JP6330375B2 - アルミニウム合金鋳造素材の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金鋳造素材の製造装置に関するものである。

半溶融鋳造法（チクソ鋳造法またはチクソキャスティング法）による鋳造素材としてのビレットを製造する装置として、アルミニウム合金溶湯を直胴状のステンレス容器内に注湯することにより、凝固した素材を得るアルミニウム合金鋳造素材の製造装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１５５２６２号公報

上記技術において、注湯時には溶湯の熱がステンレス容器に伝達するが、この熱はステンレス容器の中央部分において放熱され難いため、当該中央部分が他の部分よりも膨張した状態で溶湯が凝固する。このため、溶湯が凝固した後の抜型が困難となり、アルミニウム合金鋳造素材の生産性に劣るという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、生産性に優れたアルミニウム合金鋳造素材の製造装置を提供することである。

本発明は、注湯前における鋳型の筒部が、当該筒部の有する直胴部よりも鋳型の底部側において、当該底部側の開口に向かって内径が拡径していることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、鋳型の筒部の内径が、当該鋳型の底部側の開口に向かって拡径していることにより、溶湯の凝固過程における鋳型の略中央部分における膨張を緩和することができる。このため、降温するまでであっても抜型が容易となり、注湯から抜型までの時間を短縮することができるため、アルミニウム合金鋳造素材の生産性が向上する。

図１は、本発明の実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置を示す断面図である。 図２は、本発明の実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置が備える鋳型の変形例を示す断面図である。 図３Ａは、アルミニウム合金鋳造素材の製造時を示す断面図である。 図３Ｂは、アルミニウム合金鋳造素材の製造時を示す断面図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、半溶融鋳造法による鋳造時を示す図であり、図４（Ａ）は従来装置により製造されたアルミニウム合金鋳造素材を用いた場合の図であり、図４（Ｂ）は本発明の製造装置により製造されたアルミニウム合金鋳造素材を用いた場合の図である。 図１に示す本発明の実施形態に係る鋳型の比較例に係る鋳型を示す断面図である。 図５Ａに示す比較例に係る鋳型を用いて鋳造したビレットの高さ方向に対する外形を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置を示す断面図であり、図２は本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置が備える鋳型の変形例を示す断面図である。

本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１は、半溶融鋳造法（いわゆるチクソキャスティング法）のためのアルミニウム合金鋳造素材（以下、ビレットとも称する。）を製造するための装置である。半溶融鋳造法とは、ビレットを所定温度に加熱して固相と液相とが共存する状態（半溶融状態）とし、その状態で当該ビレットを鋳型のキャビティ内に押し出して充填することにより自動車部品等の製品を鋳造する方法である。この半溶融鋳造法においては、半溶融状態のビレットの固相と液相における流動性が互いに異なるため、キャビティ内への充填を適切に行うためには、均質なビレットを用いることが良質な鋳造品を製造する上で重要となる。本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１は、図１に示すように、筒形状の筒部２と、当該筒部２の図中下方に設けられた底部３と、を有する鋳型１０を備えている。

鋳型１０の筒部２は、ステンレス等の材料から構成されており、図１に示すように、略一定の内径Ｄ_１を有する円筒形状の直胴部２１と、拡径部２２と、を有しており、これらは一体的に形成されている。なお、直胴部２１と拡径部２２とをそれぞれ独立して形成した後に、それらを接合することにより筒部２を構成してもよい。

直胴部２１は、所定の厚さＷ_１を有し、内径Ｄ_１の開口２１１を有する円筒形状である。本実施形態における直胴部２１は、図１に示すように、高さ方向（図中の上下方向）に沿って略一定の厚さを有しているが、当該直胴部２１の内壁が直胴状であればよく、特にこれに限定されない。

