JP2003285154A - 粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミック粒子を分散させたアルミニウム合
金等、粒子分散合金材料の低圧鋳造装置において、スト
ークを通して金型のキャビティ内へ導入された溶湯に含
まれる不純物が、製品中に残存しないようにする。 【解決手段】 溶解炉中の溶湯を加圧し、ストークを通
して金型の湯口に導入する低圧鋳造法に用いられる粒子
分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置であって、金
型台に載置された金型のキャビティ上部に、酸化物等の
不純物が溜る不純物溜りを設けた。この不純物溜りは、
浮き上がってくる比重の小さい不純物が収容されやすい
ように、下に開く形状としておくのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック粒子を
分散させたアルミニウム合金等、粒子分散合金材料の低
圧鋳造法に用いられる低圧鋳造装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金鋳物は、鉄、鋼鋳物に
比べて比重が小さいため、同一形状、同一寸法でも格段
に軽いという特徴がある。このため、自動車、産業車
両、鉄道等の材料をはじめ、電気、通信機器、日用品な
ど材料として広く使用されている。近年は、例えばＡｌ
−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ系等を基本とする
アルミニウム合金に、さらにセラミックスなどを配合し
た複合材として、特定の性質を一層強化して、特定の目
的に供する開発も進んでいる。

【０００３】複合アルミニウム合金鋳物には、セラミッ
クスなどの成形体（一般にはプリフォームと呼ばれる）
をアルミニウム溶湯内に均一に分散して強化した粒子分
散型アルミニウム合金鋳物がある。通常、繊維強化型ア
ルミニウム合金鋳物は、個別に用意されたプリフォーム
及びアルミニウムによって、あらかじめその複合化率は
決定されて鋳造される。これに対し、粒子分散型アルミ
ニウム合金鋳物は、あらかじめアルミニウム合金中に一
定の粒子（例えばセラミック粒子等）が調整された原料
を溶湯化して、粒子を均一分散させて鋳造するか、もし
くは個別に用意されたアルミニウム合金溶湯に一定量の
粒子を添加して鋳造するものである。粒子分散型アルミ
ニウム合金鋳物の製造方法としては、２種のセラミック
ス粒子を均一分散させるもの（特開平４−２９７５３５
号）や、粒子を最適分散させる装置及び方法（特開平７
−９０４２３号）等が知られている。これらの方法は、
アルミニウム合金に一定の複合材を混入・分散させ、所
望の完成品を製造することを主たる目的としたものであ
る。

【０００４】粒子分散型アルミニウム合金鋳物の１例と
しては、自動車や鉄道車両のブレーキディスクへの適用
がある。従来の鋳鉄材に代わり、高速化が一段と進むＪ
Ｒ新幹線用の車両等は、摩擦特性のさらなる向上と車両
の軽量化という命題に応えるべく、アルミニウム合金鋳
物への材質転換が指向され、摩擦特性の一段の強化を目
指して、アルミニウムベースの母合金にセラミックスを
均等に分散強化する開発が進められている。例えば、Ａ
ｌ−Ｍｇ合金にＡｌ₂ Ｏ₃ 粒子又はＳｉＣ粒子を分散さ
せたもの（特開平３−４７９４５号）や、Ａｌ−Ｓｉ合
金にＳｉＣ粒子を５〜３０％均等に分散したブレーキデ
ィスクが提案されるなど、特定の部材に要求される特性
を強化する有効な手段として注目を集める分野となって
いる。

【０００５】ところで、粒子分散型アルミニウム合金溶
湯は、双方の溶融点の差、比重差、イオン化傾向、ぬれ
性等、複雑な反応要素が絡み合って、物理的、化学的に
特有の技術的困難性を伴うものである。また、特に鋳造
品を製造するにあたっての造りやすさの指標となる流動
性において、アルミニウム合金溶湯と比べて、粒子分散
型アルミニウム合金溶湯の流動性は、前記のアルミニウ
ム及び粒子双方の物理化学的特性が複雑に絡み合って、
非常に悪いものである。このため、溶湯の流れが悪くな
って、溶湯が金型内に十分に行き渡らず、鋳造品の表面
にブローホールと呼ばれるいわゆる鋳造欠陥が現出する
こととなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】鋳造メーカーが鋳造品
を製作する場合には、その鋳造方法として、重力鋳造
法、低圧鋳造法、高圧鋳造法、その他特殊な鋳造方法を
採用する。これらの中で、自動車用アルミホイールの鋳
造に多く採用される低圧鋳造法は、比較的経済的でかつ
品質の高い鋳造方法として広く利用されている。しかし
ながら、粒子分散型アルミニウム合金溶湯の流動性は悪
いため、通常の低圧鋳造法によって、粒子分散型アルミ
ニウム合金溶湯によるアルミニウム合金鋳物を製作した
場合、自動車用アルミホイールと同様な品質が保たれる
か甚だ疑問である。

