JP3592260B2

JP3592260B2 - 還元鋳造方法

Info

Publication number: JP3592260B2
Application number: JP2001186914A
Authority: JP
Inventors: 恵介伴
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: EP1270117A2; JP2003001403A; US20020195221A1; EP1270117B1; BR0202321A; US6802359B2; CN1192835C; EP1270117A3; CN1393309A; DE60227029D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋳造時に金属の溶湯の表面に形成される酸化被膜を還元して鋳造する還元鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造方法には重力鋳造法（ＧＤＣ）、低圧鋳造法（ＬＰＤＣ）、ダイキャスト（ＤＣ）、スクイズ（ＳＣ）、チクソモールドなどさまざまな方法がある。これらはいずれも成形型のキャビティ内に溶湯を注入して所定形状に成形して鋳造するものである。これらの鋳造方法のうち、溶湯の表面に酸化被膜が形成されやすいもの、たとえばアルミニウム鋳造などでは、溶湯の表面に形成された酸化被膜によって表面張力が大きくなり、溶湯の流動性、湯周り性、溶着性が低下し、溶湯の未充填、湯じわ等の鋳造欠陥が生じることが問題となっている。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、本出願人は還元鋳造方法によりアルミニウムの溶湯の表面に形成される酸化被膜を還元して鋳造する方法を開発した。この還元鋳造方法では、窒素ガスとマグネシウムガスとを用いて強い還元性を有するマグネシウム窒素化合物（Ｍｇ３Ｎ２）を生成し、このマグネシウム窒素化合物をアルミニウムの溶湯に作用させ、溶湯の表面に形成される酸化被膜を還元して鋳造する。マグネシウム窒素化合物を成形型のキャビティの表面に析出させた状態で溶湯を注入することによって、溶湯がキャビティの表面に接触する際に溶湯の表面の酸化被膜を還元して溶湯の表面張力を低減させ、溶湯の流動性と濡れ性を向上させることができ、これによって、鋳造欠陥がなく、湯じわ等のないすぐれた外観の鋳造製品を容易に製造することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の還元鋳造方法では、マグネシウム窒素化合物といった還元性化合物を溶湯に作用させて溶湯の表面に形成される酸化被膜を還元して鋳造することが特徴である。このため、鋳造に際してはマグネシウム金属と窒素ガスとを反応させてマグネシウム窒素化合物を生成した後、金属の溶湯にマグネシウム窒素化合物を作用させている。マグネシウム窒素化合物を生成する方法としては、成形型とは別の加熱炉等であらかじめマグネシウム窒素化合物を生成する方法と、成形型のキャビティ内に窒素ガスとマグネシウムガスとを別々に導入し、キャビティ内でマグネシウム窒素化合物を生成する方法がある。
【０００５】
いずれの場合も、マグネシウム金属を加熱してマグネシウムガスとし、このマグネシウムガスと窒素ガスとを反応させてマグネシウム窒素化合物を生成する。マグネシウム窒素化合物は還元性がきわめて高いから、その生成段階及び溶湯に作用させる段階では非酸化性雰囲気下で処理しなければならない。ところで、従来の還元鋳造方法においては、マグネシウムガスと窒素ガスとを反応させてマグネシウム窒素化合物を生成するといったように、金属ガスと窒素ガスとを使用している。上述したように、還元鋳造方法では還元性化合物の還元性を損なわないようにする必要があり、通常の鋳造装置にくらべて鋳造操作に注意を要する。したがって、装置構成等ができるだけ簡略化できれば、装置構成が簡略化できるとともに鋳造操作が容易にできて望ましい。
【０００６】