拡径部２２は、図１に示すように、直胴部２１の下方に形成されており、直胴部２１の下端から底部３に向かって内径が漸次的に大きくなる円錐台筒状となっている。このため、拡径部２２の下端（即ち、筒部２の下端）の開口２２１の内径Ｄ_２は、直胴部２１の内径Ｄ_１よりも大きくなっている（Ｄ_２＞Ｄ_１）。この拡径部２２での拡径量Ｅは、ビレットの抜型性向上の観点から、アルミニウム合金の溶湯を鋳型１０に注湯した際の熱により、筒部２の高さ方向略中央部分における径方向への膨張量よりも大きいことが好ましい。

本実施形態における拡径部２２は、直胴部２１の下端から底部３に向かって直線状に傾斜することにより内径が漸次的に大きくなっているが、特にこれに限定されない。例えば、特に図示しないが、直胴部２１の下端から底部３に向かって外側又は内側に湾曲して末広がりとなる円筒形状（ラッパ状等）であってもよい。

また、本実施形態の拡径部２２の厚さは、直胴部２１と等しい厚さＷ_１となっているが、特にこれに限定されない。例えば、図２に示す筒部２Ｂのように、拡径部２２Ｂの外径が略一定の径Ｄ_３であることにより、拡径部２２Ｂの下端（厚さＷ_１）から直胴部２１Ｂ（厚さＷ_２）に向かって徐々に厚さが増加する形状であってもよい。

本実施形態において、拡径部２２の内壁と直胴部２１の内壁とは、当該拡径部２２及び直胴部２１の境界２３において滑らかに連続した形状とされている。この境界２３が形成される位置は特に限定されないが、ビレットの抜型性向上の観点から、底部３から筒部２の全高における２０％〜６０％の領域に境界２３が位置していることが好ましい。

底部３は、筒部２の下端（傾斜部の下端）よりも大きい径又は同径を有する円板形状であり、筒部２と同様の材料から形成されている。この底部３は、筒部２の下方に設けられ、開口２２１を塞いでいる。筒部２と底部３によって形成される鋳型１０のキャビティ４の形状は、アルミニウム合金鋳造素材の製造装置１により製造しようとするビレットのサイズに対応しており、後述するように、不図示の溶解炉等で溶解されたアルミニウム合金の溶湯５が当該キャビティ４内に注湯されることとなる。

本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１を用いてビレットを製造する際は、図３Ａに示すように、まず、不図示の溶解炉で溶解された、たとえばＡＣ４Ｃ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）相当のアルミニウム合金の溶湯５を、離型材（不図示）が内壁に塗布された鋳型１０のキャビティ４に鋳造ラドル等を用いて所定量だけ注湯する。この際、注湯された溶湯の液面が境界２３以上の高さとなり、かつ溶湯５が筒部２の上部の開口２１１から溢れ出ない所定量とする。

次いで、鋳型１０が水平となるよう保持した状態で静置して冷却することにより溶湯５を凝固させる。そして、当該溶湯５の温度が鋳型１０の高さ方向においてバラついている間に、すなわち溶湯５が充分に降温する前に、筒部２と底部３とを相対的に離反させることにより抜型し（図３Ｂ参照）、目的とするビレット５１を得ることができる。抜型する際は、底部３を固定したまま筒部２を上昇させてもよいし、筒部２を固定したまま底部３を下降させてもよい。また、底部３を下降させるとともに筒部２を上昇させてもよい。

次に、本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１の効果について説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１の効果を説明するための図である。

アルミニウム合金鋳造素材の製造装置１の鋳型１０は、通常、大気（空気）に比べて熱伝導性に優れた材料（ステンレス等）から構成されている。このため、当該鋳型１０内に注湯されたアルミニウム合金の溶湯の温度は、当該鋳型１０の高さ方向略中央部分において最も下がり難くなる。このため、従来、アルミニウム合金鋳造素材の製造装置に注がれた溶湯が凝固する際は、当該鋳型１０が高さ方向略中央部分において膨張した形状となっていた。これにより、凝固後のアルミニウム合金鋳造素材（ビレット）が太鼓状に凝固するため容易に抜型することができなかった。このことは、大型のビレットを製造する際により顕著となる。

