８ｍｍであり、１０２ｍｍから１４４．４ｍｍまでが直径３．５ｍｍである１つの段差を有する熱電対穴を形成し、比較例１の分流子を設計した。
【００３６】
上記のようにして設計した実施例１及び２並びに比較例１の分流子に対し、剛性解析ＣＡＥソフトを用いて、分流子の熱電対穴近傍にかかる熱応力をシュミレートした。実施例１の測定結果を図８（ａ）に、実施例２の測定結果を図８（ｂ）に、比較例１の測定結果を図８（ｃ）にそれぞれ示した。
【００３７】
これらの結果から明らかなように、図８（ｃ）に示された１つの段差を有する熱電対穴を備えた比較例１の分流子においては、熱電対穴の長手方向略中央付近の応力が６２１ＭＰａであるのに対し、図８（ａ）及び（ｂ）に示された２つの段差を有する熱電対穴を備えた実施例１及び２の分流子では、熱電対穴の長手方向略中央付近の応力が４０９ＭＰａ及び３８５ＭＰａと、約３４．１％及び約３８％もそれぞれ緩和されることが示された。
【符号の説明】
【００３８】
１…鋳造金型構造、２…固定金型、３…可動金型、４…溶湯供給部、５…分流子、
６…湯口スリーブ、７…冷却部材、１１…キャビティ部、１２…ランナ部、
５１…接触面、５２…流路面、５３…熱電対穴
【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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