本発明は、これらの問題を解消すべくなされたものであり、その目的とするところは、金属の溶湯表面に形成される酸化皮膜を還元して好適な鋳造を可能にし、すぐれた外観の鋳造品を容易に製造することができるとともに、鋳造装置の構成も簡略化することができる還元鋳造方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造方法において、成形型のキャビティ内を非酸化性雰囲気とした後、前記溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造することを特徴とする。
また、前記金属ガスと反応しないキャリアガスにより金属ガスを輸送して溶湯に金属ガスを作用させることを特徴とする。
また、前記キャビティ内を非酸化性雰囲気とする方法として、前記金属ガスと反応しないキャリアガスを前記キャビティ内に導入してキャビティ内の酸化性雰囲気と置換すること、前記キャビティ内を真空吸引することを特徴とする。
また、前記還元鋳造方法において、金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、金属ガスとしてマグネシウムガスを使用することにより、好適なアルミニウム鋳造を行うことができる。また、前記マグネシウムガスのキャリアガスとしてアルゴンガスが好適に使用できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明に係る還元鋳造方法を利用して鋳造する鋳造装置の全体構成を示す説明図である。なお、以下ではアルミニウム鋳造に使用する例を示すが、本発明はアルミニウム鋳造に限定されるものではない。
図１で１０は成形型であり、１２はキャビティ、１４はランナー、１６は湯口、１８はランナー１４の開口部を開閉する栓である。栓１８を開いて湯口１６からキャビティ１２にアルミニウムの溶湯を注入し、キャビティ１２内で溶湯を凝固させることにより所定形状に鋳造することができる。
【０００９】
２０はキャリアガスとしてのアルゴンガスを供給するためのアルゴンガスボンベである。アルゴンガスボンベ２０はバルブ２２が介装された配管２４を介して成形型１０のキャビティ１２と連通する。２６は流量計である。
３０は金属の供給タンクであり、本実施形態ではマグネシウム粉末３２を収容する。供給タンク３０は、一方でアルゴンガスボンベ２０に連通する配管２４のバルブ２２よりも上流側の位置に配管３４を介して連通し、他方で加熱炉４０とアルゴンガスボンベ２０とを連通する配管４６の中途に配管３６を介して連通する。３８は配管３６の中途に介装したバルブである。
【００１０】
４０は金属を加熱して金属ガスを生成する加熱炉である。本実施形態では、加熱炉４０の炉内温度を、マグネシウム粉末３２が昇華する８００℃以上に設定している。
アルゴンガスボンベ２０と加熱炉４０とはバルブ４２を介装した配管４６によって連通される。配管４６はその先端４６ａが加熱炉４０内で底部近傍まで延出するように設置する。バルブ４２は配管４６上で、配管３６と配管４６との接続部分よりも上流側に配置する。４４は流量計である。
加熱炉４０と成形型１０とは配管５０を介して連通する。配管５０の基端５０ａは加熱炉４０内の上部に配置され、配管５０の先端は成形型１０のランナー１４に接続する。
【００１１】
本実施形態の鋳造装置を用いたアルミニウムの還元鋳造は、以下のようにして行われる。
まず、バルブ３８およびバルブ４２を閉めた状態でバルブ２２を開け、アルゴンガスボンベ２０から成形型１０のキャビティ１２内にアルゴンガスを流入させ、キャビティ１２内からエアを排出し、キャビティ１２内を非酸化性雰囲気にする。この操作でキャビティ１２に流入させるアルゴンガスの流量は流量計２６によって制御することができる。キャビティ１２内にアルゴンガスを充填してキャビティ１２内を非酸化性雰囲気とした状態で、ランナー１４を栓１８によって封止する。
【００１２】
なお、キャビティ１２内を非酸化性雰囲気とする方法としては、本実施形態のような非酸化性のアルゴンガスをキャビティ１２に流入させてキャビティ１２内のエアをパージする方法の他に、キャビティ１２内を真空装置を用いて真空吸引し、キャビティ１２からエアを排出して非酸化性雰囲気とする方法も可能である。真空装置によりキャビティ１２内から排気する際は、成形型１０のベント孔（図示せず）を封止してキャビティ１２内を密閉した状態で行うようにする。
