JPH08155627A - 金属の鋳造法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属の一方向凝固による鋳造法において、鋳
造体の形状、寸法精度がよく、その結果鋳造体の重量精
度が高まり、さらに内部品質がよく、鋳造操作が容易で
あって連続化も可能な方法及びそのための装置を提供す
ること。 【構成】 冷却板上に配置した閉塞性の鋳型内に金属溶
湯を空隙なく充満させ、冷却板からの冷却で溶湯を一方
向凝固させる方法。装置の発明は冷却板上に閉塞性鋳型
を配置し、この鋳型の上部に溶湯受槽を設け、鋳型と溶
湯受槽の間は注入口により連通し、注入口には溶湯の注
入と遮断のための開閉栓を備えた構成からなり、鋳型内
の溶湯は冷却板の冷却により一方向に凝固させるように
した装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属の鋳造法及びその装
置に関し、さらに詳しくはアルミニウム等の冷間鍛造、
熱間鍛造、密閉鍛造、圧延、押出し、転動等の加工にお
いて使用される塑性加工用素材を鋳造したり、あるいは
直接製品の形状（鋳物）に鋳造する方法及びその装置に
関するものである。金属としてはアルミニウム、マグネ
シウム（夫々合金を含む）等の非鉄金属やその他鉄鋼等
にも適用できるが、特にアルミニウム、マグネシウムが
好適である。以下代表的に金属としてアルミニウムを取
上げ説明する。

【０００２】

【従来の技術】先ず鍛造用素材を製造する方法について
説明する。アルミニウムの鍛造用素材は一般的に押出
棒、連続鋳造棒を必要な長さ、厚さに切断するか圧延板
を打抜いて円板にして使用される。押出棒の場合にはア
ルミニウム溶湯を連続鋳造してビレットとし、均質化処
理後押出して丸棒、異形断面棒、中空棒とし、外径寸法
精度を要するものはさらに引抜き工程を経てから、所定
長さあるいは厚さに切断し素材を得る。

【０００３】また連続鋳造棒を用いる場合には、アルミ
ニウム溶湯を連続鋳造して細径棒とした後、熱処理して
外周面を面削し、その後、所定の長さ、厚さに切断す
る。また異形断面棒、中空棒を所定の厚さに切断する。
圧延板を打抜く場合には、先ずアルミニウム溶湯を連続
鋳造して圧延用素材とし、加熱後熱間圧延して圧延板と
する。その後、打抜機にて所定の外径に打抜いて素材と
する。その他、溶湯から直接連続鋳造にて板を得る直接
圧延法を利用して、打抜き素材を得る方法等もある。

【０００４】さらに素材を得る別の方法として金型鋳
造、ダイカスト鋳造、低圧あるいは高圧鋳造等がある。
これらの鋳造法はアルミニウム溶湯を鋳造機に注湯して
鋳造体とした後、湯口、押湯等を切断する工程を経て素
材を得る。

【０００５】これらとは別に鉄鋼の鋳造において、いわ
ゆる一方向凝固の方法が知られている（特開昭５６−５
０７７６）。またアルミニウム合金では試験装置として
の一方向凝固法が知られている（雑誌「鋳物」 第４９
巻 第９号（１９７７年），Ｐ５３９〜５４４）。図２
にその概略を示す。水冷ノズル１０を備えた冷却板１上
に鋳型２を載置し、溶湯７を注入し冷却板により冷却
し、鋳造体６の凝固界面１２を矢印のように下部から上
方に一方向に進行させる方法である。図で９は側壁から
の冷却を防止するための電気炉、８は上蓋である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したような鍛造用
素材を製造する方法にあって、押出し、連鋳棒の切断
は、素材の内部品質は良いが工程が複雑で、加工工数が
多くかかること、そして製造工程の途中で多くのアルミ
屑が発生するために、歩留りが悪いことから製造コスト
が高い。圧延板からの打抜きは、押出し材等と同じ理由
から製造コストが高く、さらに圧延が困難な合金系の素
材の製造は困難である。直接圧延材は、圧延材のコスト
を低減させるための加工法として開発されたものである
が、高力アルミニウム合金は製造が困難であるなど合金
種はさらに限定されるために一般的ではない。

【０００７】金型鋳造、ダイカスト鋳造、低圧鋳造、高
圧鋳造等は上記製法に比して、工程が単純であるが故に
製造コストが連続鋳造棒や展伸材より安いが、内部に鋳
巣、ピンホール、引け巣、酸化物の巻込み等の欠陥を持
っているのが常である。これらの欠陥は、鋳型からの抜
熱によって凝固が進行する時、鋳型壁面から発達した凝
固界面は、鋳塊（鋳造体）の内部で衝突し合いながら進
行するため、凝固終了部が鋳造体内部に取り残され、そ
こが欠陥の発生部位となる。さらに鍛造用素材のように
単純な形状ではあっても、板厚が外径に比して薄いよう
な場合には内部欠陥対策は非常に立てにくい。従って、
特に機械的強度や疲労強度など高いレベルを要求される
構造部材には、鋳物はこれら欠陥の存在のために使用制
限を受ける。また使用される場合でも厳重な品質検査が
行なわれる必要があって、検査費用がかさんだり製品歩
留りが悪化するなどして、出来上がった部品のトータル
コストはかえって鍛造品より高価になることがある。