【０００７】粒子分散型アルミニウム合金溶湯を用い、
低圧鋳造法によって高品質の鋳造品を製作するには、粒
子分散アルミニウム合金溶湯の流動性を向上させる、ブ
ローホールの原因を除去する、又はその双方の改善が必
須条件となる。粒子分散型アルミニウム合金溶湯を通常
のアルミニウム合金溶湯と同様の手段・方法で低圧鋳造
すれば、ブローホールの現出率が増大することは必須で
あり、この点の改善は、経済性・工業化の点からも避け
て通れない課題である。

【０００８】前記低圧鋳造法では、溶湯液面上に圧力を
加えることにより、ストークを通してアルミニウム溶湯
を上昇させ、溶湯を金型へ注液する。図３、図４は従来
の低圧鋳造装置を表すもので、上型１ａと下型１ｂから
なる金型１がパッキン７を介して金型台２上に載置され
ており、金型台２には下型１ｂの湯口に連通するスリー
ブ３が挿通されている。一方、溶解炉１０の内部に、溶
湯を収容保持する坩堝１２が設けられ、該坩堝内には金
型への溶湯の通路となるストーク５が設けられている。
ストーク５の上端部にはフランジ５ａが一体に設けら
れ、溶解炉の蓋１１上に設けた複数のシリンダ１３によ
って、パッキン７を介して金型台２の下面に押圧固定さ
れている。

【０００９】ところで、上記粒子分散型アルミニウム合
金溶湯の内部には、ブローや酸化物等の介在物（以下
「不純物」という）が存在している。鋳造時には、これ
ら不純物の殆どは金型のキャビティの上部に浮き上が
り、鋳造終了時にはこの部分、すなわち製品の上部にブ
ローホールや介在物が多く出現して、製品不良率を高め
るという問題点があった。

【００１０】上記不純物の存在自体をなくすことは極め
て困難であり、なかば不可避的に溶湯中に存在するもの
であるから、これらに基づく不良品は、鋳造後に当該不
良部分を簡単に除去できるようにするのが効果的であ
る。そこで本発明は、上記不純物による不良品の発生を
防止することのできる低圧鋳造装置を提供することを課
題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような方法を提供する。すなわち、本
発明にかかる粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造
装置は、溶解炉中の溶湯を加圧し、ストークを通して金
型の湯口に導入する低圧鋳造法に用いられる鋳造装置で
あって、金型台に載置された金型のキャビティ上部に、
酸化物等の不純物が溜る不純物溜りを設けたことを特徴
としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
具体的に説明する。図１及び図２は本発明の低圧鋳造装
置の１例を表す縦断面図であり、この低圧鋳造装置１０
０は、上型１ａ，下型１ｂからなる金型１と、該金型を
載置する金型台２と、溶解炉１０を備えている。溶解炉
１０内には溶湯を収容保持する坩堝１２が設けられ、該
坩堝の開口部は溶解炉の蓋１１によって覆蓋されてい
る。なお、蓋１１には、外部のガス供給装置から坩堝１
２内に加圧用の窒素ガス等の不活性ガス（又はエア）を
導入するバルブ（図示を省略）付きの注入パイプ１５が
設けられている。

【００１３】坩堝１２内にはストーク５が設けられてい
る。ストーク５は、下端部が坩堝内の下部に位置し、上
端部にはフランジ５ａが設けられている。そして、この
フランジ５ａが、蓋１１上に設置した複数の液圧シリン
ダ１３によって上向きに押圧され、パッキン７を介して
金型台２の下面に押し付けられている。このシリンダ１
３を収縮させることにより、金型台２からストーク５を
分離させ、溶解炉１０を横移動させることができる。こ
のため、別の場所で合金を溶融・攪拌し、金型の直下部
の鋳造位置に搬入して、上記シリンダで固定し、鋳造を
行うことができるのである。

【００１４】一方、金型１は金型台２上に載置されてい
るが、この金型には鋳造中に上向きの力が作用するの
で、金型の側部に設けたフレーム２５をボルト２６で金
型台２に固定して、当該金型が持ち上がらないようにし
ている。金型台２には、上下方向の通孔が設けられ、こ
の通孔にスリーブ３が嵌合した状態で取り付けられてい
る。また、下型１ｂの底面部には凹部６が設けられ、こ
の凹部にスリーブ３の上端部が嵌合している。スリーブ
３の外径と凹部６の内径とはほぼ同一で、スリーブ３が
隙間なく嵌合している。なお、スリーブ３の下面は前記
金型台２の下面と同一平面となっている。