【００１３】
次に、バルブ２２およびバルブ４２を閉め、バルブ３８を開けてアルゴンガスボンベ２０から供給タンク３０にアルゴンガスを流入させ、加熱炉４０にマグネシウム粉末３２を供給する。なお、加熱炉４０にマグネシウム粉末３２を供給する際には加熱炉４０の内部を事前に非酸化性雰囲気としておく必要がある。このため、バルブ２２およびバルブ３８を閉めた状態でバルブ４２を開けてアルゴンガスボンベ２０から加熱炉４０にアルゴンガスを流入させ、加熱炉４０内のエアを排出し、その後、加熱炉４０にマグネシウム粉末３２を供給する。
なお、マグネシウム粉末３２を加熱炉４０に供給するごとに加熱炉４０にアルゴンガスを流入させ加熱炉４０内を非酸素雰囲気とするかわりに、配管５０にバルブを介装しておき、適宜バルブを開閉して加熱炉４０の内部を外部から常時遮断して非酸素雰囲気を維持するようにすることも可能である。
【００１４】
加熱炉４０にマグネシウム粉末３２を供給した後、バルブ３８を閉める。加熱炉４０ではマグネシウム粉末３２が加熱されて昇華しマグネシウムガスとなる。本実施形態ではこのマグネシウムガスが還元性物質として作用する。
次に、バルブ４２を開き、アルゴンガスボンベ２０から加熱炉４０にアルゴンガスを流入させ、アルゴンガスをキャリアガスとして加熱炉４０内のマグネシウムガスを成形型１０のキャビティ１２内に送出する。アルゴンガスをキャリアガスとして加熱炉４０内のマグネシウムガスをキャビティ１２に供給する際には、流量計４４によりアルゴンガスの流量をモニターしてアルゴンガスの流量を適宜制御することができる。
【００１５】
なお、成形型１０のキャビティ１２にマグネシウムガスを導入する場合は、加熱炉４０を用いてマグネシウムガスを発生させ、アルゴンガス等のキャリアガスを用いてマグネシウムガスをキャビティ１２に導入する方法が一般的である。なお、加熱炉４０からマグネシウムガスをキャビティ１２に供給する方法としては、１回の鋳造操作ごと供給タンク３０から一定量ずつマグネシウム粉末を加熱炉４０に供給してマグネシウムガスを発生させる方法、キャリアガスの流量を制御して加熱炉４０からキャビティ１２に供給する量を制御する方法等がある。キャリアガスの流量によってマグネシウムガスの供給量を制御する場合は、加熱炉４０に随時マグネシウムを供給すればよい。もちろん、マグネシウムは粉末状のものの他、顆粒状のものや小片状のもの等を供給してもよい。その場合、加熱炉４０内でマグネシウムは溶融状態となっている。
【００１６】
成形型１０のキャビティ１２にマグネシウムガスを導入した後、湯口１６からランナー１４を介してアルミニウムの溶湯をキャビティ１２に注入する。栓１８をランナー１４から外すことによって、湯口１６から溶湯がキャビティ１２内に注入される。
ランナー１４からキャビティ１２に注入されたアルミニウムの溶湯は、少しずつキャビティ１２を充填していくが、マグネシウムはアルミニウムにくらべて酸化活性が強いから、キャビティ１２に導入されているマグネシウムガスの作用により、アルミニウムの溶湯の表面に形成されている酸化皮膜が還元され、酸化皮膜から酸素が奪われ溶湯の表面が純粋なアルミニウムに還元されて鋳造される（還元鋳造方法）。
【００１７】
キャビティ１２内は事前に非酸化性雰囲気としているが、キャビティ１２に残存している酸素はマグネシウムガスと反応し、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなって溶湯中に取り込まれる。キャビティ１２に残存している酸素量はわずかであり、したがって、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムとなる量は少量であり、また、安定な化合物であるためこれらがアルミニウム鋳造品の品質に悪影響を与えることはない。
【００１８】