【０００８】一方、一方向凝固による鋳造体は内部の品
質は良好であるが、従来の方法は溶湯の上面が開放自由
面であるため、鋳型の側壁と接触するメニスカス部は大
きな曲面となり、鋳造体は図３の（ａ）に示すような半
径Ｒの形状となる。押出棒や連鋳棒を切断した図３の
（ｂ）に示すような外周面に直角な面を形成することが
できない。メニスカスの曲面の半径Ｒは、溶湯温度、溶
湯の鋳型への注湯方法、鋳型の振動、その他の要因によ
って大きく変動するために、出来上がった鋳型の形状
は、はなはだしく変化する。特に型鍛造に供する素材に
ついては、素材形状が鍛造製品の出来上がりに与える影
響が大きく、素材の板厚が薄かったり、形状が複雑な物
については、メニスカス曲面の存在を無視できなくな
る。そのため素材に表裏の関係が生じ鍛造型への素材の
投入の向きに制約を受けることになり実用上不向きであ
る。

【０００９】さらに注湯量を一定に制御することが難し
く、できあがった素材の重量のバラツキは大きく、鍛造
時に過負荷がかかって鍛造機が停止したり、あるいは鍛
造製品の寸法形状のバラツキが大きくなるなどの欠点が
あった。従って、従来の技術では安価にして鋳造体内部
品質が良好で、さらに寸法精度と鋳造体の重量精度が高
い素材を得ることはできなかった。

【００１０】本発明の目的は一方向凝固による金属の鋳
造法において、鋳型内に所定量の金属溶湯をバラツキな
く容易に注入でき、得られた鋳造体は内部の品質が良好
で、さらに寸法精度と重量精度に優れた鋳造体を安価に
製造する鋳造法及びその装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は一方向凝固の優
れた点に着目すると共に従来持っていた欠点を解消する
ために研究した結果到達したものである。その鋳造法は
冷却板上に鋳型を配置し、金属溶湯を閉塞された該鋳型
内に空隙を残すことなく充満させ、次いで前記冷却板の
冷却により金属を一方向凝固させることを特徴とする方
法である。

【００１２】またこの方法において鋳型の上部に溶湯受
槽を設け、その溶湯を鋳型に設けた注入口を通して鋳型
内に空隙を残すことなく充満させ、次いで注入口を開閉
栓により遮断して冷却し、一方向凝固を行なうことがで
きる。本発明の鋳造装置は冷却板上に閉塞性鋳型を配置
し、該鋳型の上部に溶湯受槽を設け、鋳型と溶湯受槽と
を鋳型に設けた注入口を通して連通させ、該注入口に溶
湯の注入と遮断のための開閉栓を備えてなり、冷却板の
冷却により鋳型内に空隙なく充満した溶湯の一方向凝固
を可能とした構成からなっている。

【００１３】以下図面を参照して本発明の方法及び装置
を詳しく説明する。図１は本発明の鋳造法に用いられる
装置の一例を示す断面図である。図において１は冷却板
で、その上に鋳型２が配置されている。鋳型２の上部に
は溶解炉等（図示せず）からの溶湯７の受槽３が設けら
れ、図１ではその底部は鋳型の上部と一体になってい
る。そして溶湯受槽３と鋳型とは注入口４により連通し
ている。注入口４には開閉栓５が設けられ、鋳型への溶
湯の注入は開閉栓５を上下に駆動する装置（図示せず）
により引上げて行ない、注入終了後開閉栓を下げて溶湯
を遮断する。８は上蓋、９は溶湯を所定の温度に維持
し、かつ鋳型に注入された溶湯の鋳型側壁からの冷却を
防止するための電気炉である。

【００１４】冷却板はその下部にスプレーノズル１０に
より水を噴射して冷却する。１１はこのノズル１０を収
納固定すると同時に冷却板１を支持している筒状ケー
ス、１１’は冷却水の排水口である。ケースは駆動装置
（図示せず）に連結され、冷却板及びノズルと共に上下
動する。本発明の鋳造法は例えば図１のようにして行な
うことができるが、これに限られるものではなく、その
基本は冷却板上の閉塞された鋳型内に、溶湯を空隙を生
じさせることなく充満させ、これを冷却板からの冷却で
一方向に凝固させることにある。

