(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型に注ぎ込んだ溶融金属の表面に生じた凝固部を溶融させて溶融部を得、ついで前記溶融部を再度凝固させて得た凝固部を再度溶融させて溶融部を得る操作を繰返す際に、前記溶融部の面積以下の範囲を再度溶融させる操作を繰返すことを特徴とする金属鋳造物の製造方法。
【請求項２】
前記溶融金属の表面の溶融と凝固を繰返す際に、前記溶融金属の凝固部の表面周縁部から中心部にいたるように範囲を狭めながら繰返すことを特徴とする請求項１に記載の金属鋳造物の製造方法。
【請求項３】
前記金属鋳造物の凝固表面に、ほぼ楕円形状に階段状の窪みが形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属鋳造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属の凝固方法およびその装置に関する。詳しくは、内部に引け巣がなく、表面に割れのない金属鋳造物を得るための鋳造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属を鋳型に鋳造する際、不適切な冷却を行うと鋳造物内部に引け巣が生じたり、表面に微細な割れが発生したりする。外観上微細な割れであっても、割れは鋳造物内部の引け巣にまで達しているものがある。引け巣にまで達するような表面の割れがあると、雨水が割れや引け巣内にまで浸透する。雨水が浸透した鋳造物を高温の溶湯に投入すると、溶湯が飛び散るなど思わぬ事故を招く場合がある。
【０００３】
図３には、従来の鋳造物を示した。図３（ａ）は鋳造物６０の平面図略図である。図３（ｂ）は、鋳造物６０の正面図略図である。図３（ｃ）は、鋳造物６０の側面図略図である。図３（ａ）、図３（ｃ）には溶融金属が凝固する際の体積収縮により、表面に生じた窪み６１を示した。窪み６１は、不均一な凹凸であり、鋳造物のほぼ全面に広がっている。この窪み６１箇所では、鋳造物内部に引け巣が生じたり、鋳造物の表面に割れが発生したりする。
【０００４】
鋳造物の引け巣や表面割れ発生を防止するために、鋳造時の金属溶湯の加熱、凝固方法およびその装置に工夫がこらされている。従来例として、まず、特開昭５１−１４５４２７号公報には、鋳型に溶湯を注入し、鋳型の底部及び側面から水冷却を行なって徐々に冷却固化する鋳造方法が記載されている。
【０００５】
次に、特許登録３０１４０６８号には、鋳型に溶湯を注入し、鋳型下部に水を噴霧して冷却し、溶湯表面は多数のバーナーで強烈に加熱し、表面の再溶解後に空気を吹付けて一気に冷却させる金属溶湯加熱冷却方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の特開昭５１−１４５４２７号公報に記載された技術は、溶湯表面の一部を、鋳型上に設置したパイプバーナーで、鋳造物表面を連続加熱しながら凝固させる方法である。そのため、割れや引け巣は防止できるが、凝固収縮によって生じる鋳造物上面の凹みの形状や深さの制御はできず、表面に凹凸がないなどの均一な寸法形状の鋳塊を得ることは難しい。寸法形状がばらつくと、外観の不均一だけでなく、倉庫などで段積みして保管する際、不安定となって積み重ねができないなど、安定性に大きな影響を与える。
【０００７】
特許登録第３０１４０６８号に記載された技術は、鋳型内に溶融金属を注ぎ込んだ後に、ある程度固まった溶融金属表面を再溶解させ、上層の約５０ｍｍを固化しないように多数のバーナーで加熱するため、燃料の使用量が膨大である。また、溶融金属の上層約５０ｍｍまで凝固が進むと、溶融金属表面全域に空気を吹付けて一気に凝固冷却する方法であるため、溶融金属上層部の内部には引け巣が発生する可能性がある。
【０００８】
本発明者らは、上述の問題点について究明し、鋳造物上面の凹みの形状、および深さの制御に関しては、加熱位置を固定していること、燃料の使用量に関しては加熱時間等が未制御であること、また、鋳塊上層部の引け巣に関しては、凝固が鋳造物内部で終了すること等、によると考えた。
【０００９】