図５Ａは、図１に示す本例の鋳型１０に対して拡径部２２を省略した比較例に係る鋳型１０を示す断面図であり、拡径部２２が設けられていないこと以外の各種寸法や材質は図１に示す本例の鋳型１０と同じものである。図５Ｂは、この比較例に係る鋳型１０を用いて鋳造したビレットの高さ方向の外径寸法（ビレット試料数＝３）を測定したグラフである。図５Ｂに示すように、底部３から２０％〜６０％の範囲の外径寸法が最も大きいことが理解される。

これに対し、本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１が備える鋳型１０は、直胴部２１の底部３側に拡径部２２が形成されている。これにより、筒部２の下部開口２２１の径Ｄ_２は、境界２３における内径Ｄ_１よりも大きくなっている。

このため、キャビティ４に注がれた溶湯５の熱によって生じる筒部２の略中央部分における膨張が緩和され、放熱によって溶湯５の温度が均一化する前においても抜型を容易にすることができる。すなわち、注湯から抜型までの時間を短縮できるので、ビレット５１の生産性を向上することができる。また、これに伴い、製造時に用いる離型材料の量を抑えることもできる。これら効果は、底部３から筒部２の全高における２０％〜６０％の領域に境界２３が位置している場合においてより向上する。

なお、図２に示す例では、拡径部２２Ｂの存在によって、上記と同様の効果を奏することができると共に、直胴部２１Ｂの厚さＷ_２が拡径部２２Ｂの厚さよりも厚くなっていることにより、溶湯５の熱の放熱性が直胴部２１において向上する。このため、溶湯５の熱による筒部２の略中央部分における膨張を抑制し、抜型がより容易となるため、ビレットの生産性がさらに向上する。

また、筒部が拡径部のみから構成されている鋳型を用いてビレットを製造した場合には、ビレット全体の形状が錐台状となる。このため、当該ビレットを用いて鋳造物を製造する際に、鋳造装置の充填用スリーブ６にビレット５１Ｂをセットすると、図４（Ａ）に示すように、押出シリンダのプランジャチップ７の近傍に形成される空隙７１が大きくなり、その分、鋳造物の製造工程において１回で押し出すことのできるビレットの量が減少することとなる。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）における矢印は、ビレットの押出方向を示す。

この点、本実施形態におけるアルミニウム合金鋳造素材の製造装置１により製造されたビレット５１は、当該製造装置１の直胴部２１に対応する部分においてその径が略一定となっている。このため、図４（Ｂ）に示すように、押出シリンダのプランジャチップ７の近傍に形成される空隙７１を小さくし、鋳造物の製造工程において１回で押し出すことのできるビレットの量の減少を最小限に抑えることができ、鋳造物の生産性を向上することができる。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１・・・アルミニウム合金鋳造素材の製造装置
１０・・・鋳型
２、２Ｂ・・・筒部
２１、２１Ｂ・・・直胴部
２１１・・・開口
２２、２２Ｂ・・・拡径部
２２１・・・開口
２３・・・境界
３・・・底部
４・・・キャビティ
５・・・溶湯
５１・・・ビレット（アルミニウム合金鋳造素材）
６・・・充填用スリーブ
７・・・プランジャチップ
７１・・・空隙

Claims (2)

1. 上下方向に延在する筒部と、前記筒部の下側の開口を塞ぐ底部と、を備える鋳型を用いたアルミニウム合金鋳造素材の製造装置であって、
   前記筒部は、
   前記筒部の上側に形成され、所定の内径の直胴部と、
   前記直胴部の前記下側に形成され、前記直胴部から前記下側の開口に向かって内径が拡径する拡径部と、を有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造素材の製造装置。
2. 請求項１に記載のアルミニウム合金鋳造素材の製造装置であって、
   前記直胴部と前記拡径部との境界は、前記底部から前記筒部の全高における２０％以上、６０％未満の領域に位置していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造素材の製造装置。

Images