【００１５】鋳型内の溶湯は鋳型内空間全体に空隙なく
行きわたるようにするため加圧されていることが望まし
い。図１に示した方法では溶湯受槽の溶湯の押湯作用に
より加圧される。これによって鋳型内の溶湯には前記し
た曲線のメニスカス等による空隙は生じない。また得ら
れる鋳造体も鋳型の内面に沿った良好な形状となる。こ
の場合溶湯受槽の溶湯上面の高さが鋳型に充満した溶湯
上面より３０ｍｍ以上上にあることが望ましい。またこ
のようなレベル差を設けることにより溶湯受槽内の溶湯
上面に浮遊している酸化物が鋳型内に流入することがな
い。

【００１６】本発明の鋳造法において、鋳型は溶湯を注
入し充満した後閉塞されておればよく、注入前は上部等
は開放されていてもよい。従って溶湯の鋳型内への注入
は図１の方法に限らず種々の方法を採用することがで
き、例えば鋳型の上面全体を開閉栓とすることもでき
る。注入口は図１では鋳型の上面中央部に一つ設けてあ
るが、その位置や個数は目的とする鋳造体の大きさ、形
状等によって種々選ぶことができる。さらに注入口を鋳
型の側壁に設けることも可能である。

【００１７】鋳型に注入された溶湯は冷却板により主と
して冷却され、側壁等からの冷却を防ぐことが必要であ
る。これによって溶湯は下部から上方に向けて一方向に
凝固する。鋳型空隙内への溶湯の注湯に際しては、冷却
板は１００℃以上の温度になっていることが望ましく、
これより低い温度で注湯すると金型鋳造で一般的にみら
れる欠陥の一種であるきらわれ（図４の（ａ）、（ｂ）
に示すような点や曲線状の凹部形状）が起きるので好ま
しくない。また冷却の効率と品質の確保から上限は溶湯
と同じ温度位が適当である。さらに、きらわれの防止に
は冷却板面に一般によく利用される離型剤を塗布するこ
とは有効である。

【００１８】冷却板の強制冷却の一つの方法は、冷却板
体下面に噴霧されるスプレーや噴射されるシャワーによ
る方法である。他の方法はスプレーやシャワーだけでな
く、図５に示すように冷却板体の内部に穿設された冷却
水配管１３や図６のように冷却板体下部に冷却水槽１４
を設け、その中を通水して行なってもよい。冷却板の強
制冷却は鋳型に注湯後、冷却板が所定の温度に達してか
ら開始する。そして冷却板が所定の温度に到達した時点
で強制冷却を停止する。必要以上に冷却を続けると鋳型
自体の熱を奪って鋳型の温度を低下させ、次の鋳造を行
なうに当って鋳型の望ましい温度以上に加熱するのに必
要以上の時間を要する。強制冷却を停止した後、冷却板
は鋳造体との接触を継続し、所定の温度に達したところ
で冷却板を降下させる。鋳型内の溶湯の冷却は、鋳型底
部の冷却板による強制冷却のみにて行なってもよいし、
途中まで冷却板で行なった後、冷却板を外して直接鋳造
体底部にシャワーやスプレー等によって冷却水を当てて
冷却の促進を図ってもよい。冷却水を鋳造体に直接当て
ることによって冷却速度を上げることが可能で、結果と
して鋳造体底面から遠ざかった凝固界面の進行速度を早
めること、すなわち凝固速度を早めることができ、鋳造
体の凝固組織を調整することができる。

【００１９】つまり、冷却板の近傍では凝固速度が速い
ので結晶粒及びＤＡＳは細かいが、冷却板から遠ざかる
につれて冷却板と鋳造体底面との接触による熱伝達係数
が小さくなるために凝固速度は小さくなる。従って冷却
板を取り除いて冷却水を直接鋳造体底部に当てると、鋳
造体からの抜熱量が急激に増えて冷却速度を増し、凝固
速度を早めることができる。この方法は、特に鋳造体の
板厚が厚い時に効果を発揮し、上下の組織が均質な鋳造
体を得ることができる。さらにこの方法では、鋳物の分
野で見られた合金による鋳造の難易は問題にならず如何
なる合金も良質な鋳物として鋳造し得る。

【００２０】冷却板が１００℃以上になっているところ
に注湯を開始するのが望ましいことは前述したが、その
ため加熱は凝固を終了した鋳造体の保有熱を利用して行
なうことができる。すなわち、冷却を止めた冷却板の上
に鋳込まれた鋳造体が載置されている間に鋳造体の保有
熱は冷却板の温度を高めると同時に自身の冷却を早める
ことができる。さらに冷却板に熱電対等の温度測定装置
を挿入して、冷却板の温度を測定できるようにして、冷
却板が１００℃を超えたら冷却板上の鋳造体を取り除い
てもよい。そしてこの冷却板の温度の測定は鋳型内空間
への注湯の可否を判断することにも利用できる。また冷
却板の温度を測定して各工程の温度変化をモニターして
いれば、上述した注湯の可否、冷却板への冷却水の供給
及び停止、鋳造体の冷却板上への放置と取り出しのタイ
ミングの可否を自動的に判断し、自動操業することが可
能となるので、鋳造を無人で連続的に行なうことがで
き、かつ安定した鋳造体を得ることができる。温度測定
装置は少なくとも冷却板には設けられ、その他必要によ
り上面鋳型、側面鋳型等に設けてもよい。