本発明は、前述の究明結果によるものであり、鋳塊内部に引け巣がなく表面欠陥、例えば割れ、激しい凹凸のない均一形状の鋳造物を低コストで得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、鋳型に注ぎ込んだ溶融金属の表面に生じた凝固部を溶融させて溶融部を得、ついで前記溶融部を再度凝固させて得た凝固部を再度溶融させて溶融部を得る操作を繰返す際に、前記溶融部の面積以下の範囲を再度溶融させる操作を繰返すことを特徴とする金属鋳造物の製造方法である。
【００１１】
本発明の第２の態様は、前記溶融金属の表面の溶融と凝固を繰返す際に、前記溶融金属の凝固部の表面周縁部から中心部にいたるように範囲を狭めながら繰返すことを特徴とする金属鋳造物の製造方法である。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記金属鋳造物の凝固表面に、ほぼ楕円形状に階段状の窪みが形成されたものであることを特徴とする金属鋳造物の製造方法である。
【００１３】
本発明の第４の態様は、溶融金属を注ぎ込んで凝固させるための鋳型と、鋳型の側面および底面を冷却するためのジャケットと、鋳型に注がれた溶融金属の表面を加熱するための加熱装置とが設けられたことを特徴とする金属鋳造物製造装置である。
【００１４】
本発明の第５の態様は、前記加熱装置は、鋳型に注がれた金属の表面を加熱するためのバーナーと、前記バーナーを保持し前記鋳型の長手方向の略中心軸にそって移動可能に設けられた移動部と、前記移動部を支え移動させるための移動部保持台を備えたことを特徴とする金属鋳造物製造装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。図１には、鋳型１、鋳型を保持し冷却するジャケット２、および溶融金属表面を加熱するための加熱装置３の断面図略図を示した。
【００１６】
鋳型１は、例えば、鋼板等の金属を用いて作製される。鋳型１の形状は、上面が開放された長方形箱型状であり、上方向に冷却金属が容易に抜き出せるよう、箱型側面には勾配がつけられている。鋳型１の上面には、ジャケット２の上端に鋳型１の端部を載せて互いに固定できるよう、フランジ部１１が設けられる場合がある。また、鋳型１の底部には、鋳造物を運搬する場合に治具を通すための溝、例えば、フォークリフトの爪を通すための溝を設けるため、山１２が形成されている場合もある。
【００１７】
ジャケット２は、例えば、鋼板等の金属を用いて作製される。ジャケット２の形状は、上部が開放された長方形箱型状である。ジャケット２は、装入された鋳型１の外側周囲を冷却水５によって冷却できるように形状等が決められる。ジャケット２には、ジャケット２内に冷却水を通すためのノズルが設けられている。例えば、図１の例では左側面に設けられており、ノズル２２は冷却水入口であり、ノズル２３は冷却水出口である。ジャケット２の上端面内側には、鋳型１のフランジ部１１を載置して固定できるようフランジ部２１が設けられている。
【００１８】
次に、加熱装置３について説明する。加熱装置３は、一般に使用されているハンドバーナーを、モーター等の動力を用いて前後（左右）に移動できるように設けられた移動部３２に、取り外し可能に固定された構造である。すなわち、バーナー３１は移動部３２に取り外し可能に取付けられている。この移動部３２は、図面では、矢印３４で示すように左右に移動可能となっている。すなわち、移動部３２は、鋳型の長手方向の略中心軸にそって移動可能に設けられている。
【００１９】
バーナーに用いるガスは、例えばＬＰＧ等の還元性ガスを用いることが好ましい。また、ガス噴射口は加熱範囲を可変できるものが好ましい。特に亜鉛鋳造物の表面を溶解する際、ＬＰＧバーナーを用いると鋳造物表面の酸化も少なくなる。ＬＰＧバーナーは熱量も高く、表面溶解量を制御し易く、バーナーの火炎速度も適度に有している。そのため、表面が溶解する際に浮遊する滓、例えば酸化物等、が吹き寄せられるので、容易に掻き取ることができるので都合が良い。
【００２０】
この、移動部３２は、自動運転することで、鋳型１の中心から左右の振れ幅、１振幅時間、振れの継続時間等が設定できる。また、バーナー３１は、図面では１基となっているが、複数設けても良い。さらに、移動部３２は、ユニバーサルジョイントのように前後左右や回転等自在に回動可能に設定できる。この移動部３２は、鋳型１の側に固定または移動可能に設けられた移動部保持台３３に保持されている。
【００２１】