本実施形態ではマグネシウムガスが還元性物質として作用し、アルミニウムの溶湯表面に形成された酸化皮膜から酸素を奪い、アルミニウムの溶湯表面が純粋なアルミニウムとなって鋳造される。大気下ではアルミニウムの溶湯はきわめて酸化しやすく、溶湯の表面に形成された酸化皮膜により表面張力が大きくなって湯周り性等が阻害されるのに対して、本実施形態の場合は、アルミニウムの表面が純粋なアルミニウムとなることにより溶湯の表面張力が小さくなり、溶湯の濡れ性、湯周り性が良好となり、キャビティ１２の内壁面との転写性（平滑性）が良好となって、湯じわ等のない良好な外観の鋳造品を得ることが可能になる。また、溶湯の充填性が良くなることから、溶湯の未充填等の欠陥がなくなり、キャビティ１２に短時間（数秒程度）で溶湯を充填することが可能になる。
【００１９】
なお、上記実施形態はアルミニウム鋳造に適用した例であるが、アルミニウム合金の鋳造にも同様に適用することができる。また、アルミニウム以外にマグネシウムまたは鉄等の金属、またはこれらの合金の鋳造にも好適に利用することができる。
また、上記実施形態ではアルミニウムの溶湯に還元性物質としてマグネシウムガスを作用させたが、還元性物質は溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元する作用を有するものであればマグネシウムガスに限定されるものではなく、適宜金属ガスあるいは適宜化合物を使用することができる。なお、還元性物質は金属の溶湯表面に形成される酸化皮膜を還元する作用を有するものであればよく、その還元特性は鋳造で使用する金属との関係において選択される。また、還元性物質は加熱することにより気体状、粒子状となってキャリアガスにより容易に輸送することができる金属あるいは化合物が好適に使用できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る還元鋳造方法は、上述したように、キャビティを非酸化性雰囲気とした後、溶湯に金属ガスを作用させることによって、溶湯の表面に形成される酸化皮膜を還元して鋳造することができ、溶湯の表面張力を低減させて、溶湯の流動性、金型との濡れ性を向上させることができる。これにより、溶湯の湯周り性が良好となり、湯周り性を確保するための保温、断熱離型剤の使用を減らしまたは廃止することができ、安価で高品質の鋳造方法として提供することができる。また、溶湯に還元作用を作用させるため、金属ガスと窒素ガスとを反応させて還元性化合物を生成する必要がなくなり、鋳造装置の構成を簡素化できるとともに、鋳造操作を容易にすることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋳造方法を利用して鋳造する鋳造装置の全体構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０成形型
１２キャビティ
１４ランナー
１６湯口
１８栓
２０アルゴンガスボンベ
２２、３８、４２バルブ
２４、３４、３６、４６、５０配管
２６、４４流量計
３０供給タンク
３２マグネシウム粉末
４０加熱炉

Claims

溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造する還元鋳造方法において、
成形型のキャビティ内を非酸化性雰囲気とした後、
前記溶湯の金属よりも還元性の強い金属ガスを溶湯に作用させ、溶湯の表面に形成された酸化皮膜を還元して鋳造することを特徴とする還元鋳造方法。
前記金属ガスと反応しないキャリアガスにより金属ガスを輸送して溶湯に金属ガスを作用させることを特徴とする請求項１記載の還元鋳造方法。
キャビティ内を非酸化性雰囲気とする方法として、前記金属ガスと反応しないキャリアガスを前記キャビティ内に導入してキャビティ内の酸化性雰囲気と置換することを特徴とする請求項１または２記載の還元鋳造方法。
キャビティ内を非酸化性雰囲気とする方法として、前記キャビティ内を真空吸引することを特徴とする請求項１または２記載の還元鋳造方法。
請求項１、２、３または４記載の還元鋳造方法において、金属の溶湯としてアルミニウムまたはその合金の溶湯を使用し、金属ガスとしてマグネシウムガスを使用することを特徴とする還元鋳造方法。
マグネシウムガスのキャリアガスとしてアルゴンガスを使用することを特徴とする請求項５記載の還元鋳造方法。