【００１５】この金型１の上型１ａには、不純物溜り４
０が設けられている。不純物溜り４０は、本来の鋳造用
キャビティ４５の上部に形成される空間部であり、浮き
上がって来る不純物が収容されやすいように、下が広が
る逆漏斗状の形状とするのが好ましい。図示例では、不
純物溜り４０が、下側が次第に広くなる台形断面に形成
されている。

【００１６】この低圧鋳造装置１００を用いて粒子分散
アルミニウム合金の鋳造を行う場合は、溶湯Ｍを入れた
坩堝１２内に注入パイプ１５から窒素ガス等の加圧され
た不活性ガスを導入する。このガスの圧力により、坩堝
内の溶湯がストーク５を通って上昇し、スリーブ３と金
型１の湯道１ｃを通って湯口１ｅから金型のキャビティ
内に導入される。この時、金型内の空気は、金型の合わ
せ面１ｄを通って排気され、ストーク５内の空気は、金
型の合わせ面及びストーク５と金型台２との隙間を通っ
て排気される。溶湯に含まれる不純物Ｆは比重が小さい
ため、この鋳造時に浮き上がってキャビティ上部の不純
物溜り４０内に収容され、本来の鋳造用キャビティ内に
は残留しない。溶湯の加圧が最高となり、溶湯が金型内
に行き渡った状態で加圧用パイプ１５のバルブを閉め、
ストーク５内の溶湯を落下させるとともに、金型内の溶
湯を凝固させる点は、従来技術と同様である。

【００１７】金型内での凝固が終了すると、不活性ガス
による加圧を止め、図示しない排気バルブを開いて除圧
した後、上型１ａを持ち上げて鋳造品を取り出す。そし
て、金型を閉じ、再度鋳造を行う。なお、溶湯Ｍが少な
くなったときや、攪拌の必要が生じたときは、シリンダ
１３を収縮させてストーク５を若干下降させることによ
り、溶解炉１０と金型台２との連結を解除し、該溶解炉
１０を所定の溶解位置まで横移動させて、溶湯の補充や
攪拌を行い、しかるのち再度金型１の直下部に設置して
鋳造を行えばよい。

【００１８】この低圧鋳造装置１００は、金型１のキャ
ビティ上部に、本来の鋳造用キャビティに連通する不純
物溜り４０が設けられているので、鋳造時に、溶湯中の
比重の小さい不純物が浮き上がって、当該不純物溜り４
０内に収容され、本来の鋳造用キャビティ内には不純物
が存在しなくなる。鋳造後は、凝固した鋳造品を金型か
ら取り出し、その上部の不純物溜りの部分を研削、切断
等で除去すればよい。これにより、ブローホール等がな
い高品質の製品が得られるのである。なお、不純物溜り
４０は、不純物ができるだけ多く収容されるようなもの
であればよく、その形状、寸法等は特に限定されない。

【００１９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明にかかる
鋳造装置を使用すれば、金型内で溶湯の凝固が進行する
前に、該溶湯内に含まれるブローや酸化物等の介在物が
金型に設けられている不純物溜りに収容されるので、本
来の鋳造用キャビティにはこれら不純物が存在しなくな
り、高品質の製品が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低圧鋳造装置を表す断面図である。

【図２】その鋳造状態を表す拡大断面図である。

【図３】従来の低圧鋳造装置を表す断面図である。

【図４】その鋳造状態を表す拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 金型 ２ 金型台 ３ スリーブ ５ ストーク １０ 溶解炉 １２ 坩堝 １１ 蓋 １３ 油圧シリンダ １５ 加圧ガスパイプ ４０ 不純物溜り １００ 低圧鋳造装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 良政 大阪府大阪市西区北堀江１丁目12番19号 株式会社栗本鐵工所内 Ｆターム(参考） 4E014 NA02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶解炉中の溶湯を加圧し、ストークを通
   して金型の湯口に導入する低圧鋳造法に用いられる鋳造
   装置であって、金型台に載置された金型のキャビティ上
   部に、酸化物等の不純物が溜る不純物溜りを設けたこと
   を特徴とする粒子分散アルミニウム合金材料の低圧鋳造
   装置。
2. 【請求項２】 不純物溜りが、下に広がる台形状の断面
   を有する形状に形成されている請求項１に記載の粒子分
   散アルミニウム合金材料の低圧鋳造装置。