この加熱装置３を使用する例を以下に説明する。鋳型１の底部及び側面はジャケット内に注入された水により冷却されている。鋳型１内に溶融金属４が注入されると、溶融金属の凝固が始まる。このとき、表面に浮遊する酸化物等は除去する（スキミング）。酸化物を除去することにより、凝固した表面への熱伝導が良くなり、外観が良くなる。そして、鋳型１内で溶融金属の表面の凝固が始まり、前記表面の中心部まで凝固する。そして、表面凝固部が形成される。
【００２２】
表面のみ凝固している状態では、表面より下、すなわち鋳造金属内部には未凝固の溶融金属が残存している。そこで、表面の凝固部の所定範囲を加熱装置３を用いて加熱溶解し、冷却して表面を凝固させる。いわゆる、凝固部を形成する。この溶融と凝固を繰り返し行い、その都度この加熱溶解、凝固の範囲を調整する。
【００２３】
表面の中心部まで凝固してから、所定の範囲の表面のみを加熱する時間は、凝固した表面金属を素早く溶解できるように、なるべく間隔を短くする方が良い。いったん、表面中心部まで凝固させるのは、加熱回数を減らし凝固時間を短くするためである。表面を溶解する面積は、都度変わるが、最大でも鋳造物の表面中心部から５０％程度が望ましい。鋳造物の周縁部では、鋳型への吸熱も大きいため溶解に手間取るうえ、溶解、凝固時に形状が不整となる。そのため、周縁部は溶解しないほうが良い。
【００２４】
本発明の実施の形態では、溶解方法は以下のように実施される。溶融金属を鋳込んだ後、表面が凝固後に、最初は鋳造物表面の半分程度の広範囲に加熱して表面を溶解させ、再度凝固させる。次に、加熱範囲を前の溶解範囲に同じか狭くして加熱し、凝固するという操作を繰り返す。なお、加熱範囲が前の溶解範囲に同じとなる場合は、鋳造金属の凝固表面状態を確認して、同じ範囲を再度溶解する場合等の例が挙げられる。この操作により、表面を鋳造物の中心に向って階段状に楕円が重なった形状に凝固できる。
【００２５】
表面を加熱して溶融する際、溶融される表面の厚みは表面から数ｍｍ以下程度の深さであり、加熱溶融される範囲の表面の下層は、まだ凝固しないで溶融状態となっている。表面の加熱、溶融を繰返すうちに、下層の溶融金属は鋳型周辺の凝固層から徐々に凝固範囲が拡張され、鋳造物の中心部に達して凝固が完了する。
【００２６】
最初に加熱して表面を溶融させ、次の表面を加熱して溶融する操作を行う場合、表面を加熱する範囲は、前の加熱範囲に対し８０％以下程度に狭める方が望ましい。さらに望ましくは、前の加熱範囲に対し６０％以下に狭める。狭める範囲は凝固する金属の組成、鋳込み時の温度、冷却条件、鋳込み量によって異なり、都度設定すれば良いが、亜鉛系の合金では狭める範囲を前の加熱範囲に対し４０％以下とするのが望ましい。
【００２７】
このように、徐々に加熱範囲を狭め、最終的に引け巣が発生し難い程度の大きさの範囲になるまで行う。引け巣が発生しにくい程度の大きさとは、鋳造物の大きさ、材質等に合わせて行えば良い。例えば、巾３００×高さ３００×長さ１５００ｍｍの亜鉛鋳造物の場合、巾３００×長さ１５００ｍｍに対して、半径１００ｍｍ程度の範囲で十分である。
【００２８】
加熱範囲の狭め方が大きい場合には、形状が安定しなくなる。逆に、加熱範囲の狭め方が小さい場合には、加熱、溶融の回数が増えるので、生産性から好ましくない。このように、加熱範囲を徐々に狭める（すなわち、凝固範囲を狭める）ことにより凝固方向が表面から鋳造物の重量中心軸方向に向うようになって安定し、さらに、狭める範囲を鋳造物表面の中心から相似形状に行うことにより、鋳造物の中心部に凝固方向が向くことになり、より好ましい状態となる。
【００２９】
この加熱、冷却を、鋳型内の溶湯が完全に凝固するまで、例えば、バーナーで加熱しても再溶解しなくなる程度にまで繰り返す。加熱回数及び加熱場所（範囲）は鋳塊の形状及び組成により異なるため、試験などにより最適な条件をつかむことが必要であるが、この条件は、例えば最初の鋳造物、あるいは鋳造物の成分毎に応じて確認することで決められる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、鋳造物の中心部が最終的に凝固する例に基づいて説明したが、本発明では最終凝固位置を鋳造物の中心からずらした場合にも適用でき、所望の最終凝固位置に応じて本発明を実施すれば良い。
【００３１】