【００２１】冷却板の材質は、Ｃｕ、Ａｌその他耐火性
に優れ、かつ熱伝導率の高い金属材料が利用される。し
かし、グラファイト、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの熱伝導
率の高い耐火材も使用可能である。冷却板上に配置され
る鋳型は、鋳造体を下から取り出す場合はその側壁に図
７に示すように下方に向けて広がる抜き勾配α°を持た
せると鋳造体の鋳型からの離れがよくなる。この抜き勾
配の大きさは５°以内であることがよく、５°を超える
と鋳造体の外周部の上・下の外径寸法差が大きくなって
鍛造製品の品質を悪くする。また上面鋳型と側面鋳型が
分離できる鋳型の場合は鋳造後、側面鋳型ごと移動させ
て、鋳造体を冷却板に設けたノックピンにより上方に押
上げ、又は真空パッドを鋳造体の上面に当接し、吸引取
り出すことも可能である。この場合は上記と同様の理由
で、鋳型の勾配が上記と反対、即ち上方に５°以下位広
がる鋳型が好ましい。さらに型離れを円滑に進めるには
鋳型面への離型剤の塗布は有効である。

【００２２】鋳型を構成する材料は通常の耐火物、Ｃａ
Ｏ、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ等を主成分とした断
熱耐火物、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、黒鉛、ＢＮ、ＴｉＯ
₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＡｌＮの単体かあるいはこれらの混合耐
火物、その他Ｆｅ、Ｃｕなどの金属でもよい。これらの
中で鋳造する金属あるいは合金種と、使用温度、溶融金
属との濡れ性、耐食性等から統合的に判断し選定され
る。これらの耐火物からなる鋳型は、それ自体が加熱媒
体を内蔵しているか、あるいは電気炉その他の加熱炉に
より外部加熱を受けて、好ましくは上面鋳型と側面鋳型
の上部温度があらかじめ金属の融点と溶湯温度の間程度
の温度に加熱、維持される。また断熱耐火材からなる鋳
型はこれらの加熱を必要としないが、材料によっては補
助的に内部あるいは外部加熱を加えてもよい。鋳型の温
度が低いと耐火物からの凝固が始まって、一方向凝固が
維持できない。鋳型の加熱温度はできるだけ凝固界面が
水平になるように制御するのがよく、側面が先に凝固す
ると凝固界面は中央部がやや凹んだ面となり、逆に耐火
物の温度が高く中央部が先に凝固すると多少山型の面が
形成される。溶湯受槽は、鋳型の上部に鋳型とは別個に
構成され、載置されたルツボであってもよく、また図１
に示すように溶湯受槽の下部に鋳型を構成するように一
体化されたものでもよい。溶湯受槽の材質は、鋳型材質
と同じであっても異なってもよく特別に制約を受けな
い。

【００２３】鋳型の溶湯注入口には開閉栓５が設けら
れ、これを開閉することにより溶湯受槽からの溶湯を鋳
型内に間欠的に供給することができ、注湯と凝固と鋳造
体の取り出しを繰り返し行なうことによって一定周期で
連続的に鋳造体を製造することができる。開閉栓は溶湯
を鋳型内空間に確実に供給することが必要で、さらにそ
の下面からは、鋳型壁面の一部として空間に暴露される
ことから、変形や欠落などを起こしてはならず、その機
能上重要な意味を持つ。

【００２４】従って開閉栓は耐火・断熱材のほかにより
良くは耐火性に優れ、機械的強度の強い材質が選ばれ
る。例えばＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ あるいはそれらの混合体
やその他の耐火材が使用されるが、Ｆｅや鋳鋼その他溶
融金属との反応性のない、あるいは小さい金属材料を使
用することもできる。開閉栓には必要に応じて反応を防
止するために離型剤を塗布してもよい。開閉栓の形状は
先端部が注入口とのテーパーによる摺り合わせになって
いて（図１）、その摺り合わせ部で溶湯を上・下で遮断
する。また別の形状は鋳造体外形より大きい板、すなわ
ち前記したように鋳型の上面部材自体を栓とし、その栓
が上下することによって、溶湯の供給と遮断を行なうこ
とも可能である。溶湯の遮断は鋳型側壁の上端面に開閉
栓（板）を載置して行なう。

【００２５】その他、栓の形状については上述した形状
にとらわれるものではなく、溶湯注入後閉塞できるもの
であれば如何なる形状、材質であってもかまわない。鋳
型内の空間に注湯する時、空間内の気体と溶湯とが円滑
に置換するには、空間内の気体（空気）が外気へ直接放
出されることが望ましい。外気への直接の放出が行なわ
れない場合には、空間内の気体は開閉栓閉口部を通って
外部溶湯受槽内の溶湯中に流入し放出される。従って、
開栓の都度空間内に充填される溶湯と溶湯受槽内の溶湯
は撹乱されて、鋳造体内に巣や酸化物の巻込み、ピンホ
ールやミクロシュリンケージを発生させるだけでなく、
溶湯受槽内に酸化物を発生させことになりそれによって
溶湯が汚染される。

【００２６】鋳型内の空気の放出は、例えば鋳型内の上
面と側壁面とが合致する部位に通気路を設けることによ
って行なうことができる。鋳型内に空気が閉じ込められ
ていると鋳造体を鋳型通りの形状とする場合の妨げとな
る。通気炉は少なくとも鋳型上部には設けられ、その他
必要により鋳型下部、側面、冷却板面の溶湯が接触する
面に設けられる。これらの通気路は１個所あるいは２個
所以上に設ける。空気逃しの通気路は金属溶湯が差込ま
ない微小なものであって、それは例えば図８に示すよう
に多孔質耐火材１５を鋳型壁面にはめ込んで、それを外
気と連通して通気路とするか、あるいは図９に示すよう
に鋳型壁面の一部あるいは全部をグラファイト、Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の多孔質耐火材１６、１７としてもよ
い。

【００２７】他の方法は、鋳型の側壁と上面との接合面
のいずれか、あるいは両方に図１０の（ａ）のように浅
い溝１８を設けるか、あるいは図１０の（ｂ）のように
接合面上に板厚の薄いライナー１９などを載置してスリ
ット状の通気路を設ける方法である。このスリットは、
その厚さが２００μｍ以内がよく、接合面の全面にわた
って形成されていても局所的に形成されていてもよい。
どのような間隔で開口するかは鋳造しようとする金属種
と鋳型の内容積とスリットの厚さとから経験的に決めら
れる。

【００２８】他の方法は図１１に示す細孔２０であっ
て、その直径は２００μｍ以内がよい。細孔をあける間
隔、個数は上記同様経験的に決められる。細孔はドリル
加工、放電加工等機械的加工又は電気的加工法によって
あけられる。他の方法は図１２に示す鋳型の側壁と上面
との間に耐火繊維布２１をはさんで通気路とすることが
できる。布は厚いと溶融金属に繊維を引き抜かれること
が発生し、耐火性に乏しくなり、鋳物形状の不安定性を
引き起こすなどトラブルにつながるので薄い方がよく、
１ｍｍ以内が適当である。

【００２９】耐火繊維布としては市販されているアルミ
ナ繊維布、Ａｌ₂ Ｏ₃ とＳｉＯ₂ の混合繊維布、ガラス
繊維布、カーボン繊維布等、耐火性の布であればよい。
その他空気逃し通路として、鋳型接合面や冷却板上を面
粗しによって粗くしたり、セラミック製のコーティング
剤を塗布する等によって微小通気路を形成させることも
できる。この空気逃しは、鋳型内に空気だまり部が形成
される場合にはその空気だまり部位にも設置が必要であ
る（図１３）。鋳型内空間への溶湯の注入に際しては、
あらかじめＡｒ、Ｎ₂ 、Ｈｅ等の不活性ガスによって、
空間が空気と置換されていることが望ましく、それによ
って注入時の撹乱による酸化物の発生が防止でき、鋳造
体の品質を良好にする。鋳型内が空気で充満されている
と、注湯時に空間内に流入した溶湯と空気中の酸素とが
反応して酸化物を形成し、鋳造体の品質を劣化させる。

【００３０】鋳型内空間をＡｒガス、Ｎ₂ ガス、Ｈｅガ
ス等の不活性ガスで置換するには鋳型自身が通気性を保
持しているか鋳型内壁面からガスを注入する通気路を設
けてやればよい。該通気路は鋳型内面に暴露している部
位であれば如何なるところでもよく、例えば図１４に示
すように鋳型の上部内面に多孔質体１６を組込み、ガス
供給管２１を接続したものや、また図１５のように開閉
栓に内蔵されているものでもよい。通気路は金属溶湯が
差込まない大きさのものが必要であって、形態、材質は
前記の空気逃し通気路と同一概念である。置換された空
気の排出は空気逃し通気路を利用することができる。