以上の方法で凝固させることにより、鋳造物の上面は、上下に重ねる際に段積み安定性がよい凹状となり、鋳塊内部に引け巣がなく、割れ、激しい凹凸のない均一形状の鋳造物を低コストで得ることができる。
【００３２】
なお、本発明は、鋳造に適するものであれば、ほとんどの金属元素に適用できるが、引け巣が発生し易い、亜鉛、鉛亜鉛系、銅亜鉛系等の亜鉛合金を鋳造する際に効果的である。もちろん、アルミニウム亜鉛合金系、特にアルミニウム−アンチモンー亜鉛、アルミニウム−鉛−亜鉛、アルミニウム−マグネシウム−亜鉛、アルミニウム−ランタン−セリウムー亜鉛に最も効果的である。
【００３３】
【実施例】
亜鉛メッキ用大型亜鉛塊の製造の例について以下に説明する。まず、金属製の鋳型に溶湯を注ぎ込んだ。次に、溶融金属表面のスキミングを行なって、金属表面に浮いた滓を除去した。鋳型底部及び側面部はジャケット内に水を注入して冷却した。鋳型内の溶融金属は、鋳型に接した部分から凝固した。鋳造後時間が経過して、ある程度擬固が進むと、大気と接している溶湯表面も凝固が始まった。
【００３４】
表面中央部が凝固したら、加熱装置を用いて図４としての表１に示したように加熱、凝固を繰り返した。表１では、例えば、加熱回数１回目は、溶湯表面の中心部が凝固した時点を９分とし、このとき、図１に示す装置を用い片側４００ｍｍ、全長８００ｍｍの範囲で加熱バーナーを用いて表面を加熱溶解し、空冷して凝固させた。次いで２回目は、１回目から１０分後に、１回目と同様に片側４００ｍｍ、全長８００ｍｍの範囲で加熱バーナーで表面を加熱溶解し、凝固させた。以下同様な操作をした。
【００３５】
１品種例の加熱パターンを図４としての表１に示した。鋳造物の寸法は、幅が約３００ｍｍ、高さが約３００ｍｍ、長さが約１５００ｍｍである。重量は、８５０ｋｇである。形状は図１で示したものに近似している。
【００３６】
表１には、加熱装置の加熱回数に対する鋳造後の経過時間、加熱毎の加熱時間、凝固中の鋳造物表面の加熱範囲を示した。ここで、加熱時間は加熱を行なっている時間であり、加熱範囲は鋳造物中心を基準としたバーナーの移動範囲である。
【００３７】
図２には、本実施例による鋳造物を示した。図２（ａ）は鋳造物４０の平面略図である。図２（ｂ）は、鋳造物４０の正面略図である。図２（ｃ）は、鋳造物４０の側面略図である。図２（ａ）、図２（ｂ）には溶融金属が凝固する際の体積収縮により、表面に生じた窪み４１を示した。窪み４１は、鋳造物のほぼ全面に広がっている。なお、窪みの深さは、表面の凹凸の最大深さで３ｃｍであった。
【００３８】
この窪み４１は、本発明の加熱装置を用いて表面の加熱、溶解、凝固が繰返されるため、鋳造物の中心に向って階段状に楕円が重なった表面形状となっている。すなわち、表面には不均一な凹凸がなくなっている。また、表面の加熱、溶解、凝固が繰返されるため、鋳造物の体積収縮に応じた窪みを形成できるので、内部の引け巣発生を格段に抑制する効果がある。また、表面の加熱、溶解、凝固が繰返されるため、表面の割れの発生を防止することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の加熱装置を用いて鋳造した結果、内部に引け巣がなく、割れや不均一な凹凸のない均一形状の鋳造物を低コストで得ることができた。また、この方法で得られた鋳造物は、上下に積み重ねた際に接触する部分が平滑になることから、段積み時の安定性が十分確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明による鋳造物を示す図である。
【図３】従来例の鋳造物を示す図である。
【図４】図４と示した表１であり、本発明の試験結果である。
【符号の説明】
１  鋳型
２  ジャケット
３  加熱装置
４  溶融金属
５  冷却水
１１  フランジ部
１２  山
２１  フランジ
２２  冷却水出口
２３  冷却水入口
３１  バーナー
３２  移動部
３３  移動部保持台
３４  バーナーの移動方向
４０  鋳造物
４１  窪み
６０  鋳造物
６１  窪み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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