【００３１】鋳型内の鋳造体は、凝固収縮とその後の熱
収縮とによって多くは自然落下する。鋳造体の鋳型から
の取り出しは、鋳型から離れ自然落下するものを冷却板
もしくは専用の受皿で受け、側面からエアーノズルで吹
き飛ばしたり、さらに図１６に示す真空吸引パッド２３
を鋳造体の底部に接触させて、機械的に引抜く装置を設
置することで、より確実に鋳造体を取り出すことが可能
である。冷却板が降下しても、鋳造体の熱収縮が十分で
ない間は、通常鋳造体が鋳型に保持されているので、こ
の間に鋳造体の直下に真空吸引パッドを装着して吸引取
り出しを行なう。

【００３２】この場合真空吸引パッドをその内部に冷却
水ノズルを備えた構造とし、鋳造体底面を覆いつつ、ノ
ズルから冷却水を噴出して鋳造体の冷却を促進した後、
真空に吸引して鋳造体を取り出すことも可能である。真
空吸引パッドは、鋳造体の自然落下が円滑に行かなかっ
た時の緊急用の取り出し冶具として使ってもよく、また
それを工程の中に組込んで強制的に取り出す構成にして
もよい。この自然落下がスムーズに行かず、落下されな
かった場合に、その異常を検知するためにフォトセンサ
ーあるいは近接スイッチ、あるいは冷却板の重量測定な
どの検出装置が使用される。

【００３３】以上説明した方法の操作手順の典型例を示
せば次の通りである。各操作を電気計装的に回路に組込
んだ自動制御装置により、自動的に本発明の方法を実施
することができる。 １）不活性ガスの電磁弁を開き、鋳型内の空気を不活性
ガスで置換する。 ２）同上の電磁弁を閉じる。 ３）開閉栓を上げ、溶湯を鋳型内に充満させる。 ４）同上栓を閉じ、溶湯を遮断する。 ５）冷却板の水冷バルブを開とする（冷却板の温度と連
動）。 ６）同上バルブを閉とし、所定時間保持する（同上温度
と連動）。 ７）冷却板を降下させる。 ８）センサーにより鋳造体の落下を検出する。 ８−１）不検出（落下せず）。 ８−２）真空吸引パッド作動、吸着。 ８−３）降下。 ８−４）吸着停止。 ９）エアーノズルを噴射し、鋳造体を取り外す。 １０）冷却板を上昇し、鋳型下部に設置する。

【００３４】

【実施例】

［実施例１］ＶＴＲシリンダードラムを鍛造で製造する
ために用いられる素材を図１の装置を用い鋳造した。ア
ルミニウム合金を別に設けた溶解炉で溶解し、図１の溶
湯受槽に導入して使用した。冷却板は銅板製とし、鋳
型、溶湯受槽、開閉栓は市販の耐火断熱材（イソライト
工業（株）製、商品名：ルミボート）を使用した。鋳型
内のガスの逃げは図１０の（ｂ）のライナーを用いる方
法を使用し、アルゴンガスの注入は図１５の方法によっ
た。以下に鋳造条件及び手順を示す。

【００３５】 １）合金種 ＪＩＳ ２２１８合金 ２）溶湯受槽内の溶湯温度 ７２０℃ ３）鋳型の上部内面と溶湯受槽の溶湯面のレベル差 ５０ｍｍ ４）注湯前冷却板温度 １５０℃ ５）冷却水量 ５リットル／ｍｉｎ ６）アルゴン流量 ２リットル／ｍｉｎ ７）溶湯注入口の径 １２φ ８）電気炉内雰囲気温度 ７５０℃ ９）上面鋳型及び側面鋳型の上部温度 ６８０℃ １０）素材形状 ６２．５ｍｍ径×９ｍｍ厚 １１）鋳造手順 注湯 ２秒後に開閉栓を閉 冷却板 ５００℃で水冷開始 冷却板 ３０℃で水冷完了 冷却板が ２００℃で冷却板降下 １２）鋳造体は冷却板と共に自然落下、回収 この鋳造体を素材にしてカップ状（外径６３ｍｍ、高さ
２０ｍｍ、肉厚５ｍｍ）の形状に冷間鍛造した。鍛造の
前に焼鈍処理（３９０℃×１２時間）を行ない、鍛造に
際しての潤滑膜塗布にはボンデ液を用いた。

【００３６】［実施例２］溶湯受槽内の溶湯面の高さに
よる押湯効果を調べるため、上部鋳型の内面と溶湯受槽
内の溶湯面（注湯終了時）とのレベル差（Ｈ）を変えて
鋳造した。他の鋳造条件は実施例１と同じである。得ら
れた鋳造体の上面の角の形状（図３のメニスカス半径
Ｒ）とＨとの関係は表１の通りである。

【表１】

【００３７】［比較例１］実施例１と同様の素材を以下
の鋳造、押出工程を経て製造し、これを用いて鍛造し
た。 １）合金種 ＪＩＳ ２２１８合金 ２）連続鋳造 ２００φビレット ３）ビレット均質化処理 ４）押出し ６４φ ５）引抜き ６２．５φ ６）焼鈍処理 ３９０℃×１２時間 ７）切断（丸鋸盤） ９ｍｍ厚 ８）鍛造 実施例１と同じ

【００３８】［比較例２］実施例１と同様の素材を以下
の工程で製造し、これを用いて鍛造した。 １）合金種 ＪＩＳ ２２１８合金 ２）連続鋳造 ７０φ細径棒 ３）均質化及び焼鈍処理 ４）外径面削 ６２．５φ ５）切断 ９ｍｍ厚 ６）鍛造 実施例１と同じ

【００３９】以上の実施例１、比較例１、２の結果を表
２に示す。

【表２】 実施例１は注湯の定量性が発揮され、その素材を使用し
た鍛造品の肉厚のバラツキが小さい。素材製造歩留り
は、アルミ 冷却板が ２００℃で冷却板降下程を経た
後に、素材とした時の最終歩留りである。比較例１，２
は丸鋸盤の切断による。切断公差は±０．１５ｍｍであ
る。

【００４０】［比較例３］図２の装置により、鋳型内溶
湯の上面を開放自由面にして鋳造した。溶湯はひしゃく
により計量（７５ｇ）し、鋳型に注湯した。その他の条
件は実施例１と同様にして鋳造体を得、これを用いて実
施例１と同様に鍛造した。その結果を実施例１と比較
し、表３に示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】比較例３では手びしゃくによる注湯のため
に鋳型にきれいに注湯することに手間取り、また鋳造品
を取り出し、鋳型をリセットするのに夫々が手作業とな
って時間を要する。また自動操業は難しく不向きであ
る。さらに、メニスカスは曲面となり重量バラツキが激
しい。これはＡｌ合金溶湯の粘性のために、ひしゃくに
よる定量性が悪く、鋳型へ注入する時も定量を移しかえ
ることができない。またひしゃく溶湯上面の酸化物の巻
込みと、その周辺での巣の発生が認められた。鍛造時に
は板厚が厚いものを打った時には鍛造金型に割れが発生
したり、鍛造機に過負荷がかかったために安全回路が作
動し、鍛造の途中で動作が停止するなどのトラブルが発
生した。これらの状況の中で、形になった鍛造品の底厚
寸法精度は著しく悪く、さらには素材重量が小さいもの
では、材料が金型にまわりきらない欠肉欠陥を生じた。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば一方向凝固の方法におい
て、鋳型内に溶湯を注入する際、計量の必要はなく所定
量を正確に注入でき、また注湯も極めて容易である。そ
して注湯、冷却凝固、鋳造体の取り出しと一連操作を連
続的に行なうことができる。また閉塞された鋳型内に空
隙なく注湯されることから、鋳造体は鋳型内面形状と一
致し、厚みや外面形状の精度が高いものとなる。鋳造体
の内部品質も鋳巣、引け巣、ピンホール、酸化物の巻込
み等の欠陥のない良好なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属の鋳造装置の一例を示す概略断面
図である。

【図２】従来の一方向凝固による鋳造装置の概略断面図
である。

【図３】図２による鋳造体及び押出棒の切断による素材
の断面形状を表わす図である。

【図４】鋳造体にきらわれが生じた状態を示す図であ
る。

【図５】冷却体の冷却方法の一例を示す断面図である。

【図６】冷却体の冷却方法の他の例を示す断面図であ
る。

【図７】テーパー形状の鋳型を示す断面図である。

【図８】鋳型に多孔質体による微小の通気路を設けた状
態を示す断面図である。

【図９】空気を逃がすため全体を多孔質とした鋳型を示
す図である。

【図１０（ａ）】鋳型に空気逃げ溝を設けた図である。

【図１０（ｂ）】鋳型に空気逃げライナーを載置した図
である。

【図１１】鋳型に空気逃げ細孔を設けた図である。

【図１２】鋳型に空気逃げの耐火繊維布をはさんだ図で
ある。

【図１３】鋳型の空気溜り部に空気逃げ多孔質体を設け
た図である。

【図１４】鋳型に不活性ガス供給通気路を設けた図であ
る。

【図１５】開閉栓内に不活性ガス供給通気路を設けた図
である。

【図１６】鋳造体の下部に真空吸引パッドを装着した図
である。

【符号の説明】

１ 冷却板 ２ 鋳型 ３ 溶湯受槽 ４ 注入口 ５ 開閉栓 ６ 鋳造体 ７ 溶湯 ８ 上蓋 ９ 電気炉 １０ ノズル １１ 筒状ケース １１’ 排水口 １２ 凝固界面 １３ 水冷配管 １４ 冷却水槽 １５ 多孔質体 １６ 多孔質鋳型（側壁） １７ 多孔質鋳型（上壁） １８ 溝 １９ ライナー ２０ 細孔 ２１ 耐火繊維布 ２２ 不活性ガス供給管 ２３ 真空吸引パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｄ 45/00 Ａ 8414−4Ｋ (72)発明者 加藤 隆之 福島県喜多方市字長内7840株式会社ショウ テック内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却板上に鋳型を配置し、金属溶湯を閉
   塞された該鋳型内に空隙を残すことなく充満させ、次い
   で前記冷却板の冷却により金属を一方向凝固させること
   を特徴とする金属の鋳造法。
2. 【請求項２】 金属溶湯が閉塞された鋳型内で加圧下に
   充満している請求項１に記載の金属の鋳造法。
3. 【請求項３】 冷却板上に鋳型を配置し、金属溶湯を該
   鋳型の上部に設けた溶湯受槽から閉塞された該鋳型内
   に、注入口を通して空隙を残すことなく充満させ、次い
   で注入口を開閉栓により遮断して、冷却板の冷却により
   金属を一方向凝固させることを特徴とする金属の鋳造
   法。
4. 【請求項４】 溶湯受槽の溶湯上面の高さが鋳型に充満
   した溶湯上面より３０ｍｍ以上上にある請求項３に記載
   の金属の鋳造法。
5. 【請求項５】 閉塞された鋳型の少なくとも上部に設け
   た溶湯が差込まない微小通気路を通してガスを逃がしな
   がら溶湯を鋳型内に充満させる請求項１〜４のいずれか
   に記載の金属の鋳造法。
6. 【請求項６】 鋳型内を不活性ガスで置換した後金属を
   充満させる請求項１〜５のいずれかに記載の金属の鋳造
   法。
7. 【請求項７】 冷却板により先ず鋳型内金属を冷却し、
   次いで冷却板を取り外し、直接水を金属に当接させて冷
   却を行なう請求項１〜６のいずれかに記載の金属の鋳造
   法。
8. 【請求項８】 鋳型内に金属の注湯を開始する際の冷却
   板の温度が１００℃以上、上面鋳型の温度及び側面鋳型
   の上部の温度が金属の融点以上である請求項１〜７のい
   ずれかに記載の金属の鋳造法。
9. 【請求項９】 鋳造体が塑性加工用素材である請求項１
   〜８のいずれかに記載の金属の鋳造法。
10. 【請求項１０】 冷却板上に閉塞性鋳型を配置し、該鋳
    型の上部に溶湯受槽を設け、鋳型と溶湯受槽とを鋳型に
    設けた注入口を通して連通させ、該注入口に溶湯の注入
    と遮断のための開閉栓を備えてなり、冷却板の冷却によ
    り鋳型内に空隙なく充満した溶湯の一方向凝固を可能と
    した金属の鋳造装置。
11. 【請求項１１】 鋳型が加熱炉内に設置されるか又は鋳
    型内に加熱体が内蔵されて、鋳型を加熱可能とした請求
    項１０に記載の金属の鋳造装置。
12. 【請求項１２】 鋳型が側面部材と上面部材とに分割さ
    れ、上面部材は溶湯受槽と一体で保持機構に固定され、
    側面部材は冷却板上に配置され、冷却板と共に昇降可能
    であり、鋳型内の鋳造体を側面部材ごと下げて取り出す
    ことのできる請求項１０又は１１に記載の金属の鋳造装
    置。
13. 【請求項１３】 鋳型と溶湯受槽とが一体で保持機構に
    固定され、冷却板が昇降可能であって冷却板を下げて鋳
    造体の取り出しを行なう請求項１０又は１１に記載の金
    属の鋳造装置。
14. 【請求項１４】 鋳型の少なくとも上部に外気に通じる
    微小な通気路を設けてなる請求項１０〜１３のいずれか
    に記載の金属の鋳造装置。
15. 【請求項１５】 鋳型又は開閉栓に不活性ガスを供給す
    る微小な通気路を設けてなる請求項１０〜１４のいずれ
    かに記載の金属の鋳造装置。
16. 【請求項１６】 通気路が溶湯の差込みのないスリッ
    ト、孔、多孔質耐火材、耐火繊維布である請求項１４又
    は１５に記載の金属の鋳造装置。
17. 【請求項１７】 鋳型の側壁内面が下方に向けて広がる
    テーパーをなし、テーパー角度が５°以下である請求項
    １０〜１６のいずれかに記載の金属の鋳造装置。
18. 【請求項１８】 鋳造体を取り出すための真空吸引パッ
    ドを備えた請求項１０〜１７のいずれかに記載の金属の
    鋳造装置。
19. 【請求項１９】 少なくとも冷却板に温度測定装置を備
    え、その温度により鋳造操作の制御を行なう請求項１０
    〜１８のいずれかに記載の金属の鋳造装置。